JP4727270B2 - 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）。

この種のものでは、エンジンに複数台の圧縮機を、夫々電磁クラッチを介して並列に接続し、室内機側の空調負荷に応じて、各電磁クラッチの接続により、圧縮機容量を増減させることが提案される。
特開平５−２３１７４５号公報

上記構成では、空調負荷が大きくなった場合、電磁クラッチを接続し、圧縮機運転台数を増加させて、圧縮機容量を増大する。
しかし、圧縮機容量を増大する場合、電磁クラッチの切り替え時に、一気にエンジン負荷が上がり、燃料供給の遅れにより、エンジン回転数が瞬間下がることがある。この場合、同時にエンジンで駆動される発電機の電圧が下がり、この発電機に接続された、商用系統に電気出力を行うための系統連系インバータが対応できず、例えば発電不能やエンスト等の問題が発生する。

そこで、本発明の目的は、上述した従来の技術が有する課題を解消し、電磁クラッチの切り替え時に、一気にエンジン負荷が上がっても、系統連系インバータが対応可能な、空調・発電システムを提供することにある。

また、エンジンに夫々クラッチを介して並列に接続された複数台の圧縮機、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、エンジンによって駆動される発電機と、この発電機に接続され、商用系統に電気出力を行う系統連系インバータとを備え、空調負荷の増大により、前記クラッチを接続して圧縮機容量を増加する場合、エンジンの回転数を所定回転数に設定し、当該エンジンに供給される燃料をリッチにする制御手段を備え、前記制御手段は、エンジンに供給される燃料をリッチにした後に、エンジン負荷を取得し、このエンジン負荷が所定の閾値よりも低い場合、直ちにクラッチ切り替えを実行し、前記エンジン負荷が前記閾値よりも高い場合、前記系統連系インバータに発電量の減少を指示して、前記エンジン負荷が当該閾値よりも低くなるまで前記発電機の発電出力を減少させることを特徴とする。

本発明では、クラッチを接続して圧縮機容量を増加する場合、まず、予め設定されたクラッチ切り替え用のエンジン回転数に設定し、ついで、燃料調整弁の弁開度を開けて、燃料の供給量を増大する。この状態でクラッチ切り替えを行い、通常のエンジン制御に移行すると、空調負荷に応じてエンジン回転数が下降し、この状況下で、エンジンのスロットル弁の開度が開く。この時、既に燃料供給量は増大しているため、スロットル弁が開くと同時に、エンジンに適正空燃比の燃料が供給され、いわゆるエンジン回転数の瞬時低下が抑制され、発電機の出力電圧低下が抑制される。

この場合において、前記制御手段は、系統連系インバータに発電量の減少を指示して、前記発電機の発電出力を減少させてもよい。前記制御手段は、エンジンに供給される燃料をリッチにし、エンジン負荷を取得し、このエンジン負荷が低い場合、そのまま前記発電機の発電出力を減少させてもよい。前記制御手段は、エンジンに供給される燃料をリッチにし、エンジン負荷を取得し、このエンジン負荷が高い場合、系統連系インバータに発電量の減少を指示して、前記発電機の発電出力を維持させてもよい。エンジンへの空気の供給量を調整するスロットル弁を有し、このスロットル弁の弁開度に応じて現在のエンジン負荷を推定してもよい。

本発明では、クラッチの切り替え時に、一気にエンジン負荷が上がっても、スロットル弁が開くと同時に、エンジンに適正空燃比の燃料供給がなされるため、エンジン回転数の瞬時低下が抑制される。従って、発電機の出力電圧低下が抑制されて、系統連系インバータによる適正な発電制御が維持される。

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。

本構成では、商用系統の契約電力に応じた電力削減指示を出力するデマンドコントローラ５１が設置されている。
デマンドコントローラ５１は、例えばレベル０〜レベル３までの４段階の電力削減指示を出力し、出力がレベル０であれば、電力使用量が契約電力までにかなりの余裕があり、レベル３に向けて徐々に危険度が増し、レベル３では、契約電力に接近したことを示す。このデマンドコントローラ５１は、電力削減指示を、室外側コントローラ３９に出力し、この室外側コントローラ３９が、電力削減指示のレベルに応じて、系統連系インバータ３３に発電出力増大を許可する。

さて、本構成では、例えば一方の圧縮機１２ａの運転中に、空調負荷が大きくなった場合、他方の圧縮機１２ｂの電磁クラッチ１４ｂを接続し、圧縮機１２の運転台数を増加し、圧縮機容量を増大して対処している。
図２は、クラッチ切り替え時の制御フローを示す。
この処理フローでは、まず、クラッチ解列レベルの変更があるか否かが判定され（Ｓ１）、クラッチ解列レベルの変更がない場合、クラッチ変更が行われない（Ｓ１−１）。ここでのクラッチ解列レベルは、電磁クラッチ１４ａ，１４ｂの接続、切断の組み合わせにより決定され、例えば、解列レベル０〜３の４段階に分類され、解列レベル０が選択されると、２台の圧縮機が同時に接続され、解列レベル１では、容量大の圧縮機が接続され、解列レベル２では、容量小の圧縮機が接続され、解列レベル３では、すべての圧縮機が切断される等のセットになっている。

クラッチ解列レベルの変更があり、しかも、その変更がクラッチ接続台数を増加させる変更である場合、まず、エンジン１０の回転数を、予め設定されたクラッチ切り替え用の所定回転数に設定し、ついで、燃料調整弁７の弁開度を予め設定された所定の弁開度まで開けて、燃料の供給量をリッチにする（Ｓ２）。そして、エンジン１０の負荷レベルを取得し（Ｓ３）、この負荷レベルが高いか否かを判定し（Ｓ４）、高くない場合には、直ちに、クラッチ切り替えを実行し（Ｓ５）、通常のエンジン制御に移行する（Ｓ６）。Ｓ３で取得する現在のエンジン負荷は、エンジン１０への空気の供給量を調整するスロットル弁８の弁開度に応じ推定する。

Ｓ４で、負荷レベルが高い場合、そのままクラッチ切り替えを実行すると、一気にエンジン負荷が上がり、燃料供給の遅れにより、エンジン回転数が瞬間下がり、この場合、同時にエンジンで駆動される発電機１１の電圧が下がり、この発電機１１に接続された、商用系統に電気出力を行うための系統連系インバータ３３が対応できず、例えば発電不能やエンスト等を引き起こす。

本実施形態では、Ｓ４で、負荷レベルが高い場合に、系統連系インバータ３３に所定量の発電量ダウンが指示される（Ｓ７）。
ついで、発電量が零か否かが判定され（Ｓ８）、発電量が零でない場合、Ｓ３に戻り、Ｓ４で、負荷レベルが高くないと判定されるまで、Ｓ３→Ｓ４→Ｓ７→Ｓ８を繰り返し、Ｓ４で、負荷レベルが高くないと判定され、或いはＳ７で、発電量が零と判定されたらクラッチ切り替えを実行する（Ｓ５）。

本実施形態では、クラッチを接続して圧縮機容量を増加する場合、まず、予め設定されたクラッチ切り替え用のエンジン回転数に設定し、ついで、燃料調整弁７の弁開度を開けて、燃料の供給量を増大する。この状態でクラッチ切り替えを行い、通常のエンジン制御に移行すると（Ｓ６）、空調負荷に応じてエンジン回転数が下降し、この状況下で、エンジン１０のスロットル弁８の開度が開く。
この時、Ｓ２で、既に燃料供給量は増大しているため、スロットル弁８が開くと同時に、エンジン１０に適正空燃比の燃料が供給される。従って、エンジン回転数の瞬時低下が抑制され、発電機の出力電圧低下が抑制される。

また、燃料リッチの状態でも、エンジン負荷レベルが高い場合には、発電量ダウンが指示されている（Ｓ７）。これによっても、発電機１１が軽くなり、エンジン負荷が下がるため、従来のような、エンジン回転数の瞬間的な低下が抑制される。従って、本実施形態では、発電機１１の出力電圧低下が抑制され、系統連系インバータ３３による適正な発電制御が維持される。

上記構成で、Ｓ３→Ｓ４→Ｓ７→Ｓ８は、所定時間内における処理とすることが望ましい。Ｓ４で、負荷レベルが高くないと判定され、或いはＳ７で、発電量が零と判定されるまでの時間が余り長くかかると、その時間、クラッチ切り替えが実行されず、本来の空調に影響が出るからである。

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。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
１２ａ，１２ｂ 圧縮機
１４ａ，１４ｂ 電磁クラッチ
３３ 系統連系インバータ
３５ 商用系統
３６ 商用電源
３７ ブレーカ
３８ 需要家負荷
３９ 室外側コントローラ
４３ 電力検出器
５１ デマンドコントローラ

Claims (2)

1. エンジンに夫々クラッチを介して並列に接続された複数台の圧縮機、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、エンジンによって駆動される発電機と、この発電機に接続され、商用系統に電気出力を行う系統連系インバータとを備え、空調負荷の増大により、前記クラッチを接続して圧縮機容量を増加する場合、エンジンの回転数を所定回転数に設定し、当該エンジンに供給される燃料をリッチにする制御手段を備え、前記制御手段は、エンジンに供給される燃料をリッチにした後に、エンジン負荷を取得し、このエンジン負荷が所定の閾値よりも低い場合、直ちにクラッチ切り替えを実行し、前記エンジン負荷が前記閾値よりも高い場合、前記系統連系インバータに発電量の減少を指示して、前記エンジン負荷が当該閾値よりも低くなるまで前記発電機の発電出力を減少させることを特徴とする空調・発電システム。
2. エンジンへの空気の供給量を調整するスロットル弁を有し、このスロットル弁の弁開度に応じて現在のエンジン負荷を推定することを特徴とする請求項１に記載の空調・発電システム。

Images