JP2000111198A - 複合型ヒートポンプ装置及びそれを用いた空調装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 広い負荷範囲で省エネ運転が可能であり、電
力負荷の平準化に役立つヒートポンプ装置及びそれを用
いた空調装置を提供する。 【解決手段】 圧縮機１を駆動するガスエンジン３とモ
ータ２とが第１及び第２のクラッチ４、５を介して直列
に連結、切断可能に配置されている。制御部１４により
両クラッチ４、５の接続を切り替えることで、高負荷時
にはガスエンジン３、低負荷時にはモータ２により圧縮
機１を駆動し、圧縮した冷媒を冷房時は、四方弁８、室
外ユニット９、膨張弁１０、室内ユニット１３へと循環
させ、暖房時には逆に循環させることで、効率の良い冷
暖房が行なえる。さらに、深夜電力を利用して氷蓄熱槽
１２に冷熱を蓄積しておけば、冷房負荷のピーク時にも
過負荷運転が行なえる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、冷暖房、冷凍、加
熱装置などに用いられるヒートポンプ装置に関し、特に
複合型のヒートポンプ装置とそれを用いた空調装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】近年、冷房装置の普及とともに夏期、特
に昼間時間帯の電力需要が増大しており、電力のピーク
負荷が急増するとともに尖鋭化してきている。電力は基
本的に貯蔵ができないため、需要に合わせて発電して供
給しなければならず、このため、電力会社はピーク負荷
に合わせて発電設備を設置する必要がある。しかし、ピ
ーク負荷が尖鋭化すればするほど、ピーク時以外には必
要のない設備が増えてしまい、電力会社にとって大きな
負担となる。このため、できるだけ電力負荷を平準化す
ることが望まれている。

【０００３】冷房によるピーク負荷を軽減するための有
望な対策のひとつとしてガスエンジン駆動ヒートポンプ
装置（ＧＨＰ）がある。ヒートポンプは、低温側から高
温側へ熱をポンプのように運搬することで、少ないエネ
ルギー消費で効率良く冷暖房が行なえる装置であり、家
庭用エアコンなどでも広く用いられている技術である。
ＧＨＰは、一般的な家庭用エアコンが電気モータで圧縮
機を駆動しているのに対して、都市ガスやＬＰガスを燃
料とした内燃機関であるガスエンジンにより圧縮機を駆
動させてヒートポンプを動かすものである。このＧＨＰ
を用いれば、圧縮機の駆動に電気モータを使わずに済む
ため、電力消費を軽減できると期待されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、ＧＨＰは内燃
機関により圧縮機を駆動しているため、特に低負荷時、
すなわち機関回転数が低い領域では、トルクが小さく燃
費が大幅に低下するという問題点がある。この場合、内
燃機関と圧縮機の間に変速機を設ける方法も考えられる
が、装置が大型化し、設置コストが高くなるほか、保守
管理費用も増大するので好ましくない。

【０００５】そこで、本発明は、上記問題点に鑑みて、
広い負荷範囲で省エネ運転が可能であり、電力負荷の平
準化に役立つヒートポンプ装置及びそれを用いた空調装
置を提供することを課題とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明の複合型ヒートポンプ装置は、圧縮機で圧縮
した冷媒を高温側熱交換器と低温側熱交換器との間で循
環させ、低温側熱交換器で冷媒を加熱し、高温側熱交換
器で冷媒を冷却することにより、熱を低温側から高温側
へ移動させるヒートポンプを用いる複合型ヒートポンプ
装置において、圧縮機を駆動するためのガスエンジン
と、圧縮機を駆動するための電動機と、圧縮機の駆動軸
とガスエンジンの駆動軸との連結、切断を切り替える第
１のクラッチと、圧縮機の駆動軸と電動機の駆動軸との
連結、切断を切り替える第２のクラッチと、第１及び第
２のクラッチの切り替えを制御する制御部と、を備える
ことを特徴とする。

【０００７】本発明によれば、第１のクラッチと第２の
クラッチの切り替えを制御することにより、ガスエンジ
ンと圧縮機とを、あるいは電動機と圧縮機とを連結する
ことができる。その結果、圧縮機の駆動源としてガスエ
ンジンと電動機を切り替えて使用することができる。し
たがって、負荷や電気、ガス料金等に応じて電動機とガ
スエンジンのうち好適な駆動源を選択することで、省エ
ネ、低コストでの運転が可能となる。

【０００８】電動機及び第２のクラッチは、第１のクラ
ッチと圧縮機との間に接続されていることが好ましい。
これにより、第１のクラッチを介してガスエンジンと電
動機とを接続すれば、電動機でガスエンジンを始動する
ことができ、スタータモータ等の補機が不要になる。

【０００９】また、本発明の空調装置は、上述の本発明
による複合型ヒートポンプ装置を用いた空調装置であっ
て、冷房動作時に低温側熱交換器として機能する室内ユ
ニットを備えていることを特徴とする。

【００１０】一般に、電力のピーク負荷は冷房の負荷が
最大となる真夏の昼間の時間帯にみられるが、本発明の
複合型ヒートポンプを用いた空調装置では、冷房の最大
負荷時にはガスエンジンで圧縮機を駆動させることがで
きる。したがって、電力消費量を少なくすることが可能
となるので、電力負荷の平準化に役立つ。

【００１１】さらに、低負荷時には冷媒の冷熱により製
氷し、高負荷時には製氷した氷により冷媒を冷却するこ
とによって、蓄熱した冷熱を放出する氷蓄熱槽と、室内
ユニットと氷蓄熱槽への冷媒の流れを制御する冷媒制御
装置と、をさらに備えていることが好ましい。

【００１２】これにより、例えば電気料金の安い深夜電
力を利用して製氷を行い、氷蓄熱槽に冷熱を蓄熱してお
き、昼間の高負荷時にはこの冷熱を利用して冷房を行な
うことができるので、電力の平準化を図ることが可能と
なる。また、高負荷時のガス使用量を低減することが可
能となり、さらには、蓄熱槽なしの場合より装置本体の
冷房能力が小さくて済む。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照して本発明
の好適な実施の形態について説明する。図１は本発明に
係る複合型ヒートポンプを用いた空調装置２０の全体構
成を示す模式図である。

【００１４】作動媒体（冷媒）を圧縮する圧縮機１に
は、その駆動軸に駆動源となるモータ２とガスエンジン
３とが直列に接続されている。本実施形態ではモータ２
は交流モータであり、ガスエンジン３には、都市ガスあ
るいはＬＰガスを燃料とするよう調整された自動車用内
燃機関などを用いることができる。そして、ガスエンジ
ン３とモータ２の駆動軸の間には第１クラッチ４が、モ
ータ２と圧縮機１の駆動軸の間には第２クラッチ５がそ
れぞれ配置されている。第１クラッチ４と第２クラッチ
５の両方を接続すると、圧縮機１とモータ２とガスエン
ジン３とが直列に連結され、第１クラッチ４を切断し、
第２クラッチ５を接続した場合は、圧縮機１は、モータ
２のみと接続される。第１クラッチ４を接続し、第２ク
ラッチ５を切断した場合は、ガスエンジン３とモータ２
とが接続される。ガスエンジン３の燃料供給ラインはガ
スエンジンへの燃料ガスの供給量を調整するコントロー
ルバルブ６を介して燃料ガス供給ラインであるガス供給
配管等に接続されている。モータ２の電源ラインは電源
周波数の調整を行なうインバータ７の出力に接続されて
いる。モータ２を直流モータとすることもでき、その場
合は、インバータ７に代えて、商用電源を直流に変換す
るコンバータを設ければよい。

【００１５】圧縮機１に接続された冷媒配管は、圧縮機
１への入口側、出口側とも四方弁８に接続されている。
四方弁８からは２本の冷媒配管が延びており、一方は、
冷媒と外気との間で熱交換を行なう室外ユニット９に接
続され、他方は冷媒と室内空気との間で熱交換を行なう
室内ユニット１３に接続されている。室外ユニット９と
室内ユニット１３の間の冷媒配管上には室外ユニット９
側から膨張弁１０、冷媒制御装置１１が配置されてお
り、冷媒制御装置１１には、氷蓄熱槽１２が接続されて
いる。

【００１６】第１及び第２クラッチ４及び５、コントロ
ールバルブ６、インバータ７、四方弁８、冷媒制御装置
１１は、制御部１４に接続され、制御部１４の指示によ
りそれぞれの運転状態に応じて制御される。

【００１７】以下、この空調装置２０の動作をその基本
的な運転モードごとに分けて説明する。

【００１８】運転モード０（ガスエンジン起動モード） この運転モード０では、制御部１４の指示により、第１
クラッチ４を連結するとともに、第２クラッチ５を切断
状態にして、ガスエンジン３とモータ２とだけを連結状
態にする。そして、コントロールバルブ６を開いて燃料
ガスをガスエンジン３に供給しつつ、インバータ７を制
御してモータ２を通電状態にして、モータ２によりガス
エンジン３を回転させ、ガスエンジン３を起動させる。
このようにモータ２とガスエンジン３を直結してガスエ
ンジン３を起動することにより、スタータモータを用い
る場合と比較してギヤを使用する必要がなくなるので、
ギヤ騒音のない静粛な起動が可能となる。起動確認後、
モータ２への通電を停止する。

【００１９】運転モード１（ＧＨＰ運転） 運転モード０によりガスエンジン３を起動し、モータ２
への通電を停止した状態で第２クラッチ５を接続するこ
とにより、ガスエンジン３と圧縮機１とが直結される。
これにより、ガスエンジン３で圧縮機１が駆動される。

【００２０】冷房時には、圧縮機１で圧縮され、高温高
圧となった冷媒は四方弁８を介して矢印Ａの向きに流
れ、室外ユニット９で外気と熱交換することにより冷却
される。つまり、室外ユニット９が高温側熱交換器とし
て機能する。この冷媒は膨張弁１０で膨張させることに
より圧力が低下するとともにさらに冷却され、外気温度
よりはるかに低い低温状態になる。この低温状態の冷媒
は冷媒制御装置１１を経て、各室内ユニット１３に送ら
れ、熱交換により室内の空気から熱を奪って、蒸発す
る。この結果、室内の空気が冷却されるので冷房が行な
える。つまり、各室内ユニット１３が低温側熱交換器と
して機能する。蒸発した冷媒は各室内ユニット１３から
四方弁８を介して再度圧縮機１に導かれる。こうして冷
媒を循環させることにより、低温の室内から高温の室外
に熱を運搬（ヒートポンプ）することで室内の冷房が行
なえる。

【００２１】一方、暖房時には、圧縮機１で圧縮され、
高温高圧となった冷媒は四方弁８から矢印Ｂの向きに流
れ、室内ユニット１３で室内空気と熱交換することで、
室内空気を温め、暖房を行なう一方、自らは冷却され
る。つまり、冷房時とは逆に室内ユニット１３は高温側
熱交換器として機能する。この冷媒は冷媒制御装置１１
を経て、膨張弁１０で膨張することにより圧力が低下す
るとともにさらに冷却され、外気温度よりはるかに低い
低温状態になる。この低温状態の冷媒は室外ユニット９
に送られ、熱交換により外気から熱を奪って、蒸発す
る。つまり、今度は室外ユニット９が低温側熱交換器と
して機能する。蒸発した冷媒は室外ユニット９から四方
弁８を介して再度圧縮機１に導かれる。こうして冷媒を
循環させることにより、冷房時とは逆に低温の室外から
高温の室内に熱を運搬（ヒートポンプ）することで室内
の暖房が行なえる。

【００２２】運転モード２（ＥＨＰ運転） この運転モードでは、第１クラッチ４を切断するととも
に第２クラッチ５を連結状態にして、インバータ７によ
りモータ２を通電状態にする。これにより、圧縮機１
は、モータ２とだけ連結状態になり、モータ２で圧縮機
１を駆動することができる。冷房時、暖房時の冷媒の流
れは運転モード１の場合と同一である。

【００２３】運転モード３（製氷運転） この運転モードは、安価な深夜電力を利用して冷熱を蓄
熱するための製氷を行なう運転モードである。この場合
は、運転モード２の冷房時運転において、冷媒制御装置
１１から矢印Ａ’で示されるように氷蓄熱槽１２に冷媒
を供給し、冷媒と氷蓄熱槽１２内の水との間で熱交換を
行なうことにより、この水を冷却して製氷を行なう。

【００２４】運転モード４（氷利用運転） この運転モードは、運転モード３で製氷した氷を利用す
る運転モードである。運転モード１あるいは運転モード
２の冷房時運転において、膨張弁１０を通過した冷媒を
冷媒制御装置１１から氷蓄熱槽１２に導き、冷媒と氷蓄
熱槽１２内に貯められた氷との間で熱交換を行なうこと
により、冷媒をさらに過冷却状態にする。この冷媒を室
内ユニット１３に導くことにより効率の良い冷房が行な
える。

【００２５】このように、この空調装置２０は、４つの
運転モードを有している、実際の冷房・暖房時には上記
の各運転モードを以下のように切り替える。

【００２６】まず、冷房、暖房時の昼間の通常負荷時は
運転モード１により運転を行なう。なぜなら、負荷が３
０〜１００％の範囲にある場合は、ガスエンジン３のほ
うが、モータ２より高トルク、低燃費での運転が可能だ
からである。

【００２７】次に、冷房時におけるピーク時等の過負荷
時には運転モード４により運転を行なう。冷媒を過冷却
状態で利用することにより、冷房能力を約２０％増加さ
せることができる。このため、ガスエンジン、圧縮機等
をピーク負荷より低い負荷に合わせて小型にすることも
可能となる。さらに、このときＧＨＰ運転を行なえば、
電力消費が少なくて済み、電力消費の平準化を図ること
ができる。

【００２８】夜間等の軽負荷時には、運転モード２によ
り運転を行なう。なぜなら、負荷が０〜３０％の範囲に
ある場合は、運転モード１のようにガスエンジン３で圧
縮機を駆動しようとしてもガスエンジン３の機関回転数
が低下するため、その燃費が大幅に低下してしまい、モ
ータ２による運転より効率が低下してしまうからであ
る。さらにこのような低回転数域ではモータ２のほうが
静粛性が高く、夜間の運転に向いている。また、夏期の
深夜には、運転モード３により安価な深夜電力を利用し
て氷蓄熱槽への冷熱の蓄熱を行なうことで過負荷時の運
転モード４による運転に備えることが好ましい。

【００２９】さらにガスエンジン３は、モータ２に比べ
てメンテナンスの必要性が高いが、本発明の構成によれ
ば、ガスエンジン３の停止時にもモータ２により圧縮機
１を駆動させて運転を継続することができる。

【００３０】さらに、ガス料金、電気料金により運転モ
ード１と運転モード２を切り替える負荷をコントロール
してもよい。また、ガスエンジン３の排気ガスの排熱を
利用するシステムを組み合わせてもよい。

【００３１】以上の説明では、モータ２とガスエンジン
３とを直列に配置する例を説明したが、モータ２とガス
エンジン３とは直結しない構造にしてもよい。この場
合、上述の運転モード０の運転は行なえないが、それ以
外の運転モードは同様に適用可能である。

【００３２】また、氷蓄熱槽を省略した構成としてもよ
い。氷蓄熱槽は設置のスペースを必要とし、重量もある
ため、設置が困難なケースもあるからである。この場合
でも、上述の運転モード１と運転モード２の切り替えに
より燃費、効率の点で常に好適な運転を行なうことがで
きる。

【００３３】

【発明の効果】以上、説明したように本発明によれば、
圧縮機の駆動源として電動機及びガスエンジンの双方を
備え、クラッチを用いて高負荷時にはガスエンジン、低
負荷時には電動機を駆動源とするよう切り替えることに
より、それぞれ最適なモードでの運転が可能である。特
に高負荷時にはガスエンジンを用いるので、真夏の電力
消費のピーク時における電力消費量を低減でき、電力消
費の平準化に役立つ。一方、ガスエンジンの効率が低下
する低負荷時には電動機を利用するので、低負荷時から
高負荷時まで安定した運転を行なうことができる。

【００３４】さらに氷蓄熱槽を利用することにより、安
価な深夜電力の積極的な利用が可能となるので、電力消
費を時間的にシフトさせ、その平準化に役立つととも
に、ガスエンジン、圧縮機等がピーク時負荷より低い負
荷用のものですむという利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る複合型ヒートポンプ装置を用いた
空調装置の全体構成を示す模式図である。

【符号の説明】

１…圧縮機、２…モータ、３…ガスエンジン、４…第１
クラッチ、５…第２クラッチ、６…コントロールバル
ブ、７…インバータ、８…四方弁、９…室外ユニット、
１０…膨張弁、１１…冷媒制御装置、１２…氷蓄熱槽、
１３…室内ユニット、１４…制御部。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧縮機で圧縮した冷媒を高温側熱交換器
   と低温側熱交換器との間で循環させ、前記低温側熱交換
   器で前記冷媒を加熱し、前記高温側熱交換器で前記冷媒
   を冷却することにより、熱を低温側から高温側へ移動さ
   せるヒートポンプを用いる複合型ヒートポンプにおい
   て、 前記圧縮機を駆動するためのガスエンジンと、 前記圧縮機を駆動するための電動機と、 前記圧縮機の駆動軸と前記ガスエンジンの駆動軸との連
   結、切断を切り替える第１のクラッチと、 前記圧縮機の駆動軸と前記電動機の駆動軸との連結、切
   断を切り替える第２のクラッチと、 前記第１及び第２のクラッチの切り替えを制御する制御
   部と、 を備えることを特徴とする複合型ヒートポンプ装置。
2. 【請求項２】 前記電動機及び前記第２のクラッチは、
   前記第１のクラッチと前記圧縮機の間に接続されている
   ことを特徴とする請求項１記載の複合型ヒートポンプ装
   置。
3. 【請求項３】 請求項１記載の複合型ヒートポンプ装置
   を用いた空調装置であって、冷房動作時に前記低温側熱
   交換器として機能する室内ユニットを備えていることを
   特徴とする複合型ヒートポンプ装置を用いた空調装置。
4. 【請求項４】 低負荷時には前記冷媒の冷熱により製氷
   し、高負荷時には製氷した氷により冷媒を冷却すること
   によって、蓄熱した冷熱を放出する氷蓄熱槽と、前記室
   内ユニット及び前記氷蓄熱槽への前記冷媒の流れを制御
   する冷媒制御装置と、をさらに備えていることを特徴と
   する請求項３記載の複合型ヒートポンプ装置を用いた空
   調装置。