JPH0820143B2 - エンジンヒートポンプ式空調機 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 この発明は、エンジンヒートポンプ式空調機に関し、
特に暖房運転時に室外側熱交換器へ付着した霜を除去す
るための除霜装置に関するものである。

従来の技術 一般、この種のエンジンヒートポンプ式空調機では、
冬期における暖房運転時に室外側熱交換器へ霜が付着す
ることがある。そのように室外側熱交換器に付着した霜
を溶かすための手段としては、下記のように色々な方法
がある。

まず、最も簡単であって、かつ費用も要らないのは、
空調サイクルを暖房モード運転から冷房モード運転へと
切り換えることである。こうすると、室外側熱交換器に
付着した霜を簡単に溶かすことが出来るが、空調サイク
ルを冷房モード運転とするため、室内側温度が更に冷え
すぎるから、余り好ましくない。

そのため、暖房運転を維持しながら室外側熱交換器に
付着した霜を溶かすための除霜機構を備えたエンジンヒ
ートポンプ式空調機が従来から色々提案されている。

まず、特開昭62−29871号公報に記載されたもので
は、エンジンによって駆動される圧縮機を２個設けて、
一方の圧縮機でもって空調サイクルを暖房モード運転で
維持しながら、他方の圧縮機によって発生する凝縮熱で
もって、上記暖房モード運転状態の室外側熱交換器に付
着した霜を溶かすようにしている。

また、特開昭62−66071号公報に記載されたもので
は、エンジンにより駆動される圧縮機によって圧縮され
た空調用冷媒が循環する空調用冷媒管路に、室外側熱交
換器や室内側熱交換器等を設けるとともに、エンジン冷
却用冷媒が循環するエンジン冷却用冷媒管路に、暖房専
用の第２の室内側熱交換器を設置して、この第２の室内
側熱交換器へエンジン冷却後の高温のエンジン冷却用冷
媒を供給して暖房運転するようにしている。そして、前
記の室外側熱交換器に霜が付着したときには、それまで
前記第２の室内側熱交換器に供給されていたエンジン冷
却用冷媒を、室外側熱交換器に隣接配置したラジエータ
へと供給するとともに、そのラジエータに隣接配置した
ファンによって起こした風を、ラジエータを経由して室
外側熱交換器へ送風し、高温となったラジエータからの
排風によって室外側熱交換器に付着した霜を溶かすよう
になっている。

発明が解決しようとする問題点 しかしながら、先に示した特開昭62−29871号公報記
載の従来技術では、２個の圧縮機を必要とするためコス
ト高になるという問題点がある。

一方、後から示した特開昭62−66071号公報記載の技
術では、圧縮器、室外側熱交換器、室内側熱交換器等か
らなる通常の空調用システムに加えて、エンジン冷却用
冷媒が循環するエンジン冷却用冷媒管路にも暖房専用の
第２の室内側熱交換器を設けるようにしているから、そ
の第２の室内側熱交換器にエンジン冷却用冷媒を循環さ
せるためのポンプ及び配管も余分に必要とし、この場合
においてもコスト高となる難点がある。しかも、通常ラ
ジエータから放熱される熱風を利用して除霜を行なうた
め、熱交換効率が悪く除霜時間が長くなるという不都合
がある。更に、問題となるのは、ラジエータから放熱す
る熱を利用して、室外側熱交換器に付着した霜を溶かす
ようにしているため、室外側熱交換器へラジエータを近
接配置する必要がある。そのため、冷房運転時にラジエ
ータの熱影響により、室外側熱交換器の凝縮性能が低下
するという問題点がある。

この発明は、このような問題点に鑑みて、圧縮機、室
外側熱交換器、室内側熱交換器等からなる単一の空調シ
ステムにおいても、暖房運転時に室外側熱交換器へ付着
した霜を、暖房を停止することなく除去することの出来
るようにすることを目的として成されたものである。

問題点を解決するための手段 この発明は、エンジン（１）により駆動される圧縮機
（２）によって圧縮された空調用冷媒が循環する空調用
冷媒管路（３）に、上記エンジン（１）からの廃熱を回
収するための廃熱回収器（17）、室内側熱交換器
（４）、室外側熱交換器（５）等を備えたエンジンヒー
トポンプ式空調機において、暖房モード運転状態におけ
る着霜時に、室内側熱交換器（４）における熱交換量を
低下させるとともに、その室内側熱交換器（４）から流
出した空調用例媒を、膨張量を少なくするか、膨張させ
ずに室外側熱交換器（５）の入口側へと供給する一方、
その室外側熱交換器（５）を経た空調用冷媒を膨張させ
て廃熱回収器（17）へと供給して、その廃熱回収器（1
7）における熱交換後の空調用冷媒を、前記の圧縮機
（２）を経て室内側熱交換器（４）へ循環させるように
したことを特徴としている。

作用 すなわち、暖房モード運転状態において室外側熱交換
器（５）への着霜が判断されると、室内側熱交換器
（４）の熱交換量を低下させることにより、室内側熱交
換器（４）における空調用冷媒の放熱量が減少して、気
液混合状態の空調用冷媒が室内側熱交換器（４）の出口
側から流出するとともに、そのように室内側熱交換器
（４）から流出した気液混合状態の空調用冷媒が、殆ど
膨張することなく室外側熱交換器（５）の入口側へ供給
されることから、室外側熱交換器（５）では気液混合状
態の空調用冷媒が凝縮することになり、その凝縮熱によ
って室外側熱交換器（５）へ付着した霜が溶かされるこ
とになる。一方、室外側熱交換器（５）から流出した凝
縮後の空調用冷媒が、いったん膨張してから廃熱回収器
（17）へ供給された後、その廃熱回収器（17）によって
加熱されて気化した状態で流出し、圧縮器（２）を経て
再び室内側熱交換器（４）へと供給されることから、そ
れによって室内側熱交換器（４）における放熱能力が低
下しつつも暖房運転が維持される。

実 施 例 以下、この発明の一実施例を図面に基づいて説明す
る。

第２図は、この発明にかかるエンジンヒートポンプ式
空調機のシステム構成図である。図において、（１）は
エンジン、（２）は、エンジン（１）によって駆動され
る圧縮機を示している。この圧縮機（２）は、フロンガ
ス等の空調用冷媒が循環する空調用冷媒管路（３）に設
置されている。（４）は、室内機を構成する室内側熱交
換器、（５）は、同じく室外機を構成する室外側熱交換
器を示している。これらの室内側熱交換器（４）及び室
外側熱交換器（５）は、上記の空調用冷媒管路（３）に
設置されている。（６）は、室内側熱交換器（４）へ臨
んで配置された室内機ファン、（７）は、室外側熱交換
器（５）へ臨んで配置された室外機ファンを示してい
る。なお、空調用冷媒管路（３）に添って表示した実線
の矢印は、暖房モード運転時における空調用冷媒の流動
方向を示している。

すなわち、暖房モード運転時には、前記の圧縮機
（２）によって圧縮された空調用冷媒が、四方弁（８）
を介して室内側熱交換器（４）へと送出される。この室
内側熱交換器（４）で周辺の空気へ放熱することによっ
て凝縮した液体状の空調用冷媒は、室内側熱交換器
（４）から流出した後、空調用冷媒管路（３）に設置し
た冷房用膨張弁（９）を迂回するバイパス管路（10）を
経てリキッドレシーバ（11）へと流入する。このリキッ
ドレシーバ（11）から出た空調用冷媒は、ドライヤフィ
ルタ（12）を通った後、空調用冷媒管路（３）に設置さ
れた暖房用膨張弁（13）へと送られる。この暖房用膨張
弁（13）の手前側で分岐したバイパス管路（14）の途中
には第１電磁弁（15）が設置されている。このバイパス
管路（14）は第１電磁弁（15）を経た後、上記暖房用膨
張弁（13）の下流側で空調用冷媒管路（３）に合流して
いる。なお、通常の暖房モード運転時には、上記第１電
磁弁（15）は常時閉弁している。

そして、上記暖房用膨張弁（13）を出る際に膨張して
圧力が低下した空調用冷媒が室外側熱交換器（５）へと
流出し、そこで外気から熱を奪って気化しながら、空調
用冷媒管路（３）に設けた第２電磁弁（16）へと吐出さ
れる。この第２電磁弁（16）は、通常の暖房モード運転
では常時開弁しており、この第２電磁弁（16）を通った
空調用冷媒が、同じく空調用冷媒管路（３）に設置した
廃熱回収器（17）を通り、完全に気化した後前記の四方
弁（８）及びアキュムレータ（18）を経て圧縮機（２）
へと流入するようになっている。

また、前記の第２電磁弁（16）の手前側で空調用冷媒
管路（３）から分岐したバイパス管路（19）の途中には
除霜用膨張弁（20）が設置されている。このバイパス管
路（19）は除霜用膨張弁（20）を経た後、上記第２電磁
弁（16）の下流側で空調用冷媒管路（３）に合流してい
る。すなわち、除霜用膨張弁（20）と第２電磁弁（16）
とは、互いに並列配置された状態にあることになる。

一方、前記のエンジン（１）を冷却した後の高温のエ
ンジ冷却用冷媒は、エンジン冷却用冷媒管路（21）に設
置されたポンプ（22）の働きにより、前記の廃熱回収器
（17）へと送出されることになる。なお、廃熱回収器
（17）の出口側と前記のポンプ（22）の入口側との間に
は、前記のエンジン冷却用冷媒管路（21）に設けられた
ラジエータ（23）とサーモスタット（24）とが配置され
ている。また、サーモスタット（24）には、前記ラジエ
ータ（23）の手前側で分岐したバイパス管路（25）が接
続されている。すなわち、上記の廃熱回収器（17）にお
いて熱交換後のエンジン冷却用冷媒は、通常状態では上
記のバイパス管路（25）を通ってサーモスタット（24）
へ流入し、そのサーモスタット（24）からエンジン
（１）へ還流するような小さな循環経路で循環すること
になる。そして、廃熱回収器（17）の熱交換能力が不足
して、高温のエンジ冷却用冷媒が廃熱回収器（17）から
流出してきたときには、前記のサーモスタット（24）が
作動して、その高温のエンジン冷却用冷媒がラジエータ
（23）へと流れ込み、このラジエータ（23）によって冷
却された低温のエンジン冷却用冷媒が、同じくサーモス
タット（24）を介してエンジン（１）へと還流すること
により、エンジン（１）を異常加熱状態から保護するよ
うになっている。

次に、前記の第１電磁弁（15）や第２電磁弁（16）等
は、第１図に示すように、コントローラ（26）によって
制御されるようになっている。

このコントローラ（26）は、図示するように、制御の
中枢部分をなす制御回路（27）と、この制御回路（27）
から出力された制御信号を、第１・第２電磁弁（15）
（16）等へ伝達するための出力回路（28）とを備えてい
る。そして、例えば室外側熱交換器（５）に設置した温
度センサや外気温を検出するための温度センサ等からの
検出信号が、コントローラ（26）の入力回路（29）を介
して着霜判断回路（30）に入力されるようになってい
る。この着霜判断回路（30）は、上記の温度センサから
入力された室外側熱交換器（５）の表面温度や外気温等
に基づいて室外側熱交換器（５）の着霜状態を判断し、
前記の制御回路（27）へと入力するようになっている。

すなわち、暖房モード運転状態において、前記の着霜
判断回路（30）よって室外側熱交換器（５）の着霜が判
断されると、その判断結果が制御回路（27）へ伝達さ
れ、それによって制御回路（27）は暖房運転状態のまま
除霜モードを実行することになる。この除霜モード運転
においては、第１電磁弁（15）には開信号が、第２電磁
弁（16）には閉信号が、そして室外機ファン（７）には
停止信号がコントローラ（27）から出力されることにな
る。また、それと前後して前記の室内側熱交換器（４）
の熱交換量を低下させるために、前記の室内機ファン
（６）を例えば微風運転とするような制御信号がコント
ローラ（26）から出力されるようになっている。

すなわち、除霜モード運転時には、前記の室内側熱交
換器（４）から流出した空調用冷媒は、暖房用膨張弁
（13）の手前側で空調用冷媒管路（３）からバイパス管
路（14）へと流入し、第２図の点線の矢印のように開成
された第１電磁弁（15）を通過した後、上記暖房用膨張
弁（13）の下流側で再び空調用冷媒管路（３）へと合流
して、室外側熱交換器（５）へ流入するようになってい
る。そして、この室外側熱交換器（５）から流出した空
調用冷媒は、閉成された第２電磁弁（16）の手前側でバ
イパス管路（19）へ分岐し、同じく点線の矢印で示すよ
うにバイパス管路（19）に設置した除霜用膨張弁（20）
を流れた後、再び空調用冷媒管路（３）へ合流して廃熱
回収器（17）へと流入する。

したがって、室外側熱交換器（５）にも空調用冷媒か
ら放熱された後、廃熱回収器（17）には前記の除霜用膨
張弁（20）を経て圧力が低くなった空調用冷媒が供給さ
れることから、上記室外側熱交換器（５）での放熱量と
室内側熱交換器（４）での放熱量を補償する吸熱量が廃
熱回収器（17）から得られることになる。この際、前記
の室内機ファン（６）は、コントローラ（26）からの制
御信号により微風運転することにより、室内側熱交換器
（４）への送風量を減らして、熱交換量を低減させるよ
うになっている。このようにして、前記の室内側熱交換
器（４）における放熱能力が若干低下しつつも暖房運転
が維持されると同時に、その室内側熱交換器（４）から
流出した空調用冷媒が、完全に凝縮しない状態で前記第
１電磁弁（15）を経て室外側熱交換器（５）へと流入
し、それによって室外側熱交換器（５）へ付着した霜が
溶かされることになる。

ところで、例えば除霜モード運転の初期状態におい
て、空調用冷媒管路（３）に設けた第２電磁弁（16）が
早く閉じ過ぎると、室外側熱交換器（５）から流出した
気体状の空調用冷媒（実際には、気体を主成分としそれ
に液体が混在した状態の混合物）は、通路面積の狭い除
霜用膨張弁（20）のみを通過することから流量が過小と
なり、廃熱回収器（17）によって空調用冷媒が充分に加
熱されるまでは圧縮機（２）の吸入圧が下がり過ぎ、そ
れによって圧縮機（２）が過酷状態となって焼損する危
険性がある。

そこで、この実施例では、第１図に示すように、コン
トローラ（27）から第２電磁弁（16）へ出力される閉開
動作信号を、同じくコントローラ（27）から第１電磁弁
（15）へ出力される開閉動作信号から遅延させるための
遅延手段としてのタイマー（31）をコントローラ（27）
の制御回路（27）に付加するように設置している。

次に、この実施例におけるコントローラ（27）の働き
を、第３図に示す除霜モードのフローチャートを参照し
て説明する。

すなわち、除霜モードが実行されると、コントローラ
（27）の差霜判断回路（30）は、室外側熱交換器（５）
に着霜したか否かを判断する（ステップ1;なお、ステッ
プ番号は、各ステップ毎に○で囲んだ数字で表示してあ
る。） ステップ１で、判断結果がNOのときには、再度ステッ
プ１が実行される。一方、ステップ１で判断結果がYES
のときには、室内機ファン（６）が微風運転となるよう
な制御信号がコントローラ（26）の出力回路（28）から
出力される（ステップ２）。そして、室外機ファン
（７）には停止信号が、また第１電磁弁（15）には開信
号が同様にして前記の出力回路（28）から各々出力され
る（ステップ３、４）。しかる後に、前記のタイマー
（31）へ動作開始信号が制御回路（27）から出力され、
それによってタイマー（31）が作動し始める（ステップ
５）。

次いで、ステップ６でタイマー（31）がタイムアップ
したか否かが判断される。判断結果がNOのときには、判
断結果がYESとなるまでステップ６が繰り返し実行され
る。そして、ステップ７で判断結果がYESと判断される
と、コントローラ（27）の前記出力回路（28）から第２
電磁弁（16）へ閉信号が出力され、その閉信号を受けた
第２電磁弁（16）が閉動作して、廃熱回収器（17）へ通
じるメインの空調用冷媒通路（３）が遮断される（ステ
ップ７）。

すなわち、このような除霜モードにおいては、前記の
タイマー（31）がタイムアップしたときには既に定常運
転状態となり、当初気体成分が残っていた室外側熱交換
器（５）の出口側の空調用冷媒の大部分が液状となる。

なお、除霜モードから暖房モードへ切り替わるときに
も、前記のタイマー（31）を作動させて、第２電磁弁
（16）の開動作を第１電磁弁（15）の閉動作から遅延さ
せるようにすれば、液バックを防止することができると
いう利点がある。

また、春期或いは秋季等の外気温が比較的高い条件下
で暖房運転する際には、前段の室外側熱交換器（５）に
よって加熱された空調用冷媒が、後段の廃熱回収器（1
7）によって更に加熱されるから、廃熱回収器（17）を
出た空調用冷媒が相当の高温になる。そうした場合に、
空調用冷媒として特にフロンを使用している場合には、
フロンの有する物性に起因して圧縮機の出口側の気体密
度が過大となり過ぎ、圧縮機（２）が過負荷状態となる
おそれがある。したがって、適宜の手段によって圧縮機
（２）の過負荷状態を検出し、除霜モード運転時と同様
にして、前記の第１電磁弁（15）を開弁するとともに、
第２電磁弁（16）を閉弁すれば、前記除霜モードと同様
に室外側熱交換器（５）では放熱し、廃熱回収器（17）
でのみ吸熱することとなるため、そのような過負荷を防
止することができる。このとき、室外機ファン（７）
は、運転したままであると放熱量が多くなり過ぎ、暖房
時の冷凍サイクルの効率が低下することになるので、コ
ントローラ（27）によって停止させるよう制御する。

なお、このような圧縮機（２）の過負荷状態は、前記
の第１電磁弁（15）を閉弁状態に保持するとともに、第
２電磁弁（16）を開弁状態で保持して、第２図の実線の
矢印のように、室内側熱交換器（４）から吐出する空調
用冷媒を、暖房用膨張弁（13）を通過させて室外側熱交
換器（５）へ供給し、その室外側熱交換器（５）から流
出した空調用冷媒を、メインの空調用冷媒管路（３）を
介して直に廃熱回収器（17）へ送出した後、その廃熱回
収器（17）から出てきた空調用冷媒を、圧縮機（２）を
介して室内側熱交換器（４）へと循環させるとともに、
前記のコントローラ（26）により、室外機ファン（７）
を状況に応じて停止、微速運転或いは断続運転させるよ
うに制御することによっても解消されることになる。

更には、第４図で示すように、エンジン冷却用冷媒管
路（21）に廃熱回収器（17）をバイパスするバイパス管
路（32）を設けて、そのバイパス管路（32）の途中に開
閉弁（33）を設けるとともに、そのバイパス管路（32）
の分岐部分から廃熱回収器（17）の入口側へ至るエンジ
ン冷却用冷媒管路（21）の途中に、別の開閉弁（34）を
設けるようにしてもよい。この場合には、前記圧縮機
（２）の過負荷時に、一方の開閉弁（33）を開弁すると
ともに、他方の開閉弁（34）を閉弁すると、エンジン
（１）からのエンジン冷却用冷媒が、前記の廃熱回収器
（17）の手前側でエンジン冷却用冷媒管路（21）から分
岐してバイパス管路（33）を通り、廃熱回収器（17）の
迂回した後再びエンジン冷却用冷媒管路（21）へ合流
し、サーモスタット（24）を経てエンジン（１）へと還
流することになるから、廃熱回収器（17）の機能が停止
することになる。したがって、この場合においても、室
外側熱交換器（５）及び廃熱回収器（17）による全熱交
換量が少なくなって、圧縮機（２）の過負荷状態を回避
できることになる。

なお、第２図に示したシステム構成図において、冷房
モードとするには、前記の四方弁（８）を操作して、空
調用冷媒を暖房モード時とは反対側に流動させ、室外側
熱交換器（５）からの空調用冷媒をバイパス管路（14）
（37）をフリー状態で逆流させるとともに、前記リキッ
ドレシーバ（11）からの空調用冷媒を、冷房用膨張弁
（９）を介して室内側熱交換器（４）へ供給するように
すればよい。

発明の効果 以上のように、この発明では、暖房モード運転状態に
おける着霜時に、室内側熱交換器の熱交換量を低下させ
るとともに、その室内側熱交換器から流出した空調用冷
媒を、膨張量を少なくするか、膨張させずに室外側熱交
換器の入口側へと供給する一方、その室外側熱交換器を
経た空調用冷媒を膨張させて廃熱回収器へと供給して、
その廃熱回収器における熱交換後の空調用冷媒を、圧縮
機を経て室内側熱交換器へと循環させるようにしたこと
により、上記室外側熱交換器から流出した空調用冷媒
が、廃熱回収器へ前段階で膨張してから流入し、その廃
熱回収器で加熱された後圧縮機を経て室内側熱交換器へ
と循環することから、室内側熱交換器で熱交換量が少な
くなるため放熱量が少なくなるが、室内側熱交換器から
流出した空調用冷媒が、完全に凝縮しない状態で室外側
熱交換器へと殆ど絞られない状態で復流して、室外側熱
交換器でも放熱が行なわれることになり、それによって
室外側熱交換器へ付着した霜が溶かされることになるか
ら、エンジンによって駆動される単一の圧縮機によって
圧縮された空調用冷媒が循環する空調システムにおいて
も、暖房運転を維持しつつ除霜運転することができるこ
とになり、前記特開昭62−29871号公報に記載されたも
ののように、高価な圧縮機を２個も必要とせずコストダ
ウンを図ることができるという効果がある。しかも、特
開昭62−66071号公報記載のもののように、エンジンの
ラジエータからの排熱風を室外側熱交換器の除霜用に利
用していないため、室外側熱交換器とラジエータとを充
分離して設置することが可能となり、冷房運転時の不具
合が解消されるという利点がある。更に、この発明で
は、エンジンの冷却用冷媒をエンジンと室内機との間で
循環させるための暖房専用配管等の余分な部材を必要と
せず、部品点数が少なくなるという利点もある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明に係る除霜機構の一実施例を示すハ
ードウエアのブロック回路図、第２図は、同じくこの発
明に係る除霜機構を備えたエンジンヒートポンプ式空調
機のシステム構成図、第３図は、除霜モードの一例を示
すフローチャート、第４図は、この発明に係る除霜機構
を備えたエンジンヒートポンプ式空調機の別のシステム
構成図である。 （１）……エンジン、（２）……圧縮機、 （３）……空調用冷媒管路、 （４）……室内側熱交換器、 （５）……室外側熱交換器、 （７）……室外機ファン、（13）……暖房用膨張弁、 （15）……第１電磁弁、（16）……第２電磁弁、 （17）……廃熱回収器、（20）……除霜用膨張弁、 （31）……タイマー。

Claims (3)

【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によって
   圧縮された空調用冷媒が循環する空調用冷媒管路に、上
   記エンジンの廃熱を回収するための廃熱回収器、室内側
   熱交換器、室外側熱交換器等を備えたエンジンヒートポ
   ンプ式空調機において、 暖房モード運転状態における着霜時に、室内側熱交換器
   の熱交換量を低下させるとともに、その室内側熱交換器
   から流出した空調用冷媒を、膨張量を少なくするか、膨
   張させずに室外側熱交換器の入口側へと供給する一方、
   その室外側熱交換器を経た空調用冷媒を膨張させて廃熱
   回収器へと供給して、その廃熱回収器における熱交換後
   の空調用冷媒を、前記の圧縮機を経て室内側熱交換器へ
   循環させるようにしたことを特徴とするエンジンヒート
   ポンプ式空調機。
2. 【請求項２】暖房モード運転時に室内側熱交換器の出口
   側から出た空調用冷媒が室外側熱交換器の入口側へと流
   動する空調用冷媒管路に設置された暖房用膨張弁に並列
   して設けられた第１開閉手段と、上記室外側熱交換器の
   出口側と前記廃熱回収器の入口側との間の空調用冷媒管
   路に、その室外側熱交換器から流出した空調用冷媒を絞
   るために設置された絞り手段に並列する第２開閉手段を
   有するとともに、上記第２開閉手段の閉開動作時を、第
   １開閉手段の開閉動作時から遅延させるための遅延手段
   を有する特許請求の範囲第１項記載のエンジンヒートポ
   ンプ式空調機。
3. 【請求項３】前記室外側熱交換器へ送風するためのファ
   ンを、圧縮機の高負荷時に停止させるファン停止手段を
   設けた特許請求の範囲第１項又は第２項記載のエンジン
   ヒートポンプ式空調機。