JP4622296B2 - 複合動力源ヒートポンプ式空調装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関及び電動機により駆動されるコンプレッサにより冷媒を圧縮するようにした複合動力源ヒートポンプ式空調装置に関する。

ヒートポンプ式空調装置においては、冷媒を圧縮するのに使用するコンプレッサを内燃機関（ガスエンジン）により駆動して、ランニングコストの低減を行っているのが普通であり、通常は安定した出力が得られる所定の回転速度範囲内で作動する内燃機関により固定容量型コンプレッサを駆動している。内燃機関では安定した出力が得られる最大回転速度と最小回転速度の比であるターンダウン比は２〜３程度であるので、この種の内燃機関駆動コンプレッサでは、供給される冷媒の量もある範囲に限定される。これに対し、空調装置では室外機から室内機に供給する冷媒の量を室内機の負荷に応じて連続的に制御する必要があるので、室内機の負荷が低い場合にコンプレッサから吐出される余剰の冷媒は、制御弁を介してコンプレッサの吸入側に戻して冷媒の供給量を減少させるバイパス制御を行っている。しかしこの方法ではコンプレッサが消費する動力は冷媒のバイパス量とは無関係であるので、室内機の負荷が減少してバイパス量が増大すればエネルギ効率が低下するという問題がある。

このような問題を解決する技術として特許文献１（特開２０００−１１１１９８号公報）及び特許文献２（特開２００２−２２１３７１号公報）に示す技術がある。特許文献１の技術は、図１３に示すように、押しのけ容積が一定の固定容量型コンプレッサ１をクラッチ２ａを介してガスエンジン２により選択的に駆動するとともに、可変速電動機であるインバータモータ３により選択的に駆動するようにしたものである。この技術では図１４に示すように、コンプレッサに対する要求負荷が高い範囲では固定容量型コンプレッサ１を所定の回転速度範囲で作動するガスエンジン２によりクラッチ２ａを介して駆動するとともにガスエンジン２の回転速度を変化させることによりその範囲（図示の例では５０〜１００％）の負荷の変動をカバーし、要求負荷が低い範囲ではインバータモータ３により駆動するとともにその回転速度を変化させることによりその範囲（図示の例では０〜５０％）の負荷の変動をカバーするようにしている。

また特許文献２の技術では、電動機（インバータモータ）及び電動機以外の原動機により駆動される圧縮機を使用した空調機において、圧縮機と室内機と室外機を連通するラインに蓄熱手段を設け、空調負荷が低いときに圧縮機から吐出される余剰の冷媒により蓄熱手段に温熱あるいは冷熱を蓄熱し、この蓄熱された温熱あるいは冷熱を空調負荷が大きいときに取り出して使用するようにしている。
特開２０００−１１１１９８号公報（段落〔００１９〕、段落〔００２２〕、段落〔００３３〕）。 特開２００２−２２１３７１号公報（段落〔００２４〕〜〔００３５〕、図３〜図４）。

上述した特許文献１の技術では、ガスエンジンによる運転のエネルギ効率がよい要求負荷が高い範囲ではガスエンジンによりコンプレッサを駆動し、ガスエンジンによる運転のエネルギ効率が低下する要求負荷が低い範囲では回転速度が低下してもエネルギ効率が低下しないインバータモータによりコンプレッサを駆動しているので、全体としてエネルギ効率を向上させることができる。しかしながらガスエンジンのターンダウン比は通常２〜３程度であるので、インバータモータによりカバーする必要がある要求負荷が低い範囲がかなり広くなり、このため使用するインバータモータを大形のものとする必要がある。これにより設備費が増大し、また電力はガスに比してエネルギコストが大きいので、エネルギ効率は向上してもランニングコストが増大するという問題がある。

また上述した特許文献２の技術では、蓄熱槽などの蓄熱手段を必要とするのでその設置コストが増大するとともに設置スペースを必要とし、また蓄熱槽自体の蓄熱効率（蓄熱時の放熱などを含む）や熱交換時の伝熱ロスなどによるエネルギ損失も伴うなどの問題もある。さらにこの技術では夜間の運転は蓄熱運転モードになるので、空調運転を２４時間連続して行うことができないという制約もある。また特許文献１の場合と同じ理由により、大きいインバータモータを必要とするという問題もある。本発明はこのような各問題を解決することを目的とする。

このために、本発明による複合動力源ヒートポンプ式空調装置は、室内熱交換器及び外機熱交換器を設けた冷媒循環路に圧縮された冷媒を供給するコンプレッサを、内燃機関と可変速電動機により選択的に駆動される固定容量型コンプレッサと、内燃機関により選択的に駆動される可変容量型コンプレッサよりなるものとし、内燃機関と可変速電動機と各コンプレッサの作動及びそれらの間の接続関係を制御する制御装置を備えてなる複合動力源ヒートポンプ式空調装置において、コンプレッサに対する要求負荷の範囲を要求負荷が高い範囲と低い範囲に分けるとともに、この要求負荷が低い範囲はさらに、第１の所定値よりも低い第１の負荷範囲と、第１の所定値とそれよりも高い第２の所定値の間となる第２の負荷範囲と、第２の所定値とそれよりも高い第３の所定値の間となる第３の負荷範囲と、第３の所定値よりも高い第４の負荷範囲に分け、要求負荷が高い範囲では、制御装置は固定容量型コンプレッサ及び可変容量型コンプレッサの両者を内燃機関に接続して駆動し、可変容量型コンプレッサの押しのけ容積をその最大値とするとともに内燃機関の回転速度を制御することにより要求負荷の変動に対応させ、第１の負荷範囲では、制御装置は可変容量型コンプレッサを内燃機関から離脱させて作動を停止させるとともに固定容量型コンプレッサを可変速電動機により駆動してその回転速度を要求負荷の増大に応じて増大するように制御することにより要求負荷の変動に対応させ、第２の負荷範囲では、制御装置は、内燃機関をエネルギ効率のよい低回転速度高トルク状態で作動させ、可変容量型コンプレッサの押しのけ容積をその最大値よりも低い一定値とし内燃機関に接続して駆動させ、固定容量型コンプレッサを駆動する可変速電動機の回転速度を要求負荷の増大に応じて増大するように制御することにより要求負荷の変動に対応させ、第３の負荷範囲では、制御装置は、内燃機関をエネルギ効率のよい低回転速度高トルク状態で作動させ、可変容量型コンプレッサの押しのけ容積をその最大値とし内燃機関に接続して駆動させ、固定容量型コンプレッサを駆動する可変速電動機の回転速度を要求負荷の増大に応じて増大するように制御することにより要求負荷の変動に対応させ、第４の負荷範囲では、制御装置は、内燃機関をエネルギ効率のよい低回転速度高トルク状態で作動させ、内燃機関により固定容量型コンプレッサ及び可変容量型コンプレッサの両者を駆動し、可変容量型コンプレッサの押しのけ容積を要求負荷の増大に応じて増大するように制御することにより要求負荷の変動に対応させることを特徴とするものである。

本発明の複合動力源ヒートポンプ式空調装置によれば、コンプレッサに対する要求負荷の範囲を要求負荷が高い範囲と低い範囲に分けるとともに、この要求負荷が低い範囲はさらに、第１の所定値よりも低い第１の負荷範囲と、第１の所定値とそれよりも高い第２の所定値の間となる第２の負荷範囲と、第２の所定値とそれよりも高い第３の所定値の間となる第３の負荷範囲と、第３の所定値よりも高い第４の負荷範囲に分け、要求負荷が高い範囲では、制御装置は固定容量型コンプレッサ及び可変容量型コンプレッサの両者を内燃機関に接続して駆動し、可変容量型コンプレッサの押しのけ容積をその最大値とするとともに内燃機関の回転速度を制御することにより要求負荷の変動に対応させ、第１の負荷範囲では、制御装置は可変容量型コンプレッサを内燃機関から離脱させて作動を停止させるとともに固定容量型コンプレッサを可変速電動機により駆動してその回転速度を要求負荷の増大に応じて増大するように制御することにより要求負荷の変動に対応させ、第２の負荷範囲では、制御装置は、内燃機関をエネルギ効率のよい低回転速度高トルク状態で作動させ、可変容量型コンプレッサの押しのけ容積をその最大値よりも低い一定値とし内燃機関に接続して駆動させ、固定容量型コンプレッサを駆動する可変速電動機の回転速度を要求負荷の増大に応じて増大するように制御することにより要求負荷の変動に対応させ、第３の負荷範囲では、制御装置は、内燃機関をエネルギ効率のよい低回転速度高トルク状態で作動させ、可変容量型コンプレッサの押しのけ容積をその最大値とし内燃機関に接続して駆動させ、固定容量型コンプレッサを駆動する可変速電動機の回転速度を要求負荷の増大に応じて増大するように制御することにより要求負荷の変動に対応させ、第４の負荷範囲では、制御装置は、内燃機関をエネルギ効率のよい低回転速度高トルク状態で作動させ、内燃機関により固定容量型コンプレッサ及び可変容量型コンプレッサの両者を駆動し、可変容量型コンプレッサの押しのけ容積を要求負荷の増大に応じて増大するように制御することにより要求負荷の変動に対応させている。すなわち、要求負荷を満たすために可変速電動機により固定容量型コンプレッサを駆動するのは、要求負荷が低い範囲のうちでも要求負荷が最も高い第４の負荷範囲を除いた第１〜第３の負荷範囲であり、しかも第２及び第３の負荷範囲ではエネルギ効率のよい低回転速度高トルク状態で作動される内燃機関により駆動される可変容量型コンプレッサも併用して冷媒を供給して要求負荷の増大に対応している。従って、可変速電動機により駆動される固定容量型コンプレッサによりカバーしなければならない要求負荷の範囲は大きく減少するので、可変速電動機は小形のもので足りる。これにより設備費を減少させることができ、また電力に比してエネルギコストが低い内燃機関用燃料の使用範囲が増大するので、複合動力源ヒートポンプ式空調装置のランニングコストを低下させることができる。

先ず図１〜図３により、本発明による複合動力源ヒートポンプ式空調装置の第１比較例の説明をする。図１に示すように、この第１比較例の複合動力源ヒートポンプ式空調装置は、１台の室外機１０と、各室に設けられて個別に運転・停止ができる複数の室内機２０と、室外機１０の作動を制御する制御装置４０よりなるものである。

この第１比較例の室外機１０は、外部からの指令に応じて所定の範囲内で押しのけ容積を変化させることができる１台の可変容量型のコンプレッサ１１A1と、このコンプレッサ１１A1の吐出ポート１１ａ及び吸入ポート１１ｂに接続される冷媒循環路３０に設けられた外機熱交換器２５及び四方弁（切換弁）１４を備えており、各室内に延びる冷媒循環路３０の管路３０ｂ，３０ｃの先端部には複数の室内機２０が並列に設けられている。コンプレッサ１１A1は、図２に示すように、そのケーシングに一体的に設けられたインバータモータ（可変速電動機）１３Ａと、所定の回転速度範囲内で作動してＶベルト及びクラッチ１９ａを介して連結された水冷式のガスエンジン（内燃機関）１９により選択的に駆動されるようになっている。四方弁１４は、外機熱交換器２５及び室内熱交換器２１に対するコンプレッサ１１A1の吐出ポート１１ａからの冷媒の供給順序を切り換えて、暖房と冷房を切り換えるようになっている。

コンプレッサ１１A1の吐出ポート１１ａを四方弁１４の入口ポートに接続する冷媒循環路３０の管路３０ａの途中にはオイルセパレータ１５が設けられ、オイルセパレータ１５の底部は、フィルタドライヤ３２及びキャピラリ３１を介して、コンプレッサ１１A1の吸入ポート１１ｂに連通され、分離されたオイルから異物及び水分を除去してコンプレッサ１１A1に戻すようになっている。コンプレッサ１１A1の吸入ポート１１ｂを四方弁１４の出口ポートに接続する冷媒循環路３０の管路３０ｄにはアキュムレータ１６と二重管熱交換器３３が設けられている。四方弁１４の残る２つの切換ポートは冷媒循環路３０の管路３０ｂ，３０ｃを介して各室内機２０に接続され、外機熱交換器２５はその一方の管路３０ｂの途中に設けられている。この第１比較例の外機熱交換器２５は互いに並列接続された２個であり、それぞれファン２５ａを備えている。なお二重管熱交換器３３は、ガスエンジン１９の冷却水と冷媒との間で熱交換を行うものである。

この第１比較例のコンプレッサ１１A1は、インボリュート曲線形状のスクロールラップを有する固定スクロールと旋回スクロールからなるスクロール式コンプレッサであり、両スクロールの間に形成されて作動に応じて次第に容積が減少する圧縮室に連通されるバイパスポート１１ｃを備えている。この第１比較例では、バイパスポート１１ｃはリデュース弁（電子膨張弁）１７が設けられた管路３０ｅを介してアキュムレータ１６に連通されている。このリデュース弁１７は制御装置４０により多数の段階的に開度が制御されるものであり、この開度を制御することによりコンプレッサ１１A1の押しのけ容積が最大値である１００％から５０％の間で変化してコンプレッサ１１A1に対する要求負荷の変化に対応するようになっている。このようなリデュース弁１７を用いた押しのけ容積の減少による要求負荷の制御は、前述した従来技術によるバイパス制御に比して、エネルギ効率の低下は僅かである。

各室内に配置される複数の室内機２０は、冷媒循環路３０の管路３０ｂ，３０ｃの先端部に並列に設けられ、それぞれ室内熱交換器２１と、この室内熱交換器２１の外機熱交換器２５側に直列に設けられた電子膨張弁２２と、この電子膨張弁２２と並列に直列接続されたキャピラリ２３及び逆止弁２４により構成されている。各室内熱交換器２１にはシロッコファン２１ａが設けられている。

次にこの第１比較例の複合動力源ヒートポンプ式空調装置の全体的作動の概要の説明をする。先ず冷房運転時の作動を説明する。コンプレッサ１１A1がクラッチ１９ａを介してガスエンジン１９により（またはインバータモータ１３Ａにより）回転駆動されれば、コンプレッサ１１A1により圧縮された高温高圧の気相冷媒は、破線矢印に示すように、四方弁１４から管路３０ｂを通って外機熱交換器２５に入り、ファン２５ａから送り込まれる外気により冷却されて液化される。この液化された高圧の冷媒は管路３０ｂから電子膨張弁２２を通り、減圧されて室内熱交換器２１に入って気化され、室内熱交換器２１から気化潜熱を奪ってこれを冷却する。シロッコファン２１ａから室内に送り込まれる空気は、室内熱交換器２１を通過する際に冷却され、これにより室内は冷房される。気化した冷媒は管路３０ｃから四方弁１４、二重管熱交換器３３を設けた管路３０ｄを通ってアキュムレータ１６に入り、アキュムレータ１６で気液が分離されて、コンプレッサ１１A1に吸入され、再び圧縮されて上述した冷房サイクルを繰り返して室内を冷房する。

また暖房運転時には、コンプレッサ１１A1により圧縮された高温高圧の気相冷媒は、実線矢印に示すように、四方弁１４から管路３０ｃを通って室内熱交換器２１に入る。シロッコファン２１ａから室内に送り込まれる空気は、室内熱交換器２１を通過する際に高温高圧の気相冷媒により加熱され、これにより室内は暖房されるとともに、気相冷媒は冷却されて液化される。この液化された高圧の冷媒は電子膨張弁２２を通り、減圧されて管路３０ｂから外機熱交換器２５に入り、ファン２５ａから送り込まれる外気から気化潜熱を奪って気化される。電子膨張弁２２と並列に設けたキャピラリ２３と逆止弁２４は、暖房の場合の電子膨張弁２２による膨張の程度を冷房の場合よりも少なくするものである。気化した冷媒は管路３０ｂから四方弁１４、二重管熱交換器３３を設けた管路３０ｄを通ってアキュムレータ１６に入り、アキュムレータ１６で気液が分離されて、コンプレッサ１１A1に吸入され、再び圧縮されて上述した暖房サイクルを繰り返して室内を暖房する。

この冷房及び暖房に際して、複合動力源ヒートポンプ式空調装置の作動を制御する制御装置４０は、各室内機２０が必要とする冷媒の循環量を、各室内機２０の設定温度、各室内熱交換器２１の容量及び吸入温度、暖房・冷房温度の別などに応じて演算して、その積算値を冷媒の必要循環量とし、コンプレッサ１１A1に対する要求負荷がこの必要循環量と合致するように、室外機１０を制御するものである。すなわち制御装置４０は、演算された冷媒の積算値が大きく、従って要求負荷が高い範囲では、可変容量型のコンプレッサ１１A1の押しのけ容積を最大値としてガスエンジン１９の回転速度を変化させることにより要求負荷の変動に対応させる。要求負荷が高い範囲から低い範囲に移行すれば、制御装置４０は、先ずコンプレッサ１１A1を駆動しているガスエンジン１９をエネルギ効率のよい一定回転速度の低回転速度高トルク状態で作動させるとともにこれにより駆動されるコンプレッサ１１A1の押しのけ容積を変化させることにより要求負荷の変動に対応させる。そして要求負荷が低い範囲内において要求負荷が低下して可変容量型コンプレッサ１１A1の押しのけ容積の変化で要求負荷の変動に対応できなくなった場合には、制御装置４０は、コンプレッサ１１A1の動力源をガスエンジン１９からインバータモータ１３Ａに切り換えて要求負荷の変動に対応させるように、ガスエンジン１９、クラッチ１９ａ、可変容量型コンプレッサ１１A1及びリデュース弁１７などの作動を制御する。

次にこの第１比較例の複合動力源ヒートポンプ式空調装置の作動を、図３により具体的に説明する。この第１比較例ではガスエンジン１９は１２００〜２４００r/min の範囲で作動され、可変容量型コンプレッサ１１A1の最小押しのけ容積は最大押しのけ容積の５０％である。室外機１０のコンプレッサ１１A1に対し要求される要求負荷は、図３の空調能力の線図の実線に示すように、各室内機２０に要求される空調能力すなわち前述した冷媒の循環量の積算値である冷媒の必要循環量に対し比例して増大する。なお空調能力の値は、可変容量型コンプレッサ１１A1の押しのけ容積が最大で２４００r/min で駆動された場合の値を１００％として表示したものである。

コンプレッサ１１A1に対する要求負荷が最大値の０〜２５％の範囲は、要求負荷が低い範囲内であって、要求負荷が低下して、前述のように低回転速度高トルク状態で作動しているガスエンジン１９により駆動された可変容量型コンプレッサ１１A1の押しのけ容積の変化では要求負荷の変動に対応できなくなっている状態である。この範囲では、制御装置４０はクラッチ１９ａを離脱させるとともにガスエンジン１９を停止させ、インバータモータ１３Ａによりコンプレッサ１１A1を駆動する。この範囲ではコンプレッサ１１A1の押しのけ容積は最大値に固定され、インバータモータ１３Ａの回転速度は要求負荷の増大に応じて０から次第に増大するように制御され、コンプレッサ１１A1が吐出する冷媒の量は要求負荷の増大に応じて０から２５％まで直線的に増大する。

次に要求負荷が最大値の２５〜５０％の範囲は、要求負荷が低い範囲内ではあるが要求負荷が低下しておらず、前述のように低回転速度高トルク状態で作動しているガスエンジン１９により駆動された可変容量型コンプレッサ１１A1の押しのけ容積の変化で要求負荷の変動に対応している状態である。この範囲では、制御装置４０は、インバータモータ１３Ａの作動を停止させ、ガスエンジン１９を作動させクラッチ１９ａを係合させてガスエンジン１９によりコンプレッサ１１A1を駆動し、ガスエンジン１９のスロットル開度を制御してその回転速度がエネルギ効率の良い低回転速度１２００r/min の一定値となるように制御する。また制御装置４０はリデュース弁１７の開度を全開から全閉に向かって制御することにより、コンプレッサ１１A1の押しのけ容積を、要求負荷が２５％の位置における５０％から、要求負荷が５０％の位置における１００％まで次第に増大させる。これによりこの範囲では、コンプレッサ１１A1が吐出する冷媒の量は要求負荷の増大に応じて２５％から５０％まで直線的に増大する。

また必要循環量が５０〜１００％の範囲は、要求負荷が高く、コンプレッサ１１A1の押しのけ容積を最大値としてガスエンジン１９の回転速度を変化させることにより要求負荷の変動に対応させている範囲内である。この範囲では、制御装置４０は、引き続きインバータモータ１３Ａの作動を停止させてガスエンジン１９によりコンプレッサ１１A1を駆動し、リデュース弁１７を全閉のままとしてコンプレッサ１１A1の押しのけ容積を１００％に維持し、ガスエンジン１９のスロットル開度を制御することによりその回転速度が１２００r/min から２４００r/min に増大するように制御する。これによりこの範囲では、コンプレッサ１１A1が吐出する冷媒の量は要求負荷の増大に応じて５０％から１００％まで直線的に増大する。

上述のように、第１比較例の複合動力源ヒートポンプ式空調装置によれば、要求負荷が最大値の２５〜１００％という広い範囲（図３の下部の白抜き矢印Ｅの範囲参照）でコンプレッサ１１A1をガスエンジン１９により駆動することができ、インバータモータ１３Ａによりコンプレッサ１１A1を駆動する範囲（図３の下部の白抜き矢印Ｍの範囲参照）を０〜２５％として図１４に示す従来技術よりも減少させることができるので、インバータモータ１３Ａは小形のもので足りる。これにより設備費を減少させ、また電力に比してエネルギコストが低い内燃機関用燃料ガスの使用範囲が増大するので、複合動力源ヒートポンプ式空調装置のランニングコストを低下させることができる。

なお上述した第１比較例では、コンプレッサ１１A1をガスエンジン１９により駆動できる範囲は、要求負荷が最大値の２５〜１００％の範囲であるが、可変容量型コンプレッサ１１A1の最小押しのけ容積を最大押しのけ容積の５０％以下にすれば、この範囲を小さい側に広げることができる。例えばこの最小押しのけ容積を最大押しのけ容積の３０％にすれば、白抜き矢印Ｅに続く破線矢印に示すようにガスエンジン１９によりコンプレッサ１１A1を駆動する場合の要求負荷の範囲を１５％まで広げることができる。同一のコンプレッサ１１A1を引き続き使用するものとすれば、ここで広がった要求負荷が１５〜２５％の範囲では、ガスエンジン１９とインバータモータ１３Ａの何れによってもコンプレッサ１１A1を駆動できるので、この両者のうちコストメリットが高い方を選択することができる。あるいはまた、この要求負荷が広がった範囲だけ、コンプレッサ１１A1を小形化することも可能である。

上述した第１比較例では、コンプレッサ１１A1はスクロール式コンプレッサとし、そのバイパスポート１１ｃをリデュース弁１７を設けた管路３０ｅにより吸入ポート１１ｂ側に連通し、制御装置４０によりリデュース弁１７を制御してコンプレッサ１１A1の押しのけ容積を変化させるようにしており、コンプレッサとして簡略なスクロール式コンプレッサを使用したので複合動力源ヒートポンプ式空調装置の製造コストを低下させることができる。しかしながら本発明はこれに限られるものではなく、ロータに対するカムリングの偏心量を変化させることにより押しのけ容積を可変としたベーンポンプや、ピストンストロークを変化させることにより押しのけ容積を可変とした往復ピストン式コンプレッサを使用することもできる。後者によれば、最圧縮時のシリンダ内容積を減少させて最小押しのけ容積を実質的に０にすることができる。コンプレッサ１１A1としてこのような最小押しのけ容積が実質的に０のものを使用すれば、可変速電動機であるインバータモータ１３Ａの代わりに定速モータ１３Ｂを使用して本発明を実施することもできる。この場合には定速モータ１３Ｂによりコンプレッサ１１A1を駆動しているときの要求負荷の変更はコンプレッサ１１A1の押しのけ容積を変更することにより対応すればよい。

また上述した第１比較例では、１台のコンプレッサ１１A1をガスエンジン１９とインバータモータ１３Ａ（または定速モータ１３Ｂ）により駆動しているので、最も簡略化された複合動力源ヒートポンプ式空調装置が得られる。

次に図４〜図６により、本発明による複合動力源ヒートポンプ式空調装置の第２比較例の説明をする。この第２比較例は、室外機１０のコンプレッサが２台の可変容量型コンプレッサ１１A1及び１２A1よりなる構造及びこれに関連する構造が異なるのみであり、第１比較例と同じ所定の回転速度範囲内で作動されるガスエンジン１９を有している。この第２比較例の２台の可変容量型コンプレッサ１１A1及び１２A1は、何れも第１比較例と同様なバイパスポート１１ｃ，１２ｃを備えたスクロール式コンプレッサであり、図４に示すように、第１の可変容量型コンプレッサ１１A1は第１比較例のものと同じく、そのケーシングに一体的に設けられたインバータモータ１３Ａとクラッチ１９ａを介して連結されたガスエンジン１９により選択的に駆動され、第２の可変容量型コンプレッサ１２A1はクラッチ１９ｂを介して連結されたガスエンジン１９により選択的に駆動されるようになっている。第１及び第２のコンプレッサ１１A1及び１２A1のバイパスポート１１ｃと１２ｃは、それぞれリデュース弁１７ａ，１７ｂが設けられた管路３０ｅ１及び３０ｅ２を介して、別々にアキュムレータ１６に連通されている。各リデュース弁１７ａと１７ｂの開度は制御装置４０により別々に制御され、従って各コンプレッサ１１と１２の各押しのけ容積は、互いに独立して最大値である１００％から５０％の間で変化してコンプレッサ１１A1，１２A1に対する要求負荷の変化に対応するようになっている。この第２比較例の構成は、上述した相違点以外は第１比較例と同一であるので、これ以上の詳細な説明は省略する。

次にこの第２比較例の複合動力源ヒートポンプ式空調装置の作動を、図６により具体的に説明する。ガスエンジン１９は、第１比較例と同様、１２００〜２４００r/min の範囲で作動され、第１及び第２の可変容量型コンプレッサ１１A1，１２A1の最小押しのけ容積は最大押しのけ容積の５０％である。要求負荷は、第１比較例の場合と同じとする。

要求負荷が低い範囲内であって要求負荷が低下している状態である要求負荷が最大値の０〜２５％の範囲では、制御装置４０は両クラッチ１９ａ，１９ｂを離脱させるとともにガスエンジン１９を停止させ、インバータモータ１３Ａにより第１のコンプレッサ１１A1を駆動する。この範囲では第１のコンプレッサ１１A1の押しのけ容積は最大値に固定され、インバータモータ１３Ａの回転速度は要求負荷の増大に応じて０から次第に増大するように制御され、第１のコンプレッサ１１A1が吐出する冷媒の量は要求負荷の増大に応じて０から２５％まで直線的に増大する。

次に要求負荷が低い範囲内ではあるが要求負荷が低下していない状態である要求負荷が最大値の２５〜５０％の範囲では、制御装置４０は、インバータモータ１３Ａの作動を停止させ、ガスエンジン１９を作動させクラッチ１９ｂのみを係合させてガスエンジン１９により第２のコンプレッサ１２A1を駆動し、ガスエンジン１９のスロットル開度を制御してその回転速度がエネルギ効率の良い低回転速度１２００r/min の一定値となるように制御する。また制御装置４０はリデュース弁１７ｂの開度を全開から全閉に向かって制御することにより、第２のコンプレッサ１２A1の押しのけ容積を、要求負荷が２５％の位置における５０％から、要求負荷が５０％の位置における１００％まで次第に増大させる。これによりこの範囲では、第２のコンプレッサ１２A1が吐出する冷媒の量は要求負荷の増大に応じて２５％から５０％まで直線的に増大する。

また要求負荷が高い範囲内である必要循環量が５０〜１００％の範囲では、制御装置４０は、引き続きガスエンジン１９により第２のコンプレッサ１２A1のみを駆動し、リデュース弁１７ｂを全閉のままとして第２のコンプレッサ１２A1の押しのけ容積を１００％に維持し、ガスエンジン１９のスロットル開度を制御することによりその回転速度が１２００r/min から２４００r/min に増大するように制御する。これによりこの範囲では、第２のコンプレッサ１２A1が吐出する冷媒の量は要求負荷の増大に応じて５０％から１００％まで直線的に増大する。

上述のように、この第２比較例の複合動力源ヒートポンプ式空調装置によれば、第１比較例の場合と同様、インバータモータ１３Ａにより第１のコンプレッサ１１A1を駆動する範囲Ｍ（図６参照）を０〜２５％の範囲として減少させることができ、これによりインバータモータ１３Ａは小形のもので足りるので、設備費を減少させ、また電力に比してエネルギコストが低い内燃機関用燃料ガスの使用範囲が増大するので、複合動力源ヒートポンプ式空調装置のランニングコストを低下させることができる。

この第２比較例でも、第２の可変容量型コンプレッサ１２A1の最小押しのけ容積を最大押しのけ容積の５０％以下にすれば、ガスエンジン１９により駆動される場合の要求負荷の変化範囲を最大値の２５％以下に広げることができ、ここで広がった範囲Ｌ（図６参照）では、ガスエンジン１９とインバータモータ１３Ａの何れによっても第１のコンプレッサ１１A1を駆動できるので、この両者のうちコストメリットが高い方を選択することができる。また、第１のコンプレッサ１１A1として最小押しのけ容積が実質的に０のものを使用すれば、可変速電動機であるインバータモータ１３Ａの代わりに定速モータを使用して本発明を実施することもできる。

なお上述した第２比較例では、要求負荷が２５〜１００％の範囲では、第２のコンプレッサ１２A1だけをガスエンジン１９により駆動するものとして説明したが、２つのクラッチ１９ａ，１９ｂを係合して両コンプレッサ１１A1，１２A1を同時に駆動するようにして実施することも可能である。そのようにすれば、空調能力の最大値が同一である場合の各コンプレッサ１１A1，１２A1の最大容量は半分となるので、複合動力源ヒートポンプ式空調装置を小形化することができる。

次に図７〜図９により、本発明による複合動力源ヒートポンプ式空調装置の第３比較例の説明をする。この第３比較例は、図８に示すように、室外機１０の２台のコンプレッサの一方を、ケーシングに一体的に設けられたインバータモータ１３Ａと、所定の回転速度範囲内で作動してＶベルト及びクラッチ１９ａを介して連結された水冷式のガスエンジン１９により選択的に駆動される可変容量型コンプレッサ１１B1とし、他方をクラッチ１９ｂを介してガスエンジン１９により選択的に駆動される固定容量型コンプレッサ１２B2としたものである。コンプレッサ１１B1は、例えば傾斜角度を可変としてピストンストロークを変化させることにより押しのけ容積を可変とした斜板式アキシャルピストンコンプレッサで、最小押しのけ容積が実質的に０のものである。可変容量型コンプレッサ１１B1の最大容量と固定容量型コンプレッサ１２B2の容量は、第１比較例の可変容量型コンプレッサ１１A1の最大容量の半分である。その他の構成は第２比較例と同じであるので、これ以上の詳細な説明は省略する。

次にこの第３比較例の複合動力源ヒートポンプ式空調装置の作動を、図９により具体的に説明する。ガスエンジン１９は、第１比較例と同様、１２００〜２４００r/min の範囲で作動される。要求負荷は、第１比較例の場合と同じとする。

要求負荷が低い範囲内であって要求負荷が低下している状態である要求負荷が最大値の０〜１２．５％の範囲では、制御装置４０は両クラッチ１９ａ，１９ｂを離脱させるとともにガスエンジン１９を停止させ、インバータモータ１３Ａによりコンプレッサ１１B1を駆動する。この範囲ではコンプレッサ１１B1の押しのけ容積は最大値に固定され、インバータモータ１３Ａの回転速度は要求負荷の増大に応じて０から次第に増大するように制御され、コンプレッサ１１B1が吐出する冷媒の量は要求負荷の増大に応じて０から１２．５％まで直線的に増大する。

次に要求負荷が低い範囲内ではあるが要求負荷が低下していない状態である要求負荷が最大値の１２．５〜２５％の範囲では、制御装置４０は、インバータモータ１３Ａの作動を停止させ、ガスエンジン１９を作動させクラッチ１９ａのみを係合させてガスエンジン１９によりコンプレッサ１１B1のみを駆動し、ガスエンジン１９のスロットル開度を制御してその回転速度がエネルギ効率の良い低回転速度１２００r/min の一定値となるように制御する。また制御装置４０はコンプレッサ１１B1の斜板の傾斜角を制御することにより、その押しのけ容積を、要求負荷が１２．５％の位置における５０％から、要求負荷が２５％の位置における１００％まで次第に増大させる。これによりこの範囲では、コンプレッサ１１B1が吐出する冷媒の量は要求負荷の増大に応じて１２．５％から２５％まで増大する。

同じく要求負荷が低い範囲内ではあるが要求負荷が低下していない状態である要求負荷が最大値の２５〜５０％の範囲では、制御装置４０は、クラッチ１９ａに加えてクラッチ１９ｂを係合させてガスエンジン１９によりコンプレッサ１１B1及びコンプレッサ１２B2の両方を駆動し、ガスエンジン１９のスロットル開度を制御してその回転速度が引き続きエネルギ効率の良い低回転速度１２００r/min の一定値となるように制御する。また制御装置４０はコンプレッサ１１B1の斜板の傾斜角を制御することにより、その押しのけ容積を、要求負荷が２５％の位置における０％から、要求負荷が５０％の位置における１００％まで次第に増大させる。これによりこの範囲では、コンプレッサ１１B1及びコンプレッサ１２B2が吐出する冷媒の量は要求負荷の増大に応じて２５％から５０％まで増大する。

また要求負荷が高い範囲内である必要循環量が５０〜１００％の範囲では、制御装置４０は、引き続きガスエンジン１９によりコンプレッサ１１B1及びコンプレッサ１２B2の両方を駆動し、コンプレッサ１１B1の押しのけ容積を１００％に維持し、ガスエンジン１９のスロットル開度を制御することによりその回転速度が１２００r/min から２４００r/min に増大するように制御する。これによりこの範囲では、コンプレッサ１１B1及びコンプレッサ１２B2が吐出する冷媒の量は要求負荷の増大に応じて５０％から１００％まで増大する。

上述のように、この第３比較例の複合動力源ヒートポンプ式空調装置によれば、インバータモータ１３Ａによりコンプレッサ１１B1を駆動する範囲を０〜１２．５％の範囲にまで減少させることができる。これによりインバータモータ１３Ａを前記各比較例よりも小形にすることができるので、設備費を一層減少させ、また電力に比してエネルギコストが低い内燃機関用燃料ガスの使用範囲が一層増大するので、複合動力源ヒートポンプ式空調装置のランニングコストを低下させることができる。

以上の説明では、コンプレッサ１１B1に対するインバータモータ１３Ａによる駆動とガスエンジン１９による駆動は、要求負荷が１２．５％の位置で切り換えるものとして説明したが、可変容量型コンプレッサ１１B1の最小押しのけ容積は実質的に０であるので、ガスエンジン１９によるコンプレッサ１１B1の駆動は１２．５％より下側に広げることができ、またインバータモータ１３Ａによるコンプレッサ１１B1の駆動は、インバータモータ１３Ａの容量に余裕がある範囲では１２．５％より上側に広げることができる。従ってガスエンジン１９の燃料消費量や燃料ガスと電力のエネルギコストに基づいて、インバータモータ１３Ａとガスエンジン１９の切り換え位置を適切に選択すれば、ランニングコストを最小にすることができる。

この第３比較例では、インバータモータ１３Ａの代わりに定速モータ１３Ｂを使用してもよく、定速モータ１３Ｂによりコンプレッサ１１B1を駆動している場合の要求負荷の変更は、コンプレッサ１１B1の押しのけ容積を変更することにより対応すればよい。

次に図１０〜図１２により、本発明による複合動力源ヒートポンプ式空調装置の実施形態の説明をする。この実施形態は第３比較例に類似しているが、図１１に示すように、ガスエンジン１９及びインバータモータ１３Ａにより選択的に駆動されるコンプレッサを固定容量型コンプレッサ１１B2とし、ガスエンジン１９により選択的に駆動されるコンプレッサを可変容量型コンプレッサ１２B1としたものである。固定容量型コンプレッサ１１B2の容量と可変容量型コンプレッサ１２B1の最大容量は、第１比較例の可変容量型コンプレッサ１１A1の最大容量の半分であり、可変容量型コンプレッサ１２B1の最小押しのけ容積は５０％である。その他の構成は第２比較例と同じであるので、これ以上の詳細な説明は省略する。

次にこの実施形態の複合動力源ヒートポンプ式空調装置の作動を、図１２により具体的に説明する。ガスエンジン１９は、第１比較例と同様、１２００〜２４００r/min の範囲で作動される。要求負荷は、第１比較例の場合と同じとする。

要求負荷が低い範囲内であって要求負荷が低下している状態である要求負荷が最大値の０〜１２．５％の範囲（第１の負荷範囲）では、制御装置４０は両クラッチ１９ａ，１９ｂを離脱させるとともにガスエンジン１９を停止させ、インバータモータ１３Ａにより固定容量型コンプレッサ１１B2を駆動する。この範囲ではインバータモータ１３Ａの回転速度は要求負荷の増大に応じて０から次第に増大するように制御され、固定容量型コンプレッサ１１B2が吐出する冷媒の量は要求負荷の増大に応じて０から１２．５％まで直線的に増大する。

同じく要求負荷が低い範囲内であって要求負荷が低下している状態である要求負荷が最大値の１２．５〜２５％の範囲（第２の負荷範囲）では、制御装置４０はガスエンジン１９を作動させクラッチ１９ｂのみを係合させてガスエンジン１９により可変容量型コンプレッサ１２B1のみを駆動し、ガスエンジン１９のスロットル開度を制御してその回転速度がエネルギ効率の良い低回転速度１２００r/min の一定値となるように制御する。この範囲では可変容量型コンプレッサ１２B1の押しのけ容積は５０％に固定され、インバータモータ１３Ａの回転速度は要求負荷の増大に応じて再び０から次第に増大するように制御されて固定容量型コンプレッサ１１B2を駆動する。これにより固定容量型コンプレッサ１１B2及び可変容量型コンプレッサ１２B1から吐出される冷媒の量は要求負荷の増大に応じて１２．５％から２５％まで直線的に増大する。

また同じく要求負荷が低い範囲内であってまだ要求負荷が低下している状態である要求負荷が最大値の２５〜３７．５％の範囲（第３の負荷範囲）では、制御装置４０は引き続きガスエンジン１９により可変容量型コンプレッサ１２B1のみを駆動し、ガスエンジン１９はその回転速度がエネルギ効率の良い低回転速度１２００r/min の一定値となるように制御する。この範囲では可変容量型コンプレッサ１２B1の押しのけ容積は１００％に固定され、インバータモータ１３Ａの回転速度は要求負荷の増大に応じて再び０から次第に増大するように制御されて固定容量型コンプレッサ１１B2を駆動する。これによりこの範囲では固定容量型コンプレッサ１１B2及び可変容量型コンプレッサ１２B1から吐出される冷媒の量は要求負荷の増大に応じて２５％から３７．５％まで直線的に増大する。

次に要求負荷が低い範囲内ではあるが要求負荷が低下していない状態である要求負荷が最大値の３７．５〜５０％の範囲（第４の負荷範囲）では、制御装置４０は、インバータモータ１３Ａの作動を停止させ、引き続きガスエンジン１９を作動させクラッチ１９ｂに加えてクラッチ１９ａを係合させてガスエンジン１９により可変容量型コンプレッサ１２B1及び固定容量型コンプレッサ１１B2を駆動し、ガスエンジン１９のスロットル開度を制御してその回転速度がエネルギ効率の良い低回転速度１２００r/min の一定値となるように制御する。また可変容量型コンプレッサ１２B1は、要求負荷が３７．５％の位置における５０％から、要求負荷が５０％の位置における１００％まで次第に増大させる。これによりこの範囲では、固定容量型コンプレッサ１１B2及び可変容量型コンプレッサ１２B1から吐出される冷媒の量は要求負荷の増大に応じて３７．５％から５０％まで直線的に増大する。

また要求負荷が高い範囲内である必要循環量が５０〜１００％の範囲では、制御装置４０は、引き続きガスエンジン１９により固定容量型コンプレッサ１１B2及び可変容量型コンプレッサ１２B1を駆動し、可変容量型コンプレッサ１２B1の押しのけ容積を１００％に維持し、ガスエンジン１９のスロットル開度を制御することによりその回転速度が１２００r/min から２４００r/min に増大するように制御する。これによりこの範囲では、固定容量型コンプレッサ１１B2及び可変容量型コンプレッサ１２B1が吐出する冷媒の量は要求負荷の増大に応じて５０％から１００％まで増大する。

この実施形態の複合動力源ヒートポンプ式空調装置によれば、固定容量型コンプレッサ１１B2は、０〜１２．５％、１２．５〜２５％及び２５〜３７．５％の３つの範囲においてインバータモータ１３Ａにより駆動されるが、各範囲における吐出量の範囲は何れも０〜１２．５％である。従ってインバータモータ１３Ａは０〜１２．５％の範囲で固定容量型コンプレッサ１１B2を駆動すればよいので、インバータモータ１３Ａは第３比較例の場合と同様の小形のものとして、設備費とランニングコストを低下させることができる。この実施形態では、１２．５〜３７．５％の範囲（図１２にＬと表示）では、ガスエンジン１９とインバータモータ１３Ａが冷媒の供給に併用されている。

なお、上述した実施形態では、可変容量型コンプレッサの最大容量は固定容量型コンプレッサの容量と同一であるとして説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、可変容量型コンプレッサの最大容量と固定容量型のコンプレッサの容量が同一でない場合にも適用可能である。

本発明による複合動力源ヒートポンプ式空調装置の第１比較例の全体構成を示す説明図である。 第１比較例のコンプレッサ及びその駆動部を示す図である。 第１比較例の作動の説明図である。 本発明による複合動力源ヒートポンプ式空調装置の第２比較例の全体構成を示す説明図である。 第２比較例のコンプレッサ及びその駆動部を示す図である。 第２比較例の作動の説明図である。 本発明による複合動力源ヒートポンプ式空調装置の第３比較例の全体構成を示す説明図である。 第３比較例のコンプレッサ及びその駆動部を示す図である。 第３比較例の作動の説明図である。 本発明による複合動力源ヒートポンプ式空調装置の一実施形態の全体構成を示す説明図である。 図１０に示す実施形態のコンプレッサ及びその駆動部を示す図である。 図１０に示す実施形態の作動の説明図である。 従来技術による複合動力源ヒートポンプ式空調装置の一例を示す図２に相当する図である。 図１３に示す従来技術の図３に相当する説明図である。

１１A1，１１B1，１１B2，１２A1，１２B1，１２B2…コンプレッサ、１１A1，１１B1，１２A1，１２B1…可変容量型コンプレッサ、１３…電動機、１３Ａ…可変速電動機（インバータモータ）、１３Ｂ…定速電動機（定速モータ）、１９…内燃機関（ガスエンジン）、２１…室内熱交換器、２５…外機熱交換器、３０…冷媒循環路、４０…制御装置。

Claims (1)

1. 室内熱交換器及び外機熱交換器を設けた冷媒循環路に圧縮された冷媒を供給するコンプレッサを、内燃機関と可変速電動機により選択的に駆動される固定容量型コンプレッサと、前記内燃機関により選択的に駆動される可変容量型コンプレッサよりなるものとし、
   前記内燃機関と可変速電動機と各コンプレッサの作動及びそれらの間の接続関係を制御する制御装置を備えてなる複合動力源ヒートポンプ式空調装置において、
   前記コンプレッサに対する要求負荷の範囲を要求負荷が高い範囲と低い範囲に分けるとともに、この要求負荷が低い範囲はさらに、第１の所定値よりも低い第１の負荷範囲と、前記第１の所定値とそれよりも高い第２の所定値の間となる第２の負荷範囲と、前記第２の所定値とそれよりも高い第３の所定値の間となる第３の負荷範囲と、前記第３の所定値よりも高い第４の負荷範囲に分け、
   前記要求負荷が高い範囲では、前記制御装置は前記固定容量型コンプレッサ及び可変容量型コンプレッサの両者を前記内燃機関に接続して駆動し、前記可変容量型コンプレッサの押しのけ容積をその最大値とするとともに前記内燃機関の回転速度を制御することにより要求負荷の変動に対応させ、
   前記第１の負荷範囲では、前記制御装置は前記可変容量型コンプレッサを前記内燃機関から離脱させて作動を停止させるとともに前記固定容量型コンプレッサを前記可変速電動機により駆動してその回転速度を前記要求負荷の増大に応じて増大するように制御することにより要求負荷の変動に対応させ、
   前記第２の負荷範囲では、前記制御装置は、前記内燃機関をエネルギ効率のよい低回転速度高トルク状態で作動させ、前記可変容量型コンプレッサの押しのけ容積をその最大値よりも低い一定値とし前記内燃機関に接続して駆動させ、前記固定容量型コンプレッサを駆動する前記可変速電動機の回転速度を前記要求負荷の増大に応じて増大するように制御することにより要求負荷の変動に対応させ、
   前記第３の負荷範囲では、前記制御装置は、前記内燃機関をエネルギ効率のよい低回転速度高トルク状態で作動させ、前記可変容量型コンプレッサの押しのけ容積をその最大値とし前記内燃機関に接続して駆動させ、前記固定容量型コンプレッサを駆動する前記可変速電動機の回転速度を前記要求負荷の増大に応じて増大するように制御することにより要求負荷の変動に対応させ、
   前記第４の負荷範囲では、前記制御装置は、前記内燃機関をエネルギ効率のよい低回転速度高トルク状態で作動させ、前記内燃機関により前記固定容量型コンプレッサ及び可変容量型コンプレッサの両者を駆動し、前記可変容量型コンプレッサの押しのけ容積を前記要求負荷の増大に応じて増大するように制御することにより要求負荷の変動に対応させる
   ことを特徴とする複合動力源ヒートポンプ式空調装置。

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