(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機を通過した冷媒に熱を放出させる放熱器と、前記放熱器を通過した冷媒を膨張させる膨張機と、前記膨張機を通過した冷媒に熱を吸収させる蒸発器と、前記圧縮機、前記放熱器、前記膨張機および前記蒸発器をこの順に冷媒が循環可能となるように接続する配管と、
交流電源からの交流電流を直流電流に変換する第１コンバータと、前記第１コンバータに接続されたインバータと、前記インバータから供給される交流電流により前記圧縮機を駆動する電動機と、
前記膨張機を通過する冷媒により駆動する発電機と、前記発電機からの交流電流を直流電流に変換し、前記第１コンバータとともに前記インバータの入力端に接続された第２コンバータと、を備え、
前記インバータが、前記第１コンバータおよび前記第２コンバータから供給される直流電流を交流電流に変換して前記電動機に供給するように構成され、
前記第１コンバータが、高電圧発生回路と低電圧発生回路とを切り替え可能に有し、
前記第２コンバータが、前記発電機の回転数を制御可能な可変速コンバータであり、
前記発電機の回転数に応じて、前記高電圧発生回路および前記低電圧発生回路のいずれか一方を選択する回路選択部を有し、
前記回路選択部が、所定値を基準として、
前記発電機の回転数が前記所定値を上回るときには前記高電圧発生回路を選択し、前記発電機の回転数が前記所定値を下回るときには前記低電圧発生回路を選択し、
前記所定値が、前記低電圧発生回路により発生する電圧を発生させる前記発電機の回転数以下となるように、定められた、
ヒートポンプ。
【請求項２】
前記回路選択部が、前記発電機の回転数とともに前記電動機の回転数に応じて、前記高電圧発生回路および前記低電圧発生回路のいずれか一方を選択し、かつ、
前記所定値を基準とした選択に代え、所定値Ａおよび所定値Ｂを基準として、
前記発電機の回転数が前記所定値Ａを上回るという条件、および前記電動機の回転数が前記所定値Ｂを上回るという条件、から選ばれる少なくとも一方の条件が成立するときには前記高電圧発生回路を選択し、
前記発電機の回転数が前記所定値Ａを下回るという条件、および前記電動機の回転数が前記所定値Ｂを下回るという条件、がともに成立するときには前記低電圧発生回路を選択する、選択を行い、
前記所定値Ａが、前記低電圧発生回路により発生する電圧を発生させる前記発電機の回転数以下となるように、定められた、
請求項１に記載のヒートポンプ。
【請求項３】
前記放熱器と前記膨張機との間において冷媒の温度を検出する温度検出手段と、前記放熱器と前記膨張機との間において冷媒の圧力を検出する圧力検出手段と、前記温度検出手段により検出された温度に応じて冷媒最適圧力を算出し、前記圧力検出手段により検出された圧力と前記冷媒最適圧力とに基づいて発電機最適回転数を算出する演算手段と、をさらに備え、
前記発電機最適回転数に基づき、前記発電機の回転数が前記発電機最適回転数に近づくように、前記第２コンバータが前記発電機の回転数を制御する、
請求項１に記載のヒートポンプ。
【請求項４】
前記回路選択部が、前記発電機の回転数に代えて、前記発電機最適回転数に応じて前記高電圧発生回路および前記低電圧発生回路のいずれか一方を選択する、請求項３に記載のヒートポンプ。
【請求項５】
前記所定値は、第１の所定値と、該第１の所定値よりも小さい第２の所定値とを含み、
前記回路選択部は、前記発電機の回転数が前記第１の所定値を上回った場合に前記高電圧発生回路を選択する一方、前記発電機の回転数が前記第２の所定値を下回った場合に前記低電圧発生回路を選択する、請求項１に記載のヒートポンプ。
【請求項６】
冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機を通過した冷媒に熱を放出させる放熱器と、前記放熱器を通過した冷媒を膨張させる膨張機と、前記膨張機を通過した冷媒に熱を吸収させる蒸発器と、前記圧縮機、前記放熱器、前記膨張機および前記蒸発器をこの順に冷媒が循環可能となるように接続する配管と、
交流電源からの交流電流を直流電流に変換する第１コンバータと、前記第１コンバータに接続されたインバータと、前記インバータから供給される交流電流により前記圧縮機を駆動する電動機と、
前記膨張機を通過する冷媒により駆動する発電機と、前記発電機からの交流電流を直流電流に変換し、前記第１コンバータとともに前記インバータの入力端に接続された第２コンバータと、を備え、
前記インバータが、前記第１コンバータおよび前記第２コンバータから供給される直流電流を交流電流に変換して前記電動機に供給するように構成され、
前記第１コンバータが、出力電圧を連続的に変更可能な回路により構成され、
前記第２コンバータが、前記発電機の回転数を制御可能な可変速コンバータであり、
前記発電機の回転数に応じて、前記第１コンバータの出力電圧の設定値を変更する電圧設定部を有し、
前記第１コンバータの出力電圧が、前記発電機の発生する電圧以上となるように制御される、
ヒートポンプ。
【請求項７】
前記電圧設定部が、前記発電機の回転数とともに前記電動機の回転数に応じて、前記第１コンバータの出力電圧の設定値を変更する機能を有し、かつ、
前記第１コンバータの出力電圧が、前記発電機の発生する電圧以上となる条件、および前記電動機の目標回転数を実現するための電圧以上となる条件を共に成立させるような設定値となるように制御される、
請求項６に記載のヒートポンプ。
【請求項８】
前記放熱器と前記膨張機との間において冷媒の温度を検出する温度検出手段と、前記放熱器と前記膨張機との間において冷媒の圧力を検出する圧力検出手段と、前記温度検出手段により検出された温度に応じて冷媒最適圧力を算出し、前記圧力検出手段により検出された圧力と前記冷媒最適圧力とに基づいて発電機最適回転数を算出する演算手段と、をさらに備え、
前記発電機最適回転数に基づき、前記発電機の回転数が前記発電機最適回転数に近づくように、前記第２コンバータが前記発電機の回転数を制御する、
請求項６に記載のヒートポンプ。
【請求項９】
前記電圧設定部が、前記発電機の回転数に代えて、前記発電機最適回転数に応じて前記第１コンバータの出力電圧を設定する、請求項８に記載のヒートポンプ。
【請求項１０】
前記第１コンバータは、発信回路と、整流素子と、前記整流素子が出力する直流の一部を分岐入力させ、その分岐直流入力を前記発振回路が規定する周波数にて断続スイッチングするスイッチング部と、前記分岐直流入力の断続スイッチングに基づいて誘導電流を発生させるとともに、その誘導電流に基づくリップル電圧を前記整流素子が出力する直流電圧に重畳させた形で出力する昇圧コイルと、前記昇圧コイルからの出力電圧を整流及び平滑化することにより前記整流素子による直流出力よりも昇圧された直流を生成し、この昇圧された直流を当該第１コンバータの出力電圧として出力するための整流平滑部とを含む、請求項６に記載のヒートポンプ。
【請求項１１】
前記発振回路は、前記電圧設定部によって与えられた設定電圧が生成されるように前記スイッチング部のＯＮ・ＯＦＦを制御する、請求項１０に記載のヒートポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヒートポンプに関し、特に、成績係数（ＣＯＰ；Coefficient of Performance）の向上のため、膨張機を通過する冷媒からエネルギーを回収して圧縮機の補助動力として用いるヒートポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
ヒートポンプは、圧縮機、放熱器（凝縮器）、膨張機（膨張弁）、蒸発器を配管で接続したループを有する。ヒートポンプでは、このループに沿って作業媒体（冷媒）が気液変換操作を受けながら循環し、この循環に伴って熱源から熱が汲み出される。冷媒の非フロン化に伴い、ヒートポンプには、従来にも増してＣＯＰの向上が求められている。
【０００３】
特開昭６１−２９６４７号公報は、ＣＯＰの向上のために、膨張機から回収した動力を圧縮機の補助動力として用いる動力回収機構を備えたヒートポンプ（冷凍サイクル）を開示する。このヒートポンプは、図９に示すように、圧縮機１０１、凝縮器１０２、膨張機１０３、蒸発器１０４を備え、さらに、商用の交流電源１２０からの交流電流を直流化するコンバータ（電源コンバータ）１０５、コンバータ１０５からの直流電流を所定周波数の交流電流に変換するインバータ１０６、膨張機１０３を通過する冷媒が与えるエネルギーにより発電する発電機１０８、発電機１０８からの交流電流を直流化するコンバータ１０９を備え、コンバータ１０９からの直流電流がインバータ１０６に供給され、圧縮機１０１の補助動力となる。
【０００４】
ＣＯＰの向上のためには、膨張機１０３を通過する冷媒の状態に応じ、発電機１０８の回転数を制御して、膨張機１０３の負荷を適切に調整することが望ましい。
【０００５】
特開２０００−２４１０３３号公報は、膨張機に接続した発電機の負荷の大きさを可変としたヒートポンプ（冷凍装置）を開示する（当該文献の図６参照）。このヒートポンプは、図１０に示すように、圧縮機２０１、放熱器２０２、膨張機２０３、蒸発器２０４を備え、さらに、放熱器２０２の出口側において冷媒の温度および圧力を検出する温度センサ２１１および圧力センサ２１２、これらセンサ２１１，２１２に接続された演算手段２１３、演算手段２１３に接続された回転数制御手段２１５、回転数制御手段２１５に接続された発電機２０８を備え、回転数制御手段２１５により発電機２０８の回転数を調整することによって膨張機２０３の負荷を制御し、これにより放熱器２０２の出口側の冷媒の圧力を制御している。また、特開２０００−２４１０３３号公報は、冷媒がその温度に応じて定まる最適圧力を有するように、冷媒の圧力を制御することも開示している（当該文献の図１０参照）。
【０００６】
なお、図１０に示したヒートポンプにおいて、符号２０７は原動機、符号２２１はオイルセパレータ、符号２２２はアキュムレータである。
【発明の開示】
【０００７】
特開昭６１−２９６４７号公報が開示するヒートポンプにおいても、ＣＯＰを更に向上させるには、膨張機１０３を通過する冷媒の状態に応じて発電機１０８の回転数を適切に制御するとよい。この場合、コンバータ１０９を用いて発電機１０８の回転数制御を行えば、コンバータ１０９とは別に回転数制御手段を設けることなく、発電機１０８の回転数を制御することが可能となる。コンバータ１０９を用いて発電機１０８の回転数制御を行うには、スイッチング素子を備えた可変速コンバータを用い、このスイッチング素子をＰＷＭ（Pulse Width Modulation）方式でスイッチングするとよい。
【０００８】
ただし、可変速コンバータを用いて発電機１０８の回転数を制御するためには、コンバータ１０９の二次側（直流部）１００の電圧を一時側の電圧よりも高くする必要がある。これは、発電機１０８による誘起電圧が直流部１００の電圧よりも高いと、コンバータ１０９内のスイッチング素子の状態（ＯＮ状態またはＯＦＦ状態）を問わず、そのスイッチング素子に並列接続されたフライバックダイオードを通り、発電機１０８から直流部１００へと電流が流れるためである。発電機１０８から直流部１００に無制限に電流が流れることは、発電機１０８の電流を制御できなくなること、換言すれば、発電機１０８の回転数を制御できなくなることを意味する。したがって、可変速コンバータを用いて発電機１０８の回転数を安定して制御するためには、直流部１００の電圧を高く維持することが望ましい。
【０００９】
しかし、直流部１００の電圧を高くすると、発電機１０８の回転数が低く誘起電圧が低い場合にはコンバータ１０９および発電機１０８を経由して回収する動力の回収効率が低下する。これは、発電機１０８の誘起電圧を直流部１００の電圧にまで昇圧する際にコンバータ１０９および発電機１０８において発生する損失が、誘起電圧と直流部の電圧との差が拡大するにつれて大きくなるためである。このため、発電機１０８を用いた動力の回収効率を向上させる観点からは、直流部１００の電圧を過度に高く設定することは望ましくない。
【００１０】
以上のように、発電機を備えたヒートポンプにおいて可変速コンバータを用いて発電機の回転数を制御する場合には、発電機を安定して制御しようとすると直流部の電圧は高いことが望ましく、発電機によるエネルギーの回収効率を高くしようとすると直流部の電圧は低いことが望ましいため、直流部の電圧の適切な設定が困難となり、その結果、ＣＯＰの向上を十分に図ることもできない、という問題が生じる。
【００１１】
本発明は、従来からＣＯＰを向上させる手段として個別に知られていた技術、具体的には発電機を用いた動力の回収技術（例えば特開昭６１−２９６４７号公報）と、発電機を用いた膨張機の負荷制御による冷媒の圧力制御技術（例えば特開２０００−２４１０３３号公報）とを組み合わせるに止まらず、可変速コンバータを用いて発電機の回転数制御を行う場合に生じる上記問題を解決する新たなヒートポンプを提供することを目的とする。
【００１２】
すなわち、本発明は、冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機を通過した冷媒に熱を放出させる放熱器と、前記放熱器を通過した冷媒を膨張させる膨張機と、前記膨張機を通過した冷媒に熱を吸収させる蒸発器と、前記圧縮機、前記放熱器、前記膨張機および前記蒸発器をこの順に冷媒が循環可能となるように接続する配管と、交流電源からの交流電流を直流電流に変換する第１コンバータと、前記第１コンバータに接続されたインバータと、前記インバータから供給される交流電流により前記圧縮機を駆動する電動機と、前記膨張機を通過する冷媒により駆動する発電機と、前記発電機からの交流電流を直流電流に変換し、前記第１コンバータとともに前記インバータの入力端に接続された第２コンバータと、を備え、前記インバータが、前記第１コンバータおよび前記第２コンバータから供給される直流電流を交流電流に変換して前記電動機に供給するように構成され、前記第１コンバータが、高電圧発生回路と低電圧発生回路とを切り替え可能に有し、前記第２コンバータが、前記発電機の回転数を制御可能な可変速コンバータであり、前記発電機の回転数に応じて、前記高電圧発生回路および前記低電圧発生回路のいずれか一方を選択する回路選択部を有し、前記回路選択部が、所定値を基準として、前記発電機の回転数が前記所定値を上回るときには前記高電圧発生回路を選択し、前記発電機の回転数が前記所定値を下回るときには前記低電圧発生回路を選択し、前記所定値が、前記低電圧発生回路により発生する電圧を発生させる前記発電機の回転数以下となるように、定められた、ヒートポンプを提供する。
【００１３】
本発明のヒートポンプは、前記回路選択部が、前記発電機の回転数とともに前記電動機の回転数に応じて、前記高電圧発生回路および前記低電圧発生回路のいずれか一方を選択し、かつ前記所定値を基準とした選択に代え、所定値Ａおよび所定値Ｂを基準として、前記発電機の回転数が前記所定値Ａを上回るという条件、および前記電動機の回転数が前記所定値Ｂを上回るという条件、から選ばれる少なくとも一方の条件が成立するときには前記高電圧発生回路を選択し、前記発電機の回転数が前記所定値Ａを下回るという条件、および前記電動機の回転数が前記所定値Ｂを下回るという条件、がともに成立するときには前記低電圧発生回路を選択する、選択を行い、前記所定値Ａが、前記低電圧発生回路により発生する電圧を発生させる前記発電機の回転数以下となるように、定められた、ヒートポンプとしてもよい。
【００１４】
本発明のヒートポンプは、前記放熱器と前記膨張機との間において冷媒の温度を検出する温度検出手段と、前記放熱器と前記膨張機との間において冷媒の圧力を検出する圧力検出手段と、前記温度検出手段により検出された温度に応じて冷媒最適圧力を算出し、前記圧力検出手段により検出された圧力と前記冷媒最適圧力とに基づいて発電機最適回転数を算出する演算手段と、をさらに備え、前記発電機最適回転数に基づき、前記発電機の回転数が前記発電機最適回転数に近づくように、前記第２コンバータが前記発電機の回転数を制御する、ヒートポンプであることが好ましい。
【００１５】
この場合、前記回路選択部が、前記発電機の回転数に代えて、前記発電機最適回転数に応じて前記高電圧発生回路および前記低電圧発生回路のいずれか一方を選択しても構わない。
【００１６】
また、本発明の他の側面において、上述の回路選択部を、前記発電機の回転数に応じて、前記第１コンバータの出力電圧の設定値を変更する電圧設定部と捉えることもできる。この場合、ヒートポンプは、前記第１コンバータの出力電圧が、前記発電機の発生する電圧以上となるように制御される。
【００１７】
以上本発明によれば、発電機の安定した回転数制御と、発電機を用いた効率的な動力回収との両立を可能とし、これによってヒートポンプのＣＯＰの更なる向上を可能とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
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。
【００１９】
（第１の実施形態）
図１に示すヒートポンプ４００は、圧縮機１、放熱器２、膨張機３、蒸発器４、およびこれらを接続する配管１０を備えている。
【００２０】
圧縮機１に動力を供給する主動力源は商用の交流電源２０である。交流電源２０は電源コンバータ５（第１コンバータ）に接続され、電源コンバータ５はインバータ６に接続され、インバータ６は圧縮機１を駆動させる電動機７に接続されている。
【００２１】
圧縮機１の補助動力源は発電機８である。発電機８は、膨張機３を通過する冷媒が膨張機３に与えるエネルギーにより発電する。図示した形態では、発電機８として、三相の交流電圧を発生させる永久磁石型同期発電機が用いられている。発電機８は、可変速コンバータ（第２コンバータ）９に接続され、可変速コンバータ９の出力端（二次側端子）９２は、電源コンバータ５の出力端５２とともに、インバータ６の入力端６１に接続されている。コンバータ５，９の出力端５２，９２とインバータ６の入力端６１との間の回路部は、直流部３０を構成する。
【００２２】
電源コンバータ５および可変速コンバータ９からインバータ６には直流電流が供給され、インバータ６から電動機７には三相の交流電流が供給される。電動機７により圧縮機１が駆動すると、冷媒が配管１０を介して要素機器１，２，３，４を循環しながら、蒸発器４で汲み上げた熱を放熱器２で放出する。
【００２３】
図２に、圧縮機１への電気エネルギーの供給系統を示す。電源コンバータ５は、ダイオードを用いた整流素子５０（ダイオードブリッジ）、倍電圧整流用のコンデンサ５６，５７、電圧を平滑化する平滑コンデンサ５８、および電圧切替スイッチ５５を内蔵する。電圧切替スイッチ５５は、機械的なリレーであってもよいし、半導体スイッチであってもよい。
【００２４】
図２に示すように、電源コンバータ５は、チャージポンプ型の昇圧回路を含んでいる。直列接続された１対のコンデンサ５６，５７が整流素子５０の出力側に並列接続されている。電圧切替スイッチ５５は、自身がＯＮ状態になったとき、第１コンデンサ５６と第２コンデンサ５７との間の線路と、単相の交流電源２０の一方の出力端とを結線する（バイパスする）ように回路に組み込まれている。つまり、交流電源２０自身が昇圧回路に必要な発振源となっている。電圧切替スイッチ５５がＯＮのとき、コンデンサ５６，５７は、交流電源２０の周波数に同期して蓄電と放電を繰り返し、自己の放電に基づくリップル電圧を整流素子５０の出力電圧に重畳させる。平滑コンデンサ５８は、整流素子５０からの昇圧された出力電圧を整流および平滑化することにより、昇圧された直流を電源コンバータ５の出力電圧として出力する。
【００２５】
このような構成のコンバータ５は、電圧切替スイッチ５５が閉じた状態で倍電圧整流回路（高電圧発生回路）として機能し、電圧切替スイッチ５５が開いた状態で通常の全波整流回路（低電圧発生回路）として機能する。交流電源２０の電圧をＶacとすると、倍電圧整流回路から得られる電圧はＶacの約２．８倍となり、全波整流回路から得られる電圧はＶacの約１．４倍となる。
【００２６】
インバータ６は、いわゆる３相電圧型インバータである。インバータ６にはスイッチング素子６０が内蔵されている。スイッチング素子６０は、パワーＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）である。このスイッチング素子６０をＰＷＭ方式でスイッチングすることにより、インバータ６からは任意に定められた所定周波数の交流電流が圧縮機１に供給される。こうして、圧縮機１の回転数はインバータ６により制御される。
【００２７】
可変速コンバータ９も、インバータ６と同様の３相電圧型とすることができる。可変速コンバータ９にも、パワーＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴからなるスイッチング素子９０が内蔵されている。スイッチング素子９０をＰＷＭ方式でスイッチングすることにより、発電機８のトルクの制御を通じ、発電機８の回転数を制御できる。しかし、可変速コンバータ９において入力端９１の電圧が出力端９２の電圧よりも高くなると、スイッチング素子９０に並列接続されたフライバックダイオード（図示省略）を通り、スイッチング素子９０の操作とは関係なく発電機８から直流部３０へと電流が流れるため、可変速コンバータ９によって発電機８の回転数を制御することができなくなる。このため、発電機８の回転数を制御するためには、直流部３０の電圧を、発電機８による誘起電圧よりも高く設定しなければならない。他方、発電機８による誘起電圧が低い場合に直流部３０の電圧を高く設定すると、発電機８および可変速コンバータ９における回収エネルギーの損失が大きくなる。
【００２８】
直流部３０に対する上記の相反する要求を満たすには、電源コンバータ５において、発電機８の回転数に応じ、高電圧発生回路および低電圧発生回路のいずれかを適切に選択するとよい。すなわち、発電機８の回転数が低く、発電機８による誘起電圧が低い場合には電源コンバータ５の電圧切替スイッチ５５を開いて低電圧発生回路を選択し、直流部３０の電圧を低く保つ。一方、発電機８の回転数が高く、発電機８による誘起電圧が高い場合には電圧切替スイッチ５５を閉じて高電圧発生回路を選択し、直流部３０の電圧を高く保つ。
【００２９】
具体的には、予め定めた所定値を基準として、発電機８の回転数が所定値を上回ったときには高電圧発生回路を選択し、発電機８の回転数が所定値を下回ったときには低電圧発生回路を選択するとよい。この場合、所定値が適切に定められていれば、発電機８の回転数が所定値と等しくなったときの回路の選択は任意であって、高電圧発生回路を選択してもよいし、低電圧発生回路を選択してもよく、その直前に選択されていた回路をそのまま維持することとしてもよい。
【００３０】
なお、上記所定値の前後に一定の不感帯を設定するようにしてもよい。すなわち、上記所定値は、第１の所定値Ｒ１と、該第１の所定値Ｒ１よりも小さい第２の所定値Ｒ２とを含む。発電機８の回転数が第１の所定値Ｒ１を上回った場合に高電圧発生回路が選択される一方、発電機８の回転数が上記第１の所定値Ｒ１よりも若干小さい第２の所定値Ｒ２を下回った場合に低電圧発生回路が選択されるようにする。第１の所定値Ｒ１から第２の所定値Ｒ２の間の回転数のときは、変化の前歴による。高電圧発生回路と低電圧発生回路との切り替えに、このようなヒステリシスを持たせれば、回路の動作が安定する。また、電圧切替スイッチ５５として機械的なリレーを用いた場合のチャタリング防止を図ることができる。
【００３１】
ところで、発電機８の安定した制御のために、所定値は、低電圧発生回路により発生する電圧を発生させる発電機８の回転数以下となるように、設定するべきである。所定値の下限に制限はないが、この値が低すぎると発電機８における誘起電圧が低い場合にも高電圧発生回路が選択されやすくなるため、ヒートポンプの標準的な運転時に発生する誘起電圧などを考慮しつつ適切な範囲に定めるとよい。また、高電圧発生回路と低電圧発生回路との切り替えにヒステリシスを持たせる場合の所定値Ｒ１，Ｒ２についても、ともに、低電圧発生回路により発生する電圧を発生させる発電機８の回転数以下となるように定めるとよい。
【００３２】
高（低）電圧発生回路の選択は、基本的に、発電機８の回転数に応じて行われる。図１に示したヒートポンプ４００では、発電機８の回転数が可変速コンバータ９から回路選択部１５に出力される。回路選択部１５において、発電機８の回転数と予め定められた所定値とが対比されて選択されるべき回路が決定され、この決定が電源コンバータ５に入力される。回路選択部１５は、マイクロコンピュータで構成することもできるし、オペアンプ等を用いたアナログ回路で構成することもできる。なお、図１では、回路選択部１５を独立した要素として示したが、これに限らず、回路選択部１５は、例えば電源コンバータ５と一体となった要素であってもよい。
【００３３】
電源コンバータ５における回路の選択は、発電機８の回転数とともに電動機７の回転数を検出することにより行ってもよい。電動機７の回転数が高い場合に電動機７を安定して回転させるためには、直流部３０の電圧は高いことが望ましいからである。電動機７の回転数はインバータ６から回路選択部１５へと出力すればよい。
【００３４】
図３に、回路選択の手順の一例を示す。この手順は、例えば、回路選択部１５を構成するマイクロコンピュータが実行可能なプログラムの形で与えられる。まず、この手順では、ステップＳ１１で発電機８の回転数と電動機７の回転数が検出される。続くステップＳ１２で発電機８の回転数が所定の回転数Ａと対比され、発電機８の回転数が回転数Ａ未満でなければ（Ａ以上であれば）、ステップＳ１６で電源コンバータ５の電圧切替スイッチ５５が閉じられて高電圧発生回路が選択される。
【００３５】
一方、ステップＳ１２で発電機８の回転数が回転数Ａ未満であれば、ステップＳ１３で電動機７の回転数が所定の回転数Ｂと対比される。電動機７の回転数が回転数Ｂより大の場合には、ステップＳ１４で電源コンバータ５の電圧切替スイッチ５５が閉じられて高電圧発生回路が選択される。電動機７の回転数が回転数Ｂ以下の場合には、ステップＳ１５で電源コンバータ５の電圧切替スイッチ５５が開かれて低電圧発生回路が選択される。このような手順に沿った処理を定期的に実施することにより、直流部３０の電圧を適切に制御することができる。なお、回路切替の閾値として定められる回転数Ａと回転数Ｂは、等しい場合もあるし、異なる場合もある。
【００３６】
また、上記回転数Ａ，Ｂにも、前述したような不感帯を設定することができる。この場合、回転数Ａは、第１の回転数Ａ１と、該第１の回転数Ａ１よりも小さい第２の回転数Ａ２とを含む。回転数Ｂは、第３の回転数Ｂ１と、該第３の回転数Ｂ１よりも小さい第４の回転数Ｂ２とを含む。回路選択部１５は、発電機８の回転数が第１の回転数Ａ１を上回るという条件、および電動機７の回転数が第３の回転数Ｂ１を上回るという条件から選ばれる少なくとも一方の条件が成立するときには高電圧発生回路を選択する。発電機８の回転数が第２の回転数Ａ２を下回るという条件、および電動機７の回転数が第４の回転数Ｂ２を下回るという条件がともに成立するときには低電圧発生回路を選択する。
【００３７】
ところで、ヒートポンプの効率を高めてＣＯＰの向上を図るには、放熱器２を通過して膨張機３に向かう冷媒の圧力を、その冷媒の温度に応じた適切な圧力に調整することが望ましい。冷媒の温度により、効率向上に最適な圧力は相違するためである。図４に、最適効率が得られる冷媒圧力を示す最適効率圧力線を例示する。
【００３８】
冷媒の圧力を最適化するためには、発電機８の回転数の制御を通じて膨張機３の負荷を制御するとよい。図１に示したヒートポンプ４００は、放熱器２の出口近傍の配管１０内において冷媒の温度および圧力をそれぞれ測定する温度センサ１１および圧力センサ１２と、演算手段１３とを備えている。演算手段１３は、例えば、マイクロコンピュータによって構成することができる。
【００３９】
演算手段１３は、温度センサ１１により検出された温度、および予め入力された最適効率圧力線に基づいて冷媒最適圧力を算出し、圧力センサ１２により検出された圧力と冷媒最適圧力とに基づいて発電機最適回転数を算出する。そして、この発電機最適回転数に基づき、発電機８の回転数が発電機最適回転数となるように、より具体的には、発電機８の回転数と発電機最適回転数との差分が小さくなるように、可変速コンバータ９が発電機８の回転数を制御する。
【００４０】
（第２の実施形態）
図５に、第２の実施形態に係るヒートポンプの構成例を示す。このヒートポンプ４０１では、回路選択部１６が、高（低）電圧発生回路を選択するとともに、前述の発電機最適回転数を算出する。回路選択部１６においても、高（低）電圧発生回路の選択の手順は、例えば図３を参照して説明したとおりに行えばよいが、所定値と対比する対象を、発電機８の回転数ではなく、算出した発電機最適回転数としてもよい。この場合、回路選択部１６は、可変速コンバータ９からの発電機８の回転数についての入力を要しないことになる。
【００４１】
図６に、本発明のヒートポンプ４００，４０１を図３の手順により制御した場合の電圧の変化の例を示す。ヒートポンプ４００，４０１の運転開始時（ｔ＝０）は、発電機８および電動機７はともに回転していないため、電源コンバータ５では低電圧発生回路が選択され、電源コンバータ５からは低電圧（電圧Ａ）が供給されている。発電機８の回転数が徐々に高くなり、時間ｔ１において回転数Ａに至ると、低電圧発生回路が高電圧発生回路に切り替わり、電源コンバータ５からは高電圧（電圧Ｂ）の供給が始まる。その後、発電機８の回転数が減少に向かい、時間ｔ２において回転数Ａを下回ると、電源コンバータ５からは再び電圧Ａが供給される。この間、電動機７の回転数は回転数Ｂ未満であるが、その回転数が増加に向かい、時間ｔ３において回転数Ｂを超えると、電源コンバータ５からは電圧Ｂが供給される。
【００４２】
（第３の実施形態）
図１に示すように、第３の実施形態に係るヒートポンプ４０２の全体構成は、電源コンバータ５Ｂの内部構成、および回路選択部１５の代わりに出力電圧設定部１７が設けられているという点で、第１の実施形態に係るヒートポンプ４００と相違している。その他は、第１の実施形態に係るヒートポンプ４００と共通である。また、発電機８の回転数に応じて、電源コンバータ５Ｂの出力電圧の設定値を変更するという点についても、基本的な技術思想は既に説明したとおりである。
【００４３】
図７は、第３の実施形態に係るヒートポンプ４０２の圧縮機１への電気エネルギーの供給系統を示す。電源コンバータ５Ｂは、ダイオードを用いた整流素子５０（いわゆるダイオードブリッジ）、昇圧コイル３０１、この昇圧コイル３０１に直列に接続した逆流阻止ダイオード３０２（例えばショットキーバリアダイオード）、昇圧コイル３０１と逆流阻止ダイオード３０２との間で整流素子５０の負端子側に接続したスイッチング素子３０３、出力電圧を平滑化する平滑コンデンサ３０４、および発振回路３０５を内蔵する。発振回路３０５は、スイッチング素子３０３のＯＮ・ＯＦＦを制御する制御用ＩＣにて構成することができる。出力電圧設定部１７は、例えばマイクロコンピュータにて構成することができ、電源コンバータ５Ｂの出力電圧を設定し、設定した出力電圧を電源コンバータ５Ｂが生成するように発振回路３０５を制御する。
【００４４】
電源コンバータ５Ｂの動作を具体的に説明する。電源コンバータ５Ｂにおいて、整流素子５０は全波整流回路を構成している。整流素子５０が出力する直流の一部は、スイッチング素子３０３（スイッチング部）に分岐入力するようになっている。スイッチング素子３０３は、その分岐直流入力を発振回路３０５が規定する周波数にて断続スイッチングする。昇圧コイル３０１は、分岐直流入力の断続スイッチングに基づいて誘導電流を発生させるとともに、その誘導電流に基づくリップル電圧を整流素子５０が出力する直流電圧に重畳させた形で出力する。平滑コンデンサ３０４（整流平滑部）は、昇圧コイル３０１からの出力電圧を整流および平滑化することにより整流素子５０による直流出力よりも昇圧された直流を生成し、この昇圧された直流を当該電源コンバータ５Ｂの出力電圧として出力する。
【００４５】
このように、電源コンバータ５Ｂは、スイッチング素子３０３のＯＮ・ＯＦＦを高速に制御することにより昇圧コイル３０１を利用して出力電圧の制御が可能な昇圧チョッパ回路を構成している。スイッチング素子３０３のＯＮデューティを変えることにより出力電圧を変えることができる。一例として、交流電源２０が１００Ｖの場合、直流部３０の電圧は１４０Ｖ〜３００Ｖの範囲で出力電圧を変えることができる。なお、逆流阻止ダイオード３０２は、負荷側から電流が逆流しないようにするために必要である。
【００４６】
図２で説明したチャージポンプ型の昇圧回路は、部品点数が極めて少なく、回路の大型化やコスト増の問題を招来しにくいという利点がある。そのため、入力電圧の離散的な倍数を生成するのには極めて有効である。他方、本実施形態のようにコイルを用いたチョッパ型の昇圧回路を採用すれば、より高いステップアップ比が自由かつ容易に得られるとともに、広範囲の入力／出力電圧にわたって高い変換効率を維持することができる。
【００４７】
本実施形態のヒートポンプ４０２におけるインバータ６の動作は、第１の実施形態のヒートポンプ４００と同様であり、圧縮機１の回転数はインバータ６により制御される。また、可変速コンバータ９の動作も第１の実施形態のヒートポンプ４００と同様であり、内蔵されたスイッチング素子９０をＰＷＭ方式でスイッチングすることにより、発電機８のトルクの制御を通じ、発電機８の回転数を制御できる。また、直流部３０の電圧は、発電機８の回転数を制御するために、発電機８による誘起電圧よりも高く設定する必要がある。他方、発電機８による誘起電圧が低い場合に直流部３０の電圧を高く設定すると、発電機８および可変速コンバータ９における回収エネルギーの損失が大きくなる。
【００４８】
直流部３０に対する上記の相反する要求を満たすには、電源コンバータ５Ｂにおいて、発電機８の回転数に応じ、出力電圧値を適切に設定するとよい。すなわち、発電機８の回転数が低く、発電機８による誘起電圧が低い場合には電源コンバータ５Ｂの出力電圧を低く設定し、直流部３０の電圧を低く保つ。他方、発電機８の回転数が高く、発電機８による誘起電圧が高い場合には、直流部３０の電圧を高く保つ。電源コンバータ５Ｂの出力電圧設定は、発電機８の回転数に応じて出力電圧設定部１７によって設定される。具体的に、出力電圧設定部１７は、可変速コンバータ９から発電機８の回転数を取得し、下記（式１）に基づき、発電機８の回転数ωｇと予め定められた係数ｄとから、出力電圧候補Ｖｓｅｔ１を決定する。
Ｖｓｅｔ１＝ｄ×ωｇ    ・・・  （式１）
【００４９】
ここで係数ｄは、発電機８の誘起電圧（Ｖｘ）の回転数（ωｘ）に対する比（Ｖｘ／ωｘ）の値より大の値とする。なぜなら、発電機８の回転数を制御するために、出力電圧候補Ｖｓｅｔ１を発電機８による誘起電圧よりも高く設定しなければならないからである。決定された出力電圧候補Ｖｓｅｔ１は、電源コンバータ５Ｂに与えられる。電源コンバータ５Ｂにおいては、与えられた出力電圧候補Ｖｓｅｔ１を生成するように制御が実施される。具体的には、出力電圧設定部１７からの出力電圧候補Ｖｓｅｔ１は、発振回路３０５に入力される。発振回路３０５は、与えられた出力電圧候補Ｖｓｅｔ１と、当該電源コンバータ５Ｂの出力電圧（逆流阻止ダイオード３０２の下流側から得られるフィードバック値）との差分が縮小するように、スイッチング素子３０３のＯＮ・ＯＦＦ（デューティ比）を制御する。
【００５０】
さらに、電源コンバータ５Ｂにおける出力電圧値の設定は、発電機８の回転数とともに電動機７の回転数を検出することにより行ってもよい。電動機７の回転数が高い場合に電動機７を安定して回転させるためには、直流部３０の電圧は高いことが望ましいからである。電動機７の回転数はインバータ６から出力電圧設定部１７へと出力すればよい。出力電圧設定部１７は、インバータ６から電動機７の回転数を取得し、下記（式２）に基づき、その電動機７の回転数ωｍと予め定められた係数ｅとから、出力電圧候補Ｖｓｅｔ２を決定する。
Ｖｓｅｔ２＝ｅ×ωｍ    ・・・  （式２）
【００５１】
ここで係数ｅは、電動機７の誘起電圧（Ｖｙ）の回転数（ωｙ）に対する比（Ｖｙ／ωｙ）の値より大の値とする。なぜなら、電動機７の回転数を制御するためには、出力電圧候補Ｖｓｅｔ２を電動機７の誘起電圧よりも高く設定しなければならないからである。さらに、出力電圧候補Ｖｓｅｔ１とＶｓｅｔ２とを比較し、大きい方を電源コンバータ５Ｂの出力電圧値として設定する。このようにすれば、発電機８の回転数による制約と電動機７の回転数による制約との両者を満足するように、電源コンバータ５Ｂの電圧値を設定することができる。電源コンバータ５Ｂの動作は先に説明した通りである。このような構成により、効率が高く、さらに安定した発電機８および電動機７の運転が可能なヒートポンプが実現される。
【００５２】
図８に、本発明のヒートポンプ４０２を上記の手順により制御した場合の電圧の変化の例を示す。ヒートポンプ４０２の運転開始時（ｔ＝０）は、発電機８および電動機７はともに回転していないため、出力電圧設定部１７は最低電圧値Ｖ０を設定し、電源コンバータ５Ｂからは最低電圧値Ｖ０が供給されている。この最低電圧値Ｖ０は、昇圧動作を行わないときの出力電圧である。
【００５３】
膨張機３の回転数が徐々に高くなり、発電機８の回転数ωｇに予め定められた係数ｄを乗じて求まる出力電圧候補Ｖｓｅｔ１、または電動機７の回転数ωｍに予め定められた係数ｅを乗じて求まる出力電圧候補Ｖｓｅｔ２が、最低電圧値Ｖ０よりも大きいと判断した場合、出力電圧設定部１７は、それら出力電圧候補Ｖｓｅｔ１とＶｓｅｔ２の大小比較を行い、より大きい方を電源コンバータ５Ｂが生成するべき直流電圧として設定する。このようにして、電源コンバータ５Ｂの出力電圧の設定値が、下記条件（Ａ）（Ｂ）を共に満足する制御が実施される。
（Ａ）発電機８による誘起電圧よりも高いこと。
（Ｂ）電動機７の目標回転数を実現する、つまり、電動機７をある目標回転数で駆動するために必要な電圧以上であること。
【００５４】
図８の例において、時間ｔ４からｔ５の期間は、Ｖｓｅｔ１の方がＶｓｅｔ２より大となっているので、この期間中、出力電圧設定部１７は、電源コンバータ５Ｂに向けて電圧設定値Ｖｓｅｔ１を出力する。この結果、電源コンバータ５Ｂからは、膨張機３の回転数に基づいて決定されるＶｓｅｔ１の大きさの直流が出力されることとなる。電源コンバータ５Ｂの出力電圧の設定値がＶ０からＶｓｅｔ１に切り替わるときの発電機８の回転数Ｃは、発電機８がちょうどＶ０の誘起電圧を発生する回転数、またはその回転数よりも小さい回転数とすることができる。このようにすれば、発電機８から直流部３０に電流が無制限に流れ込むことを防止できる。
【００５５】
その後、発電機８の回転数が減少に向かい、圧縮機１の回転数が増加し、Ｖｓｅｔ２の方がＶｓｅｔ１より大となると（図８中の時間ｔ５）、出力電圧設定部１７からは電圧設定値Ｖｓｅｔ２が出力される。この結果、電源コンバータ５Ｂからは、圧縮機１の回転数に基づいて決定されるＶｓｅｔ２の大きさの直流が出力されることとなる。電源コンバータ５Ｂの出力電圧の設定値がＶ０からＶｓｅｔ２に切り替わるときの電動機７の回転数Ｄは、当該電動機７をその回転数Ｄで駆動するために最低限必要とされる、直流部３０の電圧値がＶ０に一致する場合の回転数とすることができる。このようにすれば、電動機７を安定して回転させることが可能となる。
【００５６】
このようにして、膨張機３および圧縮機１が安定運転され、高効率なヒートポンプが実現される。なお、本実施形態のヒートポンプ４０２においても、先の実施形態のヒートポンプ４００，４０１と同様の手順にて、発電機最適回転数を算出することができる。すなわち、可変速コンバータ９は、発電機最適回転数との差分が小さくなるように、発電機８の回転数を制御する。したがって、実際の発電機８の回転数に代えて、発電機最適回転数に応じて、出力電圧値を適切に設定することも可能である。
【００５７】
以上に説明した本発明は、合理的な制御によりヒートポンプのＣＯＰの向上に寄与するものとして、ヒートポンプが属する技術分野において、多大な利用価値を有する。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明のヒートポンプの一例を示す構成図
【図２】図１のヒートポンプにおける圧縮機への電力供給系の構成図
【図３】本発明のヒートポンプの制御手順を例示するフローチャート
【図４】最適効率が得られる冷媒圧力の冷媒温度依存性を示す最適効率圧力線を例示するグラフ
【図５】本発明のヒートポンプの別の一例を示す構成図
【図６】図３に示した制御手順による電圧の制御例を示すタイムチャート
【図７】第３の実施形態のヒートポンプにおける電力供給系の構成図
【図８】図７に示した電力供給系による電圧の制御例を示すタイムチャート
【図９】発電機により動力を回収する従来のヒートポンプの構成図
【図１０】発電機により冷媒圧力を制御する従来のヒートポンプの構成図
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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