JP6154331B2 - 空気調和装置 - Google Patents

Description

本発明は、室内を空調する空気調和装置に関する。

従来の空気調和装置は、ガスエンジンを駆動源としたエンジン駆動式圧縮機を含んで構成される室外機ユニットを備えたＧＨＰ（ガスヒートポンプエアコン）と、電動機を駆動源とした電気駆動式圧縮機を含んで構成される室外機ユニットを備えたＥＨＰ（電気式ヒートポンプエアコン）とに大別される。

ＥＨＰは、ガスエンジンを備えないため、ＧＨＰに必要なエンジンオイルの補充や交換、オイルフィルタの交換、点火プラグの点検や交換等のメンテナンスを行う必要がなく、メンテナンスに要するコストがかからない。

一方、ＧＨＰは、ヒートポンプによる暖房（室内空気の加熱）に加えて、ガスエンジンの排熱を回収して空気を加熱することができるため、ＥＨＰと比較して効率的に室内を暖めることが可能となる。また、ＧＨＰは、ほとんど電力を消費しないため、ＥＨＰと比較して、消費電力を大幅に削減することができるという利点がある。

このように、ＧＨＰとＥＨＰとはそれぞれ異なる利点を有している。そこで、それぞれの利点を活かすために、１筐体で構成される室外機ユニットに、エンジン駆動式圧縮機と、電気駆動式圧縮機と、室外熱交換器と、各種センサとを収容し、双方の圧縮機を並行して駆動させる空気調和装置が開示されている（例えば、特許文献１）。

特開２００７−１０２９１号公報

上述したエンジン駆動式圧縮機と電気駆動式圧縮機とが一体的に構成される室外機ユニットでは、エンジン駆動式圧縮機と電気駆動式圧縮機とでセンサや制御機構を共用しているため、センサや制御機構といった共用部が故障した場合、室外機ユニット全体が利用できなくなり、空気調和装置の運転が不可能となる。

さらに、停電時においては、電気駆動式圧縮機を駆動できないのはもちろんのこと、室内機ユニットも運転できなくなるので、仮にエンジン駆動式圧縮機を駆動できたとしても空気調和装置の運転が不可能となってしまう。

本発明は、このような課題に鑑み、エンジン駆動式圧縮機と、電気駆動式圧縮機とを双方とも備え、停電時においても運転させることが可能な空気調和装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明の空気調和装置は、施設に設置される空気調和装置であって、冷媒が循環する連続した循環路と、循環路に設けられ、ガスエンジンと、ガスエンジンを駆動源として発電する発電機と、発電機によって発電された電力を蓄電するバッテリと、ガスエンジンを駆動源として冷媒を圧縮するエンジン駆動式圧縮機と、冷媒と室外の空気とで熱交換を行うＧＨＰ室外熱交換器とを有するＧＨＰユニットと、ＧＨＰユニットとは独立して構成され、循環路に設けられ、商用電源から供給された電力で駆動される電動機を駆動源として冷媒を圧縮する電気駆動式圧縮機と、冷媒と室外の空気とで熱交換を行うＥＨＰ室外熱交換器とを有するＥＨＰユニットと、循環路に設けられ、冷媒を減圧する減圧部と、冷媒と室内の空気とで熱交換を行う室内熱交換器と、電力で駆動され室内熱交換器に空気を送り熱交換を促進させる室内送風部とを有する１または複数の室内機ユニットと、商用電源が停電しているか否かを判定する停電判定部と、第１の電力線を介して商用電源およびＥＨＰユニットに接続された第１入力端子と、第２の電力線を介して発電機に接続された第２入力端子と、第３の電力線を介してＧＨＰユニットおよび室内機ユニットに接続された出力端子とを有し、商用電源が停電していないと判定された場合には、第１入力端子と出力端子とを接続して、ＧＨＰユニットおよび室内機ユニットに供給する電力の電力源を商用電源に切り換え、商用電源が停電していると判定された場合には、第２入力端子と出力端子とを接続して、ＧＨＰユニットおよび室内機ユニットに供給する電力の電力源を発電機に切り換える電力系統切換部と、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、エンジン駆動式圧縮機と、電気駆動式圧縮機とを双方とも備え、停電時においても運転させることが可能となる。

実施形態にかかる空気調和装置の構成を説明するための図である。 電力系統切換部の処理を説明するための図である。 電力系統切換部の処理を説明するための図である。 変形例にかかる空気調和装置の構成を説明するための図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

（空気調和装置１００）
図１は、本実施形態にかかる空気調和装置１００の構成を説明するための図である。空気調和装置１００は、ビルや学校等の施設に設置され、室外機ユニットとして機能するＧＨＰユニット１１０と、当該ＧＨＰユニット１１０とは別体であり室外機ユニットとして機能するＥＨＰユニット１５０と、１または複数の室内機ユニット２００と、ＧＨＰユニット１１０、ＥＨＰユニット１５０、室内機ユニット２００に冷媒を循環させるための冷媒管２３０と、ＧＨＰユニット１１０、ＥＨＰユニット１５０、室内機ユニット２００を制御する運転制御部２５０と、停電判定部２６０と、電力系統切換部２７０とを含んで構成される。なお、図１中、電力の流れを実線の矢印で、信号線を二点破線で、冷房時の冷媒の流れを一点鎖線の矢印で示す。

ＧＨＰユニット１１０は、ガスエンジン１１２と、発電機１１４と、インバータ１１６と、バッテリ１１８と、エンジン駆動式圧縮機１２０と、四方弁１２２と、冷媒と室外の空気とで熱交換を行うＧＨＰ室外熱交換器１３０と、ＧＨＰ室外熱交換器１３０に空気を送り熱交換を促進させるＧＨＰ送風部１３２と、ＧＨＰ制御部１４０とを含んで構成される。

ガスエンジン１１２は、商用電源から供給された電力、または、後述するバッテリ１１８から供給された電力で起動される。発電機１１４は、ガスエンジン１１２を駆動源として発電する。インバータ１１６は、発電機１１４によって発電された電力を５０Ｈｚまたは６０Ｈｚに周波数変換する。バッテリ１１８は、商用電源から供給された電力、または、発電機１１４によって発電された電力を蓄電する。エンジン駆動式圧縮機１２０は、ガスエンジン１１２を駆動源として冷媒を圧縮する。

エンジン駆動式圧縮機１２０の出口は、冷媒管２３０によって四方弁１２２の第１ポートに接続され、エンジン駆動式圧縮機１２０の入口は、冷媒管２３０によって四方弁１２２の第３ポートに接続される。また、ＧＨＰ室外熱交換器１３０の一端側は、冷媒管２３０によって四方弁１２２の第２ポートに接続される。ＧＨＰ室外熱交換器１３０の他端側は、冷媒管２３０によって後述する室内機ユニット２００の減圧部２１０に接続される。四方弁１２２の第４ポートは、冷媒管２３０によって後述する室内機ユニット２００の室内熱交換器２２０の一端側に接続される。ＧＨＰ制御部１４０は、ＣＰＵ（中央処理装置）を含む半導体集積回路で構成され、後述する運転制御部２５０からの制御指令に基づいて、ＧＨＰユニット１１０全体（例えば、ガスエンジン１１２、発電機１１４、インバータ１１６、ＧＨＰ送風部１３２、各種センサ等）を制御する。

ＥＨＰユニット１５０は、ＧＨＰユニット１１０とは独立して構成され、商用電源から供給された電力で駆動される電動機１５２と、電動機１５２を駆動源とする電気駆動式圧縮機１５４と、四方弁１６０と、冷媒と室外の空気とで熱交換を行うＥＨＰ室外熱交換器１７０と、ＥＨＰ室外熱交換器１７０に空気を送り熱交換を促進させるＥＨＰ送風部１７２と、ＥＨＰ制御部１８０とを含んで構成される。電気駆動式圧縮機１５４の出口は、冷媒管２３０によって四方弁１６０の第１ポートに接続され、電気駆動式圧縮機１５４の入口は、冷媒管２３０によって四方弁１６０の第３ポートに接続される。また、ＥＨＰ室外熱交換器１７０の一端側は、冷媒管２３０によって四方弁１６０の第２ポートに接続される。ＥＨＰ室外熱交換器１７０の他端側は、冷媒管２３０によって室内機ユニット２００の減圧部２１０に接続される。四方弁１６０の第４ポートは、冷媒管２３０によって室内機ユニット２００の室内熱交換器２２０の一端側に接続される。ＥＨＰ制御部１８０は、ＣＰＵ（中央処理装置）を含む半導体集積回路で構成され、運転制御部２５０からの制御指令に基づいて、ＥＨＰユニット１５０全体（例えば、電動機１５２、ＥＨＰ送風部１７２、各種センサ等）を制御する。

本実施形態において、空気調和装置１００は、２つの室内機ユニット２００（図１中、２００ａ、２００ｂで示す）を備えている。室内機ユニット２００は、冷媒を減圧する減圧部２１０（膨張弁）と、冷媒管２３０によって減圧部２１０に接続され冷媒と室内の空気とで熱交換を行う室内熱交換器２２０と、室内熱交換器２２０に空気を送り熱交換を促進させる室内送風部２２２とを含んで構成される。上述したように、減圧部２１０の一端側は、冷媒管２３０によってＧＨＰ室外熱交換器１３０、ＥＨＰ室外熱交換器１７０の他端側に接続され、減圧部２１０の他端側は冷媒管２３０によって室内熱交換器２２０の他端側に接続され、室内熱交換器２２０の一端側は冷媒管２３０によって四方弁１２２、１６０の第４ポートに接続されている。

したがって、エンジン駆動式圧縮機１２０や電気駆動式圧縮機１５４が駆動されると、冷媒は、冷媒管２３０を循環することとなり、冷媒管２３０によって一連の循環路が形成される。また、本実施形態において、冷媒が循環する一連の循環路は、ＧＨＰユニット１１０、ＥＨＰユニット１５０、室内機ユニット２００ａを通る循環路と、ＧＨＰユニット１１０、ＥＨＰユニット１５０、室内機ユニット２００ｂを通る循環路とに分岐されている。

なお、室内機ユニット２００を冷房として機能させる場合、四方弁１２２の第１ポートと第２ポートとを接続し、第４ポートと第３ポートとを接続するとともに、四方弁１６０の第１ポートと第２ポートとを接続し、第４ポートと第３ポートとを接続することで、図１中一点鎖線の矢印で示す方向に冷媒を流通させて、圧縮された冷媒をＧＨＰ室外熱交換器１３０、ＥＨＰ室外熱交換器１７０に送出する。一方、室内機ユニット２００を暖房として機能させる場合、四方弁１２２の第１ポートと第４ポートとを接続し、第２ポートと第３ポートとを接続するとともに、四方弁１６０の第１ポートと第４ポートとを接続し、第２ポートと第３ポートとを接続することで、図１中一点鎖線の矢印で示す方向とは逆の方向に冷媒を流通させて、圧縮された冷媒を室内熱交換器２２０に送出する。

運転制御部２５０は、ＣＰＵ（中央処理装置）を含む半導体集積回路で構成され、ＲＯＭからＣＰＵ自体を動作させるためのプログラムやパラメータ等を読み出し、ワークエリアとしてのＲＡＭや他の電子回路と協働して空気調和装置１００全体を管理および制御する。運転制御部２５０は、ユーザによる操作部（例えば、リモートコントローラ）への操作入力に応じて、冷媒の循環方向を切り換え、室内機ユニット２００の機能を冷房または暖房に切り換える。

停電判定部２６０は、商用電源が停電しているか否かを判定し、停電していると判定した場合に、ＧＨＰユニット１１０および室内機ユニット２００に供給する電力の電力源を、商用電源から発電機１１４に切り換える切り換え信号を電力系統切換部２７０に出力する。本実施形態において、停電判定部２６０は、商用電源の電圧値を測定しており、当該電圧値が所定の値未満となると、商用電源が停電していると判定する。

電力系統切換部２７０は、ＧＨＰユニット１１０および室内機ユニット２００に供給する電力の電力源を、商用電源または発電機１１４に切り換える。なお、停電判定部２６０および電力系統切換部２７０は、商用電源から電力を取得してもよいし、発電機１１４から電力を取得してもよい。以下、電力系統切換部２７０の処理について詳述する。

図２、図３は、電力系統切換部２７０の処理を説明するための図であり、図２は、商用電源が停電していない通常時の電力系統を、図３は、商用電源が停電している停電時の電力系統を示す。なお、図２、図３中、接続されている電力線を実線の矢印で示し、非接続の電力線を破線の矢印で示す。

図２、図３に示すように、商用電源は、電力線３００を介して、ＥＨＰユニット１５０、停電判定部２６０、電力系統切換部２７０の第１入力端子２７２ａに接続されている。また、電力系統切換部２７０の第２入力端子２７２ｂは、電力線３１０を介して、ＧＨＰユニット１１０のインバータ１１６に接続されている。また、電力系統切換部２７０の出力端子２７４は、電力線３２０を介して、ＧＨＰユニット１１０、運転制御部２５０、室内機ユニット２００ａ、２００ｂに接続されている。

停電判定部２６０による切り換え信号の入力がなされない場合、図２に示すように、電力系統切換部２７０は、第１入力端子２７２ａと出力端子２７４とが接続されるように切り換える。なお、すでに、第１入力端子２７２ａと出力端子２７４とが接続されている場合、電力系統切換部２７０は接続を切り換えない。

したがって、商用電源が停電していない通常時において、ＥＨＰユニット１５０には、電力線３００を介して商用電源から直接電力が供給され、当該供給された電力で、電動機１５２の駆動、ＥＨＰ送風部１７２の駆動、四方弁１６０の切り換え等が実行されることとなる。また、運転制御部２５０には、電力線３２０を介して商用電源から電力が供給され、各種制御処理が実行されることとなる。さらに、室内機ユニット２００には、電力線３２０を介して商用電源から電力が供給され、室内送風部２２２の駆動等が実行されることとなる。

また、通常時において、ＧＨＰユニット１１０には、電力線３２０を介して商用電源から電力が供給される。そして、ＧＨＰユニット１１０のガスエンジン１１２は、商用電源から供給された電力、または、バッテリ１１８に蓄電された電力で起動される。そうすると、ガスエンジン１１２が運転することで発電機１１４が駆動されることとなる。そして、発電機１１４が駆動されると、発電機１１４によって発電されインバータ１１６によって周波数変換された電力によって、バッテリ１１８の充電、ＧＨＰ送風部１３２の駆動、四方弁１２２の切り換え等が実行されることとなる。また、一旦発電機１１４が駆動されると、発電機１１４によって発電されインバータ１１６によって周波数変換された電力は、電力線３２０を通じて、運転制御部２５０、室内機ユニット２００に供給されることとなる。

一方、停電判定部２６０による切り換え信号の入力がなされた場合、図３に示すように、電力系統切換部２７０は、第２入力端子２７２ｂと出力端子２７４とが接続されるように切り換える。なお、すでに、第２入力端子２７２ｂと出力端子２７４とが接続されている場合、電力系統切換部２７０は接続を切り換えない。

したがって、商用電源が停電している停電時において、ＥＨＰユニット１５０には、電力が供給されないため、電動機１５２の駆動、ＥＨＰ送風部１７２の駆動、四方弁１６０の切り換え等は実行されず、ＥＨＰユニット１５０の運転はできないこととなる。したがって、ＥＨＰユニット１５０を通る循環路において冷媒の循環は実行されない。

一方、停電時であってもＧＨＰユニット１１０においては、ガスエンジン１１２が、バッテリ１１８から供給された電力で起動される。したがって、ガスエンジン１１２が駆動することによって発電機１１４で発電することが可能となる。そして、ＧＨＰユニット１１０においては、発電機１１４によって発電された電力で、ＧＨＰ送風部１３２の駆動、四方弁１２２の切り換え等の実行を維持することが可能となる。

また、発電機１１４で発電された電力は、バッテリ１１８に蓄電されるとともに、インバータ１１６で周波数変換され、第２入力端子２７２ｂを通じて出力端子２７４から送電されることとなる。

そうすると、発電機１１４によって発電された電力は、電力線３１０、第２入力端子２７２ｂ、出力端子２７４、電力線３２０を介して運転制御部２５０に供給されるため、運転制御部２５０において各種制御処理を実行することができる。さらに、発電機１１４によって発電された電力は、電力線３２０を介して室内機ユニット２００に供給されるため、室内送風部２２２等の駆動を実行することが可能となる。

以上説明したように、本実施形態にかかる空気調和装置１００によれば、ガスエンジン１１２を起動するための電力を蓄電するバッテリ１１８、および、ガスエンジン１１２の駆動によって発電する発電機１１４を含んで構成されるＧＨＰユニット１１０を備える構成により、停電時であっても、ＧＨＰユニット１１０、室内機ユニット２００、運転制御部２５０を運転させることが可能となる。これにより、停電時であっても、空気調和装置１００自体の運転が停止してしまうという事態を回避することができ、室内環境の快適性の低下を抑制することが可能となる。

また、本実施形態にかかる空気調和装置１００は、ＧＨＰユニット１１０とＥＨＰユニット１５０とを独立して構成している。これにより、通常時において、ＧＨＰユニット１１０およびＥＨＰユニット１５０のいずれか一方の室外機ユニットが故障したとしても、他方の室外機ユニットを駆動させて、室内熱交換器２２０に冷媒を循環させることができ、空気調和装置１００自体の運転が停止してしまうという事態を回避することが可能となる。これにより、停電時同様、室内環境の快適性の低下を抑制することができる。

（変形例）
図４は、変形例にかかる空気調和装置４００の構成を説明するための図である。図４に示すように、空気調和装置４００は、上記実施形態において説明した空気調和装置１００と、ＥＨＰユニット１５０に接続された電力線の位置のみが異なり、他の構成は実質的に同一である。具体的に説明すると、図４に示すように、ＥＨＰユニット１５０には、電力線３２０を介して、出力端子２７４が接続される。かかる構成により、停電時であっても、ＥＨＰユニット１５０に保持電流を供給することが可能となる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上記実施形態において、通常時において、発電機１１４によって発電された電力が、ＧＨＰユニット１１０を構成する部材のみならず、運転制御部２５０、室内機ユニット２００にも供給される構成について説明した。しかし、通常時において、発電機１１４によって発電された電力は、ＧＨＰユニット１１０のバッテリ１１８、ＧＨＰ送風部１３２、四方弁１２２等、ＧＨＰユニット１１０を構成する部材のみに供給されてもよい。

本発明は、室内を空調する空気調和装置に利用することができる。

１００、４００ 空気調和装置
１１０ ＧＨＰユニット
１１２ ガスエンジン
１１４ 発電機
１１８ バッテリ
１２０ エンジン駆動式圧縮機
１３０ ＧＨＰ室外熱交換器
１５０ ＥＨＰユニット
１５２ 電動機
１５４ 電気駆動式圧縮機
１７０ ＥＨＰ室外熱交換器
２００ 室内機ユニット
２１０ 減圧部
２２２ 室内送風部
２６０ 停電判定部
２７０ 電力系統切換部

Claims (1)

1. 施設に設置される空気調和装置であって、
   冷媒が循環する連続した循環路と、
   前記循環路に設けられ、ガスエンジンと、該ガスエンジンを駆動源として発電する発電機と、該発電機によって発電された電力を蓄電するバッテリと、該ガスエンジンを駆動源として前記冷媒を圧縮するエンジン駆動式圧縮機と、該冷媒と室外の空気とで熱交換を行うＧＨＰ室外熱交換器とを有するＧＨＰユニットと、
   前記ＧＨＰユニットとは独立して構成され、前記循環路に設けられ、商用電源から供給された電力で駆動される電動機を駆動源として前記冷媒を圧縮する電気駆動式圧縮機と、該冷媒と室外の空気とで熱交換を行うＥＨＰ室外熱交換器とを有するＥＨＰユニットと、
   前記循環路に設けられ、前記冷媒を減圧する減圧部と、該冷媒と室内の空気とで熱交換を行う室内熱交換器と、電力で駆動され該室内熱交換器に空気を送り熱交換を促進させる室内送風部とを有する１または複数の室内機ユニットと、
   前記商用電源が停電しているか否かを判定する停電判定部と、
   第１の電力線を介して前記商用電源および前記ＥＨＰユニットに接続された第１入力端子と、第２の電力線を介して前記発電機に接続された第２入力端子と、第３の電力線を介して前記ＧＨＰユニットおよび前記室内機ユニットに接続された出力端子とを有し、該商用電源が停電していないと判定された場合には、該第１入力端子と該出力端子とを接続して、該ＧＨＰユニットおよび該室内機ユニットに供給する電力の電力源を該商用電源に切り換え、該商用電源が停電していると判定された場合には、該第２入力端子と該出力端子とを接続して、該ＧＨＰユニットおよび該室内機ユニットに供給する電力の電力源を該発電機に切り換える電力系統切換部と、
   を備えたことを特徴とする空気調和装置。

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