JP2005226873A - 空気調和装置 - Google Patents

Abstract

【課題】エネルギー効率をより一層高めることが可能な空気調和装置を提供すること。
【解決手段】高効率の下に駆動されるガスエンジン１１，２１、ガスエンジンを駆動源とする圧縮機１２，２２及び室外熱交換器１３，２５を有する室外ユニット１０，２０と、室内熱交換器４０と、室外ユニットの作動を制御する制御装置５とを備えた空気調和装置１。室外ユニット２０は、ガスエンジン２１の出力が分配される発電機２３と、発電機を駆動源とするモータ駆動圧縮機２４と、発電機が発電した余剰電力を商用電源Ｐsへ出力し、商用電源から電力を取り込む系統連系電源装置２７とを有し、制御装置５が、空調負荷の変化に応じてガスエンジンの出力を圧縮機と発電機とに振り分ける。
【選択図】 図１

Description

この発明は、ガスエンジンによって駆動される圧縮機を有する空気調和機用室外ユニットを備えた空気調和装置に関するものである。

空気調和装置においては、ガスエンジン駆動の圧縮機とモータ駆動の圧縮機とを備えたいわゆるハイブリッドタイプの空気調和装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００３−５６９３２号公報

ガスエンジンは、高効率運転が可能な回転数域が限られ、回転数が低下すると急激にエネルギー効率が低下するという不具合があることから、運転領域を分担する考えの下にエンジン駆動とモータ駆動の圧縮機が併用運転されている。このような併用運転を採用してはいても、ハイブリッドタイプの空気調和装置は、エネルギー効率の点で依然として満足すべきものではなく、より効率的な空気調和装置が求められていた。

この発明は、上述した従来技術による問題点を解消するため、エネルギー効率をより一層高めることが可能な空気調和装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するため、請求項１の発明に係る空気調和装置は、高効率の下に駆動されるガスエンジン、該ガスエンジンを駆動源とする圧縮機及び室外熱交換器を有する室外ユニットと、室内熱交換器と、前記室外ユニットの作動を制御する制御手段と、を備えた空気調和装置であって、前記室外ユニットは、前記ガスエンジンの出力が分配される発電機と、該発電機によって発電された電力を駆動源とするモータ駆動圧縮機と、前記発電機が発電した電力を商用電源へ出力し、また商用電源から電力を取りこむ系統連系電源装置と、を有し、前記制御手段が、空調負荷の変化に応じて前記ガスエンジンの高効率運転を維持するよう前記発電機の負荷を調整することを特徴とする。

請求項１の発明によれば、冷房時と暖房時の双方において、ガスエンジンは全回転速度範囲で最大効率近辺の高効率が維持されるように発電機の負荷が調整される。ガスエンジンに所定の負荷がかかれば、広い回転速度範囲で高効率運転が可能である。よって、ガスエンジンの効率を向上させ、空気調和装置における大幅な省エネルギーを達成するようにしている。
更に、発電電力は、系内の電力としても利用できるため、外部の商用電源を使用しなくてもよいので、本発明の空気調和装置を装備した系は、電力自給が可能である。

また、請求項２の発明に係る空気調和装置は、上記の発明において、高効率の下に駆動されるガスエンジン、該ガスエンジンを駆動源とする圧縮機及び室外熱交換器を有する複数の室外ユニットと、室内熱交換器と、前記複数の室外ユニットの作動を制御する制御手段と、を備えた空気調和装置であって、前記室外ユニットのうちの１つは、前記ガスエンジンの出力が分配される発電機と、該発電機によって発電された電力を駆動源とするモータ駆動圧縮機と、前記発電機が発電した電力を商用電源へ出力し、また商用電源から電力を取りこむ系統連系電源装置とを有し、前記制御手段が、空調負荷の変化に応じて前記ガスエンジンの高効率運転を維持するよう前記発電機の負荷を調整することを特徴とする。

請求項２の発明によれば、室外ユニットの機能は加算的に作用する。このため、複数の室外ユニットのうち少なくとも１つのユニットが請求項１の要件を満たすものであれば、他のユニットは底上げ作用として機能するので、請求項１と同等の作用及び効果を奏する。

また、請求項３の発明に係る空気調和装置は、上記の発明において、前記室外ユニット又は前記複数の室外ユニットの一つは、空調負荷が低負荷のときには、前記ガスエンジンによって前記発電機を駆動し、該発電機による発電電力によって前記モータ駆動圧縮機を駆動し、空調負荷が中負荷から高負荷域のときには、前記ガスエンジンの出力を前記圧縮機と前記発電機とに振り分け、前記発電機が発電した電力を、前記モータ付き圧縮機、または系内の他の負荷へ供給し、前記系統連系電源装置を介して系外へ出力する、ように前記制御手段によって作動が制御され、低負荷から高負荷全域にわたり前記モータ駆動圧縮機をガスポンプまたは圧縮機として使用することが可能なことを特徴とする。

請求項３の発明によれば、ガスエンジンの出力調整は、前記制御手段によって発電機能力を調整すれば可能で、これによりガスエンジンの効率を高効率に維持できる。本発明の空気調和装置は、これによりエネルギー効率を向上させている。

また、請求項４の発明に係る空気調和装置は、上記の発明において、前記モータ駆動圧縮機は、前記室外ユニットにおける前記圧縮機の冷媒回路の吐出側に圧縮冷媒を合流することを特徴とする。

請求項４の発明によれば、圧縮機の低圧側の圧力上昇（低圧上昇）を抑制すると共に、圧縮機が圧縮する冷媒の量を低減し、熱搬送動力を小さく抑えている。

また、請求項５の発明に係る空気調和装置は、上記の発明において、前記室外ユニットは、前記ガスエンジンに接続される冷却水の配管と、冷却水を圧送するポンプと、前記モータ駆動圧縮機に吸入される冷媒と冷却水との間で熱交換する熱交換器と、が設けられていることを特徴とする。また、請求項６の発明に係る空気調和装置は、上記の発明において、前記複数の室外ユニットは、前記各ガスエンジン間を接続する冷却水の配管と、冷却水を圧送するポンプと、前記モータ駆動圧縮機に吸入される冷媒と冷却水との間で熱交換する熱交換器と、が設けられていることを特徴とする。

請求項５，６の発明によれば、エンジンの排熱を冷媒加熱の熱源として液冷媒を蒸発させた後、モータ駆動圧縮機をガスポンプとして用い、蒸発したガス冷媒を暖房用熱交換器入り口に供給することができる。したがって、冷媒の圧縮動力を低減でき、成績係数が向上する。

本発明によれば、前記制御手段が、空調負荷の変化に応じて前記ガスエンジンの出力を前記圧縮機と前記発電機とに振り分けるので、冷房時と暖房時の双方においてエンジン効率を向上させることで、エネルギー効率をより一層高めることが可能な空気調和装置を提供することができるという効果を奏する。

また、請求項３の発明によれば、前記制御手段が、空調負荷の程度に応じてガスエンジンの出力を前記圧縮機と前記発電機と前記モータ駆動圧縮機との間で効率的に振り分けるので、空気調和装置のエネルギー効率を向上させることができるという効果を奏する。

また、請求項４の発明によれば、エンジン駆動圧縮機の低圧側の圧力上昇（低圧上昇）を抑制すると共に、該圧縮機が圧縮する冷媒の量を低減し、熱搬送動力を小さく抑えることで、空気調和装置のエネルギー効率を向上させることができるという効果を奏する。

また、請求項５および６の発明によれば、冷媒が冷却水からの熱を熱交換器によって効率よく吸収できるので、空気調和装置のエネルギー効率を向上させることができるという効果を奏する。

（実施の形態１）
以下、図面を参照して、この発明に係る空気調和装置の好適な実施の形態について説明する。図１は、この発明の実施の形態１である空気調和装置の概略構成図である。空気調和装置１は、第１及び第２室外ユニット１０，２０と、室内熱交換器４０と、制御装置５とを備えている。

第１室外ユニット１０は、ガスエンジン１１と、ガスエンジン１１を駆動源とする圧縮機１２と、室外熱交換器１３と、４方弁１４とを有し、冷媒配管２によって冷媒を循環可能に接続されている。

ガスエンジン１１は、液化天然ガス（ＬＮＧ）等の都市ガスを燃料とするガスエンジンであり、圧縮機１２とカップリングやベルト等で接続されている。ガスエンジン１１は圧縮機１２を駆動する負荷状態で最大効率付近で運転可能に予め調整されており、空調負荷による運転停止の制御は制御装置５で行う。４方弁１４は、制御装置５に制御され、冷房運転或いは暖房運転に応じて冷媒配管２を流れる冷媒の向きを切り替える。ここで、第１室外ユニット１０内の冷媒配管２は、圧縮機１２と四方弁１４との間にオイルセパレータ１５が、室外熱交換器１３の近傍に逆止弁１６と膨張弁１７が並列の状態で、夫々設けられている。膨張弁１７は、暖房時に使用される。また、室外熱交換器１３と第２室外ユニット２０の室外熱交換器２５とを接続する冷媒配管２には必要に応じて開弁される開閉弁６が、室外熱交換器１３と室内熱交換器４０との間を接続する冷媒配管２には、逆止弁７と膨張弁８が並列の状態で、夫々設けられている。膨張弁８は、冷房時に使用される。

制御装置５は、室外ユニット１０，２０の作動を制御するマイコン等の制御手段であり、冷房または暖房条件に対応して、第１室外ユニット１０や第２室外ユニット２０の４方弁１４，２６の切替、冷却水の配管４に設けた分配弁４ｂの切替等に関する制御を行う。制御装置５は、発電機２３の出力を調整する出力制御装置５１を有しており、ガスエンジン２１の出力を圧縮機２２と発電機２３とに振り分ける制御を行って、ガスエンジン２１のエネルギー効率が運転範囲全域で最大効率ないしはその付近の効率、即ち高効率運転となるように制御する。

第２室外ユニット２０は、ガスエンジン２１と、ガスエンジン２１を駆動源とする圧縮機２２及び発電機２３と、モータ駆動圧縮機２４と、室外熱交換器２５と、４方弁２６と、系統連系電源装置２７と、水熱交換器２８Ａ，２８Ｂとを備え、コージェネレーション機能を有するハイブリッド方式の室外ユニットである。

ガスエンジン２１は、ガスエンジン１１と同様に液化天然ガス（ＬＮＧ）等の都市ガスを燃料とするガスエンジンであり、圧縮機２２及び発電機２３とクラツチやベルト等でそれぞれ接続されている。ガスエンジン２１に対し圧縮機２２はクラッチでオン・オフ切替可能に、発電機２３に対し常時オンに連結されている。また、ガスエンジン２１は、ガスエンジン１１と共に水熱交換器２８Ａ，２８Ｂとの間がポンプ４ａを設けたエンジン冷却水の配管４によって接続されている。４方弁２６は、制御装置５にて切替制御され、冷房運転或いは暖房運転に応じて冷媒配管２を流れる冷媒の向きを切り替える。圧縮機２２、モータ駆動圧縮機２４、室外熱交換器２５、４方弁２６及び水熱交換器２８Ａ，２８Ｂは、冷媒配管２によって第１室外ユニット１０及び室内熱交換器４０と接続され、第１室外ユニット１０と共に冷媒循環系を構成している。発電機２３は、出力制御装置５１によって出力が制御され、圧縮機２２の負荷変動に応じてガスエンジン２１の出力が分配される。分配されたガスエンジン２１の出力は、系統連系電源装置２７を介して制御装置５、系統内負荷５０、更には電動機駆動制御装置２９を介してモータ駆動圧縮機２４のモータへと出力される。この他、ガスエンジン２１の出力は、系統連系電源装置２７を介して商用電源Ｐsへ出力、即ち、売電されることもある。モータ駆動圧縮機２４は、多くの場合、圧縮機２２よりも出力が小さい低出力用の圧縮機である。

ここで、第２室外ユニット２０の冷媒配管２は、圧縮機２２と４方弁２６との間にオイルセパレータ３１が、室外熱交換器２５の近傍に逆止弁３２と膨張弁３３が並列の状態で、夫々設けられている。また、冷媒配管２は、モータ駆動圧縮機２４の吸入側に開閉弁３４が、吐出側にオイルセパレータ３５が、夫々設けられている。開閉弁３４は、冷房時に開弁される。更に、冷媒配管２は、４方弁２６と水熱交換器２８Ａとの間に開閉弁３６が、膨張弁８と水熱交換器２８Ａとの間の水熱交換器２８Ａ側に開閉弁３７，３８が、水熱交換器２８Ｂ近傍の膨張弁８側に開閉弁３９が、夫々設けられている。開閉弁３６〜３９は、通常は閉弁されており、暖房時における負荷に応じ、制御装置５の制御の下に適宜開弁される。一方、配管４は、ガスエンジン１１，２１から流出する冷却水の下流側に分配弁４ｂが設けられ、図中Ａで示すラジエータ（図示せず）回路から分流されている。

系統連系電源装置２７は、発電機２３が発電していないときには、制御装置５，電動機駆動制御装置２９及び系統内負荷５０へ商用電源Ｐsから電力を供給し、発電機２３が発電しているときには、この電力をこれらへ供給することによって商用電源Ｐsからの電力使用量を減らしている。水熱交換器２８Ａ，２８Ｂは、暖房時に配管４によって供給されるガスエンジン１１，２１の冷却水を熱源として利用し、暖房時に室内熱交換器４０から戻ってくる冷媒を加熱する。

室内熱交換器４０は、暖房時には冷媒配管２を圧送されてくる高温のガス冷媒を室内空気と熱交換させた後、室外熱交換器１３，室外熱交換器２５及び水熱交換器２８Ａ，２８Ｂへと戻す。室内熱交換器４０は、空気調和装置１の態様によっては、複数使用してもよい。

系統内負荷５０は、空気調和対象となる室の照明や室内のコンセントを通して利用される電子機器，電気機器の他、室外機や室内機のファンモータ等、通常、商用電源Ｐsから供給される電力を使用しているものを総て含んだ設備をいい、発電機２３から供給される電力の不足分は商用電源Ｐsから供給される電力で賄われる。

以上のように構成される空気調和装置１は、暖房時に排熱を利用する場合には、圧縮機１２，２２及びモータ駆動圧縮機２４で圧縮された高温高圧のガス冷媒が、４方弁１４，２６を切り替えることによって室内熱交換器４０へ圧送され、室内熱交換器４０において室内空気が熱交換によって加熱されて室内を暖房する。そして、熱交換によって冷却された高温高圧の液冷媒の一部は、膨張弁１７，３３を通過する過程で減圧され、低温低圧の二相冷媒となる。この低温低圧の二相冷媒は、室外熱交換器１３，２５において外気から熱を奪って気化し、低温低圧のガス冷媒となる。この低温低圧のガス冷媒は、４方弁１４，２６を通って再び圧縮機１２，２２及びモータ駆動圧縮機２４に送られて圧縮され、以下、同様のサイクルが繰り返される。

室内熱交換器４０で冷却液化された残りの液冷媒は、ガスエンジン１１，２１の排熱が冷却水を介して供給され、冷媒の加熱源となる水熱交換器２８Ａ，２８Ｂで加熱され蒸発気化した後、モータ駆動圧縮機２４に吸入される。モータ駆動圧縮機２４は、この場合冷媒の圧縮よりも冷媒を圧送するガスポンプとして作用しモータ駆動圧縮機２４によって若干圧縮された高温高圧のガス冷媒が、圧縮機２２吐出側のオイルセパレータ３１の下流に合流し、先の圧縮による高温高圧のガス冷媒と同様に熱交換して暖房作用を行う。

以下、空気調和装置１の運転を、冷房運転及び暖房運転に分けて説明する。先ず、冷房運転から、図１に基づいて以下に説明する。
（冷房運転；低負荷時）
先ず、空気調和装置１に要求される空調負荷が５０％以下では、第２室外ユニット２０のみを運転する。制御装置５によって開閉弁３６が開弁される。そして、冷房負荷が低負荷のとき、空気調和装置１においては、ガスエンジン２１と圧縮機２２とを接続するクラッチが切られ、エンジン出力は総て発電機２３へ伝達される。発電機２３で発電された電力は、電動機駆動制御装置２９を経てモータ駆動圧縮機２４へ出力され、モータ駆動圧縮機２４が駆動される他、残りの電力は、系統連系電源装置２７を介して制御装置５や系統内負荷５０へ出力される。更に電力が余った場合には、系統連系電源装置２７から商用電源Ｐsへ出力しても良い。

このとき、ガスエンジン２１は、低回転速度で運転しても高回転速度で運転しても良いが、運転時の回転速度において効率が最大となるエンジンの負荷状態になるよう発電機２３により負荷が掛けられていることが必要である。この調整は発電機２３の出力制御装置５１で行なわれる。この場合、空調負荷が小さいので、ガスエンジン２１は、低速になって効率が低下するが、発電機２３による負荷をかけて、低速域の回転速度において効率が最大となるように、出力制御装置５１によってガスエンジン２１の負荷が調整され、結果として高効率に対応する出力を得る。
以下このような負荷調整機能により空調負荷に応じたエンジン回転速度変化の全範囲でエンジンの高効率運転が維持される。

空調負荷が低負荷の場合、図２−１に示すように、冷媒の圧縮はモータ駆動圧縮機２４によってのみ行われる。このとき、図２−１においては、ガスエンジン１１の効率最大における出力特性を水平線Ｐ11、ガスエンジン２１の効率最大における出力特性を斜線Ｐ21、圧縮機２２の運転領域を丸付き数字２２、モータ駆動圧縮機２４の運転領域を丸付き数字２４、発電機２３の出力を矢印ΔＰ、でそれぞれ示している。また、冷媒配管２を流れる冷媒は、図１においてモータ駆動圧縮機２４→オイルセパレータ３５→４方弁２６→室外熱交換器２５→逆止弁３２→開閉弁６→膨張弁８→室内熱交換器４０→４方弁２６→開閉弁３４→モータ駆動圧縮機２４と循環する。このように、空気調和装置１は、一定の高効率で運転されるガスエンジン２１によって発電機２３が発電した電力に基づいて、図２−１の左半左部分に示すように、モータ駆動圧縮機２４が駆動され、冷房低負荷に対し、エンジン効率最大付近の運転状態に維持される。このとき、モータ駆動圧縮機２４は、モータ駆動制御装置２９により、例えばインバータで可変速駆動すれば冷房の負荷変化に対応した吐出容量に基づき効率よい圧縮作用が得られる。

（冷房運転；中負荷時）
また、冷房負荷が中負荷のときには、空気調和装置１においては、ガスエンジン２１と圧縮機２２が接続され、発電機２３に加えて圧縮機２２が駆動される。これにより、冷媒配管２を流れる冷媒は、図１において、圧縮機２２→オイルセパレータ３１→４方弁２６→室外熱交換器２５→逆止弁３２→開閉弁６→膨張弁８→室内熱交換器４０→４方弁２６→圧縮機２２と循環する。このとき、空調負荷の大きさ、即ち、冷房負荷が大きくなると、冷媒循環量が増える。このため、圧縮機２２は、冷媒吐出量を大きくする必要がある。これはガスエンジン２１の回転速度を変えて行なう。この変化した回転速度での運転状態でガスエンジン２１の効率が最大付近になるよう発電機２３の負荷が調整される。即ち、空気調和装置１においては、図２−１の左半中央部に示すように、ガスエンジン２１は、圧縮機２２による冷房負荷に対応したエンジン出力と発電機２３に加えられた負荷に対応したエンジン出力とが加算された出力となり、効率最大付近の運転状態が維持される。

（冷房運転；高負荷時）
そして、冷房負荷が更に増えると、空気調和装置１においては、圧縮機２２に加えてモータ駆動圧縮機２４が駆動され、高負荷に対応できるようにしてある。このとき、冷媒配管２を流れる冷媒は、圧縮機２２側では、図１において、圧縮機２２→オイルセパレータ３１→４方弁２６→室外熱交換器２５→逆止弁３２→開閉弁６→膨張弁８→室内熱交換器４０→４方弁２６→圧縮機２２と循環する。一方、モータ駆動圧縮機２４側では、モータ駆動圧縮機２４は圧縮機２２と並列に接続されているから、圧縮機の能力は加算的に働く。これより冷房能力の変化に対応可能であり、なおかつ圧縮機２２の出力をあまり大きくしなくて済むので運転コストを低く抑えられる。運転状態は、図２−１の左半右部分に示すように、合算的特性を示す。

このとき、発電機２３は、ガスエンジン２１が最大効率近辺の効率になるように負荷調整が行なわれ、その電力は、系統連系電源装置２７から、例えば、制御装置５や系統内負荷５０へ出力される。更に余った余剰電力は、商用電源Ｐsへ出力しても良い。このように、ガスエンジン２１は、空調負荷が低負荷から高負荷に至る全運転範囲で高効率、即ち、最大効率近辺で運転されるように発電機２３の負荷が調整される。従って、空気調和装置１は、大幅な省エネルギーを達成すると共に、自家消費電力をも賄うことができる。

そして、更に冷房負荷が増えて空気調和装置１に要求される出力が５０％を越えると第１室外ユニット１０が起動される。

（冷房運転；底上げ低負荷時から底上げ高負荷時）
このときは、第１室外ユニット１０と第２室外ユニット２０とを組み合わせた運転が行なわれる。運転特性は、図２−１の右半側に示すように、両者の合計になる。このとき、第１室外ユニット１０においては、冷媒配管２を流れる冷媒は、図１において、圧縮機１２→４方弁１４→室外熱交換１３→逆止弁１６→膨張弁８→室内熱交換器４０→４方弁１４→圧縮機１２と循環する。

一方、第２室外ユニット２０においては、圧縮機２４の冷媒循環回路は上述の通りで開閉弁６を介して吐出側と吸入側で並列接続される。従って、室内熱交換器４０に第１室外ユニット１０と第２室外ユニット２０を並列接続した状態になる。このとき、第１室外ユニット１０においては、ガスエンジン１１が高効率で運転されるように設定されている。このため、合成されたシステムは加算的な性能を得る。従って、各ガスエンジンは全負荷域で高効率運転可能に調整されている。以上によって、空気調和装置１は、全運転範囲で省エネルギー効果と部分的ではあるが自家消費電力の供給も可能である。

次に、以下暖房運転について説明する。
（暖房運転：低負荷時〜高負荷時）
空気調和装置１に要求される出力が５０％以下の場合、図２−２の左半側に示すように、第２室外ユニット２０のみが駆動される。即ち、ガスエンジン２１によって圧縮機２２と発電機２３が駆動され、モータ駆動圧縮機２４は、発電機２３によって発電された電力で駆動される。このとき、図２−２においては、ガスエンジン１１の効率最大における出力特性を水平線Ｐ11、圧縮機１２の出力を矢印Ｐc1、ガスエンジン１１の排熱をモータ駆動圧縮機２４が利用したときのガスポンプとしての出力を矢印Ｐg1、ガスエンジン２１の効率最大における出力特性を斜線Ｐ21、圧縮機２２の出力を矢印Ｐc2、モータ駆動圧縮機２４の出力を矢印Ｐg2、発電機２３の出力を矢印ΔＰ、でそれぞれ示している。また、第２室外ユニット２０においては、冷媒配管２を流れる冷媒は、図１において、エンジン駆動圧縮機２２→オイルセパレータ３１→４方弁２６→室内熱交換器４０→逆止弁７→開閉弁６→膨張弁３３→室外熱交換器２５→４方弁２６→圧縮機２２のように流れ、室外熱交換器２５から吸熱し、室内熱交換器４０で放熱（暖房）する。

このとき、モータ駆動圧縮機２４も同時に駆動され、冷媒は、オイルセパレータ３５→４方弁２６→室内熱交換器４０→開閉弁３７→開閉弁３９→水熱交換器２８Ｂ→モータ駆動圧縮機２４→オイルセパレータ３５と流れ、オイルセパレータ３１の下流でエンジン駆動圧縮機２２の吐出流れと合流する。このとき、冷媒は、水熱交換器２８Ｂでエンジン排熱（冷却水）から吸熱し、室内熱交換器４０で放熱（暖房）する。また、モータ駆動圧縮機２４は、ガスポンプとして作用する。ここで、空気調和装置１においては、ガスエンジン２１の空調負荷は圧縮機２２と発電機２３の負荷によるものであり、圧縮機２２の負荷は空調負荷で決まるので、ガスエンジン２１の効率を最大付近に維持するために、発電機２３の負荷を調整する。

（暖房運転；低負荷時のみ）
ガスエンジン２１を駆動し、圧縮機２２は停止し、発電機２３のみを駆動して発電する場合である。このとき、発電機２３で発電された電力は、電動機駆動制御装置２９を経てモータ駆動圧縮機２４へ出力され、モータ駆動圧縮機２４が駆動される他、残りの電力は系統連系電源装置２７を介して、制御装置５や系統内負荷５０へ出力される。更に電力が余った場合には、系統連系電源装置２７から商用電源Ｐsへ出力される。発電機２３が発電した電力のこのような配分は、以下に述べる各種負荷の下においても制御装置５によって同様に行われる。このとき、冷媒配管２を流れる冷媒は、図１において、オイルセパレータ３５→４方弁２６→室内熱交換器４０→逆止弁７→開閉弁６→膨張弁３３→室外熱交換器２５→４方弁２６→開閉弁３６→モータ駆動圧縮機２４と循環する。このように、空気調和装置１においては、高効率で運転されるガスエンジン２１によって発電機２３が発電した電力に基づいて、図２−１の冷房低負荷と同じように、モータ駆動圧縮機２４が駆動され、暖房負荷に対応した低負荷の状態に維持される。なお、発電負荷が小さい時には、発電負荷の余剰を減らすためガスエンジン１１，１２を停止し、商用電源によってモータ駆動圧縮機２４を運転し暖房することもできる。

このとき、発電機２３が発電した電力は、電動機駆動制御装置２９を介してモータ駆動圧縮機２４へ給電され、残りの電力は、系統連系電源装置２７を介して制御装置５や系統内負荷５０へ出力され系内の消費電力を賄う。余った余剰電力は売電という形で商用電源Ｐsへ出力しても良い。このため、空気調和装置１は、大幅な省エネルギーを達成すると共に、エネルギー効率をより一層高めことができる。

この暖房の際、空気調和装置１においては、制御装置５による制御の下に、先ず第２室外ユニット２０が駆動され、暖房負荷が大きくなり暖房能力が不足したときに第１室外ユニット１０が駆動されて暖房能力が底上げされる。

そして、更に暖房負荷が増えて空気調和装置１に要求される出力が１００％になると、５０％の一定出力の下に第１室外ユニット１０の運転が開始されると共に、第２室外ユニット２０が暖房負荷に対応した前記した順序で運転される。即ち、第１室外ユニット１０の運転に伴う出力が第２室外ユニット２０の出力に加わり、空気調和装置１の出力が底上げされる。

（暖房運転；底上げ低負荷〜底上げ高負荷時）
次に、第１室外ユニット１０の運転が開始された場合について説明する。このときは、第１室外ユニットはエンジン効率最大の一定運転を実施し、空調負荷に応じた運転制御は第２室外ユニットの運転制御のみで行われる。まず、空気調和装置１においては、制御装置５によって開閉弁３７，３９が開弁される。発電機２３で発電された電力は、系統連系電源装置２７へ出力されて利用される。このとき、冷媒配管２を流れる冷媒は、第１室外ユニット１０側では、図１において、オイルセパレータ１５→４方弁１４→室内熱交換器４０→逆止弁７→膨張弁１７→室外熱交換器１３→４方弁１４→圧縮機１２と循環する。このとき、開閉弁３７，３９が開いていることから、室内熱交換器４０の下流で分岐して、モータ駆動圧縮機２４側へ流れる冷媒もある。

一方、第２室外ユニット２０では、冷媒配管２を流れる冷媒は、圧縮機２２側では、図１において、オイルセパレータ３１→４方弁２６→室内熱交換器４０→逆止弁７→開閉弁６→膨張弁３３→室外熱交換器２５→４方弁２６→圧縮機２２と循環する。このとき、室内熱交換器４０の下流で分岐して、開閉弁３７→開閉弁３９→水熱交換器２８Ｂ→モータ駆動圧縮機２４と循環するものや、開閉弁６側ではなく膨張弁１７を通って第１室外ユニット１０側へ流れる冷媒もある。また、モータ駆動圧縮機２４側では、図１において、オイルセパレータ３５→４方弁２６→室内熱交換器４０と流れた後、逆止弁７側へ流れる他、室内熱交換器４０の下流で分岐して、開閉弁３７→開閉弁３９→水熱交換器２８Ｂ→モータ駆動圧縮機２４と循環する。

このように、空気調和装置１においては、高効率で運転されるガスエンジン１１，２１によって、図２−２に示すように、圧縮機１２、２２とモータ駆動圧縮機２４が駆動され、暖房負荷に対応した底上げの状態に維持される。このとき、室内熱交換器４０の下流で分岐してくる冷媒は、中温中圧の液冷媒であり、下流の絞り弁を通過する過程で減圧されて低温低圧の二相冷媒となる。この低温低圧の二相冷媒は、水熱交換器２８Ｂを通過するときに、配管４によってガスエンジン２１から流れてくる高温の冷却水と熱交換により加熱されて気化し、低温低圧のガス冷媒となる。
。

以上のように、空気調和装置１は、空調負荷に応じてきめ細かい運転を達成することができるうえ、ガスエンジン２１の出力を効率的に振り分けることでエネルギー効率を向上させている。ここで、冷房の場合を含め、空調負荷が低負荷のとき、図２−１，図２−２に示すように、発電機２３で発電された電力の余剰電力ΔＰは、ガスエンジン２１の出力のかなりの部分を占める。このため、空気調和装置１は、低負荷時及び底上げ低負荷時には、第２室外ユニット２０、従ってガスエンジン２１の運転を停止し、モータ駆動圧縮機２４の電力を商用電源Ｐsから供給するようにし、中負荷以上となったときに第２室外ユニット２０の運転を開始するようにしてもよい。このようにすると、空気調和装置１は、極めて小さな暖房負荷運転にも対応することが可能となる。これは、空気調和装置１を冷房運転するときも同様である。

一方、上記底上げ負荷時における空気調和装置１においては、冷媒配管２を流れる冷媒の温度は、室内熱交換器４０に流入する前が５５℃、流出後が５０℃であり、室外熱交換器１３，２５に流入する前が５５℃、流出後が５０℃であった。また、水熱交換器２８Ｂに流入する前の冷媒温度は６５℃、流出後の温度は７０℃であった。このとき、第２室外ユニット２０においては、低温低圧の二相冷媒が、水熱交換器２８Ｂを通過するときに、ガスエンジン２１から流れてくる高温の冷却水と熱交換することにより加熱されて気化し、低温低圧のガス冷媒となる。このため、暖房負荷が同一の場合、空気調和装置１は、圧縮機２２側の冷媒循環量を減少させることができ、成績係数（ＣＯＰ）が向上する。

このことを図３に示すモリエル線図に基づいて説明すると、空気調和装置１における全体の冷媒循環量（Ｇ）を、圧縮機１２，２２の冷媒循環量（Ｇ1）とモータ駆動圧縮機２４の冷媒循環量（Ｇ2）とに分けることができる（Ｇ＝Ｇ1＋Ｇ2）。ここで、動力は、冷媒循環量とエンタルピーの差の積で表わされる。このとき、空気調和装置１においては、図示のように、圧縮機１２，２２の冷媒循環量（Ｇ1）が減って動力が減少する。一方、モータ駆動圧縮機２４は水熱交換器２８Ａや水熱交換器２８Ｂにおいてはガスエンジン１１，２１の排熱を利用しているが、前記のように圧縮比が小さいので、エンタルピー差Δｈ2が小さく、モータ駆動圧縮機２４における動力は小さい。このように、空気調和装置１は、暖房能力が同じであっても、ガスエンジン１１，２１の排熱を利用すると共に、モータ駆動圧縮機２４をガスポンプとして機能させることで動力を大幅に減らすことができ、成績係数（ＣＯＰ）を向上させている。さらに、空気調和装置１は、エンジンを高効率で使用しており、エネルギー効率が従来に比べてより一層高くなっている。

一方、冷房運転の際は、圧縮機１２，２２及びモータ駆動圧縮機２４で圧縮された高温高圧のガス冷媒が４方弁１４，２６を通って室外熱交換器１３，２５へ吐出される。吐出された高温高圧のガス冷媒は、室外熱交換器１３，２５において熱交換されて凝縮（液化）し、高温高圧の液冷媒となり、膨張弁８で減圧して低温低圧の二相冷媒として室内熱交換器４０へ供給する。この低温低圧の二相冷媒は、室内熱交換器４０において室内空気から熱を奪って冷却すると共に、蒸発（気化）して低温低圧のガス冷媒となる。この低温低圧のガス冷媒は、４方弁１４，２６を通って再び圧縮機１２，２２及びモータ駆動圧縮機２４に送られて圧縮され、以下、同様のサイクルが繰り返される。この冷房運転に際しても、制御装置５が、冷房負荷に応じて第１室外ユニット１０や第２室外ユニット２０の運転を適宜制御することにより、空気調和装置１を空調負荷に応じてきめ細かに運転することで、エネルギー効率をより一層高めている。

（実施の形態２）
次に、この発明の空気調和装置に係る実施の形態２について説明する。図４は、この発明の実施の形態２であり、室内熱交換器を複数設けた空気調和装置の概略構成図である。空気調和装置１００は、実施の形態１の空気調和装置１において、第１室外ユニット１０の冷媒配管２と第２室外ユニット２０の冷媒配管２を夫々独立させると共に、個々に室内熱交換器４１，４２を設けたものである。このため、空気調和装置１００は、空気調和装置１と同様に、第２室外ユニット２０において、ガスエンジン１１，２１の排熱を利用することで、成績係数（ＣＯＰ）、従って、エネルギー効率をより一層高めることができる。

尚、上記実施の形態においては、複数の室外ユニットとして第１室外ユニット１０と第２室外ユニット２０とを設けた構成について説明したが、第２室外ユニット２０が、複数配置された構成としてもよい。

以上のように、本発明にかかる空気調和装置は、空気調和ユニットを複数備えた空気調和装置に有用であり、特に、ガスエンジンによって駆動される圧縮機を有する空気調和ユニットを複数備えた空気調和装置のエネルギー効率をより一層高めるのに適している。

この発明の空気調和装置の実施の形態１を示す概略構成図である。 図１の空気調和装置において冷房負荷に対する各圧縮機の出力の関係を説明する図である。 図１の空気調和装置において暖房負荷に対する各圧縮機の出力の関係を説明する図である。 図１の空気調和装置の暖房時におけるモリエル線図である。 この発明の空気調和装置の実施の形態２を示す概略構成図である。

符号の説明

１ 空気調和装置
２ 冷媒配管
４ 配管
４ａ ポンプ
４ｂ 分配弁
５ 制御装置
５１ 出力制御装置
６ 開閉弁
７ 逆止弁
８ 膨張弁
１０ 第１室外ユニット
１１ ガスエンジン
１２ 圧縮機
１３ 室外熱交換器
１４ ４方弁
１５ オイルセパレータ
１６ 逆止弁
１７ 膨張弁
２０ 第２室外ユニット
２１ ガスエンジン
２２ 圧縮機
２３ 発電機
２４ モータ駆動圧縮機
２５ 室外熱交換器
２６ ４方弁
２７ 系統連系電源装置
２８Ａ，２８Ｂ 水熱交換器
２９ 電動機駆動制御装置
３１，３５ オイルセパレータ
３２ 逆止弁
３３ 膨張弁
３４ 開閉弁
３６〜３９ 開閉弁
４０〜４２ 室内熱交換器
５０ 系統内負荷
Ｐs 商用電源

Claims (6)

1. 高効率の下に駆動されるガスエンジン、該ガスエンジンを駆動源とする圧縮機及び室外熱交換器を有する室外ユニットと、
   室内熱交換器と、
   前記室外ユニットの作動を制御する制御手段と、
   を備えた空気調和装置であって、
   前記室外ユニットは、
   前記ガスエンジンの出力が分配される発電機と、
   該発電機によって発電された電力を駆動源とするモータ駆動圧縮機と、
   前記発電機が発電した電力を商用電源へ出力し、また商用電源から電力を取りこむ系統連系電源装置と、
   を有し、
   前記制御手段が、空調負荷の変化に応じて前記ガスエンジンの高効率運転を維持するよう前記発電機の負荷を調整することを特徴とする空気調和装置。
2. 高効率の下に駆動されるガスエンジン、該ガスエンジンを駆動源とする圧縮機及び室外熱交換器を有する複数の室外ユニットと、
   室内熱交換器と、
   前記複数の室外ユニットの作動を制御する制御手段と、
   を備えた空気調和装置であって、
   前記室外ユニットのうちの１つは、
   前記ガスエンジンの出力が分配される発電機と、
   該発電機によって発電された電力を駆動源とするモータ駆動圧縮機と、
   前記発電機が発電した電力を商用電源へ出力し、また商用電源から電力を取りこむ系統連系電源装置とを有し、
   前記制御手段が、空調負荷の変化に応じて前記ガスエンジンの高効率運転を維持するよう前記発電機の負荷を調整することを特徴とする空気調和装置。
3. 前記室外ユニット又は前記複数の室外ユニットの一つは、
   空調負荷が低負荷のときには、前記ガスエンジンによって前記発電機を駆動し、該発電機による発電電力によって前記モータ駆動圧縮機を駆動し、
   空調負荷が中負荷から高負荷域のときには、前記ガスエンジンの出力を前記圧縮機と前記発電機とに振り分け、前記発電機が発電した電力を、前記モータ付き圧縮機、または系内の他の負荷へ供給し、前記系統連系電源装置を介して系外へ出力する、
   ように前記制御手段によって作動が制御され、低負荷から高負荷全域にわたり前記モータ駆動圧縮機をガスポンプまたは圧縮機として使用することが可能なことを特徴とする請求項１又は２に記載の空気調和装置。
4. 前記モータ駆動圧縮機は、前記室外ユニットにおける前記圧縮機の冷媒回路の吐出側に圧縮冷媒を合流することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の空気調和装置。
5. 前記室外ユニットは、
   前記ガスエンジンに接続される冷却水の配管と、
   冷却水を圧送するポンプと、
   前記モータ駆動圧縮機に吸入される冷媒と冷却水との間で熱交換する熱交換器と、
   が設けられていることを特徴とする請求項１，３，４のいずれか一つに記載の空気調和装置。
6. 前記複数の室外ユニットは、
   前記各ガスエンジン間を接続する冷却水の配管と、
   冷却水を圧送するポンプと、
   前記モータ駆動圧縮機に吸入される冷媒と冷却水との間で熱交換する熱交換器と、
   が設けられていることを特徴とする請求２〜４のいずれか一つに記載の空気調和装置。

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