JP2007010291A - 空気調和機 - Google Patents

Abstract

【課題】 電気駆動式圧縮機とエンジン駆動式圧縮機を組み合わせた複合型空調機において、ピーク電力を抑制する。
【解決手段】 ガスエンジン２を動力源とするエンジン駆動式圧縮機１と電動機を動力源とする電気駆動式圧縮機３を並列に備え、前記圧縮機により圧縮された冷媒が循環される室外熱交換器５および複数の室内熱交換器１０を含んでなるヒートポンプ式空気調和機であって、空気調和機の使用条件に合わせ運転する圧縮機を選択するとともに容量制御を行なう室外制御部１２を備え、前記室外制御部１２は、前記電動機に供給される電力と別途入力される他の装置の使用電力の合計が予め設定された上限値を超えないように、前記電動機に供給される電力使用量の最大値を設定するように構成されている電力量制限手段を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明はエンジンを動力源とする圧縮機と電動機を動力源とする圧縮機を用いるヒートポンプ式空気調和機に係り、特に運転する圧縮機の選択と制御に関する。

空気調和機の圧縮機の動力源としては、主に電動機を駆動源とするタイプと主にエンジンを駆動源とするタイプの２種類があり、空気調和機の形態として、電動機駆動式圧縮機を搭載した空気調和機（ＥＨＰ）とエンジン駆動式圧縮機を搭載した空気調和機（ＧＨＰ）の２種類の形態に分類される。ＧＨＰは、ＥＨＰと比較し電気の使用量が極めて少ない、暖房運転時におけるエンジン排熱の有効利用によりＥＨＰと比較し暖房運転に有利である等の利点がある。この理由によりマルチ型空気調和機の市場においては、ＧＨＰの台数が伸びている。更に、近年においては、特許文献１にあるように、低負荷時の効率低下を防ぐべく空気調和機内に発電機を設けたり、商用電源を利用することにより過負荷運転時の補助とし電気駆動式圧縮機を設けたりする等、エンジン駆動式圧縮機と電気駆動式圧縮機を組み合わせした複合型空調機も検討されている。

特許文献２には、エンジンによって駆動される圧縮機と電動モータによって駆動される圧縮機を並列に組み込み、電動モータによって駆動される圧縮機の容量を、エンジンによって駆動される圧縮機の容量よりも小さくした例が示されている。そして、空調負荷が大きいときはエンジンによって駆動される圧縮機と電動モータによって駆動される圧縮機の双方を運転し、空調負荷が低下して所定の低負荷に達すると、エンジンを停止して電動モータによって駆動される圧縮機のみを運転する運転方法が開示されている。

特許文献３には、容量の異なる複数の圧縮機と、それぞれの圧縮機に対応して設けられた複数の駆動手段と、求められる負荷の大きさに応じて前記複数の圧縮機を個々に駆動させたり組み合わせて駆動させたりする制御手段を備えた空気調和装置が示されている。

特開２００１−２７２１３４号公報（第３頁） 特開平０８−２１９５８０号公報（第２頁） 特開２００３−５６９３１号公報（第２頁）

特許文献１に示す複合型空気調和機においては、発電機内蔵や、補助的に電気駆動式圧縮機を搭載する等空気調和機全体が高価となる可能性があり、経済的でないという問題がある。

また、近年のマルチ型空気調和機は大容量化が進み、ＧＨＰで大容量化に対応する場合、駆動源であるエンジンの大型化はもとよりエンジン冷却用のラジエター等が大型化しユニットサイズが大型化するため小容量運転時のエネルギー効率が大きく低下する問題がある。特許文献２，３記載の装置は、エンジン駆動の圧縮機よりも小容量の電動機駆動の圧縮機を設け、求められる負荷の大きさに応じて前記複数の圧縮機を個々に駆動させたり組み合わせて駆動させたりすることで、要求される冷房能力或いは暖房能力に対応するとともに、空気調和機の効率を向上させるものである。一方、夏期は要求される冷房容量が増大し、それにつれて、電動機駆動の圧縮機を運転する時間や、電動機駆動の圧縮機の出力が増加し、電力消費が増える。このような冷房のための電力の増加により、いわゆるピーク電力が高くなり、ピーク電力を抑制あるいは低減するための努力が求められているが、上記各特許文献記載の従来技術においては、ピーク電力を抑制あるいは低減する点について配慮が十分ではない。

本発明は、電気駆動式圧縮機とエンジン駆動式圧縮機を組み合わせた複合型空調機において、ピーク電力を抑制することを課題とする。

本発明は、上記課題を解決するため、エンジンを動力源とする圧縮機と電動機を動力源とする圧縮機を並列に備え、前記圧縮機により圧縮された冷媒が凝縮される凝縮用熱交換器および前記凝縮された冷媒が蒸発する複数の蒸発用熱交換器を含んでなるヒートポンプ式空気調和機に、空気調和機の使用条件に合わせ運転する圧縮機を選択するとともに容量制御を行なう制御手段を備え、前記制御手段を、前記電動機に供給される電力の最大値を、前記電動機の定格値未満の値に設定する電力量制限手段を含んで構成したものである。

上記構成によれば、前記電動機に供給する電力を前記電動機の定格値未満の値に設定することが可能になり、使用電力を制限してピーク電力を低減させることができる。

前記電力量制限手段は、前記電動機に供給される電力と別途入力される他の装置の使用電力の合計が予め設定された上限値を超えないように、前記電動機に供給される電力使用量の最大値を設定するように構成されていることが望ましい。空気調和機の消費電力は、その空気調和機が設置されている施設の他の設備の消費電力と合計された値に対して費用が発生するし、前記合計された値のピーク電力の低減が要求される。したがって、前記電動機に供給される電力と別途入力される他の装置の使用電力の合計が予め設定された上限値を超えないように、前記電動機に供給される電力使用量の最大値を設定することにより、当該空気調和機が設置された施設のピーク電力の低減が可能になる。

また、前記制御手段は、前記電動機に供給可能な電力が予め設定された下限値以下になった場合、
イ・電動機を動力源とする圧縮機のみが運転中だったときは電動機を停止するとともに、エンジンを動力源とする圧縮機を起動する、
ロ・電動機を動力源とする圧縮機とエンジンを動力源とする圧縮機の双方が運転中でエンジンを動力源とする圧縮機の出力が最大値未満だったときは電動機を停止するとともに、エンジンを動力源とする圧縮機の出力を増加する、
ハ・電動機を動力源とする圧縮機とエンジンを動力源とする圧縮機の双方が運転中でエンジンを動力源とする圧縮機の出力が最大値だったときは電動機を停止するとともに、エンジンを動力源とする圧縮機の出力はそのままとし、空気調和機の出力を低下させる、
ように構成されていることが望ましい。

このように構成することで、電動機で駆動される圧縮機を停止した場合の対応が可能になる。

本発明により、電気駆動式圧縮機とエンジン駆動式圧縮機を組み合わせた複合型空調機において、ピーク電力を抑制することが可能になる。

以下、本発明の実施の形態に係るヒートポンプ式空気調和機を、図面を参照して説明する。図１に本実施の形態に係るヒートポンプ式空気調和機の要部構成を示す。図示のヒートポンプ式空気調和機は、室外ユニット９と、この室外ユニット９に接続された３基の室内ユニット１０−１、１０−２、１０−３で構成されている。

室外ユニット９は、動力源のガスエンジン２と、ガスエンジン２で駆動されるエンジン駆動式圧縮機１と、電動機を内装し、この電動機で駆動される電気駆動式圧縮機３と、エンジン駆動式圧縮機１と電気駆動式圧縮機３に第１のポートを接続して設けられた四方弁４と、四方弁４の第２のポートに一方の端部を接続された室外熱交換器５と、四方弁４の第３のポート及びエンジン駆動式圧縮機１と電気駆動式圧縮機３に接続されたアキュムレータ６と、を含んで構成されている。図では、ガスエンジン２とガスエンジン２で駆動されるエンジン駆動式圧縮機１は１対のみ示されているが、同じものが２対、並列に接続されている。

室内ユニット１０−１、１０−２、１０−３は、それぞれ、室内熱交換器８と膨張弁７からなり、各室内熱交換器８の一方の端部は、前記膨張弁７を介装した配管により前記室外熱交換器５の他方の端部に接続されている。各室内熱交換器８の他方の端部は、配管を介して四方弁４の第４のポートに接続されている。

すなわち、エンジン駆動式圧縮機１または電気駆動式圧縮機３により圧縮した冷媒を室外熱交換器および室内熱交換器に循環させるヒートポンプ式空気調和機である。また、制御手段として、室外ユニット９に室外制御部１２、各室内ユニット１０−１、１０−２、１０−３にそれぞれ室外制御部１２に接続された室内制御部１３を備え、各室内制御部１３にはリモコン１１が配置されている。

室外制御部１２は、図４に示すように、運転モード設定部、運転機選択制御部、電力量制限手段を含んで構成されたコンピュータであり、電力量制限手段は、最大値設定部と許容値演算部からなっている。許容値演算部には図示されていない信号線により、同一施設内の他の設備の使用電力値がリアルタイムで入力されるようになっており、最大値設定部で設定された最大値から他の設備の使用電力値を減算した値が運転機選択制御部に出力される。運転モード設定部には、空気調和機運転者が後述する運転モードの設定を行う切替スイッチが設けられ、切替スイッチの信号が運転機選択制御部に入力されるようになっている。

前記最大値は、前記ヒートポンプ式空気調和機が設置されている施設における、使用電力の最大許容値、あるいは、上限目標値である。

運転機選択制御部には、室内制御部１３やリモコン１１の信号及び室外ユニットの各種センサの信号を受信するとともに、室内制御部１３やリモコン１１及びガスエンジン２や電気駆動式圧縮機３に制御信号を送信する機能を備え、入力されるそれら信号に基づいて、運転する圧縮機を選択し、かつ運転する圧縮機の運転制御を行なう。

なお、室外制御部１２には、空気調和機運転のための警報、表示等の他の機能もあるが、ここでは、本発明に関連のある部分のみを示し、他の機能、構成については、図示、説明を省略する。

また、本実施の形態においては、室内ユニットは３台接続されているが、台数は３台に限らず決められた容量範囲内において複数台の接続が可能である。以下詳細な圧縮機の運転方法について説明する。

本実施の形態においては、以下に述べる通常モード、電力節約モード、ピークカットモードの三つの運転モードの選択が可能になっている。運転機選択制御部は、運転モード設定部で設定された運転モードにしたがって、室内制御部１３やリモコン１１の信号及び室外ユニットの各種センサの信号を入力として、運転する圧縮機の選択及び選択した圧縮機の容量制御を行なう。

通常モード：このモードでは、ガスエンジン２は定格出力でのみ運転される。したがって、要求される冷房容量あるいは暖房容量がガスエンジン２の定格出力で駆動される圧縮機の容量以下の場合は、ガスエンジン２は運転されず、電気駆動式圧縮機３が運転される。図２に、３台の圧縮機の容量が、空気調和機の冷房容量の１／３づつの場合を例にとって、通常モードでの運転を説明する。
（１）室内ユニット運転容量が空気調和機の定格冷房能力の３３％以下の場合は、電気駆動式圧縮機３のみ運転し、要求容量に応じて、電気駆動式圧縮機３の出力を増減する。
（２）室内ユニット運転容量が同じく３３％〜６６％の場合、エンジン駆動式圧縮機１を１台定格出力で運転するとともに、電気駆動式圧縮機３の出力を要求容量に応じて、増減する。
（３）室内ユニット運転容量が同じく６６％以上の場合は、エンジン駆動式圧縮機１を２台定格出力で運転するとともに、電気駆動式圧縮機３の出力を要求容量に応じて、増減する。

すなわち、通常モードにおいては、エンジン回転数を定格回転数に固定し、容量変化にはインバータを使用した電気駆動式圧縮機３の出力を変えて対応することとなる。容量変化時においては、図２に示すようにインバータ制御により電気駆動式圧縮機３の出力を変化させ、要求される冷房容量（或いは暖房容量）が大きく変化した場合、エンジン駆動式圧縮機１の台数を変化し対応する形態とする。本モードにより、小容量運転時は電気駆動式圧縮機３単独で運転することとなり、ＧＨＰに対しエンジン定期点検間隔を長くすることが可能である。更にエンジン回転数を定速回転に保つことが出来高効率化が可能である。

電力節約モード：
通常モードの形態においては、容量変化への対応を電気駆動式圧縮機３の出力を変化させて実施する。したがって、通常モードでは常に電気駆動式圧縮機３が運転され、電力を消費する（但し、要求出力が、空気調和機定格出力の３３％、６６％に固定された場合は電力を消費しない）。エンジン回転数を一定に保つ方が効率は良いものの、電力需要を軽減する効果が薄い。そこで、電力節約モードを設け、図３に示すように、電気駆動式圧縮機３の運転範囲や容量変化範囲（上限側）に制限を設けることにより電力量を制限する。電気駆動式圧縮機３の運転範囲を制限した分は、ガスエンジン２の回転数変化および圧縮機の運転台数の増減により冷媒循環量を調節して空調機負荷を補う方式とする。

すなわち、要求出力が、空気調和機定格出力の１／６以下では、電気駆動式圧縮機３のみを運転し、要求出力が、空気調和機定格出力の１／６を超えたら、エンジン駆動式圧縮機１を１台起動（起動時５０％出力）して電気駆動式圧縮機３を停止する。要求出力が、さらに増加して空気調和機定格出力の３３％（１／３）を超えたら、エンジン駆動式圧縮機１をさらに１台起動し、エンジン駆動式圧縮機１の運転台数を２台に増加する。要求出力が空気調和機定格出力の６６％に達するまでは、エンジン駆動式圧縮機１の出力増加で対応し、要求出力が空気調和機定格出力の６６％を超えたら、エンジン駆動式圧縮機１の出力を、定格出力を上回る最大出力まで引き上げるとともに、電気駆動式圧縮機３を起動して対応する。

この結果、図３のハッチング部分の電力が不要になり、電力消費が低減される。ピークカットモード：
上述の２つの運転モードでは、電力量制限手段から運転機選択制御部に入力される信号は制御に利用されていない。前記最大値設定部には、空気調和機が設置されている施設の、空気調和機と他の設備を含む全体の許容最大使用電力値が設定される。電力量制限手段からは、前記最大値設定部に設定された許容最大使用電力値から当該施設の他の設備で使用される電力（他設備使用電力値）を減じた電気駆動式圧縮機に許容される電力値、すなわち電気駆動式圧縮機許容電力値が運転機選択制御部に入力されている。本モードは、電力量制限手段から運転機選択制御部に入力される信号すなわち電気駆動式圧縮機許容電力値により、電気駆動式圧縮機３に供給する電力量を制限する運転モードである。なお、運転機選択制御部には、前記電動機に供給可能な電力の下限値Ｐｓ、つまり、それ以下では電動機が圧縮機を適切に駆動することができない電力値が予め設定されている。また、この運転モードが選択された場合、室外ユニット９は基本的に、前記電力節約モードで運転される。

ピークカットモードにおいては、運転機選択制御部は、電力量制限手段から入力される前記電気駆動式圧縮機許容電力値Ｐｍとその時点で電気駆動式圧縮機３に供給されるべき電力値Ｐａ及びＰｓを常に対比し、その結果に応じて制御する。
１・Ｐｍ≧Ｐａであれば、電力値Ｐａを供給する。
２・Ｐｍ＜Ｐａの場合、さらに、Ｐｍ＜Ｐｓかどうかを判断し、Ｐｍ＜Ｐｓになった場合、次のように制御する。
イ・電気駆動式圧縮機のみが運転中だったときはその圧縮機を停止するとともに、エンジン駆動式圧縮機を起動する
ロ・電気駆動式圧縮機とエンジン駆動式圧縮機の双方が運転中でエンジン駆動式圧縮機の出力が最大値未満だったときは電動機を停止するとともに、エンジンを動力源とする圧縮機の出力を増加する
ハ・電気駆動式圧縮機とエンジン駆動式圧縮機の双方が運転中でエンジン駆動式圧縮機の出力が最大値だったときは電動機を停止するとともに、エンジン駆動式圧縮機の出力はそのままとし、空気調和機の出力を低下させる
３・Ｐｓ＜Ｐｍ＜Ｐａの場合、次のように制御する。
ニ・電気駆動式圧縮機のみが運転中だったときはその電動機に供給する電力ＰｂをＰｍまで低下させて圧縮機の出力を低下させるとともに、エンジン駆動式圧縮機を起動する
ホ・電気駆動式圧縮機とエンジン駆動式圧縮機の双方が運転中でエンジン駆動式圧縮機の出力が最大値未満だったときは電気駆動式圧縮機の電動機に供給する電力ＰｂをＰｍまで低下させて電気駆動式圧縮機の出力を低下させるとともに、エンジンを動力源とする圧縮機の出力を増加する
ヘ・電気駆動式圧縮機とエンジン駆動式圧縮機の双方が運転中でエンジン駆動式圧縮機の出力が最大値だったときは電気駆動式圧縮機の電動機に供給する電力ＰｂをＰｍまで低下させて圧縮機の出力を低下させるとともに、エンジン駆動式圧縮機の出力はそのままとし、空気調和機の出力を低下させる。

また、停電時を考慮し、前記電気駆動式圧縮機許容電力値Ｐｍと関係なく、エンジン駆動式圧縮機１のみで運転することも可能にしてある。エンジン駆動式圧縮機合計容量を全体の約６６％程度としているため、電気駆動式圧縮機３を運転しない場合、室外ファンに余力が出来、エンジン回転数を定格回転数以上に上昇させることが可能となる。従って、空調負荷が高い場合でも能力低下を最小限に抑えることが可能となる。結果全負荷運転が要求されるときに電気駆動式圧縮機３を運転しない場合にも、約７５％程度の空調機運転が可能である。

本実施の形態によれば、電気駆動式圧縮機とエンジン駆動式圧縮機を組み合わせた複合型空気調和機において、ピーク電力を抑制することが可能になる。

なお、上記いずれの場合も、エンジン駆動式圧縮機１の容量制御は、エンジン回転数制御により行ない、電気駆動式圧縮機３の容量制御はインバータを用いた回転数制御により行なう。

本発明の実施の形態に係るヒートポンプ式空気調和機の要部構成を示す系統図である。 本発明の実施の形態に運転モードの例を示す模式図である。 本発明の実施の形態に運転モードの他の例を示す模式図である。 図１に示すヒートポンプ式空気調和機の部分の詳細を示すブロック図である。

符号の説明

１ エンジン駆動式圧縮機
２ ガスエンジン
３ 電気駆動式圧縮機
４ 四方弁
５ 室外熱交換器
６ アキュムレータ
７ 膨張弁
８ 室内熱交換器
９ 室外ユニット
１０−１〜１０−３ 室内ユニット
１１ リモコン

Claims (3)

1. エンジンを動力源とする圧縮機と電動機を動力源とする圧縮機を並列に備え、前記圧縮機により圧縮された冷媒が循環される室外熱交換器および複数の室内熱交換器を含んでなるヒートポンプ式空気調和機であって、空気調和機の使用条件に合わせ運転する圧縮機を選択するとともに容量制御を行なう制御手段を備え、前記制御手段は、前記電動機に供給される電力の最大値を、前記電動機の定格値未満の値に設定する電力量制限手段を有してなることを特徴とするヒートポンプ式空気調和機。
2. 請求項１記載のヒートポンプ式空気調和機において、前記電力量制限手段は、前記電動機に供給される電力と別途入力される他の装置の使用電力の合計が予め設定された上限値を超えないように、前記電動機に供給される電力使用量の最大値を設定するように構成されていることを特徴とするヒートポンプ式空気調和機。
3. 請求項１又は２に記載のヒートポンプ式空気調和機において、前記制御手段は、前記電動機に供給可能な電力が予め設定された下限値以下になった場合、
   イ・電動機を動力源とする圧縮機のみが運転中だったときは電動機を停止するとともに、エンジンを動力源とする圧縮機を起動する、
   ロ・電動機を動力源とする圧縮機とエンジンを動力源とする圧縮機の双方が運転中でエンジンを動力源とする圧縮機の出力が最大値未満だったときは電動機を停止するとともに、エンジンを動力源とする圧縮機の出力を増加する、
   ハ・電動機を動力源とする圧縮機とエンジンを動力源とする圧縮機の双方が運転中でエンジンを動力源とする圧縮機の出力が最大値だったときは電動機を停止するとともに、エンジンを動力源とする圧縮機の出力はそのままとし、空気調和機の出力を低下させる、
   ように構成されていることを特徴とするヒートポンプ式空気調和機。
   

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