JP4556469B2 - 内燃機関駆動ヒートポンプ式空調装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関により駆動されるコンプレッサにより冷媒を外機熱交換器、室内熱交換器及び膨張弁に循環させて空気調節を行う内燃機関駆動ヒートポンプ式空調装置に関する。

この種の内燃機関駆動ヒートポンプ式空調装置には、部分負荷の際のエネルギ効率を高めるために、１台の内燃機関に複数の固定容量型のコンプレッサをクラッチを介して接続し、室内機の負荷の大小に応じて内燃機関に接続されて駆動されるコンプレッサの数を増減させるようにしたものがある。この種の空調装置では室外機から室内機に供給する冷媒の量を室内機の負荷に応じて連続的に制御するために、通常はコンプレッサから吐出される余剰の冷媒を制御弁を介してコンプレッサの吸入側に戻すバイパス制御を行っているが、この方法ではコンプレッサが消費する動力は冷媒のバイパス量とは無関係であるので、バイパス量が増大すればエネルギ効率が低下するという問題がある。

これに対し、特許文献１に示すように、固定容量型コンプレッサと可変容量型コンプレッサをクラッチを介してガスエンジン（内燃機関）により駆動し、室内機の負荷が小さい範囲内では可変容量型コンプレッサのみを使用してその吐出量の制御とエンジン回転速度の制御により室外機から室内機に供給する冷媒の量を制御し、室内機の負荷が大きい範囲内では可変容量型コンプレッサと固定容量型コンプレッサの両方を使用して可変容量型コンプレッサの吐出量の制御とエンジン回転速度の制御により室外機から室内機に供給する冷媒の量を制御する技術がある。

次にこの特許文献１による技術の一例の作動を図９により説明する。なおこの例では、可変容量型コンプレッサ１の最小押しのけ容積は最大押しのけ容積の５０％であり、固定容量型コンプレッサ２の押しのけ容積はコンプレッサ１の最大押しのけ容積と同じであり、またエンジンは、１０００r/min と２０００r/min の範囲で作動され、この１０００r/min という比較的低回転速度で高トルクのときに燃料消費率が最低になるものとする。室外機に対し要求される要求負荷は、図９の要求負荷の線図の実線に示すように、室内機が必要とする冷媒の必要循環量に対し比例して増大し、その値は可変容量型コンプレッサ１の押しのけ容積が最大（＝固定容量型コンプレッサ２の押しのけ容積）で２０００r/min で駆動された場合の押しのけ容量を１００％として表示した。

この技術では、冷媒の必要循環量が室内機が必要とする最大量の０〜１／８の範囲では、押しのけ容積を５０％（最低値）としたコンプレッサ１だけが、回転速度を１０００r/min としたエンジンにより駆動される。この範囲では、コンプレッサ１から吐出される冷媒の量は、図９の要求負荷の線図の破線に示すように２５％の一定値であり、室外機に対し要求される要求負荷よりも多くなる。そこでこの範囲では、前述したバイパス制御によりコンプレッサから吐出される余剰の冷媒を吸入側に戻して要求負荷と合致させており、エネルギ効率が低下する。

必要循環量が１／８〜２／８の範囲では、コンプレッサ１だけが回転速度を１０００r/min としたエンジンにより駆動されるが、コンプレッサ１の押しのけ容積は５０％から１００％に連続的に増大するように制御される。これによりコンプレッサ１から吐出される冷媒の量は、図９の要求負荷の線図の実線に示すように増大し、要求負荷と合致したものとなる。必要循環量が２／８〜３／８の範囲では、押しのけ容積が１００％に維持されたコンプレッサ１だけがエンジンにより駆動され、このエンジンは回転速度が１０００r/min から２０００r/min に増大するように制御される。これによりコンプレッサ１から吐出される冷媒の量は、図９の要求負荷の線図の実線に示すように増大し、要求負荷と合致したものとなる。

必要循環量が３／８〜４／８の範囲では、コンプレッサ１に加えて固定容量のコンプレッサ２が回転速度を１０００r/min に戻したエンジンにより駆動され、コンプレッサ１は押しのけ容積が一旦５０％に戻されてから１００％に連続的に増大するように制御される。これによりコンプレッサ１から吐出される冷媒の量は、図９の要求負荷の線図の実線に示すように増大し、要求負荷と合致したものとなる。

必要循環量が４／８〜８／８の範囲では、押しのけ容積が１００％に維持されたコンプレッサ１とコンプレッサ２の両方がエンジンにより駆動され、このエンジンは回転速度が１０００r/min から２０００r/min に増大するように制御される。これによりコンプレッサ１から吐出される冷媒の量は、図９の要求負荷の線図の実線に示すように増大し、要求負荷と合致したものとなる。

上述のように、特許文献１の技術によれば、冷媒の必要循環量が使用頻度の少ない最大値の０〜１／８の範囲を除き、バイパス制御によることなく、室外機から室内機に供給する冷媒の量を制御できるので、バイパス制御によるエネルギ効率低下の問題は実質的に解消される。
特開２００３−１４８８１５号公報（段落〔０００７〕、段落〔００１０〕、図１〜図３）。

内燃機関では比較的低回転速度で高トルクのときに燃料消費率が最低になるので、内燃機関駆動ヒートポンプ式空調装置ではエネルギ効率を向上させるためには、この低回転速度高トルク状態で内燃機関を運転することが好ましい。しかしながら特許文献１の技術では、前述のように冷媒の必要循環量が２／８〜３／８となる部分負荷運転範囲において、エンジンの回転速度が１０００r/min から２０００r/min に増大するのでエネルギ効率が低下し、ひいては内燃機関駆動ヒートポンプ式空調装置のエネルギ効率が全体的に低下するという問題がある。また特許文献１の技術では、固定容量型コンプレッサと可変容量型コンプレッサとを併用しているので、低負荷運転時（上述した例では必要循環量が３／８以下の範囲）に稼働されるのは可変容量型コンプレッサに限られ、このため可変容量型コンプレッサが先に耐久の限界に達して空調装置の寿命が全体として短くなるという問題がある。本発明はこのような問題を解決することを目的とする。

このために、請求項１の発明による内燃機関駆動ヒートポンプ式空調装置は、複数のコンプレッサと、所定の回転速度範囲内で作動して各コンプレッサをそれぞれクラッチを介して駆動する内燃機関と、コンプレッサの吐出ポート及び吸入ポートに接続される冷媒循環路に設けられた外機熱交換器及び室内熱交換器と、冷媒循環路に設けられて外機熱交換器及び室内熱交換器に対する吐出ポートからの冷媒の供給順序を切り換える切換弁と、外機熱交換器と室内熱交換器の間に設けられた膨張弁よりなる内燃機関駆動ヒートポンプ式空調装置において、複数のコンプレッサはピストンストロークを変化させることができこれにより最小押しのけ容積が最大押しのけ容積に比して実質的に無視できる程度に押しのけ容積の変化範囲を広くした往復ピストン式可変容量型コンプレッサとし、各コンプレッサに対する要求負荷が小さい範囲内では内燃機関をエネルギ効率の良い低回転速度高トルク状態で作動させ、可変容量型コンプレッサの少なくとも一部をクラッチにより内燃機関に連結するとともに連結された可変容量型コンプレッサの押しのけ容積を連続的に変化させて要求負荷の変動に対応させ、各コンプレッサに対する要求負荷が大きい範囲内では可変容量型コンプレッサの全部をクラッチにより内燃機関に連結するとともに、各可変容量型コンプレッサの押しのけ容積を最大値またはその付近として内燃機関の回転速度を変化させることにより要求負荷の変動に対応させるように、内燃機関、クラッチ及びコンプレッサの作動を制御する制御装置を備えたことを特徴とするものである。

また請求項２の発明による内燃機関駆動ヒートポンプ式空調装置は、複数のコンプレッサと、所定の回転速度範囲内で作動して各コンプレッサをそれぞれクラッチを介して駆動する内燃機関と、コンプレッサの吐出ポート及び吸入ポートに接続される冷媒循環路に設けられた外機熱交換器及び室内熱交換器と、冷媒循環路に設けられて外機熱交換器及び室内熱交換器に対する吐出ポートからの冷媒の供給順序を切り換える切換弁と、外機熱交換器と室内熱交換器の間に設けられた膨張弁よりなる内燃機関駆動ヒートポンプ式空調装置において、複数のコンプレッサの一部はピストンストロークを変化させることができこれにより最小押しのけ容積が最大押しのけ容積に比して実質的に無視できる程度に押しのけ容積の変化範囲を広くした往復ピストン式可変容量型コンプレッサとし、残るコンプレッサは固定容量型コンプレッサとし、各コンプレッサに対する要求負荷が小さい範囲内の前半では内燃機関をエネルギ効率の良い低回転速度高トルク状態で作動させ、可変容量型コンプレッサをクラッチにより内燃機関に連結するとともにその押しのけ容積を連続的に変化させることにより要求負荷の変動に対応させ、要求負荷が小さい範囲内の後半では内燃機関をエネルギ効率の良い低回転速度高トルク状態で作動させ、可変容量型コンプレッサ及び固定容量型コンプレッサをクラッチにより内燃機関に連結させるとともに可変容量型コンプレッサの押しのけ容積を連続的に変化させることにより要求負荷の変動に対応させ、各コンプレッサに対する要求負荷が大きい範囲内では可変容量型及び固定型コンプレッサをクラッチにより内燃機関に連結するとともに可変容量型コンプレッサの押しのけ容積を最大値またはその付近として内燃機関の回転速度を変化させることにより要求負荷の変動に対応させるように、内燃機関、クラッチ及びコンプレッサの作動を制御する制御装置を備えたことを特徴とするものである。

請求項１に記載の内燃機関駆動ヒートポンプ式空調装置によれば、内燃機関により駆動される複数のコンプレッサはピストンストロークを変化させることができこれにより最小押しのけ容積が最大押しのけ容積に比して実質的に無視できる程度に押しのけ容積の変化範囲を広くした往復ピストン式可変容量型コンプレッサとし、各コンプレッサに対する要求負荷が小さい範囲内では内燃機関をエネルギ効率の良い低回転速度高トルク状態で作動させ、可変容量型コンプレッサの少なくとも一部をクラッチにより内燃機関に連結するとともに連結された可変容量型コンプレッサの押しのけ容積を連続的に変化させて要求負荷の変動に対応させ、各コンプレッサに対する要求負荷が大きい範囲内では可変容量型コンプレッサの全部をクラッチにより内燃機関に連結するとともに、各可変容量型コンプレッサの押しのけ容積を最大値またはその付近として内燃機関の回転速度を変化させることにより要求負荷の変動に対応させるように、内燃機関、クラッチ及びコンプレッサの作動を制御装置により制御しているので、室内機が必要とする冷媒の必要循環量の変化範囲のうちの部分負荷を含む広い範囲において、内燃機関はエネルギ効率の良い低回転速度高トルク状態で作動される。このような請求項１の発明によれば、複数のコンプレッサは何れも可変容量型コンプレッサあるので、低負荷運転時に稼働されるコンプレッサを任意に選択することができ、これにより各コンプレッサの運転時間及び起動・停止回数を平準化して内燃機関駆動ヒートポンプ式空調装置の寿命を全体として長くすることができる。また請求項１発明によれば、内燃機関により駆動される複数のコンプレッサはピストンストロークを変化させることができこれにより最小押しのけ容積が最大押しのけ容積に比して実質的に無視できる程度に押しのけ容積の変化範囲を広くした往復ピストン式可変容量型コンプレッサであるので、コンプレッサに対する要求負荷が大幅に低下して室内機が必要とする冷媒の必要循環量が大幅に低下した場合でも、内燃機関をエネルギ効率の良い低回転速度高トルク状態で作動させた状態で冷媒の必要循環量の大幅な低下に対応することができ、部分負荷運転時におけるエネルギ効率を全体として向上させることができる。

また請求項２に記載の内燃機関駆動ヒートポンプ式空調装置によれば、内燃機関により駆動される複数のコンプレッサの一部はピストンストロークを変化させることができこれにより最小押しのけ容積が最大押しのけ容積に比して実質的に無視できる程度に押しのけ容積の変化範囲を広くした往復ピストン式可変容量型コンプレッサとし、残るコンプレッサは固定容量型コンプレッサとし、各コンプレッサに対する要求負荷が小さい範囲内の前半では内燃機関をエネルギ効率の良い低回転速度高トルク状態で作動させ、可変容量型コンプレッサをクラッチにより内燃機関に連結するとともにその押しのけ容積を連続的に変化させることにより要求負荷の変動に対応させ、要求負荷が小さい範囲内の後半では内燃機関をエネルギ効率の良い低回転速度高トルク状態で作動させ、可変容量型コンプレッサ及び固定容量型コンプレッサをクラッチにより内燃機関に連結させるとともに可変容量型コンプレッサの押しのけ容積を連続的に変化させることにより要求負荷の変動に対応させ、各コンプレッサに対する要求負荷が大きい範囲内では可変容量型及び固定型コンプレッサをクラッチにより内燃機関に連結するとともに可変容量型コンプレッサの押しのけ容積を最大値またはその付近として内燃機関の回転速度を変化させることにより要求負荷の変動に対応させるように、内燃機関、クラッチ及びコンプレッサの作動を制御装置により制御しているので、室内機が必要とする冷媒の必要循環量の変化範囲のうちの部分負荷を含む広い範囲において、内燃機関はエネルギ効率の良い低回転速度高トルク状態で作動される。このような請求項２の発明によれば、請求項１におけるコンプレッサの運転時間及び起動・停止回数を平準化して内燃機関駆動ヒートポンプ式空調装置の寿命を全体として長くすることができるという効果を除き、コンプレッサに対する要求負荷が大幅に低下して室内機が必要とする冷媒の必要循環量が大幅に低下した場合でも、内燃機関をエネルギ効率の良い低回転速度高トルク状態で作動させた状態で冷媒の必要循環量の大幅な低下に対応することができ、部分負荷運転時におけるエネルギ効率を全体として向上させることができる、という効果を得ることができる。

先ず図１及び図２により本発明による内燃機関駆動ヒートポンプ式空調装置の第１参考形態の説明をする。図１に示すように、この第１参考形態の内燃機関駆動ヒートポンプ式空調装置は、１台の室外機１０と各室に設けられて個別に運転・停止ができる複数の室内機２０と室外機１０の作動を制御する制御装置４０よりなるものである。

この第１参考形態の室外機１０は、所定の範囲内で押しのけ容積を連続的に変化させることができる２台の同一な可変容量型のコンプレッサ１１，１２と、所定の回転速度範囲内で作動して各コンプレッサ１１，１２をそれぞれクラッチ１９ａ，１９ｂを介して駆動する水冷式のガスエンジン（内燃機関）１９と、コンプレッサ１１，１２の吐出ポート１１ａ，１１ｂ及び吸入ポート１１ｂ，１２ｂに接続される冷媒循環路３０ａに設けられた外機熱交換器１４及び四方弁（切換弁）１３を備えており、各室内に延びる冷媒循環路３０の管路３０ｂ，３０ｃの先端部には複数の室内機２０が並列に設けられている。２台のコンプレッサ１１，１２は、それぞれの吐出ポート１１ａと１２ａ同士及び吸入ポート１１ｂと１２ｂ同士が互いに接続され、四方弁１３は外機熱交換器１４及び室内熱交換器２１に対する吐出ポート１１ａと１２ａからの冷媒の供給順序を切り換えて、暖房と冷房を切り換えるようになっている。

コンプレッサ１１，１２の吐出ポート１１ａ，１２ａを四方弁１３の入口ポートに接続する冷媒循環路３０の管路３０ａの途中にはオイルセパレータ１５が設けられ、コンプレッサ１１，１２の吸入ポート１１ｂ，１２ｂを四方弁１３の出口ポートに接続する冷媒循環路３０の管路３０ｄにはアキュムレータ１６と二重管熱交換器３３が設けられている。四方弁１３の残る２つの切換ポートは冷媒循環路３０の管路３０ｂ，３０ｃを介して各室内機２０に接続され、外機熱交換器１４はその一方の管路３０ｂの途中に設けられている。この参考形態の外機熱交換器１４は互いに並列接続された２個であり、それぞれファン１４ａを備えている。なお二重管熱交換器３３は、ガスエンジン１９の冷却水と冷媒との間で熱交換を行うものである。

管路３０ａのオイルセパレータ１５と四方弁１３の間となる部分は、制御弁１８が設けられたバイパス管路３０ｆを介してアキュムレータ１６に連通されている。また、オイルセパレータ１５の底部は、キャピラリ３１及びフィルタドライヤ３２を介して、コンプレッサ１１，１２の吸入ポート１１ｂ，１２ｂに連通され、分離されたオイルから異物及び水分を除去してコンプレッサ１１，１２に戻すようになっている。

この参考形態の２台のコンプレッサ１１，１２は、それぞれインボリュート曲線形状のスクロールラップを有する固定スクロールと旋回スクロールからなるスクロール式コンプレッサであり、両スクロールの間に形成されて作動に応じて次第に容積が減少する圧縮室に連通されるバイパスポート１１ｃ，１２ｃを備えたものである。この参考形態では、両バイパスポート１１ｃ，１２ｃは互いに接続され、リデュース弁（電子膨張弁）１７が設けられた管路３０ｅを介してアキュムレータ１６に連通されている。このリデュース弁１７は制御装置４０により多数の段階的に開度が制御されるものであり、この開度を制御することにより各コンプレッサ１１，１２の押しのけ容積が最大値である１００％から５０％の間で変化してコンプレッサ１１，１２に対する要求負荷の変化に対応するようになっている。このようなリデュース弁１７を用いた押しのけ容積の減少による要求負荷の制御は、制御弁１８によるバイパス制御に比して、エネルギ効率の低下は僅かである。

各室内に配置される複数の室内機２０は、冷媒循環路３０の管路３０ｂ，３０ｃの先端部に並列に設けられ、それぞれ室内熱交換器２１と、この室内熱交換器２１の外機熱交換器１４側に直列に設けられた電子膨張弁（膨張弁）２２と、この電子膨張弁２２と並列に直列接続されたキャピラリ２３と逆止弁２４により構成されている。各室内熱交換器２１にはシロッコファン２１ａが設けられている。

次にこの第１参考形態の内燃機関駆動ヒートポンプ式空調装置の全体的作動の概要の説明をする。先ず冷房運転時の作動を説明する。クラッチ１９ａ（及び１９ｂ）を介してコンプレッサ１１（及び１２）がガスエンジン１９により回転駆動されれば、コンプレッサ１１（及び１２）により圧縮された高温高圧の気相冷媒は、破線矢印に示すように、四方弁１３から管路３０ｂを通って外機熱交換器１４に入り、ファン１４ａから送り込まれる外気により冷却されて液化される。この液化された高圧の冷媒は管路３０ｂから電子膨張弁２２を通り、減圧されて室内熱交換器２１に入って気化され、室内熱交換器２１から気化潜熱を奪ってこれを冷却する。シロッコファン２１ａから室内に送り込まれる空気は、室内熱交換器２１を通過する際に冷却され、これにより室内は冷房される。気化した冷媒は管路３０ｃから四方弁１３、二重管熱交換器３３を設けた管路３０ｄを通ってアキュムレータ１６に入り、アキュムレータ１６で気液が分離されて、コンプレッサ１１（及び１２）に吸入され、再び圧縮されて上述した冷房サイクルを繰り返して室内を冷房する。

次に暖房運転時には、コンプレッサ１１（及び１２）により圧縮された高温高圧の気相冷媒は、実線矢印に示すように、四方弁１３から管路３０ｃを通って室内熱交換器２１に入る。シロッコファン２１ａから室内に送り込まれる空気は、室内熱交換器２１を通過する際に高温高圧の気相冷媒により加熱され、これにより室内は暖房されるとともに、気相冷媒は冷却されて液化される。この液化された高圧の冷媒は電子膨張弁２２を通り、減圧されて管路３０ｂから外機熱交換器１４に入り、ファン１４ａから送り込まれる外気から気化潜熱を奪って気化される。電子膨張弁２２と並列に設けたキャピラリ２３と逆止弁２４は、暖房の場合の電子膨張弁２２による膨張の程度を冷房の場合よりも少なくするものである。気化した冷媒は管路３０ｂから四方弁１３、二重管熱交換器３３を設けた管路３０ｄを通ってアキュムレータ１６に入り、アキュムレータ１６で気液が分離されて、コンプレッサ１１（及び１２）に吸入され、再び圧縮されて上述した暖房サイクルを繰り返して室内を暖房する。

この冷房及び暖房に際して、内燃機関駆動ヒートポンプ式空調装置の作動を制御する制御装置４０は、各室内機２０が必要とする冷媒の循環量を、各室内機２０の設定温度、各室内熱交換器２１の容量及び吸入温度、暖房・冷房温度の別などに応じて演算して、その積算値を冷媒の必要循環量とし、２台のコンプレッサ１１，１２に対する要求負荷がこの必要循環量と合致するように、室外機１０を制御するものである。すなわち制御装置４０は、演算された冷媒の積算値が小さい範囲内ではガスエンジン１９をエネルギ効率の良い低回転速度（例えば１０００r/min ）高トルク状態で作動させるとともにクラッチ１９ａ，１９ｂによりガスエンジン１９に連結されるコンプレッサ１１，１２の選択及び各コンプレッサ１１，１２の押しのけ容積を連続的に変化させることにより要求負荷の変動に対応させ、コンプレッサ１１，１２に対する要求負荷が大きい範囲内では各コンプレッサ１１，１２の押しのけ容積を最大値としてガスエンジン１９の回転速度を変化させることにより要求負荷の変動に対応させるように、ガスエンジン１９、クラッチ１９ａ，１９ｂ、コンプレッサ１１，１２、リデュース弁１７及び制御弁１８などの作動を制御するものである。

次にこの第１参考形態の内燃機関駆動ヒートポンプ式空調装置の作動を、図２により具体的に説明する。室外機１０のコンプレッサ１１，１２に対し要求される要求負荷は、図２の要求負荷の線図の実線に示すように、各室内機２０が必要とする冷媒の循環量の積算値（前述）である冷媒の必要循環量に対し比例して増大する。なおその値は、可変容量型コンプレッサ１１，１２の押しのけ容積が最大で２０００r/min で駆動された場合の押しのけ容量を１００％として表示した。

冷媒の必要循環量が室内機１０が必要とする最大量の０〜１／８の範囲では、制御装置４０は、クラッチ１９ａだけを係合してコンプレッサ１１だけが駆動され、リデュース弁１７を全開としてコンプレッサ１１の押しのけ容積が５０％（最低値）の一定値となり、ガスエンジン１９のスロットル開度を制御してその回転速度がエネルギ効率の良い低回転速度１０００r/min の一定値となるように制御する。この範囲では、コンプレッサ１１から吐出される冷媒の量は、図２の要求負荷の線図の破線に示すように２５％の一定値であり、室外機２０に対し要求される要求負荷よりも多くなる。この範囲では、制御装置４０は、コンプレッサ１１の吐出ポート１１ａ側をアキュムレータ１６を介して吸入ポート１１ｂ側に連通するバイパス管路３０ｆに設けた制御弁１８の開度を制御することにより、コンプレッサ１１から吐出される余剰の冷媒を吸入側に戻すバイパス制御を行って、要求負荷を必要循環量と一致させている。従ってこの範囲では、エネルギ効率が低下する。なおこの範囲では、要求負荷を必要循環量と一致させるための制御は、ガスエンジン１９の運転性能が許す範囲においてはバイパス制御の代わりに回転速度を１０００r/min より低下させることにより行い、回転速度の低下が許容範囲を超えた範囲においてバイパス制御を行うようにしてもよい。

必要循環量が１／８〜２／８の範囲では、制御装置４０は、引き続きクラッチ１９ａだけを係合してコンプレッサ１１だけが駆動され、リデュース弁１７の開度を全開から閉じる方向に制御することによりコンプレッサ１１は押しのけ容積が５０％から１００％に連続的に増大し、ガスエンジン１９のスロットル開度を制御することによりその回転速度が１０００r/min の一定値となるように制御する。この範囲では、このように制御することにより、コンプレッサ１１から吐出される冷媒の量は、図２の要求負荷の線図の実線に示すように増大し、要求負荷と合致したものとなる。

必要循環量が２／８〜４／８の範囲では、制御装置４０は、クラッチ１９ａに加えてクラッチ１９ｂを係合して両コンプレッサ１１，１２が駆動され、リデュース弁１７の開度を一旦全開に戻してから閉じる方向に制御することにより両コンプレッサ１１，１２は押しのけ容積が５０％から１００％に連続的に増大し、ガスエンジン１９のスロットル開度を制御することによりその回転速度が１０００r/min の一定値となるように制御する。この範囲では、このように制御することにより、コンプレッサ１１，１２から吐出される冷媒の量は、図２の要求負荷の線図の実線に示すように増大し、要求負荷と合致したものとなる。

また必要循環量が４／８〜８／８の範囲では、制御装置４０は、引き続き両クラッチ１９ａ，１９ｂを係合して両コンプレッサ１１，１２が駆動され、リデュース弁１７を全閉のままとして両コンプレッサ１１，１２は押しのけ容積が１００％に維持され、ガスエンジン１９のスロットル開度を制御することによりその回転速度が１０００r/min から２０００r/min に増大するように制御する。この範囲では、このように制御することにより、コンプレッサ１１，１２から吐出される冷媒の量は、図２の要求負荷の線図の実線に示すように増大し、要求負荷と合致したものとなる。

上述のように、第１参考形態の内燃機関駆動ヒートポンプ式空調装置によれば、冷媒の必要循環量が最大値の０〜１／８という使用頻度の少ない範囲を除き、要求負荷を必要循環量と一致させるためのバイパス制御を行う必要なしに、室外機１０から室内機２０に供給する冷媒の量を制御でき、室外機１０が必要とする冷媒の必要循環量が０〜４／８という部分負荷運転の広い範囲でガスエンジン１９はエネルギ効率の良い低回転速度高トルク状態で作動される。これにより、内燃機関駆動ヒートポンプ式空調装置の特に部分負荷運転時におけるエネルギ効率を向上させることができる。また２台のコンプレッサ１１，１２は何れも可変容量型コンプレッサであるので、冷媒の必要循環量が０〜４／８という低負荷運転時に稼働されるコンプレッサを任意に選択することができ、これにより各コンプレッサ１１，１２の運転時間及び起動・停止回数を平準化して内燃機関駆動ヒートポンプ式空調装置の寿命を長くすることができる。

次に図２〜図４により本発明の第２参考形態の説明をする。図３に示すように、この第２参考形態の内燃機関駆動ヒートポンプ式空調装置は、第１参考形態と同様、１台の室外機１０と各室に設けられて個別に運転・停止ができる複数の室内機２０と室外機１０の作動を制御する制御装置４０よりなるものである。この第２参考形態の各コンプレッサ１１，１２は、第１参考形態と同様、バイパスポート１１ｃ，１２ｃを備えたスクロール式コンプレッサであるが、それぞれのバイパスポート１１ｃと１２ｃは連結されず、リデュース弁（電子膨張弁）１７ａが設けられた管路３０ｅ１と、リデュース弁１７ｂが設けられた管路３０ｅ２を介して、別々にアキュムレータ１６に連通されている。各リデュース弁１７ａと１７ｂの開度は制御装置４０により別々に制御され、従って各コンプレッサ１１と１２の各押しのけ容積は、互いに独立して最大値である１００％から５０％の間で変化してコンプレッサ１１，１２に対する要求負荷の変化に対応するようになっている。この第２参考形態の構成は、上述した相違点以外は第１参考形態と同一であるので、これ以上の詳細な説明は省略する。

この第２参考形態は、図２と図４に示す２つの態様で作動される。先ず図２に示す作動態様の説明をする。この場合は、必要循環量が０〜２／８の範囲では、制御装置４０は、クラッチ１９ａだけを係合してコンプレッサ１１だけが駆動され、リデュース弁１７ａを第１参考形態のリデュース弁１７と同様に制御することによりコンプレッサ１１が第１参考形態と同様に作動し、また内燃機関１９も第１参考形態と同様に作動するように制御する。また必要循環量が２／８〜８／８の範囲では、制御装置４０は、両クラッチ１９ａ，１９ｂを係合して両コンプレッサ１１，１２が駆動され、両リデュース弁１７ａ，１７ｂを第１参考形態のリデュース弁１７と同様に制御することによりコンプレッサ１１，１２が第１参考形態と同様に作動し、また内燃機関１９も第１参考形態と同様に作動するように制御する。

これにより、図２に示す作動態様では、コンプレッサ１１，１２及びガスエンジン１９は第１参考形態の場合と実質的に同様に作動するので、第１参考形態と同様、内燃機関駆動ヒートポンプ式空調装置の特に部分負荷運転時におけるエネルギ効率を向上させることができ、また各コンプレッサ１１，１２の運転時間及び起動・停止回数を平準化して内燃機関駆動ヒートポンプ式空調装置の寿命を長くすることができる。なおこの第２参考形態では多数の段階的に開度が制御されるリデュース弁１７ａ，１７ｂを２個使用しているので、この２個のタイミングをずらして作動させることにより、コンプレッサ１１，１２から吐出される冷媒の量を、第１参考形態よりも小きざみで要求負荷に合致させることができる。

次にこの第２参考形態の、図４に示す作動態様の説明をする。必要循環量が０〜２／８の範囲の作動は、図２に示す作動態様の場合と同じである。必要循環量が２／８〜３／８の範囲では、制御装置４０は、クラッチ１９ａに加えてクラッチ１９ｂを係合して両コンプレッサ１１，１２が駆動され、リデュース弁１７ａは開度を一旦全開に戻してから閉じる方向に制御することによりコンプレッサ１１は押しのけ容積が５０％から１００％に連続的に増大し、リデュース弁１７ｂは全開のままとしてコンプレッサ１２は押しのけ容積が５０％の一定値に維持され、ガスエンジン１９の回転速度が１０００r/min の一定値となるように制御する。この範囲では、このように制御することにより、コンプレッサ１１，１２から吐出される冷媒の量は、図４の要求負荷の線図の実線に示すように増大し、要求負荷と合致したものとなる。

必要循環量が３／８〜４／８の範囲では、制御装置４０は、引き続き両クラッチ１９ａ，１９ｂを係合して両コンプレッサ１１，１２が駆動され、リデュース弁１７ａは開度を全閉に維持するように制御することによりコンプレッサ１１は押しのけ容積が１００％に維持され、リデュース弁１７ｂは全開から閉じる方向に制御することによりコンプレッサ１２は押しのけ容積が５０％から１００％に連続的に増大し、ガスエンジン１９の回転速度が１０００r/min の一定値となるように制御する。この範囲では、このように制御することにより、コンプレッサ１１，１２から吐出される冷媒の量は、図４の要求負荷の線図の実線に示すように増大し、要求負荷と合致したものとなる。

また必要循環量が４／８〜８／８の範囲では、制御装置４０は、引き続き両クラッチ１９ａ，１９ｂを係合して両コンプレッサ１１，１２が駆動され、両リデュース弁１７ａ，１７ｂを全閉として両コンプレッサ１１，１２は押しのけ容積が１００％に維持され、ガスエンジン１９の回転速度が１０００r/min から２０００r/min に増大するように制御する。この状態の作動は、図２の場合と同じである。

このように第２参考形態は、図４に示す作動態様では、第１参考形態の場合と同様、冷媒の必要循環量が最大値の０〜１／８という使用頻度の少ない範囲を除き、要求負荷を必要循環量と一致させるためのバイパス制御を行う必要なしに、室外機１０から室内機２０に供給する冷媒の量を制御でき、室外機１０が必要とする冷媒の必要循環量が０〜４／８という部分負荷運転の広い範囲でガスエンジン１９はエネルギ効率の良い低回転速度高トルク状態で作動される。これにより、内燃機関駆動ヒートポンプ式空調装置の特に部分負荷運転時におけるエネルギ効率を向上させることができる。また２台のコンプレッサ１１，１２は何れも可変容量型コンプレッサであるので、冷媒の必要循環量が０〜４／８という低負荷運転時に稼働されるコンプレッサを任意に選択することができ、これにより各コンプレッサ１１，１２の運転時間及び起動・停止回数を平準化して内燃機関駆動ヒートポンプ式空調装置の寿命を長くすることができる。

上述した第１及び第２参考形態では、コンプレッサ１１，１２はスクロール式コンプレッサ１１，１２とし、そのバイパスポート１１ｃ，１２ｃをリデュース弁１７を設けた管路３０ｅにより吸入ポート１１ｂ，１２ｂ側に連通し、制御装置４０によりリデュース弁１７を制御してコンプレッサ１１，１２の押しのけ容積を連続的に変化させるようにしており、コンプレッサ１１，１２として簡略なスクロール式コンプレッサを使用したので内燃機関駆動ヒートポンプ式空調装置の製造コストを低下させることができる。しかしながら本発明はこれに限られるものではなく、ロータに対するカムリングの偏心量を変化させることにより押しのけ容積を可変としたベーンポンプや、ピストンストロークを変化させることにより押しのけ容積を可変とした往復ピストン式コンプレッサを使用することもできる。後者によれば、最圧縮時のシリンダ内容積を減少させて押しのけ容積の変化範囲を広げることが容易であるので、余剰の冷媒を吸入側に戻すバイパス制御を行わなくても、室内機２０が必要とする冷媒の必要循環量の調整範囲を減少側に広げることができる。

また上述した第１及び第２参考形態では、使用するスクロール式コンプレッサ１１，１２は押しのけ容積の変化範囲が５０〜１００％である例につき説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、仕様によっては押しのけ容積の変化範囲が３０〜１００％など、押しのけ容積の変化範囲が異なるものを使用してもよい。従って使用するスクロール式コンプレッサの押しのけ容積の変化範囲は任意である。

次に図５及び図６により本発明の第１実施形態の説明をする。図５に示すように、この第１実施形態の内燃機関駆動ヒートポンプ式空調装置も、前述した各参考形態と同様、１台の室外機１０と各室に設けられて個別に運転・停止ができる複数の室内機２０と室外機１０の作動を制御する制御装置４０よりなるものであり、室外機１０の２台のコンプレッサ１１Ａ，１２Ａは可変容量型コンプレッサであるが、スクロール式コンプレッサではなく、ピストンストロークを変化させることにより押しのけ容積を可変とした往復ピストン式コンプレッサとした点が相違している。この第１実施形態ではこのような往復ピストン式コンプレッサ１１Ａ，１２Ａを使用しているので、管路３０ｅ（３０ｅ１，３０ｅ２）及びこれに設けるリデュース弁１７（１７ａ，１７ｂ）、並びにバイパス管路３０ｆ及びこれに設ける制御弁１８は不要である。往復ピストン式コンプレッサ１１Ａ，１２Ａは、例えば傾斜角が可変な回転する斜板により回転軸線と平行に配置した複数の往復ピストンを駆動する回転斜板式アキシァルピストンコンプレッサであり、最圧縮時のシリンダ内容積を減少させることにより、最小押しのけ容積が最大押しのけ容積に比して実質的に無視できる程度に押しのけ容積の変化範囲を広げることが容易である。この第１実施形態の構成は、上述した相違点以外は第１参考形態と同一であるので、これ以上の詳細な説明は省略する。

次にこの第１実施形態の作動を図６により説明する。なおこの第１実施形態では、コンプレッサ１１Ａ，１２Ａの押しのけ容積の変化範囲は０％〜１００％であり、ガスエンジン１９の燃料消費率が最低でエネルギ効率が良い低回転速度は１５００r/min であり、室外機１０のコンプレッサ１１Ａ，１２Ａに対し要求される要求負荷は、可変容量型コンプレッサ１１Ａ，１２Ａの押しのけ容積が最大で２０００r/min で駆動された場合の押しのけ容量を１００％として表示した。

必要循環量が０〜３／８の範囲では、制御装置４０は、クラッチ１９ａだけを係合してコンプレッサ１１Ａだけが駆動され、コンプレッサ１１Ａは押しのけ容積が０％から１００％に連続的に増大し、ガスエンジン１９のスロットル開度を制御してその回転速度が１５００r/min の一定値となるように制御する。この範囲では、このように制御することにより、コンプレッサ１１，１２から吐出される冷媒の量は、図６の要求負荷の線図の実線に示すように増大し、要求負荷と合致したものとなる。

必要循環量が３／８〜６／８の範囲では、制御装置４０は、クラッチ１９ａに加えてクラッチ１９ｂを係合して両コンプレッサ１１Ａ，１２Ａが駆動され、コンプレッサ１１Ａは押しのけ容積が１００％に維持され、コンプレッサ１２Ａは押しのけ容積が０％から１００％に連続的に増大し、ガスエンジン１９の回転速度が１５００r/min の一定値となるように制御する。この範囲では、このように制御することにより、コンプレッサ１１，１２から吐出される冷媒の量は、図６の要求負荷の線図の実線に示すように増大し、要求負荷と合致したものとなる。

また必要循環量が６／８〜８／８の範囲では、制御装置４０は、引き続き両クラッチ１９ａ，１９ｂを係合して両コンプレッサ１１Ａ，１２Ａが駆動され、両コンプレッサ１１Ａ，１２Ａは押しのけ容積が１００％に維持され、ガスエンジン１９の回転速度が１５００r/min から２０００r/min に増大するように制御する。この範囲では、このように制御することにより、コンプレッサ１１，１２から吐出される冷媒の量は、図６の要求負荷の線図の実線に示すように増大し、要求負荷と合致したものとなる。

この第１実施形態によれば、冷媒の必要循環量の変化範囲の全域において、要求負荷を必要循環量と一致させるためのバイパス制御を行う必要なしに、室外機１０から室内機２０に供給する冷媒の量を制御でき、室外機１０が必要とする冷媒の必要循環量が０〜６／８という部分負荷運転の広い範囲でガスエンジン１９はエネルギ効率の良い低回転速度高トルク状態で作動される。これにより、内燃機関駆動ヒートポンプ式空調装置の特に部分負荷運転時におけるエネルギ効率を向上させることができる。また管路３０ｅ（３０ｅ１，３０ｅ２）及びこれに設けるリデュース弁１７（１７ａ，１７ｂ）、並びにバイパス管路３０ｆ及びこれに設ける制御弁１８が不要であるので、冷媒循環路３０の構成及び制御を簡略化することができる。さらに、２台のコンプレッサ１１，１２は何れも可変容量型コンプレッサであるので、冷媒の必要循環量が０〜６／８という低負荷運転時に稼働されるコンプレッサを任意に選択することができ、これにより各コンプレッサ１１，１２の運転時間及び起動・停止回数を平準化して内燃機関駆動ヒートポンプ式空調装置の寿命を長くすることができる。また、一方または両方のコンプレッサ１１Ａ，１２Ａを停止したいときにはそのコンプレッサ１１Ａ，１２Ａの押しのけ容積を０％にすればよく、ガスエンジン１９との間の動力伝達をあえて遮断する必要はないので、クラッチ１９ａ，１９ｂを省略することも可能である。

上述した参考形態及び実施形態では、２台のコンプレッサ１１Ａ，１２Ａは同一の可変容量型コンプレッサであるとして説明したが、２台のコンプレッサ１１Ａ，１２Ａは何れも可変容量型コンプレッサであれば足り、容量が同一である必要はない。また、コンプレッサは３台以上として、それぞれクラッチを介してガスエンジンなどの内燃機関により駆動するようにしてもよい。

次に図７及び図８により本発明の第２実施形態の説明をする。図７に示すように、この第２実施形態の内燃機関駆動ヒートポンプ式空調装置も、上述した第１実施形態と同様、１台の室外機１０と各室に設けられて個別に運転・停止ができる複数の室内機２０と室外機１０の作動を制御する制御装置４０よりなるものであり、室外機１０の２台のコンプレッサの一方は往復ピストン式の可変容量型コンプレッサ１１Ａであるが、他方は固定容量型コンプレッサ１２Ｂである点が第１実施形態と異なっているだけである。固定容量型コンプレッサ１２Ｂの構造は任意である。この第２実施形態の構成は、上述した相違点以外は第１実施形態と同一であるので、これ以上の詳細な説明は省略する。

次にこの第２実施形態の作動を図８により説明する。なおこの第２実施形態では、コンプレッサ１１Ａの押しのけ容積の変化範囲は０％〜１００％であり、ガスエンジン１９の燃料消費率が最低でエネルギ効率が良い低回転速度は１０００r/min であり、室外機１０のコンプレッサ１１Ａ，１２Ａに対し要求される要求負荷は、可変容量型コンプレッサ１１Ａ，１２Ａの押しのけ容積が最大で２０００r/min で駆動された場合の押しのけ容量を１００％として表示した。

必要循環量が０〜２／８の範囲では、制御装置４０は、クラッチ１９ａだけを係合して可変容量型コンプレッサ１１Ａだけが駆動され、コンプレッサ１１Ａは押しのけ容積が０％から１００％に連続的に増大し、ガスエンジン１９のスロットル開度を制御してその回転速度が１０００r/min の一定値となるように制御する。この範囲では、このように制御することにより、コンプレッサ１１，１２から吐出される冷媒の量は、図８の要求負荷の線図の実線に示すように増大し、要求負荷と合致したものとなる。

必要循環量が２／８〜４／８の範囲では、制御装置４０は、クラッチ１９ａに加えてクラッチ１９ｂを係合して可変容量型及び固定容量型の両コンプレッサ１１Ａ，１２Ｂが駆動され、可変容量型コンプレッサ１１Ａは押しのけ容積を一旦０％に戻してから１００％に連続的に増大し、ガスエンジン１９の回転速度が１０００r/min の一定値となるように制御する。この範囲では、このように制御することにより、コンプレッサ１１，１２から吐出される冷媒の量は、図８の要求負荷の線図の実線に示すように増大し、要求負荷と合致したものとなる。

また必要循環量が４／８〜８／８の範囲では、制御装置４０は、引き続き両クラッチ１９ａ，１９ｂを係合して両コンプレッサ１１Ａ，１２Ａが駆動され、可変容量型コンプレッサ１２Ａは押しのけ容積が１００％に維持され、ガスエンジン１９の回転速度が１０００r/min から２０００r/min に増大するように制御する。この範囲では、このように制御することにより、コンプレッサ１１，１２から吐出される冷媒の量は、図８の要求負荷の線図の実線に示すように増大し、要求負荷と合致したものとなる。

この第２実施形態では、ガスエンジン１９がエネルギ効率の良い低回転速度高トルク状態で作動される冷媒の必要循環量の変化範囲が０〜４／８である点を除き、第１実施形態と同様、冷媒の必要循環量の変化範囲の全域において、バイパス制御を行う必要なしに、室外機１０から室内機２０に供給する冷媒の量を制御でき、これにより、内燃機関駆動ヒートポンプ式空調装置の特に部分負荷運転時におけるエネルギ効率を向上させることができ、また管路３０ｅ（３０ｅ１，３０ｅ２）及びバイパス管路３０ｆ並びにこれらに設けるリデュース弁１７（１７ａ，１７ｂ）及び制御弁１８を不要として、冷媒循環路３０の構成及び制御を簡略化することができる。

なおこの第２実施形態では、固定容量型コンプレッサ１２Ｂの押しのけ容積が可変容量型コンプレッサ１１Ａの最大押しのけ容積と同じであるとして説明したが、必ずしも同一とする必要はなく、前者の容積を後者の容積より小さい値として実施することも可能である。また可変容量型コンプレッサ１１Ａ及び固定容量型コンプレッサ１２Ｂはそれぞれ２台以上として、それぞれクラッチを介してガスエンジンなどの内燃機関により駆動するようにして実施することも可能である。

上述した第１及び第２実施形態では、可変容量型コンプレッサ１１Ａ，１２Ａは回転斜板式アキシァルピストンコンプレッサとしたが、本発明はこれに限られるものではなく、最小押しのけ容積が最大押しのけ容積に比して実質的に無視できる程度に押しのけ容積の変化範囲が広いものであれば、その他の形式の可変容量型コンプレッサを使用することも可能である。

本発明による内燃機関駆動ヒートポンプ式空調装置の第１参考形態の全体構成を示す説明図である。 第１参考形態及び第２参考形態の作動の説明図である。 本発明による内燃機関駆動ヒートポンプ式空調装置の第２参考形態の全体構成を示す説明図である。 第２参考形態の作動の説明図である。 本発明による内燃機関駆動ヒートポンプ式空調装置の第１実施形態の全体構成を示す説明図である。 第１実施形態の作動の説明図である。 本発明による内燃機関駆動ヒートポンプ式空調装置の第２実施形態の全体構成を示す説明図である。 第２実施形態の作動の説明図である。 従来技術による内燃機関駆動ヒートポンプ式空調装置の一例の作動の説明図である。

１１Ａ，１２Ａ…コンプレッサ（可変容量型コンプレッサ）、１２Ｂ…コンプレッサ（固定容量型コンプレッサ）、１１ａ，１２ａ…吐出ポート、１１ｂ，１２ｂ…吸入ポート、１１ｃ，１２ｃ…バイパスポート、１３…切換弁（四方弁）、１４…外機熱交換器、１７…電子膨張弁（リデュース弁）、１８…制御弁、１９…内燃機関（ガスエンジン）、１９ａ，１９ｂ…クラッチ、２１…室内熱交換器、２２…膨張弁（電子膨張弁）、３０…冷媒循環路、３０ｅ…管路、３０ｆ…バイパス管路、４０…制御装置。

Claims (2)

1. 複数のコンプレッサと、所定の回転速度範囲内で作動して前記各コンプレッサをそれぞれクラッチを介して駆動する内燃機関と、前記コンプレッサの吐出ポート及び吸入ポートに接続される冷媒循環路に設けられた外機熱交換器及び室内熱交換器と、前記冷媒循環路に設けられて前記外機熱交換器及び室内熱交換器に対する前記吐出ポートからの冷媒の供給順序を切り換える切換弁と、前記外機熱交換器と室内熱交換器の間に設けられた膨張弁よりなる内燃機関駆動ヒートポンプ式空調装置において、
   前記複数のコンプレッサはピストンストロークを変化させることができこれにより最小押しのけ容積が最大押しのけ容積に比して実質的に無視できる程度に押しのけ容積の変化範囲を広くした往復ピストン式可変容量型コンプレッサとし、
   前記各コンプレッサに対する要求負荷が小さい範囲内では前記内燃機関をエネルギ効率の良い低回転速度高トルク状態で作動させ、前記可変容量型コンプレッサの少なくとも一部を前記クラッチにより前記内燃機関に連結するとともに連結された前記可変容量型コンプレッサの押しのけ容積を連続的に変化させて要求負荷の変動に対応させ、前記各コンプレッサに対する要求負荷が大きい範囲内では前記可変容量型コンプレッサの全部を前記クラッチにより前記内燃機関に連結するとともに、前記各可変容量型コンプレッサの押しのけ容積を最大値またはその付近として前記内燃機関の回転速度を変化させることにより要求負荷の変動に対応させるように、前記内燃機関、クラッチ及びコンプレッサの作動を制御する制御装置を備えた
   ことを特徴とする内燃機関駆動ヒートポンプ式空調装置。
2. 複数のコンプレッサと、所定の回転速度範囲内で作動して前記各コンプレッサをそれぞれクラッチを介して駆動する内燃機関と、前記コンプレッサの吐出ポート及び吸入ポートに接続される冷媒循環路に設けられた外機熱交換器及び室内熱交換器と、前記冷媒循環路に設けられて前記外機熱交換器及び室内熱交換器に対する前記吐出ポートからの冷媒の供給順序を切り換える切換弁と、前記外機熱交換器と室内熱交換器の間に設けられた膨張弁よりなる内燃機関駆動ヒートポンプ式空調装置において、
   前記複数のコンプレッサの一部はピストンストロークを変化させることができこれにより最小押しのけ容積が最大押しのけ容積に比して実質的に無視できる程度に押しのけ容積の変化範囲を広くした往復ピストン式可変容量型コンプレッサとし、前記複数のコンプレッサの残部は固定容量型コンプレッサとし、
   前記各コンプレッサに対する要求負荷が小さい範囲内の前半では前記内燃機関をエネルギ効率の良い低回転速度高トルク状態で作動させ、前記可変容量型コンプレッサを前記クラッチにより前記内燃機関に連結するとともにその押しのけ容積を連続的に変化させることにより要求負荷の変動に対応させ、前記要求負荷が小さい範囲内の後半では前記内燃機関をエネルギ効率の良い低回転速度高トルク状態で作動させ、前記可変容量型コンプレッサ及び前記固定容量型コンプレッサを前記クラッチにより前記内燃機関に連結させるとともに前記可変容量型コンプレッサの押しのけ容積を連続的に変化させることにより要求負荷の変動に対応させ、前記各コンプレッサに対する要求負荷が大きい範囲内では前記可変容量型及び固定型コンプレッサを前記クラッチにより前記内燃機関に連結するとともに前記可変容量型コンプレッサの押しのけ容積を最大値またはその付近として前記内燃機関の回転速度を変化させることにより要求負荷の変動に対応させるように、前記内燃機関、クラッチ及びコンプレッサの作動を制御する制御装置を備えた
   ことを特徴とする内燃機関駆動ヒートポンプ式空調装置。

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