(57)【要約】ヒートポンプ応用機器６００は、作動流体を圧縮する圧縮機６０２と、圧縮機６０２を駆動する電動機６０５と、作動流体を膨張させる膨張機５０１と、膨張機５０１に接続され作動流体が膨張する際に膨張機５０１によって回収される動力を電力に変換する発電機５０３と、発電機５０３に接続され発電機５０３で発生する交流電流を直流電流に変換するとともに、電動機６０５の回転数を下げて当該ヒートポンプ応用機器６００の運転を停止させるための運転停止契機の発生後、少なくとも発電機５０３を流れる電流の値が予め定められた所定値（ＩＥ１）以下となるまで発電機５０３の駆動制御を継続し、発電機５０３を流れる電流の値が所定値以下となった後、発電機５０３の動作を停止させる可変速コンバータ５０５とを備えている。
2007049506.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、
前記圧縮機を駆動する電動機と、
前記作動流体を膨張させる膨張機と、
前記膨張機に接続され前記作動流体が膨張する際に前記膨張機によって回収される動力を電力に変換する発電機と、
前記発電機に接続され前記発電機で発生する交流電流を直流電流に変換するとともに、前記電動機の回転数を下げて当該ヒートポンプ応用機器の運転を停止させるための運転停止契機の発生後、少なくとも前記発電機を流れる電流の値が所定値以下となるまで前記発電機の駆動制御を継続し、前記発電機を流れる電流の値が前記所定値以下となった後、前記発電機の動作を停止させる可変速コンバータと、
を備えたヒートポンプ応用機器。
【請求項２】
前記可変速コンバータは、前記運転停止契機の発生後、前記発電機を流れる電流の値が前記所定値以下となるまで、前記運転停止契機の発生時よりも低い回転数、または前記運転停止契機の発生時の回転数を実現するように前記発電機の駆動制御を継続する、請求項１記載のヒートポンプ応用機器。
【請求項３】
前記運転停止契機の発生に応じて、前記発電機を流れる電流の値が前記所定値以下であるかどうかを判断する手段（Ａ）をさらに備える、または前記可変速コンバータがその手段（Ａ）を含み、
前記可変速コンバータは、前記発電機を流れる電流の値が前記所定値を超えている場合には、前記発電機を流れる電流の値が前記所定値以下となるまで前記発電機の駆動制御を継続し、前記発電機を流れる電流の値が前記所定値以下になった場合に、前記発電機の動作を停止させる、請求項１記載のヒートポンプ応用機器。
【請求項４】
前記手段（Ａ）は、さらに、前記発電機が力行運転を行っているかどうかを判断し、
前記発電機が力行運転を行っている場合、前記可変速コンバータは、直ちに前記発電機の駆動制御を終了する、請求項３記載のヒートポンプ応用機器。
【請求項５】
前記可変速コンバータは、前記発電機に三相電力線で接続され、前記発電機の動作を停止させる際に、前記発電機の各相巻線への直流励磁を行う、請求項１記載のヒートポンプ応用機器。
【請求項６】
前記所定値は、前記各相巻線への直流励磁を行った際に前記発電機を流れる電流が前記可変速コンバータの素子耐量を超えることがないように定められた値である、請求項５記載のヒートポンプ応用機器。
【請求項７】
前記所定値は、前記各相巻線への直流励磁を行った際に前記発電機の回転数が減少する状態に対応して定められた値である、請求項５記載のヒートポンプ応用機器。
【請求項８】
前記発電機が、永久磁石型同期発電機であり、
前記所定値は、前記各相巻線への直流励磁を行った際に前記永久磁石型同期発電機を流れる電流が、前記永久磁石型同期発電機の減磁電流量を超えることがないように定められた値である、請求項５記載のヒートポンプ応用機器。
【請求項９】
前記電動機に接続され直流電流を交流電流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をさらに備え、
前記インバータは、前記運転停止契機の発生に応じて前記作動流体の高低圧差が縮小するように前記電動機の回転数を下げ、かつ回生電力消費のために前記発電機を流れる電流の値が前記所定値以下となるまで前記電動機の駆動制御を継続する、請求項１記載のヒートポンプ応用機器。
【請求項１０】
前記可変速コンバータに接続され、前記電動機に代わって、前記発電機が生成する回生電力を消費または蓄電しうる保護回路さらに備えた請求項１記載のヒートポンプ応用機器。
【請求項１１】
前記保護回路は、前記可変速コンバータに接続する直流電力線上に設けられた第１のスイッチと、前記第１のスイッチと前記可変速コンバータとの間において前記可変速コンバータに対して並列となるように前記直流電力線に接続された第２のスイッチと、前記第２のスイッチに対して直列となるように前記直流電力線に接続された負荷または蓄電部とを含み、
前記第１のスイッチがオフ、前記第２のスイッチがオンとなることにより、前記負荷で回生電力が消費される、または前記蓄電部に回生電力が蓄えられる、請求項１０記載のヒートポンプ応用機器。
【請求項１２】
作動流体を膨張させる膨張機と、
前記膨張機に接続され前記作動流体が膨張する際に前記膨張機によって回収される動力を電力に変換する発電機と、
前記発電機に接続され前記発電機で発生する交流電流を直流電流に変換する可変速コンバータと、
前記可変速コンバータに接続され、前記膨張機の駆動中に制御信号が供給され、前記制御信号の供給が停止したときに前記発電機が生成する回生電力を消費または蓄電する保護回路と、
を備えたヒートポンプ応用機器。
【請求項１３】
前記保護回路は、前記可変速コンバータに接続する直流電力線上に設けられた第１のスイッチと、前記第１のスイッチと前記可変速コンバータとの間において前記可変速コンバータに対して並列となるように前記直流電力線に接続された第２のスイッチと、前記第２のスイッチに対して直列となるように前記直流電力線に接続された負荷または蓄電部とを含み、
前記制御信号の供給が停止したときは、前記第１のスイッチをオフ、前記第２のスイッチをオンとする、請求項１２記載のヒートポンプ応用機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、膨張機を用いたヒートポンプ応用機器に関する。
【背景技術】
【０００２】  空気調和装置や給湯装置に適用される従来のヒートポンプ応用機器では、膨張弁を用いて冷媒を減圧膨張させている。近年、膨張機を用いて冷媒が高圧から低圧に膨張する際の動力を回収するとともに、その動力を利用して、蒸気圧縮サイクルのエネルギー効率を向上させる試みがある。膨張機で取り出した動力で発電機を回転させて電力を発生させ、圧縮機を駆動する電動機にその電力を供給することにより、消費電力を低減することができる。【０００３】  ヒートポンプ応用機器は、膨張弁を用いる場合と、膨張機を用いる場合とで、運転停止手順を異ならせる必要がある。膨張弁を用いたヒートポンプ応用機器の運転停止手順はいたって簡単であり、通常は圧縮機の駆動を停止するだけである。つまり、特別な制御を必要としない。冷媒回路が高圧側と低圧側とに分かれた状態がしばらく続くが、このことが大きな問題に発展することはない。また、運転を停止する際に膨張弁を全開にすることにより、冷媒回路全体の圧力を素早く均一にすることも可能である。【０００４】  これに対し、膨張機を用いたヒートポンプ応用機器は、運転を停止する際に、冷媒回路全体の圧力を瞬時に均一にすることができない。膨張機の吸入側には高圧の冷媒が残り、吐出側には低圧の冷媒が残るので、膨張機には、高圧冷媒と低圧冷媒との差圧が大きくかかったままとなる。その結果、例えばロータリー式の膨張機であれば、残存差圧に基づいてピストンがシリンダ内で高速で自由回転し、膨張機が破壊される可能性がある。【０００５】  運転停止時の残存差圧に関する問題は、圧縮機の分野では一応知られている。ただし、圧縮機の場合、吐出側が高圧、吸入側が低圧となるので、逆回転を誘発する力が加わるという点で膨張機の場合と異なる。逆回転を防止するために、例えば、シャフトの下端に抵抗体を配置する構成が提案されている（特開平９−１５８８５１号公報）。図８は、特開平９−１５８８５１号公報に開示されている従来のスクロール型流体機械の断面図である。【０００６】  図８に示すスクロール型流体機械１００は、密閉容器１、圧縮機部２０および電動機部７を含む。密閉容器１の底部には、圧縮機部２０の摺動部を潤滑する潤滑油３７が溜められている。また、回転円盤４０がシャフト１０に取り付けられ、抵抗体となる傾斜翼４１が潤滑油３７に浸漬するように、回転円盤４０に設けられている。【０００７】  ここで、スクロール型流体機械１００がその運転を停止したとき、圧縮機部２０に残る差圧に基づいて、シャフト１０が逆回転しようとしても、回転円盤４０の傾斜翼４１が潤滑油３７の抵抗を受け、逆回転が阻止される。【０００８】  しかしながら、傾斜翼４１のような抵抗体を設けると、通常の運転時でも傾斜翼４１が潤滑油３７の中を回転するため抵抗となり、運転に余分な動力が必要になる。そもそも、膨張機の場合は、残存差圧によって正方向への回転が加速されるので、逆回転を防止するための圧縮機の技術をそのまま膨張機に適用することは不可能である。
【発明の開示】
【０００９】  そこで本発明は、運転停止時に膨張機が破壊されることがなく、余分な動力を必要としない、信頼性が高い、膨張機を用いたヒートポンプ応用機器を提供することを目的とする。
【００１０】  すなわち、本発明は、
作動流体を圧縮する圧縮機と、
圧縮機を駆動する電動機と、
作動流体を膨張させる膨張機と、
膨張機に接続され作動流体が膨張する際に膨張機によって回収される動力を電力に変換する発電機と、
発電機に接続され発電機で発生する交流電流を直流電流に変換するとともに、電動機の回転数を下げて当該ヒートポンプ応用機器の運転を停止させるための運転停止契機の発生後、少なくとも発電機を流れる電流の値が所定値以下となるまで発電機の駆動制御を継続し、発電機を流れる電流の値が所定値以下となった後、発電機の動作を停止させる可変速コンバータと、
を備えたヒートポンプ応用機器を提供する。
【００１１】  上記本発明によれば、可変速コンバータは、運転停止契機の発生後、少なくとも発電機を流れる電流の値が所定値以下となるまで、その発電機の駆動制御（回転数制御）を継続する。そして、発電機を流れる電流の値が所定値以下となる、言い換えれば、ヒートポンプサイクルにおける作動流体の高低圧差が十分に小さくなるのを待って、発電機の動作を停止させる。つまり、発電機を流れる電流の値が大きい期間は、膨張機を自由に回転させない。一方、運転停止契機の発生後は、電動機の回転数が下げられるので、ヒートポンプサイクルにおける作動流体の高低圧差も徐々に縮小し、これに伴って発電機を流れる電流の値も徐々に小さくなる。そして、発電機を流れる電流の値が十分に小さくなってから発電機の動作を停止させる。このようにすれば、発電機と同期回転する膨張機は、構成部品が破壊されるような高回転にならない。また、傾斜翼等の抵抗体を新たに設けるわけではなく、電気回路による制御であるため、通常運転時に余分な動力を必要とすることもない。このようにして、信頼性の高いヒートポンプ応用機器を提供することが可能となる。
【００１２】  他の側面において、本発明は、
作動流体を膨張させる膨張機と、
膨張機に接続され作動流体が膨張する際に膨張機によって回収される動力を電力に変換する発電機と、
発電機に接続され発電機で発生する交流電流を直流電流に変換する可変速コンバータと、
可変速コンバータに接続され、膨張機の駆動中に制御信号が供給され、制御信号の供給が停止したときに発電機が生成する回生電力を消費または蓄電する保護回路と、
を備えたヒートポンプ応用機器を提供する。
【００１３】  上記本発明によれば、例えば停電時のように電動機の駆動が異常停止したとしても、電動機に代わって保護回路が回生電力を消費または蓄電するので、電源ラインの電圧が過昇せず、電気回路が破壊されない。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施の形態１の膨張機を用いたヒートポンプ応用機器のブロック図
【図２】図１の部分詳細図
【図３】可変速コンバータの詳細な回路図
【図４Ａ】ヒートポンプ応用機器の運転停止時における膨張機の回転数、発電機電流および圧縮機の回転数の推移図
【図４Ｂ】ヒートポンプ応用機器の運転停止時における膨張機の回転数、発電機電流および圧縮機の回転数の別例の推移図
【図５】ヒートポンプ応用機器の停止方法を示すゼネラルフローチャート
【図６】ヒートポンプ応用機器の停止方法を示す詳細なフローチャート
【図７】本発明の実施の形態２のヒートポンプ応用機器の部分ブロック図
【図８】従来のスクロール型流体機械の断面図
【００１５】  以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。【００１６】  （実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１のヒートポンプ応用機器のブロック図である。ヒートポンプ応用機器６００は、作動流体としての冷媒を膨張させる膨張機５０１、膨張機５０１で膨張した冷媒を蒸発させる蒸発器６０１、蒸発した冷媒を圧縮する圧縮機６０２、圧縮機６０２で圧縮された冷媒が放熱する放熱器６０３およびこれらの機器をこの順番で接続する冷媒配管６０４を備えている。膨張機５０１、蒸発器６０１、圧縮機６０２、放熱器６０３および冷媒配管６０４は、冷媒が循環する閉回路を形成している。このようなヒートポンプ応用機器６００の適用例としては、空気調和装置、給湯装置がある。空気調和装置の場合は、蒸発器６０１および放熱器６０３の一方が室内熱交換器、他方が室外熱交換器となる。また、給湯装置の場合は、蒸発器６０１が室外熱交換器、放熱器６０３が水熱交換器となる。【００１７】  冷媒の種類は特に限定されないが、例えば、二酸化炭素やハイドロフルオロカーボン（ＨＦＣ）が挙げられる。二酸化炭素は、冷凍サイクルにおける高低圧差が他の冷媒よりも大きくなるので、二酸化炭素を冷媒として用いるヒートポンプ応用機器には本発明の適用が特に有効である。【００１８】  ヒートポンプ応用機器６００は、さらに、主制御部６５０を備えている。主制御部６５０は、マイクロコンピュータ、入出力回路、Ａ／Ｄ変換器のような電気コンポーネントを含み、当該ヒートポンプ応用機器６００の運転全般を管理する。【００１９】  膨張機５０１には、発電機５０３が機械的に接続され、発電機５０３には可変速コンバータ５０５が電気的に接続されている。膨張機５０１、発電機５０３および可変速コンバータ５０５は、冷媒の膨張力を回収して電力に変換する動力回収装置５００を構成する。可変速コンバータ５０５は、主制御部６５０と通信可能に接続されている。【００２０】  図２の部分詳細図に示すように、動力回収装置５００は、さらに、膨張機５０１と発電機５０３とを接続するシャフト５０２と、発電機５０３と可変速コンバータ５０５とを接続する三相電力線５０４と、可変速コンバータ５０５に接続され電力回生に使用される一対の直流電力線５０６，５０７とを含む。膨張機５０１と発電機５０３は、シャフト５０２の働きにより、同期回転する。通常は、変速機構を設けないので、膨張機５０１の回転数と、発電機５０３の回転数とが一致する。なお、以下において、直流電力線５０６，５０７を回生電力線ともいう。【００２１】  膨張機５０１の型式としては、例えば、２枚の渦巻き羽根が回転するスクロール式、シリンダ内のピストンを回転させるロータリー式、シリンダ内のピストンを往復運動させるレシプロ式等の容積型が挙げられる。発電機５０３は、例えば三相巻線５０８を備えた永久磁石型同期発電機であり、冷媒が膨張する際に膨張機５０１によって回収される動力を電力に変換する。可変速コンバータ５０５は、スイッチング素子群５０９を備えている。スイッチング素子群５０９は、発電機５０３で生じた交流電流を直流電流に変換する変換部としての機能を有している。また、可変速コンバータ５０５には、制御部５１０が設けられている。制御部５１０は、発電機５０３を流れる電流の値である三相電力線５０４の電流値を電��値計測線５１１を介して取得し、スイッチング素子群５０９と接続する制御線５１２に制御信号を出力し、発電機５０３の駆動を制御する機能を有している。なお、永久磁石型同期発電機に代えて、誘導発電機を発電機５０３に使用してもよい。【００２２】  図１に示すように、圧縮機６０２には、電動機６０５が機械的に接続され、電動機６０５には、モータ制御装置６０６が電気的に接続されている。また、モータ制御装置６０６には、交流電源６０７から、整流回路６０８、平滑コンデンサ６０９を介して主直流電力線６１０，６１１が接続されている。そして、主直流電力線６１０，６１１には、回生電力線５０６，５０７が接続されている。回生電力線５０６，５０７は、一端が可変速コンバータ５０５に接続され、他端が主直流電力線６１０，６１１に接続されている。また、可変速コンバータ５０５と同様に、モータ制御装置６０６も主制御部６５０に通信可能に接続されている。【００２３】  電動機６０５は圧縮機６０２を駆動する。モータ制御装置６０６は、直流電圧を三相交流電圧に変換するとともに電動機６０５の駆動を制御するインバータである。整流回路６０８は、交流電源６０７からの交流電圧を直流電圧に整流し、平滑コンデンサ６０９は、直流電圧を平滑化する。圧縮機６０２の型式としては、膨張機５０１と同様、スクロール式、ロータリー式、レシプロ式等を例示できる。【００２４】  膨張機５０１を有する動力回収装置５００で回収された直流電流は、回生電力線５０６，５０７から主直流電力線６１０，６１１に供給され、圧縮機６０２を駆動する電動機６０５で消費される。【００２５】  図２に示すように、冷媒が膨張機５０１で膨張する際に得られる動力は、シャフト５０２を介して発電機５０３に与えられ、発電機５０３で交流電力に変換される。そして、その交流電力に基づく交流電流は、三相電力線５０４で発電機５０３に接続された可変速コンバータ５０５で、直流電流に変換される。また、可変速コンバータ５０５は、スイッチング素子群５０９をＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ  Ｗｉｄｔｈ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）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５０３を回転させる。発電機５０３の回転数を制御する機能により、発電機５０３とシャフト５０２で接続された膨張機５０１の回転数を制御することが可能となる。すなわち、可変速コンバータ５０５のスイッチング制御により、発電機５０３および膨張機５０１の広範囲な回転数制御が可能となる。可変速コンバータ５０５で直流に変換された膨張機５０１の膨張動力は、電動機６０５（図１参照）の駆動に用いられる。【００２６】  図３は、可変速コンバータの詳細な回路図である。一対の回生電力線５０６，５０７の間には、分圧抵抗８１３ａ，８１３ｂが設けられている。可変速コンバータ５０５は、（ａ）２個の電流センサ８０５ａ，８０５ｂと、（ｂ）ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）やＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）のようなスイッチング素子８０３ａ，８０３ｂ，８０３ｃ，８０３ｄ，８０３ｅ，８０３ｆおよび還流ダイオード��０４ａ，８０４ｂ，８０４ｃ，８０４ｄ，８０４ｅ，８０４ｆが対になった変換回路と、（ｃ）２軸電流変換手段８０６、回転子位置・回転数推定手段８０７、制御部５１０、ベースドライバ８０８、正弦波電圧出力手段８０９、電流制御手段８１０、電流指令作成手段８１１および回転数制御手段８１２を含む制御回路と、を備えている。変換回路（ｂ）は、図２中のスイッチング素子群５０９に相当する部分である。制御回路（ｃ）は、上記各手段が担うべき機能を実現するためのプログラムを内蔵および実行する汎用のマイクロコンピュータ、入出力回路等によって構成されうる。また、上記各手段は、これらの機能を実現するように専用設計された論理回路によって構成されていてもよい。【００２７】  発電機５０３の三相交流出力は、可変速コンバータ５０５を介して、例えば、直流電源８０１および平滑コンデンサ８０２側に供給される。直流電源８０１は、図１中の主直流電力線６１１，６１０に相当する。さらに、三相交流出力は、可変速コンバータ５０５により直流に変換される。その際、外部（本実施形態ではヒートポンプ応用機器６００の主制御部６５０）より与えられる目標回転数の情報に基づいて、発電機５０３の回転数が目標回転数となるように制御が行われる。【００２８】  すなわち、可変速コンバータ５０５のスイッチング素子８０３ａ〜８０３ｆのスイッチングパターンを、電流センサ８０５ａ，８０５ｂから得られる発電機５０３の電流情報から推定された発電機５０３の磁極位置の情報と、発電機５０３の回転数の情報と、外部から与えられる目標回転数の情報とから決定する。さらに、このスイッチングパターン信号は、ベースドライバ８０８により、スイッチング素子８０３ａ〜８０３ｆ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８０３ａ〜８０３ｆが動作する。【００２９】  次に、可変速コンバータ５０５の動作について説明する。なお、インバータ５０６の動作は、可変速コンバータ５０５の動作と概ね共通するので、本明細書において、インバータ５０６の動作説明は省略する。【００３０】  まず、外部より与えられる目標回転数ω＊を実現するように、現在の回転数ωとの偏差から電流指令Ｉ＊が、下記（数１）を用いて回転数制御手段８１２により演算される。演算方法としては、一般的なＰＩ制御方式による。【００３１】
【数１】
2007049506.tif 000003
【００３２】  ここで、Ｇｐω、Ｇｉωはそれぞれ速度制御比例ゲイン、積分ゲイン、ωは回転数、ω＊は目標回転数、Ｉ＊は電流指令である。【００３３】  さらに、演算された電流指令Ｉ＊を用い、電流指令作成手段８１１は、ｄ軸電流指令Ｉｄ＊およびｑ軸電流指令Ｉｑ＊を下記（数２）（数３）により演算する。【００３４】
【数２】
2007049506.tif 000004
【００３５】
【数３】
2007049506.tif 000005
【００３６】  ここで、βは電流位相角である。【００３７】  一方、２軸電流変換手段８０６は、電流センサ８０５ａ，８０５ｂにより検出された発電機５０３の相電流Ｉｕ，Ｉｖを下記（数４）により、発電機５０３のマグネットトルクに寄与するｑ軸電流Ｉｑと、それに直交するｄ軸電流Ｉｄの２軸電流に変換する。【００３８】
【数４】
2007049506.tif 000006
【００３９】  ここで、θは回転子位置（発電機の磁極位置）である。【００４０】  そして、電流制御手段８１０は、与えられた電流指令Ｉｄ＊，Ｉｑ＊と、電流値Ｉｄ，Ｉｑとを用いて、下記（数５）（数６）により電流指令を実現するように制御演算を行い、出力電圧Ｖｄ，Ｖｑを求める。【００４１】
【数５】
2007049506.tif 000007
【００４２】
【数６】
2007049506.tif 000008
【００４３】  ここで、Ｖｄ，Ｖｑはそれぞれｄ軸電圧、ｑ軸電圧であり、Ｇｐｄ，Ｇｉｄはそれぞれｄ軸電流制御比例ゲイン、積分ゲインであり、Ｇｐｑ，Ｇｉｑはそれぞれｑ軸電流制御比例ゲイン、積分ゲインである。【００４４】  次に、求められた２方向の出力電圧Ｖｄ，Ｖｑから、出力波形が正弦波となるように三相の出力電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗが、回転子位置θを用いて、下記（数７）で示される一般的な二相三相変換により求められる。【００４５】
【数７】
2007049506.tif 000009
【００４６】  ここで、Ｖｕ，Ｖｖ，ＶｗはそれぞれＵ相、Ｖ相、Ｗ相の電圧、θは回転子位置である。【００４７】  さらに、正弦波電圧出力手段８０９は、出力電圧Ｖｄ，Ｖｑと、回転子位置・回転数推定手段８０７によって推定された回転子位置θとの情報に基づいて、発電機５０３を駆動するためのドライブ信号をベースドライバ８０８に出力する。そして、ベースドライバ８０８は、そのドライブ信号に従って、スイッチング素子８０３ａ〜８０３ｆを駆動するための信号（ＰＷＭ信号）を出力する。これにより、発電機５０３が目標とする回転数（速度）にて駆動される。【００４８】  次に、運転を停止する際のヒートポンプ応用機器６００の動作について説明する。【００４９】  図４Ａ，図４Ｂは、ヒートポンプ応用機器６００の運転停止時における膨張機５０１の回転数、発電機５０３を流れる電流の値（実効値）および圧縮機６０２の回転数の推移図である。図５は、ヒートポンプ応用機器の停止手順を示すゼネラルフローチャートである。さらに、図６は、ヒートポンプ応用機器の運転停止時に主制御部６５０が実行する制御のフローチャートである。【００５０】  図５に示す運転停止シーケンスは、所定の運転停止契機が発生することに応じて開始される。そのような運転停止契機の例は、ヒートポンプ応用機器６００が空気調和装置に適用される場合には、ユーザによって運転スイッチがオフされること、自動停止タイマがタイムアップすること、室温が目標値に到達すること等であり、給湯装置に適用される場合には、貯湯量や貯湯温度が目標値に到達すること等である。【００５１】  図５に示すステップＳ１は図４Ａのｔ１〜ｔ２に、ステップＳ２はｔ２〜ｔ３に、ステップＳ３はｔ３〜ｔ４にそれぞれ対応する。ステップＳ１は、電動機６０５および発電機５０３の目標回転数を下げ、圧縮機６０２と膨張機５０１の回転数を低下させるステップである。これにより、冷媒の高低圧差を縮小する。ステップＳ２は、発電機５０３を流れる電流の値が所定値になるまで圧縮機６０２と膨張機５０１の回転数を保持するステップである。ただし、十分長い時間でステップＳ１を実施した場合、つまり、圧縮機６０２と膨張機５０１の回転数を緩やかに下げる場合には、その間に冷媒の差圧も十分縮小し、発電機５０３を流れる電流の値も低下するので、その場合にはステップＳ２は必須でない。最後に、ステップＳ３で、電動機６０５および発電機５０３の動作を停止させる。【００５２】  このように、運転停止契機の発生に応じて、インバータ６０６は電動機６０５の回転数を下げる。可変速コンバータ５０５は、運転停止契機の発生後、少なくとも発電機５０３を流れる電流の値が所定値以下となるまで発電機５０３の駆動制御（回転数制御）を継続し、発電機５０３を流れる電流の値が所定値以下となることを条件として、発電機５０３の動作を停止させる。これにより、冷媒の残存差圧により膨張機５０１が高回転で動作することを防止する。【００５３】  図６のフローチャートを参照しながらさらに詳しく説明する。ヒートポンプ応用機器６００の主制御部６５０は、運転停止契機の取得後、図６のフローチャートで表されるプログラムを呼び出し、実行する。【００５４】  まず、ＳＴ��において、主制御部６５０は、発電機５０３を流れる電流の値を読む。発電機５０３を流れる電流の値は、可変速コンバータ５０５の制御部５１０から取得してもよいし、電流センサ８０５ａ，８０５ｂ（図３参照）から直接取得してもよい。【００５５】  次に、ＳＴ２において、読み込んだ電流値が予め定めた所定値（ＩＥ１）以下かどうかを判断する（電流値判断手段（Ａ））。この所定値（ＩＥ１）は十分に小さい値に設定されるので、運転停止シーケンスの開始直後において、通常、発電機５０３を流れる電流の値は所定値（ＩＥ１）よりも大きくなる。次に、ステップＳＴ３において、電動機６０５の回転数が所定回転数（Ｃ１）以下かどうかを判断する。電動機６０５の回転数が所定回転数（Ｃ１）よりも大きい場合には、ステップＳＴ４に進み、電動機６０５の目標回転数を下げる。電動機６０５の回転数は、主制御部６５０のメモリに常時に格納される電動機目標回転数によって特定することができる。新たに設定された目標回転数は、主制御部６５０からインバータ６０６に与えられる。なお、回転数の低下速度は特に限定されず、所定回転数（Ｃ１）まで段階的に低下させてもよいし、所定回転数（Ｃ１）まで１ステップで急減させてもよく、本実施形態では前者を想定している。【００５６】  すなわち、インバータ６０６は、運転停止契機の発生に応じて冷媒の高低圧差が縮小するように電動機６０５の回転数を下げ、かつ回生電力消費のために発電機５０３を流れる電流の値が所定値（ＩＥ１）以下となるまで電動機６０５の駆動制御を継続する。運転停止契機の発生後、直ちに電動機６０５を停止させた場合、発電機５０３で発生した電力が消費されず、電気回路が破壊される可能性があるが、本実施形態によれば、電動機６０５の駆動制御も続けるので回生電力を確実に消費でき、電気回路の破壊を確実に防ぐことができる。また、本実施形態では、図４Ａから分かるように、電動機６０５の回転数低下と発電機５０３の回転数低下とを同期して行い、かつ一定速度で単調減少させている。特に、電動機６０５の回転数を徐々に下げることにより、電動機６０５が回生動作を行う可能性も排除できるので好ましい。【００５７】  次に、ステップＳＴ５において、発電機５０３の回転数が所定回転数（Ｅ１）以下かどうかを判断する。発電機５０３の回転数が所定回転数（Ｅ１）よりも大きい場合には、ステップＳＴ６に進み、発電機５０３の目標回転数を下げる。新たに設定された目標回転数は、可変速コンバータ５０５に与えられる。この結果、発電機５０３は、より低い回転数で駆動されるようになる。発電機５０３の所定回転数（Ｅ１）や電動機６０５の所定回転数（Ｃ１）は、膨張機５０１や圧縮機６０２の容積にもよるが、例えば、１５〜２０ｒｐｓ程度の低速回転数に設定することができる。なお、本実施形態において、発電機５０３と膨張機５１０の回転数、電動機６０５と圧縮機６０２の回転数は、それぞれ、常時一致することを断っておく。【００５８】  図６のフローチャートのＳＴ１〜ＳＴ６は、図４Ａの推移図のｔ１〜ｔ３に対応している。図４Ａに示すように、主制御部６５０による運転停止シーケンスが時刻ｔ１に開始されると、可変速コンバータ５０５は発電機５０３の目標回転数ω＊を下げられ、膨張機５０１の回転数を低下させる。そして、時刻ｔ２に回転数がＥ１になると、可変速コンバータ５０５により、膨張機５０１は回転数Ｅ１に保持される。このように膨張機５０１を回転数Ｅ１に保持するのは、膨張機５０１内の差圧が十分小さくなるのを待ち、その差圧で膨張機５０１が高速に回転しないようにするためである。もちろん、先に述べたように、回転数の低下速度が十分に小さい場合には、回転数を保持するステップは必須でない。【００５９】  また、可変速コンバータ５０５は、発電機５０３を流れる電流の値が所定値（ＩＥ１）以下となるまで、運転停止契機の発生時よりも低い回転数を実現するように発電機５０３の駆動制御を継続している。本実施形態では、図４Ａの推移図に示すように、運転停止契機の発生時から、電動機６０５および発電機５０３の回転数を同期して単調減少させている。このようにすれば、運転停止時の騒音を極力小さくするのに有利である。【００６０】  ただし、運転停止契機の発生後、直ちに発電機５０３の回転数を低下させることが必須というわけではなく、電動機６０５と発電機５０３の回転数低下が同時に始まらなくともよい。例えば、図４Ｂの推移図に示すように、運転停止契機の発生直後は、その運転停止契機の発生時（時刻ｔ１）の回転数を実現するように発電機５０３の駆動制御を継続する。電動機６０５の減速は、冷媒の高低圧差を縮小するために必要である。冷媒の高低圧差が適度に小さくなった後で、発電機５０３の回転数を徐々に低下させる。このようにすれば、冷媒の高低圧差をより迅速に縮小することが可能になるので、運転を完全に停止するまでに費やされる時間を短縮するのに有利である。発電機５０３の回転数を下げ始めるタイミングや低下速度は、特に限定されないが、騒音が増したり、機械部品に無理なストレスが懸かったりしないように調整するべきである。【００６１】  図６のフローチャートのステップＳＴ２に表されるように、ヒートポンプ応用機器６００は、運転停止契機の発生に応じて発電機５０３を流れる電流の値が所定値（ＩＥ１）以下であるかどうかを判断する手段（Ａ）を備える。もちろん、この手段（Ａ）が可変速コンバータ５０５に含まれていてもよい。可変速コンバータ５０５は、発電機５０３を流れる電流の値が所定値（ＩＥ１）を超えている場合、発電機５０３を流れる電流の値が所定値（ＩＥ１）以下となるまで発電機５０３の駆動制御を継続し、さらに、発電機５０３を流れる電流の値が所定値（ＩＥ１）以下になった場合に、発電機５０３の動作を停止させる。このように、電流値をモニタしながら発電機５０３の制御を行えば、発電機５０３を流れる電流の値が所定値（ＩＥ１）となるタイミングを正確に把握できるので、ヒートポンプ応用機器６００の迅速な運転停止に資する。【００６２】  図６のフローチャートに戻って説明を続ける。電動機６０５と発電機５０３の回転数を下げ、発電機５０３を流れる電流の値が所定値（ＩＥ１）以下まで低下した場合、ステップＳＴ７において、発電機５０３が力行運転を行っているかどうかを判断する。力行運転であると判断した場合には、ＳＴ９において目標回転数をゼロにする。すなわち、電動機６０５の��作を直ちに停止させる命令をインバータ６０６に与え、発電機５０３の動作を直ちに停止させる命令を可変速コンバータ５０５に与える。【００６３】  ごく稀に、発電機５０３が一時的に力行運転、つまり、電動機として駆動されている場合がある。例えば、ヒートポンプ応用機器６００の運転開始直後は、冷媒の高低圧差が小さく、発電機５０３が一時的に力行運転される可能性がある。このような状態で運転停止契機が発生した場合は、電動機６０５および発電機５０３の回転数制御を直ちに止めてよい。膨張機５０１の自由回転を許容したとしても、部品破壊に至るような高回転にはならないし、電動機６０５を直ちに止めることにより、電力の無駄な消費を回避できる。【００６４】  一方、発電機５０３を流れる電流の値が所定値（ＩＥ１）以下であり、かつ力行運転でもない場合には、ＳＴ８において、発電機５０３の各相巻線５０８への直流励磁を行い、発電機５０３の回転動作を停止させる。電動機６０５および発電機５０３の目標回転数はともにゼロに設定される（ＳＴ９）。可変速コンバータ５０５の制御部５１０は、直流励磁のパターンでスイッチングが行われるように、ベースドライバ８０８に命令を与える。これにより、発電機５０３において界磁が固定され、磁力に応じたブレーキがかかる。【００６５】  図４Ａに示すように、発電機５０３を流れる電流の値は、膨張機５０１内の冷媒の差圧に応じて流れるため、時刻ｔ１から徐々に減少する。時刻ｔ３で電流が所定値（ＩＥ１）になると、可変速コンバータ５０５の制御部５１０により、発電機５０３の各相巻線５０８は直流励磁が行われる。すなわち、発電機５０３に時刻ｔ４まで直流電流（ＩＥ２）を流すことによりブレーキをかけ、膨張機５０１の回転を停止させる。【００６６】  所定値（ＩＥ１）は、発電機５０３の各相巻線５０８に直流励磁を行った際に、発電機５０３に流れる電流が、可変速コンバータ５０５のスイッチング素子群５０９の素子耐量を超えることがないように定められた値、言い換えれば、各スイッチング素子が破壊されないことが保証された電流値でありうる。また、所定値（ＩＥ１）は、膨張機５０１内の差圧が十分小さくなったときに発電機５０３を流れる電流の値であって、例えば、直流励磁をかけて膨張機５０１の回転動作を停止させる場合に、その時点の差圧で膨張機５０１の回転数が再び増加しない、１０アンペア程度の値である。すなわち、所定値（ＩＥ１）は、各相巻線５０８への直流励磁を行った際に発電機５０３の回転数が減少するように定められた値でありうる。直流励磁をかけるときの電流値（ＩＥ２）は特に限定されないが、所定値（ＩＥ１）と等しい値、それより少し大きい値、またはそれより少し小さい値に設定することができる。【００６７】  さらに、発電機５０３は、効率の高さから永久磁石型同期発電機が好適であるが、その場合、所定値（ＩＥ１）は、各相巻線５０８への直流励磁を行った際に、永久磁石型同期発電機に流れる電流が、その永久磁石型同期発電機の減磁電流量を超えないように設定された値となりうる。【００６８】  上記のように所定値（ＩＥ１）を定めることにより、スイッチング素子を破壊したり、発電機５０３に用いられた磁石を減磁させた��することなく、発電機５０３、ひいては膨張機５０１を確実に停止させることが可能である。もちろん、直流励磁が本発明に必須というわけではないが、迅速な停止を求める場合には、直流励磁を行うことが望ましい。【００６９】  なお、本実施形態では、発電機５０３を流れる電流の値を逐一参照して停止タイミングを図るようにしているが、冷媒の高低圧差が十分縮小するまで待って停止するという本発明の趣旨からすれば、電流値を参照することが必須というわけではない。すなわち、電流値を逐一確認することなく、予め定めた運転停止シーケンス、例えば、本実施形態の図４Ａ，図４Ｂの推移図で特定されるような運転停止シーケンスを実施するようにしてもよい。【００７０】  また、以下で説明するように、発電機５０３を流れる電流の値から、ロータリー式の膨張機５０１での高圧冷媒と低圧冷媒との差圧を推定することが可能であることから、電流値に代えて、冷媒の圧力を見て停止タイミングを図るようにしてもよい。例えば、圧力センサを用いて計測した冷媒の圧力に基づいて停止タイミングを図ることは、発電機５０３を流れる電流の値を参照して停止タイミングを図る本実施形態と全く同じ結果を生ずる。ただし、一般に、圧力センサは高価なので、本実施形態のように電流値に基づく方法が好ましい。【００７１】  膨張機５０１に加わる膨張機トルクＴｅｘｐは、発電機５０３を流れる電流Ｉｅｘｐと、発電機５０３固有の発電機トルク定数Ｋｔとを使って、次のように表される。【００７２】
【数８】
2007049506.tif 000010
【００７３】  また、膨張機５０１に吸入される高圧冷媒の圧力をＰｄ、吐出される低圧冷媒の圧力をＰｓ、膨張機５０１の設計値である吸入容積値をＶｅｘｐ、断熱係数をｋ、膨張機５０１の回転数をｆとすると、下記（数９）が成り立つ。【００７４】
【数９】
2007049506.tif 000011
【００７５】  これらの（数８）と（数９）より、ロータリー式の膨張機５０１での高圧冷媒と低圧冷媒との差圧を推定できる。【００７６】  本実施形態によれば、膨張機５０１内の冷媒の圧力差に関係する発電機５０３を流れる電流の値に基づいて、膨張機５０１の回転を停止させるため、冷媒の残存差圧により膨張機５０１の回転数が過昇することを防止できる。また、運転停止時には、膨張機５０１にブレーキがかけられるため、膨張機５０１を迅速に停止させることが可能である。また、運転停止契機の発生後も電動機６０５の駆動を継続するので、電気部品が破壊されるおそれもない。このようにして、信頼性の高い、膨張機を用いたヒートポンプ応用機器を提供することができる。【００７７】  ところで、圧縮機６０２は、インバータ６０６による電動機６０５の回転数制御を停止すると、回転数が急速に低下してゼロになる。本実施形態のように、電動機６０５の回転数を徐々に（好ましくは発電機５０３と同期して）下げることは、回生電力の消費先を確保するという観点から重要であるが、電動機６０５を使用せずに回生電力を消費できる場合には、発電機５０３を流れる電流の値が所定値以下となる前に電動機６０５の回転数制御を終了し、圧縮機６０２を停止させてもよい。【００７８】  例えば、後述する第２実施形態に示すような保護回路、つまり、電動機６０５に代わって発電機５０３の回生電力を消費しうる保護回路を設けることができる。【００７９】  実施の形態２（図７参照）で説明するように、そのような保護回路は、可変速コンバータ５０５に接続する直流電力線５０６上に設けられた第１のスイッチと、その第１のスイッチと可変速コンバータ５０５との間において、可変速コンバータ５０５に対して並列となるように直流電力線５０６，５０７に接続された第２のスイッチと、その第２のスイッチに対して直列となるように直流電力線５０６，５０７に接続された負荷または蓄電部とを含むものとすることができる。通常の運転時は、第１のスイッチがオン、第２のスイッチがオフとなる。そして、運転停止契機の発生に応じて、第１のスイッチがオフ、第２のスイッチがオンとなることにより、負荷で回生電力が消費される、または蓄電部に回生電力が蓄えられる。また、実施の形態２で説明するように、停電時や電源が異常遮断された場合にも、第１のスイッチがオフ、第２のスイッチがオンとなるようにすることが好ましい。【００８０】  なお、本実施形態のヒートポンプ応用機器６００では、主制御部６５０、可変速コンバータ５０５の制御部５１０およびインバータ６０６の制御部（図示省略）の三者を別々の制御部として設けたが、各制御部の機能を１つの制御部に集約させてもよい。【００８１】  （実施の形態２）
図７は、本発明の実施の形態２の膨張機を用いたヒートポンプ応用機器における膨張機側の部分詳細図である。本発明の実施の形態２では、実施の形態１と同一の機能を示す部品には、同一の符号を使用し、作用の説明は省略する。【００８２】  ヒートポンプ応用機器７００は、膨張機５０１、膨張機５０１にシャフト５０２で接続された発電機５０３、発電機５０３に三相電力線５０４で接続された可変速コンバータ７０１および一対の直流電力線５０６，５０７で可変速コンバータ７０１に接続された膨張機保護回路７０２を備えている。そして、膨張機保護回路７０２からは、一対の直流電力線５０６，５０７が伸びている。【００８３】  可変速コンバータ７０１は、スイッチング素子群５０９を備えている。スイッチング素子群５０９は、発電機５０３で生じた交流電流を直流電流に変換する。膨張機保護回路７０２は、直流電力線５０６上に設けた第１のリレー７０３と、第１のリレー７０３から可変速コンバータ７０１に向かう一対の直流電力線５０６，５０７の間に直列に接続された負荷抵抗７０４と、第２のリレー７０５とを備えている。さらに、膨張機保護回路７０２は、膨張機５０１の駆動中に流れる制御電流（制御信号）で、第１のリレー７０３と第２のリレー７０５との開閉を制御するリレー制御部７０６を備えている。リレー制御部７０６は、例えば交流電源からの交流電流を変換して得られる直流電流が流れる制御電流線７０７から入力信号を受け、第１のリレー７０３と第２のリレー７０５とを、それぞれリレー制御信号線７０８，７０９で制御する機能を有する。【００８４】  ヒートポンプ応用機器７００の正常運転中は、リレー制御部７０６が、第１のリレー７０３を閉じ、第２のリレー７０５を開くように制御する。したがって、可変速コンバータ７０１で変換された直流電流は、一対の直流電力線５０６，５０７で流れていく。他方、停電等で制御電流線７０７からの制御電流の供給が停止すると、リレー制御部７０６が、第１のリレー７０３を開き、第２のリレー７０５を閉じるように制御し、可変速コンバータ７０１で変換された直流電流は、負荷抵抗７０４で消費される。【００８５】  したがって、停電等で機器の運転も停止されるものの、膨張機５０１に残る冷媒の差圧に基づく直流電流が発生しても、負荷抵抗７０４で消費され、電気回路が破壊に至る問題を回避できる。【００８６】  また、本実施の形態２では、可変速コンバータ７０１で変換された直流電流を負荷抵抗７０４で消費する例を示したが、負荷抵抗７０４に代えてコンデンサ等の蓄電部を設け、蓄電するようにしてもよい。【００８７】  また、図７には、第１のリレー７０３を直流電力線５０６に設けた例を示したが、直流電力線５０７に設けてもよい。また、リレー７０３，７０５に代えて、トランジスタのような非接点型スイッチを採用してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００８８】  本発明のヒートポンプ応用機器は、運転停止時に膨張機が高速回転を起こして損傷を被ることがなく、電気回路が破壊されることがない信頼性の高い装置となり、この装置を含む空気調和装置、給湯装置等に有用である。また、本発明のヒートポンプ応用機器に含まれる動力回収装置は、作動流体の膨張エネルギーを回収する装置として、ランキンサイクルのような他のヒートポンプサイクルにも適用しうる。
【図１】
2007049506.tif 000012
【図２】
2007049506.tif 000013
【図３】
2007049506.tif 000014
【図４Ａ】
2007049506.tif 000015
【図４Ｂ】
2007049506.tif 000016
【図５】
2007049506.tif 000017
【図６】
2007049506.tif 000018
【図７】
2007049506.tif 000019
【図８】
2007049506.tif 000020
【手続補正書】
【提出日】平成19年4月13日(2007.4.13)
【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】
作動流体を圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機を駆動する電動機と、
前記作動流体を膨張させる膨張機と、
前記膨張機に接続され前記作動流体が膨張する際に前記膨張機によって回収される動力を電力に変換する発電機と、
前記発電機に接続され前記発電機で発生する交流電流を直流電流に変換するとともに、前記電動機の回転数を下げて当該ヒートポンプ応用機器の運転を停止させるための運転停止契機の発生後、少なくとも前記発電機を流れる電流の値が所定値以下となるまで、前記運転停止契機の発生時よりも低い回転数、または前記運転停止契機の発生時の回転数を実現するように前記発電機の駆動制御をし、前記発電機を流れる電流の値が前記所定値以下となった後、前記発電機の動作を停止させる可変速コンバータと、
を備え、
前記作動流体が二酸化炭素である、ヒートポンプ応用機器。
【請求項２】
（削除）
【請求項３】
前記運転停止契機の発生に応じて、前記発電機を流れる電流の値が前記所定値以下であるかどうかを判断する手段（Ａ）をさらに備える、または前記可変速コンバータがその手段（Ａ）を含み、
前記可変速コンバータは、前記発電機を流れる電流の値が前記所定値を超えている場合には、前記発電機を流れる電流の値が前記所定値以下となるまで前記発電機の駆動制御を継続し、前記発電機を流れる電流の値が前記所定値以下になった場合に、前記発電機の動作を停止させる、請求項１記載のヒートポンプ応用機器。
【請求項４】
前記手段（Ａ）は、さらに、前記発電機が力行運転を行っているかどうかを判断し、
前記発電機が力行運転を行っている場合、前記可変速コンバータは、直ちに前記発電機の駆動制御を終了する、請求項３記載のヒートポンプ応用機器。
【請求項５】
前記可変速コンバータは、前記発電機に三相電力線で接続され、前記発電機の動作を停止させる際に、前記発電機の各相巻線への直流励磁を行う、請求項１記載のヒートポンプ応用機器。
【請求項６】
前記所定値は、前記各相巻線への直流励磁を行った際に前記発電機を流れる電流が前記可変速コンバータの素子耐量を超えることがないように定められた値である、請求項５記載のヒートポンプ応用機器。
【請求項７】
前記所定値は、前記各相巻線への直流励磁を行った際に前記発電機の回転数が減少する状態に対応して定められた値である、請求項５記載のヒートポンプ応用機器。
【請求項８】
前記発電機が、永久磁石型同期発電機であり、
前記所定値は、前記各相巻線への直流励磁を行った際に前記永久磁石型同期発電機を流れる電流が、前記永久磁石型同期発電機の減磁電流量を超えることがないように定められた値である、請求項５記載のヒートポンプ応用機器。
【請求項９】
前記電動機に接続され直流電流を交流電流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をさらに備え、
前記インバータは、前記運転停止契機の発生に応じて前記作動流体の高低圧差が縮小するように前記電動機の回転数を下げ、かつ回生電力消費のために前記発電機を流れる電流の値が前記所定値以下となるまで前記電動機の駆動制御を継続する、請求項１記載のヒートポンプ応用機器。
【請求項１０】
前記可変速コンバータに接続され、前記電動機に代わって、前記発電機が生成する回生電力を消費または蓄電しうる保護回路さらに備えた請求項１記載のヒートポンプ応用機器。
【請求項１１】
前記保護回路は、前記可変速コンバータに接続する直流電力線上に設けられた第１のスイッチと、前記第１のスイッチと前記可変速コンバータとの間において前記可変速コンバータに対して並列となるように前記直流電力線に接続された第２のスイッチと、前記第２のスイッチに対して直列となるように前記直流電力線に接続された負荷または蓄電部とを含み、
前記第１のスイッチがオフ、前記第２のスイッチがオンとなることにより、前記負荷で回生電力が消費される、または前記蓄電部に回生電力が蓄えられる、請求項１０記載のヒートポンプ応用機器。
【手続補正書】
【提出日】平成19年8月8日(2007.8.8)
【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】
作動流体を圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機を駆動する電動機と、
前記作動流体を膨張させる膨張機と、
前記膨張機に接続され前記作動流体が膨張する際に前記膨張機によって回収される動力を電力に変換する発電機と、
前記発電機に接続され前記発電機で発生する交流電流を直流電流に変換するとともに、前記電動機の回転数を下げて当該ヒートポンプ応用機器の運転を停止させるための運転停止契機の発生後、少なくとも前記発電機を流れる電流の値が所定値以下となるまで、前記運転停止契機の発生時よりも低い回転数、または前記運転停止契機の発生時の回転数を実現するように前記発電機の駆動制御をし、前記発電機を流れる電流の値が前記所定値以下となった後、前記発電機の動作を停止させる可変速コンバータと、
を備え、
前記作動流体が二酸化炭素である、ヒートポンプ応用機器。
【請求項２】
前記運転停止契機の発生に応じて、前記発電機を流れる電流の値が前記所定値以下であるかどうかを判断する手段（Ａ）をさらに備える、または前記可変速コンバータがその手段（Ａ）を含み、
前記可変速コンバータは、前記発電機を流れる電流の値が前記所定値を超えている場合には、前記発電機を流れる電流の値が前記所定値以下となるまで前記発電機の駆動制御を継続し、前記発電機を流れる電流の値が前記所定値以下になった場合に、前記発電機の動作を停止させる、請求項１記載のヒートポンプ応用機器。
【請求項３】
前記手段（Ａ）は、さらに、前記発電機が力行運転を行っているかどうかを判断し、
前記発電機が力行運転を行っている場合、前記可変速コンバータは、直ちに前記発電機の駆動制御を終了する、請求項２記載のヒートポンプ応用機器。
【請求項４】
前記可変速コンバータは、前記発電機に三相電力線で接続され、前記発電機の動作を停止させる際に、前記発電機の各相巻線への直流励磁を行う、請求項１記載のヒートポンプ応用機器。
【請求項５】
前記所定値は、前記各相巻線への直流励磁を行った際に前記発電機を流れる電流が前記可変速コンバータの素子耐量を超えることがないように定められた値である、請求項４記載のヒートポンプ応用機器。
【請求項６】
前記所定値は、前記各相巻線への直流励磁を行った際に前記発電機の回転数が減少する状態に対応して定められた値である、請求項４記載のヒートポンプ応用機器。
【請求項７】
前記発電機が、永久磁石型同期発電機であり、
前記所定値は、前記各相巻線への直流励磁を行った際に前記永久磁石型同期発電機を流れる電流が、前記永久磁石型同期発電機の減磁電流量を超えることがないように定められた値である、請求項４記載のヒートポンプ応用機器。
【請求項８】
前記電動機に接続され直流電流を交流電流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をさらに備え、
前記インバータは、前記運転停止契機の発生に応じて前記作動流体の高低圧差が縮小するように前記電動機の回転数を下げ、かつ回生電力消費のために前記発電機を流れる電流の値が前記所定値以下となるまで前記電動機の駆動制御を継続する、請求項１記載のヒートポンプ応用機器。
【請求項９】
前記可変速コンバータに接続され、前記電動機に代わって、前記発電機が生成する回生電力を消費または蓄電しうる保護回路さらに備えた請求項１記載のヒートポンプ応用機器。
【請求項１０】
前記保護回路は、前記可変速コンバータに接続する直流電力線上に設けられた第１のスイッチと、前記第１のスイッチと前記可変速コンバータとの間において前記可変速コンバータに対して並列となるように前記直流電力線に接続された第２のスイッチと、前記第２のスイッチに対して直列となるように前記直流電力線に接続された負荷または蓄電部とを含み、
前記第１のスイッチがオフ、前記第２のスイッチがオンとなることにより、前記負荷で回生電力が消費される、または前記蓄電部に回生電力が蓄えられる、請求項９記載のヒートポンプ応用機器。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、膨張機を用いたヒートポンプ応用機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
空気調和装置や給湯装置に適用される従来のヒートポンプ応用機器では、膨張弁を用いて冷媒を減圧膨張させている。近年、膨張機を用いて冷媒が高圧から低圧に膨張する際の動力を回収するとともに、その動力を利用して、蒸気圧縮サイクルのエネルギー効率を向上させる試みがある。膨張機で取り出した動力で発電機を回転させて電力を発生させ、圧縮機を駆動する電動機にその電力を供給することにより、消費電力を低減することができる。
【０００３】
ヒートポンプ応用機器は、膨張弁を用いる場合と、膨張機を用いる場合とで、運転停止手順を異ならせる必要がある。膨張弁を用いたヒートポンプ応用機器の運転停止手順はいたって簡単であり、通常は圧縮機の駆動を停止するだけである。つまり、特別な制御を必要としない。冷媒回路が高圧側と低圧側とに分かれた状態がしばらく続くが、このことが大きな問題に発展することはない。また、運転を停止する際に膨張弁を全開にすることにより、冷媒回路全体の圧力を素早く均一にすることも可能である。
【０００４】
これに対し、膨張機を用いたヒートポンプ応用機器は、運転を停止する際に、冷媒回路全体の圧力を瞬時に均一にすることができない。膨張機の吸入側には高圧の冷媒が残り、吐出側には低圧の冷媒が残るので、膨張機には、高圧冷媒と低圧冷媒との差圧が大きくかかったままとなる。その結果、例えばロータリー式の膨張機であれば、残存差圧に基づいてピストンがシリンダ内で高速で自由回転し、膨張機が破壊される可能性がある。
【０００５】
運転停止時の残存差圧に関する問題は、圧縮機の分野では一応知られている。ただし、圧縮機の場合、吐出側が高圧、吸入側が低圧となるので、逆回転を誘発する力が加わるという点で膨張機の場合と異なる。逆回転を防止するために、例えば、シャフトの下端に抵抗体を配置する構成が提案されている（特開平９−１５８８５１号公報）。図８は、特開平９−１５８８５１号公報に開示されている従来のスクロール型流体機械の断面図である。
【０００６】
図８に示すスクロール型流体機械１００は、密閉容器１、圧縮機部２０および電動機部７を含む。密閉容器１の底部には、圧縮機部２０の摺動部を潤滑する潤滑油３７が溜められている。また、回転円盤４０がシャフト１０に取り付けられ、抵抗体となる傾斜翼４１が潤滑油３７に浸漬するように、回転円盤４０に設けられている。
【０００７】
ここで、スクロール型流体機械１００がその運転を停止したとき、圧縮機部２０に残る差圧に基づいて、シャフト１０が逆回転しようとしても、回転円盤４０の傾斜翼４１が潤滑油３７の抵抗を受け、逆回転が阻止される。
【０００８】
しかしながら、傾斜翼４１のような抵抗体を設けると、通常の運転時でも傾斜翼４１が潤滑油３７の中を回転するため抵抗となり、運転に余分な動力が必要になる。そもそも、膨張機の場合は、残存差圧によって正方向への回転が加速されるので、逆回転を防止するための圧縮機の技術をそのまま膨張機に適用することは不可能である。
【発明の開示】
【０００９】
そこで本発明は、運転停止時に膨張機が破壊されることがなく、余分な動力を必要としない、信頼性が高い、膨張機を用いたヒートポンプ応用機器を提供することを目的とする。
【００１０】
すなわち、本発明は、
作動流体を圧縮する圧縮機と、
圧縮機を駆動する電動機と、
作動流体を膨張させる膨張機と、
膨張機に接続され作動流体が膨張する際に膨張機によって回収される動力を電力に変換する発電機と、
発電機に接続され発電機で発生する交流電流を直流電流に変換するとともに、電動機の回転数を下げて当該ヒートポンプ応用機器の運転を停止させるための運転停止契機の発生後、少なくとも発電機を流れる電流の値が所定値以下となるまで発電機の駆動制御を継続し、発電機を流れる電流の値が所定値以下となった後、発電機の動作を停止させる可変速コンバータと、
を備えたヒートポンプ応用機器を提供する。
【００１１】
上記本発明によれば、可変速コンバータは、運転停止契機の発生後、少なくとも発電機を流れる電流の値が所定値以下となるまで、その発電機の駆動制御（回転数制御）を継続する。そして、発電機を流れる電流の値が所定値以下となる、言い換えれば、ヒートポンプサイクルにおける作動流体の高低圧差が十分に小さくなるのを待って、発電機の動作を停止させる。つまり、発電機を流れる電流の値が大きい期間は、膨張機を自由に回転させない。一方、運転停止契機の発生後は、電動機の回転数が下げられるので、ヒートポンプサイクルにおける作動流体の高低圧差も徐々に縮小し、これに伴って発電機を流れる電流の値も徐々に小さくなる。そして、発電機を流れる電流の値が十分に小さくなってから発電機の動作を停止させる。このようにすれば、発電機と同期回転する膨張機は、構成部品が破壊されるような高回転にならない。また、傾斜翼等の抵抗体を新たに設けるわけではなく、電気回路による制御であるため、通常運転時に余分な動力を必要とすることもない。このようにして、信頼性の高いヒートポンプ応用機器を提供することが可能となる。
【００１２】
他の側面において、本発明は、
作動流体を膨張させる膨張機と、
膨張機に接続され作動流体が膨張する際に膨張機によって回収される動力を電力に変換する発電機と、
発電機に接続され発電機で発生する交流電流を直流電流に変換する可変速コンバータと、
可変速コンバータに接続され、膨張機の駆動中に制御信号が供給され、制御信号の供給が停止したときに発電機が生成する回生電力を消費または蓄電する保護回路と、
を備えたヒートポンプ応用機器を提供する。
【００１３】
上記本発明によれば、例えば停電時のように電動機の駆動が異常停止したとしても、電動機に代わって保護回路が回生電力を消費または蓄電するので、電源ラインの電圧が過昇せず、電気回路が破壊されない。
【００１４】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１５】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１のヒートポンプ応用機器のブロック図である。ヒートポンプ応用機器６００は、作動流体としての冷媒を膨張させる膨張機５０１、膨張機５０１で膨張した冷媒を蒸発させる蒸発器６０１、蒸発した冷媒を圧縮する圧縮機６０２、圧縮機６０２で圧縮された冷媒が放熱する放熱器６０３およびこれらの機器をこの順番で接続する冷媒配管６０４を備えている。膨張機５０１、蒸発器６０１、圧縮機６０２、放熱器６０３および冷媒配管６０４は、冷媒が循環する閉回路を形成している。このようなヒートポンプ応用機器６００の適用例としては、空気調和装置、給湯装置がある。空気調和装置の場合は、蒸発器６０１および放熱器６０３の一方が室内熱交換器、他方が室外熱交換器となる。また、給湯装置の場合は、蒸発器６０１が室外熱交換器、放熱器６０３が水熱交換器となる。
【００１６】
冷媒の種類は特に限定されないが、例えば、二酸化炭素やハイドロフルオロカーボン（ＨＦＣ）が挙げられる。二酸化炭素は、冷凍サイクルにおける高低圧差が他の冷媒よりも大きくなるので、二酸化炭素を冷媒として用いるヒートポンプ応用機器には本発明の適用が特に有効である。
【００１７】
ヒートポンプ応用機器６００は、さらに、主制御部６５０を備えている。主制御部６５０は、マイクロコンピュータ、入出力回路、Ａ／Ｄ変換器のような電気コンポーネントを含み、当該ヒートポンプ応用機器６００の運転全般を管理する。
【００１８】
膨張機５０１には、発電機５０３が機械的に接続され、発電機５０３には可変速コンバータ５０５が電気的に接続されている。膨張機５０１、発電機５０３および可変速コンバータ５０５は、冷媒の膨張力を回収して電力に変換する動力回収装置５００を構成する。可変速コンバータ５０５は、主制御部６５０と通信可能に接続されている。
【００１９】
図２の部分詳細図に示すように、動力回収装置５００は、さらに、膨張機５０１と発電機５０３とを接続するシャフト５０２と、発電機５０３と可変速コンバータ５０５とを接続する三相電力線５０４と、可変速コンバータ５０５に接続され電力回生に使用される一対の直流電力線５０６，５０７とを含む。膨張機５０１と発電機５０３は、シャフト５０２の働きにより、同期回転する。通常は、変速機構を設けないので、膨張機５０１の回転数と、発電機５０３の回転数とが一致する。なお、以下において、直流電力線５０６，５０７を回生電力線ともいう。
【００２０】
膨張機５０１の型式としては、例えば、２枚の渦巻き羽根が回転するスクロール式、シリンダ内のピストンを回転させるロータリー式、シリンダ内のピストンを往復運動させるレシプロ式等の容積型が挙げられる。発電機５０３は、例えば三相巻線５０８を備えた永久磁石型同期発電機であり、冷媒が膨張する際に膨張機５０１によって回収される動力を電力に変換する。可変速コンバータ５０５は、スイッチング素子群５０９を備えている。スイッチング素子群５０９は、発電機５０３で生じた交流電流を直流電流に変換する変換部としての機能を有している。また、可変速コンバータ５０５には、制御部５１０が設けられている。制御部５１０は、発電機５０３を流れる電流の値である三相電力線５０４の電流値を電流値計測線５１１を介して取得し、スイッチング素子群５０９と接続する制御線５１２に制御信号を出力し、発電機５０３の駆動を制御する機能を有している。なお、永久磁石型同期発電機に代えて、誘導発電機を発電機５０３に使用してもよい。
【００２１】
図１に示すように、圧縮機６０２には、電動機６０５が機械的に接続され、電動機６０５には、モータ制御装置６０６が電気的に接続されている。また、モータ制御装置６０６には、交流電源６０７から、整流回路６０８、平滑コンデンサ６０９を介して主直流電力線６１０，６１１が接続されている。そして、主直流電力線６１０，６１１には、回生電力線５０６，５０７が接続されている。回生電力線５０６，５０７は、一端が可変速コンバータ５０５に接続され、他端が主直流電力線６１０，６１１に接続されている。また、可変速コンバータ５０５と同様に、モータ制御装置６０６も主制御部６５０に通信可能に接続されている。
【００２２】
電動機６０５は圧縮機６０２を駆動する。モータ制御装置６０６は、直流電圧を三相交流電圧に変換するとともに電動機６０５の駆動を制御するインバータである。整流回路６０８は、交流電源６０７からの交流電圧を直流電圧に整流し、平滑コンデンサ６０９は、直流電圧を平滑化する。圧縮機６０２の型式としては、膨張機５０１と同様、スクロール式、ロータリー式、レシプロ式等を例示できる。
【００２３】
膨張機５０１を有する動力回収装置５００で回収された直流電流は、回生電力線５０６，５０７から主直流電力線６１０，６１１に供給され、圧縮機６０２を駆動する電動機６０５で消費される。
【００２４】
図２に示すように、冷媒が膨張機５０１で膨張する際に得られる動力は、シャフト５０２を介して発電機５０３に与えられ、発電機５０３で交流電力に変換される。そして、その交流電力に基づく交流電流は、三相電力線５０４で発電機５０３に接続された可変速コンバータ５０５で、直流電流に変換される。また、可変速コンバータ５０５は、スイッチング素子群５０９をＰＷＭ（Pulse Width Modulation）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５０３を回転させる。発電機５０３の回転数を制御する機能により、発電機５０３とシャフト５０２で接続された膨張機５０１の回転数を制御することが可能となる。すなわち、可変速コンバータ５０５のスイッチング制御により、発電機５０３および膨張機５０１の広範囲な回転数制御が可能となる。可変速コンバータ５０５で直流に変換された膨張機５０１の膨張動力は、電動機６０５（図１参照）の駆動に用いられる。
【００２５】
図３は、可変速コンバータの詳細な回路図である。一対の回生電力線５０６，５０７の間には、分圧抵抗８１３ａ，８１３ｂが設けられている。可変速コンバータ５０５は、(a)２個の電流センサ８０５ａ，８０５ｂと、(b)ＭＯＳＦＥＴ(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)やＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar Transistor)のようなスイッチング素子８０３ａ，８０３ｂ，８０３ｃ，８０３ｄ，８０３ｅ，８０３ｆおよび還流ダイオード８０４ａ，８０４ｂ，８０４ｃ，８０４ｄ，８０４ｅ，８０４ｆが対になった変換回路と、(c)２軸電流変換手段８０６、回転子位置・回転数推定手段８０７、制御部５１０、ベースドライバ８０８、正弦波電圧出力手段８０９、電流制御手段８１０、電流指令作成手段８１１および回転数制御手段８１２を含む制御回路と、を備えている。変換回路(b)は、図２中のスイッチング素子群５０９に相当する部分である。制御回路(c)は、上記各手段が担うべき機能を実現するためのプログラムを内蔵および実行する汎用のマイクロコンピュータ、入出力回路等によって構成されうる。また、上記各手段は、これらの機能を実現するように専用設計された論理回路によって構成されていてもよい。
【００２６】
発電機５０３の三相交流出力は、可変速コンバータ５０５を介して、例えば、直流電源８０１および平滑コンデンサ８０２側に供給される。直流電源８０１は、図１中の主直流電力線６１１，６１０に相当する。さらに、三相交流出力は、可変速コンバータ５０５により直流に変換される。その際、外部（本実施形態ではヒートポンプ応用機器６００の主制御部６５０）より与えられる目標回転数の情報に基づいて、発電機５０３の回転数が目標回転数となるように制御が行われる。
【００２７】
すなわち、可変速コンバータ５０５のスイッチング素子８０３ａ〜８０３ｆのスイッチングパターンを、電流センサ８０５ａ，８０５ｂから得られる発電機５０３の電流情報から推定された発電機５０３の磁極位置の情報と、発電機５０３の回転数の情報と、外部から与えられる目標回転数の情報とから決定する。さらに、このスイッチングパターン信号は、ベースドライバ８０８により、スイッチング素子８０３ａ〜８０３ｆ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８０３ａ〜８０３ｆが動作する。
【００２８】
次に、可変速コンバータ５０５の動作について説明する。なお、インバータ５０６の動作は、可変速コンバータ５０５の動作と概ね共通するので、本明細書において、インバータ５０６の動作説明は省略する。
【００２９】
まず、外部より与えられる目標回転数ω＊を実現するように、現在の回転数ωとの偏差から電流指令Ｉ＊が、下記（数１）を用いて回転数制御手段８１２により演算される。演算方法としては、一般的なＰＩ制御方式による。
【００３０】
【数１】
2007049506.tif 000021
【００３１】
ここで、Ｇｐω、Ｇｉωはそれぞれ速度制御比例ゲイン、積分ゲイン、ωは回転数、ω＊は目標回転数、Ｉ＊は電流指令である。
【００３２】
さらに、演算された電流指令Ｉ＊を用い、電流指令作成手段８１１は、ｄ軸電流指令Ｉｄ＊およびｑ軸電流指令Ｉｑ＊を下記（数２）（数３）により演算する。
【００３３】
【数２】
2007049506.tif 000022
【００３４】
【数３】
2007049506.tif 000023
【００３５】
ここで、βは電流位相角である。
【００３６】
一方、２軸電流変換手段８０６は、電流センサ８０５ａ，８０５ｂにより検出された発電機５０３の相電流Ｉｕ，Ｉｖを下記（数４）により、発電機５０３のマグネットトルクに寄与するｑ軸電流Ｉｑと、それに直交するｄ軸電流Ｉｄの２軸電流に変換する。
【００３７】
【数４】
2007049506.tif 000024
【００３８】
ここで、θは回転子位置（発電機の磁極位置）である。
【００３９】
そして、電流制御手段８１０は、与えられた電流指令Ｉｄ＊，Ｉｑ＊と、電流値Ｉｄ，Ｉｑとを用いて、下記（数５）（数６）により電流指令を実現するように制御演算を行い、出力電圧Ｖｄ，Ｖｑを求める。
【００４０】
【数５】
2007049506.tif 000025
【００４１】
【数６】
2007049506.tif 000026
【００４２】
ここで、Ｖｄ，Ｖｑはそれぞれｄ軸電圧、ｑ軸電圧であり、Ｇｐｄ，Ｇｉｄはそれぞれｄ軸電流制御比例ゲイン、積分ゲインであり、Ｇｐｑ，Ｇｉｑはそれぞれｑ軸電流制御比例ゲイン、積分ゲインである。
【００４３】
次に、求められた２方向の出力電圧Ｖｄ，Ｖｑから、出力波形が正弦波となるように三相の出力電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗが、回転子位置θを用いて、下記（数７）で示される一般的な二相三相変換により求められる。
【００４４】
【数７】
2007049506.tif 000027
【００４５】
ここで、Ｖｕ，Ｖｖ，ＶｗはそれぞれＵ相、Ｖ相、Ｗ相の電圧、θは回転子位置である。
【００４６】
さらに、正弦波電圧出力手段８０９は、出力電圧Ｖｄ，Ｖｑと、回転子位置・回転数推定手段８０７によって推定された回転子位置θとの情報に基づいて、発電機５０３を駆動するためのドライブ信号をベースドライバ８０８に出力する。そして、ベースドライバ８０８は、そのドライブ信号に従って、スイッチング素子８０３ａ〜８０３ｆを駆動するための信号（ＰＷＭ信号）を出力する。これにより、発電機５０３が目標とする回転数（速度）にて駆動される。
【００４７】
次に、運転を停止する際のヒートポンプ応用機器６００の動作について説明する。
【００４８】
図４Ａ，図４Ｂは、ヒートポンプ応用機器６００の運転停止時における膨張機５０１の回転数、発電機５０３を流れる電流の値（実効値）および圧縮機６０２の回転数の推移図である。図５は、ヒートポンプ応用機器の停止手順を示すゼネラルフローチャートである。さらに、図６は、ヒートポンプ応用機器の運転停止時に主制御部６５０が実行する制御のフローチャートである。
【００４９】
図５に示す運転停止シーケンスは、所定の運転停止契機が発生することに応じて開始される。そのような運転停止契機の例は、ヒートポンプ応用機器６００が空気調和装置に適用される場合には、ユーザによって運転スイッチがオフされること、自動停止タイマがタイムアップすること、室温が目標値に到達すること等であり、給湯装置に適用される場合には、貯湯量や貯湯温度が目標値に到達すること等である。
【００５０】
図５に示すステップＳ１は図４Ａのｔ１〜ｔ２に、ステップＳ２はｔ２〜ｔ３に、ステップＳ３はｔ３〜ｔ４にそれぞれ対応する。ステップＳ１は、電動機６０５および発電機５０３の目標回転数を下げ、圧縮機６０２と膨張機５０１の回転数を低下させるステップである。これにより、冷媒の高低圧差を縮小する。ステップＳ２は、発電機５０３を流れる電流の値が所定値になるまで圧縮機６０２と膨張機５０１の回転数を保持するステップである。ただし、十分長い時間でステップＳ１を実施した場合、つまり、圧縮機６０２と膨張機５０１の回転数を緩やかに下げる場合には、その間に冷媒の差圧も十分縮小し、発電機５０３を流れる電流の値も低下するので、その場合にはステップＳ２は必須でない。最後に、ステップＳ３で、電動機６０５および発電機５０３の動作を停止させる。
【００５１】
このように、運転停止契機の発生に応じて、インバータ６０６は電動機６０５の回転数を下げる。可変速コンバータ５０５は、運転停止契機の発生後、少なくとも発電機５０３を流れる電流の値が所定値以下となるまで発電機５０３の駆動制御（回転数制御）を継続し、発電機５０３を流れる電流の値が所定値以下となることを条件として、発電機５０３の動作を停止させる。これにより、冷媒の残存差圧により膨張機５０１が高回転で動作することを防止する。
【００５２】
図６のフローチャートを参照しながらさらに詳しく説明する。ヒートポンプ応用機器６００の主制御部６５０は、運転停止契機の取得後、図６のフローチャートで表されるプログラムを呼び出し、実行する。
【００５３】
まず、ＳＴ１において、主制御部６５０は、発電機５０３を流れる電流の値を読む。発電機５０３を流れる電流の値は、可変速コンバータ５０５の制御部５１０から取得してもよいし、電流センサ８０５ａ，８０５ｂ（図３参照）から直接取得してもよい。
【００５４】
次に、ＳＴ２において、読み込んだ電流値が予め定めた所定値（ＩＥ１）以下かどうかを判断する（電流値判断手段（Ａ））。この所定値（ＩＥ１）は十分に小さい値に設定されるので、運転停止シーケンスの開始直後において、通常、発電機５０３を流れる電流の値は所定値（ＩＥ１）よりも大きくなる。次に、ステップＳＴ３において、電動機６０５の回転数が所定回転数（Ｃ１）以下かどうかを判断する。電動機６０５の回転数が所定回転数（Ｃ１）よりも大きい場合には、ステップＳＴ４に進み、電動機６０５の目標回転数を下げる。電動機６０５の回転数は、主制御部６５０のメモリに常時に格納される電動機目標回転数によって特定することができる。新たに設定された目標回転数は、主制御部６５０からインバータ６０６に与えられる。なお、回転数の低下速度は特に限定されず、所定回転数（Ｃ１）まで段階的に低下させてもよいし、所定回転数（Ｃ１）まで１ステップで急減させてもよく、本実施形態では前者を想定している。
【００５５】
すなわち、インバータ６０６は、運転停止契機の発生に応じて冷媒の高低圧差が縮小するように電動機６０５の回転数を下げ、かつ回生電力消費のために発電機５０３を流れる電流の値が所定値（ＩＥ１）以下となるまで電動機６０５の駆動制御を継続する。運転停止契機の発生後、直ちに電動機６０５を停止させた場合、発電機５０３で発生した電力が消費されず、電気回路が破壊される可能性があるが、本実施形態によれば、電動機６０５の駆動制御も続けるので回生電力を確実に消費でき、電気回路の破壊を確実に防ぐことができる。また、本実施形態では、図４Ａから分かるように、電動機６０５の回転数低下と発電機５０３の回転数低下とを同期して行い、かつ一定速度で単調減少させている。特に、電動機６０５の回転数を徐々に下げることにより、電動機６０５が回生動作を行う可能性も排除できるので好ましい。
【００５６】
次に、ステップＳＴ５において、発電機５０３の回転数が所定回転数（Ｅ１）以下かどうかを判断する。発電機５０３の回転数が所定回転数（Ｅ１）よりも大きい場合には、ステップＳＴ６に進み、発電機５０３の目標回転数を下げる。新たに設定された目標回転数は、可変速コンバータ５０５に与えられる。この結果、発電機５０３は、より低い回転数で駆動されるようになる。発電機５０３の所定回転数（Ｅ１）や電動機６０５の所定回転数（Ｃ１）は、膨張機５０１や圧縮機６０２の容積にもよるが、例えば、１５〜２０ｒｐｓ程度の低速回転数に設定することができる。なお、本実施形態において、発電機５０３と膨張機５１０の回転数、電動機６０５と圧縮機６０２の回転数は、それぞれ、常時一致することを断っておく。
【００５７】
図６のフローチャートのＳＴ１〜ＳＴ６は、図４Ａの推移図のｔ１〜ｔ３に対応している。図４Ａに示すように、主制御部６５０による運転停止シーケンスが時刻ｔ１に開始されると、可変速コンバータ５０５は発電機５０３の目標回転数ω＊を下げられ、膨張機５０１の回転数を低下させる。そして、時刻ｔ２に回転数がＥ１になると、可変速コンバータ５０５により、膨張機５０１は回転数Ｅ１に保持される。このように膨張機５０１を回転数Ｅ１に保持するのは、膨張機５０１内の差圧が十分小さくなるのを待ち、その差圧で膨張機５０１が高速に回転しないようにするためである。もちろん、先に述べたように、回転数の低下速度が十分に小さい場合には、回転数を保持するステップは必須でない。
【００５８】
また、可変速コンバータ５０５は、発電機５０３を流れる電流の値が所定値（ＩＥ１）以下となるまで、運転停止契機の発生時よりも低い回転数を実現するように発電機５０３の駆動制御を継続している。本実施形態では、図４Ａの推移図に示すように、運転停止契機の発生時から、電動機６０５および発電機５０３の回転数を同期して単調減少させている。このようにすれば、運転停止時の騒音を極力小さくするのに有利である。
【００５９】
ただし、運転停止契機の発生後、直ちに発電機５０３の回転数を低下させることが必須というわけではなく、電動機６０５と発電機５０３の回転数低下が同時に始まらなくともよい。例えば、図４Ｂの推移図に示すように、運転停止契機の発生直後は、その運転停止契機の発生時（時刻ｔ１）の回転数を実現するように発電機５０３の駆動制御を継続する。電動機６０５の減速は、冷媒の高低圧差を縮小するために必要である。冷媒の高低圧差が適度に小さくなった後で、発電機５０３の回転数を徐々に低下させる。このようにすれば、冷媒の高低圧差をより迅速に縮小することが可能になるので、運転を完全に停止するまでに費やされる時間を短縮するのに有利である。発電機５０３の回転数を下げ始めるタイミングや低下速度は、特に限定されないが、騒音が増したり、機械部品に無理なストレスが懸かったりしないように調整するべきである。
【００６０】
図６のフローチャートのステップＳＴ２に表されるように、ヒートポンプ応用機器６００は、運転停止契機の発生に応じて発電機５０３を流れる電流の値が所定値（ＩＥ１）以下であるかどうかを判断する手段（Ａ）を備える。もちろん、この手段（Ａ）が可変速コンバータ５０５に含まれていてもよい。可変速コンバータ５０５は、発電機５０３を流れる電流の値が所定値（ＩＥ１）を超えている場合、発電機５０３を流れる電流の値が所定値（ＩＥ１）以下となるまで発電機５０３の駆動制御を継続し、さらに、発電機５０３を流れる電流の値が所定値（ＩＥ１）以下になった場合に、発電機５０３の動作を停止させる。このように、電流値をモニタしながら発電機５０３の制御を行えば、発電機５０３を流れる電流の値が所定値（ＩＥ１）となるタイミングを正確に把握できるので、ヒートポンプ応用機器６００の迅速な運転停止に資する。
【００６１】
図６のフローチャートに戻って説明を続ける。電動機６０５と発電機５０３の回転数を下げ、発電機５０３を流れる電流の値が所定値（ＩＥ１）以下まで低下した場合、ステップＳＴ７において、発電機５０３が力行運転を行っているかどうかを判断する。力行運転であると判断した場合には、ＳＴ９において目標回転数をゼロにする。すなわち、電動機６０５の動作を直ちに停止させる命令をインバータ６０６に与え、発電機５０３の動作を直ちに停止させる命令を可変速コンバータ５０５に与える。
【００６２】
ごく稀に、発電機５０３が一時的に力行運転、つまり、電動機として駆動されている場合がある。例えば、ヒートポンプ応用機器６００の運転開始直後は、冷媒の高低圧差が小さく、発電機５０３が一時的に力行運転される可能性がある。このような状態で運転停止契機が発生した場合は、電動機６０５および発電機５０３の回転数制御を直ちに止めてよい。膨張機５０１の自由回転を許容したとしても、部品破壊に至るような高回転にはならないし、電動機６０５を直ちに止めることにより、電力の無駄な消費を回避できる。
【００６３】
一方、発電機５０３を流れる電流の値が所定値（ＩＥ１）以下であり、かつ力行運転でもない場合には、ＳＴ８において、発電機５０３の各相巻線５０８への直流励磁を行い、発電機５０３の回転動作を停止させる。電動機６０５および発電機５０３の目標回転数はともにゼロに設定される（ＳＴ９）。可変速コンバータ５０５の制御部５１０は、直流励磁のパターンでスイッチングが行われるように、ベースドライバ８０８に命令を与える。これにより、発電機５０３において界磁が固定され、磁力に応じたブレーキがかかる。
【００６４】
図４Ａに示すように、発電機５０３を流れる電流の値は、膨張機５０１内の冷媒の差圧に応じて流れるため、時刻ｔ１から徐々に減少する。時刻ｔ３で電流が所定値（ＩＥ１）になると、可変速コンバータ５０５の制御部５１０により、発電機５０３の各相巻線５０８は直流励磁が行われる。すなわち、発電機５０３に時刻ｔ４まで直流電流（ＩＥ２）を流すことによりブレーキをかけ、膨張機５０１の回転を停止させる。
【００６５】
所定値（ＩＥ１）は、発電機５０３の各相巻線５０８に直流励磁を行った際に、発電機５０３に流れる電流が、可変速コンバータ５０５のスイッチング素子群５０９の素子耐量を超えることがないように定められた値、言い換えれば、各スイッチング素子が破壊されないことが保証された電流値でありうる。また、所定値（ＩＥ１）は、膨張機５０１内の差圧が十分小さくなったときに発電機５０３を流れる電流の値であって、例えば、直流励磁をかけて膨張機５０１の回転動作を停止させる場合に、その時点の差圧で膨張機５０１の回転数が再び増加しない、１０アンペア程度の値である。すなわち、所定値（ＩＥ１）は、各相巻線５０８への直流励磁を行った際に発電機５０３の回転数が減少するように定められた値でありうる。直流励磁をかけるときの電流値（ＩＥ２）は特に限定されないが、所定値（ＩＥ１）と等しい値、それより少し大きい値、またはそれより少し小さい値に設定することができる。
【００６６】
さらに、発電機５０３は、効率の高さから永久磁石型同期発電機が好適であるが、その場合、所定値（ＩＥ１）は、各相巻線５０８への直流励磁を行った際に、永久磁石型同期発電機に流れる電流が、その永久磁石型同期発電機の減磁電流量を超えないように設定された値となりうる。
【００６７】
上記のように所定値（ＩＥ１）を定めることにより、スイッチング素子を破壊したり、発電機５０３に用いられた磁石を減磁させたりすることなく、発電機５０３、ひいては膨張機５０１を確実に停止させることが可能である。もちろん、直流励磁が本発明に必須というわけではないが、迅速な停止を求める場合には、直流励磁を行うことが望ましい。
【００６８】
なお、本実施形態では、発電機５０３を流れる電流の値を逐一参照して停止タイミングを図るようにしているが、冷媒の高低圧差が十分縮小するまで待って停止するという本発明の趣旨からすれば、電流値を参照することが必須というわけではない。すなわち、電流値を逐一確認することなく、予め定めた運転停止シーケンス、例えば、本実施形態の図４Ａ，図４Ｂの推移図で特定されるような運転停止シーケンスを実施するようにしてもよい。
【００６９】
また、以下で説明するように、発電機５０３を流れる電流の値から、ロータリー式の膨張機５０１での高圧冷媒と低圧冷媒との差圧を推定することが可能であることから、電流値に代えて、冷媒の圧力を見て停止タイミングを図るようにしてもよい。例えば、圧力センサを用いて計測した冷媒の圧力に基づいて停止タイミングを図ることは、発電機５０３を流れる電流の値を参照して停止タイミングを図る本実施形態と全く同じ結果を生ずる。ただし、一般に、圧力センサは高価なので、本実施形態のように電流値に基づく方法が好ましい。
【００７０】
膨張機５０１に加わる膨張機トルクＴｅｘｐは、発電機５０３を流れる電流Ｉｅｘｐと、発電機５０３固有の発電機トルク定数Ｋｔとを使って、次のように表される。
【００７１】
【数８】
2007049506.tif 000028
【００７２】
また、膨張機５０１に吸入される高圧冷媒の圧力をＰｄ、吐出される低圧冷媒の圧力をＰｓ、膨張機５０１の設計値である吸入容積値をＶｅｘｐ、断熱係数をｋ、膨張機５０１の回転数をｆとすると、下記（数９）が成り立つ。
【００７３】
【数９】
2007049506.tif 000029
【００７４】
これらの（数８）と（数９）より、ロータリー式の膨張機５０１での高圧冷媒と低圧冷媒との差圧を推定できる。
【００７５】
本実施形態によれば、膨張機５０１内の冷媒の圧力差に関係する発電機５０３を流れる電流の値に基づいて、膨張機５０１の回転を停止させるため、冷媒の残存差圧により膨張機５０１の回転数が過昇することを防止できる。また、運転停止時には、膨張機５０１にブレーキがかけられるため、膨張機５０１を迅速に停止させることが可能である。また、運転停止契機の発生後も電動機６０５の駆動を継続するので、電気部品が破壊されるおそれもない。このようにして、信頼性の高い、膨張機を用いたヒートポンプ応用機器を提供することができる。
【００７６】
ところで、圧縮機６０２は、インバータ６０６による電動機６０５の回転数制御を停止すると、回転数が急速に低下してゼロになる。本実施形態のように、電動機６０５の回転数を徐々に（好ましくは発電機５０３と同期して）下げることは、回生電力の消費先を確保するという観点から重要であるが、電動機６０５を使用せずに回生電力を消費できる場合には、発電機５０３を流れる電流の値が所定値以下となる前に電動機６０５の回転数制御を終了し、圧縮機６０２を停止させてもよい。
【００７７】
例えば、後述する第２実施形態に示すような保護回路、つまり、電動機６０５に代わって発電機５０３の回生電力を消費しうる保護回路を設けることができる。
【００７８】
実施の形態２（図７参照）で説明するように、そのような保護回路は、可変速コンバータ５０５に接続する直流電力線５０６上に設けられた第１のスイッチと、その第１のスイッチと可変速コンバータ５０５との間において、可変速コンバータ５０５に対して並列となるように直流電力線５０６，５０７に接続された第２のスイッチと、その第２のスイッチに対して直列となるように直流電力線５０６，５０７に接続された負荷または蓄電部とを含むものとすることができる。通常の運転時は、第１のスイッチがオン、第２のスイッチがオフとなる。そして、運転停止契機の発生に応じて、第１のスイッチがオフ、第２のスイッチがオンとなることにより、負荷で回生電力が消費される、または蓄電部に回生電力が蓄えられる。また、実施の形態２で説明するように、停電時や電源が異常遮断された場合にも、第１のスイッチがオフ、第２のスイッチがオンとなるようにすることが好ましい。
【００７９】
なお、本実施形態のヒートポンプ応用機器６００では、主制御部６５０、可変速コンバータ５０５の制御部５１０およびインバータ６０６の制御部（図示省略）の三者を別々の制御部として設けたが、各制御部の機能を１つの制御部に集約させてもよい。
【００８０】
（実施の形態２）
図７は、本発明の実施の形態２の膨張機を用いたヒートポンプ応用機器における膨張機側の部分詳細図である。本発明の実施の形態２では、実施の形態１と同一の機能を示す部品には、同一の符号を使用し、作用の説明は省略する。
【００８１】
ヒートポンプ応用機器７００は、膨張機５０１、膨張機５０１にシャフト５０２で接続された発電機５０３、発電機５０３に三相電力線５０４で接続された可変速コンバータ７０１および一対の直流電力線５０６，５０７で可変速コンバータ７０１に接続された膨張機保護回路７０２を備えている。そして、膨張機保護回路７０２からは、一対の直流電力線５０６，５０７が伸びている。
【００８２】
可変速コンバータ７０１は、スイッチング素子群５０９を備えている。スイッチング素子群５０９は、発電機５０３で生じた交流電流を直流電流に変換する。膨張機保護回路７０２は、直流電力線５０６上に設けた第１のリレー７０３と、第１のリレー７０３から可変速コンバータ７０１に向かう一対の直流電力線５０６，５０７の間に直列に接続された負荷抵抗７０４と、第２のリレー７０５とを備えている。さらに、膨張機保護回路７０２は、膨張機５０１の駆動中に流れる制御電流（制御信号）で、第１のリレー７０３と第２のリレー７０５との開閉を制御するリレー制御部７０６を備えている。リレー制御部７０６は、例えば交流電源からの交流電流を変換して得られる直流電流が流れる制御電流線７０７から入力信号を受け、第１のリレー７０３と第２のリレー７０５とを、それぞれリレー制御信号線７０８，７０９で制御する機能を有する。
【００８３】
ヒートポンプ応用機器７００の正常運転中は、リレー制御部７０６が、第１のリレー７０３を閉じ、第２のリレー７０５を開くように制御する。したがって、可変速コンバータ７０１で変換された直流電流は、一対の直流電力線５０６，５０７で流れていく。他方、停電等で制御電流線７０７からの制御電流の供給が停止すると、リレー制御部７０６が、第１のリレー７０３を開き、第２のリレー７０５を閉じるように制御し、可変速コンバータ７０１で変換された直流電流は、負荷抵抗７０４で消費される。
【００８４】
したがって、停電等で機器の運転も停止されるものの、膨張機５０１に残る冷媒の差圧に基づく直流電流が発生しても、負荷抵抗７０４で消費され、電気回路が破壊に至る問題を回避できる。
【００８５】
また、本実施の形態２では、可変速コンバータ７０１で変換された直流電流を負荷抵抗７０４で消費する例を示したが、負荷抵抗７０４に代えてコンデンサ等の蓄電部を設け、蓄電するようにしてもよい。
【００８６】
また、図７には、第１のリレー７０３を直流電力線５０６に設けた例を示したが、直流電力線５０７に設けてもよい。また、リレー７０３，７０５に代えて、トランジスタのような非接点型スイッチを採用してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００８７】
本発明のヒートポンプ応用機器は、運転停止時に膨張機が高速回転を起こして損傷を被ることがなく、電気回路が破壊されることがない信頼性の高い装置となり、この装置を含む空気調和装置、給湯装置等に有用である。また、本発明のヒートポンプ応用機器に含まれる動力回収装置は、作動流体の膨張エネルギーを回収する装置として、ランキンサイクルのような他のヒートポンプサイクルにも適用しうる。
【図面の簡単な説明】
【００８８】
【図１】本発明の実施の形態１の膨張機を用いたヒートポンプ応用機器のブロック図
【図２】図１の部分詳細図
【図３】可変速コンバータの詳細な回路図
【図４Ａ】ヒートポンプ応用機器の運転停止時における膨張機の回転数、発電機電流および圧縮機の回転数の推移図
【図４Ｂ】ヒートポンプ応用機器の運転停止時における膨張機の回転数、発電機電流および圧縮機の回転数の別例の推移図
【図５】ヒートポンプ応用機器の停止方法を示すゼネラルフローチャート
【図６】ヒートポンプ応用機器の停止方法を示す詳細なフローチャート
【図７】本発明の実施の形態２のヒートポンプ応用機器の部分ブロック図
【図８】従来のスクロール型流体機械の断面図
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2007049506.tif 000030
【図２】
2007049506.tif 000031
【図３】
2007049506.tif 000032
【図４Ａ】
2007049506.tif 000033
【図４Ｂ】
2007049506.tif 000034
【図５】
2007049506.tif 000035
【図６】
2007049506.tif 000036
【図７】
2007049506.tif 000037
【図８】
2007049506.tif 000038
【国際調査報告】
2007049506.tif 000039
2007049506.tif 000040
2007049506.tif 000041
2007049506.tif 000042