CN104220820A - 热泵装置、空调机和制冷机 - Google Patents

Abstract

本发明的热泵装置包括：压缩机（1），其包括压缩制冷剂的压缩机构（7）、以及驱动压缩机构（1）的电动机（8）；逆变器（9），其施加驱动电动机（8）的电压；转换器（10），其对逆变器（9）施加电压；逆变器控制部（12），其生成驱动逆变器（9）的驱动信号；以及转换器控制部（17），其生成驱动转换器（10）的驱动信号，其中，逆变器控制部（12）具有：使压缩机（1）进行加热运转的加热运转模式、以及使压缩机（1）进行通常运转来压缩制冷剂的通常运转模式，转换器控制部（17）在逆变器控制部（12）的加热运转模式时，基于针对电动机（8）的电压指令值设定对逆变器（9）施加的电压。

Description

热泵装置、空调机和制冷机

技术领域

本发明涉及热泵装置、空调机和制冷机。

背景技术

作为现有的热泵装置，有为了提高空调机启动制热时的起动速度而在制热时的运转停止期间向压缩机供给高频低电压的热泵装置(例如，参见专利文献1)。作为相同的技术，还有在检测到空调机的环境温度为低温状态时，向压缩机供给与通常运转期间相比高频率的单相交流电压的热泵装置(例如，参见专利文献2)。

此外，还有为了防止产生制冷剂休眠现象，在对压缩机进行预加热的限制通电中，作为压缩机电动机的驱动信号，通过两相调制方式的PWM输出，生成以规定相位角进行静止输出的信号的热泵装置(例如，参见专利文献3)。此外，在专利文献4中记载了通过转换器部使输入到逆变器的电压降压的技术。

专利文献1：日本实开昭60-68341号公报

专利文献2：日本特开昭61-91445号公报

专利文献3：日本特开2007-166766号公报

专利文献4：日本特开2005-326054号公报

发明内容

在上述专利文献1和2中，示出了基于外部空气温度的下降而对压缩机施加高频交流电压来对压缩机进行加热或保温，从而使压缩机内部的润滑作用顺利进行的技术。

但是，在专利文献1没有针对高频低电压的详细记载，因为没有考虑到取决于转子停止位置的输出变化，因此存在有可能无法获得所需的压缩机加热量的问题。

另一方面，在上述专利文献2中，记载了以例如25kHz的高频单相交流电源施加电压，并示出了如下效果，通过避开可听声频率范围来抑制噪音，通过避开共振频率来抑制振动，通过基于绕组电感量的小电流化来减少输入以及防止温度上升、以及抑制压缩机的旋转部的旋转。

但是，在专利文献2的技术中，因为是高频单相交流电源，所以如专利文献2的图3所示那样，所产生的全部开关元件断开的全断开区间比较长。此时，存在如下问题，高频电流经由续流二极管,不会回流到电动机而是再生为直流电源，断开区间的电流的衰减快，高频电流无法高效率地流过电动机，从而压缩机的加热效率恶化。此外，在使用小型小铁损的电动机的情况下，还存在相对于施加电压的发热量变小，无法以可使用范围内的电压获得所需加热量的问题。

此外，在专利文献3中公开了通过使直流电流流过电动机绕组的限制通电，以不使转子旋转的方式进行预热的技术。

此外，在专利文献4中，公开了如引用的专利文献4的图1所示那样通过转换器使输入到逆变器的电压降压的技术。

然而，近年来，由于电动机的高效率设计而存在电动机的绕组电阻变小的趋势。因此，在专利文献3、4所示的使直流电流流过电动机绕组的预热方法中，由于发热量由绕组电阻和电流的平方得到，所以绕组电阻减少的话电流必须相应地增加。由此，因逆变器的损耗增大而导致发热成为问题，存在可靠性下降、以及散热结构的成本增加等问题。

此外，近年来，为了符合严格的环境考量设计基准的欧洲EuP指令(Directive on Eco-Design of Energy-using Products，用能源产品生态设计框架指令)和澳洲MEPS(Minimum Energy PerformanceStandards，最低能效标准)，需要进行高效率的加热。

本发明鉴于上述情况而完成，其目的在于提供一种热泵装置、空调机和制冷机，能够效率良好地加热待机期间的制冷剂，稳定且高效率地实现所需要的加热输出，并且能够降低压缩机内的轴承振动和噪音。

为了解决上述课题、实现发明目的，本发明的热泵装置包括：压缩机，其包括压缩制冷剂的压缩机构、以及驱动上述压缩机构的电动机；逆变器，其施加驱动上述电动机的电压；转换器，其对上述逆变器施加电压；逆变器控制部，其生成驱动上述逆变器的第一驱动信号；以及转换器控制部，其生成驱动上述转换器的第二驱动信号，其中，上述逆变器控制部具有：使上述压缩机进行加热运转的加热运转模式、以及使上述压缩机进行通常运转来压缩制冷剂的通常运转模式，上述转换器控制部在上述逆变器控制部的上述加热运转模式时，基于针对上述电动机的电压指令值设定对上述逆变器施加的电压。

本发明的热泵装置、空调机和制冷机，能够起到效率良好地加热待机期间的制冷剂，稳定且高效率地实现所需要的加热输出，并且能够降低压缩机内的轴承振动和噪音的效果。

附图说明

图1是表示实施方式1的热泵装置的结构示例的图。

图2是表示热泵装置的主要部分的详细结构的一个示例的图。

图3是表示热泵装置的加热运转模式实施判断处理步骤的一个示例的流程图。

图4是表示加热运转模式下的动作步骤的一个示例的流程图。

图5是表示PWM信号生成部的一相的信号生成方法的图。

图6是表示实施方式1的8种开关模式示例的图。

图7是表示切换0°和180°作为高频相位指令θk的情况下的PWM信号的一个示例的图。

图8是图7所示的电压矢量的变化的说明图。

图9是表示低调制率时的相电流、线间电压、PWM信号的一个示例的图。

图10是表示电源电压的变化的影响的图。

图11是表示Si元件与SiC元件的耐压与导通电阻的关系的图。

图12是表示实施方式3的热泵装置的结构示例的图。

图13是有关图12所示的热泵装置的制冷剂的状态的莫里尔图。

符号说明

1、51  压缩机

2、59  四通阀

3、5、52、57  热交换器

4、53、56、61  膨胀机构

6  制冷剂配管

7  压缩机构

8  电动机

9  逆变器

10  转换器

11  母线电压检测部

12  逆变器控制部

13  通常运转模式控制部

14  加热运转模式控制部

15  高频通电部

16  驱动信号生成部

17  转换器控制部

18  驱动信号生成部

19  母线电压控制部

20  母线电压指令值推定部

21a～21f  开关元件

22  PWM信号生成部

23  电压指令值生成部

24  加热指令部

25  制冷剂休眠检测部

54  接收机

55  内部热交换器

58  主制冷剂回路

60  风扇

62  注入回路

63  水回路

100  热泵装置

具体实施方式

下面，基于附图详细说明本发明所涉及的热泵装置、空调机以及制冷机的实施方式。此外，本发明并不局限于该实施方式。

实施方式1

图1是表示本发明涉及的热泵装置的实施方式1的结构示例的图。本实施方式的热泵装置100具备将压缩机1、四通阀2、热交换器3、膨胀机构4以及热交换器5由制冷剂配管6依次连接的制冷循环。在压缩机1的内部设置有对制冷剂进行压缩的压缩机构7、以及对该压缩机构7进行驱动的电动机8。电动机8是具有U相、V相、W相三相绕组的三相电动机。

对电动机8施加电压进行驱动的逆变器9与电动机8电连接。逆变器9以直流电压(母线电压)Vdc为电源，分别对电动机8的U相、V相、W相的绕组施加电压Vu、Vv、Vw。此外，逆变器控制部12与逆变器9电连接。逆变器控制部12具有通常运转模式和加热运转模式这两种运转模式，具有控制各模式的通常运转模式控制部13和加热运转模式控制部14。此外，逆变器控制部12具有驱动信号生成部16和制冷剂休眠检测部25。驱动信号生成部16生成用于驱动逆变器9的信号并输出到逆变器9。制冷剂休眠检测部25监视制冷剂的休眠，在检测出制冷剂休眠的情况下，输出制冷剂休眠信号。

在逆变器控制部12中，在热泵装置100进行通常动作的情况下，使用通常运转模式控制部13。通常运转模式控制部13通过控制驱动信号生成部16，使用于旋转驱动电动机8的PWM(Pulse Width Modulation，脉宽调制)信号作为逆变器驱动信号输出。

在对压缩机1进行加热的情况(从制冷剂休眠检测部25输出了制冷剂休眠信号的情况)下，使用加热运转模式控制部14。在从制冷剂休眠检测部25输出了制冷剂休眠信号的情况下，加热运转模式控制部14通过控制驱动信号生成部16，使PWM信号作为逆变器驱动信号，该PWM信号通过使电动机8无法跟随的高频电流流过，不会使电动机8旋转驱动而是用于加热压缩机1。此时，由加热运转模式控制部14的高频通电部15控制驱动信号生成部16，再由驱动信号生成部16输出PWM信号来驱动逆变器9，由此在短时间内对滞留在压缩机1中的液态制冷剂进行加热使其气化，并排出到压缩机1外部。

逆变器9被施加转换器10的输出电压。转换器10由转换器控制部17驱动。转换器控制部17具有母线电压指令值推定部20、母线电压控制部19和驱动信号生成部18。转换器控制部17基于来自逆变器控制部12的信号和来自母线电压检测部11的信号(母线电压的检测值)，生成针对转换器10的驱动信号并输出到转换器10。这样，通过控制转换器10，向逆变器9输出任意的母线电压。

图2是表示热泵装置的主要部分的详细结构的一个示例的图。图2示出了逆变器9、转换器10、以及逆变器控制部12、转换器控制部17的结构。逆变器9具有6个开关元件(21a、21d、21b、21e、21c、21f)，是将上侧(设表示上侧元件的文字为P)和下侧(设表示下侧元件的文字为N)的开关元件的串联连接部并联连接3个而形成的电路。逆变器9基于从逆变器控制部12传送来的PWM信号UP、UN、VP、VN、WP、WN，驱动分别对应的开关元件，由此产生三相电压Vu、Vv、Vw，分别对电动机8的U相、V相、W相的绕组施加电压。此外，在逆变器9的输入侧(母线电压Vdc的供给侧)设置有用于检测Vdc的母线电压检测部11。

逆变器控制部12的加热运转模式控制部14具有高频通电部15。此外，在图2中，仅记载了在本实施方式的热泵装置中进行特征性动作的构成要素，而省略了关于图1所示的通常运转模式控制部13等的记载。

在加热运转模式控制部14的高频通电部15中，如果由加热指令部24检测出来自制冷剂休眠检测部25的制冷剂休眠信号，则生成高频电压指令Vk和高频相位指令θk。驱动信号生成部16的电压指令值生成部23基于从高频通电部15输入的高频电压指令Vk和高频相位指令θk，生成三相(U相、V相、W相)各自的电压指令Vu*、Vv*、Vw*。PWM信号生成部22基于三相电压指令Vu*、Vv*、Vw*，生成PWM信号(UP、VP、WP、UN、VN、WN)对逆变器9进行驱动，由此对电动机8施加电压。此时，施加不使电动机8的转子旋转的高频电压，来对具有电动机8的压缩机1进行加热。

此外，逆变器9被施加转换器10的输出电压。此外，向逆变器9输入的电压由滤波电容器32进行平滑后施加。转换器10例如是由电抗器34、例如MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-EffectTransistor，金属氧化物半导体场效应晶体管)等开关元件33、以及例如快恢复二极管等防逆流元件35构成的降压转换器。开关元件33由转换器控制部17控制其开关。转换器10的输出电压即施加于逆变器9的电压由母线电压检测部11检测。

以下，使用图1、2的结构图和图3、图4的流程图说明本实施方式的热泵装置100的详细动作。图3是表示热泵装置100的加热运转模式实施判断处理步骤的一个示例的流程图。

逆变器控制部12判断是否是待机状态(压缩机1停止状态)(步骤S1)，在是待机状态的情况下(步骤S1：“是”)，制冷剂休眠检测部25判断在压缩机1内制冷剂是否为休眠状态(步骤S2)。在压缩机1内制冷剂为休眠状态的情况下(步骤S2：“是”)，通过加热运转模式控制部15进行控制，转换为加热运转模式来进行加热压缩机1的动作(步骤S3)，并返回到步骤S1。

在压缩机1内制冷剂不为休眠状态的情况下(步骤S2：“否”)，不转换为加热运转模式，而返回到步骤S1。在不是待机状态的情况下(步骤S1：“否”)，使实施判断处理的动作结束，开始进行通常运转模式等待机状态之外的动作处理。

图4是表示加热运转模式下的动作步骤的一个示例的流程图。如果转换为加热运转模式，则加热运转模式控制部15的高频通电部15的加热指令部24获取施加于电动机的电压的振幅(输出线间电压Vuv、Vvw、Vwu)(步骤S11)，生成高频相位指令θk，将其输出到驱动信号生成部16的电压指令值生成部23(步骤S12)。高频相位指令θk例如通过由使用者操作等从外部提供θ1、θ2两种角度并且以规定的周期交替地选择这两者而生成。此外，该规定的周期也可以由使用者操作等从外部提供，并且高频电压指令Vk也可以由使用者操作等从外部提供。

接着，加热指令部24基于所需要的加热量求取施加于电动机8的电压指令V*，将其输出到电压指令值生成部23(步骤S13)。所需要的加热量例如既可以预先设定，也可以由设计者以根据压缩机1的温度和周围环境温度等进行变更的方式设定。只要确定了压缩机1和电动机8的组合，施加于电动机8的电压指令V*与发热量(即加热量)的关系就唯一地确定。因此，例如加热指令部24根据电动机8和压缩机1的种类将发热量与施加于电动机8的电压指令V*的对应关系作为表数据保存，使用所需要的发热量和表数据，求取电压指令V*。此外，为了加热而需要的发热量取决于外部空气温度、压缩机1温度、母线电压等。因此，也可以不是将所需要的发热量与电压指令V*的对应关系作为表数据保存，而是根据电动机8和压缩机1的种类将外部空气温度、压缩机1温度、母线电压等与电压指令V*的对应关系作为表数据保存，并且参照电动机8和压缩机1的种类以及与外部空气温度、压缩机1温度、母线电压等对应的表数据来求取电压指令V*。此外，电压指令V*的计算方法不限于使用表数据的示例，例如也可以通过预定的计算式等根据发热量来求取。

接着，加热运转模式控制部15获取由母线电压检测部11检测出的母线电压检测值Vdc(步骤S14)，通过以母线电压检测值Vdc乘以1/所得到的值除以电压指令V*来求取高频电压指令Vk。由于为了加热而需要的发热量取决于外部空气温度、压缩机1温度、母线电压等发生变化，所以像这样通过使用母线电压检测值Vdc求取高频电压指令Vk，能够得到更适当的电压指令值，能够提高可靠性。

电压指令生成部23基于高频电压指令Vk和高频相位指令θk，求取电动机各相的电压指令值Vu*、Vv*、Vw*，将其输出到PWM信号生成部22(步骤S15)。PWM信号生成部22对电动机各相的电压指令值Vu*、Vv*、Vw*与规定频率且振幅为Vdc/2的载波信号进行比较，生成PWM信号UP、VP、WP、UN、VN、WN来驱动逆变器9的开关元件21a～21f，并结束处理(步骤S16)。由此，通过驱动开关元件21a～21f，将电压施加于电动机8。

另一方面，在转换器控制部17，从逆变器控制部12获取施加于电动机8的电压振幅后，母线电压控制部19判断该电压振幅是否小于由母线电压检测部11检测出的母线电压检测值Vdc(步骤S17)。在电压振幅较小的情况下(步骤S17：“是”)，母线电压控制部19进行将母线电压指令值设定为施加于电动机的电压振幅的0.5倍的控制(步骤S18)。具体而言，母线电压控制部19向母线电压指令值推定部20指示将母线电压指令值设定为施加于电动机的电压振幅的0.5倍，母线电压指令值推定部20将母线电压指令值决定为施加于电动机的电压振幅的0.5倍。此外，母线电压控制部19基于母线电压检测值Vdc和由母线电压指令值推定部20决定的母线电压指令值，计算开关元件33的导通占空比并输出到驱动信号生成部18。

驱动信号生成部18对导通占空比的值与载波进行比较，生成驱动脉冲(驱动信号)并输出到转换器10(步骤S19)。这里，导通占空比是载波周期中开关元件33的导通时间的比例，为0～1的值。因此，使这里的载波振幅为1即可。基于这样生成的驱动脉冲信号控制开关元件33的导通断开，由此通过转换器动作进行母线电压的降压。

另一方面，在施加于电动机8的电压振幅为母线电压检测值以上的情况下(步骤S17：“否”)，转换器控制部17使转换器10停止(步骤S20)，不进行母线电压的降压。

这里，虽然在上述说明中施加于电动机8的电压振幅(逆变器9施加于电动机8的电压)小于母线电压检测值Vdc(转换器10施加于逆变器9的电压)的情况下的母线电压指令值为该电压振幅的0.5倍，但是该倍率不限于0.5倍。实际中也可能有电动机参数根据电动机的发热状况等发生变化而电动机的实际发热量与所期望的发热量不同的情况。在这种情况下，可以预先考虑发热量的偏差，以振幅的0.5倍的值为中心增减。例如可以将施加于电动机8的电压振幅和所设定的母线电压检测值作为表保存，使用该表，根据施加于电动机8的电压振幅来设定母线电压检测值。

接着，对电压指令生成部23的电压指令值Vu*、Vv*、Vw*的生成方法和PWM信号生成部22的PWM信号的生成方法进行说明。

在电动机8为三相电动机的情况下，通常，UVW的相位彼此相差120°(＝2π/3)。因此，如下述的式(1)所示那样将Vu*、Vv*、Vw*定义为相位各相差2π/3的余弦波(正弦波)。

Vu*＝Vk×cosθ

Vv*＝Vk×cos(θ－2π/3)

Vw*＝Vk×cos(θ+2π/3)…(1)

电压指令生成部23基于高频电压指令Vk和高频相位指令θk，通过式(1)计算各相的电压指令值Vu*、Vv*、Vw*，将计算出的电压指令值Vu*、Vv*、Vw*输出到PWM信号生成部22。PWM信号生成部22对电压指令值Vu*、Vv*、Vw*与规定频率且振幅为Vdc(母线电压的检测值)/2的载波信号(基准信号)进行比较，基于相互的大小关系生成PWM信号UP、VP、WP、UN、VN、WN。

此外，在式(1)中，通过简单的三角函数来求取电压指令Vu*、Vv*、Vw*，但是电压指令Vu*、Vv*、Vw*的求取方法不限于此，使用两相调制、三次谐波叠加调制、空间矢量调制等其它方法也没有任何问题。

接着，对PWM信号生成部22的PWM信号生成方法进行说明。图5是表示PWM信号生成部22的一相的信号生成方法的图。图5所示的信号生成方法相当于一般被称为非同步PWM的方法。将电压指令信号Vu*与规定频率且振幅为Vdc/2的载波信号进行比较，基于相互的大小关系生成PWM信号UP、UN。

即，在载波信号大于电压指令值Vu*时，使UP为导通、UN为断开，除此之外，使UP为断开、UN为导通。对于其它相也同样地生成PWM信号。

图6是表示本实施方式的8种开关模式示例的图。此外，在图6中，将在各开关模式中所产生的电压矢量记载为V0～V7。此外，对各相的名称(U、V、W)附加+或－来表示各电压矢量的电压方向，在没有产生电压的情况下用0表示。这里，+U是产生经由U层流入电动机8而经由V相和W相从电动机8流出的U层方向的电流的电压，－U是产生经由V相和W相流入电动机8而经由U相从电动机8流出的－U层方向的电流的电压。关于±V、±W也是一样。

将图6示出的开关模式组合来输出电压矢量，由此能够使逆变器9输出期望的电压。在由电动机8对压缩机1内的制冷剂进行压缩动作的情况(通常运转模式)下，一般在数10～数kHz以下动作。此时，进一步在加热模式下通过使θ高速变化，能够输出超过数kHz的高谐波电压，对压缩机1通电并进行加热(加热运转模式)。

但是，在一般逆变器的情况下，载波信号的频率亦即载波频率的上限由逆变器的开关元件的开关速度决定，因此难以输出载波亦即载波频率以上的高频电压。在一般IGBT(Insulate Gate BipolarTransistor，绝缘栅双极型晶体管)的情况下，开关速度的上限为20kHz左右。此外，如果高频电压的频率为载波频率的1/10左右，则高频电压的波形输出精度恶化，可能会产生直流分量叠加等不良影响。考虑到这一点，在将载波频率设定为20kHz的情况下，如果将高频电压的频率设为载波频率的1/10的2kHz以下，则高频电压的频率为可听声频率范围，噪音可能恶化。在本实施方式中，通过使相位θ以高速变化，能够对电动机8的绕组施加与载波频率同步的交流电压，能够使施加于电动机8的交流电压为可听声频率之外。

接着，对使用高频相位指令θk使相位θ以高速变化的动作进行说明。图7是表示切换0°和180°作为加热指令部24输出的高频相位指令θk的情况下的PWM信号的一个示例的图。通过在载波信号的顶点或底点的定时将高频相位指令θk切换为0°或180°，能够输出与载波信号同步的PWM信号。此时，电压矢量以V0(UP＝VP＝WP＝0)、V4(UP＝1、VP＝WP＝0)、V7(UP＝VP＝WP＝1)、V3(UP＝0、VP＝WP＝1)、V0(UP＝VP＝WP＝0)、…的顺序进行变化。

图8是图7所示的电压矢量的变化的说明图。此外，在图8中示出了用虚线包围的开关元件21为导通状态、没有用虚线包围的开关元件21为断开状态。如图8所示，在施加V0矢量、V7矢量时电动机8的线间为短路状态，不输出电压。在该情况下，由电动机8的电感所蓄积的能量成为电流在短路电路中流动。此外，在施加V4矢量时，经由U相流入电动机8且经由V相以及W相流入电动机8、并且经由U相流入电动机8且经由V相以及W相从电动机8流出的U相方向的电流(+Iu的电流)流过，施加V3矢量时，经由V相以及W相流入电动机8、经由U相从电动机8流出的-U相方向的电流(-Iu的电流)流过电动机8的绕组。即，施加V4矢量时与施加V3矢量时反方向的电流流过电动机8的绕组。而且，因为电压矢量按照V0、V4、V7、V3、V0、…的顺序变化，因此+Iu的电流与-Iu的电流交替地流过电动机8的绕组。特别是，如图8所示，V4矢量与V3矢量出现于1个载波周期(1/fc)间，因此能够对电动机8的绕组施加与载波频率fc同步的交流电压。此外，由于交替地输出V4矢量(+Iu的电流)与V3矢量(-Iu的电流)，所以瞬间切换正反转矩。因此，通过抵消转矩而抑制转子振动的控制成为可能。

此外，关于转换器控制，在开关元件33导通的情况下，阻止了防逆流元件35的导通，电源电压施加于电抗器34。此外，在开关元件33断开的情况下，防逆流元件35导通，通过在开关元件33导通时所积蓄的能量以与开关元件33导通时相同朝向的极性在电抗器34上感应出电压。此时，电源电压与转换器的输出电压的关系由式(2)给出，可知通过调整导通占空比能够调整母线电压。

Vdc＝D×Vs…(2)

Vdc：母线电压，VS：电源电压，D：占空比

此外，在低调制率时由于母线电压变低而产生作为无通电区间的Td区间。Td区间与实矢量区间不同,难以基于PWM信号来控制。图9中示出低调制率时的相电流、线间电压、PWM信号的一个示例。由于导通占空比较低而产生Td区间，虽然本来应当产生例如实矢量V3、V4或零矢量V0、V7等，但是产生了从Td区间向Td区间或者从Td区间向零矢量区间的转换区间。进而，如图9的右侧所示的相电流和线间电压的放大图所示，在从Td区间向Td区间或者从Td区间向零矢量V7的转换区间，线间电压的dv/dt急剧地增减，在高频率时产生了如Iw所示的脉冲电流。这被认为是由端子间电容和回流二极管的恢复特性引起的短路现象。

由于产生这种脉冲状的电流，所以存在损耗增加、装置发生误动作而系统的稳定性受损的问题。还要考虑脉冲上的电流为数百纳秒而成为兆Hz的高次谐波噪声的发生源的可能性。因此，在本实施方式中，在转换器控制部17中，进行将调制率设定得较高并且将实矢量区间设定得较长的控制。由此，使Td区间中积蓄于电动机的L分量的能量减少，并且通过抑制线间电压的dv/dt，能够抑制上述的脉冲电流。此外，通过将调制率设定为大致50％以上，能够抑制脉冲状电流的产生。

图10是表示电源电压的变化的影响的图。如图10所示，在电源电压产生偏差的情况下，虽然线间电压输出的面积不变，但是由于振幅发生变化而产生流过电动机绕组的输出电流的di/dt变化导致加热输出变动的问题。然而，在本实施方式1中搭载有转换器10，在电源电压发生变动时也能够向逆变器9输入任意的输出电压，因此在电源电压产生偏差时也能够稳定地供给使用者所期望的加热输出。

此外，在加热运转模式中，以比压缩动作时的运转频率(～1kHz)高的频率进行动作，并且对电动机8施加高频电压，由此不会产生旋转转矩和振动，而且通过利用因施加高频电压而产生的电动机8的铁损和因流过绕组的电流而产生的铜损，能够效率良好地加热电动机8。通过加热上述电动机8，将滞留在压缩机1内的液体制冷剂加热并气化，排出到压缩机1的外部。制冷剂休眠检测部25判断该制冷剂排出进行了规定量或者规定时间后，判别其从休眠状态恢复到正常状态，结束加热电动机8。

如上所述，在本实施方式的热泵装置100中，在为液体制冷剂滞留在压缩机1内的状态的情况下，通过使相位高速地变化而能够高效率地加热电动机8，并且，通过满足使用者所期望的必要加热量的高频通电，使频率在可听声频率(20～20kHz)之外的电流流过电动机8，由此能够在抑制噪音的同时加热电动机8。由此，能够高效率地加热滞留在压缩机1内的液体制冷剂，能够使滞留的液体制冷剂排出到压缩机1之外。

此外，通过由降压转换器(转换器10)将母线电压和振幅的比率设定得较高，能够将输出保持不变，并且通过抑制脉冲状电流的产生，能够提供可靠性高的装置。

通常，压缩机动作时的运转频率最高为1kHz左右。因此，为了高效率地进行加热，只要对电动机8施加1kHz以上的高频电压即可，而且如果对电动机8施加例如14kHz以上的高频电压，则电动机8的铁芯的振动声几乎接近可听声频率上限，因此还具有减少噪音的效果。因此，例如以成为可听声频率之外的20kHz左右的高频电压的方式控制电动机8即可。

此外，如果高频电压的频率超过开关元件21a～21f的最大额定频率，则可能会导致元件损坏、产生负载或电源短路。因此，为了确保可靠性，优选高频电压的频率为最大额定频率以下。

此外，在频率超过10kHz、输出超过50W的加热设备的情况下，由于受到日本无线电法第一百条的限制，所以通过事先以不超过50W的方式调整电压指令的振幅或者检测流过的电流并以使其成为50W以下的方式进行反馈，就能够遵守无线电法地对压缩机1进行加热。

实施方式2

接着，对本发明涉及的实施方式2的热泵装置进行说明。本实施方式的热泵装置100的结构与实施方式1相同。以下，对与实施方式1不同的部分进行说明。

本实施方式的热泵装置中，图2所示的开关元件21a～21f为宽禁带半导体元件的碳化硅元件(以下称为SiC元件)的开关元件。图11是表示Si元件和SiC元件的耐压与导通电阻的关系的图。现在，一般来说主流是使用以硅(Si)为材料的半导体。如图11所示，与Si元件相比，可知在SiC元件中禁带大，能够大幅改善耐压与导通电阻的兼顾性。例如，在现有的使用Si元件的感应加热烹调器中需要冷却装置、散热风扇，但通过使用宽禁带半导体元件亦即SiC元件能够大幅降低元件损失，能够使现有的冷却装置、散热片小型化或将其去除。

如上所述，将开关元件从现有Si元件更换为SiC元件由此能够实现大幅度低损失化，能够使冷却装置、散热片小型化、或将其去除，而能够实现装置本身的大幅度低成本化。此外，由于能够实现高频率的开关，而能够使频率更高的电流流过电动机8，且由于电动机8的绕组阻抗增加而使绕组电流降低，因此流入逆变器9的电流降低，于是能够获得更高效率的热泵装置。基于高频化还具有如下优点，由于能够将驱动频率设定在人的可听声频率范围亦即16kHz以上的高频率，因此易于采取噪音对策。

此外，在使用SiC的情况下，较之于现有Si能够低损失地流过更多电流，因此能够获得使冷却片小型化等效果。在本实施方式中以SiC元件为例进行了说明，不过代替SiC而使用氮化镓类材料、金刚石等宽禁带半导体元件也一样，这对于本领域的技术人员是显而易见的。另外，还可以仅使逆变器具备的各开关元件的二极管为宽禁带半导体。此外，还可以用宽禁带半导体来形成存在多个的开关元件中的一部分(至少为1个)。在将宽禁带半导体应用于部分元件的情况下也能够获得上述效果。

此外，在实施方式1以及2中，设想的是作为开关元件主要使用IGBT的情况，但开关元件并不局限于IGBT，使用超级结构造的功率MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor金属氧化物半导体场效应晶体管)、其他绝缘栅半导体元件、双极晶体管也一样，这一点对于本领域的技术人员而言是显而易见的。以上所述以外的本实施方式的结构和动作与实施方式1一样。

实施方式3

图12是表示本发明涉及的热泵装置的实施方式3的结构示例的图。在本实施方式中，对将实施方式1、2中进行了说明的热泵装置搭载于空调机、热泵热水机、冰箱、制冷机等时的结构和动作的一个示例进行说明。

图13是有关图12所示的热泵装置的制冷剂的状态的莫里尔图。在图13中，横轴表示比焓，纵轴表示制冷剂压力。

在本实施方式的热泵装置中，压缩机51、热交换器52、膨胀机构53、接收机54、内部热交换器55、膨胀机构56以及热交换器57由配管依次连接，构成供制冷剂循环的主制冷剂回路58。另外，在主制冷剂回路58中，在压缩机51的排出侧，设置有四通阀59，能够切换制冷剂的循环方向。此外，在热交换器57附近，设置有风扇60。此外，压缩机51是上述实施方式1、2中说明的压缩机1，是具有由逆变器9驱动的电动机8与压缩机构7的压缩机。在图13中省略了图示，不过本实施方式的热泵装置具有：驱动压缩机51的电动机8的逆变器9、逆变器控制部12、母线电压检测部11、转换器10、转换器控制部17。

而且，本实施方式的热泵装置具备从接收机54与内部热交换器55之间到压缩机51的注入管通过配管连接的注入回路62。在注入回路62依次连接有膨胀机构61、内部热交换器55。在热交换器52连接有供水循环的水回路63。另外，在水回路63连接有热水器、暖气片、地暖设备等的散热器等使用水的装置。

对本实施方式的热泵装置的动作进行说明。首先说明制热运转时的动作。在制热运转时，四通阀59被设定为实线方向。另外，该制热运转不仅包括空调机中所使用的制热，还包括对水加热来生成热水的热水供应。

在压缩机51变成高温高压的气相制冷剂(图13的点A)从压缩机51排出，在作为冷凝器亦即散热器的热交换器52进行热交换而液化(图13的点B)。此时，通过从制冷剂散出的热将在水回路63循环的水加热，用于制热与热水供应。

在热交换器52液化的液相制冷剂在膨胀机构53减压，成为气液两相状态(图13的点C)。在膨胀机构53成为气液两相状态的制冷剂在接收机54与要被吸入到压缩机51的制冷剂进行热交换，被冷却并液化(图13的点D)。在接收机54被液化的液相制冷剂分支流到主制冷剂回路58与注入回路62。

在主制冷剂回路58流动的液相制冷剂与在注入回路62流动的制冷剂(在膨胀机构61被减压成为气液两相状态的制冷剂)在内部热交换器55进行热交换，进一步被冷却(图13的点E)。在内部热交换器55被冷却的液相制冷剂在膨胀机构56被减压，成为气液两相状态(图13的点F)。在膨胀机构56成为气液两相状态的制冷剂在作为蒸发器的热交换器57与外部空气进行热交换，被加热(图13的点G)。而且，在热交换器57被加热的制冷剂在接收机54进一步被加热(图13的点H)，并被压缩机51吸入。

另一方面，在注入回路62流动的制冷剂如上所述，在膨胀机构61被减压(图13的点I)，在内部热交换器55实施热交换(图13的点J)。在内部热交换器55进行了热交换的气液两相状态的制冷剂(注入制冷剂)保持气液两相状态从压缩机51的注入管流入压缩机51内。

在压缩机51中，从主制冷剂回路58吸入的制冷剂(图13的点H)被压缩到中间压力，并加热(图13的点K)。注入制冷剂(图13的点J)与被压缩到中间压力并加热的制冷剂(图13的点K)合流，温度下降(图13的点L)。而且，温度下降的制冷剂(图13的点L)进一步被压缩并加热，成为高温高压，并被排出(图13的点A)。

另外，在不进行注入运转的情况下，将膨胀机构61的开度设定为全关。即，在实施注入运转的情况下，膨胀机构61的开度大于规定开度，但在不实施注入运转时，使膨胀机构61的开度小于规定开度。由此，制冷剂不会流入压缩机51的注入管。另外，膨胀机构61的开度通过利用微型计算机等的电子控制进行控制。

下面，对热泵装置100的制冷运转时的动作进行说明。在制冷运转时，四通阀59被设定为虚线方向。另外，该制冷运转不仅包括空调机所使用的制冷，还包括从水中去除热来生成冷水，冷冻等。

在压缩机51成为高温高压的气相制冷剂(图13的点A)从压缩机51被排出，经由四通阀59流到热交换器57侧，在作为冷凝器亦即散热器的热交换器57进行热交换并液化(图13的点B)。在热交换器57被液化的液相制冷剂在膨胀机构56减压成为气液两相状态(图13的点C)。在膨胀机构56成为气液两相状态的制冷剂在内部热交换器55与在注入回路62流动的制冷剂进行热交换，被冷却并液化(图13的点D)。在内部热交换器55，使在膨胀机构56成为气液两相状态的制冷剂、与将在内部热交换器55被液化的液相制冷剂在膨胀机构61进行减压而成为气液两相状态的制冷剂(图13的点I)进行热交换。在内部热交换器55进行了热交换的液相制冷剂(图13的点D)分支流到主制冷剂回路58与注入回路62。

在主制冷剂回路58流动的液相制冷剂在接收机54与被压缩机51吸入的制冷剂进行热交换，进一步被冷却(图13的点E)。在接收机54被冷却的液相制冷剂在膨胀机构53被减压成为气液两相状态(图13的点F)。在膨胀机构53成为气液两相状态的制冷剂在作为蒸发器的热交换器52进行热交换而被加热(图13的点G)。此时，制冷剂吸热，由此在水回路63循环的水被冷却，被用于冷气、冷冻。进而，在热交换器52被加热的制冷剂经由四通阀59流入接收机54，在此进一步被加热(图13的点H)，并被压缩机51吸入。

另一方面，在注入回路62流动的制冷剂如上所述，在膨胀机构61被减压(图13的点I)，在内部热交换器55进行热交换(图13的点J)。在内部热交换器55进行了热交换的气液两相状态的制冷剂(注入制冷剂)保持气液两相状态从压缩机51的注入管流入压缩机51内。有关压缩机51内的压缩动作，与上述制热运转时相同。

另外，在不进行注入运转时，与上述制热运转时相同，将膨胀机构61的开度设为全关，不使制冷剂流入压缩机51的注入管。

此外，在上述说明中，对热交换器52是使制冷剂与在水回路63中循环的水进行热交换的板式热交换器那样的热交换器进行了说明。但是，热交换器52并不局限于此，还可以是使制冷剂与空气进行热交换的热交换器。此外，对于水回路63，不仅可以是水循环的回路，还可以是其他流体循环的回路。

如上所述，实施方式1、2、3中说明的热泵装置能够用于空调机、热泵热水机、冰箱、制冷机等使用了逆变器压缩机的热泵装置。

如上所述，本发明所涉及的热泵装置作为能够有效消除制冷剂休眠现象的热泵装置是有效的。

Claims (10)

1.一种热泵装置，其特征在于，包括：

压缩机，其包括压缩制冷剂的压缩机构、以及驱动所述压缩机构的电动机；

逆变器，其施加驱动所述电动机的电压；

转换器，其对所述逆变器施加电压；

逆变器控制部，其生成驱动所述逆变器的驱动信号；以及

转换器控制部，其生成驱动所述转换器的驱动信号，其中，

所述逆变器控制部具有：通过对所述电动机施加高频交流电压使所述压缩机进行加热运转的加热运转模式、以及使所述压缩机进行通常运转来压缩制冷剂的通常运转模式，

所述转换器控制部在所述逆变器控制部的所述加热运转模式时，基于针对所述电动机的电压指令值设定对所述逆变器施加的电压。

2.根据权利要求1所述的热泵装置，其特征在于：

所述逆变器控制部在所述逆变器控制部的所述加热运转模式时, 能够通过来自使用者的输入来设定对所述电动机施加的高频交流电压的频率、相位、振幅中的至少任一个。

3.根据权利要求2所述的热泵装置，其特征在于：

所述转换器是使施加于所述逆变器的母线电压降压的降压转换器，

所述转换器控制部，持有施加于所述电动机的电压与针对所述母线电压的电压指令值的对应关系，根据基于所述对应关系而施加于所述电动机的电压，设定针对所述母线电压的电压指令值。

4.根据权利要求1、2或3所述的热泵装置，其特征在于：

所述转换器控制部进行控制，使得施加于所述逆变器的电压相对于所述逆变器施加于所述电动机的电压的比率为50%以上。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的热泵装置，其特征在于：

构成所述逆变器的开关元件中的至少1个开关元件由宽禁带半导体形成。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的热泵装置，其特征在于：

构成所述逆变器的开关元件的二极管中的至少1个二极管由宽禁带半导体形成。

7.根据权利要求5或6所述的热泵装置，其特征在于：

所述宽禁带半导体是碳化硅、氮化镓类材料或金刚石。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的热泵装置，其特征在于：

在所述高频交流电压的频率超过10kHz的情况下，将所述电动机的输入功率控制在50W以下。

9.一种空调机，其特征在于：

具备权利要求1至8中任一项所述的热泵装置。

10.一种制冷机，其特征在于：

具备权利要求1至8中任一项所述的热泵装置。