JPH0635871U - エンジン排熱利用ヒートポンプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 即応答性にすぐれ，暖房時においても速暖効
果が発揮できるエンジン排熱ヒートポンプエアコンを提
供すること。 【構成】 エンジン排熱利用ヒートポンプは，海水と冷
媒との熱交換を行う水熱交換器５と，室内空気と冷媒と
の間の熱交換を行う空気熱交換器１１とを冷媒回路内に
備えている。また，エンジン２１の排熱を回収する排熱
回収熱交換器１４を備えている。このエンジン２１のシ
リンダヘッド３４と排熱回収熱交換器１４とは，ヒート
パイプ２３によって接続されている。この水熱交換器５
が吸熱を行う場合には，排熱回収熱交換器１４に冷媒回
路が接続される。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は，ヒートポンプに関し，詳しくは，船舶等に用いられる空冷エンジン 排熱を利用したエンジン排熱利用ヒートポンプに関する。

【０００２】

【従来の技術】

従来，ガソリンディーゼル等の空冷エンジンを備えたクルーザにおける空調シ ステムにおいて，空気調整すべき空気等の熱媒体と冷媒との熱交換を行う第１の 熱交換器と，海水と冷媒との熱交換を行う第２の熱交換器とを備えた冷媒回路を 有するヒートポンプにおいて，エンジン排熱の回収を行う手段としてエンジンを 強制急冷を行い，その際に加熱された空気を空気熱交換器に通して，これによっ て冷媒への熱の移動を行うものが知られている。

【０００３】

【考案が解決しようとする課題】

従来のエンジン排熱を空気へ熱伝達させ，その空気から排熱回収用の熱交換器 を介して冷媒で，熱を回収する方法は，空気が比熱が大きいことから熱移動の速 度が遅く，即応答性に欠け，排熱を得るまでには時間がかかり，エンジン排熱ヒ ートポンプでありながら，その特長とする暖房時の速暖効果が発揮できなかった 。

【０００４】 そこで，本考案の技術的課題は，即応答性にすぐれ，例えば，空調システム等 においても速暖効果が発揮できるエンジン排熱利用ヒートポンプを提供すること にある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】

本考案によれば，排熱を回収するための排熱回収熱交換器を備え，エンジンに て駆動されるヒートポンプにおいて，前記エンジンのシリンダヘッドと前記排熱 回収熱交換器との間に接続され，前記シリンダヘッドの熱を前記排熱回収熱交換 器に伝えるヒートパイプを備えたことを特徴とするエンジン排熱利用ヒートポン プが得られる。

【０００６】 本考案によれば，前記エンジン排熱利用ヒートポンプにおいて，水と冷媒との 熱交換を行う第１の熱交換器及び熱負荷と冷媒との熱交換を行う第２の熱交換器 を有する冷媒回路と，前記冷媒回路が前記熱負荷を加温する状態にあるときには ，前記排熱回収熱交換器を前記冷媒回路に接続させる接続手段とを備えたことを 特徴とするエンジン排熱利用ヒートポンプが得られる。

【０００７】 ここで，本考案において，熱負荷とは，空調システムにおいては調整される空 気，給湯システムにおいては，給湯器内の水等を呼ぶ。

【０００８】

【作用】

本考案においては，エンジンの排熱を迅速に冷媒側に熱伝達させる手段として ，ヒートパイプを空冷エンジンのシリンダーヘッドと排熱回収熱交換器とをヒー トパイプにて連結している。ヒートポンプの冷媒回路は，水と冷媒との熱交換を 行う第１の熱交換器と，例えば，空調システムにおいては，調整される空気等の 熱負荷と冷媒との間の熱交換を行う第２の熱交換器とを備えている。第１の熱交 換器が水から吸熱を行う際には，この排熱回収熱交換器に接続され，このヒート ポンプの補助熱源として利用され冷媒を加熱する。従って，即応答性にすぐれ， 例えば，空調システム等においても速暖効果が発揮できる。

【０００９】

【実施例】

以下，本考案の実施例について図面を参照して説明する。

【００１０】 本考案の実施例に係るエンジン排熱ヒートポンプは，クルーザエアコンのみな らず，一般のエンジン排熱ヒートポンプを全般に使用可能であるが，図１はエン ジンヒートポンプがクルーザエアコンの場合の一例を示す。

【００１１】 図１において，中央部には空冷式のガソリンエンジン又はディーゼルエンジン からなるコンプレッサー駆動エンジン２１（以下，単にエンジンと呼ぶ）が配置 され，これに関連してエンジン排熱ヒートポンプが設けられている。エンジン排 熱ヒートポンプは，四方弁４の流出入口４ａ，４ｃを端部とする第１の冷媒回路 １０と，四方弁４の流出入口４ｂと流出入口４ｄとの間に形成された第２の冷媒 回路２０と，配管７１と配管５２の中途５２ａに連絡する配管７４との間に形成 された第３の冷媒回路３０と，これらの冷媒回路内の冷却媒体の流れを制御する 制御系４０とを備えている。

【００１２】 第１の冷媒回路１０は，エンジン２１の駆動軸２１ａにベルト３を介して接続 された主軸１ｃを有する冷媒圧縮用のコンプレッサ１と，後述する第２の冷媒回 路２０に共有される流体出入口４ａ，４ｂ，４ｃ及び４ｄを有しこれらの流体出 入口４ａ，４ｂ，４ｃ及び４ｄの接続を調整する四方弁４と，気液二相の冷媒か ら，気相のみを取り出すアキュムレータ１３と，コンプレッサー１の吐出ポート １ａと四方弁４の流体出入口４ａとを接続する配管５１と，四方弁４の流出入口 ４ｃとアキュムレータ１３の一端１３ａとを接続する配管５２と，アキュムレー タ１３の他端１３ｂとコンプレッサ１の吸入ポート１ｂとを接続する配管５３と を備えている。

【００１３】 第１の冷媒回路１０においては，四方弁４の流出口４ｃから吐出された二相を 有する流体は，配管５２を介して流入口１３ａからアキュムレータ１３内に流入 する。アキュムレータ１３では，気相と液相とに分離されて，この気相が再び配 管５２を介して流出口１３ｂからコンプレッサー１の吸入口１ｂから吸収される 。コンプレッサー１は吸入された冷媒を圧縮してコンプレッサー１の吐出ポート １ａから吐出する。圧縮された流体は，配管５１を介して四方弁４の流入口４ａ に至る。

【００１４】 第２の冷媒回路２０は，空気と冷媒との熱交換を行う空気熱交換器１１と，凝 縮された冷媒を蓄えるレシーバタンク８と，海水と冷媒との間の熱交換を行う水 熱交換器５とを備えている。水熱交換器５において，海水は熱源水用ポンプ２４ によって矢印８１で示される方向に供給される。四方弁４の流出入口４ｄと空気 熱交換器１１の一端１１ａとの間は，配管６１によって接続され，空気熱交換器 １１の他端１１ｂと，レシーバタンク８の一端８ａとの間には，並列に膨脹弁９ 及び逆止弁１８が夫々設けられている。また，レシーバタンク８の他端８ｂと水 熱交換器５の一端５ａとの間には，膨脹弁６と，逆止弁７とが並設されている。 また，水熱交換器５の他端５ｂと，四方弁４の流出入口４ｂとの間は，配管６５ が設けられている。尚，配管６５は途中で配管７１によって分岐して，後に詳述 する第３の冷却回路３０を構成する。

【００１５】 第３の冷媒回路３０は，エンジン排熱と冷媒との熱交換を行う排熱回収熱交換 器１４と，排熱回収用流量制御弁１６，電磁弁１７と，これらを連絡する配管７ ２，７３とを備えている。配管７１は排熱回収用流量制御弁１６を経由し，配管 ７２を介して，排熱回収熱交換器１４の一端１４ａに接続されている。また，水 熱交換器１４の他端１４ｂは，配管５２に接続される電磁弁１７に配管７３を介 して接続されている。

【００１６】 空冷エンジン２１は，エンジンの回転を制御するガバナー２２を有し，このエ ンジン２１のヘッド部３４に，ヒートパイプ２３の一端が接続され，他端は，排 熱回収熱交換器１４に接続されている。ヒートパイプ２３は，両端が封じられた 筒型形状を有する銅製のパイプを備え，内部には，メッシュ及び作動媒体が封じ こまれている。

【００１７】 制御系４０は，図１において，破線で示す信号線によって接続されている。即 ち，制御系は，ＣＰＵ，予め定められたプログラムを格納したメモリ，及び各部 に接続するためのインターフェースを備えた制御部４１と，この制御部４１に接 続された空気熱交換器１１内の温度を検出する冷媒温度センサー３１と，水熱交 換器５の海水の排出口側に設けられた冷媒温度サンサー３２と，エンジン２１の シリンダーヘッドの温度を検出するシリンダーヘッド温度センサー３３とを備え ている。また，制御部４１は，コンプレッサー１に設けられた電磁クラッチ２と ，四方弁４と，排熱回収用電磁弁１７付近に設けられた送風機１５と，エンジン の回転数を制御するガバナー２２と，空気熱交換器１１に設けられた送風機１２ と，排熱回収用電磁弁１７と，排熱回収用流量制御弁１６と，熱源水用ポンプ２ ４とに夫々接続され，これらの駆動を制御する。

【００１８】 図２は，図１で示したエンジン排熱ヒートポンプエアコンを暖房運転で排熱回 収を行う場合を示している。図２において，コンプレッサー１で圧縮した吐出ガ スは，配管５１を通り，四方弁４を通過して，配管６１を通り，空気熱交換器１ １内で放熱して，冷媒ガスは冷却されて凝縮され，液化される。さらに，空気熱 交換器１１から逆止弁１８を通ることで，膨脹弁９をバイパスして通過し，液相 冷媒はレシーバタンク８内に溜る。次に，レシーバタンク８内から流出し，膨脹 弁６で絞られた低圧の二相流は，水熱交換器５内で海水から吸熱する。ここで， 冷媒の吸熱量が小さかったり，負荷が大きく冷媒循環量が多い場合には，冷媒は 完全にガス化されずに液相状態のままでコンプレッサー１へ戻ることもある。

【００１９】 水熱交換器５を流出した二相冷媒は，配管６５から配管７１に分岐されて，排 熱回収用流量制御弁１６を通り，配管７２を介して排熱回収熱交換器１４内に入 り，ここでエンジン２１からの排熱をパイプ２３を介して吸収し，二相冷媒は完 全にガス化して，配管７３を経て，電磁弁１７を通過し，配管５２を介してアキ ュームレータ１３を通って，配管５３を介してコンプレッサー１へ吸入され，以 下同様な工程を繰り返す。空気熱交換器１１に送風機１２で通風することで，室 内が暖房される。ここで，排熱回収用流量制御弁１６は，排熱回収熱交換器１４ への冷媒の流入量を調整する弁であって，電磁比例バルブ又は電動バルブを使っ て，流量０〜１００％まで可変することができる。排熱回収用電磁弁１７は，冷 房運転時の空気熱交換器１１から戻り冷媒が排熱回収熱交換器１４側への流入す ることを防止するためのもので，暖房時は開となっている。

【００２０】 図３は，図１のエンジン排熱ヒートポンプエアコンの冷房運転を行う場合を示 している。図３を参照して，エンジンヒートポンプエアコンの冷房運転の動作に ついて説明する。尚，電磁弁１７は，冷房運転時の空気熱交換器１１から戻り冷 媒が排熱回収熱交換器１４側への流入することを防止するためのもので，冷房時 は閉じている。まず，コンプレッサー１で圧縮した吐出ガスは，配管５１を通り ，四方弁４を通過する。ここで，冷房時は，暖房の場合とは逆方向に冷媒が流れ る。即ち，冷媒は，四方弁４の流出口４ｄから配管６５を通り，水熱交換器５内 で海水によって冷却され，逆止弁７を通って，液相冷媒はレシーバタンク８内に 溜った後，膨脹弁９で膨脹し，空気熱交換器１１内で気化する。ここで，空気熱 交換器１１に送風機１２で通風することで，室内が冷房される。熱交換器１１内 の気相の冷媒は，配管６１を介して，四方弁４に至り，四方弁４の流出口４ｃか ら配管５２を介して，アキュームレータ１３に蓄積され，配管５３を介してコン プレッサー１へ吸入される。以下，上記の動作を繰り返す。

【００２１】

【考案の効果】

以上説明したように，本考案のエンジン排熱ヒートポンプシステムにおいては ，エンジンの排熱を迅速に冷媒側に熱伝達させる熱伝達手段として，ヒートパイ プを空冷エンジンのシリンダーブロックに直接接触させ，エンジン熱をヒートソ ースとし，ヒートシンク側を冷媒加熱用熱交換器としてヒートポンプの暖房運転 時には，ヒートポンプの補助熱源として利用し，速暖効果を高めることができる 。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案の実施例に係るエンジン排熱ヒートポン
プエアコンを示す概略図である。

【図２】図１のエンジン排熱ヒートポンプエアコンを暖
房運転で排熱回収を行う場合の冷媒の流れを示す図であ
る。

【図３】図１のエンジン排熱ヒートポンプエアコンを冷
房運転で排熱回収を行う場合の冷媒の流れを示す図であ
る。

【符号の説明】

１ コンプレッサ ２ 電磁クラッチ ４ 四方弁 ５ 水熱交換器 ６，９ 膨脹弁 ７，１８ 逆止弁 ８ レシーバタンク １０ 第１の冷媒回路 １１ 空気熱交換器 １２，１５ 送風機 １３ アキュムレータ １４ 排熱回収熱交換器 １６ 排熱回収用流量制御弁 １７ 電磁弁 ２０ 第２の冷媒回路 ２１ エンジン ２２ ガバナー ２３ ヒートパイプ ２４ 熱源水用ポンプ ３４ ヘッド部 ３０ 第３の冷媒回路 ３１，３２ 冷媒温度サンサー ３３ ヘッド温度センサ ４０ 制御系 ４１ 制御部 ５１，５２，５３，６１，６５，７１，７２，７３，７
４ 配管

Claims (2)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 排熱を回収するための排熱回収熱交換器
   を備え，エンジンにて駆動されるヒートポンプにおい
   て，前記エンジンのシリンダヘッドと前記排熱回収熱交
   換器との間に接続され，前記シリンダヘッドの熱を前記
   排熱回収熱交換器に伝えるヒートパイプを備えたことを
   特徴とするエンジン排熱利用ヒートポンプ。
2. 【請求項２】 請求項１記載のエンジン排熱利用ヒート
   ポンプにおいて，水と冷媒との熱交換を行う第１の熱交
   換器及び熱負荷と冷媒との熱交換を行う第２の熱交換器
   を有する冷媒回路と，前記冷媒回路が前記熱負荷を加温
   する状態にあるときには，前記排熱回収熱交換器を前記
   冷媒回路に接続させる接続手段とを備えたことを特徴と
   するエンジン排熱利用ヒートポンプ。