CN102472529B - 空气调节器 - Google Patents

Abstract

具备：制冷剂回路，将压缩机(1)、室内热交换器(5)、膨胀阀(4)以及室外热交换器(3)依次进行了连接；马达12，使设置在压缩机(1)内的压缩机构(11)动作；逆变器(6)，用于驱动马达(12)；和控制单元(7)，控制逆变器(6)，控制单元(7)具备：液化探测单元(74)，探测压缩机(1)的制冷剂液化；第一PWM信号生成单元(72)，生成驱动马达(12)的逆变器控制信号；第二PWM信号生成单元(73)，生成使马达(12)进行预热运转的逆变器控制信号；和切换单元(71)，进行切换以使从第一PWM信号生成单元(72)或第二PWM信号生成单元(73)向逆变器(6)输出控制信号。

Description

空气调节器

技术领域

本发明涉及使用了压缩机的空气调节器，特别是涉及运转起动时的液体制冷剂(liquid coolant)的预热。 

背景技术

一般，在用制冷剂配管对压缩机连接了室内以及室外侧热交换器的空气调节器中，在压缩机的运转停止时，具有制冷剂移动到冷冻环路的最冷却了的部分而凝结的倾向。 

例如在夜间时使制热运转停止了时，压缩机、室外侧热交换器的温度低于室内侧热交换器，所以室内侧热交换器内的制冷剂移动到压缩机、室外侧热交换器。另外，如果到了早晨而户外空气温度上升，则室外侧热交换器的热容量小于压缩机，该室外侧热交换器的温度上升得更快，所以产生如下现象：该室外侧热交换器内的制冷剂移动到温度低的压缩机侧而凝结，液体制冷剂溶入该压缩机的密闭容器内设置的储油罐空间的油中。 

这样的现象被称为所谓的制冷剂的液化，发生制冷剂的液化的结果，液体制冷剂会稀释储油罐内的油，或者，在进行压缩机的再起动时，溶入到储油罐内的油中的液体制冷剂成为气泡状而溶出由此产生起泡现象(foaming phenomenon)，或者，压缩元件直接吸入液体制冷剂由此发生液体压缩，从而成为压缩机的故障原因。 

在以往的空气调节器中，为了避免由于制冷剂的液化而引起的压缩机的故障，在压缩机内滞留的液体制冷剂量成为规定值以上时输出信号，接收到该信号的控制装置对马达绕组提供微弱的高频缺相电流(high-frequency open-phase current)而加热马达绕组，由此在压缩机内防止液体制冷剂低温滞留的状态下的运转开始所致的液体压缩， 防止压缩机的破损(例如，参照专利文献1)。 

专利文献1：日本特开平8-226714号公报(第5页、图1) 

发明内容

然而，一般利用使用了非同步的PWM的逆变器，来作为对压缩机进行可变速控制的单元。在该情况下，由于输出电压的频率fo与PWM载波频率fc的干扰而产生差分分量的频率m·fo±n·fc(m、n是整数)。并且，如果在低频区域出现该分量，则成为压缩机马达的轴承振动、噪声的产生原因。 

在通常运转时，由于马达正在旋转，所以由该差分分量引起的噪声、振动不显著，但是在预热运转时由于在不使马达进行动作的条件下进行通电，所以由该差分分量频率引起的振动、噪声变得显著，有可能引发产品的性能变差。 

本发明是为了解决上述课题而完成的，其目的在于得到一种不会产生振动、噪声而可以进行液体制冷剂的预热的空气调节器。 

本发明的空气调节器具备：制冷剂回路，将压缩机、室内热交换器、膨胀阀以及室外热交换器依次进行了连接；马达，使设置在所述压缩机内的压缩机构进行动作；逆变器，用于驱动所述马达；以及控制单元，控制所述逆变器，其中，所述控制单元具备：液化探测单元，探测所述压缩机的制冷剂液化；第一PWM信号生成单元，生成对所述马达进行驱动的逆变器控制信号；第二PWM信号生成单元，生成使所述马达进行预热运转的逆变器控制信号；以及切换单元，进行切换以使从所述第一PWM信号生成单元或者所述第二PWM信号生成单元向所述逆变器输出控制信号。 

根据本发明，可得到不会产生振动、噪声而可以进行液体制冷剂的预热的空气调节器。 

附图说明

图1是实施方式1的空气调节器的结构图。 

图2是示出实施方式1的第一PWM信号生成单元的1相部分的信号生成方法的图。 

图3是示出实施方式1的第二PWM信号生成单元的1相部分的信号生成方法的图。 

图4是示出实施方式1的非同步PWM以及同步PWM的频谱的图。 

图5是示出人类的耳朵的听觉校正曲线的图。 

图6是示出定子绕组的卷绕方法的一个例子的图。 

图7是示出定子绕组与压缩机框架之间的等效电路的图。 

图8是示出嵌入磁铁型同步电动机的转子构造和电感的图。 

图9是示出实施方式2的第二PWM信号生成单元的1相部分的信号生成方法的图。 

图10是示出高频加热时的逆变器输出电压/电流波形的图。 

图11是MOSFET的原理模型图。 

图12是元件的栅极电阻和电路的噪声端子电压的特性图。 

图13是示出使用了SiC的开关元件的构造例的图。 

附图标记说明

1：压缩机；2：四通阀；3：室外热交换器；4：膨胀阀；5：室内热交换器；6：PWM逆变器；7：控制单元；8：制冷剂配管；11：压缩机构；12：马达；71：切换单元；72：第一PWM信号生成单元；73：第二PWM信号生成单元；74：液化检测单元；121：铁芯；122：磁铁。 

具体实施方式

实施方式1.

图1是实施方式1中的空气调节器的结构图。 

在图1中，1是压缩机、2是四通阀、3是室外热交换器、4是膨胀阀、5是室内热交换器，以使制冷剂经由制冷剂配管8循环的方式安装了这些构成元件。 

另外，在压缩机1内部设置有对制冷剂进行压缩的压缩机构11、和使它进行动作的马达12。6是PWM逆变器，与马达12电连接，对马达12提供电压。7是控制单元，与PWM逆变器6电连接，输出控制PWM逆变器的信号。 

在控制单元7中设置有：液化检测单元74，对压缩机1内的制冷剂的液化进行检测；第一PWM信号生成单元72，生成使马达12旋转的逆变器控制信号；以及第二PWM信号生成单元73，生成使马达12进行预热运转的逆变器控制信号。另外，71是切换单元，选择性地切换第一PWM信号生成单元72和第二PWM信号生成单元73，作为控制单元7的输出信号输出到PWM逆变器6。 

接下来，说明各PWM信号生成单元的信号生成方法。 

图2是示出第一PWM信号生成单元72的1相部分的信号生成方法的图。图2所示的信号生成方案相当于一般被称为非同步PWM的方案。将电压指令信号Vu1^＊与规定的频率且振幅为Vdc/2(此处Vdc表示PWM逆变器的直流母线电压)的载波信号进行比较，根据相互的大小关系来生成PWM信号UP、UN。 

即，在载波信号大于电压指令信号Vu1^＊时，使UP成为ON、使UN成为OFF，否则使UP成为OFF、使UN成为ON。另外，UP表示对逆变器的上臂的开关元件提供的控制信号、UN表示对逆变器的下臂的开关元件提供的控制信号。 

图3是示出第二PWM信号生成单元73的1相部分的信号生成方法的图。图3所示的信号生成方案相当于被称为同步PWM的方案之一。将电压指令信号Vu2^＊与和电压指令的调制率相当的规定电平(在图3中记载为1-max(Vu2^＊)/Vdc，此处max是表示信号的最大值的函数)进行比较，根据其大小关系来生成PWM信号UP、UN。 

即，在电压指令信号Vu2^＊大于正电压的规定电平时，使UP成为ON，在电压指令信号Vu2^＊小于正电压的规定电平时，使UP成为OFF，在电压指令信号Vu2^＊小于负电压的规定电平时，使UN成为ON，在电压指令信号Vu2^＊大于负电压的规定电平时，使UN成为 OFF。 

接下来，根据图4，说明上述二个PWM方式(非同步PWM/同步PWM)的输出频率分量。 

图4的(a)是示出非同步PWM的频谱的图，图4的(b)是示出同步PWM的频谱的图。非同步PWM为载波频率fc与输出频率fe的合成波，但是一般fc、fe都包含高次谐波分量，所以产生边频带，频谱向包含低频的宽的频率范围扩散。 

另一方面，在同步PWM中，通过与规定的电压电平的大小比较而输出PWM信号，与载波频率是0的情形等效，所以仅产生输出频率(在图4的(b)中记载为f2)及其高次谐波分量，成为如下特性：在比f2低的频率侧，频谱不会扩散。 

接下来，说明动作。 

在这样构成的控制单元7中，在压缩机运转停止中，液化检测单元74根据冷冻环路的温度以及经过时间的信息来检测制冷剂的液化，并向切换单元71输出压缩机液化的检测信息。 

接下来，切换单元71将PWM信号生成方式切换到第二PWM信号生成单元73，产生预热用的PWM信号。 

在第二PWM信号生成单元中，将电压指令Vu2的频率f2设为比压缩机的运转范围充分高的频率，使用上述同步PWM来产生电压指令。即，通常fe是400Hz左右，但是将电压指令频率f2设为几kHz程度以上而生成PWM信号。而且，PWM逆变器将该PWM信号变换为电压而施加到马达12。 

在马达12的定子绕组中流过不包含低频分量的高频的电流，所以不会产生旋转扭矩、振动而可以对铁芯进行加热。通过上述马达加热，滞留在压缩机1内的液体制冷剂被加热而蒸发，漏出到压缩机外部。 

另外，流过电流的既可以是1相也可以是2相。只要进行控制使得不产生旋转磁场，在3相中都流过也可以。 

液化检测单元74判断该制冷剂漏出持续了规定时间的情形，判 别从液化状态向正常状态的恢复，并结束马达加热。 

另外，作为液化检测单元74的探测方法，可以举出如下方法来作为一个例子：基于室外机的温度成为规定温度以下的状态经过了规定时间这一情形，而判断为液化。 

另外，在从外部接收到压缩机运转指令的情况下，切换单元71也可以切换到第一PWM信号生成单元，产生用于可使压缩机变速的电压/频率的非同步PWM信号，而使压缩机进行运转。由此，可以与液化检测单元74的判别不同地，通过手动操作而使压缩机进行运转。 

另外，如果将电压指令频率f2的频率设为高频，则马达的铁芯的振动音成为听觉范围外，所以对于进一步降低噪声也有效果。 

图5是示出人类的耳朵的听觉校正曲线的图，可知表示听觉的响应从高频侧的10kHz附近显著降低。因此，如果将电压指令频率f2设为10kHz以上，则具有进一步降低噪声的效果。 

另外，通过向马达12的定子绕组施加电压，利用定子绕组的铜损和铁损这2个损失来进行加热，但是在线圈端(coil end)小且绕组电阻低的集中绕组马达的情况下，铜损所致的发热量少。因此，在通常的方法中无法高效地加热，但是根据本实施方式，可以通过高频加热利用铁损来发热，所以可以更高效地加热。 

另外，在集中绕组的情况下，在定子绕组的卷绕方法中，优选将马达的相端子侧设为卷绕始端，将中性点侧设为卷绕终端。图6示出本实施方式中的定子绕组的卷绕方法的一个例子。 

如图6所示，在集中绕组的情况下，针对每个磁极齿，集中地卷绕线圈。此时，卷绕始端的线位于线圈的内部侧，卷绕终端的线位于线圈的表面侧。另一方面，如图7所示，在线圈的卷绕终端与压缩机框架之间，存在制冷剂阻抗。因此，在将线圈的卷绕终端连接到中性点侧时，针对相电压的制冷剂阻抗的影响会变得更小，所以可以供给稳定的相电压，可以进一步降低噪声、振动。 

另外，在压缩机是滚动机构的情况下，压缩室的高压释放变得困难，所以在液体制冷剂进入了的情况下，有可能会对压缩机构施加过 大的压力而导致破损。根据本实施方式，可以高效地对压缩室内进行加热，有效防止破损。 

根据本实施方式，具有不会产生噪声、振动而可以对液体制冷剂进行预热这样的效果。 

实施方式2.

在实施方式1中，仅施加高频电压，而对于马达12的转子，没有进行任何说明，但是也可以将马达12的转子设为磁铁嵌入型。 

在该情况下，高频磁通交链的转子表面也成为发热部，所以制冷剂接触面增加、可以向压缩机构进行快速的加热，因此具有可以高效地加热制冷剂的效果，另一方面，由于因嵌入磁铁型同步电动机的转子构造而引起的电感的变化，存在无法稳定地加热液体制冷剂这样的问题。 

在本实施方式中，提供用于解决这个问题的方法。 

图8是示出嵌入磁铁型同步电动机的转子构造和电感变化的图。在图8中，121表示铁芯、122表示磁铁。在这样的构造中，空隙(磁铁部)的长度根据旋转位置而不同，所以从定子侧观察的电感如(b)那样变化。因此，即使按照如实施方式1那样的方式提供规定频率/规定电压的高频电压，也由于转子位置而会受到影响，电流/功率会变化，存在无法稳定地加热液体制冷剂的问题。 

图9示出解决上述问题的方法的例子。 

图9是示出实施方式2中的第二PWM信号生成单元的1相部分的信号生成方法的图。与图3的不同点在于，通过使与P侧的同步PWM波形生成的正侧的电压指令的调制率相当的规定电平降低规定量αp，从而使相的输出电压向P侧偏移。如果同样地实施三相部分的这个操作，则在输出电压波形中除了交流以外还会重叠直流分量。 

并且，由于所重叠的直流分量，转子的位置被固定为规定相位，所以可以固定为图8的(b)所示的电感变化的期望的值，由此可以使高频阻抗稳定。 

根据实施方式2，具有可以高效地加热制冷剂、并且可以稳定地加热液体制冷剂的效果。 

实施方式3.

在上述实施方式中，说明了用于得到马达的高频加热效果的结构，但在高频加热时，产生逆变器的开关损失增大、以噪声端子电压为代表的噪声增加的问题。 

在实施方式3中，通过使用MOS-FET来代替一般用作逆变器的开关元件的IGBT，由此降低高频加热时的逆变器损失。 

图10是示出高频加热时的逆变器输出电压/电流波形的图。 

高频加热时的马达绕组大致成为电感负荷，所以如图10所示，电流成为相对于电压延迟大致90度相位(功率因数零)的波形。再生时间比例为大致1/2，比运转时大幅增加。另外，马达绕组在高频下成为高阻抗，所以电流成为与使马达运转的情况相比充分小的值。另外，在再生的状态下，逆变器的上臂元件是接通(ON)，电流流过与开关元件反并联连接的二极管，如果使用该时间中的效率被改善的开关元件，则可以对高频加热时的逆变器损失降低作出大的贡献。 

图11是示出MOSFET的原理模型的图。 

在图11中，G、S、D分别表示MOSFET的端子栅极、源极、漏极，Rds是开关接通时的漏极/源极间电阻，Db是体二极管。 

在图10所示的电流电压波形的再生的状态下，元件的栅极状态为导通，电流从源极流向漏极侧，但在MOSFET的情况下成为同步整流动作，该同步整流动作是如下动作：并非二极管而在主沟道侧也存在电流路径，如果是低电流则在导通损失低的电阻侧流动。 

另一方面，在一般用作压缩机用逆变器的IGBT中，没有这样的多个再生电流路径，所以无法改善效率。 

因此，根据本实施方式，在进行压缩机马达的高频加热的情况下，通过将逆变器的开关元件设为MOSFET，从而具有降低开关损失的效果。 

实施方式4.

在实施方式4中，通过在逆变器的开关元件中使用宽能带隙半导 体，由此降低高频加热时的噪声。 

图12是示出元件的栅极电阻和电路的噪声端子电压的特性的图。可知随着施加电压成为高频，栅极电阻的影响变大，为了使噪声端子电压变小，需要增大栅极电阻。 

一般，在利用逆变器对马达施加高频电压的情况下，电路-接地之间的电压由于开关而急剧地发生变化，从而产生噪声，有可能对周围的环境造成影响，所以通常采取增加共模地插入的电容器的电容、或者利用栅极电阻来调整开关元件的开关速度等对策。 

但是，如果增大栅极电阻则开关损失增大，所以损失节能性。另外，电容器容量的增加会导致由于压缩机泄漏电流即压缩机的共模电流的增大而引起的漏电/触电的担忧增大。特别是在制冷剂液化时，在压缩机内充满介电常数高的液体制冷剂，所以压缩机的共模阻抗降低，泄漏电流增加。因此，在本实施方式中，使用宽能带隙半导体来作为开关元件。 

图13是示出使用了作为宽能带隙半导体的代表例的SiC的开关元件的构造例的图。宽能带隙半导体一般是指能带隙比硅更大的半导体，例如，已知SiC、金刚石、GaN等这样的宽能带隙半导体。宽能带隙半导体的特征在于，高耐电压且可以实现高速且低损失的开关动作。 

根据本实施方式，可得到如下效果：即使增大栅极电阻，开关损失的增加也被抑制，噪声端子电压被抑制，并且，如果使共模电容器的容量变小，则会抑制压缩机的泄漏电流。 

另外，如果与实施方式1组合而在通常的压缩机运转时使开关频率降低，则在运转时可以降低开关损失，实现更高效的运转。另外，如果元件构造是MOSFET，则还能同时得到实施方式3的效果，所以当然能得到更高效、低噪声的装置。 

产业上的可利用性

作为本发明的活用例，不仅是空气调节器，而且还可以应用于电冰箱、冷冻机、热泵热水器等使用逆变器压缩机的冷冻环路中。 

Claims (11)

1.一种空气调节器，其特征在于，具备：

制冷剂回路，将压缩机、室内热交换器、膨胀阀以及室外热交换器依次进行了连接；

马达，使设置在所述压缩机内的压缩机构进行动作；

逆变器，用于驱动所述马达；以及

控制单元，控制所述逆变器，其中，

所述控制单元具备：

液化探测单元，探测所述压缩机的制冷剂液化；

第一PWM信号生成单元，该第一PWM信号生成单元是载波非同步型PWM，生成对所述马达进行驱动的逆变器控制信号；

第二PWM信号生成单元，该第二PWM信号生成单元是载波同步型PWM，生成使所述马达进行预热运转的逆变器控制信号；以及

切换单元，进行切换以使所述第一PWM信号生成单元或者所述第二PWM信号生成单元向所述逆变器输出控制信号。

2.根据权利要求1所述的空气调节器，其特征在于，

所述切换单元在压缩机为停止中、并且由所述液化探测单元探测到制冷剂液化时，选择所述第二PWM信号生成单元。

3.根据权利要求2所述的空气调节器，其特征在于，

由所述第二PWM信号生成单元输出的电压是根据直流电压与交流电压的大小而输出的。

4.根据权利要求1～3中的任意一项所述的空气调节器，其特征在于，

所述第二PWM信号生成单元的电压指令信号频率是10kHz以上。

5.根据权利要求1～3中的任意一项所述的空气调节器，其特征在于，

所述马达的定子绕组是集中绕组。

6.根据权利要求5所述的空气调节器，其特征在于，

所述马达的定子绕组方向以马达的相端子侧为卷绕始端、以中性点侧为卷绕终端。

7.根据权利要求1～3中的任意一项所述的空气调节器，其特征在于，

所述马达的转子是磁铁嵌入型构造。

8.根据权利要求7所述的空气调节器，其特征在于，

所述第二PWM信号生成单元输出重叠了直流分量的电压。

9.根据权利要求1～3中的任意一项所述的空气调节器，其特征在于，

所述逆变器的开关元件是MOS-FET。

10.根据权利要求1～3中的任意一项所述的空气调节器，其特征在于，

所述逆变器的开关元件由宽能带隙半导体形成。

11.根据权利要求10所述的空气调节器，其特征在于，

所述宽能带隙半导体由SiC、GaN或者金刚石构成。

Images