JPH0694325A - 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、暖房主体
の運転時において、室外ユニット２の蒸発器として上記
補助熱交換器１５のみを使用することにより、蒸発器の
能力を低下させた状態で運転する。 【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り、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できる。

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冷房
で、他を暖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、暖房主体の運転時において、室外ユニットの
蒸発器として上記補助熱交換器のみを使用することによ
り、蒸発器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。上記補助熱交換器の蒸発器としての能力を
調整するには、補助熱交換器の冷媒流量を調整する、冷
媒と駆動用エンジン冷却水との間の熱交換面積を調整す
る、あるいは補助熱交換器に供給される駆動用エンジン
冷却水の流量を調整する等の手段が可能である。

【０００５】

【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、能力の小さい蒸発器とし
ての作用をする。暖房主体の運転時に蒸発器として必要
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、蒸発
器としての能力は小さくてよく、補助熱交換器を使用す
ることにより暖房主体の運転に容易に対応することがで
きる。

【０００６】

【基本実施例】次に図示の実施例について説明する。図
１は請求項１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、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１
ａ、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、左側の１
台が冷房、他の２台が暖房となっており、全体としては
暖房主体の運転状態になっている。

【０００７】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。

【０００８】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の周波数及び電子膨張弁１６の開度を制
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、２６は補助熱交換器１５の出口での冷媒温
度を検出する温度センサ、また２７，２８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。

【０００９】次に、通常の暖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。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、この図は熱交換器１３，１
４は使用されず、補助熱交換器１５のみに冷媒が流れて
いるＡモードの状態となっている。Ｂモードでは図３の
ように補助熱交換器１５は使用されず、熱交換器１３の
みに冷媒が流れる状態で運転される。

【００１０】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、暖房需要が大きくなけれ
ば冷房主体モードの制御となり、暖房需要が大きい場合
には暖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
る補助熱交換器１５での過熱度目標値とコンプレッサ１
２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し、
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Ａに進む。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、図６に示すコンプレッサ１２の吸入／吐出圧力
制御ルーチンＢに進む。

【００１１】図５においては、まず圧力センサ２７，２
８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
サの回転数及び補助熱交換器の過熱度に対応する制御ベ
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の回転数と補助熱交換器の過熱度を決
定する。過熱度は補助熱交換器１５の出口温度で検出さ
れる。

【００１２】図６においては、図５の場合に準じてまず
圧力センサ２７，２８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て、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１３
ａの周波数を決定する。

【００１３】図７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、ＳＨは過熱度制御ベクトル、Ｆはファン周波
数制御ベクトルである。過熱度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８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ＳＨを読み取
ることができる。なお図は省略しているが、ファン周波
数とコンプレッサ吸入／吐出圧力の変化率にも一定の関
係があり、同様にベクトルＦを読み取ることができる。

【００１４】

【他の実施例】上述の実施例において目標とされる所定
の過熱度を得るためには、補助熱交換器１５での冷媒の
加熱量を制御する必要がある。以下、この制御について
の実施例を説明する。まず、補助熱交換器１５に流れる
冷媒流量を調整することにより蒸発器としての能力を制
御するようにした請求項２に対応する実施例について述
べる。暖房主体の運転時には液相冷媒は液配管４から室
外機２に戻り、電子膨張弁１６を経て補助熱交換器１５
に流入して蒸発するから、電子膨張弁１６を制御するこ
とによって流量を調整するのであり、図９はその一例を
示したものである。ここでは補助熱交換器１５の入口側
に温度センサ３１を設け、冷媒の入口温度Ｔinと出口温
度Ｔoutから過熱度ＳＨ(＝Ｔout−Ｔin)を検出し、制御
部２１で電子膨張弁１６を制御している。エンジン冷却
水は例えば８０℃程度であるのに対して補助熱交換器１
５に流入する冷媒温度は０℃程度であるから、この範囲
で過熱度を制御することができ、過熱度は流量を小さく
するほど大きな値となる。

【００１５】また、補助熱交換器１５での冷媒蒸発温度
は冷媒の入口温度Ｔinと一定の関係があるから、入口温
度によって補助熱交換器１５での冷媒蒸発温度が目標値
となるように電子膨張弁１６で冷媒流量を制御してもよ
い。更に、コンプレッサ１２の吸入圧力を所定の目標値
に制御することで所定の過熱度を得ることができるの
で、圧力センサ２７で検出される吸入圧力に応じて電子
膨張弁１６を制御するようにしてもよい。このような制
御によって実施例では冷媒の過熱量を適正且つ広範囲に
制御できるのであり、従来のファン周波数制御の場合の
ようにファンの超低速運転が必要であり、しかも暖房能
力がファン周波数に対して敏感で風の影響を受けやすく
なる等の問題は生じないのである。

【００１６】補助熱交換器１５の蒸発器としての能力を
制御するには、請求項３のように補助熱交換器１５にお
ける冷媒とエンジン冷却水との間の熱交換面積を調整す
ることによって行うこともできる。図１０はその一例で
あり、(a)は補助熱交換器１５を複数個並列に設置する
と共にバイパスライン３２を設け、冷媒の出口温度に応
じてこれらの流路を電磁弁３３で適宜開閉するようにし
たもの、(b)は補助熱交換器１５を複数個直列に設置す
ると共にそれぞれにバイパスライン３２を設け、冷媒の
出口温度に応じてこれらの流路を三方弁３４で適宜開閉
するようにしたものである。従って、使用する補助熱交
換器１５の数を多くするほど制御範囲が広くなり、適正
な過熱量制御を行うことが容易となる。なお、必要に応
じて補助熱交換器出口の冷媒圧力を検出する圧力センサ
３５を設け、その検出結果を制御に利用することもでき
る。また、図１０のように複数の補助熱交換器１５を別
々に設けないで、例えば冷却水管１５ａ内に太さの異な
る複数の冷媒管１５ｂを設けた一体形の構成とすること
もできる。

【００１７】また、請求項４のように供給されるエンジ
ン冷却水の流量を調整することによって、補助熱交換器
１５の蒸発器としての能力を制御することもできる。図
１１はその例であり、補助熱交換器１５に供給される冷
却水の流路にバイパスライン３７を設け、圧力センサ２
７で検出される吸入圧力に応じてバイパスライン３７を
電磁弁３８で開閉し、補助熱交換器１５での冷媒蒸発温
度が目標値になるように冷却水流量を制御するのであ
る。なお、例えば冷却水ポンプ２２の回転数を周波数制
御等によって変化させるなどの手段によっても、冷却水
流量を調整することができる。

【００１８】

【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、暖房主体の運転時におい
て、室外ユニットの蒸発器に対応するものとして上記補
助熱交換器のみを使用することにより、蒸発器の能力を
低下させた状態にして運転するようにしたものである。
従って、蒸発器としての能力が小さくてよい暖房主体の
運転時に、エンジン駆動ヒートポンプシステムに特有な
駆動用エンジンの冷却水を活用して冷媒を加熱すること
ができるのであり、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広範囲な制御を行うこ
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】同じく制御手順を示すフローチャートである。

【図７】同制御手順を示した図である。

【図８】過熱度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９】別の実施例の構成を示す概略図である。

【図１０】他の実施例の構成を示す概略図である。

【図１１】更に他の実施例の構成を示す概略図である。

【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 １６ 電子膨張弁 ２１ 制御部 ２５，２６，３１ 温度センサ ２７，２８，３５ 圧力センサ ３２，３７ バイパスライン ３３，３８ 電磁弁 ３４ 三方弁

───────────────────────────────────────────────────── 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 (4)

【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冷房で、他
   を暖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、暖房主体の運転時において、室外ユニットの蒸発器
   として上記補助熱交換器のみを使用することにより、蒸
   発器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】 上記補助熱交換器の冷媒流量を調整する
   ことにより蒸発器として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】 上記補助熱交換器における冷媒と駆動用
   エンジン冷却水との間の熱交換面積を調整することによ
   り蒸発器として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。
4. 【請求項４】 上記補助熱交換器に供給される駆動用エ
   ンジン冷却水の流量を調整することにより蒸発器として
   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。