JPH06201220A - 冷暖房混在型エンジン駆動ヒートポンプシステム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 暖房主体の運転時における冷房／暖房能力を
バランスよく制御する。 【構成】 駆動用エンジン１１の冷却水の廃熱を補助熱
交換器１５で回収して冷媒を加熱し、その加熱量を冷媒
の蒸発温度が一定になるように制御部２１で制御するこ
とによって暖房運転中の室内機と冷房運転中の室内機の
容量差を補うようにした。 【効果】 エンジン駆動ヒートポンプシステムにおいて
特有なエンジンの廃熱を活用し、各室内機の負荷に応じ
て広い制御範囲にわたって安定した運転を行い、冷房
側、暖房側双方の各室内機の能力を十分に発揮させるこ
とができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、エンジンで駆動され
るヒートポンプにより複数の室内ユニットの一部を冷房
で、他を暖房で同時に運転できるようにした冷暖房混在
型システムに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】１台の室外機に複数の室内ユニットが接
続されている一系統のシステムによって、同時に複数の
部屋の一部を冷房し、他を暖房するようにしたいわゆる
冷暖房混在型マルチシステムは、部屋ごとに負荷が異な
り、これに合わせて室外機の空冷式熱交換器の凝縮器や
蒸発器としての能力を調整しなければならない。現在知
られているこの種のシステムはコンプレッサを電気モー
タで駆動する方式であって、コンプレッサやファンの回
転数を高度に制御してこれに対応しており、また、冷房
時に必要な凝縮器としての最大能力や暖房時に必要な蒸
発器としての最大能力と混在運転時の適正能力との差が
大きいので、上述のような制御に加えて、例えば空冷式
熱交換器を異なる容量に３分割し、電磁弁によってこれ
らの組合せを変更して要求される冷房／暖房能力のアン
バランスに対応することも試みられている。

【０００３】しかしながら、上記のような従来技術で
は、適正な能力調整を行うために制御が非常に複雑とな
るほかシステムの構成も複雑となる。更にファンの回転
数を極端に低下させて運転する場合には風や設置場所の
影響を受けやすくなるという問題もあり、広範囲の運転
に適切に対応することが困難であった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】この発明は、エンジン
駆動ヒートポンプシステムに特有な駆動用エンジンの冷
却水に着目し、その廃熱を活用することにより冷房／暖
房能力をバランスよく制御して上記のような問題を解決
することを課題としてなされたものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記の課題を達成するた
めに、この出願の第１の発明では、冷暖房混在型エンジ
ン駆動ヒートポンプシステムの暖房主体の運転時におい
て、室内ユニットの熱交換器のうち、蒸発器として機能
している冷房側の各熱交換器と凝縮器として機能してい
る暖房側の各熱交換器との容量差を、駆動用エンジンの
廃熱回収手段から得る熱量によって該冷媒の蒸発温度が
一定になるように補うようにしている。この廃熱回収手
段としては、例えば冷媒と駆動用エンジン冷却水との間
で熱交換して冷媒を加熱する補助熱交換器を設け、この
補助熱交換器に流れるエンジン冷却水量を制御すること
により補助熱交換器における冷媒の加熱量を制御するこ
とができる。また、このような補助熱交換器を容量を異
ならせて複数個設け、各補助熱交換器のエンジン冷却水
流路あるいは冷媒流路を選択的に開閉して補助熱交換器
における冷媒の総加熱量を制御するようにしてもよい。

【０００６】また第２の発明では、冷房主体の運転時に
おいて、室内ユニットの熱交換器のうち、蒸発器として
機能している冷房側の各熱交換器と凝縮器として機能し
ている暖房側の各熱交換器との容量差を、室外ユニット
の空冷熱交換器に駆動用エンジンの冷却水用ラジェータ
を近接配置して空冷熱交換器の放熱作用を抑制すること
によって補うようにしている。この放熱作用の抑制は、
例えば室外ユニットの空冷熱交換器を少なくとも二つに
分割すると共に駆動用エンジンの冷却水用ラジェータも
同数に分割して各空冷熱交換器にそれぞれラジェータを
近接配置し、各空冷熱交換器の冷媒流路を選択的に開閉
すること及びラジェータ側から空冷熱交換器側に向かう
冷却風を生じさせてその通風量を制御すること、のいず
れかあるいは両方の組合せによって制御することができ
る。

【０００７】

【作用】室内ユニットの冷房側の各熱交換器と暖房側の
各熱交換器の容量差は室外ユニットにおける熱交換で補
う必要があり、暖房主体の運転時においては室外ユニッ
トは蒸発器として機能し、上記容量差に相当する熱量を
与えられる必要があるのであるが、第１の発明ではこの
熱量を駆動用エンジンの廃熱回収手段から得ており、エ
ンジンの廃熱を有効に活用して熱量を補うことができ
る。特に、駆動用エンジンの冷却水により冷媒を加熱す
る補助熱交換器は能力の小さい蒸発器として作用するか
ら、この補助熱交換器に流れるエンジン冷却水量を制御
し、あるいはこのような補助熱交換器を容量を異ならせ
て複数個設け、各補助熱交換器のエンジン冷却水流路あ
るいは冷媒流路を選択的に開閉して補助熱交換器におけ
る冷媒の総加熱量を制御することにより、加熱量が適切
に制御される。

【０００８】また、冷房主体の運転時においては室外ユ
ニットは凝縮器として機能しているが、全冷房時と比べ
て凝縮器機能は小さくてよく、これが大きいと特に外気
温度が低い時には暖房能力が不足気味となる。第２の発
明では室外ユニットの空冷熱交換器に駆動用エンジンの
冷却水用ラジェータを近接配置して空冷熱交換器の放熱
作用を抑制しており、エンジンの廃熱を有効に活用して
放熱作用を抑制することができる。特に室外ユニットの
熱交換器を分割してそれぞれに駆動用エンジンの冷却水
用ラジェータを近接配置し、各熱交換器の冷媒流路を選
択的に開閉し、あるいはラジェータ側から熱交換器側に
向かう冷却風を生じさせてその通風量を制御することに
より、上記放熱作用の抑制量を適切に制御することがで
きる。

【０００９】

【第１の発明の実施例】図１及び図２は第１の発明の実
施例における冷媒回路の概略を示したものである。１は
室内機、２は室外機であり、高圧ガス配管３、液配管４
及び低圧ガス配管５を介して複数の室内機１，１…が１
台の室外機２に接続されて、一系統のシステムを構成し
ている。室内機１は熱交換器１ａ、電子膨張弁１ｂを備
えたもので、冷媒分岐コントローラ６によって冷媒の流
れが冷房あるいは暖房に切り替えられる。図では室内機
１を３台例示してあり、図１は左側の１台が冷房、他の
２台が暖房となっていて全体としては暖房主体の運転状
態になっている場合、図２は中央の１台が暖房、他の２
台が冷房となっていて全体としては冷房主体の運転状態
になっている場合、をそれぞれ示している。

【００１０】室外機２はエンジン１１でコンプレッサ１
２を駆動する方式のものであり、１３は空冷式の第１の
熱交換器、１４は空冷式の第２の熱交換器、１５は補助
熱交換器、１６は電子膨張弁、１７はアキュムレータ、
１８はレシーバ、１９はエンジン１１の排気熱交換器、
２０はエンジン１１のラジェータ、２１は制御部、２２
は冷却水ポンプである。その他、冷媒回路中には図示の
ように各所に電磁弁が挿入されている。補助熱交換器１
５はエンジン１１の冷却水によって冷媒を加熱するサブ
エバポレータであり、図３に示すように、外側管１５ａ
の中を同心状に内側管１５ｂが貫通した二重管構造とな
っており、例えば８０℃程度の冷却水が外側管１５ａに
供給され、内側管１５ｂを通る冷媒との間で熱交換が行
われる。

【００１１】制御部２１は各室内機１，１…のオンオフ
信号から求まる冷房／暖房能力需要と、冷媒の熱源であ
るエンジン冷却水温度に応じて各電磁弁を開閉し、熱交
換器１３，１４と補助熱交換器１５に流れる冷媒の経路
を切り替えて熱交換容量を制御するのに最適な組合せに
すると共に、コンプレッサ１２の吸入圧力と吐出圧力が
最適運転状態となるようにエンジン１１、つまりコンプ
レッサ１２の回転数を制御し、また各熱交換器のファン
１３ａ，１４ａの周波数及び電子膨張弁１６の開度を制
御するようになっている。図１，２の破線は信号線を例
示したもので、２５はエンジン１１の冷却水温度を検出
する温度センサ、２６，２７は補助熱交換器１５の入口
と出口での冷媒温度を検出する温度センサ、また２８，
２９はそれぞれコンプレッサ１２の吸入圧力と吐出圧力
を検出する圧力センサである。

【００１２】図１，２において太線は冷媒が流れている
回路を示しており、暖房主体の運転である図１では熱交
換器１３，１４は使用されず、補助熱交換器１５のみに
冷媒が流れ、冷房主体の運転である図２では熱交換器１
３、補助熱交換器１５、熱交換器１４の経路で冷媒が流
れるようになっている。

【００１３】上記のような構成においてシステムが運転
されると、冷房運転になっている室内機１の熱交換器１
ａは蒸発器として機能し、また暖房運転の方の熱交換器
１ａは凝縮器として機能するが、それぞれの容量は同一
ではないのでその差を何らかの手段で補う必要がある。
特に暖房主体の運転時には上記の容量差の熱量を冷媒に
与える必要があるが、この発明では駆動用エンジンの廃
熱を利用して上記の容量差に相当する熱量を室外機２で
冷媒に与えており、実施例では補助熱交換器１５によっ
て冷媒と駆動用エンジン冷却水との間で熱交換して冷媒
を加熱するようにしているのである。

【００１４】すなわち、図１のように室内機１から液配
管４を経て室外機２に戻る液相の冷媒の蒸発用として、
空冷の熱交換器１３，１４を使用しないで図３に示すよ
うな補助熱交換器１５のみを使用しており、液相のリタ
ーン冷媒は電子膨張弁１６を経て補助熱交換器１５に流
入し、蒸発して過熱蒸気となってコンプレッサ１２に吸
入される。冷媒蒸発温度は補助熱交換器１５の入口温度
として検出され、内側管１５ｂを流れる冷媒の蒸発温度
が一定値となるように外側管１５ａに流れるエンジン冷
却水の量を制御することにより、冷／暖能力のバランス
の取れた最適温度に保つのである。

【００１５】図４はその具体的な配管回路の例であり、
制御部２１で冷却水ポンプ２２の駆動用インバータ２２
ａを制御することにより補助熱交換器１５に流入するエ
ンジン冷却水の量が制御され、補助熱交換器１５での熱
交換容量が調整される。なお２０ａはラジェータ２０と
補助熱交換器１５の冷却水量を自動的に調整するサーモ
スタット弁である。

【００１６】冷暖房混在型の運転の場合には、室外機の
空調負荷とエンジン冷却水の放熱レベルの関係が一定で
ないため、サーモスタット弁でラジェータに対するバイ
パス量を制御するだけの従来の方式では冷却水温度の急
変等が発生しやすいのであるが、上述のように補助熱交
換器１５による方式と組合せた場合には冷却水温度が安
定し、その結果として冷媒温度の安定性も増加して良好
な制御が行われるようになる。図５の(a)〜(d)はその状
態を冷却水ポンプ回転数、冷媒過熱度、サーモスタット
弁の開度、冷却水温度について、従来方式を破線で、実
施例を実線でそれぞれ例示したものであり、実施例の場
合は冷却水ポンプ２２の回転数の制御により冷媒温度な
どの変動が小さくなることが示されている。なお、(b)
図の冷媒過熱度においてＡで示した期間は過熱度が不足
して液バックが生じている期間を示している。

【００１７】以上は請求項２に対応した実施例である
が、図６及び図７は補助熱交換器を容量を異ならせて複
数個設けた請求項３に対応した実施例である。図６で
は、補助熱交換器を容量の異なる３個の補助熱交換器１
５−１，１５−２，１５−３に分割し、内側管を直列に
接続してこれに冷媒を流すと共に、外側管にそれぞれエ
ンジン冷却水を流すようにした例を示しており、例えば
同図(b)のように各補助熱交換器の冷却水路を並列に接
続すると共に更にバイパス路１５−４を設け、各冷却水
路にそれぞれ挿入された電磁弁１５−１ａ〜１５−４ａ
を選択的に開閉することにより、補助熱交換器１５−１
〜１５−３による冷媒の総加熱量を制御するのである。
この場合、同図(c)のように冷媒側の水路を並列に接続
すると共に冷却水側の水路を直列に接続し、各冷媒水路
に電磁弁１５−１ａ〜１５−３ａを挿入してこれを選択
的に開閉するような構成とすることもできる。

【００１８】図７は外観的には１個の補助熱交換器１５
であるが、外側管１５ａの内部に太さの異なる内側管１
５ｂ，１５ｃを設けた例である。この場合にはエンジン
冷却水と冷媒は外側管と内側管のいずれに流してもよい
が、例えば(c)図のように内側管１５ｂ，１５ｃを並列
に接続すると共にバイパス路１５ｄを設けてこれにエン
ジン冷却水を流し、各内側管１５ｂ，１５ｃとバイパス
路１５ｄにそれぞれ挿入された電磁弁１５Ｂ，１５Ｃ，
１５Ｄを選択的に開閉するのである。また、エンジン冷
却水を外側管１５ａに流す場合には、例えば(d)図のよ
うに内側管１５ｂ，１５ｃを並列に接続してこれに冷媒
を流し、各内側管にそれぞれ挿入された電磁弁１５Ｂと
１５Ｃを選択的に開閉するのである。

【００１９】以上述べたように第１の発明の実施例によ
れば、暖房主体の運転時における各室内機１の容量差に
相当する熱量がエンジンの廃熱から与えられるから、補
助熱交換器１５での冷媒の総加熱量の制御と電子膨張弁
１６の制御とを組み合わせることにより、室外機２の熱
交換量を広範囲にわたってきめ細かく制御することが可
能となるのである。

【００２０】

【第２の発明の実施例】図８及び図９は請求項５に対応
する第２の発明の実施例における冷媒回路の概略を示し
たものであり、図８は室内機１の一部が暖房となってい
て他の多くの室内機１が冷房となっている冷房主体の運
転状態の場合、図９はすべての室内機１が冷房となって
いる冷房運転状態の場合をそれぞれ示している。この発
明は冷房主体の運転時における制御に関するものであっ
て、基本的な構成は図１などと変わらないが、空冷式の
熱交換器１３及び１４の構成が異なり、補助熱交換器１
５は使用されていない。なお、図１などと同一の部分は
同じ符号で示してある。

【００２１】図１０は室外機２の概略構造図であり、室
外機２の下部はエンジン１１やコンプレッサ１２などが
配置されているエンジン室２Ａ、上部は熱交換室２Ｂと
なっている。熱交換室２Ｂの両側面には二つに分割して
設けられている熱交換器１３，１４が配置され、更に二
つに分割された冷却水用ラジェータ２０ａ及び２０ｂが
それぞれ熱交換器１３及び１４のすぐ内側に近接して平
行に配置されている。熱交換室２Ｂの上面にはファン１
３ａ，１４ａが設けられているが、このファン１３ａ，
１４ａは両方向に回転できるものであり、冷房運転の場
合には上向きに送風して白矢印のような気流を発生し、
冷房主体運転時には下向きに送風して斜線矢印のような
気流を発生するようになっている。

【００２２】すなわち、冷房主体運転時には各熱交換器
１３，１４にはラジェータ２０ａ，２０ｂで加温された
空気流が当たることになり、加温前の外気が直接当たる
全冷房時と比べて放熱作用が抑制される。そしてこの時
の放熱量は、熱交換器１３，１４ごとに設けられている
電磁弁を選択的に開閉し、熱交換器１３，１４の両方を
使用したり片方のみを使用したりすることによって調整
することができ、更にファン１３ａ，１４ａの回転数を
制御して図１０の斜線矢印の方向に生じている気流を調
整することにより、きめ細かく且つ広範囲にわたって制
御することができるのである。なお、図８は熱交換器１
３のみに冷媒が流れている場合を示している。

【００２３】このように、第２の発明の実施例によれ
ば、冷房主体の運転時における各室内機１の容量差が熱
交換器１３，１４に近接配置された冷却水用ラジェータ
２０ａ，２０ｂの放熱抑制作用によって補われるから、
ファンの回転数を極端に低下させるような制御を行わな
いでも室外機２の熱交換量を広範囲にわたってきめ細か
く制御することが可能となるのである。

【００２４】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、第１の
発明は、暖房主体の運転時において暖房運転中の室内ユ
ニットと冷房運転中の室内ユニットの容量差を駆動用エ
ンジンの廃熱回収手段から得る熱量によって補うように
したものである。このため、室外機に設けられた空冷熱
交換器の熱交換量を電子膨張弁の開度とコンプレッサや
ファンの回転数の調整によって制御していた従来方式の
ように、システムの構成と制御が非常に複雑となり、あ
るいは風の影響を受けやすくなるなどの問題点がなくな
り、また、従来の方式では外気温が低い場合に室外機の
空冷熱交換器に生ずる着霜のために暖房性能が低下する
ことがあるが、この発明によれば廃熱回収手段を使用し
ているので着霜は無関係となる。

【００２５】従って、この発明によればエンジン駆動ヒ
ートポンプシステムに特有の廃熱を有効に活用して各室
内機の負荷に応じて広い制御範囲にわたって安定した運
転を行い、冷房側、暖房側双方の各室内機の能力を十分
に発揮させることが可能となる。特に、廃熱回収手段と
して冷媒と駆動用エンジン冷却水との間で熱交換して冷
媒を加熱する補助熱交換器を使用することにより、冷媒
に与えられる熱量を適正に制御して安定した運転を行う
ことが容易となる。

【００２６】また第２の発明は、室外機の空冷熱交換器
に近接配置された駆動用エンジンの冷却水用ラジェータ
で熱交換器の放熱作用を抑制することにより、冷房主体
の運転時における暖房運転中の室内ユニットと冷房運転
中の室内ユニットの容量差を補うようにしたものであ
る。従って、従来方式における問題点、すなわちシステ
ムの構成と制御が非常に複雑で風の影響も受けやすくな
るという問題はなく、エンジン駆動ヒートポンプシステ
ムに特有の廃熱を有効に活用して室外機の空冷熱交換器
の能力を相殺し、広い制御範囲にわたって安定した運転
を行うことが可能となるのであり、低外気温時における
冷房主体の運転時に暖房能力が不足傾向になることも防
止されるのである。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の発明の実施例における冷媒回路の概略図
である。

【図２】同じく冷媒回路の概略図である。

【図３】同実施例の補助熱交換器の構成を示す図であ
る。

【図４】同実施例の配管回路の要部を示す図である。

【図５】同実施例の制御状態を示すタイムチャートであ
る。

【図６】補助熱交換器の他の構成を示す側面図及び配管
回路図である。

【図７】補助熱交換器の更に他の構成を示す側面図、断
面図及び配管回路図である。

【図８】第２の発明の実施例における冷媒回路の概略図
である。

【図９】同じく冷媒回路の概略図である。

【図１０】同実施例の室外機の構成を示す概略側面図で
ある。

【符号の説明】

１ 室内機 ２ 室外機 １１ エンジン １２ コンプレッサ １３，１４ 空冷熱交換器 １３ａ，１４ａ ファン １５，１５−１，１５−２，１５−３ 補助熱交換器 ２０ａ，２０ｂ 冷却水用ラジェータ ２１ 制御部

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の室内ユニットの一部を冷房で、そ
   の残りを暖房で同時に運転することの可能なエンジン駆
   動ヒートポンプシステムであって、暖房主体の運転時に
   おいて、上記室内ユニットの熱交換器のうち、蒸発器と
   して機能している冷房側の各熱交換器と凝縮器として機
   能している暖房側の各熱交換器との容量差を、駆動用エ
   ンジンの廃熱回収手段から冷媒に与えられる熱量によっ
   て該冷媒の蒸発温度が一定になるように補うことを特徴
   とする冷暖房混在型エンジン駆動ヒートポンプシステ
   ム。
2. 【請求項２】 上記廃熱回収手段として冷媒と駆動用エ
   ンジン冷却水との間で熱交換して冷媒を加熱する補助熱
   交換器を設け、補助熱交換器のエンジン冷却水量を制御
   することにより補助熱交換器における冷媒の加熱量を制
   御するようにした請求項１記載の冷暖房混在型エンジン
   駆動ヒートポンプシステム。
3. 【請求項３】 上記廃熱回収手段として冷媒と駆動用エ
   ンジン冷却水との間で熱交換して冷媒を加熱する補助熱
   交換器を容量を異ならせて複数個設け、各補助熱交換器
   のエンジン冷却水流路あるいは冷媒流路を選択的に開閉
   して補助熱交換器における冷媒の総加熱量を制御するよ
   うにした請求項１記載の冷暖房混在型エンジン駆動ヒー
   トポンプシステム。
4. 【請求項４】 複数の室内ユニットの一部を冷房で、そ
   の残りを暖房で同時に運転することの可能なエンジン駆
   動ヒートポンプシステムであって、冷房主体の運転時に
   おいて、上記室内ユニットの熱交換器のうち、蒸発器と
   して機能している冷房側の各熱交換器と凝縮器として機
   能している暖房側の各熱交換器との容量差を、室外ユニ
   ットの空冷熱交換器に駆動用エンジンの冷却水用ラジェ
   ータを近接配置して空冷熱交換器の放熱作用を抑制する
   ことによって補うことを特徴とする冷暖房混在型エンジ
   ン駆動ヒートポンプシステム。
5. 【請求項５】 上記室外ユニットの空冷熱交換器を少な
   くとも二つに分割すると共に駆動用エンジンの冷却水用
   ラジェータも同数に分割して各空冷熱交換器にそれぞれ
   ラジェータを近接配置し、各空冷熱交換器の冷媒流路を
   選択的に開閉すること及びラジェータ側から空冷熱交換
   器側に向かう冷却風を生じさせてその通風量を制御する
   こと、の少なくともいずれかによって上記放熱作用の抑
   制量を制御することを特徴とする請求項４記載の冷暖房
   混在型エンジン駆動ヒートポンプシステム。