(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒を圧縮する圧縮機構を有する圧縮機と、
前記圧縮機が有する前記圧縮機構を動作させるモータと、
前記モータに所定の電圧を印加するインバータと、
前記インバータを制御するインバータ制御部と
を備え、
前記インバータ制御部は、
前記モータの圧縮動作時の運転周波数よりも高い周波数の基準信号に同期して、前記インバータの電圧指令値の位相を切り替えて出力する位相切替部と、
０以上の整数である値ｎを所定の時間毎に変更して、６０度のｎ倍の位相θｐｌｕｓを前記位相切替部の出力位相に加える加算部と、
前記電圧指令値の振幅を出力する振幅出力部と、
前記加算部の出力位相および前記振幅出力部の出力振幅に基づき、前記電圧指令値を生成して出力する電圧発生部と、
前記電圧指令値に基づき前記インバータの駆動信号を生成する駆動信号生成部と、
を備えることを特徴とするヒートポンプ装置。
【請求項２】
前記インバータは、正電圧側および負電圧側の２つのスイッチング素子からなる直列接続回路により構成されることを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ装置。
【請求項３】
前記位相切替部は、前記基準信号に同期して、位相θ１と、前記位相θ１とほぼ１８０度異なる位相θ２とを切り替えて出力することを特徴とする請求項１または２に記載のヒートポンプ装置。
【請求項４】
前記インバータは、三相分の前記直列接続回路が並列接続され構成された三相インバータであり、
前記駆動信号生成部は、
前記三相インバータの前記各直列接続回路における正電圧側および負電圧側の２つの前記各スイッチング素子の一方がオン、他方がオフとなる駆動信号を出力するとともに、
前記三相インバータの各相の正電圧側のスイッチング素子のうち、１つ又は２つの前記各スイッチング素子をオン状態とするスイッチングパターンの駆動信号を、前記基準信号の半周期間に１パターンのみ出力する
ことを特徴とする請求項２または３に記載のヒートポンプ装置。
【請求項５】
前記振幅出力部は、前記加算部が前記値ｎを変更する際に、当該値ｎの変更前には、出力振幅を所定値から徐々に小さくし、当該値ｎの変更後には、出力振幅を前記所定値まで徐々に大きくすることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のヒートポンプ装置。
【請求項６】
前記直列接続回路毎に、その直列接続回路における正電圧側および負電圧側の２つの前記各スイッチング素子を駆動する駆動回路を備え、
前記駆動回路は、
スイッチング電源の電圧により駆動され、負電圧側の前記スイッチング素子を駆動する負電圧側駆動回路と、
前記負電圧側駆動回路を駆動することにより充電されたコンデンサの電圧により駆動され、正電圧側の前記スイッチング素子を駆動する正電圧側駆動回路と、
を備え、
前記インバータ制御部は、前記加算部が前記値ｎを変更する際に、前記負電圧側駆動回路を駆動させ、前記コンデンサに電圧を充電する
ことを特徴とする請求項２〜５のいずれか一項に記載のヒートポンプ装置。
【請求項７】
前記位相切替部は、前記インバータのキャリア信号を前記基準信号とすることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のヒートポンプ装置。
【請求項８】
前記位相切替部は、前記基準信号の頂と底との少なくともいずれかのタイミングで前記電圧指令値の位相を切り替えることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載のヒートポンプ装置。
【請求項９】
前記モータの回転子は、ＩＰＭ（Ｉｎｔｅｒｉｏｒ  Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ  Ｍａｇｎｅｔ）構造であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載のヒートポンプ装置。
【請求項１０】
前記インバータ制御部は、所定の時間前に比べて、外気温度が所定の温度以上上昇した状態を検出する検出部をさらに備え、
前記電圧発生部は、前記検出部が前記状態を検出した場合に、前記電圧指令値を出力することを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載のヒートポンプ装置。
【請求項１１】
前記インバータ制御部は、外気温度に比べて、前記圧縮機の温度が低い状態が所定の時間経過したことを検出する検出部をさらに備え、
前記電圧発生部は、前記検出部が前記状態を検出した場合に、前記電圧指令値を出力することを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載のヒートポンプ装置。
【請求項１２】
前記電圧発生部は、前記圧縮機の運転を停止してから所定時間経過する毎に、前記電圧指令値を出力することを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項に記載のヒートポンプ装置。
【請求項１３】
前記インバータを構成するスイッチング素子は、ワイドギャップ半導体であることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか一項に記載のヒートポンプ装置。
【請求項１４】
前記ワイドギャップ半導体は、ＳｉＣ、ＧａＮ、ダイヤモンドのいずれかであることを特徴とする請求項１３に記載のヒートポンプ装置。
【請求項１５】
前記インバータを構成するスイッチング素子は、スーパージャンクション構造のＭＯＳＦＥＴであることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか一項に記載のヒートポンプ装置。
【請求項１６】
圧縮機と、第１熱交換器と、膨張機構と、第２熱交換器とが配管により順次接続された冷媒回路を備えるヒートポンプ装置と、前記冷媒回路に接続された前記第１熱交換器で冷媒と熱交換された流体を利用する流体利用装置とを備えるヒートポンプシステムであり、
前記ヒートポンプ装置は、
冷媒を圧縮する圧縮機構を有する圧縮機と、
前記圧縮機が有する前記圧縮機構を動作させるモータと、
前記モータに所定の電圧を印加するインバータと、
前記インバータを制御するインバータ制御部と、
を備え、
前記インバータ制御部は、
前記モータの圧縮動作時の運転周波数よりも高い周波数の基準信号に同期して、前記インバータの電圧指令値の位相を、位相θ１と、前記位相θ１とほぼ１８０度異なる位相θ２とを切り替えて出力する位相切替部と、
０以上の整数である値ｎを所定の時間毎に変更して、６０度のｎ倍の位相θｐｌｕｓを前記位相切替部の出力位相に加える加算部と、
前記電圧指令値の振幅を出力する振幅出力部と、
前記加算部の出力位相および前記振幅出力部の出力振幅に基づき、前記電圧指令値を生成して出力する電圧発生部と、
前記電圧指令値に基づき前記インバータの駆動信号を生成する駆動信号生成部と、
を備えることを特徴とするヒートポンプシステム。
【請求項１７】
冷媒を圧縮する圧縮機構を有する圧縮機と、
前記圧縮機が有する前記圧縮機構を動作させるモータと、
前記モータに所定の電圧を印加するインバータと、
を備えるヒートポンプ装置における前記インバータの制御方法であり、
前記モータの圧縮動作時の運転周波数よりも高い周波数の基準信号に同期して、前記インバータの電圧指令値の位相を、位相θ１と、前記位相θ１とほぼ１８０度異なる位相θ２とを切り替えて出力する位相切替工程と、
０以上の整数である値ｎを所定の時間毎に変更して、６０度のｎ倍の位相θｐｌｕｓを前記位相切替工程での出力位相に加える加算工程と、
前記電圧指令値の振幅を出力する振幅出力工程と、
前記加算工程での出力位相および前記振幅出力工程での出力振幅に基づき、前記電圧指令値を生成して出力する電圧発生工程と、
前記電圧指令値に基づき前記インバータの駆動信号を生成する駆動信号生成工程と、
を備えることを特徴とするインバータの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ヒートポンプ装置に使用される圧縮機の加熱方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、圧縮機内に滞留する液冷媒量が所定値以上になると、モータの巻線に微弱の高周波欠相電流を通電してモータの巻線を暖めることについての記載がある。これにより、圧縮機内に液冷媒が滞留した状態での運転開始による液圧縮を防止して圧縮機の破損を防止している。【０００３】
特許文献２には、スイッチング素子のオン／オフ周期を制御することにより、モータのステータコイルに流れる電流の向きを周期的に逆方向にすることについての記載がある。これにより、抵抗損による発熱だけでなく、ヒステリシス損による発熱を行い、少ない消費電流で十分な予熱を行えるようにし、電力効率の向上を図っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平８−２２６７１４号公報
【特許文献２】特開平１１−１５９４６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載された技術では、欠相電流を流すため電流が流れない巻線が発生してしまい、均一に圧縮機の加熱ができない。また、突極比を持つ永久磁石同期形モータにインバータを用いて欠相電流を流そうとする場合、巻線インダクタンスがロータ位置に依存する。そのため、ロータ位置に応じて全相に電流が流れることがあるため、欠相電流を流すことが困難である。【０００６】
特許文献２に記載された技術では、一端が電源側に接続されたスイッチング素子のいずれか１つを所定時間の間に所定の回数オン／オフを繰り返させる。また、これと同時に、一端がアース側に接続されたスイッチング素子の何れか２つを当該所定時間の間オン状態した後、ステータコイルに流れる電流が逆方向となるようにする。そのため、巻線に流す電流の周波数を高周波化できず、高周波化による鉄損発生に限界があり効率向上が図れない。また、騒音が発生してしまう。【０００７】
この発明は、圧縮機内に滞留した冷媒を効率よく加熱することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明に係るヒートポンプ装置は、冷媒を圧縮する圧縮機構を有する圧縮機と、前記圧縮機が有する前記圧縮機構を動作させるモータと、前記モータに所定の電圧を印加するインバータと、前記インバータを制御するインバータ制御部と、を備え、前記インバータ制御部は、前記モータの圧縮動作時の運転周波数よりも高い周波数の基準信号に同期して、前記インバータの電圧指令値の位相を切り替えて出力する位相切替部と、０以上の整数である値ｎを所定の時間毎に変更して、６０度のｎ倍の位相θｐｌｕｓを前記位相切替部の出力位相に加える加算部と、前記電圧指令値の振幅を出力する振幅出力部と、前記加算部の出力位相および前記振幅出力部の出力振幅に基づき、前記インバータの電圧指令値を生成して出力する電圧発生部と、前記電圧指令値に基づき前記インバータの駆動信号を生成する駆動信号生成部と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
この発明に係るヒートポンプ装置は、キャリア信号に同期して切り替えて出力された位相θ１と位相θ２とに基づき駆動信号を生成する。そのため、波形出力精度の高い高周波電圧を生成することができ、騒音の発生を抑えつつ、圧縮機内に滞留した冷媒を効率よく加熱することができる。
また、この発明に係るヒートポンプ装置は、所定の時間毎に変更される位相θｐｌｕｓを位相θ１又は位相θ２に加算した位相θ３に基づき駆動信号を生成する。そのため、ＩＰＭモータの場合であっても、ロータの停止位置に関係なく適切に圧縮機内に滞留した冷媒を加熱することができる。
特に、位相θｐｌｕｓが６０度の整数倍の位相であるため、電流波形の歪み等によるモータ騒音やモータ軸振動等を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施の形態１におけるヒートポンプ装置１００の構成を示す図。
【図２】ＰＷＭ信号生成部１７の入出力波形を示す図。
【図３】インバータ制御部１１の動作を示すフローチャート。
【図４】実施の形態２におけるヒートポンプ装置１００の構成を示す図。
【図５】位相切換部１９がキャリア信号の頂および底のタイミングで、位相θ１と位相θ２とを交互に切り替えた場合のタイミングチャート。
【図６】図５に示す電圧ベクトルの変化の説明図。
【図７】位相切換部１９がキャリア信号の底のタイミングで、位相θ１と位相θ２とを交互に切り替えた場合のタイミングチャート。
【図８】ＩＰＭモータのロータ位置（ロータの停止位置）の説明図。
【図９】ロータ位置による電流変化を示す図。
【図１０】実施の形態３におけるヒートポンプ装置１００の構成を示す図。
【図１１】θｐｌｕｓを時間の経過とともに変化させた場合の印加電圧を示す図。
【図１２】中間電圧の説明図。
【図１３】位相切換部１９がキャリア信号の頂および底のタイミングで、位相θ１と位相θ２とを交互に切り替えた場合における、θｐｌｕｓが４５度のときのタイミングチャート。
【図１４】θｐｌｕｓが０度、３０度、６０度の時のモータのＵＶＷの各相に流れる電流を表した図。
【図１５】通電位相切替時の電流波形を示す図。
【図１６】θｐｌｕｓと、振幅出力部１６が出力する振幅Ａとの関係を示す図。
【図１７】θｐｌｕｓの切り替えに合わせて振幅Ａを変化させることにより電流波形が改善される様子を示す図。
【図１８】ＰＷＭ信号生成部１７からのＰＷＭ信号を受けて、インバータ９の各スイッチング素子１８を駆動する駆動回路２１を示す図。
【図１９】θｐｌｕｓと、チャージパルスの発生との関係を示す図。
【図２０】実施の形態４に係るヒートポンプ装置１００の回路構成図。
【図２１】図２０に示すヒートポンプ装置１００の冷媒の状態についてのモリエル線図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
実施の形態１．
実施の形態１では、ヒートポンプ装置１００の基本的な構成及び動作について説明する。
【００１２】
図１は、実施の形態１におけるヒートポンプ装置１００の構成を示す図である。
ヒートポンプ装置１００は、圧縮機１、四方弁２、熱交換器３、膨張機構４、熱交換器５が冷媒配管６によって順次接続された冷凍サイクルを備える。圧縮機１の内部には、冷媒を圧縮する圧縮機構７と、圧縮機構７を動作させるモータ８とが設けられている。
また、モータ８に電圧を与え駆動させるインバータ９は、モータ８と電気的に接続され、インバータ９の電源電圧である母線電圧を検出する母線電圧検出部１０を備える。インバータ９の制御入力端は、インバータ制御部１１と接続されている。インバータ制御部１１は、圧縮機加熱許可部１２（検出部）、高周波交流電圧発生部１３、積分器１４、回転数指令出力部１５、振幅出力部１６、ＰＷＭ信号生成部１７（駆動信号生成部）を備える。
【００１３】
インバータ９は、２つのスイッチング素子（１８ａと１８ｄ、１８ｂと１８ｅ、１８ｃと１８ｆ）の直列接続回路が、三相分並列接続された三相インバータである。インバータ９は、インバータ制御部１１より送られたＰＷＭ信号ＵＰ、ＶＰ、ＷＰ、ＵＮ、ＶＮ、ＷＮ（駆動信号）により、それぞれに対応したスイッチング素子（ＵＰは１８ａ、ＶＰは１８ｂ、ＷＰは１８ｃ、ＵＮは１８ｄ、ＶＮは１８ｅ、ＷＮは１８ｆ）を駆動する。
インバータ制御部１１は、圧縮機加熱許可部１２が圧縮機１内に液冷媒が滞留した状態（冷媒が寝込んだ状態）であると判断した場合に、高周波交流電圧発生部１３にてモータ８に印加する電圧の指令値Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊を求める。そして、高周波交流電圧発生部１３が求めた電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊を元に、ＰＷＭ信号生成部１７にてＰＷＭ信号を生成する。
【００１４】
ＰＷＭ信号生成部１７のＰＷＭ信号の生成方法について説明する。
図２は、ＰＷＭ信号生成部１７の入出力波形を示す図である。
例えば、電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊を式（１）〜式（３）のように位相が２π／３づつ異なる余弦波（正弦波）と定義する。但し、Ａは電圧指令値の振幅、θは電圧指令値の位相である。
（１）Ｖｕ＊＝Ａｃｏｓθ
（２）Ｖｖ＊＝Ａｃｏｓ（θ−（２／３）π）
（３）Ｖｗ＊＝Ａｃｏｓ（θ＋（２／３）π）
高周波交流電圧発生部１３は、回転数指令出力部１５によって出力された回転数指令ω＊を積分器１４にて積分して得られた電圧位相指令θと、振幅出力部１６によって出力された振幅Ａとに基づき、式（１）〜式（３）により電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊を計算し、計算した電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊をＰＷＭ信号生成部１７へ出力する。ＰＷＭ信号生成部１７は、電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊と、所定の周波数で振幅Ｖｄｃ／２のキャリア信号（基準信号）とを比較し、相互の大小関係に基づきＰＷＭ信号ＵＰ、ＶＰ、ＷＰ、ＵＮ、ＶＮ、ＷＮを生成する。なお、Ｖｄｃは、母線電圧検出部１０にて検出される母線電圧である。
例えば、電圧指令値Ｖｕ＊がキャリア信号よりも大きい場合には、ＵＰはスイッチング素子１８ａをオンにする電圧を出力し、ＵＮはスイッチング素子１８ｄをオフにする電圧を出力する。また、電圧指令値Ｖｕ＊がキャリア信号よりも小さい場合には、逆に、ＵＰはスイッチング素子１８ａをオフにする電圧を出力し、ＵＮはスイッチング素子１８ｄをオンにする電圧を出力する。他の信号についても同様であり、電圧指令値Ｖｖ＊とキャリア信号との比較によりＶＰ、ＶＮが決定され、電圧指令値Ｖｗ＊とキャリア信号との比較によりＷＰ、ＷＮが決定される。
一般的なインバータの場合、相補ＰＷＭ方式を採用しているため、ＵＰとＵＮ、ＶＰとＶＮ、ＷＰとＷＮは互いに逆の関係となる。そのため、スイッチングパターンは全部で８通りとなり、８通りのスイッチングパターンを組み合わせることでインバータは電圧を出力する。
【００１５】
なお、式（１）〜式（３）以外にも二相変調や、三次高調波重畳変調、空間ベクトル変調等により電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊を求めてもよい。
【００１６】
次に、インバータ制御部１１の動作について説明する。
図３は、インバータ制御部１１の動作を示すフローチャートである。
（Ｓ１：加熱判断ステップ）
圧縮機加熱許可部１２は、圧縮機１の運転停止中に、圧縮機１内に液冷媒が滞留した状態であるかを判断する。
圧縮機１内に液冷媒が滞留した状態であると判断した場合（Ｓ１でＹＥＳ）、処理をＳ２へ進め、予熱用のＰＷＭ信号を発生させる。一方、圧縮機１内に液冷媒が滞留した状態でないと判断した場合（Ｓ１でＮＯ）、所定時間経過後に、再び圧縮機１内に液冷媒が滞留した状態であるかを判断する。
（Ｓ２：電圧指令値生成ステップ）
高周波交流電圧発生部１３は、回転数指令出力部１５によって出力された回転数指令ω＊を積分器１４にて積分して電圧位相指令θを得る。そして、高周波交流電圧発生部１３は、電圧位相指令θと、振幅出力部１６によって出力された振幅Ａとを用いて式（１）〜式（３）にて電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊を計算し、ＰＷＭ信号生成部１７へ出力する。
（Ｓ３：ＰＷＭ信号生成ステップ）
ＰＷＭ信号生成部１７は、高周波交流電圧発生部１３が出力した電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊をキャリア信号と比較して、ＰＷＭ信号ＵＰ、ＶＰ、ＷＰ、ＵＮ、ＶＮ、ＷＮを得て、インバータ９へ出力する。これにより、インバータ９のスイッチング素子１８ａ〜１８ｆを駆動してモータ８に高周波電圧を印加する。
モータ８に高周波電圧を印加することにより、モータ８の鉄損と、巻線に流れる電流にて発生する銅損とで効率よくモータ８が加熱される。モータ８が加熱されることにより、圧縮機１内に滞留する液冷媒が加熱されて気化し、圧縮機１の外部へと漏出する。
（Ｓ４：終了判断ステップ）
圧縮機加熱許可部１２は、圧縮機１から冷媒が漏出したかを判断する。
冷媒が漏出した場合（Ｓ４でＹＥＳ）、正常状態へ復帰したと判断し、モータ８への電圧印加を終了させる。一方、冷媒が漏出していない場合（Ｓ４でＮＯ）、処理を（Ｓ２）へ戻して、予熱用のＰＷＭ信号の発生を継続させる。
【００１７】
Ｓ１において、圧縮機加熱許可部１２が圧縮機１内に液冷媒が滞留した状態であるかを判断する方法について説明する。
一般的に圧縮機１内に液冷媒が滞留した状態は、冷凍サイクルを構成する機器の中で圧縮機１の温度が最も低い場合に発生する。また、圧縮機１は金属で構成され、冷凍サイクルの中で最も熱容量が大きく温度変化が遅い。そのため、圧縮機１は、外気温度が上昇した場合に、冷凍サイクルを構成するその他の機器よりも温度の上昇が遅い。したがって、外気温度が上昇して少し時間が経過すると、圧縮機１はその他の機器よりも温度が低くなり、圧縮機１内に液冷媒が滞留した状態となる。そこで、圧縮機加熱許可部１２は、この状態を検出もしくは推定して圧縮機を加熱させればよい。
【００１８】
例えば、圧縮機加熱許可部１２は、所定の時間前に比べ、外気温度が所定の温度以上上昇した場合に、圧縮機１内に液冷媒が滞留した状態であると判断する。また、圧縮機加熱許可部１２は、冷凍サイクルを構成する圧縮機１以外の機器の温度や外気温度と、圧縮機１の温度とを比較し、圧縮機１の温度が低い場合に、圧縮機１内に液冷媒が滞留した状態であると判断してもよい。さらに、圧縮機加熱許可部１２は、温度が上昇する早朝から昼にかけて圧縮機１の温度が冷凍サイクルを構成する機器の中で最も低くなるため、早朝から昼にかけて圧縮機１内に液冷媒が滞留した状態であると判断してもよい。
このように、圧縮機加熱許可部１２が圧縮機１内に液冷媒が滞留した状態であると判断した場合に圧縮機１を加熱することで、確実に液冷媒を加熱することが可能となり消費電力の削減できる。
【００１９】
また、検出誤差により、圧縮機加熱許可部１２が圧縮機１内に液冷媒が滞留した状態を正しく判断できなかった場合を考慮し、圧縮機１の運転を停止してから所定時間（例えば、１２時間）経過する毎に電圧を印加するようにしてもよい。これにより、液冷媒圧縮による圧縮機破壊や潤滑油希釈によるモータ焼きつきを抑制することができる。
【００２０】
Ｓ２において、回転数指令出力部１５が出力する回転数指令ω＊について説明する。
圧縮動作時の運転周波数以上の高周波電圧をモータ８に印加すれば、モータ８内のロータが周波数に追従できなくなり、回転や振動が発生することが無くなる。そこで、Ｓ２において、回転数指令出力部１５は、圧縮動作時の運転周波数以上となる回転数指令ω＊を出力するのがよい。
一般に、圧縮動作時の運転周波数は、高々１ｋＨｚである。そのため、１ｋＨｚ以上の高周波電圧をモータ８に印加すればよい。また、１４ｋＨｚ以上の高周波電圧をモータ８に印加すれば、モータ８の鉄心の振動音がほぼ可聴周波数上限に近づくため、騒音の低減にも効果がある。そこで、例えば、回転数指令出力部１５は、２０ｋＨｚ程度の高周波電圧となるような回転数指令ω＊を出力する。
【００２１】
但し、高周波電圧の周波数はスイッチング素子１８ａ〜１８ｆの最大定格周波数を超えるとスイッチング素子１８ａ〜１８ｆの破壊による負荷もしくは電源短絡を起こし、発煙や発火に至る可能性がある。そのため、信頼性を確保するため高周波電圧の周波数は最大定格周波数以下にすることが望ましい。
【００２２】
Ｓ２において、振幅出力部１６が出力する振幅Ａについて説明する。
振幅Ａの大きさによって、加熱量を調整することができる。必要な加熱量は、圧縮機１の大きさと、外気温度等の環境条件によって異なる。
ここで、圧縮機１の大きさは、製品出荷時には決まっている。そのため、製品出荷時には圧縮機１の大きさに応じて振幅Ａの大まかな範囲が決定できる。環境条件は、設置された場所や、時期、時刻によって変化するものである。そこで、製品出荷時に圧縮機１の大きさに応じて決定された振幅Ａの大まかな範囲を記憶装置に記憶しておく。そして、振幅出力部１６は、温度センサにより外気温度等を計測し、計測した外気温度等の環境条件に応じて、出力する振幅Ａの大きさを製品出荷時に決定された範囲内で制御する。
【００２３】
Ｓ４において、圧縮機加熱許可部１２が冷媒の漏出を判断する方法について説明する。
上述したように、冷凍サイクルを構成する機器の中で圧縮機の温度が最も低い場合に、圧縮機１内に液冷媒が滞留した状態となる。逆に、冷凍サイクルを構成する機器の中で圧縮機１の温度が最も低い状態でなくすれば、冷媒が漏出する。
そこで、例えば、圧縮機加熱許可部１２は、冷凍サイクルを構成する圧縮機１以外の機器の温度や外気温度と、圧縮機１の温度とを比較し、圧縮機１の温度が他の機器や外気温度よりも高い状態が所定の時間以上継続した場合に、冷媒が漏出したと判断する。
【００２４】
以上のように、実施の形態１に係るヒートポンプ装置１００では、圧縮機１内に液冷媒が滞留した状態である場合に、高周波電圧をモータ８へ印加するため、騒音を抑えつつ、効率的にモータ８を加熱できる。これにより、圧縮機１内に滞留した冷媒を効率的に加熱することができ、滞留した冷媒を圧縮機１の外部へ漏出させることができる。
【００２５】
なお、近年のヒートポンプ装置用の圧縮機のモータには高効率化のためＩＰＭ構造のモータや、コイルエンドが小さく巻線抵抗の低い集中巻きモータが広く用いられる。集中巻きモータは、巻線抵抗が小さく銅損による発熱量が少ないため、巻線に多量の電流を流す必要がある。巻線に多量の電流を流すと、インバータ９に流れる電流も多くなり、インバータ損失が大きくなる。
そこで、上述した高周波電圧印加による加熱を行うと、高周波数によるインダクタンス成分が大きくなり、巻線インピーダンスが高くなる。そのため、巻線に流れる電流が小さくなり銅損は減るものの、その分高周波電圧印加による鉄損が発生し効果的に加熱することができる。さらに、巻線に流れる電流が小さくなるため、インバータに流れる電流も小さくなり、インバータ９の損失も低減でき、より効率の高い加熱が可能となる。
また、上述した高周波電圧印加による加熱を行うと、圧縮機がＩＰＭ構造のモータである場合、高周波磁束が鎖交するロータ表面も発熱部となる。そのため、冷媒接触面増加や圧縮機構への速やかな加熱が実現されるため効率の良い冷媒の加熱が可能となる。
【００２６】
また、インバータ９を構成するスイッチング素子１８ａ〜１８ｆと、これに並列に接続されたダイオード素子には、現在一般的には珪素（Ｓｉ）を材料とする半導体を用いるのが主流である。しかし、これに代えて、炭化珪素（ＳｉＣ）や窒化ガリウム（ＧａＮ）、ダイヤモンドを材料とするワイドギャップ半導体を用いても良い。
このようなワイドバンドギャップ半導体によって形成されたスイッチング素子やダイオード素子は、耐電圧性が高く、許容電流密度も高い。そのため、スイッチング素子やダイオード素子の小型化が可能であり、これら小型化されたスイッチング素子やダイオード素子を用いることにより、これらの素子を組み込んだ半導体モジュールの小型化が可能となる。
また、このようなワイドバンドギャップ半導体によって形成されたスイッチング素子やダイオード素子は、耐熱性も高い。そのため、ヒートシンクの放熱フィンの小型化や、水冷部の空冷化が可能であるので、半導体モジュールの一層の小型化が可能になる。
さらに、このようなワイドバンドギャップ半導体によって形成されたスイッチング素子やダイオード素子は、電力損失が低い。そのため、スイッチング素子やダイオード素子の高効率化が可能であり、延いては半導体モジュールの高効率化が可能になる。
【００２７】
なお、スイッチング素子及びダイオード素子の両方がワイドバンドギャップ半導体によって形成されていることが望ましいが、いずれか一方の素子がワイドバンドギャップ半導体よって形成されていてもよく、この実施例に記載の効果を得ることができる。
【００２８】
その他、高効率なスイッチング素子として知られているスーパージャンクション構造のＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｆｉｅｌｄ−Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を用いることでも同様の効果を得ることが可能である。
【００２９】
また、スクロール機構の圧縮機は、圧縮室の高圧リリーフが困難である。そのため、他の方式の圧縮機に比べ、液圧縮した場合に圧縮機構に過大なストレスが掛かり破損する可能性が高い。しかし、実施の形態１のヒートポンプ装置１００では、圧縮機の効率の良い加熱が可能であり、圧縮機内の液冷媒の滞留を抑制することできる。そのため、液圧縮を防止することができるので、圧縮機１としてスクロール圧縮機を用いた場合にも効果的である。
【００３０】
さらに、周波数１０ｋＨｚ、出力５０Ｗを超える加熱機器の場合、法令による制約を受ける場合もある。そのため、事前に５０Ｗを超えないよう電圧指令値の振幅の調整や、流れる電流や電圧を検出して５０Ｗ以下となるようフィードバック制御を行うようにしてもよい。
【００３１】
実施の形態２．
実施の形態２では、高周波電圧の生成方法について説明する。
【００３２】
一般的なインバータの場合、キャリア信号の周波数であるキャリア周波数はインバータのスイッチング素子のスイッチングスピードにより上限が決まっている。一般的なＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）の場合、スイッチングスピードの上限は２０ｋＨｚ程度である。そのため、搬送波であるキャリア周波数以上の高周波電圧を出力することは困難である。
また、高周波電圧の周波数がキャリア周波数の１／１０程度になると、高周波電圧の波形出力精度が悪化し直流成分が重畳するなど悪影響を及ぼす虞がある。この点を考慮し、キャリア周波数を２０ｋＨｚとした場合に、高周波電圧の周波数をキャリア周波数の１／１０の２ｋＨｚ以下とすると、高周波電圧の周波数は可聴周波数領域となり、騒音悪化が懸念される。
【００３３】
図４は、実施の形態２におけるヒートポンプ装置１００の構成を示す図である。
実施の形態２におけるヒートポンプ装置１００は、積分器１４及び回転数指令出力部１５に代えて位相切換部１９を備えることを除き、図１に示す実施の形態１におけるヒートポンプ装置１００と同じである。そのため、同一の符号を付して説明は省略し、変更点のみ説明する。
【００３４】
実施の形態１では、回転数指令ω＊を積分器１４にて積分して電圧指令値の位相θを求めていた。これに対し、実施の形態２では、位相切換部１９が位相θ１と、位相θ１とほぼ１８０度異なる位相θ２との二種類の位相を交互に切り換えて、電圧指令値の位相とする。
なお、以下の説明では、θ１＝０［度］、θ２＝１８０［度］として説明する。
【００３５】
次に、インバータ制御部１１の動作について説明する。
なお、図３に示すＳ２の動作以外は、実施の形態１におけるインバータ制御部１１と同じであるため、説明を省略する。
Ｓ２では、位相切換部１９が、キャリア信号の頂（山）又は底（谷）のタイミングで、あるいは、頂および底のタイミングで、位相θ１と位相θ２とを交互に切り替えて、電圧指令値の位相θとして高周波交流電圧発生部１３へ出力する。高周波交流電圧発生部１３は、電圧位相指令θと、振幅出力部１６によって出力された振幅Ａとを用いて式（１）〜式（３）にて電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊を得て、ＰＷＭ信号生成部１７へ出力する。
位相切換部１９が位相θ１と位相θ２とを、キャリア信号の山（頂）もしくは谷（底）、山および谷のタイミングで切り替えることで、キャリア信号に同期したＰＷＭ信号を出力することが可能となる。
【００３６】
図５は、位相切換部１９がキャリア信号の頂および底のタイミングで、位相θ１と位相θ２とを交互に切り替えた場合のタイミングチャートである。なお、ＵＰとＵＮ、ＶＰとＶＮ、ＷＰとＷＮはそれぞれオン／オフ状態が逆であり、一方がわかれば他方もわかるため、ここではＵＰ、ＶＰ、ＷＰのみを示している。
図５に示すようにＰＷＭ信号が変化し、電圧ベクトルはＶ０（ＵＰ＝ＶＰ＝ＷＰ＝０）、Ｖ４（ＵＰ＝１、ＶＰ＝ＷＰ＝０）、Ｖ７（ＵＰ＝ＶＰ＝ＷＰ＝１）、Ｖ３（ＵＰ＝０、ＶＰ＝ＷＰ＝１）、Ｖ０（ＵＰ＝ＶＰ＝ＷＰ＝０）、・・・の順で変化する。
【００３７】
図６は、図５に示す電圧ベクトルの変化の説明図である。なお、図６では、破線で囲まれたスイッチング素子１８がオン、破線で囲まれていないスイッチング素子１８がオフの状態であることを表している。
図６に示すように、Ｖ０ベクトル、Ｖ７ベクトル印加時は電流が流れない。また、Ｖ４ベクトル印加時には、Ｕ相を介してモータ８へ流入し、Ｖ相及びＷ相を介してモータ８から流出するＵ相方向の電流（＋Ｉｕの電流）が流れ、Ｖ３ベクトル印加時には、Ｖ相及びＷ相を介してモータ８へ流入し、Ｕ相を介してモータ８から流出する−Ｕ相方向の電流（−Ｉｕの電流）がモータ８の巻線に流れる。つまり、Ｖ４ベクトル印加時と、Ｖ３ベクトル印加時とでは逆方向の電流がモータ８の巻線に流れる。そして、電圧ベクトルがＶ０、Ｖ４、Ｖ７、Ｖ３、Ｖ０、・・・の順で変化するため、＋Ｉｕの電流と−Ｉｕの電流とが交互にモータ８の巻線に流れることになる。特に、図５に示すように、Ｖ４ベクトルとＶ３ベクトルとが１キャリア周期（１／ｆｃ）の間に現れるため、キャリア周波数ｆｃに同期した交流電圧をモータ８の巻線に印加することが可能となる。
また、Ｖ４ベクトル（＋Ｉｕの電流）とＶ３ベクトル（−Ｉｕの電流）とが交互に出力されるため、正逆のトルクが瞬時切り替わる。そのため、トルクが相殺されることによりロータの振動を抑えた電圧の印加が可能となる。
【００３８】
図７は、位相切換部１９がキャリア信号の底のタイミングで、位相θ１と位相θ２とを交互に切り替えた場合のタイミングチャートである。
図７に示すようにＰＷＭ信号が変化し、電圧ベクトルはＶ０、Ｖ４、Ｖ７、Ｖ７、Ｖ３、Ｖ０、Ｖ０、Ｖ３、Ｖ７、Ｖ７、Ｖ４、Ｖ０、・・・の順で変化する。Ｖ４ベクトルとＶ３ベクトルとが２キャリア周期の間に現れるため、１／２キャリア周波数の交流電圧をモータ８の巻線に印加することが可能となる。
【００３９】
以上のように、実施の形態２に係るヒートポンプ装置１００では、位相θ１と、位相θ１とほぼ１８０度異なる位相θ２との二種類の位相をキャリア信号に同期させて交互に切り換えて、電圧指令値の位相とした。これにより、キャリア周波数に同期した高周波電圧をモータ８の巻線へ印加することができる。
【００４０】
実施の形態３．
実施の形態３では、ＩＰＭモータの場合であっても、加熱量を一定にする方法について説明する。
【００４１】
図８は、ＩＰＭモータのロータ位置（ロータの停止位置）の説明図である。ここでは、ＩＰＭモータのロータ位置φは、ロータのＮ極の向きがＵ相方向からずれた角度の大きさによって表される。
図９は、ロータ位置による電流変化を示す図である。ＩＰＭモータの場合、巻線インダクタンスはロータ位置に依存する。そのため、電気角周波数ωとインダクタンス値との積で表される巻線インピーダンスは、ロータ位置に応じて変動する。したがって、同一電圧を印加した場合においても、モータ８の巻線に流れる電流が変動してしまい、加熱量が変化してしまう。
【００４２】
図１０は、実施の形態３におけるヒートポンプ装置１００の構成を示す図である。
実施の形態３におけるヒートポンプ装置１００は、加算器２０（加算部）が追加されたことを除き、図４に示す実施の形態２におけるヒートポンプ装置１００と同じである。そのため、同一の符号を付して説明は省略し、変更点のみ説明する。
【００４３】
実施の形態２では、位相切換部１９が位相θ１と位相θ２との二種類の位相を交互に切り換えて電圧指令値の位相とすることで、キャリア周波数もしくは１／２キャリア周波数の交流電圧をモータ８の巻線へ印加した。この場合、通電位相が位相θ１と、位相θ１に対し１８０度の位相差を有する位相θ２との二つに限られる。そのため、同一電圧を印加した場合であっても、ロータ位置によってモータ８の巻線に流れる電流が変動してしまい、加熱量が変化してしまう。その結果、ロータ位置によっては、必要な加熱量を得るために、多くの電力が消費される虞がある。
【００４４】
次に、インバータ制御部１１の動作について説明する。
なお、図３に示すＳ２の動作以外は、実施の形態１，２におけるインバータ制御部１１と同じであるため、説明を省略する。
Ｓ２では、位相切換部１９が、キャリア信号の頂または底のタイミングで、あるいは、頂および底のタイミングで、位相θ１と位相θ２とを交互に切り替えて出力する。加算器２０は、時間の経過とともに変化する位相変化成分θｐｌｕｓを、位相切換部１９が出力した位相に加算して位相θ３とし、位相θ３を電圧位相指令θとして高周波交流電圧発生部１３へ出力する。高周波交流電圧発生部１３は、電圧位相指令θと、振幅出力部１６によって出力された振幅Ａとを用いて式（１）〜式（３）にて電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊を得て、ＰＷＭ信号生成部１７へ出力する。
加算機１８により位相変化成分θｐｌｕｓを位相θ１及び位相θ２に加算し、電圧指令値の位相を時間の経過と共に変化させることで、ロータ位置によらず均一な圧縮機１の加熱が可能となる。
【００４５】
図１１は、θｐｌｕｓを時間の経過とともに変化させた場合の印加電圧を示す図である。
ここでは、θｐｌｕｓを時間の経過とともに、０度、４５度、９０度、１３５度、・・・と４５度づつ変化させている。θｐｌｕｓが０度であれば、電圧指令値の位相θは０度、１８０度となり、θｐｌｕｓが４５度であれば、電圧指令値の位相θは４５度、２２５度となり、θｐｌｕｓが９０度であれば、電圧指令値の位相θは９０度、２７０度となり、θｐｌｕｓが１３５度であれば、電圧指令値の位相θは１３５度、３１５度となる。
つまり、初めに、θｐｌｕｓが０度に設定され、所定の時間、電圧指令値の位相θがキャリア信号に同期して０度と１８０度とで切り替えられる。その後、θｐｌｕｓが４５度に切り替えられ、所定の時間、電圧指令値の位相θがキャリア信号に同期して４５度と２２５度とで切り替えられる。その後、θｐｌｕｓが９０度に切り替えられ、・・・というように、所定の時間毎に、０度と１８０度、４５度と２２５度、９０度と２７０度、１３５度と３１５度、・・・と電圧指令値の位相θが切り替えられる。
これにより、時間の経過とともに、高周波交流電圧の通電位相が変化するため、ロータ位置に依存せず均一な圧縮機１の加熱が可能となる。
【００４６】
図１２は、中間電圧の説明図である。中間電圧とは、各相（Ｕ相、−Ｕ相、Ｖ相、−Ｖ相、Ｗ相、−Ｗ相）の方向とは異なる位相の電圧である。
インバータ９は、Ｖ０〜Ｖ７の８パターンのスイッチングしか行えない。そのため、図１１に示すように通電位相を切り替えていくと、例えば、θｐｌｕｓが４５度の場合に、Ｖ４及びＶ６、又は、Ｖ３及びＶ１の電圧ベクトルにより図１２に示す中間電圧が作成される。
θｐｌｕｓが４５度以外の９０度、１３５度等の場合にも、同様に、２つの電圧ベクトルにより中間電圧が作成される。
【００４７】
図１３は、位相切換部１９がキャリア信号の頂および底のタイミングで、位相θ１と位相θ２とを交互に切り替えた場合における、θｐｌｕｓが４５度のときのタイミングチャートである。
図１３に示すように、Ｖ０とＶ７の間には、２つの電圧ベクトル（Ｖ４及びＶ６、又は、Ｖ３及びＶ１）が出力される。このように、Ｖ０とＶ７との間に２つの異なる電圧ベクトルが出力されることにより、上述した中間電圧が作成される。
【００４８】
図１４は、θｐｌｕｓが０度（Ｕ相（Ｖ４）方向が０度）、３０度、６０度の時のモータのＵＶＷの各相に流れる電流を表した図である。
θｐｌｕｓが０度の場合には、図５に示すようにＶ０とＶ７との間に他の電圧ベクトル（スイッチング素子１８ａ〜ｆの正電圧側１つと負電圧側２つ、又は、正電圧側２つと負電圧側１つがオン状態となる電圧ベクトル）が１つのみ発生する。この場合、電流波形は台形状となり高調波成分の少ない電流となる。
しかし、θｐｌｕｓが３０度の場合には、図１３に示すように、Ｖ０とＶ７との間に異なる２つの電圧ベクトルが発生する。この場合、電流波形が歪み、高調波成分の多い電流となる。この電流波形の歪みはモータ騒音やモータ軸振動などの悪影響を与える虞がある。
また、θｐｌｕｓが６０度の場合も、θｐｌｕｓが０度の場合と同様に、Ｖ０とＶ７との間に他の電圧ベクトルが１つのみ発生する。この場合、電流波形は台形状となり、高調波成分が少ない電流となる。
【００４９】
以上のように、図１２に示す六角形の対角線上の電圧を出力すれば、ゼロベクトルである電圧ベクトルＶ０とＶ７間に他の電圧ベクトルが１つのみ出力され、電流波形の歪みが低減できる。したがって、θｐｌｕｓは６０度のｎ倍（ｎは０以上の整数）の値とすれば、電流波形の歪み低減によるモータ騒音やモータ軸振動などを抑制可能となる。
そこで、例えば、所定の時間毎に、θｐｌｕｓを６０度のｎ倍の位相である６０度や１２０度づつ変化させればよい。但し、ロータの停止位置に依存して加熱量が変化することを防止する必要があるため、θｐｌｕｓを１８０度づつ変化させても意味がない。つまり、電流の均一化が可能な例えば６０度や１２０度等づつθｐｌｕｓを変化させる必要がある。
【００５０】
なお、マイクロコンピュータに代表される演算処理装置を用いた場合には、量子化の関係上正確に６０度を実現できず、わずかにずれが生じる虞がある。この場合には、２つの電圧ベクトルのうち出力が小さい（出力される時間が短い）電圧ベクトルを出力しないようマイクロコンピュータによる処理で制限すればよい。
【００５１】
ここで、図１５に示すように、θｐｌｕｓを変化させると通電位相が急激に変化する。そのため、モータ８に流れる電流が急激に変化し、脈動等が発生する。そのため、θｐｌｕｓを変化させた際、モータ騒音の発生やモータ軸の振動が発生する虞がある。
そこで、図１６に示すように、振幅出力部１６は、θｐｌｕｓの変化直前に振幅Ａを徐々に減少させるとともに、θｐｌｕｓの変化直後に振幅Ａを徐々に増加させるようにする。例えば、振幅出力部１６は、θｐｌｕｓの変化のタイミングで、振幅が０になるように、θｐｌｕｓの変化直前に振幅Ａを徐々に減少させ、θｐｌｕｓの変化直後に振幅Ａを元の大きさに戻す。これにより、図１７に示すように、θｐｌｕｓを変化させるタイミングにおける電流値が小さくなるため、モータに流れる電流の急変を抑制することが可能となる。
なお、振幅出力部１６は、θｐｌｕｓの変化直前に振幅Ａを一度に減少させ、θｐｌｕｓの変化直後に振幅Ａを徐々に増加させてもよい。
【００５２】
図１８は、ＰＷＭ信号生成部１７からのＰＷＭ信号を受けて、インバータ９の各スイッチング素子１８を駆動する駆動回路２１を示す図である。なお、ここでは、簡単のため、スイッチング素子１８ａ、１８ｄを駆動するＵ相の駆動回路２１のみを示す。実際には、図１８に示す駆動回路２１と同一構成の駆動回路が、Ｖ相、Ｗ相にも設けられている。
駆動回路２１は、チャージポンプ回路２６と、負電圧側スイッチング素子駆動回路２７と、正電圧側スイッチング素子駆動回路２８とを備える。
チャージポンプ回路２６は、スイッチング電源２２と、抵抗２３と、ダイオード２４と、コンデンサ２５とが順次接続されて構成される。チャージポンプ回路２６のスイッチング電源２２側の端部は、インバータ９の負電圧側に接続され、チャージポンプ回路２６のコンデンサ２５側の端部は、インバータ９におけるＵ相の直列接続回路の正電圧側スイッチング素子１８ａと負電圧側スイッチング素子１８ｄとの間に接続される。
負電圧側スイッチング素子駆動回路２７は、チャージポンプ回路２６のスイッチング電源２２と抵抗２３との間に接続される。負電圧側スイッチング素子駆動回路２７は、ＰＷＭ信号生成部１７からＰＷＭ信号ＵＮを受け、ＵＮがオンにする電圧の場合にインバータ９の負電圧側のスイッチング素子１８ｄを駆動させる。
正電圧側スイッチング素子駆動回路２８は、チャージポンプ回路２６のダイオード２４と、コンデンサ２５との間に接続される。正電圧側スイッチング素子駆動回路２８は、ＰＷＭ信号生成部１７からＰＷＭ信号ＵＰを受け、ＵＰがオンにする電圧の場合にインバータ９の正電圧側のスイッチング素子１８ａを駆動させる。
【００５３】
負電圧側スイッチング素子駆動回路２７と正電圧側スイッチング素子駆動回路２８とは、別電源で駆動する必要がある。ここでは、負電圧側スイッチング素子駆動回路２７はスイッチング電源２２で駆動され、正電圧側スイッチング素子駆動回路２８はコンデンサ２５に充電された電圧で駆動される。
ここで、上述したように、振幅出力部１６がθｐｌｕｓの変化時に振幅を０とし、不通電とすると、コンデンサ２５に充電された電圧が減少する。そのため、正電圧側スイッチング素子駆動回路２８により、スイッチング素子１８ａを正常に駆動できなくなる虞がある。
そこで、図１９に示すように、θｐｌｕｓが変化する度に、負電圧側スイッチング素子駆動回路２７を駆動させ、チャージパルスを発生させる。すると、図１８の矢印により示す経路でコンデンサ２５に電圧が充電され、正電圧側スイッチング素子駆動回路２８を駆動するための電源が確保される。これにより、正常に正電圧側スイッチング素子駆動回路２８を駆動させることが可能となり、故障や不具合の少なくすることができる。
【００５４】
以上のように、実施の形態３に係るヒートポンプ装置１００では、位相切換部１９が出力した位相に、時間の経過とともに変化する位相変化成分θｐｌｕｓを加えて、電圧指令値の位相とした。これにより、時間の経過とともに、高周波交流電圧の通電位相が変化するため、ロータ位置に依存せず均一な圧縮機１の加熱が可能となる。
特に、実施の形態３に係るヒートポンプ装置１００では、位相変化成分θｐｌｕｓを６０度のｎ倍とした。これにより、電流波形の歪みを低減することができ、モータ騒音やモータ軸振動などを抑制することができる。
【００５５】
実施の形態４．
実施の形態４では、ヒートポンプ装置１００の回路構成の一例について説明する。
なお、例えば、図１等では、圧縮機１と、四方弁２と、熱交換器３と、膨張機構４と、熱交換器５とが配管により順次接続されたヒートポンプ装置１００について示した。実施の形態４では、より具体的な構成のヒートポンプ装置１００について説明する。
【００５６】
図２０は、実施の形態４に係るヒートポンプ装置１００の回路構成図である。
図２１は、図２０に示すヒートポンプ装置１００の冷媒の状態についてのモリエル線図である。図２１において、横軸は比エンタルピ、縦軸は冷媒圧力を示す。
ヒートポンプ装置１００は、圧縮機３１と、熱交換器３２と、膨張機構３３と、レシーバ３４と、内部熱交換器３５と、膨張機構３６と、熱交換器３７とが配管により順次接続され、冷媒が循環する主冷媒回路３８を備える。なお、主冷媒回路３８において、圧縮機３１の吐出側には、四方弁３９が設けられ、冷媒の循環方向が切り替え可能となっている。また、熱交換器３７の近傍には、ファン４０が設けられる。また、圧縮機３１は、上記実施の形態で説明した圧縮機１であり、インバータ９によって駆動されるモータ８と圧縮機構７とを有する圧縮機である。
さらに、ヒートポンプ装置１００は、レシーバ３４と内部熱交換器３５との間から、圧縮機３１のインジェクションパイプまでを配管により繋ぐインジェクション回路４２を備える。インジェクション回路４２には、膨張機構４１、内部熱交換器３５が順次接続される。
熱交換器３２には、水が循環する水回路４３が接続される。
【００５７】
まず、ヒートポンプ装置１００の暖房運転時の動作について説明する。暖房運転時には、四方弁３９は実線方向に設定される。なお、この暖房運転とは、空調で使われる暖房だけでなく、水に熱を与えて温水を作る給湯も含む。
【００５８】
圧縮機３１で高温高圧となった気相冷媒（図２１の点１）は、圧縮機３１から吐出され、凝縮器であり放熱器となる熱交換器３２で熱交換されて液化する（図２１の点２）。このとき、冷媒から放熱された熱により、水回路４３を循環する水が温められ、暖房や給湯に利用される。
熱交換器３２で液化された液相冷媒は、膨張機構３３で減圧され、気液二相状態になる（図２１の点３）。膨張機構３３で気液二相状態になった冷媒は、レシーバ３４で圧縮機３１へ吸入される冷媒と熱交換され、冷却されて液化される（図２１の点４）。レシーバ３４で液化された液相冷媒は、主冷媒回路３８と、インジェクション回路４２とに分岐して流れる。
主冷媒回路３８を流れる液相冷媒は、膨張機構４１で減圧され気液二相状態となったインジェクション回路４２を流れる冷媒と内部熱交換器３５で熱交換されて、さらに冷却される（図２１の点５）。内部熱交換器３５で冷却された液相冷媒は、膨張機構３６で減圧されて気液二相状態になる（図２１の点６）。膨張機構３６で気液二相状態になった冷媒は、蒸発器となる熱交換器３７で外気と熱交換され、加熱される（図２１の点７）。そして、熱交換器３７で加熱された冷媒は、レシーバ３４でさらに加熱され（図２１の点８）、圧縮機３１に吸入される。
一方、インジェクション回路４２を流れる冷媒は、上述したように、膨張機構４１で減圧されて（図２１の点９）、内部熱交換器３５で熱交換される（図２１の点１０）。内部熱交換器３５で熱交換された気液二相状態の冷媒（インジェクション冷媒）は、気液二相状態のまま圧縮機３１のインジェクションパイプから圧縮機３１内へ流入する。
圧縮機３１では、主冷媒回路３８から吸入された冷媒（図２１の点８）が、中間圧まで圧縮、加熱される（図２１の点１１）。中間圧まで圧縮、加熱された冷媒（図２１の点１１）に、インジェクション冷媒（図２１の点１０）が合流して、温度が低下する（図２１の点１２）。そして、温度が低下した冷媒（図２１の点１２）が、さらに圧縮、加熱され高温高圧となり、吐出される（図２１の点１）。
【００５９】
なお、インジェクション運転を行わない場合には、膨張機構４１の開度を全閉にする。つまり、インジェクション運転を行う場合には、膨張機構４１の開度が所定の開度よりも大きくなっているが、インジェクション運転を行わない際には、膨張機構４１の開度を所定の開度より小さくする。これにより、圧縮機３１のインジェクションパイプへ冷媒が流入しない。
ここで、膨張機構４１の開度は、マイクロコンピュータ等の制御部により電子制御により制御される。
【００６０】
次に、ヒートポンプ装置１００の冷房運転時の動作について説明する。冷房運転時には、四方弁３９は破線方向に設定される。なお、この冷房運転とは、空調で使われる冷房だけでなく、水から熱を奪って冷水を作ることや、冷凍等も含む。
【００６１】
圧縮機３１で高温高圧となった気相冷媒（図２１の点１）は、圧縮機３１から吐出され、凝縮器であり放熱器となる熱交換器３７で熱交換されて液化する（図２１の点２）。熱交換器３７で液化された液相冷媒は、膨張機構３６で減圧され、気液二相状態になる（図２１の点３）。膨張機構３６で気液二相状態になった冷媒は、内部熱交換器３５で熱交換され、冷却され液化される（図２１の点４）。内部熱交換器３５では、膨張機構３６で気液二相状態になった冷媒と、内部熱交換器３５で液化された液相冷媒を膨張機構４１で減圧させて気液二相状態になった冷媒（図２１の点９）とを熱交換させている。内部熱交換器３５で熱交換された液相冷媒（図２１の点４）は、主冷媒回路３８と、インジェクション回路４２とに分岐して流れる。
主冷媒回路３８を流れる液相冷媒は、レシーバ３４で圧縮機３１に吸入される冷媒と熱交換されて、さらに冷却される（図２１の点５）。レシーバ３４で冷却された液相冷媒は、膨張機構３３で減圧されて気液二相状態になる（図２１の点６）。膨張機構３３で気液二相状態になった冷媒は、蒸発器となる熱交換器３２で熱交換され、加熱される（図２１の点７）。このとき、冷媒が吸熱することにより、水回路４３を循環する水が冷やされ、冷房や冷凍に利用される。
そして、熱交換器３２で加熱された冷媒は、レシーバ３４でさらに加熱され（図２１の点８）、圧縮機３１に吸入される。
一方、インジェクション回路４２を流れる冷媒は、上述したように、膨張機構４１で減圧されて（図２１の点９）、内部熱交換器３５で熱交換される（図２１の点１０）。内部熱交換器３５で熱交換された気液二相状態の冷媒（インジェクション冷媒）は、気液二相状態のまま圧縮機３１のインジェクションパイプから流入する。
圧縮機３１内での圧縮動作については、暖房運転時と同様である。
【００６２】
なお、インジェクション運転を行わない際には、暖房運転時と同様に、膨張機構４１の開度を全閉にして、圧縮機３１のインジェクションパイプへ冷媒が流入しないようにする。
【００６３】
また、上記説明では、熱交換器３２は、冷媒と、水回路４３を循環する水とを熱交換させるプレート式熱交換器のような熱交換器であるとして説明した。熱交換器３２は、これに限らず、冷媒と空気を熱交換させるものであってもよい。
また、水回路４３は、水が循環する回路ではなく、他の流体が循環する回路であってもよい。
【００６４】
以上のように、ヒートポンプ装置１００は、空気調和機、ヒートポンプ給湯機、冷蔵庫、冷凍機等のインバータ圧縮機を用いたヒートポンプ装置に利用することができる。
【符号の説明】
【００６５】
１  圧縮機、２  四方弁、３  熱交換器、４  膨張機構、５  熱交換器、６  冷媒配管、７  圧縮機構、８  モータ、９  インバータ、１０  母線電圧検出部、１１  インバータ制御部、１２  圧縮機加熱許可部、１３  高周波交流電圧発生部、１４  積分器、１５  回転数指令出力部、１６  振幅出力部、１７  ＰＷＭ信号生成部、１８  スイッチング素子、１９  位相切換部、２０  加算器、２１  駆動回路、２２  スイッチング電源、２３  抵抗、２４  ダイオード、２５  コンデンサ、２６  チャージポンプ回路、２７  負電圧側スイッチング素子駆動回路、２８  正電圧側スイッチング素子駆動回路、３１  圧縮機、３２，３７  熱交換器、３３，３６，４１  膨張機構、３４  レシーバ、３５  内部熱交換器、３８  主冷媒回路、３９  四方弁、４０  ファン、４２  インジェクション回路、４３  水回路、１００  ヒートポンプ装置。
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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