JPH074777A - エンジン排熱回収装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 システムを簡素化する共に、コストや経費の
低減を可能にしたエンジン熱利用空調システムを提供す
る。 【構成】 エンジン１の冷却水回路に水槽２を設け、水
槽２の内部に冷却水熱交換部１４と排気ガス熱交換部１
０を冷却水に浸漬させて配置し、熱交換回路である冷媒
回路に接続し、冷却水熱交換部１４及び排気ガス熱交換
部１０で得られた熱を利用して暖房を助成する構成であ
り、冷媒回路に接続された冷却水熱交換部１４の入口側
に開閉弁１６を設け、冷媒または熱媒との間で熱交換が
必要なときに開閉弁１６を開け、水槽２の出口側とエン
ジン入口側との間に放熱器５を設け、放熱器５を迂回す
るバイパス管７を冷却水回路中に設けると共に、バイパ
ス管７の入口部及び出口部にそれぞれ切換弁（第１三方
弁８、第２三方弁９）を設けている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、家庭用及び業務用の冷
暖房システムに関し、更に詳しくは、エンジンや発電機
の排熱を回収して冷暖房システム等の熱源に利用するエ
ンジン排熱回収装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、エンジンヒートポンプ式の冷暖房
システムの普及をみており、エンジンを駆動源として冷
媒回路の圧縮機に機械的仕事を行わせている。エンジン
には発生熱を冷却するための例えば冷却水による冷却回
路が備わっていて、エンジンの冷却仕事を終えて昇温し
た冷却水の熱は、ラジエータ等でもって放熱冷却して再
びエンジンに供給し、これを繰り返して循環させるよう
になっている。

【０００３】以前は昇温したエンジン冷却水の熱と共
に、排気ガスの熱も排熱されてなんら利用されることは
なかったが、最近ではこうした排熱を再利用することが
見直されてきている。つまり熱を回収して冷暖房や給湯
システムに有効利用することである。例えば、この種エ
ンジン熱回収利用システムとしては、本出願人によって
先に提案された特願平４−３０５３７４号公報のヒート
ポンプ空調システムがある。

【０００４】この公報に開示されたシステムの場合、ま
た一般的なエンジン駆動式ヒートポンプによる冷暖房給
湯システムにおいても同じく、その具体的なエンジン熱
回収構造は、冷暖房システムにおける暖房時を助成する
ために、１つは昇温した冷却水の熱を冷媒（熱媒）回路
に供給するための冷却水熱交換器と、２つは排気ガスの
熱を冷媒回路に供給するための排気ガス熱交換器と、こ
れら両熱交換器を冷媒回路に組み込んでいる。これによ
って冬季暖房時は、冷却水や排気ガスの熱を熱源として
回収し、この回収熱を冷媒回路における暖房の強化に利
用する。夏季シーズンは冷却水及び排気ガスの熱は共に
排熱される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、以上から明
らかなように、従来からのエンジン熱利用による空調シ
ステムにあっては、冷却水熱交換器と排気ガス熱交換器
の２つの熱交換器を冷媒回路に組み込むことから、シス
テム全体が非常に複雑となり、製造コストや組立工数等
が高騰してコスト高の原因となる他、維持経費などにも
問題点を残している。

【０００６】したがって、本発明の目的は、システムを
簡素化する共に、コストや経費の低減を可能にしたエン
ジン排熱回収装置を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に、本発明によるエンジン排熱回収装置は、請求項１で
は、エンジン冷却水が循環する冷却水回路の途中に、冷
却水を貯留する水槽を設け、水槽内に、エンジン排気ガ
スの排熱と冷却水との間で熱交換を行う排気ガス熱交換
部を設け、さらに水槽内に冷却水及び冷却水回路から独
立した熱交換回路中の冷媒または熱媒との間で熱交換を
行う冷却水熱交換部を設けている。

【０００８】請求項２では、冷却水熱交換部を熱交換回
路に接続し、冷却水熱交換部の入口側に開閉弁を設け、
熱交換回路中の冷媒または熱媒との間で熱交換が必要な
ときに開閉弁を開けるようになっている。

【０００９】また、請求項３では、冷却水回路中の水槽
の出口側とエンジン入口側との間に放熱器を設け、放熱
器を迂回するバイパス管を冷却水回路中に設けると共
に、バイパス管の入口部及び出口部にそれぞれ切換弁を
設けることができる。

【００１０】

【作用】請求項１にあっては、エンジン冷却水回路に設
けられた水槽の内部に、冷却水熱交換部と排気ガス熱交
換部を配置した構成であるから、水槽では従前からの冷
却水熱交換器及び排気ガス熱交換器の両機能を備えるこ
とになり、装置全体が簡略化される。水槽では、エンジ
ンを通ってきた冷却水の熱に、排気ガス熱交換部におけ
る排気ガスの熱が加わり、冷却水熱交換部を通る冷媒が
加温され、暖房が助成される。

【００１１】請求項２及び３にあっては、開閉弁は、例
えば冷媒回路のごとき熱交換回路にあっては、暖房する
時期は開いて冷媒回路の冷媒を冷却水熱交換部に導入す
る。この暖房時期はバイパス管が開放されているので、
水槽からの冷却水は放熱器を迂回してエンジンに向か
う。

【００１２】暖房時期以外の夏期にあっては、開閉弁は
閉じ、冷媒回路の冷媒は冷却水熱交換部に導入されな
い。また、バイパス管は閉塞されているから、水槽から
の冷却水は通常どおり放熱器を通って放熱され、冷却さ
れた冷却水はエンジンに送られる。

【００１３】即ち、夏期シーズンにあっては、冷媒回路
の冷媒は水槽に向かって導入されないから、排気ガスの
熱は冷媒の加温に活かす必要がなく、水槽内の排気ガス
熱交換部を通って大気放出により排熱される。また、水
槽内の冷却水熱交換部を通る冷却水の熱も冷媒の加温に
活かす必要がなく、放熱器で放熱により排熱されること
になる。

【００１４】

【実施例】以下、本発明によるエンジン排熱回収装置の
実施例を図面に基づいて説明する。

【００１５】図１は、改良された実施例のエンジン冷却
水系の回路と、このエンジン冷却水回路に接続された適
用例としての受熱側ヒートポンプ冷暖房システムを示
す。受熱側システムに適用されたヒートポンプ冷暖房シ
ステムとしては公知技術のものと考えてよく、したがっ
てこれに限定されることなく、回収されたエンジン熱を
利用できるシステムであれば例えば給湯装置などへの採
用も可能である。

【００１６】エンジン駆動ヒートポンプ式冷暖房システ
ムは、本発明でいう熱交換回路である冷媒回路の圧縮機
の機械的仕事をエンジン１で行うもので、このエンジン
１とエンジン冷却水系を含む室外ユニットと、冷気暖気
を室内に吹き出す冷暖房機器の室内ユニットとの間で冷
暖房回路を形成している。

【００１７】屋外設置の室外ユニットは、実施例のエン
ジン冷却水回路Ａと、ヒートポンプ式冷暖房システムＢ
における冷媒回路の一部機器から構成されている。エン
ジン冷却水回路Ａには、本発明の骨子ともいうべきエン
ジン冷却水を貯留する水槽２が設けられ、ここからの冷
却水を循環させてエンジン１を冷却するようになってい
る。エンジン１と水槽２との間は、往き管３及び戻し管
４による冷却水管で接続されて冷却水の循環閉塞回路を
形成している。水槽２とエンジン１を接続する往き管３
には、冷却水と空気との間で熱交換を行う、つまり放熱
器として冷却水の熱を大気放出して冷却するラジエータ
５が設けられている。ラジエータ５にはモータファン６
が備わっている。エンジン１で冷却仕事を終え、エンジ
ン発生熱で昇温した冷却水は戻し管４から水槽２に戻さ
れるようになっている。

【００１８】また、冷却水の往き管３には、ラジエータ
５を迂回し往き管３から分岐したバイパス管７が設けら
れている。バイパス管７の分岐する入口側と出口側に
は、それぞれ電磁式切換弁の第１三方弁８と第２三方弁
９が配置され、冷却水の流れを弁作動によって本来の往
き管３かまたはバイパス管７のいずれかに切り換えるこ
とが可能である。

【００１９】また、水槽２の内部には、本発明の要旨で
ある排気ガスと冷却水との間で熱交換を行う熱交換器
（以下、これを排気ガス熱交換部と呼ぶ）１０が設けら
れている。平易に言い換えれば、排気ガス熱交換部１０
は排気ガスの熱を水槽２内に導入し、内部の冷却水をガ
ス熱で加温して温度上昇させるための機器である。冷却
水を加温するということは一見逆説的であるが、それは
昇温した冷却水の熱によって次に述べるヒートポンプ式
冷暖房システムＢにおける暖房助成という意味から明ら
かになろう。

【００２０】排気ガス熱交換部１０は、スパイラル形状
に成形されたコイル部１１を有し、このコイル部１１を
水槽２内で冷却水中に浸漬させて配置している。コイル
部１１の入口側延長基端はエンジン１の排気ガス出口１
２に接続され、出口側から延長した先端は大気開放口１
３となっている。

【００２１】以上のエンジン冷却水回路Ａの他に、室外
ユニットを構成するヒートポンプ式冷暖房システムＢ側
の冷媒回路は、エンジン１からの回転出力で作動する冷
媒圧縮機２０、室外熱交換器２１を主にして構成されて
いる。冷媒としてはフロン等が用いられ、ブライン、水
等の熱媒用として作用させることが可能である。

【００２２】これら各機器と共に冷媒回路を構成し、本
発明の要旨である冷媒と冷却水との間で熱交換を行う熱
交換器（以下、これを冷却水熱交換部と呼ぶ）１４が、
前述の水槽２内で冷却水中に浸漬し排気ガス熱交換部１
０と対向位置に設けられている。この冷却水熱交換部１
４もまたスパイラル形状に成形されたコイル部１５を有
し、コイル部１５中を通る冷媒が水槽２内で昇温冷却水
の熱を受けることが可能となっている。コイル部１５は
冷媒回路に接続され、冷媒回路からコイル部１５に入る
入口側には電磁弁式の開閉弁１６が設けられている。こ
の開閉弁１６は夏季シーズンは回路をオフ（閉）に、冬
季シーズンは回路をオン（開）にするよう設定され、コ
イル部１５に冷媒回路からの冷媒の導入を規制できるよ
うになっている。コイル部１５から冷媒回路に向かう出
口側には逆止弁１７を設けている。

【００２３】また一方、ヒートポンプ式冷暖房システム
Ｂ側の冷媒回路を構成する室内ユニットは、膨張弁２
２、冷房時は蒸発器に暖房時は凝縮器となる室内熱交換
器２３、及び逆止弁２４等からなっている。即ち、室内
ユニットにおいては、室内熱交換器２３を通して室内フ
ァンモータ２４から冷気または暖気を放出して、室内を
冷暖房するようになっていて、室内熱交換器２３は冷房
運転時は蒸発器として、暖房運転時は凝縮器として作動
することになる。

【００２４】このように、水槽２内に設けられた冷却水
熱交換部１４は、冷媒回路の各機器に接続され、室外ユ
ニット側の室外熱交換器２１と室内ユニット側の室内熱
交換器２３との間でヒートポンプ方式による冷暖房シス
テムが形成される。また、冷媒回路においては、冷媒の
流れを室外熱交換器２１及び室内熱交換器２３間で切り
換え、かつ水槽２側の冷却水熱交換部１４に冷媒の供給
を可能に切り換える第３三方弁２５が設けてある。

【００２５】次に、以上の構成による実施例のエンジン
排熱回収装置の作用を説明する。

【００２６】夏期シーズン中の冷房時の場合、開閉弁１
６は閉状態にセットされ、水槽２内の冷却水熱交換部１
４では冷媒の流通はない。

【００２７】また、この冷房時のエンジン冷却水回路Ａ
では、第１三方弁８及び第２三方弁９の切り換えによっ
てバイパス回路７は閉じられており、冷却水管の往き管
３と戻し管４による通常の冷却水循環回路が成立してい
る。即ち、水槽２から往き管３を通して流出した冷却水
（図中太矢印）はラジエータ５を通過中に放熱作用によ
り冷却され、それからエンジン１に導入されてエンジン
発生熱を冷却する。エンジン１を通過中に冷却水は発生
熱でもって温度上昇し、この加温された冷却水は戻し管
４から水槽２に戻される。そしてまた往き管３からラジ
エータ５に入って冷却され、エンジン１へとこの循環を
繰り返す。

【００２８】この間、エンジン１からの排気ガス（図中
破線矢印）は水槽２内の排気ガス熱交換部１０に導入さ
れ、排気ガスの熱で水槽２内の冷却水を加温する。その
後は大気開放口１３から排出される。

【００２９】夏期シーズンとか冷房中は、排気ガスの熱
で冷却水を加温してはいるが、このこと自体冷媒回路に
利用する意味ではなく、また利用する必要がないという
ことである。その意味では冷却水の熱の場合も同様であ
る。

【００３０】ちなみに、冷房運転時は、エンジン１の回
転出力は冷媒圧縮機２０に伝達され、冷媒圧縮機２０の
仕事により冷媒が圧縮されて図中の太い破線矢印の方向
に吐出される。圧縮により高温、高圧となった冷媒は四
方弁２５を通り、室外熱交換器２１が「凝縮器」として
作動することにより、外気との接触で冷却され液化す
る。液化した冷媒液は膨張弁２２によって減圧される。

【００３１】この低圧の冷媒液は次いで室内ユニットに
導入され、室内ユニットの室内熱交換器２３が「蒸発
器」として作動して、室内空気から熱を奪って蒸発す
る。このときの蒸発熱により冷房効果を生じる。蒸発し
た冷媒ガスは再び冷媒圧縮機２０に戻り、同様な冷凍サ
イクルを繰り返す。

【００３２】一方、冬期シーズン中の暖房時は、開閉弁
１６はオン信号で開かれ、これに同期して第１三方弁８
及び第２三方弁９にも切換信号が送られてバイパス回路
７を開放する。即ち、水槽２から出た冷却水はラジエー
タ５を通らないで迂回し、バイパス回路７から直接エン
ジン１に導入される。エンジン１を通過中に冷却水はエ
ンジン発生熱により温度上昇し、加温された状態で戻し
管４から水槽２内に戻される。また同時に、エンジン１
からの排気ガスも水槽２内の排気ガス熱交換部１０に導
入される。したがって、水槽２では、エンジン１から温
度上昇して戻った冷却水が導入され、この温かい冷却水
を更に排気ガスの熱で加温することになる。

【００３３】また、水槽２内では、前述のように加温さ
れた冷却水に、冷却水熱交換部１４を介して冷媒回路の
冷媒（図中実線矢印）が接触することになる。即ち、ヒ
ートポンプ式冷暖房システムＢの冷媒回路から冷媒が冷
却水回路Ａに送られ、水槽２内で加温されている冷却水
と冷媒との間で熱交換が行われ、冷媒は冷却水熱交換部
１４のコイル部１５を通過中に加温される。

【００３４】このようにエンジン冷却水によって加温さ
れた冷媒は、エンジン冷却水から熱を奪って吸熱する熱
源となる。

【００３５】暖房運転時の作用は次の通りである。冷媒
圧縮機２０の運転により冷媒が圧縮される。圧縮により
高温、高圧となった冷媒は室内ユニット側の室内熱交換
器２３に導入され、室内熱交換器２３が「凝縮器」とし
て作動し、冷媒は室内空気によって冷却されて液化す
る。このとき室内空気は凝縮熱によって暖められ、暖房
効果を生じる。液化した冷媒は膨張弁２２で減圧され
る。この減圧された冷媒液は室外ユニットの室外熱交換
器２１でここを「蒸発器」として外気の熱を奪って蒸発
する。さらに、水槽２内の冷却水熱交換部１４により冷
却水の熱を奪って吸熱する。

【００３６】なお、図２は、本発明の他の実施例とし
て、エンジン排熱回収装置を給湯装置に利用した一例を
示している。

【００３７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によるエン
ジン排熱回収装置は、エンジン冷却水回路に冷却水の槽
を設け、この水槽内を冷却水熱交換器及び排気ガス熱交
換器の２つの熱交換器の機能を果たすよう構成したこと
で、システム全体の構造が非常に簡素になり、従来のよ
うにエンジン冷却水の熱と排気ガスの熱を回収して、例
えばエンジンヒートポンプ式冷暖房システム等の熱交換
回路に供給して暖房を助成する際、冷却水熱交換器と排
気ガス熱交換器を独自に冷房回路に組み込むことでシス
テム全体が非常に複雑になり、製造コストや組立工数等
の高騰や維持経費などの問題点を解決できる利点があ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による実施例のエンジン排熱回収装置を
ヒートポンプ式冷暖房システムに利用した例の構成図

【図２】本発明による実施例のエンジン排熱回収装置を
給湯装置に利用した例の構成図

【符号の説明】

１…エンジン、２…水槽、３…冷却水管の往き管、４…
冷却水管の戻し管、５…ラジエータ、７…バイパス管、
８、９…三方弁、１０…排気ガス熱交換部、１４…冷却
水熱交換部、１６…開閉弁、２０…冷媒圧縮機、２１…
室外熱交換器、２２…膨張弁、２３…室内熱交換器

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 エンジン冷却水が循環する冷却水回路の
   途中に、冷却水を貯留する水槽を設け、 水槽内に、エンジン排気ガスの排熱と冷却水との間で熱
   交換を行う排気ガス熱交換部を設け、 さらに水槽内に、冷却水及び冷却水回路から独立した熱
   交換回路中の冷媒または熱媒との間で熱交換を行う冷却
   水熱交換部を設け、 たことを特徴とするエンジン排熱回収装置。
2. 【請求項２】 冷却水熱交換部を熱交換回路に接続し、
   冷却水熱交換部の入口側に開閉弁を設け、熱交換回路中
   の冷媒または熱媒との間で熱交換が必要なときに開閉弁
   を開ける請求項１記載のエンジン排熱回収装置。
3. 【請求項３】 冷却水回路中の水槽の出口側とエンジン
   入口側との間に放熱器を設け、放熱器を迂回するバイパ
   ス管を冷却水回路中に設けると共に、バイパス管の入口
   部及び出口部にそれぞれ切換弁を設けた請求項１または
   ２記載のエンジン排熱回収装置。