JP2009047353A - エンジン駆動式空気調和装置 - Google Patents

Abstract

【課題】エンジン回転数の上限値を増加させ、空調能力を高めるのに有利なエンジン駆動式空気調和装置を提供する。
【解決手段】空気調和装置は、エンジン１１により駆動されるコンプレッサ１３を備えると共に空調作用を発生させる空調回路と、エンジン１１により駆動される発電機５２と、発電機５２で発生する交流電圧を直流電圧に変換するコンバータ５０と、商用電源４１で発生する交流電圧を直流電圧に変換すると共にコンバータ５０に電気的に繋がる第２電力変換器４０と、コンバータ５０の出力電力または第２電力変換器４０の出力電力により駆動される補機９０とを備える。エンジン回転数が所定値よりも高いとき、遮断要素９１を遮断作動させ、コンバータ５０の出力電力が補機９０側に供給されることを遮断する。
【選択図】図２

Description

本発明は、エンジンにより圧縮機を駆動して空調作用を発生させるエンジン駆動式空気調和装置に関する。

従来、エンジンにより圧縮機を駆動して空調作用を発生させるエンジン駆動式空気調和装置が知られている（特許文献１，２）。このようなエンジン駆動式空気調和装置は、エンジンと、エンジンにより駆動されるコンプレッサを備え、コンプレッサの駆動により冷媒を循環させることにより空調作用を発生させる空調回路と、エンジンにより駆動される発電機と、発電機で発生する交流電圧を直流電圧に変換する第１電力変換器と、商用電源の交流電圧を直流電圧に変換すると共に第１電力変換器に電気的に繋がる第２電力変換器と、第１電力変換器の出力電力または第２電力変換器の出力電力により駆動される補機とを備えている。

このものによれば、エンジンは、必要な空調能力に対して余分な能力を有している。そして空調時においてエンジンの余分な能力によって発電機を駆動させて発電させて補機を駆動させている。発電機で発電された交流の出力電圧は、第１電力変換器によって直流電圧に変換され、補機側の電源として供給される。発電機側の第１電力変換器からの発電電力が補機の駆動電力として不足するときには、商用電源側の第２電力変換器の出力電力によって不足電力分を補っている。ここで、発電機の出力電圧はエンジンの回転数に依存する。よって、エンジン回転数が増加すると、発電機の回転数が増加し、発電機の出力電圧が増加する。これに対して、エンジン回転数が減少すると、発電機の回転数が減少し、発電機の出力電圧が減少する。
２０００−１４６６４５号公報 ２０００−９０５３８号公報

上記した空気調和装置においては、必要空調負荷に応じて、エンジンの回転数を変化させることで空調能力を調整している。

エンジンの回転数が高い場合においては、発電機の回転数が増加し、発電機の出力電圧が高くなる。ここで、エンジンのトルク限界等で第１電力変換器を停止させたいときでも、エンジンの回転数が高いと、エンジンで駆動される発電機の出力電圧が高くなり、商用電源の電源電圧よりも高くなると、発電機側の電流が補機側に流入する。またエンジン回転数が増加して発電機の出力電圧が高くなれば、最悪の場合には、補機側に供給される電圧が補機側の最大定格電圧を越え、補機側の絶縁破壊に至るおそれがある。かかる事情を考慮し、エンジンの回転数の上限値としては、エンジン本来の回転数の上限値に設定されておらず、商用電源電圧の下限値よりも低く抑えられていた。

ところで空気調和装置においては、例えば、気温が低温のときに空気調和機が低温暖房する場合等のように、エンジン排熱の利用性を高めることで空調能力を高めたい場合がある。この場合、エンジン回転数を増加させることにより、低温時における暖房能力等の空調能力を向上させることができるが、上記したように、エンジン回転数の上限値を所定値よりも高くできないため、低温暖房時等のように空調能力を向上させるには限界があった。

またエンジン回転数の増加に対して、発電機の回転数を低減させる手段として減速機等がある。減速機により発電機の回転数は低減されるため、エンジン回転数を高めにしつつ発電機の回転数を低減できれば、発電機の出力電圧を抑えることができ、エンジン回転数の上限値を高めることができる。しかし減速機等により発電機の回転数を低減させた場合、エンジン回転数が低い場合において、発電機の出力電圧が更に低くなるため、発電能力が低下するという問題があった。

本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、エンジン回転数を高回転領域に増加させるのに有利であり、低温暖房時の暖房能力等の空調能力の向上に有利なエンジン駆動式空気調和装置を提供することを課題とする。

様相１に係るエンジン駆動式空気調和装置は、エンジンと、エンジンにより駆動されるコンプレッサの駆動に伴い循環する冷媒により空調作用を発生させる空調回路と、エンジンにより駆動される発電機と、発電機で発生する交流電圧を直流電圧に変換する第１電力変換器と、商用電源の交流電圧を直流電圧に変換すると共に第１電力変換器に電気的に繋がる第２電力変換器と、第１電力変換器の出力電力または第２電力変換器の出力電力に基づいて駆動される補機と、発電機の出力電力が補機側に供給されることを遮断可能な遮断要素と、エンジンのエンジン回転数が所定値よりも増加するとき、あるいは、発電機の出力電圧が商用電源の電圧よりも高くなるとき、遮断要素を遮断させ、発電機の出力電力が補機側に供給されることを遮断すると共に、第２電力変換器の出力電力が補機に供給されることを許容する制御手段とを具備することを特徴とする。

エンジンは、ガス燃料を用いるタイプでも、液体燃料を用いるタイプでも良い。空調回路は、コンプレッサの作動により冷媒を圧縮および吸入することにより、冷媒を循環させて空調作用を発生させるものであり、公知の構造が採用される。発電機は、エンジンにより駆動して電気エネルギを生成させるものである。第１電力変換器は、発電機で発生する交流電圧を直流電圧に変換するものである。第２電力変換器は、商用電源の交流電圧を直流電圧に変換すると共に、第１電力変換器に電気的に繋がる。補機は、第１電力変換器の出力電力または第２電力変換器の出力電力に基づいて駆動されるものであり、ポンプのモータ、ファンのモータが例示される。

遮断要素は、発電機側の出力電力が補機に供給されることを遮断可能なものであり、発電機と補機との間に設けられていれば良い。遮断要素としては、半導体スイッチ（サイリスタ、ＩＧＢＴ等）、リレースイッチ、開閉器等のスイッチング要素が例示される。遮断要素は、第１電力変換器と補機との間に設けられている形態が例示される。また遮断要素は、発電機と第１電力変換器との間に設けられている形態が例示される。

発電機側の第１電力変換器の出力側と商用電源側の第２電力変換器の出力側とは、直流電圧によって繋がっている。ここで、エンジン回転数の増加に伴い発電機の回転数が増加し、発電機の出力電圧が上昇する。発電機側の第１電力変換器の出力電圧が商用電源側の第２電力変換器の出力電圧よりも高いとき、発電機側の第１電力変換器の出力電力が補機側に供給され、補機が駆動される。これに対して商用電源側の第２電力変換器の出力電圧が発電機側の第１電力変換器の出力電圧よりも高いとき、第２電力変換器の出力電力が補機に供給され、補機が駆動される。

ここで、エンジン回転数が所定値よりも増加するとき、あるいは、発電機の出力電圧が商用電源の電圧よりも高くなるとき、制御手段は遮断要素を遮断作動させる。この結果、発電機と補機との間が遮断される。従って、発電機側の第１電力変換器の出力電圧が商用電源側の第２電力変換器の出力電圧よりも高いときであっても、発電機側の出力電力が補機側に供給されることが遮断される。そして商用電源側の第２電力変換器の出力電力が補機側に供給される。従って、商用電源側の第２電力変換器の出力電力により補機が駆動される。

即ち、上記したようにエンジン回転数の増加に伴い発電機の回転数が増加して高くなるとき、あるいは、発電機の出力電圧が商用電源の電圧よりも高くなるとき、遮断要素の遮断作用により、発電機側から補機側への電力供給を遮断し、商用電源側の第２電力変換器の出力電力を補機側に供給し、商用電源側の第２電力変換器の出力電力で補機を駆動させる。

このため、エンジン回転数が所定値よりも増加し、発電機側の第１電力変換器の出力電圧が商用電源側の第２電力変換器の出力電圧よりも高いとき、あるいは、発電機の出力電圧が商用電源の電圧よりも高くなるとき、発電機の出力電力が補機側に供給されることが抑えられる。従って、補機の絶縁破壊が抑えられ、補機の保護性が高められる。この結果、エンジン回転数を所定値よりも高くしても補機の保護性が確保されるため、空調運転においてエンジン回転数の上限値を高めることができ、ひいては空調能力（暖房能力または冷房能力）を高めることができる。

遮断要素の遮断作用の基準となるエンジン回転数の所定値としては、エンジン駆動式空気調和装置の種類、エンジン、発電機、補機側の回路等に応じて適宜設定される。例えば２０００〜４０００ｒｐｍの範囲から適宜設定される。２０００ｒｐｍ、２２００ｒｐｍ、２４００ｒｐｍ、２６００ｒｐｍ、２８００ｒｐｍ、３０００ｒｐｍ、３５００ｒｐｍ等が例示される。

様相２に係るエンジン駆動式空気調和装置は、上記した様相において、前記遮断要素を第１電力変換器と補機との間に設けたことを特徴とする。エンジン回転数が所定値よりも増加して、発電機側の第１電力変換器の出力電圧が商用電源側の第２電力変換器よりも高いとき、あるいは、発電機の出力電圧が商用電源の電圧よりも高くなるとき、第１電力変換器の出力側と補機との間に設けられた遮断要素により、第１電力変換器の出力側と補機との間の導通が遮断され、第１電力変換器の出力電力が補機側に供給されることが抑えられる。従って商用電源側の第２電力変換器の出力電力で補機を駆動させることができる。

様相３に係るエンジン駆動式空気調和装置は、上記した様相において、前記遮断要素を発電機と第１電力変換器との間に設けたことを特徴とする。エンジン回転数が所定値よりも増加して、発電機側の第１電力変換器の出力電圧が商用電源側の第２電力変換器よりも高いとき、あるいは、発電機の出力電圧が商用電源の電圧よりも高くなるとき、発電機と第１電力変換器との間に設けられた遮断要素により、発電機と第１電力変換器の出力側との間の導通が遮断され、発電機の出力電力が補機側に供給されることが抑えられる。従って商用電源側の第２電力変換器の出力電力で補機を駆動させることができる。

エンジン回転数が所定値よりも増加するとき、あるいは、発電機の出力電圧が商用電源の電圧よりも高くなるとき、遮断要素を遮断作動させ、発電機の出力電力が補機側に供給されることを遮断して補機側を保護できると共に、第２電力変換器の出力電力が補機に供給されることを許容する。このようにエンジン回転数の上限値を増加させたとしても補機側を保護できるため、エンジン回転数の上限値を増加させることができる。このため、低温時における暖房能力等のように空調能力を増加させることができる。

（実施形態１）
以下、本発明の実施形態１について図１〜図６を参照して説明する。図１は、本実施形態の空気調和装置の構成図を示す。図１に示すように、空気調和装置は、室外機１０、室内機３０、及び室外機１０と室内機３０とを循環する冷媒循環通路１より構成される。室外機１０は、圧縮機１３（１３Ａ，１３Ｂ）を駆動するためのガスエンジンで形成したスタータ機能付きのエンジン１１と、ガス状の冷媒と液状の冷媒とを完全に分離するアキュムレータ１２と、空調のために冷媒の熱交換を行う室外熱交換器１４とを有する。エンジン１１の駆動シャフトには発電機５２の駆動シャフトが接続されている。室内機３０は、室内空気と冷媒とで熱交換を行う室内熱交換器３１と、冷媒を膨張させる膨張弁３２とを有する。圧縮機１３は、ガス状の冷媒を吸い込み、圧縮し、高圧のガス状の冷媒として吐出する。

ここで、空気調和装置で室内を冷房するときの作用を説明する。ガス状の燃料によりエンジン１１は駆動し、圧縮機１３Ａ、１３Ｂを駆動させる。圧縮機１３Ａ、１３Ｂは、アキュムレータ１２のガス状の冷媒を吸引ポート１２ａから流路１ｘに吸引して圧縮室で圧縮し、高温高圧状態の冷媒ガスとして流路１ａ側に吐出する。吐出された冷媒は、オイルセパレータ１９において、冷媒からオイルが分離される。オイルが分離された冷媒は、四方弁１７に至り、四方弁１７のポート１７ａから流路１ｂを介して室外熱交換器１４に流入する。高温高圧のガス状冷媒は、室外熱交換器１４で冷却されて凝縮し、液化される。液化された冷媒は、流路１ｃ、フィルタドライヤ２２、ボールバルブ２３Ａ、流路１ｄ、ストレーナ３１ｎを経由して膨張弁３２に至り、膨張弁３２において膨張されて低温となる。低温となった冷媒は、ストレーナ３１ｍを経て室内熱交換器３１に至り、室内熱交換器３１で蒸発され、室内空気を冷却する。次に冷媒は、流路１ｅ、バルブ２３Ｂ、流路１ｆ、四方弁１７のポート１７ｃ、ポート１７ｂ、二重管熱交換器１８、流路１ｈを経て、アキュムレータ１２の帰還ポート１２ｃに戻される。このように帰還された冷媒は、アキュムレータ１２において、液状の冷媒とガス状の冷媒とに分離された状態で収納される。

次に、室内を暖房するときの作用を説明する。ガス状の燃料によりエンジン１１が駆動し、圧縮機１３Ａ、１３Ｂを駆動する。圧縮機１３Ａ、１３Ｂは、アキュムレータ１２のガス状の冷媒を吸引ポート１２ａから吸引して圧縮室において圧縮し、高温高圧状態のガスとして流路１ａ側に吐出する。吐出されたガス状の冷媒は、オイルセパレータ１９において、冷媒からオイルが分離される。オイルが分離された冷媒は、四方弁１７のポート１７ｃ、流路１ｆ、バルブ２３Ｂ、流路１ｅを介して室内熱交換器３１に流入する。高温高圧の冷媒は、室内熱交換器３１で凝縮して液化し、凝縮熱を室内に放出して室内空気を加熱する。これにより室内が暖房される。次に冷媒は、ストレーナ３１ｍを経て膨張弁３２で膨張され、ストレーナ３１ｎ、流路１ｄ、バルブ２３Ａ，フィルタドライヤ２２、流路１ｃを経て、室外熱交換器１４に至る。そして、流路１ｂ、四方弁１７のポート１７ａ，１７ｂ、二重熱交換器１８、流路１ｈを経てアキュムレータ１２の帰還ポート１２ｃに戻る。

上記した空調運転において、エンジン１１の駆動力に余力があるとき、エンジン１１に接続された発電機５２は発電を行う。室外機１０用の補機として、室外熱交換機１４に送風する第１送風機１６、エンジン１１を冷却するための冷却水ポンプ２１が設けられている。また、室内機用の補機として、室内熱交換器３１に送風する第２送風機３３，３４が設けられている。エンジン１１が駆動している限り、コンプレッサ１３（１３Ａ，１３Ｂ）が駆動するため、空調作用が発揮される。

図２はエンジン駆動式空気調和装置の電気系統を示す。エンジン駆動式空気調和装置は、ガス燃料で駆動されるガスエンジンで形成されたエンジン１１と、空調作用を発生させる空調回路（図１参照）と、エンジン１１により駆動される発電機５２と、発電機５２で発生する三相の交流電圧を直流電圧に変換するコンバータ５０（第１電力変換器）と、商用電源４１で発生する三相の交流電圧（Ｒ相，Ｓ相，Ｔ相）を直流電圧に変換すると共にコンバータ５０の出力側に電気的に繋がる第２電力変換器４０と、コンバータ５０の出力電力または第２電力変換器４０の出力電力に基づいて駆動される補機９０と、補機９０を駆動させるためのインバータ６０とを備えている。商用電源４１と第２電力変換器４０との間に、遮断器（ＥＬＢ回路）４０ａおよびノイズフィルタ回路４０ｂが設けられている。

前記したように空調回路は、エンジン１１の駆動シャフトにより駆動されるコンプレッサ１３（１３Ａ，１３Ｂ）をもち、コンプレッサ１３（１３Ａ，１３Ｂ）の駆動により冷媒を循環させることにより空調作用を発生させる。発電機５２は、巻線を有するステータと、巻線と鎖交すると共にステータに対して回転する永久磁石を有するロータとを備えている。ロータはエンジン１１により回転駆動され、ステータの巻線の内部を回転し、発電を行う。

補機９０としては、上記した空調回路で使用されている第１送風機１６または冷却水ポンプ２１等が相当する。図２に示すように、エンジン１１と発電機５２との間には、エンジン１１の回転速度を増速（変速）して発電機５２に伝達する増速機（変速機）５９が設けられている。

図２において、コンバータ５０は、発電機５２で発生する三相の交流電圧を直流電圧に変換するため半導体スイッチ５０ａ（例えばＩＧＢＴ）と、環流用のダイオード５０ｃとの組を複数（６組）を備えている。コンバータ５０の出力側には、平滑用のコンデンサ５０ｄが接続されている。

図２に示すように、商用電源４１側の第２電力変換器４０は、商用電源４１で発生する交流電圧（Ｒ相，Ｓ相，Ｔ相）を全波整流して直流電圧に変換するため、順変換用の複数個（６個）のダイオード４２を備えている。第２電力変換器４０の出力側には、平滑用のコンデンサ４４ａが接続されている。

インバータ６０（ＰＷＭインバータ）は、直流電圧を交流電圧に変換して補機９０を駆動させるものである。インバータ６０は、第２電力変換器４０からの直流電圧またはコンバータ５０からの直流電圧を交流電圧に変換するため半導体スイッチ６０ａ（例えばＩＧＢＴ）と、環流用のダイオード６０ｃとを備えている組を６組有する。インバータ６０には補機９０が接続されている。モータコントローラ８０がインバータ６０に接続されており、インバータ６０における半導体スイッチ６０ａのスイッチングを制御し、補機９０に供給される電圧をＰＷＭ制御する。

図２に示すように、エンジン１１の出力シャフトには発電機５２が増速機５９を介して接続されている。発電機５２から導出された３本の交流電線５３には、コンバータ５０が接続されている。交流電線５３の３本のうち２本には、電流値を検出するためのカレントトランス５１が取り付けられている。コンバータ５０の出力側には直流電線５４が２本導出されている。

交流電圧を発生させる商用電源４１の電圧が第２電力変換器４０に入力される。コンバータ５０から導出されている直流電線５４は、第２電力変換器４０から出力している直流電線２本と、直流中間５４ｘを介して接続されている。従って発電機５２側のコンバータ５０の出力側と商用電源４１側の第２電力変換器４０の出力側とは、直流中間５４ｘを介して直流電圧によって繋がっている。直流電線５４はインバータ６０に接続されている。この直流電線５４には、電流センサ５５が接続されている。

コンバータ５０を制御するためのマイコンで構成されているＰＷＭコンバータ制御手段７０が設けられている。ＰＷＭコンバータ制御手段７０には、前記したカレントトランス５１、負荷電流センサ５５等の各種センサが接続されている。これらの各センサ信号はＰＷＭコンバータ制御手段７０に入力される。ＰＷＭコンバータ制御手段７０は、コンバータ５０における各半導体スイッチ５０ａのスイッチング時間を制御し、コンバータ５０の出力電圧を制御する。

ここで、図２において、ＰＷＭコンバータ制御手段７０はカレントトランス５１より発電機回転数を推定する。ＰＷＭコンバータ制御手段７０は信号Ｓ１によりスイッチ９１のオンおよびオフを制御する。またＰＷＭコンバータ制御手段７０は、スイッチ９１のスイッチ状態信号Ｓ２をマイコン１Ａに出力する。また、マイコン１Ａは、運転／停止信号Ｓ３をＰＷＭコンバータ制御手段７０に出力することにより、コンバータ５０の運転および停止を制御する。また、マイコン１Ａは、スイッチ９１のスイッチ状態信号Ｓ２をＰＷＭコンバータ制御手段７０から入力することで、コンバータ５０の運転および停止を制御する。ここで、ＰＷＭコンバータ制御手段７０、マイコン１Ａおよびモータコントローラ８０は制御手段を構成する。

図２に示すように、遮断要素としてはスイッチ９１（半導体スイッチ，サイリスタ）は、コンバータ５０の出力側と第２電力変換器４０の出力側との間に接続されている。従ってスイッチ９１はコンバータ５０と補機９０との間に配置されている。ＰＷＭコンバータ制御手段７０により、スイッチ９１は、これのゲートＧに入力された制御信号によりターンオン・ターンオフ制御される。

スイッチ９１は、スイッチング機能と一方向給電性を備えている。即ち、スイッチ９１は、ターンオン時には導通するため、発電機５２側のコンバータ５０の出力電圧が第２電力変換器４０側に供給されることを許容するが、第２電力変換器４０の出力電圧がコンバータ５０側に供給されることを許容しない。

しかしながら、スイッチ９１のターンオフ時には、第２電力変換器４０とコンバータ５０との間が非導通となるため、第２電力変換器４０の出力電力がコンバータ５０に供給されることが抑止され、同様に、コンバータ５０の出力電力が第２電力変換器４０側に供給されることも抑止される。

図３は発電機５２の発電特性を示す。図３では、縦軸の左軸は発電機５２の出力電圧［Ｖ］を示す。縦軸の右軸は発電機５２の発電機電流［Ａ］を示す。横軸の下軸はエンジン１１および発電機５２の回転数［ｒｐｍ］を示す。特性線Ｗ１は商用電源４１の最低電圧に相当する電圧を示す。特性線Ｗ２は発電機５２の出力電圧を示す。特性線Ｗ３は発電機５２の出力電流を示す。図３において、特性線Ｗ２に示すように、エンジン回転数が増加して発電機５２の回転数が増加して発電機５２の出力電圧が増加すれば、特性線Ｗ３に示すように、発電機５２の出力電流は次第に減少する。ここで、発電機５２のコイルをリアクトルとし、コンバータ５０の半導体スイッチ５０ａのスイッチング量により、発電機５２の出力電圧は適宜昇圧される。従ってコンバータ５０は昇圧回路として働き、コンバータ５０の出力電圧は特性線Ｗ１を越えることができる。

本実施形態によれば、前述したようにエンジン１１のエンジン回転数が増加すると、発電機５２の回転数が増加し、発電機５２の出力電圧が上昇する。ここで、スイッチ９１がオン状態のとき、コンバータ５０の出力電圧（直流電圧）が第２電力変換器４０の出力電圧（直流電圧）よりも高い場合、発電機５２側のコンバータ５０の出力電力（直流電力）がインバータ６０に供給され、インバータ６０により三相の交流電圧に変換され、補機９０に供給され、補機９０が駆動される。これに対して、スイッチ９１がオン状態のとき、商用電源４１側の第２電力変換器４０の出力電圧（直流電圧）がコンバータ５０の出力電圧（直流電圧）よりも高い場合、第２電力変換器４０の出力電力（直流電力）がインバータ６０に供給され、インバータ６０により三相の交流電圧に変換され、補機９０に供給され、補機９０が駆動される。

ところでエンジン１１の回転数を増加させる必要がある場合がある。例えば、低温暖房時等のように暖房能力を高めるとき等のように空調能力を高めたいときである。この場合、エンジン１１の回転数を増加させて高回転数領域（例えば２２００ｒｐｍ以上）とさせるため、それに応じてコンプレッサ１３（１３Ａ，１３Ｂ）が駆動し、高い空調能力が発揮される。この場合、エンジン１１の回転数が所定値よりも増加し、発電機５２の回転数が増加し、発電機５２の出力電圧が上昇して高くなる。この場合、コンバータ５０の出力電圧が第２電力変換器４０の出力電圧よりも高くなるため、コンバータ５０の出力電力がインバータ６０を介して交流電圧に変換され、補機９０が駆動される。

この点について本実施形態によれば、通常運転時には、ＰＷＭコンバータ制御手段７０は、遮断要素としてのスイッチ９１をオンとする信号をスイッチ９１のゲートＧに出力し、スイッチ９１のアノードＡとカソードＫ間を導通させている。しかしながら、エンジン１１の回転数が所定値よりも増加するとき、あるいは、発電機５２の出力電圧が商用電源４１の電源電圧（下限値）よりも高くなるとき（なったとき）、制御手段としてのＰＷＭコンバータ制御手段７０は、遮断要素としてのスイッチ９１をターンオフとする信号をスイッチ９１のゲートＧに出力する。

これによりスイッチ９１のアノードＡとカソードＫ間を非導通とする。この結果、発電機５２側のコンバータ５０の出力電圧が商用電源側の第２電力変換器４０の出力電圧よりも高いときであっても、スイッチ９１がオフとされるため、コンバータ５０の高い出力電圧が補機９０側に供給されることが遮断される。そして、商用電源側の第２電力変換器４０の出力電力がインバータ６０を介して補機９０に供給され、補機９０は商用電源側の第２電力変換器４０の出力電力で駆動される。

本実施形態によれば、上記したようにエンジン回転数が所定値よりも増加するとき、あるいは、発電機５２の出力電圧が商用電源４１の電源電圧（下限値）よりも高くなるとき（なったとき）には、スイッチ９１をターンオフさせる。そして発電機５２側のコンバータ５０の出力電力で補機９０を駆動させるのではなく、商用電源４１側の第２電力変換器４０の出力電力により補機９０を駆動させる。このため、コンバータ５０の半導体スイッチ５０ａ等が動作していないときであっても、発電機５２で発電された高い発電電圧がインバータ６０側および補機９０側に供給されることが抑制される。このためインバータ６０の半導体スイッチ６０ａ、補機９０等の絶縁破壊が抑えられ、インバータ６０および補機９０の保護性が高められる。このためエンジン回転数の上限値を従来よりも増加させて高くすることができ、従って、低温暖房等に適するように空調能力を高めることができる利点が得られる。本実施形態によれば、上記したようにインバータ６０の半導体スイッチ６０ａ、補機９０等の絶縁破壊が抑えられるため、発電機５２の回転数の上限値を高くすることができ、エンジン回転数の上限値も同様に高くすることができる。

ところで、エンジン駆動式空調装置においては、部分負荷効率の向上のため、コンプレッサ１３の回転数を段階的に変化させることにしている。この必要性から、エンジン回転数の下限値を低くしてエンジン回転数範囲を低回転方向へも拡大させることが要請されている。

しかしながら空調運転時においてエンジン回転数を低くすると、必然的に発電機５２の回転数が低くなり、発電機５２からの出力電圧が低くなる。この場合、図３の特性によれば、同一電力を得るためには、発電機５２から出力電流が増加するため、発熱ロスが増加したり、エンジン１１のトルクが増加し、最悪の場合、エンジン１１の停止を誘発させるおそれがある。このため従来では、空調運転時においてエンジン回転数の下限値を低くするには、限界がある。

この点について本実施形態によれば、前述したようにエンジン回転数の上限値を増加させるときであっても、スイッチ９１をターンオフさせれば、発電機５２側のコンバータ５０の出力電力が補機９０側に供給されなくなり、インバータ６０の半導体スイッチ６０ａ、補機９０を絶縁破壊させるおそれが抑えられるため、エンジン回転数の上限値、発電機５２の回転数の上限値を高くすることができる利点が得られる。従って、発電機５２の回転数を高めるべく、エンジン１１と発電機５２との間に設けられた増速機５９の増速比を高く設定することができる。

このように増速機５９の増速比を高く設定すれば、エンジン１１のエンジン回転数が低いときであっても、発電機５２の回転数が高くなり、発電機５２から必要な出力電圧が得られる。従って本実施形態によれば、エンジン回転数の下限値を従来よりも低下させることができる。結果としてエンジン回転数範囲を高回転領域および低回転領域の双方に拡大することができ、空気調和制御の範囲を広げることができる利点が得られる。

図４は、空気調和装置のエンジン１１が回転しているときにおいて、コンバータ５０を通常起動させるときにおけるタイミングチャートを示す。図４〜図６において、『運転指令』は、コンバータ５０の運転指令信号を示す。『スイッチ９１』は、スイッチ９１を構成するサイリスタのゲート信号を示す。『スイッチon-off信号（コンバータ側出力）』は、スイッチ９１がオンしたことをＰＷＭコンバータ制御手段７０がマイコン１Ａに知らせる信号であり、基本的にはサイリスタで形成されたスイッチ９１のオンオフと同じである。『ゲート信号』は、コンバータ５０の半導体スイッチ５０ａのゲート信号を示す。『エンジン回転数』はエンジンの回転数（ｒｐｍ）を示す。『負荷電力』は、負荷としての補機９０に供給される電力を示す。『発電量』は、発電機５２で発生される発電電力を示す。

図４において、時刻はｔ１，ｔ２，ｔ３，ｔ４，ｔ５，ｔ６の順に進行する。時刻ｔ２において、コンバータ５０を起動させる運転指令（コンバータの運転指令）が出力される。時刻ｔ２の前の時刻ｔ１において、即ち、コンバータ５０を起動させて発電電力を発生させるに先だって、エンジン回転数を低下させる指令が出力される。その理由としては、コンバータ５０を起動させる前にエンジン回転数を低下させることにより、発電機５２側の出力電圧を商用電源４１側の出力電圧よりも低く設定し、商用電源４１側の出力電力で補機９０を駆動させるためである。このようにエンジン回転数が低下したら、時刻ｔ２においてコンバータ５０を起動運転させる運転指令がオフからオンとされる。その後、時刻ｔ３においてスイッチ９１をオフからオンとさせるオン指令が出力される。従って、スイッチ９１のアノードＡおよびカソードＫが導通する。更に、時刻ｔ３においてスイッチ９１がオン状態となったことを示す信号がＰＷＭコンバータ制御手段７０からマイコン１Ａに出力される。その後、時刻ｔ４から、コンバータ５０の半導体スイッチ５０ａのゲート信号のオン状態が開始される。これにより発電機５２側の発電電力が補機９０側に出力可能となる。このようにコンバータ５０がオンとされるため、時刻ｔ５から発電量が次第に増加する。時刻ｔ６において空調能力を増加調整するため、エンジン回転数を増加させる。なお時刻ｔ６においてエンジン回転数を減少させることもある。

図５は、空気調和装置の運転を通常に停止するときにおけるタイミングチャートを示す。時刻はｔ１１，ｔ１２，ｔ１３の順に進行する。この場合、図５に示すように、時刻ｔ１１においてコンバータ５０の運転を停止させる指令が出力されると共に、エンジン回転数が次第に低下し、最終的にはエンジン１１は停止する（時刻ｔ１３）。時刻ｔ１２においてコンバータ５０の半導体スイッチ５０ａのゲート信号状態がオンからオフとなり、コンバータ５０側の出力電力がオフとされる。次に、時刻ｔ１３においてスイッチ９１がオフとされ、スイッチ９１のアノードＡとカソードＫとが非導通とされ、コンバータ５０と補機９０との導通が遮断される。更に、時刻ｔ１３付近においてエンジン回転数が０となり、エンジン１１が停止し、同様に、発電機５２の回転も停止して発電量がゼロとなる。

（実施形態２）
図６は実施形態２を示す。本実施形態は実施形態１と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有する。以下、相違する部分を中心として説明する。図６に示すように、コンバータ５０のコンバータ出力側には、遮断要素として機能するリレースイッチ９５が設けられている。リレースイッチ９５は、コンバータ５０の出力側と第２電力変換器４０の出力側との間に設けられており、発電機５２と補機９０との間に設けられている。リレースイッチ９５はスイッチング機能をもつ。更に、コンバータ５０のコンバータ出力と直流中間５４ｘとの間には、逆流防止要素として機能する逆流防止ダイオード９７が設けられている。逆流防止ダイオード９７は、コンバータ５０の出力電圧が第２電力変換器４０側に供給されることを許容する。しかしながら逆流防止ダイオード９７は、第２電力変換器４０の出力電圧がコンバータ５０側に供給されることを抑止する。

（実施形態３）
図７および図８は実施形態３を示す。本実施形態は実施形態１と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有する。以下、相違する部分を中心として説明する。図７に示すように、エンジン１１と発電機５２との間には増速機５９が設けられていない。更に、発電機５２とコンバータ５０との間には、遮断要素として機能するリレースイッチで形成された交流スイッチ９１Ｅが設けられている。交流スイッチ９１がオンされると、発電機５２の出力電圧が発生し、コンバータ５０に給電される。交流スイッチ９１がオフされると、発電機５２は回転するものの、発電機５２の発電電力は発生されない。マイコン２Ａは、エンジン１１の回転数信号に基づいてエンジン回転数を検出する。マイコン１Ａは、スイッチ信号Ｓ１により交流スイッチ９１Ｅのオンおよびオフを制御する。また、マイコン１Ａは、スイッチ状態信号Ｓ２をＰＷＭコンバータ制御手段７０に出力することにより、コンバータ５０を制御する。また、マイコン１Ａは、運転／停止信号Ｓ３をＰＷＭコンバータ制御手段７０に出力することにより、コンバータ５０の運転および停止を制御する。ここで、ＰＷＭコンバータ制御手段７０、マイコン１Ａ，マイコン２Ａ、モータコントローラ８０は制御手段を構成する。

エンジン１１の回転数が所定値よりも増加するとき、補機９０を絶縁破壊を抑える等のため、マイコン１Ａは、コンバータ５０の運転を停止させる運転／停止信号Ｓ３をＰＷＭコンバータ制御手段７０に出力し、コンバータ５０の運転を停止させ、且つ、スイッチ信号Ｓ１を交流スイッチ９１Ｅに出力し、交流スイッチ９１Ｅをオンからオフに切り替える。即ち、エンジン１１のエンジン回転数が所定値よりも増加し、発電機５２側の出力電圧が商用電源側の出力電圧よりも高くなる場合であっても、補機９０を絶縁破壊を抑える等のため、コンバータ５０が停止されると共に、交流スイッチ９１Ｅがオフに切り替えられるため、発電機５２側の出力電力が補機９０側に供給されることが遮断される。

図８は、エンジン１１のエンジン回転数が増加するとき、交流スイッチ９１Ｅを制御する形態を表すタイミングチャートを示す。図８において、『交流スイッチ』は、交流スイッチ９１Ｅのオンオフ指令をマイコン１Ａが交流スイッチ９１Ｅに出力するスイッチ信号Ｓ１の状態を示す。図８において、『交流スイッチ状態信号』は、交流スイッチ９１Ｅのオンまたはオフの状態をマイコン１ＡがＰＷＭコンバータ制御手段７０に出力するスイッチ状態信号Ｓ２の状態を示す。図８において、『運転指令』は、コンバータ５０の運転および停止指令をマイコン１ＡがＰＷＭコンバータ制御手段７０に出力する運転／停止信号Ｓ３の状態を示す。時刻はｔ４２，ｔ４３，ｔ４４…として順に進行する。

図８に示すように、エンジン回転数が時刻ｔ４２において増加し始める。エンジン回転数が増加し始める時刻ｔ４２よりも前の時刻ｔ４１において、マイコン１Ａは、運転／停止信号Ｓ３によりコンバータ５０をオンからオフに切り替える信号を出力する。これによりコンバータ５０はオンからオフに切り替えられ、停止される。このため発電量は時刻ｔ４１付近から次第に減少してゼロとなる。この場合、負荷電力は発電電力ではなく、商用電源の出力電力となり、補機９０は商用電源の出力電力で駆動される。そして、エンジン回転数が増加して回転数Ｎｅに到達すると（時刻ｔ４３）、マイコン１Ａは、スイッチ信号Ｓ１により交流スイッチ９１Ｅをオンからオフに切り替える信号を交流スイッチ９１Ｅに出力する。これにより交流スイッチ９１Ｅはオンからオフに切り替えられ、コンバータ５０と発電機５２との間の導通は遮断される。

また図８に示すように、エンジン回転数が回転数Ｎｅから回転数Ｎｏに減少する場合には、回転数Ｎｏに到達した時刻ｔ４６において、マイコン１Ａは、スイッチ信号Ｓ１により交流スイッチ９１Ｅをオフからオンに切り替え、発電機５２とコンバータ５０との間を導通させる。更に、マイコン１Ａは、運転／停止信号Ｓ３によりコンバータ５０をオフからオンに切り替える（時刻ｔ４７）。このため発電量が次第に増加し始める（時刻ｔ４７〜）。

（その他）
本発明は上記し且つ図面に示した実施形態のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施できる。上記した実施形態１によれば、エンジン１１と発電機５２との間には増速機５９が設けられているが、増速機５９が設けられていない場合でも良い。

本発明は家庭用、業務用、産業用等の空気調和装置に利用できる。

実施形態１に係り、空気調和装置の空調回路を示す構成図である。 空気調和装置の電気系統を示す構成図である。 エンジン回転数に応じて発電機特性を示すグラフである。 通常起動時のタイミングチャートである。 通常停止時のタイミングチャートである。 実施形態２に係り、空気調和装置の電気系統を示す構成図である。 実施形態３に係り、空気調和装置の電気系統を示す構成図である。 エンジン回転数が変動する場合のタイミングチャートである。

符号の説明

１１はエンジン、１３はコンプレッサ、５２は発電機、５０はコンバータ、４０は第２電力変換器、９０は補機、６０は負荷インバータ、５９は増速機、９１はスイッチ（遮断要素）を示す。

Claims (3)

1. エンジンと、
   前記エンジンにより駆動される前記コンプレッサの駆動に伴い循環する冷媒により空調作用を発生させる空調回路と、
   前記エンジンにより駆動される発電機と、
   前記発電機で発生する交流電圧を直流電圧に変換する第１電力変換器と、
   商用電源の交流電圧を直流電圧に変換すると共に前記第１電力変換器に電気的に繋がる第２電力変換器と、
   前記第１電力変換器の出力電力または前記第２電力変換器の出力電力に基づいて駆動される補機と、
   前記発電機の出力電力が前記補機側に供給されることを遮断可能な遮断要素と、
   前記エンジンのエンジン回転数が所定値よりも増加するとき、あるいは、前記発電機の出力電圧が前記商用電源の電圧よりも高くなるとき、前記遮断要素を遮断させ、前記発電機の出力電力が前記補機側に供給されることを遮断すると共に、前記第２電力変換器の出力電力が前記補機に供給されることを許容する制御手段とを具備することを特徴とするエンジン駆動式空気調和装置。
2. 請求項１において、前記遮断要素は、前記第１電力変換器と前記補機との間に設けられていることを特徴とするエンジン駆動式空気調和装置。
3. 請求項１において、前記遮断要素は、前記発電機と前記第１電力変換器との間に設けられていることを特徴とするエンジン駆動式空気調和装置。

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