(57)【要約】【課題】冷媒の膨張エネルギーによって発電機を回転駆動する膨張機が設けられた冷凍装置において、異常時などに発生する膨張機のフリーランに対してより迅速にブレーキを掛けはじめ、回転数上昇を抑制できるようにする。【解決手段】発電機（26）は、同回転数における無負荷誘起電圧（V）を可変に構成する。膨張機（13）の所定以上の回転数域においては、膨張機（13）の回転が制御されている第１状態における無負荷誘起電圧（V1）よりも、膨張機（13）の回転が制御されていない第２状態における無負荷誘起電圧（V2）が高くなるように、発電機（26）を制御する制御部（28）を設ける。【選択図】図３
2014052168.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷凍サイクルを行う冷媒回路（10）に設けられて冷媒を圧縮する電動圧縮機（11）と、
前記電動圧縮機（11）に電力を供給するインバータ回路（23）と、
前記冷媒回路（10）において前記冷媒を膨張させるとともに、動力を発生させる膨張機（13）と、
同回転数における無負荷誘起電圧（V）を可変に構成され、前記動力で駆動される発電機（26）と、
前記発電機（26）の出力を前記インバータ回路（23）の直流リンク部（22）に回生する電力回生回路（25）と、
前記発電機（26）の端子電圧または電力変換装置のＤＣリンク電圧（Vdc）が所定値以上の場合に作動し、該発電機（26）の運動エネルギーを電気エネルギーとして消費する保護回路（27）と、
前記膨張機（13）の所定以上の回転数域においては、前記膨張機（13）の回転が制御されている第１状態における前記無負荷誘起電圧（V1）よりも、前記膨張機（13）の回転が制御されていない第２状態における前記無負荷誘起電圧（V2）が高くなるように、前記発電機（26）を制御する制御部（28）と、
を備えたことを特徴とする冷凍装置。
【請求項２】
請求項１の冷凍装置において、
前記発電機（26）は、永久磁石埋め込み型の発電機であり、
前記制御部（28）は、前記第１状態では前記発電機（26）のｄ軸電流として負の電流を流して、前記第１状態における前記無負荷誘起電圧（V1）よりも、前記第２状態における前記無負荷誘起電圧（V2）の方が高くなるように制御することを特徴とする冷凍装置。
【請求項３】
請求項１の冷凍装置において、
前記発電機（26）は、回転中にコイル（60）の巻数を切替られるように構成され、
前記制御部（28）は、前記第２状態では前記第１状態よりも、前記コイル（60）の巻数をより多い巻数に切替えることを特徴とする冷凍装置。
【請求項４】
請求項１の冷凍装置において、
前記発電機（26）は、回転中にロータ（26a）とステータ（26b）の軸方向の相対位置を可変できるように構成され、
前記制御部（28）は、前記第２状態では前記第１状態よりも、前記ロータ（26a）と前記ステータ（26b）の対向面積がより大きくなるように、前記相対位置を可変することを特徴とする冷凍装置。
【請求項５】
請求項１の冷凍装置において、
前記発電機（26）は、ロータ（26a）内の磁路を可変に構成され、
前記制御部（28）は、前記第２状態では前記第１状態よりも、電機子鎖交磁束がより大きくなるように、前記磁路を可変することを特徴とする冷凍装置。
【請求項６】
請求項１の冷凍装置において、
前記発電機（26）は、ステータ（26b）内の磁路を可変に構成され、
前記制御部（28）は、前記第２状態では前記第１状態よりも、電機子鎖交磁束がより大きくなるように、前記磁路を可変することを特徴とする冷凍装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷凍サイクルを行う冷凍装置に関し、特に、冷媒の膨張エネルギーによって発電機を回転駆動する膨張機が設けられた冷凍装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
空気調和機などの、冷凍サイクルを行う冷凍装置では、冷媒の膨張エネルギーによって発電機を回転駆動する膨張機が設けられたものがある。このような冷凍装置では、何らかの異常発生時に発電機の出力電圧に所定以上の上昇があった場合に、発電機の発電エネルギーを電力消費用抵抗器で消費させて、発電機の回転数を低下させるようにしたものがある（例えば特許文献１を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−１４１７２号公報
【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、前記特許文献の例では、発電機の出力電圧が所定以上の電圧に増加するまでは、発電機の回転速度が上昇し続けることになって好ましくない。
【０００５】
本発明は前記の問題に着目してなされたものであり、冷媒の膨張エネルギーによって発電機を回転駆動する膨張機が設けられた冷凍装置において、異常時などに発生する膨張機のフリーランに対してより迅速にブレーキを掛けはじめ、回転数上昇を抑制できるようにすることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
膨張機は制御部の指令でスイッチングを行う電力変換装置により、電流を制御して回転数制御が行われる。これを第１状態とする。第１状態で回転数制御に必要な電流を任意に制御するためには、発電機側で発生する、無負荷誘起電圧より、電力変換装置側のDCリンク電圧のほうが高くなければならない。
【０００７】
一方、異常時などで制御部がオフの場合を第２状態とし、第２状態でダイオードブリッジを介して保護回路の電力消費手段にブレーキ電流を流す場合は、無負荷誘起電圧が電力変換器側のＤＣリンク電圧よりも高くしなければ、ブレーキ電流を流すことができない。またより大きなブレーキ電流を流すためには、この電圧をより高く発生させたほうがよい。
【０００８】
前記の無負荷誘起電圧とは、負荷のかかっていない状態での誘起電圧のことをいい、膨張機の軸にかかるトルクがなく、電力変換装置と膨張機との間に有効電力の支出がない状態での誘起電圧のことをいう。
【０００９】
前記の課題を解決するため、第１の発明は、
冷凍サイクルを行う冷媒回路（10）に設けられて冷媒を圧縮する電動圧縮機（11）と、
前記電動圧縮機（11）に電力を供給するインバータ回路（23）と、
前記冷媒回路（10）において前記冷媒を膨張させるとともに、動力を発生させる膨張機（13）と、
同回転数における無負荷誘起電圧（V）を可変に構成され、前記動力で駆動される発電機（26）と、
前記発電機（26）の出力を前記インバータ回路（23）の直流リンク部（22）に回生する電力回生回路（25）と、
前記発電機（26）の端子電圧または電力変換装置のＤＣリンク電圧（Vdc）が所定値以上の場合に作動し、該発電機（26）の運動エネルギーを電気エネルギーとして消費する保護回路（27）と、
前記膨張機（13）の所定以上の回転数域においては、前記膨張機（13）の回転が制御されている第１状態における前記無負荷誘起電圧（V1）よりも、前記膨張機（13）の回転が制御されていない第２状態における前記無負荷誘起電圧（V2）が高くなるように、前記発電機（26）を制御する制御部（28）と、
を備えたことを特徴とする。
【００１０】
この構成では、第２状態になると、発電機（26）の無負荷誘起電圧（V）が、より高くなるように制御されるので、無負荷誘起電圧（V）は、このような制御がないものと比べ、保護回路（27）の作動を開始する電圧を、より早く超える。
【００１１】
また、第２の発明は、
第１の発明の冷凍装置において、
前記発電機（26）は、永久磁石埋め込み型の発電機であり、
前記制御部（28）は、前記第１状態では前記発電機（26）のｄ軸電流として負の電流を流して、前記第１状態における前記無負荷誘起電圧（V1）よりも、前記第２状態における前記無負荷誘起電圧（V2）の方が高くなるように制御することを特徴とする。
【００１２】
この構成では、永久磁石埋め込み型の発電機が、いわゆる弱め磁束制御で運転されて、同回転数における無負荷誘起電圧（V）が可変される。
【００１３】
また、第３の発明は、
第１の発明の冷凍装置において、
前記発電機（26）は、回転中にコイル（60）の巻数を切替られるように構成され、
前記制御部（28）は、前記第２状態では前記第１状態よりも、前記コイル（60）の巻数をより多い巻数に切替えることを特徴とする。
【００１４】
この構成では、コイル（60）の切替によって、同回転数における無負荷誘起電圧（V）が可変される。
【００１５】
また、第４の発明は、
第１の発明の冷凍装置において、
前記発電機（26）は、回転中にロータ（26a）とステータ（26b）の軸方向の相対位置を可変できるように構成され、
前記制御部（28）は、前記第２状態では前記第１状態よりも、前記ロータ（26a）と前記ステータ（26b）の対向面積がより大きくなるように、前記相対位置を可変することを特徴とする。
【００１６】
この構成では、ロータ（26a）とステータ（26b）の軸方向の相対位置を可変することによって、同回転数における無負荷誘起電圧（V）が可変される。
【００１７】
また、第５の発明は、
第１の発明の冷凍装置において、
前記発電機（26）は、ロータ（26a）内の磁路を可変に構成され、
前記制御部（28）は、前記第２状態では前記第１状態よりも、電機子鎖交磁束がより大きくなるように、前記磁路を可変することを特徴とする。
【００１８】
この構成では、ロータ（26a）内の磁気抵抗を可変することによって、同回転数における無負荷誘起電圧（V）が可変される。
【００１９】
また、第６の発明は、
第１の発明の冷凍装置において、
前記発電機（26）は、ステータ（26b）内の磁路を可変に構成され、
前記制御部（28）は、前記第２状態では前記第１状態よりも、電機子鎖交磁束がより大きくなるように、前記磁路を可変することを特徴とする。
【００２０】
この構成では、ステータ（26b）内の磁気抵抗を可変することによって、同回転数における無負荷誘起電圧（V）が可変される。
【発明の効果】
【００２１】
第１の発明によれば、前記第２状態では無負荷誘起電圧（V）を前記第１状態より大きくできるため、保護回路（27）の作動開始を早め、発電機（26）に対して迅速にブレーキをかけることが可能になる。すなわち、異常時などに発生する膨張機（13）フリーランの回転数上昇を抑制できるようになる。つまり、膨張機（13）等の機械要素を確実に保護することができる。また、電力変換装置（20）を構成する回路部品が過電圧から適切に保護される。
【００２２】
また、第２の発明によれば、永久磁石埋め込み型の発電機において、前記効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】図１は、実施形態１に係る冷凍装置の構成を示す図である。
【図２】図２は、保護回路の構成例を示す回路図である。
【図３】図３は、発電機の回転速度と無負荷誘起電圧との関係を示す図である。
【図４】図４は、実施形態２に係る冷凍装置の構成を示す図である。
【図５】図５は、実施形態３に係る冷凍装置構成を示す図である。
【図６】図６は、実施形態４に係る冷凍装置の構成を示す図である。
【図７】図７は、実施形態５に係る冷凍装置の構成を示す図である。
【図８】図８は、実施形態５の発電機のステータの構成例を模式的に示す図である。
【図９】図９は、発電機の回転速度と無負荷誘起電圧との関係を示す図である。
【図１０】図１０は、実施形態６に係る冷凍装置の構成を示す図である。
【図１１】図１１は、実施形態６に係る発電機の構成例を模式的に示す断面図である。
【図１２】図１２は、発電機の回転速度と無負荷誘起電圧との関係を示す図である。
【図１３】図１３は、実施形態７に係る冷凍装置の構成を示す図である。
【図１４】図１４は、実施形態７に係る発電機のロータの構成例を模式的に示す断面図である。
【図１５】図１５は、ロータ磁路切替機構の動作を説明する図である。
【図１６】図１６は、発電機の回転速度と無負荷誘起電圧との関係を示す図である。
【図１７】図１７は、本発明の実施形態８に係る発電機の構成を模式的に示す図である。
【図１８】図１８は、発電機の回転速度と無負荷誘起電圧との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。
【００２５】
《発明の実施形態１》
図１は、本発明の実施形態１に係る冷凍装置（1）の構成を示す図である。図１に示すように、冷凍装置（1）は、冷媒回路（10）、電力変換装置（20）、及び電力回生装置（30）を備えている。
【００２６】
〈冷媒回路（10）の構成〉
冷媒回路（10）は、圧縮機（11）、凝縮器（12）、膨張機（13）、及び蒸発器（14）、を備え、これらが冷媒配管で接続されている。冷媒回路（10）では、冷媒を循環させて冷凍サイクルが行われる。
【００２７】
圧縮機（11）には、例えばスクロール式の圧縮機など種々の形式の圧縮機構を採用できる。圧縮機（11）は、モータ（11a）で駆動される。モータ（11a）には、例えば埋め込み磁石形モータを採用する。
【００２８】
凝縮器（12）、及び蒸発器（14）は、空気と冷媒を熱交換させるいわゆる空気熱交換器であり、例えばクロスフィン・アンド・チューブ式の熱交換器を採用できる。
【００２９】
膨張機（13）は、流入した前記冷媒を膨張させて動力を発生させる。例えば膨張機（13）は、図示は省略するが、いわゆる揺動ピストン型のロータリ式流体機械で構成することができる。ロータリ式流体機械では、シリンダ及びピストンが設けられ、流入した冷媒の膨張エネルギーによってピストンが駆動し、出力軸（13a）を回転駆動させる。この出力軸（13a）には、発電機（26）が接続され、膨張機（13）の動力によって回転駆動されるようになっている。本実施形態では、発電機（26）には、ロータのコア内に磁石が埋め込まれた埋込み磁石型（いわゆるＩＰＭ：Interior Permanent Magnet）の発電機（以下、ＩＰＭ発電機とも呼ぶ)を採用している。
【００３０】
〈電力変換装置（20）の構成〉
電力変換装置（20）は、図１に示すように、コンバータ回路（21）、直流リンク部（22）、及びインバータ回路（23）を備えている。
【００３１】
電力変換装置（20）では、交流電源（40）から入力された三相交流を、コンバータ回路（21）に入力している。コンバータ回路（21）は、例えばダイオードブリッジ回路で構成され、交流を整流する。直流リンク部（22）は、電解コンデンサ（22a）を備え、コンバータ回路（21）の出力を平滑化する。平滑化された直流はインバータ回路（23）に入力される。インバータ回路（23）は、ブリッジ接続された複数（例えば６つ）のスイッチング素子を備え、それらのスイッチング素子で、入力された直流をスイッチングして交流に変換している。インバータ回路（23）では、ＰＷＭ制御によって、スイッチング素子の矩形波駆動が行われる。インバータ回路（23）の出力（交流電力）はモータ（11a）に供給されている。
【００３２】
〈電力回生装置（30）〉
電力回生装置（30）は、電力回生コンバータ回路（25）、保護回路（27）、制御部（28）、及び閾値電圧検出部（29）を備えている。
【００３３】
電力回生コンバータ回路（25）は、ブリッジ接続された複数（例えば６つ）のスイッチング素子を備え、それらのスイッチング素子で、発電機（26）の出力（交流電力）をスイッチングして直流に変換している。電力回生コンバータ回路（25）は、本発明の電力回生回路の一例である。
【００３４】
〈保護回路（27）〉
保護回路（27）は、発電機（26）の運動エネルギーを電気エネルギーとして消費する。図２は、保護回路（27）の構成例を示す回路図である。保護回路（27）は、抵抗器（R）とトランジスタ（Q）とを備えている。図１に示すように、この実施形態では、抵抗器（R）とトランジスタ（Q）とは、電力回生コンバータ回路（25）の出力ノード間に直列接続されている。すなわち、保護回路（27）は、発電機（26）の出力電力を回生する経路に設けられている。この例では、トランジスタ（Q）の制御端子（B）に、所定の電圧の制御信号（S）を印加すると、トランジスタ（Q）がオンになり、電力回生コンバータ回路（25）が出力した直流電流は抵抗器（R）を流れ、熱エネルギーに変わる。このように、本実施形態の保護回路（27）は、従来の保護機構で採用されていた昇圧型力率改善回路のような昇圧機能がなく、より簡略な回路構成である。
【００３５】
〈閾値電圧検出部（29）〉
閾値電圧検出部（29）は、電解コンデンサ（22a）の端子電圧（電圧（Vdc））を検出し、該電圧（Vdc）に対応した検出値を保護回路（27）に出力するようになっている。閾値電圧検出部（29）は、具体的には、直流リンク部（22）の電圧（Vdc）を、直列接続された抵抗（図示は省略）で分圧して、制御信号（S）としてトランジスタ（Q）の制御端子（B）に印加している。これらの抵抗の抵抗値は、直流リンク部（22）の電圧（Vdc）（発電機（26）端子電圧と相間がある）が、後述の閾値（Vt）を超えた場合に、分圧した電圧がトランジスタ（Q）のオン電圧を超えて、該トランジスタ（Q）がオンになるように設定する。つまり、保護回路（27）は、発電機（26）のＤＣリンク電圧（Vdc）が所定以上の場合に作動することになる。なお、閾値（Vt）は、正常に冷凍装置（1）が動作している状態（後述の第１状態）における、直流リンク部（22）の電圧（Vdc）よりも高い値に設定する。
【００３６】
〈制御部（28）〉
制御部（28）は、発電機（26）の無負荷誘起電圧の制御を行う。制御部（28）は、例えば、マイクロコンピュータとそれを動作させるプログラムによって構成することができる。
【００３７】
図３は、発電機（26）の回転速度と無負荷誘起電圧（V）との関係を示す図である。なお、図３には、後に本実施形態の効果を説明するため、ロータの表面に磁石が設けられた表面磁石型（いわゆるＳＰＭ：Surface Permanent Magnet）の発電機（以下、ＳＰＭ発電機）の無負荷誘起電圧を示す図も併記してある（図３（Ｂ）参照）。
【００３８】
制御部（28）は、図３（Ａ）に示すように、発電機（26）の回転速度が所定値以上の運転領域では、無負荷誘起電圧（V）を所定値以下の値（無負荷誘起電圧（V1）とする）に抑えるようになっている。具体的には、制御部（28）は、発電機（26）のｄ軸電流として負の電流を流すことで、無負荷誘起電圧（V）を無負荷誘起電圧（V1）以下に制御している。すなわち、制御部（28）は、いわゆる弱め磁束制御を行うのである。なお、前記弱め磁束制御が行われないとＩＰＭ発電機（26）の無負荷誘起電圧（V）は、図３（Ａ）に破線で示した電圧となる。
【００３９】
なお、制御部（28）が異常（例えば過電流、過電圧、不足電圧、モータの脱調など）を検知した場合、膨張機制御を停止し、制御部（28）による前記弱め磁束制御が行われなくなる。すなわち、発電機（26）の無負荷誘起電圧（V）の制御が行われない状態になる。
【００４０】
〈冷凍装置（1）の動作概要〉
冷凍装置（1）では、電力変換装置（20）によってモータ（11a）に電力が供給されると圧縮機（11）が駆動する。それにより、冷媒回路（10）では冷媒が循環して蒸気圧縮式の冷凍サイクルが行われる。このとき、膨張機（13）では、冷媒が膨張する際にピストンを駆動し、その運動エネルギーによって出力軸（13a）が回転駆動する。すなわち、膨張機（13）は、冷媒を膨張させて動力を発生させる。出力軸（13a）が回転駆動すると、発電機（26）が駆動して電力を発生させる。発電機（26）の出力電力は、電力回生コンバータ回路（25）によって直流に変換されて、直流リンク部（22）に回生される。このとき膨張機（13）のピストンの回転数は、直流リンク部（22）で回生される電力に応じて定まることになる。すなわち、直流リンク部（22）に、発電機（26）の電力を回生させることで、膨張機（13）にブレーキをかけることができる。この状態は、膨張機（13）の回転が制御されている状態（第１状態と呼ぶ）である。
【００４１】
〈異常停止時の動作〉
ここで、例えば停電などによって、電圧が低下すると圧縮機（11）、膨張機（13）ともに電圧不足により電力変換装置（20）、電力回生装置（30）は回転制御ができなくなり異常停止しオフ状態になる。そうすると、膨張機（13）の回転が制御されていない状態（いわゆるフリーラン状態）になる。膨張機（13）がフリーラン状態となった場合（以下、第２状態とも呼ぶ）には、既述の通り、制御部（28）による弱め磁束制御も行われなくなる。すなわち、発電機（26）に流すマイナスのｄ軸電流の制御が行われない状態になり、無負荷誘起電圧が大きくなる。それにより、直流リンク部（22）における電圧（Vdc）は、後に詳述するように急峻に上昇し、閾値電圧検出部（29）が出力する制御信号（S）の電圧も急峻に増大する。
【００４２】
制御信号（S）の電圧が上昇してトランジスタ（Q）のオン電圧を超えると、トランジスタ（Q）がオンになる。それにより、電力回生コンバータ回路（25）が出力した直流電流は抵抗器（R）を流れる。つまり、保護回路（27）では、冷媒回路（10）における冷媒の残存エネルギーを、電気エネルギーとして消費する。
【００４３】
発電機（26）の運動エネルギーが消費されると、発電機（26）のロータにブレーキがかけられて、膨張機（13）のピストンの回転数の上昇を抑制できる。したがって、フリーラン時における膨張機（13）のピストン回転数を、該膨張機（13）の機械的な耐力を超えない範囲にとどめることが可能になる。また、電力変換装置（20）内の回路に回生される電流も低下し、電力変換装置（20）を構成する回路部品が過電圧から保護される。すなわち、圧縮機（11）が異常停止した場合などに、回路部品、及び機械部品の両方の保護が可能になる。
【００４４】
〈異常停止時の無負荷誘起電圧〉
図３（Ｂ）には、既述の通り、ＳＰＭ発電機の無負荷誘起電圧を例示してある。例えば、本実施形態の発電機（26）（ＩＰＭ発電機）と、ＳＰＭ発電機の運転範囲（回転速度）を同等にすると仮定する。そうすると、ＳＰＭ発電機を用いた装置では、保護回路の作動開始の電圧（閾値（Vspm））は、運転範囲の上限における無負荷誘起電圧（Vul）よりも、高めの設定値となる（図３参照）。例えば、圧縮機（11）が異常停止した時に、ＳＰＭ発電機が回転速度（R1）で駆動されていたとすれば、ＳＰＭ発電機の回転速度が増大して、その無負荷誘起電圧（V）が回転速度に比例して大きくなる。そして、ＳＰＭ発電機の無負荷誘起電圧（V）が閾値（Vspm）に達したところ（図３における回転速度Ｒ２）で、ＳＰＭ発電機にブレーキがかかることになる。
【００４５】
これに対し本実施形態のＩＰＭ発電機（26）では、前記弱め磁束制御が実施されている回転速度域では、無負荷誘起電圧（V）は、無負荷誘起電圧（V1）（ｄ軸電流のみ流された場合）に抑えられる。そして、制御部（28）が異常を検知し、膨張機の回転制御を停止した場合、その弱め磁束制御が行われなくなるため、無負荷誘起電圧（V）は、図３（Ａ）に破線で示した無負荷誘起電圧（V2）まで、跳ね上がることになる。そのため、例えば、制御部（28）が異常を検知する直前のＩＰＭ発電機（26）の回転速度が回転速度（R1）で駆動されていたとすれば、制御部（28）が異常を検知し膨張機の回転制御を停止した直後の無負荷誘起電圧（V）は跳ねあがって、概ね回転速度（R1）の時（速度＜Ｒ２の時）に閾値（Vt）を超えることになる。すなわち、本実施形態では、迅速に膨張機（13）に対してブレーキをかけることが可能になる。
【００４６】
〈本実施形態における効果〉
以上のように本実施形態では、異常発生時に発電機（26）に対して迅速にブレーキをかけることが可能になる。すなわち、異常時などに発生する膨張機フリーランの回転数上昇を抑制できるようにできる。つまり、膨張機（13）等の機械要素を確実に保護することができる。また、電力変換装置（20）を構成する回路部品が過電圧から適切に保護される。
【００４７】
《発明の実施形態２》
図４は、本発明の実施形態２に係る冷凍装置（1）の構成を示す図である。実施形態２では、保護回路（27）を発電機（26）の出力端子に接続してある。本実施形態の保護回路（27）は、ダイオードブリッジ回路(図示は省略)を備えている。ダイオードブリッジ回路の出力ノードには、抵抗器（R）とトランジスタ（Q）が直列接続されている(図２参照)。この構成でも、直流リンク部（22）における電圧（Vdc）が上昇して閾値（Vt）を超えると、トランジスタ（Q）がオンなる。それにより、発電機（26）の出力は、ダイオードブリッジ回路で整流された後に抵抗器（R）を流れ、熱エネルギーに変わる。そして、本実施形態でも制御部（28）は、発電機（26）の回転速度が所定値以上の運転領域では、該発電機（26）に対していわゆる弱め磁束制御を行う。
【００４８】
したがって、本実施形態においても、フリーラン状態となった膨張機（13）を、より迅速にブレーキをかけ回転数上昇を抑制することが可能になる。また、本実施形態では、発電機（26）の出力電力を直接的に保護回路（27）で消費するので、電力回生コンバータ回路（25）の出力電力を消費する場合と比べ、より強力に発電機（26）にブレーキをかけることが可能になる。
【００４９】
なお、保護回路（27）には、ダイオードブリッジ回路は必須ではない。ダイオードブリッジ回路を設けない場合には、例えば、発電機（26）の出力（交流）の各相に抵抗器（R）とトランジスタ（Q）の組を設けて各相で電力を消費するようにしてもよい。
【００５０】
《発明の実施形態３》
図５は、本発明の実施形態３に係る冷凍装置（1）の構成を示す図である。この例では、保護回路（27）を電力回生装置（30）の出力に接続し、該電力回生装置（30）の出力電力を保護回路（27）で消費するようになっている。また、閾値電圧検出部（29）は、発電機（26）の出力電圧を検出するように構成されている。例えば閾値電圧検出部（29）は、発電機（26）の各相の電圧を電圧検出回路で検出するように構成することで実現できる。
【００５１】
この例でも、制御部（28）は、発電機（26）の回転速度が所定値以上の運転領域では、該発電機（26）に対していわゆる弱め磁束制御を行う。また、閾値電圧検出部（29）は、発電機（26）の出力電圧が、所定の閾値（Vt）を超えた場合に、制御信号（S）の電圧がトランジスタ（Q）のオン電圧を超えるようになっている。そして、この構成においても、実施形態１と同様の効果を得ることができる。
【００５２】
《発明の実施形態４》
図６は、本発明の実施形態４に係る冷凍装置（1）の構成を示す図である。この例では、保護回路（27）を発電機（26）の出力端子に接続し、発電機（26）の出力電力を直接的に該保護回路（27）で消費するようになっている。また、閾値電圧検出部（29）は、実施形態３の例と同様に、発電機（26）の出力電圧を検出するように構成されている。
【００５３】
そして、この例でも、制御部（28）は、発電機（26）の回転速度が所定値以上の運転領域では、該発電機（26）に対していわゆる弱め磁束制御を行う。したがって、この構成においても、実施形態１と同様の効果を得ることができる。
【００５４】
《発明の実施形態５》
図７は、本発明の実施形態５に係る冷凍装置（1）の構成を示す図である。本実施形態の冷凍装置（1）は、実施形態１の冷凍装置（1）に、巻数切替機構（50）を設けるとともに、制御部（28）及び発電機（26）の構成を変更している。
【００５５】
制御部（28）は、膨張機（13）の制御状態や電流、電圧などの異常を検出する。制御部（28）は、これらの異常を検出した場合には、膨張機（13）の回転制御を停止し、ただちに巻数切替機構（50）に異常信号（S2）を出力するようになっている。
【００５６】
発電機（26）には、ＩＰＭ発電機、ＳＰＭ発電機の何れの形式の発電機でも採用できる。本実施形態では、発電機（26）は、回転中にステータのコイルの巻数を切替られるように構成されている。図８は、実施形態５の発電機（26）のステータ（26b）の構成例を模式的に示す図である。この発電機（26）のステータ（26b）は、各相（この例では３相ある）のコイル（60）が、巻数が互いに異なる第１コイル（60a）及び第２コイル（60b）によって構成されている。第１コイル（60a）よりも、第２コイル（60b）の方が巻数は多く構成されている。
【００５７】
巻数切替機構（50）は、各相において第１及び第２コイル（60a,60b）の何れを使用するかを切替えるように構成されている。具体的には、巻数切替機構（50）は、例えばリレーを用いて構成できる。本実施形態では、巻数切替機構（50）は、異常信号（S2）によって切替を行う。具体的には、巻数切替機構（50）は、前記第１状態（膨張機（13）の回転が制御されている状態）には、各相において第１コイル（60a）を選択し、異常信号（S2）が入力された場合（具体的には前記第２状態）には、各相において第２コイル（60b）を選択を選択する。
【００５８】
また、本実施形態では、保護回路（27）の作動開始の閾値（Vt）の設定にも特徴がある。図９は、発電機（26）の回転速度と無負荷誘起電圧（V）との関係を示す図である。同図に示すように、保護回路（27）の作動開始の閾値（Vt）は、巻数がより少ない第１コイル（60a）を選択して運転範囲の上限回転速度での無負荷誘起電圧（V1）よりも、高めの設定としている（図９中のＶｔ）。なお、この場合も閾値（Vt）は、通常運転時の直流リンク部（22）の電圧（Vdc）よりも高くする。
【００５９】
〈冷凍装置（1）の動作概要〉
本実施形態では、異常が発生していない場合、すなわち前記第１状態の場合には、既述の通り、発電機（26）では、巻数がより少ない第１コイル（60a）が選択される。そのため、第２コイル（60b）が選択された時の無負荷誘起電圧（図９において破線で示す電圧）よりも、第１コイル（60a）が選択された時の無負荷誘起電圧（V）が低く抑えられることになる。
【００６０】
ここで、例えば停電などによって、電圧が低下すると圧縮機（11）、膨張機（13）ともに電圧不足により、電力変換装置（20）、電力回生装置（30）は回転制御ができなくなり異常停止しオフ状態になる。そうすると、膨張機（13）の回転が制御されていない状態（前記第２状態）になる。膨張機（13）がフリーラン状態となった場合には、制御部（28）が異常信号（S2）を出力する。それにより、巻数切替機構（50）は、発電機（26）の各相のコイル（60）を、第１コイル（60a）から、巻数がより多い第２コイル（60b）に切替える。その結果、この状態での無負荷誘起電圧（V）は、図９に破線で示した無負荷誘起電圧まで、跳ね上がることになる。例えば、制御部（28）が異常を検知する直前の発電機（26）の回転速度が回転速度（R1）で駆動していたとすれば、制御部（28）が異常を検知し膨張機の回転制御を停止した直後に第２コイル（60b）に切替えることで無負荷誘起電圧（V）は跳ねあがって、概ね回転速度（R1）の時に閾値（Vt）を超えることになる。すなわち、本実施形態でも、異常発生時に、迅速に膨張機（13）に対してブレーキをかけることが可能になる。
【００６１】
〈本実施形態における効果〉
以上のように本実施形態でも、異常発生時に発電機（26）に対して迅速にブレーキをかけることが可能になる。すなわち、異常時などに発生する膨張機フリーランの回転数上昇を抑制でき、膨張機（13）等の機械要素を確実に保護することができる。
【００６２】
《発明の実施形態６》
図１０は、本発明の実施形態６に係る冷凍装置（1）の構成を示す図である。本実施形態の冷凍装置（1）は、実施形態５の冷凍装置（1）の発電機（26）及び制御部（28）の構成を変更している。図１１は、実施形態６に係る発電機（26）の構成例を模式的に示す断面図である。本実施形態の発電機（26）は、ＩＰＭ発電機、ＳＰＭ発電機の何れの形式の発電機でも採用できる。ただし、本実施形態では、発電機（26）は、ロータ（26a）とステータ（26b）の軸方向の相対位置を可変する位置制御機構（70）を備えている。図１１（Ａ）は、ステータ（26b）を軸方向に可動に構成した例であり、図１１（Ｂ）は、ロータ（26a）を軸方向に可動に構成した例である。なお、ここで、軸方向とは、膨張機（13）の出力軸（13a）の軸心方向である。
【００６３】
−ステータ可動の例−
図１１（Ａ）の例では、ステータ（26b）が、軸方向に移動可能に構成されている。ステータ（26b）には、位置制御機構（70）（例えば電磁アクチュエータ）が連結されている。そして、この位置制御機構（70）を駆動させることで、ステータ（26b）を第１位置（ステータ（26b）を実線で示した位置）、及び第２位置（ステータ（26b）を破線で示した位置）の何れかに切替可能になっている。ロータ（26a）とステータ（26b）との対向面積は、前記第２位置では前記第１位置よりも、より大きくなるようになっている。
【００６４】
−ロータ可動の例−
一方、図１１（Ｂ）の例では、ロータ（26a）が、軸方向に移動可能に構成されている。ロータ（26a）には、位置制御機構（70）（例えば電磁アクチュエータ）が連結されている。そして、この位置制御機構（70）を駆動させることで、ロータ（26a）を第１位置（ロータ（26a）を実線で示した位置）、及び第２位置（ロータ（26a）を破線で示した位置）の何れかに切替可能になっている。
【００６５】
ロータ（26a）とステータ（26b）との対向面積は、前記第２位置では前記第１位置よりも、より大きくなるようになっている。すなわち、図１１（Ａ）、図１１（Ｂ）の何れの例も、ロータ（26a）とステータ（26b）との対向面積は、前記第２位置では、前記第１位置よりも、より大きくなる。このように、ロータ（26a）とステータ（26b）の相対位置を可変とすることで、この発電機（26）では、同回転数における無負荷誘起電圧（V）を可変できる。
【００６６】
そして、本実施形態では、制御部（28）は、ロータ（26a）とステータ（26b）との位置関係を、前記第１状態では前記第１位置に制御し、前記第２状態では前記第２位置に制御する。
【００６７】
また、本実施形態では、保護回路（27）の作動開始の閾値（Vt）の設定にも特徴がある。図１２は、発電機（26）の回転速度と無負荷誘起電圧（V）との関係を示す図である。同図に示すように、閾値（Vt）は、ロータ（26a）とステータ（26b）との相対位置を、対向面積がより小さい第１位置に設定して運転範囲の上限回転速度での無負荷誘起電圧（V1）よりも、高めの設定としている（図１２中のＶt）。なお、この場合も閾値（Vt）は、通常運転時の直流リンク部（22）の電圧（Vdc）よりも高くする。
【００６８】
〈異常停止時の動作〉
例えば停電などによって、圧縮機（11）が異常停止すると、電力変換装置（20）もオフ状態になる。そうすると、膨張機（13）の回転が制御されていない状態（前記第２状態）になる。膨張機（13）がフリーラン状態となった場合には、制御部（28）が異常信号（S2）を出力する。それにより、位置制御機構（70）は、ロータ（26a）とステータ（26b）の対向面積がより大きくなるように、両者の相対位置を可変する。その結果、無負荷誘起電圧（V）は、図１２に破線で示した無負荷誘起電圧（V2）まで、跳ね上がることになる。
【００６９】
例えば、異常が起こった時に、発電機（26）が回転速度（R1）で駆動していたとすれば、無負荷誘起電圧（V）が跳ねあがって、図１２の例では、概ね回転速度（R1）の時に閾値（Vt）を超えることになる。すなわち、本実施形態でも、異常発生時に、迅速に膨張機（13）に対してブレーキをかけることが可能になる。
【００７０】
《発明の実施形態７》
図１３は、本発明の実施形態７に係る冷凍装置（1）の構成を示す図である。本実施形態の冷凍装置（1）は、実施形態５の冷凍装置（1）の発電機（26）及び制御部（28）の構成を変更している。本実施形態の発電機（26）は、ＩＰＭ発電機、ＳＰＭ発電機の何れの形式の発電機でも採用できる。本実施形態では、発電機（26）は、ロータ（26a）内の磁路を可変するロータ磁路切替機構（80）を備えている点に特徴がある。
【００７１】
図１４は、実施形態７に係る発電機（26）のロータ（26a）の構成例を模式的に示す断面図である。ロータ磁路切替機構（80）は、アクチュエータ（81）、カム機構（82）、可動磁路（83）、及びバネ（84）を備えている。
【００７２】
アクチュエータ（81）は、例えば電磁アクチュエータ電磁で構成する。このアクチュエータ（81）は、カム機構（82）を軸方向に駆動するようになっている。カム機構（82）は、アクチュエータ（81）の軸方向の動きを、ロータ（26a）の径方向動きに変換するようになっている。可動磁路（83）は、ロータ（26a）と同様の磁気特性を有した材料で構成され、ピストン状の形態を有している。
【００７３】
図１５は、ロータ磁路切替機構（80）の動作を説明する図である。図１５に示すように、可動磁路（83）は、カム機構（82）に駆動されて、径方向に移動するようになっている。可動磁路（83）が外周側に移動した場合（図１５（Ａ）参照）は、可動磁路（83）の内周側には空隙（85）が形成されるようになっている。
【００７４】
バネ（84）は、可動磁路（83）を内周方向に付勢するものである。アクチュエータ（81）を非制御状態（例えば電源オフ）にすると、このバネ（84）によって、可動磁路（83）は内周側に移動して空隙（85）の一部を塞ぐ（図１５（Ｂ）参照）。
【００７５】
可動磁路（83）が図１５（Ａ）の位置（第１位置と呼ぶ）にあるときは、ロータ（26a）内の短絡磁束が増加、及びステータ（26b）の巻線を鎖交する磁束の経路の磁気抵抗が大きくなる。また、可動磁路（83）が図１５（Ｂ）の位置（第２位置と呼ぶ）にあるときは、ロータ（26a）内の短絡磁束が低下、及びステータ（26b）の巻線を鎖交する磁束の経路の磁気抵抗が小さくなる。そのため、可動磁路（83）が前記第２位置にある場合は、前記第１位置にある場合よりも、電機子鎖交磁束がより大きくなる。電機子鎖交磁束がより大きいほど無負荷誘起電圧（V）も大きくなる。すなわち、ロータ（26a）内の磁路を可変とすることで、この発電機（26）では、同回転数における無負荷誘起電圧（V）を可変できる。
【００７６】
そして、本実施形態では、制御部（28）は、可動磁路（83）の位置を、前記第１状態では前記第１位置に制御し、前記第２状態では前記第２位置に制御する。すなわち電機子鎖交磁束は、前記第１状態の方が、前記第２状態（フリーラン状態）よりもより小さく制御される。
【００７７】
また、本実施形態では、保護回路（27）の作動開始の閾値（Vt）の設定にも特徴がある。図１６は、発電機（26）の回転速度と無負荷誘起電圧（V）との関係を示す図である。同図に示すように、閾値（Vt）は、電機子鎖交磁束がより小さくなる第１位置に可動磁路（83）を設定して運転範囲の上限回転速度で運転した場合の無負荷誘起電圧（V1）よりも、高めの設定としている（図１６中のＶｔ）。なお、この場合も閾値（Vt）は、通常運転時の直流リンク部（22）の電圧（Vdc）よりも高くする。
【００７８】
〈異常停止時の動作〉
例えば停電などによって、電圧が低下すると圧縮機（11）、膨張機（13）ともに電圧不足により電力変換装置（20）、電力回生装置（30）は回転制御できなくなり異常停止しオフ状態になる。そうすると、膨張機（13）の回転が制御されていない状態（前記第２状態）になる。膨張機（13）が前記第２状態（フリーラン状態）になった場合には、制御部（28）が異常信号（S2）を出力する。それにより、ロータ磁路切替機構（80）は、電機子鎖交磁束がより大きくなるように、可動磁路（83）を内周側に移動させる。具体的には、アクチュエータ（81）への制御をオフにして、可動磁路（83）をバネ（84）の力で内周側に移動させる。その結果、この状態における無負荷誘起電圧（V）は、図１２に破線で示した無負荷誘起電圧（V2）まで、跳ね上がることになる。
【００７９】
例えば、制御部（28）が異常を検知する直前の発電機（26）の回転速度が回転速度（R1）で駆動していたとすれば、制御部（28）が異常を検知し膨張機の回転制御を停止した直後にアクチュエータ（81）への制御をオフにして、可動磁路（83）をバネ（84）の力で内周側に移動させることで、無負荷誘起電圧（V）が跳ねあがって、図１６の例では、概ね回転速度（R1）の時に閾値（Vt）を超えることになる。すなわち、本実施形態でも、異常発生時に、迅速に膨張機（13）に対してブレーキをかけることが可能になる。
【００８０】
《発明の実施形態８》
本実施形態の冷凍装置（1）は、実施形態７の冷凍装置（1）の発電機（26）及び制御部（28）の構成を変更している。図１７は、本発明の実施形態８に係る発電機（26）の構成を模式的に示す図である。本実施形態の発電機（26）は、ＩＰＭ発電機、ＳＰＭ発電機の何れの形式の発電機でも採用できる。本実施形態では、発電機（26）は、実施形態７のロータ磁路切替機構（80）に代えて、ステータ（26b）内の磁路を可変するステータ磁路切替機構（90）を備えている点に特徴がある。図１７に示すように、ステータ磁路切替機構（90）は、アクチュエータ（91）、可動磁路（93）、及びバネ（94）を備えている。
【００８１】
アクチュエータ（91）は、例えば電磁アクチュエータ電磁で構成する。このアクチュエータ（91）は、径方向に稼動するようになっている。可動磁路（93）は、磁性材料で構成され、ピストン状の形態を有している。図１７に示すように、可動磁路（93）は、アクチュエータ（91）に駆動されて、径方向に移動するようになっている。可動磁路（93）が外周側に移動した場合（図１７（Ａ）参照）は、可動磁路（93）の内周側には空隙（95）が形成されるようになっている。また、可動磁路（93）が内周側に移動した場合（図１７（Ｂ）参照）は、空隙（95）が概ね塞がるようになっている。
【００８２】
バネ（94）は、可動磁路（93）を内周方向に付勢するものである。アクチュエータ（91）を非制御状態（例えば電源オフ）にすると、このバネ（94）によって、可動磁路（93）は内周側に移動する（図１７（Ｂ）参照）。
【００８３】
可動磁路（93）が図１７（Ａ）の位置（第１位置と呼ぶ）にあるときは、ステータ（26b）内での磁気抵抗が大きくなる。また、可動磁路（93）が図１７（Ｂ）の位置（第２位置と呼ぶ）にあるときは、ステータ（26b）内での磁気抵抗が小さくなる。そのため、可動磁路（93）が前記第２位置にある場合は、前記第１位置にある場合よりも、電機子鎖交磁束がより大きくなる。電機子鎖交磁束が、より大きいほど無負荷誘起電圧（V）も大きくなる。すなわち、ステータ（26b）内の磁気抵抗を可変とすることで、この発電機（26）では、同回転数における無負荷誘起電圧（V）を可変できる。
【００８４】
そして、本実施形態では、制御部（28）は、可動磁路（93）の位置を、前記第１状態では前記第１位置に制御し、前記第２状態（フリーラン状態）では前記第２位置に制御する。これにより、電機子鎖交磁束は、前記第１状態の方が、前記第２状態（フリーラン状態）よりもより小さく制御される。
【００８５】
図１８は、発電機（26）の回転速度と無負荷誘起電圧（V）との関係を示す図である。同図に示すように、保護回路（27）の作動開始の閾値（Vt）は、前記第１位置に可動磁路（93）を設定して運転範囲の上限回転速度で運転した場合の無負荷誘起電圧（V1）よりも、高めの設定としている（図１８中のＶｔ）。なお、この場合も閾値（Vt）は、通常運転時の直流リンク部（22）の電圧（Vdc）よりも高くする。
【００８６】
〈異常停止時の動作〉
本実施形態においても、膨張機（13）がフリーラン状態となった場合には、制御部（28）が異常信号（S2）を出力する。それにより、ステータ磁路切替機構（90）は、可動磁路（93）を内周側に移動させる。具体的には、アクチュエータ（91）への制御をオフにして、可動磁路（93）をバネ（94）の力で内周側に移動させる。その結果、この状態での無負荷誘起電圧（V）は、図１８に破線で示した無負荷誘起電圧（V2）まで、跳ね上がることになる。したがって、本実施形態でも、異常発生時に、迅速に膨張機（13）に対してブレーキをかけることが可能になる。
【００８７】
《その他の実施形態》
なお、発電機（26）は、いわゆる可変磁束発電機で構成してもよい。可変磁束発電機は、ステータのコイルに鎖交するロータの磁束を可変できる発電機である。そのため、可変磁束発電機を用いることで、前記実施形態の例と同様に、同回転数における無負荷誘起電圧（V）を可変できる。
【産業上の利用可能性】
【００８８】
本発明は、冷凍サイクルを行う冷凍装置として有用である。
【符号の説明】
【００８９】
１        冷凍装置
１０      冷媒回路
１１      電動圧縮機
１１ｃ    ロータ
１１ｄ    ステータ
１３      膨張機
２２      直流リンク部
２３      インバータ回路
２５      電力回生コンバータ回路（電力回生回路）
２６      発電機
２７      保護回路
２８      制御部
６０      コイル
【図１】
2014052168.tif 000003
【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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