JP4588511B2 - 空調・発電システム - Google Patents

Description

本発明は、エンジンによって圧縮機および発電機を駆動して空調および発電を同時に行う空調・発電システムに関する。

従来のエンジン駆動式空気調和装置では、冷媒を圧縮する圧縮機をガスエンジンなどのエンジンで駆動し、空調運転を行わせている。近年、このガスエンジンに発電機を連結し、この発電機で発電された電力を、例えば室外熱交換器への送風を行う送風機或いはエンジンを冷却する冷却水ポンプなどの負荷装置に供給し、電力供給レスの空調機の実現が模索されている（例えば、特許文献１参照）。
特開平５−２３１７４５号公報

ところで、この種の従来の空気調和装置においては、暖房運転時の暖房能力の向上を図ることが望まれている。

そこで、本発明の目的は、暖房運転時の暖房能力の向上を図ることができる空調・発電システムを提供することにある。

本発明は、エンジンによって駆動される圧縮機、室外熱交換器、減圧装置および室内熱交換器を有した空気調和装置と、前記エンジンによって駆動される発電機と、この発電機の出力側に接続されたインバータと、このインバータの出力側に接続され、前記エンジンの余剰発電電力を熱として回収する逆潮流ヒータと、を備え、前記逆潮流ヒータを、前記エンジンの冷却水の循環経路に設けると共に、前記逆潮流ヒータで加熱された冷却水および前記圧縮機に戻る冷媒の間で熱交換を行う熱交換器を設け、暖房運転時で低外気温時に、前記エンジンの起動後所定時間の間、前記インバータに対し前記逆潮流ヒータへの通電許可を出力することによって前記逆潮流ヒータにより冷却水を加熱し、前記熱交換器にて、前記逆潮流ヒータによって加熱された冷却水により冷媒加熱することを特徴とする。

この場合、エンジンの負荷率が急減した場合、インバータに対し、ヒータへの通電許可を出力してもよい。また、ヒータへの通電時間を計測するタイマを備えてもよい。

本発明では、例えば、暖房運転時で低外気温時に、ヒータに通電することにより、冷凍サイクルにおける冷媒加熱が可能になる。

本発明の実施の形態について図を参照しながら以下に説明する。
図１は、ガスエンジン駆動式の空気調和装置１を示す。この空気調和装置１は、室外ユニット２と複数の室内ユニット３ａ〜３ｃとを有し、これらを液管４ａおよびガス管４ｂからなるユニット間配管４で接続して構成されている。室外ユニット２には、ガスエンジン１０と、このガスエンジン１０の駆動力により発電を行う発電機１１と、ガスエンジン１０の駆動力により冷媒を圧縮する圧縮機１２とが収容されている。このガスエンジン１０は、燃料調整弁７を経て供給されるガスなどの燃料と、スロットル弁８を経て供給される空気との混合気を燃焼させて駆動力を発生する。

上記圧縮機１２は、大小異容量の圧縮機１２ａ，１２ｂで構成され、２台が並列に、ガスエンジン１０に対し、それぞれ電磁クラッチ１４ａ，１４ｂを介して接続されている。これら圧縮機１２ａ，１２ｂの吐出管１２ｃは、プレート式熱交換器３１、四方弁１５、室外熱交換器１７の順に接続され、この室外熱交換器１７には、液管４ａを介して、各室内ユニット３の膨張弁１９ａ〜１９ｃ、室内熱交換器２１ａ〜２１ｂが接続され、室内熱交換器２１ａ〜２１ｂには、ガス管４ｂを介して、四方弁１５が接続され、この四方弁１５には、圧縮機１２ａ，１２ｂが接続されている。また、この圧縮機１２ａ，１２ｂの吐出管１２ｃおよび吸込管１２ｄが、バイパス管１８で接続され、このバイパス管１８に、アンロード用のバイパス弁２０が接続されている。

ちなみに、圧縮機１２ａ，１２ｂが駆動されると、四方弁１５の切り替え状態で、それが暖房切り替えであれば、実線の矢印で示すように、圧縮機１２ａ，１２ｂ、四方弁１５、室内熱交換器２１ａ〜２１ｂ、膨張弁１９ａ〜１９ｃ、室外熱交換器１７の順に冷媒が循環し、室内熱交換器２１ａ〜２１ｂでの冷媒凝縮熱により室内が暖房される。これとは反対に、四方弁１５が冷房切り替えであれば、破線の矢印で示すように、圧縮機１２ａ，１２ｂ、四方弁１５、室外熱交換器１７、膨張弁１９ａ〜１９ｃ、室内熱交換器２１ａ〜２１ｂの順に冷媒が循環し、この室内熱交換器２１ａ〜２１ｂでの冷媒蒸発熱により室内が冷房される。

つぎに、ガスエンジン１０の冷却装置について説明する。
このガスエンジン１０は水冷式であり、このガスエンジン１０のウォータージャケットを循環した冷却水は、第１の三方弁２２、逆潮流ヒータ２３および第２の三方弁２４を経て、ラジエター２５に供給される。このラジエター２５は、室外熱交換器１７と併設されており、これらは同一の送風機２６により送られる空気によって空冷され、このラジエター２５を経た冷却水は、冷却水ポンプ２７、排ガス熱交換器２９の順に流れて、ガスエンジン１０のウォータージャケットに戻される。
排ガス熱交換器２９には、ガスエンジン１０の排気ガスが通され、この排気ガスは、排気トップ３０を経て、室外ユニット２の外に排出される。

上述した第１の三方弁２２は冷却水温度で自動的に切り替えられる。すなわち、冷却水温度が所定温度よりも低い場合、ガスエンジン１０のウォータージャケットからの冷却水を、ラジエター２５をバイパスし、直接、冷却水ポンプ２７、排ガス熱交換器２９の順に導いて、上記ウォータージャケットに戻す。
第２の三方弁２４は、例えば暖房運転時に切り替えられ、この場合、冷却水はラジエター２５をバイパスし、プレート式熱交換器３１を経て、冷却水ポンプ２７、排ガス熱交換器２９の順に流れ、ウォータージャケットに戻される。

つぎに、発電機１１による発電系統について説明する。
この発電機１１には、系統連系インバータ３３が接続され、この系統連系インバータ３３は、発電機１１からの三相交流電力を、ＡＣ／ＤＣコンバータを介して、直流電力に変換した後、２００Ｖの三相交流の電力に変換して、商用系統３５に出力する。この商用系統３５は、商用電源３６と、ブレーカ３７と、需要家負荷３８とを含み、系統連系インバータ３３は、ブレーカ３７と、需要家負荷３８との間に接続されている。

また、この系統連系インバータ３３は、上述した逆潮流ヒータ２３に適宜電力を供給すると共に、室外ユニット２の室外側コントローラ３９に、通信線４０を介して通信可能に接続されている。そして、この室外側コントローラ３９は、商用系統３５から電源線４１を介して動作電源を得ると共に、通信線４２を介して各室内ユニット３の室内側コントローラに通信可能に接続されている。

この系統連系インバータ３３には、商用電源３６およびブレーカ３７の間に設置された電力検出器４３が接続されている。この電力検出器４３は、商用系統３５に供給される電力値をリアルタイムに取得し、この取得した電力値データが、系統連系インバータ３３に入力され、通信線４０を介して室外側コントローラ３９に送られる。
また、系統連系インバータ３３は、発電機１１の発電量を制御する機能を有し、必要に応じ、発電量を減少または増大させる。

上記構成において、例えば室内ユニット３側の空調要求に応じて、圧縮機１２ａ，１２ｂの負荷が増大すると共に、商用系統３５の需要家負荷３８の増大に応じて、発電要求が増大した場合、エンジン１０の負荷が増大する。
需要家負荷３８は、電力検出器４３、系統連系インバータ３３および室外側コントローラ３９により常時監視されている。

つぎに、逆潮流ヒータ２３について説明する。
この逆潮流ヒータ２３は、暖房運転時の冷媒を加熱するための熱源として利用される。空気調和装置１が暖房運転される場合、図１において、冷媒が、実線の矢印で示すように、圧縮機１２ａ，１２ｂ、四方弁１５、室内熱交換器２１ａ〜２１ｂ、膨張弁１９ａ〜１９ｃおよび室外熱交換器１７の順に流れ、室内熱交換器２１ａ〜２１ｂでの冷媒凝縮熱により室内が暖房される。

本構成では、暖房運転時で、低外気温時に、室外側コントローラ３９から系統連系インバータ３３に対し、逆潮流ヒータ２３への通電許可が出力され、例えばエンジン起動後、１０分間通電が行われる。この通電で加熱されたエンジン冷却水は、上述のように、暖房位置に切り変わった第２の三方弁２４、プレート式熱交換器３１を経て、冷却水ポンプ２７および排ガス熱交換器２９の順に流れ、エンジン１０のウォータージャケットに戻される。この構成では、暖房運転時で、かつ低外気温時に、プレート式熱交換器３１によって、逆潮流ヒータ２３の熱が回収され、圧縮機１２に戻る冷媒が冷媒加熱されるため、暖房運転時の暖房効率が向上する。

図２は、制御フローを示す。
この処理フローでは、暖房運転時に、エンジン最高回転速度で運転しても、室内熱交換器２１ａ〜２１ｂを経た空気の吹出温度が、所定温度以下である場合（Ｓ１）、外気温度が低いとして、室外側コントローラ３９から系統連系インバータ３３に対し、逆潮流ヒータ２３への通電許可が出力される（Ｓ２）。これが出力されると、タイマ（図示せず）が計時を開始し（Ｓ３）、その通電時間が所定時間を超えた場合（Ｓ４）、系統連系インバータ３３に対し、ヒータ２３への通電不許可が出力され（Ｓ５）、タイマがリセットされる（Ｓ６）。ヒータへの通電により、上記のように、加熱されたエンジン冷却水がプレート式熱交換器３１に流れ、ここでヒータ熱が回収されて冷媒加熱され、暖房運転時の暖房効率が向上する。ヒータ２３の通電には、所定のインターバルを持たせ、ヒータ通電後は、一担通電を停止することが望ましい。

また、逆潮流ヒータ２３は、例えば、需要家負荷３８の発電負荷等が急減し、エンジン負荷率が急減し、エンジン過回転が発生した場合、それによって余剰となった発電電力を消費するために使用される。
例えば、発電負荷の急減により、系統連系インバータ３３の出力が急減すると、発電機１１の負荷が軽くなる。この場合に、スロットル弁８の弁開度は所定の弁開度に維持されているため、エンジンが過回転し、インバータ３３の入力電圧が上昇し、インバータ３３の耐電圧を超える恐れがある。

本構成では、系統連系インバータ３３の入力電圧を検知する検出手段（図示せず）を備え、この入力電圧が所定の電圧値を超えた場合、系統連系インバータ３３に対し、逆潮流ヒータ２３への通電許可が出力される。この逆潮流ヒータ２３は、エンジン冷却水を加熱するが、この冷却水は、図１を参照し、第２の三方弁２４を経て、ラジエター２５に供給され、ここで放熱し、冷却水ポンプ２７、排ガス熱交換器２９の順に流れて、ガスエンジン１０のウォータージャケットに戻される。
本構成では、エンジン過回転が発生した場合であっても、それによって余剰となった発電電力が、逆潮流ヒータ２３で消費されるため、系統連系インバータ３３の入力電圧の上昇が抑制され、インバータ３３の保護が図られる。

以上、一実施形態に基づいて、本発明を説明したが、本発明は、これに限定されるものではない。例えば、系統連系インバータ３３は、室外ユニット２とは別置きとなっていたが、室外ユニット２に一体的に収納されていてもよい。また、室外ユニット２が複数台設置の場合、各室外ユニット２に系統連系インバータ３３を設置し、これら系統連系インバータ３３を変換機で接続し、この変換機が、各系統連系インバータ３３に出力制御指示を行うようにすればよい。また、本実施形態では、インバータから供給される電源を三相２００Ｖとしたが、三相１００Ｖでもよく、単相三線式としてもよい。

本発明の一実施形態を示す回路図である。 処理フローを示す図である。

符号の説明

１ エンジン駆動式空気調和装置
２ 室外ユニット
３ 室内ユニット
８ スロットル弁
１０ エンジン
１１ 発電機
１２ 圧縮機
２３ 逆潮流ヒータ
２４ 冷却水ポンプ
３１ プレート式熱交換器（熱交換器）
３３ 系統連系インバータ
３８ 需要家負荷
３９ 室外側コントローラ
４３ 電力検出器

Claims (2)

1. エンジンによって駆動される圧縮機、室外熱交換器、減圧装置および室内熱交換器を有した空気調和装置と、前記エンジンによって駆動される発電機と、この発電機の出力側に接続されたインバータと、このインバータの出力側に接続され、前記エンジンの余剰発電電力を熱として回収する逆潮流ヒータと、を備え、
   前記逆潮流ヒータを、前記エンジンの冷却水の循環経路に設けると共に、前記逆潮流ヒータで加熱された冷却水および前記圧縮機に戻る冷媒の間で熱交換を行う熱交換器を設け、
   暖房運転時で低外気温時に、前記エンジンの起動後所定時間の間、前記インバータに対し前記逆潮流ヒータへの通電許可を出力することによって前記逆潮流ヒータにより冷却水を加熱し、前記熱交換器にて、前記逆潮流ヒータによって加熱された冷却水により冷媒加熱することを特徴とする空調・発電システム。
2. 前記逆潮流ヒータへの通電時間を計測するタイマを備えたことを特徴とする請求項１記載の空調・発電システム。

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