(57)【要約】  静電容量検出装置は、冷媒を圧縮する圧縮機の内部に配置された一対の電極からなる電極対と、電極対と直列接続されたコンデンサと、電極対とコンデンサが直列接続されたものの一方の端に圧縮機を駆動する動力線のひとつが接続され、圧縮機を駆動するインバータと、電極対の電極間の電圧を測定する電圧検出部とを備える。
2018042809.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒を圧縮する圧縮機の内部に配置された一対の電極からなる電極対と、
前記電極対と直列接続されたコンデンサと、
前記電極対と前記コンデンサが直列接続されたものである測定対象部の一方の端に前記圧縮機を駆動する動力線のひとつである第一動力線が接続され、前記圧縮機を駆動するインバータと、
前記電極対の電極間の電圧を測定する電圧検出部と、
を備えた静電容量検出装置。
【請求項２】
前記測定対象部の両端の電圧を検出する電圧検出部を備え、
前記電極対の電極間の電圧と前記測定対象部の両端の電圧とに基づいて、前記電極対の静電容量を検出する請求項１記載の静電容量検出装置。
【請求項３】
前記測定対象部の他方の端は、接地電位点、前記インバータの母線、又は前記第一動力線とは異なる相の第二動力線のうちのいずれかひとつに接続されている請求項１または２記載の静電容量検出装置。
【請求項４】
直列接続された第一抵抗器及び第二抵抗器から構成され、前記電極対に並列に接続された分圧回路と、
前記第一抵抗器に並列に接続された第一コンデンサと、
前記第二抵抗器に並列に接続された第二コンデンサと、
をさらに備えた請求項１〜３のいずれか一項記載の静電容量検出装置。
【請求項５】
前記第一抵抗器の抵抗値をＲ１とし、前記第二抵抗器の抵抗値をＲ２とし、前記第一コンデンサの容量をＣ１とし、且つ前記第二コンデンサの容量をＣ２とする場合に、Ｒ１×Ｃ１＝Ｒ２×Ｃ２またはＲ１×Ｃ１＜Ｒ２×Ｃ２である請求項４記載の静電容量検出装置。
【請求項６】
前記電極対と前記コンデンサとの間の位置、前記測定対象部の一方の端と前記第一動力線との間の位置、及び、前記測定対象部の他方の端と、接地電位点、前記インバータの母線、若しくは前記第一動力線とは異なる相の第二動力線との間の位置のうち、少なくともひとつの位置にフィルタ用抵抗器が設けられている請求項１〜５のいずれか一項記載の静電容量検出装置。
【請求項７】
前記測定対象部に並列に接続された補助コンデンサをさらに備える請求項６記載の静電容量検出装置。
【請求項８】
前記電圧検出部の検出対象を、前記電極対の電極間の電圧と、前記測定対象部の両端の電圧との間で切り替える切替機構を備える請求項１〜７のいずれか一項記載の静電容量検出装置。
【請求項９】
前記インバータの母線の電位を検出する電圧検出部を備え、
前記電極対の電極間の電圧と前記インバータの母線の電位とに基づいて、前記電極対の静電容量を検出する請求項１〜８のいずれか一項記載の静電容量検出装置。
【請求項１０】
前記圧縮機は、冷媒が油に溶け込んだものを蓄え、
前記冷媒が油に溶け込んだものの温度を測定する温度センサと、
前記油の誘電率および前記冷媒の誘電率の温度依存性を記憶させた制御部と、
を更に備え、
前記制御部は、前記温度センサにより測定された前記冷媒が油に溶け込んだものの温度と前記電圧検出部により測定された電圧と前記温度依存性に基づき、前記冷媒の濃度または前記油の濃度を検出する請求項１〜９のいずれか一項記載の静電容量検出装置。
【請求項１１】
前記圧縮機が圧縮動作を停止している状態で、前記圧縮機に圧縮動作中のＰＷＭ制御の周波数よりも高い周波数の電圧を前記インバータから印加され、前記電極間の電圧の検出を行う請求項１〜１０のいずれか一項記載の静電容量検出装置。
【請求項１２】
電極対と、
前記電極対と直列接続されたコンデンサと、
前記電極対の電極間の電圧を検出する電圧検出部と、
前記電極対が内部に配置された圧縮機と、
前記電極対と前記コンデンサが直列接続されたものの一方の端に動力線のひとつが接続され、前記圧縮機を駆動するインバータと、
を備えた電力変換装置。
【請求項１３】
液体収納容器に備えられた一対の電極からなる電極対と、
前記電極対と直列接続されたコンデンサと、
前記電極対と前記コンデンサが直列接続されたものの一方の端に装置を駆動する動力線が接続されたインバータと、
前記液体収納容器中に蓄えられ、前記インバータが駆動する前記装置に使用される液体と、
前記電極対の電極間の電圧を測定する電圧検出部と、
を備えた静電容量検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は主に装置内の液体の状態、たとえば空調機または冷凍機等に用いられる圧縮機（コンプレッサ）の内部の油の状態を、静電容量の値として検出する装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
空調機または冷凍機に用いられている圧縮機は、電気エネルギーでモータ等の機械部品を動かすことによって、気体（冷媒）を圧縮して気体のエネルギーに変換するものである。気体を圧縮させる容積圧縮機構としてはスクロール型、ロータリー型などがあるが、いずれの機構もきわめて精妙なすり合わせで組み合わされた機械部品からなり、これが動くことによって冷媒が圧縮される。このため、容積圧縮機の部品相互の隙間には必ず潤滑のための油（冷凍機油）が必要になる。この結果、圧縮機の内部では冷凍機油と冷媒とが必然的に同居している。【０００３】
圧縮機は冷媒を圧縮するという機構上、全部あるいは一部が高圧容器である。一般にはモータおよびスクロール等の容積圧縮機が高圧容器内に配置された構造となっている。この容器の内部には常に所定量の冷凍機油が蓄えられ、冷凍機油が圧縮機構造の内部を循環することによって、冷媒を圧縮することによってすり合わせの生じる圧縮装置部分の機械的な動作が健全に保たれる。つまり、冷凍機油が圧縮機内を正常に循環していることが圧縮機動作の信頼性に大きく影響する。【０００４】
一方で、圧縮機は冷媒を圧縮する装置であるため、圧縮機の内部では冷媒が循環している。圧縮機の内部では冷凍機油と冷媒が同居し、場合によっては混ざり合う。冷媒は容積圧縮機を通過して圧縮機から吐出されるが、その際一部の冷凍機油も同時に吐出される。この結果、空調機の冷媒回路内では、冷媒のみならず冷凍機油が循環している。このため場合によっては圧縮機内の冷凍機油の量が枯渇し、圧縮機の機械的健全性に問題が生じる場合がある（油枯渇検出）。一方で圧縮機内の冷凍機油があまりに多量となり油の液面が高くなり、モータの回転部分と干渉すると回転機の効率を低下させる要因となる。したがって、圧縮機内の冷凍機油の量は適量に管理されていることが望ましい（油面検出）。【０００５】
また、圧縮機内では冷媒がある程度冷凍機油に溶け込んだ状態になっている。冷凍機油の冷媒の溶け込み量が多すぎると、油に期待されている潤滑性が損なわれ、容量圧縮機の健全性が維持できない。また冷媒が過度に溶け込んだ油は、温度が上昇すると冷媒が急に蒸発して急激に量が減る危険性がある。このため、冷凍機油の内部にどれだけの冷媒が溶け込んでいるかを知ることも、圧縮機の運用上極めて重要である（冷媒濃度検出）。例えば、特許文献１には、圧縮機底部に電極を設けてその静電容量を検出することで油の液面及び冷媒との混合状態を測定する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平０２−２９１４８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら圧縮機は圧力容器であることもあり、その内部の状態を検出することは困難である。上述の特許文献１のような機構の場合、電極間の静電容量は数〜数十ｐＦ程度と極めて微小であり、一方で圧縮機上部にはモータが回転して電気的なノイズを発している。このノイズに対して微小な静電容量を正確に測定することは極めて困難であった。【０００８】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、モータ等の電動機を有する装置であっても、内部の液の状態を精度良く検出できる静電容量検出装置及び電力変換装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る静電容量検出装置は、冷媒を圧縮する圧縮機の内部に配置された一対の電極からなる電極対と、前記電極対と直列接続されたコンデンサと、前記電極対と前記コンデンサが直列接続されたものである測定対象部の一方の端に前記圧縮機を駆動する動力線のひとつである第一動力線が接続され、前記圧縮機を駆動するインバータと、前記電極対の電極間の電圧を測定する電圧検出部とを備えたものである。
また、本発明に係る別の静電容量検出装置は、液体収納容器に備えられた一対の電極からなる電極対と、前記電極対と直列接続されたコンデンサと、前記電極対と前記コンデンサが直列接続されたものの一方の端に装置を駆動する動力線が接続されたインバータと、前記液体収納容器中に蓄えられ、前記インバータが駆動する前記装置に使用される液体と、前記電極対の電極間の電圧を測定する電圧検出部と、を備えたものである。
また、本発明に係る電力変換装置は、電極対と、前記電極対と直列接続されたコンデンサと、前記電極対の電極間の電圧を検出する電圧検出部と、前記電極対が内部に配置された圧縮機と、前記電極対と前記コンデンサが直列接続されたものの一方の端に動力線のひとつが接続され、前記圧縮機を駆動するインバータと、を備えたものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の静電容量検出装置及び電力変換装置によれば、インバータ動力線の交流電圧をコンデンサにより液体収納容器内の電極対に印加することができる。これにより、静電容量検出装置及び電力変換装置は、電極対の間に形成される静電容量を検出するため、簡便な構成でインバータのノイズに影響されることなく高精度な検出を行うことが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施の形態１に係る静電容量検出装置及び電力変換装置の設置構成を示す図である。
【図２】インバータのＰＷＭ動作を説明する図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係る検出の原理である等価回路を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態２に係る検出回路の構成例を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態３に係る静電容量検出装置の設置構成を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態４に係る静電容量検出装置の部分構成を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態５に係る静電容量検出装置の設置構成を示す図である。
【図８】本発明の実施の形態６に係る静電容量検出装置の設置構成を示す図である。
【図９】本発明の実施の形態７に係る静電容量検出装置の設置構成を示す図である。
【図１０】本発明の実施の形態８に係る静電容量検出装置の設置構成を示す図である。
【図１１】本発明の実施の形態９に係る静電容量検出装置の設置構成の一例を示す図である。
【図１２】本発明の実施の形態９に係る静電容量検出装置の設置構成の別の一例を示す図である。
【図１３】本発明の実施の形態１１に係る静電容量検出装置の設置構成を示す図である。
【図１４】本発明の実施の形態１１に係る制御部が記憶する油の比誘電率−冷媒濃度関係の温度依存性を示す図である。
【図１５】本発明の実施の形態１３に係る静電容量検出装置の設置構成を示す図である。
【図１６】本発明の実施の形態１４に係る静電容量検出装置及び電力変換装置の設置構成を示す図である。
【図１７】本発明の実施の形態１４に係る検出の原理である等価回路を示す図である。
【図１８】本発明の実施の形態１５に係る静電容量検出装置及び電力変換装置の設置構成を示す図である。
【図１９】本発明の実施の形態１５に係る検出の原理である等価回路を示す図である。
【図２０】本発明の実施の形態１６に係る静電容量検出装置及び電力変換装置の設置構成を示す図である。
【図２１】本発明の実施の形態１６に係る検出の原理である等価回路を示す図である。
【図２２】本発明の実施の形態１７に係る静電容量検出装置の動力線との接続状態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る静電容量検出装置及び電力変換装置の設置構成を示す図である。図１には、負荷装置の一例である圧縮機５０と、圧縮機５０を駆動するインバータ回路および本発明の静電容量検出装置１の検出回路部分が示されており、これらは電力変換装置１００を構成している。
【００１３】
インバータ回路は、通常は単相あるいは三相の交流電源３１から受電し、整流回路３３、昇圧回路３４、および平滑コンデンサ３５などからなるコンバータ回路３２を介してＤＣ電圧が生成される。整流回路３３は、三相交流電源３１の交流電圧を整流するＡＣ−ＤＣコンバータであって、例えば６個のダイオードをブリッジ接続した３相全波整流器からなっている。整流回路３３は、整流した電圧を昇圧回路３４に出力する。昇圧回路３４は、任意の電圧に変圧するＤＣ−ＤＣコンバータであって、例えば昇圧チョッパ回路からなっている。昇圧回路３４は、整流回路３３により整流された電圧を変圧して出力する。昇圧回路３４は目標とする出力によっては省略してもよい。平滑コンデンサ３５は、例えば電解コンデンサからなり、昇圧回路３４から出力された出力電圧を平滑化する。
【００１４】
コンバータ回路３２で生成されたＤＣ電圧（以下、母線電圧と呼ぶ）はインバータ３６によって交流に変換され、圧縮機５０内のモータ５４に印加される。ＤＣ電圧のプラス側の線をＰ母線ＬＢｐ、マイナス側の線をＮ母線ＬＢｎと呼ぶ。インバータ３６の出力線つまり圧縮機の入力線のケーブルのことを動力線ＬＰｕ，ＬＰｖ，ＬＰｗと呼ぶ。インバータ３６は複数のスイッチング素子で構成されている。スイッチング素子には、例えばＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｒａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）又はＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ−Ｆｉｅｌｄ−Ｅｆｆｅｃｔ−Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）素子等が使用される。
【００１５】
圧縮機５０は主にモータ５４とそれによって回転駆動される容積圧縮機５５で構成される。図１では容積圧縮機５５としてスクロール型圧縮機が示されている。ロータリー型またはレシプロ型など、他の方式の圧縮機でもかまわない。圧縮機５０は、吸入口５２から冷媒を吸い込み、吸い込んだ冷媒を容積圧縮機５５で圧縮して、吐出口５３から排出する。モータ５４は圧縮機５０のシェル筺体５１に固定された固定子と中心にある回転子からなる。回転子の下部分には冷凍機油５６を吸入して容積圧縮機５５など圧縮機５０各部に循環させるための油吸入口がある。
【００１６】
圧縮機５０が図１のように縦方向の場合、その下部分に冷凍機油５６が蓄積されており、この油が油吸入口から吸い込まれて圧縮機５０内部を循環する。この冷凍機油５６の油面の位置が油量の管理上重要となる。なお、検出対象である液体を蓄える容器を液体収納容器と称し、実施の形態１においては、シェル筺体５１が液体収納容器に相当する。
【００１７】
この冷凍機油５６に浸漬した形で、電極対２が配置されている。ここで電極対２とは、電極間の静電容量を測定することが目的であるので、２枚の金属板を平行に配置したものを想定している。圧縮機動作を邪魔しないものであれば原理的には２枚の金属板がどういう形でもかまわない。以下、この２枚の電極を電極Ｆ、電極Ｇと称する。
【００１８】
電極Ｆの電位はケーブルとガラス端子Ｔ２を介して外部に引き出される。電極Ｆから引き出された端子と、動力線との間には測定用コンデンサ３が設けられる。ここで動力線は通常の三相モータの場合は３本（ＬＰｕ，ＬＰｖ，ＬＰｗ）あるが、そのうちどれかひとつ（例えばＬＰｕ）、どれでもかまわない。一方、電極Ｇは接地電位に接続される。圧縮機５０のシェル筺体５１は一般には接地されているので、電極Ｇはたとえば圧縮機５０のシェル筺体５１に接続する。電極Ｇの電位は、図１ではガラス端子Ｔ２で外部に引き出されたのちに接地されているが、圧縮機５０内部で接続されてもかまわないし、その場合はＦ電極用のガラス端子があればよく、ガラス端子が一つ不要になる。
【００１９】
この構成で、電極Ｆと、圧縮機５０のシェル筺体５１つまり接地電位との間の電圧が、電圧測定回路に入力される。図１ではその前段階に、測定電圧を検出に適した低い電圧にするための分圧回路２２、及び測定系の電位を変換するための絶縁アンプ２４が示されている。
【００２０】
また、図１の回路では、測定対象として、電極Ｆの電位と、動力線ＬＰｕの電位とを切り替えできるようにリレイ４が設けられている。この回路は、電極Ｆと電極Ｇの間の静電容量を測定することを目的とする。測定原理を次に説明する。
【００２１】
まずインバータ３６の動作について説明する。インバータ３６でモータ５４を駆動する場合、モータ５４にはできるだけ正弦波に近い電流を流すことが望ましい。しかしながらインバータ３６はＩＧＢＴなどのスイッチング素子によって電圧をＯＮ／ＯＦＦするため、たとえば図１のような素子構成の場合はＰ母線ＬＢｐとＮ母線ＬＢｎのどちらかの電位しか出力することができない。一方でインバータ３６はモータ５４に必要な周波数（１００ｋＨｚなど）よりもはるかに高い周波数（数ｋＨｚなど）でスイッチングすることが可能である。このため、インバータ３６のスイッチングを細かく繰り返し、そのパルス幅を変化させることで正弦波に近い出力が得られる。これをＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ  Ｗｉｄｔｈ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御という。インバータ３６は、図示しないインバータ制御部により制御されている。
【００２２】
図２は、インバータのＰＷＭ動作を説明する図である。図２は、ＰＷＭ制御の様子を示している。出力したいのは正弦波の電圧波形であるが（指令値）、このような電圧波形が出力できないので、図２に示されるように細かいパルスの幅を変えながら電圧を出力する。この電圧波形によって正弦波に近い電流を流すことができる。つまり、モータ５４には正弦波の電流が流れているが、インバータ３６の電圧は高周波パルスの連続である。
【００２３】
次に静電容量を測定する原理について説明する。図３は、本発明の実施の形態１に係る検出の原理である等価回路を示す図である。Ｃｘは電極Ｆと電極Ｇとが構成する静電容量つまり測定対象であり、Ｃｄは電極Ｆとインバータ動力線との間に設けられた測定用コンデンサ３の静電容量である。電極Ｇはシェル筺体５１つまり対地に接続されている。リレイ４はＶ０とＶｘを切り替えて、電圧測定装置１５でこれを測定する。
【００２４】
左側の交流電源はインバータ動力線の電位変動を示している。図２で述べたように、インバータ３６の出力電圧はＰＷＭ制御によって高周波で変動している。この高周波の変動成分が、測定用コンデンサ３と電極対２とを直列にした両端に印加されていることになる。つまり、測定用コンデンサ３と電極対２との直列接続の両端に、交流電圧が印加されて測定用コンデンサ３で分圧されていることになる。以下、測定用コンデンサ３と電極対２とが直列接続されたものを測定対象部８（図３参照）という。このとき、分圧前の電圧Ｖ０と、分圧後の電圧Ｖｘの値（たとえば交流の振幅）を求めれば、次の式からＣｘの値が算出できる。
【００２５】
【数１】
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【００２６】
実際には、電極対２の測定される静電容量には並列に少なからぬ浮遊容量Ｃｓが含まれている。この場合は、式（１）の左辺は正確にはＣｘ＋Ｃｓが測定されることになる。浮遊容量Ｃｓは装置の構造に起因するものであるので、あらかじめ浮遊容量Ｃｓの値を評価しておけば式（１）から電極対２の静電容量Ｃｘの値を求めることができる。
【００２７】
以上のように実施の形態１において静電容量検出装置１は、電極対２と、測定用コンデンサ３と、電極対２の電極間の電圧を検出する電圧検出部２１と、電極対２が内部に設置された圧縮機５０と、圧縮機５０を駆動するインバータ３６とを備える。そして、圧縮機５０を駆動するインバータ３６の動力線（例えば動力線ＬＰｕ）には、測定対象部８の一方の端が接続されている。これにより、静電容量検出装置１は、インバータ動力線の交流電圧を測定用コンデンサ３により圧縮機５０内の電極対２に印加し、電極対２の間に形成される静電容量を検出することができる。
【００２８】
また、静電容量検出装置１において、電極対２は圧縮機５０以外の液体収納容器に設けられてもよい。これにより、静電容量検出装置１は、インバータ動力線の交流電圧を測定用コンデンサ３により液体収納容器内の電極対２に印加することによって、電極対２の間に形成される静電容量を検出することができる。たとえば、電極対２の間の液体の状態（油があるかないか、あるいは液媒で希釈されているかどうか）が検出される。
【００２９】
また、静電容量検出装置１は、測定対象部８の両端の電圧を検出する電圧検出部２１を備え、電極対２の電極間の電圧と測定対象部８の両端の電圧とに基づいて、電極対２の静電容量を検出する。これにより、静電容量検出装置１は、検出した２つの電圧値から上述した式（１）を用いて、電極対２の間に形成される静電容量を検出することができる。
【００３０】
また、測定対象部８の他方の端は接地されている。これより、電極の片方を接地すると、動力線から測定用コンデンサ３および電極対２を経由して対地に電流が流れ、このように生じた電流によって電極間の静電容量を検出することができる。
【００３１】
また、インバータ３６はＰＷＭ制御されている。これより、動力線に高周波成分が現れる。この高周波成分が静電容量の測定に適している。
【００３２】
また、静電容量検出装置１は、電圧検出部２１の検出対象を、電極対２の電極間の電圧Ｖｘと、測定対象部８の両端の電圧Ｖ０との間で切り替える切替機構（例えばリレイ４）を備えている。静電容量の測定には電極Ｆの電位と動力線の電位が必要なので、リレイ４を設けて、一つの電圧検出部２１で両方の電位が測定できるようになっている。
【００３３】
なお、実施の形態１では、静電容量検出装置１は圧縮機５０内の油、冷媒、又は油と冷媒との混合液の状態を検出するものとして記載したが、検出対象はこれらに限られるものではない。例えばインバータによって駆動される空調機に備えられたレシーバタンク又はアキュムレータにも適用できる。また静電容量検出装置１は、インバータによって駆動される装置に用いられるオイルタンク等の液体収納容器に適用して液面検出を行うことができる。また静電容量検出装置１は、検出対象が混合液である場合には、濃度の検出を行うこともできる。
【００３４】
実施の形態２．
次に検出回路について少し具体的な説明を行う。電圧検出部２１は高周波の交流電圧波形を入力してその振幅を検出することを目的とする。たとえばその構成の一例を図４に示す。図４の左から入力された交流信号はまず検出側整流回路２３に通され、片極つまり正負に変動せず正または負極性だけの信号に変換される。この電圧は分圧回路２２でＩＣなどの素子に適した低い電圧に変換される。分圧回路２２で変換された電圧は、絶縁アンプ２４に入力される。絶縁アンプ２４は、検出回路２０の電位が装置の制御系の電位と異なることを想定して設けられているが、検出回路２０の電位が装置の制御系の電位と同じであれば必要ない。絶縁アンプ２４からの出力は、その後必要に応じてアンプ２５で増幅され、低周波フィルタ２１ａを介して、制御系の電圧検出部２１に入力される。低周波フィルタ２１ａはインバータスイッチングに起因する高周波を取りのぞくためのものであるが、そもそも見たい現象が油内の冷媒の濃度など、その変化の時定数は十分に長いと考えられる。そのため、フィルタの周波数をたとえば数Ｈｚなど十分に低くして、検出時間をたとえば１秒など十分に長くして平均化処理を行うことで、検出精度を向上させることが望ましい。
【００３５】
図４では検出側整流回路２３の次に分圧回路２２を設けているが、検出電圧はたとえばインバータ動力線はインバータ３６の母線電圧と同程度の電圧が印加されるので、一般には１００Ｖ以上の電圧がかかる。このため、図４の構成では検出側整流回路２３にそれだけの耐圧が必要になる。たとえばダイオードの半波整流または全波整流を用いる場合には検出側整流回路２３を高い耐圧とすることが比較的容易である。一方、検出側整流回路２３にオペアンプなどのアナログ信号処理を用いたり、あるいはデジタル信号処理を用いたりする場合には、高い電圧で信号処理を行うことが困難であるため、分圧回路２２の後に検出側整流回路２３を設けることが望ましい。
【００３６】
この検出回路２０の入力インピーダンスは主に分圧回路２２で決定される。検出回路２０の入力インピーンダンスは検出対象つまり電極Ｆと電極Ｇとが構成するコンデンサあるいは測定用コンデンサ３のインピーダンスよりも十分に高い必要がある。電極の構成方法にもよるが、電極ＦおよびＧを圧縮機５０内に構成し、内部に油が流れる程度の隙間（たとえば１ｍｍ以上）を設けてコンデンサを構成した場合、その静電容量はせいぜい１０〜数十ｐＦにすぎない。インバータのＰＷＭの周波数は数ｋＨｚであることが多いので、電極Ｆと電極Ｇとが構成するコンデンサのインピーダンスは１０〜数十ＭΩになる。したがって分圧回路２２のインピーダンスは少なくともこれ以上、たとえば１００ＭΩ以上の値が必要になる。
【００３７】
ここで、実施の形態１ではＰＷＭ制御されたインバータが本発明には適していることを述べたが、ＰＷＭ制御の場合はインバータ３６のスイッチング周波数（キャリア周波数）がかなり高くなるためである。ＰＷＭ制御ではないインバータでも本発明を適用することは可能であるが、その場合は以上の議論からインバータのスイッチング周波数が低ければ電極Ｆと電極Ｇとが構成するコンデンサのインピーダンスが高くなるので、検出系は十分に高いインピーダンスで構成される必要がある。
【００３８】
以上のように実施の形態２において静電容量検出装置１は、液体収納容器（例えば圧縮機５０のシェル筺体５１）に備えられた一対の電極からなる電極対２と、電極対２と直列接続された測定用コンデンサ３とを備える。さらに、静電容量検出装置１は、インバータ３６と、液体収納容器中に蓄えられ、インバータ３６が駆動する装置に使用される液体（例えば冷凍機油５６）と、電圧検出部２１とを備える。インバータ３６には、電極対２と測定用コンデンサ３が直列接続されたもの（測定対象部８）の一方の端に装置（例えば圧縮機５０）を駆動する動力線または母線が接続されている。そして、電圧検出部２１は、電極対２の電極間の電圧を測定する。
【００３９】
これより、実施の形態１と同様に、静電容量検出装置１は、インバータ動力線の交流電圧を利用して、これを測定用コンデンサ３により圧縮機５０内の電極対２に印加することによって、電極対２の間に形成される静電容量を検出することができる。たとえば、電極対２の間の油の状態（油があるかないか、液媒で希釈されているかどうか）が検出される。
【００４０】
実施の形態３．
図５は、本発明の実施の形態３に係る静電容量検出装置の設置構成を示す図である。この検出方法の原理は、静電容量センサである電極と、容量の明確なコンデンサを直列に接続して、その直列接続の両端に交流電圧を印加することで、電極間の静電容量を測定する点にある。図１では測定用コンデンサ３を動力線ＬＰｕに、電極対２の片端（電極Ｇ）を対地に接続していたが、たとえば図５のように、測定用コンデンサ３を対地に、電極対２を動力線ＬＰｕ側に接続しても同様の検出が実現できる。
【００４１】
以上のように実施の形態３において静電容量検出装置１は、液体収納容器（例えば圧縮機５０のシェル筺体５１）に備えられた一対の電極からなる電極対２と、電極対２と直列接続された測定用コンデンサ３とを備える。また静電容量検出装置１は、インバータ３６と、液体収納容器中に蓄えられ、インバータ３６が駆動する装置に使用される液体（例えば冷凍機油５６）と、電圧検出部２１とを備える。インバータ３６には、電極対２と測定用コンデンサ３が直列接続されたものである測定対象部８の一方の端に装置（例えば圧縮機５０）を駆動する動力線が接続される。そして、電圧検出部２１は、電極対２の電極間の電圧を測定する。
【００４２】
これより、実施の形態１と同様に、静電容量検出装置１は、インバータ動力線の交流電圧を利用して、これを測定用コンデンサ３により圧縮機５０内の電極対２に印加することによって、電極対２の間に形成される静電容量を検出する。たとえば、電極対２の間の油の状態（油があるかないか、液媒で希釈されているかどうか）が検出される。
【００４３】
実施の形態４．
図６は、本発明の実施の形態４に係る静電容量検出装置の部分構成を示す図である。さて、図１のような回路接続、つまり電極Ｇがシェル筺体５１に接続されて接地電位となっている場合は、電極の片側がシェルと同電位なので、シェル筺体５１そのものを電極Ｇとすることが可能である。つまり、たとえば図６のように、圧縮機５０内には電極Ｆのみを構成し、これをシェル内壁５１ａと狭いギャップを介して対向させ、シェル内壁５１ａとの間にコンデンサを構成することが可能である。この場合電極の引き出しが一本に削減できるだけでなく、電極の構成が大幅に簡略化され、圧縮機５０内の狭いスペースに面積の大きい電極を構成することが可能になる。電極の面積は電極Ｆと電極Ｇとが構成するコンデンサのコンデンサ容量に比例し、これが大きいほど検出精度が向上させることができる。
【００４４】
以上のように実施の形態４において電極対２の電極の一つ（電極Ｇ）は液体収納容器（例えばシェル筺体５１）によって構成される。これより、電極の片方が筺体そのものであるので、電極の構造が簡単になり、電極面積を増やすことも容易になる。
【００４５】
実施の形態５．
図７は、本発明の実施の形態５に係る静電容量検出装置の設置構成を示す図である。本発明では式（１）を用いて静電容量Ｃｘの値を求めるため、電圧Ｖ０と電圧Ｖｘの振幅の値を検出する必要がある。図１では電圧Ｖｘの検出と電圧Ｖ０の検出をそれぞれ行うためにひとつの検出回路２０に対してリレイ４が検出対象を切り替えていた。この構成の場合は検出回路２０がひとつで済むという利点があるが、切り替えの前後で電圧Ｖ０の値に大きな変化が生じる、あるいは、電圧Ｖ０に長期的な変動が含まれている場合などでは正確に測定ができない場合がある。これを解決するためにたとえば図７のように複数の検出回路２０ａ，２０ｂに、電極対２の電極間の電位差と、測定対象部８の両端の電位差とを別々に入力して電圧検出部２１で各電圧を検出する方法がある。このような電圧測定装置１５では、検出回路２０ａ，２０ｂは２つ必要になるがリレイ４が不要になり、電圧Ｖ０の変動に対して安定で高精度な検出が可能になる。
【００４６】
以上のように実施の形態５において、静電容量検出装置１は、電極対２の電極間の電位差Ｖｘが入力される第１検出回路（検出回路２０ａ）と、電極対２と測定用コンデンサ３が直列接続されたものの両端の電位差Ｖ０が入力される第２検出回路（検出回路２０ｂ）と、を更に備える。そして、電圧検出部２１は、第１検出回路に入力された電極対２の電極間の電位差Ｖｘと、第２検出回路に入力された測定対象部８の両端の電位差Ｖ０とを検出する。これより、静電容量の測定には電極Ｆの電位と動力線の電位が必要であるが、それぞれに別の検出機を設けることで、長時間の電位変動の影響を受けず安定した測定が可能になる。
【００４７】
実施の形態６．
図８は、本発明の実施の形態６に係る静電容量検出装置の設置構成を示す図である。図８のような方法も考えられる。これは電圧Ｖ０の検出を行う代わりに、インバータ３６の母線電圧の値を検出している。図２に示したように、インバータ動力線に出力される電圧の振幅は基本的にはインバータ母線電圧である。したがって、インバータ３６の母線電圧を測定しておけば、電圧Ｖ０はその値から推測することが可能である。インバータ３６の母線電圧はインバータ３６の制御を行う上で重要であるため、インバータ３６の制御に用いる目的で検出されて制御回路が把握している場合が多い。
【００４８】
以上のように実施の形態６において静電容量検出装置１は、インバータ３６の母線の電位を検出する電圧検出部２１を備え、電極対２の電極間の電圧とインバータ３６の母線の電位とに基づいて、電極対２の静電容量を検出する。これより、静電容量の測定には電極Ｆの電位と動力線の電位の両方が必要であるが、動力線の変動幅はインバータ３６の母線電圧に対応しているので、静電容量検出装置１は、インバータ母線電圧を別の方法で検出している場合には母線電圧を流用することができる。
【００４９】
実施の形態７．
図９は、本発明の実施の形態７に係る静電容量検出装置の設置構成を示す図である。実施の形態５で示したように、電圧Ｖ０はリレイ４で切り替えて測定する、別々に測定する、母線電圧から推測する、などいくつかの取得方法がある。したがって簡単のために、以下の実施例では電圧Ｖ０はたとえば図８のような方法によって測定されると考え、電圧Ｖｘの測定方法のみに着目して説明する。
【００５０】
図９は、図１とは回路構成が異なる例である。図１では電極Ｆと電極Ｇのうち電極Ｇがシェル筺体５１即ち接地電位に接続されていた。図９では電極Ｇはインバータ動力線の別の一本に接続されている。つまり、電極Ｆは測定用コンデンサ３に接続され、測定用コンデンサ３の他端はインバータ動力線のたとえばＶ相ＬＰｖに接続され、電極Ｇはインバータ動力線のＶ相ＬＰｖ以外のたとえばＷ相ＬＰｗに接続されている。この場合は図３の等価回路の左側の交流電源は、インバータ３６の動力線のＶ相ＬＰｖとＷ相ＬＰｗの間の線間電圧に対応している。インバータ動力線の線間電圧は図２のインバータ出力のような電圧となっており、ＰＷＭの高周波成分が含まれているので、この周波数成分を図３の回路にしたがってコンデンサ分圧して、静電容量Ｃｘが求まる。
【００５１】
図１の構成では、インバータ動力線と接地電位との間の電圧が用いられている。この場合、インバータ３６の出力電圧に、インバータ３６の中心電位の変動成分が重畳される。インバータの中心電位とは、インバータのＮ母線ＬＢｎあるいはＰ母線ＬＢｐと対地間の電位の変動であり、通常は交流電源の周波数で変動している。したがって、図１の場合、動力線の電位はインバータ３６のスイッチングによる変動に、交流電源の周波数の中心電位の変動成分がたしあわされたものとなり、この変動が測定に影響を与える可能性がある。
【００５２】
これに対して図９のようにインバータ動力線の線間電位を測定に用いれば、インバータの中心電位の変動の影響を受けることなく安定で高精度な計測が可能になる。
【００５３】
以上のように実施の形態７においてインバータ３６は複数の相の動力線を有し、電極対２と測定用コンデンサ３が直列接続されたものの一方の端は複数の相の第一相（例えばＶ相）に接続され、他方の端は複数の相の第二相（例えばＷ相）に接続されている。これより、測定対象部８の両端を、それぞれ動力線の別の相に接続することによって、動力線の線間電圧が測定用コンデンサ３と電極対２に印加され、これによって静電容量検出装置１は、電極間の静電容量を検出することができる。この場合、インバータ３６の対地に対する電位変動の影響を受けにくいという効果がある。
【００５４】
実施の形態８．
回路接続の別の方法について説明する。図１０は、本発明の実施の形態８に係る静電容量検出装置の設置構成を示す図である。図１０は同じく電極Ｇを、インバータのＮ母線ＬＢｎに接続した例を示す。この場合は図３の交流電源に相当するものはＮ母線ＬＢｎに対するインバータ動力線（たとえばＶ相）の電位であり、具体的には図のような三相インバータのＶ相Ｎ側の素子の両端電圧（コレクターエミッタ電圧）となる。この電圧もインバータ中心電位の変動を受けないため、図９と同様に安定で高精度な検出が可能になる。また図１０に示される構成の場合、インバータの制御電位はＮ母線電位に取られていることが多いので、検出回路に絶縁アンプまたは絶縁電源が不要になるなど、回路構成が簡略化できる可能性がある。
【００５５】
以上のように実施の形態８において、電極対２と測定用コンデンサ３が直列接続されたもの（測定対象部８）の一方の端はインバータ３６の動力線に接続され、他方の端はインバータ３６の母線（例えばＮ母線ＬＢｎ）に接続されている。これより、インバータ３６のスイッチングによる交流電圧が電極対２に印加され、これによって電極間の静電容量を検出することができる。この場合、インバータ３６の対地に対する電位変動の影響を受けにくいという効果がある。また検出回路の電位がＮ母線電位になるという効果がある。
【００５６】
実施の形態９．
図１１は、本発明の実施の形態９に係る静電容量検出装置の設置構成の一例を示す図である。図１２は、本発明の実施の形態９に係る静電容量検出装置の設置構成の別の一例を示す図である。図１１および図１２は、図１０の構成（電極ＧをＮ母線電位に取る方式）を例に、圧縮機５０からの検出線と検出回路２０とを接続する方法について示したものである。この例では図１０の構成を例にしたが、図９の構成、図１の構成についても同様の効果が得られる。
【００５７】
図１１では電極Ｆおよび電極Ｇからの線を、同軸ケーブル２６に接続して検出回路２０まで持ってきている。検出回路２０が圧縮機５０の近くにも配置される場合は検出信号の配線はあまり問題にならないが、たとえば検出回路２０がインバータ３６の近くに設けられている場合はある程度の距離のケーブルが必要になる。しかしながらケーブルの引き回しまたは構造上の問題などでケーブル間の静電容量が変動すると、その静電容量は図３の等価回路での静電容量Ｃｘに並列に存在する浮遊容量となって検出精度に影響する。そのため、特にこのようなケーブルに起因する容量成分の変動はできるだけ小さくすることが必要とされる。図１１のようにこのケーブルに同軸ケーブル２６を用いると、同軸ケーブル２６を動かしても電極間に並列に浮遊する容量成分は変動しないため、安定な検出が可能になる。
【００５８】
しかしながら、同軸ケーブル２６はシェル筺体５１または構造物との間の浮遊容量成分を最小にするものの、電極Ｆと電極Ｇの２本のケーブルの間の浮遊静電容量は比較的大きい。これは静電容量Ｃｘの検出精度を低下させる。このため例えば図１２では２本のケーブルはツイストペアケーブル２７で構成されている。２本の線間の浮遊容量は同軸ケーブルも十分に小さく、かつケーブルの取りまわしに対して十分な安定性を実現することができる。
【００５９】
以上のように実施の形態９において、電極対２と電圧検出部２１とは同軸ケーブル２６またはツイストペアケーブル２７を介して接続されている。これより電極対２と電圧検出部２１との接続に同軸ケーブル２６等を用いることによってケーブルに起因する浮遊の静電容量成分が固定されるので、静電容量検出装置１において高精度な検出が可能になる。
【００６０】
実施の形態１０．
実施の形態１０において電力変換装置１００及び静電容量検出装置１は、図１と同様の構成を有している。例えば空気調和機の室外機において、低温状態での圧縮機停止中には、圧縮機５０に冷媒が集まって冷凍機油５６内の冷媒濃度が高くなる、冷媒寝込み現象という現象が発生する。冷媒寝込み現象は、冷媒濃度の異常が圧縮機の動作に悪影響を及ぼす典型的な事例であり、この状態の検出も本発明の目的のひとつである。しかしながら、本発明では、図３の等価回路で検出を行うが、その電源となっているのはインバータ３６のスイッチングによる交流電源である。従って検出を行うためにはインバータ３６が動作している必要がある。つまり本発明の手法ではインバータ停止中に検出を行うことができない。
【００６１】
このような起動時など、圧縮機５０が動作していない状態で本発明の検出を行う場合には、拘束通電を用いることが考えられる。拘束通電とは、停止中の圧縮機モータ５４の巻き線に、圧縮機５０が運転できないような条件で通電を行う方法であり、拘束通電によって圧縮機５０を予備加熱することができる。たとえば特許文献２（国際公開第２０１４／１８８５６６号）ではインバータのキャリア周波数を通常よりも高い周波数とすることで、圧縮機のモータを回転させずに高周波の電流だけを流す技術が開示されている。特許文献２の圧縮機では、モータの巻き線を加熱することで冷媒が寝込んだ油を加熱し、冷媒を蒸発させて油の状態を正常に近づけることができる。インバータが高周波のスイッチングを行っていれば本発明による検出は可能であるので、モータ５４の回転を止めた状態で検出を行う必要がある場合は、この拘束通電を行えばよい。
【００６２】
この圧縮機５０立ち上げ時の制御と拘束通電の利用を例に、本発明の検出方法を用いた制御の一例について説明する。従来の技術では圧縮機を立ち上げる際、油に冷媒が多量に溶け込んで（寝込んで）いる危険性を考慮して、立ち上げ時に一定時間の拘束通電を行うなどの制御をおこなっていた。しかしながらこういった制御では寝込みが生じていない場合にも一定時間の拘束通電を行うため、立ち上げに時間がかかっていた。
【００６３】
これに対して、本発明を適用すれば、油中の冷媒の濃度を検出することが可能なので、次のような制御が可能である。つまり、まず空調機を起動した場合は圧縮機５０を動かす前に寝込みの危険性を考慮して拘束通電を行う。拘束通電を行いながら本発明によって冷媒の濃度を検出する。冷媒の濃度が正常値に達すれば拘束通電を止めて圧縮機５０を動作させる。こういった制御をおこなうことによって、起動前の拘束通電の時間が最小に抑えられ、起動の時間が大幅に短縮される。
【００６４】
以上のように実施の形態１０において、静電容量検出装置１は、圧縮機５０が圧縮動作を停止している状態で、圧縮機５０に圧縮動作中のＰＷＭ制御の周波数より高い周波数の電圧をインバータ１３６から印加され、電極間の電圧の検出を行う。これより、電力変換装置１００は、圧縮機５０が回転できないような高い周波数を印加することによって、圧縮機停止中の状態を検出することができる。
【００６５】
実施の形態１１．
図１３は、本発明の実施の形態１１に係る静電容量検出装置の設置構成を示す図である。実施の形態１１において静電容量検出装置１は、更に温度センサ５と制御部１０とを備え、濃度検出できるよう構成されている。なお、実施の形態１と同一の構成を有する部位には同一の符号を付してその説明を省略する。
図１４は、本発明の実施の形態１１に係る制御部が記憶する油の比誘電率−冷媒濃度関係の温度依存性を示す図である。図１４は冷凍機油５６に冷媒が溶け込んだ場合の、誘電率の変化を示したものである。油または冷媒の種類によってこの依存性は変化するので図１４はあくまで一例である。この例のように、誘電率の冷媒濃度依存性には、強い温度依存性がある場合がある。この場合は、冷媒濃度を測定するためには、誘電率だけでなく、温度の情報も必要になる。この場合は、まず図１１のようなデータを制御部１０にテーブルまたは近似式の形で記憶しておくとよい。そして、本発明の測定から得られた静電容量で比誘電率を測定した結果と合わせて、たとえば熱電対またはサーミスタなどで油の温度を測定するか、あるいは他の方法で油の温度を推定して、冷媒の濃度を推定する方法が考えられる。
【００６６】
以上のように実施の形態１１において、圧縮機５０は、冷媒が油に溶け込んだもの（例えば、冷凍機油５６）を蓄え、冷媒が油に溶け込んだものの温度を測定する温度センサ５と、油の誘電率および冷媒の誘電率の温度依存性を記憶させた制御部１０とを備える。制御部１０は、温度センサ５により測定された冷媒が油に溶け込んだものの温度と電圧検出部２１により測定された電圧と温度依存性に基づき、冷媒の濃度または油の濃度を検出する。これより、冷媒の比誘電率は温度に依存するため、静電容量検出装置１は、冷媒濃度を検出する場合に温度によってこれを補正することで検出精度を高めることができる。
【００６７】
実施の形態１２．
本発明は圧縮機５０内の冷凍機油５６の状態を検出することを目的としている。状態の検出といっても、油があるかないか（油枯渇検知）、油の液面がどの高さにあるか（油面検知）、あるいは油の中に冷媒がどの程度溶け込んでいるか（冷媒濃度検出）等の目的がある。目的次第で静電容量センサつまり電極対２を圧縮機５０内のどのあたりに設置するかが重要になる。たとえば油枯渇を検知する場合、油面の高さは、油の吸入口と同じような高さか少し上に位置するべきである。油面検知を行う場合は高さ方向に長い、あるいは高さ方向にいくつか分割されたセンサを配置することが考えられる。
【００６８】
一方、冷媒濃度を検出したい場合は圧縮機５０の底のほうに配置することが望ましい。たとえば油吸入口に近くにセンサが配置された場合、油面の変化による静電容量の変化と、冷媒濃度の変化による静電容量の変化とを区別することが難しくなる。センサが圧縮機５０の底のほうに配置された場合には、常時油面はこれよりも高い位置にあってセンサである電極対２は完全に油に浸されていると考えてよいので、油面の変化に影響されることなく冷媒濃度の変化だけを測定することができる。
【００６９】
また上述の議論は、図１のように圧縮機５０が縦置きになっておりモータの下に油が溜まっている場合についてであり、圧縮機が横置きになった場合については横置きに応じたセンサ位置の工夫が必要であることは言うまでもない。
【００７０】
以上のように実施の形態１２において、液体収納容器は圧縮機５０の筺体であって、液体は冷媒、油、又は冷媒が油に溶け込んだもののいずれかの液体である。圧縮機５０内の油状態を検出することを目的としたものである。電動機で駆動される圧縮機５０には、電動機構、油及び冷媒が含まれるので、静電容量検出装置１で液体状態を検出するのに必要な要素が含まれている。
【００７１】
実施の形態１３．
図１５は、本発明の実施の形態１３に係る静電容量検出装置の設置構成を示す図である。これまでの実施の形態では、たとえば図１のように、動力線が三相のインバータを用いてモータを駆動する場合について説明した。本発明は動力線が三相のインバータだけではなく、単相のインバータ、フルブリッジのインバータまたはハーフブリッジインバータなど、他の形のインバータにも適用できる。その一例を図１５に示す。
【００７２】
３相交流電源３１とインバータ１３６との間の回路構成、及び静電容量検出装置１の構成については、これまでに説明した実施の形態と同様の構成であり重複を避けるため説明を省略する。本実施の形態は、インバータの構成及び駆動される負荷装置がこれまで説明してきた実施の形態と異なる。
【００７３】
図１５では単相のフルブリッジインバータが負荷１５４を駆動している。三相インバータの場合、動力線はＵ相、Ｖ相、Ｗ相の３本であるが、本実施の形態の単相のインバータ１３６では動力線ＬＰｕ，ＬＰｖはＵ相、Ｖ相の２本である。ここで負荷装置１５０は、通常三相で駆動されるモータ等ではなく、たとえば誘導加熱器またはオゾナイザなどの交流負荷である。
【００７４】
また単相のインバータ１３６又はフルブリッジのインバータ等で負荷装置１５０を駆動する場合、電力変換回路内で昇圧または降圧のために交流電圧を生成する場合には、静電容量検出装置は、生成した交流電圧を利用することもできる。負荷１５４とは別に、負荷装置１５０内部の液体収納容器１５１の内部に負荷装置１５０に使用される液体の状態の検出を行う静電容量検出装置１が設けられている。なお図１５にて、液体収納容器１５１は負荷装置１５０の内部に設けられる構成としたが、負荷装置１５０の外部に設けられる構成であってもよい。図１５では静電容量検出装置１の電極対２の一方の電極が接地電位に接続されており、他方の電極が測定用コンデンサ３を介して２本の動力線のうちのひとつであるＬＰｖに接続されている。
【００７５】
図１５は図８の静電容量検出装置１を単相インバータの動力線を適用したものである。図８と同様、動力線と対地間の電圧が測定用コンデンサ３と静電容量検出装置１の電極対２で分圧されることで、静電容量の値を知ることができる。また、同様の構成は、図９に示されるように２本の動力線間の電位を利用する場合、あるいは図１０に示されるように動力線とＮ母線の間の電位を利用する場合にも適用できる。
【００７６】
以上のように実施の形態１３において静電容量検出装置１は、液体収納容器１５１に備えられた一対の電極からなる電極対２と、電極対２と直列接続された測定用コンデンサ３とを備える。さらに静電容量検出装置１は、インバータ１３６と、液体収納容器１５１中に蓄えられ、インバータ１３６が駆動する装置に使用される液体と、電圧検出部２１とを備える。インバータ１３６は、電極対２と測定用コンデンサ３が直列接続されたもの（測定対象部８）の一方の端に装置（例えば負荷装置１５０）を駆動する動力線または母線が接続されており、電圧検出部２１は、電極対２の電極間の電圧を測定する。
【００７７】
これより、静電容量検出装置１は、圧縮機の他にもインバータで駆動される各種装置に適用できる。実施の形態１と同様に静電容量検出装置１は、インバータ動力線の交流電圧を利用して、これを測定用コンデンサ３により電極対２に印加することによって、電極対２の電極間に形成される静電容量を検出する。したがって、静電容量検出装置１は、液体収納容器内の液面検出、または、混合液の濃度検出にも利用できる。
【００７８】
実施の形態１４．
図１６は、本発明の実施の形態１４に係る静電容量検出装置及び電力変換装置の設置構成を示す図である。図１７は、本発明の実施の形態１４に係る検出の原理である等価回路を示す図である。実施の形態１４では、インバータ３６と圧縮機５０とを結ぶ複数の動力線ＬＰｕ，ＬＰｖ，ＬＰｗのうちのひとつ（例えば、動力線ＬＰｗ）と対地間の交流電圧を、測定用コンデンサ３と電極対２の各静電容量で分圧することにより、電極対２の静電容量を測定する。以下、実施の形態１と同一の構成を有する部位には同一の符号を付して説明を省略する。
【００７９】
ところで、実際の空調機では、動力線の電圧波形に様々なノイズが乗っており、インバータ３６のスイッチングはほぼ矩形波に近い。そのため、急峻な電圧立ち上がりによって測定用コンデンサ３および電極対２にパルス的な突入電流が流れる。
【００８０】
図１に示される検出回路２０では、測定対象の電圧が抵抗分圧され電圧検出部２１に入力される。このような抵抗分圧回路に、急峻な立ち上がりの波形を有する電圧が印加された場合、検出回路２０の微小な浮遊容量によって抵抗による分圧がうまく機能しないことがある。
【００８１】
そのため、実施の形態１４では、図１６および図１７に示すように、検出回路１２０は、分圧用の複数の抵抗と、分圧用の複数のコンデンサとを備えている。具体的には、第一抵抗器４１と第二抵抗器４２とは直列に接続されて分圧回路１２２を構成し、検出電圧を分圧する。また、第一抵抗器４１および第二抵抗器４２にはそれぞれ、第一コンデンサ４３または第二コンデンサ４４が並列に接続されている。以下、第一抵抗器４１の抵抗をＲ１とし、第二抵抗器４２の抵抗をＲ２とし、第一コンデンサ４３の容量をＣ１とし、第二コンデンサ４４の容量をＣ２とする。回路の分圧比ｋは、下記の式（２）で定義される。
【００８２】
【数２】
2018042809.tif 000004
【００８３】
第一コンデンサ４３は、回路の浮遊容量による影響を緩和する働きがある。第二コンデンサ４４は、電圧の急峻な立ち上がり部分で、浮遊容量および容量Ｃ１によって発生する検出電圧の変動を緩和する働きがある。容量Ｃ１および容量Ｃ２に着目すれば、測定対象の電圧は、第一コンデンサ４３及び第二コンデンサ４４によって分圧されることになるので、コンデンサ部分の分圧比が上記抵抗による分圧比ｋと等しくなる条件は下記の式（３）で表される。
【００８４】
【数３】
2018042809.tif 000005
【数４】
2018042809.tif 000006
【００８５】
容量Ｃ１および容量Ｃ２がこの条件を満たすとき、理論上はすべての周波数範囲において分圧比ｋで分圧されるため、検出回路１２０に入力した波形と相似形の波形が検出される。容量Ｃ１の値としては、第一コンデンサ４３に並列に存在する浮遊容量の影響を緩和する意味で、第一コンデンサ４３に並列な浮遊容量よりも大きな値を選ぶ必要がある。但し、第一コンデンサ４３と第二コンデンサ４４の直列容量が、測定対象である電極対２の静電容量Ｃｘに並列になっているため、容量Ｃ１の値が大きすぎる場合には検出値に影響を与える。容量Ｃ１の値は、具体的には１ｐＦ〜数十ｐＦといった、浮遊容量よりも大きくＣｘよりも小さい値が適している。
【００８６】
容量Ｃ１が決まれば上記関係式（３）または式（４）から容量Ｃ２が決定される。しかしながら、第一コンデンサ４３に並列な浮遊容量を考慮すると、正確には、分圧用のコンデンサの分圧比が上記ｋと等しくなる条件の容量Ｃ２の値は、式（４）で算出される容量Ｃ２の値よりも大きくなる。したがって、第二コンデンサ４４の容量Ｃ２の値は、式（４）で与えられるＣ２よりも大きい値に設定することが望ましい。
【００８７】
また、入力のスイッチング波形の立ち上がりが急峻で、分圧回路１２２が入力波形を極めて正確に分圧した場合、分圧後の検出電圧波形も急峻な立ち上がりを有するものとなる。この場合、分圧回路１２２よりも電圧検出部２１側の検出回路を、高周波特性が良い回路素子で構成する必要がある。その場合、浮遊容量を考慮して設定した容量Ｃ２の値を更に大きく設定することで、分圧後の波形の立ち上がりを遅らせることができ、高価な広帯域の回路素子が不要となる。
【００８８】
以上のように、実施の形態１４に係る静電容量検出装置１は、直列接続された第一抵抗器４１と第二抵抗器４２から構成され、測定対象である電極対２に並列に接続され、電極対２を分圧する分圧回路１２２を備えている。また静電容量検出装置１は、第一抵抗器４１に並列に接続された第一コンデンサ４３と、第二抵抗器４２に並列に接続された第二コンデンサ４４とを備えている。
【００８９】
また、第一抵抗器４１の抵抗Ｒ１、第二抵抗器４２の抵抗Ｒ２、第一コンデンサの容量Ｃ１および第二コンデンサの容量Ｃ２は、Ｒ１×Ｃ１＝Ｒ２×Ｃ２という条件、さらに好ましくは、Ｒ１×Ｃ１＜Ｒ２×Ｃ２という条件を満たす。
【００９０】
実施の形態１５．
前述のように、インバータ３６の矩形波に近いスイッチングおよびノイズ成分の急峻な電圧立ち上がりによって、測定用コンデンサ３と電極対２にパルス的な突入電流が流れる。このような高周波の成分を除去するために、図４では低周波フィルタ２１ａが設けられているが、このような高周波の変動成分は、検出回路２０よりも前の段階で除去しておくことが望ましい。
【００９１】
図１８は、本発明の実施の形態１５に係る静電容量検出装置及び電力変換装置の設置構成を示す図である。図１９は、本発明の実施の形態１５に係る検出の原理である等価回路を示す図である。実施の形態１５において、静電容量検出装置１は、上述した高周波の変動成分を除去するために、フィルタ用抵抗器６を備えている。以下、実施の形態１と同一の構成を有する部位には同一の符号を付して説明を省略する。
【００９２】
図１８及び図１９に示されるように、測定対象部８の一方の端は動力線ＬＰｗと接続されており、動力線ＬＰｗと測定対象部８の測定用コンデンサ３との間には、フィルタ用抵抗器６が設けられている。これにより、フィルタ用抵抗器６の抵抗と、測定用コンデンサ３および電極対２の静電容量とから一種の低周波フィルタが構成される。したがって、測定対象部８の一方の端には、急峻な高周波成分が除去された電圧波形が入力されるため、電圧測定装置１５では、このような高周波成分による影響を低減することができる。なお、測定用コンデンサ３が、フィルタ用抵抗器６を介してＷ相の動力線ＬＰｗに接続されている場合について説明したが、Ｗ相の動力線ＬＰｗに接続される代わりに、Ｖ相の動力線ＬＰｖまたはＵ相の動力線ＬＰｕに接続されていてもよい。
【００９３】
測定用コンデンサ３と電極対２の合成静電容量Ｃｃは、電極対２の静電容量Ｃｘと測定用コンデンサ３の静電容量Ｃｄとを用いて次の式（５）で表される。
【００９４】
【数５】
2018042809.tif 000007
【００９５】
実施の形態２で述べたように合成静電容量Ｃｃが１０〜数十ｐＦ程度である場合、測定対象部８のインピーダンスは数ＭΩ〜数百ｋΩである。フィルタ用抵抗器６の抵抗値ＲＬが測定対象部８のインピーダンスに対して十分に大きい場合、動力線ＬＰｗの電圧がほとんどフィルタ用抵抗器６に印加され、検出に用いる電圧である測定対象部８の両端の電圧が小さくなり、検出に適さない。一方、フィルタ用抵抗器６の抵抗値ＲＬが測定対象部８のインピーダンスに対して十分に小さい場合には、低周波フィルタとしての効果が十分に得られない。つまり、フィルタ用抵抗器６の抵抗値としては、測定用コンデンサ３と電極対２の合成静電容量Ｃｃと同程度からその１／１００程度、望ましくは１／１０程度の値が望ましい。インバータ３６のＰＷＭの周波数をｆとする場合、このようなフィルタ用抵抗器６の抵抗値ＲＬの範囲は、合成静電容量Ｃｃを用いて次のように表される。
【００９６】
【数６】
2018042809.tif 000008
【００９７】
以上のように、実施の形態１５にかかる静電容量検出装置１は、電極対２と測定用コンデンサ３との間、測定対象部８の一方の端、及び測定対象部８の他方の端のうち少なくとも一つの位置にフィルタ用抵抗器６が設置されている。具体的には、フィルタ用抵抗器６は、電極対２と測定用コンデンサ３との間の位置、または測定対象部８の一方の端と第一動力線（例えば、動力線ＬＰｗ）との間の位置に設けられてもよい。あるいは、フィルタ用抵抗器６は、測定対象部８の他方の端と接地電位点との間、測定対象部８の他方の端とインバータの母線との間、もしくは測定対象部８の他方の端と第二動力線（動力線ＬＰｕ，ＬＰｖ）との間の位置に設けられてもよい。
【００９８】
これにより、静電容量検出装置１は、フィルタ用抵抗器６により、インバータ３６のスイッチングに起因する高周波の変動成分を検出回路２０よりも前の段階で除去し、検出への影響を低減することができる。
【００９９】
実施の形態１６．
図２０は、本発明の実施の形態１６に係る静電容量検出装置及び電力変換装置の設置構成を示す図である。図２１は、本発明の実施の形態１６に係る検出の原理である等価回路を示す図である。実施の形態１６において、静電容量検出装置１は、さらに補助コンデンサ７を備えている。以下、実施の形態１と同一の構成を有する部位には同一の符号を付して説明を省略する。
【０１００】
実施の形態１５では、フィルタ用抵抗器６は、抵抗値ＲＬが、測定用コンデンサ３と電極対２の合成静電容量Ｃｃのインピーダンスと同程度又は合成静電容量Ｃｃよりも小さいものが選択される。しかしながら、測定対象部８の静電容量は数ＭΩといった高いインピーダンスを持っており、フィルタ用抵抗器６を直列に追加することによって全体の静電容量はさらに大きくなる。この結果、フィルタ用抵抗器６を設置した場合に、センサとなる電極対２に流れる電流が小さくなり、検出が困難になる可能性がある。
【０１０１】
そこで、実施の形態１６では、図２０に示されるように、測定用コンデンサ３と電極対２とで構成される測定対象部８に並列に、補助コンデンサ７が設けられる。このように補助コンデンサ７が追加されることにより、静電容量検出装置１は、測定対象部８と補助コンデンサ７の並列接続の合成容量を大きくすることができ、フィルタ用抵抗器６の抵抗値ＲＬを下げることができる。この結果、静電容量検出装置１は、実施の形態１５の場合に比べて検出のＳ／Ｎ（信号／ノイズ比）を改善することができる。
【０１０２】
実施の形態１７．
実施の形態１においては、測定用コンデンサ３と電極対２とは直接接続され、測定用コンデンサ３と電極対２が直列接続されたもの（測定対象部８）が動力線に接続されていた。実施の形態１７では、測定用コンデンサ３と電極対２が、別の２つのコンデンサとともに直列回路を構成する場合について説明する。以下、実施の形態１と同一の構成を有する部位には同一の符号を付して説明を省略する。
【０１０３】
図２２は、本発明の実施の形態１７に係る静電容量検出装置の動力線との接続状態を示す図である。圧縮機５０のシェル筺体５１は、一部だけが図示されている。圧縮機５０には動力線ＬＰｕ、動力線ＬＰｖ及び動力線ＬＰｗが接続されている。図示していないが、動力線ＬＰｕ、動力線ＬＰｖ及び動力線ＬＰｗは、図１の場合と同様に、インバータ３６と接続されている。また、電極対２は、シェル筺体５１の内部に配置されている。
【０１０４】
図２２に示されるように、電極対２を構成する電極Ｆは第１中継コンデンサ２０１を介して動力線ＬＰｖと接続されている。一方、電極Ｇは、第２中継コンデンサ２０２を介して測定用コンデンサ３と接続されている。また、測定用コンデンサ３は接地電位点または接地電位であるシェル筺体５１に接続されている。ここで、第１中継コンデンサ２０１、電極対２、第２中継コンデンサ２０２および測定用コンデンサ３は、一続きの直列回路２００を構成している。以下、電極対２と第２中継コンデンサ２０２と測定用コンデンサ３とで構成される部分を直列回路２００の測定対象部２０８と称し、第２中継コンデンサ２０２と測定用コンデンサ３とで構成される部分を比較対象部２０９と呼ぶ。
【０１０５】
一続きの直列回路２００は、一方の端が動力線ＬＰｖに接続され、他方の端が接地電位点または接地電位に接続されている。実施の形態１７において、直列回路２００の他方の端は、接地電位点に接続されているが、インバータ３６の母線、または動力線ＬＰｖと相が異なる動力線ＬＰｕ若しくは動力線ＬＰｗに接続されていてもよい。
【０１０６】
電圧検出部２１は、検出回路２０を介してリレイ４に接続されている。リレイ４は、直列回路２００のうち測定対象部２０８の両端の電位Ｖａ０と、比較対象部２０９の両端の電位Ｖａｙとで検出対象を切り替える。ここで、測定用コンデンサ３、第１中継コンデンサ２０１及び第２中継コンデンサ２０２には、容量がわかっているものを使用する。第１中継コンデンサ２０１及び第２中継コンデンサ２０２は、他の回路の一部であってもよく、あるいはセンサであってもよい。なお、直列回路２００の中には、さらに抵抗器が含まれていてもよい。抵抗器は、例えば、測定対象部２０８と接地電位点との間に接続される。
【０１０７】
そして、静電容量検出装置１は、直列回路２００のうちの測定対象部２０８の両端の電位差と、測定対象部２０８から電極対２を除いた比較対象部２０９の両端の電位差とを検出し比較することにより、電極対２の静電容量を算出することができる。実施の形態１７では、特に、比較対象部２０９の両端の電位差が計測されるため、静電容量検出装置１は、電極対２の両端の電位差Ｖｘを算出するとともに、電極対２の容量を算出し、さらに電極対２の静電容量を算出することができる。
【０１０８】
このように、電極対２と測定用コンデンサ３が直接に接続されていない場合においても、一続きの直列回路２００を構成することにより、静電容量検出装置１は、実施の形態１の場合と同様に、電極対２の静電容量を検知することができる。測定用コンデンサ３と電極対２が直列回路２００を構成し、直列回路２００の一端にインバータ３６の動力線ＬＰｖが接続され、他端が、設置電位点、別の相の動力線（例えば、動力線ＬＰｕ若しくは動力線ＬＰｗ）または母線に接続されていればよい。このような構成により、静電容量検出装置１は、電極対２及び比較対象部２０９を含む測定対象部２０８の両端の電位差を計測し、比較対象部２０９の電位差を計測する。そして、静電容量検出装置１は、測定対象部２０８の電位差から比較対象部２０９の電位差を減算し、比較対象部２０９の電位差と比較することで、電極対２の静電容量を算出することができる。
【０１０９】
ここで、測定対象部２０８は電極対２とし、比較対象部２０９を測定用コンデンサ３一つとしてもよい。また、直列回路２００が抵抗器を含む場合には、抵抗器は第２中継コンデンサ２０２と電極対２が直列接続されたものと線ＬＰｖとの間に抵抗器を含む接続線によって接続されていてもよい。また、抵抗器は第２中継コンデンサ２０２と電極対２が直列接続されたものと、動力線ＬＰｗ若しくは動力線ＬＰｕ、接地電位点またはインバータの母線の間に抵抗器を含む接続線によって接続されていてもよい。
【０１１０】
また、次のように言うこともできる。電極対２と第２中継コンデンサ２０２とが直列接続されたものの一方の端は、動力線ＬＰｖに対して必ずしも導体で接続されていなくともよい。すなわち、間にコンデンサ（例えば、第１中継コンデンサ２０１）を含む接続線によって接続されている場合でも、実施の形態１の場合と同様の効果が得られる。
【０１１１】
また、電極対２と第２中継コンデンサ２０２とが直列接続されたものの他方の端は、動力線ＬＰｗ若しくは動力線ＬＰｕ、接地電位点またはインバータの母線に対して、必ずしも導体で接続されていなくともよい。すなわち、間にコンデンサ（例えば、測定用コンデンサ３）を含む接続線によって接続されていても実施の形態１の場合と同様の効果が得られる。
【０１１２】
また、測定用コンデンサ３と電極対２との間に、抵抗体または別のコンデンサが接続されていても、測定用コンデンサ３と電極対２が直列接続されていれば、実施の形態１の場合と同様の効果が得られる。そのため、インバータ３６の動力線の一つと、別の相の動力線、接地電位点またはインバータの母線のいずれか一つの間とが、抵抗、コンデンサおよび測定対象である電極対２で直列に接続されていれば、上述した測定により、静電容量を検出することができる。
【０１１３】
本明細書において、接続という場合、単に導体で接続されていることを意味せず、コンデンサまたは抵抗器を介して接続されているものを含む。ここで、抵抗およびコンデンサは、複数であっても単数であってもよい。また、測定用コンデンサ３と測定対象である電極対２との間に、コンデンサまたは抵抗器が接続されていてもよい。また、測定用コンデンサ３と電極対２とが接続されたものと、インバータ３６の動力線との間、あるいは、測定用コンデンサ３と電極対２とが接続されたものと、接地電位点若しくはインバータの母線との間に、コンデンサまたは抵抗器が接続されてもよい。
【符号の説明】
【０１１４】
１  静電容量検出装置、２  電極対、３  測定用コンデンサ、４  リレイ、５  温度センサ、６  フィルタ用抵抗器、７  補助コンデンサ、８  測定対象部、１０  制御部、１５  電圧測定装置、２０，２０ａ，２０ｂ  検出回路、２１  電圧検出部、２１ａ  低周波フィルタ、２２  分圧回路、２３  検出側整流回路、２４  絶縁アンプ、２５  アンプ、２６  同軸ケーブル、２７  ツイストペアケーブル、３１  三相交流電源、３２  コンバータ回路、３３  整流回路、３４  昇圧回路、３５  平滑コンデンサ、３６，１３６  インバータ、４１  第一抵抗器、４２  第二抵抗器、４３  第一コンデンサ、４４  第二コンデンサ、５０  圧縮機、５１  シェル筺体、５１ａ  シェル内壁、５２  吸入口、５３  吐出口、５４  モータ、５５  容積圧縮機、５６  冷凍機油、１００  電力変換装置、１５０  負荷装置、１５１  液体収納容器、１５４  負荷、２００  直列回路、２０１  第１中継コンデンサ、２０２  第２中継コンデンサ、２０８  測定対象部、２０９  比較対象部、Ｃｘ，Ｃｄ  静電容量、Ｃｓ  浮遊容量、Ｆ，Ｇ  電極、ＬＢｎ  Ｎ母線、ＬＢｐ  Ｐ母線、ＬＰｕ，ＬＰｖ，ＬＰｗ  動力線（Ｖ相，Ｗ相，Ｕ相）、Ｔ２  ガラス端子、Ｖｘ，Ｖ０  電圧。
【図１】
2018042809.tif 000009
【図２】
2018042809.tif 000010
【図３】
2018042809.tif 000011
【図４】
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【図５】
2018042809.tif 000013
【図６】
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【図７】
2018042809.tif 000015
【図８】
2018042809.tif 000016
【図９】
2018042809.tif 000017
【図１０】
2018042809.tif 000018
【図１１】
2018042809.tif 000019
【図１２】
2018042809.tif 000020
【図１３】
2018042809.tif 000021
【図１４】
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【図１５】
2018042809.tif 000023
【図１６】
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【図１７】
2018042809.tif 000025
【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【国際調査報告】
2018042809.tif 000031
2018042809.tif 000032