JP3896472B2 - 冷凍装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、蒸気圧縮冷凍サイクルが用いられる冷凍機、空気調和機などの冷凍装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、地球温暖化防止、ランニングコスト低減ニーズの高まりにより、店舗やビルのエネルギー消費量の多くを占める冷凍機、空気調和機の省エネ化が推進されている。空気調和機や冷凍機などの冷凍装置の高効率化と低コスト化のため、圧縮機を駆動する電動機の回転子に誘導電動機として機能するためのかご形導体と、同期電動機として機能するように永久磁石を設けた埋込磁石同期電動機を用いることが知られ、例えば、特開2001−227778に記載されている。
【0003】
【特許文献1】
特開2001−227778号公報
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術においては、圧縮機を複数台用いる場合、複数台のうち1台を埋込磁石同期電動機による可変速形圧縮機としてインバータ駆動し、他を商用電源で駆動される1台以上の一定速形圧縮機としている。しかし、インバータ駆動される圧縮機は比較的高効率で運転されるが、冷凍装置全体の高効率化については詳細に述べられていない。
【0005】
また、埋込磁石同期電動機を同期運転していた場合、過負荷運転となると、埋込磁石同期電動機がトルク不足となり、同期運転が損なわれて回転子が失速し、異常電流が流れ、固定子巻き線の絶縁破壊などの恐れがある。
【0006】
本発明の目的は、圧縮機を複数台用いた冷凍装置においても、全体としての効率を一層向上することにある。また、他の目的は、冷凍装置において信頼性をより向上することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は、電動機によって駆動される圧縮機を複数台有する冷凍装置において、前記複数台の圧縮機の電動機は、それぞれ回転子の鉄心にかご型導体と、同期電動機として機能するように着磁された永久磁石とを有する自己始動式同期電動機であり、前記複数の自己始動式同期電動機に対して商用電源による電源周波数での駆動とインバータによる可変周波数での駆動を選択的に行う圧縮機駆動回路を備えたものである。
【0010】
さらに、上記のものにおいて、圧縮機をスクロール圧縮機としたことが望ましい。
さらに、上記のものにおいて、電動機の固定子に電機子巻線が集中巻されたことが望ましい。
【0011】
さらに、上記のものにおいて、圧縮機はスクロール圧縮機とされ、前記電動機の固定子に電機子巻線が集中巻されたことが望ましい。
さらに、上記のものにおいて、インバータが故障と判断された場合、前記複数台の圧縮機のうち少なくとも1台を商用電源で駆動することが望ましい。
【0012】
さらに、上記のものにおいて、前記複数台の圧縮機の全てが、回転子の鉄心にかご型導体と同期電動機として機能するように着磁された永久磁石とを設けた電動機によって駆動されることが望ましい。
【0013】
さらに、上記のものにおいて、前記複数台の圧縮機の型式が統一されたことが望ましい。
さらに、上記のものにおいて、前記圧縮機の吐出側に圧力検出装置を設け、その検出値に基づいて前記圧縮機の起動を行うことが望ましい。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明を行う。
図1は複数台の圧縮機1、2を有した空気調和機の冷凍サイクルを示し、1はインバータ駆動する回転数可変型の圧縮機であり、2は商用電源駆動の一定速回転型の圧縮機である。圧縮機1、2共に埋込磁石同期電動機(自己始動式同期電動機)を内蔵しており、その回転子に誘導電動機として機能するためのかご形導体と、同期電動機として機能するように二極に着磁された永久磁石を設けている。また、四方弁4、室外熱交換器5、室外膨張弁7、レシーバ8、室内膨張弁9a、9b、室内熱交換器10a、10b、アキュームレータ12を順次冷媒配管で連結して冷凍サイクルを構成している。
【0015】
圧縮機1、2に内蔵された電動機径方向断面形状の詳細を図2に示し、50は回転子であり、その外周面近くにかご型導体52が設けられ、誘導電動機として回転子が回転する。かご型導体52のさらに内側には図示の如くN、Sの二極に着磁された永久磁石51が配置されている。また、中心に向かって回転子鉄心54、クランクシャフト55が設けられ、図3に示すように圧縮機の駆動部分に接続されている
図3は、自己始動式同期電動機を用いた圧縮機の断面構造図であり、圧縮機構部は、固定スクロール部材112の端板113に直立する渦巻状ラップ114と、旋回スクロール部材115の端板116に直立する渦巻状ラップ117とを噛み合わせて形成し、旋回スクロール部材115をクランクシャフト55によって旋回運動させることで圧縮動作を行う。
【0016】
固定スクロール部材112及び旋回スクロール部材115によって形成される圧縮室118(118a、118b、……)のうち、最も外径側に位置している圧縮室118は、旋回運動に伴って両スクロール部材112、115の中心に向かって容積が次第に縮小するように圧縮され、圧縮室118内の圧縮ガスは圧縮室118の中央部と連通した吐出口119から吐出される。
【0017】
吐出された圧縮ガスは、固定スクロール部材112及びフレーム20に設けられたガス通路(図示せず)を通ってフレーム120の下部の圧力容器121内に至り、圧力容器121の側壁に設けられた吐出パイプ22から圧縮機外に排出される。
【0018】
また、本圧縮機では、圧力容器121内に、駆動用電動機123が内封されている。駆動用電動機123の下部には、油溜め部124が設けられている。油溜め部124内の油は回転運動により生ずる圧力差によって、クランクシャフト55内に設けられた油孔125を通って、旋回スクロール部材115とクランクシャフト55との摺動部、滑り軸受126等の潤滑に供される。
【0019】
固定子60は、固定子鉄心61と、それに施された3個のスロット62と、これらのスロット62で3個に分割されたティース63を備えている。スロット62を利用してティース63に電機子巻線64が集中巻に巻かれている。図では、電機子巻線64は、U相巻線64A,V相巻線64B及びW相巻線64Cからなり、それぞれ給電されて回転する。
【0020】
以上によれば、固定子60は集中巻のみで構成されている為、コイル端部の寸法を小さくすることができ、巻線に生ずる銅損低減による効率向上、及び小型化が可能となる。また、巻線機は集中巻の巻線機のみで製造可能であることから、コスト的に有利である。さらに、回転子に設けられた始動用導体はかご型で構成している為、▲1▼磁気的なギャップは最小限に抑えることが出来るので、定格時でも有効磁束を確保できる。▲2▼導体に流れる誘導電流と固定子側から回転子に流入する磁束は直交して流れる為、トルク特性を確保できる。▲3▼従来の誘導電動機の回転子製造ライン(ダイカスト装置等)をそのまま使用できるので、コストメリットも大きい。
【0021】
また、コイルエンドを小さく出来るため、圧縮機内部の内容積を広く確保したり、油上がりを低減するための冷凍機油の分離部のスペースを充分確保したり、することが可能となり、圧縮機を複数台用いた室外機であっても小型化することができる。
【0022】
次に自己始動式同期電動機の動作説明を行う。
一定速回転させる圧縮機2の場合、商用電源101が電機子巻線に印可されると回転磁界が発生され、かご型導体に誘導磁界が作用し回転力が発生する。つまり圧縮機起動時には誘導電動機として作用し、次第に回転数が高くなり、商用電源101の周波数である50Hz(あるいは60Hz)に近づくと永久磁石の磁界に引き込まれて同期速度となり、同期電動機として作用する。この時にはすべりがゼロとなるため、誘導電動機として作用する時に発生する2次電流に伴った損失はほとんどゼロとなるため高効率な運転が可能となる。
インバータ駆動する回転数可変型圧縮機1の場合では、商用電源101からインバータ回路102を介して徐々に駆動周波数を上昇されるので、商用電源101で直接駆動する場合に比較して必要とされる同期速度にまで加速させることが容易である。
【0023】
図4は誘導電動機と永久磁石同期電動機、自己始動式同期電動機の電動機効率の特性を回転数に対するモータ効率として示したものであり、自己始動式同期電動機は誘導電動機に比較して高効率であるが、永久磁石同期電動機よりも若干低い効率である。しかしながら、永久磁石同期電動機では商用電源の直入による自己始動が不可能であるため、インバータ回路が必要となる。
図5は誘導電動機と自己始動式同期電動機のそれぞれの力率を示したものである。誘導電動機ではすべりに伴った励磁電流を必要とするため力率が悪化するが、自己始動式同期電動機は同期運転を行なっている時には励磁電流を必要としないので高力率の運転とすることができ、電源容量を低減することが可能である。
【0024】
図1において、圧縮機駆動回路100は、商用電源101を圧縮機1、2に直接供給したり、インバータ回路102を介して供給したりするため、電源切替スイッチ103、104を有し、圧縮機1、圧縮機2に対して商用電源101による電源周波数での駆動、可変周波数でのインバータ駆動をそれぞれ選択的に行う。したがって、圧縮機2をインバータ回路による回転数可変形電動機としても動作させること、逆に圧縮機1を商用電源駆動させることも可能とし、インバータ駆動と商用電源駆動を入れ替えることが可能となっている。
【0025】
インバータ回路が故障した場合、電源切替スイッチ103、104でいずれの圧縮機1、2共に商用電源101を直接接続することによって、自己始動式同期電動機として冷凍サイクルの運転を継続し、不要な運転停止を回避する。
また、電源切替スイッチ103、104により、温度制御などのため運転の頻度が高くなるインバータ駆動させる圧縮機を所定時間ごとに入れ替えて運転する、つまり、圧縮機をローテーションさせて運転することにより、複数台の圧縮機1、2のそれぞれの寿命を平均化し、信頼性の向上を図る。
【0026】
図6は、圧縮機のローテーション運転の一例を示し、圧縮機を4台としている。空調負荷に応じてインバータ駆動する圧縮機1を初めに起動し、続いて商用電源で定速駆動する圧縮機2を起動させ、負荷対応する要求台数に至るまで所定時間間隔で順次、圧縮機2、3、4の起動を行う。この時、圧縮機1から4までの運転時間積算手段により積算される運転時間に基づいて、過去の積算運転時間が最小の圧縮機から順番に起動を行う。
空調負荷が減少し、定速運転する圧縮機の運転台数を減じるときは、インバータ駆動される圧縮機を除いて、運転継続時間の最も長くなった圧縮機から停止し、最後にインバータ駆動されている圧縮機を停止する。これにより、寿命を平均化し、空気調和機全体としての信頼性を向上することができる。
【0027】
また、起動する圧縮機を決定するのに、積算運転時間を用いず乱数を発生させ、その数値によって、例えば1から4の乱数値を発生させ、その数値が2ならば圧縮機2を起動することでも良い。この場合、圧縮機台数分の運転時間積算手段を有する場合に比較して、マイコンの記憶容量を小さくすることができ、低コスト化に有利となる。さらに、
インバータ駆動される圧縮機と商用電源駆動される圧縮機の全てを自己始動式同期電動機とすれば、圧縮機の型式を統一することができ、製造コストや管理コスト等を低減することが可能となる。
【0028】
商用電源で自己始動式同期電動機を起動する場合、圧縮機の吐出側と吸入側の圧力差が大きい場合は電動機のトルクが不足して起動不良が発生する恐れがあるので、図1に示すように圧縮機の吐出側となるオイルセパレータ3から圧縮機の吸入側となるアキュームレータ12へパイパス路13を設け、パイパス路13にバイパス路開閉弁14を設ける。始動時には、バイパス路開閉弁14を開放することにより、圧縮機吐出側と吸入側の圧力差を低減し、圧縮機起動不良を防ぐことができる。
【0029】
また、図9に示すようにバイパス路は商用電源で駆動される圧縮機2の吐出側から吸入側となるアキュームレータ12に接続された13a、アキュームレータ12からレシーバ8に接続された13bに示す位置に設けても良い。バイパス路13bを設置した場合、バイパス路13bの開閉弁14Bを開放することにより、レシーバ8頭頂部からガスが圧縮機吸入側にバイパスされるため、レシーバ8入口の冷媒が二相となり、凝縮器として作用する熱交換器の出口を二相冷媒とすることができ、凝縮圧力を下げ、圧縮機吐出圧力が低下し圧縮機負荷を低減することができ、始動を容易にすることができる。さらに、バイパス路は圧縮機内部の高圧部と低圧部の間に組み込めば小型化により有利となる。
【0030】
さらに、圧縮機2の吐出側から圧縮機1の吐出側となるオイルセパレータ3へ逆止弁15を図1に示すように設け、先に起動されるインバータ駆動される圧縮機1の吐出圧力と次に駆動される圧縮機2の吸入側との圧力差が大きくならないようにし、圧縮機2の起動を容易にしている。
さらに、圧縮機2を停止したとき、圧縮機2と逆止弁15の間が高圧に保持され、圧力が低下するまで時間が掛かるが、このときにバイパス路13を開放し、圧力を速やかに低下させる。これにより、圧縮機2の停止から再起動に要する時間を短縮することができる。
【0031】
自己始動式同期電動機では同期運転状態においても、圧縮機が過負荷運転状態となるとトルク不足となり脱調を起こす恐れがあるので、圧縮機の吐出側に圧力検出装置16及び電流検出器105、106を設け、脱調防止のための制御を行う。
【0032】
図7は、圧縮機の脱調防止制御のフローチャートを示し、圧縮機起動信号を受信し、吐出圧力センサの検出を行ない、吐出圧力があらかじめ設定された値Pdset1以上である場合にはバイパス路13を開いて、吐出圧力PdがPdset1以下になるまで圧縮機を起動しない。
圧縮機の起動を行なった後は電流検出器106の検出値と圧力検出装置16の検出値にもとづいて次のように行う。
図8は圧縮機の電流値I、吐出圧力Pdとに基づく、圧縮機の連続運転可能な領域と、脱調する領域とを示し、つまり、連続運転可能な領域は許容できる最大電流値(Imax)があり、最大電流値以下では電流が増加するに連れて許容できる吐出圧力Pdが低下して行く。よって、自己始動式同期電動機の連続運転可能か、脱調するかの判断は、
吐出圧力をPd、圧縮機電流値をI、連続運転可能上限圧力をPdset2として、Pd<Pdset2−I・a (a:係数)、かつ、I<Imaxを満たしているか、否かで自己始動式同期電動機が連続運転可能領域に入っているかを逐次確認を行う。そして、脱調領域に入ればバイパス回路13又は13a、13bを開放し電動機負荷を低減させる。また、バイパス路が開放されていても脱調領域に入っているときは、一度圧縮機を停止し、再び起動するリトライ制御を行う。
以上において、自己始動式同期電動機により駆動される圧縮機をスクロール圧縮機としているので、回転部の慣性が小さく、負荷トルクの変動も小さく、連続運転可能領域を広げることができる。
【0033】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、複数の自己始動式同期電動機に対して商用電源による電源周波数での駆動とインバータによる可変周波数での駆動を選択的に行う圧縮機駆動回路を備えているので、以下の効果が得られる。
(イ)複数の自己始動式同期電動機のうちの1台をインバータで駆動し、他は商用電源で駆動することにより、
インバータで駆動される圧縮機に対しては、自己始動式同期電動機をインバータで駆動することにより、商用電源からインバータを介して徐々に駆動周波数を上昇させることができ、自己始動式同期電動機を商用電源で直接駆動する場合に比較して必要とされる同期速度にまで短時間で到達させることができる。また、インバータにより自己始動式同期電動機を同期電動機として可変速運転させることができるから、負荷に応じた滑らから容量制御が可能になると共に、同期電動機として駆動されるから誘導電動機を使用して可変速制御するものに比べ高効率運転が可能となる。
一定速回転させる圧縮機に対しては、自己始動式同期電動機を起動時には誘導電動機として作用させることで、インバータなしに商用電源で起動でき、同期速度に到達後は同期電動機として駆動されるから、高効率な運転が可能となる。
(ロ)複数台の圧縮機を1つのインバータで切り替えて駆動できるから、低コスト化でき、空気調和機などの温度制御などのため運転の頻度が高くなるインバータ駆動させる圧縮機をローテーションさせて運転することにより、複数台の圧縮機それぞれの寿命を平均化し、信頼性の向上を図ることができる。
(ハ)インバータが故障した場合にはインバータで駆動されていた圧縮機を商用電源に直接接続することにより、自己始動式同期電動機として冷凍サイクルの運転を継続でき、不要な運転停止を回避できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施の形態による冷凍サイクルを示すブロック図。
【図2】一実施の形態に用いられる自己始動式同期電動機の横断面図。
【図3】一実施の形態に用いられる圧縮機の断面。
【図4】各種電動機の回転数に対する効率を示すグラフ。
【図5】誘導電動機と自己始動式同期電動機の力率を示すグラフ。
【図6】一実施の形態による圧縮機のローテーション制御を示すタイムチャート。
【図7】一実施の形態による自己始動式同期電動機の脱調防止制御を示すフローチャート。
【図8】一実施の形態において、自己始動式同期電動機の連続運転可能領域を示すグラフ。
【図9】本発明の他の実施の形態による冷凍サイクルを示すブロック図。
【符号の説明】
1…圧縮機、2…圧縮機、3…オイルセパレータ、4…四方弁、5…室外熱交換器、6…室外送風機、7室外膨張弁、8…レシーバ、9a、9b…室内膨張弁、10a、10b…室内熱交換器、11a,11b…室内送風機、12…アキュームレータ、13…バイパス路、14…開閉弁、15…逆止弁、16…吐出圧力検出装置、20…室外機、21a、21b…室内機、100…圧縮機駆動回路、101…電源、102…インバータ、103,104…電源切替スイッチ、105,106…電流検出器、50…回転子、51…永久磁石 、52…かご型導体(巻き線)、53…スリット、54…回転子鉄心、55…クランクシャフト、60…固定子、61…固定子鉄心、62…スロット、63…ティース、64…電機子巻線。
Claims (8)
- 電動機によって駆動される圧縮機を複数台有する冷凍装置において、
前記複数台の圧縮機の電動機は、それぞれ回転子の鉄心にかご型導体と、同期電動機として機能するように着磁された永久磁石とを有する自己始動式同期電動機であり、
前記複数の自己始動式同期電動機に対して商用電源による電源周波数での駆動とインバータによる可変周波数での駆動を選択的に行う圧縮機駆動回路
を備えたことを特徴とする冷凍装置。 - 請求項1において、前記圧縮機をスクロール圧縮機としたことを特徴とする冷凍装置。
- 請求項1において、前記電動機の固定子に電機子巻線が集中巻されたことを特徴とする冷凍装置。
- 請求項1において、前記圧縮機はスクロール圧縮機とされ、前記電動機の固定子に電機子巻線が集中巻されたことを特徴とする冷凍装置。
- 請求項1において、前記インバータが故障と判断された場合、前記複数台の圧縮機のうち少なくとも1台を商用電源で駆動することを特徴とする冷凍装置。
- 請求項1において、前記複数台の圧縮機の全てが、回転子の鉄心にかご型導体と同期電動機として機能するように着磁された永久磁石とを設けた電動機によって駆動されることを特徴とする冷凍装置。
- 請求項1において、前記複数台の圧縮機の型式が統一されたことを特徴とする冷凍装置。
- 請求項1において、前記圧縮機の吐出側に圧力検出装置を設け、その検出値に基づいて前記圧縮機の起動を行うことを特徴とする冷凍装置。
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