JPH0694324A - 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】 エンジン駆動ヒートポンプシステムにおいて
特有な駆動用エンジンの冷却水を活用して、冷房／暖房
能力をバランスよく制御する。 【構成】 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１５を設け、冷房主体
の運転時において、凝縮器として作動する室外ユニット
の通常の空冷式熱交換器１３，１４と上記補助熱交換器
１５とを組合せて使用することにより、凝縮器としての
全体の能力を低下させて運転する。 【効果】 冷／暖房混在時の制御が簡単になり、ファン
の超低速回転が不要で風や設置場所の影響を受けずに安
定した制御を行うことが可能となる。

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、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】

【発明が解決しようとする課題】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。この発明はこのような問題点に着目し、エンジン駆
動ヒートポンプシステムにおいて特有な駆動用エンジン
の冷却水を活用して、冷房／暖房能力をバランスよく制
御することを課題としてなされたものである。

【０００４】

【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、この発明では、複数の室内ユニットの一部を暖房
で、他を冷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において、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、冷房主体の運転時において、凝縮器として作
動する室外ユニットの通常の熱交換器と上記補助熱交換
器とを組合せて使用することにより、凝縮器としての全
体の能力を低下させた状態にして運転するようにしてい
る。

【０００５】また、上記通常の熱交換器を第１の熱交換
器と第２の熱交換器とで構成し、この第１及び第２の熱
交換器と上記補助熱交換器とを直列に接続し、第１の熱
交換器の能力をファン回転数の制御によって調整すると
共に第２の熱交換器の能力を低下させて使用することに
より、凝縮器としての全体の能力を制御するようにして
いる。このように第２の熱交換器の能力を低下させるに
は、第２の熱交換器のファンを停止して能力を低下させ
る、第２の熱交換器を小容量のものとしてそのファンの
回転数を制御する、あるいは第２の熱交換器の複数の冷
媒流路を個別に開閉する等の手段が可能である。また、
上記通常の熱交換器に駆動用エンジン冷却水のラジェー
タで加熱された空気流を当てることにより、熱交換器の
凝縮器としての能力を低下させた状態にして運転するこ
ともできる。

【０００６】

【作用】補助熱交換器は駆動用エンジンの冷却水によっ
て冷媒を加熱するものであり、一種の蒸発器として凝縮
器とは逆の作用をするので、組合せることによって通常
の空冷式熱交換器と能力が相殺されることになり、凝縮
器としての全体の能力が低下する。冷房主体の運転時に
凝縮器として適正な能力は、暖房運転されている室内機
に必要な蒸発器としての能力と、冷房運転されている室
内機に必要な凝縮器としての能力との差に相当するもの
となるから、凝縮器としての能力は小さくてよく、上記
のように能力を低下させることにより冷房主体の運転に
容易に対応することができる。

【０００７】また、全体の熱交換容量の制御は、第１の
熱交換器の能力をファン回転数の制御によって調整する
と共に第２の熱交換器の能力を低下させて使用すること
により容易に行うことができる。また、通常の熱交換器
に駆動用エンジン冷却水のラジェータで加熱された空気
流を当てることによっても熱交換器の凝縮器としての能
力を低下させることができ、補助熱交換器を用いなくて
も冷房主体の運転に対応することができる。

【０００８】

【実施例１】次に図示の各実施例について説明する。図
１は請求項１及び２に対応する基本的な実施例の冷媒回
路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、高圧液配管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台示してあ
り、中央の１台が暖房、他の２台が冷房となっており、
全体としては冷房主体の運転状態になっている。

【０００９】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２に示すように、冷却水管１５
ａの中を同心状に冷媒管１５ｂが貫通した二重管構造と
なっており、例えば８０℃程度の冷却水が冷却水管１５
ａに供給され、冷媒管１５ｂを通る冷媒との間で熱交換
が行われる。

【００１０】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の周波数を制御するようになっている。
図１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、また２６，２
７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。なお、図１において太線は
冷媒が流れている回路を示しており、室外機２の熱交換
器は熱交換器１３，１４に分かれ、また熱交換器１４は
ファン１４ａの周波数を低下させて能力を下げて運転さ
れる。これに補助熱交換器１５が直列に接続されて請求
項２に対応した構成となっている。

【００１１】次に、通常の冷房主体運転の状態をＡモー
ド、冷房／暖房能力需要がアンバランスで室外機２の熱
交換容量が比較的大きくてもよい場合、あるいは冷却水
温度が低い場合の運転状態をＢモードとする基本的な制
御手順について説明する。Ａモードでは、図１のように
熱交換器１３、補助熱交換器１５、熱交換器１４が直列
に接続されて、全体としての熱交換器の能力を低下させ
た状態で運転され、熱交換器１３，１５，１４の順で冷
媒が流れて液化し、レシーバ１８に流入するようになっ
ている。Ｂモードでは図３のように熱交換器１３のみに
冷媒が流れる状態で運転される。

【００１２】図４は動作モード選定サブルーチンの手順
である。まず、各室内機１の動作信号を入力して総冷房
需要と総暖房需要とを比較し、冷房需要が大きくなけれ
ば暖房主体モードの制御となり、冷房需要が大きい場合
には冷房主体モードとして次に進み、その差が基準値Ｃ
１以下である場合とセンサ２５で検出された冷却水温Ｔ
ｗ１が基準値Ｃ２以上である場合にはＡモードとして次
に進み、そうでない場合にはＢモードとして次に進む。
Ａモードの場合には、まずフラグをチェックして０であ
ればモードはそのままとし、１であればＡモードにおけ
る各熱交換器のファン１３ａ，１４ａの周波数とコンプ
レッサ１２の回転数の初期値をセットしてフラグを０と
し、冷媒の経路が図１の状態になるように各電磁弁をセ
ットする。同様にＢモードの場合には、まずフラグをチ
ェックして１であればモードはそのままとし、０であれ
ばＢモードにおけるファン１３ａ，１４ａの周波数とコ
ンプレッサ１２の回転数の初期値をセットしてフラグを
１とし、冷媒の経路が図３の状態になるように各電磁弁
をセットし、それぞれ図５に示すコンプレッサ１２の吸
入／吐出圧力制御ルーチンに進む。

【００１３】図５においては、まず圧力センサ２６，２
７で検出されたコンプレッサ１２の吸入圧力と吐出圧力
を逐次入力し、そのデータをセットする。そして時系列
偏差ベクトルの演算、ＰＩＤ制御量の計算により、吸入
圧力と吐出圧力の制御目標を達成するためのコンプレッ
サの回転数及びファンの周波数に対応する制御ベクトル
を読み取り、更にその重み係数を算出し、ＰＩＤ制御量
にそれぞれの重み係数を掛け合わせて、最終的なコンプ
レッサ１２の回転数とファン１３ａ，１４ａの周波数を
決定する。図６は以上の手順を図示したものであり、Ｏ
は現状点、Ｐは目標点、Ｃはコンプレッサ回転数制御ベ
クトル、Ｆはファン周波数制御ベクトルである。ファン
周波数とコンプレッサ吸入／吐出圧力の変化率及びコン
プレッサ回転数とその吸入／吐出圧力の変化率は、それ
ぞれ図７に示すような関係があるので、この図から上記
のベクトルＣ及びＦを読み取ることができる。

【００１４】

【実施例２】上述の実施例において、熱交換器１４のフ
ァン１４ａを停止させれば請求項３に対応する制御とな
る。図８は従来例との対比を示した図である。左側は容
量の異なる２台の熱交換器を使用した従来例、右側は実
施例の説明であり、Ｑ１は各熱交換器の最小容量、Ｑ２
はファンの周波数制御によって可能となる容量制御範囲
である。従来例の場合には最小容量Ｑ１付近ではファン
の周波数は１０Ｈｚ程度と極めて低く、その回転数も低
いために風の影響を非常に受けやすい状態となってい
る。

【００１５】これに対して実施例では、凝縮器として作
動している熱交換器１３，１４とは反対に補助熱交換器
１５が蒸発器として作用するので、熱交換器１４のファ
ン１４ａを停止してその能力を低下させていることとの
相乗作用によって全体の熱交換容量が小さくなる。この
場合には、例えば熱交換器１３と１４とを別パッケージ
にしたり、仕切りを設けたりするなどの構成によって別
々にファンを設けるのであるが、熱交換器１３のファン
１３ａの周波数を１０Ｈｚのような低い値まで下げる必
要はなく、３０Ｈｚ程度でも十分に対応できるようにな
る。従って、ファン回転数が高く、風の影響を受けずに
安定した制御が可能となるのである。

【００１６】

【実施例３】上述の実施例２でも一方の熱交換器１４の
容量を小さくしてあるが、そのファン１４ａを停止せず
に回転数を制御するようにすれば、請求項４に対応した
実施例となる。熱交換器１４の容量を小さくするには、
例えば図９のような構成が可能である。すなわち、パッ
ケージ型の室外機などで熱交換器を２分して所定の間隔
を隔てて並設し、上部にファンを設けることがよく行わ
れるが、これに準じた構造として一方を第１の熱交換器
１３とし、これに対して容量が６０〜７０％の第２の熱
交換器１４を並設し、その下部にはエンジン１１のラジ
ェータ２０を配置するのである。このような構成であれ
ば、実施例２の場合のように各熱交換器１３，１４を別
パッケージにしたりする必要はなく、コストを低減する
ことができる。

【００１７】なお、このように熱交換器１４とラジェー
タ２０を接近して配置した場合には、熱交換器１４にラ
ジェータ２０で加熱された空気流を当てることによって
凝縮器としての能力を低下させた状態にして運転するこ
とができる。これは、請求項６に対応したものであり、
例えばファンによる冷却風の経路を工夫し、あるいはフ
ァンを逆転させるなどの手段で実現することができ、補
助熱交換器１５を用いた場合はもちろんであるが、これ
を用いないでも要求される広範囲な熱交換容量の制御が
可能となる。

【００１８】

【実施例４】図１０は請求項５に対応する実施例を示す
図である。すなわち、第２の熱交換器１４の複数の冷媒
流路にそれぞれ電磁弁３１を設け、各冷媒流路を個別に
開閉することにより、熱交換器１４の熱交換容量を調整
するようにしている。図１０では、図９の構成によって
熱交換器１３よりも小容量とした熱交換器１４に電磁弁
を設けた例を示している。このような構成とすることに
より熱交換器１４の容量は段階的に変化するものとな
り、ファンの周波数を制御する場合はもちろんである
が、周波数制御を行わないでも要求される広範囲な熱交
換容量の制御が可能となるのである。

【００１９】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、この発
明は、冷／暖房混在型エンジン駆動ヒートポンプシステ
ムにおいて、冷媒と駆動用エンジン冷却水との間で熱交
換を行う補助熱交換器を設け、冷房主体の運転時におい
て、室外ユニットの通常の空冷式熱交換器と上記補助熱
交換器とを組合せて使用するようにしたものである。従
って、凝縮器の能力を低下させた状態にして運転される
ことになって全体の熱交換能力が低下し、冷／暖房混在
運転時のように冷房のみの場合と比較して凝縮器能力を
小さくする必要がある場合への対応が容易となる。ま
た、ファンの超低速回転が不要で風や設置場所の影響を
受けずに安定した制御を行うことができ、駆動用エンジ
ンの冷却水を活用して暖房能力の不足を補うことも可能
となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の基本的な実施例の冷媒回路図であ
る。

【図２】同実施例の補助熱交換器の構成を示す図であ
る。

【図３】同実施例の冷媒回路の要部を示す図である。

【図４】同実施例の制御手順を示すフローチャートであ
る。

【図５】同じく制御手順を示すフローチャートである。

【図６】同制御手順を示した図である。

【図７】ファン周波数及びコンプレッサ回転数とその吸
入／吐出圧力の変化率との関係を示す図である。

【図８】別の実施例の動作説明図である。

【図９】他の実施例の熱交換器の概略斜視図である。

【図１０】更に他の実施例の熱交換器の概略斜視図であ
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 第１の熱交換器 １４ 第２の熱交換器 １５ 補助熱交換器 １５ａ 冷却水管 １５ｂ 冷媒管 ２０ ラジェータ ２１ 制御部 ２５ 温度センサ ２６，２７ 圧力センサ

フロントページの続き (72)発明者 林 智樹 大阪市北区茶屋町１番32号 ヤンマーディ ーゼル株式会社内

Claims (6)

【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暖房で、他
   を冷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、冷房主体の運転時において、凝縮器として作動する
   室外ユニットの通常の熱交換器と上記補助熱交換器とを
   組合せて使用することにより、凝縮器としての全体の能
   力を低下させた状態にして運転する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】 上記通常の熱交換器を第１の熱交換器と
   第２の熱交換器とで構成して第１及び第２の熱交換器と
   上記補助熱交換器とを直列に接続し、第１の熱交換器の
   能力をファン回転数の制御によって調整すると共に第２
   の熱交換器の能力を低下させて使用することにより、凝
   縮器としての全体の能力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】 第２の熱交換器のファンを停止して能力
   を低下させるようにした請求項２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】 第２の熱交換器を小容量のものとしてそ
   のファンの回転数を制御するようにした請求項２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。
5. 【請求項５】 第２の熱交換器の複数の冷媒流路を個別
   に開閉するようにした請求項２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。
6. 【請求項６】 上記通常の熱交換器に駆動用エンジン冷
   却水のラジェータで加熱された空気流を当てることによ
   り、熱交換器の凝縮器としての能力を低下させた状態に
   して運転することを特徴とする請求項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。