(57)【要約】【課題】  効率の良い、信頼性の高い膨張機を用いた冷凍サイクル装置を実現する。【解決手段】  冷凍サイクル装置は、冷媒を圧縮する圧縮機５０１と、圧縮された冷媒を冷却する放熱器５０２と、冷媒を膨張させる膨張機５０３と、膨張した冷媒を蒸発させる蒸発器５０４とからなる冷凍サイクルと、膨張機５０３に接続された発電機５０７と、発電機５０７が出力する交流電力を変換して直流電力を出力するとともに発電機５０７の駆動制御を行う可変速コンバータ５０８とからなる制御回路とを備え、発電機電力が電動機電力を超えたときに直流電力部の電圧値の異常上昇を送風ファン５２２の回転数を高く設定することで抑制し、構成部品の破壊のない信頼性の高いかつ効率の良い冷凍サイクル装置を実現する。【選択図】  図１
2008164267.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
作動流体を圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機により圧縮された冷媒を冷却する放熱器と、
前記放熱器を通過した冷媒を膨張させる膨張機と、
前記膨張機により膨張した冷媒を蒸発させる蒸発器と、
前記圧縮機、放熱器、膨張機、蒸発器間を順次接続し、冷媒を循環させる冷媒配管と、
前記放熱器と前記蒸発器の少なくとも一方に送風させる送風用ファンと、
前記膨張機に接続して、前記膨張機の回転に応じて交流電力を発生させる発電機と、
前記発電機が出力する交流の発電機電力を変換して直流電力を出力するとともに前記発電機の駆動を制御する可変速コンバータと、
前記圧縮機に接続された電動機と、
直流電圧を所定の周波数の交流電圧に変換するとともに前記電動機の駆動を制御するインバータと、
前記発電機が出力する発電機電力が前記電動機へ入力する電動機電力を上回り前記直流電圧部に余剰電力が発生する場合において、前記送風用ファンの回転数を増加させるように制御するファン回転数制御手段とを有する冷凍サイクル装置
【請求項２】
前記冷凍サイクル装置は、前記送風用ファンが前記蒸発器側に備えられ、空気との熱交換を促進させる請求項１に記載の冷凍サイクル装置
【請求項３】
前記冷凍サイクル装置は、前記インバータの入力端である前記直流電圧部に並列に接続された電圧検出手段を備え、前記電圧検出手段により得られた電圧情報がある設定値以上になると前記送風用ファンの回転数を増加させるように制御する請求項１から請求項２のいずれかに記載の冷凍サイクル装置
【請求項４】
前記冷凍サイクル装置は、前記インバータの入力端である前記直流電圧部に並列に接続された電圧検出手段を備え、前記電圧検出手段により得られた電圧情報がある設定値以下になると前記送風用ファンの回転数を増加させるように制御する請求項１から請求項２のいずれかに記載の冷凍サイクル装置
【請求項５】
前記冷凍サイクル装置は、前記インバータの入力端である前記直流電圧部N母線ラインに接続されたシャント抵抗を備え、前記シャント抵抗の両端電圧を検出することにより得られた電流情報がある設定値以上になると前記送風用ファンの回転数を増加させるように制御する請求項１から請求項２のいずれかに記載の冷凍サイクル装置
【請求項６】
前記冷凍サイクル装置は、前記圧縮機と前記放熱器間の前記冷媒配管に温度検出手段を備え、前記温度検出手段によって得られた温度情報がある設定値以上になると前記送風用ファンの回転数を増加させるように制御する請求項１から請求項２のいずれかに記載の冷凍サイクル装置
【請求項７】
前記冷凍サイクル装置は、前記インバータによって生成されたインバータ保護信号の出力により前記送風用ファンの回転数を増加させるように制御する請求項１から請求項２のいずれかに記載の冷凍サイクル装置
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷媒などの膨張力を利用する膨張機を用いた動力回収装置、特に二酸化炭素を冷媒として用いる蒸気圧縮式冷凍装置の効率向上のための膨張機の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の一般的な蒸気圧縮式冷凍装置としては、図１７に示す構成のものがある。図１７の蒸気圧縮式冷凍装置は、圧縮機３０１、放熱器３０２、膨張弁３０３、及び蒸発器３０４から構成される。それらの要素は配管により連結され、冷媒が図示の白抜き矢印のように移動する。
【０００３】
上記蒸気圧縮式冷凍装置の運転原理は次のとおりである。冷媒蒸気の圧力及び温度は圧縮機３０１によって増大され、次いで、その冷媒蒸気が放熱器３０２に入り、そこで冷却される。この後、高圧冷媒は膨張弁３０３により蒸発圧力に絞られ、蒸発器３０４において気化し、その周辺から熱を吸収する。そして、蒸発器３０４の出口を通って冷媒蒸気は圧縮機３０１に戻る。この冷媒には、オゾン層を破壊せず地球温暖化係数の極めて小さい二酸化炭素が用いられる。
【０００４】
しかし、二酸化炭素を冷媒とする蒸気圧縮式冷凍装置は、一般に使用されてきたフロンを冷媒とする冷凍装置に比べ、エネルギー効率である成績係数（ＣＯＰ）が低い。さらに、同等の冷凍能力を考えた場合、フロンを冷媒とする冷凍装置より多くの電力が必要になる。そのため多くの化石燃料がエネルギーとして必要になるため、冷媒自体の地球温暖化係数が小さくても、結果的に多くの二酸化炭素が排出される。したがって、二酸化炭素を冷媒とする蒸気圧縮式冷凍装置のＣＯＰを向上させることが必要であり、既にさまざまな方法が提案されている。
【０００５】
上記提案の一例として、図１８に示す従来の膨張機を用いた冷凍装置（特許文献１を参照）がある。この冷凍装置では、原動機４０５により駆動される圧縮機４０１により、圧縮された冷媒は放熱器４０２で冷却され、その後、膨張機４０３を通過する際に、膨張機４０３に取り付けられた発電機４０４が発電し電力を発生する。そして、膨張機４０３内で膨張した冷媒は、蒸発器４０６内で外部より吸熱して気化した後、再び圧縮機４０１へ戻る。この時、圧力センサ４１０及び温度センサ４１１の情報に基づき、演算手段４０９により演算した最適高圧値になるように、回転数制御手段４１２により、発電機４０４の発電量、即ち膨張機４０３の回転数が制御される。また、圧縮機４０１の前後には、性能、信頼性向上のためオイルセパレータ４０７及びアキュムレータ４０８が設置されている。
【０００６】
このような構成の膨張機を使用する冷凍装置により、冷媒の膨張による力で発電機を回転させることにより電力を発生し、その電力を有効利用することにより総合的に使用されるエネルギー量は低減され、それによりＣＯＰを向上させることが可能である。
【０００７】
図１９は、従来の膨張機を用いた動力回収装置を示すブロック構成図である。図１９において、交流電源６０１からの入力を整流回路６０２で直流に整流した直流電圧は、平滑コンデンサ６０３により平滑化されたあと、インバータ６０４により３相の交流電圧に変換され、この交流電圧によって電動機６０６が駆動される。そして、電動機６０６の駆動により圧縮機６０７が圧縮機能を果たす。
【０００８】
このインバータ６０４は、直流電圧を交流に変換するためのスイッチング素子群６０５
などから構成されており、ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ  Ｗｉｄｔｈ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）方式でスイッチング素子群６０５を所定の交流周波数を実現するようにＯＮ−ＯＦＦさせることにより、任意の交流を出力することができるものである。
【０００９】
一方、膨張機６１１により動力を回収するために設置された発電機６１０には、その発電機６１０により発電される３相交流電力を直流に変換するための可変速コンバータ６０８が接続されている。この可変速コンバータ６０８は、発電機６１０により発電される交流電力を直流に変換するとともに、内部に構成されたスイッチング素子群６０９をＰＷＭ方式でスイッチングすることにより、与えられる目標回転数で発電機６１０を回転させる機能を有する。
【００１０】
この発電機６１０の回転数を制御する機能により、発電機６１０を介して膨張機６１１の回転数を制御することが可能となり、それにより、膨張機６１１を用いた冷凍サイクル装置において、その膨張機６１１を最適な回転数で駆動することができる。
【００１１】
また、可変速コンバータ６０８からの直流出力線は、整流回路６０２から平滑コンデンサ６０３を介して得られる直流電力ラインに並列接続される。これにより、可変速コンバータ６０８から回生された電力は、インバータ６０４を介し電動機６０６の駆動エネルギーに消費される。従って、通常運転時では、圧縮機６０７の消費する電動機電力Ｗmの方が、膨張機６１１によって回生される発電機電力Ｗgよりも大であるため、交流電源６０１からの入力電力Ｗｉｎは正の値となる。ここで、交流電源６０１から整流回路６０２を経て入力される電力をＷｉｎ、インバータ６０４にて消費される電動機電力をＷm、可変速コンバータ６０８により回生される発電機電力をＷgとすると、下記の式が成り立つ。
Ｗin＝Ｗm-Ｗg                      （１）
また、システムの起動時、停止時、圧縮機の減速時、熱交換器の状態の急変時などでは、短時間であるが、電動機電力Wgよりも発電機電力Wgのほうが大となる期間が生じる場合がある。この場合、直流電力部の電圧が異常上昇し、構成要素部品である平滑コンデンサ６０３などを破壊する可能性があった。さらに直流電力部の電圧の上昇により可変速コンバータ６０８の保護機能が働き可変速コンバータ６０８は発電機６１０の制御を停止することで、膨張機６１１が冷凍サイクルの残圧によりフリーランするために膨張機６１１が破壊する恐れがあった。この課題を解決するために、特許文献２では、A発電機の発電効率を下げる。B電動機の駆動効率を下げる。C直流電力ラインに供給される電力の蓄電または消費をさせる。D電動機の回転数を上げる。E発電機の回転数を下げる。などの動作をすることで、直流電力部の電圧上昇を抑えることが述べられている。
【特許文献１】特開２０００−２４１０３３号公報
【特許文献２】国際公開第２００６／０７５７４２号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、図１９における膨張機を用いた冷凍サイクル装置において、次のような課題がある。インバータ６０４の入力側直流電圧の上昇、１次側の電源が停止することによる入力側直流電圧の低下、電動機への入力電流が過電流設定値を超えたとき、その他インバータ６０４の保護機能が働いたときなど、インバータ６０４は電動機６０６の駆動を停止させる。ところが、冷凍サイクルの残圧によって膨張機６１１は発電機電力Ｗgを回収し続ける。つまり、（１）式に示した電動機電力Wmはゼロとなり。特許文献２に示された解決法A、B、D、Eでは直流電力部での余剰電力を吸収、消費することができない。また、解決法Cにおいては、回生ブレーキ抵抗等を新規に設置する必要があり、構成部品点数の増加につながる。
【００１３】
したがって本発明は、上記の課題を解決するもので、電動機電力Ｗmが回収した発電機
電力Ｗgよりも大きくなる場合、例えばインバータ６０４の保護機能により電動機６０６の駆動が停止した場合においても、新規に回生ブレーキ抵抗等を設置せずに、しかし、たとえ設置しても回生ブレーキ抵抗の小型化が図れ、構成部品の破壊のないシステムを実現することにより、信頼性の高い膨張機を用いた冷凍サイクル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】
【００１４】
上記課題を解決するために、本発明の冷凍サイクル装置は、作動流体を圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機により圧縮された冷媒を冷却する放熱器と、
前記放熱器を通過した冷媒を膨張させる膨張機と、
前記膨張機により膨張した冷媒を蒸発させる蒸発器と、
前記圧縮機、放熱器、膨張機、蒸発器間を順次接続し、冷媒を循環させる冷媒配管と、
前記放熱器と前記蒸発器の少なくとも一方に送風させる送風用ファンと、
前記膨張機に接続して、前記膨張機の回転に応じて交流電力を発生させる発電機と、
前記発電機が出力する交流の発電機電力を変換して直流電力を出力するとともに前記発電機の駆動を制御する可変速コンバータと、
前記圧縮機に接続された電動機と、
直流電圧を所定の周波数の交流電圧に変換するとともに前記電動機の駆動を制御するインバータと、
前記発電機が出力する発電機電力が前記電動機へ入力する電動機電力を上回り前記直流電圧部に余剰電力が発生する場合において、前記送風用ファンの回転数を増加させるように制御するファン回転数制御手段を設けたものである。
【００１５】
本構成により、インバータの入力側である直流電力部に余剰電力が発生しても、送風用ファンの回転数を上昇させることで余剰電力を送風用ファンで消費することとなり、直流電力部の電圧が所定の電圧より大きく変動することなく、確実に構成部品の破壊がなく、信頼性をあげることができる。
【００１６】
また、前記冷凍サイクル装置は、前記送風用ファンが前記蒸発器側に備えられ、空気との熱交換を促進させるものでもよい。
【００１７】
これにより、ヒートポンプ給湯器においては空気熱交換器である蒸発器は、室外側に設置されることとなり、圧縮機と膨張機に近接して設置することができる。
【００１８】
さらに、本発明の冷凍サイクル装置は、前記インバータの入力端である前記直流電圧部に並列に接続された電圧検出手段を備え、前記電圧検出手段により得られた電圧情報がある設定値以上になると前記送風用ファンの回転数を増加させるように制御してもよい。
【００１９】
これにより、前記直流電圧部に電圧を検出するための電圧検出手段を用いることで、余剰電力を電圧の上昇として検出し、送風用ファンの回転数を増加させることによって余剰電力を消費することができるため、前記直流電圧部電圧の上昇を抑え、構成機器の信頼性をあげることができる。
【００２０】
また、前記冷凍サイクル装置は、前記インバータの入力端である前記直流電圧部に並列に接続された電圧検出手段を備え、前記電圧検出手段により得られた電圧情報がある設定値以下になると前記送風用ファンの回転数を増加させるように制御してもよい。
【００２１】
これにより、前記電圧検出手段により入力電力である１次側電源電圧が低下したことを検出すると、インバータが電動機の駆動を停止させる場合において送風用ファンの回転数
を増加させることで、余剰電力を消費することができるため、前記直流電圧部電圧の上昇を抑え、構成機器の信頼性をあげることができる。
【００２２】
また、前記冷凍サイクル装置は、前記インバータの入力端である前記直流電圧部N母線ラインに接続されたシャント抵抗を備え、前記シャント抵抗の両端電圧を検出することにより得られた電流情報がある設定値以上になると前記送風用ファンの回転数を増加させるように制御してもよい。
【００２３】
これにより、前記電流検出手段により電動機入力電流がある設定値よりも上昇したことを検出すると、インバータが電動機の駆動を停止させる場合において送風用ファンの回転数を増加させることで、余剰電力を消費することができるため、前記直流電圧部電圧の上昇を抑え、構成機器の信頼性をあげることができる。
【００２４】
また、前記冷凍サイクル装置は、前記圧縮機と前記放熱器間の前記冷媒配管に温度検出手段を備え、前記温度検出手段によって得られた温度情報がある設定値以上になると前記送風用ファンの回転数を増加させるように制御してもよい。
【００２５】
これにより、前記温度検出手段により前記圧縮機と前記放熱器間の前記冷媒配管温度がある設定値よりも上昇したことを検出すると、インバータが電動機の駆動を停止させる場合において送風用ファンの回転数を増加させることで、余剰電力を消費することができるため、前記直流電圧部電圧の上昇を抑え、構成機器の信頼性をあげることができる。
【００２６】
また、前記冷凍サイクル装置は、前記インバータによって生成されたインバータ保護信号の出力により前記送風用ファンの回転数を増加させるように制御してもよい。
【００２７】
これにより、インバータ保護信号が出力されインバータが電動機の駆動を停止させる場合において送風用ファンの回転数を増加させることで、余剰電力を消費することができるため、前記直流電圧部電圧の上昇を抑え、構成機器の信頼性をあげることができる。
【発明の効果】
【００２８】
本発明の膨張機を用いた冷凍サイクル装置によれば、１次側入力電源電圧の低下や過電流などによりインバータの保護機能が動作し電動機の駆動を強制的に停止させると、電動機入力電力がゼロとなるため発電機によって回収された余剰電力により生じていた前記直流電力部の電圧の上昇自体を送風用ファンの回転数を増加させることで、余剰電力を消費することで回避することができ、前記直流電力部の電圧の制限値を超えることによって起こる前記可変速コンバータのシャットダウンがないため、常に安定した動作を保障し、構成部品の破壊のない信頼性の高いシステムを実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００３０】
（第１の実施形態）
図１は、本発明による第１の実施例の冷凍サイクル装置を示すブロック構成図である。
【００３１】
本実施例の冷凍サイクル装置は、冷媒を圧縮する圧縮機５０１と、圧縮機５０１により圧縮された冷媒を冷却する放熱器５０２と、放熱器５０２を通過した冷媒を膨張させる膨張機５０３と、膨張機５０３により膨張した冷媒を蒸発させる蒸発器５０４と、以上の各要素機器間に冷媒を循環させる冷媒配管５１８と、膨張機５０３に接続された永久磁石型同期発電機５０７（以下、発電機５０７）と、発電機５０７が出力する交流電力を変換して直流電力を出力するとともに発電機５０７の駆動を制御する機能を有した可変速コンバ
ータ５０８とを具備して構成される。なお、発電機５０７の駆動を制御する機能とは、例えば、発電機５０７の回転数もしくは電流値を所定の値に制御するものである。
【００３２】
そして、後述するが可変速コンバータ５０８は、冷凍サイクルが最適効率圧力になるように前記可変速コンバータ５０８によって発電機５０７を駆動制御する機能を有する構成となっている。
【００３３】
さらに、本実施例の冷凍サイクル装置は、圧縮機５０１を駆動する電動機５０５（ここではIPMSM（Interior  Permanent  Magnet  Synchronous  Motor）を用いる）と、直流を所定の周波数の交流に変換するとともに電動機５０５の回転数もしくは電流値を所定の値に制御するインバータ装置５０６（以下、インバータ５０６）と、膨張機回転数決定手段５０９と、放熱器５０２の出口温度を検出する温度センサ５１６と、放熱器５０２の出口圧力を検出する圧力センサ５１７と、直流電力部に接続され蒸発器に送風させる送風ファン５２２と、送風ファン５２２の回転数を制御するファン回転数制御手段５２１とを備えている。
【００３４】
また、制御回路の一部としての直流電力部には、整流回路５１１及び平滑コンデンサ５１２から構成されるコンバータが設けられている。このコンバータは、交流電源５１０からの入力した交流を整流回路５１１で直流に変換し、平滑コンデンサ５１２でその電圧を平滑化する。すなわち直流電力部は、可変速コンバータ５０８の直流出力をコンバータの直流出力端ならびにインバータ５０６の直流入力端に接続し、交流電源５１０及び発電機５０７からの電力をインバータ５０６に供給して、膨張機５０３での膨張力等によって得られた電力を圧縮機５０１の駆動力として利用することができる構成となっている。
【００３５】
さらに、直流電力部には、当該直流電力部の電圧（以下、ＤＣ電圧）を検出するための、電圧検出センサ５２０が設けられている。
【００３６】
上記冷凍サイクル装置の冷凍サイクルの動作について説明する。
【００３７】
図１において、インバータ５０６により制御される電動機５０５によって圧縮機５０１が駆動され、圧縮機５０１により冷媒が圧縮される。圧縮された冷媒は、放熱器５０２で冷却され、その後、可変速コンバータ５０８により制御される発電機５０７に連結している、膨張機５０３を通過する。このとき冷媒は、膨張機５０３内で膨張し、蒸発器５０４内で外部より吸熱して気化した後、再び圧縮機５０１へ戻る。
【００３８】
次に、冷凍サイクル装置の制御回路の動作について説明する。
【００３９】
図１において、交流電源５１０を整流回路５１１で整流して得られた直流電力は、平滑コンデンサ５１２によりその電圧が平滑化されたあと、インバータ５０６により３相の交流電力に変換されて、電動機５０５に供給される。それにより電動機５０５が駆動されて圧縮機５０１が圧縮機能を果たす。
【００４０】
また、冷媒の膨張力により発生した膨張機５０３のトルクは、発電機５０７の回転力となり発電が行われる。この発電機５０７により発電された交流電力は、可変速コンバータ５０８により直流電力に変換された後、平滑コンデンサ５１２の両端に供給される。これにより、膨張機５０３により発電された電力は、圧縮機５０１のモータ駆動の補助動力として使用されることになる。
【００４１】
ここで、膨張機５０３及び発電機５０７の回転数は、可変速コンバータ５０８により制御される。また、圧縮機５０１及び電動機５０５の回転数は、インバータ５０６により制
御される。可変速コンバータ５０８には、膨張機回転数決定手段５０９より目標回転数が与えられる。膨張機回転数決定手段５０９は、温度センサ５１６からの放熱器出口温度、および圧力センサ５１７からの放熱器出口圧力の値により、目標回転数の最適な膨張機回転数を決定する。
【００４２】
最適な膨張機回転数は、図２に示す、放熱器出口圧力、放熱器出口温度に対する冷凍サイクルの効率のデータにより決定される。この図に示すように、本冷凍サイクル装置の冷凍サイクルの効率は、放熱器５０２の出口圧力及び温度により最大となる点が異なり、その最大点を結んだ線が図中の最適効率圧力線である。この圧力線を用いて、放熱器出口温度を計測することにより、そのときの放熱器出口圧力として最適圧力が求められる。
【００４３】
次に、膨張機回転数決定手段５０９の動作について説明する。
【００４４】
図３は、本実施例の冷凍サイクル装置における膨張機回転数決定のフローチャートであり、膨張機回転数決定手段５０９におけるサイクル効率を最大にする膨張機回転数の最適値の決定手順を示す。
【００４５】
まず、ステップ１０１において、測定された放熱器出口圧力及び温度の値を入力する。そして、図２に示す最適圧力のデータに従って、効率を最大にする最適圧力の値が演算される（ステップ１０２）。次に、測定された現在の出口圧力が、最適圧力より大きいかをステップ１０３にて判定する。出口圧力が最適圧力よりも大の場合には、出口圧力を下げるように膨張機５０３の目標回転数が上げられる（ステップ１０４）。即ち、膨張機回転数決定手段５０９は出口圧力を下降させる目標回転数を可変速コンバータ５０８に出力する。それにより、膨張機５０３における入口、出口の圧力差が低減し、結果として冷凍サイクルにおける高圧の圧力が低下していく（ステップ１０５）。
【００４６】
また、出口圧力が最適圧力よりも小の場合には、出口圧力を上げるように膨張機５０３の目標回転数が下げられる（ステップ１０６）。即ち、膨張機回転数決定手段５０９は可変速コンバータ５０８に出口圧力を上昇させる目標回転数を出力する。それにより、膨張機における入口、出口の圧力差が増加し、結果として冷凍サイクルにおける高圧の圧力が上昇していく（ステップ１０７）。これらの制御により、放熱器出口の圧力は、冷凍サイクルの効率を最大にするように制御される。以上のように、本実施例の冷凍サイクル装置では成績係数（ＣＯＰ）を高めることができるので、冷媒として地球温暖化係数が小さい二酸化炭素が利用できることに繋がる。
【００４７】
また、図１において、蒸発器５０４に設置された送風ファン５２２はDC電圧部と平行に接続され、蒸発器５０４内部において冷媒と空気の熱交換を促進させている。さらに送風ファン５２２はファン回転数制御手段５２１によりその回転数を制御される。次に、通常運転時におけるファン回転数制御手段５２１の動作について説明する。特開２００３−１６１５４５（ヒートポンプ式給湯装置：ダイキン工業株式会社）にあるように、インバータ５０６から得られた圧縮機５０１の回転周波数に対応してファン回転数制御手段５２１の回転数を決定している（表１）。例えば、圧縮機５０１の周波数が８６Ｈｚのときに蒸発器５０４の送風ファン５２２のファン回転数を５５０ｒｐｍとし、圧縮機５０１の周波数が７４Ｈｚのときにファン回転数を５００ｒｐｍとし、圧縮機５０１の周波数が５８Ｈｚのときにファン回転数を５００ｒｐｍとし、圧縮機５０１の周波数が４４Ｈｚのときにファン回転数を５００ｒｐｍとし、圧縮機５０１の周波数が４０Ｈｚのときにファン回転数を４５０ｒｐｍとしている。
【００４８】
【表１】
2008164267.tif 000003
【００４９】
次に、本発明において重要なファン回転数制御手段５２１が直流電力部の電圧を制御する動作について詳細に説明する。図４は、本構成による直流電力部の電圧部の制御方法について、ファン回転数制御手段５２１の動作について説明した図である。直流電力部の電圧が２８０V（基準値）＋２０V＝３００V以下の場合には、ファン回転数制御手段５２１は表１に示したように送風ファン５２２を所定の回転数になるように制御する。しかし、圧縮機５０１の非常停止、冷凍サイクルの過渡時などに圧縮機５０１に直結された電動機５０５への電動機電力Wmの急激な減少により、電動機電力Wmよりも膨張機５０３に直結された発電機５０７の発電機電力Wｇのほうが大きくなる（Ｗm＜Ｗg）場合がある。この例として、図４では圧縮機５０１が非常停止した場合について説明する。圧縮機５０１が停止すると、電動機５０５への電動機電力Wmが突然ゼロ（Wm＝０）になり、発電機５０７によって回収された発電機電力Wｇが直流電力部で余剰電力となり、直流電力部の電圧Vdcは急激に上昇をはじめる。このとき、電圧検出センサ５２０によって得られた直流電力部の電圧Vdcが３００Vを超えると、ファン回転数制御手段５２１は送風ファン５２２の回転数を上昇するように指令し、直流電力部における余剰電力分を送風ファン５２２によって消費させることができる。これにより、直流電力部の電圧Vdcを所定の範囲に収めることが可能となる。その後、冷凍サイクルに残る高圧側と低圧側の差圧は膨張機５０３により徐々に均圧されるため、膨張機の発電機電力Wｇはゼロに収束する。
【００５０】
図５は、上記制御によるファン回転数制御手段５２１のフローチャートであり、直流電力部の電圧Vdcを所定の範囲内に抑える制御手順を示す。まず、ステップ２０１では、電圧検出センサ５２０により現在の直流電力部の電圧Vdcを検出し、前述した電圧制限値である３００V以下であるか判定する（ステップ２０２）。ステップ２０２で判定された結果が３００V以下であれば、現在の圧縮機５０１の周波数を読み取り（ステップ２０３）、送風ファン５２２の回転数を表１により決定（ステップ２０４）し、送風ファン５２２を指定の回転数で制御する（ステップ２０５）。また、ステップ２０２により検出された直流電力部の電圧Vdcが３００Vを超えた場合、ステップ２０６により送風ファン５２２の回転数を増加させるように制御する。このことにより電動機５０５への電動機電力Wmよりも膨張機５０３に直結された発電機５０７によって回収された発電機電力Wｇのほうが大きくなった場合においても、送風ファン５２２により確実に余剰電力を消費し、直流電力部の電圧Vdcを所定範囲内に制御することができるため、機器の安全性、信頼性が飛躍的に向上する。
【００５１】
以上にこの発明の具他的な実施の形態について説明したが、この発明は上記実施形態に限定されるものではない。
【００５２】
なお、ここでは冷凍サイクルの効率が最適になるように制御しているが、圧縮機５０１と放熱器５０２の間の冷媒配管５１８に取り付けられた温度センサ（図示せず）の温度情報によってその温度が一定になるように膨張機５０３の回転数を決定してもよい。
【００５３】
また、上記実施例で用いたファン回転数制御手段５２１における電圧の制限値（３００V）はインバータ５０６が本来持っている保護機能である直流電圧の上限値Vmaxより低い値で設定されていたが、ファン回転数制御手段５２１における電圧の制限値とインバータ５０６が本来持っている保護機能である直流電圧の上限値Vmaxは同じ値に設定してもよい。ここで、この直流電圧の上限値Vmaxとは直流電力部の電圧がこの上限値Vmaxを超えると、インバータ５０６を保護する目的でインバータ５０６の駆動を停止するしきい電圧である。図６は、ファン回転数制御手段５２１における電圧の制限値とインバータ５０６が持っている直流電圧の上限値Vmaxとを同じ値に設定した場合の、ファン回転数制御手段５２１の動作について説明した図である。これにより、インバータ５０６が停止すると同時にファン回転数制御手段５２１は送風ファン５２２の回転数を上昇するように制御することで、送風ファン５２２により確実に余剰電力を消費することができる。
【００５４】
また、インバータによって生成された上記インバータ保護信号の出力により前記送風用ファンの回転数を増加させるように制御してもよい。
【００５５】
（第２の実施形態）
以下、本発明の膨張機を用いた冷凍サイクル装置の第２の実施形態について説明する。
【００５６】
本第２の実施形態の構成は、図１に示す第１の実施形態のブロック構成図と同じであるが、そのファン回転数制御手段５２１の動作のみが第１の実施形態とは異なる。
【００５７】
図７は本実施形態による直流電力部の電圧部の制御方法について、ファン回転数制御手段５２１の動作について説明した図である。本来、インバータ５０６は直流電力部の電圧の下限値Vminを設定している。つまり、直流電力部の電圧がVmin以下になった場合、インバータ５０６を保護する目的で、インバータ５０６はその動作を停止する。以下に、ファン回転数制御手段５２１の動作を説明する。直流電力部の電圧がVmin以上の場合には、第１の実施形態と同様、ファン回転数制御手段５２１は表１に示したように送風ファン５２２を所定の回転数になるように制御している。しかし、一次側の入力電源などの瞬時停止によって、直流電力部の電圧が下降し、Vminよりも小さくなると、インバータ５０６はその動作を停止する。それによって５０１に直結された電動機５０５への電動機電力Wmがゼロとなり、第１の実施形態と同様に電動機電力Wmよりも膨張機５０３に直結された発電機５０７によって回収される発電機電力Wｇのほうが大きくなる（Ｗm＜Ｗg）。このとき、図１１に示したように直流電力部の電圧がVminを下回ると、ファン回転数制御手段５２１は送風ファン５２２の回転数を上昇するように制御し、送風ファン５２２によってその余剰電力を消費する。これにより、直流電力部の電圧を所定の範囲に収めることが可能となる。その後、冷凍サイクルにおける高圧側と低圧側の差圧は膨張機により均圧されるため、膨張機の発電機電力Wｇはゼロに収束する。図８は、上記制御によるファン回転数制御手段５２１のフローチャートであり、直流電力部の電圧を所定の範囲内に抑える制御手順を示す。
【００５８】
まず、ステップ３０１では、電圧検出センサ５２０により現在の直流電力部の電圧Vdcを検出し、前述した直流電圧の下限値Vmin以上であるか判定する（ステップ３０２）。ステップ３０２で判定された結果がVmin以上であれば、現在の圧縮機５０１の周波数を読み取り（ステップ３０３）、送風ファン５２２の回転数を表１により決定（ステップ３０４）し、送風ファン５２２を指定の回転数で制御する（ステップ３０５）。また、ステップ３０３により直流電力部の電圧Vdcが直流電圧の下限値Vmin以下の場合、ステップ３０６により送風ファン５２２の回転数を増加させるように制御する。このことにより電動機５０５への電動機電力Wmよりも膨張機５０３に直結された発電機５０７の発電機電力Wｇのほうが大きくなった場合においても、送風ファン５２２により確実に余剰電力を消費し、直流電力部の電圧を所定範囲内に制御することができるため、機器の安全性、信頼性が飛
躍的に向上する。
【００５９】
以上にこの発明の具他的な実施の形態について説明したが、この発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、本実施例で用いたファン回転数制御手段５２１における直流の電圧下限値はインバータ５０６が本来持っている保護機能である直流電圧の下限値Vminと同じになるように設定していたが、ファン回転数制御手段５２１における直流の電圧下限値とインバータ５０６が本来持っている保護機能である直流電圧の下限値Vminとがそれぞれ異なるように設定してもよい。例えば、インバータ５０６が本来持っている保護機能である直流電圧の下限値Vminよりもファン回転数制御手段５２１における直流の電圧の下限値を大きく設定しておくことにより、インバータ５０６が停止する以前にファン回転数制御手段５２１は送風ファン５２２の回転数を上昇するように制御することができる。
【００６０】
また、インバータによって生成された上記インバータ保護信号の出力により前記送風用ファンの回転数を増加させるように制御してもよい。
【００６１】
（第３の実施形態）
以下、本発明の膨張機を用いた冷凍サイクル装置の第３の実施形態について説明する。
【００６２】
図９は、本発明による第１の実施例の冷凍サイクル装置を示すブロック構成図である。
【００６３】
本第３の実施形態の構成は、図１に示す第１の実施形態のブロック構成図とほぼ同じであるが、そのファン回転数制御手段５２１への入力情報が直流電力部のDC電圧ではなくて、インバータ５０６に流れるインバータ電流値である部分が第１の実施形態とは異なる。また、その他の動作については本発明による第１の実施例における動作と同じである。
【００６４】
図１０は、本発明による第３の実施形態における図７のインバータ５０６の構成図である。
【００６５】
インバータ５０６は、電動機５０５、駆動手段１０４、２個の電流センサ１０５ａ、１０５ｂと、２軸電流変換手段１０６、回転子位置回転数推定手段１０７、正弦波電圧出力手段１０９、電流制御手段１１０、電流指令作成手段１１１、及び回転数制御手段１１２とから成る電子回路とから構成される。電動機５０５は外部より与えられる目標回転数の情報に基づいて回転数制御手段１１２により電流指令（トルク指令）を作成し、電流指令作成手段１１１によりγδ軸における電流指令（iγ＊、iδ＊）を作成する。電流センサ１０５ａ、１０５ｂによって得られた相電流Ｉu、Ｉvを２軸電流変換手段１０６によりγδ座標に変換したγδ軸電流（iγ、iδ）とγδ軸における電流指令（iγ＊、iδ＊）とにより電流制御手段１１０は電圧指令（vγ＊、vδ＊）を作成する。電動機５０５への３相交流の入力は、電流制御手段１１０によって作成された電圧指令vγ、vδに基づいて正弦波電圧手段109が出力のデューティを決定し、駆動手段104が出力デューティに基づいた電圧を電動機５０５に出力する。このようにして電動機５０５は回転数が目標回転数となるように制御が行われる。
【００６６】
図1１は図１０に示す電動機５０５の制御装置の駆動手段１０４の構成図である。この駆動手段１０４は、スイッチング素子１１３ａ、１１３ｂ、１１３ｃ、１１３ｄ、１１３ｅ、１１３ｆ及び還流ダイオード１１４ａ、１１４ｂ、１１４ｃ、１１４ｄ、１１４ｅ、１１４ｆが対になった変換回路と、ベースドライバ１１６、平滑コンデンサ１１７、直流電源１１８、シャント抵抗１２０から構成される。駆動手段１０４の３相交流の電動機入力は、スイッチング素子を介して、例えば直流電源１１８側から供給されるように接続されている。ここで、直流電源１１８は、ダイオードブリッジなどによって整流された出力
に相当する。正弦波電圧出力手段１０９によって作成されたスイッチングパターン信号は、ベースドライバ１１６によってスイッチング素子１１３ａ〜１１３ｆを電気的に駆動するためのドライブ信号に変換され、これらのドライブ信号にしたがって各スイッチング素子１１３ａ〜１１３ｆが動作する構成となっている。また、シャント抵抗１２０の両端で検出されたシャント電圧は、ファン回転数制御手段５２１へ接続されている。
【００６７】
図１２は本実施形態による直流電力部の電圧部の制御方法について、ファン回転数制御手段５２１の動作について説明した図である。ファン回転数制御手段５２１は逐次インバータ５０６に流れるインバータ電流Iinvをシャント抵抗１２０にかかるシャント電圧よりＶ＝Ｉ×Ｒの関係を用いて計算している。本来、インバータ５０６は電流が過大に流れるのを防止するために、インバータ電流Iinvの上限値Imaxを設定している。つまり、インバータ電流Iinvの上限値Imax以上の電流がインバータ５０６に流れた場合、インバータ５０６はその動作を停止する。以下にファン回転数制御手段５２１の動作を詳しく説明する。インバータ電流IinvがImax以下の場合には、第１の実施形態と同様に、ファン回転数制御手段５２１は表１に示したように送風ファン５２２を所定の回転数になるように制御している。しかし、冷凍サイクルの過負荷時などにおいて、過大なインバータ電流Iinvが流れ、インバータ電流Iinvの上限値Imaxよりも大きくなると、インバータ５０６はその動作を停止する。それによって５０１に直結された電動機５０５への電動機電力Wmがゼロとなり、第１の実施形態と同様に電動機電力Wmよりも膨張機５０３に直結された発電機５０７の発電機電力Wｇのほうが大きくなる（Ｗm＜Ｗg）。このとき、図１２に示したようにインバータ電流Iinvがインバータ電流Iinvの上限値Imaxを上回ると、ファン回転数制御手段５２１は送風ファン５２２の回転数を上昇するように制御し、送風ファン５２２によってその余剰電力を消費する。これにより、直流電力部の電圧を所定の範囲に収めることが可能となる。その後、冷凍サイクルにおける高圧側と低圧側の差圧は膨張機により均圧されるため、膨張機の発電機電力Wｇはゼロに収束する。図１３は、上記制御によるファン回転数制御手段５２１のフローチャートであり、直流電力部の電圧を所定の範囲内に抑える制御手順を示す。
【００６８】
まず、ステップ４０１では、ファン回転数制御手段５２１は現在のシャント電圧によりインバータ電流Iinv検出し、インバータ電流Iinvの上限値Imax以下であるか判定する（ステップ４０２）。ステップ４０２で判定された結果がImax以下であれば、現在の圧縮機５０１の周波数を読み取り（ステップ４０３）、送風ファン５２２の回転数を表１により決定（ステップ４０４）し、送風ファン５２２を指定の回転数で制御する（ステップ４０５）。また、ステップ４０２によりインバータ電流IinvがImaxを超えた場合、ステップ４０６により送風ファン５２２の回転数を増加させるように制御する。このことにより電動機５０５への電動機電力Wmよりも膨張機５０３に直結された発電機５０７の発電機電力Wｇのほうが大きくなった場合においても、送風ファン５２２により確実に余剰電力を消費し、直流電力部の電圧を所定範囲内に制御することができるため、機器の安全性、信頼性が飛躍的に向上する。
【００６９】
以上にこの発明の具他的な実施の形態について説明したが、この発明は上記実施形態に限定されるものではない。本実施例で用いたファン回転数制御手段５２１における電流の上限値はインバータ５０６が本来持っている保護機能である電流の上限値Imaxと同じ値であったが、それぞれ異なるように設定してもよい。例えばインバータ５０６のの上限値Imaxよりもファン回転数制御手段５２１における電流の上限値を小さく設定しておくことにより、インバータ５０６が停止する以前にファン回転数制御手段５２１は送風ファン５２２の回転数を上昇するように制御することができる。
【００７０】
また、インバータによって生成された上記インバータ保護信号の出力により前記送風用ファンの回転数を増加させるように制御してもよい。
【００７１】
（第４の実施形態）
以下、本発明の膨張機を用いた冷凍サイクル装置の第４の実施形態について説明する。
【００７２】
図１４は、本発明による第４の実施例の冷凍サイクル装置を示すブロック構成図である。
【００７３】
本第４の実施形態の構成は、図１に示す第１の実施形態のブロック構成図とほぼ同じであるが、圧縮機５０１と放熱器５０２との間に吐出温度センサ５２３を設置し、ファン回転数制御手段５２１への入力情報が直流電力部のDC電圧ではなくて、吐出温度センサ５２３によって得られた温度である部分が第１の実施形態とは異なる。
【００７４】
図１５は本実施形態による直流電力部の電圧部の制御方法について、ファン回転数制御手段５２１の動作について説明した図である。ファン回転数制御手段５２１は吐出温度を吐出温度センサ５２３より取得している。本来、インバータ５０６は吐出温度Toutが過大になるのを防止するために、吐出温度Toutの制限値Tmaxを設定している。つまり、Tmax以上となった場合、インバータ５０６はその動作を停止する。以下にファン回転数制御手段５２１の動作を説明する。吐出温度ToutがTmax以下の場合には、第１の実施形態と同様に、ファン回転数制御手段５２１は表１に示したように送風ファン５２２を所定の回転数になるように制御している。しかし、沸き上げ終了間際や、入水温度が高い時などにおいて、吐出温度Toutが高くなり、Tmaxよりも大きくなると、インバータ５０６はその動作を停止する。それによって５０１に直結された電動機５０５への電動機電力Wmがゼロとなり、第１の実施形態と同様に電動機電力Wmよりも膨張機５０３に直結された発電機５０７の発電機電力Wｇのほうが大きくなる（Ｗm＜Ｗg）。このとき、
図１４に示したように吐出温度ToutがTmaxを上回ると、ファン回転数制御手段５２１は送風ファン５２２の回転数を上昇するように制御し、送風ファン５２２によってその余剰電力を消費する。これにより、直流電力部の電圧を所定の範囲に収めることが可能となる。その後、冷凍サイクルにおける高圧側と低圧側の差圧は膨張機により均圧されるため、膨張機の発電機電力Wｇはゼロに収束する。図１５は、上記制御によるファン回転数制御手段５２１のフローチャートであり、直流電力部の電圧を所定の範囲内に抑える制御手順を示す。
【００７５】
まず、ステップ５０１では、現在の吐出温度センサ５２３により吐出温度Toutを検出し、前述した吐出温度制限値であるTmax以内であるか判定する（ステップ５０２）。ステップ５０２で判定された結果がTmax以内であれば、現在の圧縮機５０１の周波数を読み取り（ステップ５０３）、送風ファン５２２の回転数を表１により決定（ステップ５０４）し、送風ファン５２２を指定の回転数で制御する（ステップ５０５）。また、ステップ５０２により吐出温度ToutがTmaxを超えた場合、ステップ５０６により送風ファン５２２の回転数を増加させるように制御する。このことにより電動機５０５への電動機電力Wmよりも膨張機５０３に直結された発電機５０７の発電機電力Wｇのほうが大きくなった場合においても、送風ファン５２２により確実に余剰電力を消費し、直流電力部の電圧を所定範囲内に制御することができるため、機器の安全性、信頼性が飛躍的に向上する。
【００７６】
以上にこの発明の具他的な実施の形態について説明したが、この発明は上記実施形態に限定されるものではない。本実施例で用いたファン回転数制御手段５２１における吐出温度の制限値Tmaxはインバータ５０６が本来持っている保護機能である吐出温度の上限値と同じ値であったが、吐出温度の上限温度Tmaxが異なるように設定してもよい。例えば吐出温度制限値Tmaxよりも、ファン風量回転数手段５０９のほうが小さく設定しておくことにより、インバータ５０６が停止する以前にファン回転数制御手段５２１は送風ファン５２２の回転数を上昇するように制御してもよい。
【００７７】
以上にこの発明の具他的な実施の形態について説明したが、この発明は上記実施形態に限定されるものではない。本実施例で用いたファン回転数制御手段５２１における吐出温度の上限値はインバータ５０６が本来持っている保護機能である吐出温度の上限値Tmaxと同じ値であったが、それぞれ異なるように設定してもよい。例えばインバータ５０６の吐出温度制限値Tmaxよりもファン回転数制御手段５２１における吐出温度の上限値を小さく設定しておくことにより、インバータ５０６が停止する以前にファン回転数制御手段５２１は送風ファン５２２の回転数を上昇するように制御することができる。
【００７８】
また、インバータによって生成された上記インバータ保護信号の出力により前記送風用ファンの回転数を増加させるように制御してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００７９】
以上のように、本発明の膨張機を用いた冷凍サイクル装置は、構成部品の破壊がなく信頼性を高める効果を有し、冷暖房装置や給湯機などのヒートポンプ式冷凍装置などに有用である。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】本発明による第１の実施形態の冷凍サイクル装置を示すブロック構成図
【図２】放熱器出口圧力、温度に対する冷凍サイクルの効率の一例を示す図
【図３】第１の実施形態の冷凍サイクル装置における膨張機回転数決定のフローチャート
【図４】第１の実施形態の冷凍サイクル装置における直流電力部の電圧VdcとFAN回転数の推移を表す特性図
【図５】第１の実施形態の冷凍サイクル装置におけるファン回転数制御手段５２１のフローチャート
【図６】第１の実施形態の冷凍サイクル装置におけるVmax=300Vとしたときの直流電力部の電圧とFAN回転数の推移を表す特性図
【図７】第２の実施形態の冷凍サイクル装置における直流電力部の電圧VdcとFAN回転数の推移を表す特性図
【図８】第２の実施形態の冷凍サイクル装置におけるファン回転数制御手段５２１のフローチャート
【図９】本発明による第３の実施形態の冷凍サイクル装置を示すブロック構成図
【図１０】第３の実施形態の冷凍サイクル装置におけるインバータ５０６の構成図
【図１１】第３の実施形態の冷凍サイクル装置における電動機５０５の制御装置の駆動手段１０４の構成図
【図１２】第３の実施形態の冷凍サイクル装置におけるインバータ電流IinvとFAN回転数の推移を表す特性図
【図１３】第３の実施形態の冷凍サイクル装置におけるファン回転数制御手段５２１のフローチャート
【図１４】本発明による第４の実施形態の冷凍サイクル装置を示すブロック構成図
【図１５】第４の実施形態の冷凍サイクル装置における吐出温度ToutとFAN回転数の推移を表す特性図
【図１６】第４の実施形態の冷凍サイクル装置におけるファン回転数制御手段５２１のフローチャート
【図１７】膨張弁を用いた一般的な冷凍サイクル装置の構成図
【図１８】膨張機を用いた一般的な冷凍サイクル装置の構成図
【図１９】膨張機を用いた動力回収装置を示すブロック図
【符号の説明】
【００８１】
１０４    駆動手段
１０５ａ、１０５ｂ    電流センサ
１０６    ２軸電流変換手段
１０７    回転子位置・回転子速度推定手段
１０９    正弦波電圧出力手段
１１０          電流制御手段
１１１    電流指令作成手段
１１２    回転数制御手段
５０１    圧縮機
５０２    放熱器
５０３    膨張機
５０４    蒸発器
５０５    電動機
５０６    インバータ装置
５０７    発電機
５０８    可変速コンバータ
５０９    膨張機回転数決定手段
５１０    交流電源
５１１    整流回路
５１２    平滑コンデンサ
５１３    スイッチング素子
５１４    負荷抵抗
５１５    電圧処理手段
５１６    温度センサ
５１７    圧力センサ
５１８    冷媒配管
５２０    電圧検出センサ
５２１    ファン回転数制御手段
５２２    送風ファン
５２３    吐出温度センサ
８０３ａ〜８０３ｆ  スイッチング素子
８０４ａ〜８０４ｆ  還流ダイオード
８０５ａ、８０５ｂ  電流センサ
８０６    ２軸電流変換手段
８０７    回転子位置回転数推定手段
８０８    ベースドライバ
８０９    正弦波電圧出力手段
８１０    電流制御手段
８１１    電流指令作成手段
８１２    回転数制御手段
【図１】
2008164267.tif 000004
【図２】
2008164267.tif 000005
【図３】
2008164267.tif 000006
【図４】
2008164267.tif 000007
【図５】
2008164267.tif 000008
【図６】
2008164267.tif 000009
【図７】
2008164267.tif 000010
【図８】
2008164267.tif 000011
【図９】
2008164267.tif 000012
【図１０】
2008164267.tif 000013
【図１１】
2008164267.tif 000014
【図１２】
2008164267.tif 000015
【図１３】
2008164267.tif 000016
【図１４】
2008164267.tif 000017
【図１５】
2008164267.tif 000018
【図１６】
2008164267.tif 000019
【図１７】
2008164267.tif 000020
【図１８】
2008164267.tif 000021
【図１９】
2008164267.tif 000022