(57)【要約】【課題】圧縮機駆動装置において、安価なインバータ制御を用いて始動性が良好でかつ高効率な運転が可能にする。【解決手段】圧縮機駆動装置は、流体を吸い込んで圧縮する圧縮機構部及び圧縮機構部を駆動する電動機を有する圧縮機１０と、電動機８を可変速度で駆動するインバータ装置１２とを備える。電動機は回転子にかご型導体及び着磁された永久磁石を有する自己始動式電動機で構成すると共に、インバータ装置は電動機の駆動周波数を制御する複数の半導体スイッチを有して構成する。【選択図】　図４
2004104895.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体を吸い込んで圧縮する圧縮機構部及び前記圧縮機構部を駆動する電動機を有する圧縮機と、前記電動機を可変速度で駆動するインバータ装置とを備え、
前記電動機は回転子にかご型導体及び着磁された永久磁石を有する自己始動式電動機で構成し、
前記インバータ装置は前記電動機の駆動周波数を制御する複数の半導体スイッチを有して構成した
ことを特徴とする圧縮機駆動装置。
【請求項２】
流体を吸い込んで圧縮する圧縮機構部及び前記圧縮機構部を駆動する電動機を有する圧縮機と、前記電動機を可変速度で駆動するインバータ装置と、前記圧縮機及び前記インバータ装置の接続を切換える切換手段とを備え、
前記電動機は回転子にかご型導体及び着磁された永久磁石を有する自己始動式電動機で構成し、
前記切換手段は前記電動機を商用電源による定速度及び前記インバータ装置による可変速度のいずれでも運転可能に切換えられるように構成した
ことを特徴とする圧縮機駆動装置。
【請求項３】
請求項２において、前記インバータ装置の故障を検出した場合に、前記切換手段を前記インバータ装置による可変速度運転から商用電源による定速度運転に自動的に切換える制御手段を設けたことを特徴とする圧縮機駆動装置。
【請求項４】
請求項１から３の何れかにおいて、前記電動機は回転子に２極の永久磁石を有し、前記永久磁石の各極を複数の永久磁石に分割して前記回転子の円周に沿うように配置したことを特徴とする圧縮機駆動装置。
【請求項５】
圧縮機、室外熱交換器、膨張装置、室内熱交換器を冷媒配管で接続した冷凍サイクルと、前記圧縮機を可変速度で駆動するインバータ装置と、前記圧縮機を制御する制御手段とを備え、
前記圧縮機は、流体を吸い込んで圧縮する圧縮機構部と、前記圧縮機構部を駆動する電動機と、前記圧縮機構部及び前記電動機を収納した密閉容器とを備えて構成し、
前記制御手段は制御信号に基づいて前記インバータ装置を制御するように構成し、
前記電動機は回転子にかご型導体及び着磁された永久磁石を有する自己始動式電動機で構成し、
前記インバータ装置は前記電動機の駆動周波数を制御する複数の半導体スイッチを有して構成した
ことを特徴とする冷凍空調装置。
【請求項６】
圧縮機、室外熱交換器、膨張装置、室内熱交換器を冷媒配管で接続した冷凍サイクルと、前記圧縮機を可変速度で駆動するインバータ装置と、前記圧縮機及び前記インバータ装置の接続を切換える切換手段と、前記圧縮機を制御する制御手段とを備え、
前記圧縮機は、流体を吸い込んで圧縮する圧縮機構部と、前記圧縮機構部を駆動する電動機と、前記圧縮機構部及び前記電動機を収納した密閉容器とを備えて構成し、
前記制御手段は制御信号に基づいて前記インバータ装置を制御するように構成し、
前記電動機は回転子にかご型導体及び着磁された永久磁石を有する自己始動式電動機で構成し、
前記切換手段は前記電動機を商用電源による定速度及び前記インバータ装置による可変速度のいずれでも運転可能に切換えられるように構成した
ことを特徴とする冷凍空調装置。
【請求項７】
前記請求項６において、前記インバータ装置の故障を検出した場合に、前記切換スイッチを前記インバータ装置による可変速度運転から商用電源による定速度運転に自動的に切換える制御手段を設けたことを特徴とする冷凍空調装置。
【請求項８】
請求項５から７の何れかにおいて、前記電動機は回転子に２極の永久磁石を有し、前記永久磁石の各極を複数の永久磁石に分割して前記回転子の円周に沿うように配置したことを特徴とする冷凍空調装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧縮機駆動装置及び冷凍空調装置に係り、特に蒸気圧縮冷凍サイクルに用いる圧縮機駆動装置及びこれを搭載した空気調和機、冷蔵庫、冷凍庫などの冷凍空調装置に好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来技術１の圧縮機駆動装置としては、特開平５−２１１７９６号公報に開示されたものがある。この圧縮機は、交流電源をコンバータに供給することにより直流電圧を得、この直流電圧をインバータに供給することにより三相交流電圧を得、さらにこの三相交流電圧をブラシレスＤＣモータの電機子巻線に供給するようにしたものである。そして、この圧縮機では、誘起電圧検出部によりブラシレスＤＣモータの誘起電圧を検出して間接的に磁極位置を検出し、運転周波数指令値および誘起電圧検出部からの検出信号を入力としてインバータ制御部によりインバータに電流制御あるいは電圧制御、速度制御等を行なうためのインバータ制御信号を供給するようにしている。なお、当該ブラシレスＤＣモータは回転子鉄心に永久磁石を設けて構成されている。
【０００３】
従来技術２の空気調和装置としては、特開２００１−３８６４号公報に開示されたものがある。この空気調和装置は、圧縮機と凝縮器と絞り装置と蒸発器とを冷媒配管で接続した冷凍サイクルを備えた空気調和装置において、前記圧縮機を駆動する始動時に誘導電動機として始動すると共に同期回転数近くで同期引込みを行って同期運転を行なう永久磁石組込誘導電動機と、この永久磁石組込誘導電動機に電力を供給する３相電源と前記永久磁石組込誘導電動機間を接続する３相回路の各相に双方向性を有するスイッチング素子と、商用電源周波数の１／（６ｎ＋１）（ｎは正の整数）で間欠的に前記スイッチング素子を導通させる制御手段とを備えるようにしたものである。
【０００４】
従来技術３の永久磁石電動機としては、特開平９−３２２４４４号公報に開示されたものがある。この永久磁石電動機は、ロータに永久磁石及びかご形導体を設け、電動機本体に一体に設けられたインバータ装置により運転制御することができるものである。そして、この従来技術３には、ロータにかご形導体が設けられているので、インバータ装置が故障したような場合には、商用電源で直接運転すると、誘導電動機として始動可能であると共に運転可能である旨が記載されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平５−２１１７９６号公報
【特許文献２】
特開２００１−３８６４号公報
【特許文献３】
特開平９−３２２４４４号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来技術１では、ブラシレスＤＣモータを用いることにより三相誘導電動機に比較して高効率となるが、ブラシレスＤＣモータを始動および駆動するために、ブラシレスＤＣモータの誘起電圧を検出して間接的に磁極位置を検出し、インバータ装置を制御することが必要であり、インバータ装置の制御が複雑となり、高価になってしまうという課題があった。また、従来技術１では、交流電源から単にインバータ装置を介してブラシレスＤＣモータに電力を供給するようにしているため、インバータ装置が故障した場合にブラシレスＤＣモータの運転を継続することができないという課題があった。
【０００７】
また、上述した従来技術２では、単に各相に設けた双方向性を有するスイッチング素子を制御手段で間欠的に導通させるように制御するものであるため、きめ細かな制御が難しいという課題があった。また、従来技術２では、交流電源から単に双方向性スイッチング素子を介して永久磁石組込誘導電動機に電力を供給するようにしているため、双方向性スイッチング素子が故障した場合に永久磁石組込誘導電動機の運転を継続することができないという課題があった。
【０００８】
また、上述した従来技術３は、電動機に関するものであって圧縮機駆動装置及び冷凍空調装置に関しては何等開示されていなかった。また、従来技術３では、インバータ装置が故障した場合に、インバータ装置を取り外して商用電源に直接接続し直すことが必要となり、極めて面倒な作業を伴うことが想定される。
【０００９】
本発明の目的は、安価なインバータ制御を用いて始動性が良好でかつ高効率な運転が可能な圧縮機駆動装置及び冷凍空調装置を得ることにある。
【００１０】
本発明の他の目的は、安価なインバータ制御を用いて始動性が良好でかつ高効率な運転が可能であると共にインバータ装置が故障しても容易に商用電源による運転を行なうことが可能な信頼性の高い圧縮機駆動装置及び冷凍空調装置を得ることにある。
【００１１】
本発明のその他の目的と有利点は以下の記述から明らかにされる。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明は、流体を吸い込んで圧縮する圧縮機構部及び前記圧縮機構部を駆動する電動機を有する圧縮機と、前記電動機を可変速度で駆動するインバータ装置とを備えた圧縮機駆動装置において、前記電動機は回転子にかご型導体及び着磁された永久磁石を有する自己始動式電動機で構成し、前記インバータ装置は前記電動機の駆動周波数を制御する複数の半導体スイッチを有して構成したものである。
【００１３】
前記他の目的を達成するために、本発明は、流体を吸い込んで圧縮する圧縮機構部及び前記圧縮機構部を駆動する電動機を有する圧縮機と、前記電動機を可変速度で駆動するインバータ装置と、前記圧縮機及び前記インバータ装置の接続を切換える切換手段とを備えた圧縮機駆動装置において、前記電動機は回転子にかご型導体及び着磁された永久磁石を有する自己始動式電動機で構成し、前記切換手段は前記電動機を商用電源による定速度及び前記インバータ装置による可変速度のいずれでも運転可能に切換えられるように構成したものである。
【００１４】
本発明のその他の手段は以下の記述から明らかにされる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施例に係る容量制御形スクロール圧縮機及びこれを搭載した空気調和機について図を参照しながら説明する。
【００１６】
まず、本実施例の空気調和機について図１を参照しながら説明する。
【００１７】
この空気調和機は、圧縮機１０、四方弁１９、室外熱交換器１４、室外膨張装置１５、アキュームレータ１３、室外送風装置１８、インバータ装置１２及び室外制御手段２４ａで構成される室外機２１と、室内膨張装置１６、室内熱交換器１７、室内送風装置２０及び室内制御手段２４ｂで構成される室内機２２とを備えて構成される。室外制御手段２４ａと室内制御手段２４ｂは、制御手段２４（図４参照）を構成する。
【００１８】
この空気調和機の主要部を構成する冷凍サイクルは、圧縮機１０、冷房運転サイクルや暖房運転サイクルなどに切換える四方弁１９、凝縮器または蒸発器を構成する室外熱交換器１４、減圧装置を構成する室外膨張装置１５、減圧装置を構成する室内膨張装置１６、蒸発機器または凝縮器を構成する室内熱交換器１７、アキュームレータ１３を冷媒配管で接続することにより形成される。
【００１９】
冷房運転時には、四方弁１９が実線に示すように動作し、圧縮機１０、四方弁１９、室外熱交換器１４、全開状態の室外膨張装置１５、室内膨張装置１６、四方弁１９、室内熱交換器１７、アキュームレータ１３及び圧縮機１の順に冷媒を流す冷房サイクルが構成される。
【００２０】
暖房運転時には、四方弁１９が点線に示すように動作し、圧縮機１０、四方弁１９、室内熱交換器１７、全開状態の室内膨張装置１６、室外膨張装置１５、室外熱交換器１４、四方弁１９、アキュームレータ１３及び圧縮機１の順に冷媒を流す暖房サイクルが構成される。
【００２１】
係る空気調和機における圧縮機駆動装置について図２から図６を参照しながら説明する。
【００２２】
圧縮機駆動装置は、図４及び図５に示すように、圧縮機１０、インバータ装置１２、切換手段２３、制御手段２４、操作装置２５を備えて構成されている。圧縮機１０はスクロール圧縮機で構成されている。
【００２３】
圧縮機１０を構成する固定スクロール１は、図２に示すように、円板状に形成された鏡板１ａと、この鏡板１ａに渦巻き状に立設されたラップ部１ｂとを備えて構成されている。鏡板１ａの中央部には吐出穴１ｃが形成されている。そして、固定スクロール１は、ボルト等によりフレーム３に固定されている。固定スクロール１と一体となったフレーム３は溶接手段等により密閉容器７に固定されている。従って、固定スクロール１はフレーム３を介して密閉容器７に固定されることとなる。
【００２４】
旋回スクロール２は、円板状の鏡板２ａと、この鏡板２ａに渦巻き状に立設されたラップ部２ｂと、鏡板２ａの背面中央に設けられたボス部２ｃとを備えて構成されている。そして、旋回スクロール２は、固定スクロール１に対向して組み合わされて配置され、フレーム３内に旋回可能に設けられている。
【００２５】
密閉容器７は、固定スクロール１、旋回スクロール２及びフレーム３等からなる圧縮機構部９と、固定子８ａ、回転子８ｂ等からなる電動機８と、これらの摺動部に供給される潤滑油（図示せず）とを内部に収納した密閉構造になっている。圧縮機構部９と電動機８とは上下に配置されている。密閉容器７は、圧縮機構部９の吐出穴１ｃを通して吐出される圧縮流体（本実施例では冷凍サイクル用として用いられる冷媒のガス）による高圧に耐えられるようになっている。
【００２６】
電動機８の回転子８ｂに固定された駆動軸６は、フレーム３に軸受４、５を介して回転自在に支持され、固定スクロール１の軸線と同軸となっている。この駆動軸６の先端には、駆動軸６の軸線に対して偏心されたクランク６ａが設けられている。このクランク６ａには、旋回軸受を介して旋回スクロール２のボス部２ｃが回転可能に取り付けられている。このとき、旋回スクロール２は軸線が固定スクロール１の軸線に対して所定距離だけ偏心した状態となっており、駆動軸６が回転することによって旋回スクロール２が旋回運動する。
【００２７】
旋回スクロール２の旋回運動により、両ラップ部１ｂ、２ｂ間に形成される複数の三日月形状の圧縮室は、中央部に移動して連続的に容積が縮小され、中央部に至って吐出穴１ｃに連通されると共に相互に連通されるように構成されている。
【００２８】
吸入口７ａは、圧縮される作動流体の吸込み部を構成し、最外周の圧縮室と連通するように構成されている。また、吐出穴１ｃは、圧縮された作動流体の吐出部を構成し、固定スクロール１の鏡板１ａの中心部に穿設して構成されている。吐出口７ｂは、圧縮された作動流体の密閉容器７外への吐出部を構成し、密閉容器７内から外部に突出するように構成されている。
【００２９】
電動機８に通電されて駆動軸６が回転駆動されると、駆動軸６のクランク６ａが偏心回転され、このクランク６ａの偏心回転が旋回軸受を介して旋回スクロール２に伝えられる。この結果、旋回スクロール２は、固定スクロール１の軸線を中心に、所定距離の旋回半径をもって旋回運動される。
【００３０】
この旋回スクロール２の旋回運動によって、各ラップ部１ｂ、２ｂの間にできる圧縮室は中央に移動するに従い連続的に縮小し、吸入口７ａから吸入された作動流体が順次圧縮され、所定圧力に圧縮された作動流体が吐出穴１ｃから密閉容器７内に吐出される。吐出された作動流体は固定子８ａ、回転子８ｂの周囲を通り密閉容器７内全体に満たされる。密閉容器７内の作動流体は吐出口７ｂを通して密閉容器７外の冷凍サイクルに導かれる。
【００３１】
電動機８は、図３に示すように、自己始動式電動機で構成されている。固定子８ａは、内周近傍に等間隔に多数のスロットを形成すると共に、このスロット内に３相巻線８ｃを有している。回転子８ｂは、２極に着磁された永久磁石８ｄと、外周近傍に等間隔に多数の導体を埋設したかご形導体８ｅとを同一回転子に備えて構成されている。永久磁石８ｄの各磁極は複数の磁石に分割して構成され、３個のＮ極磁石と３個のＳ極磁石とが円周状になるように形成されている。
【００３２】
圧縮機１０は、図４及び図５に示すように、切換手段２３及びインバータ装置１２を介して３相交流の商用電源１１に接続される。
【００３３】
インバータ装置１２は、図６に示すように、交流電源１１からの交流電圧をコンバータ部２２２ａで直流にし、直流／交流変換器であるインバータ部２２１ａを制御手段２４で交流周波数として制御し、これによって圧縮機１０を回転数可変に駆動する。コンバータ部２２２ａは複数の整流素子２２２がブリッジ結線されて構成されている。インバータ部２２１ａは、スイッチング素子２２１ＵＰ、２２１ＵＮ、２２１ＶＰ、２２１ＶＮ、２２１ＷＰ、２２１ＷＮが三相ブリッジ結線され、これらの素子にフライホイール素子２２３が接続されて構成された電力変換手段である。
【００３４】
コンバータ部２２２ａとインバータ部２２１ａとの間には平滑用コンデンサ２５１が接続されている。また、コンバータ部２２２ａとインバータ部２２１ａとは、マグネットスイッチ２５３及び力率用リアクトル２５２を直列に介して接続されている。マグネットスイッチ２５３の接点間には突入抑制抵抗２４４が接続されている。
【００３５】
制御手段２４は、制御手段を駆動するための電源回路２３３、インバータ部２２１ａを駆動するためのドライバ回路２３２、インバータ装置１２の温度（図示例では第１の基板２２０の温度）を検出するための温度検出機構２６１、インバータ部２２１ａに供給される直流電圧を検出するための電圧検出機構２６０、インバータ部２２１ａから圧縮機１０に供給される電流を検出するための電流検出機構２３４が接続されている。
【００３６】
第１の基板２２０には、コンバータ部２２２ａ、インバータ部２２１ａ及び温度検出機構２６１が搭載されている。第２の基板２３０には、電源回路２３３、ドライバ回路２３２、電圧検出機構２６０、電流検出機構２３４及びインターフェイス用コネクタ２２９が搭載されている。
【００３７】
制御手段２４はインターフェイス２４１を通してサイクル制御基板２５４に搭載された装置に接続されている。インターフェイス２４１はインターフェイス用コネクタ２４２及びフォトカプラ２４３を備えて構成され、第３の基板２４０に搭載されている。
【００３８】
切換手段２３は、図４及び図５に示すように、２個の切換スイッチ２３ａ、２３ｂとバイパス配線２３ｃとを備えて構成されている。切換スイッチ２３ａは圧縮機１０をインバータ装置１２とバイパス配線２３ｃとに切換接続し、切換スイッチ２３ｂは商用電源１１をインバータ装置１２とバイパス配線２３ｃとに切換接続するように構成されている。即ち、切換手段２３は圧縮機１０を商用電源による定速度運転とインバータ装置による可変速度運転とに切換えるように構成されている。
【００３９】
制御手段２４は、空気調和機の使用者が操作する操作装置２５や空気調和機の運転状態を検出する検出センサなどの信号に基づいてインバータ装置１２及び切換手段２３を制御すると共に、インバータ装置１２の故障を検出して切換手段２３を制御するように構成されている。操作装置２５はリモコンなどで構成され、検出センサは室内温度、室外温度、冷凍サイクルの各部温度、室内湿度などを検出するセンサで構成されている。
【００４０】
通常、圧縮機１０はインバータ装置１２を介して商用電源１１に接続されて運転される。従来技術１の圧縮機では、ブラシレスＤＣモータを駆動するインバータ装置を制御するために、回転子の磁極位置を検知し、磁極位置と固定子巻線により発生する磁極位置の関係が最適になるように電流位相を制御する機能を必要とする。
【００４１】
しかし、本実施例では、インバータ装置１２は必ずしも電流位相制御機能を有していなくても良い。即ち、電動機８は、始動から同期回転に到達するまでの間、３相巻線８ｃ及びかご形導体８ｅの働きにより誘導電動機として運転し、同期回転に到達すると３相巻線８ｃ及び永久磁石８ｄの働きにより同期電動機として運転される。このため、インバータ装置１２の電流位相制御と電動機８のマッチングが不要であり、インバータ装置１２の制御が簡素化できると共に、圧縮機１０の始動不良も発生しにくい。また、電動機８は、同期回転で運転中、回転子８ｂに２次電流が発生しないので、効率よく運転できるとともに、滑りが０であるため能力向上に効果がある。また、インバータ装置１２により同期回転数を変化させることで圧縮機１０の容量制御を行なうことができる。
【００４２】
インバータ装置１２が故障した場合には、温度検出機構２６１、電圧検出機構２６０及び電流検出機構２３４で検出して制御手段２４を動作させて、図５に示すように切換手段２３を切換え、圧縮機１０を商用電源１１に直接接続されるようにする。これにより、定速型圧縮機として圧縮機１０の運転を継続することが可能である。即ち、インバータ装置１２は、インバータ装置１２の故障を検出し、これに基づいて切換スイッチ２３ａ、２３ｂをインバータ装置１２側からバイパス配線２３ｃ側に自動的に切換えて接続する。
【００４３】
【発明の効果】
上述した説明から明らかなように本発明によれば、安価なインバータ制御を用いて始動性が良好でかつ高効率な運転が可能な圧縮機駆動装置及び冷凍空調装置を得ることができる。
【００４４】
また、本発明によれば、安価なインバータ制御を用いて始動性が良好でかつ高効率な運転が可能であると共にインバータ装置が故障しても容易に商用電源による運転を行なうことが可能な信頼性の高い圧縮機駆動装置及び冷凍空調装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示す空気調和機の構成図である。
【図２】図１の空気調和機におけるスクロール圧縮機の縦断面図である。
【図３】図２の圧縮機における電動機の横断面図である。
【図４】図１の空気調和機における圧縮機駆動装置のインバータ装置通電時の回路図である。
【図５】図１の空気調和機における圧縮機駆動装置のインバータ装置非通電時の回路図である。
【図６】図４に示すインバータ装置の回路図である。
【符号の説明】
１…固定スクロール、１ａ…鏡板、１ｂ…ラップ部、１ｃ…吐出穴、２…旋回スクロール、２ａ…鏡板、２ｂ…ラップ部、２ｃ…ボス部、３…フレーム、４…軸受、５…軸受、６…回転軸、６ａ…クランク、７…密閉容器、７ａ…吸入口、７ｂ…吐出口、８…電動機、８ａ…固定子、８ｂ…回転子、８ｃ…３相巻線、８ｄ…永久磁石、８ｅ…導体、９…圧縮機構部、１０…圧縮機、１１…商用電源、１２…インバータ装置、１３…アキュームレータ、１４…室外熱交換器、１５…室外膨張装置、１６…室内膨張装置、１７…室内熱交換器、１８…室外送風装置、１９…四方弁、２０…室内送風装置、２１…室外機、２２…室内機、２３…切換手段、２３ａ、２３ｂ…切換スイッチ、２３ｃ…バイパス配線、２４…制御手段、２５…操作装置。
【図１】
2004104895.tif 000003
【図２】
2004104895.tif 000004
【図３】
2004104895.tif 000005
【図４】
2004104895.tif 000006
【図５】
2004104895.tif 000007
【図６】
2004104895.tif 000008