WO2007049506A1

WO2007049506A1 - 膨張機を用いたヒートポンプ応用機器

Info

Publication number: WO2007049506A1
Application number: PCT/JP2006/320864
Authority: WO
Inventors: Keizo Matsui; Tetsuya Matsuyama
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.
Priority date: 2005-10-26
Filing date: 2006-10-19
Publication date: 2007-05-03
Also published as: JP4077868B2; JPWO2007049506A1; EP1950881A1; US20070101735A1

Abstract

　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。

Description

膨張機を用いたヒートポンプ応用機器

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ェ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、。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が逆回転しょうとしても、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] し力しながら、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ぐ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つて、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つて力も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ぐ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、信頼性の高ヽ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、

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 50 1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が水熱交となる。

[0017] 冷媒の種類は特に限定されないが、例えば、二酸ィ匕炭素ゃノヽイド口フルォロカーボン (HFC)が挙げられる。二酸ィ匕炭素は、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、二酸ィ匕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、 AZD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には可変速コンパータ 505が電気的に接続されている。膨張機 501、発電機 503および可変速コンパータ 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の回転数とがー致する。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、例えば三相卷線 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 5 10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に使用してちょい。

[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 5 05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 50 6, 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 60 5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、スィッチング素子群 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 Effec t Transistor)や IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)のようなスイッチング素子 80 3a, 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 8 09、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、てもよ、。

[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〖こ相当する。さら〖こ、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のスイッチングノターンを、電流センサ 805a, 805b力も得られる発電機 503の電流情報力も推定された発電機 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、ベースドライノ 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 8 03a〜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との偏差力も電流指令 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]

I * = G p ω X ( ω *— ω ) +G ί ωχΣ ( ω *— ω )

[0032] ここで、 Gp ω、 Gi ω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 I d *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]

I d *= I * X s i η (β)

[0035] [数 3]

I q *= l *x c o s ( )

[0036] ここで、 13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]

[0039] ここで、 0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]

V d = G p d x ( I d * - I d ) + G i d x∑ ( I d * - I d )

[0042] 園

V q = G p q X ( I q *— I q ) + G i q X∑ ( I q *— I q )

[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]

[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ノく 808に出力する。そして、ベースドライバ 8 08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ィ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、貯湯量ゃ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 tl〜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、。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 6 00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、 ST1にお、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)以下力どうかを判断する (電流値判断手段 (A) )。この所定値 (IE1)は十分に小さ!/、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)以下力どうかを判断する。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ヽる。

[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力も分力るように、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の容積にもよる力例えば、 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 tl〜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 tl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 5 05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!ヽ場合には、回転数を保持するステップは必須でなヽ。

[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ぐ電動機 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 tl)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つた後で、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 50 3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カつ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)が可変速コンパータ 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、る場合、発電機 503を流れる電流の値が所定値 (IE 1)以下となるまで発電機 503の駆動制御を継続し、さら〖こ、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、ステツプ ST7において、発電機 503がカ行運転を行っているかどうかを判断する。カ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。

[0063] ごく稀に、発電機 503が一時的にカ行運転、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ぐ発電機 503が一時的にカ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、かつカ行運転でもない場合には、 ST8において、発電機 503の各相卷線 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力かる。

[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 tl力も徐々に減少する。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の各相卷線 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の各相卷線 508に直流励磁を行った際に、発電機 5 03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つたときに発電機 503を流れる電流の値であって、例えば、直流励磁をカゝけて膨張機 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 5 01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 (IE 1)は、各相卷線 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力その場合、所定値 (IE1)は、各相卷線 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りすることなぐ発電機 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ぐ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ちょい。

[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、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にカ卩わる膨張機トルク 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]

T e x p = K t X I e x p

[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]

T _{e x p} = k / ( k - 1 ) x P s x V _{e x p} x { ( P d / P s ) ^Ck-^{1 k} - 1 } / 2 π f

[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ボ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力も重要であるが、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に代わつて発電機 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、可変速コンパータ 505に接続する直流電力線 506上に設けられた第 1のスィッチと、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のスィッチと、その第 2のスィ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のスィッチがオン、第 2のスィッチがオフとなる。そして、運転停止契機の発生に応じて、第 1のスィッチがオフ、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のスィッチがオフ、第 2のスィ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、可変速コンパータ 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力申びて!ヽる。

[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 7 02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に向力一対の直流電力線 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 7 05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ヽ。 [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力直流電力線 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ィッチを採用してもょ、。

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ぐ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。

Claims

請求の範囲

[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。

[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。

[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パ一タがその手段 (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、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。

[4] 前記手段 (A)は、さらに、前記発電機がカ行運転を行っているかどうかを判断し、前記発電機がカ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。

[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、前記発電機の各相卷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。

[6] 前記所定値は、前記各相卷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。

[7] 前記所定値は、前記各相卷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

[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、前記各相卷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

V、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。

[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。

[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記載のヒートボンプ応用機器。

[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のスィッチと、前記第 1のスィッチと前記可変速コンバータとの間にお!/、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のスイツチと、前記第 2のスィ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のスィッチがオフ、前記第 2のスィ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。

[12] 作動流体を膨張させる膨張機と、

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。

[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のスィッチと、前記第 1のスィッチと前記可変速コンバータとの間にお!/、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のスイツチと、前記第 2のスィ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のスィッチをオフ、前記第 2のスィツチをオンとする、請求項 12記載のヒートポンプ応用機器。