(57)【要約】  モータのロータ停止位置によらず安定的に圧縮機を加熱するヒートポンプ装置を得ることを目的とする。本発明は、圧縮機構７およびモータ８を含んだ圧縮機１と、熱交換器３，５と、インバータ９と、インバータ９の駆動信号を生成する駆動信号生成部１５およびモータが回転駆動不可能な高周波電圧をモータに印加して圧縮機を加熱する場合に駆動信号生成部１５を制御する加熱運転モード制御部１２を含んだインバータ制御部１０と、を備えたヒートポンプ装置であって、加熱運転モード制御部１２は、モータ８のロータ停止位置を示す磁極位置を推定する磁極位置推定部１３と、磁極位置の推定結果および必要加熱量に基づいて、正弦波で表現される電圧指令の振幅および位相を決定し、決定した振幅および位相を駆動信号生成部１５に通知して駆動信号を生成させる高周波通電部１４と、を備える。
2013102999.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒を圧縮する圧縮機構および前記圧縮機構を駆動するモータを含んだ圧縮機と、熱交換器と、前記モータに所望の電圧を印加するインバータと、前記インバータの駆動信号を生成する駆動信号生成部および前記モータが回転駆動不可能な高周波電圧を前記モータに印加して前記圧縮機を加熱する場合に前記駆動信号生成部を制御する加熱運転モード制御部を含んだインバータ制御部と、を備えたヒートポンプ装置であって、
前記加熱運転モード制御部は、
前記モータの誘起電圧に基づいて前記モータのロータ停止位置を示す磁極位置を推定する磁極位置推定部と、
前記磁極位置の推定結果および予め指定されている必要加熱量に基づいて、正弦波で表現される電圧指令の振幅および位相を決定し、当該決定した振幅および位相を前記駆動信号生成部に通知して通知内容に従った駆動信号を生成させる振幅位相決定部と、
を備えることを特徴とするヒートポンプ装置。
【請求項２】
前記振幅位相決定部は、使用者によって指定された発熱量が得られるように前記振幅および位相を決定す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】
前記振幅位相決定部は、使用者が指定可能な発熱量と前記振幅と前記磁極位置との対応テーブルを保持しておき、使用者によって発熱量が指定された場合、その時点の磁極位置と指定された発熱量に対応する振幅を選択することを特徴とする請求項２に記載のヒートポンプ装置。
【請求項４】
前記磁極位置推定部は、前記モータのロータが停止する直前に前記磁極位置を推定して記憶しておき、
前記振幅位相決定部は、前記磁極位置推定部が記憶している磁極位置を使用して振幅および位相を決定することを特徴とする請求項１、２または３に記載のヒートポンプ装置。
【請求項５】
前記インバータが前記モータに印加する電圧の周波数を、人間の可聴周波数の上限よりも高い周波数とすることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載のヒートポンプ装置。
【請求項６】
前記振幅位相決定部は、前記駆動信号生成部が駆動信号を生成する際に使用するキャリア信号の頂もしくは底、または、頂および底に同期させて、前記位相を半周期分変化させることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載のヒートポンプ装置。
【請求項７】
前記インバータを構成しているスイッチング素子のうち、少なくとも１つがワイドバンドギャップ半導体で形成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載のヒートポンプ装置。
【請求項８】
前記インバータを構成しているスイッチング素子のダイオードがワイドバンドギャップ半導体で形成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載のヒートポンプ装置。
【請求項９】
前記ワイドバンドギャップ半導体は、炭化珪素、窒化ガリウム系材料又はダイヤモンドであることを特徴とする請求項７または８に記載のヒートポンプ装置。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１つに記載のヒートポンプ装置を備えることを特徴とする空気調和機。
【請求項１１】
請求項１〜９のいずれか１つに記載のヒートポンプ装置を備えることを特徴とする冷凍機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧縮機を用いたヒートポンプ装置に関し、特に、空気調和機や冷凍機、温水機などに適用されるヒートポンプ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のヒートポンプ装置として、空気調和機の暖房開始時の立ち上がりスピードを向上させるために、暖房時の運転停止中に高周波の低電圧を圧縮機に供給するものがある（例えば、特許文献１参照）。同様の技術として、空気調和機の周囲温度が低温状態を検知した際に、通常運転時より高周波数の単相交流電圧を圧縮機に供給するものがある（例えば、特許文献２参照）。【０００３】
また、冷媒寝込み現象の発生を防止するために圧縮機を予備加熱する拘束通電において、圧縮機モータの駆動信号として、二相変調方式のＰＷＭ出力にて、所定の位相角で静止した出力を行う信号を生成するものがある（例えば、特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】実開昭６０−６８３４１号公報
【特許文献２】特開昭６１−９１４４５号公報
【特許文献３】特開２００７−１６６７６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記の特許文献１および２では、外気温度の低下に応じて圧縮機に高周波の交流電圧を印加することで圧縮機を加熱もしくは保温し、圧縮機内部の潤滑作用を円滑にする技術が示されている。【０００６】
しかしながら、特許文献１には高周波の低電圧についての詳細な記載がなく、ロータの停止位置に依存する出力変化を考慮していないため、所望する圧縮機の加熱量を得られないおそれがある、という問題があった。【０００７】
一方、上記特許文献２には、２５ｋＨｚといった高周波の単相交流電源にて電圧を印加することが記載されているとともに、可聴域を外れることによる騒音抑制、共振周波数を外れることによる振動抑制、巻線のインダクタンス分による小電流化での入力低減と温度上昇防止、圧縮機の回転部の回転抑制といった効果が示されている。【０００８】
しかしながら、特許文献２の技術では、高周波の単相交流電源であるため、特許文献２の図３に示されるように全てのスイッチング素子がオフとなる全オフ区間が比較的長く発生することになる。このとき、高周波電流は還流ダイオードを介して電動機を還流せずに直流電源に回生され、オフ区間の電流の減衰が早く、電動機に効率的に高周波電流が流れずに圧縮機の加熱効率が悪くなる、という問題があった。また、小型で鉄損の小さなモータを用いた場合に、印加電圧に対する発熱量が小さくなり使用可能範囲内の電圧で、必要な加熱量を得られないという問題もある。【０００９】
また、特許文献３には、モータ巻線に直流電流を流す拘束通電を行うことにより、ロータが回転しないようにして予熱を行う技術が開示されている。【００１０】
しかしながら、近年のモータの高効率設計によりモータの巻線抵抗が小さくなる傾向にあり、特許文献３に示すモータ巻線に直流電流を流す予熱方法の場合、発熱量が巻線抵抗と電流の二乗で得られるため、巻線抵抗が減少した分、電流が増加することとなる。その結果、インバータの損失増大による発熱が問題となり、信頼性の低下や放熱構造へのコスト増加という別の問題が発生する。【００１１】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、モータのロータ停止位置によらず安定的に圧縮機を加熱することが可能なヒートポンプ装置、空気調和機および冷凍機を得ることを目的とする。【００１２】
また、必要な加熱出力を効率的に実現することが可能なヒートポンプ装置、空気調和機および冷凍機を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、冷媒を圧縮する圧縮機構および前記圧縮機構を駆動するモータを含んだ圧縮機と、熱交換器と、前記モータに所望の電圧を印加するインバータと、前記インバータの駆動信号を生成する駆動信号生成部および前記モータが回転駆動不可能な高周波電圧を前記モータに印加して前記圧縮機を加熱する場合に前記駆動信号生成部を制御する加熱運転モード制御部を含んだインバータ制御部と、を備えたヒートポンプ装置であって、前記加熱運転モード制御部は、前記モータの誘起電圧に基づいて前記モータのロータ停止位置を示す磁極位置を推定する磁極位置推定部と、前記磁極位置の推定結果および予め指定されている必要加熱量に基づいて、正弦波で表現される電圧指令の振幅および位相を決定し、当該決定した振幅および位相を前記駆動信号生成部に通知して通知内容に従った駆動信号を生成させる振幅位相決定部と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明にかかるヒートポンプ装置によれば、モータのロータ停止位置によらず安定的に圧縮機を加熱して冷媒寝込み現象を回避することができるとともに、省エネルギーを実現できる、という効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、本発明にかかるヒートポンプ装置の実施の形態１の構成例を示す図である。
【図２】図２は、ヒートポンプ装置の要部構成の一例を示す図である。
【図３】図３は、埋め込み磁石型同期電動機のロータの構造を示す図である。
【図４】図４は、図３に示したロータを備えたモータの固定子側から見たインダクタンス特性を示す図である。
【図５】図５は、図４に示したインダクタンス特性に対応する電流特性を示す図である。
【図６】図６は、ＰＷＭ信号生成部の一相分の信号生成方法を示す図である。
【図７】図７は、過熱運転時におけるインバータの８通りのスイッチングパターンを示す図である。
【図８】図８は、ＰＷＭ信号生成部によるＰＷＭ信号の生成動作を示す図である。
【図９】図９は、図８に示した動作に対応する電圧ベクトル変化の説明図である。
【図１０】図１０は、実施の形態１のインバータ制御部の動作例を示すフローチャートである。
【図１１】図１１は、ＳｉデバイスとＳｉＣデバイスの耐圧とオン抵抗の関係を示す図である。
【図１２】図１２は、実施の形態３のヒートポンプ装置の構成例を示す図である。
【図１３】図１３は、ヒートポンプ装置の冷媒の状態についてのモリエル線図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下に、本発明にかかるヒートポンプ装置、空気調和機および冷凍機の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１７】
実施の形態１．
図１は、本発明にかかるヒートポンプ装置の実施の形態１の構成例を示す図である。本実施の形態のヒートポンプ装置１００は、例えば空気調和機を構成し、圧縮機１、四方弁２、熱交換器３、膨張機構４および熱交換器５が、冷媒配管６を介して、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、この圧縮機構７を動作させるモータ８とが設けられている。モータ８は、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の三相の巻線を有する三相モータである。
【００１８】
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ている。インバータ９は、直流電圧（母線電圧）Ｖｄｃを電源とし、モータ８のＵ相、Ｖ相およびＷ相の巻線に電圧Ｖｕ、ＶｖおよびＶｗをそれぞれ印加する。インバータ９には、インバータ制御部１０が電気的に接続されている。インバータ制御部１０は、通常運転モード制御部１１と、磁極位置推定部１３および高周波通電部１４を含んだ加熱運転モード制御部１２と、駆動信号生成部１５とを備えており、インバータ９を駆動するための信号（たとえばＰＷＭ信号）をインバータ９へ出力する。
【００１９】
インバータ制御部１０において、通常運転モード制御部１１は、ヒートポンプ装置１００が通常の動作を行う場合に使用される。この通常運転モード制御部１１は、駆動信号生成部１５を制御することにより、モータ８を回転駆動させるためのＰＷＭ信号をインバータ駆動信号として出力させる。
【００２０】
加熱運転モード制御部１２は、圧縮機１を加熱する場合に使用される。この加熱運転モード制御部１２は、駆動信号生成部１５を制御することにより、モータ８が追従できない高周波電流を流してモータ８を回転駆動させることなく圧縮機１を加熱するためのＰＷＭ信号を、インバータ駆動信号として出力させる。その際、磁極位置推定部１３がモータ８のロータの停止位置を示す磁極位置を推定した結果（推定情報）に基づいて高周波通電部１４が駆動信号生成部１５を制御し、駆動信号生成部１５がＰＷＭ信号を出力してインバータ９を駆動することで、圧縮機１に滞留した液冷媒を短時間で温めて気化させ、圧縮機１外部へ排出させる。
【００２１】
図２は、ヒートポンプ装置の要部構成の一例を示す図である。図示したように、インバータ９は、母線電圧Ｖｄｃを電源として、６つのスイッチング素子（２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ，２１ｅ，２１ｆ）の直列接続部が並列に３個接続された回路である。インバータ９は、インバータ制御部１０から入力される駆動信号であるＰＷＭ信号（ＵＰ〜ＷＮ）に従い、それぞれに対応したスイッチング素子を駆動することで、三相の電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗを発生させ、モータ８のＵ相，Ｖ相，Ｗ相の巻線それぞれに電圧を印加する。なお、インバータ９の入力側（母線電圧Ｖｄｃの供給側）にはＶｄｃを検知するための電圧センサ３１が設けられている。
【００２２】
インバータ制御部１０は、図１に示した加熱運転モード制御部１２を構成している磁極位置推定部１３および高周波通電部１４と、駆動信号生成部１５とを備える。磁極位置推定部１３は位置検出部１６および位置検出判定部１７を含んでいる。高周波通電部１４は加熱指令部１８を含んでいる。駆動信号生成部１５は電圧指令値生成部１９およびＰＷＭ信号生成部２０を含んでいる。なお、図２においては、本実施の形態のヒートポンプ装置において特徴的な動作を行う構成要素のみを記載するようにしており、図１に示した通常運転モード制御部１１については記載を省略している。
【００２３】
加熱運転モード制御部１２（磁極位置推定部１３および高周波通電部１４）は、高周波電圧指令Ｖｋおよび高周波位相指令θｋを生成する。
【００２４】
駆動信号生成部１５において、電圧指令値生成部１９は、加熱運転モード制御部１２から入力される高周波電圧指令Ｖｋおよび高周波位相指令θｋに基づいて、三相（Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相）それぞれの電圧指令Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊を生成する。ＰＷＭ信号生成部２０は、三相電圧指令Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊に基づいてＰＷＭ信号（ＵＰ，ＶＰ，ＷＰ，ＵＮ，ＶＮ，ＷＮ）を生成してインバータ９を駆動することにより、モータ８に電圧を印加させる。このとき、モータ８のロータが回転しないような高周波電圧を印加させ、モータ８を備えている圧縮機１（図１参照）を加熱する。なお、駆動信号生成部１５は、ヒートポンプ装置が通常運転モードで動作する場合にもＰＷＭ信号を生成する。その場合のＰＷＭ信号生成方法は、加熱運転モード時で動作する場合と同様である。すなわち、通常運転モード制御部１１から入力される情報（上記のＶｋ，θｋに相当する情報）が異なるだけである。
【００２５】
以下、実施の形態１のヒートポンプ装置の特徴的な動作について詳しく説明する。
【００２６】
磁極位置推定部１３は、例えば、特開２０１１−６１８８４号公報に記載された方法で磁極位置（ロータ位置）を推定する。すなわち、磁極位置推定部１３において、位置検出部１６はモータ８の誘起電圧と基準電圧を比較して位置検出信号を生成し、位置検出判定部１７は位置検出部１６から出力された位置検出信号に基づいてモータ８の磁極位置を推定する。磁極位置の推定結果は高周波通電部１４の加熱指令部１８へ出力する。磁極位置推定のタイミングは加熱運転モード前とし、例えばモータ運転中（ロータの回転中）に推定する。もしくは停止後に推定してもよい。ロータが完全に停止し誘起電圧が発生しない状態においては、インバータ９が高周波の電圧をモータ８に印加し、モータに流れる電流値の検出結果に基づいて位置推定を行うことが可能である。この位置推定方法は公知であるため、説明は省略する。また、ロータが停止する直前に位置を推定して記憶しておくようにしてもよい。なお、本実施の形態においては、磁極位置の推定方法については特に規定しない。公知の如何なる方法を用いて磁極位置を推定しても構わない。
【００２７】
振幅位相決定部として動作する高周波通電部１４において、加熱指令部１８は位置検出判定部１７からの信号（磁極位置推定結果）に基づいて加熱出力を決定する。図３は、埋め込み磁石型同期電動機（モータ８に相当）のロータの構造を示す図である。図３に示したように、磁石型同期電動機のロータは、鉄心１２１および磁石１２２を含んで構成されている。このような構造ではロータの位置によって空隙の長さ（磁石と固定子の距離）が変化するため、固定子側から見たインダクタンス値は図４に示すように変化する。図４に示すようにインダクタンス値が変化すると巻線を流れる電流量は図５に示すように変化し、装置全体の加熱出力に影響する。これは、所定周波数（固定値）で所定電圧（固定値）の高周波電圧を与えた場合、ロータ位置に応じたインダクタンス値の変動の影響を受けてしまい、液冷媒の安定した加熱が困難になることを示している。すなわち、安定した加熱を実現するためには、モータ８に印加する高周波電圧をロータ位置に応じて調整する必要がある。
【００２８】
そこで、本実施の形態のヒートポンプ装置においては、ロータ位置を示す磁極位置を推定し、必要な発熱量が得られるように、磁極位置の推定結果に基づいて加熱指令部１８が電圧位相θｋを生成・出力して圧縮機１を安定的に加熱する。これにより、磁極位置に対応するインダクタンス値が高い（加熱出力が小さい）場合においても使用者の所望する加熱出力を得るための電圧位相θｋが設定できる。また、インダクタンス値が低い（加熱出力が大きい）場合においては電流値が大きくなり、鉄損などの損失が高くなるため、効率を重視する場合においては電圧位相および電圧指令値を調整することにより、省エネルギーを実現しつつ使用者の所望する加熱性能を提供できる。
【００２９】
加熱指令部１８は、磁極位置推定部１３（位置検出判定部１７）からの推定信号（磁極位置の推定結果）を基にモータ８に通電するための位相θｋを求める。たとえば、モータ８の０°の位置に対応する巻線に通電させる場合には、θｋ=０を出力する。ただし、固定値で連続通電を行った場合、モータ８の特定部分のみが発熱する恐れがあるため、時間の経過と共にθｋを変化させるようにしてもよい。これにより、通電させる巻線が変更され、モータ８を均一に加熱できる。図４に示したように、インダクタンス値が同一となるロータ位置は２つ以上存在するので、例えば、インダクタンス値が最小となる位置に通電させる場合には、０°と１８０°の位置にある巻線それぞれに対し、交互に通電させればよい。
【００３０】
前述の通り、磁極位置を推定することができれば、インダクタンス値の低い磁極位置に対応する巻線に通電を行うことで、同じ印加電圧においてもより高出力の電流を得ることが可能となる。必要加熱量が大きい場合には、推定された磁極位置から、インダクタンス値の低い位置を推定し、推定結果に応じた巻線に通電させることにより、圧縮機１内の液冷媒を確実に排出可能となり、装置の信頼性が向上する。また、必要加熱量が低い場合にはインダクタンス値の高い磁極位置で通電し、出力電流の低い加熱出力を行うことにより、回路に流れる電流量を減らすことができ、省エネルギーとなる。
【００３１】
また、加熱指令部１８は必要加熱量に基づいて、発熱に必要な電圧指令Ｖ＊を出力する。たとえば必要加熱量と電圧指令Ｖ＊の関係をテーブルデータとしてあらかじめ記憶しておくことにより、必要加熱量に応じた電圧指令Ｖ＊を得ることができる。必要加熱量は使用者によって指定される情報である。
【００３２】
高周波通電部１４は、電圧センサ３１で検出された母線電圧Ｖｄｃと加熱指令部１８から入力された電圧指令Ｖ＊に基づいて、高周波電圧指令Ｖｋを生成する。高周波電圧指令Ｖｋは、電圧指令Ｖ＊と母線電圧Ｖｄｃを用いて次式で表される。
Ｖｋ  ＝  Ｖ＊×√２／Ｖｄｃ
【００３３】
なお、高周波電圧指令Ｖｋは、外気温度や圧縮機温度、圧縮機構造上などのデータを考慮し、これらのデータに基づいて補正することで、動作環境に応じたより正確な値を得ることができ、信頼性を向上させることが可能である。
【００３４】
また、高周波電流の駆動周波数を高く設定することで、角周波数ωを高くすることができる。ωが高くなることにより鉄損が増加し発熱量が増加するため、省エネルギー化が可能となる。なお、人間の可聴域に含まれる周波数で高周波通電を行うと、モータ８の電磁音により騒音が発生するため、可聴域外（例えば２０ｋＨｚ以上）に設定する。
【００３５】
続いて、駆動信号生成部１５がインバータ９の駆動信号としてＰＷＭ信号を生成する動作について説明する。
【００３６】
ＰＷＭ信号を生成する駆動信号生成部１５においては、まず、電圧指令値生成部１９が、高周波電圧指令Ｖｋおよび位相指令θｋに基づいて電圧指令値Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊を生成する。
【００３７】
モータ８は三相モータであるが、三相モータの場合、一般的にＵ，Ｖ，Ｗの三相の位相は互いに１２０°（＝２π／３）異なる。そのため、電圧指令値生成部１９は、Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊として、以下の式（１）〜（３）に示したような、位相が２π／３ずつ異なる余弦波（正弦波）のＶ＊およびθに高周波電圧指令Ｖｋおよび電圧位相θｋをそれぞれ代入して各相の電圧指令値を生成する。
Ｖｕ＊＝Ｖ＊×ｃｏｓθ                      …（１）
Ｖｖ＊＝Ｖ＊×ｃｏｓ（θ−(２π／３)）      …（２）
Ｖｗ＊＝Ｖ＊×ｃｏｓ（θ＋(２π／３)）      …（３）
【００３８】
電圧指令値生成部１９により電圧指令値Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊が生成されると、次に、ＰＷＭ信号生成部２０が、電圧指令値生成部１９から入力された電圧指令値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。
【００３９】
なお、上記の式（１）〜（３）では、単純な三角関数で電圧指令値Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊を求めるようにしたが、その外に二相変調や、三次高調波重畳変調、空間ベクトル変調といった手法によって電圧指令値Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊を求めるようにしても構わない。
【００４０】
ＰＷＭ信号生成部２０によるＰＷＭ信号の生成方法について詳しく説明する。Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の各相に対応するＰＷＭ信号の生成方法は同一であるため、ここでは、一例として、Ｕ相のＰＷＭ信号ＵＰおよびＵＮの生成方法を説明する。
【００４１】
図６は、ＰＷＭ信号生成部２０の一相分の信号生成方法を示す図であり、Ｕ相のＰＷＭ信号を生成する方法を示している。図６に示した三角波がキャリア信号、正弦波が電圧指令信号Ｖｕ＊である。図６に示した信号生成方法は一般に非同期ＰＷＭと称される手法に相当する。ＰＷＭ信号生成部２０は、電圧指令信号Ｖｕ＊と所定の周波数で振幅Ｖｄｃ／２（Ｖｄｃは直流母線電圧を示す）のキャリア信号を比較し、相互の大小関係に基づきＰＷＭ信号ＵＰおよびＵＮを生成する。すなわち、キャリア信号が電圧指令値Ｖｕ＊よりも大きいときは、ＵＰをＯＮ，ＵＮをＯＦＦとし、それ以外はＵＰをＯＦＦ，ＵＮをＯＮにする。なお、キャリア信号の振幅，位相は固定とする。
【００４２】
図７は、実施の形態１における８通りのスイッチングパターンを示す図である。なお、図７では、各スイッチングパターンで発生する電圧ベクトルをＶ０〜Ｖ７としている。また、各電圧ベクトルの電圧の方向を±Ｕ、±Ｖ、±Ｗ（電圧が発生しない場合には０）で表している。ここで、＋Ｕとは、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相方向の電流を発生させる電圧であり、−Ｕとは、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相方向の電流を発生させる電圧である。±Ｖ、±Ｗについても同様である。
【００４３】
図７に示すスイッチングパターンを組み合わせて電圧ベクトルを出力することでインバータ９に所望の電圧を出力させることができる。圧縮機１内の冷媒をモータ８にて圧縮する動作（通常運転モードの動作）の場合には数１０〜数ｋＨｚ以下で動作することが一般的である。このときにθｋを高速で変化させることにより、数ｋＨｚを超える高調波電圧を出力し、圧縮機１に通電し加熱（加熱運転モード）することが可能となる。
【００４４】
ただし、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。なお、一般的なＩＧＢＴ（Insulate  Gate  Bipolar  Transistor）の場合、スイッチングスピードの上限が２０ｋＨｚ程度である。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の悪影響を及ぼす恐れがある。すなわち、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。そのため、ＰＷＭ信号生成部２０は、以下に示す方法でキャリア信号に同期したＰＷＭ信号を生成するようにして、騒音悪化を回避する。
【００４５】
図８は任意のＶ＊、加熱指令部１８の出力θｋを０°とした場合のＰＷＭ信号生成部２０の動作を表す図である。ＰＷＭ信号生成部２０は、高周波位相指令θｋがキャリア信号（三角波）の頂もしくは底（または、頂および底）のタイミングで０°と１８０°の間で切り替えることで、キャリア信号に同期したＰＷＭ信号を生成できる。このとき、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。
【００４６】
図９は、図８に示した動作に対応する電圧ベクトル変化の説明図である。なお、図９では破線で囲まれたスイッチング素子がオン、破線で囲まれていないスイッチング素子がオフの状態であることを表している。図９に示すようにＶ０ベクトル，Ｖ７ベクトル印加時はモータ８の線間は短絡状態となり、電圧が出力されない。この場合、モータ８のインダクタンスに蓄えられたエネルギーが電流となって短絡回路中を流れる。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相および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相および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８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に切り替わる。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制御が可能となる。
【００４７】
次に、インバータ制御部１０の動作について説明する。ここでは、圧縮機１を加熱する加熱運転モードで動作する場合におけるインバータ９の制御動作について説明する。なお、ヒートポンプ装置１００が通常運転モードで動作する場合におけるインバータ９の制御動作は従来と同様であるため説明を省略する。
【００４８】
図１０は、実施の形態１のヒートポンプ装置１００が備えているインバータ制御部１０の動作例を示すフローチャートであり、加熱運転モード時の制御手順を示している。すなわち、加熱運転モード制御部１２および駆動信号生成部１５がインバータ９の駆動信号としてＰＷＭ信号を生成する場合の制御手順を示している。
【００４９】
本実施の形態のヒートポンプ装置１００において、インバータ制御部１０は、まず、加熱運転モードを示す入力（加熱運転モードでの動作を指示する入力）があるかどうか、判定する（ステップＳ１）。なお、このステップＳ１では、外気温度や圧縮機温度、運転指令が外部から入力されたか否かなどに基づき、加熱運転モードでの動作の必要性について判定するようにしてもよい。例えば、所定の運転指令（ヒートポンプ装置１００の動作開始指令）が外部から入力され、かつその時点で冷媒寝込み現象の発生が予測される場合（例えば、外気温度が所定のしきい値以下の場合）に加熱運転モードでの動作が必要と判断する。加熱運転モードを示す入力が無い（加熱運転モードでの動作が必要ない）場合（ステップＳ１：Ｎｏ）、所定のタイミングでステップＳ１を再度実行する。加熱運転モードを示す入力が有る場合（ステップＳ１：Ｙｅｓ）、モータ８の入出力電流および電圧を検知し、検知信号に基づいて磁極位置を推定する（ステップＳ２，Ｓ３）。なお、入出力電流および電圧とは、インバータ９とモータ８の接続点で検出される電流および電圧（三相分）である。磁極位置の推定は、例えば電圧（誘起電圧）の検知結果などに基づいて磁極位置推定部１３が行う。誘起電圧が発生しない状態においては、インバータ９を制御して磁極位置を推定するための高周波電圧をモータ８に印加させ、そのときモータ８に流れる電流値に基づいて磁極位置を推定してもよい。また、モータ８が停止する直前に誘起電圧に基づいて磁極位置の推定を行って推定結果を記憶しておき、これをステップＳ３での推定結果に代えて使用するようにしてもよい。
【００５０】
次に、高効率運転モードの入力があるかどうか（高効率運転モードでの動作指定がされているかどうか）を確認し（ステップＳ４）、高効率運転モードの入力がある場合（ステップＳ４：Ｙｅｓ）、インダクタンス値の高い位置に電圧位相を制御して出力電流を抑制するモードでの運転（高効率な運転）を行うことに決定する。そして、ステップＳ３で得られた磁極位置推定結果に基づいて電圧指令の位相を決定し、高効率運転モードに対応するＰＷＭ信号（ＵＰ，ＵＮ，ＶＰ，ＶＮ，ＷＰ，ＷＮ）の生成・出力を開始してインバータ９を制御する（ステップＳ５）。これにより、消費電力を低く抑えつつ圧縮機１に滞留している液冷媒を加熱し気化させ、圧縮機１の外部へ漏出させることができる。
【００５１】
高効率運転モードの入力がない場合（ステップＳ４：Ｎｏ）、加熱運転のためのＰＷＭ信号の生成・出力を開始する（ステップＳ６）。このとき、磁極位置推定結果を考慮して電圧位相（θｋ）を決定することはしない（通常の加熱運転制御）。
【００５２】
次に、加熱出力が必要加熱量以上かどうか、すなわち、圧縮機１に滞留している液冷媒を気化させるのに十分な加熱出力が得られるかどうかを確認する（ステップＳ７）。例えば、モータ８の入出力電流および電圧に基づいて加熱出力を算出し、算出した加熱出力が所定のしきい値以上かどうか確認する。加熱出力がしきい値未満の場合、加熱出力が不十分と判断し（ステップＳ７：Ｎｏ）、インダクタンス値の低い位置に電圧位相を制御して加熱出力が最大となるモードでの運転（高出力運転）を行うことに決定する。そして、ステップＳ３で得られた磁極位置推定結果に基づいて電圧指令の位相を決定し、高出力運転に対応するＰＷＭ信号（ＵＰ，ＵＮ，ＶＰ，ＶＮ，ＷＰ，ＷＮ）の生成・出力を開始する（ステップＳ８）。この結果、モータ８には大量の高周波電流が流入し、銅損および鉄損により発熱することから短時間でモータ８を加熱することができる。
【００５３】
加熱出力がしきい値以上の場合、加熱出力が十分と判断し（ステップＳ７：Ｙｅｓ）、ステップＳ８を実行しない。
【００５４】
ステップＳ８を実行後、またはステップＳ７で加熱出力が十分と判断した後、所定のタイミングでステップＳ１を再度実行する（上述したステップＳ１〜Ｓ８の動作を繰り返し実行する）。なお、加熱運転モードではモータ８は回転駆動しないため、一度磁極位置を推定した後は、磁極位置を推定するステップＳ３を省略してもよい。
【００５５】
このように、本実施の形態のヒートポンプ装置において、インバータ制御部１０は、圧縮機１が備えているモータ８の磁極位置を推定し、推定結果および必要な発熱量に基づいて電圧位相を決定し、ＰＷＭ信号を生成してインバータ９を制御することとした。これにより、モータ８の磁極位置によらず安定的に圧縮機１を加熱でき、その結果、圧縮機１内に滞留した液冷媒が外部へ漏出する。また、磁極位置に応じてモータ８に流す電流を調整するので、圧縮機１を効率的に過熱することができ、省エネルギーとなる。
【００５６】
加えて、可聴周波数（２０〜２０ｋＨｚ）外の高周波電圧がモータ８に印加されるようにインバータ９を制御するので、モータ８を加熱する際の騒音を抑えることができる。
【００５７】
一般に、圧縮機動作時の運転周波数は高々１ｋＨｚ程度である。そのため、１ｋＨｚ以上の高周波電圧をモータに印加すればよい。このとき、１４ｋＨｚ以上の電圧をモータ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、騒音の低減も可能となる。たとえば、可聴周波数外の２０ｋＨｚ程度の高周波電圧となるようにすればよい。
【００５８】
ただし、高周波電圧の周波数はスイッチング素子２１ａ〜２１ｆの最大定格周波数を超えると素子破壊を起こし、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ため、高周波電圧の周波数は最大定格周波数以下に設定し信頼性を確保する。
【００５９】
実施の形態２．
実施の形態２のヒートポンプ装置について説明する。なお、装置構成は実施の形態１と同様である（図２参照）。
【００６０】
図１１を用いて実施の形態２のヒートポンプ装置を説明する。本実施の形態のヒートポンプ装置は、図２に示したスイッチング素子２１ａ〜２１ｆをシリコンカーバイドデバイス（以下、ＳｉＣデバイス）のスイッチング素子としたものである。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。図１１は、シリコンデバイス（以下、Ｓｉデバイス）とＳｉＣデバイスの耐圧とオン抵抗の関係を示す図である。Ｓｉデバイスと比較してＳｉＣデバイスではバンドギャップが大きく、大幅に耐圧とオン抵抗のトレードオフを改善できることが知られている。例えば、現在のＳｉデバイスを使った誘導加熱調理器では冷却装置や放熱ファンが必須とされているが、ワイドバンドギャップ半導体デバイスであるＳｉＣデバイスを用いることにより大幅に素子損失が低減可能であり、従来の冷却装置や放熱フィンの小型化または削除が可能となる。ＳｉＣ以外のワイドバンドギャップ半導体としては、例えば、窒化ガリウム系材料やダイヤモンドがある。
【００６１】
上記のようにスイッチング素子を従来のＳｉデバイスからＳｉＣデバイスに変更することで大幅な低損失化が可能となり、冷却装置や放熱フィンの小型化、または削除が可能となり、装置自体の大幅な低コスト化ができる。また、高周波でのスイッチングが可能となることで、モータ８に更に高周波の電流を流すことが可能となり、モータ８の巻線インピーダンス増加による巻線電流低減によりインバータ９に流入する電流を低減し、より高効率なヒートポンプ装置を得ることが可能となる。高周波化することにより人間の可聴域である１６ｋＨｚ以上の高周波に駆動周波数を設定することが可能となり、騒音対策がしやすいといった利点もある。また、ＳｉＣを使用した場合、従来のＳｉに比べ低損失で電流を格段に多く流すことができるため、冷却フィンを小型化するなどの効果を得ることができる。本実施の形態ではＳｉＣデバイスを例に説明したが、ＳｉＣに代えてダイヤモンドやガリウムナイトライド（ＧａＮ）などのワイドバンドギャップ半導体デバイスを用いても同様であることは、当業者にとっては明らかである。なお、インバータが備えている各スイッチング素子のダイオードのみをワイドバンドギャップ半導体としてもよい。また、複数存在しているスイッチング素子のうちの一部（少なくとも１つ）をワイドバンドギャップ半導体で形成するようにしてもよい。一部の素子にワイドバンドギャップ半導体を適用した場合にも上述した効果を得ることができる。
【００６２】
また、実施の形態１および２では、スイッチング素子として主にＩＧＢＴを用いた場合を想定しているが、スイッチング素子はＩＧＢＴに限定されるものではなく、スーパージャンクション構造のパワーＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor  Field-Effect  Transistor）やその他の絶縁ゲート半導体装置、バイポーラトランジスタでも同様であることは当業者にとっては明らかである。
【００６３】
実施の形態３．
実施の形態３のヒートポンプ装置について説明する。本実施の形態では、実施の形態１，２で説明したヒートポンプ装置を備えた機器（空気調和機など）の動作について説明する。
【００６４】
図１２は、実施の形態３のヒートポンプ装置の構成例を示す図である。図１３は、図１２に示したヒートポンプ装置の冷媒の状態についてのモリエル線図である。図１３において、横軸は比エンタルピ、縦軸は冷媒圧力を示す。
【００６５】
本実施の形態のヒートポンプ装置において、圧縮機５１、熱交換器５２、膨張機構５３、レシーバ５４、内部熱交換器５５、膨張機構５６および熱交換器５７は、配管により順次接続され、冷媒が循環する主冷媒回路５８を構成している。なお、主冷媒回路５８において、圧縮機５１の吐出側には、四方弁５９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５７の近傍には、ファン６０が設けられる。また、圧縮機５１は、上記実施の形態１，２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（図１参照）。さらに、ヒートポンプ装置は、レシーバ５４と内部熱交換器５５との間から、圧縮機５１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６２を備える。インジェクション回路６２には、膨張機構６１、内部熱交換器５５が順次接続されている。熱交換器５２には、水が循環する水回路６３が接続される。なお、水回路６３には、給湯器、ラジエータや床暖房等の放熱器等の水を利用する装置が接続される。
【００６６】
上記構成のヒートポンプ装置の動作について説明する。まず、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５９は実線方向に設定される。なお、この暖房運転には、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。
【００６７】
圧縮機５１で高温高圧となった気相冷媒（図１３の点Ａ）は、圧縮機５１から吐出され、凝縮器であり放熱器となる熱交換器５２で熱交換されて液化する（図１３の点Ｂ）。このとき、冷媒から放熱された熱により、水回路６３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５２で液化された液相冷媒は、膨張機構５３で減圧され、気液二相状態になる（図１３の点Ｃ）。膨張機構５３で気液二相状態になった冷媒は、レシーバ５４で圧縮機５１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１３の点Ｄ）。レシーバ５４で液化された液相冷媒は、主冷媒回路５８と、インジェクション回路６２とに分岐して流れる。
【００６８】
主冷媒回路５８を流れる液相冷媒は、インジェクション回路６２を流れる冷媒（膨張機構６１で減圧され気液二相状態となった冷媒）と内部熱交換器５５で熱交換されて、さらに冷却される（図１３の点Ｅ）。内部熱交換器５５で冷却された液相冷媒は、膨張機構５６で減圧されて気液二相状態になる（図１３の点Ｆ）。膨張機構５６で気液二相状態になった冷媒は、蒸発器となる熱交換器５７で外気と熱交換され、加熱される（図１３の点Ｇ）。そして、熱交換器５７で加熱された冷媒は、レシーバ５４でさらに加熱され（図１３の点Ｈ）、圧縮機５１に吸入される。
【００６９】
一方、インジェクション回路６２を流れる冷媒は、上述したように、膨張機構６１で減圧されて（図１３の点Ｉ）、内部熱交換器５５で熱交換される（図１３の点Ｊ）。内部熱交換器５５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５１のインジェクションパイプから圧縮機５１内へ流入する。
【００７０】
圧縮機５１では、主冷媒回路５８から吸入された冷媒（図１３の点Ｈ）が、中間圧まで圧縮、加熱される（図１３の点Ｋ）。中間圧まで圧縮、加熱された冷媒（図１３の点Ｋ）に、インジェクション冷媒（図１３の点Ｊ）が合流して、温度が低下する（図１３の点Ｌ）。そして、温度が低下した冷媒（図１３の点Ｌ）が、さらに圧縮、加熱され高温高圧となり、吐出される（図１３の点Ａ）。
【００７１】
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６１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６１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６１の開度を所定の開度より小さくする。これにより、圧縮機５１のインジェクションパイプへ冷媒が流入しない。なお、膨張機構６１の開度は、マイクロコンピュータ等を利用した電子制御により制御される。
【００７２】
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５９は破線方向に設定される。なお、この冷房運転には、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。
【００７３】
圧縮機５１で高温高圧となった気相冷媒（図１３の点Ａ）は、圧縮機５１から吐出されると四方弁５９を経由して熱交換器５７側に流れていき、凝縮器であり放熱器となる熱交換器５７で熱交換されて液化する（図１３の点Ｂ）。熱交換器５７で液化された液相冷媒は、膨張機構５６で減圧され、気液二相状態になる（図１３の点Ｃ）。膨張機構５６で気液二相状態になった冷媒は、内部熱交換器５５において、インジェクション回路６２を流れる冷媒と熱交換され、冷却されて液化される（図１３の点Ｄ）。内部熱交換器５５では、膨張機構５６で気液二相状態になった冷媒と、内部熱交換器５５で液化された液相冷媒を膨張機構６１で減圧させて気液二相状態になった冷媒（図１３の点Ｉ）とを熱交換させている。内部熱交換器５５で熱交換された液相冷媒（図１３の点Ｄ）は、主冷媒回路５８と、インジェクション回路６２とに分岐して流れる。
【００７４】
主冷媒回路５８を流れる液相冷媒は、レシーバ５４で圧縮機５１に吸入される冷媒と熱交換されて、さらに冷却される（図１３の点Ｅ）。レシーバ５４で冷却された液相冷媒は、膨張機構５３で減圧されて気液二相状態になる（図１３の点Ｆ）。膨張機構５３で気液二相状態になった冷媒は、蒸発器となる熱交換器５２で熱交換され、加熱される（図１３の点Ｇ）。このとき、冷媒が吸熱することにより、水回路６３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５２で加熱された冷媒は、四方弁５９を経由してレシーバ５４へ流入し、そこでさらに加熱され（図１３の点Ｈ）、圧縮機５１に吸入される。
【００７５】
一方、インジェクション回路６２を流れる冷媒は、上述したように、膨張機構６１で減圧され（図１３の点Ｉ）、内部熱交換器５５で熱交換される（図１３の点Ｊ）。内部熱交換器５５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５１のインジェクションパイプから圧縮機５１内へ流入する。圧縮機５１内での圧縮動作については、上述した暖房運転時と同様である。
【００７６】
なお、インジェクション運転を行わない際には、上述した暖房運転時と同様に、膨張機構６１の開度を全閉にして、圧縮機５１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。
【００７７】
また、上記説明では、熱交換器５２は、冷媒と、水回路６３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。しかし、熱交換器５２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６３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。
【００７８】
以上のように、実施の形態１，２で説明したヒートポンプ装置は、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。
【産業上の利用可能性】
【００７９】
以上のように、本発明にかかるヒートポンプ装置は、冷媒寝込み現象を効率的に解消させることが可能なヒートポンプ装置として有用である。
【符号の説明】
【００８０】
１，５１  圧縮機
２，５９  四方弁
３，５，５２，５７  熱交換器
４，５３，５６，６１  膨張機構
６  冷媒配管
７  圧縮機構
８  モータ
９  インバータ
１０  インバータ制御部
１１  通常運転モード制御部
１２  加熱運転モード制御部
１３  磁極位置推定部
１４  高周波通電部
１５  駆動信号生成部
１６  位置検出部
１７  位置検出判定部
１８  加熱指令部
１９  電圧指令値生成部
２０  ＰＷＭ信号生成部
２１ａ〜２１ｆ  スイッチング素子
５４  レシーバ
５５  内部熱交換器
５８  主冷媒回路
６０  ファン
６２  インジェクション回路
６３  水回路
１００  ヒートポンプ装置
【図１】
2013102999.tif 000003
【図２】
2013102999.tif 000004
【図３】
2013102999.tif 000005
【図４】
2013102999.tif 000006
【図５】
2013102999.tif 000007
【図６】
2013102999.tif 000008
【図７】
2013102999.tif 000009
【図８】
2013102999.tif 000010
【図９】
2013102999.tif 000011
【図１０】
2013102999.tif 000012
【図１１】
2013102999.tif 000013
【図１２】
2013102999.tif 000014
【図１３】
2013102999.tif 000015
【手続補正書】
【提出日】平成26年2月21日(2014.2.21)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒を圧縮する圧縮機構を駆動するモータに所望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、を備えたヒートポンプ装置であって、
前記圧縮機を加熱する場合、
前記インバータ制御部は、
前記モータが回転駆動不可能な高周波電圧を前記モータに印加することとし、
前記モータの誘起電圧に基づいて前記モータのロータ停止位置を示す磁極位置を推定し、
前記磁極位置の推定結果に基づいて、電圧指令の振幅および位相を決定し、当該決定した振幅および位相に従って前記インバータの駆動信号を生成する、
ことを特徴とするヒートポンプ装置。
【請求項２】
前記圧縮機を加熱する場合、
前記インバータ制御部は、前記推定結果に基づいて前記位相を決定し、必要加熱量に基づいて前記振幅を決定す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】
前記インバータ制御部は、前記推定結果に基づいて前記位相を決定後、決定した位相に従った制御を行ったときに前記必要加熱量が得られるかどうかを確認し、必要加熱量が得られない場合には、必要加熱量が得られるように前記位相を再決定し、前記必要加熱量に基づいて前記振幅を決定することを特徴とする請求項２に記載のヒートポンプ装置。
【請求項４】
前記インバータ制御部は、使用者によって指定された発熱量が得られるように前記振幅および位相を決定することを特徴とする請求項１、２または３に記載のヒートポンプ装置。
【請求項５】
前記インバータ制御部は、使用者が指定可能な発熱量と前記振幅と前記磁極位置との対応テーブルを保持しておき、使用者によって発熱量が指定された場合、その時点の磁極位置と指定された発熱量に対応する振幅を選択することを特徴とする請求項４に記載のヒートポンプ装置。
【請求項６】
前記インバータ制御部は、前記モータのロータが停止する直前に前記磁極位置を推定して記憶しておき、
前記圧縮機を加熱する場合、
記憶している磁極位置を使用して振幅および位相を決定することを特徴とする請求項１から５のいずれか一つに記載のヒートポンプ装置。
【請求項７】
前記圧縮機を加熱する場合に前記インバータが前記モータに印加する電圧の周波数を、人間の可聴周波数の上限よりも高い周波数とすることを特徴とする請求項１から６のいずれか一つに記載のヒートポンプ装置。
【請求項８】
前記圧縮機を加熱する場合、
前記インバータ制御部は、前記駆動信号を生成する際に使用するキャリア信号の頂もしくは底、または、頂および底に同期させて、前記位相を半周期分変化させることを特徴とする請求項１から７のいずれか一つに記載のヒートポンプ装置。
【請求項９】
前記インバータを構成しているスイッチング素子のうち、少なくとも１つがワイドバンドギャップ半導体で形成されていることを特徴とする請求項１から８のいずれか一つに記載のヒートポンプ装置。
【請求項１０】
前記インバータを構成しているスイッチング素子のダイオードがワイドバンドギャップ半導体で形成されていることを特徴とする請求項１から８のいずれか一つに記載のヒートポンプ装置。
【請求項１１】
前記ワイドバンドギャップ半導体は、炭化珪素、窒化ガリウム系材料又はダイヤモンドであることを特徴とする請求項９または１０に記載のヒートポンプ装置。
【請求項１２】
請求項１から１１のいずれか１つに記載のヒートポンプ装置を備えることを特徴とする空気調和機。
【請求項１３】
請求項１から１１のいずれか１つに記載のヒートポンプ装置を備えることを特徴とする冷凍機。
【手続補正書】
【提出日】平成26年10月30日(2014.10.30)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒を圧縮する圧縮機構を駆動するモータに所望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、を備えたヒートポンプ装置であって、
前記圧縮機構を備えた圧縮機を加熱する場合、
前記インバータ制御部は、
前記モータが回転駆動不可能な高周波電圧を前記モータに印加することとし、
前記モータの誘起電圧に基づいて前記モータのロータ停止位置を示す磁極位置を推定し、
前記磁極位置の推定結果に基づいて、前記モータからの発熱量が前記圧縮機に滞留している冷媒を気化させるために必要な発熱量となるように電圧指令の振幅および位相を決定し、当該決定した振幅および位相に従って前記インバータの駆動信号を生成する、
ヒートポンプ装置。
【請求項２】
前記圧縮機を加熱する場合、
前記インバータ制御部は、前記推定結果に基づいて前記位相を決定し、前記必要な発熱量に基づいて前記振幅を決定する、請求項１に記載のヒートポンプ装置。
【請求項３】
前記インバータ制御部は、前記推定結果に基づいて前記位相を決定後、決定した位相に従った制御を行ったときに前記必要な発熱量が得られるかどうかを確認し、前記必要な発熱量が得られない場合には、前記必要な発熱量が得られるように前記位相を再決定し、前記必要な発熱量に基づいて前記振幅を決定する、請求項２に記載のヒートポンプ装置。
【請求項４】
前記必要な発熱量を、使用者によって指定された発熱量とする、請求項１、２または３に記載のヒートポンプ装置。
【請求項５】
前記インバータ制御部は、使用者が指定可能な発熱量と前記振幅と前記磁極位置との対応テーブルを保持しておき、使用者によって発熱量が指定された場合、その時点の磁極位置と指定された発熱量に対応する振幅を選択する、請求項４に記載のヒートポンプ装置。
【請求項６】
前記インバータ制御部は、前記モータのロータが停止する直前に前記磁極位置を推定して記憶しておき、
前記圧縮機を加熱する場合、
記憶している磁極位置を使用して振幅および位相を決定する、請求項１から５のいずれか一つに記載のヒートポンプ装置。
【請求項７】
前記圧縮機を加熱する場合に前記インバータが前記モータに印加する電圧の周波数を、人間の可聴周波数の上限よりも高い周波数とする、請求項１から６のいずれか一つに記載のヒートポンプ装置。
【請求項８】
前記圧縮機を加熱する場合、
前記インバータ制御部は、前記駆動信号を生成する際に使用するキャリア信号の頂もしくは底、または、頂および底に同期させて、前記位相を半周期分変化させる、請求項１から７のいずれか一つに記載のヒートポンプ装置。
【請求項９】
前記インバータを構成しているスイッチング素子のうち、少なくとも１つがワイドバンドギャップ半導体で形成されている、請求項１から８のいずれか一つに記載のヒートポンプ装置。
【請求項１０】
前記インバータを構成しているスイッチング素子のダイオードがワイドバンドギャップ半導体で形成されている、請求項１から８のいずれか一つに記載のヒートポンプ装置。
【請求項１１】
前記ワイドバンドギャップ半導体は、炭化珪素、窒化ガリウム系材料又はダイヤモンドである、請求項９または１０に記載のヒートポンプ装置。
【請求項１２】
請求項１から１１のいずれか１つに記載のヒートポンプ装置を備える空気調和機。
【請求項１３】
請求項１から１１のいずれか１つに記載のヒートポンプ装置を備える冷凍機。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１５】
【図１】図１は、本発明にかかるヒートポンプ装置の実施の形態１の構成例を示す図である。
【図２】図２は、ヒートポンプ装置の要部構成の一例を示す図である。
【図３】図３は、埋め込み磁石型同期電動機のロータの構造を示す図である。
【図４】図４は、図３に示したロータを備えたモータの固定子側から見たインダクタンス特性を示す図である。
【図５】図５は、図４に示したインダクタンス特性に対応する電流特性を示す図である。
【図６】図６は、ＰＷＭ信号生成部の一相分の信号生成方法を示す図である。
【図７】図７は、加熱運転時におけるインバータの８通りのスイッチングパターンを示す図である。
【図８】図８は、ＰＷＭ信号生成部によるＰＷＭ信号の生成動作を示す図である。
【図９】図９は、図８に示した動作に対応する電圧ベクトル変化の説明図である。
【図１０】図１０は、実施の形態１のインバータ制御部の動作例を示すフローチャートである。
【図１１】図１１は、ＳｉデバイスとＳｉＣデバイスの耐圧とオン抵抗の関係を示す図である。
【図１２】図１２は、実施の形態３のヒートポンプ装置の構成例を示す図である。
【図１３】図１３は、ヒートポンプ装置の冷媒の状態についてのモリエル線図である。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２４】
駆動信号生成部１５において、電圧指令値生成部１９は、加熱運転モード制御部１２から入力される高周波電圧指令Ｖｋおよび高周波位相指令θｋに基づいて、三相（Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相）それぞれの電圧指令値Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊を生成する。ＰＷＭ信号生成部２０は、三相電圧指令値Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊に基づいてＰＷＭ信号（ＵＰ，ＶＰ，ＷＰ，ＵＮ，ＶＮ，ＷＮ）を生成してインバータ９を駆動することにより、モータ８に電圧を印加させる。このとき、モータ８のロータが回転しないような高周波電圧を印加させ、モータ８を備えている圧縮機１（図１参照）を加熱する。なお、駆動信号生成部１５は、ヒートポンプ装置が通常運転モードで動作する場合にもＰＷＭ信号を生成する。その場合のＰＷＭ信号生成方法は、加熱運転モード時で動作する場合と同様である。すなわち、通常運転モード制御部１１から入力される情報（上記のＶｋ，θｋに相当する情報）が異なるだけである。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２７】
振幅位相決定部として動作する高周波通電部１４において、加熱指令部１８は位置検出判定部１７からの信号（磁極位置推定結果）に基づいて加熱出力を決定する。図３は、埋め込み磁石型同期電動機（モータ８に相当）のロータの構造を示す図である。図３に示したように、埋め込み磁石型同期電動機のロータは、鉄心１２１および磁石１２２を含んで構成されている。このような構造ではロータの位置によって空隙の長さ（磁石と固定子の距離）が変化するため、固定子側から見たインダクタンス値は図４に示すように変化する。図４に示すようにインダクタンス値が変化すると巻線を流れる電流量は図５に示すように変化し、装置全体の加熱出力に影響する。これは、所定周波数（固定値）で所定電圧（固定値）の高周波電圧を与えた場合、ロータ位置に応じたインダクタンス値の変動の影響を受けてしまい、液冷媒の安定した加熱が困難になることを示している。すなわち、安定した加熱を実現するためには、モータ８に印加する高周波電圧をロータ位置に応じて調整する必要がある。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４１】
図６は、ＰＷＭ信号生成部２０の一相分の信号生成方法を示す図であり、Ｕ相のＰＷＭ信号を生成する方法を示している。図６に示した三角波がキャリア信号、正弦波が電圧指令値Ｖｕ＊である。図６に示した信号生成方法は一般に非同期ＰＷＭと称される手法に相当する。ＰＷＭ信号生成部２０は、電圧指令値Ｖｕ＊と所定の周波数で振幅Ｖｄｃ／２（Ｖｄｃは直流母線電圧を示す）のキャリア信号を比較し、相互の大小関係に基づきＰＷＭ信号ＵＰおよびＵＮを生成する。すなわち、キャリア信号が電圧指令値Ｖｕ＊よりも大きいときは、ＵＰをＯＮ，ＵＮをＯＦＦとし、それ以外はＵＰをＯＦＦ，ＵＮをＯＮにする。なお、キャリア信号の振幅，位相は固定とする。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４３】
図７に示すスイッチングパターンを組み合わせて電圧ベクトルを出力することでインバータ９に所望の電圧を出力させることができる。圧縮機１内の冷媒をモータ８にて圧縮する動作（通常運転モードの動作）の場合には数１０Ｈｚ〜数ｋＨｚ以下で動作することが一般的である。このときにθｋを高速で変化させることにより、数ｋＨｚを超える高周波電圧を出力し、圧縮機１に通電し加熱（加熱運転モード）することが可能となる。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４４】
ただし、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ため、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。なお、一般的なＩＧＢＴ（Insulate  Gate  Bipolar  Transistor）の場合、スイッチングスピードの上限が２０ｋＨｚ程度である。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の悪影響を及ぼす恐れがある。すなわち、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。そのため、ＰＷＭ信号生成部２０は、以下に示す方法でキャリア信号に同期したＰＷＭ信号を生成するようにして、騒音悪化を回避する。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５５】
このように、本実施の形態のヒートポンプ装置において、インバータ制御部１０は、圧縮機１が備えているモータ８の磁極位置を推定し、推定結果および必要な発熱量に基づいて電圧位相を決定し、ＰＷＭ信号を生成してインバータ９を制御することとした。これにより、モータ８の磁極位置によらず安定的に圧縮機１を加熱でき、その結果、圧縮機１内に滞留した液冷媒が外部へ漏出する。また、磁極位置に応じてモータ８に流す電流を調整するので、圧縮機１を効率的に加熱することができ、省エネルギーとなる。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５６】
加えて、可聴周波数（２０Ｈｚ〜２０ｋＨｚ）外の高周波電圧がモータ８に印加されるようにインバータ９を制御するので、モータ８を加熱する際の騒音を抑えることができる。
【国際調査報告】
2013102999.tif 000016
2013102999.tif 000017
2013102999.tif 000018
2013102999.tif 000019