JP2002228295A - ガスヒートポンプ式空気調和装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ガスエンジンのエンジン効率が低下する低速
（低負荷）運転時においても省エネルギーを推進できる
ようにしたガスヒートポンプ式空気調和装置の提供を目
的としている。 【解決手段】 ガスエンジン１４を駆動源とする圧縮機
１５で冷媒を循環させて冷凍サイクルを形成するガスヒ
ートポンプ式空気調和装置において、圧縮機１５の低速
運転用駆動源として電動モータ１６を設けると共に、圧
縮機１５の駆動源をその運転速度に応じてガスエンジン
１４及び電動モータ１６から選択切換する駆動源切換手
段を設けた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、圧縮機の駆動源と
してガスエンジンを用いたガスヒートポンプ式空気調和
装置に係り、特に、ガスエンジンの効率が低下する低速
運転時の省エネルギーを促進するのに用いて好適な技術
に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、ヒートポンプを利用して冷暖
房運転を行う空気調和装置は、室内熱交換器、圧縮機、
室外熱交換器、膨張弁等の要素を含む冷媒回路を備えて
いる。室内の冷暖房運転は、冷媒がこの回路を巡る途中
で室内熱交換器及び室外熱交換器において、それぞれ空
気と熱の交換を行うことによって実現される。また、こ
の冷媒回路には、室外熱交換器による冷媒の熱の受け取
り（暖房運転時）のみに頼るのではなく、冷媒そのもの
を直接的に加熱するための冷媒加熱器が設置されること
がある。

【０００３】ところで、近年、上記の冷媒回路中の圧縮
機の動力源として、通常使用されている電動モータに代
わり、ガスエンジンを利用するものが開発されている。
このガスエンジンを利用した空気調和装置は、一般にガ
スヒートポンプ式空気調和装置（以下ＧＨＰと略す）と
呼ばれている。このＧＨＰによれば、比較的安価である
ガスを燃料として利用できるため、電動モータを利用し
た圧縮機を備えた空気調和装置（以下ＥＨＰと略す）の
ように、ランニングコストがかさむということがないた
め使用者にとってもコストダウンが可能となる。

【０００４】また、ＧＨＰにおいては、例えば暖房運転
時に、ガスエンジンから排出される高温の排気ガスなど
の廃熱を冷媒の加熱源として利用すれば、優れた暖房効
果を得ることが可能になるとともに、エネルギーの利用
効率を高めることができる。ちなみに、低外気温時の暖
房能力は、ＥＨＰと比較して１．２〜１．５倍ほど高く
なる。また、このような仕組みを導入すれば、冷媒回路
中において、上述したような冷媒加熱器等の機器を特別
に設置する必要がなくなる。

【０００５】その他にも、ＧＨＰでは、暖房運転時に必
要な室外熱交換器の霜除去動作、いわゆるデフロスト動
作についても、エンジンの廃熱を利用して実施すること
ができる。一般に、ＥＨＰにおけるデフロスト動作は、
暖房運転を停止して一時的に冷房運転を実施することで
室外熱交換器の霜除去を行うようになされている。この
場合、室内に対しては冷風が吹き出すことになるから、
室内環境の快適性を損なうこととなるため、空調フィー
リング上好ましいことではない。ＧＨＰでは、上述した
ような事情から廃熱利用による連続暖房運転が可能とな
り、ＥＨＰで懸念されるような問題の発生がない。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、このように
多くの利点を有するＧＨＰであるが、従来からのＧＨＰ
に関しては次のような問題が指摘されている。上述した
ように、ＧＨＰにおいては圧縮機の駆動源としてガスエ
ンジンを使用しているため、要求される空調能力の変動
に対しては、圧縮機の回転数と同一または比例関係にあ
るガスエンジンの回転数を調整することで対応してい
る。なお、図５に示すグラフは、圧縮機の要求能力（馬
力）とガスエンジン回転数（圧縮機回転数）との関係を
示している。

【０００７】図６のグラフは、一般的なガスエンジンの
エンジン効率を示すものであり、横軸を能力割合（％）
として、縦軸にガスエンジン効率（％）が示されてい
る。このグラフから明らかなように、ガスエンジンは能
力割合の低い低速運転時（低負荷時）ほどエンジン効率
が低下する。換言すれば、ＧＨＰにおいては、要求能力
の低下に伴ってガスエンジン（圧縮機）の回転数を下げ
れば下げるほど、すなわち低負荷時になればなるほどエ
ンジン効率の悪い領域で運転することになる。このた
め、空調負荷が低下して低速運転しているにも係わら
ず、回転数の低下ほど燃料（ガス）消費量が低下しない
という燃費の悪い運転を強いられることとなり、近年の
省エネルギー推進の観点から改善が望まれていた。

【０００８】本発明は、上記の事情に鑑みてなされたも
ので、ガスエンジンのエンジン効率が低下する低速（低
負荷）運転時においても省エネルギーを推進できるよう
にしたガスヒートポンプ式空気調和装置の提供を目的と
している。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するため、以下の手段を採用した。請求項１に記載の
ガスヒートポンプ式空気調和装置は、ガスエンジンを駆
動源とする圧縮機で冷媒を循環させて冷凍サイクルを形
成するガスヒートポンプ式空気調和装置において、前記
圧縮機の低速運転用駆動源として電動モータを設けると
共に、前記圧縮機の駆動源をその運転速度に応じて前記
ガスエンジン及び前記電動モータから選択切換する駆動
源切換手段を設けたことを特徴とするものである。

【００１０】このようなガスヒートポンプ式空気調和装
置によれば、ガスエンジンのエンジン効率が低下する低
速運転時には、駆動源切換手段により圧縮機の駆動源を
ガスエンジンから電動モータに切り換えて運転すること
が可能になる。このため、低速運転領域から高速運転領
域まで全域にわたって、省エネルギー運転を推進するこ
とが可能になる。なお、インバータ制御の電動モータを
採用すれば、電動モータを使用する低速運転領域内にお
いてもきめ細かい回転数制御が可能になり、消費電力の
低減によってより一層の省エネルギー効果が得られる。

【００１１】請求項１に記載のガスヒートポンプ式空気
調和装置においては、前記駆動源切換手段が、前記圧縮
機の回転数を検出する回転数検出器と、前記圧縮機と前
記ガスエンジンとの駆動軸間に介在させた電磁クラッチ
と、前記圧縮機と前記電動モータとの駆動軸間に介在さ
せたワンウェイクラッチと、前記回転数検出器の検出値
を受けて前記電磁クラッチの操作及び前記電動モータの
作動を制御する制御部とを具備してなるものが好まし
く、これにより、簡単かつ信頼性の高い装置構成で確実
な切換操作を行うことができる。

【００１２】そして、請求項１または２に記載のガスヒ
ートポンプ式空気調和装置においては、前記電動モータ
を運転して前記ガスエンジンを始動することが好まし
く、これにより、電動モータが従来より設けられている
ガスエンジンのスタータモータを兼用するので、部品点
数及びコストの低減が可能となる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係るガスヒートポ
ンプ式空気調和装置の構成例を図面に基づいて説明す
る。ガスヒートポンプ式空気調和装置（ＧＨＰ）は、図
４に示すように、大きくは室内機ユニット１及び室外機
ユニット１０から構成される。室内機ユニット１には、
冷房運転時に低温低圧の液冷媒を蒸発気化させて室内の
空気から熱を奪い、暖房運転時には高温高圧のガス冷媒
を凝縮液化させて室内の空気を暖める室内熱交換器が具
備されている。この室内熱交換器には、後述する室外機
ユニット１０から低温低圧の液冷媒（冷房運転時）また
は高温高圧のガス冷媒（暖房運転時）が冷媒配管２によ
って供給される。なお、冷暖房を行う室内の空気は、室
内機ファン（図示省略）の作動により吸引され、室内熱
交換器を通過して冷媒と熱交換した後室内へ吹き出され
る。

【００１４】室外機ユニット１０は、圧縮機、室外熱交
換器、膨脹弁及び四方弁などを備えた冷媒回路部と、圧
縮機を駆動するガスエンジン、電動モータ及びこれに付
随する機器類を備えたガスエンジン部とを具備して構成
される。この室外機ユニット１０は、下部の機械室１１
と上部の熱交換室１２との間が仕切板（図示省略）によ
り分割されており、一方の機械室１１にはガスエンジン
１４、圧縮機１５、電動モータ１６、コントローラ（制
御部）１７などの主要機器が設置され、他方の熱交換室
１２には室外熱交換器３０、室外機ファン３１などの主
要機器が設置されている。なお、仕切板には換気口が設
けられ、機械室１１と熱交換室１２との間が連通状態に
なっている。

【００１５】以下、圧縮機１５を駆動するガスエンジン
１４及び電動モータ１６周辺の構成を図１に基づいて詳
細に説明する。圧縮機１５は、ガス冷媒を圧縮して冷媒
回路に送出する機能を有するものであり、駆動源として
ガスエンジン１５及び電動モータ１６を備えている。図
示の例では、駆動軸１５ａの一端に電磁クラッチ１８を
介してガスエンジン１４が連結され、駆動軸１５ａの他
端にワンウェイクラッチ１９を介して電動モータ１６が
連結されている。なお、補助的な駆動源となる電動モー
タ１６には、使用する回転数領域で、すなわち主となる
駆動源であるガスエンジン１４のエンジン効率が低下す
る低速運転（回転）速度において効率のよいものを選定
するとよい。また、電動モータ１６を小型化するため、
ギヤ式電動モータを選定してもよい。

【００１６】電磁クラッチ１８は、制御部となるコント
ローラ１７によりＯＮ／ＯＦＦの切換操作がなされ、Ｏ
Ｎ状態ではガスエンジン１４の駆動軸１４ａと圧縮機１
５の駆動軸１５ａとが一体的に連結されて駆動力を伝達
できるようになる。なお、電磁クラッチ１８がＯＦＦ状
態では、ガスエンジン１４の駆動軸１４ａと圧縮機１５
ａの駆動軸１５ａとの連結が分離された状態となり、駆
動力の伝達ができなくなる。ワンウェイクラッチ１９
は、電動モータ１６から圧縮機１５の一方向にのみ駆動
力を伝達できるものであり、たとえばラチェットを用い
たもの、カムを用いたもの、駆動軸にコイルばねを巻き
付けてその巻き締め力を利用したものなどがある。

【００１７】符号の２０は、圧縮機１５の回転数を検出
する回転数検出器である。この回転数検出器２０で検出
した検出値はコントローラ１７に入力され、上述した電
磁クラッチ１８、ワンウェークラッチ１９及び回転数検
出器２０の検出値を受けて電磁クラッチ１８の操作や電
動モータ１６の作動を制御するコントローラ１７と共
に、圧縮機１５の駆動源切換手段を構成している。な
お、上述した圧縮機１５の回転数は、電磁クラッチ１８
やワンウェイクラッチ１９がつながった状態において、
ガスエンジン１４及び電動モータ１６の回転数と実質的
に同一またはほぼ同一となる。符号の２１は、電動モー
タ１５を駆動源として圧縮機１５を運転する際に、回転
数を可変とするために用いられるインバータである。

【００１８】符号の２２はミキサーを示しており、ガス
エンジン１４に供給する混合気（ガス燃料及び空気）を
制御してエンジン回転数（出力）を調整する機能を有し
ている。このミキサー２２は、コントローラ１７から出
される制御信号を受けて作動するステッピングモータ２
３により弁開度を変化させて混合気を制御するように構
成されている。なお、図示の構成例では、電動モータ１
６の回転数を単独で検出することができるように、電動
モータ回転数検出器２４を設置し、同検出器の検出値を
コントローラ１７に入力している。

【００１９】さて、このようにガスエンジン１４及び電
動モータ１６を駆動源として備えた圧縮機１５の運転制
御は、コントローラ１７内において、たとえば図２及び
図３に基づき以下に説明するようにして実施される。図
２に示すフローチャートは、ＧＨＰ始動時の制御を示し
ている。この制御では、ステップ１（Ｓ１）で「ＧＨＰ
始動」の操作がなされると、すなわち空調運転を開始す
るスイッチ操作がなされると、ステップ（Ｓ２）でガス
エンジン１４の駆動始動が開始される。すると、ステッ
プ３（Ｓ３）では電磁クラッチ１８がＯＮとなり、ガス
エンジン１４の駆動軸１４ａと圧縮機１５の駆動軸１５
ａとが連結される。

【００２０】この時、ガスエンジン１４はまだ停止状態
にあるため、ステップ４（Ｓ４）では電動モータ１６に
通電してスタータモータとして使用する。この結果、電
動モータ１６はＯＮとなり、その駆動力は駆動軸１６ａ
からワンウェイクラッチ１９を介して圧縮機１５の駆動
軸１５ａに伝達され、さらに電磁クラッチ１８を介して
ガスエンジン１４の駆動軸１４ａに伝達される。続くス
テップ５（Ｓ５）では、回転数検出器２０の検出値Ｎと
予め定めた設定回転数Ｎｓ１とを比較する。この設定回
転数Ｎｓ１は、圧縮機１５の駆動源をガスエンジン１４
から電動モータ１６へ切り換える回転数であり、Ｎ＞Ｎ
ｓ１の運転領域ではガスエンジン１４を単独の駆動源と
して運転する。従って、Ｎ＞Ｎｓ１であれば、正常にガ
スエンジン１４が始動してガスエンジン運転領域まで回
転数が上昇したと判断できるため、ステップ９（Ｓ９）
では電動モータ１６への通電が停止される（電動モータ
ＯＦＦ）。従って、以後は圧縮機１５がガスエンジン１
４を単独の駆動源として運転される。そして、コントロ
ーラ１７から出力される空調負荷に応じた制御信号でス
テッピングモータ２３を作動させ、弁開度が適宜変化す
るミキサー２２においてガスエンジン１４へ供給される
混合気を制御して、エンジン回転数を調整しながら圧縮
機１５の運転が継続される。

【００２１】一方、ステップ５でＮ＞Ｎｓ１とならない
場合には、ガスエンジン１４が始動してもガスエンジン
運転領域まで回転数が上昇していないと判断できるた
め、次のステップ６（Ｓ６）では、電動モータ１６の運
転時間Ｔを計測して設定運転時間Ｔｓと比較する。この
設定運転時間Ｔｓは、通常ガスエンジン１４が正常に始
動するのに要する時間に余裕分を加算して若干長めに決
められた値であり、たとえば４秒程度と比較的短い値が
一般的に採用される。このステップ６では、Ｔ≧Ｔｓと
なるまで電動モータ１６に通電して電動モータＯＮの状
態を継続し、かつ、回転数検出器２０の検出値Ｎと設定
回転数Ｎｓとの比較を継続する。すなわち、電動モータ
１６をスタータモータとして利用し、ガスエンジン１４
を始動させる。

【００２２】しかし、ステップ６でＴ≧Ｔｓとなれば、
通常は始動完了に要する時間を経過しているにもかかわ
らず、設定回転数Ｎｓ１まで回転数が上昇していないと
いう異常が発生したと判断できる。このような異常は、
一般的には何らかの原因によりガスエンジン１４の始動
に失敗したものと考えられる。このため、次のステップ
７（Ｓ７）では、いったん電動モータ１６への通電を停
止してＯＦＦとする。なお、ＧＨＰの始動時において
は、空調運転が開始される前であるため、コントローラ
１７から設定回転数Ｎｓ１未満の低速運転を行うような
制御信号が出力されることはない。

【００２３】そして、次のステップ８（Ｓ８）では、電
動モータ１６の停止時間ｔを計測して、予め設定した設
定停止時間ｔｓと比較する。この設定停止時間ｔｓは、
ガスエンジン１４の始動に再挑戦するまでのインターバ
ルであり、たとえば３秒程度の時間を設定すればよい。
すなわち、停止時間ｔがｔｓ未満の間は電動モータ１６
への通電を停止してＯＦＦ状態とし、停止時間ｔがｔｓ
以上になった時点でステップ４へ戻って電動モータ１６
への通電を開始し、ガスエンジン１４の始動を再開す
る。なお、図２のフローチャートでは図示を省略した
が、このようなガスエンジン１４の始動は数回繰り返し
て実施され、それでも始動できない場合には、重大な異
常の恐れがあることや装置の保護などを考慮して、たと
えば警報表示を出すなどして以後の始動挑戦を停止す
る。

【００２４】続いて、ガスエンジン１４を単独の駆動源
として空調運転中に駆動源を切り換える場合の制御例を
図３に示して説明する。このフローチャートでは、ステ
ップ１１（Ｓ１１）のガスエンジン運転中において、次
のステップ１２（Ｓ１２）で回転数差Ａを監視してい
る。この回転数差Ａは、現状の空調負荷から導き出され
る圧縮機１５の目標回転数Ｎｃと駆動源切換の設定回転
数Ｎｓ２との差（Ｎｃ−Ｎｓ２）を示す値である。回転
数差Ａが０より大きい値（Ｎｃ−Ｎｓ２＞０）であれ
ば、現状の目標回転数Ｎｃが設定回転数Ｎｓ２より大き
くエンジン効率のよいガスエンジン運転領域にあるた
め、ガスエンジン１４による圧縮機１５の運転が継続さ
れる。

【００２５】ところが、回転数差Ａが０以下になると、
すなわち空調負荷の低下により現状の目標回転数Ｎｃが
設定回転数Ｎｓ２と同じかあるいは小さくなると、エン
ジン効率の面で不利な低速回転での運転になるため、圧
縮機１５の駆動源をガスエンジン１４から電動モータ１
６に切り換える操作が実施される。この駆動源切換操作
は、ステップ１３（Ｓ１３）でインバータ２１をＯＮと
して通電し、ステップ１４（Ｓ１４）では電動モータ１
６の回転数を上昇させる。これに続くステップ１５（Ｓ
１５）では、電動モータ回転数検出器２４の検出値Ｎｍ
と、上述した設定回転数Ｎｓ２と同じかあるいは低く設
定された目標回転数Ｎｃとを比較する。そして、検出値
Ｎｍと目標回転数Ｎｃとの関係がＮｍ≧Ｎｃとなるまで
電動モータ１６の回転数を上昇させる。

【００２６】ところで、このような電動モータ１６の回
転数上昇確認は、上述した電動モータ回転数検出器２４
の検出値を用いるほかにも、たとえば電動モータ１６を
運転開始してからの時間を計測して対応することも可能
である。すなわち、通電から所望の回転数まで上昇する
時間を予め把握しておけば、電動モータ回転数検出器２
４を設けなくても同様の処理が可能である。

【００２７】こうして電動モータ１４の回転数がＮｍ≧
Ｎｃの条件を満足するまで上昇すると、次のステップ１
６（Ｓ１６）では電磁クラッチ１８をＯＦＦとし、さら
にステップ１７（Ｓ１７）では、図示省略のガス電磁弁
を閉じ、ガス燃料の供給を止めてガスエンジン１４を停
止させる。この結果、圧縮機１５は、インバータ制御さ
れた電動モータ１６を単独の駆動源とし、低速の回転速
度で運転される。このような低速回転速度の電動モータ
運転領域内においても、目標回転数Ｎｃの変動に応じ
て、インバータ２１による回転数の制御が可能である。

【００２８】また、このような電動モータ１６の単独運
転から空調負荷が増加してくると、コントローラ１７で
導き出される目標回転数Ｎｃも大きくなる。このため、
回転数差Ａが０になるまでは電動モータ１６の単独運転
を継続し、回転数差Ａが０より大きく（Ａ＞０）なる
と、ステップ１９（Ｓ１９）で電動モータ１６の回転数
を下降させ、あるいは電動モータ１６を停止して、電磁
クラッチ１８をＯＮに切り換えることができるようにす
る。そして、ステップ２０（Ｓ２０）でガスエンジン１
４を始動させることになるが、このガスエンジン始動に
ついては、上述した図２のフローチャートに基づいて実
施される。

【００２９】このような構成とすることにより、エンジ
ン効率のよい中速回転から高速回転の運転領域ではガス
エンジン１４を単独の駆動源として圧縮機１５を運転
し、良好な燃費により省エネルギー運転が可能となる。
また、比較的安価なガス燃料を使用することから、ラン
ニングコストの面でも有利になる。そして、エンジン効
率のよくない低速回転の運転領域では、ガスエンジン１
４の単独運転から電動モータ１６の単独運転に切り換え
ることでモータ効率のよい領域を使用した運転ができる
ので、燃費の悪いガスエンジン１４を駆動源とするより
も省エネルギーとなる。特に、インバータ制御の電動モ
ータ１６を採用することで、より一層の省エネルギー効
果が得られる。

【００３０】また、電動モータ１６は、上述した低速回
転の運転領域で駆動源として用いるだけでなく、ガスエ
ンジン１４の始動に必要なスタータモータとしても使用
できるので、従来はガスエンジン１４の補助機器として
設けられていたスタータモータをなくすこともできる。
なお、本発明の構成は上述した実施形態に限定されるも
のではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において
適宜変更することができ、たとえば、冷凍サイクルの構
成等について何ら限定するものではない。なおまた、上
述した実施形態では電動モータ１６を用いてガスエンジ
ン１４を始動していたが、従来のＧＨＰと同様にガスエ
ンジン専用のスタータモータを用いてもよい。

【００３１】

【発明の効果】本発明のガスヒートポンプ式空気調和装
置によれば、エンジン効率のよい中・高速回転の運転領
域では安価なガス燃料を燃料とするガスエンジンで圧縮
機を駆動し、エンジン効率が悪化する低速回転の運転領
域ではモータ効率の優れた領域で使用する電動モータを
駆動源として圧縮機を運転するので、空調負荷の小さい
低速運転から空調負荷の大きい高速運転まで広範囲にわ
たって省エネルギー運転が可能となる。また、電動モー
タをガスエンジンのスタータモータとして使用すること
もできるので、エンジン補器としてのスタータモータを
削除することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係るガスヒートポンプ式空気調和装
置（ＧＨＰ）の一実施形態として、圧縮機及びその駆動
源周辺の構成例を示すブロック図である。

【図２】 図１の実施形態におけるＧＨＰ始動時の制御
例を示すフローチャート図である。

【図３】 図１の実施形態における駆動源切換時の制御
例を示すフローチャート図である。

【図４】 本発明に係るガスヒートポンプ式空気調和装
置の概要を示す系統図である。

【図５】 ガスヒートポンプ式空気調和機における要求
能力−エンジン回転数の関係を示すグラフである。

【図６】 ガスエンジンにおけるエンジン効率の傾向を
示すグラフである。

【符号の説明】

１ 室内機ユニット １０ 室外機ユニット １４ ガスエンジン １５ 圧縮機 １６ 電動モータ １７ コントローラ（制御部） １８ 電磁クラッチ １９ ワンウェイクラッチ ２０ 回転数検出器 ２４ 電動モータ回転数検出器

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ガスエンジンを駆動源とする圧縮機で
   冷媒を循環させて冷凍サイクルを形成するガスヒートポ
   ンプ式空気調和装置において、 前記圧縮機の低速運転用駆動源として電動モータを設け
   ると共に、前記圧縮機の駆動源をその運転速度に応じて
   前記ガスエンジン及び前記電動モータから選択切換する
   駆動源切換手段を設けたことを特徴とするガスヒートポ
   ンプ式空気調和装置。
2. 【請求項２】 前記駆動源切換手段が、前記圧縮機の
   回転数を検出する回転数検出器と、前記圧縮機と前記ガ
   スエンジンとの駆動軸間に介在させた電磁クラッチと、
   前記圧縮機と前記電動モータとの駆動軸間に介在させた
   ワンウェイクラッチと、前記回転数検出器の検出値を受
   けて前記電磁クラッチの操作及び前記電動モータの作動
   を制御する制御部とを具備してなることを特徴とする請
   求項１記載のガスヒートポンプ式空気調和装置。
3. 【請求項３】 前記電動モータを運転して前記ガスエ
   ンジンを始動することを特徴とする請求項１または２記
   載のガスヒートポンプ式空気調和装置。