(57)【要約】【課題】高効率のヒートポンプシステムを提供する。【解決手段】ケース４に収装されたエンジン５と，エンジン５によって駆動されるコンプレッサ７と，コンプレッサ７によって加圧された冷媒が導かれる室内機用熱交換器１１と，室内機用熱交換器１１から排出される冷媒を減圧する膨張弁１３と，膨張弁１３を介して冷媒が導かれ，外気と冷媒の間で熱交換を行う室外機用熱交換器１５と備え，膨張弁１３を介して冷媒が導かれケース４内の空気と冷媒の間で熱交換を行う廃熱回収用熱交換器１７を室外機用熱交換器１５と並列に設ける。暖房運転時，コンプレッサ７で加圧されることによって昇温した冷媒を室内機用熱交換器１１に導いて室内に放熱させ，室外機用熱交換器１５で外気から冷媒に熱を吸収するとともに，廃熱用熱交換器１７により少なくともエンジン５の廃熱を冷媒に回収する。【選択図】      図１
2005076984.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケース内に収装されたエンジンと，
前記エンジンによって駆動されるコンプレッサと，
前記コンプレッサによって加圧された冷媒が導かれる室内機用熱交換器と，
前記室内機用熱交換器から排出される冷媒を減圧する膨張弁と，
前記膨張弁を介して冷媒が導かれ，外気と冷媒の間で熱交換を行う室外機用熱交換器と，
を備えたエンジンヒートポンプシステムにおいて，
前記膨張弁を介して冷媒が導かれ，前記ケース内の空気と冷媒の間で熱交換を行う廃熱回収用熱交換器を前記室外機用熱交換器と並列に設け，
暖房運転時，前記コンプレッサで加圧されることによって昇温した冷媒を前記室内機用熱交換器に導いて室内に放熱させ，前記室外機用熱交換器で外気から冷媒に熱を吸収するとともに，前記廃熱用熱交換器によって少なくとも前記エンジンの廃熱を冷媒に回収することを特徴とするエンジンヒートポンプシステム。
【請求項２】
前記コンプレッサが前記ケース内に収装され，前記廃熱回収用熱交換器により前記コンプレッサの廃熱も冷媒に回収することを特徴とする請求項１に記載のエンジンヒートポンプシステム。
【請求項３】
前記エンジンの排気系の全部又はその一部が前記ケース内に収装され，前記廃熱回収用熱交換器により前記エンジンの排気系の廃熱も冷媒に回収することを特徴とする請求項１または２に記載のエンジンヒートポンプシステム。
【請求項４】
前記エンジンの冷却系の全部又はその一部が前記ケース内に収装され，前記廃熱回収用熱交換器により前記エンジンの冷却系の廃熱も冷媒に回収することを特徴とする請求項１から３のいずれかひとつに記載のエンジンヒートポンプシステム。
【請求項５】
前記ケース内に外気を導入する換気用ファンを備え，
前記ケース内の空気が前記廃熱回収用熱交換器を通って前記ケースの外部へと排出されるように構成したことを特徴とする請求項１から４のいずれかひとつに記載のエンジンヒートポンプシステム。
【請求項６】
前記コンプレッサの吐出方向を逆にすることによって前記コンプレッサによって加圧された冷媒を前記室外機用熱交換器に導き，前記室外機用熱交換器において外気との熱交換によって温度が下がった冷媒を前記室内機用熱交換器に導くことで室内を冷却する冷房運転を行うことを特徴とする請求項１から５のいずれかひとつに記載のエンジンヒートポンプシステム。
【請求項７】
前記廃熱回収用熱交換器への冷媒の流れを遮断する冷媒遮断手段をさらに備え，
冷房運転を行うときは前記冷媒遮断手段によって前記廃熱回収用熱交換器への冷媒の流れを遮断することを特徴とする請求項６に記載のエンジンヒートポンプシステム。
【請求項８】
前記ケースの外側に設けられて被加熱液が導かれるタンクと，
前記タンク内を通過する通路であって前記エンジンの冷却水が導かれる通路と，
を備え，前記被加熱液と前記エンジンの冷却水の間で熱交換を行わせることで前記被加熱液を昇温させることを特徴とする請求項１から７のいずれかひとつに記載のエンジンヒートポンプシステム。
【請求項９】
前記タンク内の前記被加熱液の温度を検出する手段と，
前記タンク内を通過する通路と並列に設けられて前記エンジンの冷却水の温度を下げる冷却手段と，
を備え，検出された前記タンク内の被加熱液の温度が所定温度よりも高いときは前記冷却手段によって前記エンジンの冷却水の温度を下げ，これによって前記被加熱液の温度を下げることを特徴とする請求項８に記載のエンジンヒートポンプシステム。
【請求項１０】
前記冷却手段は，前記エンジンの冷却水の熱を放出させるラジエータであることを特徴とする請求項９に記載のエンジンヒートポンプシステム。
【請求項１１】
前記ラジエータにはラジエータファンが設けられており，前記ラジエータファンを回転させることで前記ラジエータの冷却能力が調整可能になっていることを特徴とする請求項１０に記載のエンジンヒートポンプシステム
【請求項１２】
前記ラジエータの冷却能力を調整して前記タンク内の被加熱液の温度を一定に維持することを特徴とする請求項１１に記載のエンジンヒートポンプシステム。
【請求項１３】
前記エンジンの動力によって回転される発電機をさらに備えたことを特徴とする請求項１から１２のいずれかひとつに記載のエンジンヒートポンプシステム。
【請求項１４】
前記エンジンと発電機の間には前記エンジンから発電機への動力の伝達を遮断する動力伝達遮断手段が設けられており，
前記発電機による発電が不要なときは前記動力伝達遮断手段によって前記エンジンから発電機への動力の伝達を遮断することを特徴とする請求項１３に記載のエンジンヒートポンプシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本件発明は，冷暖房機能，給湯機能及び発電機能を備えたエンジンヒートポンプシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
モータによりコンプレッサを駆動するヒートポンプ式の暖冷房システムが実用化されており，かかる暖冷房システムではモータを作動させるための電力を発電所から受電する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら，上記システムは、発電所から電力を得て、モータを駆動させるまでに、電気エネルギーへの変換、および発電所内損失、送電損失、受電側損失があり，このため発電効率は４５％以下に低下してしまう。さらに，モータ自身の効率が約８０％程度であるため、最終的な発電効率は約３６％程度になり，この場合，エネルギー消費効率（ＣＯＰ）を５としても１８０％程度である。ＣＯＰは外部から吸収する（暖房時）エネルギーまたは熱を移動させる（冷房時）エネルギーと，コンプレッサの駆動仕事との比である。
【０００４】
また，モータを動力とするシステムでは排気が出ないため，廃熱が利用されることはなく，発電所と電力の消費場所（家庭の室内機など）とが離れているため，発電時の排熱を冷暖房に再利用することも事実上不可能であった。
【０００５】
一方、電力消費量は暖冷房システムが利用される真夏と真冬にピークになり、毎年高まる傾向にある。需要に対して安定した電気を供給するためにピーク時に需要に見合った能力の設備をつくり対応しているが，ピーク時以外では発電や送電の設備稼働率が低下し、電力コストにも影響を及ぼしている。また、排気熱も捨てているため効率の低下は避けられず、ＣＯ2排出量への影響も大きい。
【０００６】
本発明は，かかる技術的課題を鑑みてなされたもので，エネルギーの発生場所と消費場所の間で生じる損失をなくし，さらに高効率のヒートポンプシステムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明によれば，ケース内に収装されたエンジンと，前記エンジンによって駆動されるコンプレッサと，前記コンプレッサによって加圧された冷媒が導かれる室内機用熱交換器と，前記室内機用熱交換器から排出される冷媒を減圧する膨張弁と，前記膨張弁を介して冷媒が導かれ，外気と冷媒の間で熱交換を行う室外機用熱交換器と，を備えたエンジンヒートポンプシステムにおいて，前記膨張弁を介して冷媒が導かれ，前記ケース内の空気と冷媒の間で熱交換を行う廃熱回収用熱交換器を前記室外機用熱交換器と並列に設け，暖房運転時，前記コンプレッサで加圧されることによって昇温した冷媒を前記室内機用熱交換器に導いて室内に放熱させ，前記室外機用熱交換器で外気から冷媒に熱を吸収するとともに，前記廃熱用熱交換器によって少なくとも前記エンジンの廃熱を冷媒に回収する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば，エンジンによってコンプレッサが駆動され暖房機能が実現されるので，上記したようなエネルギーの発生場所と消費場所の間で生じる損失はなく，また，エンジンの廃熱を回収してその熱を暖房に利用するので，高効率のヒートポンプシステムを実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。ここでは，まず，ヒートポンプシステムの構成について説明し，その後で本システムによって実現される各種機能について説明する。
【００１０】
システム構成
ヒートポンプシステムは室外機１と室内機３で構成される。図では室外機１に２つの室内機３が接続されているが，室内機３は１個でもよいし，３個以上であってもよい。室外機１のケース４の内部には，ガソリン，軽油，ＬＮＧ，ＬＰＧ，アルコール燃料などで作動するエンジン５，エンジン５によって駆動されるコンプレッサ７が収装されており，ヒートポンプシステムこれらを中心に構成される。エンジン５，コンプレッサ７をケース４内に収めているのは，エンジン５，コンプレッサ７からの廃熱を回収するためである。
【００１１】
エンジン５によってコンプレッサ７が駆動されると，コンプレッサ７によって加圧されて高温，高圧となった冷媒が冷媒通路９を介して室内機３の室内機用熱交換器１１へと流れ込み，室内機用熱交換器１１において室内の空気と冷媒の間で熱交換が行われる。その後，冷媒は膨張弁１３，室外機用熱交換器１５を介してコンプレッサ７へと戻される。室外機用熱交換器１５は大気と冷媒通路９内を流れる冷媒との間で熱交換を行う熱交換器であり，ファン１６の回転速度を調整することで内部を流通する空気の量を調整することができる。また，図示しないが，室内機用熱交換器１１とコンプレッサ７の間には冷媒タンクが設けられている。
【００１２】
コンプレッサ７は内部の切換弁によって冷媒の吐出方向を切り換えることができ，コンプレッサ７の吐出方向を逆にすれば，コンプレッサ７によって加圧されて高温，高圧となった冷媒は室外機用熱交換器１５，膨張弁１３，室内機用熱交換器１１の順に流れ，コンプレッサ７へと戻される。コンプレッサ７の吐出方向はヒートポンプシステムに暖房運転，冷房運転のいずれを行わせるかによって切り換えられ，この点については後で詳しく説明する。
【００１３】
膨張弁１３とコンプレッサ７の間には室外機用熱交換器１５と並列に廃熱回収用熱交換器１７が接続されており，シャットバルブ１９を開くとこの廃熱回収用熱交換器１７にも冷媒が流れ，閉じれば室外機用熱交換器１５にのみ冷媒が流れる。廃熱回収用熱交換器１７は一方の面を大気側に向け，他方の面をケース４の内部に向けており，ケース４に取り付けられている換気用ファン１８を回転させればケース４内部の空気が室外機用熱交換器１５を介して効率的に外部に排出されるようになっている。
【００１４】
エンジン５の回転速度，負荷はコントローラ７０によって制御され，エンジン５は燃費が最も良くなる低速高負荷領域で運転される。コントローラ７０はエンジン５の制御のほか，コンプレッサ７の吐出方向の切り換え，シャットバルブ１９の開閉，換気用ファン１８の回転，後述する切換弁３９の切換え，シャッタ４１の開閉，ラジエータファン４３の回転，ドグクラッチ５３の締結，解放等も制御する。
【００１５】
エンジン５の排気は，排気マニホールド２０，触媒２１，排気通路２２の途中に設けられた消音装置２３を介してケース４外部へと排出される。排気マニホールド２０，触媒２１，消音装置２３はいずれもケース４内に収装されており，排気通路２２もその出口部分を除き全てケース４内に配置される。エンジン５，エンジン５の排気系の全部ないしその大部分をケース４内に収めるのは，エンジン５やその冷却系，排気系からの廃熱を回収し，システムの熱効率をさらに高めるためである。
【００１６】
エンジン５は内部を流通する冷却水によって冷却される。エンジン５を冷却した冷却水は，冷却水通路３１を通ってケース４外部に設けられている温水タンク３３内を通る螺旋状通路３５へと流れ，温水タンク３３内の水道水と熱交換を行ってエンジン５へと戻される。また，螺旋状通路３５と並列にラジエータ３７が冷却水通路３１に接続されており，切換弁３９を操作することによって冷却水の全量またはその一部をラジエータ３７にも流すことができるようになっている。
【００１７】
ラジエータ３７はケース４内に配置されており，ケース４のラジエータ３７に近い面にはケース４内部を外気と連通させるためのシャッタ４１が設けられている。また，ラジエータ３７のエンジン側にはラジエータファン４３が設けられている。シャッタ４１を開き，ラジエータファン４３を正転させればラジエータ３７に外気が導入されてラジエータ３７の冷却能力が高められ，ラジエータファン４３を逆転させればケース４内部の空気が外部に排出されてケース４内部の温度を下げることができる。
【００１８】
温水タンク３３には調圧弁４５を介して水道水が導入される。温水タンク３３内に導入された水道水は螺旋状通路３５を流れるエンジン５の冷却水から熱を受け取って昇温され，温水タンク３３外部の所定の給湯箇所へと温水が供給される。調圧弁４５は水道水の逆流を防ぐ役割もある。さらに，調圧弁４５は，水道水の圧力（例えば，３気圧）をエンジン５の冷却水圧力（例えば，１．９気圧）に調圧したのち，温水タンク３３に水道水を供給し，温水タンク３３内の水道水と螺旋状通路３５を流れる冷却水との圧力差によって螺旋状通路３５に負担がかからないようにする。
【００１９】
さらに，温水タンク３３には，内部の水道水の温度を検出する温度センサ４７が取り付けられており，検出された水道水温度はコントローラ７０に入力される。また，温水タンク３３には，温水タンク３３内の圧力が上昇したときに自動的に開弁し，温水タンク３３内の水道水を外部に排出して圧力を下げるためのリリーフ弁５１が設けられている。
【００２０】
なお，ここでは温水タンク３３に水道水を導き昇温させているが，もちろん他の流体を温水タンク３３に導き昇温させても構わない。また，給湯機能を設けない場合は温水タンク３３にエンジン５の冷却水を導く必要がなくなるので，エンジン５の冷却水通路３１は全てケース４内に収装され，エンジン５の冷却系からの廃熱が全て回収される。
【００２１】
さらに，エンジン５にはドグクラッチ５３を介して発電機５５が接続されている。ドグクラッチ５を接続すればエンジン５の動力によって発電機５５が回転し，発電が行われる。ドグクラッチ５３の締結，解放は発電要求に応じてコントローラ７０によって制御される。なお，エンジン５と発電機の締結，解放を切り換えるための機械要素はドグクラッチ５３に限ったものではなく，摩擦板式クラッチ，電磁クラッチ等を用いても構わない。また，切換はコントローラ７０によって切り換えるのではなく，手動で切り換えるようにしても構わない。
【００２２】
次に，上記エンジンヒートポンプシステムによって実現される暖房機能，冷房機能，給湯機能，発電機能の各機能について説明する。
【００２３】
暖房機能
暖房機能は，エンジン５によってコンプレッサ７を駆動することによって行われる。コンプレッサ７によって加圧されて高温，高圧となった冷媒は室内機用熱交換器１１へと流れ込み，室内に熱を放出し，室内を暖める。このとき室内機用熱交換器１１はコンデンサ（凝縮器）として機能する。放熱した結果，冷媒は液化し，液化した冷媒は膨張弁１３で減圧されて気化し，大気よりも低温になる。そして，低温のガス状となった冷媒は，室外機用熱交換器１５において大気から熱を吸収してコンプレッサ７に戻され，再び加圧されて室内機用熱交換器１１へと送出される。以後，この循環を繰り返すことによって暖房運転が行われる。
【００２４】
暖房運転時，コントローラ７０はシャットバルブ１９を開き，これにより室内機用熱交換器１１から膨張弁１３を介して流れ出る冷媒は廃熱回収用熱交換器１７にも流れる。廃熱回収用熱交換器１７にはケース４内においてエンジン５の冷却系，排気系から放出される熱，輻射熱によって昇温された空気が流れ込み，冷媒との間で熱交換が行われるので，エンジン５の冷却系，排気系から放出される熱，輻射熱を冷媒に回収し，システムのエネルギー消費効率（ＣＯＰ）を２００％以上まで高めることができる。
【００２５】
なお，エンジン５の冷却水の温度が規定温度よりも高くなったときは，切換弁３９をラジエータ３７側に切り換え，ラジエータ３７に冷却水の全量又はその一部が流れるようにし，冷却水の温度を下げるようにする。冷却水の温度が規定温度よりも大幅に高いときは，シャッタ４１を開くとともにラジエータファン４３を回転させてラジエータ３７に外気を導き，ラジエータ３７の冷却性能を向上させてこれに対応する。
【００２６】
冷房機能
冷房機能は，コンプレッサ７の吐出方向を暖房運転時と逆方向に切り換えることによって行われる。コンプレッサ７によって加圧され，高温，高圧となった冷媒は室外機用熱交換器１５へと送出され，室外機用熱交換器１５において大気に熱を放出する。このとき室外機用熱交換器１５はコンデンサとして機能し，冷媒は温度が下がって液化する。液化した冷媒は膨張弁１３へと送られて減圧され，室内機用熱交換器１１へと送られる。室内機用熱交換器１１はラジエータとして機能し，室内の空気から熱を奪って室温を下げる。低温，低圧となった冷媒はコンプレッサ７に戻り，再び加圧されて室外機用熱交換器１５に送られる。以後，この循環を繰り返すことによって冷房運転が行われる。
【００２７】
冷房運転時は，エンジン５の冷却系，排気系から放出される熱，輻射熱を回収しないので，コントローラ７０はシャットバルブ１９を閉じ，廃熱回収用熱交換器１７に冷媒が流れないようにする。したがって，冷房運転時のＣＯＰは暖房運転時よりも若干下がり，１７５％程度となる。なお，エンジン５の冷却水の温度が規定温度よりも高くなったときの動作は暖房運転時と同じであり，シャットバルブ１９を操作してラジエータ３７に冷却水を導き，必要に応じてラジエータファン４３を回転させて冷却水の温度を低下させる。
【００２８】
給湯機能
給湯機能はエンジン５の冷却水と水道水の熱交換によって実現される。すなわち，温水タンク３３に供給された水道水は，温水タンク３３内部の螺旋状通路３７を流れるエンジン５から熱を受け取り，所定温度まで昇温される。なお，ここでは温水タンク３３内部の冷却水通路３７を螺旋状の通路としたが，冷却水と水道水の間で熱交換が行われやすい構成であれば他の構成（例えば，冷却水通路の周りに多数のフィンを設けた構成）であっても構わない。
【００２９】
コントローラ７０は，温度センサ４７によって検出される温水タンク３３内の水道水温度が所定温度よりも高いときは，切換弁３９を切り換えてラジエータ３７に冷却水が流れるようにして冷却水の温度を下げ，これによって水道水を所定温度に維持する。所定温度よりも大幅に高いときはシャッタ４１を開いてラジエータファン４３を回転させてラジエータ３７を通過する空気の流量を増加させ，ラジエータ３７の冷却能力を高めて冷却水の温度降下を促進させる。
【００３０】
発電機能
発電機能はエンジン５と発電機５５の間に介装されたドグクラッチ５３を締結することによって行われ，ドグクラッチ５３を締結すればエンジン５の動力によって発電機５５が回転され，発電が行われる。
【００３１】
発電が不要なときはドグクラッチ５３を解放すればよく，これによって発電が不要であるにもかかわらず発電が行われ，発電機５５によってエンジン５の動力が無駄に消費されるのを防止することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明によれば，高効率のヒートポンプシステムが提供されるので，エネルギー消費量を抑え，ＣＯ2排出量を低減するのに有用である。また，発電所からの電力供給に頼ることなく冷暖房機能，給湯機能を実現し，さらには発電機能をも備えるので，発電所の負荷低減にも有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明に係るエンジンヒートポンプシステムの全体構成図である。
【符号の説明】
【００３４】
１    室外機
３    室内機
４    ケース
５    エンジン
７    コンプレッサ
９    冷媒通路
１１  室内機用熱交換器
１３  膨張弁
１５  室外機用熱交換器
１７  廃熱回収用熱交換器
１８  換気用ファン
１９  シャットバルブ
２０  排気マニホールド
２１  触媒
２２  排気通路
２３  消音装置
３１  冷却水通路
３３  温水タンク
３５  螺旋状通路
３７  ラジエータ
４１  シャッタ
４３  ラジエータファン
４５  調圧弁
４７  温度センサ
５１  リリーフ弁
５５  発電機
５３  ドグクラッチ
７０  コントローラ
【図１】
2005076984.tif 000003