JP2007017026A - 発電機能付きガスヒートポンプ式空気調和装置 - Google Patents

Abstract

【課題】安定した電源を発生し、空気調和制御と発電を合わせて、効率のよい発電機能付き空気調和装置を提供する。
【解決手段】室外機、室内機を備えてガスエンジンにより駆動する圧縮機と、ガスエンジンにより駆動されて交流を出力する発電機と、交流を直流に変換する電力変換装置と、商用電源とを有する内燃機関駆動ヒートポンプ空気調和装置であって、電力変換装置を介して得られた電力を室外機の補機あるいは室内機の補機に供給するとき、発電機の出力電力が所定値以下になった場合に、発電機の発電を停止して室外機の補機あるいは室内機の補機には商用電源が供給される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ガスエンジンにより圧縮機を駆動するガスヒートポンプ式空気調和装置に関し、さらに詳細には、ガスエンジンで発電を行なうガスヒートポンプ式空気調和装置に関する発明である。

ガスエンジンにより圧縮機を駆動するガスヒートポンプ式空気調和装置において、ガスエンジンの余力を利用して交流発電機を駆動し発電するガスヒートポンプ式空気調和装置が知られている。

例えば、特許文献１には、圧縮機を駆動するガスエンジンにより駆動されて、交流の電気を出力する発電機を備えた発電装置が開示されている。この発電装置は、ガスエンジンの駆動力を用いて発電して、ガスエンジンにて駆動しながら、ガスヒートポンプに対する負荷の変動に伴ってガスエンジンの回転速度が増減される場合においても適切に発電する。
特開２００３−１６１５４１号公報

しかしながら、従来のガスヒートポンプ式空気調和装置には、次のような問題点があった。従来のガスヒートポンプ式空気調和装置は、発電装置が搭載されていても、原動機を搭載した分散型電源のように、要求電力に合わせて独立して、エンジン出力・回転数を制御できるものではない。すなわち、空気調和制御のためヒートポンプに対する負荷変動に伴い変化するエンジン回転数によって、発電される発電出力周波数と出力電圧が変動する。そのため、空調条件によっては、冷却ポンプやファンなどの補機の消費電力も変動する。

特許文献１に記載された発明においては、ガスエンジンの動力が空調負荷および発電負荷の合計より大きい場合は、必要電力は全て発電できるが、空調負荷および発電負荷の合計がガスエンジンの動力より小さい場合は、発電の不足分を商用電源より供給される。すなわち、ガスエンジンによって空気調和制御されるとき、併せて発電される余力を使用しており、空気調和制御と発電を合わせて全体で発電効率の高い発電を行なうような最適制御されたものではない。

そこで本発明は、室外機または室内機の補機に安定した電力を供給し、空気調和制御と発電を合わせて、効率のよい発電機能付き空気調和装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために講じた技術的手段は、室外機、室内機を備えてガスエンジンにより駆動する圧縮機と、ガスエンジンにより駆動されて交流を出力する発電機と、交流を直流に変換する電力変換装置と、商用電源とを有する内燃機関駆動ヒートポンプ空気調和装置であって、電力変換装置を介して得られた電力を室外機の補機あるいは室内機の補機に供給するとき、発電機の出力電力が所定値以下になった場合に、発電機の発電を停止して室外機の補機あるいは室内機の補機には商用電源が供給されることである。

そして、上記の課題を解決するために講じた第２の技術的手段は、電力変換装置を介して得られた電力は室外機あるいは室内機の補機に使用される電力の差分が、電力変換装置の出力側に配置される蓄電装置に蓄電されることである。

さらに、上記の課題を解決するために講じた第３の技術的手段は、発電機の出力電力が所定値より大きい場合には、ガスエンジンを空気比制御することである。

そして、上記の課題を解決するために講じた第４の技術的手段は、発電機の出力電力は発電機の出力側に配置されるカレントトランスで検出される電流値に基づいて検出されることである。

請求項１に記載の発明によれば、所定値をたとえば５００Ｗとした場合、発電機の出力電力が５００Ｗよりも小さい場合には、発電機による発電制御を行なわないようにする。従来技術による発電では、主に空気調和制御を行なうと同時に発電を行なうが、変動するガスエンジンの回転数に対しては、発電量のばらつきの少ない発電を実現するために発電制御を行なうのみであった。しかし本発明においては、空気調和制御を含めて、発電との全体でのエネルギー効率を考慮して、エネルギー効率を重視した発電を実現するかという点から、発電効率の悪いエンジンの低速域すなわち出力電力が５００Ｗよりも小さい場合には、発電制御を行なわないで、室外機あるいは室内機の補機を駆動する電力は、商用電源を使用するように制御を行なう。以上の制御を実施することで発電機による安定した電力を利用できるとともに、空気調和制御と発電を合わせて全体で効率の良い空気調和装置を提供することが可能となる。ここで室内機の補機とは、たとえば室内機用ファンおよび室内機で電気を使用する機器であり、室外機の補機とは、熱交換用ファン、冷却用ポンプおよび冷媒回路に配置されるボール弁などの電磁弁などである。

さらに、請求項２に示されるように、室外機あるいは室内機の補機に使用する電力以外の不要な電力は、電力変換装置の出力側に配置される蓄電装置を用いて蓄電する。そして、この蓄電された電力をガスヒートポンプ式空気調和装置の運転始動時に使用する。ガスエンジンを起動させる際には、電動でセルモータを回転させてクランキングさせる。このとき通常の制御時とは異なり、高電流が必要となる。このガスエンジン起動時に、全ての電力を商用電力によってまかなおうとすると、ガスエンジン起動時に必要な最大電流に基づいた電力契約を行わなければならない。しかし蓄電装置に蓄えられた余剰電力を利用することで、必要以上の容量で商用電力を契約することが抑制できる。

さらに請求項３に記載の発明によれば、発電機の出力電力が前記所定値より大きい場合には、ガスエンジンを空気比制御する。すなわち、エンジン回転数に対して、エンジン負荷が高トルクとなるように制御することを特徴としている。

請求項１に示すように発電量が所定電力より小さい場合、つまりエンジン負荷が低い場合は、エンジン効率も低下しているので、このような条件のもとで、発電を継続させても、全体的にはエネルギー効率が悪くなるので、ガスエンジンによる発電を停止する。このような条件のもとでは、商用電源を使用した空調装置の空調制御を行うので、エンジン負荷を考慮せずに発電を継続するよりも効率の高い、すなわちエンジン効率の高い運転が可能となる。また、発電が可能なエンジン回転数の駆動状態のもとでは、空気比制御が行われるので、ガスエンジンは負荷が高トルクとなるように制御される。つまり、吸入される空気量に対して、燃料供給量を変化する。その結果、発電効率が良好であるとともに空調制御を含めて全体で最適に制御される。

さらに発電機で発電される電力は、発電機の出力側に配置されるカレントトランスで検出される電流値と発電機のロータ回転数により算出される。

以下本発明に係るガスヒートポンプ式空気調和装置１００の実施例について、図面を参照しながら以下に説明する。図１は、本実施例のガスヒートポンプ式空気調和装置１００の構成図である。

ガスヒートポンプ式空気調和装置１００は、室外機１０、室内機３０、および室外機１０と室外機３０との間を冷媒が循環する冷媒循環通路１より構成される。

室外機１０は、主として圧縮機１３Ａ、１３Ｂを駆動するためのガスエンジン１１と、冷房時と暖房時で冷媒流路を流れる冷媒の流動する方向を切り替える四方弁１７と、ガス状の冷媒と液状の冷媒とを完全に分離するアキュムレータ１２と、空調のために冷媒の熱交換を行なう室外熱交換器１４と、暖房時にガスエンジンからの室温より高温の冷却水から冷媒に熱を与える二重管熱交換器１８とを有している。圧縮機１３Ａ、１３Ｂは、ガス状の冷媒を吸い込み、高圧のガス状の冷媒を吐出する。そしてガスエンジン１１には、発電機である同期モータ５２が接続されている。

室内機３０は、主として室内空気と冷媒とで熱交換を行なう室内熱交換器３１と、冷媒を膨張させる膨張弁３２とを有している。

つぎに、室内を冷房するときの作用を説明する。燃料ガスによりガスエンジン１１を駆動し、圧縮機１３Ａ、１３Ｂを駆動する。圧縮機１３Ａ、１３Ｂは、アキュムレータ１２のガス状の冷媒を吸引して圧縮し、高温高圧状態のガスとして吐出する。吐出されたガス状の冷媒は、オイルセパレータ１９において、冷媒からオイルが分離される。オイルが分離された冷媒は、四方弁１７により室外熱交換器１４に流入する。

高温高圧のガス冷媒は、室外熱交換器１４で外気により冷却され液化する。液化された冷媒は、フィルタドライヤ２２、ボール弁２３Ａ、ストレーナ３１ｎを経由して、膨張弁３２において膨張され低温となる。低温となった冷媒は、ストレーナ３１ｍを経て室内熱交換器３１に至り、室内空気を冷却する。次に冷媒は、室外機１０の二重管熱交換器１８を経て、アキュムレータ１２に戻される。冷房時には二重管熱交換器１８は冷媒に熱を与える必要がないので熱交換は行わない。冷媒は、アキュムレータ１２において、液状の冷媒とガス状の冷媒とに分離された状態で収納される。

つぎに、室内を暖房するときの作用を説明する。燃料ガスによりガスエンジン１１を駆動し、圧縮機１３Ａ、１３Ｂを駆動する。圧縮機１３Ａ、１３Ｂは、アキュムレータ１２のガス状の冷媒を吸引し圧縮し、高温高圧状態のガスとして吐出する。吐出されたガス状の冷媒は、オイルセパレータ１９において、冷媒からオイルが分離される。オイルが分離された冷媒は、四方弁１７よりボール弁２３Ｂを経て室内熱交換器３１に流入する。高温高圧の冷媒は、室内熱交換器３１で室内空気を加熱する。つぎに冷媒は、ストレーナ３１ｍを経て膨張弁３２で膨張され、ボール弁２３Ａ、フィルタドライヤ２２を経て、室外熱交換器１４に至る。そして、四方弁１７、二重熱交換器１８を経てアキュムレータ１２に戻る。

本実施例のガスヒートポンプ式空気調和装置１００においては、室外機１０の補機として、室外熱交換器１４に外気を送風する熱交換機用ファン１６、ガスエンジン１１を冷却するための冷却水ポンプ２１が設けられている。また、室内機３０には、室内熱交換器３１に送風する室内機用ファン３３、３４が設けられている。上記補機以外に電力を要するものとして、その他のモータや電磁弁、室外機用制御基板、室内機用制御基板、室内機３０の風向き板変更用モータなどが存在し、必要に応じて同期モータ５２で発電された電力を利用してもよい。

つぎに室外機１０の電気系統の構成をシステムブロック図として図２に示す。

ガスエンジン１１には、発電機である同期モータ５２がガスエンジン１１の回転に応じて発電するように接続されている。同期モータ５２からは、交流電線５３が３本出て、発電ＰＷＭコンバータ５０に接続されている。交流電線５３の３本のうち２本には、電流値を検出するためのカレントトランス５１が取り付けられている。そして発電ＰＷＭコンバータ５０の出力側からは、直流電線５４が２本出ている。この発電ＰＷＭコンバータ５０は、冷媒回路制御やガスエンジン制御を行なうメインコントローラ７０に接続される演算装置７５の演算結果に基づいて駆動指示されるドライブ回路７７により制御されている。

一方、発電ＰＷＭコンバータ５０に接続される変換器４０には交流の商用電源４１が接続されている。この変換器４０は６個のダイオード４２と、電解コンデンサ４４により構成されており、電解コンデンサ４４の両端で直流電圧が発生するように接続されている。そして、電解コンデンサ４４の両端の電圧を検出するための、電圧センサ４５が取り付けられている。電解コンデンサ４４の両端は、モータなどの補機９０が接続されたインバータ６０の入力側配線に接続されている。このインバータ６０は、モータコントローラ８０により制御されている。

電解コンデンサ４４の両端は、他にＤＣ／ＤＣコンバータ６２の入力側配線にも接続されている。ガスエンジン１１により通常の空調の運転制御が行われており、発電機である同期モータ５２によって発電がなされているときには、このＤＣ／ＤＣコンバータ６２は、発電された電力の一部を充電装置６５で蓄電するために、電圧変換を行っている。そして、充電装置６５に関する充電条件の制御は、充電制御装置６４で行なわれる。

ガスエンジン１１が起動する際には、スタータモータ６８が使用される。このガスエンジン１１の起動時には、予め充電装置６５に充電された電力を利用する。このように充電装置６５を利用することで、ガスエンジン１１を起動するために使用する、商用電源による電力を抑制できる。スタータモータ６８で使用する電源は一般には１６Ｖであるが、より高電圧にすれば電流を小さく設定できるので、必要とする電圧に設定するには、ＤＣ／ＤＣコンバータ６２の変換電圧や充電装置６５の充電電圧を調整すればよい。

つぎに、空調の運転制御について、図３、４のフローチャートを用いて説明する。室外機３０内に設置されたメインコントローラ７０より、温調運転開始の指令が発せられると、室外機３０の始動時制御が開始される。（Ｓ１０ステップ：以後ステップをＳで略す）この始動時制御の動作は、温調運転開始が正常に開始できるかを電気的にチェックする。また冷媒回路１内に設置されている圧力センサ（図示せず）の初期値をチェックしたり、冷媒流量を調整する初期設定を行なう。そして室内機１０の室内機用ファン３３、３４は送風状態に設定される。以上の一連の制御が完了すると、室外機３０の熱交換機用ファン１６を初期速度に制御する。（Ｓ１１）この熱交換機用ファン１６の回転により、ガスエンジン１１周りに滞留する気体をパージする。つぎに、冷却水ポンプ２１を始動させてガスエンジン１１に冷却水を循環させる。（Ｓ１２）ガスエンジン１１の始動は、予め充電装置に充電された電力を利用して、スタータモータ６８を用いて電動で起動させる。（Ｓ１３）そしてガスエンジン１１の始動後は、エンジンの回転数が一定となるように制御される。（Ｓ１４）
以後空気調和装置１００のガスエンジン１１による発電が可能となる。ガスエンジン１１が所定の条件に到達するまでは暖気運転が実施される。（Ｓ１５）この暖気運転の状態では、まだ空気調和装置１００による温調は実施されない。やがて、暖気が終了してガスエンジン１１の状態が温調を開始してもよい状態になると、コンプレッサ１３Ａのクラッチ（図示せず）が接続されて駆動を開始し、冷媒回路１内の冷媒が圧縮されて回路内を流動できるようになるので（Ｓ１６）、冷暖房の温調運転制御が開始される。（Ｓ１７）
この空調運転制御は、ガスエンジン１１の回転数とコンプレッサ１３Ａ、１３Ｂの接続台数を基に、メインコントローラ７０で室外機１０および室内機３０の運転条件が設定され制御される。室内機１０側の冷媒回路１ｄ、１ｅを流動する冷媒圧力と室内機用ファン３３、３４による室内熱交換器３１を通過する空気の吹き出し温度には相関があるので、ガスエンジン１１の回転数および室内機用ファン３３、３４の回転数を制御して調整する。この温調運転制御が開始されると、室外機３０の熱交換の条件に応じて、熱交換機用ファン１６の回転数制御が行われる。（Ｓ１８）正常に温調運転制御が開始されると、メインコントローラ７０が運転指令を発し、発電を開始するために発電ＰＷＭコンバータ５０が電気回路上で接続されて、実質的に発電を開始する。（Ｓ１９）
以上の発電が開始されるまでの、Ｓ１１ステップからＳ１８ステップまでの間は、交流の商用電源４１を用いて室外機１０の補機である冷却水ポンプ２１や熱交換機用ファン１６、室内機３０で使用する室内機用ファン３３、３４およびその他の電気機器は駆動される。そしてＳ１８ステップ以後は、通常の温調が行われる温調運転制御となる。

正常に温調運転制御が行われ、発電が可能な条件のもとでは、ガスエンジン１１は空気比制御による最適制御が行なわれる。この制御は、発電が行われる状態で、最適な温調運転制御を行なうために、高トルクとなるように空気比を補正するように制御が行なわれる。空気比制御では、一般的には燃料を供給するスロットル弁（図示せず）の開度を補正したり、ミキサー(図示せず)を調節して行われる。温調運転制御では、ガスエンジン１１の回転数を一定になるように制御されればよいが、発電を開始した後は、同一回転において、エンジントルクが増大するようにエンジン出力を増加させる。以上の制御を行なうことで、ガスエンジン１１のエンジン効率および同期モータ５２による発電効率のどちらの効率も従来技術による回転数一定制御の状態よりも改善される。

図４では、通常の温調運転制御において、ガスエンジン１１による発電制御の詳細について説明する。通常の発電制御は、直流中間電圧による一定制御である。（Ｓ２１）そして、発電ＰＷＭコンバータ５０の発電効率が悪くなる５００Ｗ未満の発電量になると（Ｓ２２）、発電を中止するために、同期モータ５２からの出力が発電ＰＷＭコンバータ５０に流れないように通電を停止する。（Ｓ２３）
そして、室外機１０の熱交換用ファン１６、冷却水ポンプ２１、および冷媒回路１に配置される制御バルブ類は変換器４０を介して、交流の商用電源によって駆動される。そして、ガスエンジン１１のエンジン回転数が安定し、同期モータ５２による発電によって、インバータ６０の所定の出力電力が、たとえば６００Ｗ以上の出力を出せるような状態となると（Ｓ２５）、再び、発電制御を開始する。（Ｓ２１）
本発明におけるガスエンジン１１による発電においては、交流の商用電源は２００Ｖであるので、変換器４０の出力側では３１２Ｖの直流電圧となる。そこで、
ガスエンジン１１による発電による電圧は、発電ＰＷＭコンバータ５０の出力側からの電流が逆流しないように３２０Ｖとする。

ガスヒートポンプ式空気調和装置の構成図である。 電気系統の構成を示すシステムブロック図である。 始動時のフローチャート図である。 発電制御のフローチャート図である。

符号の説明

１１ ガスエンジン
１３Ａ、１３Ｂ 圧縮機
１６ 熱交換機用ファン（室外機の補機）
２１ 冷却水ポンプ
３３、３４ 室内機用ファン（室内機の補機）
１０ 信号入力線
４０ 変換器
４１ 交流の商用電源
５０ 発電ＰＷＭコンバータ（電力変換装置）
５２ 同期モータ（発電機）
６０ インバータ
６５ 充電装置（蓄電装置）

Claims (4)

1. 室外機、室内機を備えてガスエンジンにより駆動する圧縮機と、前記ガスエンジンにより駆動されて交流を出力する発電機と、前記交流を直流に変換する電力変換装置と、商用電源とを有する内燃機関駆動ヒートポンプ空気調和装置であって、前記電力変換装置を介して得られた電力を前記室外機の補機あるいは前記室内機の補機に供給するとき、前記発電機の出力電力が所定値以下になった場合に、前記発電機の発電を停止して前記室外機の補機あるいは前記室内機の補機には前記商用電源が供給されることを特徴とする内燃機関駆動ヒートポンプ空気調和装置。
2. 前記電力変換装置を介して得られた電力は前記室外機あるいは前記室内機の補機に使用される電力の差分が、前記電力変換装置の出力側に配置される蓄電装置に蓄電されることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関駆動ヒートポンプ空気調和装置。
3. 前記発電機の出力電力が前記所定値より大きい場合には、前記ガスエンジンを空気比制御することを特徴とする請求項１、２に記載の内燃機関駆動ヒートポンプ空気調和装置。
4. 前記発電機の出力電力は前記発電機の出力側に配置されるカレントトランスで検出される電流値に基づいて検出されることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関駆動ヒートポンプ空気調和装置。

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