JP2006234321A - 室外ユニットおよび空気調和装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 エンジン側の燃焼状態によらずエンジン効率を変化させる手段を備え、エンジン排熱の増減手段を多様化させた室外ユニットおよび空気調和装置を提供することを目的とする。
【解決手段】 冷媒を圧縮して冷媒回路７を循環させる圧縮機１７を駆動するガスエンジン５３と、ガスエンジン５３の排ガスと冷却水との間で熱交換を行う排気ガス熱交換器６５と、冷却水と外気との間で熱交換を行うラジエータ６３と、冷却水と冷媒との間で熱交換を行う水熱交換器３１と、排気ガス熱交換器６５、ガスエンジン５３、ラジエータ６３および水熱交換器３１を接続して冷却水を循環させる冷却水回路と、を備えた室外ユニット５において、ラジエータ６３および水熱交換器３１への冷却水供給量を調節し、ガスエンジン５３へ流入する冷却水の温度を調節する制御部３７を備えたことを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、室外ユニットおよび空気調和装置に関するものである。

一般に、室内熱交換器、圧縮機、室外熱交換器、絞り機構などの要素を備えた冷媒回路を用いて、室内の冷房，暖房などの空調運転を行う空気調和装置が知られている。
この空気調和装置において、搭載された圧縮機の駆動源としてガスエンジンを用いたものが知られており、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」という。）と呼ばれている。
この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の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という利点がある。
ところが、近年ＧＨＰのエネルギー効率（ＣＯＰ）が向上するのに伴い、ガスエンジンのエンジン効率の向上が要求され、これによりエンジン排熱が不足している。
これを解消するものとして、例えば特許文献１に示されるものが提案されている。これは、高効率のガスエンジンとし、特にエンジン排熱を必要とする低い外気温度の場合における暖房運転時において、ガスエンジンの点火時期を調節してその燃焼状態を低下させ、冷媒によって回収される排熱を増加させるものである。

特開平１１−２４８２８７号公報（段落［００２０］〜［００３７］，および図２）

しかしながら、特許文献１に示すものを含め、エンジン効率を低下させ排熱を増加させる場合には、エンジン側の燃焼状態を低下させて行うものばかりであった。
また、エンジン側の燃焼状態を低下させるだけでは不足する場合の対応について十分とは言えないという問題があった。

本発明は、上記問題点に鑑み、エンジン側の燃焼状態によらずエンジン効率を変化させる手段を備え、エンジン排熱の増減手段を多様化させた室外ユニットおよび空気調和装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかる室外ユニットは、冷媒を圧縮して冷媒回路を循環させる圧縮機を駆動するガスエンジンと、ガスエンジンの排ガスと冷却水との間で熱交換を行う排気ガス熱交換器と、前記冷却水と外気との間で熱交換を行うラジエータと、前記冷却水と前記冷媒との間で熱交換を行う水熱交換器と、前記排気ガス熱交換器、前記ガスエンジン、前記ラジエータおよび前記水熱交換器を接続して冷却水を循環させる冷却水回路と、を備えた室外ユニットにおいて、前記ラジエータおよび前記水熱交換器への冷却水供給量を調節し、前記ガスエンジンへ流入する前記冷却水の温度を調節する制御手段を備えたことを特徴とする。

このように、ラジエータおよび水熱交換器への冷却水供給量を調節し、ガスエンジンへ流入する冷却水の温度を調節する制御手段を備えているので、例えば、暖房運転における冷媒加熱量の増加が要請されている場合、水熱交換器およびラジエータに流す冷却水の流量を調節してガスエンジンに流入する冷却水の温度を低下させる。
ガスエンジンに流入する冷却水の温度を低下させると、エンジン効率が低下するので、ガスエンジンの排熱が増加する。
このため、水熱交換器から冷媒に付与される熱量が増加するので、冷媒加熱量の増加という要請に対応することができる。
また、冷房運転等において冷媒に対する加熱を必要としない場合には、ガスエンジンに流入する冷却水の温度を高くすることによって、エンジン効率が向上するので、ガスエンジンを効率的に駆動することができる。
このように、ガスエンジンに流入する冷却水の温度を調節してガスエンジンの効率を増減させ排熱を増減させるので、エンジン側の燃焼状態を変化させるもの別個に備えることができる。したがって、これらを組み合わせてあるいは単独で用いることができるので、エンジン排熱の増減手段を多様化させることができる。
なお、制御手段は、外気温度、冷媒の高圧圧力あるいは低圧圧力等の適宜な情報に基づいて運転される。

また、本発明にかかる室外ユニットでは、前記制御手段は、暖房運転時に冷媒回路の室外熱交換器に霜が着く外気温度になった場合に、前記エンジンへ流入する前記冷却水の温度を低下させるように調節することを特徴とする。

冷媒回路の室外熱交換器に霜が着く外気温度になった場合には、室外熱交換器では外気から冷媒に熱を取り込めなくなるので、水熱交換器によってガスエンジンの排熱から熱量を得ることが必要となる。
このとき、制御手段はエンジンへ流入する冷却水の温度を低下させるように調節するので、エンジン効率が低下しガスエンジンの排熱が増加する。したがって、水熱交換器から冷媒に付与される熱量を増加させることができる。

本発明にかかる空気調和装置は、請求項１または請求項２に記載の室外ユニットと、該室外ユニットから供給される冷媒と室内空気との間で熱交換させる室内熱交換器を備えた室内ユニットと、を備えていることを特徴とする。

本発明によれば、室外ユニットにおいて低外気温度時等の熱量が必要な場合には、冷媒に通常よりも多く熱量を付与することができるので、室内に快適な暖房を行うことができる。また、ガスエンジンからの熱量を必要としない場合、例えば冷房時には、ガスエンジンへ流入する冷却水の温度を高めてガスエンジンの運転効率を高め、省エネルギー運転を行うことができる。

本発明によれば、ラジエータおよび水熱交換器への冷却水供給量を調節し、ガスエンジンへ流入する冷却水の温度を調節する制御手段を備えているので、ガスエンジンの効率を増減させ排熱を増減させることができる。これにより、例えば、低外気温度の場合等に冷媒加熱量の増加という要請に対応することができる。
また、エンジン側の燃焼状態を変化させるものと組み合わせてあるいは単独で用いることができるので、エンジン排熱の増減手段を多様化させることができる。

以下、本発明の一実施形態にかかるガスヒートポンプ式空気調和装置（以下「ＧＨＰ」という。）について、図１〜図６を用いて説明する。
図１は、本実施形態にかかるＧＨＰ１の全体概略構成を示す回路図である。
ＧＨＰ（空気調和装置）１は、図１に示すように、室内に配置される複数の室内ユニット３と、室外に配置される室外ユニット５と、室内ユニット３および室外ユニット５との間で冷媒を循環させる冷媒回路７とから概略構成されている。

各室内ユニット３には、室内熱交換器９と、冷房運転時に高圧の冷媒を減圧・膨張させる室内側電子膨張弁１１と、室内側電子膨張弁１１の前後に配置された異物を除去するストレーナ１３と、冷媒の温度を検出する温度センサ１５が設けられている。
室内熱交換器９は、冷房運転時には室内空気から熱を奪い、低温低圧の液冷媒を蒸発させるエバポレータとして機能し、暖房運転時には室内空気に熱を放出し、高温高圧のガス冷媒を凝縮させるコンデンサとして機能するものである。

室外ユニット５は、その内部において二つの大きな構成部分に分割される。第１の構成部分は、後述する圧縮機や室外熱交換器などの機器を中心として室内ユニット３とともに冷媒回路を構成する部分であり、以後「冷媒回路部１４」と呼ぶ。また、第２の構成部分は圧縮機駆動用のガスエンジンを中心として、これに付随する機器を備えた部分であり、以後「ガスエンジン部１６」と呼ぶ。

冷媒回路部１４には、圧縮機１７と、オイルセパレータ１９と、四方弁２１と、室外熱交換器２３と、室外側膨張弁２５と、レシーバ２７、過冷却コイル２９と、水熱交換器３１と、逆止弁３３と、操作弁３５と、ストレーナ１３とが備えられており、それぞれが冷媒回路７により接続されている。
また、室外ユニット５には、温度センサや圧力センサなどの出力に基づき、室内側電子膨張弁１１、室外側膨張弁２５を含む各弁類を制御する制御部３７が配置されている。

圧縮機１７は、後述するガスエンジン５３により駆動され、室内熱交換器９または室外熱交換器２３のいずれかから吸入される低温低圧のガス冷媒を圧縮し、高温高圧のガス冷媒として吐出する。
圧縮機１７の吐出側には、吐出された冷媒の温度を検出する吐出温度センサ３９と圧力を検出する吐出圧力センサ４１とが配置され、吸入側には、吸入される冷媒の温度を検出する吸入温度センサ４３と圧力を検出する吸入圧力センサ４５とが配置されている。
なお、本実施形態においては、２台の圧縮機１７を用いる実施形態に適用して説明している。

オイルセパレータ１９は、圧縮機１７と四方弁２１との間に配置され、圧縮機１７から吐出された冷媒中に含まれる圧縮機１７のオイルを遠心分離して、圧縮機１７に戻すために設けられている。具体的には、各圧縮機１７から吐出された冷媒が導入される２本の略円筒形状のオイル分離部と、その下方に配置された略円筒形状のオイル貯留部とから構成されている。
オイル貯留部の横断面積は、オイル分離部の横断面積に比べて数倍の大きさとされている。これは、オイルの貯留空間を確保するためであり、こうすることによって、オイル分離部の高さを確保してオイル分離能力を維持させつつオイルセパレータ１９全体の高さを減少させている。
オイル貯留部には、分離されたオイルの温度を制御するヒータ４７が配置されている。また、オイルセパレータ１９のオイル貯留部と圧縮機１７との間には、分離されたオイルを圧縮機１７に供給する供給回路が配置されている。

四方弁２１は、オイルセパレータ１９の下流側に配置された冷媒の流れを切り替える切り替え弁であり、冷媒が流入・流出する４つのポートＤ，Ｃ，Ｓ，Ｅが設けられている。
ポートＤは圧縮機１７の吐出側と接続され、ポートＣは室外熱交換器２３と、ポートＳは圧縮機１７の吸入側と、ポートＥは室内熱交換器９と接続されている。

室外熱交換器２３は、冷房運転時に外気に熱を放出して高温高圧のガス冷媒を凝縮させるコンデンサとして機能し、暖房運転時に外気から熱を奪い低温低圧の冷媒を蒸発させるエバポレータとして機能する。
また、室外熱交換器２３には、冷媒の温度を検出する温度センサ１５が配置されている。
なお、本実施形態においては、２台の室外熱交換器２３を用いる実施形態に適用して説明している。

レシーバ２７は、室外熱交換器２３（冷房運転時）または室内熱交換器９（暖房運転時）から流出した液冷媒に含まれるガス冷媒をトラップし、液冷媒のみを室内熱交換器９（冷房運転時）または室外熱交換器２３（暖房運転時）に供給するものである。
室外熱交換器２３とレシーバ２７との間には室外側膨張弁２５と逆止弁３３とが並列に配置され、室外側膨張弁２５および逆止弁３３の上流側、下流側にストレーナ１３が配置されている。逆止弁３３は、室外熱交換器２３からレシーバ２７に向けて冷媒を流すように配置されている。

過冷却コイル２９は、レシーバ２７と室内ユニット３とを接続する冷媒回路７に配置されている。過冷却コイル２９には、レシーバ２７と過冷却コイル２９との間を流れる冷媒の一部を過冷却コイル２９に導く冷媒配管が設けられ、この冷媒配管にはストレーナ１３および冷媒の圧力を減圧・膨張させる過冷却用膨張弁４９が配置されている。
過冷却コイル２９は、冷房運転時に、室内ユニット３に必要な温度に冷却された冷媒を送るために設けられている。すなわち、過冷却用膨張弁４９により形成された低温の冷媒により室内ユニット３に送られる冷媒をより冷却して（過冷却度を高めて）いる。そのため、室内ユニット３の配置位置が室外ユニット５から離れ、室内ユニット３に流入する冷媒の温度が室外ユニットから流出したときより高くなる場合でも、その温度上昇分を補うことができる。

水熱交換器３１は、室外熱交換器２３とレシーバ２７とを接続する冷媒回路から分岐して四方弁２１と圧縮機１７の吸入側とを接続する冷媒回路７に合流する冷媒配管に配置され、冷媒の流入側にはストレーナ１３および冷媒の圧力を減圧・膨張させる水熱交換器用膨張弁５１が配置されている。
また、水熱交換器３１には、後述するガスエンジン５３のエンジン冷却水が循環するように配置されている。
水熱交換器３１は、後述するエンジン冷却水の熱を冷媒に回収させるために設けられている。すなわち、暖房運転時において、冷媒は室外熱交換器２３における熱交換のみに頼るのではなく、ガスエンジン５３のエンジン冷却水からも排熱を回収することとなり、暖房運転の効率をより高めることができる。

一方、ガスエンジン部１６には、ガスエンジン５３を中心として、冷却水系５５および燃料吸入系５７のほか、排気ガス回路５２を有する排気ガス系やエンジンオイル系（いずれも図示せず）が備えられている。
ガスエンジン５３は、冷媒回路７内に設置されている圧縮機１７をクラッチ２２の断接によって接続されるシャフトまたはベルトなどを介して駆動している。

冷却水系５５は、水ポンプ５９、リザーバタンク６１、ラジエータ６３、水熱交換器３１等を備え、これらを配管にて接続して構成される冷却水回路（図中の破線で表示）を循環するエンジン冷却水（冷却水）によって、ガスエンジン５３を冷却する系である。
水ポンプ５９は、ガスエンジン５３の冷却水を循環させるために配置され、リザーバタンク６１は、この回路を循環する冷却水の余剰分を一時貯蔵するため、あるいは、回路を循環する冷却水が不足する場合に冷却水を供給するために配置されている。
ラジエータ６３は、室外熱交換器２３の近傍に配置され、エンジン冷却水がガスエンジン５３から奪った排熱を放出するために配置されている。

また、冷却水系５５には、上述した構成のほかに、排気ガス熱交換器６５が設けられている。
排気ガス熱交換器６５は、ガスエンジン５３から排出される排気ガスの熱を、エンジン冷却水に回収するためのものである。
また、水熱交換器３１が、冷媒回路部１４および冷却水系５５の両系にまたがるように配置されている。
そのため、暖房運転時には、エンジン冷却水はガスエンジン５３から熱を奪うだけではなく、排気ガスからも熱を回収し、かつ、その回収した熱を、水熱交換器３１を介して冷媒に与える構成になっている。

冷却水系５５における冷却水回路は、水ポンプ５９、排気ガス熱交換器６５、ガスエンジン５３および第一流量制御弁６７を接続する第一冷却水回路５４と、第一流量制御弁６７、第二流量制御弁６８およびラジエータ６３を接続し、第一冷却水回路５４の水ポンプ５９上流側に合流する第二冷却水回路５６と、第二流量制御弁６８および水熱交換器３１を接続し、第二冷却水回路５６のラジエータ６３下流側に合流するバイパス冷却回路５８とから主として構成されている。

第一流量制御弁６７および第二流量制御弁６８は三方弁であり、第一流量制御弁６７は、第一冷却水回路５４および第二流量制御弁６８への流量を調節し、第二流量制御弁６８は、水熱交換器３１およびラジエータ６３への流量を調節するように構成されている。
第一冷却水回路５４における水ポンプ５９の近傍には、第一冷却水回路５４内の冷却水の温度を測定する冷却水温度計６０が備えられている。冷却水温度計６０が測定した冷却水の温度は、制御部３７へ伝送され、この測定値に基づいて制御部（制御手段）３７は第一流量制御弁６７および第二流量制御弁６８の各開度を調節するように構成されている。

燃料吸入系５７は、ガスエンジン５３に液化天然ガス（ＬＮＧ）などの都市ガス、または液化プロパンガス（ＬＰＧ）をガス燃料として供給するための系であり、ガス燃料の供給量を調節する燃料ガス弁６９が備えられている。燃料吸入系５７からガスエンジン５３に供給された燃料ガスは、ガスエンジン５３の吸気孔（図示せず）から吸入された空気と混合された後、ガスエンジン５３の燃焼室に供給されている。

なお、本実施形態では、ガスエンジン５３内へ供給される燃料ガスの供給量を調整する燃料供給量調整装置（図示せず）が備えられている。また、ガスエンジン５３での点火時期を調整する点火時期調整装置（図示せず）が備えられている。
ガスエンジン５３の吸気孔の外側には、外気温度を計測する外気温度計７１が備えられている。外気温度計７１が測定した外気温度は、制御部３７へ伝送され、制御３７はこの測定値に基づいて後述するようにガスエンジン系５５を制御するように構成されている。
また、制御部３７は、燃料供給量調整装置および点火時期調整装置を制御してそれぞれ燃料供給量および点火時期を調整して、エンジンの燃焼状態を調整することができるように校正されている。

次に、上記構成からなるＧＨＰ１について、室内を冷暖房するそれぞれの運転時の作用について説明する。
最初に、図１に基づいて暖房運転時について説明する。なお、各弁類の開閉状態は黒塗りで図示した弁類が閉であり、冷媒およびエンジン冷却水の流れ方向が矢印で示されている。

暖房運転が選択されると、制御部３７によって冷媒回路部の四方弁２１が切り替えられて、ポートＤ／Ｅ間およびポートＣ／Ｓ間が連通され、圧縮機１７の吐出側と室内熱交換器９とが接続される。
また、室外側膨張弁２５および水熱交換器用膨張弁５１が制御部３７により制御され、室内側電子膨張弁１１が全開にされるとともに、過冷却用膨張弁４９が全閉にされる。
さらに、ガスエンジン系５５の第一流量制御弁６７における水ポンプ５９へ向かう第一冷却水回路５４へのポートが閉じられる。

まず、圧縮機１７から吐出された高温高圧のガス冷媒は、オイルセパレータ１９に流入して、ガス冷媒中に含まれるオイルが分離される。
オイルが分離されたガス冷媒は、四方弁２１を通って室内熱交換器９に流入する。ガス冷媒は室内熱交換器９において室内空気に熱を放出して凝縮・液化される。室内空気はガス冷媒から熱を吸収して暖められる。
液化した冷媒は、室内側電子膨張弁１１、過冷却コイル２９を通過してレシーバ２７に流入する。レシーバ２７において冷媒は気液分離され、液冷媒のみがレシーバ２７から流出する。
レシーバ２７から流出した液冷媒の一部は、室外側膨張弁２５を通って室外熱交換器２３に流入する。残りの冷媒は、水熱交換器用膨張弁５１を通って水熱交換器３１に流入する。

室外熱交換器２３に流入する冷媒は、室外側膨張弁２５を通過する過程で減圧され、低温低圧の気液二相冷媒となる。室外熱交換器２３において、低温低圧の気液二相冷媒は外気などから熱を奪い、蒸発・気化してガス冷媒となる。
水熱交換器３１に流入する冷媒は、水熱交換器用膨張弁５１を通過する過程で減圧され、低温低圧の液冷媒となる。水熱交換器３１では、低温低圧の液冷媒がエンジン冷却水から熱を奪い、蒸発・気化してガス冷媒となる。

室外熱交換器２３において蒸発したガス冷媒は、四方弁２１のポートＣからポートＳを経て圧縮機１７の吸入口に流入する。また、水熱交換器３１において蒸発したガス冷媒は、四方弁２１のポートＳと圧縮機１７の吸入口との間の冷媒回路７に流入する。
圧縮機１７に吸入されたガス冷媒は、圧縮機１７により圧縮され高温高圧のガス冷媒となり、再びオイルセパレータ１９に向けて吐出される。
以降、同様の過程が繰り返され、暖房運転が継続して行われる。

次に、冷房運転時における冷媒およびエンジン冷却水の流れを説明する。
冷房運転が選択されると、四方弁２１のポートＤ／Ｃ間およびポートＥ／Ｓ間が連通され、圧縮機１７の吐出側と室外熱交換器２３とが接続される。
また、室内側電子膨張弁１１および過冷却用膨張弁４９が制御部３７により制御され、室外側膨張弁２５および水熱交換器用膨張弁５１が全閉にされる。
さらに、ガスエンジン系５５の第二流量制御弁６８におけるバイパス冷却回路５８へのポートが閉じられる。

まず、圧縮機１７から吐出された高温高圧のガス冷媒は、オイルセパレータ１９により潤滑油が分離され、四方弁２１を通過して室外熱交換器２３に流入する。
室外熱交換器２３において、ガス冷媒は熱を放出して凝縮・液化して液冷媒となる。
室外熱交換器２３から流出した液冷媒は、逆止弁３３を通過してレシーバ２７に流入し、気液分離されて液冷媒のみがレシーバ２７から流出する。
レシーバ２７から流出した液冷媒の一部は、過冷却コイル２９および室内側電子膨張弁１１を通って、室内熱交換器９に流入する。残りの冷媒は、過冷却用膨張弁４９を通って過冷却コイル２９に流入する。

室内熱交換器９に流入する冷媒は、過冷却コイル２９を通過する過程で、後述する過冷却用膨張弁４９と通過した低温低圧の液冷媒に熱を奪われる。その後、室内側電子膨張弁１１を通過する過程で減圧され、低温低圧の液冷媒となる。室内熱交換器９において、低温低圧の液冷媒は、室内空気から熱を奪い、蒸発・気化してガス冷媒となる。
過冷却コイル２９に流入する冷媒は、過冷却用膨張弁４９を通過する過程で減圧され、低温低圧の気液二相冷媒となる。この冷媒は、過冷却コイル２９において上述した室内熱交換器９に流入する液冷媒から熱を奪い、蒸発・気化してガス冷媒となる。

室内熱交換器９において蒸発したガス冷媒は、四方弁２１のポートＥからポートＳを経て圧縮機１７の吸入口に流入する。また、過冷却コイル２９において蒸発したガス冷媒は、四方弁２１のポートＳと圧縮機１７の吸入口との間に流入する。
以降、同様の過程が繰り返され、冷房運転が継続して行われる。

次に、上記構成からなるＧＨＰ１について、ガスエンジン５３へ流入するエンジン冷却水の調節について図２〜図６により説明する。
まず、暖気運転時について、図２により説明する。
暖気運転は、ガスエンジン５３の暖気が主目的であり、冷媒回路７の冷媒に熱量を付与する必要もなく、かつ、ラジエータ６３で放熱させるだけの熱量をもっていない。
このため、暖気運転時には、第一流量制御弁６７の第二冷却水回路５６へ向かうポートを閉じ、エンジン冷却水は、第一冷却水回路５４を循環させるようにし、速やかにエンジン冷却水を昇温させる。したがって、ガスエンジン５３へ流入されるエンジン冷却水の温度は、高め、例えば冷却水温度計６０の位置で７０℃に設定し、制御部３７によってフィードバック制御されている。

次に、冷房運転時について、図３により説明する。
冷房運転時には、水熱交換器３１において、冷媒回路７の冷媒に熱量を付与することはなく、ガスエンジン５３の熱をラジエータ６３で適宜放熱すればよい。
このため、図３に示されるように、第二流量制御弁６８のバイパス冷却回路５８へ向かうポートを閉じた状態とする。
ガスエンジン５３へ流入されるエンジン冷却水の温度は、高め、例えば冷却水温度計６０の位置で７０℃に設定し、制御部３７は冷却水温度計６０の測定値に基づいて、第一流量制御弁６７および第二流量制御弁６８の開放ポートの開度を調節し、第一冷却水回路５４および第二冷却水回路５６を流れるエンジン冷却水の流量を調節する。

すなわち、冷却水温度計６０の測定値が７０℃を超えると、第一流量制御弁６７の第二冷却水回路５６へ向かうポートの開度を前よりも開け、第二冷却水回路５６を流れるエンジン冷却水の流量を増加させ、ラジエータ６３による放熱量の増加によってエンジン冷却水の温度を低下させる。
そして、冷却水温度計６０の測定値が７０℃より低下すると、反対に第一流量制御弁６７の第二冷却水回路５６へ向かうポートの開度を前よりも閉じ、第二冷却水回路５６を流れるエンジン冷却水の流量を減少させ、ラジエータ６３による放熱量を減少させるように調節される。
このように、ガスエンジンに流入する冷却水の温度を高くすることによって、エンジン効率が向上するので、ガスエンジンを効率的に駆動することができ、省エネルギー運転を行うことができる。

次に、暖房運転時について、図４〜図６により説明する。
暖房運転時には、水熱交換器３１において、冷媒回路７の冷媒に熱量を付与するのが主体となるので、第一流量制御弁６７の水ポンプ５９へ向かうポートを閉じ、この部分の第一冷却水回路５４をエンジン冷却水が流れないようにする。第二流量制御弁６８の開度を調節して、水熱交換器３１およびラジエータ６３へ流れる流量を調節できるようにする。
暖房運転時では、暖房負荷が小さい時と大きい時とで制御部３７による制御が異なる。

暖房負荷が小さい、すなわち、例えば、外気温度が暖かであまり暖房の必要がない、室内ユニットが多数ある場合でその一部しか利用されていない時には、水熱交換器３１によって冷媒に熱量を付与する必要性が少ないので、省エネルギーを目的として、冷房運転と同様にガスエンジン５３へ流入されるエンジン冷却水の温度は、高め、例えば冷却水温度計６０の位置で７０℃に設定する。
制御部３７は冷却水温度計６０の測定値に基づいて、第二流量制御弁６８の開放ポートの開度を調節し、バイパス冷却回路５８および第二冷却水回路５６を流れるエンジン冷却水の流量を調節する。

すなわち、冷媒量が少なく冷媒に付与される熱量が少ないと、水熱交換器３１を流れるエンジン冷却水が十分に冷やされずに戻るので、冷却水温度計６０の測定値が７０℃を超えることになる。この場合には、第二流量制御弁６８の第二冷却水回路５６へ向かうポートの開度を前よりも開け、第二冷却水回路５６を流れるエンジン冷却水の流量を増加させ、ラジエータ６３による放熱量の増加によってエンジン冷却水の温度を低下させる。
そして、暖房負荷が高まり、水熱交換器３１でエンジン冷却水から冷媒に付与される熱量が増えると、水熱交換器３１を流れるエンジン冷却水が十分に冷やれて戻るので、冷却水温度計６０の測定値が７０℃より低下することになる。この場合には、反対に第二流量制御弁６８の第二冷却水回路５６へ向かうポートの開度を前よりも閉じ、第二冷却水回路５６を流れるエンジン冷却水の流量を減少させ、ラジエータ６３による放熱量を減少させるように調節される。

一方、暖房負荷が大きい、すなわち、例えば、外気温度が低く暖房の要求が強い、室内ユニットが多数ある場合でそのほとんどが利用されている時には、水熱交換器３１によって冷媒に熱量を付与する必要性が大きくなるので、水熱交換器３１でのエンジン冷却水から付与する熱量を増加させる運転に入る。
本実施形態では、エンジン冷却水から付与する熱量を増加させる手段として点火時期調整装置、燃料供給量調整装置およびガスエンジン５３へ流入されるエンジン冷却水の温度を低下させることの３種類を備えている。

これらは、全てガスエンジン５３のエンジン効率を低下させて、排熱を増加させようとするものである。
点火時期調整装置は、エンジン効率を重視した通常の点火時期から、点火時期を遅らせ又は点火時期を早める方向に変化させるものである。このように点火時期がエンジン効率のよい時期から前後のいずれか一方にずれると、エンジンの効率が低下して出力も低下するので、結果的に圧縮機１７の駆動力は不足することになる。しかし、ガスエンジン５３は出力不足を補うために燃料ガスの供給を増やすので、この分ガスエンジン５３では発熱量が増加し、同様に排熱として排気ガスや冷却水に捨てられる熱量も増すことになる。すなわち、エンジン効率が落ちた分だけ必要な出力を得るのに燃料を多く消費して発熱量が増すので、排気ガスなどとともに捨てられる排熱量も増すのである。

燃料供給量調整装置は、燃料ガスの供給量を増加させるように調整するものである。このように、燃料ガスの供給量を増加させると、ガスエンジン５３では発熱量が増加し、同様に排熱として排気ガスや冷却水に捨てられる熱量も増すことになる。

次に、ガスエンジン５３へ流入されるエンジン冷却水の温度を低下させることによるガスエンジン５３のエンジン効率の低下について図６により説明する。
図６は、ガスエンジン５３の動作に伴うＰＶ線図を示している。ガスエンジン５３の仕事量は、排気と吸入との間および膨張と圧縮との間の面積が表している。膨張行程はエンジン冷却水の温度によって変動し、すなわち、エンジン冷却水の温度が低いと体積（Ｖ）および圧力（Ｐ）は低くなる。
この状態は、図６では一点鎖線Ａで示される例えばエンジン冷却水の温度が７０℃のＰＶ線図と実線Ｂで示される例えばエンジン冷却水の温度が６０℃のＰＶ線図とを比較すると、６０℃の方がエンジンの仕事量は減少することとなる。
エンジン冷却水の温度を低下させると、同じ燃焼量でも仕事量が少なくなるので、その少なくなった分だけ排熱として排気ガスや冷却水に捨てられる熱量も増すことになる。

本実施形態では、制御部３７は、暖房負荷の大きさに応じて、これらの手段を個々に、あるいは組み合わせて用いることによって、水熱交換器３１において、エンジン冷却水による冷媒に付与する熱量を増加させるように調節している。
これらの組み合わせ、あるいはどれを使うかは、種々の態様があるが、ここではその一例について、図５に示されるフローに関して説明する。

暖房運転が開始される（Ｓ０）。この時は、ガスエンジン５３へ供給されるエンジン冷却水の温度設定は冷房運転時と同じく略７０℃とされている。
まず、制御部３７は、外気温度計７１の測定値から外気温度が０℃以下かどうか判定する（Ｓ１）。
外気温度が０℃以上の場合には、室外熱交換器２３および水熱交換器３１を併用した通常の暖房運転を行う（Ｓ２）。
一方、外気温度が０℃以下の場合には、室外熱交換器２３において霜が付いて熱を吸収できないと判断し、水熱交換器３１の単独運転に切り替える（Ｓ３）。
なお、ここで０℃を判断基準としているが、これは室外熱交換器２３において霜が付く温度の例示であって、この前後に幅がある数字である。

また、制御部３７は、外気温度が０℃以下の場合には、水熱交換器３１でのエンジン冷却水から付与する熱量を増加させる必要があると判定し、エンジン運転点の変更、すなわち、点火時期の遅角および燃料ガス濃度の増加を所定量行う（Ｓ４）。
そして、吐出圧力センサ４１の測定値から圧縮機１７の吐出圧力が設定値より大きいか小さいかを比較する（Ｓ５）。
圧縮機１７の吐出圧力が設定値より低い場合には、ガスエンジン５３の回転数を増加させるとともに再度エンジン運転点の変更を所定量行う（Ｓ６）。その後、ステップＳ５に戻り、吐出圧力センサ４１の測定値と吐出圧力の設定値とを比較して、設定値より低い場合には、ステップＳ６を行う。これを吐出圧力センサの測定値が、吐出圧力の設定値を超えるまで行う。

吐出圧力センサ４１の測定値が、吐出圧力の設定値を超えると、ガスエンジン５３へ供給されるエンジン冷却水の温度の設定を低下させ、例えば、略７０℃から略６０℃とする（Ｓ７）。
この時の第二流量制御弁６８の調節は、前述の約７０℃と設定した場合で説明したのと同様であるので、重複した説明は省略する。
このように、ガスエンジン５３へ供給されるエンジン冷却水の温度の設定を略６０℃に平価させると、前述のとおりエンジン効率が低下し、排熱が増加するので、水熱交換器３１におけるエンジン冷却水から冷媒への熱付与量が増加し、暖房能力を増加させることができる。

また、エンジン冷却水から付与する熱量を増加させる手段として、点火時期調整装置、燃料供給量調整装置およびガスエンジン５３へ流入されるエンジン冷却水の温度を低下させることを組み合わせて行っているので、暖房能力の増加幅を大きくすることができる。
なお、求められる暖房能力の増加量に対応して、各手段を単独で用いるようにしてもよい。

また、ここでは、まず外気温度をエンジン冷却水から付与する熱量を増加させる必要があるという判定基準としたが、これに限定されるものではなく、これを示すものであればよく、例えば、暖房負荷の判定を圧縮機１７の吐出圧力あるいは吸入圧力としてもよいし、圧縮機の回転数としてもよい。

本発明の一実施形態にかかるＧＨＰの全体構成を示す回路図である。 本発明の一実施形態にかかるガスエンジン系の主要部の暖気運転時を示す回路図である。 本発明の一実施形態にかかるガスエンジン系の主要部の冷房運転時を示す回路図である。 本発明の一実施形態にかかるガスエンジン系の主要部の暖房運転時を示す回路図である。 本発明の一実施形態にかかるＧＨＰの作用を示すフロー図である。 本発明の一実施形態にかかるガスエンジンのＰＶ線図である。

符号の説明

１ ＧＨＰ
３ 室内ユニット
５ 室外ユニット
７ 冷媒回路
９ 室内熱交換器
１７ 圧縮機
３１ 水熱交換器
３７ 制御部
５３ ガスエンジン
５４ 第一冷却水回路
５６ 第二冷却水回路
５８ バイパス冷却回路
６３ ラジエータ
６５ 排気ガス熱交換器

Claims (3)

1. 冷媒を圧縮して冷媒回路を循環させる圧縮機を駆動するガスエンジンと、
   ガスエンジンの排ガスと冷却水との間で熱交換を行う排気ガス熱交換器と、
   前記冷却水と外気との間で熱交換を行うラジエータと、
   前記冷却水と前記冷媒との間で熱交換を行う水熱交換器と、
   前記排気ガス熱交換器、前記ガスエンジン、前記ラジエータおよび前記水熱交換器を接続して冷却水を循環させる冷却水回路と、を備えた室外ユニットにおいて、
   前記ラジエータおよび前記水熱交換器への冷却水供給量を調節し、前記ガスエンジンへ流入する前記冷却水の温度を調節する制御手段を備えたことを特徴とする室外ユニット。
2. 前記制御手段は、暖房運転時に冷媒回路の室外熱交換器に霜が着く外気温度になった場合に、前記エンジンへ流入する前記冷却水の温度を低下させるように調節することを特徴とする請求項１に記載の室外ユニット。
3. 請求項１または請求項２に記載の室外ユニットと、
   該室外ユニットから供給される冷媒と室内空気との間で熱交換させる室内熱交換器を備えた室内ユニットと、を備えていることを特徴とする空気調和装置。
   

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