JP2005140373A - 発電機付きエンジン駆動式冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 常に発電電力Ｐ_Ｇが必要電力Ｐ_Ｃを満たすことで、商用電源の供給を不要とする。
【解決手段】 圧縮機２を可変容量式にすると共に、制御手段２０は、発電電力Ｐ_Ｇが必要電力Ｐ_Ｃを満たせなくなる場合、発電電力Ｐ_Ｇが必要電力Ｐ_Ｃ以上となるエンジン回転数Ｎ_Ｓにエンジン１を制御し、エンジン回転数Ｎ_Ｓにて冷凍サイクルＲの負荷に応じた圧縮容量Ｖ_Ｓとなるよう圧縮機２を制御する。
これは、圧縮機２を可変容量式とすることにより、エンジン回転数Ｎ_Ｓが高くても冷凍サイクルＲの能力を下げられることに着目し、要求される冷凍サイクルＲの負荷が小さな場合でも、発電電力Ｐ_Ｇが必要電力Ｐ_Ｃを上回るエンジン回転数Ｎ_Ｓに制御し、そのエンジン回転数Ｎ_Ｓでも圧縮機２の圧縮容量Ｖ_Ｓを下げることで低い冷凍サイクルＲの負荷に合わせた能力にするものである。これにより、商用電源の消費電力を、常に不要な程度に低減させることができる。
【選択図】 図３

Description

本発明は、エンジンによって駆動される圧縮機と発電機とを有し、冷凍サイクルを稼動させつつ発電を行って自己の消費電力を賄う発電機付きエンジン駆動式冷凍サイクル装置に関するものであり、特に商用電源からの供給分を減らして消費電力の低減を図る制御に関し、空気を冷却・加熱して居室内の冷暖房を行う空調装置などに適用して好適である。

ヒートポンプ式空調装置などのエンジン駆動式冷凍サイクル装置においては、エンジンで圧縮機を駆動して冷媒を循環させているが、室外ファンや電動弁などの電気機能品はＡＣ２００Ｖの商用電源で駆動している。この商用電源の消費電力を低減させる技術として、特許文献１に示すように発電機を搭載し、空調や給湯をしながら発電することにより商用電源からの供給分を減らして消費電力の低減を図るものがある。
特開２００１−３２４２４０号公報

図５は、従来の制御による（ａ）空調負荷に対する冷暖房能力・エンジン回転数と、（ｂ）空調負荷に対する電力収支とを表すグラフであり、図６は、発電機の回転数に対する発電効率を表すグラフである。図５（ａ）に示すように、上記従来技術は変動する空調負荷に合わせて冷暖房能力を調整するため、エンジン回転数を変化させている。このため、同じエンジンで駆動されている発電機の発電能力や発電効率も変化する。

従って空調負荷が高く、高い冷暖房能力を必要とするときはエンジン回転数が高くなるため、発電機での発電効率も高いうえ（図６参照）、図５（ｂ）の中央より右側に示すように発電電力が必要電力を上回るため、充分な商用電源からの消費電力低減効果が得られる。

しかしながら、空調負荷が低いときは冷暖房能力をあまり必要としないため、エンジン回転数も下がる。このため、発電機での発電効率も低下するし（図６参照）、図５（ｂ）の中央より左側に示すように充分な発電電力が得られないことより必要電力を満たすことができず、結果として商用電力からの電力供給を受けることになり充分な消費電力低減効果が得られないという問題がある。

本発明は、上記従来技術の問題点に鑑みて成されたものであり、その目的は、常に発電電力が必要電力を満たすようにして、充分な商用電源の消費電力低減効果を発揮することのできる発電機付きエンジン駆動式冷凍サイクル装置を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために、請求項１または請求項２に記載の技術的手段を採用する。すなわち、請求項１に記載の発明では、冷媒を圧縮して吐出する圧縮機（２）と、冷媒を循環させて放熱と吸熱とを行う冷凍サイクル（Ｒ）と、圧縮機（２）を駆動するエンジン（１）と、エンジン（１）によって駆動される発電機（３）と、発電機（３）の発電電力（Ｐ_Ｇ）と商用電源の電力とを取り込んで各電気機能品に供給する電力供給手段（４）と、これらを構成する各機器の状態を制御する制御手段（２０）とを備えたエンジン駆動式冷凍サイクル装置において、
圧縮機（２）を圧縮容量（Ｖ_Ｓ）の可変可能なものにすると共に、制御手段（２０）は、発電電力（Ｐ_Ｇ）が電力供給手段（４）での必要電力（Ｐ_Ｃ）を満たせなくなる場合、発電電力（Ｐ_Ｇ）が必要電力（Ｐ_Ｃ）以上となるエンジン回転数（Ｎ_Ｓ）にエンジン（１）を制御すると同時に、エンジン回転数（Ｎ_Ｓ）にて冷凍サイクル（Ｒ）の負荷に応じた圧縮容量（Ｖ_Ｓ）となるよう圧縮機（２）を制御することを特徴としている。

本発明は、圧縮機（２）に圧縮容量（Ｖ_Ｓ）が固定のものではなく、可変可能な（可変容量型）圧縮機（２）を使用することにより、エンジン回転数（Ｎ_Ｓ）が高くても冷凍サイクル（Ｒ）の能力を下げられることに着目したものである。この請求項１に記載の発明によれば、要求される冷凍サイクル（Ｒ）の負荷が小さな場合でも、発電電力（Ｐ_Ｇ）が必要電力（Ｐ_Ｃ）を上回るエンジン回転数（Ｎ_Ｓ）に制御し、そのエンジン回転数（Ｎ_Ｓ）においても圧縮機（２）の圧縮容量（Ｖ_Ｓ）を下げることで低い冷凍サイクル（Ｒ）の負荷に合わせた能力とすることができる。これにより、商用電源の消費電力を、常にほとんど無い位に低減させることができる。

また、請求項２に記載の発明では、冷凍サイクル（Ｒ）での放熱と吸熱とを、空調装置として室内の暖房または冷房に用いたことを特徴としている。この請求項２に記載の発明によれば、商用電源の消費電力を、常に不要な程度までに低減させた空調装置とすることができる。尚、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。図１は、本発明の一実施形態に係るエンジン駆動式ヒートポンプ空調装置（以下、空調装置）１００の模式図である。本実施形態は、圧縮機２と発電機３とを備え、その圧縮機２と発電機３とがエンジン（例えばディーゼルエンジン）１によって駆動されるもので、この空調装置１００は定置型として用いられ、屋内を冷暖房することができる。

圧縮機２と発電機３の駆動部分は、エンジン１のクランクシャフトに直結したプーリ１ａから、エンジン１の脇などに配置された圧縮機２と発電機３に、Ｖベルト１ｂによって回転力が伝えられる。また、本発明の特徴の一つとして、圧縮機２には圧縮容量Ｖ_Ｓを可変可能な可変容量型を用いている。尚、可変容量型であれば斜板式やスルーベーン式などの圧縮機のタイプは問わない。

そして圧縮機２には、容量を制御するための制御弁やスプール弁などの容量制御手段２ｂを備えている。但し、必要となる冷暖房能力等に対して圧縮機２の圧縮能力の調整は、通常はエンジン１の回転数を調整して行っている。ちなみに、エンジン１のクランクシャフトには回転数を検知する回転数センサ１２が付いている。

また、空調装置１００は、冷凍サイクル装置を構成する各機器間を冷媒配管で環状に接続して冷凍サイクルＲを構成しており、屋内暖房時には、圧縮機２→四方弁５→室内熱交換器（放熱手段）６→室内機電動弁７→レシーバ８→室外機電動弁（減圧手段）９→室外熱交換器（吸熱手段）１０→四方弁５→アキュームレータ１１→圧縮機２の順に冷媒を流通（実線矢印）させて暖房している。

また、屋内冷房時には、圧縮機２→四方弁５→室外熱交換器（放熱手段）１０→室外機電動弁９→レシーバ８→室内機電動弁（減圧手段）７→室内熱交換器（吸熱手段）６→四方弁５→アキュームレータ１１→圧縮機２の順に冷媒を流通（破線矢印）させて冷房している。

室内熱交換器６は、暖房時には放熱手段である凝縮器として機能し、冷房時には吸熱手段である蒸発器として機能する。また、室外熱交換器１０は、暖房時には吸熱手段である蒸発器として機能し、冷房時には放熱手段である凝縮器として機能する。そして、暖房時には、室外機電動弁９が冷媒を減圧する減圧手段である膨張弁として機能し、冷房時には、室内機電動弁７が減圧手段である膨張弁として機能する。
レシーバ８とアキュームレータ１１は、冷媒を気液分離して蓄えるものである。また、６ａと１０ａは、それぞれ室内熱交換器６および室外熱交換器１０に空気を送って熱交換させるための送風ファンである。また、室内機側には、室内温度を検知する室温検知手段としての室温センサ１３が設けられている。

また、圧縮機２の吐出側（四方弁５側）に接続された冷媒配管には、圧縮機２が吐出した冷媒からオイルを分離する周知のオイルセパレータ（図示せず）が設けられており、オイルセパレータで分離されたオイルはオイルリターンチューブ（図示せず）を介して、圧縮機２の吸入側（アキュームレータ１１側）に接続された冷媒配管の経路中に圧縮機２前後の差圧により戻されるようになっている。

上記構成を有する空調装置１００において、各構成要素のうち室内熱交換器６・送風ファン６ａ・室内機電動弁７および室温センサ１３は、室内機２００を構成して室内の適所に設置され、その他のものは、室外機３００を構成して室外の適所に設置されている。また、室外機３００には、発電機３の発電電力Ｐ_Ｇと、商用電源（例えばＡＣ２００Ｖ）の電力とを取り込んで各電気機能品に供給する電力供給手段としてのコンバータ４が設けられている。

そして、空調装置１００には、電子回路等からなる制御手段としての制御装置２０を有し、この制御装置２０は、室内に設けられた図示しないコントローラ、図示しない各種センサ、前記の回転数センサ１２、室温センサ１３などからの情報を入力し、室内機２００および室外機３００を作動制御するようになっている。

次に、本実施形態の作動を上記構成に基づいて説明する。制御装置２０は、空調装置１００に商用電源から電力供給されているため、図示しないコントローラからの情報に基づいて、暖房運転時の制御処理、または冷房運転時の制御処理のいずれかを実行する。まず、暖房運転時の作動について説明する。例えば外気温が低い時、図示しないコントローラの暖房スイッチがＯＮされ、ＯＮ信号が制御装置２０に入力されると、制御装置２０は暖房運転時の制御処理を実行する。

制御装置２０は四方弁５を暖房側（実線）に切り替えると共に、エンジン１を起動し圧縮機２と発電機３とを駆動する。そして、室内機電動弁７を全開にすると共に、室外機電動弁９を膨張弁として機能する開度に調節する。圧縮機２を出た高温のガス冷媒は、四方弁５を通り、室内熱交換器６で凝縮することで暖房を行った後、レシーバ８で気液分離され、液冷媒が室外機電動弁９で減圧され、室外熱交換器１０で蒸発し、四方弁５を再び通ってからアキュームレータ１１にて気液分離され、ガス冷媒が圧縮機２に戻る。

次に、冷房運転時の作動について説明する。例えば外気温が高い時、図示しないコントローラの冷房スイッチがＯＮされ、ＯＮ信号が制御装置２０に入力されると、制御装置２０は冷房運転時の制御処理を実行する。制御装置２０は四方弁５を冷房側（破線）に切り替えると共に、エンジン１を起動し圧縮機２と発電機３とを駆動する。また、室外機電動弁９を全開にすると共に、室内機電動弁７を膨張弁として機能する開度に調節する。

圧縮機２を出た高温のガス冷媒は、四方弁５を通り、室外熱交換器１０で凝縮し、レシーバ８で気液分離され、液冷媒は室内機電動弁７で減圧され、室外熱交換器１０で蒸発することで冷房を行った後、四方弁５を再び通ってからアキュームレータ１１にて気液分離され、ガス冷媒が圧縮機２に戻る。

次に、制御装置２０が実行するエンジン制御の全体について、図２の制御プログラムの一例を示すフローチャートに沿って説明する。空調装置１００の運転スイッチがONされると、まずステップＳ１で記憶している数値の初期化の処理を行う。次にステップＳ２で、図示しないスタータをＯＮさせてエンジン１を始動させるための始動制御が行われる。

そして、ステップＳ３で、設定されている空調運転に合った回転数を保つよう、回転数制御が行われる。尚、この回転数制御は本発明の要部であり、本発明ではエンジン回転数と共に圧縮機２の圧縮容量を制御しており詳細は後述する。そして、ステップＳ４は、空調装置１００の運転スイッチがＯＦＦされた時に、エンジン１を停止させるための停止制御である。

次に、本発明に係わるステップＳ３のエンジン回転数Ｎ_Ｓと圧縮容量Ｖ_Ｓとの制御プログラムについて、図３のフローチャートに沿って説明する。まずステップＳ１１では、図示しないコントローラで設定されている設定室温と、室温センサ１３で検出される現在室温との温度差から、空調負荷として必要冷暖房能力Ｑｒｑを計算する。詳細には、この必要冷暖房能力Ｑｒｑに基づき、電子膨張弁７・９や室外ファン１０ａなどの機能品を最適な状態となるよう設定を行って作動させている。

次にステップＳ１２では、圧縮機容量Ｖ_Ｓを１００％と考えて、必要冷暖房能力Ｑｒｑを満たすエンジン回転数Ｎｒｑを算出すると共に、次のステップＳ１３では、そのエンジン回転数Ｎｒｑでの発電機３の発電電力Ｐ_Ｇを算出する。また、ステップＳ１４では、先の必要冷暖房能力Ｑｒｑでの必要電力Ｐｃを算出すると共に、次のステップＳ１５では、その必要電力Ｐｃと発電電力とが同等になるエンジン回転数Ｎｅｑを算出する。

次のステップＳ１６では、ステップＳ１５で算出した必要電力Ｐｃを満たすためのエンジン回転数Ｎｅｑが、ステップＳ１３で算出した必要冷暖房能力Ｑｒｑを満たすためのエンジン回転数Ｎｒｑよりも高いか否かを判定する。その判定結果がＹＥＳで、必要電力Ｐｃを満たすためのエンジン回転数Ｎｅｑが必要冷暖房能力Ｑｒｑを満たすためのエンジン回転数Ｎｒｑよりも高い場合にはステップＳ１７へと進む。

ステップＳ１７では、必要電力Ｐｃを満たすためのエンジン回転数Ｎｅｑにおいて圧縮機容量１００％では冷暖房能力の面で見ると過剰能力となってしまうため、エンジン回転数Ｎｅｑで必要冷暖房能力Ｑｒｑを満足するよう容量を減らした圧縮機容量Ｖｃを算出する。そしてステップＳ１８では、発電電力Ｐ_Ｇで必要電力Ｐｃを賄うため、設定エンジン回転数ＮｓはステップＳ１５で算出したＮｅｑとする。またステップＳ１９では、設定圧縮機容量ＶｓをステップＳ１７で算出したＶｃに下げて必要充分な冷暖房能力とする。

また、ステップＳ１６での判定結果がＮＯで、必要電力Ｐｃを満たすためのエンジン回転数Ｎｅｑよりも必要冷暖房能力Ｑｒｑを満たすためのエンジン回転数Ｎｒｑの方が高い場合にはステップＳ２０へと進む。ステップＳ２０では、電力供給のためにエンジン回転数を上げる必要が無いため、ステップＳ１３での算出に従って設定エンジン回転数ＮｓはＮｅｑとし、ステップＳ２１で設定圧縮機容量Ｖｓは１００％とするものである。

次に、本実施形態での特徴を説明する。まず、圧縮機２を圧縮容量Ｖ_Ｓの可変可能なものにすると共に、制御装置２０は、発電電力Ｐ_Ｇがコンバータ４での必要電力Ｐ_Ｃを満たせなくなる場合、発電電力Ｐ_Ｇが必要電力Ｐ_Ｃと同等となるエンジン回転数Ｎ_Ｓにエンジン１を制御すると同時に、そのエンジン回転数Ｎ_Ｓにて冷凍サイクルＲの空調負荷に応じた圧縮容量Ｖ_Ｓとなるよう圧縮機２を制御している。

本発明は、圧縮機２に圧縮容量Ｖ_Ｓが固定のものではなく、可変可能な可変容量型圧縮機２を使用することにより、エンジン回転数Ｎ_Ｓが高くても冷凍サイクルＲの冷暖房能力を下げられることに着目したものである。これによれば、要求される冷凍サイクルＲの空調負荷が小さな場合でも、発電電力Ｐ_Ｇが必要電力Ｐ_Ｃを上回るエンジン回転数Ｎ_Ｓに制御し、そのエンジン回転数Ｎ_Ｓにおいても圧縮機２の圧縮容量Ｖ_Ｓを下げることで低い冷凍サイクルＲの空調負荷に合わせた能力とすることができる。これにより、商用電源の消費電力を、常にほとんど無い位に低減させることができる。

図４は、本発明の制御による（ａ）空調負荷に対する冷暖房能力・エンジン回転数と、（ｂ）空調負荷に対する電力収支とを表すグラフである。従って空調負荷が高く、高い冷暖房能力を必要とするときはエンジン回転数が高くなるため、発電機３での発電効率も高いうえ（図６参照）、図４（ｂ）の中央より右側に示すように発電電力が必要電力を上回るため、充分な商用電源からの消費電力低減効果が得られる。

また、空調負荷が低いときは冷暖房能力をあまり必要としないため、エンジン回転数も下がる。このため、発電機３での発電効率も低下するが（図６参照）、図４（ｂ）の中央より左側に示すように発電電力が必要電力を満たすようにエンジン回転数を高く維持するため、結果として商用電力からの電力供給を受けることになく充分な消費電力低減効果が得られる。また、本実施形態では、冷凍サイクルＲでの放熱と吸熱とを、空調装置として室内の暖房または冷房に用いている。これによれば、商用電源の消費電力を、常にほとんど無い位に低減させた空調装置とすることができる。

（その他の実施形態）
上述の実施形態は発電機付きのエンジン駆動式ヒートポンプ空調装置であるが、本発明はこれに限るものではなく、エンジン駆動式の発電機付きであればヒートポンプ式以外の冷媒圧縮式冷凍サイクルに適用しても良いし、空調装置に限るものではなく、水や不凍液などのブライン（熱交換媒体）を加熱する給湯装置や暖房装置などに適用しても良い。

本発明の一実施形態に係るエンジン駆動式ヒートポンプ空調装置１００の模式図である。 制御装置２０が実行するエンジン制御の全体制御プログラムの一例を示すフローチャートである。 本発明におけるエンジン回転数Ｎ_Ｓと圧縮容量Ｖ_Ｓとの制御プログラムの一例を示すフローチャートである。 本発明の制御による（ａ）空調負荷に対する冷暖房能力・エンジン回転数と、（ｂ）空調負荷に対する電力収支とを表すグラフである。 従来の制御による（ａ）空調負荷に対する冷暖房能力・エンジン回転数と、（ｂ）空調負荷に対する電力収支とを表すグラフである。 発電機の回転数に対する発電効率を表すグラフである。

符号の説明

１…エンジン
２…圧縮機
３…発電機
４…コンバータ（電力供給手段）
２０…制御装置（制御手段）
Ｎ_Ｓ…エンジン回転数
Ｐ_Ｃ…必要電力
Ｐ_Ｇ…発電電力
Ｒ…冷凍サイクル
Ｖ_Ｓ…圧縮容量

Claims (2)

1. 冷媒を圧縮して吐出する圧縮機（２）と、
   前記冷媒を循環させて放熱と吸熱とを行う冷凍サイクル（Ｒ）と、
   前記圧縮機（２）を駆動するエンジン（１）と、
   前記エンジン（１）によって駆動される発電機（３）と、
   前記発電機（３）の発電電力（Ｐ_Ｇ）と商用電源の電力とを取り込んで各電気機能品に供給する電力供給手段（４）と、
   これらを構成する各機器の状態を制御する制御手段（２０）とを備えたエンジン駆動式冷凍サイクル装置において、
   前記圧縮機（２）を圧縮容量（Ｖ_Ｓ）の可変可能なものにすると共に、
   前記制御手段（２０）は、前記発電電力（Ｐ_Ｇ）が前記電力供給手段（４）での必要電力（Ｐ_Ｃ）を満たせなくなる場合、前記発電電力（Ｐ_Ｇ）が前記必要電力（Ｐ_Ｃ）以上となるエンジン回転数（Ｎ_Ｓ）に前記エンジン（１）を制御すると同時に、前記エンジン回転数（Ｎ_Ｓ）にて前記冷凍サイクル（Ｒ）の負荷に応じた前記圧縮容量（Ｖ_Ｓ）となるよう前記圧縮機（２）を制御することを特徴とする発電機付きエンジン駆動式冷凍サイクル装置。
2. 前記冷凍サイクル（Ｒ）での放熱と吸熱とを、空調装置として室内の暖房または冷房に用いたことを特徴とする請求項１に記載の発電機付きエンジン駆動式冷凍サイクル装置。

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