JPH0827099B2 - スタ−リング熱機関駆動ヒ−トポンプ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、スターリング熱機関駆動ヒートポンプに
関し、特にスターリングエンジンを用いて冷暖房及び給
湯運転を可能にする空調システムの制御装置に関するも
のである。

〔従来の技術〕

第２図は特開昭61−83848号公報に示された従来のス
ターリングエンジンヒートポンプチラーである。図にお
いて、１はスターリングエンジンであり、冷媒圧縮機２
と結合されている。この圧縮機２は、四方弁3,凝縮器10
6,熱膨張弁5,蒸発器108,冷媒管路104等により蒸気圧縮
式冷凍サイクルを構成し、これにより冷暖房運転を行う
ものである。またジャケットクーラ115はエンジン冷却
水通路113と114及び119とを流れる循環水の熱交換を行
うものであり、ここで熱交換された循環水はクーリング
タワー118により放熱されるようになっている。水通路1
17,室外コイル116,弁120,121は冷房時に凝縮器となる熱
交換器108より温水を回収し、大気に放熱する水回路で
ある。また、112は室内熱交換器である。

次に動作について説明する。

冷暖房が必要となった場合は、上記エンジン１を起動
して上記圧縮機２を回転させることにより、冷媒回路内
に封入された冷媒を循環させ、冷凍サイクルを形成す
る。図中の矢印の方向が暖房時の冷媒流れ方向を示し、
逆向きの場合が冷房時である。

冷房時においては、第１の熱交換器106が蒸発器とし
て作用し、これにより冷水を生成して室内に送り、室内
冷房を行う。また、熱交換器108は凝縮器として作用
し、これにより生成された温水は室外コイル116により
放熱され、エンジン冷却熱はクーリングタワー118によ
り放熱される。

一方暖房時においては、上記第1,第２の熱交換器106,
108は冷房時の逆に作用し、凝縮器として作用する第１
の熱交換器106の温水を室内熱交換器112に供給して室内
暖房を行う。また、エンジン冷却水通路113とジャッケ
ットクーラ115,冷却水通路114,弁120,121により構成さ
れる水回路を用い、蒸発器として作用する第２の熱交換
器108にエンジン冷却熱を供給し、冷凍サイクルにより
室内の暖房熱として使用する。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従来のスターリングエンジン駆動空調機は以上のよう
に構成されており、スターリングエンジン１で起動する
場合、エンジン１の出力としては冷凍サイクル側で必要
とする起動時の動力以上のものが必要である。しかし、
スターリングエンジンの特性上、加熱開始と同時に所定
の動力を発揮することは困難であり、封入気体の温度が
エンジン内部で適正な温度分布となるまでの時間遅れを
生ずる。従って上記システムを円滑に起動させるために
は、エンジン出力に応じて負荷を与える必要がある。

ここで本発明の理解を容易にするために、スターリン
グエンジンの動作原理について、第３図を用いて簡単に
説明する。第３図はスターリングサイクルを実現する構
造の一例で、一般にディスプレーサ型スターリングエン
ジンと呼ばれるものの略断面図である。

シリンダ30の内側にディスプレーサ31,ピストン33が
配置され、ディスプレーサ31上部を膨張空間53、ディス
プレーサ31の下部を圧縮空間54、ピストン33の下部をバ
ッファ空間55と呼ぶ。上記各空間の間の気体の流れを止
めるため、ディスプレーサシール32,ピストンシール34,
ロッドシール36が装着されている。ディスプレーサ31と
ピストン33はクランク室48内に構成されたクランクシャ
フト49等よりなるクランク機構により、所定の位相差を
持って上下に移動する。エンジンの出力は、メカニカル
シール50を介して出力軸52に回転力として取り出すこと
ができる。なお、35はロッドである。

一方、膨張空間53と圧縮空間54とは、加熱器37,再生
器38,冷却器39を介して連通している。ここで、加熱器3
7は燃焼器42よりの燃焼熱により加熱され、加熱器37内
を流動する気体の温度を上昇させる。エンジンの効率を
高くするため、燃焼ガスの持つ熱を空気予熱器43により
燃焼用空気と熱交換している。

上記のように構成されたスターリングエンジンにおい
て、ヘリウムのような粘性の小さい気体をシリンダ内に
封入し、この気体を加熱器37,再生器38,冷却器39内で往
復運動させる。これにより上記ヘリウム等の気体は、外
部より連続的に加熱，冷却される。加熱による熱量は膨
張仕事に変換される。膨張仕事の一部は圧縮仕事に使わ
れて熱に変わり、冷却器により外部に取り出され、膨張
仕事と圧縮仕事の差が、エンジンの出力として出力軸よ
り取り出される。ここで、冷却器39より流出する温水
を、給湯用として利用することも可能である。なお、40
は冷却水入口、41は冷却水出口、45は燃料入口、46は排
気口、47は空気入口、51は軸受である。

ところでエンジンを高効率で運転する場合、封入気体
の加熱温度をできるだけ高くし、冷却温度をできるだけ
低くする必要がある。また、所定の出力を得るために
は、原理上、封入気体の加熱温度を所定値以上にする必
要がある。

従って、始動時にエンジン出力が十分得られない時点
で負荷を結合した場合、所要トルク不足となり、エンジ
ンは停止してしまい、冷暖房運転が不能となるという問
題点があった。

この発明は、上記のような問題点を解消するためにな
されたもので、エンジンの出力を概ね把握しつつ、出力
値に応じて負荷を与えていくことにより、エンジンを停
止させることなく円滑に冷暖房運転を開始できるスター
リング熱機関駆動ヒートポンプを得ることを目的とす
る。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明に係るスターリング熱機関駆動ヒートポンプ
は、例えば一例としてエンジンの加熱器と再生器部とを
連結する配管部の壁温検出素子を装着し、この検出素子
の温度信号によりエンジンの出力を認識し、この結果に
より冷媒回路内に配管されたバイパス弁を所定の条件で
開閉する機能を持つ制御回路を設けたものである。

〔作用〕

この発明においては、上記検出素子の温度信号とバイ
パス弁制御回路で設定された温度設定値との比較により
バイパス弁が開閉制御され、上記温度信号が温度設定値
より低く、エンジン出力が上記ヒートポンプの圧縮機を
駆動するに必要な動力を満たしていない場合は「開」と
し、十分に駆動し得る出力が発生した場合は「閉」と
し、冷暖房運転を開始する。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図について説明する。第１図
は本発明の一実施例によるスターリング熱機関駆動ヒー
トポンプの構成図を示す。第２図に示した従来例では、
冷凍サイクルとしてヒートポンプチラー方式を用いた場
合であったが、この実施例では、空気熱源パッケージタ
イプ（空冷パッケージ）ヒートポンプ方式での場合につ
いて説明する。冷凍サイクルの方式が異なっても、本発
明の主旨に影響を与えるものではない。

第１図において、１はスターリングエンジンであり、
ベルトを介して冷媒圧縮機２を駆動可能なように構成さ
れている。この圧縮機２は四方弁3,室内側熱交換器4,膨
張弁5,室外側熱交換器6,冷媒管路10,アキュムレータ11
とにより冷凍サイクルを構成している。図中、実線で示
す矢印は冷房時、破線で示す矢印は暖房時の冷媒の流れ
方向を示している。７は室内の空調空間を示している。

また、12は冷却熱回収装置、13は放熱器、14は切り換
え弁、15は冷却水循環ポンプ、16はこれらを連結する水
配管であり、17は貯湯タンク、18は給湯循環ポンプ、19
はこれらを連結する給湯配管である。エンジン冷却熱
は、これらより構成される給湯水回路を用いて給湯用と
して利用され、あるいは給湯不要の場合は大気に放熱さ
れるようになっている。

25は壁温検出素子で、第３図で示した加熱器37と再生
器38とを連結する配管外壁部に装着されており、配管内
を流れる封入気体の温度を、概ね正確に測定し得るもの
である。一方、27はバイパス用電磁弁で、上記圧縮機２
の吐出部と四方弁３とを連結する高圧側配管部と、四方
弁３と吸入部とを連結する低圧側配管部とを短絡するバ
イパス間に挿入されている。このバイパス弁27を「開」
とすることにより、上記圧縮機２の吐出側と吸入側とを
短絡することが可能となるものである。また、26はバイ
パス弁制御回路で、上記検出素子25の温度信号と予め求
められているヒートポンプを円滑に駆動し得るエンジン
出力の発生可能な封入気体温度の設定値とを比較し、上
記検出素子25の温度信号が上記設定値を越えた場合にバ
イパス弁27を「閉」とし、冷暖房運転を可能とする機能
を持つものである。

次に作用効果について説明する。

まずスターリングエンジンを駆動するため、第３図に
示す燃焼器42に燃料及び燃焼用空気を供給し、着火す
る。燃焼器42で発生した燃焼熱により、加熱器37を介し
て封入気体を加熱するとともに、冷却器39により封入気
体を冷却する。冷媒回路側においては、四方弁３を冷暖
房いずれか選択した方向に切り換える。温度検出素子25
の温度信号が、バイパス弁制御回路26で設定した基準値
以下であれば、バイパス弁27を「開」とする。

ここで設定する基準値について説明しておく。先にス
ターリングエンジンの動作原理の説明で述べたように、
出力は加熱器37より再生器38に流入する気体温度と、出
力軸の回転数を測定することにより知ることができる。
正確な気体温度の測定は、高圧の容器内に温度検知素子
を挿入する必要があるが、若干の時間遅れが許容できれ
ば、所定のエンジン外壁面部に装着することによっても
目的は達成される。

第４図に実施例でのシリンダ壁温と発生トルクの関係
を示している。シリンダ壁温の上昇に従い、発生トルク
が上昇することがわかる。

以上より、使用するエンジンの第４図に相当する出力
特性を測定しておく。一方、負荷となる冷媒回路側の起
動時の所要トルクを予め測定し、比較することにより、
エンジンを停止させることなく、冷暖房運転が可能なシ
リンダ壁温の基準値を決定することが可能である。

上記のようにして設定された基準値と実際のシリンダ
壁温とを比較し、バイパス弁27を開閉し、冷暖房運転の
発停を行う。バイパス弁27を「開」とすることにより、
圧縮機２より吐出した冷媒はバイパス弁27を通り、圧縮
機２の吸入管に流入する。このため、冷凍サイクルは形
成されず、圧縮仕事もほとんど生じない。これにより、
エンジンの所要トルクは極めて小さく、エンジンは停止
することなく封入ガスが加熱されるに従い出力が増加し
ていく。

シリンダ壁温が基準値に達した時点でバイパス弁制御
回路26の作用により、バイパス弁27を「閉」とすること
により、冷媒は各熱交換機4,6に流れ始め、冷暖房運転
が開始される。

なお、上記実施例では温度検知素子を第３図で示した
加熱器と再生器を連結する配管外壁部に装着した場合を
説明したが、エンジン出力を検知する位置としてはこれ
に限定されるものではなく、検知時間の遅れが許容でき
れば再生器壁面部等の出力を判定できる部分でもよい。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明によれば、エンジン壁面の所
定位置に温度検知素子を装着し、バイパス弁制御回路の
作用により圧縮機の吐出管部と吸入管部間に設けたバイ
パス弁を開閉するようにしたので、始動時にエンジンを
停止させることなく、安定な冷暖房運転が可能となる。
また、本発明ではエンジンの出力を測定するためのトル
ク検知器を使用することがないので、極めて安価で信頼
性のある運転を行うことができる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例によるスターリング熱機関
駆動ヒートポンプを示す概略図、第２図は従来のスター
リングエンジンヒートポンプチラーの概略図、第３図は
ディスプレーサ型スターリングエンジンの略断面図、第
４図はスターリングエンジンの出力特性を示す図であ
る。 １……スターリングエンジン、２……圧縮機、４……室
内側熱交換器、６……室外側熱交換器、25……温度検知
素子、26……バイパス弁制御回路、27……バイパス弁。 なお図中同一符号は同一又は相当部分を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】スターリング熱機関により駆動される冷媒
   圧縮機，蒸発器，凝縮器，膨張弁を有する蒸気圧縮冷凍
   サイクルによるヒートポンプにおいて、 上記スターリング熱機関の出力を検知するために該機関
   の所定位置の温度検出を行う温度検知素子と、 上記冷媒圧縮機の吐出管部と吸入管部とを連通するバイ
   パス管と、 該バイパス管路に設けられた開閉制御弁と、 上記温度検知素子により検知された温度と予め設定され
   た温度とを比較して上記開閉制御弁を制御する制御装置
   とを備えたことを特徴とするスターリング熱機関駆動ヒ
   ートポンプ。