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技術展

これからのガスエンジンヒートポンプ
エアコン（GHP）

望

In Future Gas Engine Heat Pump Air
Conditioners (GHP)
加 藤 忠 広＊1
Tadahiro Kato

笠 木司＊2

Tsukasa Kasagi

森 島 立 二＊3
Ryuji Morishima

電力削減に大きな効果を発揮する GHP の仕組みと特徴を簡単に概説し，現在までの技術開発の方向，アイテムとその内容について，当社の実施してきた技術を紹介する．また，これからの GHP についてその応用製品も含め向かう方向，考えられる技術アイテムについて解説する．

1．はじめPump）と， GHP がある．EHP と GHP の簡単な比に較を，図１に示す．EHP と GHP の違いは，EHP はガスエンジンヒートポンプエアコン（以下 GHP と圧縮機の駆動にモータ（電動機）を使用し，GHP はいう）は，昭和 63 年に空調業界に登場して以来，順調にガスエンジンを使用していることだけであり，冷凍伸長しており，業務用空調機の総馬力に占める割合がサイクルは同等である．

16 ％を超えるまで拡大してきた．当社は，平成８年に商品を開発し市場に提供することによりその一翼を全体システムは図２に示すとおりであり，エンジン排熱を暖房時有効利用している．
GHP に搭載しているガスエンジンは，ベースエン担ってきた．
以下に，GHP について簡単に概説し現在までの技ジン（自動車用，フォークリフト用）に対し耐久性向

術開発について，また，これからの GHP の技術展望に上，メンテナンス性向上，性能向上等を実現するためついて述べる．

大幅な変更を加えている．
GHP に搭載している圧縮機は開放型圧縮機を使用

2．GHP の特徴
2．1

しており，エンジンとの動力伝達は直結による方式とGHP とはしている．

業務用空調機には，大きく分けて圧縮機の駆動源に電気を使用した電動機駆動式の EHP（Electric Heat

2．2

GHP の特徴

GHP の主な特徴を以下に紹介する．
（1）小電力（受変電設備が不要）

GHP室外機
室外空気熱交換器

エンジン

凝縮器
圧縮機 （熱交換器）

室内機

居室に空調空気を供給

熱交換器

冷却水
循環ポンプ

排気ガス
EHP

排気ガス
熱交換器

室外機

モータ

冷却水
冷媒熱交換器

凝縮器
圧縮機（熱交換器）

室内機

室内機
ラジエータ

送風機
四方切換弁

居室に空調空気を供給
アキュムレータエンジン

図１

GHP と EHP の比較

圧縮機駆動方式が異なる

GHP と EHP の違いを示す．
冷熱事業本部空調輸冷製造部空調設計課主席
冷熱事業本部空調輸冷製造部空調設計課＊3
技術本部名古屋研究所空調機・圧縮機研究推進室主席
＊1
＊2

図２

全体システムを示す．

圧縮機

GHP の冷房運転時のシステム

87

圧縮機の駆動をガスエンジンで行うため，GHP

3．2

環

境性の総消費電力は，EHP と比べ約 10 分の１で済む．

GHP は地球環境に配慮した空調機である．特にガそのため契約電力を 50 kW 未満に抑えることも可

スエンジンの排出 NOx を低減するよう技術開発を実能で，受変電設備が不要となるなど，大幅な経費節施している．

減が図れる．

（1）冷媒（2）急速暖房（暖房能力が優れている）
熱効率の高いガスエンジンを使い，さらにエンジン排熱を効率良く活用しているので，運転開始後，素早く温風を吹き出すことができ，寒い冬の朝でもオゾン層破壊係数

エンジン排熱の回収（排気ガス熱交換器を採用）

すいように，回収口を設けている．
（2）CO2 削減
エンジン，圧縮機，電動機，システムの効率向上を図り CO2 削減に貢献している．
（3）NOx 12 モード値
エンジン排気ガス中の窒素酸化物削減のためのにより，低外気温時の暖房能力を維持する．
同時に暖房使用可能外気温度範囲もエンジン排熱を利用することにより，下限を− 15 ℃まで拡大した．

3．現在までの技術開発の冷媒（HFC407C）を使用し，また GHP の廃棄時封入冷媒を回収しやスピーディーな暖房能力を発揮する．
（3）低外気温時の高暖房能力０技術開発を行っており，現在 NOx 12 モード値で100 ppm 以下に低減している．
（NOx 12 モード値： JIS B 8627-1 の付属書８に規定する試験方法で試験した結果から算出した値）

GHP の現在までの技術開発は，省エネルギー化と環境省

小規模燃焼機器の窒素酸化物排出ガイ

低 NOx 化の技術的に相反するアイテムの両立を図っ

ドラインにおける小形ガスヒートポ ン プ の ガてきたことである．

イドライン値の推移は，表２のとおりとなってい

3．1

省エネルギー

GHP は燃料にガスを使用しており，経済性にすぐれたシステムである．
また搭載している各部品やシステムの効率を向上さる．当社は，環境省ガイドライン値に適合すべく低NOx 化のための技術開発を行ってきており，当社
GHP の NOx 12 モード値推移を表２に示すとおり，全機種環境省のガイドラインに適合している．
低 NOx 化については，次の技術を採用し低減をせることにより，高い成績係数を実現しており，政府の 環境物品等の調達の推進に関する基準方針 （グ図っている．

リーン購入法）にほとんどの機種が適合している．
表１

効率向上のための過去実施してきた主な技術は，次のとおりである．
（1）エンジン効率向上

当社機種

成績係数（燃料+電気）

8年

１形

0.95

２形

0.95

３形

0.95

４形

1.13

５形，６形

1.25

9年

小 排 気 量 化： 2.247 L → 1.998 L

10 年

高 圧 縮 比 化： 9.2 → 12.3

11 年
12 年

空燃比と点火時期：機械式→電子制御式

13 年

摩 擦 ロ ス 低 減 ：滑り式→ローラリフタ式

14 年

希15 年

薄燃

システム成績係数改善

平成年度

焼：失火改善注 1：当社 20 馬力機種の値を示した．
注 2：成績係数は，（（冷房能力／（冷房燃料消費量+冷房電気消費量）+（暖房能力／（暖房燃料消費量+暖房電気消費量））／2 で算出した．

（2）冷凍サイクル効率向上
空気熱交換器配列：ラジエータ組込み→ラジエータ
分離圧

縮機：容量制御付き圧縮機

暖 房 時 排 熱 回 収：フィン伝熱式→プレート式熱交換器
吸入圧力損失低減 ：吸入配管１本→暖房時吸入配管２本化
暖 房 時 吸 熱 回 路：排熱回収，空気熱源一体式→排熱回収と空気熱源の並列式回路
効率向上の結果，システム成績係数を表１のとおり改善することができた．

表２
平成年度
８年
９年
10 年
11 年

窒素酸化物排出ガイドライン値と当社 GHP のNOx 12 モード値推移
当社機種

当社 NOx 値（ppm）

１形

300２形

300３形

200４形

100

環境省ガイドライン値（ppm）

300 以下12 年
13 年

200 以下

14 年
15 年

５形，６形

100

100 以下三菱重工技報 Vol.41 No.2（2004-3）

88（a）希薄燃焼．

システム成績係数向上に一番寄与するエンジン（b）点火時期適正燃焼．の効率向上は，引き続き技術開発を推進してゆく．

（c）EGR（Exhaust Gas Recirculation）システム．

燃焼性向上のための燃焼室改善・点火プラグ改

希薄燃焼，点火時期適正燃焼のため，燃料弁の容善，吸気損失低減のための吸気系改善，機械損失低量制御，点火時期を電子制御にて行い，すべての運減のためのしゅう動面改善・冷却系の改善等今後も転領域で最適値に設定できるようにした．

エンジン改善を継続する．さらにエンジン運転制御

EGR システムは，排気ガスの一部を燃料ミキサ面から，適正な点火時期制御また空燃比制御を行う後の吸気管に還流するもので，不活性ガスによる酸よう開発を進める．

素濃度低下・熱容量増加で燃焼温度の過度の上昇

今後のエンジン改善ポイントを図４に示す．

を抑制して NOx 生成を低減する方法であり，この（2）冷凍サイクルEGR の最適化により，熱効率を悪化させることな空調機として GHP の冷凍サイクル性能改善は，く排出 NOx を低減できた．当社 EGR システムを図

重要な検討課題を有しており今後も鋭意研究を継３に示す．

続してゆく．

3．3（a）圧縮機

定 期 点 検自動車のエンジンが定期点検すると同様に，GHP

当社は GHP 用圧縮機を自社技術で開発してい用エンジンも定期点検が必要である．定期点検間隔る唯一のメーカである．従来の圧縮機はバス用は，エンジンオイル（粘度，添加物調整），クーラン空調機に使用していたレシプロ式であり，そのト（添加物調整），点火プラグ（イリジウム電極化），使用実績から高い信頼性を得ている．

オイルフィルタ（材料，加工法），オイル消費量低減

今後はより高効率を目指すためスクロール式（エンジン冷却性能改善）等の技術開発により，ほと圧縮機の開発を進めている．当社において長い

んどの機種で５年または 10 000 時間まで延長されて実績のある業務用空調機に使用しているスクロ

き た ． 10 000 時間は，自動車で考えると平均時速ール式圧縮機の技術を基本に，開放型とする．

40 km/h として 40 万 km まで定期点検しなくても良効率向上のため，指示損失のうち吐出圧力損失いことになり，地球の約 10 周分となる．

改善，吸入圧力損失改善，漏れ損失改善を図る．

当社の定期点検間隔の推移を表３に示す．

4．将来展（b）凝縮器
冷凍サイクルの圧縮仕事を低減するため，凝望縮器能力の改善を進めている．凝縮器は，冷媒エネルギー利用機器として GHP は，地球環境負荷低減を主テーマに技術開発を推進して行く．
4．1

表３

省エネルギー

システム成績係数向上は，将来にわたって改善す

当社機種

定期点検間隔（H）

８年

１形

4 000

２形

4 000

３形

6 000

４形

8 000

５形，６形

10 000９年る必要のあるアイテムである．以下に示すアイテム

10 年
11 年の技術開発を実施することにより，システム成績係12 年数の向上を図ってゆく．

13 年（1）エンジン

14 年
15 年

エア−
クリーナ−

定期点検間隔推移

平成年度

点火プラグ
ミキサー

排ガス
熱交換器

空気
燃料制御
ステップモータ

EGR弁

燃料ガス
クランク角センサ

水温センサ

点火系改善

空燃比制御改善

マフラ
排気ガス
吸気系改善

クランクポジションセンサ

燃焼室改善
機械損失改善クランク軸シグナルプレート

図３

EGR システム環系を示す．

エンジン燃焼系と排気ガス再循

図４エンジン改善アイテム
後の改善アイテムを示す．

エンジンに関する今

89

側熱伝達率改善のためのパイプ内面形状適正化，ハイブリットGHP の暖房効率向上

パイプ径細径化，また空気側熱伝達率改善等を

ハイブリットGHP
ガスポンプによる性能向上 50 ％従来 GHP図る．送風機は，処理風量が増加しても動力増

ガスポンプ加が少ない高効率送風機の開発を進める．

利用することでシステム成績係数を向上するこ

室内熱交換器

水熱交換器とができる．

空気熱交換器

従来は冷媒の低圧側の加熱源にエンジン排熱を利用しており，冷媒を高圧側に押し上げるための圧縮動力が多く必要だった．しかし，凝縮液冷媒をエンジン排熱で加熱ガス化し圧縮機吐出ガスに混合させれば，再度暖房用冷媒として利用でき，混合動力も少なくてすみシステム成績係数を向上することができる．考えられる方

圧縮機

圧力 P（MPa）

GHP の暖房サイクルは，エンジン排熱を有効Δh 34圧力 P（MPa）（c）暖房サイクル

2MPa

Δh 12 Δh 23

室内熱交換器
水熱交換器
G r : 37 ％
圧縮機
空気熱交換器

0.34MPa G r : 63 ％Δh 12

エンタルピー h（kJ/kg）
エンタルピー h（kJ/kg）
・排熱回収で低圧が上昇
・排熱と空気からの回収動力分離で・空気との温度差減少で吸熱量減少
圧縮機入力減少r Δh 13ーΔh 12）
圧縮仕事L in＝G （0.63G rΔh 12 0.37G rΔh 34
圧縮仕事L in＝＋
圧縮機
ガスポンプ

図５

ハイブリッド式 GHP
ガスポンプを使用したハイブリッド式 GHP の暖房性能改善効果をモリエル線図で示す．

式は，ガスポンプ式，ガスインジェクション式，長寿命，長時間メンテナンス間隔可能な GHP 用液ヘッド式等がある．
ガスポンプ式では当社と新エネルギー・産業エンジンを利用し，冷媒圧縮機の代わりに発電機技術総合開発機構（NEDO）と共同研究していを接続し，また排熱を温水として取り出し，電気る及び温水利用の小容量コージェネレーションシス

コージェネレーション機能を持つハイブリ

ッドガスヒートポンプシステムの研究の１アイテムとして研究開発を実施している．ガスポ
ンプを利用したハイブリッド式 GHP の計算例
環境

GHP の暖房回路の代わりに，エンジン排熱の熱して取り出し，ボイラによる温水利用方式に比較し効性率の優れたシステムが提案できる．特にボイラ暖房（1）冷媒
オゾン層破壊係数（2）エンジン排熱利用エネルギーと外気の熱エネルギーを汲み上げ温水とを図５に示す．
4．2

テムへの展開が考えられる．

０の冷媒の使用は今後もが普及している地域で直膨式冷房システムと既設温HFC410A

水配管を組合せ利用する場合，最適なシステムであ継続するが，より取扱の容易な冷媒への転換を進めている．長期的には，自然冷媒を使用した場合の研究も実施してゆく．
（2）CO2 削減

ると考えられる．

6．まとめ

定格時のシステム効率向上を行うとともに，実使GHP の技術開発は，現在まで省エネルギーのため用上運転時間が多く占める軽負荷時のシステム効の効率向上と環境改善のための低 NOx 化に重点をお率向上（エンジン効率と圧縮機効率の組合せ効率のき実施してきた．

良い運転）を行うことで，年間 CO2 削減を図る．
（3）NOx 12 モード値
エンジンの NOx 排出量低減と効率向上は，相反する技術課題である．今後は効率向上に軸足をおくとともに引き続き NOx 排出量の低減について，今後は，効率向上をさらに進歩させるよう技術開発を行うとともに，環境改善のための低 NOx 化，及び冷媒変更の技術開発も進める．
また GHP 技術を利用し新しい製品への展開もすすめ，GHP 市場の拡大を図る．

混合気乱れ制御，限界希薄燃焼制御，触媒等も含め技術開発を行う．

5．GHP 技術利用製品
GHP 技術は業務用空調機としてのみでなく，その技術を利用し機能を付加した製品展開が今後広く考えられる．一例を以下に示す．
（1）GHP 用エンジン利用

加藤忠広

笠木司

森島立二

三菱重工技報 Vol.41 No.2（2004-3）