JP4293342B2 - エンジン駆動式ヒートポンプ装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジンに、発電用クラッチを介して発電機を連動連結するとともに、空調用クラッチを介して圧縮機を連動連結したエンジン駆動式ヒートポンプ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種のエンジン駆動式ヒートポンプ装置としては、従来、特許文献１に開示されているものがあった。
この従来例によれば、原動機（エンジン）の一方の出力軸に発電機を接続し、原動機の他方の出力軸に無段変速機を介して空調機（圧縮機）を接続し、空調負荷の変動にかかわらず、発電機の回転数を一定に維持するように無段変速機の変速比を制御するように構成している。
これにより、空調負荷が変動しても、発電機の回転数を、すなわち、原動機の回転数を一定に維持し、原動機を定格運転して効率低下を回避し、かつ、発電機を一定の回転数にして周波数一定の良質な電力を供給できるようにしている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−２０４５９８号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、空調負荷の変動に合わせて無段変速機の変速比を制御する場合、無段変速機自体が高価な上に、組付け構成が複雑化し、全体として高価で経済性が低下する欠点があった。
また、頻繁な変速操作が必要であり、耐久性が低い欠点があった。
発電機の回転数の低下に対し、周波数一定の電力を得るには、インバータを用いれば良いが、その場合、発電出力が低下する問題がある。
【０００５】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、請求項１に係る発明は、空調負荷の変動に対応しながらエンジンを定格運転するものでありながら、構成簡単で安価に、かつ、耐久性の高いものにできるようにするとともに、空調負荷に適確に対応できるようにすることを目的とし、請求項２に係る発明は、空調負荷の増大にも確実に対応しながら発電できるようにすることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、上述のような目的を達成するために、
エンジンに、発電用クラッチを介して発電機を連動連結するとともに、空調用クラッチを介して圧縮機を連動連結したエンジン駆動式ヒートポンプ装置において、
被空調空間内の温度を測定する室内温度センサと、
被空調空間内を空調する目標温度を設定する空調温度設定器と、
外気温度を測定する外気温度センサと、
前記室内温度センサで測定された被空調空間内の温度と、前記空調温度設定器で設定された目標温度と、前記外気温度センサで測定された外気温度とに基づいて下記式により空調負荷Ｘを演算する空調負荷演算手段と、
前記空調負荷演算手段で演算された空調負荷に基づいて、下記式により、圧縮機を運転する空調時間ｔａと発電機を運転する発電時間ｔｇとの比率を算出する比率算出手段と、
設定時間内における空調時間と発電時間との比率が前記比率算出手段で算出された比率になるように、発電用クラッチと空調用クラッチとを間欠的かつ背反的に切り替えるように切替制御するクラッチ制御手段とを備えたことを特徴とするエンジン駆動式ヒートポンプ装置。
Ｘ＝α（Ｔｒ−Ｔｓ）＋β（Ｔｏ−Ｔｒ）＋γ
Ｘ：空調負荷、Ｔｒ：室内温度、Ｔｓ：設定目標温度、Ｔｏ：外気温度、α：室内空気の比熱、β：建物の断熱係数、γ：室内の熱負荷（これは、室内の人体やパソコンなどの熱の発生源を考慮したもので、想定される人数やパソコンの台数などによって予め求められるものである。）
ｔａ＝Ｘ／Ｅｘ、
ｔｇ＝１−Ｘ／Ｅｘ
Ｅｘ：ガスエンジンの能力
【０００７】
（作用・効果）
請求項１に係る発明のエンジン駆動式ヒートポンプ装置の構成によれば、空調需要があるときには、空調用クラッチを入り状態にして空調を行い、室内などの被空調空間内の温度が目標温度に維持されて空調が不要なときには、発電用クラッチを入り状態にして発電を行い、エンジンの回転数を変えないようにする。
したがって、空調用クラッチと発電用クラッチを設け、それらを間欠的かつ背反的に切り替えるように切り替えるだけでありながら、従来のような変速機を設けたりせずに、エンジンを常に定格で運転しながら空調と発電とを行うことができ、その効率を向上でき、空調負荷の変動に対応しながらエンジンを定格運転するものでありながら、構成簡単で安価に、かつ、耐久性の高いものにできる。しかも、空調が不要なときには、エンジンを定格で運転しながら発電を行うことができ、交流電力を得る場合でも、良質の電力を容易に得ることができる。
そのうえ、室内などの被空調空間内の温度と、空調しようとする設定目標温度と、外気温度とを関係式に代入し、それに基づいて空調負荷を演算し、その空調負荷に基づいて、圧縮機を設定時間内で関係式により算出した比率に相当する時間定格で運転し、それ以外の比率に相当する時間発電機を運転し、エンジンを常に定格で運転するから、空調負荷に適確に対応することができる。
【００１０】
また、請求項２に係る発明は、前述のような目的を達成するために、
請求項１に記載のエンジン駆動式ヒートポンプ装置において、
エンジンの定格を、最大空調負荷よりも大に設定するように構成する。
【００１１】
（作用・効果）
請求項２に係る発明のエンジン駆動式ヒートポンプ装置の構成によれば、夏場などで冷房負荷が急激に増大するなど、空調負荷が増大したときでも、その空調負荷を賄うに足る能力より大きい能力のエンジンを備える。
したがって、空調負荷の増大にも確実に対応しながら発電できる。
また、夏場などで冷房負荷が急激に増大したときでも、確実に発電を行うことができ、電力のピークカットに寄与できる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明に係るエンジン駆動式ヒートポンプ装置の実施例を示す概略構成図、図２は、エンジンとクラッチの関係を示す要部の平面図であり、ガスエンジン１の出力軸１ａの一方に、第１のベルト式伝動機構２および空調用クラッチ３を介して圧縮機４が連動連結され、出力軸１ａの他方に、第２のベルト式伝動機構５および発電用クラッチ６を介して発電機７が連動連結されている。なお、図１では、第１および第２ベルト式伝動機構２，５を省略している。
【００１３】
圧縮機４を介装した冷媒回路８に、四路切換弁９、室外側熱交換器１０、膨張弁１１、室内側熱交換器１２が介装されて、四路切換弁９の切り換えにより、室外側熱交換器１０を凝縮器として作用させ、室内側熱交換器１２を蒸発器として作用させる冷房運転状態と、室外側熱交換器１０を蒸発器として作用させ、室内側熱交換器１２を凝縮器として作用させる暖房運転状態とが得られるように構成されている。
【００１４】
ガスエンジン１から排出される高温排ガスの排ガス配管１３に、脱硝装置１４と第１の熱交換器１５とが介装されている。また、ガスエンジン１を冷却するジャケット冷却水の循環配管１６に循環用ポンプ１７と第２の熱交換器１８とが介装されている。
【００１５】
第１および第２の熱交換器１５，１８が直列になるように給水管１９が導入され、その給水管１９が貯湯槽２０に接続され、ガスエンジン１から排出される排熱を回収して高温の湯を得、得られた湯を貯湯槽２０に貯めるように構成されている。貯湯槽２０に貯められた湯は、台所、洗面所、浴槽などに給湯管２１を介して供給するようになっている。
【００１６】
ガスエンジン１の定格が、予測される最大空調負荷よりも大に設定されており、夏場などで冷房負荷が急激に増大するなど、空調負荷が増大したときでも、その空調負荷を賄いながら発電を行えるように構成されている。また、夏場などにおいても確実に発電を行うことができて、電力のピークカットに寄与できる。
【００１７】
図３の制御系のブロック図に示すように、室内側熱交換器１２を設けた被空調空間としての室内に設けられて室内温度を測定する室内温度センサ２２と、室内を空調する目標温度を設定する空調温度設定器２３と、外気温度を測定する外気温度センサ２４とがマイクロコンピュータ２５に接続され、そのマイクロコンピュータ２５に空調用クラッチ３および発電用クラッチ６が接続されている。
【００１８】
マイクロコンピュータ２５には、空調負荷演算手段２６と、比率算出手段２７と、クラッチ制御手段２８とが備えられている。
空調負荷演算手段２６では、室内温度センサ２２で測定された室内の温度と、空調温度設定器２３で設定された目標温度と、外気温度センサ２４で測定された外気温度とに基づき、下記式により空調負荷を演算するようになっている。
Ｘ＝α（Ｔｒ−Ｔｓ）＋β（Ｔｏ−Ｔｒ）＋γ
Ｘ ：空調負荷
Ｔｒ：室内温度
Ｔｓ：設定目標温度
Ｔｏ：外気温度
α ：室内空気の比熱
β ：建物の断熱係数
γ ：室内の熱負荷（これは、室内の人体やパソコンなどの熱の発生源を考慮したもので、想定される人数やパソコンの台数などによって予め求められるものである。）
【００１９】
比率算出手段２７では、空調負荷演算手段２６で演算された空調負荷Ｘに基づいて圧縮機４を運転する空調時間ｔａと発電機７を運転する発電時間ｔｇとの比率を算出するようになっている。
すなわち、ガスエンジン１の能力をＥｘとしたときに、
ｔａ＝Ｘ／Ｅｘ、
ｔｇ＝１−Ｘ／Ｅｘ
となる。
【００２０】
クラッチ制御手段２８では、例えば、１０分間などの設定時間内における空調時間と発電時間との比率が比率算出手段で算出された比率になるように、空調用クラッチ３と発電用クラッチ６とを間欠的かつ背反的に切替制御するようになっている。
【００２１】
上記設定時間としては、切り替え頻度が余り高くならず、かつ、空調の快適さが損なわれない程度の時間が設定され、５〜２０分間程度に設定するのが好ましい。また、外気温度に基づき、例えば、冷房の場合であれば、外気温度が設定温度よりも高いときには設定時間を短くし、外気温度が設定温度よりも低いときには設定時間を長くするといったように、設定時間を自動的に変更するように構成しても良い。
【００２２】
上記構成により、空調負荷の変動に基づき、図４のクラッチの切り替え状態の説明に供するタイムチャートに示すように、空調負荷（ここでは冷房の場合を示す）が高いほど、設定時間内における冷房時間が長くなり、空調負荷が低くなるに伴って、設定時間内における冷房時間が短くなり、残余の時間が発電時間となって発電が行われるようになっている。このような発電時間の長短によって発電電力量が変動することになるが、不足分は系統連系により商用電力で補充でき、支障は無い。
【００２３】
図５は、他の実施例のクラッチの切り替え状態の説明に供するタイムチャートであり、上記実施例と異なるところは次の通りである。
すなわち、図示しないが、室内温度センサで測定される室内温度と、空調温度設定器２３で設定される目標温度ｔを間にした上限設定温度＋Δｔと下限設定温度−Δｔとが比較され、室内温度が下限設定温度−Δｔまで下降するに伴って空調用クラッチ３を切り（ＯＦＦ）、それに伴い背反的に発電用クラッチ６を入れる（ＯＮ）ようになっている。
【００２４】
しかる後、室内温度が上限設定温度＋Δｔまで上昇するに伴って空調用クラッチ３を入れ（ＯＮ）、それに伴い背反的に発電用クラッチ６を切る（ＯＦＦ）ようになっている。
【００２５】
上記実施例では、ガスエンジン１からの排熱により給湯を行うようにしているが、排熱を冷媒回路８の室外側熱交換器１２などで、暖房時の冷媒加熱に利用するとか、あるいは、吸収式冷凍機における再生器の加熱源に利用して冷房を行うとか、更には、ガスボイラの熱源に利用して発生した蒸気でガスタービンを駆動し、発電機や各種の機械装置を駆動するように構成するなど、その排熱の利用形態は各種の変形が可能である。
【００２６】
また、上記実施例では、室内温度と目標温度と外気温度などに基づいて演算した空調負荷を空調需要とし、その空調需要に基づいて空調用クラッチ３と発電用クラッチ６とを間欠的かつ背反的に切り替え制御しているが、本発明としては、例えば、空調需要を室内温度と目標温度とに基づく空調負荷によって判断し、冷房の場合であれば、室内温度が目標温度よりも低くなったとき（空調負荷が設定値よりも低くなったとき）に、空調用クラッチ３を切って発電用クラッチ６を入れ、逆に、室内温度が目標温度よりも高くなったとき（空調負荷が設定値よりも高くなったとき）に、空調用クラッチ３を入れて発電用クラッチ６を切るといったようにして、空調用クラッチ３と発電用クラッチ６とを間欠的かつ背反的に切り替え制御するように構成するものでも良い。
【００２７】
また、上記実施例では、ガスエンジン１によって発電機３を駆動して電力を取り出す、いわゆるコジェネレーションシステムを示したが、ガスエンジン１によって各種の機械装置を駆動する場合にも適用できる。
【００２８】
上述実施例のガスエンジン１としては、汎用のガスエンジンやディーゼルエンジンやガソリンエンジンなど各種のエンジンを用いることができる。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に係る発明のエンジン駆動式ヒートポンプ装置によれば、空調需要があるときには、空調用クラッチを入り状態にして空調を行い、室内などの被空調空間内の温度が目標温度に維持されて空調が不要なときには、発電用クラッチを入り状態にして発電を行い、エンジンの回転数を変えないようにするから、空調用クラッチと発電用クラッチを設け、それらを間欠的かつ背反的に切り替えるように切り替えるだけでありながら、従来のような変速機を設けたりせずに、エンジンを常に定格で運転しながら空調と発電とを行うことができ、その効率を向上でき、空調負荷の変動に対応しながらエンジンを定格運転するものでありながら、構成簡単で安価に、かつ、耐久性の高いものにできる。しかも、空調が不要なときには、エンジンを定格で運転しながら発電を行うことができ、交流電力を得る場合でも、良質の電力を容易に得ることができる。
そのうえ、室内などの被空調空間内の温度と、空調しようとする設定目標温度と、外気温度とを関係式に代入し、それに基づいて空調負荷を演算し、その空調負荷に基づいて、圧縮機を設定時間内で関係式により算出した比率に相当する時間定格で運転し、それ以外の比率に相当する時間発電機を運転し、エンジンを常に定格で運転するから、空調負荷に適確に対応することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るエンジン駆動式ヒートポンプ装置の実施例を示す概略構成図である。
【図２】エンジンとクラッチの関係を示す要部の平面図である。
【図３】制御系を示すブロック図である。
【図４】クラッチの切り替え状態の説明に供するタイムチャートである。
【図５】他の実施例のクラッチの切り替え状態の説明に供するタイムチャートである。
【符号の説明】
１…ガスエンジン
３…空調用クラッチ
４…圧縮機
６…発電用クラッチ
７…発電機
２２…室内温度センサ
２３…空調温度設定器
２４…外気温度センサ
２６…空調負荷演算手段
２７…比率算出手段
２８…クラッチ制御手段

Claims (2)

1. エンジンに、発電用クラッチを介して発電機を連動連結するとともに、空調用クラッチを介して圧縮機を連動連結したエンジン駆動式ヒートポンプ装置において、
   被空調空間内の温度を測定する室内温度センサと、
   被空調空間内を空調する目標温度を設定する空調温度設定器と、
   外気温度を測定する外気温度センサと、
   前記室内温度センサで測定された被空調空間内の温度と、前記空調温度設定器で設定された目標温度と、前記外気温度センサで測定された外気温度とに基づいて下記式により空調負荷Ｘを演算する空調負荷演算手段と、
   前記空調負荷演算手段で演算された空調負荷に基づいて、下記式により、圧縮機を運転する空調時間ｔａと発電機を運転する発電時間ｔｇとの比率を算出する比率算出手段と、
   設定時間内における空調時間と発電時間との比率が前記比率算出手段で算出された比率になるように、発電用クラッチと空調用クラッチとを間欠的かつ背反的に切り替えるように切替制御するクラッチ制御手段とを備えたことを特徴とするエンジン駆動式ヒートポンプ装置。
   Ｘ＝α（Ｔｒ−Ｔｓ）＋β（Ｔｏ−Ｔｒ）＋γ
   Ｘ：空調負荷、Ｔｒ：室内温度、Ｔｓ：設定目標温度、Ｔｏ：外気温度、α：室内空気の比熱、β：建物の断熱係数、γ：室内の熱負荷（これは、室内の人体やパソコンなどの熱の発生源を考慮したもので、想定される人数やパソコンの台数などによって予め求められるものである。）
   ｔａ＝Ｘ／Ｅｘ、
   ｔｇ＝１−Ｘ／Ｅｘ
   Ｅｘ：ガスエンジンの能力
2. 請求項１に記載のエンジン駆動式ヒートポンプ装置において、
   エンジンの定格を、最大空調負荷よりも大に設定してあるエンジン駆動式ヒートポンプ装置。

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