(57)【要約】【課題】既存の部品を利用して、インバータ装置の動作保証温度より低い気温での始動であっても、インバータ装置が確実に性能を発揮できるようにする。【解決手段】直流から交流へ変換して負荷（モータ１２）に電力を供給するインバータ装置１００であって、当該インバータ装置１００の温度を直接又は間接に検出する温度センサ６と、平滑コンデンサ７を含むＤＣリンク１０と、ＤＣリンク１０と負荷（モータ１２）との間に設けられたインバータ回路４２と、インバータ回路４２を制御する制御部５と、を備え、制御部５は、インバータ回路４２を動作させる指令を受けていない場合で、かつ、温度センサ６によって検出された温度が所定温度以下である場合に、ＤＣリンク１０に強制通電する。【選択図】図３
2018129925.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流から交流へ変換して負荷（１２）に電力を供給するインバータ装置であって、
当該インバータ装置の温度を直接又は間接に検出する温度センサ（６）と、
平滑コンデンサ（７）を含むＤＣリンク（１０）と、
前記ＤＣリンク（１０）と前記負荷（１２）との間に設けられたインバータ回路（４２）と、
前記インバータ回路（４２）を制御する制御部（５）と、を備え、
前記制御部（５）は、前記インバータ回路（４２）を動作させる指令を受けていない場合で、かつ、前記温度センサ（６）によって検出された温度が所定温度以下である場合に、前記ＤＣリンク（１０）に強制通電する、インバータ装置。
【請求項２】
前記負荷はモータ（１２）であり、前記制御部（５）は、当該モータ（１２）の巻線に対して一方向及びその逆方向に、交互に等幅のパルス電流を繰り返し流すことで、前記インバータ回路（４２）にスイッチング損失を生じさせる請求項１に記載のインバータ装置。
【請求項３】
前記負荷は３相モータ（１２）であり、当該３相モータ（１２）に対して、前記制御部（５）は欠相運転を行う請求項１に記載のインバータ装置。
【請求項４】
請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載のインバータ装置を搭載したヒートポンプ装置の室外機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、動作保証温度の下限値より低い気温で使用される場合があるインバータ装置及び、当該インバータ装置を搭載するヒートポンプ装置の室外機に関する。
【背景技術】
【０００２】
寒冷地で使用される例えば空気調和機の室外機は、気温が例えば−３０℃より低い温度からの始動を行う場合がある。このような場合でも、圧縮機の始動は可能である。しかし、始動直後の性能は保証できない。これは、現状では、インバータ装置等の電装部品が−３０℃までの動作保証をすることができないためである。
【０００３】
空気調和機に限らず、電気機器の低温からの起動には、例えばＣＰＵの性能低下という問題があることが知られており、その対策として、発熱体を使うことも提案されている（例えば、特許文献１、段落［００１７］、請求項１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４８２１５０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、発熱体という部品を追加すれば、部品点数が増加し、コスト増大にも繋がるので、好ましくない。
かかる問題点に鑑み、本発明は、既存の部品を利用して、インバータ装置の動作保証温度より低い気温での始動であっても、インバータ装置が確実に性能を発揮できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
（１）本発明は、直流から交流へ変換して負荷に電力を供給するインバータ装置であって、当該インバータ装置の温度を直接又は間接に検出する温度センサと、平滑コンデンサを含むＤＣリンクと、前記ＤＣリンクと前記負荷との間に設けられたインバータ回路と、前記インバータ回路を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記インバータ回路を動作させる指令を受けていない場合で、かつ、前記温度センサによって検出された温度が所定温度以下である場合に、前記ＤＣリンクに強制通電する、インバータ装置である。
【０００７】
このようなインバータ装置では、例えば気温が低いために、インバータ装置（温度センサを除く。）の温度が、動作保証温度の下限値より低い場合に、ＤＣリンクに強制通電して電気的損失（例えば少なくとも平滑コンデンサの内部抵抗による損失）を生じさせる。この結果、電気的損失による発熱でインバータ装置を暖めることができる。このようにして動作保証温度の下限値以上の温度を維持すれば、気温が極めて低い場合であっても、インバータ装置を常に動作保証温度の範囲内で使用して、その性能を確実に発揮させることができる。
【０００８】
（２）また、（１）のインバータ装置において、前記負荷はモータであり、前記制御部は、当該モータの巻線に対して一方向及びその逆方向に、交互に等幅のパルス電流を繰り返し流すことで、前記インバータ回路にスイッチング損失を生じさせるようにしてもよい。
この場合、モータの巻線にパルス幅分の瞬間的な電流が流れるが、直後に逆方向の電流が流れるという繰り返しになり、回転トルクを生じさせるような電流は実質的に流れていないのと同じである。従って、モータは回転しない。しかし、その一方で、インバータ回路はスイッチング損失により発熱して、インバータ装置を暖めることができる。
【０００９】
（３）また、（１）のインバータ装置において、前記負荷は３相モータであり、当該３相モータに対して、前記制御部は欠相運転を行ってもよい。
この場合、欠相運転となるが、モータへの通電により、インバータ装置及びモータが暖められる。
【００１０】
（４）一方、本発明は、上記（１）〜（３）のいずれかに記載のインバータ装置を搭載したヒートポンプ装置である。
【００１１】
このようなヒートポンプ装置では、気温が極めて低い場合であっても、室外にあるインバータ装置を常に動作保証温度の範囲内で使用して、その性能を確実に発揮させることができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、既存の部品を利用して、インバータ装置の動作保証温度より低い気温での始動であっても、インバータ装置の性能を確実に発揮することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】空気調和機の室外機における電装関係の一部を概念的に簡略に示した図である。
【図２】制御基板の外観上の概略イメージの一例を示す斜視図である。
【図３】インバータ装置の回路図である。
【図４】加熱運転の一例を示すフローチャートである。
【図５】加熱運転時のゲートパルスの一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
《構成例》
図１は、例えば空気調和機の室外機１における電装関係の一部を概念的に簡略に示した図である。室外機１内には、例えば、電装品を集約して収めるための電装品ボックス２が設けられている。電装品ボックス２内には、制御基板３が設けられている。制御基板３には、パワーモジュール４、制御部５、その他の、電子部品が搭載されている。温度センサ６は、例えば外気温を検出するために空気の吸込口（図示せず。）近傍に設けられており、その検出出力は制御部５に提供される。
【００１５】
図２は、制御基板３の外観上の概略イメージの一例を示す斜視図である。制御基板３の表面３ａ側には、例えば、制御部５を構成するＣＰＵ５ｃや平滑コンデンサ７等が、搭載されている。一方、裏面３ｂ側には、パワーモジュール４が搭載されている。従って、これらの部品は、制御基板３を介して互いに熱伝導しやすい関係にある。なお、これらの配置は単に一例を示したに過ぎず、配置の場所はこれに限定されるものではない。
【００１６】
《回路図の例》
図３は、インバータ装置１００の回路図である。図において、メインリレー８が閉じているとして、３相の交流電源１１から供給される交流電圧は整流回路４１によって整流された後、リアクトル９及び平滑コンデンサ７により平滑され、直流電圧となる。整流回路４１の出力側の直流回路部分はＤＣリンク１０と称される。
【００１７】
インバータ回路４２は、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４，Ｑ５及びＱ６によってフルブリッジを構成するものである。インバータ回路４２の交流出力側には、圧縮機のモータ１２が接続されている。スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の各々は、例えば、図示のように逆並列のダイオードを有するＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）である。整流回路４１とインバータ回路４２とはモジュール化され、外見上は一体化されたパワーモジュール４となっている。ＤＣリンク１０の部分（メインリレー８，リアクトル９，平滑コンデンサ７）は、例えば、パワーモジュール４の接続端子を介して、パワーモジュール４の外部に設けられる。
【００１８】
メインリレー８の開閉及び、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のスイッチングは、制御部５により行われる。制御部５は、ＣＰＵ５ｃ（図２）の他、メモリ、インターフェース等（図示せず。）を含み、ソフトウェアを実行することにより、メインリレー８の開閉及び、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のスイッチングを行う。また、温度センサ６の検出出力は、制御部５に送られる。
【００１９】
《通常運転動作》
ユーザーが、空気調和機の室内機側で、リモコン装置（図示せず。）をオン操作すると、オン操作の指令が制御部５に届き、制御部５はまず、メインリレー８を閉じる。これにより、平滑コンデンサ７が充電され、リアクトル９と共に、整流回路４１の出力は平滑化される。また、制御部５の制御により、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６はＰＷＭ制御されたスイッチングを行う。これにより、モータ１２が回転する。
【００２０】
また、ユーザーが、空気調和機の室内機側で、リモコン装置をオフ操作すると、オフ操作の指令が制御部５に届き、制御部５は、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のスイッチングを停止させ、メインリレー８を開く。
【００２１】
《運転停止中の加熱運転》
次に、空気調和機の運転停止中における加熱運転について説明する。図４は、加熱運転の一例を示すフローチャートである。フローチャートの実行主体は制御部５である。図４に示す加熱運転の処理は、運転停止のとき定期的に実行される。
【００２２】
図において、加熱運転の処理が開始されると、制御部５は、温度センサ６の検出出力により温度（外気温度）を検出し（ステップＳ１）、温度閾値以下であるか否かを判定する（ステップＳ２）。ここで、検出した温度が温度閾値以下であれば、加熱は不要であるので、処理終了となる。温度閾値とは、インバータ装置１００としての動作保証温度の下限値であり、例えば、−２５℃である。なお、ここでは、外気温度と、インバータ装置１００の温度とは、概ね等しいと考えている。
【００２３】
一方、温度が温度閾値以下であれば、制御部５は、メインリレー８を閉路する（ステップ３）。メインリレー８を閉路すると、平滑コンデンサ７が充電される。平滑コンデンサ７には内部抵抗があるので、内部抵抗に電流が流れることにより電気的損失が発生し、これが発熱源となる。また、リアクトル９や、整流回路４１にも若干の抵抗があるので、これによっても若干の電気的損失は発生し、僅かながらも発熱する。
【００２４】
さらに制御部５は、加熱運転を行う（ステップＳ４）。加熱運転の具体例については後述する。加熱運転開始後、所定時間の経過を待ち（ステップＳ５）、所定時間が経過すると、インバータ装置１００の推定温度が所定値に達したか否かを判定する（ステップＳ６）。ここで、推定温度とは、外気温に対して、加熱運転を所定時間実行すればインバータ装置１００の温度が到達していると推定される温度であり、予め実験することで容易に求めることができる。また、所定値とは例えば前述の温度閾値−２５℃に対して、−２０℃である。推定温度が所定値に達するまで、加熱運転が行われる。推定温度が所定値に達すると、制御部５は、加熱運転を停止するとともにメインリレー８を開路し（ステップＳ７）、処理終了となる。
【００２５】
《加熱運転の一例》
上記の加熱運転は、例えば以下の要領で行うことができる。
図５は、加熱運転時のゲートパルスの一例を示す図である。例えば図３のモータ１２のＵ−Ｖ線間の巻線に電流を流すことを考えると、図５の（ａ）は、例えばスイッチング素子Ｑ１，Ｑ４に対するゲートパルスである。図５の（ｂ）は、スイッチング素子Ｑ２，Ｑ３に対するゲートパルスである。（ａ）、（ｂ）それぞれの一発のパルスは等幅（等時間）Δｔであり、オン・オフは交互に入れ替わる。（ａ）、（ｂ）のパルスは交互にオンとなり、また、（ａ）のオンから（ｂ）のオンに切り替わる瞬間には、両者が同時にオンとならないようデッドタイムが設けられている。パルスの周波数は例えばｋＨｚのオーダーである。
【００２６】
このようなゲートパルスを与えると、Δｔという短い時間の間には巻線に電流が流れるが、直後に逆方向の電流が流れるという繰り返しになり、回転トルクを生じさせるような電流は実質的に流れていないのと同じである。従って、モータは回転しない。しかしながら、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のスイッチングにより、スイッチング損失が発生する。このスイッチング損失によりインバータ回路４２が暖められ、パワーモジュール４を含むインバータ装置１００全体が暖められる。
【００２７】
なお、モータ１２のＶ−Ｗ線間の巻線に電流を流すことを考える場合は、スイッチング素子Ｑ３，Ｑ４，Ｑ５，Ｑ６について同様のことを実行すればよい。同様に、モータ１２のＵ−Ｗ線間の巻線に電流を流すことを考える場合は、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ５，Ｑ６について同様のことを行えばよい。
【００２８】
《加熱運転の他の例》
また、加熱運転として、上記の制御とは別に、モータ１２の欠相運転を行ってもよい。この場合、モータ１２のＵ，Ｖ，Ｗのうち、Ｕ−Ｖ間、Ｖ−Ｗ間、Ｗ−Ｕ間のいずれか１つにのみ電流を流す。この場合の駆動電流は、通常の駆動時と同様であり、ただ欠相になっているという駆動法である。この場合も、インバータ回路４２にはスイッチング損失が発生する。このスイッチング損失によりインバータ回路４２が暖められ、パワーモジュール４を含むインバータ装置１００全体が暖められる。また、この場合、モータの巻線にも相応の電流が流れるので、モータ１２も加熱される。これにより圧縮機が加熱され、油と溶け合っている冷媒の分離にも寄与する。
【００２９】
《温度センサの位置について》
なお、上記の実施形態では、外気温を検出する温度センサを用いた例を示した。このような温度センサは、元々設けられているので、新規に部品を追加しなくて済む利点がある。但し、パワーモジュール４の温度を直接検出する訳ではないので、加熱運転を停止する際の温度確認は推定であり、間接的な検出になる。そこで、パワーモジュール４の温度を直接検出する温度センサを設ければ、推定に頼らず、実際の温度に基づいて、より正確に、加熱処理の開始及び停止を行うことができる。すなわち、本開示は、パワーモジュール４の温度を直接検出する温度センサを設けることを排除するものではない。
【００３０】
《まとめ》
以上のように、本実施形態のインバータ装置１００は、制御部５により、インバータ回路４２を動作させる指令を受けていない場合で、かつ、温度センサ６によって検出された温度が所定温度以下である場合に、ＤＣリンク１０に強制通電を行う。
このようなインバータ装置１００では、気温が低いために、インバータ装置（温度センサを除く。）１００の温度が、動作保証温度の下限値より低い場合に、ＤＣリンク１０に強制通電して電気的損失（例えば少なくとも平滑コンデンサ７の内部抵抗による損失）を生じさせる。この結果、電気的損失による発熱でインバータ装置１００を暖めることができる。このようにして動作保証温度の下限値以上の温度を維持すれば、気温が極めて低い場合であっても、インバータ装置１００を常に動作保証温度の範囲内で使用して、その性能を確実に発揮させることができる。
【００３１】
そして、上記の負荷とは例えばモータ１２であり、制御部５は、モータ１２の巻線に対して一方向及びその逆方向に、交互に等幅のパルス電流を繰り返し流すことで、インバータ回路４２にスイッチング損失を生じさせることができる。
この場合、モータ１２の巻線にパルス幅分（Δｔ）の瞬間的な電流が流れるが、直後に逆方向の電流が流れるという繰り返しになり、回転トルクを生じさせるような電流は実質的に流れていないのと同じである。従って、モータ１２は回転しない。しかし、その一方で、インバータ回路４２はスイッチング損失により発熱して、インバータ装置１００を暖めることができる。
【００３２】
また、欠相運転により加熱運転とすることも可能である。
この場合、欠相運転となるが、モータ１２への通電により、インバータ装置１００及びモータ１２が暖められる。
【００３３】
《その他》
なお、上記実施形態では、空気調和機の室外機におけるインバータ装置として説明したが、当該インバータ装置は、空気調和機に限らず、広く、ヒートポンプ装置の室外機におけるインバータ装置でもあり得る。また、ヒートポンプ式の給湯器も、ヒートポンプ装置の一種であるので、室外機に同様のインバータ装置を搭載することができる。
さらには、冷凍サイクルを有する装置に限らず、寒冷地の室外にインバータ装置を搭載する各種の電気機器（動作保証温度の下限値より低い温度で使用される可能性のある電気機器）にも、このような、いわば保温機能付きのインバータ装置を適用することができる。
【符号の説明】
【００３４】
１：室外機、２：電装品ボックス、３：制御基板、３ａ：表面、３ｂ：裏面、４：パワーモジュール、５：制御部、５ｃ：ＣＰＵ、６：温度センサ、７：平滑コンデンサ、８：メインリレー、９：リアクトル、１０：ＤＣリンク、１１：交流電源、１２：モータ、４１：整流回路、４２：インバータ回路、１００：インバータ装置
【図１】
2018129925.tif 000003
【図２】
2018129925.tif 000004
【図３】
2018129925.tif 000005
【図４】
2018129925.tif 000006
【図５】
2018129925.tif 000007
【手続補正書】
【提出日】平成30年2月7日(2018.2.7)
【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】
直流から交流へ変換して負荷（１２）に電力を供給するインバータ装置であって、
当該インバータ装置の温度を直接又は間接に検出する温度センサ（６）と、
平滑コンデンサ（７）を含むＤＣリンク（１０）と、
前記ＤＣリンク（１０）と前記負荷（１２）との間に設けられたインバータ回路（４２）と、
前記インバータ回路（４２）を制御する制御部（５）と、を備え、
前記制御部（５）は、前記インバータ回路（４２）を動作させる指令を受けていない場合で、かつ、前記温度センサ（６）によって検出された温度が所定温度以下である場合に、前記ＤＣリンク（１０）に強制通電する、インバータ装置。
【請求項２】
前記ＤＣリンク（１０）に強制通電した後、前記制御部（５）は、前記インバータ回路（４２）に加熱運転を行わせ、前記温度が所定温度に達したとき前記加熱運転を停止させる請求項１に記載のインバータ装置。
【請求項３】
前記負荷はモータ（１２）であり、前記制御部（５）は、当該モータ（１２）の巻線に対して一方向及びその逆方向に、交互にパルス電流を繰り返し流すことで、前記インバータ回路（４２）にスイッチング損失を生じさせることで前記加熱運転とする請求項２に記載のインバータ装置。
【請求項４】
前記負荷は３相モータ（１２）であり、当該３相モータ（１２）に対して、前記制御部（５）は欠相運転を行うことで前記加熱運転とする請求項２に記載のインバータ装置。
【請求項５】
請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載のインバータ装置を搭載したヒートポンプ装置の室外機。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
このようなインバータ装置では、例えば気温が低いために、インバータ装置（温度センサを除く。）の温度が、動作保証温度の下限値より低い場合に、ＤＣリンクに強制通電して電気的損失（例えば少なくとも平滑コンデンサの内部抵抗による損失）を生じさせる。この結果、電気的損失による発熱でインバータ装置を暖めることができる。このようにして動作保証温度の下限値以上の温度を維持すれば、気温が極めて低い場合であっても、インバータ装置を常に動作保証温度の範囲内で使用して、その性能を確実に発揮させることができる。
（２）また、（１）のインバータ装置において、前記ＤＣリンクに強制通電した後、前記制御部は、前記インバータ回路に加熱運転を行わせ、前記温度が所定温度に達したとき前記加熱運転を停止させるようにしてもよい。
この場合、ＤＣリンクへの強制通電に加えて加熱運転によりインバータ装置を暖めることができる。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】
（３）また、（２）のインバータ装置において、前記負荷はモータであり、前記制御部は、当該モータの巻線に対して一方向及びその逆方向に、交互にパルス電流を繰り返し流すことで、前記インバータ回路にスイッチング損失を生じさせることで前記加熱運転としてもよい。
この場合、モータの巻線にパルス幅分の瞬間的な電流が流れるが、直後に逆方向の電流が流れるという繰り返しになり、回転トルクを生じさせるような電流は実質的に流れていないのと同じである。従って、モータは回転しない。しかし、その一方で、インバータ回路はスイッチング損失により発熱して、インバータ装置を暖めることができる。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
（４）また、（２）のインバータ装置において、前記負荷は３相モータであり、当該３相モータに対して、前記制御部は欠相運転を行うことで前記加熱運転としてもよい。
この場合、欠相運転となるが、モータへの通電により、インバータ装置及びモータが暖められる。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
（５）一方、本明細書に開示するのは、上記（１）〜（４）のいずれかに記載のインバータ装置を搭載したヒートポンプ装置の室外機である。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２２】
図において、加熱運転の処理が開始されると、制御部５は、温度センサ６の検出出力により温度（外気温度）を検出し（ステップＳ１）、温度閾値以下であるか否かを判定する（ステップＳ２）。ここで、検出した温度が温度閾値以下でなければ、加熱は不要であるので、処理終了となる。温度閾値とは、インバータ装置１００としての動作保証温度の下限値であり、例えば、−２５℃である。なお、ここでは、外気温度と、インバータ装置１００の温度とは、概ね等しいと考えている。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２３】
一方、温度が温度閾値以下であれば、制御部５は、メインリレー８を閉路する（ステップＳ３）。メインリレー８を閉路すると、平滑コンデンサ７が充電される。平滑コンデンサ７には内部抵抗があるので、内部抵抗に電流が流れることにより電気的損失が発生し、これが発熱源となる。また、リアクトル９や、整流回路４１にも若干の抵抗があるので、これによっても若干の電気的損失は発生し、僅かながらも発熱する。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２９】
《温度センサの位置について》
なお、上記の実施形態では、外気温を検出する温度センサを用いた例を示した。このような温度センサは、元々設けられているので、新規に部品を追加しなくて済む利点がある。但し、パワーモジュール４の温度を直接検出する訳ではないので、加熱運転を停止する際の温度確認は推定であり、間接的な検出になる。そこで、パワーモジュール４の温度を直接検出する温度センサを設ければ、推定に頼らず、実際の温度に基づいて、より正確に、加熱運転の開始及び停止を行うことができる。すなわち、本開示は、パワーモジュール４の温度を直接検出する温度センサを設けることを排除するものではない。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３１】
そして、インバータ装置１００の負荷とは例えばモータ１２であり、制御部５は、モータ１２の巻線に対して一方向及びその逆方向に、交互に等幅のパルス電流を繰り返し流すことで、インバータ回路４２にスイッチング損失を生じさせることができる。
この場合、モータ１２の巻線にパルス幅分（Δｔ）の瞬間的な電流が流れるが、直後に逆方向の電流が流れるという繰り返しになり、回転トルクを生じさせるような電流は実質的に流れていないのと同じである。従って、モータ１２は回転しない。しかし、その一方で、インバータ回路４２はスイッチング損失により発熱して、インバータ装置１００を暖めることができる。