JP4570292B2 - 空気調和装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は空気調和装置に関し、特に圧縮機を駆動する駆動手段の排熱を利用して冷媒の加熱を行う構造を有するヒートポンプ式の空気調和装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
圧縮機の駆動手段にガスエンジン等の内燃機関を採用し、さらにこの内燃機関の排熱を利用して冷媒の加熱を行う構造を有するヒートポンプ式の空気調和装置がある。この空気調和装置においては、圧縮機に求められる負荷が小さければ回転数を低くし、大きければ回転数を高くするといった具合に、負荷に応じてエンジンの回転数を変化させるようになっている。そのため、エンジンには広い回転数域を備えることが求められる。
【０００３】
しかしながら、ガスエンジン等の内燃機関は高効率運転の可能な回転数域が限られている。そこで従来の空気調和装置においては、通常運転の際に頻繁に求められる負荷の範囲に対応する回転数域で高効率運転が可能なようにエンジンの調整がなされている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の空気調和装置では、上記のような調整を行うため、一般的な範囲を外れた大きさの負荷が求められた場合には、エンジンに効率の悪い運転を行わせることになる。そのため、燃費が悪化する等して運転コストが増加するといった問題点が指摘されている。
【０００５】
特開平11-132594号公報には、容量の大きな圧縮機を電動モータまたはエンジンのいずれか一方で選択的に駆動させ、負荷が小さい場合は電動モータで圧縮機を駆動し、負荷が大きい場合はエンジンで圧縮機を駆動させてエンジンに効率の悪い運転をさせない技術について開示されている。
【０００６】
しかしながら、上記公報に開示された技術では、例えば求められる負荷が小さい場合、容量の大きな圧縮機を低速で駆動させるので十分な圧縮効率が得られない。容量の大きな圧縮機を低速で駆動すると、中高速で駆動する場合と比較して被圧縮流体の漏洩が多くなるからである。
【０００７】
また、上記公報に開示された技術では、本来非力な電動モータで内部摩擦の大きな圧縮機を駆動させることで電動モータに無理を強いることになり、結果的に見て装置全体としては高い運転効率が得られているとは言い難い。
【０００８】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、求められる負荷の大きさに関わらず高効率運転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。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するための手段として、次のような構成の空気調和装置を採用する。
すなわち請求項１記載の空気調和装置は、室内熱交換器、室外熱交換器、膨張弁および四方弁を冷媒管路を介して接続するとともに該冷媒管路に容量の異なる２つの圧縮機を並列に接続し、該２つの圧縮機に個々に駆動手段を設け、前記２つの圧縮機のうち少なくとも容量の大きな圧縮機を駆動する駆動手段に内燃機関を採用した空気調和装置であって、
暖房運転時に中温中圧の液冷媒を導通することとなる中圧冷媒管路に一端を接続され、前記２つの圧縮機のうち容量の小さな圧縮機の上流側に位置する一方の冷媒管路に他端を接続された第１のバイパス管路を設け、
該第１のバイパス管路には、暖房運転時に必要に応じて開閉して前記第１のバイパス管路への冷媒の導入を制限する第１の開閉弁と、前記内燃機関の排熱を利用して低温低圧の液冷媒を加熱、気化させる第１の排熱利用熱交換器とを前記中圧冷媒管路側から順に並べて設け、
前記第１のバイパス管路との接続箇所より上流側に位置する前記一方の冷媒管路には、必要に応じて開閉して前記容量の小さな圧縮機への冷媒の導入を制限する第２の開閉弁を設け、
前記第１のバイパス管路との接続箇所より暖房運転時の上流側に位置する前記中圧冷媒管路に一端を接続され、前記２つの圧縮機のうち容量の大きな圧縮機の上流側に位置する他方の冷媒管路に他端を接続された第２のバイパス管路を設け、
該第２のバイパス管路には、暖房運転時に必要に応じて開閉して前記第２のバイパス管路への冷媒の導入を制限する第３の開閉弁と、中温中圧の液冷媒を低温低圧の液冷媒に減圧する減圧弁と、前記内燃機関の排熱を利用して低温低圧の液冷媒を加熱、気化させる第２の排熱利用熱交換器とを前記中圧冷媒管路側から順に並べて設け、
前記第１のバイパス管路との接続箇所より暖房運転時の下流側に位置する前記中圧冷媒管路には、必要に応じて開閉して前記室外熱交換器への冷媒の導入を制限する第４の開閉弁を設けたことを特徴とする。
【００１０】
請求項２記載の空気調和装置は、請求項１記載の空気調和装置において、前記２つの圧縮機のうち少なくとも容量の大きな圧縮機を駆動する駆動手段にガスエンジンを採用したことを特徴とする。
【００１１】
請求項３記載の空気調和装置は、請求項１または２記載の空気調和装置において、前記２つ圧縮機のうち容量の小さなものを駆動する駆動手段に電動モータを採用したことを特徴とする。
【００１２】
請求項４記載の空気調和装置は、請求項１記載の空気調和装置において、前記２つの圧縮機に個々に設けた駆動手段の少なくともいずれか一方を電動モータとし、該電動モータを駆動する発電装置を併設し、該発電装置の排熱を暖房運転時の冷媒加熱に利用することを特徴とする。
【００１３】
請求項５記載の空気調和装置は、請求項１、２、３または４記載の空気調和装置において、前記暖房運転時に、前記第１、第３の開閉弁を閉じ前記第２、第４の開閉弁を開いて前記２つの圧縮機のうち容量の小さいもののみを駆動させるか、前記第１、第２の開閉弁を閉じ前記第３、第４の開閉弁を開いて前記２つの圧縮機のうち容量の大きなもののみを駆動させるか、または前記第１、第４の開閉弁を開き前記第２、第３の開閉弁を閉じて前記２つの圧縮機を同時に駆動させるかいずれかの運転を、求められる負荷に応じて選択的に実行することを特徴とする。
【００１４】
請求項６記載の空気調和装置は、請求項１、２、３、４または５記載の空気調和装置において、前記第１、第２、第４の開閉弁を閉じ前記第３の開閉弁を開いて前記２つの圧縮機のうち容量の大きなもののみを駆動させる運転を、求められる負荷および屋外の気温に応じて実行することを特徴とする。
【００１５】
請求項７記載の空気調和装置は、請求項１、２、３、４、５または６記載の空気調和装置において、冷房運転時に、前記第１、第３の開閉弁を閉じ前記第２、第４の開閉弁を開いて前記２つの圧縮機のうち容量の小さいもののみを駆動させるか、前記第１、第２、第３の開閉弁を閉じ前記第４の開閉弁を開いて前記２つの圧縮機のうち容量の大きなもののみを駆動させるか、または前記第１、第３の開閉弁を閉じ前記第２、第４の開閉弁を開いて前記２つの圧縮機を同時に駆動させるかいずれかの運転を、求められる負荷に応じて選択的に実行することを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明に係る実施形態を図１および図２に示して説明する。
図１には、容量の異なる２つの圧縮機をガスエンジンと電動モータとで個々に駆動する構造を有するヒートポンプ式の空気調和装置を示す。この空気調和装置は、室外ユニット１０と室内ユニット２０とから構成されており、これらは冷媒を導通する冷媒配管３０や図示しない電気配線等によって接続されている。
【００１７】
室外ユニット１０には、屋外の空気と冷媒との間で熱交換を行う室外熱交換器１１と、室外熱交換器１１または後述する室内熱交換器２１に冷媒を送出する２つの圧縮機１２Ａ，１２Ｂと、冷媒配管３０を流通する冷媒の流れ方向を切り替える四方弁１３と、暖房運転時に使用される膨張弁１４と、冷媒を気液分離するレシーバ１５と、室外熱交換器１１に屋外の空気を流通させる室外ファン１６とが具備され、冷媒配管３０を介して接続されて冷媒循環系の一部を構成している。
【００１８】
２つの圧縮機１２Ａ，１２Ｂは容量が異なり、室外ユニット１０において上記各機器と冷媒配管３０からなる冷媒循環系に並列に接続されている。圧縮機１２Ａ，１２Ｂのうち、容量の大きな圧縮機１２Ａの駆動手段にはガスエンジン（内燃機関）ＥＧが採用され、容量の小さな圧縮機１２Ｂの駆動手段には電動モータＭが採用されている。
【００１９】
ガスエンジンＥＧは、中程度の負荷に対応して圧縮機１２Ａの能力を活かして（すなわち圧縮機１２Ａの容量に見合った回転数域で）駆動させたときに燃費の良い高効率運転が行えるように調整されている。電動モータＭは、小さい負荷に対応して圧縮機１２Ｂの能力を活かして（すなわち圧縮機１２Ｂの容量に見合った回転数域で）駆動させたときに無理のない運転が行えるように適切な出力が得られるものが選択されている。
【００２０】
圧縮機１２Ａ，１２Ｂの上流側には個々にアキュムレータ１７Ａ，１７Ｂがそれぞれ設けられ、下流側にはオイルセパレータ１８Ａ，１８Ｂおよび各圧縮機への冷媒の逆流を阻止する逆止弁Ｖ１がそれぞれ設けられている。オイルセパレータ１８Ａ，１８Ｂには、ガス冷媒から分離した油分を圧縮機１２Ａ，１２Ｂの上流側に戻す油戻し管１９がそれぞれ設けられている。
【００２１】
膨張弁１４の前後の冷媒配管３０には、膨張弁１４をバイパスするバイパス配管３１が設けられ、バイパス管路３１には暖房運転時にバイパス配管３１への冷媒の流入を阻止する逆止弁Ｖ２が設けられている。
【００２２】
室内ユニット２０には、屋内の空気と冷媒との間で熱交換を行う室内熱交換器２１と、冷房運転時に使用される電磁膨張弁２２と、室内熱交換器２１に室内の空気を流通させる室内ファン２３とが具備され、冷媒配管３０を介して接続されて室外ユニット１０とともに冷媒循環系を構成している。
【００２３】
電磁膨張弁２２の前後の冷媒配管３０には、電磁膨張弁２２をバイパスするバイパス配管３２が設けられ、バイパス配管３２には冷房運転時にバイパス配管３２への冷媒の流入を阻止する逆止弁Ｖ３が設けられている。
【００２４】
また、上記室外ユニット１０には、室外熱交換器１１と室内熱交換器２１とに連通し暖房運転時に中温中圧の液冷媒（すなわち凝縮器である室内熱交換器２１を通過した後の液冷媒）を導通することとなる冷媒配管（中圧冷媒管路）３０ａに一端を接続され、容量の小さな圧縮機１２Ｂの上流側に位置する分岐冷媒配管（一方の冷媒管路）３０ｂに他端を接続されたバイパス配管（第１のバイパス管路）３３が設けられている。
【００２５】
バイパス配管３３には、必要に応じて開閉してバイパス配管３３への液冷媒の導入を制限する開閉弁（第１の開閉弁）Ｖ４、ガスエンジンＥＧの排熱を利用して低温低圧の液冷媒を加熱、気化させる排熱利用熱交換器（第１の排熱利用熱交換器）４０が、冷媒配管３０ａ側から順に並んで設けられている。
【００２６】
また、分岐冷媒配管３０ｂには、必要に応じて開閉して圧縮機１２Ｂへの冷媒の導入を制限する開閉弁（第２の開閉弁）Ｖ５が設けられている。
【００２７】
上記室外ユニット１０には、バイパス配管３３との接続箇所より暖房運転時の上流側に位置する冷媒配管３０ａに一端を接続され、容量の大きな圧縮機１２Ａの上流側に位置する分岐冷媒配管（他方の冷媒管路）３０ｃに他端を接続されたバイパス配管（第２のバイパス管路）３４が設けられている。
【００２８】
バイパス配管３４には、必要に応じて開閉してバイパス配管３４への冷媒の導入を制限する開閉弁（第３の開閉弁）Ｖ６、中温中圧の液冷媒を低温低圧の液冷媒に減圧する膨張弁（減圧弁）３５、ガスエンジンＥＧの排熱を利用して低温低圧の液冷媒を加熱、気化させる排熱利用熱交換器（第２の排熱利用熱交換器）４１が、冷媒配管３０ａ側から順に並んで設けられている。
【００２９】
さらに、上記室外ユニット１０には、バイパス配管３３との接続箇所より暖房運転時の下流側に位置する冷媒配管３０ａに、必要に応じて開閉して室外熱交換器１１への冷媒の導入を制限する開閉弁（第４の開閉弁）Ｖ７が設けられている。
【００３０】
ガスエンジンＥＧと排熱利用熱交換器４０との間には、ガスエンジンＥＧの排熱を伝達し排熱利用熱交換器４０において冷媒と熱交換させる排熱伝達手段４２が設けられている。ガスエンジンＥＧと排熱利用熱交換器４１との間にも、同様の排熱伝達手段４３が設けられている。排熱伝達手段４２，４３は、例えばガスエンジンＥＧの排気を排熱利用熱交換器４０、４１に直接導くもの、ガスエンジンＥＧで加熱された冷却水を排熱利用熱交換器４０、４１に導いて間接的に熱を伝達するもの等である。
【００３１】
さらに、上記空気調和装置には、２つの圧縮機１２Ａ，１２Ｂに求められる負荷に応じて各圧縮機を個別に駆動させたり２つをともに駆動させたりする制御を行う制御部５０が設けられている。制御部５０では、圧縮機１２Ａ，１２Ｂの駆動を制御するとともに、冷房運転／暖房運転の切り換え時や求められる負荷の大きさに応じて四方弁１３や開閉弁Ｖ４，Ｖ５，Ｖ６，Ｖ７を切り換える制御を行うようになっている。
【００３２】
上記のように構成された空気調和装置の作動の仕方を冷房運転と暖房運転とに分け、さらにそれぞれの運転状態において求められる負荷の大きさごとに分けて説明する。
［冷房運転；低負荷時］
このモードでは、容量の小さな圧縮機１２Ｂのみが電動モータＭによって駆動される。開閉弁Ｖ４，Ｖ６は閉じられ、開閉弁Ｖ５，Ｖ７は開かれる。
冷媒は圧縮機１２Ｂで圧縮されて高温高圧のガス冷媒となり、オイルセパレータ１８Ｂ、四方弁１３を経て室外熱交換器１１に流入する。室外熱交換器１１では、高温高圧のガス冷媒が室外ファン１６によって取り込まれた屋外の空気に熱を与えて排熱し、自らは凝縮、液化して中温中圧の液冷媒となる。
【００３３】
この中温中圧の液冷媒は、膨張弁１４をバイパスし、レシーバ１５にて気液分離された後、冷媒配管３０を通じて室内ユニット２０に送出され、電磁膨張弁２２を通過する過程で減圧されて低温低圧の液冷媒となり、室内熱交換器２１に流入する。室内熱交換器２１では、低温低圧の液冷媒が室内ファン２３によって取り込まれた室内の空気から熱を奪って冷却し、自らは蒸発、気化して低温低圧のガス冷媒となる。この低温低圧のガス冷媒は、冷媒配管３０を通じて室外ユニット１０に送出され、四方弁１３、アキュムレータ１７Ｂを経て圧縮機１２Ｂに吸入、圧縮される。以降は上記過程を繰り返すこととなる。
【００３４】
［冷房運転；中負荷時］
このモードでは、容量の大きな圧縮機１２ＡのみがガスエンジンＥＧによって駆動される。開閉弁Ｖ４，Ｖ５，Ｖ６は閉じられ、開閉弁Ｖ７は開かれる。このモードでは圧縮機が容量の小さな１２Ｂから容量の大きな１２Ａに切り換えられるだけで、作動の仕方は低負荷時と同じである。なお、圧縮機の切り換えに伴い機能するオイルセパレータおよびアキュムレータもそれぞれに対応して設けられたものに切り換わる。
【００３５】
［冷房運転；高負荷時］
このモードでは、圧縮機１２Ａ，１２Ｂがそれぞれの駆動手段によって同時に駆動される。開閉弁Ｖ４，Ｖ６は閉じられ、開閉弁Ｖ５，Ｖ７は開かれる。このモードは２つの圧縮機１２Ａ，１２Ｂが同時に駆動するだけで、作動の仕方は低負荷時や中負荷時と同じである。
【００３６】
［暖房運転；低負荷時］
このモードでは、容量の小さな圧縮機１２Ｂのみが電動モータＭによって駆動される。開閉弁Ｖ４、Ｖ６は閉じられ、Ｖ５，Ｖ７は開かれる。
冷媒は圧縮機１２Ｂで圧縮されて高温高圧のガス冷媒となり、オイルセパレータ１８Ｂ、四方弁１３を経て室内ユニット２０に送出され、室内熱交換器２１に流入する。室内熱交換器２１では、高温高圧のガス冷媒が室内ファン２３によって取り込まれた室内の空気に熱を与えて加熱し、自らは凝縮、液化して中温中圧の液冷媒となる。
【００３７】
この中温中圧の液冷媒は、電磁膨張弁２２をバイパスし、冷媒配管３０を通じて室外ユニット１０に送出され、レシーバ１５にて気液分離された後、膨張弁１４を通過する過程で減圧されて低温低圧の液冷媒となり、室外熱交換器１１に流入する。室外熱交換器１１では、低温低圧の液冷媒が室外ファン１６によって取り込まれた屋外の空気から熱を奪い、自らは蒸発、気化して低温低圧のガス冷媒となる。この低温低圧のガス冷媒は、四方弁１３、アキュムレータ１７Ｂを経て圧縮機１２Ｂに吸入、圧縮される。以降は上記過程を繰り返すこととなる。
【００３８】
［暖房運転；中負荷時］
このモードでは、容量の大きな圧縮機１２ＡのみがガスエンジンＥＧによって駆動される。開閉弁Ｖ４，Ｖ５は閉じられ、開閉弁Ｖ６，Ｖ７は開かれる。
冷媒は圧縮機１２Ａで圧縮されて高温高圧のガス冷媒となり、オイルセパレータ１８Ａ、四方弁１３を経て室内ユニット２０に送出され、室内熱交換器２１に流入する。室内熱交換器２１では、高温高圧のガス冷媒が室内ファン２３によって取り込まれた室内の空気に熱を与えて加熱し、自らは凝縮、液化して中温中圧の液冷媒となる（ここまでは圧縮機が１２Ｂから１２Ａに切り換えられるだけで、作動の仕方は低負荷時と同じ）。
【００３９】
この中温中圧の液冷媒は、電磁膨張弁２２をバイパスし、冷媒配管３０を通じて室外ユニット１０に送出され、レシーバ１５にて気液分離された後、一部がバイパス配管３４に流入する。バイパス配管３４に流入しなかった残りの液冷媒は、膨張弁１４を通過する過程で減圧されて低温低圧の液冷媒となり、室外熱交換器１１に流入して屋外の空気から熱を奪い、自らは蒸発、気化して低温低圧のガス冷媒となる。
【００４０】
バイパス配管３４に流入した中温中圧の液冷媒は、膨張弁３５を通過する過程で減圧されて低温低圧の液冷媒となり、排熱利用熱交換器４１に流入する。排熱利用熱交換器４１では、低温低圧の液冷媒がガスエンジンＥＧから排熱伝達手段４３を介して伝達された排熱を利用して加熱され、蒸発、気化して低温低圧のガス冷媒となる。
【００４１】
室外熱交換器１１において蒸発、気化した低温低圧のガス冷媒と、排熱利用熱交換器４１において蒸発、気化した低温低圧のガス冷媒とはアキュムレータ１７Ａで合流し、圧縮機１２Ａに吸入される。以降は上記過程を繰り返すこととなる。
【００４２】
［暖房運転；高負荷時］
このモードでは、圧縮機１２Ａ，１２Ｂがそれぞれの駆動手段によって同時に駆動される。開閉弁Ｖ４，Ｖ５，Ｖ７は開かれ、開閉弁Ｖ６は閉じられる。
冷媒は圧縮機１２Ａ，１２Ｂから高温高圧のガス状態で吐出され、オイルセパレータ１８Ａ，１８Ｂを経て合流し、四方弁１３を経て室内ユニット２０に送出され、室内熱交換器２１に流入する。室内熱交換器２１では、高温高圧のガス冷媒が室内ファン２３によって取り込まれた室内の空気に熱を与えて加熱し、自らは凝縮、液化して中温中圧の液冷媒となる。
【００４３】
この中温中圧の液冷媒は、電磁膨張弁２２をバイパスし、冷媒配管３０を通じて室外ユニット１０に送出され、レシーバ１５にて気液分離された後、一部がバイパス配管３３に流入する。バイパス配管３３に流入しなかった残りの液冷媒は、膨張弁１４を通過する過程で減圧されて低温低圧の液冷媒となり、室外熱交換器１１に流入して屋外の空気から熱を奪い、自らは蒸発、気化して低温低圧のガス冷媒となる。
【００４４】
バイパス配管３３に流入した中温中圧の液冷媒は、排熱利用熱交換器４０に流入し、ガスエンジンＥＧから排熱伝達手段４２を介して伝達された排熱を利用して加熱され、蒸発、気化して中温中圧のガス冷媒となる。
【００４５】
室外熱交換器１１において蒸発、気化した低温低圧のガス冷媒は、アキュムレータ１７Ａを経て圧縮機１２Ａに吸入、圧縮される。排熱利用熱交換器４０において蒸発、気化した中温中圧のガス冷媒は、アキュムレータ１７Ｂを経て圧縮機１２Ｂに吸入される。この場合の圧縮機１２Ｂはガスポンプとして機能し、中温中圧のガス冷媒を高温高圧のガス冷媒として吐出する。以降は上記過程を繰り返すこととなる。
【００４６】
［暖房運転；低外気温，低負荷時］
このモードでは、容量の大きな圧縮機１２ＡのみがガスエンジンＥＧによって駆動される。開閉弁Ｖ４，Ｖ５，Ｖ７は閉じられ、開閉弁Ｖ６は開かれる。
冷媒は圧縮機１２Ａで圧縮されて高温高圧のガス冷媒となり、オイルセパレータ１８Ａ、四方弁１３を経て室内ユニット２０に送出され、室内熱交換器２１に流入する。室内熱交換器２１では、高温高圧のガス冷媒が室内ファン２３によって取り込まれた室内の空気に熱を与えて加熱し、自らは凝縮、液化して中温中圧の液冷媒となる。
【００４７】
この中温中圧の液冷媒は、電磁膨張弁２２をバイパスし、冷媒配管３０を通じて室外ユニット１０に送出され、レシーバ１５にて気液分離された後、バイパス配管３４に流入する。バイパス配管３４に流入した中温中圧の液冷媒は、膨張弁３５を通過する過程で減圧されて低温低圧の液冷媒となり、排熱利用熱交換器４１に流入する。排熱利用熱交換器４１では、低温低圧の液冷媒がガスエンジンＥＧから排熱伝達手段４３を介して伝達された排熱を利用して加熱され、蒸発、気化して低温低圧のガス冷媒となる。
【００４８】
排熱利用熱交換器４１において蒸発、気化した低温低圧のガス冷媒はアキュムレータ１７Ａを経て圧縮機１２Ａに吸入、圧縮される。以降は上記過程を繰り返すこととなる。
【００４９】
［暖房運転；低外気温，中／高負荷時］
このモードでは、圧縮機１２Ａ，１２Ｂがそれぞれの駆動手段によって同時に駆動される。開閉弁Ｖ４，Ｖ６は開かれ、開閉弁Ｖ５，Ｖ７は閉じられる。
冷媒は圧縮機１２Ａ，１２Ｂから高温高圧のガス状態で吐出され、オイルセパレータ１８Ａ，１８Ｂを経て合流し、四方弁１３を経て室内ユニット２０に送出され、室内熱交換器２１に流入する。室内熱交換器２１では、高温高圧のガス冷媒が室内ファン２３によって取り込まれた室内の空気に熱を与えて加熱し、自らは凝縮、液化して中温中圧の液冷媒となる。
【００５０】
この中温中圧の液冷媒は、電磁膨張弁２２をバイパスし、冷媒配管３０を通じて室外ユニット１０に送出され、レシーバ１５にて気液分離された後、一部がバイパス配管３３に流入し、残りがバイパス配管３４に流入する。バイパス配管３３に流入した中温中圧の液冷媒は、排熱利用熱交換器４０に流入し、ガスエンジンＥＧから排熱伝達手段４２を介して伝達された排熱を利用して加熱され、蒸発、気化して中温中圧のガス冷媒となる。
【００５１】
バイパス配管３４に流入した中温中圧の液冷媒は、膨張弁３５を通過する過程で減圧されて低温低圧の液冷媒となり、排熱利用熱交換器４１に流入する。排熱利用熱交換器４１では、低温低圧の液冷媒がガスエンジンＥＧから排熱伝達手段４３を介して伝達された排熱を利用して加熱され、蒸発、気化して低温低圧のガス冷媒となる。
【００５２】
排熱利用熱交換器４０において蒸発、気化した中温中圧のガス冷媒は、アキュムレータ１７Ｂを経て圧縮機１２Ｂに吸入される。この場合の圧縮機１２Ｂはガスポンプとして機能し、中温中圧のガス冷媒を高温高圧のガス冷媒として吐出する。排熱利用熱交換器４１において蒸発、気化した低温低圧のガス冷媒は、アキュムレータ１７Ａを経て圧縮機１２Ａに吸入、圧縮される。以降は上記過程を繰り返すこととなる。
【００５３】
上記のような作動をする空気調和装置においては、図２に示すように、圧縮機に求められる負荷が小さければ容量の小さい圧縮機１２Ｂを電動モータＭで駆動して効率を稼ぎ、求められる負荷が中程度であれば容量の大きい圧縮機１２ＡをガスエンジンＥＧの好適な回転数域で駆動して高効率運転を実現し、求められる負荷が大きければ大小２つの圧縮機１２Ａ，１２Ｂをそれぞれの駆動手段で同時に駆動してさらなる高効率運転を実現することができる。これにより、求められる負荷の大きさに関わらず高いＣＯＰ（成績係数）が得られる。
【００５４】
１基の圧縮機をガスエンジン等の内燃機関１基で駆動する従来の空気調和装置と比較すると、従来の空気調和装置は、求められる頻度の高い中程度の負荷に対応して高効率運転が行えるようにエンジンが調整されるため、小さな負荷が求められる場合はエンジンの回転数を高効率運転が行える回転数域から外して（回転数を下げて）運転させなければならず、効率が著しく低下する。大きな負荷が求められる場合にはエンジンの回転数を高効率運転が行える回転数域から外して（回転数を上げて）運転させなければならず、この場合も同様に効率が著しく低下する。このため、本実施形態の空気調和装置のように負荷の大きさに関わらず高いＣＯＰを維持することはできない。
【００５５】
さらに、ガスエンジンＥＧと電動モータＭとを、求められる負荷の大きさに応じてそれらを選択的に駆動したり同時に駆動したりするので、常時内燃機関を駆動させる従来の空気調和装置と比較してＣＯ2やＮＯｘの排出量を抑えることができ、環境への配慮もなされる。
【００５６】
また、本実施形態の空気調和装置においては、中程度以上の負荷が求められる場合、室外熱交換器１１で屋外の空気から熱を汲み上げながら、ガスエンジンＥＧの排熱を利用して冷媒の加熱を行うので、さらなる高効率運転が可能である。
【００５７】
しかも、外気温が低く、従来の空気調和装置では頻繁にデフロスト（霜取り）運転に移行しそうな状況でも、室外熱交換器１１を使わず排熱利用熱交換器４０，４１を使用して冷媒の加熱が可能なので、デフロスト運転に伴う一時的な運転の中断がなく、安定した空調が得られる。
【００５８】
ところで、本実施形態においては容量の大きな圧縮機１２Ａの駆動手段としてガスエンジンＥＧを採用したが、当該駆動手段としての内燃機関には、ガスエンジン以外にマイクロガスタービンを採用することが可能である。また、その他の燃料を消費して回転力を取り出すことができる原動機を採用することも可能である。
【００５９】
本実施形態においては容量の小さな圧縮機１２Ｂの駆動手段として電動モータＭを採用したが、圧縮機１２Ｂの能力を活かせる回転数域で高効率運転が可能な内燃機関があればこれを圧縮機１２Ｂの駆動手段として採用することも可能である。
【００６０】
また、大小２つの圧縮機１２Ａ，１２Ｂの駆動手段をいずれも電動モータとし、これらに電力を供給する発電装置を併設し、該発電装置の排熱を排熱利用熱交換器４０に伝達して冷媒の加熱を行うようにすることも可能である。この場合の発電装置には、発電機に動力源としてガスエンジンやマイクロガスタービンを設置したものや、燃料電池等を採用することが好ましい。
【００６１】
上記の各実施形態においては大小２つの圧縮機１２Ａ，１２Ｂを具備する空気調和装置について説明したが、本発明は容量の異なる３つもしくはそれ以上の数の圧縮機を備える空気調和装置としても実施可能である。
【００６２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、圧縮機に求められる負荷が小さければ容量の小さな圧縮機をそれに見合った出力が得られる駆動手段で駆動して効率を稼ぎ、求められる負荷が中程度であれば容量の大きな圧縮機をそれに見合った出力が得られる駆動手段で駆動して高効率運転を実現し、求められる負荷が大きければ容量の異なる複数の圧縮機をそれぞれの駆動手段で同時に駆動してさらなる高効率運転を実現することができる。つまり、求められる負荷の大きさに応じて最も効率の良い運転が行える圧縮機を選択して駆動するので、負荷の大きさに関わらず高いＣＯＰが得られる。
【００６３】
さらに、容量の大きな圧縮機の駆動手段として内燃機関を採用するとともに、容量の小さな圧縮機の駆動手段として電動モータを採用し、求められる負荷の大きさに応じてそれらを選択的に駆動したり同時に駆動したりするので、常時内燃機関を駆動させる従来の空気調和装置と比較してＣＯ2やＮＯｘの排出量を抑えることができ、環境にも優しい。
【００６４】
また、本発明によれば、圧縮機の駆動手段として採用した内燃機関の排熱を、暖房運転時に、容量の小さい圧縮機をガスポンプとして用いる構造を介して、冷媒の加熱に利用することにより、さらなる高効率運転が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る空気調和装置の概略構成図である。
【図２】 本発明による空気調和装置と従来のガスエンジン駆動型空気調和装置とについて、負荷の大きさに対応する成績係数を比較した図である。
【符号の説明】
１０ 室外ユニット
１１ 室外熱交換器
１２Ａ，１２Ｂ 圧縮機
１４ 膨張弁
２０ 室内ユニット
２１ 室内熱交換器
３０ａ 冷媒配管（中圧冷媒管路）
３０ｂ 冷媒配管（一方の冷媒管路）
３０ｃ 分岐冷媒配管（他方の冷媒管路）
３３ バイパス配管（第１のバイパス管路）
３４ バイパス配管（第２のバイパス管路）
３５ 膨張弁
４０ 排熱利用熱交換器（第１の排熱利用熱交換器）
４１ 排熱利用熱交換器（第２の排熱利用熱交換器）
４２，４３ 排熱伝達手段
５０ 制御部
ＥＧ ガスエンジン（内燃機関）
Ｍ 電動モータ
Ｖ４ 開閉弁（第１の開閉弁）
Ｖ５ 開閉弁（第２の開閉弁）
Ｖ６ 開閉弁（第３の開閉弁）
Ｖ７ 開閉弁（第４の開閉弁）
【発明の属する技術分野】
本発明は空気調和装置に関し、特に圧縮機を駆動する駆動手段の排熱を利用して冷媒の加熱を行う構造を有するヒートポンプ式の空気調和装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
圧縮機の駆動手段にガスエンジン等の内燃機関を採用し、さらにこの内燃機関の排熱を利用して冷媒の加熱を行う構造を有するヒートポンプ式の空気調和装置がある。この空気調和装置においては、圧縮機に求められる負荷が小さければ回転数を低くし、大きければ回転数を高くするといった具合に、負荷に応じてエンジンの回転数を変化させるようになっている。そのため、エンジンには広い回転数域を備えることが求められる。
【０００３】
しかしながら、ガスエンジン等の内燃機関は高効率運転の可能な回転数域が限られている。そこで従来の空気調和装置においては、通常運転の際に頻繁に求められる負荷の範囲に対応する回転数域で高効率運転が可能なようにエンジンの調整がなされている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の空気調和装置では、上記のような調整を行うため、一般的な範囲を外れた大きさの負荷が求められた場合には、エンジンに効率の悪い運転を行わせることになる。そのため、燃費が悪化する等して運転コストが増加するといった問題点が指摘されている。
【０００５】
特開平11-132594号公報には、容量の大きな圧縮機を電動モータまたはエンジンのいずれか一方で選択的に駆動させ、負荷が小さい場合は電動モータで圧縮機を駆動し、負荷が大きい場合はエンジンで圧縮機を駆動させてエンジンに効率の悪い運転をさせない技術について開示されている。
【０００６】
しかしながら、上記公報に開示された技術では、例えば求められる負荷が小さい場合、容量の大きな圧縮機を低速で駆動させるので十分な圧縮効率が得られない。容量の大きな圧縮機を低速で駆動すると、中高速で駆動する場合と比較して被圧縮流体の漏洩が多くなるからである。
【０００７】
また、上記公報に開示された技術では、本来非力な電動モータで内部摩擦の大きな圧縮機を駆動させることで電動モータに無理を強いることになり、結果的に見て装置全体としては高い運転効率が得られているとは言い難い。
【０００８】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、求められる負荷の大きさに関わらず高効率運転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。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するための手段として、次のような構成の空気調和装置を採用する。
すなわち請求項１記載の空気調和装置は、室内熱交換器、室外熱交換器、膨張弁および四方弁を冷媒管路を介して接続するとともに該冷媒管路に容量の異なる２つの圧縮機を並列に接続し、該２つの圧縮機に個々に駆動手段を設け、前記２つの圧縮機のうち少なくとも容量の大きな圧縮機を駆動する駆動手段に内燃機関を採用した空気調和装置であって、
暖房運転時に中温中圧の液冷媒を導通することとなる中圧冷媒管路に一端を接続され、前記２つの圧縮機のうち容量の小さな圧縮機の上流側に位置する一方の冷媒管路に他端を接続された第１のバイパス管路を設け、
該第１のバイパス管路には、暖房運転時に必要に応じて開閉して前記第１のバイパス管路への冷媒の導入を制限する第１の開閉弁と、前記内燃機関の排熱を利用して低温低圧の液冷媒を加熱、気化させる第１の排熱利用熱交換器とを前記中圧冷媒管路側から順に並べて設け、
前記第１のバイパス管路との接続箇所より上流側に位置する前記一方の冷媒管路には、必要に応じて開閉して前記容量の小さな圧縮機への冷媒の導入を制限する第２の開閉弁を設け、
前記第１のバイパス管路との接続箇所より暖房運転時の上流側に位置する前記中圧冷媒管路に一端を接続され、前記２つの圧縮機のうち容量の大きな圧縮機の上流側に位置する他方の冷媒管路に他端を接続された第２のバイパス管路を設け、
該第２のバイパス管路には、暖房運転時に必要に応じて開閉して前記第２のバイパス管路への冷媒の導入を制限する第３の開閉弁と、中温中圧の液冷媒を低温低圧の液冷媒に減圧する減圧弁と、前記内燃機関の排熱を利用して低温低圧の液冷媒を加熱、気化させる第２の排熱利用熱交換器とを前記中圧冷媒管路側から順に並べて設け、
前記第１のバイパス管路との接続箇所より暖房運転時の下流側に位置する前記中圧冷媒管路には、必要に応じて開閉して前記室外熱交換器への冷媒の導入を制限する第４の開閉弁を設けたことを特徴とする。
【００１０】
請求項２記載の空気調和装置は、請求項１記載の空気調和装置において、前記２つの圧縮機のうち少なくとも容量の大きな圧縮機を駆動する駆動手段にガスエンジンを採用したことを特徴とする。
【００１１】
請求項３記載の空気調和装置は、請求項１または２記載の空気調和装置において、前記２つ圧縮機のうち容量の小さなものを駆動する駆動手段に電動モータを採用したことを特徴とする。
【００１２】
請求項４記載の空気調和装置は、請求項１記載の空気調和装置において、前記２つの圧縮機に個々に設けた駆動手段の少なくともいずれか一方を電動モータとし、該電動モータを駆動する発電装置を併設し、該発電装置の排熱を暖房運転時の冷媒加熱に利用することを特徴とする。
【００１３】
請求項５記載の空気調和装置は、請求項１、２、３または４記載の空気調和装置において、前記暖房運転時に、前記第１、第３の開閉弁を閉じ前記第２、第４の開閉弁を開いて前記２つの圧縮機のうち容量の小さいもののみを駆動させるか、前記第１、第２の開閉弁を閉じ前記第３、第４の開閉弁を開いて前記２つの圧縮機のうち容量の大きなもののみを駆動させるか、または前記第１、第４の開閉弁を開き前記第２、第３の開閉弁を閉じて前記２つの圧縮機を同時に駆動させるかいずれかの運転を、求められる負荷に応じて選択的に実行することを特徴とする。
【００１４】
請求項６記載の空気調和装置は、請求項１、２、３、４または５記載の空気調和装置において、前記第１、第２、第４の開閉弁を閉じ前記第３の開閉弁を開いて前記２つの圧縮機のうち容量の大きなもののみを駆動させる運転を、求められる負荷および屋外の気温に応じて実行することを特徴とする。
【００１５】
請求項７記載の空気調和装置は、請求項１、２、３、４、５または６記載の空気調和装置において、冷房運転時に、前記第１、第３の開閉弁を閉じ前記第２、第４の開閉弁を開いて前記２つの圧縮機のうち容量の小さいもののみを駆動させるか、前記第１、第２、第３の開閉弁を閉じ前記第４の開閉弁を開いて前記２つの圧縮機のうち容量の大きなもののみを駆動させるか、または前記第１、第３の開閉弁を閉じ前記第２、第４の開閉弁を開いて前記２つの圧縮機を同時に駆動させるかいずれかの運転を、求められる負荷に応じて選択的に実行することを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明に係る実施形態を図１および図２に示して説明する。
図１には、容量の異なる２つの圧縮機をガスエンジンと電動モータとで個々に駆動する構造を有するヒートポンプ式の空気調和装置を示す。この空気調和装置は、室外ユニット１０と室内ユニット２０とから構成されており、これらは冷媒を導通する冷媒配管３０や図示しない電気配線等によって接続されている。
【００１７】
室外ユニット１０には、屋外の空気と冷媒との間で熱交換を行う室外熱交換器１１と、室外熱交換器１１または後述する室内熱交換器２１に冷媒を送出する２つの圧縮機１２Ａ，１２Ｂと、冷媒配管３０を流通する冷媒の流れ方向を切り替える四方弁１３と、暖房運転時に使用される膨張弁１４と、冷媒を気液分離するレシーバ１５と、室外熱交換器１１に屋外の空気を流通させる室外ファン１６とが具備され、冷媒配管３０を介して接続されて冷媒循環系の一部を構成している。
【００１８】
２つの圧縮機１２Ａ，１２Ｂは容量が異なり、室外ユニット１０において上記各機器と冷媒配管３０からなる冷媒循環系に並列に接続されている。圧縮機１２Ａ，１２Ｂのうち、容量の大きな圧縮機１２Ａの駆動手段にはガスエンジン（内燃機関）ＥＧが採用され、容量の小さな圧縮機１２Ｂの駆動手段には電動モータＭが採用されている。
【００１９】
ガスエンジンＥＧは、中程度の負荷に対応して圧縮機１２Ａの能力を活かして（すなわち圧縮機１２Ａの容量に見合った回転数域で）駆動させたときに燃費の良い高効率運転が行えるように調整されている。電動モータＭは、小さい負荷に対応して圧縮機１２Ｂの能力を活かして（すなわち圧縮機１２Ｂの容量に見合った回転数域で）駆動させたときに無理のない運転が行えるように適切な出力が得られるものが選択されている。
【００２０】
圧縮機１２Ａ，１２Ｂの上流側には個々にアキュムレータ１７Ａ，１７Ｂがそれぞれ設けられ、下流側にはオイルセパレータ１８Ａ，１８Ｂおよび各圧縮機への冷媒の逆流を阻止する逆止弁Ｖ１がそれぞれ設けられている。オイルセパレータ１８Ａ，１８Ｂには、ガス冷媒から分離した油分を圧縮機１２Ａ，１２Ｂの上流側に戻す油戻し管１９がそれぞれ設けられている。
【００２１】
膨張弁１４の前後の冷媒配管３０には、膨張弁１４をバイパスするバイパス配管３１が設けられ、バイパス管路３１には暖房運転時にバイパス配管３１への冷媒の流入を阻止する逆止弁Ｖ２が設けられている。
【００２２】
室内ユニット２０には、屋内の空気と冷媒との間で熱交換を行う室内熱交換器２１と、冷房運転時に使用される電磁膨張弁２２と、室内熱交換器２１に室内の空気を流通させる室内ファン２３とが具備され、冷媒配管３０を介して接続されて室外ユニット１０とともに冷媒循環系を構成している。
【００２３】
電磁膨張弁２２の前後の冷媒配管３０には、電磁膨張弁２２をバイパスするバイパス配管３２が設けられ、バイパス配管３２には冷房運転時にバイパス配管３２への冷媒の流入を阻止する逆止弁Ｖ３が設けられている。
【００２４】
また、上記室外ユニット１０には、室外熱交換器１１と室内熱交換器２１とに連通し暖房運転時に中温中圧の液冷媒（すなわち凝縮器である室内熱交換器２１を通過した後の液冷媒）を導通することとなる冷媒配管（中圧冷媒管路）３０ａに一端を接続され、容量の小さな圧縮機１２Ｂの上流側に位置する分岐冷媒配管（一方の冷媒管路）３０ｂに他端を接続されたバイパス配管（第１のバイパス管路）３３が設けられている。
【００２５】
バイパス配管３３には、必要に応じて開閉してバイパス配管３３への液冷媒の導入を制限する開閉弁（第１の開閉弁）Ｖ４、ガスエンジンＥＧの排熱を利用して低温低圧の液冷媒を加熱、気化させる排熱利用熱交換器（第１の排熱利用熱交換器）４０が、冷媒配管３０ａ側から順に並んで設けられている。
【００２６】
また、分岐冷媒配管３０ｂには、必要に応じて開閉して圧縮機１２Ｂへの冷媒の導入を制限する開閉弁（第２の開閉弁）Ｖ５が設けられている。
【００２７】
上記室外ユニット１０には、バイパス配管３３との接続箇所より暖房運転時の上流側に位置する冷媒配管３０ａに一端を接続され、容量の大きな圧縮機１２Ａの上流側に位置する分岐冷媒配管（他方の冷媒管路）３０ｃに他端を接続されたバイパス配管（第２のバイパス管路）３４が設けられている。
【００２８】
バイパス配管３４には、必要に応じて開閉してバイパス配管３４への冷媒の導入を制限する開閉弁（第３の開閉弁）Ｖ６、中温中圧の液冷媒を低温低圧の液冷媒に減圧する膨張弁（減圧弁）３５、ガスエンジンＥＧの排熱を利用して低温低圧の液冷媒を加熱、気化させる排熱利用熱交換器（第２の排熱利用熱交換器）４１が、冷媒配管３０ａ側から順に並んで設けられている。
【００２９】
さらに、上記室外ユニット１０には、バイパス配管３３との接続箇所より暖房運転時の下流側に位置する冷媒配管３０ａに、必要に応じて開閉して室外熱交換器１１への冷媒の導入を制限する開閉弁（第４の開閉弁）Ｖ７が設けられている。
【００３０】
ガスエンジンＥＧと排熱利用熱交換器４０との間には、ガスエンジンＥＧの排熱を伝達し排熱利用熱交換器４０において冷媒と熱交換させる排熱伝達手段４２が設けられている。ガスエンジンＥＧと排熱利用熱交換器４１との間にも、同様の排熱伝達手段４３が設けられている。排熱伝達手段４２，４３は、例えばガスエンジンＥＧの排気を排熱利用熱交換器４０、４１に直接導くもの、ガスエンジンＥＧで加熱された冷却水を排熱利用熱交換器４０、４１に導いて間接的に熱を伝達するもの等である。
【００３１】
さらに、上記空気調和装置には、２つの圧縮機１２Ａ，１２Ｂに求められる負荷に応じて各圧縮機を個別に駆動させたり２つをともに駆動させたりする制御を行う制御部５０が設けられている。制御部５０では、圧縮機１２Ａ，１２Ｂの駆動を制御するとともに、冷房運転／暖房運転の切り換え時や求められる負荷の大きさに応じて四方弁１３や開閉弁Ｖ４，Ｖ５，Ｖ６，Ｖ７を切り換える制御を行うようになっている。
【００３２】
上記のように構成された空気調和装置の作動の仕方を冷房運転と暖房運転とに分け、さらにそれぞれの運転状態において求められる負荷の大きさごとに分けて説明する。
［冷房運転；低負荷時］
このモードでは、容量の小さな圧縮機１２Ｂのみが電動モータＭによって駆動される。開閉弁Ｖ４，Ｖ６は閉じられ、開閉弁Ｖ５，Ｖ７は開かれる。
冷媒は圧縮機１２Ｂで圧縮されて高温高圧のガス冷媒となり、オイルセパレータ１８Ｂ、四方弁１３を経て室外熱交換器１１に流入する。室外熱交換器１１では、高温高圧のガス冷媒が室外ファン１６によって取り込まれた屋外の空気に熱を与えて排熱し、自らは凝縮、液化して中温中圧の液冷媒となる。
【００３３】
この中温中圧の液冷媒は、膨張弁１４をバイパスし、レシーバ１５にて気液分離された後、冷媒配管３０を通じて室内ユニット２０に送出され、電磁膨張弁２２を通過する過程で減圧されて低温低圧の液冷媒となり、室内熱交換器２１に流入する。室内熱交換器２１では、低温低圧の液冷媒が室内ファン２３によって取り込まれた室内の空気から熱を奪って冷却し、自らは蒸発、気化して低温低圧のガス冷媒となる。この低温低圧のガス冷媒は、冷媒配管３０を通じて室外ユニット１０に送出され、四方弁１３、アキュムレータ１７Ｂを経て圧縮機１２Ｂに吸入、圧縮される。以降は上記過程を繰り返すこととなる。
【００３４】
［冷房運転；中負荷時］
このモードでは、容量の大きな圧縮機１２ＡのみがガスエンジンＥＧによって駆動される。開閉弁Ｖ４，Ｖ５，Ｖ６は閉じられ、開閉弁Ｖ７は開かれる。このモードでは圧縮機が容量の小さな１２Ｂから容量の大きな１２Ａに切り換えられるだけで、作動の仕方は低負荷時と同じである。なお、圧縮機の切り換えに伴い機能するオイルセパレータおよびアキュムレータもそれぞれに対応して設けられたものに切り換わる。
【００３５】
［冷房運転；高負荷時］
このモードでは、圧縮機１２Ａ，１２Ｂがそれぞれの駆動手段によって同時に駆動される。開閉弁Ｖ４，Ｖ６は閉じられ、開閉弁Ｖ５，Ｖ７は開かれる。このモードは２つの圧縮機１２Ａ，１２Ｂが同時に駆動するだけで、作動の仕方は低負荷時や中負荷時と同じである。
【００３６】
［暖房運転；低負荷時］
このモードでは、容量の小さな圧縮機１２Ｂのみが電動モータＭによって駆動される。開閉弁Ｖ４、Ｖ６は閉じられ、Ｖ５，Ｖ７は開かれる。
冷媒は圧縮機１２Ｂで圧縮されて高温高圧のガス冷媒となり、オイルセパレータ１８Ｂ、四方弁１３を経て室内ユニット２０に送出され、室内熱交換器２１に流入する。室内熱交換器２１では、高温高圧のガス冷媒が室内ファン２３によって取り込まれた室内の空気に熱を与えて加熱し、自らは凝縮、液化して中温中圧の液冷媒となる。
【００３７】
この中温中圧の液冷媒は、電磁膨張弁２２をバイパスし、冷媒配管３０を通じて室外ユニット１０に送出され、レシーバ１５にて気液分離された後、膨張弁１４を通過する過程で減圧されて低温低圧の液冷媒となり、室外熱交換器１１に流入する。室外熱交換器１１では、低温低圧の液冷媒が室外ファン１６によって取り込まれた屋外の空気から熱を奪い、自らは蒸発、気化して低温低圧のガス冷媒となる。この低温低圧のガス冷媒は、四方弁１３、アキュムレータ１７Ｂを経て圧縮機１２Ｂに吸入、圧縮される。以降は上記過程を繰り返すこととなる。
【００３８】
［暖房運転；中負荷時］
このモードでは、容量の大きな圧縮機１２ＡのみがガスエンジンＥＧによって駆動される。開閉弁Ｖ４，Ｖ５は閉じられ、開閉弁Ｖ６，Ｖ７は開かれる。
冷媒は圧縮機１２Ａで圧縮されて高温高圧のガス冷媒となり、オイルセパレータ１８Ａ、四方弁１３を経て室内ユニット２０に送出され、室内熱交換器２１に流入する。室内熱交換器２１では、高温高圧のガス冷媒が室内ファン２３によって取り込まれた室内の空気に熱を与えて加熱し、自らは凝縮、液化して中温中圧の液冷媒となる（ここまでは圧縮機が１２Ｂから１２Ａに切り換えられるだけで、作動の仕方は低負荷時と同じ）。
【００３９】
この中温中圧の液冷媒は、電磁膨張弁２２をバイパスし、冷媒配管３０を通じて室外ユニット１０に送出され、レシーバ１５にて気液分離された後、一部がバイパス配管３４に流入する。バイパス配管３４に流入しなかった残りの液冷媒は、膨張弁１４を通過する過程で減圧されて低温低圧の液冷媒となり、室外熱交換器１１に流入して屋外の空気から熱を奪い、自らは蒸発、気化して低温低圧のガス冷媒となる。
【００４０】
バイパス配管３４に流入した中温中圧の液冷媒は、膨張弁３５を通過する過程で減圧されて低温低圧の液冷媒となり、排熱利用熱交換器４１に流入する。排熱利用熱交換器４１では、低温低圧の液冷媒がガスエンジンＥＧから排熱伝達手段４３を介して伝達された排熱を利用して加熱され、蒸発、気化して低温低圧のガス冷媒となる。
【００４１】
室外熱交換器１１において蒸発、気化した低温低圧のガス冷媒と、排熱利用熱交換器４１において蒸発、気化した低温低圧のガス冷媒とはアキュムレータ１７Ａで合流し、圧縮機１２Ａに吸入される。以降は上記過程を繰り返すこととなる。
【００４２】
［暖房運転；高負荷時］
このモードでは、圧縮機１２Ａ，１２Ｂがそれぞれの駆動手段によって同時に駆動される。開閉弁Ｖ４，Ｖ５，Ｖ７は開かれ、開閉弁Ｖ６は閉じられる。
冷媒は圧縮機１２Ａ，１２Ｂから高温高圧のガス状態で吐出され、オイルセパレータ１８Ａ，１８Ｂを経て合流し、四方弁１３を経て室内ユニット２０に送出され、室内熱交換器２１に流入する。室内熱交換器２１では、高温高圧のガス冷媒が室内ファン２３によって取り込まれた室内の空気に熱を与えて加熱し、自らは凝縮、液化して中温中圧の液冷媒となる。
【００４３】
この中温中圧の液冷媒は、電磁膨張弁２２をバイパスし、冷媒配管３０を通じて室外ユニット１０に送出され、レシーバ１５にて気液分離された後、一部がバイパス配管３３に流入する。バイパス配管３３に流入しなかった残りの液冷媒は、膨張弁１４を通過する過程で減圧されて低温低圧の液冷媒となり、室外熱交換器１１に流入して屋外の空気から熱を奪い、自らは蒸発、気化して低温低圧のガス冷媒となる。
【００４４】
バイパス配管３３に流入した中温中圧の液冷媒は、排熱利用熱交換器４０に流入し、ガスエンジンＥＧから排熱伝達手段４２を介して伝達された排熱を利用して加熱され、蒸発、気化して中温中圧のガス冷媒となる。
【００４５】
室外熱交換器１１において蒸発、気化した低温低圧のガス冷媒は、アキュムレータ１７Ａを経て圧縮機１２Ａに吸入、圧縮される。排熱利用熱交換器４０において蒸発、気化した中温中圧のガス冷媒は、アキュムレータ１７Ｂを経て圧縮機１２Ｂに吸入される。この場合の圧縮機１２Ｂはガスポンプとして機能し、中温中圧のガス冷媒を高温高圧のガス冷媒として吐出する。以降は上記過程を繰り返すこととなる。
【００４６】
［暖房運転；低外気温，低負荷時］
このモードでは、容量の大きな圧縮機１２ＡのみがガスエンジンＥＧによって駆動される。開閉弁Ｖ４，Ｖ５，Ｖ７は閉じられ、開閉弁Ｖ６は開かれる。
冷媒は圧縮機１２Ａで圧縮されて高温高圧のガス冷媒となり、オイルセパレータ１８Ａ、四方弁１３を経て室内ユニット２０に送出され、室内熱交換器２１に流入する。室内熱交換器２１では、高温高圧のガス冷媒が室内ファン２３によって取り込まれた室内の空気に熱を与えて加熱し、自らは凝縮、液化して中温中圧の液冷媒となる。
【００４７】
この中温中圧の液冷媒は、電磁膨張弁２２をバイパスし、冷媒配管３０を通じて室外ユニット１０に送出され、レシーバ１５にて気液分離された後、バイパス配管３４に流入する。バイパス配管３４に流入した中温中圧の液冷媒は、膨張弁３５を通過する過程で減圧されて低温低圧の液冷媒となり、排熱利用熱交換器４１に流入する。排熱利用熱交換器４１では、低温低圧の液冷媒がガスエンジンＥＧから排熱伝達手段４３を介して伝達された排熱を利用して加熱され、蒸発、気化して低温低圧のガス冷媒となる。
【００４８】
排熱利用熱交換器４１において蒸発、気化した低温低圧のガス冷媒はアキュムレータ１７Ａを経て圧縮機１２Ａに吸入、圧縮される。以降は上記過程を繰り返すこととなる。
【００４９】
［暖房運転；低外気温，中／高負荷時］
このモードでは、圧縮機１２Ａ，１２Ｂがそれぞれの駆動手段によって同時に駆動される。開閉弁Ｖ４，Ｖ６は開かれ、開閉弁Ｖ５，Ｖ７は閉じられる。
冷媒は圧縮機１２Ａ，１２Ｂから高温高圧のガス状態で吐出され、オイルセパレータ１８Ａ，１８Ｂを経て合流し、四方弁１３を経て室内ユニット２０に送出され、室内熱交換器２１に流入する。室内熱交換器２１では、高温高圧のガス冷媒が室内ファン２３によって取り込まれた室内の空気に熱を与えて加熱し、自らは凝縮、液化して中温中圧の液冷媒となる。
【００５０】
この中温中圧の液冷媒は、電磁膨張弁２２をバイパスし、冷媒配管３０を通じて室外ユニット１０に送出され、レシーバ１５にて気液分離された後、一部がバイパス配管３３に流入し、残りがバイパス配管３４に流入する。バイパス配管３３に流入した中温中圧の液冷媒は、排熱利用熱交換器４０に流入し、ガスエンジンＥＧから排熱伝達手段４２を介して伝達された排熱を利用して加熱され、蒸発、気化して中温中圧のガス冷媒となる。
【００５１】
バイパス配管３４に流入した中温中圧の液冷媒は、膨張弁３５を通過する過程で減圧されて低温低圧の液冷媒となり、排熱利用熱交換器４１に流入する。排熱利用熱交換器４１では、低温低圧の液冷媒がガスエンジンＥＧから排熱伝達手段４３を介して伝達された排熱を利用して加熱され、蒸発、気化して低温低圧のガス冷媒となる。
【００５２】
排熱利用熱交換器４０において蒸発、気化した中温中圧のガス冷媒は、アキュムレータ１７Ｂを経て圧縮機１２Ｂに吸入される。この場合の圧縮機１２Ｂはガスポンプとして機能し、中温中圧のガス冷媒を高温高圧のガス冷媒として吐出する。排熱利用熱交換器４１において蒸発、気化した低温低圧のガス冷媒は、アキュムレータ１７Ａを経て圧縮機１２Ａに吸入、圧縮される。以降は上記過程を繰り返すこととなる。
【００５３】
上記のような作動をする空気調和装置においては、図２に示すように、圧縮機に求められる負荷が小さければ容量の小さい圧縮機１２Ｂを電動モータＭで駆動して効率を稼ぎ、求められる負荷が中程度であれば容量の大きい圧縮機１２ＡをガスエンジンＥＧの好適な回転数域で駆動して高効率運転を実現し、求められる負荷が大きければ大小２つの圧縮機１２Ａ，１２Ｂをそれぞれの駆動手段で同時に駆動してさらなる高効率運転を実現することができる。これにより、求められる負荷の大きさに関わらず高いＣＯＰ（成績係数）が得られる。
【００５４】
１基の圧縮機をガスエンジン等の内燃機関１基で駆動する従来の空気調和装置と比較すると、従来の空気調和装置は、求められる頻度の高い中程度の負荷に対応して高効率運転が行えるようにエンジンが調整されるため、小さな負荷が求められる場合はエンジンの回転数を高効率運転が行える回転数域から外して（回転数を下げて）運転させなければならず、効率が著しく低下する。大きな負荷が求められる場合にはエンジンの回転数を高効率運転が行える回転数域から外して（回転数を上げて）運転させなければならず、この場合も同様に効率が著しく低下する。このため、本実施形態の空気調和装置のように負荷の大きさに関わらず高いＣＯＰを維持することはできない。
【００５５】
さらに、ガスエンジンＥＧと電動モータＭとを、求められる負荷の大きさに応じてそれらを選択的に駆動したり同時に駆動したりするので、常時内燃機関を駆動させる従来の空気調和装置と比較してＣＯ2やＮＯｘの排出量を抑えることができ、環境への配慮もなされる。
【００５６】
また、本実施形態の空気調和装置においては、中程度以上の負荷が求められる場合、室外熱交換器１１で屋外の空気から熱を汲み上げながら、ガスエンジンＥＧの排熱を利用して冷媒の加熱を行うので、さらなる高効率運転が可能である。
【００５７】
しかも、外気温が低く、従来の空気調和装置では頻繁にデフロスト（霜取り）運転に移行しそうな状況でも、室外熱交換器１１を使わず排熱利用熱交換器４０，４１を使用して冷媒の加熱が可能なので、デフロスト運転に伴う一時的な運転の中断がなく、安定した空調が得られる。
【００５８】
ところで、本実施形態においては容量の大きな圧縮機１２Ａの駆動手段としてガスエンジンＥＧを採用したが、当該駆動手段としての内燃機関には、ガスエンジン以外にマイクロガスタービンを採用することが可能である。また、その他の燃料を消費して回転力を取り出すことができる原動機を採用することも可能である。
【００５９】
本実施形態においては容量の小さな圧縮機１２Ｂの駆動手段として電動モータＭを採用したが、圧縮機１２Ｂの能力を活かせる回転数域で高効率運転が可能な内燃機関があればこれを圧縮機１２Ｂの駆動手段として採用することも可能である。
【００６０】
また、大小２つの圧縮機１２Ａ，１２Ｂの駆動手段をいずれも電動モータとし、これらに電力を供給する発電装置を併設し、該発電装置の排熱を排熱利用熱交換器４０に伝達して冷媒の加熱を行うようにすることも可能である。この場合の発電装置には、発電機に動力源としてガスエンジンやマイクロガスタービンを設置したものや、燃料電池等を採用することが好ましい。
【００６１】
上記の各実施形態においては大小２つの圧縮機１２Ａ，１２Ｂを具備する空気調和装置について説明したが、本発明は容量の異なる３つもしくはそれ以上の数の圧縮機を備える空気調和装置としても実施可能である。
【００６２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、圧縮機に求められる負荷が小さければ容量の小さな圧縮機をそれに見合った出力が得られる駆動手段で駆動して効率を稼ぎ、求められる負荷が中程度であれば容量の大きな圧縮機をそれに見合った出力が得られる駆動手段で駆動して高効率運転を実現し、求められる負荷が大きければ容量の異なる複数の圧縮機をそれぞれの駆動手段で同時に駆動してさらなる高効率運転を実現することができる。つまり、求められる負荷の大きさに応じて最も効率の良い運転が行える圧縮機を選択して駆動するので、負荷の大きさに関わらず高いＣＯＰが得られる。
【００６３】
さらに、容量の大きな圧縮機の駆動手段として内燃機関を採用するとともに、容量の小さな圧縮機の駆動手段として電動モータを採用し、求められる負荷の大きさに応じてそれらを選択的に駆動したり同時に駆動したりするので、常時内燃機関を駆動させる従来の空気調和装置と比較してＣＯ2やＮＯｘの排出量を抑えることができ、環境にも優しい。
【００６４】
また、本発明によれば、圧縮機の駆動手段として採用した内燃機関の排熱を、暖房運転時に、容量の小さい圧縮機をガスポンプとして用いる構造を介して、冷媒の加熱に利用することにより、さらなる高効率運転が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る空気調和装置の概略構成図である。
【図２】 本発明による空気調和装置と従来のガスエンジン駆動型空気調和装置とについて、負荷の大きさに対応する成績係数を比較した図である。
【符号の説明】
１０ 室外ユニット
１１ 室外熱交換器
１２Ａ，１２Ｂ 圧縮機
１４ 膨張弁
２０ 室内ユニット
２１ 室内熱交換器
３０ａ 冷媒配管（中圧冷媒管路）
３０ｂ 冷媒配管（一方の冷媒管路）
３０ｃ 分岐冷媒配管（他方の冷媒管路）
３３ バイパス配管（第１のバイパス管路）
３４ バイパス配管（第２のバイパス管路）
３５ 膨張弁
４０ 排熱利用熱交換器（第１の排熱利用熱交換器）
４１ 排熱利用熱交換器（第２の排熱利用熱交換器）
４２，４３ 排熱伝達手段
５０ 制御部
ＥＧ ガスエンジン（内燃機関）
Ｍ 電動モータ
Ｖ４ 開閉弁（第１の開閉弁）
Ｖ５ 開閉弁（第２の開閉弁）
Ｖ６ 開閉弁（第３の開閉弁）
Ｖ７ 開閉弁（第４の開閉弁）
Claims (7)
- 室内熱交換器、室外熱交換器、膨張弁および四方弁を冷媒管路を介して接続するとともに該冷媒管路に容量の異なる２つの圧縮機を並列に接続し、該２つの圧縮機に個々に駆動手段を設け、前記２つの圧縮機のうち少なくとも容量の大きな圧縮機を駆動する駆動手段に内燃機関を採用した空気調和装置であって、
暖房運転時に中温中圧の液冷媒を導通することとなる中圧冷媒管路に一端を接続され、前記２つの圧縮機のうち容量の小さな圧縮機の上流側に位置する一方の冷媒管路に他端を接続された第１のバイパス管路を設け、
該第１のバイパス管路には、暖房運転時に必要に応じて開閉して前記第１のバイパス管路への冷媒の導入を制限する第１の開閉弁と、前記内燃機関の排熱を利用して低温低圧の液冷媒を加熱、気化させる第１の排熱利用熱交換器とを前記中圧冷媒管路側から順に並べて設け、
前記第１のバイパス管路との接続箇所より上流側に位置する前記一方の冷媒管路には、必要に応じて開閉して前記容量の小さな圧縮機への冷媒の導入を制限する第２の開閉弁を設け、
前記第１のバイパス管路との接続箇所より暖房運転時の上流側に位置する前記中圧冷媒管路に一端を接続され、前記２つの圧縮機のうち容量の大きな圧縮機の上流側に位置する他方の冷媒管路に他端を接続された第２のバイパス管路を設け、
該第２のバイパス管路には、暖房運転時に必要に応じて開閉して前記第２のバイパス管路への冷媒の導入を制限する第３の開閉弁と、中温中圧の液冷媒を低温低圧の液冷媒に減圧する減圧弁と、前記内燃機関の排熱を利用して低温低圧の液冷媒を加熱、気化させる第２の排熱利用熱交換器とを前記中圧冷媒管路側から順に並べて設け、
前記第１のバイパス管路との接続箇所より暖房運転時の下流側に位置する前記中圧冷媒管路には、必要に応じて開閉して前記室外熱交換器への冷媒の導入を制限する第４の開閉弁を設けた
ことを特徴とする空気調和装置。 - 前記２つの圧縮機のうち少なくとも容量の大きな圧縮機を駆動する駆動手段にガスエンジンを採用したことを特徴とする請求項１記載の空気調和装置。
- 前記２つ圧縮機のうち容量の小さなものを駆動する駆動手段に電動モータを採用したことを特徴とする請求項１または２記載の空気調和装置。
- 前記２つの圧縮機に個々に設けた駆動手段の少なくともいずれか一方を電動モータとし、該電動モータを駆動する発電装置を併設し、該発電装置の排熱を暖房運転時の冷媒加熱に利用することを特徴とする請求項１記載の空気調和装置。
- 前記暖房運転時に、前記第１、第３の開閉弁を閉じ前記第２、第４の開閉弁を開いて前記２つの圧縮機のうち容量の小さいもののみを駆動させるか、前記第１、第２の開閉弁を閉じ前記第３、第４の開閉弁を開いて前記２つの圧縮機のうち容量の大きなもののみを駆動させるか、または前記第１、第４の開閉弁を開き前記第２、第３の開閉弁を閉じて前記２つの圧縮機を同時に駆動させるかいずれかの運転を、求められる負荷に応じて選択的に実行することを特徴とする請求項１、２、３または４記載の空気調和装置。
- 前記第１、第２、第４の開閉弁を閉じ前記第３の開閉弁を開いて前記２つの圧縮機のうち容量の大きなもののみを駆動させる運転を、求められる負荷および屋外の気温に応じて実行することを特徴とする請求項１、２、３、４または５記載の空気調和装置。
- 冷房運転時に、前記第１、第３の開閉弁を閉じ前記第２、第４の開閉弁を開いて前記２つの圧縮機のうち容量の小さいもののみを駆動させるか、前記第１、第２、第３の開閉弁を閉じ前記第４の開閉弁を開いて前記２つの圧縮機のうち容量の大きなもののみを駆動させるか、または前記第１、第３の開閉弁を閉じ前記第２、第４の開閉弁を開いて前記２つの圧縮機を同時に駆動させるかいずれかの運転を、求められる負荷に応じて選択的に実行することを特徴とする請求項１、２、３、４、５または６記載の空気調和装置。
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