(57)【要約】【課題】圧縮機等に搭載されるモータの駆動電圧を回転数に応じた電圧値に適正に調整することが可能な給湯装置を提供する。【解決手段】給湯装置１は、交流電圧が供給される電圧ラインＬ１１、Ｌ１２間に接続された全波整流回路１０２と、全波整流回路１０２の出力端Ｔ１１、Ｔ１２間に直列に接続されたコンデンサ１０３ａ、１０３ｂと、コンデンサ１０３ａ、１０３ｂ間の接続部と交流電圧が供給される一方の電圧ラインＬ１２とを接続および開放するスイッチング回路１１３と、全波整流回路１０２の出力端Ｔ１１、Ｔ１２間に生じる出力電圧Ｖｏｕｔが、スイッチング回路１１３が開放状態に維持された場合の電圧値と、スイッチング回路１１３が閉じられた状態に維持された場合の電圧値との間の目標電圧となるように、スイッチング回路１１３を制御する制御部１０５と、出力電圧Ｖｏｕｔにより駆動されるモータと、を備える。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電圧が供給される電圧ライン間に接続され、入力電圧を全波整流する全波整流回路と、
前記全波整流回路の出力端間に直列に接続された第１および第２のコンデンサと、
前記第１および第２のコンデンサ間の接続部と前記交流電圧が供給される一方の前記電圧ラインとを接続および開放するスイッチング回路と、
前記全波整流回路の出力端間に生じる直流電圧が、前記スイッチング回路が開放状態に維持された場合の電圧値と、前記スイッチング回路が閉じられた状態に維持された場合の電圧値との間の目標電圧となるように、前記スイッチング回路を制御する制御部と、
前記全波整流回路の出力端間に生じる前記直流電圧により駆動されるモータと、を備える、
ことを特徴とする給湯装置。
【請求項２】
請求項１に記載の給湯装置において、
ヒートポンプを内蔵する熱源ユニットを備え、
前記モータは、前記ヒートポンプの構成要素である圧縮機の駆動モータである、
ことを特徴とする給湯装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の給湯装置において、
前記スイッチング回路は、相互にエミッタ端子が接続された２つのＮＰＮ型トランジスタを備える、
ことを特徴とする給湯装置。
【請求項４】
請求項１ないし３の何れか一項に記載の給湯装置において、
前記制御部は、前記スイッチング回路を所定周期で開閉させ、前記目標電圧に応じて、１周期に対する前記スイッチング回路が閉じられる期間の比率を設定する、
ことを特徴とする給湯装置。
【請求項５】
請求項１ないし４の何れか一項に記載の給湯装置において、
前記全波整流回路の上流側の前記電圧ライン間に接続され、前記制御部からの制御に基づき入力電圧を昇圧する昇圧回路を備える、
ことを特徴とする給湯装置。
【請求項６】
請求項５に記載の給湯装置において、
前記制御部は、
前記昇圧回路の昇圧動作を停止させ、且つ、前記スイッチング回路を開放状態に維持して前記第１および第２のコンデンサによる倍電圧動作を停止させる第１モードと、
前記昇圧回路の昇圧動作を停止させ、且つ、前記スイッチング回路を開閉状態に切り替え制御して前記第１および第２のコンデンサによる倍電圧動作を実行させる第２モードと、
前記昇圧回路の昇圧動作を実行させ、且つ、前記スイッチング回路を開閉状態に切り替え制御して前記第１および第２のコンデンサによる倍電圧動作を実行させる第３モードと、を備える、
ことを特徴とする給湯装置。
【請求項７】
請求項６に記載の給湯装置において、
前記制御部は、前記モータの目標回転数に基づいて、前記第１モード、前記第２モードおよび前記第３モードの何れかを選択する、
ことを特徴とする給湯装置。
【請求項８】
請求項１ないし７の何れか一項に記載の給湯装置において、
前記全波整流回路の出力端間に生じる前記直流電圧の電圧値を検出する電圧検出回路を備え、
前記制御部は、前記電圧検出回路により検出された前記電圧値が前記目標電圧値となるように、前記スイッチング回路を制御する、
ことを特徴とする給湯装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、給湯装置に関し、特に、ヒートポンプ方式の給湯装置に用いて好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
ヒートポンプ方式の給湯装置では、水を加熱するための熱源としてヒートポンプが用いられる。貯湯タンクに溜められた水が、ヒートポンプに循環されて加熱され、貯湯タンクに戻される。これにより、貯湯タンクに湯が貯留される。給湯時には、貯湯タンクから湯が給湯口に供給される。以下の特許文献１には、ヒートポンプ方式の給湯装置の一例が示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１８−４１２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
一般に、ヒートポンプ方式の給湯装置では、ヒートポンプが内蔵された熱源ユニットが、屋外に設置される。この場合、熱源ユニットへの電源供給は、家屋の外壁等に設置された商用電源用（交流１００Ｖ）の外部コンセントを用いて行われ得る。しかし、ヒートポンプの構成要素である圧縮機（コンプレッサー）は、商用電源の交流１００Ｖの電圧を直流化した電圧よりも高い駆動電圧で駆動される。このため、熱源ユニットには、商用電源から、圧縮機に要する駆動電圧を生成するための構成が設けられる。
【０００５】
この場合、圧縮機に要する駆動電圧は、圧縮機の回転数に応じて変化する。すなわち、圧縮機のモータに生じる誘起電圧の関係から、圧縮機の回転数が高いほど圧縮機の駆動電圧が高くなる。他方、圧縮機は、水の加熱に要する熱量に応じて、回転数が制御される。このため、圧縮機に要する駆動電圧は、制御に応じて逐次変化する。
【０００６】
かかる事情に鑑み、本発明は、圧縮機等に搭載されるモータの駆動電圧を回転数に応じた電圧値に適正に調整することが可能な給湯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】
【０００７】
本発明の主たる態様に係る給湯装置は、交流電圧が供給される電圧ライン間に接続され、入力電圧を全波整流する全波整流回路と、前記全波整流回路の出力端間に直列に接続された第１および第２のコンデンサと、前記第１および第２のコンデンサ間の接続部と前記交流電圧が供給される一方の前記電圧ラインとを接続および開放するスイッチング回路と、前記全波整流回路の出力端間に生じる直流電圧が、前記スイッチング回路が開放状態に維持された場合の電圧値と、前記スイッチング回路が閉じられた状態に維持された場合の電圧値との間の目標電圧となるように、前記スイッチング回路を制御する制御部と、前記全波整流回路の出力端間に生じる前記直流電圧により駆動されるモータと、を備える。
【０００８】
本態様に係る給湯装置によれば、制御部によるスイッチング回路の制御により、全波整流回路の出力端間に生じる直流電圧を、スイッチング回路が開放状態に維持された場合の電圧値と、スイッチング回路が閉じられた状態に維持された場合の電圧値との間の範囲において、所望の電圧値に動的に設定できる。よって、モータの駆動電圧を回転数に応じた電圧値に適正に調整することができる。
【０００９】
本態様に係る給湯装置は、ヒートポンプを内蔵する熱源ユニットを備えた構成とされ得る。この場合、前記モータは、たとえば、前記ヒートポンプの構成要素である圧縮機の駆動モータとされ得る。
【００１０】
この構成によれば、高い駆動電圧を要する圧縮機のモータの駆動電圧を、圧縮機の回転数に応じた電圧値に適正に調整することができる。
【００１１】
本態様に係る給湯装置において、前記スイッチング回路は、相互にエミッタ端子が接続された２つのＮＰＮ型トランジスタを備えた構成とされ得る。
【００１２】
この構成によれば、簡素かつ安価な構成により、交流電圧のスイッチングを行うことができる。
【００１３】
本態様に係る給湯装置において、前記制御部は、前記スイッチング回路を所定周期で開閉させ、前記目標電圧に応じて、１周期に対する前記スイッチング回路が閉じられる期間の比率を設定するよう構成され得る。
【００１４】
この構成によれば、第１および第２のコンデンサにより全波整流回路の出力端間に生じる直流電圧の電圧値を、目標回転数に応じた電圧値に設定することができる。
【００１５】
本態様に係る給湯装置は、前記全波整流回路の上流側の前記電圧ライン間に接続され、前記制御部からの制御に基づき入力電圧を昇圧する昇圧回路を備える構成とされ得る。
【００１６】
この構成によれば、第１および第２のコンデンサによる倍電圧の限界値を超えてさらに、全波整流回路の出力端間に生じる直流電圧の電圧値を高めることができる。
【００１７】
この構成において、前記制御部は、前記昇圧回路の昇圧動作を停止させ、且つ、前記スイッチング回路を開放状態に維持して前記第１および第２のコンデンサによる倍電圧動作を停止させる第１モードと、前記昇圧回路の昇圧動作を停止させ、且つ、前記スイッチング回路を開閉状態に切り替え制御して前記第１および第２のコンデンサによる倍電圧動作を実行させる第２モードと、前記昇圧回路の昇圧動作を実行させ、且つ、前記スイッチング回路を開閉状態に切り替え制御して前記第１および第２のコンデンサによる倍電圧動作を実行させる第３モードと、を備えるよう構成され得る。
【００１８】
この場合、前記制御部は、前記モータの目標回転数に基づいて、前記第１モード、前記第２モードおよび前記第３モードの何れかを選択するよう構成され得る。
【００１９】
この構成によれば、直流電圧の電圧値を、モータの目標回転数に応じて円滑に調整することができる。
【００２０】
本態様に係る給湯装置は、前記全波整流回路の出力端間に生じる前記直流電圧の電圧値を検出する電圧検出回路を備え得る。この場合、前記制御部は、前記電圧検出回路により検出された前記電圧値が前記目標電圧値となるように、前記スイッチング回路を制御するよう構成され得る。
【００２１】
この構成によれば、全波整流回路の出力端間に生じる直流電圧の電圧値を、目標電圧値に、より確実に調整することができる。
【発明の効果】
【００２２】
以上のとおり、本発明によれば、圧縮機等に搭載されるモータの駆動電圧を回転数に応じた電圧値に適正に調整することが可能な給湯装置を提供することができる。
【００２３】
本発明の効果ないし意義は、以下に示す実施形態の説明により更に明らかとなろう。ただし、以下に示す実施形態は、あくまでも、本発明を実施化する際の一つの例示であって、本発明は、以下の実施形態に記載されたものに何ら制限されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】図１は、実施形態に係る給湯装置の構成を示す図である。
【図２】図２は、実施形態に係る給湯ユニットおよび熱源ユニットの構成を示す図である。
【図３】図３は、比較例に係る回路部の構成を、スイッチが開放された状態における電流の流れとともに示す図である。
【図４】図４は、比較例に係る回路部の構成を、スイッチが閉じられた状態における電流の流れとともに示す図である。
【図５】図５は、比較例に係る回路部において、圧縮機のモータの回転数に応じて出力電圧を変化させるための制御を示すグラフである。
【図６】図６は、実施形態に係る回路部の構成を示す図である。
【図７】図７は、実施形態に係る部分昇圧回路の構成例を示す図である。
【図８】図８（ａ）は、実施形態に係る、スイッチング回路を開閉制御するためのパルス信号を模式的に示す図、図８（ｂ）、（ｃ）は、実施形態に係る、パルス信号のデューティを変化させた場合の出力電圧の変化をシミュレーションにより求めたシミュレーション結果である。
【図９】図９は、実施形態に係る、制御部によるモードの切り替え制御を示すフローチャートである。
【図１０】図１０は、実施形態に係る、第２モードおよび第３モードにおける出力電圧の制御を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。本実施形態は、ヒートポンプ方式の給湯装置に本発明を適用したものである。
【００２６】
図１は、給湯装置１の構成を示す図である。
【００２７】
図１に示すように、給湯装置１は、給湯ユニット１０と、熱源ユニット２０と、循環パイプ３０と、リモートコントローラ４０と、通信線５０とを備える。
【００２８】
給湯ユニット１０は、内部に、貯湯タンク１１を備える。熱源ユニット２０は、内部にヒートポンプを備える。貯湯タンク１１に溜められた水が、循環パイプ３０により熱源ユニット２０のヒートポンプに循環されて加熱され、貯湯タンク１１に戻される。これにより、貯湯タンク１１に湯が貯留される。給湯時には、貯湯タンク１１から湯が給湯口（図示せず）に供給される。
【００２９】
リモートコントローラ４０は、給湯温度の設定や、種々の情報の表示のために用いられる。リモートコントローラ４０には、各種操作ボタンや表示部とともに、給湯装置１を動作状態に設定するための運転スイッチが配置されている。リモートコントローラ４０は、通信線５０を介して、給湯ユニット１０の主制御基板（図示せず）に接続されている。
【００３０】
給湯ユニット１０および熱源ユニット２０は、屋外に設置される。リモートコントローラ４０は、たとえば、屋内のキッチンやリビングルーム、浴室等に設置される。給湯ユニット１０および熱源ユニット２０には、家屋の外壁等に設置された商用電源用（交流１００Ｖ）の外部コンセントから電源が供給される。
【００３１】
図２は、給湯ユニット１０および熱源ユニット２０の構成を示す図である。便宜上、図２では、給湯ユニット１０の構成として、貯湯タンク１１内の水を熱源ユニット２０に循環させるための構成のみが図示され、その他の構成は省略されている。
【００３２】
図２に示すように、給湯ユニット１０は、貯湯タンク１１と、循環ポンプ１２と、三方弁１３と、主制御基板１４とを備える。
【００３３】
貯湯タンク１１は、下部が循環パイプ３０の流路部３０ａに接続され、上部が循環パイプ３０の流路部３０ｂに接続されている。流路部３０ａに循環ポンプ１２が配置されている。循環ポンプ１２は、主制御基板１４により制御される。また、循環パイプ３０には、流路部３０ａと流路部３０ｂを接続するバイパス流路部３０ｃが設けられている。バイパス流路部３０ｃと流路部３０ａとの接続位置に、三方弁１３が設置されている。
【００３４】
三方弁１３は、循環ポンプ１２と貯湯タンク１１の下部とを接続し、循環ポンプ１２とバイパス流路部３０ｃとの接続を遮断する状態（貯留タンク接続状態）と、循環ポンプ１２とバイパス流路部３０ｃとを接続し、循環ポンプ１２と貯湯タンク１１の下部との接続を遮断する状態（バイパス流路接続状態）とに切り替え可能である。三方弁１３は、主制御基板１４により制御される。
【００３５】
主制御基板１４は、給湯ユニット１０内の各部を制御するとともに、熱源ユニット２０の副制御基板２５に制御信号を送信する。循環ポンプ１２および三方弁１３は、主制御基板１４によって制御される。さらに、主制御基板１４は、図１に示したリモートコントローラ４０と通信を行う。この他、給湯ユニット１０には、貯湯タンク１１に貯留されている湯の温度や、循環パイプ３０の各流路部の温度を検出するための温度センサ等が配置されている。主制御基板１４は、温度センサからの検出信号に基づいて、熱源ユニット２０の副制御基板２５に、圧縮機２１の回転数を設定するための制御信号を送信する。
【００３６】
熱源ユニット２０は、圧縮機２１と、凝縮器２２と、膨張弁２３と、蒸発器２４と、副制御基板２５とを備える。圧縮機２１、凝縮器２２、膨張弁２３および蒸発器２４が冷媒配管２６で接続されて、ヒートポンプが構成される。凝縮器２２に、循環パイプ３０が通され、循環パイプ３０と冷媒配管２６との間で熱交換がなされる。これにより、循環パイプ３０を通る水が加熱される。
【００３７】
副制御基板２５は、給湯ユニット１０側の主制御基板１４と通信可能に接続されている。副制御基板２５は、主制御基板１４からの制御信号に応じて、熱源ユニット２０内の各部を制御する。たとえば、副制御基板２５は、主制御基板１４からの制御信号に応じて、圧縮機２１のモータ２１ａの回転数を制御する。
【００３８】
図２の構成において、三方弁１３が、貯留タンク接続状態に設定されて、循環ポンプ１２が駆動されると、貯湯タンク１１に貯留された水が、貯湯タンク１１の下部から流路部３０ａを通って、凝縮器２２に移動し、凝縮器２２において加熱される。その後、加熱された水は、流路部３０ｂを通って、貯湯タンク１１に上部から戻される。これにより、貯湯タンク１１内の水が温められる。
【００３９】
また、三方弁１３が、バイパス流路接続状態に設定されると、凝縮器２２を通った水は、貯湯タンク１１に戻されることなく、バイパス流路部３０ｃを通って、循環ポンプ１２に戻される。循環ポンプ１２に戻された水は、再び、凝縮器２２へと移動して加熱される。こうして、バイパス流路部３０ｃを通る循環流路において、水の加熱が繰り返され、水の温度が上昇する。その後、三方弁１３が貯留タンク接続状態に切り替えられると、当該循環流路で加熱された水が、貯湯タンク１１に上部から戻される。これにより、貯湯タンク１１の上部に高温の湯が溜められる。
【００４０】
ところで、本実施形態では、上記のように、熱源ユニット２０が屋外に設置され、熱源ユニット２０への電源供給は、家屋の外壁等に設置された商用電源用（交流１００Ｖ）の外部コンセントを用いて行われる。これに対し、図２に示した圧縮機２１のモータ２１ａは、回転数の上昇に伴い、商用電源の交流電圧（１００Ｖ）を直流化した電圧よりも高い駆動電圧で駆動される。このため、熱源ユニット２０の副制御基板２５には、交流１００Ｖの商用電源から、圧縮機２１に要する駆動電圧を生成するための回路部が設けられる。
【００４１】
以下、この回路部の構成について、比較例と対比しながら説明する。
【００４２】
図３および図４は、比較例に係る回路部の構成を示す図である。図３には、スイッチ１０４が開放された状態における電流の流れが重ねて示され、図４には、スイッチ１０４が閉じられた状態における電流の流れが重ねて示されている。図３および図４の回路部の構成は、互いに同じである。
【００４３】
比較例に係る回路部では、商用電源２００に接続される接続端子（プラグ）１０１を介して、商用電源２００が供給される。商用電源２００の供給電圧は、ＡＣ１００Ｖである。商用電源２００が供給される電圧ラインＬ１１、Ｌ１２に、入力電圧を全波整流する全波整流回路１０２が接続されている。全波整流回路１０２は、４つのダイオード１０２ａ〜１０２ｄを含むブリッジ回路である。
【００４４】
全波整流回路１０２の出力端Ｔ１１、Ｔ１２の間に２つのコンデンサ１０３ａ、１０３ｂが直列に接続されている。また、２つのコンデンサ１０３ａ、１０３ｂ間の接続部と交流電圧が供給される一方の電圧ラインＬ１２とを接続および開放するスイッチ１０４が設けられている。スイッチ１０４は、制御部１０５によって開閉される。制御部１０５は、たとえば、マイクロコンピュータにより構成される。
【００４５】
図３に示すように、スイッチ１０４が開放されている場合、商用電源２００の正の位相では、電流が破線の経路Ｒ１１に沿って矢印方向に流れ、負の位相では、電流が点線の経路Ｒ１２に沿って矢印方向に流れる。この場合、正の位相および負の位相の何れにおいても、２つのコンデンサ１０３ａ、１０３ｂの両方を同じ方向に電流が流れる。このため、全波整流回路１０２の出力端Ｔ１１、Ｔ１２の間に生じる出力電圧Ｖｏｕｔは、全波整流回路１０２によって全波整流された電圧を２つのコンデンサ１０３ａ、１０３ｂで平滑化した電圧となる。この場合、出力電圧Ｖｏｕｔの電圧値は、１４１Ｖ程度となる。この出力電圧Ｖｏｕｔが、インバータを介して、図２に示した圧縮機２１のモータ２１ａに供給される。
【００４６】
図４に示すように、スイッチ１０４が閉じられている場合、商用電源２００の正の位相では、電流が破線の経路Ｒ２１に沿って矢印方向に流れ、負の位相では、電流が点線の経路Ｒ２２に沿って矢印方向に流れる。この場合、正の位相および負の位相において、電流が流れるコンデンサが、コンデンサ１０３ａ、１０３ｂ間で相互に切り替わる。このため、全波整流回路１０２の出力端Ｔ１１、Ｔ１２の間に生じる出力電圧Ｖｏｕｔは、コンデンサ１０３ａ、１０３ｂの蓄積電荷に基づく電圧値を加算した電圧値、すなわち、図３の場合の略２倍の電圧値となる。したがって、この場合の出力電圧Ｖｏｕｔの電圧値は、２８２Ｖ程度となる。この出力電圧Ｖｏｕｔが、インバータを介して、図２に示した圧縮機２１のモータ２１ａに供給される。
【００４７】
図５は、上記構成の比較例において、圧縮機２１のモータ２１ａの回転数に応じて出力電圧Ｖｏｕｔを変化させるための制御を示すグラフである。図５において、実線は、出力電圧Ｖｏｕｔを示し、破線は、圧縮機２１のモータ２１ａを駆動する際に必要な直流電圧の値を示している。
【００４８】
図５に示すように、モータ２１ａの駆動に必要な直流電圧の値は、回転に伴いモータ２１ａに生じる誘起電圧の関係から、モータ２１ａの回転数の上昇に伴い高くなる。このため、比較例の構成では、主制御基板１４から指示されるモータ２１ａの回転数が、電圧値１４１Ｖに対応する閾値Ｎｔｈ１に到達するまでの範囲では、スイッチ１０４が開放されて、出力電圧Ｖｏｕｔの値が１４１Ｖ程度に維持される。また、主制御基板１４から指示されるモータ２１ａの回転数が、電圧値１４１Ｖに対応する閾値Ｎｔｈ１に到達した後は、予め設定された最高回転数Ｎｍａｘに到達するまでの範囲において、スイッチ１０４が閉じられて、出力電圧Ｖｏｕｔの値が２８２Ｖ程度に維持される。これにより、主制御基板１４から指示された回転数で、圧縮機２１のモータ２１ａを動作させることができる。
【００４９】
しかし、この制御では、閾値Ｎｔｈ１と最高回転数Ｎｍａｘとの間の範囲において、モータ２１ａに供給される直流電圧の値と、各回転数において実際にモータ２１ａの駆動に必要とされる電圧値との間に差分ΔＶが生じる。この差分ΔＶに対応する電力は、モータ２１ａの回転動作時に熱に変換されて無駄に消費されることになってしまう。したがって、この差分ΔＶを極力なくして、電力の無駄な消費を防ぐことが必要となる。
【００５０】
そこで、本実施形態では、モータ２１ａに供給される出力電圧Ｖｏｕｔの値をモータ２１ａの駆動に必要な電流値にリニアに整合させるように、回路部が構成されている。さらに、本実施形態では、２つのコンデンサ１０３ａ、１０３ｂによる倍電圧の限界値を超えてさらに、出力電圧Ｖｏｕｔの電圧値を高めるための構成が設けられている。以下、この構成について説明する。
【００５１】
図６は、実施形態に係る回路部の構成を示す図である。
【００５２】
実施形態の回路部は、図３、４に示した比較例の構成の他に、部分昇圧回路１１１と、電圧検出回路１１２とを備えている。また、比較例の構成におけるスイッチ１０４が、交流電圧に対して高い周波数でオン／オフを切り替え可能なスイッチング回路１１３に置き換えられている。その他の構成は、比較例と同様である。
【００５３】
部分昇圧回路１１１は、制御部１０５による制御により、商用電源２００から供給された交流電圧を部分的に昇圧させて全波整流回路１０２に供給する。具体的には、部分昇圧回路１１１は、交流電圧のゼロクロス直後の所定期間において、交流電圧を昇圧させる。
【００５４】
図７は、部分昇圧回路１１１の構成例を示す図である。
【００５５】
部分昇圧回路１１１は、リアクトル１１１ａと、ゼロクロス検出部１１１ｂと、４つのダイオードを備えたブリッジ回路１１１ｃと、トランジスタ１１１ｄと、を備える。
【００５６】
リアクトル１１１ａは、コイルにより構成される。ゼロクロス検出部１１１ｂは、電圧ラインＬ１１に接続され、商用電源２００から供給される交流電圧のゼロクロスを検出する。トランジスタ１１１ｄは、制御部１０５からの信号に応じて、ブリッジ回路１１１ｃを動作させる。
【００５７】
部分昇圧回路１１１を動作させる場合、制御部１０５は、ゼロクロス検出部１１１ｂからゼロクロスを検出したことを示す信号が入力されたことに応じて、所定パルス幅のパルス信号をトランジスタ１１１ｄのゲートに出力する。これにより、ブリッジ回路１１１ｃがパルス信号の時間幅において動作し、その間に、リアクトル１１１ａに蓄積された電気エネルギーが放出される。その結果、電圧ラインＬ１１、Ｌ１２に供給された交流電圧が、パルス信号の時間幅において部分的に昇圧される。このように、部分昇圧回路１１１は、制御部１０５からの制御に応じて、商用電源２００から供給された交流電圧を部分的に昇圧させる。
【００５８】
図６に戻り、電圧検出回路１１２は、全波整流回路１０２の出力端Ｔ１１、Ｔ１２に繋がる電圧ラインＬ２１、Ｌ２２間の電圧値、すなわち、出力電圧Ｖｏｕｔの電圧値を検出して、検出結果を制御部１０５に出力する。
【００５９】
スイッチング回路１１３は、制御部１０５からの制御に応じて、２つのコンデンサ１０３ａ、１０３ｂ間の接続部と商用電源２００からの交流電圧が供給される一方の電圧ラインＬ１２とを接続および開放する。
【００６０】
本実施形態では、スイッチング回路１１３が、相互にエミッタ端子が接続された２つのＮＰＮ型のトランジスタ１１３ａ、１１３ｂから構成されている。このように２つのトランジスタ１１３ａ、１１３ｂを接続することにより、トランジスタ１１３ａ、１１３ｂに構造上生じる寄生ダイオードＤａ、Ｄｂの導通方向が互いに逆向きとなる。このため、トランジスタ１１３ａ、１１３ｂがオフ状態にあるときに、電圧ラインＬ１２を流れる電流は、正の位相および負の位相の何れの場合も、寄生ダイオードＤａ、Ｄｂの両方を同時に導通し得ない。よって、２つのトランジスタ１１３ａ、１１３ｂによって、交流電圧を適正に遮断することができる。
【００６１】
スイッチング回路１１３を動作させる場合、制御部１０５は、トランジスタ１１３ａ、１１３ｂのエミッタを基準電圧に維持した状態で、トランジスタ１１３ａ、１１３ｂのベースに電圧を印加する。これにより、２つのトランジスタ１１３ａ、１１３ｂがオン状態となり、結果、スイッチング回路１１３がオン状態になる。これらベースに対する電圧の印加を停止させると、２つのトランジスタ１１３ａ、１１３ｂがオフ状態となり、結果、スイッチング回路１１３がオフ状態となる。
【００６２】
スイッチング回路１１３がオフ状態にある場合とオン状態にある場合の２つのコンデンサ１０３ａ、１０３ｂに対する電流の導通形態は、図３および図４に示した比較例の場合と同様である。これに対し、本実施形態では、スイッチング回路１１３のオン／オフ制御が、上記比較例と異なっている。
【００６３】
すなわち、制御部１０５は、モータ２１ａの目標回転数が、図５に示した閾値Ｎｔｈ１と最高回転数Ｎｍａｘとの間の範囲にある場合に、スイッチング回路１１３を所定周期で開閉させ、さらに、１周期に対するスイッチング回路１１３のオン期間の比率（デューティ）を、目標回転数に応じて変化させる。具体的には、制御部１０５は、トランジスタ１１３ａ、１１３ｂのベースに所定周期のパルス信号を印加し、このパルス信号のデューティを目標回転数に応じて変化させる。これにより、出力電圧Ｖｏｕｔを、目標回転数に応じた電圧となるように、１４１Ｖ〜２８２Ｖの間でリニアに変化させることができる。
【００６４】
図８（ａ）は、スイッチング回路を開閉制御するためのパルス信号Ｓ１を模式的に示す図であり、図８（ｂ）、（ｃ）は、パルス信号Ｓ１のデューティ（Ｔ２／Ｔ１）を変化させた場合の出力電圧の変化をシミュレーションにより求めたシミュレーション結果である。
【００６５】
ここで、シミュレーションは、図６に示した回路から部分昇圧回路１１１を除いた回路と等価な回路について行った。また、パルス信号Ｓ１の周波数は、２００Ｈｚに設定した。出力電圧Ｖｏｕｔの初期値は、１５０Ｖに設定した。図８（ｂ）は、パルス信号Ｓ１のデューティを０．５に設定した場合のシミュレーション結果を示し、図８（ｃ）は、パルス信号Ｓ１のデューティを０．２に設定した場合のシミュレーション結果を示している。横軸は、スイッチング回路１１３の動作開始時からの経過時間であり、縦軸は出力電圧Ｖｏｕｔの電圧値である。図８（ｂ）、（ｃ）では、縦軸のスケールおよび最大値が異なっている。
【００６６】
図８（ｂ）、（ｃ）に示すように、パルス信号Ｓ１のデューティを変化させることにより、出力電圧Ｖｏｕｔの収束値を変化させることができた。デューティを０．５に設定した場合は、出力電圧Ｖｏｕｔの収束値は２５０Ｖ程度であり、デューティを０．２に設定した場合は、出力電圧Ｖｏｕｔの収束値は１９５Ｖ程度であった。このシミュレーション結果から、デューティを高めるに伴い、出力電圧Ｖｏｕｔの電圧値を高め得ることが確認できた。
【００６７】
このように、本実施形態の回路部によれば、パルス信号Ｓ１のデューティを変化させることにより、圧縮機２１のモータ２１ａに供給される出力電圧Ｖｏｕｔの電圧値をリニアに変化させることができる。すなわち、パルス信号Ｓ１の立ち上がり期間においては、図６に示したスイッチング回路１１３のオンとなって、２つのコンデンサ１０３ａ、１０３ｂが倍電圧の作用を発揮し、パルス信号Ｓ１の立ち下がり期間では、スイッチング回路１１３のオフとなって、これら２つのコンデンサ１０３ａ、１０３ｂが平滑化の作用を発揮する。これら２つの作用が適用される比率を、パルス信号Ｓ１のデューティにより変化させることにより、出力電圧Ｖｏｕｔの電圧値をリニアに変化させることができる。
【００６８】
なお、図８（ｂ）、（ｃ）のシミュレーション結果では、出力電圧Ｖｏｕｔの波形に細かい振動が見られる。しかし、この振動は、パルス信号Ｓ１の周波数、すなわち、スイッチング回路１１３のオン／オフの周波数を高めることにより抑制できる。よって、出力電圧Ｖｏｕｔを直流電圧により安定化させるためには、パルス信号Ｓ１の周波数、すなわち、スイッチング回路１１３のオン／オフの周波数を、なるべく高く設定することが好ましいと言える。
【００６９】
次に、本実施形態における出力電圧Ｖｏｕｔの制御方法について説明する。
【００７０】
圧縮機２１のモータ２１ａを最高回転数Ｎｍａｘで回転させる場合、圧縮機２１の負荷変動等の要因により、２つのコンデンサ１０３ａ、１０３ｂによる倍電圧の限界値（２８２Ｖ）を超えて、さらに、出力電圧Ｖｏｕｔの電圧値を高める必要がある。このため、本実施形態では、図６に示したように、部分昇圧回路１１１が設けられている。
【００７１】
具体的には、本実施形態では、出力電圧Ｖｏｕｔを制御するためのモードとして、以下の３つのモードが制御部１０５に設定されている。
【００７２】
（１）部分昇圧回路１１１の昇圧動作を停止させ、且つ、スイッチング回路１１３を開放状態に維持して２つのコンデンサ１０３ａ、１０３ｂによる倍電圧動作を停止させる第１モード
（２）部分昇圧回路１１１の昇圧動作を停止させ、且つ、スイッチング回路１１３を開閉状態に切り替え制御して２つのコンデンサ１０３ａ、１０３ｂによる倍電圧動作を実行させる第２モード
（３）部分昇圧回路１１１の昇圧動作を実行させ、且つ、スイッチング回路１１３を開閉状態に切り替え制御して２つのコンデンサ１０３ａ、１０３ｂによる倍電圧動作を実行させる第３モード
制御部１０５は、これら３つのモードを、モータ２１ａの目標回転数Ｎｔに応じて切り替える。具体的には、制御部１０５は、モードを切り替えるために２つの閾値を設定し、給湯ユニット１０の主制御基板１４から指示された目標回転数Ｎｔと２つの閾値とを比較して、３つのモードの何れかを選択する。２つの閾値のうち１つは、たとえば、図５に示した閾値Ｎｔｈ１に設定される。他の１つの閾値は、閾値Ｎｔｈ１より高く、最高回転数Ｎｍａｘよりやや低い閾値Ｎｔｈ２に設定される。
【００７３】
図９は、制御部１０５によるモードの切り替え制御を示すフローチャートである。
【００７４】
制御部１０５は、主制御基板１４から指示された目標回転数Ｎｔが閾値Ｎｔｈ１以下である場合（Ｓ１１：ＹＥＳ）、出力電圧Ｖｏｕｔを制御するためのモードとして第１モードを選択する（Ｓ１２）。これにより、出力電圧Ｖｏｕｔは、スイッチング回路１１３がオフ状態に維持された電圧値（１４１Ｖ）に調整される。
【００７５】
主制御基板１４から指示された目標回転数Ｎｔが、閾値Ｎｔｈ１より高く（Ｓ１１：ＮＯ）、閾値Ｎｔｈ２以下である場合（Ｓ１３：ＹＥＳ）、制御部１０５は、出力電圧Ｖｏｕｔを制御するためのモードとして第２モードを選択する（Ｓ１４）。この場合、制御部１０５は、出力電圧Ｖｏｕｔの電圧値が、目標回転数Ｎｔでモータ２１ａを駆動するための電圧値（目標電圧値）となるように、パルス信号Ｓ１のデューティを設定して、スイッチング回路１１３のオン／オフ制御を行う。
【００７６】
主制御基板１４から指示された目標回転数Ｎｔが、閾値Ｎｔｈ２よりも高い場合（Ｓ１１：ＮＯ、Ｓ１３：ＮＯ）、制御部１０５は、出力電圧Ｖｏｕｔを制御するためのモードとして第３モードを選択する（Ｓ１５）。この場合、制御部１０５は、部分昇圧回路１１１を動作させて全波整流回路１０２に入力される交流電圧を部分的に昇圧させる。さらに、制御部１０５は、出力電圧Ｖｏｕｔの電圧値が、目標回転数Ｎｔでモータ２１ａを駆動するための電圧値（目標電圧値）となるように、パルス信号Ｓ１のデューティを設定して、スイッチング回路１１３のオン／オフ制御を行う。
【００７７】
なお、第２モードおよび第３モードを実行するために、制御部１０５は、予め、目標回転数Ｎｔとパルス信号Ｓ１のデューティとを対応付けたテーブルを、第２モードと第３モードについて、それぞれ保持していればよい。制御部１０５は、第２モードおよび第３モードの制御において、主制御基板１４から指示された目標回転数Ｎｔに対応するデューティを対応するテーブルから抽出し、スイッチング回路１１３のトランジスタ１１３ａ、１１３ｂに印加するパルス信号Ｓ１のデューティを、テーブルから抽出したデューティに設定する。
【００７８】
本実施形態では、こうして目標回転数Ｎｔに対応するデューティでパルス信号がスイッチング回路１１３に印加された後、さらに、電圧検出回路１１２からの検出信号に基づいて、出力電圧Ｖｏｕｔを目標回転数Ｎｔに対応する目標電圧値Ｖｔに収束させる追従制御が制御部１０５により行われる。
【００７９】
ここで、目標電圧値Ｖｔは、以下の式により決定される。
【００８０】
Ｖｔ＝Ｃｖ×Ｆｔ×６０×（１／１０００）＋α  …（１）
【００８１】
式１において、Ｃｖは、モータ２１ａ固有の誘起電圧定数（Ｖｒｍｓ／ｋｒｐｍ）である。また、Ｆｔは、目標回転数Ｎｔでモータ２１ａを回転させる場合の圧縮機２１の駆動周波数（Ｈｚ）である。αは、波形品質などの評価結果をもとに決定される補正値である。
【００８２】
第２モードおよび第３モードにおいて、この追従制御を行うために、制御部１０５は、予め、目標回転数Ｎｔと目標電圧値Ｖｔとを対応付けたテーブルを保持していればよい。あるいは、これに代えて、制御部１０５は、上記式（１）に基づき、目標回転数Ｎｔに対応する目標電圧値Ｖｔを算出する処理を実行してもよい。制御部１０５は、こうして取得した目標電圧値Ｖｔに出力電圧Ｖｏｕｔを収束させるための制御を実行する。
【００８３】
図１０は、第２モードおよび第３モードにおける出力電圧Ｖｏｕｔの制御を示すフローチャートである。
【００８４】
まず、制御部１０５は、上記のように、スイッチング回路１１３に供給するパルス信号のデューティＤを、主制御基板１４から指示された目標回転数Ｎｔに対応するデューティに設定する（Ｓ２１）。制御部１０５は、設定したデューティのパルス信号をスイッチング回路１１３に供給する。これにより、出力電圧Ｖｏｕｔが、目標回転数Ｎｔに対応する電圧値付近に設定される。
【００８５】
次に、制御部１０５は、目標回転数Ｎｔに対応する目標電圧値Ｖｔをテーブルから抽出し、抽出した目標電圧値Ｖｔと、電圧検出回路１１２により検出された出力電圧Ｖｏｕｔの電圧値とを比較する（Ｓ２２、Ｓ２３）。ここで、出力電圧Ｖｏｕｔの電圧値が目標電圧値Ｖｔより小さい場合（Ｓ２２：ＹＥＳ）、制御部１０５は、スイッチング回路１１３に印加されるパルス信号のデューティＤを補正値ΔＤ１だけ増加させる（Ｓ２４）。これにより、出力電圧Ｖｏｕｔの電圧値が、補正値ΔＤ１に対応する値だけ増加する。
【００８６】
他方、出力電圧Ｖｏｕｔの電圧値が目標電圧値Ｖｔより大きい場合（Ｓ２２：ＮＯ、Ｓ２３：ＹＥＳ）、制御部１０５は、スイッチング回路１１３に印加されるパルス信号のデューティＤを補正値ΔＤ１だけ減少させる（Ｓ２５）。これにより、出力電圧Ｖｏｕｔの電圧値が、補正値ΔＤ１に対応する値だけ減少する。
【００８７】
また、出力電圧Ｖｏｕｔの電圧値が目標電圧値Ｖｔに等しい場合（Ｓ２２：ＮＯ、Ｓ２３：ＮＯ）、制御部１０５は、スイッチング回路１１３に印加されるパルス信号のデューティＤを維持する。これにより、出力電圧Ｖｏｕｔの電圧値がそのまま維持される。
【００８８】
この制御により、出力電圧Ｖｏｕｔの電圧値が、目標回転数Ｎｔに対応する目標電圧値Ｖｔに収束する。よって、出力電圧Ｖｏｕｔの電圧値を、モータ２１ａの目標回転数Ｎｔに対応する目標電圧値Ｖｔに確実に調整することができる。
【００８９】
その後、制御部１０５は、主制御基板１４から目標回転数Ｎｔを変更する指示を受けるまで（Ｓ２６：ＮＯ）、ステップＳ２２〜Ｓ２５の制御を繰り返す。これにより、出力電圧Ｖｏｕｔの電圧値が、モータ２１ａの目標回転数Ｎｔに対応する目標電圧値Ｖｔに維持される。主制御基板１４から目標回転数Ｎｔを変更する指示を受けると（Ｓ２６：ＹＥＳ）、制御部１０５は、処理をステップＳ２１に戻して、新たな目標回転数Ｎｔに対する処理を実行する。これにより、出力電圧Ｖｏｕｔの電圧値が、新たな目標回転数Ｎｔに対応する目標電圧値Ｖｔに収束される。
【００９０】
ステップＳ２１〜Ｓ２６の処理は、主制御基板１４から圧縮機２１の動作を終了させる指示を受けるまで、繰り返し実行される。主制御基板１４から圧縮機２１の動作を終了させる指示を受けると、制御部１０５は、図１０に示した第２モードまたは第３モードの制御を終了する。
【００９１】
＜実施形態の効果＞
本実施形態によれば、以下の効果が奏され得る。
【００９２】
制御部１０５によるスイッチング回路１１３の制御により、全波整流回路１０２の出力端Ｔ１１、Ｔ１２間に生じる直流電圧（出力電圧Ｖｏｕｔ）を、スイッチング回路１１３が開放状態に維持された場合の電圧値と、スイッチング回路１１３が閉じられた状態に維持された場合の電圧値との間の範囲において、所望の電圧値に動的に設定できる。よって、モータ２１ａの駆動電圧を回転数に応じた電圧値に適正に調整することができる。
【００９３】
また、本実施形態では、給湯装置１が、ヒートポンプを内蔵する熱源ユニット２０を備えた構成となっており、ヒートポンプの構成要素である圧縮機２１のモータ２１ａが、制御部１０５により制御される。これにより、高い駆動電圧を必要とする圧縮機２１のモータ２１ａの駆動電圧を、圧縮機２１の回転数に応じた電圧値に適正に調整することができる。
【００９４】
また、図６を参照して説明したように、スイッチング回路１１３は、相互にエミッタ端子が接続された２つのＮＰＮ型のトランジスタ１１３ａ、１１３ｂを備えた構成となっている。これにより、簡素かつ安価な構成により、交流電圧のスイッチングを行うことができ、結果、給湯装置１のコストの削減を図ることができる。
【００９５】
また、図１０のステップＳ２１において説明したように、制御部１０５は、スイッチング回路１１３にパルス信号を供給することにより、スイッチング回路１１３を所定周期で開閉させ、さらにこのとき、目標電圧値Ｖｔに応じて、パルス信号のデューティを設定することにより、１周期に対するスイッチング回路１１３が閉じられる期間の比率を設定する。これにより、２つのコンデンサ１０３ａ、１０３ｂによる倍電圧作用により全波整流回路１０２の出力端Ｔ１１、Ｔ１２間に生じる直流電圧（出力電圧Ｖｏｕｔ）の電圧値を、目標回転数Ｎｔに応じた電圧値に設定することができる。
【００９６】
また、図６に示したように、給湯装置１は、全波整流回路１０２の上流側の電圧ラインＬ１１、Ｌ１２間に接続され、制御部１０５からの制御に基づき入力電圧を昇圧する部分昇圧回路１１１を備える。これにより、２つのコンデンサ１０３ａ、１０３ｂによる倍電圧の限界値を超えてさらに、全波整流回路１０２の出力端間に生じる直流電圧（出力電圧Ｖｏｕｔ）の電圧値を高めることができる。
【００９７】
また、図９に示したように、制御部１０５は、部分昇圧回路１１１の昇圧動作を停止させ、且つ、スイッチング回路１１３を開放状態に維持して２つのコンデンサ１０３ａ、１０３ｂによる倍電圧動作を停止させる第１モードと、部分昇圧回路１１１の昇圧動作を停止させ、且つ、スイッチング回路１１３を開閉状態に切り替え制御して２つのコンデンサ１０３ａ、１０３ｂによる倍電圧動作を実行させる第２モードと、部分昇圧回路１１１の昇圧動作を実行させ、且つ、スイッチング回路１１３を開閉状態に切り替え制御して２つのコンデンサ１０３ａ、１０３ｂによる倍電圧動作を実行させる第３モードと、を備える。そして、制御部１０５は、モータ２１ａの目標回転数Ｎｔに基づいて、第１モード、第２モードおよび第３モードの何れかを選択する。これにより、直流電圧（出力電圧Ｖｏｕｔ）の電圧値を、モータ２１ａの目標回転数Ｎｔに応じて円滑に調整することができる。
【００９８】
また、図６に示したように、給湯装置１は、全波整流回路１０２の出力端Ｔ１１、Ｔ１２間に生じる直流電圧（出力電圧Ｖｏｕｔ）の電圧値を検出する電圧検出回路１１２を備え、制御部１０５は、図１０に示したように、電圧検出回路１１２により検出された電圧値が目標電圧値Ｖｔとなるように、パルス信号のデューティを調整して、スイッチング回路１１３を制御する。これにより、全波整流回路１０２の出力端Ｔ１１、Ｔ１２間に生じる直流電圧（出力電圧Ｖｏｕｔ）の電圧値を、目標回転数に応じた目標電圧値Ｖｔに、より確実に調整することができる。
【００９９】
＜変更例＞
本発明に係る給湯装置は、上記実施形態の構成に限定されるものではなく、種々の変更が可能である。
【０１００】
たとえば、上記実施形態では、相互にエミッタ端子が接続された２つのＮＰＮ型のトランジスタ１１３ａ、１１３ｂによりスイッチング回路１１３が構成されたが、スイッチング回路１１３は、交流電圧を高い周波数で適切にオン／オフ制御できる限りにおいて、他の構成であってもよい。たとえば、スイッチング回路１１３が、逆阻止型ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）から構成されてもよい。
【０１０１】
また、上記実施形態では、圧縮機２１を駆動するためのモータ２１ａが出力電圧Ｖｏｕｔの適用対象とされたが、出力電圧Ｖｏｕｔの適用対象は、必ずしもモータ２１ａに限られるものではなく、高い駆動電圧を必要とする他のモータが適用対象であってもよい。
【０１０２】
また、上記実施形態では、コンデンサ１０３ａ、１０３ｂによる倍電圧の限界値を超えてさらに出力電圧Ｖｏｕｔの電圧値を高めるために、部分昇圧回路１１１が設けられたが、コンデンサ１０３ａ、１０３ｂによる倍電圧の限界値を超えてさらに出力電圧Ｖｏｕｔの電圧値を高める必要がなければ、部分昇圧回路１１１が省略されてもよい。
【０１０３】
また、上記実施形態では、出力電圧Ｖｏｕｔを目標電圧値Ｖｔに正確に追従させるために電圧検出回路１１２が設けられたが、出力電圧Ｖｏｕｔを目標電圧値Ｖｔに正確に追従させる必要がなければ、電圧検出回路１１２が省略されてもよい。
【０１０４】
また、上記実施形態では、電圧ラインＬ２１、Ｌ２２間に２つのコンデンサ１０３ａ、１０３ｂが接続されたが、電圧ラインＬ２１、Ｌ２２間に接続されるコンデンサの数は、必ずしも２つに限られるものではない。たとえば、３倍昇圧のために３つのコンデンサが電圧ラインＬ２１、Ｌ２２間に接続されてもよい。この場合、スイッチング回路１１３の構成および制御部１０５による制御も、目標回転数に対応する出力電圧Ｖｏｕｔが得られるように変更される。
【０１０５】
また、全波整流回路１０２の構成も、必ずしも、図６に示した構成に限られるものではなく、制御部１０５による制御によって目標回転数に対応する出力電圧Ｖｏｕｔが得られる限りにおいて、他の構成に変更されてもよい。
【０１０６】
また、上記実施形態では、副制御基板２５に配置された制御部１０５により、スイッチング回路１１３と部分昇圧回路１１１が制御されたが、主制御基板１４に配置された制御部が、直接、スイッチング回路１１３と部分昇圧回路１１１を制御する構成であってもよい。この場合、電圧検出回路１１２の出力は、主制御基板１４側の制御部に入力される。
【０１０７】
さらに、給湯装置１の構成も、必ずしも、図１および図２に示した構成に限られるものではなく、適宜変更可能である。本発明が適用される給湯装置１は、給湯のみが可能な構成に限られるものではなく、給湯とともに風呂の追い焚きが可能な構成であってもよい。あるいは、給湯とともに温水暖房が可能な給湯装置に本発明が適用されてもよい。また、給湯装置１は、給湯ユニット１０内に、ガス燃料を用いた補助熱源を備える構成であってもよい。
【０１０８】
この他、本発明の実施形態は、特許請求の範囲に記載の範囲で適宜種々の変更可能である。
【符号の説明】
【０１０９】
１  給湯装置
１０  給湯ユニット
２０  熱源ユニット
２１  圧縮機
２１ａ  モータ
１０２  全波整流回路
１０３ａ、１０３ｂ  コンデンサ
１０５  制御部
１１１  部分昇圧回路
１１２  電圧検出回路
１１３  スイッチング回路
１１３ａ、１１３ｂ  トランジスタ
【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】
2019193346.tif 000009
【図８】
2019193346.tif 000010
【図９】
2019193346.tif 000011
【図１０】
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