JPH10170095A - エンジン駆動式ヒートポンプ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 エンジン１で駆動される圧縮機２で冷媒を循
環させる冷暖房切り替え可能なエンジン駆動式ヒートポ
ンプ装置において、低外気温度時に、外気吸熱およびエ
ンジン排熱からの吸熱を増大させて、暖房能力を向上さ
せる 【解決手段】 エアクリーナ１７下流側のエンジン吸気
管１５の途中部には吸気熱交換器１４が設けられ、暖房
時に、室内熱交換器８から出た高温の液冷媒は、吸気熱
交換器１４内を流れて、エンジン吸気と熱交換されて過
冷却される。一方、昇温されたエンジン吸気はエンジン
負荷を増大させるので、エンジン排熱が増加するが、こ
の排熱は、エンジン冷却水に回収され、室外熱交換器６
の下流に設けられた冷媒加熱器５にて、冷媒を加熱する
のに用いられる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、エンジンで駆動さ
れる圧縮機で冷媒を循環させる冷暖房切り替え可能なエ
ンジン駆動式ヒートポンプ装置に関するものであり、特
に室内空調装置に用いて好適である。

【０００２】

【従来の技術】従来の、エンジン駆動式ヒートポンプ装
置の一般的な回路図を図３（実線矢印：暖房時の冷媒流
れ、点線矢印：冷房時の冷媒流れ）に示す。エンジン１
で駆動される圧縮機２、オイルセパレータ３、四方弁
４、冷媒加熱器５、室外熱交換器６、膨張弁７、室内熱
交換器８、アキュムレータ９が冷媒配管で接続されて基
本となる冷凍サイクルが構成されている。さらに、冷媒
加熱器５は温水回路（図３の破線）が接続されており、
エンジン排熱を回収したエンジン冷却水（温水）が循環
供給される。

【０００３】ここで、暖房時には、圧縮機２を出た高温
のガス冷媒は室内熱交換器８で放熱凝縮する。この時、
室内は暖房される。室内熱交換器８を出た高温の液冷媒
は膨張弁７で減圧され、室外熱交換器６で外気から吸熱
して蒸発し、さらに冷媒加熱器５にて温水からエンジン
排熱（冷却水排熱および排気排熱）を回収（吸熱）して
蒸発し、再び圧縮機２に戻る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】この種の装置では、暖
房時に外気温度が低くなるにつれ、室外熱交換器での冷
媒の外気吸熱量が減少し、サイクル効率が悪化するとと
もに、サイクル負荷が減少して圧縮機動力が小さくなる
ために、圧縮機を駆動するエンジンにかかる負荷が減
り、冷媒に回収（吸熱）されるエンジン排熱量も減少す
る。

【０００５】また、外気温度が低くなると、エンジンの
吸気温度が低下する。エンジンの吸気温度の低下は、エ
ンジンの燃費の低減（エンジン軸出力効率の向上）をも
たらすが、一方では、エンジン排熱量の減少をもたら
し、上述したサイクル負荷の減少によるエンジン排熱量
の減少と合わせて二重にエンジン排熱量が少なくなる。
このため、冷媒加熱器での冷媒に回収（吸熱）されるエ
ンジン排熱量（エンジン排熱回収量）が減少してしま
う。

【０００６】結果として、外気温度が低い時には、外気
吸熱およびエンジン排熱からの吸熱の両方の冷媒吸熱量
が相乗して小さくなり、暖房効率が悪化するという問題
があった。本発明は上記点に鑑みて、エンジンで駆動さ
れる圧縮機で冷媒を循環させる冷暖房切り替え可能なエ
ンジン駆動式ヒートポンプ装置において、低外気温度時
に、外気吸熱およびエンジン排熱からの吸熱を増大させ
て、暖房能力を向上させることを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明者等は実験検討の
結果、暖房時に室外熱交換器を出て膨張弁に至る間の一
般にサイクルにおいては熱の授受とは無関係な高温の液
冷媒に着目し、この高温の液冷媒の熱を暖房時に利用す
ることを考えた。本発明は上記点に着目して、以下の技
術的手段を採用する。

【０００８】すなわち、請求項１の発明によれば、エン
ジン（１）で駆動される圧縮機（２）で冷媒を循環させ
る冷暖房切り替え可能なエンジン駆動式ヒートポンプ装
置において、暖房時に室外熱交換器（６）にて蒸発した
冷媒をエンジン（１）の排熱により加熱する冷媒加熱器
（５）と、暖房時に室内熱交換器（８）にて凝縮された
冷媒をエンジン（１）の吸気と熱交換して過冷却する過
冷却手段（１４）とを有することを特徴とする。

【０００９】それによって、室内熱交換器（８）を出た
冷媒（高温の液冷媒）は、低温のエンジン吸気と熱交換
を行い過冷却される。このため、冷媒は所定の過冷却度
（サブクール）を持った冷媒となるため、室外熱交換器
（６）での外気吸熱が増加でき、サイクル負荷も増大で
きる。さらに、過冷却度を持った冷媒は、減圧手段
（７）にて減圧後、乾き度の小さい（液相成分の多い）
冷媒となるため、室外熱交換器（６）入口の圧力損失を
小さくでき、圧縮機（２）の吸入圧力が上昇し、冷媒循
環量が増加できる。

【００１０】また同時に、エンジン吸気の温度は上昇
し、エンジン（１）へ導入される空気の充填効率は小さ
くなり、エンジン負荷の増大をもたらす。このエンジン
負荷の増大および上述のサイクル負荷の増大によって、
エンジン燃費が増加し、それに伴いエンジン排熱量が増
加し、冷媒加熱器（５）でのエンジン排熱回収量が増加
できる。

【００１１】以上、外気吸熱の増加、エンジン排熱回収
量の増加および冷媒循環量の増加の３つの効果が同時に
得られ、低外気温時でも効率よく暖房能力を向上するこ
とができる。また、請求項２の発明によれば、請求項１
の発明に加えて、冷房時には、過冷却手段（１４）をバ
イパスして冷媒を流すバイパス回路（Ａ）を有するの
で、冷房時には、減圧手段（７）で減圧された冷媒は、
過冷却手段（１４）をバイパスして、室内熱交換器
（８）にて蒸発する。このため、ヒートポンプ装置が、
通常の冷房運転を行うことができる。

【００１２】また、請求項３の発明によれば、過冷却手
段（１４）が、エアクリーナ（１７）が設けられたエン
ジン吸気管（１５）のうち、エアクリーナ（１７）下流
側の部位に設けられていることを特徴とする。それによ
って、昇温された空気が高温を維持したまま直接エンジ
ン（１）に吸入されるので、効率的にエンジン負荷を増
大できる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明を図１に示す実施形
態について説明する。尚、本実施形態では、本発明に係
るエンジン駆動式ヒートポンプ装置を室内空調装置とし
て用いている。図１は、本発明に係るエンジン駆動式ヒ
ートポンプ装置の全体構成を示す回路図である。すなわ
ち、水冷式のエンジン１によって駆動される圧縮機２、
冷媒中のオイルを分離するオイルセパレータ３、冷媒の
流路を切り替える四方弁４、暖房時にエンジン排熱を回
収した温水で冷媒を加熱する冷媒加熱器５、冷房時は凝
縮器として働き且つ暖房時は蒸発器として働く室外熱交
換器６、冷媒を減圧する減圧手段である膨張弁７、冷房
時は蒸発器として働き且つ暖房時は凝縮器として働く室
内熱交換器８、冷媒を気液に分離しガス冷媒を導出する
アキュムレ−タ９が冷媒配管によって順次接続され、冷
凍サイクルの主回路が構成されている。

【００１４】なお、膨張弁７は、通常、冷凍サイクルが
必要能力となるように、室内熱交換器８の吸込温度、冷
媒温度をフィードバックし、電気的に弁開度を変化させ
るものである。また、オイルセパレータ３からはオイル
戻し管１０が圧縮機２の吸入配管につながっており、オ
イルセパレータ３で冷媒と冷凍機油を分離した後、分離
された冷凍機油のみが流れる。

【００１５】ここで、符号１１は室外熱交換器６の送風
ファンである室外ファン、符号１２は室内熱交換器８の
送風ファンである室内ファンである。ここで、主回路の
途中の膨張弁７と室内熱交換器８との間には２つの分岐
点、室内熱交換器８寄りの分岐点ａおよび膨張弁７寄り
の分岐点ｂが設けられ、これらの分岐点の間には、２つ
の回路Ａ、Ｂが形成されている。

【００１６】すなわち、回路Ａ（バイパス回路）は、途
中に分岐点ａから分岐点ｂへの流れを阻止するように第
１逆止弁１３ａが介在設定されたものであり、膨張弁７
から室内熱交換器８の方向にしか冷媒は流れない。一
方、回路Ｂは、途中に分岐点ｂから分岐点ａへの流れを
阻止するように第２逆止弁１３ｂが介在設定されたもの
であり、室内熱交換器８から膨張弁７の方向にしか冷媒
は流れない。さらに、回路Ｂのうち第２逆止弁１３ｂと
分岐点ｂとの間の部位には、後述する過冷却手段として
の吸気熱交換器１４が介在設定されている。

【００１７】また、エンジン１には、外気から空気をエ
ンジン１に導入するエンジン吸気管１５および燃焼後の
高温の空気を排気するエンジン排気管１６が接続されて
いる。ここで、エンジン吸気管１５には、エンジン１へ
導入される空気を清浄化するエアクリーナ１７が設けら
れ、さらにエンジン吸気管１５のうちエアクリーナ１７
下流側の部位には、吸気熱交換器（過冷却手段）１４が
介在設定されており、暖房時に、室内熱交換器８にて凝
縮された冷媒（高温液冷媒）が、この吸気熱交換器１４
内部を流通して、エンジン１の吸気と熱交換して過冷却
されるようになっている。

【００１８】この吸気熱交換器１４は、回路Ｂのうち第
２逆止弁１３ｂと分岐点ｂとの間の冷媒配管（アルミ、
銅等の熱伝導性の良い材料）の途中部が、エンジン吸気
管１５内部を通り、この冷媒配管にエアクリーナ１７か
ら流れてきたエンジン吸気が接触することで、冷媒配管
内を流れる高温の液冷媒が熱交換されて過冷却されるよ
うになっている。

【００１９】また、エンジン排気管１６のエンジン１側
には、排気熱交換器１８が設けられ、ここで高温の排気
とエンジン冷却水とが熱交換するようになっている。一
方、冷媒加熱器５に温水を循環供給する温水回路（図１
の破線）は、エンジン１の冷却水出口からサ−モスタッ
ト１９を介し、ラジエ−タ２０を通って排気熱交換器１
８へと至り、エンジン１の冷却水入口に戻る回路と、エ
ンジン１からサ−モスタット１９を介し冷媒加熱器５を
通って排気熱交換器１８へと至り、エンジン１の冷却水
入口に戻る回路とが、温水配管によって構成されてい
る。なお、温水回路の循環駆動源として水ポンプ２１
が、エンジン１の冷却水出口に配設されている。そし
て、温水温度がサーモスタット１９の設定温度より大き
い時には前者の回路を、設定温度より小さい時には後者
の回路を温水は流れるようになっている。

【００２０】尚、上記した構成要素のうち室内熱交換器
８および室内ファン１２は、室内機を構成して屋内の室
内に設置され、その他のものは、室外機を構成して屋外
に設置されている。そして、これら室内機および室外機
は図示しない電子回路等からなる制御装置によって、室
内を冷房する冷房運転および室内を暖房する暖房運転を
行う。

【００２１】次に、上記構成の作用について述べる。 （冷房時）制御装置の冷房スイッチが起動されると、四
方弁４が冷房側（点線）に切り替えられ、冷媒は図１の
点線矢印の様に流れる。すなわち、圧縮機２を出た高温
のガス冷媒はオイルセパレータ３、四方弁４、冷媒加熱
器５を順次流れ、室外熱交換器６で放熱凝縮され、膨張
弁７で減圧され、回路Ａを通り、室内熱交換器８で吸熱
蒸発し、冷房を行う。その後、再び四方弁４を通りアキ
ュムレータ９にて気液分離され、再び圧縮機２に戻る。
このように、冷房時には、回路Ａによって冷媒が回路Ｂ
を通らず吸気熱交換器１４をバイパスして流れるため通
常の冷凍サイクルが形成される。

【００２２】この時、温水回路では、エンジン１を出た
温水はサーモスタット１９、冷媒加熱器５を通り、排気
熱交換器１８で吸熱昇温され再びエンジン１に戻るが、
冷媒加熱器５では冷媒に吸熱されないので、水温は上昇
しやがてサーモスタット１９の設定水温になるとラジエ
ータ２０側へ流れラジエータ２０にて放熱を行い、排気
熱交換器１８で吸熱を行い再びエンジン１に戻る。

【００２３】（暖房時）制御装置の暖房スイッチが起動
されると、四方弁４が暖房側（実線）に切り替えられ、
冷媒は図１の実線矢印の様に流れる。すなわち、圧縮機
２を出た高温のガス冷媒はオイルセパレータ３、四方弁
４を通り、室内熱交換器８で放熱凝縮し、暖房を行う。
室内熱交換器８を出た高温の液冷媒は回路Ａを通らずに
回路Ｂを通り、吸気熱交換器１４内部を流れて、エンジ
ン吸気管１５を流れる低温の空気と熱交換を行い冷却さ
れ、所定の過冷却度（サブクール）を持った冷媒とな
る。

【００２４】続いて、冷媒は膨張弁７で減圧され、室外
熱交換器６にて空気と熱交換（外気吸熱）して蒸発し、
さらに冷媒加熱器５で温水と熱交換（エンジン排熱回
収）して蒸発する。その後、四方弁４を再び通り、アキ
ュムレータ９から再び圧縮機２に戻る。この時、温水回
路では、エンジン１を出た温水はサーモスタット１９を
通り、冷媒加熱器５へと流れ、上述のように、冷媒と熱
交換し冷却された後、排気熱交換器１８で排気と熱交換
し昇温され、再びエンジン１に戻る。

【００２５】また、この時、エンジン吸気管１５には、
低温の外気が導入される。エアクリーナ１７を通ってき
た低温の空気は、上述のように、吸気熱交換器１４で高
温の液冷媒と熱交換し、空気は昇温されエンジン１に吸
入される。次に、本実施形態における暖房時の効果につ
いて、図２を参照して述べる。図２は、本実施形態のサ
イクル（実線）および従来のサイクル（点線）における
モリエル線図を模式的に示したものである。

【００２６】暖房時、室内熱交換器８から出た高温の液
冷媒（点Ｃ）は、低温のエンジン吸気で冷却され、サブ
クールを持ち（点Ａ）、続いて膨張弁７によって減圧さ
れた冷媒は乾き度の非常に小さい状態（点Ｂ）となる。
このため、従来のサイクルに比べ室外熱交換器６での外
気吸熱が増加でき、サイクル負荷も増大できる。一方、
エンジン吸気温度は上昇するため、エンジン１へ導入さ
れる空気の充填効率は小さくなり、エンジン１にかかる
負荷は上昇する。さらに上述したサイクル負荷の増大も
加わり、エンジン燃費が増加し、それに伴いエンジン排
熱量が増加し、冷媒加熱器５でのエンジン排熱回収量が
増加できる。

【００２７】また、膨張弁７で減圧後の冷媒は、乾き度
の非常に小さい状態（点Ｂ）、つまり液相分が多い状態
であるため、室外熱交換器６入口の圧力損失を小さくで
き、結果として、圧縮機２の吸入圧力が上昇し、冷媒循
環量が増加できる。このように、外気吸熱量の増加効
果、エンジン排熱回収量の増加効果および冷媒循環量の
増加効果の３つの効果が同時に得られ、低外気温時でも
効率よく暖房能力を向上することができる。

【００２８】また、本実施形態によれば、冷房時には、
吸気熱交換器１４をバイパスするバイパス回路Ａを有す
るので、冷房時には、膨張弁７で減圧された冷媒は、直
接室内熱交換器８に供給されて蒸発する。このため、ヒ
ートポンプ装置が、通常の冷房運転を行うことができ
る。また、本実施形態によれば、吸気熱交換器１４がエ
ンジン吸気管１５のエアクリーナ１７下流側に設けられ
ているため、昇温された空気が高温を維持したまま直接
エンジン１に吸入されるので、効率的にエンジン負荷を
増大できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態におけるエンジン駆動式ヒー
トポンプ装置の全体構成を示す回路図である。

【図２】本発明の実施形態および従来技術におけるエン
ジン駆動式ヒ−トポンプ装置のモリエル線図である。

【図３】従来技術におけるエンジン駆動式ヒートポンプ
装置の全体構成を示す回路図である。

【符号の説明】

１…エンジン、２…圧縮機、４…四方弁、５…冷媒加熱
器、６…室外熱交換器、７…膨張弁、８…室内熱交換
器、１４…吸気熱交換器、１５…エンジン吸気管、１７
…エアクリーナ。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 エンジン（１）によって駆動する圧縮機
   （２）と、 冷媒と室内空気とを熱交換する室内熱交換器（８）と、 冷媒と室外空気とを熱交換する室外熱交換器（６）と、 前記室内熱交換器（８）と前記室外熱交換器（６）との
   間に設けられ、冷媒を減圧する減圧手段（７）と、 前記圧縮機（２）より吐出された冷媒の循環方向を前記
   室内熱交換器（８）側と前記室外熱交換器（６）側とに
   切替える切替手段（４）とを備えるエンジン駆動式ヒー
   トポンプ装置において、 暖房時に、前記室外熱交換器（６）にて蒸発した冷媒を
   前記エンジン（１）の排熱により加熱する冷媒加熱器
   （５）と、 暖房時に、前記室内熱交換器（８）にて凝縮された冷媒
   を前記エンジン（１）の吸気と熱交換して過冷却する過
   冷却手段（１４）とを有することを特徴とするエンジン
   駆動式ヒートポンプ装置。
2. 【請求項２】 冷房時には、前記過冷却手段（１４）を
   バイパスして冷媒を流すバイパス回路（Ａ）が設けられ
   ていることを特徴とする請求項１に記載のエンジン駆動
   式ヒートポンプ装置。
3. 【請求項３】 前記エンジン（１）には、前記エンジン
   （１）に空気を導入するエンジン吸気管（１５）が設け
   られ、 前記エンジン吸気管（１５）の途中部には、前記エンジ
   ン（１）へ導入される空気を清浄化するエアクリーナ
   （１７）が設けられており、 前記過冷却手段（１４）が、前記エンジン吸気管（１
   ５）のうち前記エアクリーナ（１７）下流側の部位に設
   けられていることを特徴とする請求項１または２に記載
   のエンジン駆動式ヒートポンプ装置。