JPS6256430B2 - - 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
少くとも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、このヒートポンプは以下に述べ
る如き、大きな欠点がある。

通常容量制御としては、圧縮機の容量制御（タ
ーボ圧縮機のベーンコントロール、スクリユー圧
縮機のスライドバルブコントロール、レシプロ圧
縮機の台数制御など）、熱機関の回転数制御、又
はその組み合わせによりヒートポンプの容量制御
が行われているが、制御可能の容量範囲には下限
（20〜50％）があり、これ以下の負荷に対応する
容量制御ができなかつた。

本発明は、このような従来のものの問題点を解
決し、通常の容量制御では対応できない小負荷に
対する容量制御を可能とす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
られの機器を接続する冷媒経路よりなるヒートポ
ンプと、負荷を検出して容量を制御する容量制御
装置を有する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、前記負荷側熱交換器に負荷流体経
路を導く負荷流体経路と、前記補助蒸発器に負荷
流体を導く補助熱源経路と、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、負荷が所定の制御可能範囲の下限よりも低
下したときに、該検出値に基づいて、前記外側熱
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。ヒートポンプには負荷を検出し
て容量を制御する容量制御装置が備えられてい
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との間の冷媒経路
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
パスするバイパ諏経路３７として分岐配備され、
該バイパス経路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が排ガス熱交換器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
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にはさ
らに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、負荷が所定の制御
可能範囲の下限よりも低下したときに、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が備
えられている。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３
２）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３５とバイパス弁
２１とからなり、制御機構３５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、負荷が
所定の制御可能範囲の下限よりも低下したとき
に、検出値に基づいて、流量比を制御するもので
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、
バイパス弁２１を所定の流量比とする制御を行う
ものである。

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。

冷房時又は通常暖房時（中〜大容容量制御範囲
時）におけるヒートポンプの通常容量制御は、圧
縮機１に内蔵された容量制御装置、例えば、多気
筒往復動式圧縮機の場合には気筒数を変化させる
装置、ターボ圧縮機のときはベーンコントロール
装置、スクリユー圧縮機のときはスライドバルブ
コントロール装置などが用いられる。又、圧縮機
１に容量制御装置が組み込まれていない場合で
も、熱機関の回転数を変えることにより、能力を
調節することができる。このようにヒートポンプ
用圧縮機としては、容量制御装置の有無に拘ら
ず、どのような形式構造のものを使用しても差し
支えない。

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により吸い込まれ、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。

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（即ち負荷流
体である温水の一部）はポンプ１２により吸い込
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１４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。負荷温度の下つた温水は電磁弁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
方弁１３により、大略一定温度になるよう調節さ
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。

上記の並列冷媒経路のうち、外気側熱交換器３
を含む経路を外気利用加熱経路と称し、補助蒸発
器２３を含む経路を熱機関利用加熱経路と称す
る。図示の実施例では補助蒸発器２３は、エンジ
ン２５の排熱を間接的に利用して冷媒の加熱を行
つているが、このほか、熱機関の出力により昇温
されたところの温水を利用して加熱してもよく、
熱機関からの排熱を直接又は間接的に利用して冷
媒を加熱するので熱機関利用加熱経路と称するこ
ととする。

以上の如き構成のヒートポンプ装置において、
先ず参考のために外気温の変化に対応する容量制
御について説明する。

暖房時に、外気温が十分高い時には、バイパス
弁２１を閉じ、冷媒の全量を外気利用加熱経路に
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や低下す
るので、負荷流体の温度により負荷を検出し、そ
の検出値により、エンジン２５の回転数を自動的
に制御して上昇せしめる。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、この場合はその設定回数を
上昇せしめて能力を増加させてもよい。

又、圧縮機１の容量制御機構と回転数制御とを
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
１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出
来ず、又、温度低下によつて外気側熱交換器３に
着霜が現れるようになつて、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、本例
では、これを防ぐために、外気温又はこれに関連
している物理量を検出即ち、外気温を直接又は間
接に検出し、その検出値に応じてバイパス弁２１
の開度を適当に選定して開き、外気利用加熱経路
と熱機関利用加熱経路とに導く冷媒流量の流量比
をバイパス弁２１の開度により制御する。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に吸い込まれるように
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い込む
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。補助蒸発器２３では、エンジン
２５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の温水を用することも
出来る。

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でき、それだけ着霜を抑え
るか又は無くして運転することができ、不足分は
エンジンの能力を増加させてその燃焼エネルギー
を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できる。

外気温度が更に異常低下した場合には、バイパ
ス弁２１は全開となり、殆どの負荷は補助蒸発器
２３が負担することになる。外気利用加熱径路に
も開閉弁を設けてもよく、又、熱機関利用加熱経
路と外気利用加熱経路の分岐点に三方弁を設けて
分配調節してもよい。

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み合わせられて配備され
又は使用されるものである。

ヒートポンプの通常の容量制御の範囲内にある
負荷に応じて暖房能力を適合させる制御は、例え
ば、負荷検出器として戻り経路の温水温度の温度
検出器２６を用い、その信号により圧縮機１の容
量制御装置や或いはエンジン２５の回転数と圧縮
機１の容量制御装置の併用により戻り温水温度を
ほぼ一定に保つようにする。

外気利用加熱経路と、熱機関利用加熱経路との
負担負荷の負荷比制御、即ち、バイパス弁２１の
流量比制御は、例えば次の如き方式で行われる。

検出端としては、外気温度（温度検出器２
７）、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
量の検出器が選ばれ、これらのうち何れかの信号
により、蒸発圧力又は蒸発温度がほぼ一定となる
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）はバイパス弁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による直接又は間
接的な検出）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３１）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２
１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
又は蒸発圧力が一定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検出端（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。

以上の例では、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
れを使用せずに並列の冷媒経路の負担負荷比の制
御を行つてもよい。又、圧縮機１に容量制御装置
が備わつていても、これとは別に熱機関の回転数
の換えることにより、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
使用してもよい。

以上の例では、外気温が異常に低下しても、外
気側熱交換器３に着霜を生じたりして能力低下を
来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。

以上は、外気温度の変化、特に異常に低温とな
つた場合における外気側熱交換器と補助熱交換器
への冷媒流量の配分を、通常の容量制御の範囲内
にある負荷に応じて流量比制御により行つて容量
制御を行う例であるが、本発明はこの方式を準用
して、負荷が、通常の容量制御で対応できないよ
うな小負荷の場合でも、これに対応して容量制御
を行うことを可能にしたものである。

その実施例について説明する。各部構造、負荷
検出方式、温度検出方式、冷媒や負荷温水の流路
切換方式などは上述の場合と同様である。

暖房時に負荷を、温水出口温度検出器２６，３
２などにより直接又は間接的に検出し、これに対
応して通常の容量制御が行われる。

負荷が減少して或る下限（20〜50％）以下にな
ると、通常のヒートポンプの容量制御では対応で
きなくなる。そこで、負荷検出装置として例えば
温度検出装置として例えば温度検出器３２を用い
ているときは、温度検出器３２により検出された
負荷がこの制御可能範囲の下限以下になると、制
御機構３５からの信号でバイパス弁２１を適宜の
開度に開き、負荷に対応するだけの量の冷媒を補
助蒸発器２３に導く。

バイパス弁２１を開けると膨張弁２２で減圧さ
れた冷媒が補助蒸発器２３内に流れ込み配管１６
を通り流入する温水により加熱され、蒸発する。
従つて圧縮機１の吸込圧力が上昇し、外気側熱交
換器３の出口側圧力も上昇し、この圧力に相当す
る外気側熱交換器３内の飽和温度も上昇するので
外気との温度差が少なくなり外気側熱交換器内の
液冷媒の蒸発が少なくなり、外気よりの流入熱が
少なくなる。

しかし、一方補助蒸発器２３において負荷温水
から冷媒に熱が流入するので、圧縮機１の仕事量
に相当する熱と加えて負荷側熱交換器７において
冷媒側から負荷流体に与える熱量はバイパス弁２
１による冷媒の流量比を変えても変わらない。

しかしながら、補助蒸発器２３に配分された冷
媒の蒸発潜熱により負荷流体は冷却され、この冷
却された負荷流体が、負荷側熱交換器７にて加熱
された負荷流体に混入して、これを冷却して負荷
に戻す。

即ち、バイパス弁２１により補助蒸発器２３へ
配分する冷媒の流量を増すと負荷への流体送り温
度をさらに低くする。即ち、ヒートポンプの容量
を通常の容量制御における最低容量よりもさらに
小容量とすることができ、制御範囲が広くなると
いう効果が生じる。

〔発明の効果〕

本発明により、負荷が、通常の容量制御では対
応できない小負荷であつても暖房容量を負荷に適
合させることができ、容量制御範囲の広いヒート
ポンプ装置を提供することができ、実用上極めて
大なる効果を奏する。

【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…冷却媒体冷却器、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、３０，３１，３
２…温度検出器、３３，３４，３５，３６…制御
機構、３７…バイパス経路。

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、
   負荷を検出して容量を制御する容量制御装置を有
   する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を導く補
   助熱源経路と、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
   所定の制御可能範囲の下限よりも低下したとき
   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。