JPWO2019207661A1 - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

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Abstract

冷媒を圧縮する圧縮機(111)と、圧縮機(111)内に配置され、複数の巻線に電圧を受けて回転子が回転することで、冷媒を圧縮する動力を発生するモータと、複数の巻線の接続を変更することで、複数の巻線状態において切り替えを行う巻線切替部(116)と、を備え、巻線切替部(116)は、回転子の回転数が予め定められた値よりも高くなる場合に、複数の巻線状態の内、回転子の回転数において最も効率の高い第2の巻線状態とは異なる第1の巻線状態に切り替える。

Description

本発明は、冷凍サイクル装置に関する。
従来から、空気調和機に使用されるモータの巻線状態を変化させる技術がある。例えば、特許文献1には、通常の暖房運転時に巻線状態をスター結線とし、室内温度が低下した時に、巻線状態をデルタ結線に切替えるとともに、除霜運転時に、巻線状態をデルタ結線に切り替える空気調和機が記載されている。
実開昭58−57669号公報
しかしながら、従来技術のように、モータの高回転時に、巻線状態をデルタ結線とすると、モータの効率が向上し、圧縮機内の温度が昇温されにくくなるといった課題がある。
そこで、本発明の1又は複数の態様は、モータの回転数が予め定められた回転数よりも高い場合に、より効率の悪い巻線状態とすることで、圧縮機内の温度を高めて、効率的に冷媒を温めることができるようにすることを目的とする。
本発明の1態様に係る冷凍サイクル装置は、冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機内に配置され、複数の巻線に電圧を受けて回転子が回転することで、前記冷媒を圧縮する動力を発生するモータと、前記複数の巻線の接続を変更することで、複数の巻線状態において切り替えを行う巻線切替部と、を備える冷凍サイクル装置であって、前記巻線切替部は、前記回転子の回転数が予め定められた値よりも高くなる場合に、前記複数の巻線状態の内、前記回転数において最も効率の高い第2の巻線状態とは異なる第1の巻線状態に切り替えることを特徴とする。
本発明の1又は複数の態様によれば、モータの回転数が予め定められた回転数よりも高い場合に、より効率の悪い巻線状態とすることで、圧縮機内の温度を高めて、効率的に冷媒を温めることができる。
実施の形態1及び2に係る空気調和機の構成を概略的に示す冷媒回路図である。 実施の形態1及び2における圧縮機の構成を概略的に示す縦断面図である。 実施の形態1におけるインバータ、巻線切替部及びモータの接続関係を示す概略図である。 (A)及び(B)は、実施の形態1におけるモータの巻線状態を示す概略図である。 モータの内部構造を説明するための横断面図である。 モータの接続状態の第1の例を説明する模式図である。 モータの接続状態の第1の例を説明する模式図である。 (A)及び(B)は、冷凍サイクルの圧力−比エンタルピー線図である。 (A)及び(B)は、実施の形態1における圧縮機の回転数に対する電圧及び総合効率の関係を示す概略図である。 起電力の高い結線状態又は起電力の低い結線状態の総合効率の効率特性線と、三相交流電流の位相をずらした際の総合効率の効率特性線とを示すグラフである。 実施の形態1に係る空気調和機が運転モードを判定する動作を示すフローチャートである。 実施の形態1に係る空気調和機の冷房モードでの動作を示すフローチャートである。 実施の形態1に係る空気調和機の暖房モードでの動作を示す第1のフローチャートである。 実施の形態1に係る空気調和機の暖房モードでの動作を示す第2のフローチャートである。 実施の形態1に係る空気調和機の除霜運転モードでの動作を示すフローチャートである。 フィン温度検出部の設置例を示す概略図である。 実施の形態1に係る空気調和機の耐熱温度判定処理を示すフローチャートである。 実施の形態1に係る空気調和機の暖房モードでの動作の変形例を示す第1のフローチャートである。 実施の形態1に係る空気調和機の暖房モードでの動作の変形例を示す第2のフローチャートである。 実施の形態2におけるインバータ、巻線切替部及びモータの接続関係を示す概略図である。 実施の形態2において巻線状態を切り替えるための接続関係を示す概略図である。 (A)〜(D)は、実施の形態2におけるモータの巻線状態を示す概略図である。 (A)及び(B)は、実施の形態2における圧縮機の回転数に対する電圧及び総合効率の関係を示す概略図である。 実施の形態2に係る空気調和機の冷房モードでの動作を示すフローチャートである。 実施の形態2に係る空気調和機の暖房モードでの動作を示す第1のフローチャートである。 実施の形態2に係る空気調和機の暖房モードでの動作を示す第2のフローチャートである。 実施の形態2に係る空気調和機の暖房モードでの動作を示す第3のフローチャートである。 実施の形態2に係る空気調和機の除霜運転モードでの動作を示すフローチャートである。 実施の形態2に係る空気調和機の暖房モードでの動作の変形例を示す第1のフローチャートである。 実施の形態2に係る空気調和機の暖房モードでの動作の変形例を示す第2のフローチャートである。 実施の形態2に係る空気調和機の暖房モードでの動作の変形例を示す第3のフローチャートである。 実施の形態2に係る空気調和機の暖房モードでの動作の変形例を示す第4のフローチャートである。 実施の形態1及び2に係る冷凍サイクル装置の変形例であるヒートポンプ装置の構成を概略的に示す冷媒回路図である。 ヒートポンプ装置の冷媒の状態についての圧力−比エンタルピー線図である。
実施の形態1.
図1は、実施の形態1に係る冷凍サイクル装置としての空気調和機100の構成を概略的に示す冷媒回路図である。
図示するように、空気調和機100は、室外機110と、室内機150とを備える。
室外機110は、圧縮機111と、四方弁112と、室外熱交換器113と、膨張弁114と、インバータ115と、巻線切替部116と、制御部117と、吐出温度検出部118aと、室外熱交中間温度検出部118bと、吸込温度検出部118cとを備える。
室内機150は、室内熱交換器151と、室内熱交中間温度検出部152aと、吸気温度検出部152bとを備える。
空気調和機100は、四方弁112の切り替え動作により暖房運転又は冷房運転をすることができる。
冷房運転時には、冷媒が実線矢印で示される方向D1に流れる。具体的には、冷媒は、圧縮機111で加圧されて送り出され、四方弁112、室外熱交換器113、膨張弁114、室内熱交換器151及び四方弁112を通って圧縮機111に戻る。冷房運転時には、室外熱交換器113が凝縮器として作用して熱放出を行い、室内熱交換器151が蒸発器として作用し、熱吸収を行って、室内を冷房する。
暖房運転時には、冷媒が破線矢印で示される方向D2に流れる。具体的には、冷媒は、圧縮機111で加圧されて送り出され、四方弁112、室内熱交換器151、膨張弁114、室外熱交換器113及び四方弁112を通って圧縮機111に戻る。暖房運転時には、室内熱交換器151が凝縮器として作用して熱放出を行って、室内を暖房し、室外熱交換器113が蒸発器として作用して熱吸収を行う。
圧縮機111は、冷媒を加圧して圧縮する。
膨張弁114は、冷媒を減圧して膨張させる。
インバータ115は、圧縮機111を駆動するモータに電圧を印加する。
巻線切替部116は、圧縮機111を駆動するモータに含まれる複数の巻線の接続を変更することで、複数の巻線状態において切り替えを行う。実施の形態1では、巻線切替部116は、モータの巻線状態を、起電力の高い巻線状態であるスター結線と、起電力の低い巻線状態であるデルタ結線との間で切り替える。
制御部117は、四方弁112、膨張弁114及び巻線切替部116を制御する。実施の形態1では、制御部117は、冷房運転モード、暖房運転モード及び除霜運転モードの各運転モードで、これらを制御する。特に、制御部117は、除霜運転モード又は暖房運転の起動時のように、モータを高回転で運転する際に、あえて起電力の高い結線状態であるスター結線を用いることで、効率を意図的に悪化させる。
なお、効率は、モータ効率にインバータ効率を乗算した総合効率を意味するものとするが、モータ効率と総合効率とは、同様に推移するため、モータ効率を意味するものとしてもよい。
具体的には、制御部117は、モータの回転子の回転数が予め定められた値よりも高くなる場合に、巻線切替部116に、巻線状態を、その回転数において最も効率の高い巻線状態とは異なる巻線状態に切り替えさせる。例えば、空気調和機100では、複数の巻線状態の内最も起電力の低い巻線状態において最も高い効率に対応する回転数よりも高い回転数で除霜運転が行われるが、このような場合に、巻線切替部116は、その最も起電力の低い巻線状態(第2の巻線状態)ではない巻線状態(第1の巻線状態)に切り替える。この場合、予め定められた値は、定格運転時のモータ121の回転数を示す。
また、空気調和機100では、暖房運転を開始する際に、通常、定格運転領域の回転数で運転が行われるが、このような場合に、巻線切替部116は、定格運転領域で最も効率が高い巻線状態(第2の巻線状態)ではない巻線状態(第1の巻線状態)に切り替える。この場合、予め定められた値は、複数の巻線状態の内、最も起電力の低い巻線状態と、2番目に起電力の低い巻線状態とを切り替える際の回転数を示す。
吐出温度検出部118aは、圧縮機111から吐出される冷媒の温度を検出する。
室外熱交中間温度検出部118bは、室外熱交換器113で熱交換中の冷媒の温度を検出する。
吸込温度検出部118cは、圧縮機111に吸い込まれる冷媒の温度を検出する。
室内熱交中間温度検出部152aは、室内熱交換器151で熱交換中の冷媒の温度を検出する。
吸気温度検出部152bは、室内機150に吸い込まれる空気の温度を検出する。
図2、圧縮機111の構成を概略的に示す縦断面図である。
圧縮機111は、密閉容器119内に、冷媒を圧縮する圧縮機構120と、圧縮機構120に動力を与えるモータ121とを備えている。
低温低圧の冷媒が吸込部119aから密閉容器119内に吸い込まれ、圧縮機構120で圧縮されることで、高温高圧の状態にされる。そして、高温高圧の冷媒が、吐出口119bから吐出される。
密閉容器119内の冷媒は、モータ121に近接した位置を通ることで、モータ121で発熱された熱により加熱される。
図3は、インバータ115と、巻線切替部116と、モータ121と、の接続関係を示す概略図である。
図4(A)及び(B)は、モータ121の巻線状態を示す概略図である。
図3において、モータ121は、3相の永久磁石型のモータである。モータ121は、複数の巻線に電圧を受けて回転子が回転することで、冷媒を圧縮する動力を発生する。
モータ121は、U相の巻線であるU相巻線121Uと、V相の巻線であるV相巻線121Vと、W相の巻線であるW相巻線121Wとを備える。
U相巻線121Uの一端は、第1のU相端子122Uに接続され、その他端は、第2のU相端子123Uに接続されている。
V相巻線121Vの一端は、第1のV相端子122Vに接続され、その他端は、第2のV相端子123Vに接続されている。
W相巻線121Wの一端は、第1のW相端子122Wに接続され、その他端は、第2のW相端子123Wに接続されている。
第1のU相端子122Uは、インバータ115のU相出力端子124Uに接続されている。
第1のV相端子122Vは、インバータ115のV相出力端子124Vに接続されている。
第1のW相端子122Wは、インバータ115のW相出力端子124Wに接続されている。
ここで、第1のU相端子122U、第1のV相端子122V及び第1のW相端子122Wにより、第1の端子122が構成され、第2のU相端子123U、第2のV相端子123V及び第2のW相端子123Wにより、第2の端子123が構成され、U相出力端子124U、V相出力端子124V及びW相出力端子124Wにより、出力端子124が構成されているものとする。
第1の端子122及び出力端子124との間、及び、第2の端子123に、巻線切替部116が接続されている。
巻線切替部116は、第1のスイッチ125と、第2のスイッチ126とを備える。
第1のスイッチ125は、第1のU相スイッチ125Uと、第1のV相スイッチ125Vと、第1のW相スイッチ125Wとを備える。
第1のU相スイッチ125Uは、第1のU相一端側端子125Uaと、第1のU相他端側端子125Ubとの間の開閉を切り替えるスイッチである。
第1のV相スイッチ125Vは、第1のV相一端側端子125Vaと、第1のV相他端側端子125Vbとの間の開閉を切り替えるスイッチである。
第1のW相スイッチ125Wは、第1のW相一端側端子125Waと、第1のW相他端側端子125Wbとの間の開閉を切り替えるスイッチである。
第1のU相一端側端子125Ua、第1のV相一端側端子125Va及び第1のW相一端側端子125Waは、相互に接続されている。
第1のU相他端側端子125Ubは、第2のU相端子123Uに接続され、第1のV相他端側端子125Vbは、第2のV相端子123Vに接続され、第1のW相他端側端子125Wbは、第2のW相端子123Wに接続されている。
第2のスイッチ126は、第2のU相スイッチ126Uと、第2のV相スイッチ126Vと、第2のW相スイッチ126Wとを備える。
第2のU相スイッチ126Uは、第2のU相一端側端子126Uaと、第2のU相他端側端子126Ubとの間の開閉を切り替えるスイッチである。
第2のV相スイッチ126Vは、第2のV相一端側端子126Vaと、第2のV相他端側端子126Vbとの間の開閉を切り替えるスイッチである。
第2のW相スイッチ126Wは、第2のW相一端側端子126Waと、第2のW相他端側端子126Wbとの間の開閉を切り替えるスイッチである。
第2のU相一端側端子126Uaは、第2のW相端子123Wと第1のW相他端側端子125Wbとの間に接続され、第2のU相他端側端子126Ubは、U相出力端子124Uと第1のU相端子122Uとの間に接続されている。
第2のV相一端側端子126Vaは、第2のU相端子123Uと第1のU相他端側端子125Ubとの間に接続され、第2のV相他端側端子126Vbは、V相出力端子124Vと第1のV相端子122Vとの間に接続されている。
第2のW相一端側端子126Waは、第2のV相端子123Vと第1のV相他端側端子125Vbとの間に接続され、第2のW相他端側端子126Wbは、W相出力端子124Wと第1のW相端子122Wとの間に接続されている。
以上の構成により、第1のスイッチ125が閉路し、第2のスイッチ126が開路すると、モータ121の巻線状態は、図4(A)に示されているようなスター結線となる。一方、第1のスイッチ125が開路し、第2のスイッチ126が閉路すると、モータ121の巻線状態は、図4(B)に示されているようなデルタ結線となる。
図1に示されている制御部117は、巻線切替部116に信号を送信し、第1のスイッチ125と、第2のスイッチ126の閉路及び開路を制御することで、図4(A)及び(B)に示されている巻線状態のいずれかに切り替える。
ここで、図4(A)に示されているスター結線は、起電力の高い巻線状態であり、図4(B)に示されているデルタ結線は、起電力の低い巻線状態である。スター結線は、デルタ結線に対し、線間誘起電圧が√3倍となるので、中間運転領域での高効率化が達成できる。また、定格運転領域での運転が必要になった場合は、巻線状態は、デルタ結線に切り替えられるので、誘起電圧を低下させて定格運転領域で効率がピークとなるようにすることができる。以上により、中間運転領域、定格運転領域のそれぞれで効率を高く維持することが可能となる。
なお、定格運転領域は、定格運転時のモータ121の回転数を含む回転数の領域であり、中間運転領域は、中間運転時のモータ121の回転数を含む回転数の領域である。
図5は、モータ121の内部構造を説明するための横断面図である。
モータ121では、固定子121aの内部に回転子121bが配置されている。
固定子121aは、集中巻構造を取っており、ティース部121cに絶縁材(図示せず)を介して巻線121dが巻かれている。集中巻は、エアコン等の圧縮機に採用されている方式で、従来一般的であった分布巻方式に対して巻線周長を短くできるため高効率となっている。
なお、図5では、固定子121aは、分割コアで構成され、回動軸121eを中心にティース部121cを開くことができる。これにより、ティース部121cが開いた状態で巻線することにより巻線121dを占積率良く巻くことができる。このため、モータ121は、更に高効率になっている。
ここで、モータ121の内部結線について説明する。図5では、対応するティース部121cに、説明のためのティース番号「U1、U2、U3」、「V1、V2、V3」、「W1、W2、W3」が示されている。これは、U相巻線は、ティース番号U1、U2、U3で示されるティース部121cの各々に巻回され、V相巻線は、ティース番号V1、V2、V3で示されるティース部121cの各々に巻回され、W相巻線は、ティース番号W1、W2、W3で示されるティース部121cの各々に巻回されていることを示している。
図5は、6極モータを示しているので、1相あたり3ティース分の巻線となっている。例えば、4極モータの場合は、ティース数は6となり、1相あたりの巻線は2ティース分となる。また、8極モータの場合は、ティース数は12となり、1相あたりの巻線は4ティース分となる。
図6及び図7は、図5に示されているモータ121の結線状態を説明する模式図である。
図5に示されているモータ121では、巻線は、図6(A)〜(C)に示されているように、直列結線を行う場合と、図7(A)〜(C)に示されているように、並列結線を行う場合とがある。
ここで、図6(A)〜(C)及び図7(A)〜(C)では、ティース番号U1で示されるティース部121cに巻かれたU相巻線は符号U1L、ティース番号U2で示されるティース部121cに巻かれたU相巻線は符号U2L、ティース番号U3で示されるティース部121cに巻かれたU相巻線は符号U3L、ティース番号V1で示されるティース部121cに巻かれたV相巻線は符号V1L、ティース番号V2で示されるティース部121cに巻かれたV相巻線は符号V2L、ティース番号V3で示されるティース部121cに巻かれたV相巻線は符号V3L、ティース番号W1で示されるティース部121cに巻かれたW相巻線は符号W1L、ティース番号W2で示されるティース部121cに巻かれたW相巻線は符号W2L、及び、ティース番号W3で示されるティース部121cに巻かれたW相巻線は符号W3Lで示されている。
なお、巻線の線径の変更及び複数の巻線を巻くことで、どちらの結線でも等価設計を行うことができる。実施の形態1では、どちらかの結線が製造時に選択される。
図1に示されている制御部117は、モータ121において、弱め界磁制御を用いて回転速度限界値を拡大したり、インバータ115の出力電圧を上げて回転速度限界を拡大させたりして、運転範囲を拡大することで、低速回転時に効率のピークを設けつつ、除霜運転モード等の高回転時に、効率をデルタ結線よりも悪化させて運転させている。
また、図1に示されている各種温度検出部118a〜118c、152a、152bは、実施の形態1の冷凍サイクルにおいて必要となる要素のみを記載しているが、より正確に検出及び制御を行うために、例えば、各熱交の冷媒出入口近傍、又は、外気温度を検出する温度検出部が別途設けられていてもよい。
なお、図1には示されていないが、例えば、1台の室外機110に対して、複数の室内機150が接続されていてもよく、また、複数の室外機110に対して、1以上の室内機150が接続されていてもよい。
次に、実施の形態1に係る空気調和機100の動作について説明する。
図8(A)は、実施の形態1に係る空気調和機100の冷房及び暖房運転時における冷凍サイクルの圧力−比エンタルピー線図(以下、p−h線図)である。また、図8(B)は、実施の形態1に係る空気調和機100の除霜運転時における冷凍サイクルのp−h線図である。
まず、実施の形態1に係る空気調和機100の冷房運転時における冷凍サイクルについて、図8(A)を用いて説明する。
冷媒は、圧縮機111より四方弁112を経由して、室外熱交換器113へと流入し、室外熱交換器113で冷媒が凝縮される。冷媒の凝縮は、図8(A)の点1から点2への変化で示される。
室外熱交換器113にて凝縮された冷媒は、膨張弁114で減圧されて、低温及び低圧にされる。冷媒の減圧は、図8(A)の点2から点3への変化で示される。
次に、膨張弁114で減圧された冷媒は、室内熱交換器151に送られ、室内熱交換器151で蒸発して、気化熱を奪う。冷媒の蒸発は、図8(A)の点3から点4への変化で示される。
次に、室内熱交換器151で蒸発した冷媒は、四方弁112を経由し圧縮機111へ戻り、圧縮機111で圧縮されて、高温及び高圧にされる。冷媒の圧縮は、図8(A)の点4から点1への変化で示される。
以上の動作を繰り返すことで、空気調和機100は、室内から熱を奪い、室内を冷却する。
次に、実施の形態1に係る空気調和機100の暖房運転時における冷凍サイクルについて、図8(A)を用いて説明する。
冷媒は、圧縮機111より四方弁112を経由して、室内熱交換器151へと流入し、室内熱交換器151で冷媒が凝縮することで、室内に熱を放出する。冷媒の凝縮は、図8(A)の点1から点2への変化で示される。
室内熱交換器151にて凝縮された冷媒は、膨張弁114で減圧されて、蒸発しやすいようにされる。冷媒の減圧は、図8(A)の点2から点3への変化で示される。
次に、膨張弁114で減圧された冷媒は、室外熱交換器113に送られ、室外熱交換器113で蒸発することで、気化熱を奪う。冷媒の蒸発は、図8(A)の点3から点4への変化で示される。
次に、室外熱交換器113で蒸発した冷媒は、四方弁112を経由し圧縮機111へ戻り、圧縮機111で圧縮されて、高温及び高圧にされる。
以上の動作を繰り返すことで、空気調和機100は、室内に熱を放出して、室内を暖める。
上記の冷房運転又は暖房運転時は、各種温度検出部118a〜118c、152a、152bの検出結果に基づき、制御部117は、膨張弁114に信号を送り、絞りを調整する。例えば、冷房時に吸入SH(Super Heat)にて制御する場合は、制御部117は、室内熱交中間温度検出部152aで検出される室内熱交中間温度と、吸込温度検出部118cで検出される吸込温度との温度差に基づいて、膨張弁114を制御する。また、吐出温度検出部118aで検出される吐出温度にて制御する場合は、制御部117は、吐出温度検出部118aで検出される吐出温度と、予め設定されている目標吐出温度との温度差に基づいて、膨張弁114を制御する。
また、制御部117は、図示していない室内のファンについては、ユーザの設定を優先する。制御部117は、設定温度と、室内温度との温度差から設定される運転モードに応じて、図示していない室外のファンを、予め設定されたファン回転数にて駆動させる。なお、制御部117は、自動運転等機器側で変更可能な場合は、室外のファンと同様に、室内のファンを、予め設定されたファン回転数、又は、室内温度と、設定温度との温度差に応じて回転数を変更して駆動させてもよい。
次に、除霜運転モードについて説明する。
除霜運転モードでは、例えば、室外熱交中間温度検出部118bで検出された室外熱交中間温度が予め定められた閾値以下となった場合、又は、室外熱交中間温度検出部118bで検出された室外熱交中間温度が予め定められた閾値以下となったまま、予め定められた時間が経過した場合に、制御部117は、四方弁112を切り替えることで冷媒の流れを冷房モードと同様にする。そして、制御部117は、予め設定された時間が経過した後再度暖房モードに切替える。
実施の形態1に係る空気調和機100の除霜運転時における冷凍サイクルについて、図8(B)を用いて説明する。
冷媒は、圧縮機111より四方弁112を経由して、室外熱交換器113へと流入し、室外熱交換器113で冷媒が凝縮される。冷媒の凝縮は、図8(B)の点1から点2への変化で示される。
室外熱交換器113にて凝縮された冷媒は、膨張弁114で減圧されて、低温及び低圧にされる。冷媒の減圧は、図8(B)の点2から点3への変化で示される。
次に、膨張弁114で減圧された冷媒は、室内熱交換器151に送られ、室内熱交換器151で蒸発して、気化熱を奪う。冷媒の蒸発は、図8(B)の点3から点4への変化で示される。
次に、室内熱交換器151で蒸発した冷媒は、四方弁112を経由し圧縮機111へ戻り、圧縮機111で圧縮されて、高温及び高圧にされる。冷媒の圧縮は、図8(B)の点4から点1への変化で示される。
以上の動作を、予め定められた時間繰り返すことで、空気調和機100は、室外熱交換器113の霜を溶かすことができる。
上記の除霜運転時は、各種温度検出部118a〜118c、152a、152bの検出結果に基づき、制御部117は、膨張弁114に信号を送り、絞りを調整する。また、制御部117は、ユーザに冷温感を極力感じさせないために、図示していない室内のファンを停止させる。また、制御部117は、室外のファンも停止又は弱回転にすることで、冷媒の顕熱と潜熱によって霜を溶かす。そのため、室外中間温度と、冷媒の温度との温度差が大きいほど、除霜時間を短縮することができる。なお、室外のファンについては、吸込温度検出部118cで検出される吸込温度により運転することで、SH制御を行うことができる。
また、制御部117は、吐出温度検出部118aで検出される吐出温度と、予め設定した圧縮機111の耐熱温度との温度差に基づき、巻線切替部116の巻線状態の切り替え、圧縮機111の回転数、室内又は室外のファンの回転数、又は、膨張弁114の開度を調整してもよい。
図9(A)及び(B)は、圧縮機111の回転数に対する電圧及び総合効率の関係を示す概略図である。図9(A)は、回転数と電圧との関係を示し、図9(B)は、回転数と総合効率との関係を示している。
図9(A)に示されているように、電圧は概略回転数に比例し、電圧がインバータ最大出力電圧に到達する回転数まで運転可能である。図9(A)では、スター結線の場合は、中間運転領域で電圧がインバータ最大出力電圧に到達し、デルタ結線の場合は、定格運転領域で電圧がインバータ最大出力電圧に到達する。
なお、図9(A)に示されているように、回転数は、中間運転領域、定格運転領域及び除霜運転領域の順に大きくなる。なお、除霜運転領域では、定格運転時のモータ121の回転数よりも大きい回転数で運転が行われる。
また、最大出力電圧に到達する回転数を超える運転をする場合は、電圧を抑える弱め界磁制御を行うことで、インバータの出力電圧を上昇させ回転数限界を拡大することが行われる。
また、モータ効率は、一般的に各結線方式において、回転数の増加と共に増加し、弱め界磁領域に入った後にピークを迎え、その後低下する。インバータ効率を含めた総合効率ηでもほぼ同様の曲線を示す。なお、総合効率ηは、モータ効率×インバータ効率で求められる。
図9(B)に示されているように、総合効率ηは、スター結線では中間運転領域、デルタ結線では定格運転領域でピークとなる。また、除霜運転領域では、総合効率ηは、スター結線の方がデルタ結線よりも低くなる。
図9(B)に示されているように、総合効率ηは中間運転領域と、定格運転領域との間でクロスポイントCPが生じる。巻線状態の切替のタイミングは、このクロスポイントCPの回転数以下に対応する負荷(温度差)で、巻線状態をスター結線とし、クロスポイントCPに対応する回転数よりも大きい回転数に対応する負荷で、巻線状態をデルタ結線とするのが効率的に好ましい。
このとき、クロスポイントCPに対応する回転数を予め実験的に求めておき、その回転数で巻線状態が制御されてもよい。また、電流値又は温度等、圧縮機111が使用される製品に最適となるように巻線状態が制御されてもよい。さらに、効率以外の要素、例えば、電流の制約又は切替制御の最適性に応じて、クロスポイントCPの回転数以外の回転数で、巻線状態が切り替えられてもよい。また、制御性等の理由により、巻線状態の切り替えのタイミングにヒステリシスが設けられてもよい。
また、起電力の高い結線状態は、巻線状態をスター結線にして誘起電圧を上げた仕様であり、低い回転数でインバータ115の最大出力電圧に達する。一方、起電力の低い結線状態は、巻線状態をデルタ結線にして誘起電圧を下げた仕様であり、高い回転数でインバータ115の最大出力電圧に達する。
また、モータ121の発生トルクは、誘起電圧と電流の積であるので、起電力の高い結線状態の方が低電流となり、インバータ損失が低減しインバータ効率が高効率となる。逆に起電力の低い結線状態は、電流が大きくなり、インバータ効率が悪化する。
図10は、起電力の高い結線状態又は起電力の低い結線状態の総合効率ηの効率特性線と、三相交流電流の位相をずらした際の総合効率ηの効率特性線を示すグラフである。
図10では、位相をずらす前の効率特性線を実線で示し、位相をずらした際の効率特性線を破線で示す。
図10に示されているように、インバータ115から出力される三相交流電流の位相をずらすことで、中間運転領域又は定格運転領域における総合効率ηのピークポイントを変更することができる。従って、巻線切替部116の巻線状態を切り替えることにより、モータ121の回転数に対するモータ121の総合効率ηのピークを大幅に変更することができるとともに、三相交流電流の位相をずらすことで、その総合効率ηのピークを小幅に変更することができる。
図11は、実施の形態1に係る空気調和機100が運転モードを判定する動作を示すフローチャートである。
制御部117は、空気調和機100の運転モードが暖房モードであるか否かを判断する(S10)。例えば、制御部117は、図示していないリモートコントローラ(以下、リモコン)を介して、ユーザから入力された指示に基づいて、運転モードが暖房モードであるか否かを判断すればよい。運転モードが暖房モードである場合(S10でYes)には、処理はステップS11に進み、運転モードが暖房モードではなく、冷房モードである場合(S10でNo)には、処理はステップS12に進む。
ステップS11では、制御部117は、四方弁112を暖房モードに設定する。
一方、ステップS12では、制御部117は、四方弁112を冷房モードに設定する。
図12は、実施の形態1に係る空気調和機100の冷房モードでの動作を示すフローチャートである。
まず、制御部117は、室外熱交中間温度検出部118b、室内熱交中間温度検出部152a及び吸気温度検出部152bから室外熱交中間温度、室内熱交中間温度及び吸気温度を取得して、取得された温度に基づいて、膨張弁114の開度を設定する(S20)。
制御部117は、空気調和機100を一切運転させずに、室外熱交中間温度、室内熱交中間温度及び吸気温度を取得してもよいし、例えば、室内及び室外の少なくとも一方のファンを予め定められた時間運転させてから、室外熱交中間温度、室内熱交中間温度及び吸気温度を取得してもよい。
また、制御部117は、ステップS20で膨張弁114に設定した開度を、以降運転状態にあわせて、室外熱交中間温度検出部118b、室内熱交中間温度検出部152a及び吸気温度検出部152bの少なくとも何れか一つで検出される温度に基づいて、変更する。
次に、制御部117は、室内機150が設置されている室内の温度に対応した室内温度と、リモコンで設定された設定温度との温度差が、予め定められた閾値以下であるか否かを判断する(S21)。室内温度は、室内機150が設置されている室内の温度に対応している温度であれば、どのような温度が用いられてもよい。ここでは、制御部117は、吸気温度検出部152bで検出された吸気温度を取得して、取得された吸気温度を室内温度として用いる。温度差が予め定められた閾値以下である場合(S21でYes)には、処理はステップS22に進み、温度差が予め定められた閾値よりも大きい場合(S21でNo)には、処理はステップS23に進む。
ステップS22では、温度差が小さく、冷房負荷が小さいため、回転数を小さくした運転を行うことができる。そのため、制御部117は、巻線切替部116に指示することで、巻線状態をスター結線にして、中間運転領域でモータ121を駆動させる。
ステップS23では、温度差が大きく、冷房負荷が大きいため、回転数を大きくした運転を、温度差が小さくなるまで継続する必要がある。そのため、制御部117は、巻線切替部116に指示することで、巻線状態をデルタ結線にして、定格運転領域でモータ121を駆動させる。そして、予め定められた期間が経過した後、処理はステップS21に戻る。
図13及び図14は、実施の形態1に係る空気調和機100の暖房モードでの動作を示すフローチャートである。
まず、制御部117は、室外熱交中間温度検出部118b、室内熱交中間温度検出部152a及び吸気温度検出部152bから室外熱交中間温度、室内熱交中間温度及び吸気温度を取得して、取得された温度に基づいて、膨張弁114の開度を設定する(S30)。
制御部117は、空気調和機100を一切運転させずに、室外熱交中間温度、室内熱交中間温度及び吸気温度を取得してもよいし、例えば、室内及び室外の少なくとも一方のファンを予め定められた時間運転させてから、室外熱交中間温度、室内熱交中間温度及び吸気温度を取得してもよい。
また、制御部117は、ステップS20で膨張弁114に設定した開度を、以降運転状態にあわせて、室外熱交中間温度検出部118b、室内熱交中間温度検出部152a及び吸気温度検出部152bの少なくとも何れか一つで検出される温度に基づいて、変更する。
次に、制御部117は、巻線切替部116に指示することで、巻線状態をスター結線にして、定格運転領域で暖房運転を開始する(S31)。ここでは、制御部117は、効率の低い、起電力の高い結線状態であるスター結線を用いることにより、モータ121で発生した熱で冷媒を加熱することで、室内温度を早く高めることができる。
次に、制御部117は、リモコンで設定された設定温度と、室内機150が設置されている室内の温度に対応した室内温度との温度差が、予め定められた第1閾値以下であるか否かを判断する(S32)。温度差が予め定められた第1閾値よりも大きい場合(S32でNo)には、処理はステップS33に進み、温度差が予め定められた第1閾値以下である場合(S32でYes)には、処理はステップS36に進む。
ステップS33では、温度差が大きいため、圧縮機111で圧縮された冷媒の温度を高くして、室内の温度を高くする必要がある。このため、制御部117はスター結線とした巻線状態を継続する。そして、処理はステップS34に進む。
ステップS34では、制御部117は、室外機110の室外熱交換器113の温度に対応する室外機温度が、予め定められた温度である除霜閾値以下であるか否かを判断する。室外機温度は、室外機110の室外熱交換器113の温度に対応する温度であればどのような温度が用いられてもよい。ここでは、制御部117は、室外熱交中間温度検出部118bから室外熱交中間温度を取得し、取得された室外熱交中間温度を室外機温度として用いる。室外機温度が除霜閾値以下である場合(S34でYes)には、処理はステップS35に進み、室外機温度が除霜閾値よりも高い場合(S34でNo)には、処理はステップS32に戻る。
ステップS35では、制御部117は、除霜運転モードで、空気調和機100を運転する。ここでの処理については、図15を用いて、下記にて詳細に説明する。
ステップS36では、温度差が小さくなってきたが、暖房負荷はまだ大きいため、回転数を大きくした運転を行う必要がある。そのため、制御部117は、巻線切替部116に指示することで、巻線状態をデルタ結線にして、定格運転領域で暖房運転を行う。そして、処理はステップS37へ進む。
ステップS37では、制御部117は、設定温度と、室内温度との温度差が、予め定められた第2閾値以下であるか否かを判断する。温度差が予め定められた第2閾値よりも大きい場合(S37でNo)には、処理はステップS38に進み、温度差が予め定められた第2閾値以下である場合(S37でYes)には、処理はステップS40に進む。
ステップS38では、温度差がまだ大きいため、回転数を大きくした運転を継続する必要がある。このため、制御部117は、起電力の低い結線状態であるデルタ結線とした巻線状態を継続する。そして、処理はステップS39に進む。
ステップS39では、制御部117は、室外機温度が除霜閾値以下であるか否かを判断する。室外機温度が除霜閾値以下である場合(S39でYes)には、処理はステップS41に進み、室外機温度が除霜閾値よりも高い場合(S39でNo)には、処理はステップS37に戻る。
ステップS40では、制御部117は、室外機温度が除霜閾値以下であるか否かを判断する。室外機温度が除霜閾値以下である場合(S40でYes)には、処理はステップS41に進み、室外機温度が除霜閾値よりも高い場合(S40でNo)には、処理は図14のステップS42に進む。
ステップS41では、制御部117は、除霜運転モードで、空気調和機100を運転する。ここでの処理については、図15を用いて、下記にて詳細に説明する。
図14のステップS42では、室内温度と設定温度との温度差が小さくなり、暖房負荷が小さくなってきたため、回転数を小さくして運転することができる。このため、制御部117は、巻線切替部116に指示することで、巻線状態をスター結線にして、中間運転領域で暖房運転を行う。
次に、制御部117は、室外機温度が除霜閾値以下であるか否かを判断する(S43)。室外機温度が除霜閾値以下である場合(S43でYes)には、処理はステップS44に進む。
ステップS44では、制御部117は、除霜運転モードで、空気調和機100を運転する。ここでの処理については、図15を用いて、下記にて詳細に説明する。
なお、図13及び図14で使用される第1閾値と第2閾値に関しては、第1閾値>第2閾値という条件が満たされればよい。なお、第2閾値は、中間運転領域と定格運転領域とを切り替える閾値であり、上述したように、デルタ結線の効率と、スター結線の効率とのクロスポイントの回転数に対応する温度差であることが望ましい。
図15は、実施の形態1に係る空気調和機100の除霜運転モードでの動作を示すフローチャートである。
まず、制御部117は、運転モードを切り替えるため、圧縮機111を停止又は低速回転とし、膨張弁114を予め定められた開度とし、室内及び室外のファンの運転を停止し、四方弁112を冷房モードに切り替える(S50)。
そして、制御部117は、巻線切替部116に指示することで、巻線状態をスター結線とし、除霜運転領域で除霜運転を開始する(S51)。ここでは、除霜運転領域は、モータ121の回転数が、定格に対応する回転数よりも大きい領域である。
次に、制御部117は、除霜運転が予め定められた時間経過したか否かを判断する(S52)。そして、除霜運転が予め定められた時間経過していない場合(S52でNo)には、処理はステップS52に戻り、除霜運転が予め定められた時間経過した場合(S52でYes)には、処理はステップS53に進む。
ステップS53では、制御部117は、運転モードを除霜運転モードから暖房運転モードに切り替える。例えば、制御部117は、室内温度と設定温度との温度差が、第1閾値よりも大きい場合には、図13のステップS31の処理に戻り、温度差が、第1閾値以下で、第2閾値よりも大きい場合には、図13のステップS36に戻り、温度差が、第2閾値以下である場合には、図14のステップS42の処理に戻る。
なお、図15のステップS52では、制御部117は、予め定められた時間が経過したか否かを判断しているが、除霜対象である室外熱交換器113に、室外熱交換器113の温度を検出することのできる温度検出部が設けられている場合には、制御部117は、その温度検出部で検出された温度が予め定められた温度である除霜完了閾値以上となったときに、運転モードを暖房運転モードに切り替えてもよい。
例えば、図16に示されているように、室外熱交換器113が、冷媒を流すチューブ113aと、熱放出又は熱吸収を行うためのフィン113bとを備えている場合において、フィン113bの温度であるフィン温度を検出するためのフィン温度検出部118dが設けられているときには、制御部117は、フィン温度検出部118dで検出されるフィン温度が除霜完了閾値以上となった場合に、運転モードを暖房運転モードに切り替える。
なお、除霜完了閾値は、除霜が完了したことを確認できる温度であればよく、除霜閾値よりも高い温度を示す。例えば、除霜閾値が0℃であれば、除霜完了閾値は1℃とすることができる。また、フィン温度検出部118dは、霜が付きやすく、霜を取り除きにくい、フィン113bの下方に取り付けられていることが望ましい。
また、このようなフィン温度検出部118dが設けられている場合には、図13のステップS34、ステップS39及びステップS40、並びに、図14のステップS43で用いられている室外機温度として、フィン温度検出部118dで検出された温度が用いられてもよい。
図17は、実施の形態1に係る空気調和機100の耐熱温度判定処理を示すフローチャートである。
耐熱温度判定処理は、冷房運転モード、暖房運転モード又は除霜運転モードと並行して行われる処理である。
まず、制御部117は、吐出温度検出部118aで検出された吐出温度が、予め定められた閾値温度である上限閾値以下であるか否かを判断する(S60)。上限閾値は、圧縮機111を安全に動作させることのできる耐熱温度である。
吐出温度が上限閾値よりも高い場合(S60でNo)には、処理はステップS61に進み、吐出温度が上限閾値以下である場合(S60でYes)には、処理はステップS62に進む。
ステップS61では、制御部117は、吐出温度を下げるように対策を行う。例えば、制御部117は、室内及び室外の少なくとも何れか一方のファンの回転数を低下させること、膨張弁114の開度を高くすること、圧縮機111の回転数を増加させること、巻線切替部116での巻線状態を切り替えること、といった対策を行う。具体的には、制御部117は、これらの対策の各々に予め優先度を決めておき、優先度の高い対策から順に行うことで、吐出温度が下がるようにする。
そして、制御部117は、予め定められた時間待機して(S62)、処理をステップS60に戻す。
ステップS63では、制御部117は、冷房運転モード、暖房運転モード又は除霜運転モードでの運転を継続する。なお、ステップS61で実行された対策は、継続して行われることが望ましい。
以上のように、実施の形態1によれば、高負荷の定格運転で高回転時にモータ効率がピークとなる起電力の低い結線であるデルタ結線と、低負荷の中間運転で低回転時にモータ効率がピークとなる起電力の高い結線であるスター結線とを切り替えることで、期間効率(APF:Annual Performance Factor)を向上することができる。
また、除霜運転において、スター結線を用い、効率を悪化させて運転することで、モータ121の発熱で冷媒を加熱して、吐出温度を上げることができる。そして、吐出温度が上がることで、除霜時に室外熱交換器113に流入する冷媒と霜との温度差が大きくなり、除霜時間を短縮することができる。また、除霜時間を短縮することで、除霜時にユーザが感じる冷温感を低減できる。
また、暖房運転の開始時において、スター結線を用い、効率を悪化させて運転することで、モータ121の発熱で冷媒を加熱して、吐出温度を上げることができる。これにより、暖房運転の開始時に吹出し温度が高くなり、暖房運転の開始時の加熱能力を向上することができる。また、吹き出し温度が高くなり加熱能力が向上することで、室温を短時間で高くすることができる。
また、暖房運転の開始時又は除霜運転時において、吸入温度が小さくても吐出温度を高くすることができるため、圧縮機111に吸入される冷媒の密度が大きくなり、吐出循環流量を増加させることができる。
また、循環流量が多くなり、また、吐出温度が大きくなることで、室内熱交換器151での加熱能力を向上できる。
巻線切替部116の巻線状態を切り替えることで、モータ121の回転数に対する効率のピークを大幅に変更するとともに、インバータ115から出力される三相交流電流の位相をずらすことで、効率のピークポイントを変更することができる。このため、定格運転及び中間運転時に運転する冷房及び暖房の回転数の差異による効率の低下を防ぎ、定格運転及び中間運転のそれぞれにおいて、効率がピーク又はピーク付近とすることで、APFを向上することができる。
実施の形態1によれば、圧縮機111の吐出温度を、圧縮機111の耐熱温度以下となるようにすることで、圧縮機111の信頼性を向上させることができる。
このため、封入される冷媒が、例えば、HFC冷媒、HC冷媒、HFO冷媒、自然冷媒又はこれらの冷媒の混合冷媒といったように、異なる場合であっても、安全性を確保しつつ吐出温度をより高温にすることができる。このため、除霜運転時又は暖房運転の開始時に、除霜時間の短縮化又は吹出し温度の高温化を実現することができる。
なお、図13及び図14に示されている暖房モードでのフローチャートでは、ステップS30で膨張弁114の開度が設定されたあとに、ステップS30で巻線状態をスター結線にして暖房運転が開始されているが、実施の形態1は、このような例に限定されない。
例えば、図18及び図19は、実施の形態1に係る空気調和機100の暖房モードでの動作の変形例を示すフローチャートである。
図18に示されているように、この変形例では、図13で示されているフローチャートに比べて、ステップS30及びステップS31の間に、設定温度と、室内温度との温度差に応じて、暖房運転開始時における巻線状態を変更するためのステップS30−1及びステップS30−2が設けられている。
ステップS30−1では、制御部117は、設定温度と、室内温度との温度差が、予め定められた第2閾値以下であるか否かを判断する。温度差が予め定められた第2閾値よりも大きい場合(S30−1でNo)には、処理はステップS30−2に進み、温度差が予め定められた第2閾値以下である場合(S30−1でYes)には、処理は図19のステップS42に進む。ステップS42では、制御部117は、巻線切替部116に指示することで、巻線状態をスター結線にして暖房運転を開始する。
ステップS30−2では、制御部117は、設定温度と、室内温度との温度差が、予め定められた第1閾値以下であるか否かを判断する。温度差が予め定められた第1閾値よりも大きい場合(S30−2でNo)には、処理はステップS36に進み、制御部117は、巻線切替部116に指示することで、巻線状態をデルタ結線にして暖房運転を開始する。一方、温度差が予め定められた第2閾値以下である場合(S30−2でYes)には、処理はステップS31に進む。ステップS31では、制御部117は、巻線切替部116に指示することで、巻線状態をスター結線にして暖房運転を開始する。
以上のように、図18及び図19に示されている変形例によれば、設定温度と、室内温度との温度差に応じて、最適な巻線状態で暖房運転を開始することができる。この場合でも、設定温度と、室内温度との温度差が大きく、室内温度を早く上昇させたいときには、あえて効率の悪いスター結線を用いることで、モータ121による発熱で冷媒を加熱することができる。
実施の形態2.
図1に示されているように、実施の形態2に係る冷凍サイクル装置としての空気調和機200は、室外機210と、室内機150とを備える。
実施の形態2における室内機150は、実施の形態1における室内機150と同様である。
実施の形態2における室外機210は、圧縮機211と、四方弁112と、室外熱交換器113と、膨張弁114と、インバータ115と、巻線切替部216と、制御部217と、吐出温度検出部118aと、室外熱交中間温度検出部118bと、吸込温度検出部118cとを備える。
実施の形態2における四方弁112、室外熱交換器113、膨張弁114、インバータ115、吐出温度検出部118a、室外熱交中間温度検出部118b及び吸込温度検出部118cは、実施の形態1における四方弁112、室外熱交換器113、膨張弁114、インバータ115、吐出温度検出部118a、室外熱交中間温度検出部118b及び吸込温度検出部118cと同様である。
図2に示されているように、圧縮機211は、密閉容器119内に、冷媒を圧縮する圧縮機構120と、圧縮機構120に動力を与えるモータ221とを備えている。
実施の形態2における密閉容器119及び圧縮機構120については、実施の形態1における密閉容器119及び圧縮機構120と同様である。
図20は、インバータ115と、巻線切替部216と、モータ221との接続関係を示す概略図である。
図21は、巻線状態を切り替えるための接続関係を示す概略図である。
図22(A)〜(D)は、モータ221の巻線状態を示す概略図である。
図20に示されているように、モータ221は、第1の端子122と、第2の端子123とに接続されている。第1の端子122は、インバータ115の出力端子124に接続されている。
また、第1の端子122及び出力端子124の間、並びに、第2の端子123には、巻線切替部216が接続されており、実施の形態1と同様に、第1のスイッチ125及び第2のスイッチ126により、スター結線とデルタ結線とが切り替えられる。
なお、実施の形態2には、巻線切替部216に直並スイッチ229が設けられており、U相、V相及びW相の各巻線における直列と並列とが切り替えられる。巻線切替部216の詳細は、図21を用いて説明する。
図21において、モータ221は、3相の永久磁石型のモータである。
モータ221は、U相の巻線であるU相巻線221Uと、V相の巻線であるV相巻線221Vと、W相の巻線であるW相巻線221Wとを備える。
U相巻線221Uは、第1のU相巻線221Uaと、第2のU相巻線221Ubとを備える。
第1のU相巻線221Uaの一端は、第1のU相端子122Uと第1のU相切替端子227Uaとに接続されており、第1のU相巻線221Uaの他端は、第2のU相共通端子228Ucに接続されている。
第2のU相巻線221Ubの一端は、第1のU相共通端子227Ucに接続されており、第2のU相巻線221Ubの他端は、第4のU相切替端子228Ubと第2のU相端子123Uとに接続されている。
また、第2のU相切替端子227Ubは、第3のU相切替端子228Uaに接続されている。
以上の構成により、第1のU相直並スイッチ227Uにより第1のU相共通端子227Ucと第2のU相切替端子227Ubとを接続し、第2のU相直並スイッチ228Uにより第2のU相共通端子228Ucと第3のU相切替端子228Uaとを接続することで、第1のU相巻線221Ua及び第2のU相巻線221Ubは、直列接続となる。
一方、第1のU相直並スイッチ227Uにより第1のU相共通端子227Ucと第1のU相切替端子227Uaとを接続し、第2のU相直並スイッチ228Uにより第2のU相共通端子228Ucと第4のU相切替端子228Ubとを接続することで、第1のU相巻線221Ua及び第2のU相巻線221Ubは、並列接続となる。
V相巻線221Vは、第1のV相巻線221Vaと、第2のV相巻線221Vbとを備える。
第1のV相巻線221Vaの一端は、第1のV相端子122Vと第1のV相切替端子227Vaとに接続されており、第1のV相巻線221Vaの他端は、第2のV相共通端子228Vcに接続されている。
第2のV相巻線221Vbの一端は、第1のV相共通端子227Vcに接続されており、第2のV相巻線221Vbの他端は、第4のV相切替端子228Vbと第2のV相端子123Vとに接続されている。
また、第2のV相切替端子227Vbは、第3のV相切替端子228Vaに接続されている。
以上の構成により、第1のV相直並スイッチ227Vにより第1のV相共通端子227Vcと第2のV相切替端子227Vbとを接続し、第2のV相直並スイッチ228Vにより第2のV相共通端子228Vcと第3のV相切替端子228Vaとを接続することで、第1のV相巻線221Va及び第2のV相巻線221Vbは、直列接続となる。
一方、第1のV相直並スイッチ227Vにより第1のV相共通端子227Vcと第1のV相切替端子227Vaとを接続し、第2のV相直並スイッチ228Vにより第2のV相共通端子228Vcと第4のV相切替端子228Vbとを接続することで、第1のV相巻線221Va及び第2のV相巻線221Vbは、並列接続となる。
W相巻線221Wは、第1のW相巻線221Waと、第2のW相巻線221Wbとを備える。
第1のW相巻線221Waの一端は、第1のW相端子122Wと第1のW相切替端子227Waとに接続されており、第1のW相巻線221Waの他端は、第2のW相共通端子228cに接続されている。
第2のW相巻線221Wbの一端は、第1のW相共通端子227Wcに接続されており、第2のW相巻線221Wbの他端は、第4のW相切替端子228Wbと第2のW相端子123Wとに接続されている。
また、第2のW相切替端子227Wbは、第3のW相切替端子228Waに接続されている。
以上の構成により、第1のW相直並スイッチ227Wにより第1のW相共通端子227Wcと第2のW相切替端子227Wbとを接続し、第2のW相直並スイッチ228Wにより第2のW相共通端子228Wcと第3のW相切替端子228Waとを接続することで、第1のW相巻線221Wa及び第2のW相巻線221Wbは、直列接続となる。
一方、第1のW相直並スイッチ227Wにより第1のW相共通端子227Wcと第1のW相切替端子227Waとを接続し、第2のW相直並スイッチ228Wにより第2のW相共通端子228Wcと第4のW相切替端子228Wbとを接続することで、第1のW相巻線221Wa及び第2のW相巻線221Wbは、並列接続となる。
以上の構成により、直並スイッチ229が、各相の巻線を直列にし、第1のスイッチ125が閉路し、第2のスイッチ126が開路すると、モータ221の巻線状態は、図22(A)に示されているように、1つの相に複数の巻線が直列に接続された直列スター結線となる。また、直並スイッチ229が、各相の巻線を直列にし、第1のスイッチ125が開路し、第2のスイッチ126が閉路すると、モータ121の巻線状態は、図22(B)に示されているように、1つの相に複数の巻線が直列に接続された直列デルタ結線となる。そして、直並スイッチ229が、各相の巻線を並列にし、第1のスイッチ125が閉路し、第2のスイッチ126が開路すると、モータ221の巻線状態は、図22(C)に示されているように、1つの相に複数の巻線が並列に接続された並列スター結線となる。そして、直並スイッチ229が、各相の巻線を並列にし、第1のスイッチ125が開路し、第2のスイッチ126が閉路すると、モータ121の巻線状態は、図22(C)に示されているように、1つの相に複数の巻線が並列に接続された並列デルタ結線となる。
なお、以上では、各相の巻線は、2つの巻線を直列又は並列で接続することで構成されているが、実施の形態2は、このような例に限定されない。例えば、各相の巻線が、3以上の巻線を直列又は並列で接続することで構成されてもよい。
図23(A)及び(B)は、圧縮機211の回転数に対する電圧及び総合効率の関係を示す概略図である。図23(A)は、回転数と電圧との関係を示し、図23(B)は、回転数と総合効率との関係を示している。
図23(A)に示されているように、電圧は概略回転数に比例し、電圧がインバータ最大出力電圧に到達する回転数まで運転可能である。図23(A)では、直列スター結線の場合は、最小運転領域で電圧がインバータ最大出力電圧に到達し、直列デルタ結線の場合は、中間運転領域で電圧がインバータ最大出力電圧に到達し、並列スター結線の場合は、準定格運転領域で電圧がインバータ最大出力電圧に到達し、並列デルタ結線の場合は、定格運転領域電圧がインバータ最大出力電圧に到達する。
また、最大出力電圧に到達する回転数を超える運転をする場合は、電圧を抑える弱め界磁制御を行うことで、インバータの出力電圧を上昇させ回転数限界を拡大することが行われる。
図23(B)に示されているように、直列スター結線では最小運転領域、直列デルタ結線では中間運転領域、並列スター結線では準定格運転領域、並列デルタ結線では定格運転領域で、総合効率ηは、ピークとなる。また、除霜運転領域では、並列デルタ結線、並列スター結線、直列デルタ結線及び直列スター結線の順に、総合効率ηは低くなる。ここで、最小運転領域は、中間運転領域よりも小さい回転数で運転を行う領域である。また、準定格運転領域は、定格運転領域と中間運転領域との間の回転数で運転を行う領域である。
総合効率ηは、最小運転領域と中間領域との間で少なくとも1つのクロスポイントCP1が生じ、巻線状態は、このクロスポイントCP1の回転数以下に対応する温度差(負荷)で切替えるのが効率的に好ましい。
同様に、総合効率ηは、中間領域と準定格領域との間で少なくとも1つのクロスポイントCP2が生じ、巻線状態は、このクロスポイントCP2の回転数以下に対応する温度差で切替えるのが効率的に好ましい。
同様に、総合効率ηは、準定格領域と定格領域との間で少なくとも1つのクロスポイントCP3が生じ、巻線状態は、このクロスポイントCP3の回転数に対応する温度差で切替えるのが効率的に好ましい。
なお、クロスポイントCP1、CP2、CP3の回転数は、予め実験的に求めておき、その回転数で巻線状態が制御されてもよい。また、電流値又は温度等、圧縮機211が使用される製品に最適となるように巻線状態が制御されてもよい。さらに、効率以外の要素、例えば、電流の制約又は切替制御の最適性に応じて、クロスポイントCP1、CP2、CP3における回転数以外の回転数で、巻線状態が切り替えられてもよい。また、制御性等の理由により、巻線状態の切り替えのタイミングにヒステリシスが設けられてもよい。
図1に示されている巻線切替部216は、室内温度と設定温度との温度差に応じて、制御部217からの指示に従って、巻線状態を切り替える。
例えば、回転数が最小運転領域のときには、巻線状態は、図22(A)に示されている起電力が最も高い結線状態である直列スター結線となる。
また、回転数が中間運転領域のときには、巻線状態は、図22(B)に示されている起電力が二番目に高い結線状態である直列デルタ結線となる。
また、回転数が準定格運転領域のときには、巻線状態は、図22(C)に示されている起電力が二番目に低い結線状態である並列スター結線となる。
また、回転数が定格運転領域のときには、巻線状態は、図22(D)に示されている起電力の最も低い結線状態である並列デルタ結線となる。
図22(A)に示される起電力の最も高い結線状態は、図22(B)に示される中間運転領域で高効率となる結線状態に対し、線間誘起電圧が√3倍となるので、最小運転領域での高効率化が達成できる。
また、図22(C)に示される準定格運転領域で高効率となる結線状態は、線間誘起電圧が(√3)/2倍となるので、準定格運転領域での高効率化が達成できる。
さらに、図22(D)に示される定格運転領域で高効率となる結線状態は、線間誘起電圧が1/2倍となるので、準定格運転領域での高効率化が達成できる。
なお、実施の形態1と同様に、インバータ115から出力される電流の波形の位相をずらすことで、各運転領域における効率のピークポイントを変更できる。従って、巻線切替部216での巻線状態の切り替えにより効率のピークを大幅に変更するとともに、電流波形の位相をずらすことにより、効率の小幅な変更が可能となる。
次に、実施の形態2に係る空気調和機200の動作について説明する。
なお、実施の形態2に係る空気調和機200が運転モードを判定する動作を示すフローチャートについては、図11と同様である。
図24は、実施の形態2に係る空気調和機200の冷房モードでの動作を示すフローチャートである。
まず、制御部217は、室外熱交中間温度検出部118b、室内熱交中間温度検出部152a及び吸気温度検出部152bから室外熱交中間温度、室内熱交中間温度及び吸気温度を取得して、取得された温度に基づいて、膨張弁114の開度を設定する(S60)。
制御部217は、空気調和機200を一切運転させずに、室外熱交中間温度、室内熱交中間温度及び吸気温度を取得してもよいし、例えば、室内及び室外の少なくとも一方のファンを予め定められた時間運転させてから、室外熱交中間温度、室内熱交中間温度及び吸気温度を取得してもよい。
また、制御部217は、ステップS60で膨張弁114に設定した開度を、以降運転状態にあわせて、室外熱交中間温度検出部118b、室内熱交中間温度検出部152a及び吸気温度検出部152bの少なくとも何れか一つで検出される温度に基づいて、変更する。
次に、制御部217は、室内温度と、設定温度との温度差が、予め定められた第3閾値以下であるか否かを判断する(S61)。温度差が第3閾値よりも大きい場合(S61でNo)には、処理はステップS62に進み、温度差が第3閾値以下である場合(S61でYes)には、処理はステップS63に進む。
ステップS62では、温度差が大きく、冷房負荷が大きいため、回転数を大きくした運転を、温度差が小さくなるまで継続する必要がある。そのため、制御部217は、巻線切替部216に指示することで、巻線状態を並列デルタ結線にして、定格運転領域で冷房運転を行う。そして、予め定められた期間が経過した後、処理はステップS61に戻る。
ステップS63では、制御部217は、室内温度と、設定温度との温度差が、予め定められた第4閾値以下であるか否かを判断する。温度差が第4閾値よりも大きい場合(S63でNo)には、処理はステップS64に進み、温度差が第4閾値以下である場合(S63でYes)には、処理はステップS65に進む。
ステップS64では、温度差が小さくなってきて、冷房負荷も小さくなってきたが、まだ冷房負荷が大きいため、回転数を大きくした運転を、温度差が小さくなるまで継続する必要がある。そのため、制御部217は、巻線切替部216に指示することで、巻線状態を並列スター結線にして、準定格運転領域で冷房運転を行う。そして、予め定められた期間が経過した後、処理はステップS63に戻る。
ステップS65では、制御部217は、室内温度と、設定温度との温度差が、予め定められた第5閾値以下であるか否かを判断する。温度差が第5閾値よりも大きい場合(S65でNo)には、処理はステップS66に進み、温度差が第5閾値以下である場合(S65でYes)には、処理はステップS67に進む。
ステップS66では、温度差が小さくなってきて、冷房負荷も小さくなってきたが、まだ冷房負荷が少し大きいため、回転数を少し大きくした運転を、温度差が小さくなるまで継続する必要がある。そのため、制御部217は、巻線切替部216に指示することで、巻線状態を直列デルタ結線にして、中間運転領域で冷房運転を行う。そして、予め定められた期間が経過した後、処理はステップS65に戻る。
ステップS67では、温度差が小さくなってきて、冷房負荷も十分に小さくなり、冷房負荷が小さいため、回転数を小さくした運転を行うことができる。そのため、制御部217は、巻線切替部216に指示することで、巻線状態を直列スター結線にして、最小運転領域で冷房運転を行う。
なお、以上に記載した図24のフローチャートにおいては、第3閾値>第4閾値>第5閾値という条件を満たしているものとする。
そして、第3閾値は、定格運転領域と準定格運転領域とを切り替える閾値であり、図23(B)に示されているクロスポイントCP3に対応する温度差であることが望ましい。
第4閾値は、準定格運転領域と中間運転領域とを切り替える閾値であり、図23(B)に示されているクロスポイントCP2に対応する温度差であることが望ましい。
第5閾値は、定格運転領域と準定格運転領域とを切り替える閾値であり、図23(B)に示されているクロスポイントCP1に対応する温度差であることが望ましい。
図25〜図27は、実施の形態2に係る空気調和機200の暖房モードでの動作を示すフローチャートである。
まず、制御部217は、室外熱交中間温度検出部118b、室内熱交中間温度検出部152a及び吸気温度検出部152bから室外熱交中間温度、室内熱交中間温度及び吸気温度を取得して、取得された温度に基づいて、膨張弁114の開度を設定する(S70)。
制御部217は、空気調和機200を一切運転させずに、室外熱交中間温度、室内熱交中間温度及び吸気温度を取得してもよいし、例えば、室内及び室外の少なくとも一方のファンを予め定められた時間運転させてから、室外熱交中間温度、室内熱交中間温度及び吸気温度を取得してもよい。
また、制御部217は、ステップS70で膨張弁114に設定した開度を、以降運転状態にあわせて、室外熱交中間温度検出部118b、室内熱交中間温度検出部152a及び吸気温度検出部152bの少なくとも何れか一つで検出される温度に基づいて、変更する。
次に、制御部217は、巻線切替部216に指示することで、巻線状態を直列スター結線にして、暖房運転を開始する(S71)。ここでは、制御部217は、モータ効率の低い、起電力の最も高い結線状態である直列スター結線を用いることにより、モータ221での発生した熱で冷媒を加熱することで、室内温度を早く高めることができる。
次に、制御部217は、設定温度と、室内温度との温度差が、予め定められた第6閾値以下であるか否かを判断する(S72)。温度差が予め定められた第6閾値よりも大きい場合(S72でNo)には、処理はステップS73に進み、温度差が予め定められた第6閾値以下である場合(S72でYes)には、処理はステップS79に進む。
ステップS73では、制御部217は、吐出温度検出部118aで検出された吐出温度が、予め定められた上限閾値以下であるか否かを判断する。吐出温度が上限閾値よりも高い場合(S73でNo)には、処理はステップS74に進み、吐出温度が上限閾値以下である場合(S73でYes)には、処理はステップS76に進む。
ステップS74では、効率を悪化させすぎたことで、吐出温度が耐熱許容温度よりも高くなっているため、制御部217は、吐出温度を下げるように対策を行う。ここでは、制御部217は、巻線切替部216に指示することで、現在の巻線状態を、現在の巻線状態よりも1つ効率の高い巻線状態に変更する。例えば、現在の巻線状態が、直列スター結線である場合には、制御部217は、巻線状態を直列デルタ結線にする。
そして、制御部217は、予め定められた時間待機して(S75)、処理をステップS72に戻す。
ステップS76では、制御部217は、予め定められた時間待機して、処理をステップS77に進める。
ステップS77では、制御部217は、室外機温度が、予め定められた除霜閾値以下であるか否かを判断する。室外機温度が除霜閾値以下である場合(S77でYes)には、処理はステップS78に進み、室外機温度が除霜閾値よりも高い場合(S77でNo)には、処理はステップS72に戻る。
ステップS78では、制御部217は、除霜運転モードで、空気調和機200を運転する。ここでの処理については、図28を用いて、下記にて詳細に説明する。
一方、ステップS79では、設定温度と、室内温度との温度差が小さくなってきたため、効率的な運転を行うために、制御部217は、巻線切替部216に指示することで、巻線状態を並列デルタ結線にして、定格運転領域で暖房運転を行う。そして、処理は、図26のステップS80へ進む。
ステップS80では、制御部217は、設定温度と、室内温度との温度差が、第7閾値以下であるかないかを判断する。温度差が第7閾値よりも大きい場合(S80でNo)には、処理はステップS81に進み、温度差が第7閾値以下である場合(S80でYes)には、処理はステップS83に進む。
ステップS81では、制御部217は、予め定められた時間待機して、処理をステップS82に進める。
ステップS82では、制御部217は、室外機温度が除霜閾値以下であるか否かを判断する。室外機温度が除霜閾値よりも高い場合(S82でNo)には、処理はステップS80に戻り、室外機温度が除霜閾値以下である場合(S82でYes)には、処理はステップS84に進む。
ステップS83では、制御部217は、室外機温度が除霜閾値以下であるか否かを判断する。室外機温度が除霜閾値よりも高い場合(S83でNo)には、処理はステップS85に進み、室外機温度が除霜閾値以下である場合(S83でYes)には、処理はステップS84に進む。
ステップS84では、制御部217は、除霜運転モードで、空気調和機200を運転する。ここでの処理については、図28を用いて、下記にて詳細に説明する。
ステップS85では、温度差が小さくなってきたため、より効率的な運転を行うために、制御部217は、巻線切替部216に指示することで、巻線状態を並列スター結線にし、準定格運転領域で暖房運転を行う。そして、処理は、ステップS86へ進む。
ステップS86では、制御部217は、設定温度と、室内温度との温度差が、第8閾値以下であるかないかを判断する。温度差が第8閾値よりも大きい場合(S86でNo)には、処理はステップS87に進み、温度差が第8閾値以下である場合(S86でYes)には、処理はステップS89に進む。
ステップS87では、制御部217は、予め定められた時間待機して、処理をステップS88に進める。
ステップS88では、制御部217は、室外機温度が除霜閾値以下であるか否かを判断する。室外機温度が除霜閾値よりも高い場合(S88でNo)には、処理はステップS86に戻り、室外機温度が除霜閾値以下である場合(S88でYes)には、処理はステップS90に進む。
ステップS89では、制御部217は、室外機温度が除霜閾値以下であるか否かを判断する。室外機温度が除霜閾値よりも高い場合(S89でNo)には、処理はステップS91に進み、室外機温度が除霜閾値以下である場合(S89でYes)には、処理はステップS90に進む。
ステップS90では、制御部217は、除霜運転モードで、空気調和機200を運転する。ここでの処理については、図28を用いて、下記にて詳細に説明する。
ステップS91では、温度差が小さくなってきたため、より効率的な運転を行うために、制御部217は、巻線切替部216に指示することで、巻線状態を直列デルタ結線にして、中間運転領域で暖房運転を行う。そして、処理は、図27のステップS92へ進む。
ステップS92では、制御部217は、設定温度と、室内温度との温度差が、第9閾値以下であるかないかを判断する。温度差が第9閾値よりも大きい場合(S92でNo)には、処理はステップS93に進み、温度差が第9閾値以下である場合(S92でYes)には、処理はステップS95に進む。
ステップS93では、制御部217は、予め定められた時間待機して、処理をステップS94に進める。
ステップS94では、制御部217は、室外機温度が除霜閾値以下であるか否かを判断する。室外機温度が除霜閾値よりも高い場合(S94でNo)には、処理はステップS92に戻り、室外機温度が除霜閾値以下である場合(S94でYes)には、処理はステップS96に進む。
ステップS95では、制御部217は、室外機温度が除霜閾値以下であるか否かを判断する。室外機温度が除霜閾値よりも高い場合(S95でNo)には、処理はステップS97に進み、室外機温度が除霜閾値以下である場合(S89でYes)には、処理はステップS96に進む。
ステップS96では、制御部217は、除霜運転モードで、空気調和機200を運転する。ここでの処理については、図28を用いて、下記にて詳細に説明する。
ステップS97では、温度差が小さくなってきたため、より効率的な運転を行うために、制御部217は、巻線切替部216に指示することで、巻線状態を直列スター結線にして、最小運転領域で暖房運転を行う。
次に、制御部217は、室外機温度が除霜閾値以下であるか否かを判断する(S98)。室外機温度が除霜閾値よりも高い場合(S98でYes)には、処理はステップS99に進む。
ステップS99では、制御部217は、除霜運転モードで、空気調和機200を運転する。ここでの処理については、図28を用いて、下記にて詳細に説明する。
なお、以上に記載した図25〜図27のフローチャートにおいては、第6閾値>第7閾値>第8閾値>第9閾値という条件を満たしているものとする。
そして、第7閾値は、定格運転領域と準定格運転領域とを切り替える閾値であり、図23(B)に示されているクロスポイントCP3に対応する温度差であることが望ましい。
第8閾値は、準定格運転領域と中間運転領域とを切り替える閾値であり、図23(B)に示されているクロスポイントCP2に対応する温度差であることが望ましい。
第9閾値は、定格運転領域と準定格運転領域とを切り替える閾値であり、図23(B)に示されているクロスポイントCP1に対応する温度差であることが望ましい。
図28は、実施の形態2に係る空気調和機200の除霜運転モードでの動作を示すフローチャートである。
まず、制御部217は、運転モードを切り替えるため、圧縮機211を停止又は低速回転とし、膨張弁114を予め定められた開度とし、室内及び室外のファンの運転を停止し、四方弁112を冷房モードに切り替える(S100)。
そして、制御部217は、巻線切替部216に指示することで、巻線状態を直列スター結線として、除霜運転領域で除霜運転を開始する(S101)。
次に、制御部217は、吐出温度検出部118aで検出された吐出温度が、予め定められた上限閾値以下であるか否かを判断する(S102)。吐出温度が上限閾値よりも高い場合(S102でNo)には、処理はステップS103に進み、吐出温度が上限閾値以下である場合(S102でYes)には、処理はステップS105に進む。
ステップS103では、効率を悪化させすぎたことで、吐出温度が耐熱許容温度よりも高くなっているため、制御部217は、吐出温度を下げるように対策を行う。ここでは、制御部217は、巻線切替部216に指示することで、現在の巻線状態を、現在の巻線状態よりも1つ効率の高い巻線状態に変更する。例えば、現在の巻線状態が、直列スター結線である場合には、制御部217は、巻線状態を直列デルタ結線にする。
そして、制御部217は、予め定められた時間待機して(S104)、処理をステップS102に戻す。
次に、制御部217は、除霜運転モードでの運転が予め定められた時間経過したか否かを判断する(S105)。そして、除霜運転モードでの運転が予め定められた時間経過していない場合(S105でNo)には、処理はステップS105に戻り、除霜運転モードでの運転が予め定められた時間経過した場合(S105でYes)には、処理はステップS106に進む。
ステップS106では、制御部217は、運転モードを除霜運転モードから暖房運転モードに切り替える。例えば、制御部217は、室内温度と設定温度との温度差が、第6閾値よりも大きい場合には、図25のステップS71の処理に戻り、温度差が、第6閾値以下で、第7閾値よりも大きい場合には、図25のステップS79の処理に戻り、温度差が、第7閾値以下で、第8閾値よりも大きい場合には、図26のステップS85の処理に戻り、温度差が、第8閾値以下で、第9閾値よりも大きい場合には、図25のステップS91の処理に戻り、温度差が、第9閾値以下である場合には、図27のステップS97の処理に戻る。
なお、図28のステップS105では、制御部217は、予め定められた時間が経過したか否かを判断しているが、除霜対象である室外熱交換器113に、温度検出部が設けられている場合には、制御部217は、その温度検出部で検出された温度が予め定められた温度である除霜完了閾値以上となったときに、運転モードを暖房運転モードに切り替えてもよい。
以上のように、実施の形態2によれば、並列デルタ結線と、並列スター結線と、直列デルタ結線と、直列スター結線とを切り替えることで、APFを向上することができる。
なお、図25〜図27に示されている暖房モードでのフローチャートでは、ステップS70で膨張弁114の開度が設定されたあとに、ステップS71で巻線状態を直列スター結線にして暖房運転が開始されているが、実施の形態2は、このような例に限定されない。
例えば、図29〜図32は、実施の形態2に係る空気調和機200の暖房モードでの動作の変形例を示すフローチャートである。
図29及び図30に示されているように、この変形例では、図25で示されているフローチャートに比べて、ステップS70及びステップS71の間に、設定温度と、室内温度との温度差に応じて、暖房運転開始時における巻線状態を変更するためのステップS70−1〜ステップS70−4が設けられている。
ステップS70−1では、制御部217は、設定温度と、室内温度との温度差が、予め定められた第9閾値以下であるか否かを判断する。温度差が予め定められた第9閾値よりも大きい場合(S70−1でNo)には、処理はステップS70−2に進み、温度差が予め定められた第9閾値以下である場合(S70−1でYes)には、処理は図32のステップS97に進む。ステップS97では、制御部217は、巻線切替部216に指示することで、巻線状態を直列スター結線にして暖房運転を開始する。
ステップS70−2では、制御部217は、設定温度と、室内温度との温度差が、予め定められた第8閾値以下であるか否かを判断する。温度差が予め定められた第8閾値よりも大きい場合(S70−2でNo)には、処理はステップS70−3に進み、温度差が予め定められた第8閾値以下である場合(S70−2でYes)には、処理は図31のステップS91に進む。ステップS91では、制御部217は、巻線切替部216に指示することで、巻線状態を直列デルタ結線にして暖房運転を開始する。
ステップS70−3では、制御部217は、設定温度と、室内温度との温度差が、予め定められた第7閾値以下であるか否かを判断する。温度差が予め定められた第7閾値よりも大きい場合(S70−3でNo)には、処理はステップS70−4に進み、温度差が予め定められた第7閾値以下である場合(S70−3でYes)には、処理は図31のステップS85に進む。ステップS85では、制御部217は、巻線切替部216に指示することで、巻線状態を並列スター結線にして暖房運転を開始する。
ステップS70−4では、制御部217は、設定温度と、室内温度との温度差が、予め定められた第6閾値以下であるか否かを判断する。温度差が予め定められた第6閾値よりも大きい場合(S70−4でNo)には、処理は図30のステップS71に進む。ステップS71では、制御部217は、巻線切替部216に指示することで、巻線状態を直列スター結線にして暖房運転を開始する。一方、温度差が予め定められた第6閾値以下である場合(S70−4でYes)には、処理は図30のステップS79に進む。ステップS79では、制御部217は、巻線切替部216に指示することで、巻線状態を並列デルタ結線にして暖房運転を開始する。
以上のように、図29〜図32に示されている変形例によれば、設定温度と、室内温度との温度差に応じて、最適な巻線状態で暖房運転を開始することができる。この場合でも、設定温度と、室内温度との温度差が非常に大きく、室内温度を早く上昇させたいときには、あえて効率の悪い直列スター結線を用いることで、モータ221による発熱で冷媒を加熱することができる。
また、実施の形態2では、図25〜図27に示されている暖房モードでのフローチャートでは、ステップS70で膨張弁114の開度が設定されたあとに、ステップS71で巻線状態を直列スター結線にして暖房運転が開始されているが、実施の形態2は、このような例に限定されない。例えば、制御部217は、暖房運転を開始する際に、定格領域で最も効率の高い巻線状態である並列デルタ結線以外の巻線状態を使用することで、並列デルタ結線を使用したときよりも、発熱量を多くすることができる。このため、制御部217は、並列デルタ結線以外の巻線状態を使用して、暖房運転を開始することができる。
実施の形態1及び2では、空気調和機100、200の運転モードを冷房運転モード、暖房運転モード及び除霜運転モードとしているが、実施の形態1及び2は、これらの運転モードに限定されない。例えば、空気調和機100、200は、圧縮機111、211内に滞留した冷媒を温めて、圧縮機111、211から排出する加熱運転モードを備えてもよい。
加熱運転モードでは、制御部117、217は、インバータ115から、直流電流又はモータ121、221が追従できない高周波電流を流すことにより、モータ121、221を回転駆動せずに加熱を行うことができる。このようにして加熱された冷媒は、気化されて、圧縮機111、211から排出される。
ここで、加熱運転モードでは、モータ121、221の回転数が0であるため、効率を悪化させて温度を上昇させる場合、より起電力の低い巻線状態、例えば、実施の形態1ではデルタ結線、及び、実施の形態2では、並列デルタ結線とすることで、圧縮機111、211から冷媒を排出するまでの時間を短くすることができる。
以上に記載された実施の形態1及び2では、冷凍サイクル装置の一例として、空気調和機100、200を説明したが、実施の形態1及び2に係る冷凍サイクル装置は、空気調和機100、200に限定されない。例えば、図33に示すように、実施の形態1及び2に係る冷凍サイクル装置は、ヒートポンプ装置300であってもよい。
ヒートポンプ装置300は、圧縮機331と、熱交換器332と、膨張弁333と、レシーバ334と、内部熱交換器335と、膨張弁336と、熱交換器337とが配管により順次接続され、冷媒が循環する主冷媒回路338を備える。なお、主冷媒回路338において、圧縮機331の吐出側には、四方弁339が設けられ、冷媒の循環方向を切り替えることができる。また、熱交換器337の近傍には、ファン340が設けられる。
ヒートポンプ装置300は、レシーバ334と、内部熱交換器335との間から、圧縮機331のインジェクションパイプまでを配管により繋ぐインジェクション回路341を備える。インジェクション回路341には、膨張弁342及び内部熱交換器335が順次接続される。
さらに、熱交換器332には、水が循環する水回路343が接続される。なお、水回路343には、給湯器、ラジエータ又は床暖房等の放熱器等の水を利用する装置が接続される。
ここで、圧縮機331は、上記実施の形態1又は2で説明した圧縮機111、211であり、圧縮機構120と、インバータ115によって駆動されるモータ121、221とを有する。
図33には図示していないが、圧縮機111、211のモータ121、221の巻線状態は、制御部117、217からの指示に従って、巻線切替部116、216により切り替えられる。
なお、ヒートポンプ装置300が給湯器として使用される場合には、実施の形態1又は2における設定温度は、供給されるお湯の温度であり、実施の形態1又は2における室内温度は、水回路343で温められる前の水の温度である。水回路343で温められる前の水の温度は、図示されていないが、そのような水の温度を検出する水温度検出部で検出されればよい。
また、実施の形態1又は2における室外機温度は、熱交換器337で熱交換中の冷媒の温度を検出する熱交中間温度検出部345で検出された温度を用いればよい。
まず、ヒートポンプ装置300の暖房運転時の動作について説明する。暖房運転時には、四方弁339は実線方向に設定される。なお、この暖房運転とは、空調で使われる暖房だけでなく、水に熱を与えて温水を作る給湯も含む。
また、図34は、図33に示すヒートポンプ装置300の冷媒の状態についてのp−h線図である。図34において、横軸は比エンタルピー、縦軸は冷媒圧力を示す。
圧縮機331で高温高圧となった気相冷媒(図34の点1)は、圧縮機331から吐出され、凝縮器であり放熱器となる熱交換器332で熱交換されて液化する(図34の点2)。このとき、冷媒から放熱された熱により、水回路343を循環する水が温められ、暖房又は給湯に利用される。
熱交換器332で液化された液相冷媒は、膨張弁333で減圧され、気液二相状態になる(図34の点3)。膨張弁333で気液二相状態になった冷媒は、レシーバ334で圧縮機331へ吸入される冷媒と熱交換され、冷却されて液化される(図34の点4)。レシーバ334で液化された液相冷媒は、主冷媒回路338と、インジェクション回路341とに分岐して流れる。
主冷媒回路338を流れる液相冷媒は、膨張弁342で減圧され気液二相状態となったインジェクション回路341を流れる冷媒と内部熱交換器335で熱交換されて、さらに冷却される(図34の点5)。内部熱交換器335で冷却された液相冷媒は、膨張弁336で減圧されて気液二相状態になる(図34の点6)。膨張弁336で気液二相状態になった冷媒は、蒸発器となる熱交換器337で外気と熱交換され、加熱される(図34の点7)。そして、熱交換器337で加熱された冷媒は、レシーバ334でさらに加熱され(図34の点8)、圧縮機331に吸入される。
一方、インジェクション回路341を流れる冷媒は、上述したように、膨張弁342で減圧されて(図34の点9)、内部熱交換器335で熱交換される(図34の点10)。内部熱交換器335で熱交換された気液二相状態の冷媒(インジェクション冷媒)は、気液二相状態のまま圧縮機331のインジェクションパイプから圧縮機331内へ流入する。
圧縮機331では、主冷媒回路338から吸入された冷媒(図34の点8)が、中間圧まで圧縮及び加熱される(図34の点11)。中間圧まで圧縮及び加熱された冷媒(図34の点11)に、インジェクション冷媒(図34の点10)が合流して、温度が低下する(図34の点12)。そして、温度が低下した冷媒(図34の点12)が、さらに圧縮及び加熱され高温高圧となり、吐出される(図34の点1)。
なお、インジェクション運転を行わない場合には、膨張弁342の開度を全閉にする。つまり、インジェクション運転を行う場合には、膨張弁342の開度が予め定められた開度よりも大きくなっているが、インジェクション運転を行わない際には、膨張弁342の開度を予め定められた開度より小さくする。これにより、圧縮機331のインジェクションパイプへ冷媒が流入しない。
ここで、膨張弁342の開度は、制御部117、217により制御される。
次に、ヒートポンプ装置300の冷房運転時の動作について説明する。冷房運転時には、四方弁339は破線方向に設定される。なお、この冷房運転とは、空調で使われる冷房だけでなく、水から熱を奪って冷水を作ること、又は、冷凍等も含む。
圧縮機331で高温高圧となった気相冷媒(図34の点1)は、圧縮機331から吐出され、凝縮器であり放熱器となる熱交換器337で熱交換されて液化する(図34の点2)。熱交換器337で液化された液相冷媒は、膨張弁336で減圧され、気液二相状態になる(図34の点3)。膨張弁336で気液二相状態になった冷媒は、内部熱交換器335で熱交換され、冷却され液化される(図34の点4)。内部熱交換器335では、膨張弁336で気液二相状態になった冷媒と、内部熱交換器335で液化された液相冷媒を膨張弁342で減圧させて気液二相状態になった冷媒(図34の点9)との熱交換が行われている。内部熱交換器335で熱交換された液相冷媒(図34の点4)は、主冷媒回路338と、インジェクション回路341とに分岐して流れる。
主冷媒回路338を流れる液相冷媒は、レシーバ334で圧縮機331に吸入される冷媒と熱交換されて、さらに冷却される(図34の点5)。レシーバ334で冷却された液相冷媒は、膨張弁333で減圧されて気液二相状態になる(図34の点6)。膨張弁333で気液二相状態になった冷媒は、蒸発器となる熱交換器332で熱交換され、加熱される(図34の点7)。このとき、冷媒が吸熱することにより、水回路343を循環する水が冷やされ、冷房又は冷凍に利用される。このように、ヒートポンプ装置300は、水回路343を循環する水(流体)を利用する流体利用装置とともに、ヒートポンプシステムを構成し、このヒートポンプシステムは、空気調和機、ヒートポンプ給湯機、冷蔵庫、冷凍機等に利用可能である。
そして、熱交換器332で加熱された冷媒は、レシーバ334でさらに加熱され(図34の点8)、圧縮機331に吸入される。
一方、インジェクション回路341を流れる冷媒は、上述したように、膨張弁342で減圧されて(図34の点9)、内部熱交換器335で熱交換される(図34の点10)。内部熱交換器335で熱交換された気液二相状態の冷媒(インジェクション冷媒)は、気液二相状態のまま圧縮機331のインジェクションパイプから流入する。圧縮機331内での圧縮動作については、暖房運転時と同様である。
なお、インジェクション運転を行わない際には、暖房運転時と同様に、膨張弁342の開度を全閉にして、圧縮機331のインジェクションパイプへ冷媒が流入しないようにする。
また、上記説明では、熱交換器332は、冷媒と、水回路343を循環する水との熱交換を行うプレート式熱交換器のような熱交換器であるものとして説明した。熱交換器332は、これに限らず、冷媒と空気との熱交換を行うものであってもよい。また、水回路343は、水が循環する回路ではなく、他の流体が循環する回路であってもよい。
以上のように、ヒートポンプ装置300は、空気調和機、ヒートポンプ給湯機、冷蔵庫、冷凍機等のインバータ圧縮機を用いたヒートポンプ装置に利用することができる。
以上のように、ヒートポンプ装置300は、空気調和機、ヒートポンプ給湯機、冷蔵庫、又は、冷凍機等に有用であり、特に、高周波通電により圧縮機の加熱を行うヒートポンプ装置に適している。
100,200 空気調和機、 110,210 室外機、 150 室内機、 111,211 圧縮機、 112 四方弁、 113 室外熱交換器、 114 膨張弁、 115 インバータ、 116,216 巻線切替部、 117,217 制御部、 118a 吐出温度検出部、 118b 室外熱交中間温度検出部、 118c 吸込温度検出部、 119 密閉容器、 120 圧縮機構、 121 モータ、 121U,220U U相巻線、 121V,221V V相巻線、 121W,221W W相巻線、 150 室内機、 151 室内熱交換器、 152a 室内熱交中間温度検出部、 152b 吸気温度検出部。

Claims (8)

  1. 冷媒を圧縮する圧縮機と、
    前記圧縮機内に配置され、複数の巻線に電圧を受けて回転子が回転することで、前記冷媒を圧縮する動力を発生するモータと、
    前記複数の巻線の接続を変更することで、複数の巻線状態において切り替えを行う巻線切替部と、を備える冷凍サイクル装置であって、
    前記巻線切替部は、前記回転子の回転数が予め定められた値よりも高くなる場合に、前記複数の巻線状態の内、前記回転数において最も効率の高い第2の巻線状態とは異なる第1の巻線状態に切り替えること
    を特徴とする冷凍サイクル装置。
  2. 前記予め定められた値は、前記冷凍サイクル装置の定格運転時の回転数を示すこと
    を特徴とする請求項1に記載の冷凍サイクル装置。
  3. 前記予め定められた値は、前記冷凍サイクル装置により温める対象の目標となる温度である設定温度と、前記対象から検出される温度との温度差が、予め定められた温度差である場合における回転数よりも高い回転数を示すこと
    を特徴とする請求項1に記載の冷凍サイクル装置。
  4. 前記予め定められた温度差は、前記複数の巻線状態の内最も起電力の低い巻線状態と、前記複数の巻線状態の内2番目に起電力の低い巻線状態とを切り替える際の温度差であること
    を特徴とする請求項3に記載の冷凍サイクル装置。
  5. 前記モータに三相交流電流を出力するインバータをさらに備え、
    前記インバータは、前記三相交流電流の位相をずらすことで、前記複数の巻線状態の各々における前記効率が最も高くなる回転数をずらすこと
    を特徴とする請求項1から4の何れか一項に記載の冷凍サイクル装置。
  6. 前記圧縮機から吐出される前記冷媒の温度である吐出温度を検出する吐出温度検出部をさらに備え、
    前記巻線切替部は、前記吐出温度が予め定められた閾値温度よりも高い場合に、使用されている巻線状態を、前記使用されている巻線状態よりも起電力の低い巻線状態に切り替えること
    を特徴とする請求項1から5の何れか一項に記載の冷凍サイクル装置。
  7. 前記複数の巻線状態は、デルタ結線及びスター結線であり、
    前記第1の巻線状態は、スター結線であり、
    前記第2の巻線状態は、デルタ結線であること
    を特徴とする請求項2又は4に記載の冷凍サイクル装置。
  8. 前記複数の巻線状態は、1つの相において前記複数の巻線の内の2つ以上の巻線が直列に接続された直列スター結線、1つの相において前記複数の巻線の内の2つ以上の巻線が直列に接続された直列デルタ結線、1つの相において前記複数の巻線の内の2つ以上の巻線が並列に接続された並列スター結線、及び、1つの相において前記複数の巻線の内の2つ以上の巻線が並列に接続された並列デルタ結線であり、
    前記第1の巻線状態は、前記直列スター結線、前記直列デルタ結線又は前記並列スター結線であり、
    前記第2の巻線状態は、並列デルタ結線であること
    を特徴とする請求項2又は4に記載の冷凍サイクル装置。
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