JP2006317052A - 自家発電機能付エンジンヒートポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】空気調和装置（ヒートポンプ）の圧縮機をエンジンにて駆動させるエンジン駆動式ヒートポンプでは、１台の室外機に複数台の室内機が設置された場合など、１台の圧縮機で様々な負荷の運転を必要とされる。ここでエンジンの回転数にて圧縮機の負荷調整をする場合は、エンジンの燃費の悪い領域にて運転しなければならないことがある。そこで、本発明の課題はエンジンを効率の良い領域にて定回転させ、様々な空調負荷に対応させることにある。
【解決手段】エンジン１、圧縮機２、室内熱交換器１１、室外熱交換器１２を有するエンジン駆動式ヒートポンプ５において、発電電動機４を介して該エンジン１及び該圧縮機２が連動する構成とし、該発電電動機４を商用電源を駆動源とする電動機として、又は、該発電電動機４を発電機として使用する。
【選択図】図２

Description

本発明は、ガスエンジンなどのエンジンで発電機を駆動し、その発電出力で冷暖房を行うように構成した発電機能付きエンジン駆動ヒートポンプの技術に関する。

従来、空気調和装置（ヒートポンプ）の圧縮機をエンジンにて駆動させるエンジン駆動式ヒートポンプの技術は公知となっている。しかし、例えば１台の室外機に複数台の室内機が設置された場合など、１台の圧縮機で様々な負荷の運転を必要とされるので、エンジンの回転数にて圧縮機の負荷調整をする場合は、エンジンの燃費の悪い領域にて運転しなければならないこともあった。
そこで、特許文献１では圧縮機を駆動する電動モーターに電力を供給するに当たって、エンジンにて駆動される発電機を用いる構成が開示されている。該構成では発電機より外部へ電力を供給する電力取り出し部を設けている。該電力取り出し部は、エンジンが効率の良い定回転出力にての電力より、要求される空調負荷を得るのに必要な圧縮機駆動電力を減じた余剰電力を外部に供給できる。つまり、圧縮機の運転負荷によらずエンジン出力を一定にする構成を可能としている。
特開２００３―１１４０６８号公報

前述の特許文献１に示されたエンジン駆動式ヒートポンプでは、要求される空調負荷を得るのに必要な圧縮機駆動電力が、期待する効率の良い一定の回転出力であるエンジン出力にて発電機より得られる電力より小さければ、確かに効率の良い一定の回転出力にてエンジン駆動することが可能である。
しかし、逆の場合即ち、要求される空調負荷を得るのに必要な圧縮機駆動電力が、期待する効率の良い一定の回転出力であるエンジン出力より発電機で得られる電力より大きければ、該圧縮機駆動電力に応じた電力を供給するようにエンジン駆動する必要がある。
ここで、解決しようとする問題は、エンジン駆動式ヒートポンプにおいて、部分負荷の場合でも期待する効率の良い一定の回転出力でエンジンを駆動させることである。

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。

即ち、請求項１においては、エンジン、圧縮機、室外熱交換器、室内熱交換器を有するエンジンヒートポンプにおいて、発電電動機を介して該エンジン及び該圧縮機が連動する構成とし、該発電電動機を、商用電源を駆動源とする電動機として使用して、該エンジンを始動する構成としたものである。

請求項２においては、エンジン、圧縮機、室外熱交換器、室内熱交換器を有するエンジンヒートポンプにおいて、発電電動機を介して該エンジン及び該圧縮機が連動する構成とし、所定の部分負荷運転では、該発電電動機を、商用電源を駆動源とする電動機として使用して、該圧縮機を駆動する構成としたものである。

請求項３においては、エンジン、圧縮機、室外熱交換器、室内熱交換器を有するエンジンヒートポンプにおいて、発電電動機を介して該エンジン及び該圧縮機が連動する構成とし、所定の部分負荷運転では、該エンジンを所定出力で運転し、該エンジンの出力により該発電電動機及び該圧縮機を駆動して該システムに電力を供給すると共に冷媒を吐出及び吸入する構成としたものである。

請求項４においては、エンジン、圧縮機、室外熱交換器、室内熱交換器を有するエンジンヒートポンプにおいて、発電電動機を介して該エンジン及び該圧縮機が連動する構成とし、所定以上の負荷運転では、該発電電動機を、商用電源を駆動源とする電動機として使用し、該発電電動機及び該エンジンの双方によって該圧縮機を駆動する構成としたものである。

請求項５においては、エンジン、該エンジンで駆動される可変容量型圧縮機及び発電機、室外熱交換器、室内熱交換器を有するエンジンヒートポンプにおいて、該エンジンを所定出力で固定運転し、該圧縮機の容量制御で空調負荷を調整して、該空調負荷と該発電機駆動動力との和が該エンジン出力と釣合う構成としたものである。

本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。

請求項１においては、エンジン始動用のセルモータを排除できるので、自家発電機能付エンジンヒートポンプのコンパクト化が図ることができる。

請求項２においては、エンジン燃費の悪い領域での運転を回避できるので、自家発電機能付エンジンヒートポンプの実働燃費の向上が図ることができる。

請求項３においては、部分負荷運転でも、エンジン燃費の悪い領域での運転を回避できる共に自家発電機能付エンジンヒートポンプの必要電力の一部又は全部を自己給電できるので、自家発電機能付エンジンヒートポンプの消費電力を加味した総合効率の向上が図ることができる。

請求項４においては、エンジン出力を超える空調負荷にも対応でき、自家発電機能付エンジンヒートポンプの空調対応範囲を拡大できる。

請求項５においては、エンジンの燃費の良い領域での運転を実現できる。また、エンジン出力の固定化によりエンジン廃熱が安定し、廃熱利用の利便性を向上させることができる。

次に、発明の実施の形態を説明する。
図１は本発明の第１実施例に係るエンジン駆動式ヒートポンプの構成を示した冷媒回路図、図２は同じく出力の経時的変化を示すグラフ、図３は本発明の第２実施例に係るエンジン駆動式ヒートポンプの構成を示した冷媒回路図、図４は同じく出力の経時的変化を示すグラフである。

＜ヒートポンプ冷媒回路＞
ここで、本発明の実施例１及び実施例２に係るエンジン駆動式ヒートポンプの冷媒回路について、１台の室外機に１台の室内機が接続された場合について図１を用いて説明する。

本発明に係る分離型の空気調和装置は、室外熱交換器１２、圧縮機２等を備えて且つ室外に設置される室外機９と、室内熱交換器１１を備え且つ室内に設置される室内機８とを備え、これら室外機９と室内機とを連絡配管によって接続して一連の冷媒循環系を構成している。

分離型の空気調和装置は、冷媒を圧縮する圧縮機２と、圧縮機２の吐出側に接続され冷房時及び暖房時で冷媒の流れを切り換える四方弁２０と、冷房時に圧縮機２から四方弁２０を介して冷媒が供給される室外熱交換器１２と、暖房時に圧縮機２から四方弁２０を介して冷媒が供給される室内熱交換器１１と、室外熱交換器１２及び室内熱交換器１１間に配設される室外熱交換器用膨張弁１４及び室内熱交換器用膨張弁１３と、を有しており、これらで構成される冷媒サイクルを用いるものである。

前記圧縮機２は、その吸入側からガス冷媒を吸引・圧縮し、高温・高圧のガス冷媒を吐出する。他方、圧縮機２の吐出側には、吐出ラインを構成する経路２１を介して前記四方弁２０が接続されており、この経路２１にはガス冷媒中に含まれる冷凍機油を分離して圧縮機２の吸入側に戻すためのオイルセパレータ１６が設けられている。すなわち、圧縮機２から吐出されるガス冷媒は、オイルセパレータ１６を介して前記四方弁２０へと流入し、この四方弁２０にて所定の方向に導かれる。また、圧縮機２に吸引されるガス冷媒も四方弁２０にて導かれるため、圧縮機２の冷媒吸入側と四方弁２０とは吸入ラインを構成する経路２２により接続されている。

前記四方弁２０は、前記室内熱交換器１１の一端側に接続されており、この室内熱交換器１１の他端側には、前記冷媒液レシーバ１５が接続されている。さらに、レシーバ１５と室内熱交換器１１の間には室内熱交換器用膨張弁１３が配設されている。また、同じく四方弁２０には、前記室外熱交換器１２が接続されており、この室外熱交換器１２と室内熱交換器１１とを接続する経路２３には、前記室外熱交換器用膨張弁１４が設けられている。
ここでは、実際の冷房運転・暖房運転の詳細は本発明と直接に関係しないので説明は省略する。

次に、前述のヒートポンプ冷媒回路を用いて実施例１を、同じく図１を用いて説明する。
図１に示すように、エンジン１を発電電動機４を介して圧縮機２と連動させ、一つのパッケージ内に収納する構成とする。ここで圧縮機２は駆動源（エンジン１及び発電電動機４）に対し、クラッチ６にて「入」「切」でき、エンジン１と発電電動機４はクラッチ７にて「入」「切」できるものとする。つまり、エンジン１の出力軸（クランク軸）と発電電動機４の出力軸と圧縮機２の入力軸はそれぞれクラッチ６・７を介して連動連結され、クラッチ６・７は電磁クラッチとしてコントローラ１０と接続されて、「入」「切」制御される。
ここで、エンジン１による出力で発電電動機４を駆動させた際に、発電された電力は電源回路３２より外部の電気機器又はエンジン駆動式ヒートポンプ５の電装品１９に供給される。図中では省略しているが、前述のエンジン駆動式ヒートポンプ５に供給された電力は、該エンジン駆動式ヒートポンプ５に備えられた室内機ファン１７やルーバーの電動機（モーター）や室外機ファン１８の電動機やクラッチ６・７のソレノイドなどのアクチュエータ電源や、コントローラ１０、ランプ、表示パネル等の電装品に供給される。
また、発電電動機４は外部より供給される商用電源３１によって、電動機として圧縮機２を駆動させることも可能である。

＜部分負荷運転＞
ここで、エンジン１は燃費の良い領域にて定回転しているものとする。
該定回転での発電電動機４にて発電される電力が、エンジン駆動式ヒートポンプ５で要求される空調負荷を得るのに必要な圧縮機２の駆動電力より大きい場合、つまり部分負荷運転について説明する。
部分負荷運転となる所定の回転状況では、エンジン１の出力で圧縮機２を駆動すると共に連動している発電電動機４を発電機として使用し、電源回路３２より外部に電力を供給することにする。言い換えれば効率よく運転しているエンジン１から本来必要な圧縮機２のエネルギーの余剰分を外部に電力として供給する（売電も可能）ことにしている。ここで、電源回路３２より供給される電力はエンジン駆動式ヒートポンプ５の各アクチュエータ（室内機ファン１７の電動機又は室外機ファン１８の電動機）や電装品１９に利用しても良いし、その他外部機器にての使用も可能である。

また、前述の部分負荷運転において、エンジン１を作動させて圧縮機２を駆動するよりも、商用電源３１から電力を供給して発電電動機４を駆動したほうがコストが低くなる軽負荷の場合には、エンジン１を停止して、発電電動機４は商用電源３１にて駆動される電動機として使用する。つまり、本来必要な圧縮機２のエネルギーは商用電源３１のみにて駆動する。なお、エンジン１と発電電動機４との間には前記クラッチ７が配置されており、発電電動機４のみで圧縮機２を駆動する場合にはこのクラッチ７を「断」とする。また、負荷を検知する手段とエンジン１の始動回路またはエンジンコントローラはコントローラ１０と接続されて、エンジン１の作動は制御されている。

＜過負荷運転＞
ここでも、エンジン１は燃費の良い領域にて定回転しているものとする。
該定回転での発電電動機４にて発電される電力が、エンジン駆動式ヒートポンプ５で要求される空調負荷を得るのに必要な圧縮機２の駆動電力より小さい場合、つまり過負荷運転について説明する。
該運転状況では、エンジン１の出力で圧縮機２を駆動すると共に、連動している発電電動機４は外部の商用電源３１から電力を供給して電動機として使用する。言い換えれば、エンジン１は燃費等効率の良い状態（例えば定格回転）で運転させておき、この状態を上回る負荷が発生したときには、その負荷に必要な電力を商用電源３１から電力を供給して圧縮機２を駆動するようにしている。

実施例１では、部分負荷運転及び過負荷運転共に、エンジン１を燃費の良い領域にて定回転させる又は停止することのみで、エンジン駆動式ヒートポンプ５で要求される空調負荷を得る構成を可能にしている。
このような構成にて、経時的に要求される空調負荷の変動への対応例を図２に示す。ここで、図２ではエンジン１の燃費の良い領域にて定回転を直線ＨＥで表し、エンジン駆動式ヒートポンプ５で要求される空調負荷を曲線Ｆで表している。下記に経時変化を本実施例の運転構成ごとに区分けし、それぞれを説明する。
（１）エンジン１の定回転に対して空調負荷が小さく部分負荷である。図中ＨＧで示した部分を発電電動機４の発電電力にて外部へ供給する。
（２）エンジン１の定回転に対して空調負荷が大きく過負荷である。図中ＨＭで示した部分を発電電動機４の駆動力にて補う。
（３）エンジン１の定回転に対して空調負荷が小さく部分負荷である。図中ＨＧで示した部分を発電電動機４の駆動力として該駆動力のみで運転する。

＜セルモーター廃止＞
従来、エンジン始動の際にはセルモーターの配置が不可欠であったが、本実施例では該セルモーターを廃止できる。
即ち、エンジン１の始動の際にはクラッチ６にて圧縮機２と駆動源（エンジン１及び発電電動機４）との間を遮断し、負荷がかかっていない状態で、商用電源３１より発電電動機４を電動機として使用してエンジンを始動させる。なおこの時クラッチ７は「接」としておく。

次に、前述のヒートポンプ冷媒回路を用いて実施例２を、同じく図３を用いて説明する。
本実施例２は前述の実施例１について、圧縮機２を可変容量型圧縮機３に置き換え、発電電動機４を該可変容量型圧縮機３とは連動させずに独立させ、エンジン１に接続した構成としている。

＜部分負荷運転＞
ここで、エンジン１は燃費の良い領域にて定回転しているものとする。
該定回転での駆動力が、エンジン駆動式ヒートポンプ５で要求される空調負荷を得るのに必要な圧縮機２の駆動電力より大きい場合、つまり部分負荷運転について説明する。
ここでは余剰な駆動力にて発電電動機４を発電機として使用し、外部へ供給する。ここで、電源回路３２より供給される電力はエンジン駆動式ヒートポンプ５の各アクチュエータ（室内機ファン１７の電動機又は室外機ファン１８の電動機）にて利用しても良いし、その他外部機器にての使用も可能である。

＜過負荷運転＞
ここでも、エンジン１は燃費の良い領域にて定回転しているものとする。
該定回転での発電電動機４の駆動力が、エンジン駆動式ヒートポンプ５で要求される空調負荷を得るのに必要な圧縮機２の駆動電力より小さい場合、つまり過負荷運転について説明する。
該運転状況では、可変容量型圧縮機３の容量を低下させエンジン１の駆動力に合わせる制御を実施する。ここで、可変容量型圧縮機３の容量を低下させる具体的な方法としては、複数台の圧縮機運転の場合は運転台数減が挙げられる。

実施例２では、部分負荷運転及び過負荷運転共に、エンジン１を燃費の良い領域にて定回転させる構成を可能にしている。
このような構成にて、経時的に要求される空調負荷の変動への対応例を図２に示す。
ここで、図２ではエンジン１の燃費の良い領域にて定回転を直線ＨＥで表し、エンジン駆動式ヒートポンプ５で要求される空調負荷を曲線Ｆで表している。下記に経時変化を本実施例の運転構成ごとに区分けし、それぞれを説明する。
（１）エンジン１の定回転に対して空調負荷が小さく部分負荷である。図中ＨＧで示した部分を発電電動機４の発電電力にて外部供給する。
（２）エンジン１の定回転に対して空調負荷が大きく過負荷である。図中ＨＢで示した部分を、可変容量型圧縮機３の容量を低下させることでエンジン１の定回転に合わせる。
（３）（１）同様とする。

本発明の第１実施例に係るエンジン駆動式ヒートポンプの構成を示した冷媒回路図。 同じく出力の経時的変化を示すグラフ。 本発明の第２実施例に係るエンジン駆動式ヒートポンプの構成を示した冷媒回路図。 同じく出力の経時的変化を示すグラフ。

符号の説明

１ エンジン
２ 圧縮機
３ 可変容量型圧縮機
４ 発電電動機
５ エンジン駆動式ヒートポンプ
３１ 商用電源
３２ 電源回路

Claims (5)

1. エンジン、圧縮機、室外熱交換器、室内熱交換器を有するエンジンヒートポンプにおいて、
   発電電動機を介して該エンジン及び該圧縮機が連動する構成とし、該発電電動機を、商用電源を駆動源とする電動機として使用して、該エンジンを始動する構成としたことを特徴とするエンジンヒートポンプ。
2. エンジン、圧縮機、室外熱交換器、室内熱交換器を有するエンジンヒートポンプにおいて、
   発電電動機を介して該エンジン及び該圧縮機が連動する構成とし、所定の部分負荷運転では、該発電電動機を、商用電源を駆動源とする電動機として使用して、該圧縮機を駆動する構成としたことを特徴とするエンジンヒートポンプ。
3. エンジン、圧縮機、室外熱交換器、室内熱交換器を有するエンジンヒートポンプにおいて、
   発電電動機を介して該エンジン及び該圧縮機が連動する構成とし、所定の部分負荷運転では、該エンジンを所定出力で運転し、該エンジンの出力により該発電電動機及び該圧縮機を駆動して該システムに電力を供給すると共に冷媒を吐出及び吸入する構成としたことを特徴とするエンジンヒートポンプ。
4. エンジン、圧縮機、室外熱交換器、室内熱交換器を有するエンジンヒートポンプにおいて、
   発電電動機を介して該エンジン及び該圧縮機が連動する構成とし、所定以上の負荷運転では、該発電電動機を、商用電源を駆動源とする電動機として使用し、該発電電動機及び該エンジンの双方によって該圧縮機を駆動する構成としたことを特徴とするエンジンヒートポンプ。
5. エンジン、該エンジンで駆動される可変容量型圧縮機及び発電機、室外熱交換器、室内熱交換器を有するエンジンヒートポンプにおいて、
   該エンジンを所定出力で固定運転し、該圧縮機の容量制御で空調負荷を調整して、該空調負荷と該発電機駆動動力との和が該エンジン出力と釣合う構成としたことを特徴とするエンジンヒートポンプ。

Images