JP4658394B2 - マルチ型ガスヒートポンプ式空気調和装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷媒の圧縮機をガスエンジンによって駆動するとともに、暖房運転時には、当該ガスエンジンの排気ガスを液冷媒の加熱源として利用するガスヒートポンプ式空気調和装置に係り、特に、複数の室内ユニットを備えて全数冷房運転、全数暖房運転及び冷暖房同時運転から選択切換可能なマルチ型ガスヒートポンプ式空気調和装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ヒートポンプを利用して冷暖房等の空調運転を行う空気調和装置は、室内熱交換器、圧縮機、室外熱交換器、絞り機構等の要素を含む冷媒回路を備えている。室内の冷暖房は、冷媒がこの回路を巡る途中で、室内熱交換器及び室外熱交換器において室内の空気（以下「室内気」と呼ぶ）及び外気とそれぞれ熱の交換を行うことによって実現される。また、この冷媒回路には、室外熱交換器による冷媒の熱の受取り（暖房運転時）のみに頼るのではなく、冷媒そのものを直接的に加熱するための冷媒加熱器が設置されることもある。
【０００３】
ところで、近年、上述した冷媒回路中に設けられる圧縮機の動力源として、通常使用されている電動機に代わり、ガスエンジンを利用するものが開発されている。このガスエンジンを利用した空気調和装置は、一般にガスヒートポンプ式空気調和装置（以下「ＧＨＰ」と略す）と呼ばれている。このＧＨＰによれば、比較的安価である都市ガス等を燃料として利用できるため、電動機を利用した圧縮機を備えている空気調和装置（以下「ＥＨＰ」と略す）のように、ランニングコストがかさむということがなく、消費者にとってコストダウンが可能となる。
【０００４】
また、ＧＨＰにおいては、たとえば暖房運転時に、ガスエンジンから排出される高温の排気ガスやエンジン冷却水の熱（いわゆる廃熱）を冷媒の加熱源として利用すれば、優れた暖房効果を得ることが可能になるとともに、ＥＨＰに比してエネルギの利用効率を高めることができる。ちなみに、この場合において、ＧＨＰのエネルギ利用効率は、ＥＨＰと比較して１．２〜１．５倍ほど高くなる。また、このような仕組みを導入すれば、冷媒回路中において、上述したような冷媒加熱器等の機器を特別に設置する必要がなくなる。
【０００５】
その他、ＧＨＰでは、暖房運転時に必要な室外熱交換器の霜除去動作、いわゆるデフロスト動作についてもガスエンジンの廃熱を利用して実施することができる。一般に、ＥＨＰにおけるデフロスト動作は、暖房運転を停止して一時的に冷房運転を行って室外熱交換器の霜除去を行うようになされている。この場合、室内に対しては冷風が吹き出すことになるから、室内環境の快適性を損なうこととなる。ＧＨＰでは、上記したような事情から連続暖房運転が可能となり、ＥＨＰで懸念されるような問題の発生がない。
【０００６】
一方、ＥＨＰの室内ユニット側においては、複数の空調対象区画毎に独立した室内ユニットを設置し、全区画（室内ユニットの全数）または一部区画の冷房運転、全区画（室内ユニットの全数）または一部区画の暖房運転及び空調対象区画または室内ユニット毎に冷房／暖房／休止の同時運転を行うことができるマルチ型と呼ばれるシステムが開発されており、たとえば特開平１−２４７９６７号公報、特開平７−４３０４２号公報、特開平９−６０９９４号公報などに開示されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述したように多くの利点を有するＧＨＰの室内ユニットについても、ＥＨＰと同様にマルチ型システムの適用が望まれる。
しかしながら、ＧＨＰにマルチ型システムを適用する場合には、室外ユニット側に設けられている室外熱交換器の凝縮能力や蒸発能力について、各室内ユニットの運転状況に応じた広範囲の要求能力に対応する必要がある。すなわち、主として冷房運転を行う場合には、冷房運転を行っている室内機ユニット数や暖房運転を行っている室内機ユニット数の組み合わせに応じて、コンデンサとして機能する室外熱交換器に求められる凝縮能力が広範囲にわたって変化するため、要求に応じた凝縮能力を容易に提供できる安価なシステムが望まれる。
【０００８】
図１１は、空気調和装置の冷凍サイクルを示すモリエル線図である。冷房運転の場合には、図中のｉ１−ｉ２間が室内熱交換器の冷房（蒸発）能力となる。この冷房能力を得るためには、室外熱交換器側からｉ３−ｉ１間の凝縮能力を得る必要がある。
しかしながら、複数の室内ユニットにおいてそれぞれ冷房及び暖房の混合運転がなされる場合、暖房運転をしている少数の室内熱交換器からｉ４−ｉ１間の暖房（凝縮）能力が得られるため、室外熱交換器ではｉ３−ｉ４間に相当する凝縮能力を負担すればよい。すなわち、ｉ１−ｉ２間の冷房能力及びｉ４−ｉ１間の暖房能力は使用者が選択する運転状況に応じて変化する値であるため、室外熱交換器に要求される凝縮能力もこれに応じて広範囲にわたって変化する。
【０００９】
また、主として暖房運転を行う場合には、使用者の設定に応じて、冷房運転を行う少数の室内熱交換器で得られる蒸発能力と暖房運転を行う多数の室内熱交換器で得られる凝縮能力とが変化するので、エバポレータとして機能する室外熱交換器に要求される蒸発能力もこれに応じて広範囲に変化する。なお、暖房運転時においては、たとえばガスエンジンから水熱交換器にエンジン冷却水を導入してガスエンジンの廃熱を利用すれば、エバポレータとして機能する室外熱交換器の蒸発能力を補うことも可能である。
【００１０】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、複数の室内機ユニットを備え冷暖房混合運転も可能なマルチ型システムの運転状況に応じて、室外熱交換器に対する凝縮能力及び気化能力の要求変動に容易に能力変化させることができる安価なシステムを備えたマルチ型ガスヒートポンプ式空気調和装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の課題を解決するため、以下の手段を採用した。請求項１に記載のマルチ型ガスヒートポンプ式空気調和装置は、それぞれに室内熱交換器を備え室内の空気と冷媒との間で熱交換を行う複数の室内機ユニットと、ガスエンジンで駆動する圧縮機及び外気と冷媒との間で熱交換を行う室外熱交換器を備えている室外機ユニットと、前記室内機ユニットのそれぞれについて冷媒の流れ方向を制御し冷暖房運転の選択切換を行う分流コントロールユニットとを具備してなるマルチ型ガスヒートポンプ式空気調和装置であって、前記室外熱交換器を複数に分割して並列に接続すると共に、同室外熱交換器の各分割部分毎にそれぞれ設けられ、対応する該分割部分に接続される第１ポート、前記圧縮機の吐出側に接続される第２ポート、及び前記分流コントロールユニットに接続される第３ポートを有して冷媒の流れを制御する四方弁を備える冷媒供給切換手段を設けたことを特徴とするものである。
【００１２】
このようなマルチ型ガスヒートポンプ式空気調和装置によれば、複数に分割した室外熱交換器に対し、各分割部毎に冷媒の流れを制御することができるので、室外熱交換器の凝縮能力または蒸発能力を分割数に応じて段階的に変化させることができる。
【００１３】
請求項１に記載のマルチ型ガスヒートポンプ式空気調和装置においては、前記室外熱交換器に隣接して前記ガスエンジンのラジエータを設置し、該ラジエータを複数に分割して並列に接続すると共に、同ラジエータの各分割部毎にエンジン冷却水の導入を選択する切換手段を設けることが好ましく、これにより、ラジエータに導入するエンジン冷却水から得られるエンジン廃熱を、ラジエータの分割数に応じて段階的に有効利用することができる。
【００１４】
請求項１または２に記載のマルチ型ガスヒートポンプ式空気調和装置においては、前記室外熱交換器の室外機ファンで外気導入の風量制御を行うことが好ましく、これにより、風量制御により室外熱交換器の凝縮能力または蒸発能力を調整することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下では、本発明に係るマルチ型ガスヒートポンプ式空気調和装置の一実施形態について、図１から図３を参照して説明する。
図１に示すマルチ型ガスヒートポンプ式空気調和装置（以下「ＭＧＨＰ」と略す）１は、大きくは複数の室内機ユニット１０と、各室内機ユニット１０毎に冷媒の流れ方向を制御して冷暖房運転の選択切換を行う分流コントロールユニット２０と、後述するガスエンジン駆動の圧縮機や室外熱交換器を備えた室外機ユニット３０とを具備して構成されている。このＭＧＨＰ１では、各室内ユニット１０、分流コントロールユニット２０及び室外機ユニット３０の間が冷媒配管２をもって接続されている。
【００１６】
室内機ユニット１０には、図２に示すように、冷房運転時に低温低圧の液冷媒を蒸発気化させて室内の空気（室内気）から熱を奪うエバポレータとして機能し、暖房運転時に高温高圧のガス冷媒を凝縮液化させて室内気を暖めるコンデンサとして機能する、室内熱交換器１１が具備されている。なお、図中の符号１２は冷房運転用の絞り機構として設けた電子膨張弁、１３は暖房運転用の絞り機構として機能するキャピラリチューブ、１４は逆止弁である。
図示の例では、上述した室内機ユニット１０が４台（１０Ａ〜１０Ｄ）並列に設けられており、それぞれが独立した空調対象区画に設置されて、後述する分流コントロールユニット２０の切換操作により、全数冷房運転、全数暖房運転、または各室内機ユニット毎に冷房運転／暖房運転／休止（以下「冷暖房同時運転」と呼ぶ）を選択できるようになっている。
【００１７】
分流コントロールユニット２０は、室内機ユニット１０と室外機ユニット３０との間を接続する冷媒の管路と、冷媒が流れる管路及びその流れ方向を選択切り換えする電磁弁等の開閉弁とにより構成されている。
図示の例では、各室内機ユニット１０毎に４個の電磁弁２１，２２，２３，２４が設けられ、それぞれの室内機ユニット１０の運転に応じて各電磁弁２１〜２４を開閉することで、すなわち冷房運転、暖房運転及び休止のいずれかが選択される運転状況に応じて各電磁弁２１〜２４の開閉状態を切り換えることで、後述する室外機ユニット３０と接続されて冷媒が流れる管路や冷媒の流れ方向を選択切換できるようになっている。
なお、分流コントロールユニット２０は、一つの室内機ユニット１０毎にそれぞれ設けられた２本の室内機ユニット接続用の冷媒配管２と、後述する室外機ユニット３０と接続するために設けた３本の室外機接続用の冷媒配管２とを備えている。
【００１８】
室外機ユニット３０は、その内部において、二つの大きな構成部分に分割される。第１の構成部分は、圧縮機や室外熱交換器などの機器を中心として室内機ユニット１０と共に冷媒回路を形成する部分であり、以後冷媒回路部と呼ぶことにする。第２の構成部分は、圧縮機駆動用のガスエンジンを中心として、これに付随する機器を備えた部分であり、以後ガスエンジン部と呼ぶことにする。
【００１９】
冷媒回路部内には、圧縮機３１、室外熱交換器３２、水熱交換器３３、アキュムレータ３４、レシーバ３５、オイルセパレータ３６、絞り機構３７、四方弁３８、電磁弁３９及び逆止弁４０などが具備されている。また、冷媒回路部は、分流コントロールユニット２０に設けられた３本の冷媒配管２と接続するため、それぞれに第１操作弁４１，第２操作弁４２，第３操作弁４３を設けた分流コントロールユニット接続用の３本の冷媒配管２を備えている。
圧縮機３１は、後述するガスエンジンＧＥを駆動源として運転され、室内熱交換器１１または室外熱交換器３２のいずれかより吸入される低温低圧のガス冷媒を圧縮し、高温高圧のガス冷媒として吐出する。これにより冷房運転時には、外気温が高い場合でも、冷媒は室外熱交換器３２を通して外気に放熱することが可能となる。また、暖房運転時には、室内熱交換器１１を通して室内気に熱を与えることが可能となる。
【００２０】
室外熱交換器３２は、冷房運転時に高温高圧のガス冷媒を凝縮液化させて外気に放熱するコンデンサとして機能し、逆に暖房運転時には低温低圧の液冷媒を蒸発気化させて外気から熱を奪うエバポレータとして機能する。つまり、冷暖房それぞれの運転時において、室外熱交換器３２は、先の室内熱交換器１１とは逆の働きを行うことになる。
【００２１】
この実施形態における室外熱交換器３２は、熱交換部分を複数に分割して並列に接続した構成としてある。図示の例では、室外熱交換器３２が４分割されており、それぞれに符号３２Ａ，３２Ｂ，３２Ｃ，３２Ｄを付す。
また、室外熱交換器３２は、後述するガスエンジＧＥのラジエータ５３と隣接して設置されている。ラジエータ５３は、ガスエンジンＧＥのエンジン冷却水を外気と熱交換して冷却する熱交換器である。従って、たとえば低外気温時に暖房運転を行うような場合には、室外機ファン４４の回転方向を選択切換することにより、エバポレータとして機能する室外熱交換器３２がラジエータ５３を通過して温度上昇した外気と熱交換できるようになるため、その蒸発能力を高めることができる。
【００２２】
水熱交換器３３は、後述するガスエンジンＧＥのエンジン冷却水から冷媒が熱を回収するために設けられている。すなわち、暖房運転時において、冷媒は室外熱交換器３２における熱交換のみに頼るのではなく、ガスエンジンＧＥのエンジン冷却水からも廃熱を回収することができるようになるため、暖房運転の効果をより高めることが可能となる。
【００２３】
アキュムレータ３４は、圧縮機３１に流入するガス冷媒に含まれる液状成分を貯留するために設けられている。
レシーバ３５は、コンデンサとして機能する熱交換器で液化した冷媒を気液分離し、冷凍サイクル中の余剰冷媒を液として蓄えるために設けられている。
オイルセパレータ３６は、冷媒中に含まれる油分を分離して圧縮機３１に戻すために設けられたものである。
【００２４】
絞り機構３７は、凝縮された高温高圧の液冷媒を減圧、膨張させて低温低圧の液冷媒とするためのものである。図示の例では、絞り機構３７として、電子膨張弁、膨張弁及びキャピラリーチューブが目的に応じて使い分けられている。
【００２５】
四方弁３８は、冷媒配管２に設けられて冷媒の流路や流れ方向を選択切り換えするものであり、電磁弁３９や逆止弁４０と共に、複数に分割した室外熱交換器３２への冷媒供給切換手段を構成している。
この四方弁３８には４つのポートＤ，Ｃ，Ｓ，Ｅが設けられており、ポートＤは圧縮機３１の吐出側と、ポートＣは室外熱交換器３２と、ポートＳは圧縮機３１の吸入側とそれぞれ冷媒配管２で接続され、さらにポートＥは、ポートＣと室外熱交換器３２とを接続する冷媒配管２の途中に接続されている。図示の構成例では、４分割した室外熱交換器３２に対応して３個の四方弁３８が３個設けられており、それぞれに符号３８Ａ，３８Ｂ，３８Ｃを付す。
【００２６】
第１の四方弁３８Ａは、符号３２Ａを付した室外熱交換器（熱交換部）に接続されている。この室外熱交換器３２Ａは単独使用が可能であり、しかも、この冷媒配管には絞り機構３７として電子膨張弁を備えているため、熱交換能力の可変制御が可能である。
第２の四方弁３８Ｂは、符号３２Ｂ，３２Ｃを付した二つの室外熱交換器（熱交換部）に接続されている。この場合、室外熱交換器３２Ｂ，３２Ｃは、常に両方が同時使用され、しかもその用途は同じになる。
第３の四方弁３８Ｃは、符号３２Ｄを付した室外熱交換器（熱交換部）に接続されている。この室外熱交換器３２Ｄは、単独での使用が可能である。
【００２７】
従って、室外熱交換器３２Ａ〜Ｄを均等に分割すれば、その熱交換能力は、室外熱交換器３２Ａを単独で使用する２５％能力、室外熱交換器３２Ｂ，３２Ｃを同時使用する５０％能力、室外熱交換器３２Ｂ〜Ｄの３分割を使用する７５％能力、そして、室外熱交換器３２Ａ〜Ｄを全て使用する１００％能力から、使用状況に応じて適宜選択することができる。
また、四方弁３８Ａ〜Ｄや電磁弁３９を開閉切換操作することにより、冷媒の流れ方向についても切り換えることができるので、室外熱交換器３２Ａ及び３２Ｄをそれぞれ単独で、そして、室外熱交換器３２Ｂ，３２Ｃを一体的に、エバポレータまたはコンデンサとして使い分けることができる。
【００２８】
一方、ガスエンジン部には、ガスエンジンＧＥを中心として、冷却水系５０や燃料吸入系６０の他、図示省略の排気ガス系及びエンジンオイル系が具備されている。
ガスエンジンＧＥは、冷媒回路部内に設置されている圧縮機３１とシャフトまたはベルト等により接続されており、ガスエンジンＧＥから圧縮機３１に駆動力が伝達されるようになっている。
【００２９】
冷却水系５０は、水ポンプ５１、リザーバタンク５２、ラジエータ５３などを備え、これらを配管により接続して構成される回路（破線で表示）を巡るエンジン冷却水によって、ガスエンジンＧＥを冷却するための系である。水ポンプ５１は、ガスエンジンＧＥの冷却水を回路に循環させるために設けられている。リザーバタンク５２は、この回路を流れる冷却水において、その余剰分を一時貯蔵しておく、あるいは冷却水が回路に不足した場合にそれを供給するためのものである。ラジエータ５３は、室外熱交換器３２と一体的に構成されたものであって、エンジン冷却水がガスエンジンＧＥから奪った熱を外気に放出するために設けられている。
図示の例では、室外熱交換器３２と同様に、ラジエータ５３も４分割されて並列に接続されており、それぞれに符号５３Ａ，５３Ｂ，５３Ｃ，５３Ｄを付してある。また、電磁弁３９を設けて、ラジエータ５３Ａ，５３Ｄの単独使用、ラジエータ５３Ｂ，５３Ｃの同時使用を選択できるようにしてある。
【００３０】
冷却水系５０には、上記した構成の他に排気ガス熱交換器５４が設けられている。これは、ガスエンジンＧＥより排出される排気ガスの熱を、エンジン冷却水に回収するために設けられているものである。また、冷却水系５０には先に説明した水熱交換器３３が備えられ、冷媒回路部及び冷却水系５０の両系に跨るように配置されている。これらのことから、暖房運転時には、エンジン冷却水はガスエンジンＧＥから熱を奪うだけでなく排気ガスからも熱を回収し、かつその回収された熱が、エンジン冷却水より水熱交換器３３を通して冷媒に与えられる仕組みになっている。
なお、冷却水系５０におけるエンジン冷却水の流量制御は、２箇所に設けられた流量制御弁５５により行われる。
【００３１】
燃料吸入系６０は、ガスレギュレータ６１、ガス電磁弁６２、ガス接続口６３などを備え、ガスエンジンＧＥに液化天然ガス（ＬＮＧ）等の都市ガスをガス燃料として供給するための系である。ガスレギュレータ６１は、ガス電磁弁６２及びガス接続口６３を介して外部から供給されるガス燃料の送出圧力を調整するために設けられている。このガスレギュレータ６１で圧力調整されたガス燃料は、図示省略の吸気口から吸入された空気と混合された後、ガスエンジンＧＥの燃焼室に供給される。
【００３２】
以下では、上記の構成となるＭＧＨＰ１において、室内を冷暖房するそれぞれの運転時について、その作用を説明する。
まず最初に、室内ユニット１０Ａ〜Ｄの全数を冷房運転する場合について、図１ないし３を参照して説明する。なお、各弁類の開閉状態は黒塗りで図示した弁類が閉であり、冷媒の流れ方向が矢印で示されている。
この場合、冷媒回路部３０の四方弁３８Ａ〜Ｃは、いずれもポートＤ／Ｃ間が連通され、圧縮機３１の吐出側と室外熱交換器３２とが接続されている。この状態では、圧縮機３１より吐出された高温高圧のガス冷媒は、四方弁３８を通ってコンデンサとして機能する室外熱交換器３２に送られる。
【００３３】
高温高圧のガス冷媒は室外熱交換器３２で凝縮液化され、外気に放熱して高温高圧の液冷媒となる。この液冷媒は、図３に示すように、逆止弁４０を通過してレシーバ３５に導かれる。レシーバ３５で気液分離された液冷媒は、第３操作弁４３を通って分流コントロールユニット２０へ流れ込む。
分流コントロールユニット２０に流れ込んだ高温高圧の液冷媒は、電磁弁２４を経て電子膨張弁１２に導かれ、同電子膨張弁１２を通過する過程で減圧されて低温低圧の液冷媒となり、エバポレータとして機能する室内熱交換器１１に送られる。
【００３４】
室内熱交換器１１に送られた低温低圧の液冷媒は、室内気から熱を奪って蒸発気化する。この過程で室内気を冷却して低温低圧のガス冷媒となり、再度分流コントロールユニット２０に戻され、さらに、第１操作弁４１を通って室外機ユニット３０の冷媒回路部に送られる。
冷媒回路部に送られた低温低圧のガス冷媒はアキュムレータ３４に流入し、液状成分が分離されたのち圧縮機３１に吸入される。圧縮機３１に吸入されたガス冷媒は、圧縮機３１の作動により圧縮され、高温高圧のガス冷媒となって再び室外熱交換器３２に送られるので、冷媒が状態変化を繰り返す冷凍サイクルを形成することができる。
【００３５】
次に、室内ユニット１０Ａ〜Ｄの全数を暖房運転する場合について、図４ないし６を参照して説明する。
この場合、冷媒回路部の四方弁３８Ａ〜Ｃは、いずれもポートＣ／Ｓ間が連通され、圧縮機３１の吐出側と室内熱交換器１１とが接続されている。この状態では、圧縮機３１より吐出された高温高圧のガス冷媒は、第２操作弁４２を通って分流コントロールユニット２０に送られる。分流コントロールユニット２０内に導かれた冷媒は、電磁弁２２を通って各室内ユニット１０Ａ〜Ｄのコンデンサとして機能する室内熱交換器１１に送られる。
【００３６】
高温高圧のガス冷媒は、室内熱交換器１１で室内気と熱交換して凝縮液化される。この過程において、ガス冷媒は放熱して室内気を暖めたのち、高温高圧の液冷媒となる。この液冷媒は、キャピラリーチューブ１３を通ることで減圧されて低温低圧の液冷媒となり、逆止弁１４を経て分流コントロールユニット２０へ戻される。
分流コントロールユニット２０に流れ込んだ低温低圧の液冷媒は、電磁弁２４及び第３操作弁４３を通って室外機ユニット３０の冷媒回路部に送られる。
【００３７】
冷媒回路部３０に送られた液冷媒は、レシーバ３５を経て気液分離がなされ、液冷媒のみがエバポレータとして機能する室外熱交換器３２へ送られる。この液冷媒は、室外熱交換器３２へ入る前に、絞り機構３７として設けられているキャピラリーチューブを通過して再度減圧される。
室外熱交換器３２においては、低温低圧の液冷媒は外気から熱を奪い、蒸発気化して低温低圧のガス冷媒となる。この時、ラジエータ５３に高温のエンジン冷却水を流すと、エンジン廃熱を利用して液冷媒を効率よく蒸発気化させることができる。
【００３８】
こうして低温低圧のガスとなった冷媒は、四方弁３８のポートＣからポートＳを経てアキュムレータ３４へ導かれ、液状成分が分離されたのち圧縮機３１に吸入される。圧縮機３１に吸入されたガス冷媒は、圧縮機３１の作動により圧縮され、高温高圧のガス冷媒となって再び室内熱交換器１１に送られるので、冷媒が状態変化を繰り返す冷凍サイクルを形成することができる。
【００３９】
最後に、室内ユニット１０Ａ〜Ｄを冷暖房同時運転する場合について、図７ないし９を参照して説明する。なお、ここでの冷暖房同時運転は、暖房主体運転に冷房運転を混在させた場合、具体的には３セットの室内機ユニット１０Ａ〜Ｃを暖房運転とし、残る１セットの室内機ユニット１０Ｄを冷房運転する場合を例にして説明する。
この場合、冷媒回路部の四方弁３８Ａ，Ｃは、いずれもポートＣ／Ｓ間が連通され、圧縮機３１の吐出側と室内ユニット１０Ａ〜Ｃの室内熱交換器１１とが接続されている。
【００４０】
この状態では、圧縮機３１より吐出された高温高圧のガス冷媒は、第２操作弁４２を通って分流コントロールユニット２０に送られる。分流コントロールユニット２０内に導かれた冷媒は、室内機ユニット１０Ａ〜Ｃに対応するそれぞれの電磁弁２２を通って、各室内ユニット１０Ａ〜Ｃにおいてコンデンサとして機能する室内熱交換器１１Ａ〜Ｃに送られる。
【００４１】
高温高圧のガス冷媒は、室内熱交換器１１Ａ〜Ｃで室内気と熱交換して凝縮液化される。この過程において、ガス冷媒は放熱して室内気を暖めたのち、高温高圧の液冷媒となる。この液冷媒は、キャピラリーチューブ１３を通ることで減圧されて低温低圧の液冷媒となり、逆止弁１４を経て分流コントロールユニット２０へ戻される。
分流コントロールユニット２０に流れ込んだ低温低圧の液冷媒は、電磁弁２４及び第３操作弁４３を通って室外機ユニット３０の冷媒回路部に送られる。
【００４２】
一方、冷房運転されている室内機ユニット１０Ｄは、分流コントロールユニット２０内において、対応する電磁弁２１，２４が開となる。このため、室内機ユニット１０Ａ〜Ｃから室外機ユニット３０へ送られる低温低圧の液冷媒は、その一部が第３操作弁４３の上流側で分流し、電磁弁２４及び電子膨張弁１２を通ってエバポレータとして機能する室内熱交換器１１Ｄに送られる。
室内熱交換器１１Ｄに送られた低温低圧の液冷媒は、室内気から熱を奪って蒸発気化し、室内気を冷却する。この過程で室内気を冷却して低温低圧のガス冷媒となり、分流コントロールユニット２０に戻される。分流コントロールユニット２０内では電磁弁２１を通り、第１操作弁４１から室外機ユニット３０の冷媒回路部に送られる。
【００４３】
室内機ユニット１０Ｄへ分流させた残りの液冷媒は、第３操作弁４３から冷媒回路部３０に送られる。この液冷媒は、レシーバ３５を経て気液分離がなされ、液冷媒のみがエバポレータとして機能する室外熱交換器３２へ送られる。この液冷媒は、室外熱交換器３２へ入る前に、絞り機構３７として設けられているキャピラリーチューブを通過して再度減圧される。
【００４４】
ところで、室外熱交換器３２に要求される蒸発能力は、全数暖房運転時と比較して少なくてすむ。すなわち、４セット設けてある室内機ユニット１０Ａ〜Ｄのうち、３セットが暖房運転され、残る１セットが冷房運転されていることから、４分割された室外熱交換器３２Ａ〜Ｄの約５０％と、冷房運転している室内熱交換器１１Ｄとを合計した蒸発能力があればよい。このため、ここでは室外熱交換器３２Ａ及び３２Ｄを使用し、残る５０％の室外熱交換器３２Ｂ，３２Ｃは休止させている。
従って、低温低圧の液冷媒は、室外熱交換器３２Ａ，３２Ｄを通過して流れる過程において外気から熱を奪い、蒸発気化して低温低圧のガス冷媒となる。この時、ラジエータ５３に高温のエンジン冷却水を流すと、エンジン廃熱を利用して液冷媒を効率よく蒸発気化させることができる。
【００４５】
こうして低温低圧のガスとなった冷媒は、四方弁３８Ａ，ＣのポートＣからポートＳを経てアキュムレータ３４へ導かれる。また、室内熱交換器１１Ｄで蒸発気化した低温低圧のガス冷媒は、第１操作弁４１の後流側で四方弁３８Ａ，Ｃからアキュムレータ３４へ導かれるガス冷媒と合流し、同様にしてアキュムレータ３４へ導かれる。アキュムレータ３４に導入された低温低圧のガス冷媒は、液状成分が分離されたのち圧縮機３１に吸入される。圧縮機３１に吸入されたガス冷媒は、圧縮機３１の作動により圧縮され、高温高圧のガス冷媒となって再び室内熱交換器１１に送られるので、冷媒が状態変化を繰り返す冷凍サイクルを形成することができる。
【００４６】
このように、冷暖房同時運転を行う場合には、室内機ユニット１０Ａ〜Ｄの運転状況に応じて、４分割された室外熱交換器３２Ａ〜Ｄの運転形態を、コンデンサ、エバポレータまたは休止の中から、四方弁３８及び電磁弁３９の操作によりそれぞれ選択切り換えすることができる。
すなわち、４分割された室外熱交換器３２Ａ〜Ｄは、コンデンサとして使用する場合、その使用数に応じて、図１０に実線で示すように、段階的に変化する凝縮能力の特性を有している。この特性では、要求能力がａ％から２５％までの間は凝縮能力も比例して増加している。これは、絞り機構３７として調整機能を有する電子膨張弁が採用されている室外熱交換器３２Ａを単独で使用するためである。なお、凝縮能力の最低値は、電子膨張弁の調整範囲により定まる。
【００４７】
要求能力が２５％以上になると、室外熱交換器を２台同時使用することで５０％の凝縮能力が得られるようにしてある。この場合、室外熱交換器３２Ｂ，３２Ｃを常に同時使用することで、選択切換に必要となる電磁弁３９の数を減らしている。なお、この場合の絞り機構３７には、低コスト化を狙って調整機能がない膨張弁を採用しているため、凝縮能力を比例制御することはできない。
要求能力が５０％以上になると、室外熱交換器を３台使用して７５％の凝縮能力が得られるようにしてある。この場合、上述した５０％の凝縮能力が得られる室外熱交換器３２Ｂ，３２Ｃに加えて、室外熱交換器３２Ｄを追加使用する。
そして、要求能力が７５％以上になると、４分割した室外熱交換器３２Ａ〜Ｄを全数使用し、１００％の凝縮能力が得られるようにしてある。
なお、上述した凝縮能力は、エバポレータとして使用する場合には蒸発能力と読み替えることができる。
【００４８】
ところで、室外熱交換器３２の分割数は４分割に限定されるものではなく、室内ユニット１０の数や冷暖房同時運転の要求などに応じて適宜変更可能である。また、調整機能を有する電子膨張弁を絞り機構３７の全てに採用すれば、ほぼ全域にわたって比例制御することができる。従って、絞り機構３７についても、全てに調整機能を有する電子膨張弁を採用してもよいし、反対に全てに調整機能をもたない膨張弁を採用することも可能である。
【００４９】
このように、全数冷房運転の場合には、冷房運転することでエバポレータとして機能する室外熱交換器１１Ａ〜Ｄの数と、コンデンサとして機能する室外熱交換器３２Ａ〜Ｄの数を一致させ、全数暖房運転の場合には、暖房運転することでコンデンサとして機能する室内熱交換器１１Ａ〜Ｄの数とエバポレータとして機能する室外熱交換器３２Ａ〜Ｄの数とを一致させればよい。
また、冷暖房同時運転の場合には、エバポレータとして機能する室内熱交換器１１及び室外熱交換器３２の蒸発能力と、コンデンサとして機能する室内熱交換器１１及び室外熱交換器３２の凝縮能力とがバランスするように、分割された室外熱交換器３２の使用数や組合せなどを決めればよい。なお、たとえば室内熱交換器１１が４セット設置され、冷房運転及び暖房運転が共に２セットと同数の場合には、室内熱交換器１１どうしで能力がバランスするので、室外熱交換器３２を全数休止させることも可能である。
【００５０】
さて、上述した実施形態では、ラジエータ５３を室外熱交換器３２と同様の４分割としてある。このため、電磁弁３９の開閉操作により、特に、室外熱交換器３２をエバポレータとして使用する分割部に対応してエンジン冷却水を導入することが可能になり、ラジエータの分割数に応じてエンジン廃熱を段階的に有効利用することができる。
また、上述した室外熱交換器３２の熱交換能力については、室外機ファン４４の運転速度を制御することにより外気導入の風量が変化するので、使用する分割部の数を切り換える段階的な調整に加え、風量に応じた調整も可能である。
なお、本発明の構成は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。
【００５１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のマルチ型ガスヒートポンプ式空気調和装置によれば、室外熱交換器を複数に分割して並列に接続し、冷媒供給切換手段により各分割部毎の冷媒の流れを制御できるようにしたので、全数冷房運転、全数暖房運転及び冷暖房同時運転から適宜選択される室内機ユニットの運転状況に応じて大きく変動する蒸発能力または凝縮能力を、安価なシステムで容易に得ることができるといった顕著な効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係るマルチ型ガスヒートポンプ式空気調和装置の一実施形態を示す図で、全数冷房運転時の状態を示す全体構成図である。
【図２】 図１における分流コントロールユニット及び室内機ユニットの内部構成を示す図である。
【図３】 図１における室外熱交換器周辺の構成例を示す図である。
【図４】 本発明に係るマルチ型ガスヒートポンプ式空気調和装置の一実施形態を示す図で、全数暖房運転時の状態を示す全体構成図である。
【図５】 図４における分流コントロールユニット及び室内機ユニットの内部構成を示す図である。
【図６】 図４における室外熱交換器周辺の構成例を示す図である。
【図７】 本発明に係るマルチ型ガスヒートポンプ式空気調和装置の一実施形態を示す図で、冷暖房同時運転時の状態を示す全体構成図である。
【図８】 図７における分流コントロールユニット及び室内機ユニットの内部構成を示す図である。
【図９】 図８における室外熱交換器周辺の構成例を示す図である。
【図１０】 本発明の実施形態に示した室外熱交換器について、凝縮能力の特性を示す図である。
【図１１】 マルチ型ガスヒートポンプ式空気調和機において、冷暖房同時運転を実施した場合の問題点を説明するために示したモリエル線図である。
【符号の説明】
１ マルチ型ガスヒートポンプ式空気調和装置（ＭＧＨＰ）
１０ 室内機ユニット
１１ 室内熱交換器
２０ 分流コントロールユニット
３０ 室外機ユニット
３１ 圧縮機
３２ 室外熱交換器
３７ 絞り機構
３８ 四方弁
３９ 電磁弁
４０ 逆止弁
４１ 第１操作弁
４２ 第２操作弁
４３ 第３操作弁
ＧＥ ガスエンジン
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷媒の圧縮機をガスエンジンによって駆動するとともに、暖房運転時には、当該ガスエンジンの排気ガスを液冷媒の加熱源として利用するガスヒートポンプ式空気調和装置に係り、特に、複数の室内ユニットを備えて全数冷房運転、全数暖房運転及び冷暖房同時運転から選択切換可能なマルチ型ガスヒートポンプ式空気調和装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ヒートポンプを利用して冷暖房等の空調運転を行う空気調和装置は、室内熱交換器、圧縮機、室外熱交換器、絞り機構等の要素を含む冷媒回路を備えている。室内の冷暖房は、冷媒がこの回路を巡る途中で、室内熱交換器及び室外熱交換器において室内の空気（以下「室内気」と呼ぶ）及び外気とそれぞれ熱の交換を行うことによって実現される。また、この冷媒回路には、室外熱交換器による冷媒の熱の受取り（暖房運転時）のみに頼るのではなく、冷媒そのものを直接的に加熱するための冷媒加熱器が設置されることもある。
【０００３】
ところで、近年、上述した冷媒回路中に設けられる圧縮機の動力源として、通常使用されている電動機に代わり、ガスエンジンを利用するものが開発されている。このガスエンジンを利用した空気調和装置は、一般にガスヒートポンプ式空気調和装置（以下「ＧＨＰ」と略す）と呼ばれている。このＧＨＰによれば、比較的安価である都市ガス等を燃料として利用できるため、電動機を利用した圧縮機を備えている空気調和装置（以下「ＥＨＰ」と略す）のように、ランニングコストがかさむということがなく、消費者にとってコストダウンが可能となる。
【０００４】
また、ＧＨＰにおいては、たとえば暖房運転時に、ガスエンジンから排出される高温の排気ガスやエンジン冷却水の熱（いわゆる廃熱）を冷媒の加熱源として利用すれば、優れた暖房効果を得ることが可能になるとともに、ＥＨＰに比してエネルギの利用効率を高めることができる。ちなみに、この場合において、ＧＨＰのエネルギ利用効率は、ＥＨＰと比較して１．２〜１．５倍ほど高くなる。また、このような仕組みを導入すれば、冷媒回路中において、上述したような冷媒加熱器等の機器を特別に設置する必要がなくなる。
【０００５】
その他、ＧＨＰでは、暖房運転時に必要な室外熱交換器の霜除去動作、いわゆるデフロスト動作についてもガスエンジンの廃熱を利用して実施することができる。一般に、ＥＨＰにおけるデフロスト動作は、暖房運転を停止して一時的に冷房運転を行って室外熱交換器の霜除去を行うようになされている。この場合、室内に対しては冷風が吹き出すことになるから、室内環境の快適性を損なうこととなる。ＧＨＰでは、上記したような事情から連続暖房運転が可能となり、ＥＨＰで懸念されるような問題の発生がない。
【０００６】
一方、ＥＨＰの室内ユニット側においては、複数の空調対象区画毎に独立した室内ユニットを設置し、全区画（室内ユニットの全数）または一部区画の冷房運転、全区画（室内ユニットの全数）または一部区画の暖房運転及び空調対象区画または室内ユニット毎に冷房／暖房／休止の同時運転を行うことができるマルチ型と呼ばれるシステムが開発されており、たとえば特開平１−２４７９６７号公報、特開平７−４３０４２号公報、特開平９−６０９９４号公報などに開示されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述したように多くの利点を有するＧＨＰの室内ユニットについても、ＥＨＰと同様にマルチ型システムの適用が望まれる。
しかしながら、ＧＨＰにマルチ型システムを適用する場合には、室外ユニット側に設けられている室外熱交換器の凝縮能力や蒸発能力について、各室内ユニットの運転状況に応じた広範囲の要求能力に対応する必要がある。すなわち、主として冷房運転を行う場合には、冷房運転を行っている室内機ユニット数や暖房運転を行っている室内機ユニット数の組み合わせに応じて、コンデンサとして機能する室外熱交換器に求められる凝縮能力が広範囲にわたって変化するため、要求に応じた凝縮能力を容易に提供できる安価なシステムが望まれる。
【０００８】
図１１は、空気調和装置の冷凍サイクルを示すモリエル線図である。冷房運転の場合には、図中のｉ１−ｉ２間が室内熱交換器の冷房（蒸発）能力となる。この冷房能力を得るためには、室外熱交換器側からｉ３−ｉ１間の凝縮能力を得る必要がある。
しかしながら、複数の室内ユニットにおいてそれぞれ冷房及び暖房の混合運転がなされる場合、暖房運転をしている少数の室内熱交換器からｉ４−ｉ１間の暖房（凝縮）能力が得られるため、室外熱交換器ではｉ３−ｉ４間に相当する凝縮能力を負担すればよい。すなわち、ｉ１−ｉ２間の冷房能力及びｉ４−ｉ１間の暖房能力は使用者が選択する運転状況に応じて変化する値であるため、室外熱交換器に要求される凝縮能力もこれに応じて広範囲にわたって変化する。
【０００９】
また、主として暖房運転を行う場合には、使用者の設定に応じて、冷房運転を行う少数の室内熱交換器で得られる蒸発能力と暖房運転を行う多数の室内熱交換器で得られる凝縮能力とが変化するので、エバポレータとして機能する室外熱交換器に要求される蒸発能力もこれに応じて広範囲に変化する。なお、暖房運転時においては、たとえばガスエンジンから水熱交換器にエンジン冷却水を導入してガスエンジンの廃熱を利用すれば、エバポレータとして機能する室外熱交換器の蒸発能力を補うことも可能である。
【００１０】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、複数の室内機ユニットを備え冷暖房混合運転も可能なマルチ型システムの運転状況に応じて、室外熱交換器に対する凝縮能力及び気化能力の要求変動に容易に能力変化させることができる安価なシステムを備えたマルチ型ガスヒートポンプ式空気調和装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の課題を解決するため、以下の手段を採用した。請求項１に記載のマルチ型ガスヒートポンプ式空気調和装置は、それぞれに室内熱交換器を備え室内の空気と冷媒との間で熱交換を行う複数の室内機ユニットと、ガスエンジンで駆動する圧縮機及び外気と冷媒との間で熱交換を行う室外熱交換器を備えている室外機ユニットと、前記室内機ユニットのそれぞれについて冷媒の流れ方向を制御し冷暖房運転の選択切換を行う分流コントロールユニットとを具備してなるマルチ型ガスヒートポンプ式空気調和装置であって、前記室外熱交換器を複数に分割して並列に接続すると共に、同室外熱交換器の各分割部分毎にそれぞれ設けられ、対応する該分割部分に接続される第１ポート、前記圧縮機の吐出側に接続される第２ポート、及び前記分流コントロールユニットに接続される第３ポートを有して冷媒の流れを制御する四方弁を備える冷媒供給切換手段を設けたことを特徴とするものである。
【００１２】
このようなマルチ型ガスヒートポンプ式空気調和装置によれば、複数に分割した室外熱交換器に対し、各分割部毎に冷媒の流れを制御することができるので、室外熱交換器の凝縮能力または蒸発能力を分割数に応じて段階的に変化させることができる。
【００１３】
請求項１に記載のマルチ型ガスヒートポンプ式空気調和装置においては、前記室外熱交換器に隣接して前記ガスエンジンのラジエータを設置し、該ラジエータを複数に分割して並列に接続すると共に、同ラジエータの各分割部毎にエンジン冷却水の導入を選択する切換手段を設けることが好ましく、これにより、ラジエータに導入するエンジン冷却水から得られるエンジン廃熱を、ラジエータの分割数に応じて段階的に有効利用することができる。
【００１４】
請求項１または２に記載のマルチ型ガスヒートポンプ式空気調和装置においては、前記室外熱交換器の室外機ファンで外気導入の風量制御を行うことが好ましく、これにより、風量制御により室外熱交換器の凝縮能力または蒸発能力を調整することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下では、本発明に係るマルチ型ガスヒートポンプ式空気調和装置の一実施形態について、図１から図３を参照して説明する。
図１に示すマルチ型ガスヒートポンプ式空気調和装置（以下「ＭＧＨＰ」と略す）１は、大きくは複数の室内機ユニット１０と、各室内機ユニット１０毎に冷媒の流れ方向を制御して冷暖房運転の選択切換を行う分流コントロールユニット２０と、後述するガスエンジン駆動の圧縮機や室外熱交換器を備えた室外機ユニット３０とを具備して構成されている。このＭＧＨＰ１では、各室内ユニット１０、分流コントロールユニット２０及び室外機ユニット３０の間が冷媒配管２をもって接続されている。
【００１６】
室内機ユニット１０には、図２に示すように、冷房運転時に低温低圧の液冷媒を蒸発気化させて室内の空気（室内気）から熱を奪うエバポレータとして機能し、暖房運転時に高温高圧のガス冷媒を凝縮液化させて室内気を暖めるコンデンサとして機能する、室内熱交換器１１が具備されている。なお、図中の符号１２は冷房運転用の絞り機構として設けた電子膨張弁、１３は暖房運転用の絞り機構として機能するキャピラリチューブ、１４は逆止弁である。
図示の例では、上述した室内機ユニット１０が４台（１０Ａ〜１０Ｄ）並列に設けられており、それぞれが独立した空調対象区画に設置されて、後述する分流コントロールユニット２０の切換操作により、全数冷房運転、全数暖房運転、または各室内機ユニット毎に冷房運転／暖房運転／休止（以下「冷暖房同時運転」と呼ぶ）を選択できるようになっている。
【００１７】
分流コントロールユニット２０は、室内機ユニット１０と室外機ユニット３０との間を接続する冷媒の管路と、冷媒が流れる管路及びその流れ方向を選択切り換えする電磁弁等の開閉弁とにより構成されている。
図示の例では、各室内機ユニット１０毎に４個の電磁弁２１，２２，２３，２４が設けられ、それぞれの室内機ユニット１０の運転に応じて各電磁弁２１〜２４を開閉することで、すなわち冷房運転、暖房運転及び休止のいずれかが選択される運転状況に応じて各電磁弁２１〜２４の開閉状態を切り換えることで、後述する室外機ユニット３０と接続されて冷媒が流れる管路や冷媒の流れ方向を選択切換できるようになっている。
なお、分流コントロールユニット２０は、一つの室内機ユニット１０毎にそれぞれ設けられた２本の室内機ユニット接続用の冷媒配管２と、後述する室外機ユニット３０と接続するために設けた３本の室外機接続用の冷媒配管２とを備えている。
【００１８】
室外機ユニット３０は、その内部において、二つの大きな構成部分に分割される。第１の構成部分は、圧縮機や室外熱交換器などの機器を中心として室内機ユニット１０と共に冷媒回路を形成する部分であり、以後冷媒回路部と呼ぶことにする。第２の構成部分は、圧縮機駆動用のガスエンジンを中心として、これに付随する機器を備えた部分であり、以後ガスエンジン部と呼ぶことにする。
【００１９】
冷媒回路部内には、圧縮機３１、室外熱交換器３２、水熱交換器３３、アキュムレータ３４、レシーバ３５、オイルセパレータ３６、絞り機構３７、四方弁３８、電磁弁３９及び逆止弁４０などが具備されている。また、冷媒回路部は、分流コントロールユニット２０に設けられた３本の冷媒配管２と接続するため、それぞれに第１操作弁４１，第２操作弁４２，第３操作弁４３を設けた分流コントロールユニット接続用の３本の冷媒配管２を備えている。
圧縮機３１は、後述するガスエンジンＧＥを駆動源として運転され、室内熱交換器１１または室外熱交換器３２のいずれかより吸入される低温低圧のガス冷媒を圧縮し、高温高圧のガス冷媒として吐出する。これにより冷房運転時には、外気温が高い場合でも、冷媒は室外熱交換器３２を通して外気に放熱することが可能となる。また、暖房運転時には、室内熱交換器１１を通して室内気に熱を与えることが可能となる。
【００２０】
室外熱交換器３２は、冷房運転時に高温高圧のガス冷媒を凝縮液化させて外気に放熱するコンデンサとして機能し、逆に暖房運転時には低温低圧の液冷媒を蒸発気化させて外気から熱を奪うエバポレータとして機能する。つまり、冷暖房それぞれの運転時において、室外熱交換器３２は、先の室内熱交換器１１とは逆の働きを行うことになる。
【００２１】
この実施形態における室外熱交換器３２は、熱交換部分を複数に分割して並列に接続した構成としてある。図示の例では、室外熱交換器３２が４分割されており、それぞれに符号３２Ａ，３２Ｂ，３２Ｃ，３２Ｄを付す。
また、室外熱交換器３２は、後述するガスエンジＧＥのラジエータ５３と隣接して設置されている。ラジエータ５３は、ガスエンジンＧＥのエンジン冷却水を外気と熱交換して冷却する熱交換器である。従って、たとえば低外気温時に暖房運転を行うような場合には、室外機ファン４４の回転方向を選択切換することにより、エバポレータとして機能する室外熱交換器３２がラジエータ５３を通過して温度上昇した外気と熱交換できるようになるため、その蒸発能力を高めることができる。
【００２２】
水熱交換器３３は、後述するガスエンジンＧＥのエンジン冷却水から冷媒が熱を回収するために設けられている。すなわち、暖房運転時において、冷媒は室外熱交換器３２における熱交換のみに頼るのではなく、ガスエンジンＧＥのエンジン冷却水からも廃熱を回収することができるようになるため、暖房運転の効果をより高めることが可能となる。
【００２３】
アキュムレータ３４は、圧縮機３１に流入するガス冷媒に含まれる液状成分を貯留するために設けられている。
レシーバ３５は、コンデンサとして機能する熱交換器で液化した冷媒を気液分離し、冷凍サイクル中の余剰冷媒を液として蓄えるために設けられている。
オイルセパレータ３６は、冷媒中に含まれる油分を分離して圧縮機３１に戻すために設けられたものである。
【００２４】
絞り機構３７は、凝縮された高温高圧の液冷媒を減圧、膨張させて低温低圧の液冷媒とするためのものである。図示の例では、絞り機構３７として、電子膨張弁、膨張弁及びキャピラリーチューブが目的に応じて使い分けられている。
【００２５】
四方弁３８は、冷媒配管２に設けられて冷媒の流路や流れ方向を選択切り換えするものであり、電磁弁３９や逆止弁４０と共に、複数に分割した室外熱交換器３２への冷媒供給切換手段を構成している。
この四方弁３８には４つのポートＤ，Ｃ，Ｓ，Ｅが設けられており、ポートＤは圧縮機３１の吐出側と、ポートＣは室外熱交換器３２と、ポートＳは圧縮機３１の吸入側とそれぞれ冷媒配管２で接続され、さらにポートＥは、ポートＣと室外熱交換器３２とを接続する冷媒配管２の途中に接続されている。図示の構成例では、４分割した室外熱交換器３２に対応して３個の四方弁３８が３個設けられており、それぞれに符号３８Ａ，３８Ｂ，３８Ｃを付す。
【００２６】
第１の四方弁３８Ａは、符号３２Ａを付した室外熱交換器（熱交換部）に接続されている。この室外熱交換器３２Ａは単独使用が可能であり、しかも、この冷媒配管には絞り機構３７として電子膨張弁を備えているため、熱交換能力の可変制御が可能である。
第２の四方弁３８Ｂは、符号３２Ｂ，３２Ｃを付した二つの室外熱交換器（熱交換部）に接続されている。この場合、室外熱交換器３２Ｂ，３２Ｃは、常に両方が同時使用され、しかもその用途は同じになる。
第３の四方弁３８Ｃは、符号３２Ｄを付した室外熱交換器（熱交換部）に接続されている。この室外熱交換器３２Ｄは、単独での使用が可能である。
【００２７】
従って、室外熱交換器３２Ａ〜Ｄを均等に分割すれば、その熱交換能力は、室外熱交換器３２Ａを単独で使用する２５％能力、室外熱交換器３２Ｂ，３２Ｃを同時使用する５０％能力、室外熱交換器３２Ｂ〜Ｄの３分割を使用する７５％能力、そして、室外熱交換器３２Ａ〜Ｄを全て使用する１００％能力から、使用状況に応じて適宜選択することができる。
また、四方弁３８Ａ〜Ｄや電磁弁３９を開閉切換操作することにより、冷媒の流れ方向についても切り換えることができるので、室外熱交換器３２Ａ及び３２Ｄをそれぞれ単独で、そして、室外熱交換器３２Ｂ，３２Ｃを一体的に、エバポレータまたはコンデンサとして使い分けることができる。
【００２８】
一方、ガスエンジン部には、ガスエンジンＧＥを中心として、冷却水系５０や燃料吸入系６０の他、図示省略の排気ガス系及びエンジンオイル系が具備されている。
ガスエンジンＧＥは、冷媒回路部内に設置されている圧縮機３１とシャフトまたはベルト等により接続されており、ガスエンジンＧＥから圧縮機３１に駆動力が伝達されるようになっている。
【００２９】
冷却水系５０は、水ポンプ５１、リザーバタンク５２、ラジエータ５３などを備え、これらを配管により接続して構成される回路（破線で表示）を巡るエンジン冷却水によって、ガスエンジンＧＥを冷却するための系である。水ポンプ５１は、ガスエンジンＧＥの冷却水を回路に循環させるために設けられている。リザーバタンク５２は、この回路を流れる冷却水において、その余剰分を一時貯蔵しておく、あるいは冷却水が回路に不足した場合にそれを供給するためのものである。ラジエータ５３は、室外熱交換器３２と一体的に構成されたものであって、エンジン冷却水がガスエンジンＧＥから奪った熱を外気に放出するために設けられている。
図示の例では、室外熱交換器３２と同様に、ラジエータ５３も４分割されて並列に接続されており、それぞれに符号５３Ａ，５３Ｂ，５３Ｃ，５３Ｄを付してある。また、電磁弁３９を設けて、ラジエータ５３Ａ，５３Ｄの単独使用、ラジエータ５３Ｂ，５３Ｃの同時使用を選択できるようにしてある。
【００３０】
冷却水系５０には、上記した構成の他に排気ガス熱交換器５４が設けられている。これは、ガスエンジンＧＥより排出される排気ガスの熱を、エンジン冷却水に回収するために設けられているものである。また、冷却水系５０には先に説明した水熱交換器３３が備えられ、冷媒回路部及び冷却水系５０の両系に跨るように配置されている。これらのことから、暖房運転時には、エンジン冷却水はガスエンジンＧＥから熱を奪うだけでなく排気ガスからも熱を回収し、かつその回収された熱が、エンジン冷却水より水熱交換器３３を通して冷媒に与えられる仕組みになっている。
なお、冷却水系５０におけるエンジン冷却水の流量制御は、２箇所に設けられた流量制御弁５５により行われる。
【００３１】
燃料吸入系６０は、ガスレギュレータ６１、ガス電磁弁６２、ガス接続口６３などを備え、ガスエンジンＧＥに液化天然ガス（ＬＮＧ）等の都市ガスをガス燃料として供給するための系である。ガスレギュレータ６１は、ガス電磁弁６２及びガス接続口６３を介して外部から供給されるガス燃料の送出圧力を調整するために設けられている。このガスレギュレータ６１で圧力調整されたガス燃料は、図示省略の吸気口から吸入された空気と混合された後、ガスエンジンＧＥの燃焼室に供給される。
【００３２】
以下では、上記の構成となるＭＧＨＰ１において、室内を冷暖房するそれぞれの運転時について、その作用を説明する。
まず最初に、室内ユニット１０Ａ〜Ｄの全数を冷房運転する場合について、図１ないし３を参照して説明する。なお、各弁類の開閉状態は黒塗りで図示した弁類が閉であり、冷媒の流れ方向が矢印で示されている。
この場合、冷媒回路部３０の四方弁３８Ａ〜Ｃは、いずれもポートＤ／Ｃ間が連通され、圧縮機３１の吐出側と室外熱交換器３２とが接続されている。この状態では、圧縮機３１より吐出された高温高圧のガス冷媒は、四方弁３８を通ってコンデンサとして機能する室外熱交換器３２に送られる。
【００３３】
高温高圧のガス冷媒は室外熱交換器３２で凝縮液化され、外気に放熱して高温高圧の液冷媒となる。この液冷媒は、図３に示すように、逆止弁４０を通過してレシーバ３５に導かれる。レシーバ３５で気液分離された液冷媒は、第３操作弁４３を通って分流コントロールユニット２０へ流れ込む。
分流コントロールユニット２０に流れ込んだ高温高圧の液冷媒は、電磁弁２４を経て電子膨張弁１２に導かれ、同電子膨張弁１２を通過する過程で減圧されて低温低圧の液冷媒となり、エバポレータとして機能する室内熱交換器１１に送られる。
【００３４】
室内熱交換器１１に送られた低温低圧の液冷媒は、室内気から熱を奪って蒸発気化する。この過程で室内気を冷却して低温低圧のガス冷媒となり、再度分流コントロールユニット２０に戻され、さらに、第１操作弁４１を通って室外機ユニット３０の冷媒回路部に送られる。
冷媒回路部に送られた低温低圧のガス冷媒はアキュムレータ３４に流入し、液状成分が分離されたのち圧縮機３１に吸入される。圧縮機３１に吸入されたガス冷媒は、圧縮機３１の作動により圧縮され、高温高圧のガス冷媒となって再び室外熱交換器３２に送られるので、冷媒が状態変化を繰り返す冷凍サイクルを形成することができる。
【００３５】
次に、室内ユニット１０Ａ〜Ｄの全数を暖房運転する場合について、図４ないし６を参照して説明する。
この場合、冷媒回路部の四方弁３８Ａ〜Ｃは、いずれもポートＣ／Ｓ間が連通され、圧縮機３１の吐出側と室内熱交換器１１とが接続されている。この状態では、圧縮機３１より吐出された高温高圧のガス冷媒は、第２操作弁４２を通って分流コントロールユニット２０に送られる。分流コントロールユニット２０内に導かれた冷媒は、電磁弁２２を通って各室内ユニット１０Ａ〜Ｄのコンデンサとして機能する室内熱交換器１１に送られる。
【００３６】
高温高圧のガス冷媒は、室内熱交換器１１で室内気と熱交換して凝縮液化される。この過程において、ガス冷媒は放熱して室内気を暖めたのち、高温高圧の液冷媒となる。この液冷媒は、キャピラリーチューブ１３を通ることで減圧されて低温低圧の液冷媒となり、逆止弁１４を経て分流コントロールユニット２０へ戻される。
分流コントロールユニット２０に流れ込んだ低温低圧の液冷媒は、電磁弁２４及び第３操作弁４３を通って室外機ユニット３０の冷媒回路部に送られる。
【００３７】
冷媒回路部３０に送られた液冷媒は、レシーバ３５を経て気液分離がなされ、液冷媒のみがエバポレータとして機能する室外熱交換器３２へ送られる。この液冷媒は、室外熱交換器３２へ入る前に、絞り機構３７として設けられているキャピラリーチューブを通過して再度減圧される。
室外熱交換器３２においては、低温低圧の液冷媒は外気から熱を奪い、蒸発気化して低温低圧のガス冷媒となる。この時、ラジエータ５３に高温のエンジン冷却水を流すと、エンジン廃熱を利用して液冷媒を効率よく蒸発気化させることができる。
【００３８】
こうして低温低圧のガスとなった冷媒は、四方弁３８のポートＣからポートＳを経てアキュムレータ３４へ導かれ、液状成分が分離されたのち圧縮機３１に吸入される。圧縮機３１に吸入されたガス冷媒は、圧縮機３１の作動により圧縮され、高温高圧のガス冷媒となって再び室内熱交換器１１に送られるので、冷媒が状態変化を繰り返す冷凍サイクルを形成することができる。
【００３９】
最後に、室内ユニット１０Ａ〜Ｄを冷暖房同時運転する場合について、図７ないし９を参照して説明する。なお、ここでの冷暖房同時運転は、暖房主体運転に冷房運転を混在させた場合、具体的には３セットの室内機ユニット１０Ａ〜Ｃを暖房運転とし、残る１セットの室内機ユニット１０Ｄを冷房運転する場合を例にして説明する。
この場合、冷媒回路部の四方弁３８Ａ，Ｃは、いずれもポートＣ／Ｓ間が連通され、圧縮機３１の吐出側と室内ユニット１０Ａ〜Ｃの室内熱交換器１１とが接続されている。
【００４０】
この状態では、圧縮機３１より吐出された高温高圧のガス冷媒は、第２操作弁４２を通って分流コントロールユニット２０に送られる。分流コントロールユニット２０内に導かれた冷媒は、室内機ユニット１０Ａ〜Ｃに対応するそれぞれの電磁弁２２を通って、各室内ユニット１０Ａ〜Ｃにおいてコンデンサとして機能する室内熱交換器１１Ａ〜Ｃに送られる。
【００４１】
高温高圧のガス冷媒は、室内熱交換器１１Ａ〜Ｃで室内気と熱交換して凝縮液化される。この過程において、ガス冷媒は放熱して室内気を暖めたのち、高温高圧の液冷媒となる。この液冷媒は、キャピラリーチューブ１３を通ることで減圧されて低温低圧の液冷媒となり、逆止弁１４を経て分流コントロールユニット２０へ戻される。
分流コントロールユニット２０に流れ込んだ低温低圧の液冷媒は、電磁弁２４及び第３操作弁４３を通って室外機ユニット３０の冷媒回路部に送られる。
【００４２】
一方、冷房運転されている室内機ユニット１０Ｄは、分流コントロールユニット２０内において、対応する電磁弁２１，２４が開となる。このため、室内機ユニット１０Ａ〜Ｃから室外機ユニット３０へ送られる低温低圧の液冷媒は、その一部が第３操作弁４３の上流側で分流し、電磁弁２４及び電子膨張弁１２を通ってエバポレータとして機能する室内熱交換器１１Ｄに送られる。
室内熱交換器１１Ｄに送られた低温低圧の液冷媒は、室内気から熱を奪って蒸発気化し、室内気を冷却する。この過程で室内気を冷却して低温低圧のガス冷媒となり、分流コントロールユニット２０に戻される。分流コントロールユニット２０内では電磁弁２１を通り、第１操作弁４１から室外機ユニット３０の冷媒回路部に送られる。
【００４３】
室内機ユニット１０Ｄへ分流させた残りの液冷媒は、第３操作弁４３から冷媒回路部３０に送られる。この液冷媒は、レシーバ３５を経て気液分離がなされ、液冷媒のみがエバポレータとして機能する室外熱交換器３２へ送られる。この液冷媒は、室外熱交換器３２へ入る前に、絞り機構３７として設けられているキャピラリーチューブを通過して再度減圧される。
【００４４】
ところで、室外熱交換器３２に要求される蒸発能力は、全数暖房運転時と比較して少なくてすむ。すなわち、４セット設けてある室内機ユニット１０Ａ〜Ｄのうち、３セットが暖房運転され、残る１セットが冷房運転されていることから、４分割された室外熱交換器３２Ａ〜Ｄの約５０％と、冷房運転している室内熱交換器１１Ｄとを合計した蒸発能力があればよい。このため、ここでは室外熱交換器３２Ａ及び３２Ｄを使用し、残る５０％の室外熱交換器３２Ｂ，３２Ｃは休止させている。
従って、低温低圧の液冷媒は、室外熱交換器３２Ａ，３２Ｄを通過して流れる過程において外気から熱を奪い、蒸発気化して低温低圧のガス冷媒となる。この時、ラジエータ５３に高温のエンジン冷却水を流すと、エンジン廃熱を利用して液冷媒を効率よく蒸発気化させることができる。
【００４５】
こうして低温低圧のガスとなった冷媒は、四方弁３８Ａ，ＣのポートＣからポートＳを経てアキュムレータ３４へ導かれる。また、室内熱交換器１１Ｄで蒸発気化した低温低圧のガス冷媒は、第１操作弁４１の後流側で四方弁３８Ａ，Ｃからアキュムレータ３４へ導かれるガス冷媒と合流し、同様にしてアキュムレータ３４へ導かれる。アキュムレータ３４に導入された低温低圧のガス冷媒は、液状成分が分離されたのち圧縮機３１に吸入される。圧縮機３１に吸入されたガス冷媒は、圧縮機３１の作動により圧縮され、高温高圧のガス冷媒となって再び室内熱交換器１１に送られるので、冷媒が状態変化を繰り返す冷凍サイクルを形成することができる。
【００４６】
このように、冷暖房同時運転を行う場合には、室内機ユニット１０Ａ〜Ｄの運転状況に応じて、４分割された室外熱交換器３２Ａ〜Ｄの運転形態を、コンデンサ、エバポレータまたは休止の中から、四方弁３８及び電磁弁３９の操作によりそれぞれ選択切り換えすることができる。
すなわち、４分割された室外熱交換器３２Ａ〜Ｄは、コンデンサとして使用する場合、その使用数に応じて、図１０に実線で示すように、段階的に変化する凝縮能力の特性を有している。この特性では、要求能力がａ％から２５％までの間は凝縮能力も比例して増加している。これは、絞り機構３７として調整機能を有する電子膨張弁が採用されている室外熱交換器３２Ａを単独で使用するためである。なお、凝縮能力の最低値は、電子膨張弁の調整範囲により定まる。
【００４７】
要求能力が２５％以上になると、室外熱交換器を２台同時使用することで５０％の凝縮能力が得られるようにしてある。この場合、室外熱交換器３２Ｂ，３２Ｃを常に同時使用することで、選択切換に必要となる電磁弁３９の数を減らしている。なお、この場合の絞り機構３７には、低コスト化を狙って調整機能がない膨張弁を採用しているため、凝縮能力を比例制御することはできない。
要求能力が５０％以上になると、室外熱交換器を３台使用して７５％の凝縮能力が得られるようにしてある。この場合、上述した５０％の凝縮能力が得られる室外熱交換器３２Ｂ，３２Ｃに加えて、室外熱交換器３２Ｄを追加使用する。
そして、要求能力が７５％以上になると、４分割した室外熱交換器３２Ａ〜Ｄを全数使用し、１００％の凝縮能力が得られるようにしてある。
なお、上述した凝縮能力は、エバポレータとして使用する場合には蒸発能力と読み替えることができる。
【００４８】
ところで、室外熱交換器３２の分割数は４分割に限定されるものではなく、室内ユニット１０の数や冷暖房同時運転の要求などに応じて適宜変更可能である。また、調整機能を有する電子膨張弁を絞り機構３７の全てに採用すれば、ほぼ全域にわたって比例制御することができる。従って、絞り機構３７についても、全てに調整機能を有する電子膨張弁を採用してもよいし、反対に全てに調整機能をもたない膨張弁を採用することも可能である。
【００４９】
このように、全数冷房運転の場合には、冷房運転することでエバポレータとして機能する室外熱交換器１１Ａ〜Ｄの数と、コンデンサとして機能する室外熱交換器３２Ａ〜Ｄの数を一致させ、全数暖房運転の場合には、暖房運転することでコンデンサとして機能する室内熱交換器１１Ａ〜Ｄの数とエバポレータとして機能する室外熱交換器３２Ａ〜Ｄの数とを一致させればよい。
また、冷暖房同時運転の場合には、エバポレータとして機能する室内熱交換器１１及び室外熱交換器３２の蒸発能力と、コンデンサとして機能する室内熱交換器１１及び室外熱交換器３２の凝縮能力とがバランスするように、分割された室外熱交換器３２の使用数や組合せなどを決めればよい。なお、たとえば室内熱交換器１１が４セット設置され、冷房運転及び暖房運転が共に２セットと同数の場合には、室内熱交換器１１どうしで能力がバランスするので、室外熱交換器３２を全数休止させることも可能である。
【００５０】
さて、上述した実施形態では、ラジエータ５３を室外熱交換器３２と同様の４分割としてある。このため、電磁弁３９の開閉操作により、特に、室外熱交換器３２をエバポレータとして使用する分割部に対応してエンジン冷却水を導入することが可能になり、ラジエータの分割数に応じてエンジン廃熱を段階的に有効利用することができる。
また、上述した室外熱交換器３２の熱交換能力については、室外機ファン４４の運転速度を制御することにより外気導入の風量が変化するので、使用する分割部の数を切り換える段階的な調整に加え、風量に応じた調整も可能である。
なお、本発明の構成は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。
【００５１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のマルチ型ガスヒートポンプ式空気調和装置によれば、室外熱交換器を複数に分割して並列に接続し、冷媒供給切換手段により各分割部毎の冷媒の流れを制御できるようにしたので、全数冷房運転、全数暖房運転及び冷暖房同時運転から適宜選択される室内機ユニットの運転状況に応じて大きく変動する蒸発能力または凝縮能力を、安価なシステムで容易に得ることができるといった顕著な効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係るマルチ型ガスヒートポンプ式空気調和装置の一実施形態を示す図で、全数冷房運転時の状態を示す全体構成図である。
【図２】 図１における分流コントロールユニット及び室内機ユニットの内部構成を示す図である。
【図３】 図１における室外熱交換器周辺の構成例を示す図である。
【図４】 本発明に係るマルチ型ガスヒートポンプ式空気調和装置の一実施形態を示す図で、全数暖房運転時の状態を示す全体構成図である。
【図５】 図４における分流コントロールユニット及び室内機ユニットの内部構成を示す図である。
【図６】 図４における室外熱交換器周辺の構成例を示す図である。
【図７】 本発明に係るマルチ型ガスヒートポンプ式空気調和装置の一実施形態を示す図で、冷暖房同時運転時の状態を示す全体構成図である。
【図８】 図７における分流コントロールユニット及び室内機ユニットの内部構成を示す図である。
【図９】 図８における室外熱交換器周辺の構成例を示す図である。
【図１０】 本発明の実施形態に示した室外熱交換器について、凝縮能力の特性を示す図である。
【図１１】 マルチ型ガスヒートポンプ式空気調和機において、冷暖房同時運転を実施した場合の問題点を説明するために示したモリエル線図である。
【符号の説明】
１ マルチ型ガスヒートポンプ式空気調和装置（ＭＧＨＰ）
１０ 室内機ユニット
１１ 室内熱交換器
２０ 分流コントロールユニット
３０ 室外機ユニット
３１ 圧縮機
３２ 室外熱交換器
３７ 絞り機構
３８ 四方弁
３９ 電磁弁
４０ 逆止弁
４１ 第１操作弁
４２ 第２操作弁
４３ 第３操作弁
ＧＥ ガスエンジン
Claims (3)
- それぞれに室内熱交換器を備え室内の空気と冷媒との間で熱交換を行う複数の室内機ユニットと、ガスエンジンで駆動する圧縮機及び外気と冷媒との間で熱交換を行う室外熱交換器を備えている室外機ユニットと、前記室内機ユニットのそれぞれについて冷媒の流れ方向を制御し冷暖房運転の選択切換を行う分流コントロールユニットとを具備してなるマルチ型ガスヒートポンプ式空気調和装置であって、
前記室外熱交換器を複数に分割して並列に接続すると共に、
同室外熱交換器の各分割部分毎にそれぞれ設けられ、対応する該分割部分に接続される第１ポート、前記圧縮機の吐出側に接続される第２ポート、及び前記分流コントロールユニットに接続される第３ポートを有して冷媒の流れを制御する四方弁を備える冷媒供給切換手段を設けたことを特徴とするマルチ型ガスヒートポンプ式空気調和装置。 - 前記室外熱交換器に隣接して前記ガスエンジンのラジエータを設置し、該ラジエータを複数に分割して並列に接続すると共に、同ラジエータの各分割部毎にエンジン冷却水の導入を選択する切換手段を設けたことを特徴とする請求項１に記載のマルチ型ガスヒートポンプ式空気調和装置。
- 前記室外熱交換器の室外機ファンで外気導入の風量制御を行うことを特徴とする請求項１または２に記載のマルチ型ガスヒートポンプ式空気調和装置。
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