(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機と、前記圧縮機の電動機を駆動するインバータ装置とを備えた空気調和装置であって、
前記インバータ装置は、
前記圧縮機を駆動するパワーモジュールと、
前記パワーモジュールを制御する制御部と、
前記パワーモジュールの温度を検知する温度検知部と、
を備え、
前記電動機が設置された範囲より下方に、第１の液冷媒滞留範囲及び当該第１の液冷媒滞留範囲より下方の第２の液冷媒滞留範囲が設定され、
前記パワーモジュールは、
ワイドギャップ半導体素子でスイッチング素子が形成され、
前記圧縮機の外郭のうち、前記第１の液冷媒滞留範囲に対応する位置に、伝熱部材を介して取り付けられ、
前記電動機に電流を流し、
前記制御部は、
前記圧縮機が停止している状態で、
前記スイッチング素子により前記電動機に電流を流し、当該電動機を加熱する拘束通電を実行し、
前記パワーモジュールの温度変化率に応じて、前記圧縮機の液冷媒の液面高さが、前記第１の液冷媒滞留範囲及び前記第２の液冷媒滞留範囲の何れであるかを推定する
ことを特徴とする空気調和装置。
【請求項２】
前記制御部は、
前記温度検知部で検知した温度に基づいて、時間当たりの温度変化率を演算し、
前記拘束通電を実行中に、前記時間当たりの温度変化率が変化したときには、
前記パワーモジュールが前記電動機に流す電流を止める
ことを特徴とする請求項１に記載の空気調和装置。
【請求項３】
前記パワーモジュールは、
前記拘束通電の際、高周波欠相電流を流す
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の空気調和装置。
【請求項４】
前記パワーモジュールは、
前記拘束通電の際、高周波交流電流を流す
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の空気調和装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空気調和装置に関し、特に、圧縮機に冷媒が寝込むのを防止することができる空気調和装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の空気調和装置は、圧縮機に冷媒が寝込むのを防止するために、空調運転を停止させた後、圧縮機のモータ巻線に微弱電流を流していた。（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平８−２２６７１４号公報（請求項１参照）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、空気調和装置が圧縮機のモータ巻線に微弱電流を流したとき、圧縮機のモータを駆動させるパワーモジュールにも同時に一定の電流が流れた。そのため、空気調和装置は、モータ巻線に微弱電流を流し続けようとしても、パワーモジュールの耐熱温度を超える電流を流し続けることができなかった。
【０００５】
したがって、空気調和機は、圧縮機のモータ巻線に微弱電流を流し続けることができなかった。そのため、空気調和機は、圧縮機に冷媒が寝込むのを防止することができないことがあった。
【０００６】
本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたもので、冷媒が寝込むのを防止することができる空気調和装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の空気調和装置は、圧縮機と、前記圧縮機の電動機を駆動するインバータ装置とを備えた空気調和装置であって、前記インバータ装置は、前記圧縮機を駆動するパワーモジュールと、前記パワーモジュールを制御する制御部と、前記パワーモジュールの温度を検知する温度検知部と、を備え、前記電動機が設置された範囲より下方に、第１の液冷媒滞留範囲及び当該第１の液冷媒滞留範囲より下方の第２の液冷媒滞留範囲が設定され、前記パワーモジュールは、ワイドギャップ半導体素子でスイッチング素子が形成され、前記圧縮機の外郭のうち、前記第１の液冷媒滞留範囲に対応する位置に、伝熱部材を介して取り付けられ、前記電動機に電流を流し、前記制御部は、前記圧縮機が停止している状態で、前記スイッチング素子により前記電動機に電流を流し、当該電動機を加熱する拘束通電を実行し、前記パワーモジュールの温度変化率に応じて、前記圧縮機の液冷媒の液面高さが、前記第１の液冷媒滞留範囲及び前記第２の液冷媒滞留範囲の何れであるかを推定するものである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明は、圧縮機に冷媒が寝込むのを防止することができることにより、空気調和装置の長期間の使用を可能にすることができるという効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施の形態１における空気調和装置１の冷媒回路１１の配管系統図である。
【図２】本発明の実施の形態１における圧縮機２１の外観構成を示す概略図である。
【図３】本発明の実施の形態１におけるインバータ装置３１の構成を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態１における圧縮機２１の内部構成を概略的に示す断面図である。
【図５】本発明の実施の形態１における電源投入後の拘束通電の実行時間を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態１における運転停止後の拘束通電の実行タイミングを示す図である。
【図７】本発明の実施の形態１における拘束通電の実行時間とパワーモジュールの排熱時の拘束通電の実行時間との比較を示す図である。
【図８】本発明の実施の形態２における液冷媒の滞留範囲を示す図である。
【図９】本発明の実施の形態２における液面高さの違いによる温度の時間変化率を示す図である。
【図１０】本発明の実施の形態２における液冷媒の滞留範囲の違いによる温度の時間変化率を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。
【００１１】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における空気調和装置１の冷媒回路１１の配管系統図である。図１に示すように、空気調和装置１は、冷媒回路１１を備え、冷房運転や暖房運転により室内に冷風や温風等を供給する。
【００１２】
冷媒回路１１は、冷媒が充填されており、冷媒配管内を冷媒が循環することで蒸気圧縮式の冷凍サイクルを行うものである。充填される冷媒は、例えば、アンモニア冷媒やフロン冷媒であるが、これらに限定されるものではない。
【００１３】
冷媒回路１１は、圧縮機２１、室内熱交換器２２、膨張弁２３、及び室外熱交換器２４が接続されて形成されるものである。
【００１４】
圧縮機２１は、図示しない室外機に設置され、冷媒蒸気を圧縮するものである。圧縮機２１は、例えば、ロータリー型の圧縮機であって、後述するインバータ装置３１によって駆動制御されている。
【００１５】
室内熱交換器２２は、図示しない室内機に設置され、圧縮機２１から供給された冷媒と室内の空気とを熱交換するものであり、あるいは、膨張弁２３から供給された冷媒と室内の空気とを熱交換するものである。また、室内熱交換器２２には、室内ファン２６が対で形成され、室内ファン２６は、図示しない室内機に設置されている。また、室内熱交換器２２は、例えば、フィンや伝熱器がアルミから形成されるものである。
【００１６】
膨張弁２３は、図示しない室外機に設置され、冷媒を減圧する減圧手段であり、例えば、電子膨張弁で形成されている。膨張弁２３は、室内熱交換器２２から供給された冷媒を減圧して室外熱交換器２４へ供給し、あるいは、室外熱交換器２４から供給された冷媒を減圧して室内熱交換器２２へ供給する。
【００１７】
室外熱交換器２４は、図示しない室外機に設置され、膨張弁２３から供給された冷媒と室外の空気とを熱交換するものであり、あるいは、圧縮機２１から供給された冷媒と室外の空気とを熱交換するものである。また、室外熱交換器２４には、室外ファン２７が対で形成され、室外ファン２７は、図示しない室外機に設置されている。また、室外熱交換器２４は、例えば、フィンや伝熱器がアルミから形成されるものである。
【００１８】
四路切換弁２５は、図示しない室外機に設置され、第１から第４までの４つのポートを形成しており、冷房運転や暖房運転等の運転状態に応じて、冷媒回路内の接続関係を切り換えるものである。四路切換弁２５は、第１ポート４５が圧縮機２１の吐出側である吐出管９１（図２で後述する）と接続されている。四路切換弁２５は、第２ポート４６が室内熱交換器２２と接続されている。四路切換弁２５は、第３ポート４７が圧縮機２１の吸入側である吸入管７１（図２で後述する）と接続されている。四路切換弁２５は、第４ポート４８が室外熱交換器２４と接続されている。四路切換弁２５は、図１の実線で示すように、第１ポート４５と第２ポート４６とがつながっているときには、第３ポート４７と第４ポート４８とがつながっている状態となる。また、四路切換弁２５は、図１の破線で示すように、第１ポート４５と第４ポート４８とがつながっているときには、第２ポート４６と第３ポート４７とがつながっている状態となる。そして、暖房運転のときには、第１ポート４５と第２ポート４６とがつながっている状態となり、第３ポート４７と第４ポート４８とがつながっている状態となる。また、冷房運転のときには、第１ポート４５と第４ポート４８とがつながっている状態となり、第２ポート４６と第３ポート４７とがつながっている状態となる。
【００１９】
室内ファン２６は、室内の空気を吸い込み、吸い込んだ室内の空気と室内熱交換器２２内部を流れる冷媒とが熱交換された空気を室内に送り出すものである。
【００２０】
室外ファン２７は、室外熱交換器２４内部を流れる冷媒と室外の空気とが熱交換された空気を図示しない室外機の外へ排出するものである。
【００２１】
インバータ装置３１は、詳細については後述するが、電装品部４１、パワーモジュール４２、及び伝熱部４３から形成されており、圧縮機２１の駆動を制御し、パワーモジュール４２の熱を伝熱部４３を介して圧縮機２１へ供給するものである。
【００２２】
電装品部４１は、後述するコンバータ回路１１１、インバータ回路１１２、及び制御用ＣＰＵ１１３を含むものである。電装品部４１は、例えば、室外機の電気品箱（図示せず）内に形成されるものである。
【００２３】
ただし、パワーモジュール４２は、図３で後述するように、回路構成上はインバータ回路１１２に含まれるものであるものの、インバータ回路１１２の主要素子が実装されている電装品部４１の内部ではなく、電装品部４１の外部に設けられている。
【００２４】
パワーモジュール４２は、ワイドバンドギャップ素子で形成されるものとし、周波数が可変な交流を生成するものである。ワイドバンドギャップ素子は、窒化ガリウム（ＧａＮ）等の窒化物半導体、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、又はダイヤモンド等のように、バンドギャップが２［ｅＶ］よりも大きな半導体のことであり、耐熱性の高い素子である。例えば、窒化ガリウム（ＧａＮ）のバンドギャップは、３．４［ｅＶ］であり、炭化ケイ素（ＳｉＣ）のバンドギャップは、３．２［ｅＶ］である。また、窒化ガリウム（ＧａＮ）の絶縁破壊電界強度は、３．０［ＭＶ／ｃｍ］であり、炭化ケイ素（ＳｉＣ）の絶縁破壊電界強度は、３．０［ＭＶ／ｃｍ］である。また、従来から回路素子の材料として利用されているシリコン（Ｓｉ）は、バンドギャップが１．１［ｅＶ］であり、絶縁破壊電界強度が０．３［ＭＶ／ｃｍ］である。
【００２５】
絶縁破壊電界強度が大きく、バンドギャップ幅が大きいということは、耐圧を維持しつつ、素子を薄くしてオン抵抗を低くすることができることを意味する。オン抵抗を低くすることができれば、電力損失を低減させることができる。電力損失を低減させることができることにより、発熱量が減る。発熱量が減ることにより、モジュールを小型化して熱容量が小さくなったとしても、温度が上昇しにくくなる。
【００２６】
ここでいうバンドギャップとは、物質内部で、電子の存在できないエネルギー領域のことである。また、ここでいう絶縁破壊電界強度とは、半導体や絶縁体において、絶縁破壊を引き起こす最大電界強度である。
【００２７】
すなわち、ワイドバンドギャップ素子は、従来のシリコンで形成される素子と比較して、バンドギャップ幅が約３倍広く、絶縁破壊電界強度が約１０倍大きい。そのため、耐熱性や耐電圧性がシリコンで形成される素子よりも優れている。耐熱性が優れているということは、高温での動作が可能ということを意味する。よって、ワイドバンドギャップ素子を用いることにより、冷却構造を小型化することができる。
【００２８】
さらに、窒化ガリウム（ＧａＮ）や炭化ケイ素（ＳｉＣ）は、シリコン（Ｓｉ）に比べて、電界飽和速度が速い。具体的には、窒化ガリウム（ＧａＮ）の場合、２．７［１×１０7ｃｍ／ｓ］であり、炭化ケイ素（ＳｉＣ）の場合、２．０［１×１０7ｃｍ／ｓ］であり、シリコン（Ｓｉ）の場合、１．０［１×１０7ｃｍ／ｓ］である。電界飽和速度が速いということは、高周波駆動が可能なことを意味するものである。高周波駆動が可能であることにより、周辺部品を小型化することができる。
【００２９】
パワーモジュール４２は、従来であれば、シリコンで形成される素子を用いていた。そのため、高温に弱いため、耐熱性に優れていなかった。また、シリコンで形成される素子により、電力損失が大きかったため、発熱量も大きく、モジュールを小型化することはできなかった。また、電力損失が大きかったため、外部へノイズを出すことが多かった。そのため、従来においては、パワーモジュール４２は電装品部４１内部に設けられ、かつ、ヒートシンク等を取り付けて放熱しなければならなかった。このため、シリコンで形成された素子でパワーモジュール４２を形成した場合、パワーモジュール４２は、構造的な制約を受けることとなる。
【００３０】
一方、本発明においては、パワーモジュール４２は、上記で説明したバンドギャップ素子を用いてスイッチング素子を実装することとしている。そのため、高温に強いため、耐熱性に優れており、電力損失が小さいため、発熱量も少なく、モジュールを小型化することができる。また、電力損失が小さいため、外部へノイズを出しにくくなる。そのため、従来に比べて、パワーモジュール４２は電装品部４１内部に設けられる必要はなく、かつ、ヒートシンク等を取り付けて放熱する必要もない。このため、バンドギャップ素子でパワーモジュール４２を形成した場合、パワーモジュール４２は、構造的な制約を受けることがなくなる。よって、本発明においては、パワーモジュール４２を電装品部４１から物理的に離れた場所に設けることができるのである。
【００３１】
伝熱部４３は、伝熱部材のことであり、パワーモジュール４２の熱を効率的に圧縮機２１の外郭へ伝えるものである。伝熱部４３は、圧縮機２１の外郭表面に対して面で接する形状で形成されている。伝熱部４３は、熱伝導率の高い材質で形成されており、例えば、アルミや銅から形成されるものである。また、伝熱部４３は、後述する温度検知用サーミスタ４４を設けている。
【００３２】
ここで、室外機は、機械室と送風機室との空間に内部で分かれている（いずれも図示せず）。圧縮機２１、インバータ装置３１、膨張弁２３、及び四路切換弁２５は、室外機内において、板金で密閉された空間である機械室（図示せず）内部に配置されている。また、室外熱交換器２４及び室外ファン２７は、機械室とは別の領域である送風機室内部に配置されている。
【００３３】
なお、上記で説明した空気調和装置１の各構成は一例を示すものであり、これらに限定されるものではない。
【００３４】
次に、圧縮機２１の外観について図２を用いて説明し、圧縮機２１を駆動制御するインバータ装置３１について図３を用いて説明する。
【００３５】
図２は、本発明の実施の形態１における圧縮機２１の外観構成を示す概略図である。図２に示すように、圧縮機２１は、天板部８１、胴部８２、及び底板部８３を溶接等でつなげることにより内部に密閉空間が形成されるものである。天板部８１、胴部８２、及び底板部８３は、例えば、鉄等の金属材料で形成されている。
【００３６】
天板部８１は、吐出管９１を備え、吐出管９１は、図１に示す第１ポート４５と冷媒配管を介して接続されている。吐出管９１は、圧縮機２１で圧縮された冷媒を圧縮機２１の外部へ吐出するものである。また、天板部８１は、パワーモジュール４２からの信号ライン５３が接続されている。圧縮機２１は、信号ライン５３を介してパワーモジュール４２からの指令を受けることで、後述するブラシレス直流モータ１０２を駆動制御するものである。つまり、圧縮機２１は、信号ライン５３を介してインバータ装置３１と電気的に接続されている。そして、後述する冷媒の寝込みを防止する拘束通電時には、信号ライン５３を介して微弱電流がブラシレス直流モータ１０２に流される。拘束通電の指令は、電装品部４１から信号ライン５１を介してパワーモジュール４２に伝達される。また、温度検知用サーミスタ４４からの検出信号は、信号ライン５２を介して電装品部４１へ供給される。
【００３７】
ここで、信号ライン５１、５２は、例えば、１［ｍ］程の長さから形成される信号線のことである。すなわち、パワーモジュール４２を形成する際、ＳｉＣ等のワイドギャップ半導体素子を用いることで、電装品部４１と、パワーモジュール４２とは、１［ｍ］程の距離を隔てて電気的に接続させることが可能である。
【００３８】
胴部８２は、上接続管７２及び下接続管７３を介して吸入マフラー６１と接続されている。吸入マフラー６１は、吸入管７１、上接続管７２、及び下接続管７３を備えており、図１に示す冷媒回路１１から冷媒配管を介して供給された冷媒を吸入し、圧縮機２１へ供給するものである。吸入管７１は、吸入マフラー６１の上端に設けられており、上接続管７２及び下接続管７３は、吸入マフラー６１の下端に設けられている。具体的には、吸入管７１は、冷媒回路１１から冷媒配管を介して冷媒を吸入後、上接続管７２を介して上圧縮室１２４（図４で後述する）に冷媒を供給し、下接続管７３を介して下圧縮室１２５（図４で後述する）に冷媒を供給する。
【００３９】
図３は、本発明の実施の形態１におけるインバータ装置３１の構成を示す図である。図３に示すように、インバータ装置３１は、コンバータ回路１１１、インバータ回路１１２、制御用ＣＰＵ１１３、及び温度検知用サーミスタ４４から形成されている。
【００４０】
コンバータ回路１１１は、交流電源１０１と接続されており、交流電源１０１から供給された交流を整流して直流に変換するものである。具体的には、コンバータ回路１１１は、例えば、交流リアクトル、ダイオードブリッジ、シャント抵抗、パワースイッチ素子、及び電解コンデンサ等から形成されており（いずれも図示せず）、交流を整流し、整流した直流を平滑化し、平滑化した直流をインバータ回路１１２に供給するものである。なお、ここでいう交流電源１０１は、商用電源のことである。
【００４１】
インバータ回路１１２は、コンバータ回路１１１、制御用ＣＰＵ１１３、及びブラシレス直流モータ１０２と接続されている。インバータ回路１１２は、制御用ＣＰＵ１１３の指令に応じて、コンバータ回路１１１から供給された平滑された直流を、ＰＷＭ信号に変換して圧縮機２１内部にあるブラシレス直流モータ１０２（図４で後述する）に供給して、ブラシレス直流モータ１０２を駆動制御するものである。
【００４２】
具体的には、インバータ回路１１２は、スナバコンデンサ（図示せず）、シャント抵抗（図示せず）、及びパワーモジュール４２等から形成されている。パワーモジュール４２は、回路構成としては、インバータ回路１１２に含まれるものであるが、物理構成としては、図１、図２、後述する図４及び図８で示すように、他の素子とは離れた位置に備えられている。
【００４３】
パワーモジュール４２は、コンバータ回路１１１から供給された直流出力をスイッチングすることでＰＷＭ信号を生成する。パワーモジュール４２は、生成したＰＷＭ信号をブラシレス直流モータ１０２に供給する。ブラシレス直流モータ１０２は、供給されたＰＷＭ信号により、回転磁界を発生させ、回転を制御する。
【００４４】
温度検知用サーミスタ４４は、所定の周期で、パワーモジュール４２の温度を伝熱部４３を介して検出し、検出結果を制御用ＣＰＵ１１３に供給する。
【００４５】
制御用ＣＰＵ１１３は、外部からの制御信号と温度検知用サーミスタ４４の検出結果とＰＷＭ信号とに基づいて、パワーモジュール４２のドライバ（図示せず）を制御している。これにより、パワーモジュール４２は、さまざまな条件に基づいて、その条件に適したスイッチング周波数でパワーモジュール４２内部に実装されているスイッチング素子であるバンドギャップ素子をスイッチングさせる。この結果、ブラシレス直流モータ１０２が、条件に応じた回転速度で回転し、出力トルクを生成する。それにより、圧縮機２１は、条件に応じて駆動されることとなる。
【００４６】
なお、「温度検知用サーミスタ４４」は、本発明における「温度検知部」に相当する。
なお、「制御用ＣＰＵ１１３」は、本発明における「制御部」に相当する。
【００４７】
次に、本発明の要部であるパワーモジュールの排熱構成について図４を用いて説明する。
【００４８】
図４は、本発明の実施の形態１における圧縮機２１の内部構成を概略的に示す断面図である。図４に示すように、圧縮機２１は、ブラシレス直流モータ１０２、圧縮機構部１２３を含むものである。なお、図２と同様の符号については、その説明を省略することとする。
【００４９】
ブラシレス直流モータ１０２は、ステータ１３１とロータ１３２から形成され、パワーモジュール４２から供給されたＰＷＭ信号によりステータ１３１で回転磁界を発生させ、それにより、ロータ１３２を回転させることで、ロータ１３２に固定されているクランクシャフト１２２を回転させるものである。
【００５０】
ステータ１３１は、巻線、鉄心、及び基板等から形成されるものであり（いずれも図示せず）、供給されたＰＷＭ信号に基づいて基板から巻線に電流を流し、鉄心に所定回数巻き付けられた巻線が誘導磁界を生むことで、ロータ１３２に対して回転磁界を生じさせるものである。
【００５１】
ロータ１３２は、永久磁石で形成され、ステータ１３１で生じさせた回転磁界により回転するものである。ロータ１３２にはクランクシャフト１２２が固定されており、クランクシャフト１２２は、自身の回転に連動して偏芯回転するクランクシャフト上偏芯部１２２ａ及びクランクシャフト下偏芯部１２２ｂを備えている。
【００５２】
なお、「ブラシレス直流モータ１０２」は、本発明における「電動機」に相当する。
【００５３】
圧縮機構部１２３は、上圧縮室１２４及び下圧縮室１２５から形成されている。上圧縮機室１２４は、フレーム１４１、上シリンダ１４２、及び仕切り板１４３から形成されている。下圧縮室１２５は、仕切り板１４３、下シリンダ１４４、及びシリンダヘッド１４５から形成されている。上シリンダ１４２は、上接続管７２に接続されており、クランクシャフト上偏芯部１２２ａの偏芯回転により駆動し、冷媒を圧縮する。下シリンダ１４４は、下接続管７３に接続されており、クランクシャフト下偏芯部１２２ｂの偏芯回転により駆動し、冷媒を圧縮する。
【００５４】
具体的には、冷媒回路１１から吸入される冷媒が吸入管７１を介して吸入マフラー６１の内部に吸い込まれる。ロータ１３２が回転すると、クランクシャフト１２２が回転する。クランクシャフト１２２は回転すると、クランクシャフト上偏芯部１２２ａにより、図示しない上ローリングピストンが偏芯回転し、同時に、クランクシャフト下偏芯部１２２ｂにより、図示しない下ローリングピストンが偏芯回転する。このとき、冷媒は、上接続管７２を介して上シリンダ１４２に供給される。同時に、冷媒は、下接続管７３を介して下シリンダ１４４に供給される。そして、上ローリングピストンと上ベーン（図示せず）とにより冷媒は圧縮され、また、下ローリングピストンと下ベーン（図示せず）とにより冷媒は圧縮され、圧縮された冷媒は、吐出管９１により外部に吐出される。
【００５５】
第１の液面高さ１５１は、底板部８３から吐出管９１への方向を上としたとき、ブラシレス直流モータ１０２の下端部の高さに設定されるものであり、液冷媒の高さの第１の閾値を示すものである。
【００５６】
第２の液面高さ１５２は、底板部８３から吐出管９１への方向を上としたとき、上シリンダ１４２の上端部近傍の高さに設定されるものであり、液冷媒の高さの第２の閾値を示すものである。
【００５７】
設置範囲１６１は、第１の液面高さ１５１と第２の液面高さ１５２との間の範囲のことであり、この範囲にパワーモジュール４２を伝熱部４３を介して圧縮機２１の外郭に設置することとする。
【００５８】
パワーモジュール４２を設置範囲１６１に設けることにより、パワーモジュール４２で発生した熱を伝熱部４３を介して圧縮機２１の外郭に供給し、圧縮機２１の外郭から圧縮機の内部へ供給する。このように、設置範囲１６１にパワーモジュール４２の設置範囲を限定することにより、的確に圧縮機２１の内部に熱を供給する。すなわち、第１の液面高さ１５１から上の範囲においては、通常通り、ステータ１３１の構成要素である巻線により、熱を供給することができる。これに対して、設置範囲１６１における圧縮機２１の内部空間に滞留する液冷媒には、ステータ１３１の構成要素である巻線では十分に熱を供給することができない。そこで、その範囲にパワーモジュール４２から熱を供給するのである。
【００５９】
なお、上記で説明した圧縮機２１の構成はツインロータリ形圧縮機の一例を示すものであり、これに限定されるものではない。例えば、シングルロータリ形圧縮機であってもよいことは言うまでもないことである。
【００６０】
次に、冷媒の寝込みを防止する拘束通電について一般的な現象を説明後、図５〜図７を用いて説明する。
【００６１】
まず、一般的な現象について説明する。
【００６２】
低温状態で圧縮機２１の運転が停止している場合を想定する。このとき、外気温度が上昇すると、外気温度から室外機に熱が伝達される。室外機に熱が伝達されると、室外機の内部にある室外熱交換器２４や圧縮機２１等にも熱が伝達される。
【００６３】
ただし、室外熱交換器２４はアルミで形成されており、圧縮機２１は鉄で形成されている。よって、圧縮機２１に比べて、室外熱交換器２４の方が熱伝導率は高い。そのため、室外熱交換器２４の方が外気温度の上昇の変化に伴い温度は早く上昇する。それにより、室外熱交換器２４と圧縮機２１とでは温度差が生じることとなる。温度差が生じるということは、室外熱交換器２４と圧縮機２１とで圧力差が生じていることを意味する。そのため、低温状態で圧縮機２１の運転が停止しているときに外気温度が上昇すると、室外熱交換器２４は高圧側となり、圧縮機２１は低圧側となる。その結果、圧縮機２１へ冷媒が集まり、液冷媒が圧縮機２１の内部へ溜まり込む現象（以下、冷媒寝込み現象という）が発生する。
【００６４】
冷媒寝込み現象が発生すると、圧縮機２１を停止中の状態から稼働状態に移行させたとき、起動負荷が大きくなる。そのため、圧縮機２１が破損してしまうことがあった。また、起動負荷が大きいため、大きな起動電流が流れることによりシステム異常が発生することがあった。このような状態になると、圧縮機２１を再起動させることができないことがあった。
【００６５】
そのため、一般的に、冷媒寝込み現象を防止する対策として、室外機に電源を投入した際に、一定時間、パワーモジュール４２を形成するパワー素子等のスイッチング素子により、ブラシレス直流モータ１０２の巻線に対して、圧縮機２１が駆動しない高周波交流電圧を印加している。このようにして巻線に電流を流すことを拘束通電と称することとする。このようにすることで、巻線は加熱され、巻線から発生する熱により圧縮機２１内部に溜まった液冷媒を圧縮機２１から排出している。このように室外機への電源投入後の拘束通電について図５を用いて説明する。
【００６６】
図５は、本発明の実施の形態１における電源投入後の拘束通電の実行時間を示す図である。図５に示すように、電源投入後、実行時間１７１で示す所定時間の間、拘束通電は実行される。実行時間１７１は、例えば、４時間である。
【００６７】
なお、ここでは、４時間、拘束通電を実行する一例について説明したが、これに限定されるものではない。室外機内において、室外熱交換器２４と圧縮機２１とで温度差がほとんどない状態となり、冷媒寝込み現象が生じないようにすればよい。
【００６８】
次に、冷媒寝込み現象を防止する対策として別の一例について図６を用いて説明する。
【００６９】
図６は、本発明の実施の形態１における運転停止後の拘束通電の実行タイミングを示す図である。図６においては、圧縮機２１の運転停止後に拘束通電が実行される場合を想定している。図６に示すように、圧縮機２１の運転停止後、所定時間が経過した後、実行タイミング１９１、１９２、１９３、・・・で示す所定間隔で、拘束通電は実行される。実行タイミング１９１、１９２、１９３、・・・を総称するときには実行タイミング１９０と称することとする。
【００７０】
ここで、圧縮機２１の運転停止後の最初の所定時間は、例えば、３０分である。また、実行タイミング１９１は、例えば、３０分であり、実行タイミング１９２は、例えば、３０分であり、実行タイミング１９３は、例えば、３０分である。図６に示すように、圧縮機２１の運転停止後は、次に、圧縮機２１が運転を再開するまでは、常に所定間隔で、冷媒寝込み現象を防止する拘束通電が実行されることとなる。
【００７１】
図５及び図６で示すように、拘束通電は長期間にわたって実行されるものである。そのため、パワーモジュール４２を構成するスイッチング素子は、耐熱性が低ければ、破壊されてしまうことがあり、拘束通電を続けるためには、拘束通電をスイッチング素子の耐熱性が維持できる範囲で行う必要があった。そのため、従来においては、十分に拘束通電をできないことがあった。そこで、上記で説明したワイドバンドギャップ素子を用いてパワーモジュール４２を構成するのである。これにより、耐熱性の高い素子がパワーモジュール４２に利用されることとなる。よって、図５及び図６で示したように長期間にわたって拘束通電を実行できる。また、ワイドバンドギャップ素子を用いたとしても、耐熱性には限度がある。そこで、上記で説明したように、設置範囲１６１にパワーモジュール４２を設けるのである。これにより、パワーモジュール４２の排熱を効率良く行うことができる。
【００７２】
また、図４に示すように、設置範囲１６１にパワーモジュール４２を設けることにより、拘束通電による液冷媒への加熱に加え、パワーモジュール４２による液冷媒の加熱を行うことができるようになる。例えば、従来においては、拘束通電に２５［Ｗ］使用していたと想定する。このとき、パワーモジュール４２のモジュール損失が２５［Ｗ］であったとする。この場合、従来であれば、常に、モジュール損失として２５［Ｗ］を捨てていたことになり、それだけ電力を無駄に消費していたことになる。本実施の形態においては、この捨てていたモジュール損失を後述する図７に示すように冷媒寝込み現象の防止に利用するものである。
【００７３】
図７は、本発明の実施の形態１における拘束通電の実行時間とパワーモジュールの排熱時の拘束通電の実行時間との比較を示す図である。図７に示すように、拘束通電だけの場合、実行時間２０１で示す時間の間、拘束通電が実行される。これに対して、図７に示すように、パワーモジュール４２の排熱を利用した状態で拘束通電する場合、実行時間２０２で示す時間の間、拘束通電が実行される。つまり、差分２１１の分だけ拘束通電の時間を短縮できることになる。
【００７４】
次に、上記の構成を前提として、空気調和装置１の動作について説明する。
【００７５】
空気調和装置１は、冷房運転、暖房運転、及び拘束通電の何れかを行うことができることとする。インバータ装置３１は、圧縮機２１の駆動を制御することで、冷房運転、暖房運転、及び拘束運転の何れかを行う。
【００７６】
冷房運転の場合には、四路切換弁２５は、図１の破線で示す状態となる。また、膨張弁２３及び室外ファン２７は上記で説明した所定の動作を実行する。また、圧縮機２１は、上記で説明したように、所定の周波数と出力トルクで駆動される。その結果、吸入管７１から吸入された冷媒が圧縮機２１により圧縮されて高圧冷媒となり、吐出管９１から吐出される。
【００７７】
暖房運転の場合には、四路切換弁２５は、図１の実線で示す状態となる。また、膨張弁２３及び室外ファン２７は上記で説明した所定の動作を実行する。また、圧縮機２１は、上記で説明したように、所定の周波数と出力トルクで駆動される。その結果、吸入管７１から吸入された冷媒が圧縮機２１により圧縮されて高圧冷媒となり、吐出管９１から吐出される。
【００７８】
拘束通電の場合には、制御用ＣＰＵは、外気温度が上昇していることを、温度検知用サーミスタ４４により検知する。制御用ＣＰＵは、外気温度が上昇していることを検知すると、ステータ１３１に設けられている巻線に電流を流す拘束通電を開始する。
【００７９】
具体的には、巻線の三相のうち、二相のみに高周波欠相電流を流す。例えば、パワーモジュール４２は、高周波欠相電流を図６に示す実行タイミング１９０で流す。つまり、この場合においては、パワーモジュール４２は、間欠的に高周波欠相電流を巻線に流すことになる。これにより、巻線では銅損による熱が発生する。同時に、パワーモジュール４２は、巻線に電流を流し続けることにより、モジュール損失が生じて本体の温度であるモジュール温度が上昇する。この熱は、伝熱部４３を介して図４に示す設置範囲１６１に供給される。この結果、パワーモジュール４２自体も冷却される。これらにより、圧縮機２１内部には、全体にわたって、まんべんなく熱が液冷媒に伝達される。
【００８０】
また、高周波欠相電流ではなく、圧縮機２１のブラシレス直流モータ１０２の運転周波数範囲外の周波数成分により、巻線を加熱する場合もある。この場合には、圧縮動作時の運転周波数（〜１ｋＨｚ）よりも高い周波数で動作させ、高周波電圧をブラシレス直流モータ１０２に印加する。このようにすると、回転トルクや振動が発生することなく、また、高周波電圧印加によって、巻線インピーダンスが高くなり、巻線に流れる電流が小さくなって銅損は減るものの、その分、高周波電圧印加による鉄損が発生し、効果的に巻線を加熱することができる。同時に、パワーモジュール４２は、上記で説明したように圧縮機２１に熱を供給する。よって、この場合においても、圧縮機２１内部には、全体にわたって、まんべんなく熱が液冷媒に伝達される。
【００８１】
このようにすることで、パワーモジュール４２によって、圧縮機２１内部に滞留している液冷媒に熱を排出することができる。これにより、パワーモジュール４２の温度上昇を抑制し、長期間にわたる拘束通電を行うことができる。
【００８２】
また、巻線により加熱に加え、パワーモジュール４２によって加熱を行うため、巻線への通電時間を短縮することができる。これにより、消費電力量を抑制することができる。
【００８３】
また、巻線による加熱に加え、パワーモジュール４２によって加熱を行うため、巻線への通電量を低減することができる。これにより、消費電力量を抑制することができる。
【００８４】
また、拘束通電を行う処理というのは、いわゆる待機電力を消費している処理に相当することとなるが、拘束通電の消費電力量を抑制することができるので、待機電力を削減させることができる。よって、欧州ＥｕＰ指令（Ｄｉｒｅｃｔｉｖｅ  ｏｎ  Ｅｃｏ−Ｄｅｓｉｇｎ  ｏｆ  Ｅｎｅｒｇｙ−ｕｓｉｎｇ  Ｐｒｏｄｕｃｔｓ）や豪州ＭＥＰＳ（Ｍｉｎｉｍｕｍ  Ｅｎｅｒｇｙ  Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  Ｓｔａｎｄａｒｄｓ）に適合させることができる。さらに、ＡＰＦ（Ａｎｎｕａｌ  Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  Ｆａｃｔｏｒ）に待機電力を削減させる項目が追加された場合であっても、拘束通電の消費電力を低減させることができることにより、そのようなＡＰＦに対しても適合させることができる。
【００８５】
以上のように、本実施の形態１においては、圧縮機２１と、圧縮機２１のブラシレス直流モータ１０２を駆動するインバータ装置３１とを備えた空気調和装置１であって、インバータ装置３１は、圧縮機２１を駆動するパワーモジュール４２を備え、パワーモジュール４２は、ブラシレス直流モータ１０２が設置された範囲より下の範囲の圧縮機２１の外郭に取り付けられており、ブラシレス直流モータ１０２に電流を流すことにより、圧縮機２１に冷媒が寝込むのを防止することができる。
【００８６】
また、本実施の形態１においては、パワーモジュール４２は、ワイドギャップ半導体素子でスイッチング素子を形成し、伝熱部４３を介して外郭に取り付けられ、圧縮機２１が停止したときには、ブラシレス直流モータ１０２を加熱する電流を流す拘束通電を実行するものであり、拘束通電を実行するときには、スイッチング素子によりブラシレス直流モータ１０２に電流を流し、スイッチング素子の発熱を伝熱部４３を介して圧縮機２１に供給することにより、パワーモジュール４２によって、圧縮機２１内部に滞留している液冷媒に熱を排出することができる。これにより、パワーモジュール４２の温度上昇を抑制し、長期間にわたる拘束通電を行うことができる。
【００８７】
実施の形態２．
実施の形態１との相違点は、パワーモジュール４２が圧縮機２１内部の液冷媒の高さを検知する処理を追加した点である。
【００８８】
なお、本実施の形態２において、特に記述しない項目については実施の形態１と同様とし、同一の機能や構成については同一の符号を用いて述べることとする。
【００８９】
図８は、本発明の実施の形態２における液冷媒の滞留範囲を示す図である。図８に示すように、第１の液面高さ１５１と第２の液面高さ１５２との間においては、第１の液冷媒滞留範囲２２１が設定され、第２の液面高さ１５２と第３の液面高さ１５３との間においては、第２の液冷媒滞留範囲２２２が設定されることとする。
【００９０】
第１の液冷媒滞留範囲２２１は、液冷媒がその範囲に滞留していることを意味するものである。すなわち、その範囲内に液冷媒が滞留していれば、パワーモジュール４２からの熱は、圧縮機２１に滞留している液冷媒に伝達されるため、温度検知用サーミスタ４４が検知するモジュール温度に基づいて演算される時間当たりのモジュール温度の上昇は緩やかとなる。
【００９１】
第２の液冷媒滞留範囲２２２は、液冷媒がその範囲に滞留している可能性があることを意味するものである。すなわち、その範囲内に液冷媒が滞留していると想定すると、第１の液冷媒滞留範囲２２１には、液冷媒が存在しないこととなる。その結果、パワーモジュール４２からの熱は、液冷媒には伝達されない。そのため、温度検知用サーミスタ４４が検知するモジュール温度に基づいて演算される時間当たりのモジュール温度の上昇は大きくなる。
【００９２】
換言すれば、温度検知用サーミスタ４４が検知するモジュール温度に基づいて演算される時間当たりのモジュール温度の傾きの度合い（以下、モジュール温度変化率という）により、液面高さを推定することができる。具体的には、モジュール温度変化率と液面高さとは相関関係がある。その相関関係について図９及び図１０を用いて説明する。
【００９３】
図９は、本発明の実施の形態２における液面高さの違いによる温度の時間変化率を示す図である。図９に示すように、第１の値２３１及び第２の値２３２はある時点での時間を示すものとする。第１の値２３１と第２の値２３２との間の範囲は、モジュール温度変化率が緩やかであり、第２の値２３２を超えると、モジュール温度変化率が急激に変化する。すなわち、第２の値２３２の時間以降は、液冷媒に熱が伝達されていないことを意味することになる。すなわち、この場合においては、液冷媒の高さは、図８に示す第２の液面高さ１５２を下回ったこととなる。
【００９４】
具体的には、図９に示すように、温度の時間変化率を示す第１の領域２４１では、時間Δｔに対して、モジュール温度の上昇幅であるΔＴは小さい。これに対して、温度の時間変化率を示す第２の領域２４２では、時間Δｔに対して、モジュール温度の上昇幅であるΔＴは大きい。よって、モジュール温度変化率により、液冷媒の液面高さを推定することができる。
【００９５】
図１０は、本発明の実施の形態２における液冷媒の滞留範囲の違いによる温度の時間変化率を示す図である。図１０に示すように、第１の液冷媒の滞留範囲２２１と、第２の液冷媒の滞留範囲２２２とでは、モジュール温度変化率は異なる。よって、モジュール温度変化率により、液冷媒の液面高さを推定することができる。
【００９６】
したがって、モジュール温度変化率により、液面高さが、第１の液面高さ１５１から第２の液面高さ１５２の範囲にあるのか、又は、第２の液面高さ１５２から第３の液面高さ１５３の範囲にあるのかが推定できる。これにより、加熱を停止するタイミングがわかることになる。すなわち、第２の液冷媒の滞留範囲２２２であれば、これ以上、加熱を行う必要は生じない。よって、必要なときに必要な分だけ加熱をすることができる。そのため、消費電力を低減することができる。
【００９７】
以上のように、本実施の形態２においては、パワーモジュール４２を制御する制御用ＣＰＵ１１３と、パワーモジュール４２の温度を検知する温度検知用サーミスタ４４とを備え、制御用ＣＰＵ１１３は、温度検知用サーミスタ４４で検知した温度に基づいて、時間当たりの温度変化率を演算し、拘束通電を実行中に、時間当たりの温度変化率が変化したときには、パワーモジュール４２がブラシレス直流モータ１０２に流す電流を止めることにより、液面高さを推定することができる。よって、必要なときに必要な分だけ加熱をすることができる。そのため、消費電力を低減することができる。
【符号の説明】
【００９８】
１  空気調和装置、１１  冷媒回路、２１  圧縮機、２２  室内熱交換器、２３  膨張弁、２４  室外熱交換器、２５  四路切換弁、２６  室内ファン、２７  室外ファン、３１  インバータ装置、４１  電装品部、４２  パワーモジュール、４３  伝熱部、４４  温度検知用サーミスタ、４５  第１ポート、４６  第２ポート、４７  第３ポート、４８  第４ポート、５１、５２、５３  信号ライン、６１  吸入マフラー、７１  吸入管、７２  上接続管、７３  下接続管、８１  天板部、８２  胴部、８３  底板部、９１  吐出管、１０１  交流電源、１０２  ブラシレス直流モータ、１１１  コンバータ回路、１１２  インバータ回路、１１３  制御用ＣＰＵ、１２２  クランクシャフト、１２２ａ  クランクシャフト上偏芯部、１２２ｂ  クランクシャフト下偏芯部、１２３  圧縮機構部、１２４  上圧縮室、１２５  下圧縮室、１３１  ステータ、１３２  ロータ、１４１  フレーム、１４２  上シリンダ、１４３  仕切り板、１４４  下シリンダ、１４５  シリンダヘッド、１５１  第１の液面高さ、１５２  第２の液面高さ、１５３  第３の液面高さ、１６１  設置範囲、１７１、２０１、２０２  実行時間、１９０、１９１、１９２、１９３  実行タイミング、２１１  差分、２２１  第１の液冷媒の滞留範囲、２２２  第２の液冷媒の滞留範囲、２３１  第１の値、２３２  第２の値、２４１  温度の時間変化率を示す第１の領域、２４２  温度の時間変化率を示す第２の領域。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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