JP4570127B2

JP4570127B2 - ヒートポンプ装置

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Publication number: JP4570127B2
Application number: JP2004106062A
Authority: JP
Inventors: 裕二中井
Original assignee: Osaka Gas Co Ltd
Current assignee: Osaka Gas Co Ltd
Priority date: 2004-03-31
Filing date: 2004-03-31
Publication date: 2010-10-27
Anticipated expiration: 2024-03-31
Also published as: JP2005291607A

Description

本発明は、ヒートポンプにおける圧縮機がエンジンにて駆動されるヒートポンプ装置に関する。

かかるヒートポンプ装置としては、ガスエンジンにて駆動される誘導電動機を設け、ガスエンジンにて圧縮機を駆動しながら、それと合わせて上記誘導電動機を交流発電機（発電手段）として機能させるように駆動し、その誘導電動機にて発電される交流電力を整流手段にて直流電力に変換して、その直流電力をヒートポンプにおける電動式の補機に供給するように構成したものがあった。

また、バッテリなどの外部電源を設け、電動式の補機に対して発電手段及びバッテリの両方から選択的に電力供給を行うことができるようなヒートポンプ装置も提案されている（例えば、特許文献１を参照）。具体的には、特許文献１に記載のヒートポンプ装置では、モータ機能と発電機能とを併せ持つモータ／発電機をエンジンに連結し、エンジンによりモータ／発電機を駆動して発電した電力でバッテリを充電することができ、且つ、バッテリに蓄えられた電力で電動式の補機を駆動することができる。

特開２００１−２７２１３５号公報

特許文献１に記載のヒートポンプ装置では、発電手段にて発電した電力に余裕があるときにはバッテリに蓄電し、そして、発電手段にて発電した電力に不足が生じているときにはバッテリを放電させるということを記載しているのみであり、バッテリに充電するとき及びバッテリを放電させるときの発電手段での発電効率は考慮されておらず、バッテリに充電すること及びバッテリを放電させることで効率の悪い発電制御が行われている可能性がある。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、エンジンの駆動力を用いて発電を行って電動式の補機に供給するときに、その電力を外部電源へと給電又は外部電源から受電する受給電を同時に行う場合、発電手段の効率が高くなるような受給電制御が行われるヒートポンプ装置を提供する点にある。

上記目的を達成するための本発明に係るヒートポンプ装置の第１特徴構成は、ヒートポンプにおける圧縮機がエンジンにて駆動されるヒートポンプ装置であって、前記エンジンにて駆動される発電手段が設けられ、運転を制御する運転制御手段が、前記エンジンにて前記発電手段を前記圧縮機と同時に駆動し、且つ、前記ヒートポンプに対する負荷に応じて前記エンジンの出力を増減調整すると共に、前記発電手段から出力される電力及び外部電源から受電する電力の少なくとも一方を前記ヒートポンプにおける電動式の補機に供給するとき、又は、前記ヒートポンプに対する負荷に応じて前記エンジンの出力を増減調整すると共に、前記発電手段から出力される電力を前記ヒートポンプにおける電動式の補機及び前記外部電源の夫々に供給及び給電するとき、エンジン回転数とエンジン出力とをパラメータとするエンジン効率データと、エンジン回転数と発電出力とをパラメータとする発電変換効率データとに基づいて、前記ヒートポンプに対する負荷に応じる第１エンジン回転数および第１エンジン出力から、当該第１エンジン出力を発生する場合の第１エンジン効率を求め、当該第１エンジン回転数において任意の電力を前記発電手段により発生する場合の発電変換効率を求めることにより、当該電力を得るために必要となる第２エンジン出力を求め、当該第１エンジン回転数において前記第１エンジン出力と前記第２エンジン出力との合算エンジン出力、及び当該合算エンジン出力を発生する場合の合算エンジン効率を求め、前記合算エンジン出力を得るために必要な合算エネルギ量と、前記第１エンジン出力を前記第１エンジン効率で得るために必要な第１エネルギ量との差に対する、前記発電手段から出力される電力の割合を、ヒートポンプ装置発電効率とし、前記任意の電力である各発電量に対応する前記ヒートポンプ装置発電効率を相互に比較することにより、発電量とバッテリとの充放電量との割合、発電量と商用電源との受電量あるいは供給量との割合を決定し、前記発電手段から出力される電力の前記外部電源への充電量あるいは給電量及び前記外部電源からの受電量を制御して、前記発電手段における発電効率の最適化を計るように構成されている点にある。

上記第１特徴構成によれば、運転制御手段が、前記エンジンにて前記発電手段を前記圧縮機と同時に駆動し、且つ、前記ヒートポンプに対する負荷に応じて前記エンジンの出力を増減調整すると共に、前記発電手段から出力される電力及び外部電源から受電する電力の少なくとも一方を前記ヒートポンプにおける電動式の補機に供給するとき、又は、前記ヒートポンプに対する負荷に応じて前記エンジンの出力を増減調整すると共に、前記発電手段から出力される電力を前記ヒートポンプにおける電動式の補機及び前記外部電源の夫々に供給及び給電するとき、エンジン回転数とエンジン出力とをパラメータとするエンジン効率データと、エンジン回転数と発電出力とをパラメータとする発電変換効率データとに基づいて、前記ヒートポンプに対する負荷に応じる第１エンジン回転数および第１エンジン出力から、当該第１エンジン出力を発生する場合の第１エンジン効率を求め、当該第１エンジン回転数において任意の電力を前記発電手段により発生する場合の発電変換効率を求めることにより、当該電力を得るために必要となる第２エンジン出力を求め、当該第１エンジン回転数において前記第１エンジン出力と前記第２エンジン出力との合算エンジン出力、及び当該合算エンジン出力を発生する場合の合算エンジン効率を求め、前記合算エンジン出力を得るために必要な合算エネルギ量と、前記第１エンジン出力を前記第１エンジン効率で得るために必要な第１エネルギ量との差に対する、前記発電手段から出力される電力の割合を、ヒートポンプ装置発電効率とし、前記任意の電力である各発電量に対応する前記ヒートポンプ装置発電効率を相互に比較することにより、発電量とバッテリとの充放電量との割合、発電量と商用電源との受電量あるいは供給量との割合を決定し、前記発電手段から出力される電力の前記外部電源への充電量あるいは給電量及び前記外部電源からの受電量を制御して、前記発電手段における発電効率の最適化を計るように構成されているので、発電手段における発電効率が最適化された上でヒートポンプ装置の運転が実施されることになる。
従って、エンジンの駆動力を用いて発電を行って、その電力を電動式の補機に供給する際に、外部電源の充放電を組み合わせる場合、ヒートポンプ装置の効率が高くなるような充放電制御が行われるヒートポンプ装置が提供されることになる。

本発明に係るヒートポンプ装置の第２特徴構成は、上記第１特徴構成に加えて、前記運転制御手段は、運転開始指令に基づいて、先ず、前記補機に対して前記外部電源から電力を漸増させる状態で給電して前記補機の運転を開始し、続いて、前記発電手段を前記外部電源にて力行運転させて前記エンジンを始動させるように構成されている点にある。

上記第２特徴構成によれば、運転開始指令に基づいて、運転制御手段によって、先ず、補機に対して外部電源から電力が漸増される状態で給電されて、補機の運転が開始され、続いて、発電手段が外部電源にて力行運転され、そのように力行運転される発電手段によりエンジンが回転されて、エンジンが始動させられるようになる。つまり、電動機を用いた補機の場合、回転速度が漸増する状態、所謂、ソフトスタートにて運転が開始させられるので、突入電流を防止することが可能となって、電源容量、遮断器容量の低減、配線容量の低減による初期費用の低廉化に加え、配電系統の電圧変動を小さくすることが可能となる。
また、エンジンの余力を利用して補機に電力を供給すべく発電するように設けた発電手段を力行運転させてエンジンのスタータとして兼用するようにすることで、エンジンの始動用のスタータを別個に設ける必要がないようにしている。

図１に示すように、ヒートポンプ装置は、例えば空調装置用として用いる場合に、空調対象室内に設置する室内機Ｕｉと、屋外等の空調対象室外に設置する室外機Ｕｏと、ヒートポンプ装置の各種制御指令を指令するリモコン操作部Ｒとから構成し、ヒートポンプＨＰを構成する各機器を室内機Ｕｉと室外機Ｕｏとにわたって組み付けてある。

室外機Ｕｏには、圧縮機１と、その圧縮機１を駆動するガスエンジン２と、冷房運転と暖房運転との切換等による冷媒流れ方向の切り換えにより凝縮器として機能する状態と蒸発器として機能する状態とに切り換わる室外用熱交換器３と、膨張弁４と、アキュムレータ５と、冷媒通流経路切り換え用の四方弁６と、ガスエンジン２を冷却する冷却水ジャケット２ｊに冷却水を循環供給する冷却水ポンプ７と、ガスエンジン２の排ガスの保有熱を冷却水に回収する排ガス用熱交換器８と、冷却水の保有熱を冷媒に回収する冷媒加熱用熱交換器９と、冷却水の保有熱を放熱する放熱器１０と、冷却水通流経路切り換え用の三方弁１１と、室外用熱交換器３及び放熱器１０に対して外気等の熱交換用空気を通風する３台の室外用送風機１２と、エンジンルームに通風するエンジンルーム用送風機１３と、ヒートポンプＨＰにおける後述する直流電動式の補機に駆動電力を供給する給電部Ｃと、ヒートポンプ装置の各種制御を司るメインコントローラ１４等を設けてある。尚、本実施形態ではガスエンジンを例にして本発明に係るヒートポンプの説明を行うが、他のエンジン（ガソリンエンジン、ディーゼルエンジン等）であっても同様である。

室内機Ｕｉには、冷媒流れ方向の切り換えにより室外用熱交換器３とは逆に蒸発器として機能する状態と凝縮器として機能する状態とに切り換わる室内用熱交換器１５、その室内用熱交換器１５に室内気等の熱交換用の空気を通風する室内用送風機１６、その室内用送風機１６にて吸込まれる空調対象室の空気の温度を検出する室温センサ３６、及び、リモコン操作部Ｒからの送信信号を受信する機能を備えると共に室内機Ｕｉの制御を司る室内機用コントローラ１７等を設けてある。

また、所定の循環経路で冷媒を循環させるように、圧縮機１、四方弁６、室外用熱交換器３、膨張弁４、室内用熱交換器１５、冷媒加熱用熱交換器９及びアキュムレータ５を冷媒流路１８にて接続してある。以下に、冷媒の循環経路について説明する。

冷房運転時には、四方弁６を、圧縮機１から吐出される高圧気相冷媒が室外用熱交換器３に対して送出され、室内用熱交換器１５から送出される低圧気相冷媒がアキュムレータ５に対して送出される冷房運転流路状態に切り換えられる。具体的には、圧縮機１から吐出される高圧気相冷媒が、四方弁６を介して凝縮器として機能する室外用熱交換器３に供給されて、その室外用熱交換器３において室外用送風機１２による通風空気との熱交換により凝縮し、その凝縮した液相冷媒が膨張弁４を介して蒸発器として機能する室内用熱交換器１５に供給されて、その室内用熱交換器１５において室内用送風機１６による通風空気との熱交換により蒸発し、その蒸発した低圧気相冷媒が四方弁６及びアキュムレータ５を介して圧縮機１に戻るように冷媒が循環する循環経路を形成してある。

又、暖房運転時には、四方弁６を、圧縮機１から吐出される高圧気相冷媒が室内用熱交換器１５に対して送出され、室外用熱交換器３から送出される低圧気相冷媒がアキュムレータ５に対して送出される暖房運転流路状態に切り換えられる。具体的には、圧縮機１から吐出される高圧気相冷媒が、四方弁６を介して凝縮器として機能する室内用熱交換器１５に供給されて、その室内用熱交換器１５において、室内用送風機１６による通風空気との熱交換により凝縮し、その凝縮した液相冷媒が膨張弁４を介して蒸発器として機能する室外用熱交換器３に供給されて、その室外用熱交換器３において室外用送風機１２による通風空気との熱交換により蒸発し、その蒸発した低圧気相冷媒が四方弁６を通過後、冷媒加熱用熱交換器９による加熱により完全に蒸発し、アキュムレータ５を介して圧縮機１に戻るように冷媒が循環する循環経路を形成してある。

更に、冷房運転時に、圧縮機１に戻る低圧気相冷媒の圧力を検出すべく、低圧用冷媒圧力センサ３７ｄを冷媒循環経路に設け、又、暖房運転時に、圧縮機１から吐出される高圧気相冷媒の圧力を検出すべく、高圧用冷媒圧力センサ３７ｕを設けてある。

又、所定の経路で冷却水を循環させるように、冷却水ポンプ７、排ガス用熱交換器８、冷却水ジャケット２ｊ、三方弁１１、放熱器１０、冷媒加熱用熱交換器９を、冷却水流路１９にて接続してある。
具体的には、ヒートポンプ装置が冷房運転されるときに、冷却水が排ガス用熱交換器８、冷却水ジャケット２ｊ、放熱器１０を記載順に順次巡って、冷却水の保有熱を放熱器１０にて放熱させる放熱用循環経路を形成するように、排ガス用熱交換器８、冷却水ジャケット２ｊ、放熱器１０を冷却水流路１９の主流路部分１９ｍにて接続すると共に、その主流路部分１９ｍの排ガス用熱交換器８の上流側におけるその排ガス用熱交換器８と放熱器１０との間の箇所に、冷却水ポンプ７を設けてある。

又、ヒートポンプ装置が暖房運転されるときに、冷却水ジャケット２ｊから流出した冷却水が放熱器１０を迂回して、冷媒加熱用熱交換器９、排ガス用熱交換器８を記載順に順次巡って、冷却水の保有熱を冷媒加熱用熱交換器９にて冷媒に回収する排熱回収用循環経路を形成するように、主流路部分１９ｍの冷却水ジャケット２ｊの下流側におけるその冷却水ジャケット２ｊと放熱器１０との間の箇所に、三方弁１１を設けると共に、その三方弁１１と、主流路部分１９ｍにおける放熱器１０と冷却水ポンプ７との間の箇所とを、冷却水流路１９の排熱回収用流路部分１９ｃにて接続し、その排熱回収用流路部分１９ｃに冷媒加熱用熱交換器９に設けてある。
そして、冷媒加熱用熱交換器９において、蒸発器として機能する室外用熱交換器３からアキュムレータ５へ戻る冷媒を冷却水にて加熱して、効率を向上させている。

つまり、冷房運転時には、三方弁１１を、冷却水が放熱用循環経路を通流する冷房運転流路状態に切り換え、暖房運転時には、三方弁１１を、冷却水が排熱回収用循環経路を通流する暖房運転流路状態に切り換えることになる。

更に、始動時等のように、冷却水の温度が放熱開始用設定温度（例えば、６０°Ｃ）以下のときに、冷却水が放熱器１０及び冷媒加熱用熱交換器９を迂回して、排ガス用熱交換器８、冷却水ジャケット２ｊを順に巡る始動時用循環経路を形成するように、主流路部分１９ｍにおける冷却水ジャケット２ｊと三方弁１１との間の箇所に、サーモスタット式の温度制御弁２０を設けると共に、その温度制御弁２０と、主流路部分１９ｍにおける排熱回収用流路部分１９ｃの接続部と冷却水ポンプ７との間の箇所を、冷却水流路１９のバイパス流路部分１９ｂにて接続してある。温度制御弁２０は、冷却水の温度が前記放熱開始用設定温度以下の間は、冷却水がバイパス流路部分１９ｂ側に通流するように流路が切り換わり、冷却水の温度が前記放熱開始用設定温度より高くなると、冷却水が主流路部分１９ｍ側に通流するように流路が切り換わるように構成してある。

ガスエンジン２には、都市ガス等のガス燃料を供給する燃料供給路２１を接続し、その燃料供給路２１には、ガスエンジン２への燃料供給を断続する開閉弁２２、及び、ガスエンジン２への燃料供給量を調節する比例弁２３を介装してある。ヒートポンプ装置の出力の調節は、比例弁２３により、ガスエンジン２への燃料供給量を調節することにより行う。

本実施形態では、図１に示したメインコントローラ１４と室内機用コントローラ１７とは、制御信号を互いに送受信可能な信号線２４にて接続してある。メインコントローラ１４には電線２５にて商用電源２６（例えば３相２００Ｖ）を接続して、室外機Ｕｏの一部に給電し、室内機用コントローラ１７には電線２５にて商用電源２７（例えば単相２００Ｖ）を接続して、室内機Ｕｉに給電するように構成してある。

上述のように室外機Ｕｏ及び室内機Ｕｉの夫々に設けられてヒートポンプＨＰを構成する機器のうち、冷却水ポンプ７、室外用送風機１２、エンジンルーム用送風機１３、ガスエンジン２を始動させる点火プラグ（図示省略）を備えて構成した点火器２８が、ヒートポンプＨＰの直流電動式の補機に相当する。また、四方弁６、三方弁１１、開閉弁２２及び比例弁２３などの補機には、商用電源２６から給電されるように構成されている。

図２に示すのは、ガスエンジン２によって駆動される発電手段Ｇが、誘導電動機３０とその誘導電動機３０の発電のために励磁用交流電圧を出力する電動機側インバータ３３とを備えて構成され、外部電源がバッテリ４１によって構成される場合の例である。
そしてメインコントローラ１４の制御によって、発電手段Ｇから出力される電力及びバッテリ４１から受電する電力の少なくとも一方を電動式の補機に供給するか、又は、発電手段Ｇから出力される電力を電動式の補機に供給及びバッテリ４１に給電するように構成されている。更に、メインコントローラ１４が、電動機側インバータ３３が出力する励磁用交流電圧の周波数を、誘導電動機３０を発電機能させることが可能な周波数に調節制御する状態で、ガスエンジン２にて誘導電動機３０を圧縮機１と同時に駆動し且つ発電手段Ｇにて発電された直流電力を、その直流出力電圧が設定電圧になるように制御して、直流電動式の補機に供給するべく運転制御するように構成してある。つまり、運転を制御する運転制御手段は、メインコントローラ１４を用いて構成してある。

次に、図２に基づいて、発電手段Ｇ、及び給電部Ｃについて説明を加える。
ガスエンジン２の回転軸と圧縮機１の回転軸と誘導電動機３０の回転軸とを、ベルト３１にて伝動連結してある。ガスエンジン２には、その回転速度を検出するエンジン回転速度センサ３８ｅを設け、誘導電動機３０には、その回転速度を検出する電動機回転速度センサ３８ｇを設けてある。

給電部Ｃは、上記発電手段Ｇと、上記バッテリ４１及びその充放電の制御をメインコントローラ１４からの指令に基づいて行う充放電制御手段４２と、上記発電手段Ｇ及び上記バッテリ４１から電力供給対象の補機への給電を断続する複数のスイッチ３５とを備えて構成され、メインコントローラ１４にて、電動機側インバータ３３及び充放電制御手段４２の作動を制御すると共に、各スイッチ３５を開閉操作するように構成される。

そして、各スイッチ３５に、給電部Ｃから給電する対象の補機（本実施形態では直流電動式の補機又は発電機駆動補機Ｓｇと称する場合がある）を接続して給電するように構成してある。そして、本実施形態では、複数のスイッチ３５の夫々に、ヒートポンプＨＰの補機のうち、３台の室外用送風機１２、エンジンルーム用送風機１３、冷却水ポンプ７及び点火器２８の夫々を発電機駆動補機Ｓｇとして接続して、それら発電機駆動補機Ｓｇに給電部Ｃからの直流電力を給電するようにしてある。また、発電手段Ｇからの直流出力電圧を計測する電圧計測点４０を設けてある。

ちなみに、ヒートポンプＨＰの補機のうち、３台の室外用送風機１２、エンジンルーム用送風機１３、冷却水ポンプ７及び点火器２８以外の、四方弁６、三方弁１１、開閉弁２２及び比例弁２３などの補機（図２においては、その他補機Ｓｏにて示す）には、商用電源２６から直接給電するように構成してある。

図２に示すように、本発明に係るヒートポンプ装置では、発電機駆動補機Ｓｇと商用電源２６とは接続されておらず、発電機駆動補機Ｓｇには発電手段Ｇにおいて発電された直流電力及びバッテリ４１から受電する電力の少なくとも一方が供給される構成となっている。従って、発電手段Ｇ及びバッテリ４１としては、発電機駆動補機Ｓｇの消費電力を十分に賄える能力を備えたものが設けられている。

次に、運転開始指令に基づくメインコントローラ１４の運転開始制御動作について説明する。
リモコン操作部Ｒから暖房運転の運転開始が指令されると、室内機側コントローラ１７は、暖房運転の運転開始指令の信号をメインコントローラ１４に送信すると共に、室内用送風機１６の運転を開始させ、暖房運転中は、室温センサ３６の検出温度とリモコン操作部Ｒから送信される暖房目標温度との偏差に応じて送風量を調整するように、室内用送風機１６の運転を制御する。

一方、メインコントローラ１４は、室内機側コントローラ１７から暖房運転の運転開始指令の信号が送信されてくるのに基づいて、四方弁６及び三方弁１１の夫々を暖房運転流路状態に切り換えた後、直流電動式の補機である室外用送風機１２、エンジンルーム用送風機１３及び冷却水ポンプ７の運転を開始し、続いて、ガスエンジン２を始動させる運転開始制御を実行し、続いて、高圧用冷媒圧力センサ３７ｕの検出圧力を所定に範囲に維持するように比例弁２３の開度を調節してガスエンジン２の回転速度を制御する、即ち、ヒートポンプＨＰに対する負荷に応じてガスエンジン２の出力を増減調整すると共に、発電手段Ｇの出力電力を、発電機駆動補機Ｓｇの消費電力に応じて調整する通常運転制御を実行する。また、通常運転制御においてメインコントローラ１４は充放電制御手段４２に対して、発電手段Ｇの発電効率が最適化されるように、発電手段Ｇで発電された電力のバッテリ４１への充電制御及びバッテリ４１の放電制御の指令を行う。

次に、図３に示したフローチャートを参照して、メインコントローラ１４によって実行される上記運転開始制御と上記通常運転制御について説明する。
まず、運転開始指令があると、運転を開始すべき室外用送風機１２に対応するスイッチ３５、エンジンルーム用送風機１３に対応するスイッチ３５及び冷却水ポンプ７に対応するスイッチ３５をオンにした後、充放電制御手段４２を制御して、室外用送風機１２、エンジンルーム用送風機１３及び冷却水ポンプ７に対してバッテリ４１から電力を漸増させる状態で給電して、それら室外用送風機１２、エンジンルーム用送風機１３及び冷却水ポンプ７を所謂ソフトスタートさせる（ステップ＃１〜＃３）。

続いて、電動機側インバータ３３を運転開始させると共に、電動機側インバータ３３をその出力周波数を漸増させるように制御することにより、誘導電動機３０にバッテリ４１から電力を漸増させる状態で給電して、誘導電動機３０をソフトスタートにて力行運転させて、ガスエンジン２を回転させ、続いて、点火器２８に対応するスイッチ３５をオンさせて、ガスエンジン２を始動させ、運転開始制御を完了する（ステップ＃３及び＃４）。ちなみに、誘導電動機３０のソフトスタートでは、誘導電動機３０の回転速度を、５秒程度で０から８００ｒｐｍにまで上昇させる。
以上のようにして運転開始制御が完了すると、通常運転制御を実行する（＃５）。

通常運転制御においてメインコントローラ１４は、電動式の補機に、発電手段Ｇから出力される電力及びバッテリ４１から受電する電力の少なくとも一方を供給するか、又は、電動式の補機及びバッテリ４１の夫々に、発電手段Ｇから出力される電力を供給及び給電するように構成されている。更に、メインコントローラ１４が、電動機側インバータ３３が出力する励磁用交流電圧の周波数を、誘導電動機３０を発電機能させることが可能な周波数に調節制御する状態で、ガスエンジン２にて誘導電動機３０を圧縮機１と同時に駆動し且つ発電手段Ｇにて発電された直流電力を、その直流出力電圧が設定電圧になるように制御して、直流電動式の補機に供給するべく運転制御するように構成してある。

以下に、メインコントローラ１４が、発電手段Ｇの発電効率が最適化されるように発電手段Ｇで発電された電力のバッテリ４１への充電制御及びバッテリ４１の放電制御を行いながら、発電機駆動補機Ｓｇの消費電力を賄う電力を供給するための通常運転制御の説明を図４に示すフローチャートに基づいて行う。

ステップ＃１００にてメインコントローラ１４は、ガスエンジン２の回転数、出力などのエンジン情報と、発電機駆動補機Ｓｇの消費電力、圧縮機１の負荷などの負荷情報に基づいて、発電手段Ｇにおける発電効率の最適化を計ることが可能となるような、ガスエンジン２の運転指令、発電手段Ｇへの発電指令及びバッテリ４１への充放電指令を最適効率計算によって導出する。次にステップ＃１０２においてメインコントローラ１４は、上記充放電指令が充電指令であるか否かを判定する。次にメインコントローラ１４は、それが充電指令であるとき、充電に足りるだけの電力を発電手段Ｇから出力可能であるか、つまりガスエンジン２に出力余裕があるか否かを判定する（ステップ＃１０４）。ガスエンジン２に余裕があるとき、メインコントローラ１４は、バッテリ１４の蓄電容量に充電余裕があるか否かを判定する（ステップ＃１０６）。そして、バッテリ１４の蓄電容量に充電余裕があるとき、メインコントローラ１４は、ステップ＃１００において導出されたガスエンジン２の運転指令、発電手段Ｇへの発電指令及びバッテリ４１への充電指令を実行する。

他方で、ステップ＃１００において導出された上記充放電指令が充電指令ではなかったとき、メインコントローラ１４はステップ＃１１０に移行して、上記充放電指令が放電指令であるか否かを判定する。次にメインコントローラ１４は、それが放電指令であるとき、バッテリ４１の蓄電容量に放電余裕があるか否か、つまり上記運転開始指令に関して説明したように誘導電動機３０をソフトスタートさせるための電力を残すことを条件として放電可能であるか否かを判定する（ステップ＃１１２）。そして、バッテリ１４の蓄電容量に放電余裕があるとき、メインコントローラ１４は、ステップ＃１００において導出されたガスエンジン２の運転指令、発電手段Ｇへの発電指令及びバッテリ４１への放電指令を実行する。

次に、メインコントローラ１４がステップ＃１００において行う最適効率計算について具体例を挙げて説明する。
メインコントローラ１４は、以下の表１から表３に記載するようなエンジン回転数とエンジン出力との関係を示すエンジン効率データ、エンジン回転数と発電手段Ｇにとっての負荷電力（発電機駆動補機Ｓｇの消費電力、バッテリ４１の充放電電力）との関係を示す発電変換効率データ及びバッテリ４１へ充電するとき又はバッテリ４１を放電させるときの損失を考慮した充放電効率データに関する情報を記憶している。

そして、メインコントローラ１４では、現在のエンジン回転数及び負荷電力から、発電とバッテリからの放電割合を計算する。例えば、空調負荷によりエンジン回転数が１０００ｒｐｍ（第１エンジン回転数）、エンジン軸出力が１０００Ｗ（第１エンジン出力）であったとすると、表１（エンジン効率データ）より現在のエンジン効率は１０％（第１エンジン効率）となる。また、負荷電力が８００Ｗ（第１エンジン回転数において発電手段に発生させる任意の電力）であったとすると、これを全て発電により賄うとした場合、表２（発電変換効率データ）より発電効率は７０％（発電変換効率）であるので、エンジン軸出力の増分は１１４３Ｗ（第２エンジン出力）となり、空調負荷と併せて要求されるエンジン軸出力は２２４３Ｗ（合算エンジン出力）となり、表１よりエンジン効率が１２％（合算エンジン効率）に増加し、発電効率としては８００Ｗ÷（２２４３Ｗ÷０．１２−１０００Ｗ÷０．１０）＝９％（ヒートポンプ装置発電効率）となる。
同様に、例えば、空調負荷によりエンジン回転数が２２００ｒｐｍ（第１エンジン回転数）、エンジン軸出力が５０００Ｗ（第１エンジン出力）であったとすると、表１より現在のエンジン効率は３０％（第１エンジン効率）となる。また、負荷電力が８００Ｗ（第１エンジン回転数において発電手段に発生させる任意の電力）であったとすると、これを全て発電により賄うとした場合、表２より発電効率は８２％（発電変換効率）であるので、エンジン軸出力の増分は９７６Ｗ（第２エンジン出力）となり、空調負荷と併せて要求されるエンジン軸出力は５９７６Ｗ（合算エンジン出力）となり、表１よりエンジン効率が３２％（合算エンジン効率）に増加し、発電効率としては８００Ｗ÷（５９７６Ｗ÷０．３２−５０００Ｗ÷０．３０）＝４０％（ヒートポンプ装置発電効率）となる。
この計算結果例から分かるように、現在のエンジン回転数と負荷電力との割合によって発電効率が大きく異なるため、表に示した例においては回転数が高い場合には放電するよりも発電する方が効率が良く、回転数が低い場合には放電する方が良いことが分かる。

但し、現実のエンジン効率は表に示した例のように単純な傾向を示すものではないため、ステップ＃１００において発電するのが良いのか、放電するのが良いのか、又は、発電及び放電の両方にて電力供給するのが良いのかを、現在のエンジン回転数においてどの程度の発電が最も効率的になるのかを最適計算にて求め、更に充放電効率との比較を実施している。尚、発電効率と充放電効率との単純比較のみでは必ず充放電効率の方が高くなるが、充放電が発電電力によるものであることを考慮し、上記最適計算においては充放電効率に設定発電効率（例えば、電力料金及び燃料料金の経済性を考慮して導出される３０％の設定発電効率など）を乗じたものとの比較にて供給割合を計算している。尚、バッテリ４１の充放電回路の特性によって充電量の制限が存在する。
そしてメインコントローラ１４は、以上のようにして決定されたガスエンジン２の運転指令、発電手段Ｇへの発電指令及びバッテリ４１への充放電指令を使って、上述のステップ＃１０２からステップ＃１１４の処理を行う。

＜別実施形態＞
＜１＞
上記実施形態では外部電源として図２に例示したバッテリ１４を用いた場合について説明したが外部電源として他の電源や発電機などを用いてもよく、図５に示すように商用電源２６であってもよい。この場合、商用電源２６は整流手段４３を介して発電手段Ｇ及び発電機駆動補機Ｓｇと接続され、上記実施形態において説明したバッテリ４１と同様に機能する。そして、上記実施形態において説明したバッテリ４１にとっての充電制御は商用電源２６への給電制御に相当し、バッテリ４１にとっての放電制御は商用電源２６からの受電制御に相当する。そして表３に例示した充放電効率データは整流手段４３の電力変換損失を考慮した電力変換効率データで置き換えられる。また、バッテリ４１による充電量の制約は、この場合、商用電源２６への給電量の制約と置き換えて考えることができる。

＜２＞
上記実施形態では、誘導電動機３０と電動機側インバータ３３とを用いて発電手段Ｇを構成した場合について説明したが、同期電動機（永久磁石式を含む）と整流器（永久磁石式の場合は昇降圧機能を含む）とを用いた構成など、他の構成の発電手段Ｇを用いてもよい。

＜３＞
上記実施形態では、具体的な数値を用いて本発明のヒートポンプ装置を説明したが、用いた数値はあくまでも例示的なものであり、他の数値を用いてもよい。

ヒートポンプ装置の全体構成を示すブロック図ヒートポンプ装置の給電部を示すブロック図ヒートポンプ装置の制御動作のフローチャートヒートポンプ装置の制御動作のフローチャートヒートポンプ装置の別の全体構成を示すブロック図

符号の説明

１圧縮機
２ガスエンジン
１４運転制御手段
２６商用電源
３０誘導電動機
３２整流手段
３３電動機側インバータ
４１外部電源
Ｇ発電手段
ＨＰヒートポンプ
Ｓｇ発電機駆動補機（直流電動式の補機）

Claims

ヒートポンプにおける圧縮機がエンジンにて駆動されるヒートポンプ装置であって、
前記エンジンにて駆動される発電手段が設けられ、
運転を制御する運転制御手段が、
前記エンジンにて前記発電手段を前記圧縮機と同時に駆動し、且つ、
前記ヒートポンプに対する負荷に応じて前記エンジンの出力を増減調整すると共に、前記発電手段から出力される電力及び外部電源から受電する電力の少なくとも一方を前記ヒートポンプにおける電動式の補機に供給するとき、又は、
前記ヒートポンプに対する負荷に応じて前記エンジンの出力を増減調整すると共に、前記発電手段から出力される電力を前記ヒートポンプにおける電動式の補機及び前記外部電源の夫々に供給及び給電するとき、
エンジン回転数とエンジン出力とをパラメータとするエンジン効率データと、
エンジン回転数と発電出力とをパラメータとする発電変換効率データとに基づいて、
前記ヒートポンプに対する負荷に応じる第１エンジン回転数および第１エンジン出力から、当該第１エンジン出力を発生する場合の第１エンジン効率を求め、
当該第１エンジン回転数において任意の電力を前記発電手段により発生する場合の発電変換効率を求めることにより、当該電力を得るために必要となる第２エンジン出力を求め、
当該第１エンジン回転数において前記第１エンジン出力と前記第２エンジン出力との合算エンジン出力、及び当該合算エンジン出力を発生する場合の合算エンジン効率を求め、
前記合算エンジン出力を得るために必要な合算エネルギ量と、前記第１エンジン出力を前記第１エンジン効率で得るために必要な第１エネルギ量との差に対する、前記発電手段から出力される電力の割合を、ヒートポンプ装置発電効率とし、
前記任意の電力である各発電量に対応する前記ヒートポンプ装置発電効率を相互に比較することにより、発電量とバッテリとの充放電量との割合、発電量と商用電源との受電量あるいは供給量との割合を決定し、
前記発電手段から出力される電力の前記外部電源への充電量あるいは給電量及び前記外部電源からの受電量を制御して、前記発電手段における発電効率の最適化を計るように構成されているヒートポンプ装置。
前記運転制御手段は、運転開始指令に基づいて、先ず、前記補機に対して前記外部電源から電力を漸増させる状態で給電して前記補機の運転を開始し、続いて、前記発電手段を前記外部電源にて力行運転させて前記エンジンを始動させるように構成されている請求項１に記載のヒートポンプ装置。