JPS6310349B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、都市ガスや灯油等の燃焼エネルギー
を原動力とする熱機関を用いて圧縮機を駆動して
冷暖房を行う冷暖房装置に関するものである。

〔従来技術〕

近年、省エネルギー的観点等より、都市ガスや
灯油等の燃焼エネルギーによるヒートポンプによ
り冷暖房を行う冷暖房装置の開発が盛んである。
このヒートポンプは燃焼エネルギーによりエンジ
ン等を運転し、これによりヒートポンプ用圧縮機
を駆動して冷暖房を行うものであり、暖房時エン
ジンの排熱を暖房に利用することができるので、
電動式ヒートポンプより、省エネルギーである。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら従来のエンジン駆動の排熱回収式
ヒートポンプにおいては次の如き問題点があつ
た。

即ち、同一の装置で冷暖房を行う場合、暖房容
量／冷房容量の値が１以上となり、暖房容量が大
き過ぎることになる。日本の大部分の地域では事
務所ビルの場合、暖房負荷／冷房負荷の値は大略
0.7〜0.9程度である。従つて暖房負荷に適用する
ように各種熱交換器を設置すると、伝熱面積は小
さなものでよいこととなる。しかしこの場合冬期
起動時等、温水温度が低いときは、能力が過大に
なるので容量制御装置があつても蒸発圧力が過度
に低下して着霜が激しくなるとか、または凝縮圧
力が異常上昇して圧力スイツチが作動する等の不
具合が生じる。従つて、暖房時の設計において
は、暖房負荷が少ないにも拘らず、各種熱交換器
の伝熱面積を大きくとる必要がある。

さらに従来のものにおいては次のような欠点も
ある。

即ち、従来のヒートポンプにおいては、外気温
度が非常に低い時や、降雪時には、外気側熱交換
器における蒸発温度が低下し、冷媒ガスの比体積
が著しく増大して冷媒循環量が激減して暖房能力
が異常に低下し、また着霜を生じて使用不可能に
なることがある。このような場合にヒートポンプ
による負荷温水の加熱ができなくなるばかりでな
く、ヒートポンプ負荷が小なることによりエンジ
ンを定格回転数で回転せしめることができず、た
とえ、エンジンのみ回転せしめるとしても負荷が
ないのでアイドリング運転となるため、排熱量も
減少し、結局、暖房容量は、汲み上げるべき外気
の熱が減少した分だけの熱減少にとどまらず、ヒ
ートポンプが運転できないことによるヒートポン
プ加熱分の減少とエンジンの排熱用の減少とが相
まつて暖房容量の低下が甚だしい、という問題点
があつた。

また、このような外気温異常低下時の対策とし
て、実公昭51−35632号公報に示された技術も知
られているが、この場合には、外気温が異常に低
下したときのエンジンの排熱の利用は、外気を介
して、蒸発器を加熱するにとどまり、放熱損が大
きく、また負荷流体である車内空気を排熱で加熱
せず、しかもさらに、外気からの熱の汲み上げを
並行して行うこともできず、それだけ負荷流体の
加熱量が少なく、また、外気温が通常であるとき
にはエンジンの排熱を利用するものではなく、排
熱回収が良好に行われていない、という問題点が
あつた。

また、実公昭52−22735号公報に示された如き
ものもあるが、外気温が通常の場合において外気
からの熱の汲み上げが行われておらず、熱の回収
量が少なく、また、外気温が異常に低下した場合
においては、エンジンの排熱の利用はヒートポン
プの蒸発器を熱するにとどまり、負荷流体である
室内空気を加熱せず、しかも外気からの熱の汲み
上げを並行して行うことができず、それだけ室内
空気の加熱量が少ない、という問題点があつた。

また、外気温が異常に低下した場合の対策とし
て、エンジン回転数をただ上昇せしめても、圧縮
機の吸込能力の増大により吸込圧力が極端に低下
し、ヒートポンプの吸込圧低下の安全装置が作動
して運転停止となる不具合があつた。

本発明は、従来のものの上記の問題点を解決
し、熱交換面積が過大にならず熱交換器を小型と
なし、冷房及び暖房負荷にマツチした冷暖房装置
とすることができ、さらに暖房時に外気温が異常
に低下したときにもヒートポンプサイクルを作動
せしめ、かつ着霜を防ぎ、負荷流体を加熱すると
共に排熱によつても作動流体を加熱し、暖房容量
の低下を最小限に抑制し、かつ、外気温が通常の
温度である場合においてもヒートポンプと共にエ
ンジン排熱により負荷流体を加熱し、熱利用効率
を向上せしめ、かつ吸込圧低下による運転停止を
生じない冷暖房装置を提供することを目的とする
ものである。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、熱機関により駆動される圧縮幾、外
気側熱交換器、負荷側熱交換器、膨張装置及びこ
れらの機器を接続する冷媒経路よりなるヒートポ
ンプと、前記熱機関からの排熱を回収する排熱回
収装置とを備えた冷暖房装置において、前記冷媒
経路に前記外気側熱交換器に並列に配備された補
助蒸発器と、前記排熱回収装置及び前記負荷側熱
交換器に負荷流体を導く負荷流体経路と、前記補
助蒸発器に負荷流体又は排熱媒体を導く補助熱源
経路と、外気温を直接的又は間接的に検出する外
気温検出装置と、外気温が所定の異常低温度以下
であることが検出されたときに、前記補助蒸発器
へ冷媒流を導くバイパス装置と、暖房時に前記熱
機関の最大回転数を冷房時の最大回転数よりも小
となし、かつ、外気温が所定の異常低温度以下で
あることが検出されたときに、前記熱機関の最大
回転数を前記冷房時の最大回転数に上昇せしめる
回転数制御装置とを備えたことを特徴とする冷暖
房装置である。

〔実施例〕

本発明を実施例につき図面を用いて説明する。
図面に示された冷暖房装置において、１は圧縮
機、３は外気側熱交換器、７は負荷側熱交換器、
９は膨張装置としての膨張弁で、各機器を冷媒経
路で接続してヒートポンプが形成されている。な
お、冷媒経路には四方弁２、膨張弁６、チエツキ
弁４，８が配備されて冷房運転に切換可能に形成
されている。５はレシーバーである。

ヒートポンプには、さらに外気側熱交換器３と
並列に補助蒸発器２３が配備されている。本実施
例ではレシーバー５と膨張弁９との間の冷媒経路
から外気側熱交換器３と四方弁２との間に冷媒経
路を接続する冷媒経路が外気側熱交換器３をバイ
パスするバイパス経路２６として分岐配備され、
バイパス装置としてのバイパス弁２１と膨張弁２
２と補助蒸発器２３が配備されている。

２５は圧縮機１を駆動する熱機関として用いら
れているエンジンで、エンジン２５からの排熱を
回収する排熱回収装置として例えばジヤケツト１
１や排ガス熱交換器１４を備えている。

負荷流体を負荷側熱交換器７に導く負荷流体経
路には負荷側熱交換器７をバイパスする負荷流体
経路がバイパス経路１９として分岐配備されてい
る。バイパス経路１９はエンジン２５のジヤケツ
ト１１、冷却媒体冷却器１０、排ガス熱交換器１
４を通過するように設けられているが、冷却媒体
冷却器１０をバイパスし補助蒸発器２３を通過す
る補助熱源経路１６が分岐配備されている。１２
はポンプ、１３は三方弁、１５，１７，１８は三
方切換弁、２０は電磁弁である。

しかして、ヒートポンプサイクルの通常時は一
般の電動式空気熱源ヒートポンプと同様である。
即ち夏期冷房時においては、冷媒は圧縮機１→四
方弁２→外気側熱交換器３（凝縮器として作動）
→チエツキ４→レシーバー５→膨張弁６→負荷側
熱交換器７（蒸発器として作動）→四方弁２→圧
縮機１の順序で循環し、負荷側熱交換器７におい
て冷水を冷却する。

暖房時においては四方弁２を切り換えて冷媒の
経路を変える。すると、冷媒は圧縮機１→四方弁
２→負荷側熱交換器７（凝縮器として作用）→チ
エツキ弁８→レシーバー５→膨張弁９→外気側熱
交換器３（蒸発器として作用）→四方弁２→圧縮
機１の順序で循環し、負荷側熱交換器７において
温水を加熱するようになつている。

一方エンジン２５側サイクルは次のようになつ
ている。冷房時、ジヤケツト１１よりの排熱は冷
却媒体冷却器１０により外気により冷却される。
即ち、ジヤケツト１１を冷却して加熱された冷却
媒体はポンプ１２により吸込まれ、冷却媒体冷却
器１０に送られ、ここで冷却される。そして三方
弁１３を経由して、再びジヤケツト１１に供給さ
れる。なお、温度検出器２４によりこの冷却媒体
の温度が検出され、三方弁１３により排ガス熱交
換器１４のバイパス量が制御され、適温の冷却水
が、ジヤケツト１１に供給される。

暖房時は三方切替弁１５，１７，１８が切替え
られ、また電磁弁２０が開となりエンジン２５よ
りの排熱は温水加熱に供せられる。即ちジヤケツ
ト１１を冷却して加熱された冷却水（負荷流体で
ある温水の一部）はポンプ１２によりバイパス経
路１９に吸い込まれ、三方切替弁１５、補助熱源
経路１６を通り補助蒸発器２３を通過し、その
後、三方切替弁１７を介して、排ガス熱交換器１
４に送られ、排ガスにより更に加熱される。

加熱された温水は三方切替弁１８を介して、負
荷側熱交換器７よりの温水と合流して、負荷加熱
に供せられる。温度の下つた負荷温水は電磁弁２
０を通り、再びジヤケツト１１の冷却に供せられ
る。なお負荷が少ないとき、ジヤケツト１１に供
給される温水温度が高過ぎる場合があるので、こ
の供給温度は温度検出器２４により検出され、三
方調節弁１３により、大略一定温度になるように
調節される。

本実施例の冷暖房装置では暖房時のエンジン最
大回転数は回転数制御装置により冷房時の最大回
転数より小さく選ぶことができるようになつてい
る。即ち、回転数制御装置はエンジン最大回転数
の変更を行うものであり、例えば最大回転数の設
定を変更するためにスロツトルバルブの開度を規
制するストツパの位置を操作したり、ガバナコン
トローラへの入力電圧の最高限度の値を変更操作
したりして、エンジン最大回転数を変更すること
ができる。この回転数制御装置により、最大回転
数の設定値が暖房時は冷房時より低い値になるよ
うに切替える。それ故、暖房時の起動時など温水
温度が低いときでも、エンジン２５の回転数が過
大とならないので、圧縮機１の吸込風量が異常に
増加することがなく、吸込圧力の異常低下や、凝
縮器の異常圧力上昇がない。

また、暖房時に外気温が異常に低下した異常低
温時には外気温サーモスタツトが作動し、その信
号により回転数制御装置を作動せしめてエンジン
２５の最大回転数設定値を暖房時設定最大回転数
より水となるよう変更して冷房時の最大回転数に
近付くように切替える。そして、同時に外気温サ
ーモスタツトからの信号によりバイパス弁２１が
開けられ、液冷媒は膨張弁２２で減圧され、外気
温が異常に低下した時に作動せしめる蒸発器とし
て設けられた補助蒸発器２３内でエンジン２５の
冷却水、即ち負荷温水の一部により加熱され蒸発
する。

逆に温水は冷却され、補助蒸発器２３を出る温
水温度は低下する。

しかしながら補助蒸発器２３にて冷媒を加熱す
ることによりヒートポンプサイクルを成立せし
め、かつ着霜を防ぎ、負荷側熱交換器７における
負荷温水の加熱を可能となし、かつエンジン２５
最大回転数をを回転数制御装置により暖房時より
も上げて冷房時最大回転数となして通常の暖房時
よりも高速の運転を行い、多量の排熱を発生せし
めて負荷温水を加熱することができ、これにより
結局負荷温水を有効に加熱することができる、外
気が異常定温となつても暖房能力の低下を防ぐこ
とができる。

外気温検出装置として直接検出する外気温サー
モスタツトのかわりに圧縮機１の吸込圧スイツチ
や蒸発温度を検出するサーモスタツトを用い、間
接的に検出してもよい。また補助蒸発器２３の加
熱源としては直接排ガスや凝縮器として作用する
負荷側熱交換器７の入口または出口の温水により
加熱してもよい。

〔発明の効果〕

本発明により、次の如き特別顕著な効果を有す
る冷暖房装置を提供することができる。

(1) エンジン最大回転数を暖房時には冷房時より
低くするので、暖房時の起動時など、温水温度
が低いときでもエンジン回転数が過大とならな
いので蒸発圧力が異常に低下するなどの不具合
がなく、従つて暖房に対する設計は冷房時の設
計に拘束されて過大の能力で設計する要なく、
負荷に見合つた設計をすればよく、熱交換器の
面積を過大とする必要なく、装置がコンパクト
となる。

(2) 暖房時、外気温が異常に低下した場合に、 (a) 通常の外気温の場合に用いる外気側熱交換
器と並列に挿入された補助蒸発器に負荷流体
と冷媒とを同時に導いた状態となし、冷媒を
負荷流体により加熱して蒸発せしめ比体積の
小なる冷媒ガスを発生せしめると共に着霜を
防止して、ヒートポンプサイクルの作動を可
能となし、このヒートポンプサイクルにより
負荷側熱交換器において負荷流体を加熱し、
圧縮機の機械的仕事による熱を併せ回収する
ことにより補助蒸発器で奪われた熱以上の多
量の熱を負荷流体に与え、負荷流体を有効に
加熱する。

(b) 負荷流体の一部が熱機関の排熱により直接
加熱されるようになつているので、負荷流体
の加熱量は一層大となり、また回収熱の放散
も少ない。

(c) (a)の如く、ヒートポンプサイクルの作動を
可能とすることにより、熱機関をアイドリン
グ状態ではなく高負荷状態で運転せしめるの
で、排熱量は多量となり、(a)と合わせて負荷
流体の加熱量は大となる。

(d) 補助蒸発器で負荷流体から加熱されると同
時に、外気側熱交換器においても外気からの
熱の汲み上げが可能であり、ヒートポンプに
おける負荷流体の加熱量を増大せしめ得る。

(e) その上熱機関の最大回転数を上昇せしめて
冷房時と同様高速となし得るので、排熱量を
増大せしめ、負荷流体の加熱量を増大せしめ
る。

このように回転数を増大せしめることによ
り、暖房容量の低下を抑制することができ
る。

最大回転数が暖房時用として制限された小
さな値のままであると、外気温が異常に低下
して外気から取り入れる熱量が少なくなつた
場合に、ただ単に補助蒸発器を作動せしめる
のみでは、容量低下は或る程度抑制されると
はいうものの不十分であり、暖房容量は定格
容量よりも低下する。

これを、最大回転数を冷房時なみに戻し、
ヒートポンプの加熱量（主として圧縮機の機
械的仕事によるもの）及び熱機関の排熱量を
上昇せしめて暖房容量の低下を防止するので
ある。

(f) このように負荷流体の加熱をできるだけ行
つて、暖房容量の低下を防止する。

(g) 圧縮機の吸込圧力が極端に低下するのを防
ぎ、安全装置の作用による停止を防ぎ、安定
した運転を行うことができる。

(3) 暖房時、外気温が通常の温度である場合 (a) 外気から熱を汲み上げてヒートポンプサイ
クルを作動せしめて負荷流体を加熱すると同
時に、熱機関の排熱により負荷流体の一部を
加熱して熱利用の向上をはかることができ
る。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の実施例のフロー図である。 １……圧縮機、２……四方弁、３……外気側熱
交換器、４……チエツキ弁、５……レシーバー、
６……膨張弁、７……負荷側熱交換器、８……チ
エツキ弁、９……膨張弁、１０……冷却器、１１
……ジヤケツト、１２……ポンプ、１３……三方
弁、１４……排ガス熱交換器、１５……三方切替
弁、１６……補助熱源経路、１７……三方切替
弁、１８……三方切替弁、１９……バイパス経
路、２０……電磁弁、２１……バイパス弁、２２
……膨張弁、２３……補助蒸発器、２４……温度
検出器、２５……エンジン、２６……バイパス経
路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 熱機関により駆動される圧縮機、外気側熱交
   換器、負荷側熱交換器、膨張装置及びこれらの機
   器を接続する冷媒経路よりなるヒートポンプと、
   前記熱機関からの排熱を回収する排熱回収装置と
   を備えた冷暖房装置において、 前記冷媒経路に前記外気側熱交換器に並列に配
   備された補助蒸発器と、前記排熱回収装置及び前
   記負荷側熱交換器に負荷流体を導く負荷流体経路
   と、前記補助蒸発器に負荷流体又は排熱媒体を導
   く補助熱源経路と、外気温を直接的又は間接的に
   検出する外気温検出装置と、 外気温が所定の異常低温度以下であることが検
   出されたときに、前記補助蒸発器へ冷媒流を導く
   バイパス装置と、 暖房時に前記熱機関の最大回転数を冷房時の最
   大回転数よりも小となし、かつ、外気温が所定の
   異常低温度以下であることが検出されたときに、
   前記熱機関の最大回転数を前記冷房時の最大回転
   数に上昇せしめる回転数制御装置 とを備えたことを特徴とする冷暖房装置。