JP5924040B2 - 発電空気調和システム - Google Patents

Description

本発明は、発電電源装置とガスヒートポンプ式空気調和装置を備える発電空気調和システムに関する。

昨今、ガスエンジンでコンプレッサを駆動し冷媒循環により空気調和（以下、空調とも称する）を行うガスヒートポンプ式空気調和装置（以下、ＧＨＰとも称する）の研究が行われている。特に、エンジンの駆動力により発電する発電機を備えた発電電源装置と組み合わせることで、非常時でも自立運転可能とする空調システムが注目されている。ＧＨＰとしては、例えば特開２００７−２６３５１３号公報（特許文献１）に記載されている。また、エンジンを始動（起動）させるための電源装置については、例えば特開２００３−１４８３１０号公報（特許文献２）に記載されている。

発電電源装置とＧＨＰとを備える発電空気調和システムにおいて、ＧＨＰのガスエンジンを始動させるにはスタータに電力を供給しなければならない。そこで、発電電源装置の自立運転時に、電源ライン（商用電源及び発電電源装置の出力ライン）に供給される電力を用いてスタータを作動させた場合、ガスエンジン始動時に流れる大電流により発電電源装置のインバータが損傷してしまうおそれがある。したがって、自立運転時にＧＨＰのスタータに電力を供給するためのバッテリがＧＨＰに備えられていた。これにより、自立運転時には、ＧＨＰに備え付けられたバッテリによってスタータを作動させていた。

特開２００７−２６３５１３号公報 特開２００３−１４８３１０号公報

しかしながら、バッテリにはメンテナンス費用が必要となり、特に複数のＧＨＰ等のエンジン駆動式ヒートポンプ空気調和装置が発電電源装置に接続されている場合、各ＧＨＰにバッテリが必要となり、メンテナンスコストが増大していた。

また、バッテリからの電力供給では、不定期又は定期的に停止・始動を繰り返す空調用のガスエンジンに対して、安定して電力を供給することが容易ではなかった。連系運転時においても、特に複数のＧＨＰが発電電源装置に接続されている場合には、電源ラインへの負荷が増大し、商用ブレーカが遮断されるおそれがあるため、ＧＨＰの運転タイミングをずらすなど複雑な制御を要求される場合もあった。

本発明は、このような事情に鑑みて為されたものであり、エンジン駆動式ヒートポンプ空気調和装置に対し自立運転時用のバッテリをなくすことでメンテナンスコストの削減を可能とし、安定的且つ容易にエンジン駆動式ヒートポンプ空気調和装置のスタータに電力供給することができる発電空気調和システムを提供することを目的とする。

本発明の発電空気調和システムは、第一エンジンと、外部動力源により前記第一エンジンを始動可能な始動装置と、前記第一エンジンの駆動力で発電する発電機と、前記発電機が発電した電力の交流波形を電源ラインの交流波形に変換し、負荷が接続される前記電源ラインに電力を供給するインバータと、を有する発電電源装置と、第二エンジンと、前記第二エンジンの駆動力で駆動するコンプレッサと、前記電源ラインに接続され前記第二エンジンを始動させるスタータと、を有するとともに、前記コンプレッサの駆動により空気調和を行うエンジン駆動式ヒートポンプ空気調和装置と、を備え、連系運転時には商用電源及び前記インバータから前記電源ラインに電力を供給し、自立運転時には前記インバータから前記電源ラインに電力を供給する発電空気調和システムであって、前記発電機と前記スタータとの間に、前記発電機に対して、前記インバータと並列に接続された始動ユニットを備え、前記始動ユニットは、バッテリを介さず、前記スタータに接続され、少なくとも前記自立運転時に、前記発電機の発電した電力の一部を降圧して前記スタータに供給し、前記スタータは、少なくとも前記自立運転時に、前記始動ユニットを介して前記発電機から供給された電力により前記第二エンジンを始動させる。

本発明によれば、少なくとも自立運転時に、始動ユニットがインバータを介さず発電機の発電した電力の一部をエンジン駆動式ヒートポンプ空気調和装置のスタータに供給する。スタータは始動ユニットからの電力により第二エンジンを始動させる。これにより、エンジン駆動式ヒートポンプ空気調和装置のスタータにはバッテリの電力が必要なく、バッテリをなくすことでメンテナンスコストを削減することができる。また、発電電源装置のインバータの損傷も抑制できる。また、発電機が発電した電力の一部を用いるため、第二エンジンの安定的な運転が可能となり、複数のエンジン駆動式ヒートポンプ空気調和装置に対しても複雑な運転制御の必要がなく、容易に電力供給することができる。

実施形態の発電空気調和システムの全体構成を示す概念図である。 実施形態の発電空気調和システムの構成を示す概念図である。 実施形態の発電空気調和システムの詳細構成を示す概念図である。

次に、実施形態を挙げ、本発明をより詳しく説明する。実施形態では、発電電源装置としてコージェネレーション装置を用い、エンジン駆動式ヒートポンプ空気調和装置としてガスヒートポンプ式空気調和装置（ＧＨＰ）を用いた発電空気調和システムについて説明する。

本実施形態の発電空気調和システムは、図１に示すように、発電電源装置１と、複数のガスヒートポンプ式空気調和装置（ＧＨＰ）２と、始動ユニット３と、切替装置４と、を備えている。

発電電源装置１は、コージェネレーション装置であって、図２に示すように、主に、エンジン１１（「第一エンジン」に相当する）と、始動装置１２と、発電機１３と、インバータ１４と、を備えている。エンジン１１は、始動装置１２及び発電機１３に接続されている。エンジン１１の出力軸は、発電機１３に接続されており、エンジン１１の駆動力により発電機が駆動する。エンジン１１には、エンジン１１の熱（例えば冷却水の熱や排気ガスの熱など）を利用して温水や水蒸気を供給する熱回路１１ａが接続されている。エンジン１１で発生した熱は、熱交換器を含む熱回路１１ａを介して、食器洗浄機などでの温水として利用される。

始動装置１２は、バッテリ１２１と、スタータ１２２と、を備えている。バッテリ１２１は、スタータ１２２に接続されている。スタータ１２２は、商用電源Ｚ及びエンジン１１に接続され、通常時は商用電源Ｚからの電力により、非常時はバッテリ１２１からの電力によりエンジン１１を始動させる。非常時とは、商用電源Ｚが停電した際などである。

発電機１３は、エンジン１１、インバータ１４、及び始動ユニット３に接続されている。発電機１３は、エンジン１１の駆動力により発電し、発電した電力を少なくともインバータ１４に供給する。発電機１３の出力先についての詳細は後述する。

インバータ１４は、発電機１３が発電した電力の交流波形を電源ラインＹの交流波形に変換する回路装置である。換言すると、インバータ１４は、発電機１３が発電した交流電力を商用電源Ｚの波形に適合させるための装置である。具体的には、インバータ１４は、発電機１３が発電した交流電力を一旦直流電力に変え、直流電力を電源ラインＹの波形に合わせて交流電力に変換する。インバータ１４は、後述する切替装置４を介して電源ラインＹに接続され、電源ラインＹに電力を供給する。電源ラインＹは、商用電源Ｚと複数の負荷Ｘとを接続する配線である。負荷Ｘとしては、例えば照明やＧＨＰ室内機やＧＨＰ２などが挙げられる。

ＧＨＰ２は、主に、ガスエンジン２１（「第二エンジン」に相当する）と、コンプレッサ２２と、スタータ２３と、を備えている。ガスエンジン２１は、ガス燃料で駆動するエンジンであり、スタータ２３及びコンプレッサ２２に接続されている。ガスエンジン２１は、スタータ２３に始動され、コンプレッサ２２を駆動させる。コンプレッサ２２は、空調の冷媒循環における圧縮機を構成している。ＧＨＰ２は、コンプレッサ２２を駆動して冷媒を圧縮させることを利用して空調を行っている。

スタータ２３は、ガスエンジン２１を始動させる装置であり、エンジン始動回路２３０内に配置されている。当該エンジン始動回路２３０は、電源ラインＹから電力を供給されている。スタータ２３は、ガスエンジン２１及び始動ユニット３に接続されている。スタータ２３は、原則的に、通常時（連系運転時）には電源ラインＹからの電力によりガスエンジン２１を始動させ、非常時（自立運転時）には始動ユニット３からの電力によりガスエンジン２１を始動させる。

エンジン始動回路２３０は、図３に示すように、電源ラインＹから電力が供給される電源端子２３１と、接点信号に応じてＯＮ（接続）／ＯＦＦ（遮断）されるリレー２３２と、トランス２３３と、整流器２３４と、を備えている。電源端子２３１は、トランス２３３及び整流器２３４を介してスタータ２３に接続されている。リレー２３２は、接点指令部２Ａからの接点信号に応じて、後述する始動ユニット３のリレー３１のコイル３１ａと電源端子２３１との接続／遮断を切り替える。トランス２２３及び整流器２３４については、後述する始動ユニット３のトランス３２及び整流器３３に相当する。接点信号は、運転モードが切替装置４により連系運転から自立運転に切り替えられた場合に接点指令部２Ａから出力される。

始動ユニット３は、接点切替装置であるリレー３１と、降圧装置であるトランス３２と、整流器３３と、を備えている。リレー３１は、入力側が発電機１３に接続され、出力側が降圧トランス３２に接続されたマグネットコンダクタである。リレー３１のコイル３１ａは、エンジン始動回路２３０内で、リレー２３２を介して電源端子２３１に接続されている。

エンジン始動回路２３０が切替装置４からの接点信号を受信した場合、リレー２３２がＯＮ（接続状態）され、エンジン始動回路２３０の電源端子２３１を介して電源ラインＹからコイル３１ａに電流が流れる。これにより、リレー３１がＯＦＦ（遮断状態）からＯＮ（接続状態）となり、発電機１３とトランス３２が接続される。

リレー３１がＯＮの状態で、発電機１３は、トランス３２とインバータ１４に電力を供給する。つまり、発電機１３で発電された電力の一部は、始動ユニット３を介して発電機１３から直接的にスタータ２３に供給される。

トランス３２は、絶縁トランスであって、発電機１３の発電した電力を降圧し且つ交流に変換する。トランス３２は、整流器３３に接続されており、整流器３３に交流電力を供給する。整流器３３は、トランス３２及びスタータ２３に接続された３相ダイオードブリッジである。整流器３３は、トランス３２からの交流電力を直流電力に変換してスタータ２３に供給する。整流器３３からスタータ２３に供給される電圧は、エンジン始動回路２３０内の整流器２３４から供給される電圧よりも大きい。これにより、スタータ２３は、連系運転時には電源端子２３１からの電力により作動し、自立運転時には電圧の大きい始動ユニット３からの電力により作動する。始動ユニット３は、各ＧＨＰ２のスタータ２３に接続されている。つまり、１つの始動ユニット３から複数のスタータ２３に電力が供給される。

切替装置４は、発電電源装置１が電力供給する電源系統において、連系運転と自立運転とを切り替える装置である。つまり、切替装置４は、リレー装置ともいえ、インバータ１４の電源ラインＹへの出力ライン１４ａ、１４ｂを切り替える。切替装置４は、例えば停電時において、ユーザの操作により又は自動的に、連系運転から自立運転、あるいは自立運転から連系運転に運転モードを切り替える。

連系運転では、電源ラインＹに商用電源Ｚと発電電源装置１からの電力が供給される。自立運転では、電源ラインＹに発電電源装置１からの電力が供給される。切替装置４は、接点切替により、インバータ１４から延びる連系用の出力ライン１４ａ及び自立用の出力ライン１４ｂの何れか一方と、電源ラインＹとを接続する。自立運転は、主に停電等の非常時に実行される。

このように、本実施形態の発電空気調和システムでは、連系運転時（通常時）には商用電源Ｚ及び発電電源装置１からの電力が負荷Ｘに供給され、自立運転時（非常時）には発電電源装置１からの電力が負荷Ｘに供給される。自立運転に切り替えた際、発電電源装置１の始動装置１２は、バッテリ１２１によりスタータ１２２を作動させ、エンジン１１を始動させる。

そして、本実施形態によれば、少なくとも自立運転時において、ガスエンジン２１を始動するスタータ２３には、電源ラインＹからでなく発電機１３から始動ユニット３を介して電力が供給される。

ガスエンジン２１の始動時には大電流が流れ、インバータ１４を介して電源ラインＹに供給される電力を利用して始動すると、当該大電流がインバータ１４を流れ、インバータ１４の損傷を招くおそれがある。また、ＧＨＰ２のガスエンジン２１は、空調用であり、空調が停止状態における運転が燃料ロスとなるため、不定期又は１５分程度に１度ＯＦＦする制御がなされる。この場合、ガスエンジン２１は、不定期又は所定時間ごとに始動されることとなる。したがって、スタータ２３用のバッテリが各ＧＨＰに接続された構成では、安定した電力供給が容易でなく、さらにはバッテリのメンテナンス等に多大なコストがかかる。

本実施形態では、発電機１３からインバータ１４に供給される電力の一部が始動ユニット３に供給され、始動ユニット３が降圧整流してスタータ２３に電力供給する。したがって、ＧＨＰ２にバッテリを装備させる必要がなく、メンテナンスコストを低下させることができる。また、発電機１３から直接的に電力供給されるのでガスエンジン２１の安定的な運転が可能となる。また、大電流によるインバータ１４の損傷は抑制できる。

インバータ１４は、自立運転時には電流波形が正弦波とならないことから、最大出力を連系運転時よりも小さくしてインバータ１４を保護することが好ましい。本実施形態によれば、自立運転時には、発電機１３に対して、インバータ１４と始動ユニット３が並列接続されている状態になり、インバータ１４には連系運転時よりも小さい電力が供給される。これにより、インバータ１４への最大出力を低下させ、インバータ１４が保護される。換言すると、自立運転時、インバータ１４の保護のために最大出力を落とした余力分を始動ユニット３に供給することができる。例えば発電機１３が約６．５ｋＷ発電する場合、連系運転時にはインバータから最大約６ｋＷの電力が出力され、自立運転時にはインバータから最大約４ｋＷの電力が出力される。約５００Ｗがインバータ１４の変換ロスであり、自立運転時の残り約２ｋＷが始動ユニット３に供給される。

また、本実施形態によれば、既存のＧＨＰに対して、始動ユニット３を介して発電電源装置１を接続することができ、システムの設計変更を抑制して、製造コストを抑制することができる。

また、エンジン始動回路２３０は、電源ラインＹに接続された電源端子２３１を有しているため、連系運転時及び自立運転時のいずれも電源ラインＹから電力が供給される。つまり、スタータ２３以外の回路構成には、始動ユニット３とは別に、インバータ１４を介した電源ラインＹからの電力が供給されている。これにより、エンジン始動時における各種制御が安定して実行される。なお、本実施形態において、電源ラインＹにはＡＣ２００Ｖが印加され、始動ユニット３からスタータ２３にはＤＣ１６〜１７Ｖが印加される。

＜変形態様＞
本発明は、上記実施形態に限られない。例えば、発電電源装置１に接続されるＧＨＰ２は、１台であっても良い。ただし、ＧＨＰ２が２台以上ある場合、メンテナンスコストの削減効果が大きく、且つ、複雑な制御なしに各スタータ２３に安定的に電力供給することが可能となる。

また、始動装置１２のスタータ１２２は、バッテリ１２１でなく、手動式でエンジン１１を始動させるものであっても、空気圧で始動させるもの（圧縮空気でクランクシャフトを回す等）であっても良い。つまり、始動装置１２は、外部電源（バッテリ１２１等）、手動、及び空気圧など、商用電源Ｚ以外の外部動力源によりエンジン１１を始動可能に構成されていれば良い。

また、発電電源装置１は、コージェネレーション装置に限らず、さらにコンプレッサを備えた発電エンジン駆動式ヒートポンプ空気調和装置（例えば発電ＧＨＰ）であっても良い。発電ＧＨＰは、エンジン１１がガス燃料で駆動し、エンジン１１の駆動力でコンプレッサを駆動させるとともに、余力の駆動力により発電機１３を駆動して発電する装置である。このコンプレッサも、ＧＨＰ２同様、空調の冷媒循環の圧縮機を構成する。

また、エンジン駆動式ヒートポンプ空気調和装置は、ＧＨＰに限らず、ガソリン、軽油、又は灯油等を燃料とするエンジン２１（第二エンジン）でコンプレッサを駆動するヒートポンプ式空気調和装置であっても良い。

また、本実施形態の発電空気調和システムは、始動ユニット３が連系運転時にも作動するように構成されても良い。この場合、例えば、リレー２３２への接点信号（接続要求）は、ＧＨＰ２の制御部（図示せず）等から接点指令部２Ａを介して、連系運転時に出力される。当該制御部は、例えば電力の負荷状況に応じて接点信号を出すように設定されていても良い。連系運転時にリレー２３２がＯＮされてリレー３１がＯＮされると、発電機１３の発電電力の一部が始動ユニット３を介してスタータ２３に供給される。これにより、複数のＧＨＰ２に対して運転タイミングをずらすなどの複雑な制御を行う必要もなく、容易且つ安定的に各スタータ２３に電力供給することができる。

１：発電電源装置、 １１：エンジン（第一エンジン）、 １２：始動装置、
１３：発電機、 １４：インバータ、
２：ガスヒートポンプ式空気調和装置（エンジン駆動式ヒートポンプ空気調和装置）、
２１：ガスエンジン（第二エンジン）、
２２：コンプレッサ、 ２３：スタータ、
３：始動ユニット、 ３１：リレー、 ３２：トランス、 ３３：整流器、
４：切替装置、 Ｘ：負荷、 Ｙ：電源ライン、 Ｚ：商用電源

Claims (3)

1. 第一エンジンと、外部動力源により前記第一エンジンを始動可能な始動装置と、前記第一エンジンの駆動力で発電する発電機と、前記発電機が発電した電力の交流波形を電源ラインの交流波形に変換し、負荷が接続される前記電源ラインに電力を供給するインバータと、を有する発電電源装置と、
   第二エンジンと、前記第二エンジンの駆動力で駆動するコンプレッサと、前記電源ラインに接続され前記第二エンジンを始動させるスタータと、を有するとともに、前記コンプレッサの駆動により空気調和を行うエンジン駆動式ヒートポンプ空気調和装置と、を備え、
   連系運転時には商用電源及び前記インバータから前記電源ラインに電力を供給し、自立運転時には前記インバータから前記電源ラインに電力を供給する発電空気調和システムであって、
   前記発電機と前記スタータとの間に、前記発電機に対して、前記インバータと並列に接続された始動ユニットを備え、
   前記始動ユニットは、バッテリを介さず、前記スタータに接続され、少なくとも前記自立運転時に、前記発電機の発電した電力の一部を降圧して前記スタータに供給し、
   前記スタータは、少なくとも前記自立運転時に、前記始動ユニットを介して前記発電機から供給された電力により前記第二エンジンを始動させる発電空気調和システム。
2. 前記インバータには、前記自立運転時に、前記連系運転時よりも小さい電力が供給される請求項１に記載の発電空気調和システム。
3. 前記始動ユニットは、
   入力側が前記発電機に接続されるリレーと、
   前記リレーの出力側に接続され、前記発電機の発電した電力を降圧し且つ交流に変換するトランスと、
   前記トランスからの交流電力を直流電力に変換して前記スタータに供給する整流器と、
   を備える請求項１又は２に記載の発電空気調和システム。

Images