JPH04214156A - エンジン駆動式ヒートポンプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、暖房運転時エンジン排
熱を冷媒に回収する冷媒加熱器を設けたエンジン駆動式
ヒートポンプに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来のエンジン駆動式ヒートポンプは、
暖房運転時外気温度が低下すると圧縮機負荷が低下する
ので、これに伴いエンジン負荷も低下する。このため当
然にエンジン排熱も低下し、冷媒加熱器における加熱能
力が低下するという悪循環を生じていた。これに対し、
エンジンで駆動される圧縮機の他にエンジンで駆動され
る発電機と、該発電機の発電電力により発熱する電気ヒ
ータとを設けたエンジン駆動式ヒートポンプ利用の熱源
装置が、特公平１−２６４６３号公報に開示されている
。この装置は、図３に示すように外気温度が一定温度以
上の通常時には、エンジンａにより圧縮機ｂのみを駆動
し、凝縮器ｃと冷媒加熱器ｄとで被加熱流体を加熱し、
寒冷期において蒸発器ｅへの着霜や着氷により、蒸発器
ｅでの吸熱作用が著しく低下又は不能となったような悪
条件下での運転時には、発電機ｆのみをエンジンにより
駆動して、ヒートポンプを停止する一方、冷媒加熱器ｄ
と電気ヒータｇとで被加熱流体を加熱するもので、発電
機ｆと圧縮機ｂとを背反的にエンジン駆動するようにし
たものである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記熱
源装置におけるエンジン駆動式ヒートポンプは、外気温
が低い暖房運転時には、電磁クラッチｈ及びｉにより圧
縮機ｂを止め発電機ｆを駆動して発電機ｆの発電電力に
より発熱する電気ヒータｇと、冷媒加熱器ｄにより被加
熱流体を加熱するもので、直接冷媒回路を循環する冷媒
を加熱するものでないので、ヒートポンプサイクルの効
率的利用がなされていないという問題点がある。即ち、
エンジンにより圧縮機及び発電機を同時に駆動して、電
気ヒータとエンジン排熱により冷媒を加熱すれば圧縮機
の負荷が上昇し、これによりエンジン負荷も連動的に上
昇する。このためエンジンの排熱量が大きくなって、冷
媒加熱器における冷媒の加熱能力を高めることができる
。本発明は上記した点に着目してなされたもので、外気
温が低い暖房運転時の暖房能力を向上させることができ
るエンジン駆動式ヒートポンプを提供することを目的と
するものである。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の具体的手段として、エンジンにより駆動される圧縮機
と、暖房運転時エンジンの排熱を冷媒に回収する冷媒加
熱器とを冷媒回路に設けるとともに、前記エンジンによ
り電磁クラッチを介して駆動される発電機と、該発電機
の発電電力により発熱する電気ヒータとを備えてなるエ
ンジン駆動式ヒートポンプにおいて、冷媒を加熱するべ
く前記電気ヒータを冷媒回路に配設するとともに、外気
温センサと前記電磁クラッチを作動，非作動に切替える
電磁クラッチ制御手段とを設け、暖房運転時外気温セン
サの検出する外気温度が所定温度以下の場合、前記電磁
クラッチ制御手段により電磁クラッチを作動させ、圧縮
機とともに前記発電機を同時に駆動するようにしたこと
を特徴とするエンジン駆動式ヒートポンプが提供される
。

【０００５】

【作用】上記エンジン駆動式ヒートポンプの作用は以下
の通りである。暖房運転時、外気温センサが所定温度以
下の外気温度を検出すると、電磁クラッチ制御手段が電
磁クラッチを非作動から作動に切替える。このため、エ
ンジンの回転駆動力が発電機に伝達されて圧縮機ととも
に発電機が駆動される。そして、発電機の発電電力によ
り発熱する電気ヒータと、エンジン排熱の双方により冷
媒が加熱される。この時、加熱される冷媒の温度上昇に
より圧縮機の負荷が上昇し、これに伴いエンジン負荷が
連動的に上昇してエンジン排熱温度が一層高くなり、冷
媒の加熱が促進され暖房能力が向上する。

【０００６】

【実施例】（第１実施例） 本発明の第１実施例を添付図面に基づいて説明する。図
１は、本発明のエンジン駆動式ヒートポンプの構成図で
ある。図において、１はエンジン，２は圧縮機，３は発
電機であって共にエンジン１により駆動される。４はエ
ンジン１と発電機３の駆動連結を断続させる電磁クラッ
チである。冷媒回路Ａは、基本回路Ｂと冷媒加熱回路Ｃ
とから構成される。基本回路Ｂは、圧縮機２，四方弁５
，暖房運転時には凝縮器として、また冷房運転時には蒸
発器として機能する室内熱交換器６，第１の減圧装置７
，暖房運転時には蒸発器として、冷房運転時には凝縮器
として機能する室外熱交換器８，アキュムレータ９及び
該アキュムレータ９と前記四方弁５の間に介装された逆
止弁１０から構成される。また冷媒加熱回路Ｃは、前記
室内熱交換器６と第１の減圧装置７の間から分岐して、
前記逆止弁１０とアキュムレータ９間に連結されるもの
で、第２の減圧装置１１，冷媒加熱器１２，電気ヒータ
１３及び電磁弁１４から構成される。電気ヒータ１３は
、前記発電機３の発電電力の通電により発熱して冷媒を
加熱する。

【０００７】温水回路Ｄは、熱回収回路Ｅと放熱回路Ｆ
を並列に接続して構成される。熱回収回路Ｅは、エンジ
ン１に付設した排気熱交換器１５により暖められるエン
ジン冷却水を、第１の温水電磁弁１６を介してエンジン
１と冷媒加熱器１２の間を循環させ、放熱回路Ｆは前記
エンジン冷却水を第２の温水電磁弁１７を介してエンジ
ン１とラジエータ１８の間に循環させる。１９は外気温
センサであって、外気温度の検出信号を制御装置２１へ
入力する。制御装置２１は、図示しない電子制御ユニッ
トメモリ等から構成され、前記外気温センサ１９の他図
示しない各種センサ及び冷暖房モード設定スイッチ，風
量設定スイッチ等の信号を入力して、前記エンジン１，
電磁クラッチ４，電磁弁１４及び第１，第２の温水電磁
弁１６，１７等に対する制御信号を出力して適宜自動運
転を行う。その他２２は室内ファン、２３は室外ファン
である。

【０００８】上記構成の本実施例の作動について以下に
説明する。 （Ｉ）寒冷期における暖房運転モードで外気温が所定温
度以下の低温の場合。まず、エンジン１の始動とともに
、外気温センサ１９の外気温度の検出信号に基づいて電
磁クラッチ４が作動し、圧縮機２とともに発電機３が駆
動される。四方弁５は冷媒を実線矢印の向きに循環させ
るように設定されている。圧縮機２で圧縮され高圧状態
の冷媒は、四方弁５を介して室内熱交換器６へ供給され
、室内ファン２２で引き起こされる空気流と熱交換され
放熱し、低圧側へ流れる。そして、この熱交換により暖
められた空気により室内を暖房する。この時、冷媒加熱
回路Ｃに介装された電磁弁１４は開かれ、かつ温水回路
Ｄの第１の温水電磁弁１６が開かれ第２の温水電磁弁１
７が閉じられている。従って、室内熱交換器６を通過し
た冷媒は、冷媒加熱回路Ｃへ流入して、第２の減圧装置
１１で減圧された後冷媒加熱器１２へ供給される。冷媒
加熱器１２では、エンジン１及び排気熱交換器１５によ
って、暖められ熱回収回路Ｅを循環するエンジン冷却水
により、冷媒が加熱されるとともに、発電機３の発電電
圧の印加により発熱する電気ヒータ１３により更に加熱
される。そしてこの加熱された冷媒が、アキュムレータ
９を介して圧縮機２の吸入側に帰還され再び圧縮される
。

【０００９】上記のような暖房運転状態にあっては、前
記冷媒加熱回路Ｃに流入する冷媒が、冷媒加熱器１２及
び電気ヒータ１３の双方により加熱されるため、圧縮機
２の負荷が上昇し、圧縮機２と発電機３を駆動するエン
ジン１の負荷も相乗的に上昇して、排熱量が大きくなり
冷媒加熱器１２における加熱能力が一層高まる。このた
め暖房効率が向上する。この場合室外熱交換器８及び室
外ファン２３は作動しない。

【００１０】（ＩＩ）暖房運転モードで外気温が所定温
度以上の通常暖房運転時の場合。この場合は、冷媒加熱
回路Ｃに介装された電磁弁１４は間欠的にオン・オフ制
御される。この電磁弁１４が開いている状態では、前記
（Ｉ）の場合と同様の作動となるが、電磁クラッチ４は
非作動状態であり発電機３は駆動されない。従って電気
ヒータ１３による冷媒の加熱は行われない。電磁弁１４
が閉じている状態では、室内熱交換器６から流出する冷
媒は冷媒加熱回路Ｃへ流入することなく、第１の減圧装
置７により減圧されて室外熱交換器８へ供給され、室外
ファン２３により発生する外気流と熱交換して吸熱する
。上記のように冷媒は外気とエンジン排熱との双方から
交互に吸熱動作を行うもので、暖房能力及び暖房効率が
高い。

【００１１】（ＩＩＩ）暖房負荷が小さい中間状態にお
ける能力制御運転時の場合。この場合、冷媒加熱回路Ｃ
に介装した電磁弁１４は閉じたままとなって、冷媒の吸
熱は室外熱交換器８において外気からのみ行われる。こ
の場合第１の温水電磁弁１６は閉じられ、第２の温水電
磁弁１７は開かれた状態となり、放熱回路Ｆによりラジ
エータ１８にエンジン冷却水が循環し、エンジン排熱を
放出する。第１の温水電磁弁１６が閉じられているため
、冷媒加熱器１２へはエンジン冷却水は循環しない。

【００１２】（ＩＶ）冷房運転を行う場合。この場合は
、四方弁５が切替わり第１図の破線矢印で示すように冷
媒を循環させる。この冷房運転モードにおいては、発電
機３の駆動は行われず、第１の温水電磁弁１６も閉じら
れていて、第２の温水電磁弁１７が開き、放熱回路Ｆに
よりエンジン１の冷却水がラジエータ１８へ循環して放
熱し冷却されるようになっている。冷房運転モードは、
上記のように通常のヒートポンプサイクルにより行われ
るもので、既に公知であるとともに本発明の要旨外であ
るので詳細な説明は省略する。

【００１３】（第２実施例） 第２実施例装置は、特にバス車両等に用いられる補助エ
ンジン式空調装置であって、図２はそのシステム構成図
である。冷媒回路Ａは補助エンジン３１に直結された圧
縮機３２、四方弁３３、暖房運転時には凝縮器として、
冷房運転時には蒸発器として機能する室内熱交換器３４
、膨張弁３５、暖房運転時には蒸発器として、冷房運転
時には凝縮器として機能する室外熱交換器３６、前記補
助エンジン３１の冷媒冷却用の冷媒加熱器３７、電気ヒ
ータ３８及びアキュームレータ３９とにより構成される
。

【００１４】前記室内熱交換器３４にはブロワ４０を対
向させて設け、その室内熱交換器３４とブロワ４０との
間にヒータコア４１を配設する。ヒータコア４１には、
温水電磁弁４２を介装した温水配管４３により車両走行
用のエンジン４４の冷却水を循環させるようにする。ま
た、前記室外熱交換器３６と、前記補助エンジン３１に
より駆動される室外ファン４５との間にはラジエータ４
６を配設する。さらに、前記補助エンジン３１と冷媒加
熱器３７とは冷却水循環用配管４７により接続し、冷媒
加熱器３７へ向かう配管には補助エンジン３１の排熱を
回収するための排気熱交換器４８を介装する。そして、
補助エンジン３１へ向かう配管には三方弁４９を介装す
るとともに、三方弁４９の切換により冷却水を前記ラジ
エータ４６に循環させる配管５０を分岐する。前記排気
熱交換器４８には、排気路切換ダンパ５１の切換により
補助エンジン３１の排気ガスを導いて、冷却水と排気ガ
スとの間で熱交換を行う。ブロワモータ５２と前記ブロ
ワ４０とは、ユニバーサルシャフト５３により回転駆動
可能に連結する。さらに、ブロワモータ５２には、電磁
クラッチ５４を付設しＶベルト５５により伝達される前
記補助エンジン３１の回転駆動力の伝達、非伝達を後述
する制御装置７１の制御信号により行う。

【００１５】電源５６には、ブロワモータ駆動回路５７
と前記電気ヒータ３８を発熱させるためのヒータ回路５
８を接続し、モータリレー５９とモータ・ヒータ切換リ
レー６０とを介装する。６１は外気温センサであって、
外気温度の検出信号を制御装置７１へ入力する。制御装
置７１は、図示しない電子制御ユニットメモリ等から構
成され、前記外気温センサ６１の他図示しない各種セン
サ及び冷暖房モード設定スイッチ，風量設定スイッチ等
の信号を入力して、前記補助エンジン３１，電磁クラッ
チ５４，温水電磁弁４２，三方弁４９，排気路切換ダン
パ５１，モータリレー５９及びモータ・ヒータ切換リレ
ー６０等に対する制御信号を出力して適宜自動運転を行
う。

【００１６】上記構成の補助エンジン式空調装置の作動
について、前記第１実施例の説明に準じて以下に説明す
る。（Ｉ）寒冷期における暖房運転モードで外気温が所
定温度以下の低温の場合。まず、補助エンジン３１の始
動とともに、外気温センサ６１の外気温度の検出信号に
基づいて電磁クラッチ５４が作動し、圧縮機３２ととも
にブロワモータ５２が回転されユニバーサルシャフト５
３によりブロワ４０が駆動される。このとき、四方弁３
３，三方弁４９は冷媒を実線矢印の向きに循環させるよ
うに設定されている。また、排気路切換ダンパ５１は補
助エンジン３１の排気ガスを排気熱交換器４８へ導くよ
うに切換られている。そして、モータ・ヒータ切換リレ
ー６０を図２の破線状態に切換えてヒータ回路５８を閉
成させ、回転駆動されるブロワモータ５２が発電する電
力により電気ヒータ３８を発熱させる。ブロワモータ５
２を回転駆動させることにより、補助エンジン３１の負
荷が増加して、排気ガス温度及び冷却水温度の上昇が速
まる。

【００１７】圧縮機３２で圧縮され高圧状態の冷媒は、
四方弁３３を介して室内熱交換器３４へ供給され、ブロ
ワ４０で引き起こされる空気流と熱交換され放熱し、低
圧側へ流れる。そして、この熱交換により暖められた空
気により室内を暖房する。室内熱交換器３４を通過した
冷媒は、実線矢印で示すように膨張弁３５を経て室外熱
交換器３６へ流入して、外気と熱交換を行い冷媒加熱器
３７へ供給される。冷媒加熱器３７では、冷却水循環用
配管４７を循環する補助エンジン３１のエンジン冷却水
により、冷媒が加熱されるとともに、発熱する電気ヒー
タ３８により更に加熱される。そしてこの加熱された冷
媒が、アキュムレータ３９を介して圧縮機３２の吸入側
に帰還され再び圧縮される。

【００１８】上記のような暖房運転状態にあっては、冷
媒が前記冷媒加熱器３７及び電気ヒータ３８の双方によ
り加熱されるため、圧縮機３２の負荷が上昇し、圧縮機
３２と発電機として作動するブロワモータ５２を駆動す
る補助エンジン３１の負荷も相乗的に上昇して、排熱量
が大きくなり前記冷媒加熱器３７における加熱能力が一
層高まる。このため暖房効率が向上する。さらに、車両
走行用のエンジン４４のエンジン冷却水の温度が所定温
度（例えば５０°Ｃ以上）に上昇したとき、制御装置７
１の指令により温水配管４３に介装された温水電磁弁４
２を開いて、ヒータコア４１にエンジン冷却水を循環さ
せることにより、室内熱交換器３４で加熱された空気を
更に昇温させることができ、従来の予熱機付温水式暖房
装置の２〜３倍の暖房立上り特性を得ることができる。

【００１９】（ＩＩ）暖房運転モードで外気温が所定温
度以上の通常暖房運転時の場合。車両が走行している場
合は、車両走行用のエンジン４４の冷却水排熱量は、室
温を維持するのに十分の熱量である。このため、補助エ
ンジン３１を停止し、電磁クラッチ５４をオフするとと
もに、モータリレー５９を破線状態に切換え、モータ・
ヒータ切換リレー６０を実線状態に切換えて、ブロワ駆
動回路５７を閉成し電源５６によりブロワモータ５２を
回転駆動させブロワ４０により送風する。車両停車中等
で前記エンジン冷却水の熱量が減少した場合は、前記補
助エンジン３１を運転するヒートポンプサイクルにより
暖房を行う。この時のヒートポンプサイクルの運転制御
は、圧縮機３２の回転数，電気ヒータ３８のオン・オフ
，排気路切換ダンパ５１の切換及びブロワ４０の風量等
に応じて、所定の制御プログラムにより行われる。

【００２０】（ＩＩＩ）冷房運転を行う場合。この場合
は、補助エンジン３１を駆動し、四方弁３３，三方弁４
９及び排気路切換ダンパ５１を破線状態に切換え、図２
の破線矢印で示すように冷媒を循環させる。この冷房運
転モードにおいては、電磁クラッチ５４をオンするとと
もに、モータリレー５９及びモータ・ヒータ切換リレー
６０は切換えて、ブロワモータ駆動回路５７及びヒータ
回路５８を開く。これにより、ブロワモータ５２が単な
る回転伝達機構として用いられ、補助エンジン３１によ
りブロワ４０が回転する。また、前記温水配管４３の温
水電磁弁４２を閉じヒータコア４１を作動させないよう
にする。この冷房運転時には、三方弁４９の前記切換え
により補助エンジン３１の冷却水がラジエータ４６へ循
環して放熱し冷却されるため、冷媒加熱器３７で冷却さ
れる冷媒の過冷却度が増加し従来装置に比較して冷房能
力が高まる。冷房運転モードは、上記のように通常のヒ
ートポンプサイクルにより行われるもので、既に公知で
あるとともに本発明の要旨外であるので第１実施例と同
様詳細な説明は省略する。

【００２１】上記したように第２実施例は、既設のブロ
ワモータと電磁クラッチを用いて、本来のブロワモータ
と発電機の機能を発揮させるようにしたもので、電気ヒ
ータ専用の発電機及び電磁クラッチを必要としないから
、大きさや重量が増加することもなく、車両用の空調装
置として極めて有効である。尚、上記第２実施例では、
アキュームレータサイクルで示したがレシーバサイクル
であってもよいのはもちろんのこと、膨張弁にキャピラ
リーチューブを用いてもよい。

【００２２】

【発明の効果】本発明は上記構成を有し、冷媒を加熱す
るべくヒータを冷媒回路に配設し、暖房運転時外気温が
所定温度以下の低温の場合、圧縮機と発電機を同時にエ
ンジン駆動し、エンジンの排熱を回収する冷媒加熱器と
発電機の発電電力により発熱する電気ヒータの双方によ
り冷媒を直接加熱して冷凍サイクルを効率よく活用した
ものであり、加熱能力が高まり、この冷媒の加熱により
圧縮機の負荷が上昇し、これにつれてエンジン負荷も連
動的に上昇して排熱が増大し、特に低温時の暖房運転に
おいて暖房能力を向上させることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施例を示すシステム構成図である。

【図２】第２実施例を示すシステム構成図である。

【図３】従来例のシステム構成図である。

【符号の説明】

１．．．エンジン、　　２，３２．．．圧縮機、　　３
．．．発電機、４，５４．．．電磁クラッチ、　　５，
３３．．．四方弁、　　１２，３７．．．冷媒加熱器、
　　１３，３８．．．電気ヒータ、　　１５，４８．．
．排気熱交換器、　　１９，６１．．．外気温センサ、
２１，７１．．．制御装置、　　３１．．．補助エンジ
ン、　　５２．．．ブロワモータ、Ａ．．．冷媒回路、
　　Ｂ．．．基本回路、　　Ｃ．．．冷媒加熱回路。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　エンジンにより駆動される圧縮機と、
   暖房運転時エンジンの排熱を冷媒に回収する冷媒加熱器
   とを冷媒回路に設けるとともに、前記エンジンにより電
   磁クラッチを介して駆動される発電機と、該発電機の発
   電電力により発熱する電気ヒータとを備えてなるエンジ
   ン駆動式ヒートポンプにおいて、冷媒を加熱するべく前
   記電気ヒータを前記冷媒回路に配設するとともに、外気
   温センサと前記電磁クラッチを作動，非作動に切替える
   電磁クラッチ制御手段とを設け、暖房運転時前記外気温
   センサの検出する外気温度が所定温度以下の場合、前記
   電磁クラッチ制御手段により前記電磁クラッチを作動さ
   せ、前記圧縮機とともに前記発電機を同時に駆動するよ
   うにしたことを特徴とするエンジン駆動式ヒートポンプ
   。