(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒を圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機により圧縮された前記冷媒を冷却する放熱器と、
前記放熱器を通過した前記冷媒を膨張させる膨張機と、
前記膨張機により膨張した前記冷媒を蒸発させる蒸発器と、
前記圧縮機、前記放熱器、前記膨張機、及び前記蒸発器に前記冷媒を循環させる冷媒配管と、
前記膨張機に接続された永久磁石型同期発電機と、
前記永久磁石型同期発電機に流れる電流を検出する電流センサと、
前記永久磁石型同期発電機が出力する交流電力を直流電力に変換し、前記電流センサにより検出された電流値により前記永久磁石型同期発電機の磁極位置を推定するとともに、前記電流値および前記磁極位置を用いて前記永久磁石型同期発電機の回転数を所定の値に制御する第１のコンバータとを有し、
前記圧縮機の起動後の、所定の時間後に、前記第１のコンバータによって発電機を力行起動させるヒートポンプ装置。
【請求項２】
前記圧縮機と前記膨張機との間に設置されて前記冷媒の圧力を検出する圧力センサと、
前記圧縮機と前記膨張機との間に設置されて前記冷媒の温度を検出する温度センサと、
前記所定の時間後に、前記圧力センサ及び前記温度センサからの信号により前記第１のコンバータを制御する発電機回転数制御手段とを更に有する請求項１に記載のヒートポンプ装置。
【請求項３】
前記第１のコンバータは、前記電流センサにより検出された電流値により前期永久磁石型同期発電機の磁極位置および回転数を推定するとともに、前記電流値、前記磁極位置および回転数を用いて前記永久磁石型同期発電機の電流値および前記回転数を所定の値に制御する、請求項１に記載のヒートポンプ装置。
【請求項４】
商用電源の交流を直流に変換する第２のコンバータと、
前記第１および第２のコンバータから出力された直流を前記インバータの入力端に接続して、所定の周波数の交流に変換して前記圧縮機を駆動するインバータとを更に有する請求項１に記載のヒートポンプ装置。
【請求項５】
前記圧縮機と前記膨張機との間に設置されて前記冷媒の圧力及び温度を検出する圧力センサ及び温度センサと、
前記圧力センサ及び前記温度センサからの信号により前記冷媒の圧力を最適圧力とするように前記発電機の電流値を制御する発電機電流制御手段とを更に有する請求項１に記載のヒートポンプ装置。
【請求項６】
前記圧縮機と前記膨張機との間に設置されて前記冷媒の圧力及び温度を検出する圧力センサ及び温度センサと、
前記圧力センサ及び前記温度センサからの信号により前記冷媒の圧力を最適圧力とするように前記発電機の発電量を制御する発電機発電量制御手段とを更に有する請求項１に記載のヒートポンプ装置。
【請求項７】
前記冷媒が、二酸化炭素であることを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、膨張機に発電機を連結して動力回収を行うヒートポンプ装置に関する。
【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１０に示す構成のものがある。図１０の蒸気圧縮式冷凍装置は、圧縮機１０１、放熱器１０２、膨張弁１０３、及び蒸発器１０４から構成される。こ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循環する。
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。冷媒の圧力及び温度は圧縮機１０１によって増加され、次いで、その冷媒が放熱器１０２に入り、冷却される。その後、高圧状態にある冷媒は膨張弁１０３により蒸発圧力に絞られ、蒸発器１０４において吸熱して気化する。そして、蒸発器１０４を出た冷媒は圧縮機１０１に戻る。本装置には、冷媒として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。
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り、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、既にさまざまな構成や方法が提案されている。
ＣＯＰを向上させる装置として以下のものが提案されている（特許文献１から３）。図１１に示す冷凍装置では、原動機２０５により圧縮機２０１を駆動し、圧縮機２０１により圧縮された冷媒は、放熱器２０２で冷却され、その後、膨張比制御手段２０３が取り付けられた膨張機２０４を通過する。膨張機２０４は、主軸２１３を介して圧縮機２０１の駆動を補助する。冷媒は膨張機２０４内で膨張し、蒸発器２０６内で外部より吸熱して気化した後、再び圧縮機２０１へ戻る。圧縮機２０１、放熱器２０２、膨張機２０４、及び蒸発器２０６によって構成される回路は配管２０７により連結される。なお、性能、信頼性向上のためオイルセパレータ２０８、アキュームレータ２０９を設ける場合もある。
膨張比制御手段２０３は、演算手段２１０によって制御される。この演算手段２１０への入力として、温度センサ２１１と圧力センサ２１２が放熱器２０２の出口側の冷媒状態を検出するために取り付けられている。
このような構成の冷凍装置では、膨張機２０４を使用することにより、冷媒の膨張による力で圧縮機２０１の駆動を補助するため、使用されるエネルギー総量は低減され、ＣＯＰを向上させることが可能である。
即ち、図１２に示す、冷媒として二酸化炭素を用いた冷凍サイクルにおける冷媒の状態を表す圧力―エンタルピー状態図、いわゆるモリエル線図のように、従来の膨張弁を膨張手段として用いていた場合には、等エンタルピー膨張するが、膨張機により等エントロピー膨張させ（図中の点線表示）、膨張機で回収された動力を利用することで、総合効率を向上させることができる。
また、図１３に示す冷凍装置では、原動機４０５によって駆動される圧縮機４０１により、圧縮された冷媒が放熱器４０２で冷却され、その後、膨張機４０３を通過する際に、この膨張機４０３に接続された発電機４０４に発電させる（特許文献１、特許文献２）。そして、冷媒は膨張機４０３内で膨張し、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へ戻る構成になっている。
この装置は、冷媒の膨張による力で発電機４０４を回転させて電力を発生し、その電力を利用することで使用されるエネルギー総量は低減され、それによりＣＯＰを向上させることが可能である。
さらに、このような発電機４０４としては、励磁装置を用いていた（特許文献４）。特許文献４に開示された冷凍装置を図１４及び図１５に示す。この冷凍装置は、図１４に示すように、圧縮機５０１、凝縮器５０２、受液器５０３、膨張機５０４、及び蒸発器５０５の順に冷媒が循環される構成において、膨張機５０４には、その駆動軸と同軸上に連結された発電機５０６が備えられ、蒸発器５０５の出口に設けられた冷媒の過熱度を検出する過熱度検出部５１２と、その信号に基づいて発電機５０６の励磁電流を制御する制御部５１１と、発電機５０６により発生した交流を直流に変換する整流器５０８と、直流電力を回収する蓄電器５１０とを備えている。
このような冷凍装置の場合、発電機５０６の励磁電流（即ち、励磁コイルに流れる電流量）を調整することにより発電機５０６を制御し、発電機５０６の負荷トルクの増減により、膨張機５０４の回転制御を行って冷媒流量を調整するとともに、発電機５０６により発生する電力を蓄電器５１０に効率良く回収している。
即ち、発電機５０６は、ロータの他端に固定される駆動軸によって駆動力を入力し、発電する構成になっている。発電機５０６には、ブラシが備えられ、ブラシはスリップリングに摺動してロータコイルに励磁電流を供給する機能を有する。冷媒の膨張回転仕事により駆動軸が回転されると、ロータコイルに供給される励磁電流により磁界が生成されてステータコイルに起電力が生じ、この起電力はステータコイルより交流電力として出力される。
また、発電機５０６の励磁電流を生成するための励磁部５０７は、図１５に示す回路構成になっており、制御部５１１の出力する励磁電流制御信号を入力信号とし、励磁部５０７から励磁電流を出力信号として発電機５０６に供給する構成になっている。
即ち、ｎｐｎ形のトランジスタＴｒ６０４（以下、Ｔｒ６０４）のベースには、制御部５１１から出力される励磁電流制御信号が印加される。また、Ｔｒ６０４のエミッタは、発電機５０６のマイナス端子に接続され、Ｔｒ６０４のコレクタは、抵抗６０５を介して発電機５０６のロータコイル６０２に接続されている。また、トランジスタＴｒ６０３（以下、Ｔｒ６０３）のベースは、Ｔｒ６０４のコレクタに接続され、Ｔｒ６０３のエミッタは発電機５０６のマイナス端子に接続され、Ｔｒ６０３のコレクタはロータコイル６０２を介して発電機５０６のプラス端子に接続されている。これにより、制御部５１１からＴｒ６０４のベースに印加される励磁電流制御信号を増大すると、Ｔｒ６０４が導通してロータコイル６０２を流れる励磁電流を増大させ、逆にＴｒ６０４のベースに印加される励磁電流制御信号を減少すると、励磁電流を減少させるようになっている。
さらに、励磁電流制御信号を出力する制御部５１１は、冷凍サイクルの温度情報などに基づいて、適正な冷媒流量になるように励磁部５０７に出力する励磁電流制御信号を制御する構成になっている。例えば、冷媒循環量が少ない場合には、発電機５０６の励磁電流を減らし、負荷トルクを減少して膨張機５０４の回転数を増加させる。逆に、循環量が多い場合には、発電機５０６の励磁電流を増やし、負荷トルクを増大させ、膨張機５０４の回転数を減少させる。また、発電機５０６により発電された交流電圧は、整流器５０８を介して直流電圧に変換され、可変負荷抵抗５０９を介して充電電圧がほぼ一定になるように制御され、蓄電器５１０を充電する。
このように、ロータコイル６０２と、ロータコイル６０２に励磁電流を供給する励磁部５０７とを備えた発電機５０６によってその励磁電流を制御することにより、膨張機５０４の回転数を制御していた。
また、特許文献５には、風車に軸結合される永久磁石型同期発電機の出力をＡＣ−ＤＣ変換器（可変速インバータ）を用いて変換する風力発電機において、可変速インバータを制御することにより、発電機の出力電圧とその回転数の可変速制御を行うことが記載されている。
さらに、特許文献6には、永久磁石型同期発電機の出力電流と端子電圧から位置推定器により、磁極位置を推定した上で、発電機のトルクを制御することが記載されている。
【特許文献１】
特開２０００−２４１０３３号公報
【特許文献２】
特開２０００−２４９４１１号公報
【特許文献３】
特開２００１−１６５５１３号公報
【特許文献４】
特開平１−１６８５１８号公報
【特許文献５】
特開２０００−３４５９５２号公報
【特許文献６】
特開２００２−３５４８９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところが、特許文献４に記載の構成の場合、発電機の回転子の中に励磁部やコイルが備わっているため、重量が大きくなり、且つ、その構成が複雑であった。また、励磁部に電流が流れるため、回転子内の電力ロスがあり、発電効率が低くなっていた。
また、励磁電流を調整することで発電機の回転数を制御しているため、狭い励磁電流の調整範囲を超えた回転数に対しては、膨張機を制御することはできない。そのため、冷凍サイクルの最適化状態を作り出すのが難しく、冷凍サイクルの効率を最適にすることができなかった。
また、引用文献５に記載の発電機の制御の場合、回転子に励磁子とコイルが無いため、回転子側の重量が減少し、かつ、回転子内の電流ロスが減少するため、発電効率が高くなるとされているが、発電機の磁極位置を検出する方法については記載がない。励磁部等のない永久磁石型同期発電機を用いた場合、この発電機を制御するには、発電機の磁極位置を検出することが必要である。発電機の磁極位置検出のためには、従来、エンコーダなどの回転位置センサの使用が不可欠であった。そのため、例えば膨張機と発電機の一体型構造の場合であれば、エンコーダのために回転軸をシェル外に出す必要があり、そのためには、圧力に対する軸シールなどの対策が必要となり、信頼性を低下させるものであった。
また、風力発電機等においては、永久磁石型同機発電機の回転速度にかかわらず直流電圧を一定に保つために、エンコーダを用いずに、電流により磁極位置を推定し、発電機を制御するという技術は特許文献６に開示されている。しかしながら、ヒートポンプ装置においては、単に発電機の出力を最大にするのみでなく、発電機の出力を効率よく利用しながら、かつ、冷凍サイクルの効率を最適にする制御が必要とされる。
また、起動時などにおいて、膨張機を強制的に回転させることのできない構成であり、冷凍サイクルの信頼性を低下させていた。
【０００４】
したがって本発明は、上記の課題を解決するもので、回転子側の重量が減少し、且つ、回転子に励磁部とコイルがなく、従って、そこに電気が流れず、回転子内の電力ロスがないために発電効率が高くなり、更には、回転子側の構成が簡素であってコストが低くなり、発電機の有効性を活用することができるヒートポンプ装置を提供することを目的とする。
また他の目的は、効率の高い、信頼性の高いヒートポンプ装置を提供することにある。即ち、広範囲な回転数で膨張機を制御することを可能とし、効率の最適化を図り、回転位置センサレスで永久磁石型同期発電機を制御することを可能とし、シール性などの点から信頼性の向上を図り、起動時に膨張機を強制回転させることを可能とし、起動性を改善して冷凍サイクルの信頼性の向上を図るものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
第１の発明に係るヒートポンプ装置は、冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮機により圧縮された冷媒を冷却する放熱器と、放熱器を通過した冷媒を膨張させる膨張機と、膨張機により膨張した冷媒を蒸発させる蒸発器と、圧縮機、放熱器、膨張機、及び蒸発器に冷媒を循環させる冷媒配管と、膨張機に接続された永久磁石型同期発電機と、永久磁石型同期発電機に流れる電流を検出する電流センサと、永久磁石型同期発電機が出力する交流電力を直流電力に変換し、電流センサにより検出された電流値により永久磁石型同期発電機の磁極位置を推定するとともに、電流値および磁極位置を用いて永久磁石型同期発電機の回転数を所定の値に制御する第１のコンバータとを有し、圧縮機の起動後の、所定の時間後に、第１のコンバータによって発電機を力行起動させるものである。
第１の発明によれば、システムの立ち上げを迅速に行なうことができ、システム作動開始時の膨張機の起動をスムーズに行なうことができる。
第２の発明に係るヒートポンプ装置は、第１の発明に係るヒートポンプ装置において、圧縮機と膨張機との間に設置されて冷媒の圧力を検出する圧力センサと、圧縮機と膨張機との間に設置されて冷媒の温度を検出する温度センサと、圧力センサ及び温度センサからの信号により第１のコンバータを制御する発電機回転数制御手段とを更に有し、前記所定の時間後に、発電機回転数制御手段を用いて前記第１のコンバータを制御するものである。
上記第２の発明によれば、第１のコンバータで永久磁石型同期発電機の回転数を所定の値に制御し、膨張機に接続された永久磁石型同期発電機により電力回収を行える。永久磁石型同期発電機には励磁部等がないので、発電機の重量が減少し、且つ、発電効率が高くなり、それにより総合効率が高くコストの低いヒートポンプ装置を実現できる。また、ヒートポンプ装置のサイクル効率を最適化することができる。
第３の発明に係るヒートポンプ装置は、第１の発明に係るヒートポンプ装置において、電流センサにより検出された電流値により永久磁石型同期発電機の磁極位置および回転数を推定するとともに、電流値、磁極位置および回転数を用いて永久磁石型同期発電機の電流値および回転数を所定の値に制御するものである。
上記第３の発明によれば、回転位置センサなしで永久磁石型同期発電機の回転数を制御することができ、それにより同一シェル内に発電機と膨張機を一体化して収納することも可能となり、シール性に優れ信頼性の高いヒートポンプ装置を実現できる。
第４の発明に係るヒートポンプ装置は、第１の発明に係るヒートポンプ装置において、商用電源の交流を直流に変換する第２のコンバータと、第１および第２のコンバータから出力された直流をインバータの入力端に接続して、所定の周波数の交流に変換して圧縮機を駆動するインバータとを更に有するものである。
上記第４の発明によれば、膨張機の発電電力を圧縮機の駆動電力として利用することを可能とし、簡易な構成とすることができるとともに、電力を効率良く回収することができる。
第５の発明に係るヒートポンプ装置は、第１の発明に係るヒートポンプ装置において、圧縮機と膨張機との間に設置されて冷媒の圧力及び温度を検出する圧力センサ及び温度センサと、圧力センサ及び温度センサからの信号により冷媒の圧力を最適圧力とするように発電機の電流値を制御する発電機電流制御手段とを更に有するものである。
上記第５の発明によれば、ヒートポンプ装置のサイクル効率を最適化することができる。
第６の発明に係るヒートポンプ装置は、第１の発明に係るヒートポンプ装置において、圧縮機と膨張機との間に設置されて冷媒の圧力及び温度を検出する圧力センサ及び温度センサと、圧力センサ及び温度センサからの信号により冷媒の圧力を最適圧力とするように発電機の発電量を制御する発電機発電量制御手段とを更に有するものである。
上記第６の発明によれば、ヒートポンプ装置のサイクル効率を最適化することができる。
第７の発明に係るヒートポンプ装置は、第１の発明に係るヒートポンプ装置において、冷媒が、二酸化炭素である。
上記第７の発明によれば、ヒートポンプ装置の成績係数（ＣＯＰ）の低下が回避されるので、冷媒として二酸化炭素を用いて地球温暖化防止の一助とすることができる。
【発明の効果】
【０００６】
本発明のヒートポンプ装置によれば、発電機に励磁部を設けず、発電機の回転子側の重量を減少することができる。また同装置によれば、回転子内の電力ロスがないために発電効率が高くなり、更には、回転子側の構成が簡素で低コストの動力回収システムを実現できる。また、第１のコンバータによる発電機のスイッチング制御により、発電機を介した膨張機の制御を広範囲に行うことが可能となり、動力回収効率や冷凍システム効率の向上を図れる。
【発明を実施するための最良の形態】
（実施の形態１）
【０００７】
本発明のヒートポンプ装置の一実施の形態について図面を参照しながら説明する。図１は、本発明による実施の形態１のヒートポンプ装置を示すブロック構成図である。
本実施の形態のヒートポンプ装置は、作動流体を膨張させる膨張機７１１と、膨張機７１１に接続された永久磁石型同期発電機７１０（以下、発電機７１０）と、発電機７１０が出力する交流電力を直流電力に変換するとともに発電機７１０の駆動を制御する機能を有する第１のコンバータ７０８とを具備して構成される。
さらに、圧縮機７０７と、圧縮機７０７を駆動する電動機７０６と、電動機７０６を制御するモータ駆動装置７０４と、整流回路７０２及び平滑コンデンサ７０３で交流電源７０１から変換した直流電力や、第１のコンバータ７０８からの直流電力を、モータ駆動装置７０４を介して電動機７０６に供給する電源回路とを含み構成される。
【０００８】
次に、上記構成の動作について説明する。
図１において、商用電源の交流電源７０１からの入力を整流回路７０２で直流に整流された直流電圧は、平滑コンデンサ７０３により電圧を平滑化された後、モータ駆動装置７０４により３相の交流電圧に変換され、それにより電動機７０６が駆動される。電動機７０６の駆動により圧縮機７０７が圧縮機能を果たす。モータ駆動装置７０４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７０５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７０５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。なお、本実施の形態では、整流回路７０２及び平滑コンデンサ７０３の構成が第２のコンバータであり、モータ駆動装置７０４の構成がインバータに相当する。
一方、膨張機７１１により動力を回収するために設置された発電機７１０には、その発電機７１０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第１のコンバータ７０８が接続されている。この第１のコンバータ７０８は、発電機７１０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７０９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７１０を回転させる機能を有する。この発電機７１０の回転数を制御する機能により、発電機７１０を介して膨張機７１１の回転数を制御することが可能となり、これにより、膨張機７１１を用いたヒートポンプ装置において、その膨張機７１１を最適な回転数で駆動することができる。すなわち、第１のコンバータ７０８のスイッチング制御により、発電機７１０の、即ち膨張機７１１の広範囲な回転制御が可能となる。
【０００９】
また、第１のコンバータ７０８からの直流出力線は、整流回路７０２から平滑コンデンサ７０３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、第１のコンバータ７０８から回生された電力は、モータ駆動装置７０４の駆動エネルギーに消費される。
ところで、交流電源７０１から整流回路７０２を経て入力される電力をＷｉｎ、モータ駆動装置７０４にて消費される電力をＷｍ、第１のコンバータ７０８により回生される電力をＷｇと記述すると、次式が成り立つ。
Ｗｉｎ＋Ｗｇ＝Ｗｍ・・・（式１）
ここで、ヒートポンプ装置における冷凍サイクル上に、この圧縮機７０７と膨張機７１１が設置されている場合を考えると、通常は、圧縮機７０７の消費電力量Ｗｍの方が、膨張機７１１による回生電力Ｗｇよりも大であるため、交流電源７０１からの入力電力Ｗｉｎは正の値である。
従って、第１のコンバータ７０８の出力を第２のコンバータの出力端に接続しても、交流電源７０１に対して回生電流が流れることはなく、そのため特別な系統連携の制御装置がなくても、平滑コンデンサ７０３の電圧が過剰に上昇することはない。従って、このような簡易な構成の本実施の形態のヒートポンプ装置により、発電機７１０により得られた電力を効率良く回収することができる。
【００１０】
さらに、本実施の形態について、第１のコンバータ７０８の構成とその動作から補足説明する。図２は、図１に示すヒートポンプ装置の第１のコンバータの詳細ブロック構成図である。
この第１のコンバータ７０８は、２個の電流センサ８０５ａ，８０５ｂと、スイッチング素子８０３ａ，８０３ｂ，８０３ｃ，８０３ｄ，８０３ｅ，８０３ｆ及び環流ダイオード８０４ａ，８０４ｂ，８０４ｃ，８０４ｄ，８０４ｅ，８０４ｆが対になった変換回路と、２軸電流変換手段８０６、回転子位置回転数推定手段８０７、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、及び回転数制御手段８１２から成る制御回路とから構成される。
そして、発電機７１０の３相交流の発電出力は、第１のコンバータ７０８を介して、例えば、直流電源８０１及び平滑コンデンサ８０２側に供給されるように接続される。ここで、直流電源８０１及び平滑コンデンサ８０２は、図１における整流回路７０２及び平滑コンデンサ７０３に相当する。さらに、３相の交流出力は、第１のコンバータ７０８により直流に変換される。その際、外部より与えられる目標回転数の情報に基づいて発電機７１０の回転数が目標回転数となるように制御が行われる。
つまり、第１のコンバータ７０８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７１０の電流情報から推定された発電機７１０の磁極位置の情報と、発電機７１０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が動作する構成となっている。
【００１１】
次に、第１のコンバータ７０８の動作について説明する。
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（後述する推定回転数ωｍ）との誤差から電流指令Ｉ＊が、次式（式２）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。
Ｉ＊＝Ｇｐω×（ω＊−ω）＋Ｇｉω×Σ（ω＊−ω）・・・（式２）
ここで、Ｇｐω，Ｇｉωは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。
さらに演算された電流指令値Ｉ＊から、電流指令作成手段８１１は、電流位相角を実現するためのｄ軸電流指令Ｉｄ＊、ｑ軸電流指令Ｉｑ＊を次式により演算する。
Ｉｄ＊＝Ｉ＊×ｓｉｎ（β）・・・（式３）
Ｉｑ＊＝Ｉ＊×ｃｏｓ（β）・・・（式４）
ここで、βは電流位相角である。
一方、電流センサ８０５ａ，８０５ｂにより検出された発電機７１０の相電流Ｉｕ，Ｉｖは、２軸電流変換手段８０６により、次式（式５）により、発電機７１０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軸電流に変換される。
【００１２】
【数１】
0003963940.tif 000002
【００１３】
ここで、θは回転子位置（発電機の磁極位置）である。
【００１４】
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を用いて、次式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を出力する。
Ｖｄ＝Ｇｐｄ×（Ｉｄ＊−Ｉｄ）＋Ｇｉｄ×Σ（Ｉｄ＊−Ｉｄ）・・・（式６）
Ｖｑ＝Ｇｐｑ×（Ｉｑ＊−Ｉｑ）＋Ｇｉｑ×Σ（Ｉｑ＊−Ｉｑ）・・・（式７）
ここで、Ｖｄ，Ｖｑはｄ軸電圧，ｑ軸電圧、Ｇｐｄ，Ｇｉｄはｄ軸電流制御比例ゲイン，積分ゲイン、Ｇｐｑ，Ｇｉｑはｑ軸電流制御比例ゲイン，積分ゲインである。
次に、求められた２方向の出力Ｖｄ，Ｖｑから、出力波形が正弦波となるように３相の出力電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗが、後述の方法で推定した回転子位置閘を用いて、一般的な２相３相変換により、次式（式８）により変換して求められる。
【００１５】
【数２】
0003963940.tif 000003
【００１６】
ここで、Ｖｕ，Ｖｖ，ＶｗはU相，Ｖ相，Ｗ相の電圧、θは回転子位置である。
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との情報に基づいて、発電機７１０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を出力する。これにより、発電機７１０が目標とする回転数（速度）にて駆動される。
【００１７】
次に、回転子位置回転数推定手段８０７の動作について説明する。
まず、電流センサ８０５ａ，８０５ｂにより検出された電流から、各相の巻線に流れる相電流（ｉｕ，ｉｖ，ｉｗ）が得られる。また、正弦波電圧出力手段８０９により出力される３相のデューティ値Ｄｕ，Ｄｖ，Ｄｗと、分圧抵抗８１３ａ，８１３ｂから得られる電源電圧Ｖｄｃとから、各相の巻線に印加される相電圧（ｖｕ，ｖｖ，ｖｗ）が次式により求められる。
ｖｕ＝Ｄｕ×Ｖｄｃ・・・（式９）
ｖｖ＝Ｄｖ×Ｖｄｃ・・・（式１０）
ｖｗ＝Ｄｗ×Ｖｄｃ・・・（式１１）
これらの値から、次式（式１２）、（式１３）、（式１４）の演算により、各相の巻線に誘起される誘起電圧値ｅｕ，ｅｖ，ｅｗが求められる。
ｅｕ＝ｖｕ−Ｒ・ｉｕ−Ｌ・ｄ（ｉｕ）／ｄｔ・・・（式１２）
ｅｖ＝ｖｖ−Ｒ・ｉｖ−Ｌ・ｄ（ｉｖ）／ｄｔ・・・（式１３）
ｅｗ＝ｖｗ−Ｒ・ｉｗ−Ｌ・ｄ（ｉｗ）／ｄｔ・・・（式１４）
ここで、Ｒは抵抗、Ｌはインダクタンスである。また、ｄ（ｉｕ）／ｄｔ，ｄ（ｉｖ）／ｄｔ，ｄ（ｉｗ）／ｄｔは、それぞれｉｕ，ｉｖ，ｉｗの時間微分である。
【００１８】
次に、演算した誘起電圧値ｅｕ，ｅｖ，ｅｗを用いて、回転子位置θと推定回転数ωｍを推定する。これは、電動機駆動装置が認識している推定角度θｍを誘起電圧の誤差を用いて補正することにより、真値に収束させて、回転子位置θを推定する方法である。また、推定角度θｍから、推定回転数ωｍをも推定する。
まず、各相の誘起電圧基準値（ｅｕｍ，ｅｖｍ，ｅｗｍ）を次式で求める。
ｅｕｍ＝ｅｍ・ｓｉｎ（θｍ＋βＴ）
ｅｖｍ＝ｅｍ・ｓｉｎ（θｍ＋βＴ−１２０°）
ｅｗｍ＝ｅｍ・ｓｉｎ（θｍ＋βＴ−２４０°）・・・（式１５）
ここで、ｅｍ誘起電圧振幅値ｅｍは、誘起電圧値ｅｕ，ｅｖ，ｅｗの振幅値と一致させることにより求める。
また、次式（式１６）を用いて、各相の誘起電圧値ｅｓから各相の誘起電圧基準値ｅｓｍを減算し、偏差εを求める。
ε＝ｅｓ−ｅｓｍ・・・（式１６）
ここで、ｓは相（ｕ／ｖ／ｗ）である。
そして、この偏差εが、０になれば推定角度θｍが真値になるので、偏差εを０に収斂させるようにして、例えば、ＰＩ演算で偏差εを収斂する方法で、推定角度θｍの真値を推定回転子位置θ（推定磁極位置）として求める。また、推定角度θｍの変動値を演算することにより、推定回転数ωｍを推定することができる。なお、この推定方法は当業者であれば自明であるので、その説明を割愛する。
【００１９】
以上のように本実施の形態のヒートポンプ装置では、第１のコンバータが、例えば電流センサや回転子位置回転数推定手段などを用いて、発電機の磁極位置及び回転数を推定し、これらの推定磁極位置と推定回転数に基づいて、励磁部等のない永久磁石型同期発電機の回転数、即ち膨張機の回転数を制御し、膨張機に接続された発電機による電力回収を効率よく行うことが可能となる。これにより、当該発電機の回転子側には励磁部やコイルがないので、発電機の重量が減少し、且つ励磁部等による電力ロスがないために発電効率が高くなり、更には構成が簡素であってコストが低減するヒートポンプ装置を提供することができる。
また、本実施の形態では、位置センサレスで発電機の磁極位置を知ることができるので、例えば、エンコーダ用の軸シールなどが不要となり、膨張機と発電機を密閉一体型シェルに収納することができ、信頼性（シール性）の高いヒートポンプ装置が実現する。
（実施の形態２）
【００２０】
本発明のヒートポンプ装置を冷凍サイクルに用いた場合の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。図３は、本発明による実施の形態２のヒートポンプ装置を示すブロック構成図である。
本実施の形態のヒートポンプ装置は、冷媒を圧縮する圧縮機９０１と、圧縮機９０１により圧縮された冷媒を冷却する放熱器９０２と、放熱器９０２を通過した冷媒を膨張させる膨張機９０３と、膨張機９０３により膨張した冷媒を蒸発させる蒸発器９０４と、以上の各要素機器間に冷媒を循環させる冷媒配管９１４とを備え、膨張機９０３に接続された永久磁石型同期発電機９０７（以下、発電機９０７）と、発電機９０７が出力する交流電力を直流電力に変換するとともに発電機９０７の駆動を制御する機能を有する第１のコンバータ９０８とを具備して構成される。
また、圧縮機９０１を駆動する電動機９０５と、電動機９０５を制御するモータ駆動装置９０６と、整流回路９１２及び平滑コンデンサ９１３で交流電源９１１から変換した直流電力や第１のコンバータ９０８からの直流電力を、モータ駆動装置９０６を介して電動機９０５に供給する電源回路と、膨張機回転数決定手段９０９、膨張機起動手段９１０、冷媒の圧力を検出する圧力センサ９１５、及び冷媒の温度を検出する温度センサ９１６などからなり、第１のコンバータ９０８に信号を出力する制御回路とを含み構成される。
なお、圧力センサ９１５及び温度センサ９１６は、ヒートポンプサイクルの高圧側である圧縮機９０１と膨張機９０３との間に設置されるものであり、本実施の形態の場合は、それらを放熱器９０２の出口に設置している。
また、発電機９０７に接続されている第１のコンバータ９０８は、実施の形態１の第１のコンバータ７０８と同様の構成であり、その説明を省略する。
【００２１】
次に、上記構成の動作について説明する。
図３において、モータ駆動装置９０６と電動機９０５によって駆動される圧縮機９０１により、圧縮された冷媒が放熱器９０２で冷却され、その後、膨張機９０３を通過する際に膨張し、この膨張機９０３に接続された発電機９０７を回転させる。そして、膨張機９０３内で膨張した冷媒は、蒸発器９０４内で外部より吸熱して気化した後、再び圧縮機９０１へ戻る。なお、この閉回路は冷媒配管９１４により連結されている。
そして、交流電源９１１からの入力を整流回路９１２で直流に整流された直流電圧は、平滑コンデンサ９１３により平滑化された後、モータ駆動装置９０６により３相の交流電圧に変換され、それにより電動機９０５が駆動される。電動機９０６の駆動により、圧縮機９０１が圧縮機能を果たす。また、冷媒の膨張力により発生した膨張機９０３のトルクは、発電機９０７の回転力となり、発電が行われる。この発電機９０７により発電された電力は、第１のコンバータ９０８により直流に変換された後、平滑コンデンサ９１３の両端に供給される。このように、膨張機９０３に接続された発電機９０７により発電された電力は、圧縮機９０１のモータ駆動の補助動力として使用されることになる。
【００２２】
ここで、発電機９０７、即ち膨張機９０３の回転数は、第１のコンバータ９０８により制御される。また、圧縮機９０１の回転数は、モータ駆動装置９０６により制御される。
また、第１のコンバータ９０８には、膨張機回転数決定手段９０９から目標回転数が与えられる。この膨張機回転数決定手段９０９は、圧力センサ９１５及び温度センサ９１６が検出した放熱器９０２の出口温度、及び出口圧力の値より、最適な膨張機回転数（目標回転数）を決定する。この最適な膨張機回転数は、図４に示す、放熱器出口圧力、放熱器出口温度に対する本冷凍サイクルの効率のデータより決定される。
この図に示すように、本冷凍サイクルの効率は、放熱器９０２の出口圧力及び出口温度により最大となる点が異なり、その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。
【００２３】
次に、膨張機回転数決定手段９０９の動作について説明する。図５は、図３に示すヒートポンプ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９０９におけるサイクル効率を最大にする膨張機回転数の値の決定手順を示す。
まず、ステップ１０１において、測定された放熱器出口の圧力及び温度の値を入力する。そして、図４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９０３の目標回転数が上げられる（ステップ１０４）。例えば、後述する初期回転数指令ｎ１を初期値とし、これを増加する演算を行い、次回制御の目標回転数に置き換える。そして、出口圧力を低下させるための目標回転数を第１のコンバータ９０８に出力する（ステップ１０５）。これにより、膨張機９０３における入口、出口の圧力差が低減されることになり、結果として冷凍サイクルにおける高圧側の圧力が低下していく。
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９０３の目標回転数が下げられる（ステップ１０６）。そして、出口圧力上昇の目標回転数を第１のコンバータ９０８に出力する（ステップ１０７）。これにより、膨張機９０３における入口、出口の圧力差が増加することになり、結果として冷凍サイクルにおける高圧側の圧力が上昇する。
これらの制御を繰り返すことにより、放熱器９０２の出口圧力は、冷凍サイクルの効率を最大にする所定の最適圧力値になる。
なお、上記ステップ１０２は、放熱器出口圧力、放熱器出口温度、最適圧力のデータなどから、最適圧力を算出する最適値算出手段に該当する。
【００２４】
以上のように本実施の形態のヒートポンプ装置では、第１のコンバータ９０８を、膨張機回転数決定手段９０９からの目標回転数に基づいて、冷媒の圧力を所定の最適圧力値にするように、発電機９０７の回転数（即ち、膨張機９０３の回転数）を制御する構成により、ヒートポンプ装置のサイクル効率を最適化することができる。
また、本実施の形態によってサイクル効率の最適化が行われ、成績係数（ＣＯＰ）が向上することで、ヒートポンプ装置に冷媒として二酸化炭素を用いることが可能となり、地球温暖化防止に役立てることができる。
【００２５】
次に、膨張機起動手段９１０の動作について説明する。図６は、図３に示すヒートポンプ装置における膨張機起動時の状態推移図であり、膨張機起動手段９１０における起動時の回転数の設定シーケンスを示す。即ち、起動時から定常時までの放熱器出口圧力、膨張機回転数、発電機電流の推移例を表したものである。
図６において、ヒートポンプ装置の起動時には、圧縮機９０１の回転数が上昇していき、徐々に放熱器出口圧力が上昇を始める。このとき、圧縮機９０１を起動した後、時刻ｔ１までの間、第１のコンバータ９０８で発電機９０７に流れる電流を零（±０）にする制御を実行し、発電機９０７に負荷トルクが掛からない発電停止運転を行う。
即ち、第１のコンバータ９０８による発電機９０７の発電運転を、圧縮機９０１の起動後の、所定の時間後の時刻ｔ１に開始させる機能を有することにより、その間、膨張機９０３をスムーズに回転させて本来の膨張機能を発揮させ、ヒートポンプシステムの立ち上がりを迅速化するものである。
【００２６】
その後、時刻ｔ１のタイミングにおいて、膨張機９０３の初期回転数指令（目標回転数の初期値）をｎ１と設定する。これにより、膨張機９０３の起動負荷を超える発電機９０７の力行モードの駆動が実現され、スムーズな膨張機９０３の回転が行われる。
この時刻ｔ１時点より、膨張力が十分に得られる時刻ｔ２までの期間は、膨張機９０３における発電機９０７の電流が力行側、つまり電源回路から発電機９０７の方向（発電機に電気を入力するマイナスの電流方向）に流れるように、第１のコンバータ９０８で制御する。即ち、第１のコンバータ９０８が発電機９０７を力行駆動させる機能を有することにより、起動時などにおいて、発電機を電動機として使用した膨張機を強制的に回転させ、膨張機９０３の起動をスムーズに行い、冷凍サイクルの信頼性の向上を図るものである。
【００２７】
さらに、膨張力が増大した時刻ｔ２時点以降においては、発電機９０７の電流が回生側、つまり発電機９０７から電源回路の方向（発電機から電気を出力するプラスの電流方向）に流れるように、第１のコンバータ９０８で制御する。これにより、発電機９０７の回生モードの駆動が実現され、発電機９０７による電力回収が開始される。
そして、時刻ｔ３時点から、初期回転数指令ｎ１の設定を解除し、膨張機回転数決定手段９０９に正規の目標回転数を出力させ、出口圧力を最適圧力値にする制御を実行する。即ち、定常運転が行われて、放熱器出口圧力、膨張機回転数及び発電機電流が徐々に上昇し、最適圧力値、目標回転数及び目標電流に達する。
このように本実施の形態によれば、起動時の発電機９０７の発電停止運転や、力行モード駆動により、迅速なシステムの立ち上がりや、スムーズな膨張機９０３の起動が得られ、信頼性の高いヒートポンプ装置が提供される。なお、時間差を設けずに圧縮機起動と同時に発電機の力行駆動を行う構成でも良く、上記と同様な効果が得られる。
（実施の形態３）
【００２８】
本発明のヒートポンプ装置を冷凍サイクルに用いた場合の別の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。図７は、本発明による実施の形態３のヒートポンプ装置を示すブロック構成図である。
本実施の形態のヒートポンプ装置は、冷媒を圧縮する圧縮機１２０１と、圧縮機１２０１により圧縮された冷媒を冷却する放熱器１２０２と、放熱器１２０２を通過した冷媒を膨張させる膨張機１２０３と、膨張機１２０３により膨張した冷媒を蒸発させる蒸発器１２０４と、以上の各要素機器間に冷媒を循環させる冷媒配管１２１３とを備え、膨張機１２０３に接続された永久磁石型同期発電機１２０７（以下、発電機１２０７）と、発電機１２０７が出力する交流電力を直流電力に変換するとともに発電機１２０７の駆動を制御する機能を有する第１のコンバータ１２０８とを具備して構成される。
また、圧縮機１２０１を駆動する電動機１２０５と、電動機１２０５を制御するモータ駆動装置１２０６と、整流回路１２１１及び平滑コンデンサ１２１２で交流電源１２１０から変換した直流電力や第１のコンバータ１２０８からの直流電力を、モータ駆動装置１２０６を介して電動機１２０５に供給する電源回路と、発電機電流決定手段１２０９、放熱器１２０２出口で冷媒の圧力を検出する圧力センサ１２１４、及び放熱器１２０２出口で冷媒の温度を検出する温度センサ１２１５などからなり、第１のコンバータ１２０８に信号を出力する制御回路とを含み構成される。
【００２９】
次に、膨張機に接続された発電機の電流を制御するための第１のコンバータの構成を説明する。図８は、図７に示すヒートポンプ装置の第１のコンバータの詳細ブロック構成図である。
この第１のコンバータ１２０８は、２個の電流センサ１４０５ａ，１４０５ｂと、スイッチング素子１４０３ａ，１４０３ｂ，１４０３ｃ，１４０３ｄ，１４０３ｅ，１４０３ｆ及び環流ダイオード１４０４ａ，１４０４ｂ，１４０４ｃ，１４０４ｄ，１４０４ｅ，１４０４ｆが対になった変換回路と、２軸電流変換手段１４０６、回転子位置回転数推定手段１４０７、ベースドライバ１４０８、正弦波電圧出力手段１４０９、電流制御手段１４１０、及び電流指令作成手段１４１１からなる制御回路とから構成される。なお、図中１４１３ａ、１４１３ｂは分圧抵抗である。
そして、発電機１２０７の３相交流の発電出力は、第１のコンバータ１２０８を介して、例えば、直流電源１４０１及び平滑コンデンサ１４０２側に供給されるように接続される。ここで、直流電源１４０１及び平滑コンデンサ１４０２は、図７における整流回路１２１１及び平滑コンデンサ１２１２に相当する。さらに、３相の交流出力は、第１のコンバータ１２０８により直流に変換される。その際、外部より与えられる目標電流の情報に基づいて発電機１２０７の電流が目標電流となるように制御が行われる。
【００３０】
つまり、第１のコンバータ１２０８のスイッチング素子１４０３ａ〜１４０３ｆのスイッチングパターンを、電流センサ１４０５ａ，１４０５ｂから得られる発電機１２０７の電流情報から推定された発電機１２０７の磁極位置の情報と、発電機１２０７の電流の情報と、外部から与えられる目標電流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１４０８により、スイッチング素子１４０３ａ〜１４０３ｆ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１４０３ａ〜１４０３ｆが動作する構成となっている。
そして、外部より与えられる目標電流を実現するように、電流指令作成手段１４１１は、電流位相角を実現するためのｄ軸電流指令Ｉｄ＊、ｑ軸電流指令Ｉｑ＊を次式により演算する。
Ｉｄ＊＝Ｉ＊×ｓｉｎ（β）・・・（式３）
Ｉｑ＊＝Ｉ＊×ｃｏｓ（β）・・・（式４）
ここで、Ｉ＊は電流指令、βは電流位相角である。
ｄ軸電流指令Ｉｄ＊、ｑ軸電流指令Ｉｑ＊を実現するための方法などは、実施の形態１に示した第１のコンバータ７０８と同様である。以上のような構成により、発電機１２０７の電流の制御を実現することができる。
【００３１】
次に、上記構成の動作について説明する。
図７において、モータ駆動装置１２０６と電動機１２０５によって駆動される圧縮機１２０１により、圧縮された冷媒が放熱器１２０２で冷却され、その後、膨張機１２０３を通過する際に膨張し、この膨張機１２０３に接続された発電機１２０７を回転させる。そして、膨張機１２０３内で膨張した冷媒は、蒸発器１２０４内で外部より吸熱して気化した後、再び圧縮機１２０１へ戻る。なお、この閉回路は冷媒配管１２１３により連結されている。
そして、交流電源１２１０からの入力を整流回路１２１１で直流に整流された直流電圧は、平滑コンデンサ１２１２により平滑化された後、モータ駆動装置１２０６により３相の交流電圧に変換され、それにより電動機１２０５が駆動されることにより、圧縮機１２０１が圧縮機能を果たす。また、冷媒の膨張力により膨張機１２０３を介して発電機１２０７が回転させられて発電する。この発電機１２０７により発電された電力は、第１のコンバータ１２０８により直流に変換された後、平滑コンデンサ１２１２及び電動機１２０５に供給される。このように、発電機１２０７により発電された電力は、圧縮機１２０１のモータ駆動の補助動力として使用される。
【００３２】
さらに、本実施の形態においては、第１のコンバータ１２０８で、膨張機１２０３のトルクを制御する動作が行われる。即ち、第１のコンバータ１２０８には、発電機電流決定手段１２０９から発電機１２０７の目標電流が与えられる。発電機電流決定手段１２０９は、圧力センサ１２１４及び温度センサ１２１５が検出した放熱器１２０２の出口温度、及び出口圧力の値より、最適な発電機電流（目標電流）を決定する。この最適な発電機電流は、図４に示す、放熱器出口圧力、放熱器出口温度に対する本冷凍サイクルの効率のデータより決定され、本冷凍サイクルの効率を最大にするように求められる。
【００３３】
次に、発電機電流決定手段１２０９の動作について説明する。図９は、図７に示すヒートポンプ装置における発電機電流決定のフローチャートであり、発電機電流決定手段１２０９におけるサイクル効率を最大にする発電機電流の値の決定手順を示す。
まず、ステップ２０１において、測定された放熱器出口の圧力及び温度の値を入力する。そして、図４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２０２）。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２０３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発電機１２０７の目標電流を増加させる（ステップ２０４）。そして、出口圧力を低下させるための目標電流を第１のコンバータ１２０８に出力する（ステップ２０５）これにより、冷凍サイクルにおける高圧側の圧力が低下する。
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発電機１２０７の目標電流を低減する（ステップ２０６）。そして、出口圧力上昇の目標電流を第１のコンバータ１２０８に出力する（ステップ２０７）。これにより、冷凍サイクルにおける高圧側の圧力が上昇する。
これらの制御を繰り返すことにより、放熱器１２０２の出口圧力は、冷凍サイクルの効率を最大にする所定の最適圧力値になる。
また、発電機１２０７の電流値は、膨張機１２０３のトルクを表しているので、目標電流により、膨張機のトルクを変更することになる。膨張機１２０３のトルクは、膨張機１２０３の入口側圧力と、出口側圧力の値により決まる値であり、膨張機１２０３のトルクを制御することにより、実質的に膨張機入口及び出口の圧力を制御することになる。従って、発電機１２０７の目標電流を設定することにより、膨張機１２０３の入口及び出口の圧力を制御することが可能である。
【００３４】
以上のように本実施の形態のヒートポンプ装置では、第１のコンバータ１２０８を、発電機電流決定手段１２０９からの目標電流に基づいて、冷媒の圧力を所定の最適圧力値にするように、発電機１２０７の電流（即ち、膨張機１２０３のトルク）を制御する構成により、ヒートポンプ装置のサイクル効率を最適化することができる。
なお、本実施の形態の発電機１２０７の電流制御は、第１のコンバータ１２０８のスイッチング制御による発電機１２０７の回転数制御でもあり、広範囲に膨張機１２０３を制御することができる。
【００３５】
ところで、発電機電流決定手段１２０９が、目標電流を決定する代わりに、次式に基づいて、発電機電力決定手段（図示せず）が目標発電電力を決定する構成でも良く、発電機１２０７により発生する電力量を最適圧力に従って調整し、冷媒の圧力を最適圧力値にする方式も有効である。
電力量Ｗ＝目標電流×回転数・・・（式１７）
つまり、目標発電電力を決定することにより、膨張機１２０３に接続された発電機１２０７の回収電力量を制御することができる。
即ち、第１のコンバータを、発電機電力決定手段からの目標発電電力に基づいて、冷媒の圧力を所定の最適圧力値にするように、永久磁石型同期発電機の発電電力を制御する構成とすることによって、ヒートポンプ装置のサイクル効率を最適化することができる。
また、上記発電機１２０７の発電電力制御も、スイッチング制御による回転数制御であり、広範囲な回転数で膨張機１２０３を制御することができる。
【００３６】
なお、本実施の形態では、電流センサは発電機の３相交流の内の２線の電流を計測する構成で説明したが、第１のコンバータの直流部分での電流センサにより構成されたものでも同様の機能を実現し、同様な効果を得ることができることは明らかである。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
以上のように、本発明は、膨張機を有する冷凍装置に適用され、例えば、冷暖房装置や給湯機などのヒートポンプ式冷凍装置に適している。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】  本発明による実施の形態１のヒートポンプ装置を示すブロック構成図
【図２】  図１に示すヒートポンプ装置の第１のコンバータの詳細ブロック構成図
【図３】  本発明による実施の形態２のヒートポンプ装置を示すブロック構成図
【図４】  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５】  図３に示すヒートポンプ装置における膨張機回転数決定のフローチャート
【図６】  図３に示すヒートポンプ装置における膨張機起動時の状態推移図
【図７】  本発明による実施の形態３のヒートポンプ装置を示すブロック構成図
【図８】  図７に示すヒートポンプ装置の第１のコンバータの詳細ブロック構成図
【図９】  図７に示すヒートポンプ装置における発電機電流決定のフローチャート
【図１０】  従来の蒸気圧縮式冷凍装置を示す構成図
【図１１】  従来の冷凍装置を示す構成図
【図１２】  二酸化炭素を用いた冷凍サイクルにおける冷媒の状態を表すモリエル線図
【図１３】  従来の別の冷凍装置を示す構成図
【図１４】  従来の冷凍装置を示す構成図
【図１５】  従来の冷凍装置の励磁部を示す回路図
【符号の説明】
【００３９】
７０１，９１１，１２１０  交流電源
７０２，９１２，１２１１  整流回路
７０３，８０２，９１３，１２１２，１４０２  平滑コンデンサ
７０４，９０６，１２０６  モータ駆動装置
７０５，７０９  スイッチング素子群
７０６，９０５，１２０５  電動機
７０７，９０１，１２０１  圧縮機
７０８，９０８，１２０８  第１のコンバータ
７１０，９０７，１２０７  発電機
７１１，９０３，１２０３  膨張機
８０１，１４０１  直流電源
８０３ａ〜８０３ｆ，１４０３ａ〜１４０３ｆ  スイッチング素子
８０４ａ〜８０４ｆ，１４０４ａ〜１４０４ｆ  還流ダイオード
８０５ａ，８０５ｂ，１４０５ａ，１４０５ｂ  電流センサ
８０６，１４０６  ２軸電流変換手段
８０７，１４０７  回転子位置回転数推定手段
８０８，１４０８  ベースドライバ
８０９，１４０９  正弦波電圧出力手段
８１０，１４１０  電流制御手段
８１１，１４１１  電流指令作成手段
８１２  回転数制御手段
８１３ａ，８１３ｂ，１４１３ａ，１４１３ｂ  分圧抵抗
９０２，１２０２  放熱器
９０３，１２０３  膨張機
９０４，１２０４  蒸発器
９０９  膨張機回転数決定手段
９１０  膨張機起動手段
９１４，１２１３  冷媒配管
９１５，１２１４  圧力センサ
９１６，１２１５  温度センサ
１２０９  発電機電流決定手段
【図１】
0003963940.tif 000004
【図２】
0003963940.tif 000005
【図３】
0003963940.tif 000006
【図４】
0003963940.tif 000007
【図５】
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【図６】
0003963940.tif 000009
【図７】
0003963940.tif 000010
【図８】
0003963940.tif 000011
【図９】
0003963940.tif 000012
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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