JPS6325265B2 - - 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
冷暖房を行うヒートポンプ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。
従つて寒冷地では暖房専用機として使用すること
もできる。

〔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、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、圧
縮機を止めた場合は、その排熱を利用することが
できず、また、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量の減少
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。

さらに、これらの問題点を解決するために、外
気側熱交換器と並列に補助蒸発器を配備したもの
が提案されているが、補助蒸発器に導かれる冷媒
が必要以上に多くなり、蒸発量が増大することに
より蒸発温度、蒸発圧力が上昇し、外気との温度
差がなくなり外気からの熱の取り入れが不足して
成績係数（COP）が低下する、という問題点が
あつた。

本発明は、従来のものの上記の問題点を解決し
て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、かつ異常着霜を防ぎ、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、COPを最良となし、なお不足熱量を
圧縮機の容量の増大で補つて暖房容量の低下を防
ぎ、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熱機関排熱により負荷流
体を加熱し、熱利用効率を向上せしめるヒートポ
ンプ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
収装置とを備えたヒートポンプ装置において、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、得られた検出値を設定値
と比較し、かつ、外気温が所定の異常低温度以下
であるときに、該検出値に基づいて、前記外気側
熱交換器と前記補助蒸発器とへの冷媒流量比を制
御する流量比制御装置と、負荷を検出する負荷検
出装置と、得られた検出値を設定値と比較し、か
つ、負荷が過大であるときに、該検出値に基づい
て、前記圧縮機の容量を制御する容量制御装置と
を備えたことを特徴とするヒートポンプ装置であ
る。

〔実施例〕

本発明を実施例につき図面を用いて説明する。
図面に示された冷房兼用のヒートポンプ装置にお
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との間に冷媒経路
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３７として分岐配備され、
該パイパス経路３７にバイパス弁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。

上述の如く形成されたヒートポンプ装置はさら
に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、得られた検出値を設定値と比較し、か
つ、外気温が所定の異常低温度以下であるとき
に、該検出値に基づいて、外気側熱交換器３と補
助蒸発器２３とへの冷媒流量比を制御する流量比
制御装置と、負荷を検出する負荷検出装置と、得
られた検出値を設定値と比較し、かつ、負荷が過
大であるときに、該検出値に基づいて、圧縮機１
の容量を制御する容量制御装置と、エンジン２５
の回転数を制御する回転数制御装置とが備えられ
ている。外気温検出装置としては、外気温度（温
度検出器２７）、蒸発圧力（圧力検出器２８）又
は蒸発温度（温度検出器３０）などの如き外気温
度関連物理量の検出装置、即ち外気温を直接的又
は間接的に検出する検出装置が用いられ、負荷検
出装置としては負荷の検出即ち負荷量の検出を行
うものであればよく、負荷流体（温水）の入口温
度、出口温度（温度検出器２６）又は出入口温度
差などの検出装置が用いられる。流量比制御装置
は制御機構とバイパス弁２１とからなり、容量制
御装置は制御機構と容量調節装置４３とからな
り、回転数制御装置は制御機構と回転数調節装置
３８とからなつている。流量比制御装置の制御機
構、容量制御装置の制御機構及び回転数制御装置
の制御機構は、前者は外気温検出装置、後二者は
負荷検出装置により得られた検出値を設定値と比
較し、前者は外気温が所定の異常低温度以下であ
るときに後二者は負荷が過大であるときに、検出
値に基づいて、流量比又は容量又は回転数を制御
するものである。即ち検出装置からの信号を、予
め定められた設定値と比較し、フイードバツクを
行うか或いは予め定められたプログラムに従つ
て、入力信号に対応する信号を出力し、この出力
信号により、それぞれバイパス弁２１又は容量調
節装置４３又は回転数調節装置３８を所定の流量
比又は容量又は回転数とする制御を行うものであ
る。容量調節装置４３としては、圧縮機１に内蔵
された容量調節装置、例えば、多気筒往復動式圧
縮機の場合には、気筒数の変化装置、遠心圧縮機
の場合はベーンコントロール装置、スクリユー圧
縮機の場合はスライドバルブコントロール装置
が、それぞれ用いられる。回転数制御装置として
は、例えば、検出された負荷温度の温度信号を電
圧信号に変換する制御機構とこの電圧信号をガバ
ナーに送り、ガバナモータによりエンジン２５の
スロツトルバルブを操作する回転数調節装置３８
とが設けられ、負荷温度が一定になるように制御
するようにしてある。

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）
→チエツキ弁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、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。

通常暖房負荷は冷房負荷より小さいので、暖房
時は、冷房時に比べてエンジン２５の回転数を低
く設定するようにしてもよい。又暖房専用機の場
合には、エンジン２５は定速回転か、若しくは容
量制御のために可変速としてもよい。

暖房時に、外気温が十分高い通常時には、バイ
パス弁２１を閉じ、冷媒の全量を外気側熱交換器
３に導き、ヒートポンプの熱源を外気のみより取
る。外気温が或る程度低下すると暖房能力が低下
するので、圧縮機１の容量制御装置により、即
ち、負荷流体の温度の検出値に基づいて容量調節
装置４３を自動的に制御して、能力を増加せしめ
る。前述の如く、暖房時の回転数を冷房時の回転
数より低く設定するようにした装置においても、
この場合は、その暖房時設定回転数より回転数を
上昇せしめて能力を増加させてもよい。又、圧縮
機１の容量制御装置とエンジン２５の回転数制御
装置とを併用して能力を増加させてもよい。これ
らの方法は、能力を減少させる必要のある場合に
は、反対に作動せしめればよい。

さらに外気温が低下すると、圧縮機１の冷媒ガ
ス吸込量をいかに増加させようとしても、圧縮機
の入口圧力は低下し、冷媒ガスの比容積が大きく
なるため、十分な冷媒流量を確保することができ
ず、又、温度低下によつて外気側熱交換器３に着
霜が現われるようになつて、ますます熱源熱量の
供給が妨げられ、暖房能力が低下するので、本実
施例では、これを防ぐために、その着霜が生じ始
める外気温を所定の異常低温度とし、外気温がこ
の温度以下であることが検出されると、流量比制
御装置が作動し、外気側熱交換器３と補助蒸発器
２３とに導かれる冷媒の流量比がバイパス弁２１
の開度により制御されるようになつている。即
ち、外気側熱交換器３から充分な熱量を得られな
くなつた分だけ補助蒸発器２３から冷媒に熱量を
導入し、外気側熱交換器３及び補助蒸発器２３の
両方で蒸発した冷媒が圧縮機１に吸込まれるよう
にする。かくして、外気側熱交換器３の負担能力
を減らした分だけ蒸発圧力は上昇し、補助蒸発器
２３も充分な能力を有するように伝熱面積をきめ
ておけば、外気側熱交換器３及び補助蒸発器２３
からの合流冷媒の圧力は上昇し、圧縮機１はその
分だけ圧力の低い状態よりも余計の冷媒流量を吸
込むことができ、負荷側熱交換器７での熱量を確
保することができる。

このときも圧縮機１の容量制御装置は自動的に
動作しているので、補助蒸発器２３の作用によつ
てもまだ負荷が過大であることが検出された場合
は不足する容量は、圧縮機１の容量が自動的に増
大することによつて補われ、暖房容量の低下を防
ぐことができる。

補助蒸発器２３では、エンジンの排熱を直接又
は間接的に利用する。図面ではジヤケツト１１の
温水の熱を直接利用するサイクルを示している
が、この代わりに排気ガスの熱量や、又負荷側熱
交換器７の温水を利用することもできる。このよ
うにして、外気温異常低下時でも暖房能力を減ら
すことなく、外気側熱交換器３の取り入れ熱量を
減らすことが出来、それだけ着霜を抑えるか又は
無くして運転することが出来、不足分はエンジン
２５の能力を増加させてその燃焼エネルギーを圧
縮機１の容量増大、圧縮機１の回転数増大、エン
ジン２５の排熱の増大などの形でヒートポンプシ
ステムに取り入れることにより、温水加熱に利用
することが出来る。この際異常着霜が生じない程
度に、外気から優先して熱を取り込むCOPが最
良なるようにする。

外気温度がさらに異常低下した場合には、バイ
パス弁２１は全開となり、殆んどの負荷は補助蒸
発器２３が負担することになる。外気側熱交換器
３の経路にも開閉弁を設けてもよく、又、補助蒸
発器２３と外気側熱交換器３の分岐点に三方弁を
設けて分配調節してもよい。

以上の如く、必要熱量を外気から優先して取り
込むように流量比制御装置により流量比を制御
し、不足分を補助蒸発器２３において温水から取
り込み、さらに不足分を圧縮機１の容量の増大に
より取り込むようにすることにより、着霜を防
ぎ、COPの良好な暖房サイクル運転を行い、し
かも暖房能力の低下を生じないようにすることが
できる。即ち、COPを最良にするためには、熱
は外気からできるだけ取り入れるのがよいが、外
気温が低い場合には異常着霜を生ずるので、着霜
が異常状態にならない程度の最低の温度となるよ
うに冷媒流量を外気側熱交換器３と補助蒸発器２
３とに分配するのである。

制御方式の例につき説明する。図面には各種の
制御方式が示されているが、これは全部同時に設
けられ、又は全部同時に作動するという意味では
なく、便宜上同一図面に記入したものであり、各
制御方式が単独、又は適宜組み合わせられて配備
され又は使用されるものである。

容量制御装置により負荷に応じて暖房能力を適
合させる制御は、例えば、負荷検出装置として戻
り経路の温水温度の温度検出器２６を用い、その
信号に基づいて、制御機構３９と容量調節装置４
３により、或いは制御機構３９で容量調節装置４
３とエンジン２５の回転数調節装置３８の両者を
制御して、戻り温水温度をほぼ一定に保つように
する。

流量比制御装置による外気側熱交換器３と補助
蒸発器２３との負担負荷の負荷比制御、即ち両者
の流量比制御は、バイパス弁２１の流量制御によ
り行われ、例えば次の如き方式で行われる。

外気温検出装置として温度検出器２７を用いた
ときは制御機構４０により、圧力検出器２８を用
いたときは制御機構４２により、温度検出器３０
を用いたときは制御機構４１により、蒸発圧力又
は蒸発温度がそのときの外気温度に対し着霜を生
じない蒸発温度を与え、かつCOPが最大となる
ような所定の値となるようにバイパス弁２１の流
量制御を行う。

或いは別の制御方式として、予め組まれたプロ
グラムにより制御を行つてもよい。例えば、外気
温度（温度検出器２７）とバイパス弁２１の開度
との間のプログラム、蒸発圧力（圧力検出器２
８）とバイパス弁２１の開度との間のプログラ
ム、負荷（温度検出器３２、エンジン回転数検出
器又は冷却水の温度検出器３１）と外気温度（温
度検出器２７）との信号の組み合わせとバイパス
弁２１の開度との間のプログラム（制御機構３３
又は３４を用いる）、負荷（温度検出器３２、エ
ンジン回転数検出器又は冷却水の温度検出器３
１）と蒸発圧力（圧力検出器２９）との信号の組
み合わせとバイパス弁２１の開度との間のプログ
ラム（制御機構３５を用いる）などによる制御で
ある。

或いは別の制御方式として、外気温度（温度検
出器２７）と蒸発温度（温度検出器３０）との温
度差を検出し制御機構３６によりバイパス弁２１
の開度を、プログラムにより、或いは、蒸発温度
又は蒸発圧力が前述の如き所定の値になるように
制御してもよい。この方式が他の方式より一層好
ましい。

以上に述べた種々の外気温検出装置（温度検出
器２７，３０、圧力検出器２８，２９）は外気温
度に関連する外気温度関連物理量を検出、即ち外
気温を直接的又は間接的に検出するものであり、
このほか、例えば圧縮機１の吸込み圧（蒸発圧力
とほぼ同じ）を検出してもよい。

補助蒸発器２３の加熱源は、上述のほか直接排
熱を利用してもよく、また、負荷側熱交換器７
（凝縮器）の入口又は出口の温水により加熱して
もよい。即ち、補助熱源経路１６に直接排熱媒体
を導いたり、直接温水を導いたりすることもでき
る。

以上の実施例では、外気温低下に対する負荷制
御として圧縮機１の容量制御装置を用いている
が、これとは別にエンジン２５の回転数を変える
ことにより、ヒートポンプの容量制御を行うこと
ができるので、この方法と圧縮機１の容量制御装
置とを併用して制御することもできる。又、圧縮
機１には、どのような形式構造のものを使用して
も、本発明の主旨に影響を及ぼすものではない。

以上の実施例は、上記の如く構成され作用する
ので、外気温が異常に低下しても、外気側熱交換
器３に着霜を生じたり、COPの低下を招いて能
力低下を来たすようなことはなく、しかも特別に
ボイラなどの加熱設備を必要としない利点があ
る。

〔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
るヒートポンプ装置を提供することができる。

(1) 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、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
グ状態ではなく定格負荷或いはそれに近い状
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) 圧縮機の容量を増大、即ち、ヒートポンプ
の容量を増大せしめ、ヒートポンプ加熱量を
増大せしめ得る。

(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) しかも異常着霜が防止できて安定した運転
を行なう。

(h) COPを最良の値に保つことができる。

(2) 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
加熱して熱利用率の向上をはかることができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図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、２６，２７……温度
検出器、２８，２９……圧力検出器、３０，３
１，３２……温度検出器、３３，３４，３５，３
６……制御機構、３７……バイパス経路、３８…
…回転数調節装置、３９，４０，４１，４２……
制御機構、４３……容量調節装置。

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
   を備えたヒートポンプ装置において、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、得られた検出値を設定値と比較
   し、かつ外気温が所定の異常低温度以下であると
   きに、該検出値に基づいて、前記外気側熱交換器
   と前記補助蒸発器とへの冷媒流量比を制御する流
   量比制御装置と、負荷を検出する負荷検出装置
   と、得られた検出値を設定値と比較し、かつ、負
   荷が過大であるときに、該検出値に基づいて、前
   記圧縮器の容量を制御する容量制御装置とを備え
   たことを特徴とするヒートポンプ装置。 ２ 前記負荷検出装置が、負荷流体の温度を検出
   する温度検出器である特許請求の範囲第１項記載
   の装置。