JP2018155427A

JP2018155427A - ヒートポンプシステム

Info

Publication number: JP2018155427A
Application number: JP2017051001A
Authority: JP
Inventors: 孝之池田; Takayuki Ikeda
Original assignee: Yanmar Co Ltd
Current assignee: Yanmar Co Ltd
Priority date: 2017-03-16
Filing date: 2017-03-16
Publication date: 2018-10-04
Also published as: EP3598014A4; CA3052557A1; EP3598014A1; US20200049390A1; AU2018235320A1; CN110418923A; KR20190087551A; WO2018168491A1

Abstract

【課題】冷媒回路の圧縮機として、エンジンにより駆動されるエンジン駆動圧縮機と電動モータにより駆動される電動モータ駆動圧縮機との両方を備えた所謂ハイブリッド式のヒートポンプシステムにおいて、コストダウンを図ることができる合理的な構成を採用しながら、エンジン及び電動モータのうちの一方側が異常停止した場合でも冷媒回路の作動を継続できるという冗長性を持った構成を実現できる技術を提供する。
【解決手段】運転制御部Ａとして、エンジン２１の作動制御を行うエンジン制御部２５と、電動モータ３１の作動制御を行う電動モータ制御部３５とを各別に備えると共に、商用電力を作動電力に変換して当該作動電力を運転制御部Ａに供給する電源部Ｂとして、エンジン制御部２５に作動電力を供給するエンジン側電源部２３と、電動モータ制御部３５に作動電力を供給する電動モータ側電源部３３とを各別に備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷媒が循環する冷媒回路の圧縮機として、エンジンにより駆動されて冷媒を圧縮するエンジン駆動圧縮機と、電動モータにより駆動されて冷媒を圧縮する電動モータ駆動圧縮機とを備え、
運転制御部と、商用電力を作動電力に変換して当該作動電力を前記運転制御部に供給する電源部とを備えたヒートポンプシステムに関する。

冷媒が循環する冷媒回路（ヒートポンプ回路）に圧縮機を備えた圧縮式のヒートポンプシステムとして、エンジンにより駆動されるエンジン駆動圧縮機を備えてエンジンを圧縮機の駆動源とするエンジン駆動式のヒートポンプシステム（以下「ＧＨＰ」と呼ぶ場合がある。）や、電動モータにより駆動される電動モータ駆動圧縮機を備えて電動モータを圧縮機の駆動源とする電動モータ駆動式のヒートポンプシステム（以下「ＥＨＰ」と呼ぶ場合がある。）が広く普及されている。

更に、エンジン駆動圧縮機と電動モータ駆動圧縮機を備えてエンジンと電動モータの両方を圧縮機の駆動源とすることができる所謂ハイブリッド式のヒートポンプシステムが提案されている（例えば、特許文献１を参照。）。このようなハイブリッド式のヒートポンプシステムは、例えばエンジン駆動圧縮機及び電動モータ駆動圧縮機の運転バランスを制御することにより、エネルギコスト、環境負荷、利便性等を最適化できるものとして注目されている。

特開２０１３−２５０００４号公報

従来のハイブリッド式のヒートポンプシステムでは、電源部に漏電や故障等の障害が発生した場合に、エンジン及び電動モータは共に、運転制御部による作動制御ができなくなって異常停止することになり、冷媒回路における空調処理を継続できなくなるという問題が生じる。
また、このようなハイブリッド式のヒートポンプシステムは、ＧＨＰやＥＨＰと比べて構造が煩雑であるため、比較的高価なものとなるが、広く普及させるためには、できるだけ合理的な構成を採用してコストダウンを推進することが望まれている。

この実情に鑑み、本発明の主たる課題は、冷媒回路の圧縮機として、エンジンにより駆動されるエンジン駆動圧縮機と電動モータにより駆動される電動モータ駆動圧縮機との両方を備えた所謂ハイブリッド式のヒートポンプシステムにおいて、コストダウンを図ることができる合理的な構成を採用しながら、エンジン及び電動モータのうちの一方側が漏電や故障等の障害により異常停止した場合であっても冷媒回路の作動を継続できるという冗長性を持った構成を実現できる技術を提供する点にある。

本発明の第１特徴構成は、冷媒が循環する冷媒回路の圧縮機として、エンジンにより駆動されて冷媒を圧縮するエンジン駆動圧縮機と、電動モータにより駆動されて冷媒を圧縮する電動モータ駆動圧縮機とを備え、
運転制御部と、商用電力を作動電力に変換して当該作動電力を前記運転制御部に供給する電源部とを備えたヒートポンプシステムであって、
前記運転制御部として、前記エンジンの作動制御を行うエンジン制御部と、前記電動モータの作動制御を行う電動モータ制御部とを備えると共に、
前記電源部として、前記エンジン制御部に作動電力を供給するエンジン側電源部と、前記電動モータ制御部に作動電力を供給する電動モータ側電源部とを並列状態で備えた点にある。

本構成によれば、エンジン側及び電動モータ側のうち一方側の運転制御部又は電源部において漏電や故障等の障害が発生した場合であっても、他方側の運転制御部及び電源部を正常な状態に保つことができる。これにより、エンジン及び電動モータのうち、一方側が漏電や故障等の障害により異常停止した場合であっても、他方側の運転を行って冷媒回路の作動を継続できるという冗長性を持った構成を実現することができる。
また、エンジン制御部及びエンジン側電源部の構成については、電動モータ側の構成の影響を受けるものではないので、一般的なＧＨＰで利用される構成部品の多くを援用することができる。一方、電動モータ制御部及び電動モータ側電源部の構成については、エンジン側の構成の影響を受けることがないので、一般的なＥＨＰで利用される構成部品の多くを援用することができる。よって、合理的な構成を採用してコストダウンを図ることができる。
従って、本発明により、合理的な構成を採用しながら冗長性を持たせることができる所謂ハイブリッド式のヒートポンプシステムを提供することができる。

本発明の第２特徴構成は、前記エンジン側電源部及び前記電動モータ側電源部の夫々に対して各別の漏電遮断器を通じて商用電力が分配供給される点にある。

本構成によれば、エンジン側電源部及び電動モータ側電源部のうちの一方側の電源部に接続された漏電遮断器が作動して当該一方側の電源部への商用電力の供給が停止された場合であっても、他方側の電源部への影響を排除して、当該他方側の電源部への商用電力の供給を継続することができる。これにより、エンジン及び電動モータの一方が漏電遮断器の作動により停止した場合であっても、エンジン及び電動モータの他方によって駆動される圧縮機のみを作動させて冷媒を圧縮し、冷媒回路の作動を継続することができる。

本発明の第３特徴構成は、前記エンジン制御部と前記エンジン側電源部とを有するエンジン側回路部と、前記電動モータ制御部と前記電動モータ側電源部とを有する電動モータ側回路部とのうち、一方の回路部に対して他方の回路部が着脱自在に構成されている点にある。

本構成によれば、エンジン側回路部に対して電動モータ側回路部が着脱自在、又は、電動モータ側回路部に対してエンジン回路部が着脱自在に構成される。よって、エンジン側回路部と電動モータ側回路部とを装着することで、エンジン駆動式のヒートポンプシステムと電動モータ駆動式のヒートポンプシステムとを組み合わせたハイブリッド式のヒートポンプシステム用の運転制御部及び電源部を構築することができる。また、ハイブリッド式のヒートポンプシステム用の運転制御部及び電源部から電動モータ側回路部を取り除くことで、エンジン駆動式のヒートポンプシステム用の運転制御部及び電源部を構築することができる。さらに、ハイブリッド式のヒートポンプシステム用の運転制御部及び電源部からエンジン側回路部を取り除くことで、電動モータ駆動式のヒートポンプシステム用の運転制御部及び電源部を構築することができる。これにより、ハイブリッド式とエンジン駆動式との間又はハイブリッド式と電動モータ駆動式との間で形式変更を簡単且つ合理的に実現することができ、構成部品の共通化による一層のコストダウンを図ることができる。

本発明の第４特徴構成は、前記冷媒回路において、前記エンジン駆動圧縮機及び前記電動モータ駆動圧縮機が並列状態で接続されている点にある。

本構成によれば、冷媒回路においてエンジン駆動圧縮機及び電動モータ駆動圧縮機が並列状態で接続されているので、エンジン及び電動モータの一方が異常停止した場合であっても、エンジン及び電動モータの他方によって駆動される圧縮機のみを作動させて冷媒を圧縮し、冷媒回路の作動を継続することができる。

実施形態に係るヒートポンプシステムの概略構成図

本発明の実施形態について図面に基づいて説明する。
図１に示すヒートポンプシステムは、冷媒が循環する冷媒回路１０を備える。この冷媒回路１０は、気相冷媒を圧縮機１１で圧縮した後に凝縮器で凝縮させて凝縮熱を冷媒から空気中に放出し、当該凝縮後の液相冷媒を膨張弁１５で膨張させた後に蒸発器で蒸発させて空気中から蒸発熱を冷媒に吸収する所謂圧縮式の冷凍サイクルを実現するものとして構成されている。

冷媒回路１０には、オイルセパレータ１２や四方弁１３が設けられている。オイルセパレータ１２は、圧縮機１１にて圧縮された気相冷媒から液相冷媒を分離して圧縮機１１に戻す。四方弁１３は、オイルセパレータ１２を通過した気相冷媒の送出先を、室外機に設けられた室外機熱交換器１４側と室内機に設けられた室内機熱交換器１６側とで切り替えるものとして構成されている。四方弁１３を、図１に示す状態に切り替えることにより、室外機熱交換器１４を凝縮器として機能させると共に、室内機熱交換器１６を蒸発器として機能させる形態で、当該室内機熱交換器１６において室内空気を冷却する所謂冷房運転を行うことができる。一方、四方弁１３を、図１に示す状態から９０度回転させる状態に切り替えることにより、室外機熱交換器１４を蒸発器として機能させると共に、室内機熱交換器１６を凝縮器として機能させる形態で、当該室内機熱交換器１６において室内空気を加熱する所謂暖房運転を行うことができる。

本ヒートポンプシステムには、冷媒回路１０の圧縮機１１として、エンジン２１により駆動されて冷媒を圧縮するエンジン駆動圧縮機２０と、電動モータ３１により駆動されて冷媒を圧縮する電動モータ駆動圧縮機３０とが設けられている。
即ち、本ヒートポンプシステムは、圧縮機１１の駆動源をエンジン２１とするエンジン駆動式のヒートポンプシステム（ＧＨＰ）と、圧縮機１１の駆動源を電動モータ３１とする電動モータ駆動式のヒートポンプシステム（ＥＨＰ）とを組み合わせたハイブリッド式のヒートポンプシステムとして構成されている。尚、エンジン２１としては、エンジン形式や使用燃料等を特に限定する必要はないが、例えば都市ガスを使用燃料としたレシプロエンジンやガスタービンエンジンなどを採用することができる。

冷媒回路１０において、エンジン駆動圧縮機２０及び電動モータ駆動圧縮機３０は並列状態で接続されている。詳しくは、エンジン駆動圧縮機２０の冷媒吐出部と電動モータ駆動圧縮機３０の冷媒吐出部は、四方弁１３の上流側詳しくはオイルセパレータ１２の上流側で合流されている。一方、エンジン駆動圧縮機２０の冷媒流入部と電動モータ駆動圧縮機３０の冷媒流入部は、四方弁１３の下流側詳しくはオイルセパレータ１２で分離された液相冷媒の合流部の下流側で分岐されている。
即ち、冷媒回路１０において、エンジン駆動圧縮機２０で圧縮された冷媒及び電動モータ駆動圧縮機３０で圧縮された冷媒の夫々は、共通のオイルセパレータ１２及び四方弁１３を通流することになる。

本ヒートポンプシステムには、運転制御を行う運転制御部Ａと、電源部Ｂとが設けられている。電源部Ｂは、商用電力を作動電力に変換して当該作動電力を運転制御部Ａに供給する。より詳細には、電源部Ｂは、商用電源４２から供給される交流の商用電力をＡＣ−ＤＣコンバータ等で直流の作動電力に変換して当該直流の作動電力を運転制御部Ａに供給する。
運転制御部Ａとしては、エンジン２１の作動制御を行うエンジン制御部２５と、電動モータ３１の作動制御を行う電動モータ制御部３５とが各別に設けられている。一方、電源部Ｂとしては、エンジン制御部２５に作動電力を供給するエンジン側電源部としての電力変換部２３と、電動モータ制御部３５に作動電力を供給する電動モータ側電源部としての電力変換部３３とが並列状態で設けられている。

具体的に、エンジン制御部２５及び電力変換部２３は、エンジン側回路部であるＧＨＰコントローラ２２に実装される形態で設けられている。このＧＨＰコントローラ２２には、これら以外に、冷媒回路１０の作動制御を行うメイン制御部２４が実装されている。電力変換部２３は、エンジン制御部２５に作動電力を供給する。電力変換部２３は、エンジン制御部２５に加えて他の電気機器にも作動電力を供給可能である。また、ＧＨＰコントローラ２２の電力変換部２３に対しては、商用電源４２に接続された端子部４０から分岐された商用電力が漏電遮断器２８を通じて分配供給される。

一方、電動モータ制御部３５及び電力変換部３３は、上記ＧＨＰコントローラ２２とは別に設けられた電動モータ側回路部であるＥＨＰコントローラ３２に実装されている。このＥＨＰコントローラ３２に実装された電力変換部３３は、電動モータ制御部３５に加えて他の電気機器にも作動電力を供給可能である。また、ＥＨＰコントローラ３２の電力変換部３３に対しては、商用電源４２に接続された端子部４０から分岐された商用電力が漏電遮断器３８を通じて分配供給される。

つまり、電力変換部２３は、商用電源４２から分配供給される商用電力を作動電力に変換して当該作動電力をエンジン制御部２５に供給し、電力変換部３３も、商用電源４２から分配供給される商用電力を作動電力に変換して当該作動電力を電動モータ制御部３５に供給する。このように、エンジン側電源部である電力変換部２３と電動モータ側電源部である電力変換部３３とは並列状態で備えられている。

そして、エンジン制御部２５は、電力変換部２３から作動電力の供給を受けてエンジン２１の作動制御を行うことで、冷媒回路１０を作動させて空調処理等を行うことができる。一方、電動モータ制御部３５も、電力変換部３３から作動電力の供給を受けて電動モータ３１の作動制御を行うことで、冷媒回路１０を作動させて空調処理等を行うことができる。このように、エンジン側電源部である電力変換部２３による作動電力の供給によっても、電動モータ側電源部である電力変換部３３による作動電力の供給によっても、冷媒回路１０を作動させて空調処理等を行うことができる。

更に、ＧＨＰコントローラ２２とＥＨＰコントローラ３２とは、通信部２６，３６を介して互いに通信可能に構成されている。この構成により、例えば冷媒回路１０において要求された空調処理を行いながらエネルギコストや環境負荷等が最適化されるように、エンジン制御部２５及び電動モータ制御部３５は、エンジン２１及び電動モータ３１の夫々の出力を、互いに協調させて制御することができる。

上述のように、本ヒートポンプシステムでは、エンジン制御部２５及び電力変換部２３を実装するＧＨＰコントローラ２２と、電動モータ制御部３５及び電力変換部３３を実装するＥＨＰコントローラ３２とが並列状態で各別に設けられている。このため、ＧＨＰコントローラ２２及びＥＨＰコントローラ３２のうち、一方側に漏電や故障等の障害が発生した場合であっても、他方側が正常な状態に保たれることになる。よって、エンジン２１及び電動モータ３１の一方側が上記障害により異常停止した場合であっても、他方側の運転を行って冷媒回路１０における空調処理等の作動を継続するというような冗長性を持った構成が実現されることになる。

また、冷媒回路１０において、エンジン駆動圧縮機２０と電動モータ駆動圧縮機３０とが並列状態で接続されている。このため、エンジン２１又は電動モータ３１が異常停止した場合であっても、異常停止していないエンジン２１又は電動モータ３１によって駆動される圧縮機１１のみを作動させて冷媒を圧縮し、冷媒回路１０の作動を継続することができる。
更に、商用電力の分岐部である端子部４０よりも下流に漏電遮断器２８，３８が設けられている。漏電遮断器２８，３８の下流には、それぞれ、エンジン側電源部である電力変換部２３及び電動モータ側電源部である電力変換部３３が設けられている。よって、商用電源４２から供給される商用電力が、端子部４０で分岐されて各別の漏電遮断器２８，３８を通じて、ＧＨＰコントローラ２２の電力変換部２３及びＥＨＰコントローラ３２の電力変換部３３の夫々に供給される。このため、何らかの障害で一方側の漏電遮断器２８，３８が作動した場合であっても、その影響を受けずに他方側の漏電遮断器２８，３８に接続されている電力変換部２３，３３への商用電力の供給を継続して、エンジン２１又は電動モータ３１の運転を継続することができる。
尚、夫々の漏電遮断器２８，３８の下流側において各別のノイズフィルタ（図示省略）を設置し、当該各別のノイズフィルタを通じて商用電力をＧＨＰコントローラ２２の電力変換部２３及びＥＨＰコントローラ３２の電力変換部３３の夫々に対して供給することができる。また、各漏電遮断器２８，３８への商用電力の分岐部の上流側に共通のノイズフィルタを設置し、当該共通のノイズフィルタを通じて商用電力をＧＨＰコントローラ２２の電力変換部２３及びＥＨＰコントローラ３２の電力変換部３３の夫々に対して分配供給することもできる。

ＧＨＰコントローラ２２は、ＥＨＰコントローラ３２と並列に配置されている。このため、ＧＨＰコントローラ２２の関連構成とＥＨＰコントローラ３２の関連構成とが互いに影響を与えるのを防止することができる。よって、一般的なＧＨＰに本実施形態に係るヒートポンプシステムを適用して当該ＧＨＰをハイブリッド式のヒートポンプシステムに変更する場合、当該ＧＨＰで利用される構成部品の多くを援用することができ、コストダウンを図ることができる。一方、一般的なＥＨＰに本実施形態に係るヒートポンプシステムを適用して当該ＥＨＰをハイブリッド式のヒートポンプシステムに変更する場合、当該ＥＨＰで利用される構成部品の多くを援用することができ、コストダウンを図ることができる。

更に、電動モータ制御部３５及び電動モータ側電源部としての電力変換部３３を有する電動モータ側回路部であるＥＨＰコントローラ３２が、エンジン制御部２５及びエンジン側電源部としての電力変換部２３を有するエンジン側回路部であるＧＨＰコントローラ２２に対して着脱自在に構成されている。即ち、ＧＨＰコントローラ２２に対してＥＨＰコントローラ３２を装着するだけで、ハイブリッド式のヒートポンプシステム用の運転制御部Ａ及び電源部Ｂが構築されている。一方、ＥＨＰコントローラ３２を取り除けば、ＧＨＰコントローラ２２のみによりエンジン駆動式のヒートポンプシステム用の運転制御部Ａ及び電源部Ｂが構築される。これにより、ハイブリッド式とエンジン駆動式との形式変更が簡単且つ合理的に実現されることになり、構成部品の共通化による一層のコストダウンが図られることになる。
尚、このようなＧＨＰコントローラ２２側からのＥＨＰコントローラ３２の取り外しは、ＧＨＰコントローラ２２の通信部２６に対するＥＨＰコントローラ３２の通信部３６の通信線による接続を解除すると共に、商用電源４２に接続された端子部４０に対するＥＨＰコントローラ３２側の漏電遮断器３８の電気接続を解除することで行われる。また、ＥＨＰコントローラ３２を取り外す場合は、当然、漏電遮断器３８や電動モータ３１、電動モータ駆動圧縮機３０等のＥＨＰコントローラ３２に関連する機器についても取り外すことができる。

〔別実施形態〕
（１）上記実施形態では、冷媒回路１０においてエンジン駆動圧縮機２０と電動モータ駆動圧縮機３０とを並列状態で接続するように構成したが、本発明はこの構成に限定されるものではない。例えば、冷媒回路においてエンジン駆動圧縮機と電動モータ駆動圧縮機とを直列状態で接続しても構わない。また、エンジン駆動圧縮機と電動モータ駆動圧縮機とを共通の圧縮機で構成すると共に、エンジンの軸出力と電動モータの軸出力とを合成して、その共通の圧縮機に入力するように構成しても構わない。

（２）上記実施形態では、電動モータ側回路部であるＥＨＰコントローラ３２をエンジン側回路部であるＧＨＰコントローラ２２に対して着脱自在に構成し、ハイブリッド式とエンジン駆動式との形式変更を簡単且つ合理的に行うように構成したが、本発明はこの構成に限定されるものではない。例えば、エンジン側回路部であるＧＨＰコントローラ２２を電動モータ側回路部であるＥＨＰコントローラ３２に対して着脱自在に構成し、ハイブリッド式と電動モータ駆動式との形式変更を簡単且つ合理的に行うように構成しても構わない。

（３）上記実施形態では、冷媒回路１０において、エンジン駆動圧縮機２０の冷媒吐出部と電動モータ駆動圧縮機３０の冷媒吐出部とを四方弁１３の上流側で合流させて、エンジン駆動圧縮機２０で圧縮された冷媒及び電動モータ駆動圧縮機３０で圧縮された冷媒の夫々を共通の四方弁１３を通流させるように構成したが、本発明はこの構成に限定されるものではない。例えば、エンジン駆動圧縮機側及び電動モータ駆動圧縮機側の夫々に四方弁等を設け、エンジン駆動圧縮機２０の冷媒吐出部と電動モータ駆動圧縮機３０の冷媒吐出部とを、凝縮器の上流側で合流させるように構成しても構わない。また、エンジン駆動圧縮機で圧縮された冷媒が循環する冷媒回路と、電動モータ駆動圧縮機で圧縮された冷媒が循環する冷媒回路とを各別に構成しても構わない。

１０冷媒回路
１１圧縮機
２０エンジン駆動圧縮機
２１エンジン
２２ＧＨＰコントローラ（エンジン側回路部）
２３電力変換部（エンジン側電源部）
２５エンジン制御部
３０電動モータ駆動圧縮機
３１電動モータ
３２ＥＨＰコントローラ（電動モータ側回路部）
３３電力変換部（電動モータ側電源部）
３５電動モータ制御部
Ａ運転制御部
Ｂ電源部

Claims

冷媒が循環する冷媒回路の圧縮機として、エンジンにより駆動されて冷媒を圧縮するエンジン駆動圧縮機と、電動モータにより駆動されて冷媒を圧縮する電動モータ駆動圧縮機とを備え、
運転制御部と、商用電力を作動電力に変換して当該作動電力を前記運転制御部に供給する電源部とを備えたヒートポンプシステムであって、
前記運転制御部として、前記エンジンの作動制御を行うエンジン制御部と、前記電動モータの作動制御を行う電動モータ制御部とを備えると共に、
前記電源部として、前記エンジン制御部に作動電力を供給するエンジン側電源部と、前記電動モータ制御部に作動電力を供給する電動モータ側電源部とを並列状態で備えたヒートポンプシステム。
前記エンジン側電源部及び前記電動モータ側電源部の夫々に対して各別の漏電遮断器を通じて商用電力が分配供給される請求項１に記載のヒートポンプシステム。
前記エンジン制御部と前記エンジン側電源部とを有するエンジン側回路部と、前記電動モータ制御部と前記電動モータ側電源部とを有する電動モータ側回路部とのうち、一方の回路部に対して他方の回路部が着脱自在に構成されている請求項１又は２に記載のヒートポンプシステム。
前記冷媒回路において、前記エンジン駆動圧縮機及び前記電動モータ駆動圧縮機が並列状態で接続されている請求項１〜３の何れか１項に記載のヒートポンプシステム。