JP4958448B2

JP4958448B2 - ガスヒートポンプ空気調和装置

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Publication number: JP4958448B2
Application number: JP2006038169A
Authority: JP
Inventors: 将天池; 和雄佐藤; 秀一高橋
Original assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Current assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Priority date: 2006-02-15
Filing date: 2006-02-15
Publication date: 2012-06-20
Anticipated expiration: 2026-02-15
Also published as: JP2007218480A

Description

本発明は、気体を燃料とした内燃機関によりヒートポンプ用圧縮機を駆動する方式のヒートポンプ空気調和装置に関する。

近年、エネルギーコストや安定供給の観点から気体燃料を用いた内燃機関、いわなるガスエンジンを動力源に用いたガスヒートポンプ空気調和装置が実用に供されるようになっている(例えば、特許文献１参照。)。そして、このときの気体燃料としては、例えばライフライン(Lifelenn)などと呼ばれている供給システムに依存したガス、いわゆる都市ガスが主として用いられている。

また、この場合、ガスエンジンなどの内燃機関には、通常、冷却ファンに代表される各種の機器、いわゆる補機が必要で、これらの駆動には電力を用いるのが一般的であり、このためエンジンには発電機が装備され、エンジンにより駆動されることにより、必要な電力が得られるようになっている(例えば、特許文献２参照。)。
特開２００４−２８４７７号公報特開２００４−１４７３８７号公報

上記従来技術は、空気調和負荷の変動に配慮がされておらず、運転効率の最適化に問題があった。

空気調和装置の設置に際しては、通常、そこで要求される最大冷却能力が考慮され、これを満足させるのに必要な能力を定格出力として備えた空気調和装置が選定されるのが一般的である。しかし、この場合でも通常の使用状態で最大冷却能力が要求されることは稀で、ほとんどの使用状態では最大冷却能力よりも小さい冷却能力で間に合っている場合が多い。

そこで、このとき、上記したように、最大冷却能力にあわせてガスエンジンの選定を行い、それに対応した出力のガスエンジンを使用したとすると、ガスエンジンが定格出力よりも低い部分負荷状態で運転されている時間が長くなってしまうので、エンジンの能力に無駄が生じ、設置コストやランニングコストの面で不利になる上、部分負荷運転による燃費の悪化が免れず、更にランニングコストの増加がもたらされてしまう。

また、種々の理由により、最大冷却能力を越えて使用しなければならない事態が発生した場合、ガスエンジンの入れ替えはコスト面でほとんど不可能なため、従来技術では対応できず、従って、従来技術では、上記したように、運転効率の最適化に問題が生じてしまうのである。

本発明の目的は、空気調和負荷の変動に際してもガスエンジンの運転が適切に得られ、安定した運転の継続もとで省エネ化が図れるようにしたガスヒートポンプ空気調和装置を提供することにある。

上記目的は、ガスを燃料としてヒートポンプ用の圧縮機を駆動するガスエンジンと、前記圧縮機と前記ガスエンジンとの接続を切り離すクラッチと、商用電源から供給される電力を用いてインバータ装置により任意の回転速度で前記圧縮機を駆動する電動機と、前記ガスエンジンと前記電動機とを制御することにより前記圧縮機を駆動する制御部と、前記圧縮機が要求する駆動力の中で前記ガスエンジンが受け持つ駆動力を設定して運転させたときの運転コスト、及び、前記圧縮機が要求する駆動力の中で前記電動機が受け持つ駆動力を設定して運転させたときの運転コストを算出することで、前記ガスエンジンの運転コストと前記電動機の運転コストとの和が最小値になるように決定される、前記圧縮機が要求する駆動力に対する前記ガスエンジンが受け持つ駆動力と前記電動機が受け持つ駆動力との比率の関係を記憶する記憶手段とを備え、前記ガスエンジンと前記電動機との双方を駆動する場合に前記制御部は、前記圧縮機が要求する駆動力の変化に対して、前記記憶手段が記憶した前記比率の関係に応じて前記ガスエンジンの駆動力と前記電動機の駆動力とを設定し、該設定したそれぞれの駆動力に応じて前記ガスエンジンの駆動力と前記電動機の駆動力を個別に制御して前記ガスエンジンと前記電動機との双方により前記圧縮機を駆動させるようにして達成される。

このとき、前記ガスエンジンのみを駆動する場合に前記制御部は、前記ガスエンジンを駆動させ該駆動した前記ガスエンジンにより前記圧縮機を駆動させ、該駆動した圧縮機により前記電動機を発電機として動作させるようにしてもよく、前記電動機のみを駆動する場合に前記制御部は、前記クラッチを制御することで該クラッチにより前記圧縮機と前記ガスエンジンとの接続を切り離し、前記電動機を駆動させ該駆動した電動機により前記圧縮機を駆動させるようにしてもよい。

上記の手段は、ガスヒートポンプ空気調和装置のガスエンジンに通常、備わっている発電機を電動機として働かせ、これを上記のように制御することにより、ガスエンジンが動作しない場合であっても、発電機が電動機として駆動力を発生し、圧縮機が駆動され、ガスヒートポンプ空気調和装置の運転を継続させることが可能になる。

また、発電機を電動機として動作させることで、例えばガスエンジンの駆動力を補助的に増加させることも可能になり、更には圧縮機に必要な駆動力をガスエンジンの駆動力と電動機の駆動力に適度な比率で分配させることも可能となる。一方、ガスエンジンを始動させるためのスターターと呼ばれるモータの代用として上記発電機を電動機とすることとすれば、上記スターターを省略することも可能となるものである。

本発明によれば、ガスエンジンと電動機を併用して運転コストが最低になるような制御が得られるようになり、この結果、省エネ化に大きく寄与することができる。

以下、本発明によるガスヒートポンプ空気調和装置について、図示の実施の形態により詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態で、この図において、圧縮機１がヒートポンプ用のコンプレッサで、この実施形態でも、この圧縮機１がガスエンジン２により回転駆動されることにより、冷房と暖房の夫々に必要なヒートポンプ動作が得られるようになっている点は、従来のガスヒートポンプ空気調和装置と同じであるが、この実施形態では、圧縮機１に更に電動機３が連結され、圧縮機１とガスエンジン２の間にはクラッチ４が設けてある。

ここで、圧縮機１は、例えばマルチシリンダ形式のレシプロ型コンプレッサやロータリー形式のコンプレッサ(比較的小容量の場合)、或いは軸流式のターボコンプレッサ(比較的大容量の場合)などで構成されていて、良く知られているように、ヒートポンプの蒸発用熱交換器(エバポレータ)で気化した二酸化炭素(ＣＯ2)などの冷媒のガスを吸入し、蒸発用熱交換器内を低圧にして液化状態にある冷媒の蒸発を促すと共に、このガスを圧縮し高圧にしてヒートポンプの凝結用熱交換器(コンデンサ)に送り、液化を促す働きをする。

従って、このときのヒートポンプの能力、つまり熱移動容量(キロカロリー毎時)は、圧縮機１の大きさからくる限界内では、この圧縮機１の吐出ガス圧と吐出ガス流量、つまり圧縮機１に加えられている駆動力によって決められることになる。なお、このときの冷媒は、上記した二酸化炭素に限定されるものではなく、ガスヒートポンプ空気調和装置に一般的に用いられている冷媒ガスであればよい。

次に、ガスエンジン２は、都市ガスを燃料とした、例えばレシプロ型の内燃機関で構成され、この実施形態に係るガスヒートポンプ空気調和装置に要求されている熱移動容量に応じた出力(キロワット)を持っている。なお、大容量の場合はガスタービンが使用されることもある。

また、電動機３は、例えば三相かご型誘導電動機で構成され、後述するように、可変電圧可変周波数駆動されることにより、所定の任意の回転速度で圧縮機１を駆動する。また、これと共に、ガスエンジン２から駆動されることにより、必要に応じて発電機(誘導発電機)としても動作するようになっている。

そして、クラッチ４は、例えば電気制御型の摩擦クラッチで構成され、必要に応じて圧縮機１からガスエンジン２を切り離す働きをする。従って、このクラッチ４には、ガスエンジン２の最大出力に見合ったトルク伝達能力を有するものが適用されている。

次に、この実施形態における制御系について説明すると、まず、システム制御部５は、この実施形態に係るガスヒートポンプ空気調和装置の全体の動作制御を統合して行う。このとき、ガスエンジン２の制御はエンジン制御部６を介して行い、電動機３の制御は電動機制御部７を介して行う。そして、クラッチ４はシステム制御部５が直接制御を行い、オン状態(動力伝達状態)とオフ状態(動力切離し状態)に制御する。

このため、システム制御部５には、まず、ヒートポンプとしての動作を冷房と暖房の何れに切換えるかを指令する冷暖房切換指令がユーザから入力されるようになっている。そして、システム制御部５は、この冷暖房切換指令に応じて冷房回路の切換えを行い、指令が冷房になっているときは、冷房すべき室内にある熱交換器が上記したヒートポンプの蒸発用熱交換器として働き、熱を放散すべき外部空間にある熱交換器が上記したヒートポンプの凝結用熱交換器として働くように、冷媒回路を切換え、暖房なら反対に切換える。

また、このシステム制御部５は、各種のセンサから入力される信号に応じて所定の制御信号(駆動力指令)を作成し、これをエンジン制御部６と電動機制御部７に供給するようになっている。このため、システム制御部５には、冷暖房温度を設定する指令がユーザから入力され、これと共に外気温度センサや室内温度センサなど各種のセンサで検出した信号も入力されている。

これにより、ガスエンジン２と電動機３による圧縮機１の駆動力がシステム制御部５により制御され、この結果、ヒートポンプによる冷暖房温度が、このとき指令されている冷暖房温度に収斂してゆくようにする。

しかも、このときシステム制御部５は、圧縮機１が要求する駆動力の中でガスエンジン２が受け持つ駆動力を設定し、当該設定された駆動力のもとでガスエンジン２を運転させたときの運転コストを算出する手段(エンジンコスト演算手段)と、同じく圧縮機１が要求する駆動力の中で電動機３が受け持つ駆動力を設定し、当該設定された駆動力のもとで電動機３を運転させたときの運転コストを算出する手段(電動機コスト演算手段)と、ガスエンジン１の駆動力と電動機２の駆動力を個別に制御し、ガスエンジン２に設定された駆動力と電動機３に設定された駆動力の比率を変更する制御手段を備え、これによりガスエンジン２の運転コストと電動機３の運転コストの和が最小値になるように前記比率を変更するように構成されている。

このときエンジン制御部６は、システム制御部５から入力されるエンジン駆動力指令に応じてガスエンジン２の吸入空気流量と空燃比(ガスと空気の混合比)を調整し、システム制御部５から指令されている駆動力がガスエンジン２から発生されるように制御し、他方、電動機制御部７は、商用電源ＡＣから三相交流電力を受電しているインバータ装置を備え、システム制御部５から入力される電動機駆動力指令に応じて電動機３に供給される三相交流電力の電圧と周波数を調整し、システム制御部５から指令されている駆動力が電動機３から発生されるように制御する。

ここで、このガスエンジン２には冷却ファン９が設けられているが、これには、図示のように、システム制御部５の制御のもとで、電動機制御部７から必要な電力が供給されるようになっている。このとき冷却ファン９は、例えばガスエンジン２の冷却水ラジエータに設置され、エンジンの温度上昇を抑える働きをする。

更に、この実施形態では、システム内にバッテリ(二次電池)８が設けられ、これが電動機制御部７の中にあるインバータ装置の直流回路部に接続されている。従って、このバッテリ８は商用電源ＡＣから充電され、バックアップ用として機能すると共に、このバッテリ８からインバータ装置の逆変換部に直流電力を供給し、この逆変換部から三相交流電力を供給して電動機３に駆動力を発生させることができるようになっている。

また、この逆変換部は電力回生動作が行えるように構成してあり、これにより電動機３を誘導発電機として動作させ、発電した電力によりバッテリ８を充電できるようになっている。

次に、この実施形態に係るガスヒートポンプ空気調和装置の動作について説明すると、この実施形態では、ユーザから与えられる指令に応じて、併用運転モードとガスエンジン単独運転モード、それに電動機単独運転モードの何れかのモードで動作するようになっている。そこで、以下、各モードの動作について、順次、詳細に説明する。

・併用運転モード
この併用運転モードは、都市ガスと電力の双方の供給が保たれているとき許され、ユーザの指令に応じて設定される運転モードで、この場合、システム制御部５は、エンジン制御部６と電動機制御部７に指令し、ガスエンジン２と電動機３の双方が共に駆動力を発生するように制御する。そして、これにより、ガスエンジン２と電動機３の双方の駆動力により圧縮機１が運転され、冷暖房が得られるように設定される。

従って、このモードでは、クラッチ４をオン状態に制御し、ガスエンジン２の出力軸が圧縮機１の駆動軸に連接された状態に設定される。そして、このとき冷却ファン９などの補機には、電動機制御部７を介して、商用電源ＡＣから電力が供給され、バッテリ８も同じく商用電源ＡＣから電力が供給され、充電状態、或いは浮動充電(フローティング)状態に設定される。

そして、このとき、更にシステム制御部５は、ガスエンジン２の駆動力と電動機３の駆動力の比率が、上記したようにして演算され、これにより空気調和運転コストが常に最小になるように制御されるようになっており、これが、この実施形態における併用運転モードの特徴である。

このため、システム制御部５は、上記したように、圧縮機１が要求する駆動力の中でガスエンジン２が受け持つ駆動力を設定し、当該設定された駆動力のもとでガスエンジン２を運転させたときの運転コストを算出する手段と、同じく圧縮機１が要求する駆動力の中で電動機３が受け持つ駆動力を設定し、当該設定された駆動力のもとで電動機３を運転させたときの運転コストを算出する手段と、ガスエンジン２の駆動力と電動機３の駆動力を個別に制御し、ガスエンジン２に設定された駆動力と電動機３に設定された駆動力の比率を変更する手段を備え、これによりガスエンジン２の運転コストと電動機３の運転コストの和が最小値になるように前記比率を変更するように構成されている。

このときの動作について、より具体的に説明すると、まず、圧縮機１が要求する駆動力の大きさを順次、変え、各駆動力毎にガスエンジン２が受け持つ駆動力と電動機３が受け持つ駆動力の比率を順次、異なった値に変え、その都度、ガスエンジン２の運転コストと電動機３の運転コストの和が最小になる比率を計算又は実験により求め、予めメモリにテーブル化しておく。このとき、圧縮機１が要求する駆動力の大きさは、ユーザから入力される冷暖房温度指令によって決る。

そして、この後、ユーザから冷暖房温度指令が入力されたら、これに対応して決る圧縮機１の駆動力の大きさによりテーブルを検索してやれば、このときの駆動力の大きさにおいて、運転コストを最小値にするために必要な駆動力の比率がテーブルから自動的に読出せることになる。

従って、この実施形態によれば、併用運転モードに設定することにより、空気調和負荷に応じてガスエンジン２と電動機３の負荷分担が自動的に適正化されるので、空気調和負荷が変動した場合でも、運転コストは常に最小限に抑えられ、この結果、安定した運転のもとで省エネ化を図ることができる。

ところで、このようなガスヒートポンプ空気調和装置の場合、当初の設置計画においては、通常、定格駆動出力や最大駆動出力等を満足できるように機器の選定を行うが、しかし、通常の使用状態のとき、定格駆動出力での運転が多く、最大駆動出力が必要となることが稀である場合は、ガスエンジン１の選定を最大駆動出力時に合わせて行うと無駄が生じ、コストや大きさの面で不利となることが多い。

また、種々の理由でガスエンジンの最大駆動能力を超えて空気調和装置を使用する必要が生じた場合、ガスエンジンの入れ替えは極めて困難で、ほとんど不可能であるため、例えば従来の装置では対応できない。

しかしながら、この実施形態によれば、ガスエンジン２のほかにも電動機３が設けられ、システムを併用運転モードにすることにより、ガスエンジン２の駆動力に電動機３による駆動力が加算できるようになっているので、ガスエンジン２の最大駆動能力を越えて空気調和装置を使用する必要が生じた場合にも、システムを併用運転モードにするだけで容易に対応することができる。

ところで、この併用運転モードでは、電動機３の出力軸が圧縮機１とクラッチ４を介してガスエンジン２のクランク軸に連接されているので、商用電源ＡＣから電動機３に電力を供給することにより、この電動機３をガスエンジン２のスタータとして利用することができ、従って、別途、スタータを設ける必要がない。

・エンジン単独運転モード
このエンジン単独運転モードは、通常、例えば停電など商用電源ＡＣによる電力供給が途絶えたとき、それを検知して自動的に、或いは何らかの理由でユーザが望んだとき、当該ユーザの指令により適用される運転モードで、この場合、システム制御部５は、ガスエンジン２だけが駆動力を発生し、これにより圧縮機１が駆動されるようにシステムを設定する。

このとき電動機３は、電動機制御部７を介して発電機として動作するように設定され、また、クラッチ４はオン状態に制御され、ガスエンジン２の出力軸が圧縮機１の駆動軸に連接された状態に設定される。従って、このエンジン単独運転モードでは、例えば特許文献１に記載の従来技術によるガスエンジンを動力源に用いたガスヒートポンプ空気調和装置と大要は同じシステム構成となる。

そして、この実施形態におけるエンジン単独運転モードでは、電動機制御部７内にあるインバータ装置の逆変換部が電力回生動作に設定され、これにより電動機３が誘導発電機として動作するようになる。そこで、この場合、電動機３で発電された電力がバッテリ８に供給され、充電されている状態にされると共に、冷却ファン９などの補機には、このバッテリ８から電動機制御部７を介して、電力が供給される状態に設定される。

なお、このエンジン単独運転モードのときでも、電動機３がガスエンジン２のスタータとして利用できるので、上記した併用運転モードの場合と同じく、別途、スタータを設ける必要はない。

・電動機単独運転モード
この電動機単独運転モードは、通常、例えばライフラインによる都市ガスの供給が途絶えたとき、それを検知して自動的に、或いは何らかの理由でユーザが望んだとき、当該ユーザの指令により適用される運転モードで、この場合、システム制御部５は、電動機３だけが駆動力を発生し、これにより圧縮機１が駆動されるようにシステムを設定する。

このとき電動機３は、電動機制御部７を介して、そのまま電動機として動作するように設定され、クラッチ４はオフ状態に制御され、ガスエンジン２の出力軸は圧縮機１の駆動軸から切り離された状態に設定される。そして、このとき、冷却ファン９などの補機には、電動機制御部７を介して、商用電源ＡＣから電力が供給され、バッテリ８も同じく商用電源ＡＣから電力が供給され、充電状態、或いは浮動充電状態に設定される。

ここで、例えば病院など２４時間空調が必要な施設では、ガスヒートポンプ空気調和装置を連続運転させる必要があるが、しかし、場合によってはガスエンジン２を停止させざるを得ないことがある。例えば上記したように都市ガスの供給が停止されてしまったときや、ガスエンジン２にメンテナンスが必要になったとき、或いはガスエンジン２の振動や騒音が問題になって、それらを抑制する必要が生じてしまったとき、更には不慮のトラブルによりガスエンジン２が運転不能になってしまった場合などがそれである。

このとき、上記の従来技術の場合、ガスヒートポンプ空気調和装置の安定した運転の維持に充分な配慮がされているとはいえず、何らかの事情でガスの供給が停止されると、当然ながらガスエンジンが使用できなくなり、この結果、ガスヒートポンプ空気調和装置の運転継続が困難になってしまう。

しかしながら、この実施形態では、ガスエンジン２が停止しても駆動源として電動機３があり、ここで電動機単独運転モードにしてやれば、この電動機３に、電動機制御部７を介して商用電源ＡＣから電力が供給され、圧縮機１を駆動させることができ、従って、この実施形態によれば、ガスエンジン２の停止に際しても、そのまま空気調和運転を継続させることができる。

ところで、このようなガスヒートポンプ空気調和装置では、圧縮機１のメンテナンスが欠かせないが、このとき、当該圧縮機の部品交換などの作業に際しては回転軸を回動させなければならない場合があり、この場合、従来技術では対応が困難な場合が考えられる。

しかしながら、この実施形態によれば、電動機３が設けられているので、例えば、上記した電動機単独運転モードにして、電動機３を動作させてやれば、圧縮機１の回転軸を正転方向や逆転方向に任意に動かせることになり、従って回転位置合わせも可能になる。

ところで、以上の実施形態では、電動機３として誘導電動機を用いるようになっているが、本発明は誘導電動機に限定されるものではなく、直流電動機でも同期電動機でもよい。ここで、直流電動機を用いた場合、電動機制御部７にはインバータ装置に代えて周知のチョッパ装置を設けてやればよく、同期電動機を用いた場合は、インバータ装置に周知のベクトル制御を適用してやれば良い。

ここで、上記実施形態における動作モードについて纏めて示すと以下のようになる。

＜併用運転モード＞
・動作条件
・ガスエンジン２→運転
・電動機３→電動機運転
・クラッチ４→オン
・バッテリ８→商用電源ＡＣから充電、或いは浮動充電
・冷却ファン９を含む補機→商用電源ＡＣから給電
＜エンジン単独運転モード＞
・動作条件
・ガスエンジン２→運転
・電動機３→発電機運転
・クラッチ４→オン
・バッテリ８→発電動作している電動機３から充電
・冷却ファン９を含む補機→発電動作している電動機３から給電
＜電動機単独運転モード＞
・動作条件
・ガスエンジン２→停止
・電動機３→電動機運転
・クラッチ４→オフ
・バッテリ８→商用電源ＡＣから充電、或いは浮動充電
・冷却ファン９を含む補機→商用電源ＡＣから給電

本発明によるガスヒートポンプ空気調和装置の一実施形態を示すブロック構成図である。

符号の説明

１：圧縮機
２：ガスエンジン
３：電動機(誘導電動機)
４：クラッチ
５：システム制御部
６：エンジン制御部
７：電動機制御部
８：バッテリ
９：冷却ファン
ＡＣ：商用電源

Claims

ガスを燃料としてヒートポンプ用の圧縮機を駆動するガスエンジンと、
前記圧縮機と前記ガスエンジンとの接続を切り離すクラッチと、
商用電源から供給される電力を用いてインバータ装置により任意の回転速度で前記圧縮機を駆動する電動機と、
前記ガスエンジンと前記電動機とを制御することにより前記圧縮機を駆動する制御部と、
前記圧縮機が要求する駆動力の中で前記ガスエンジンが受け持つ駆動力を設定して運転させたときの運転コスト、及び、前記圧縮機が要求する駆動力の中で前記電動機が受け持つ駆動力を設定して運転させたときの運転コストを算出することで、前記ガスエンジンの運転コストと前記電動機の運転コストとの和が最小値になるように決定される、前記圧縮機が要求する駆動力に対する前記ガスエンジンが受け持つ駆動力と前記電動機が受け持つ駆動力との比率の関係を記憶する記憶手段と、
を備え、
前記ガスエンジンと前記電動機との双方を駆動する場合に前記制御部は、前記圧縮機が要求する駆動力の変化に対して、前記記憶手段が記憶した前記比率の関係に応じて前記ガスエンジンの駆動力と前記電動機の駆動力とを設定し、該設定したそれぞれの駆動力に応じて前記ガスエンジンの駆動力と前記電動機の駆動力を個別に制御して前記ガスエンジンと前記電動機との双方により前記圧縮機を駆動させることを特徴とするガスヒートポンプ空気調和装置。
請求項１に記載のガスヒートポンプ空気調和装置において、
前記ガスエンジンのみを駆動する場合に前記制御部は、前記ガスエンジンを駆動させ該駆動した前記ガスエンジンにより前記圧縮機を駆動させ、該駆動した圧縮機により前記電動機を発電機として動作させることを特徴とするガスヒートポンプ空気調和装置。
請求項２に記載のガスヒートポンプ空気調和装置において、
前記電動機のみを駆動する場合に前記制御部は、前記クラッチを制御することで該クラッチにより前記圧縮機と前記ガスエンジンとの接続を切り離し、前記電動機を駆動させ該駆動した電動機により前記圧縮機を駆動させることを特徴とするガスヒートポンプ空気調和装置。