DE112019007291T5 - Wärmepumpe, Wärmepumpensystem, Klimaanlage und Kältemaschine - Google Patents

Wärmepumpe, Wärmepumpensystem, Klimaanlage und Kältemaschine Download PDF

Info

Publication number
DE112019007291T5
DE112019007291T5 DE112019007291.9T DE112019007291T DE112019007291T5 DE 112019007291 T5 DE112019007291 T5 DE 112019007291T5 DE 112019007291 T DE112019007291 T DE 112019007291T DE 112019007291 T5 DE112019007291 T5 DE 112019007291T5
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
frequency
compressor
heat pump
motor
refrigerant
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE112019007291.9T
Other languages
English (en)
Inventor
Takashi Yamakawa
Keisuke Uemura
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsubishi Electric Corp
Original Assignee
Mitsubishi Electric Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mitsubishi Electric Corp filed Critical Mitsubishi Electric Corp
Publication of DE112019007291T5 publication Critical patent/DE112019007291T5/de
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B49/00—Control, e.g. of pump delivery, or pump pressure of, or safety measures for, machines, pumps, or pumping installations, not otherwise provided for, or of interest apart from, groups F04B1/00 - F04B47/00
    • F04B49/06—Control using electricity
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B49/00—Arrangement or mounting of control or safety devices
    • F25B49/02—Arrangement or mounting of control or safety devices for compression type machines, plants or systems
    • F25B49/025—Motor control arrangements
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B35/00—Piston pumps specially adapted for elastic fluids and characterised by the driving means to their working members, or by combination with, or adaptation to, specific driving engines or motors, not otherwise provided for
    • F04B35/04—Piston pumps specially adapted for elastic fluids and characterised by the driving means to their working members, or by combination with, or adaptation to, specific driving engines or motors, not otherwise provided for the means being electric
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04C—ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04C28/00—Control of, monitoring of, or safety arrangements for, pumps or pumping installations specially adapted for elastic fluids
    • F04C28/28—Safety arrangements; Monitoring
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B13/00—Compression machines, plants or systems, with reversible cycle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B40/00—Subcoolers, desuperheaters or superheaters
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B49/00—Arrangement or mounting of control or safety devices
    • F25B49/02—Arrangement or mounting of control or safety devices for compression type machines, plants or systems
    • F25B49/022—Compressor control arrangements
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P27/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage
    • H02P27/04—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage
    • H02P27/06—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage using dc to ac converters or inverters
    • H02P27/08—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage using dc to ac converters or inverters with pulse width modulation
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P29/00—Arrangements for regulating or controlling electric motors, appropriate for both AC and DC motors
    • H02P29/60—Controlling or determining the temperature of the motor or of the drive
    • H02P29/62—Controlling or determining the temperature of the motor or of the drive for raising the temperature of the motor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04C—ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04C2240/00—Components
    • F04C2240/40—Electric motor
    • F04C2240/403—Electric motor with inverter for speed control
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04C—ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04C2270/00—Control; Monitoring or safety arrangements
    • F04C2270/70—Safety, emergency conditions or requirements
    • F04C2270/701—Cold start
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2313/00—Compression machines, plants or systems with reversible cycle not otherwise provided for
    • F25B2313/003—Indoor unit with water as a heat sink or heat source
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2313/00—Compression machines, plants or systems with reversible cycle not otherwise provided for
    • F25B2313/004—Outdoor unit with water as a heat sink or heat source
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2313/00—Compression machines, plants or systems with reversible cycle not otherwise provided for
    • F25B2313/005—Outdoor unit expansion valves
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2400/00—General features or devices for refrigeration machines, plants or systems, combined heating and refrigeration systems or heat-pump systems, i.e. not limited to a particular subgroup of F25B
    • F25B2400/05—Compression system with heat exchange between particular parts of the system
    • F25B2400/053—Compression system with heat exchange between particular parts of the system between the storage receiver and another part of the system
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2400/00—General features or devices for refrigeration machines, plants or systems, combined heating and refrigeration systems or heat-pump systems, i.e. not limited to a particular subgroup of F25B
    • F25B2400/05—Compression system with heat exchange between particular parts of the system
    • F25B2400/054—Compression system with heat exchange between particular parts of the system between the suction tube of the compressor and another part of the cycle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2400/00—General features or devices for refrigeration machines, plants or systems, combined heating and refrigeration systems or heat-pump systems, i.e. not limited to a particular subgroup of F25B
    • F25B2400/13—Economisers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2400/00—General features or devices for refrigeration machines, plants or systems, combined heating and refrigeration systems or heat-pump systems, i.e. not limited to a particular subgroup of F25B
    • F25B2400/16—Receivers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2600/00—Control issues
    • F25B2600/02—Compressor control
    • F25B2600/021—Inverters therefor
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B30/00—Energy efficient heating, ventilation or air conditioning [HVAC]
    • Y02B30/70—Efficient control or regulation technologies, e.g. for control of refrigerant flow, motor or heating

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Control Of Ac Motors In General (AREA)
  • Inverter Devices (AREA)
  • Control Of Motors That Do Not Use Commutators (AREA)
  • Applications Or Details Of Rotary Compressors (AREA)
  • Air Conditioning Control Device (AREA)

Abstract

Eine Wärmepumpe (100) umfasst einen Kompressor (1), der Kältemittel verdichtet, einen Motor (8), der den Kompressor (1) antreibt, einen Inverter (9), der eine gewünschte Spannung an den Motor (8) anlegt, und eine Inverter-Steuereinheit (10), die ein Pulsweitenmodulationssignal zum Ansteuern des Inverters (9) erzeugt, weist als Betriebsarten einen Heizbetriebsmodus, der einen Heizbetrieb des Kompressors (1) durchführt, und einen Normalbetriebsmodus auf, der einen Normalbetrieb des Kompressors (1) zum Verdichten des Kältemittels durchführt, und ändert eine Trägerfrequenz, d. h. die Frequenz eines Trägersignals, im Heizbetriebsmodus periodisch.

Description

  • Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmepumpe, die einen Kompressor aufweist, ein Wärmepumpensystem, eine Klimaanlage und eine Kältemaschine.
  • Hintergrund
  • Ein Gerät mit einem Kompressor zum Verdichten von Kältemittel weist die Funktion auf, einen Stromfluss zu den Leitungen eines Motors des Kompressors zu bewirken, um das Kältemittel zu erwärmen, wenn sich das Kältemittel in einem Zustand der Stagnation befindet, um zu verhindern, dass der Kompressor bei der Aufnahme des Betriebs beschädigt wird, wenn sich das im Kompressor angesammelte Kältemittel in einem Zustand der Stagnation befindet. Ein Beispiel für ein Gerät, das einen Kompressor enthält, ist eine Wärmepumpe. Eine Wärmepumpe wird bei Vorrichtungen wie beispielsweise einer Klimaanlage, einem Wärmepumpen-Warmwasserbereiter, einem Kühlgerät und einem Tiefkühlgerät eingesetzt.
  • Bei einer in Patentdokument 1 beschriebenen Klimaanlage wird an einen Motor eine Hochfrequenzspannung mit einer Frequenz angelegt, die höher ist als im Betrieb zum Verdichten von Kältemittel, wenn ein Zustand der Stagnation des Kältemittels erfasst wird, wodurch verhindert wird, dass ein Drehmoment und Vibrationen auftreten, und eine effiziente Erwärmung unter Ausnutzung von Eisen- und Kupferverlusten erreicht wird.
  • Liste der Zitate
  • Patentliteratur
  • Patentdokument 1: Japanische Offenlegungsschrift Nr. 2011-038689
  • Kurzbeschreibung
  • Technische Problemstellung
  • Nach der in Patentdokument 1 beschriebenen Methode ist jedoch bei hoher Impedanz des Motors der fließende Strom im Verhältnis zur Ausgangsspannung klein, so dass keine ausreichende Leistung geliefert werden kann. Ist die Impedanz dagegen niedrig, ist der fließende Strom im Verhältnis zur Ausgangsspannung groß, was insofern problematisch ist, als dass zwar mit einer kleinen Spannung Leistung erzielt werden kann, aber beispielsweise die Genauigkeit der Spannungsausgabe verschlechtert wird und sich die Gleichspannungen aufgrund eines Ungleichgewichts zwischen positiven und negativen Ausgangsspannungen überlagern, wodurch die Inverterverluste erhöht werden, und die Breite der Pulsweitenmodulation (PWM) des Inverters aufgrund der Verringerung der Ausgangsspannung abnimmt, wodurch ein Strom mit schmalen Impulsen fließt und somit die Inverterverluste erhöht werden.
  • Die vorliegende Erfindung entstand in Anbetracht der obigen Ausführungen, wobei eine Aufgabe darin besteht, eine Wärmepumpe anzugeben, die Kältemittel, das in einem Kompressor stagniert, effizient erwärmen kann.
  • Lösung der Problemstellung
  • Um die vorgenannten Probleme zu lösen und die Aufgabe zu erfüllen, umfasst eine Wärmepumpe gemäß der vorliegenden Erfindung: einen Kompressor, der ein Kältemittel komprimiert; einen Motor, der den Kompressor antreibt; und einen Inverter, der an den Motor eine gewünschte Spannung anlegt. Die Wärmepumpe umfasst ferner: eine Inverter-Steuereinheit, die ein Pulsweitenmodulationssignal zum Ansteuern des Inverters erzeugt, als Betriebsarten einen Heizbetriebsmodus zur Durchführung eines Kompressor-Heizbetriebs und einen Normalbetriebsmodus zur Durchführung eines Kompressor-Normalbetriebs zum Komprimieren des Kältemittels aufweist und im Heizbetriebsmodus eine Trägerfrequenz periodisch ändert, wobei es sich bei der Trägerfrequenz um eine Frequenz eines Trägersignals handelt.
  • Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
  • Eine Wärmepumpe gemäß der vorliegenden Erfindung ermöglicht eine effiziente Erwärmung eines in einem Kompressor stagnierenden Kältemittels.
  • Figurenliste
    • 1 zeigt eine Darstellung zur Veranschaulichung eines Beispiels für die Konfiguration einer Wärmepumpe gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 2 zeigt eine Darstellung zur Veranschaulichung der Konfiguration eines Inverters gemäß der ersten Ausführungsform.
    • 3 zeigt eine Darstellung zur Veranschaulichung eines Beispiels für die Konfiguration einer Heizbetriebsmodus-Steuereinheit und einer Ansteuersignal-Erzeugungseinheit einer Inverter-Steuereinheit gemäß der ersten Ausführungsform.
    • 4 zeigt eine Darstellung zur Veranschaulichung eines Beispiels für die Konfiguration einer Heizungsbestimmungseinheit der ersten Ausführungsform.
    • 5 veranschaulicht Kurven für Beispiele des zeitlichen Verlaufs der Außenlufttemperatur, der Kompressortemperatur und der Kältemittelstagnationsmenge.
    • 6 zeigt eine Darstellung zur Veranschaulichung eines Beispiels für die Konfiguration einer Gleichstromanwendungseinheit.
    • 7 zeigt eine Darstellung zur Veranschaulichung eines Beispiels für die Konfiguration einer Hochfrequenzstromanwendungseinheit.
    • 8 zeigt eine Tabelle zur Veranschaulichung eines Beispiels für acht Schaltmuster bei der ersten Ausführungsform.
    • 9 zeigt ein Diagramm zur Veranschaulichung eines Beispiels für Betriebssignalformen, wenn von einer Stromanwendungs-Umschalteinheit die Anwendung von Gleichstrom ausgewählt wird.
    • 10 zeigt ein Diagramm zur Veranschaulichung eines Beispiels für Betriebssignalformen zeigt, wenn von einer Stromanwendungs-Umschalteinheit die Anwendung von Hochfrequenzstrom ausgewählt wird.
    • 11 zeigt eine Darstellung zur Veranschaulichung eines Beispiels für die Konfiguration einer Hochfrequenzstromanwendungseinheit, die eine Hochfrequenzphasen-Umschalteinheit aufweist.
    • 12 zeigt ein Diagramm zur Veranschaulichung des Betriebs der Inverter-Steuereinheit gemäß der ersten Ausführungsform.
    • 13 zeigt eine Darstellung zur Erläuterung der Änderungen der Spannungsvektoren, die in 12 dargestellt sind.
    • 14 zeigt eine Darstellung zur Erläuterung einer Rotorposition eines IPM-Motors.
    • 15 zeigt einen Kurvenverlauf zur Veranschaulichung der Änderung des Stroms in Abhängigkeit von der Rotorposition des IPM-Motors.
    • 16 zeigt eine Darstellung zur Veranschaulichung der angelegten Spannung, wenn sich θf mit der Zeit ändert.
    • 17 zeigt eine Darstellung zur Veranschaulichung eines Beispiels für den Strom, der durch jede der Phasen U, V und W eines Motors fließt, wenn θf 0°, 30° und 60° beträgt.
    • 18 zeigt ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Beispiels für den Betrieb der Inverter-Steuereinheit gemäß der ersten Ausführungsform.
    • 19 zeigt einen Kurvenverlauf zur Veranschaulichung eines Beispiels für die Steuerung einer Trägerfrequenz, die von der Inverter-Steuereinheit gemäß der ersten Ausführungsform durchgeführt wird.
    • 20 zeigt einen Kurvenverlauf zur Veranschaulichung eines weiteren Beispiels für die Steuerung einer Trägerfrequenz, die von der Inverter-Steuereinheit gemäß der ersten Ausführungsform durchgeführt wird.
    • 21 zeigt eine Darstellung zur Veranschaulichung eines Beispiels für die Konfiguration einer Wärmepumpe gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 22 zeigt den Zustand des Kältemittels in der in 21 dargestellten Wärmepumpe in einem Mollier-Diagramm.
  • Beschreibung von Ausführungsformen
  • Ausführungsformen einer Wärmepumpe, eines Wärmepumpensystems, einer Klimaanlage und einer Kältemaschine gemäß der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die Figuren detailliert beschrieben. Es wird darauf hingewiesen, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die Ausführungsformen beschränkt ist.
  • Erste Ausführungsform
  • 1 zeigt eine Darstellung zur Veranschaulichung eines Beispiels für die Konfiguration einer Wärmepumpe gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie in 1 dargestellt ist, umfasst eine Wärmepumpe 100 der vorliegenden Ausführungsform einen Kältekreislauf, bei dem nacheinander ein Kompressor 1, ein Vier-Wege-Ventil 2, ein Wärmetauscher 3, ein Expansionsmechanismus 4 und ein Wärmetauscher 5 über eine Kältemittelleitung 6 verbunden sind. Der Kompressor 1 enthält einen Verdichtungsmechanismus 7 zum Verdichten des Kältemittels und einen Motor 8, der den Verdichtungsmechanismus 7 in Betrieb setzt. Der Motor 8 ist ein Drehstrommotor mit drei Phasenleitungen für die U-Phase, V-Phase bzw. W-Phase.
  • Ein Inverter 9 zum Anlegen von Spannung an den Motor 8 zum Antreiben des Motors 8 ist mit dem Motor 8 elektrisch verbunden. Der Inverter 9 verwendet eine Busspannung Vdc, bei der es sich um eine Gleichspannung handelt, als Spannungsversorgung, um Spannungen Vu, Vv und Vw an die U-Phasen-, V-Phasen- bzw. W-Phasen-Leitung des Motors 8 anzulegen.
  • Ferner ist eine Inverter-Steuereinheit 10 mit dem Inverter 9 elektrisch verbunden. Die Inverter-Steuereinheit 10 umfasst eine Normalbetriebsmodus-Steuereinheit 11 und eine Heizbetriebsmodus-Steuereinheit 12, die zwei Betriebsarten zugeordnet sind, d. h. einem Normalbetriebsmodus bzw. einem Heizbetriebsmodus. Im Normalbetrieb steuert die Inverter-Steuereinheit 10 den Inverter 9 so, dass sich der Motor 8 dreht. Im Heizbetrieb steuert die Inverter-Steuereinheit 10 den Inverter 9 so, dass der Kompressor geheizt wird, ohne dass sich der Motor 8 dreht. Die Inverter-Steuereinheit 10 gibt ein Signal zur Ansteuerung des Inverters 9, beispielsweise ein PWM-Signal, bei dem es sich um ein Pulsweitenmodulationssignal handelt, an den Inverter 9 aus. Es wird darauf hingewiesen, dass die Inverter-Steuereinheit 10 durch ein diskretes System wie eine Zentraleinheit (CPU), einen digitalen Signalprozessor (DSP) oder einen Mikrocomputer implementiert werden kann. Alternativ kann die Inverter-Steuereinheit 10 durch ein elektrisches Schaltungselement wie eine analoge Schaltung oder eine digitale Schaltung implementiert werden.
  • Die Normalbetriebsmodus-Steuereinheit 11 gibt PWM-Signale aus, so dass der Inverter 9 den Motor 8 in Drehung versetzt. Die Heizbetriebsmodus-Steuereinheit 12 umfasst eine Heizungsbestimmungseinheit 14, eine Gleichstromanwendungseinheit 15 und eine Hochfrequenzstromanwendungseinheit 16, so dass anders als im Normalbetriebsmodus ein Gleichstrom oder ein Hochfrequenzstrom, dem der Motor 8 nicht folgen kann, im Motor 8 fließt, um zu heizen, ohne dass sich der Motor 8 dreht, so dass im Kompressor 1 stagnierendes flüssiges Kältemittel erwärmt wird, um das flüssige Kältemittel zu verdampfen und auszustoßen.
  • 2 zeigt eine Darstellung zur Veranschaulichung der Konfiguration eines Inverters 9 gemäß der ersten Ausführungsform Der Inverter 9 ist eine Schaltung, bei der die Busspannung Vdc als Spanungsversorgung verwendet wird und die drei Reihenschaltungen aus zwei parallel geschalteten Schaltelementen (91a und 91d, 91b und 91e und 91c und 91f) sowie Freilaufdioden 92a bis 92f umfasst, die jeweils parallel zu den Schaltelementen 91a bis 91f geschaltet sind. Der Inverter 9 steuert die Schaltelemente durch PWM-Signale UP, VP, WP, UN, VN und WN an, die ihnen zugeordnet sind und von der Inverter-Steuereinheit 10 gesendet werden (UP steuert 91a an, VP steuert 91b an, WP steuert 91c an, UN steuert 91d an, VN steuert 91e an und WN steuert 91f an), um drei Phasenspannungen Vu, Vv und Vw zu erzeugen, und legt die drei Phasenspannungen Vu, Vv und Vw an die U-Phasen-, V-Phasen- bzw. W-Phasen-Leitung des Motors 8 an.
  • 3 zeigt eine Darstellung zur Veranschaulichung eines Beispiels für die Konfiguration der Heizbetriebsmodus-Steuereinheit 12 und der Ansteuersignal-Erzeugungseinheit 13 einer Inverter-Steuereinheit 10 gemäß der ersten Ausführungsform. Die Inverter-Steuereinheit 10 umfasst die Heizbetriebsmodus-Steuereinheit 12 und die Ansteuersignal-Erzeugungseinheit 13.
  • Die Heizbetriebsmodus-Steuereinheit 12 umfasst die Heizungsbestimmungseinheit 14, die Gleichstromanwendungseinheit 15 und die Hochfrequenzstromanwendungseinheit 16. Die Heizungsbestimmungseinheit 14 weist eine Heizbefehlseinheit 17 und eine Stromanwendungs-Umschalteinheit 18 auf. Die Heizbefehlseinheit 17 bezieht die erforderliche Wärmemenge H*, die zum Austreiben des stagnierenden Kältemittels erforderlich ist. Die Gleichstromanwendungseinheit 15 erzeugt einen Gleichstromspannungsbefehl Vdc* und einen Gleichstromphasenbefehl θdc auf Basis der erforderlichen Wärmemenge H*. Die Hochfrequenzstromanwendungseinheit 16 erzeugt einen Hochfrequenzspannungsbefehl Vac* und einen Hochfrequenzphasenbefehl θac zur Erzeugung einer Hochfrequenzwechselspannung auf Basis der erforderlichen Wärmemenge H*. Ferner sendet die Heizbefehlseinheit 17 ein Schaltsignal an die Stromanwendungs-Umschalteinheit 18, um die Auswahl von entweder Vdc* und θdc oder Vac* und θac und die Übertragung eines Signals als Spannungsbefehl V* und Phasenbefehl θ an die Ansteuersignal-Erzeugungseinheit 13 zu steuern.
  • Die Ansteuersignal-Erzeugungseinheit 13 umfasst eine Spannungsbefehl-Erzeugungseinheit 19 und eine PWM-Signal-Erzeugungseinheit 20. Die Spannungsbefehl-Erzeugungseinheit 19 erzeugt drei Phasenspannungsbefehle Vu*, Vv* und Vw* (U-Phase, V-Phase und W-Phase) auf Basis des Spannungsbefehls V* und des Phasenbefehls θ. Die PWM-Signal-Erzeugungseinheit 20 erzeugt PWM-Signale (UP, VP, WP, UN, VN und WN) zum Ansteuern des Inverters 9 auf Basis der drei Phasenspannungsbefehle Vu*, Vv* und Vw* und der Busspannung Vdc, um den Motor 8 mit Spannung zu versorgen und den Kompressor 1 zu heizen.
  • Als Nächstes werden unter Bezugnahme auf 4 Details der Heizungsbestimmungseinheit 14 beschrieben. 4 zeigt eine Darstellung zur Veranschaulichung eines Beispiels für die Konfiguration der Heizungsbestimmungseinheit 14 gemäß der ersten Ausführungsform. Die Heizungsbestimmungseinheit 14 umfasst die Heizbefehlseinheit 17 und die Stromanwendungs-Umschalteinheit 18, wobei die Heizbefehlseinheit 17 eine Temperaturerfassungseinheit 21, eine Stagnationsmengenschätzeinheit 22, eine Stagnationsmengenerfassungseinheit 23, eine Stagnationsbestimmungsumschalteinheit 24, eine Heiznotwendigkeitsbestimmungseinheit 25, eine Heizbefehl-Berechnungseinheit 26 und eine Stromanwendungsumschaltungsbestimmungseinheit 27 aufweist.
  • Die Temperaturerfassungseinheit 21 erfasst die Außenlufttemperatur (Tc) und die Temperatur (To) des Kompressors 1. Die Stagnationsmengenschätzeinheit 22 schätzt die im Kompressor 1 stagnierende Menge an flüssigem Kältemittel auf Basis der Außenlufttemperatur und der Temperatur des Kompressors 1 (Kompressortemperatur). Es wird darauf hingewiesen, dass, da der Kompressor 1 im Kältemittelkreislauf die größte Wärmekapazität hat und die Kompressortemperatur mit einer Verzögerung zum Anstieg der Außenlufttemperatur ansteigt, der Kompressor 1 im Kältemittelkreislauf die niedrigste Temperatur aufweist. Das Temperaturverhältnis ist daher wie in 5 dargestellt. 5 veranschaulicht beispielhaft Kurvenverläufe für den zeitlichen Verlauf der Außenlufttemperatur, der Kompressortemperatur und der Kältemittelstagnationsmenge.
  • Wie in 5 dargestellt ist, sammelt sich Kältemittel im Kompressor 1 an, wenn die Kompressortemperatur ansteigt (Stagnationsbereiche in 5), da das Kältemittel an einer Stelle mit der niedrigsten Temperatur im Kältemittelkreislauf stagniert und als flüssiges Kältemittel angesammelt wird. Die Stagnationsmengenschätzeinheit 22 kann daher eine Kältemittelstagnationsmenge pro Zeiteinheit aus der Beziehung zwischen der Außenlufttemperatur und der Kompressortemperatur abschätzen, die beispielsweise experimentell ermittelt wurde. Die Stagnationsmenge wird beispielsweise auf Basis des Unterschieds zwischen der Außenlufttemperatur und der Kompressortemperatur oder der Höhe der Änderung der Kompressortemperatur seit dem Beginn des Heizvorgangs geschätzt. Dabei ist festzuhalten, dass die Verzögerung, mit der sich die Kompressortemperatur nach Änderung der Außenlufttemperatur verändert, geschätzt werden kann, auch wenn nur die Außenlufttemperatur erfasst wird, sofern die Wärmekapazität des Kompressors 1 bekannt ist. Es kann daher eine Konfiguration zur Erfassung der Außenlufttemperatur ohne Erfassung der Temperatur des Kompressors 1 verwendet werden, um die Anzahl der Sensoren zu reduzieren und somit die Kosten zu senken. Natürlich ist eine ähnliche Schätzung auch durch die Erfassung der Temperatur einer Komponente möglich ist, die im Kältemittelkreislauf enthalten ist, wie beispielsweise des Wärmetauschers 3.
  • Zudem kann eine genauere Stagnationsmenge erhalten werden, indem ein Sensor zur Erfassung der Stagnationsmenge als Stagnationsmengenerfassungseinheit 23 bereitgestellt wird und die Stagnationsmenge des Kältemittels direkt erfasst wird. Es wird darauf hingewiesen, dass Beispiele für den Sensor zum Erfassen der Stagnationsmenge einen kapazitiven Sensor zum Messen eines Fluidvolumens und einen Sensor zum Messen des Abstands zwischen dem oberen Teil des Kompressors 1 und dem Kältemittelniveau mittels Laser, Schall, elektromagnetischen Wellen oder dergleichen umfassen. Es wird darauf hingewiesen, dass einer der Ausgänge der Stagnationsmengenschätzeinheit 22 und der Stagnationsmengenerfassungseinheit 23 von der Stagnationsbestimmungsumschalteinheit 24 ausgewählt werden kann, wobei es natürlich unproblematisch wäre, beide Stagnationsmengen zur Kontrolle zu verwenden.
  • Wenn auf Basis der Stagnationsmenge, bei der es sich um eine Ausgabe der Stagnationsbestimmungsumschalteinheit 24 handelt, festgestellt wird, dass ein Heizen erforderlich ist, gibt die Heiznotwendigkeitsbestimmungseinheit 25 ein EIN-Signal aus (das anzeigt, dass ein Heizvorgang durchgeführt werden soll), und wenn festgestellt wird, dass ein Heizen nicht erforderlich ist, gibt die Heiznotwendigkeitsbestimmungseinheit 25 ein AUS-Signal aus (das anzeigt, dass kein Heizvorgang durchgeführt werden soll). Zudem berechnet die Heizbefehl-Berechnungseinheit 26 die erforderliche Wärmemenge H*, die die Wärmemenge angibt, der erforderlich ist, um stagnierendes Kältemittel in Abhängigkeit von der Stagnationsmenge auszutreiben. Die erforderliche Wärmemenge H* variiert je nach Art und Größe des Kompressors 1, wobei die erforderliche Wärmemenge H* hoch angesetzt wird, wenn der Kompressor 1 groß ist oder ein Material oder eine Form aufweist, das/die nur schwer Wärme übertragen kann, damit flüssiges Kältemittel zuverlässig abgeführt werden kann. Ferner schaltet die Stromanwendungsumschaltungs-Bestimmungseinheit 27 das Verfahren zur Anwendung von Strom um, indem sie an die Stromanwendungs-Umschalteinheit 18 ein Signal zum Umschalten auf die Anwendung von Gleichstrom ausgibt, wenn die erforderliche Wärmemenge H* größer als ein vorgegebener Schaltschwellenwert ist oder diesem entspricht, und indem sie an die Stromanwendungs-Umschalteinheit 18 ein Signal zum Umschalten auf die Anwendung von Hochfrequenzstrom ausgibt, wenn die erforderliche Wärmemenge H* kleiner als der Schaltschwellenwert ist.
  • Als Nächstes wird die Gleichstromanwendungseinheit 15 unter Bezugnahme auf 6 beschrieben. 6 zeigt eine Darstellung zur Veranschaulichung eines Beispiels für die Konfiguration einer Gleichstromanwendungseinheit 15. Die Gleichstromanwendungseinheit 15 umfasst eine Gleichstromspannungsbefehl-Berechnungseinheit 28 und eine Gleichstromphasenbefehl-Berechnungseinheit 29. Die Gleichstromspannungsbefehl-Berechnungseinheit 28 gibt einen Gleichstromspannungsbefehl Vdc* aus, der für die Wärmeerzeugung auf Basis der erforderlichen Wärmemenge H* erforderlich ist. Die Gleichstromspannungsbefehl-Berechnungseinheit 28 kann die Beziehung zwischen der erforderlichen Wärmemenge H* und dem Gleichstromspannungsbefehl Vdc* beispielsweise in Form von Tabellendaten vorab speichern und daraus den Gleichstromspannungsbefehl Vdc* erhalten. Auch wenn die erforderliche Wärmemenge H* in dieser Beschreibung eingegeben wird, kann ein korrekterer Wert natürlich durch Berechnung des Gleichstromspannungsbefehls Vdc* erhalten werden kann, indem verschiedene Daten wie Außenlufttemperatur, Kompressortemperatur und Kompressorstrukturinformationen als weitere Eingabe verwendet werden, wodurch die Zuverlässigkeit verbessert werden kann.
  • Zudem erhält die Gleichstromphasenbefehl-Berechnungseinheit 29 einen Gleichstromphasenbefehl θdc für die Anwendung von Strom am Motor 8. θdc ist ein fester Wert zur Anwendung von Gleichstromspannung. Zur Anwendung von Strom am Motor 8 in einer Position von 0° wird beispielsweise θdc=0 ausgegeben. Wenn jedoch ständig Strom mit einem festen Wert angelegt wird, kann es sein, dass Wärme nur an einem bestimmten Teil des Motors 8 erzeugt wird. Daher wird θdc mit der Zeit geändert, damit der Motor 8 gleichmäßig erwärmt werden kann.
  • Da der Kompressor 1 bei der Anwendung von Gleichstrom durch Wärmeerzeugung aufgrund von Kupferverlusten proportional zum Widerstand R der Leitungen des Motors 8 und dem im Motor 8 fließenden Gleichstrom Idc erwärmt werden kann, ist festzuhalten, dass die Ansteuerung des Inverters 9 in einer Weise, dass der Gleichstrom Idc größer wird, eine große Wärmeerzeugung ermöglicht und verflüssigtes Kältemittel in kurzer Zeit ausgestoßen werden kann. Der Widerstand R der Leitungen von neueren Motoren 8 ist jedoch aufgrund ihrer hocheffizienten Konstruktion tendenziell kleiner; daher muss Idc um einen Betrag erhöht werden, der dem Betrag der Verringerung des Widerstands R entspricht, um die gleiche Wärmeerzeugung zu erreichen. Infolgedessen gibt es nicht nur Bedenken hinsichtlich der Wärmeentwicklung des Inverters 9 aufgrund der Verschlechterung der Verluste, da der im Inverter 9 fließende Strom größer ist, sondern auch Schwierigkeiten bei der Anwendung von Gleichstrom über einen langen Zeitraum, da der Stromverbrauch ebenfalls steigt.
  • Als Nächstes wird die Hochfrequenzstromanwendungseinheit 16 unter Bezugnahme auf 7 beschrieben. 7 zeigt eine Darstellung zur Veranschaulichung eines Beispiels für die Konfiguration einer Hochfrequenzstromanwendungseinheit 16. Die Hochfrequenzstromanwendungseinheit 16 umfasst eine Hochfrequenzspannungsbefehl-Berechnungseinheit 30 und eine Hochfrequenzphasenbefehl-Berechnungseinheit 31. Die Hochfrequenzspannungsbefehl-Berechnungseinheit 30 gibt einen Hochfrequenzspannungsbefehl Vac* aus, der für die Wärmeerzeugung auf Basis der erforderlichen Wärmemenge H* erforderlich ist. Die Hochfrequenzspannungsbefehl-Berechnungseinheit 30 kann die Beziehung zwischen der erforderlichen Wärmemenge H* und dem Hochfrequenzspannungsbefehl Vac* beispielsweise in Form von Tabellendaten vorab speichern und daraus den Hochfrequenzspannungsbefehl Vac* ableiten. Auch wenn die erforderliche Wärmemenge H* in der Beschreibung eine Eingabe darstellt, kann natürlich ein korrekterer Wert durch Berechnen des Hochfrequenzspannungsbefehls Vac* aus verschiedenen Daten wie Außenlufttemperatur, Kompressortemperatur und Kompressorstrukturinformationen erhalten werden, wodurch die Zuverlässigkeit verbessert werden kann.
  • Darüber hinaus erhält die Hochfrequenzphasenbefehl-Berechnungseinheit 31 einen Hochfrequenzphasenbefehl θac zur Stromanwendung am Motor 8. Um eine Hochfrequenzspannung anzulegen, wird θac kontinuierlich im Bereich von 0° bis 360° zeitlich geändert, so dass eine Hochfrequenzspannung erzeugt wird. Es wird darauf hingewiesen, dass die Frequenz der Hochfrequenzspannung erhöht werden kann, wenn der Zeitraum der Änderung in dem Bereich von 0° bis 360° verkürzt wird.
  • Wenn Hochfrequenzstrom angelegt wird, bewirkt im Gegensatz zur Anwendung von Gleichstrom der Inverter 9, dass im Motor 8 ein Hochfrequenzstrom Iac fließt, so dass der Motor 8 erwärmt werden kann, indem Eisenverluste wie Wirbelstromverluste oder Hystereseverluste in einem magnetischen Material, bei dem es sich um das Material eines Stators oder eines Rotors des Motors 8 handelt, hervorgerufen werden. Wenn die Winkelfrequenz ω des Hochfrequenzstroms hoch ist, kann außerdem nicht nur die Wärmeerzeugung durch den Anstieg der Eisenverluste, sondern auch die Impedanz durch die Induktivität L des Motors 8 erhöht und zudem der darin fließende Hochfrequenzstrom Iac vermindert werden. Dies ermöglicht die Erwärmung des Motors 8 bei gleichzeitiger Verringerung der Verluste des Inverters 9; daher kann Energie eingespart und ein Beitrag zur Vermeidung der globalen Erwärmung geleistet werden. Bei der Anwendung von Hochfrequenzstrom treten jedoch unerwünschte Geräusche auf, d. h. elektromagnetisches Rauschen des Motors 8; daher muss die Frequenz in die Nähe von 20 kHz gebracht werden, bei der es sich um eine Audiofrequenz handelt. Es besteht daher das Problem, dass die erforderliche Erwärmung nicht erreicht werden kann, wenn ein kleiner Motor mit geringen Eisenverlusten oder ein Motor mit großer Induktivität verwendet wird.
  • Bei der vorliegenden Ausführungsform wird demnach, wenn die erforderliche Wärmemenge H* groß ist, Gleichstrom angelegt, um die Wärmemenge zu erhöhen, wodurch flüssiges Kältemittel in kurzer Zeit abgeführt werden kann. Wenn die benötigte Wärmemenge H* klein ist, wird Hochfrequenzstrom angelegt, um mit reduziertem Stromverbrauch zu heizen, wodurch nicht nur flüssiges Kältemittel abgeführt und die Zuverlässigkeit verbessert werden kann, sondern auch ein Betrieb mit reduziertem Stromverbrauch möglich ist, der zur Vermeidung der globalen Erwärmung beiträgt. Daher ist die Stromanwendungsumschaltungs-Bestimmungseinheit 27 so konfiguriert, dass durch die Stromanwendungs-Umschalteinheit 18 auf die Anwendung von Gleichstrom umgeschaltet wird, wenn die erforderliche Wärmemenge H* gleich dem oder größer als der Schaltschwellenwert ist, und durch die Stromanwendungs-Umschalteinheit 18 auf die Anwendung von Hochfrequenzstrom umgeschaltet wird, wenn die erforderliche Wärmemenge H* kleiner als der Schaltschwellenwert ist, um den Spannungsbefehl V* und den Phasenbefehl θ zu erhalten, wodurch die oben beschriebenen Effekte erzielt werden können.
  • Oben wurde ein Verfahren beschrieben, um den Spannungsbefehl V* und den Phasenbefehl θ zu erhalten, wobei als Nächstes ein Verfahren zum Erzeugen der Spannungsbefehle Vu*, Vv* und Vw* durch die Spannungsbefehl-Erzeugungseinheit 19 und ein Verfahren zum Erzeugen eines PWM-Signals durch die PWM-Signal-Erzeugungseinheit 20 beschrieben werden.
  • Wenn der Motor 8 ein Drehstrommotor ist, unterscheiden sich die Phasen U, V und W typischerweise um 120° (=2π/3) voneinander. Daher sind die Spannungsbefehle Vu*, Vv* und Vw* als Cosinusverläufe (Sinusverläufe) mit um 2π/3 voneinander abweichenden Phasen definiert, wie in den folgenden Formeln (1) bis (3) dargestellt ist. Vu * = V * × cos θ
    Figure DE112019007291T5_0001
     Vv * = V * × cos ( θ− ( 2 / 3 ) π )
    Figure DE112019007291T5_0002
     Vw * = V * × cos ( θ+ ( 2 / 3 ) π )
    Figure DE112019007291T5_0003
  • Die Spannungsbefehl-Erzeugungseinheit 19 berechnet die Spannungsbefehle Vu*, Vv* und Vw* nach den Formeln (1) bis (3) auf Basis des Spannungsbefehls V* und des Phasenbefehls θ und gibt die berechneten Spannungsbefehle Vu*, Vv* und Vw* an die PWM-Signal-Erzeugungseinheit 20 aus. Die PWM-Signal-Erzeugungseinheit 20 vergleicht die Spannungsbefehle Vu*, Vv* und Vw* mit einem Trägersignal (Referenzsignal), das bei einer vorgegebenen Frequenz eine Amplitude von Vdc/2 aufweist, und erzeugt PWM-Signale UP, VP, WP, UN, VN und WN auf Basis ihrer Größenbeziehung.
  • Die Spannungsbefehle Vu*, Vv* und Vw* werden durch einfache trigonometrische Funktionen der Formeln (1) bis (3) erhalten, es können jedoch problemlos auch andere Methoden zur Gewinnung der Spannungsbefehle Vu*, Vv* und Vw* eingesetzt werden, wie beispielsweise die Zweiphasenmodulation, die Überlagerungsmodulation der dritten Harmonischen und die Raumzeigermodulation.
  • Wenn der Spannungsbefehl Vu* größer als das Trägersignal ist, ist zu beachten, dass UP eine Spannung zum Einschalten des Schaltelements 91a und UN eine Spannung zum Ausschalten des Schaltelements 91d ist. Wenn dagegen der Spannungsbefehl Vu* kleiner als das Trägersignal ist, ist UP eine Spannung zum Ausschalten des Schaltelements 91a und UN eine Spannung zum Einschalten des Schaltelements 91d. Dasselbe gilt auch für andere Signale, d. h. VP und VN werden durch Vergleichen des Spannungsbefehls Vv* mit dem Trägersignal bestimmt und WP und WN werden durch Vergleichen des Spannungsbefehls Vw* mit dem Trägersignal bestimmt.
  • Da bei einem typischen Inverter ein komplementäres PWM-Verfahren durchgeführt wird, stehen UP und UN, VP und VN sowie WP und WN jeweils in einem umgekehrten Verhältnis zueinander. Somit gibt es insgesamt acht Schaltmuster.
  • 8 zeigt eine Tabelle, die ein Beispiel für die acht Schaltmuster der ersten Ausführungsform veranschaulicht. Es wird darauf hingewiesen, dass in 8 die in den jeweiligen Schaltmustern erzeugten Spannungsvektoren durch die Referenzen V0 bis V7 dargestellt sind. Darüber hinaus werden die Spannungsrichtungen der jeweiligen Spannungsvektoren durch ±U, ±V und ±W dargestellt (0, wenn keine Spannung erzeugt wird). Es wird darauf hingewiesen, dass sich +U auf eine Spannung bezieht, die einen Strom in U-Phasen-Richtung erzeugt, der über die U-Phase in den Motor 8 hineinfließt und über die V-Phase und die W-Phase aus dem Motor 8 herausfließt, und sich -U auf eine Spannung bezieht, die einen Strom in der -U-Phasen-Richtung erzeugt, der über die V-Phase und die W-Phase in den Motor 8 hineinfließt und über die U-Phase aus dem Motor 8 herausfließt. ±V und ±W beziehen sich in ähnlicher Weise auf Richtungen in einzelnen Phasen.
  • Durch Kombination der in 8 dargestellten Schaltmuster werden Spannungsvektoren ausgegeben, so dass eine gewünschte Spannung an den Inverter 9 ausgegeben werden kann. Wenn der Kompressor 1 durch den Motor 8 zum Verdichten von Kältemittel betrieben wird (Normalbetriebsmodus), erfolgt der Betrieb typischerweise mit einigen zehn bis einigen kHz oder niedriger. Wenn die angelegte Spannung im Normalbetriebsmodus bei einigen zehn bis einigen kHz liegt, kann eine Gleichstromspannung erzeugt werden, indem die Phase θ auf einen festen Wert eingestellt wird, um den Kompressor 1 zu erwärmen, oder eine Hochfrequenzspannung (hochfrequente Wechselstromspannung), die mehrere kHz überschreitet, kann ausgegeben werden, indem die Phase θ mit einer hohen Rate geändert wird, um Strom an den Kompressor 1 anzulegen und den Kompressor 1 im Heizbetriebsmodus zu erwärmen. Es wird darauf hingewiesen, dass die Hochfrequenzspannung an drei Phasen oder an zwei Phasen angelegt werden kann.
  • 9 zeigt ein Diagramm zur Veranschaulichung eines Beispiels für Betriebssignalformen, wenn von der Stromanwendungs-Umschalteinheit 18 die Anwendung von Gleichstrom ausgewählt wird. Wenn θ=90° eingestellt ist, erhält man Vu*=0, Vv*=-0,5 V* und Vw*=0,5 V*, die in 9 dargestellten PWM-Signale werden als Ergebnis des Vergleichs mit dem Trägersignal (Referenzsignal) erhalten, Spannungsvektoren V0 (Spannung 0), V2 (Spannung +V), V6 (Spannung -W) und V7 (Spannung 0) von 8 werden ausgegeben, sodass im Motor 8 Gleichstrom fließt.
  • 10 zeigt ein Diagramm zur Veranschaulichung eines Beispiels für Betriebssignalformen, wenn von der Stromanwendungs-Umschalteinheit 18 die Anwendung von Hochfrequenzstrom ausgewählt wird. Da θ=0° bis 360° eingestellt ist und Vu*, Vv* und Vw* Sinuskurven (Cosinuskurven) mit einer Phasendifferenz von 120° sind, werden die in 10 dargestellten PWM-Signale als Ergebnis des Vergleichs mit dem Trägersignal (Referenzsignal) erhalten, die Spannungsvektoren ändern sich mit der Zeit, und dadurch fließt im Motor 8 ein hochfrequenter Strom.
  • Bei einem typischen Inverter wird die Obergrenze der Trägerfrequenz, d. h. die Frequenz des Trägersignals, jedoch durch die Schaltgeschwindigkeiten der Schaltelemente des Inverters bestimmt. Daher ist es schwierig, eine hochfrequente Spannung mit einer Frequenz auszugeben, die größer oder gleich der Trägerfrequenz ist. Dabei ist zu beachten, dass bei einem typischen Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT) die obere Grenze der Schaltgeschwindigkeit bei etwa 20 kHz liegt.
  • Wenn die Frequenz der Hochfrequenzspannung etwa 1/10 der Trägerfrequenz beträgt, kann sich die Ausgabegenauigkeit des Kurvenverlaufs der Hochfrequenzspannung verschlechtern, was einen nachteiligen Effekt wie beispielsweise die Überlagerung von Gleichstromkomponenten haben kann. Wenn die Trägerfrequenz 20 kHz beträgt und die Frequenz der Hochfrequenzspannung auf 2 KHz oder niedriger eingestellt wird, d. h. 1/10 der Trägerfrequenz entspricht, liegt die Frequenz der Hochfrequenzspannung innerhalb eines Audiofrequenzbereichs, und unerwünschte Geräusche können sich verschlimmern.
  • Die Hochfrequenzstromanwendungseinheit 16 kann daher so konfiguriert sein, dass sie das Ausgangssignal der Hochfrequenzphasen-Umschalteinheit 32, die das Ausgangssignal zwischen 0° und 180° umschaltet, zu einem Ausgangssignal der Hochfrequenzphasenbefehl-Berechnungseinheit 31 addiert und das Ergebnis der Addition als Hochfrequenzphasenbefehl θac ausgibt, wie in 11 dargestellt ist. 11 zeigt eine Darstellung zur Veranschaulichung eines Beispiels für die Konfiguration einer solchen Hochfrequenzstromanwendungseinheit 16. Im Beispiel der Konfiguration von 11 gibt die Hochfrequenzphasenbefehl-Berechnungseinheit 31 einen festen Wert aus, um nur die Phase des Motors 8 auszugeben, bei der Strom angelegt werden soll. Die Hochfrequenzphasen-Umschalteinheit 32 schaltet zu den Zeitpunkten der Maxima und Minima des Trägersignals zwischen 0° und 180° um, um positive und negative Spannungen synchron mit dem Trägersignal auszugeben, wodurch eine Spannung mit einer Frequenz, die der Trägerfrequenz entspricht, ausgegeben werden kann.
  • 12 zeigt ein Diagramm zur Veranschaulichung des Betriebs der Inverter-Steuereinheit 10. 12 veranschaulicht den Betrieb der Inverter-Steuereinheit 10, wenn der Spannungsbefehl V* ein vorgegebener Wert ist und die Ausgabe der Hochfrequenzphasenbefehl-Berechnungseinheit 310° ist. Der Hochfrequenzphasenbefehl θac wird zwischen 0° und 180° zu den Zeitpunkten der Maxima, der Minima oder der Maxima und der Minima des Trägersignals umgeschaltet, was die Ausgabe von PWM-Signalen synchron mit dem Trägersignal ermöglicht. In diesem Fall ändern sich die Spannungsvektoren in folgender Reihenfolge: 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), ....
  • 13 zeigt eine Darstellung zur Erläuterung der Änderungen der in 12 dargestellten Spannungsvektoren. Es wird darauf hingewiesen, dass sich in 13 die Schaltelemente 91 in den gestrichelten Kreisen im EIN-Zustand befinden und die Schaltelemente 91, die nicht in gestrichelten Kreisen liegen, AUS sind. Wie in 13 dargestellt ist, sind die Leitungen des Motors 8 zum Zeitpunkt des Anlegens eines V0-Vektors und eines V7-Vektors kurzgeschlossen und es wird keine Spannung ausgegeben. In diesem Fall fließt durch den Kurzschluss die in der Induktivität des Motors 8 gespeicherte Energie als Strom. Über die Leitungen des Motors 8 fließt beim Anlegen eines V4-Vektors ein Strom in U-Phasen-Richtung (ein Strom von +Iu) über die U-Phase in den Motor 8 hinein und über die V-Phase und die W-Phase aus dem Motor 8 heraus und beim Anlegen eines V3-Vektors ein Strom in U-Phasen-Richtung (ein Strom von -Iu) über die V-Phase und die W-Phase in den Motor 8 hinein und über die U-Phase aus dem Motor 8 heraus. Demnach fließen zum Zeitpunkt des Anlegens des V4-Vektors und zum Zeitpunkt des Anlegens des V3-Vektors Ströme in entgegengesetzter Richtung durch die Leitungen des Motors 8. Da sich die Spannungsvektoren in der Reihenfolge V0, V4, V7, V3, V0, ... ändern, fließen der Strom +Iu und der Strom -Iu abwechselnd durch die Leitungen des Motors 8. Da der V4-Vektor und der V3-Vektor innerhalb einer Trägerperiode (1/fc) auftreten, kann insbesondere, wie in 12 dargestellt ist, eine mit der Trägerfrequenz fc synchronisierte Wechselspannung an die Leitungen des Motors 8 angelegt werden.
  • Da der V4-Vektor (Strom +Iu) und der V3-Vektor (Strom -Iu) abwechselnd ausgegeben werden, wird unmittelbar zwischen Vor- und Rückdrehmomenten umgeschaltet. Das Drehmoment hebt sich somit auf, wodurch Spannung mit reduzierten Rotorvibrationen angelegt werden kann.
  • 14 zeigt eine Darstellung zur Erläuterung einer Rotorposition (Rotorstopp-Position) eines Innen-Permanentmagnet-Motors (IPM-Motor). Dabei wird die Rotorposition φ des IPM-Motors durch die Größe des Winkels ausgedrückt, um den die Richtung des N-Pols des Rotors von der U-Phasen-Richtung abweicht.
  • 15 zeigt einen Kurvenverlauf zur Veranschaulichung der Änderung des Stroms in Abhängigkeit von der Rotorposition eines IPM-Motors. Wenn der Motor 8 ein IPM-Motor ist, hängt die Wicklungsinduktivität von der Rotorposition ab. Die Wicklungsimpedanz, ausgedrückt durch das Produkt aus der elektrischen Winkelfrequenz ω und einem Induktivitätswert, variiert also in Abhängigkeit von der Rotorposition. Daher ändert sich der durch die Leitungen des Motors 8 fließende Strom in Abhängigkeit von der Rotorposition, selbst wenn dieselbe Spannung angelegt wird, und die Heizleistung ändert sich. Infolgedessen kann je nach Rotorposition viel Strom verbraucht werden, um die erforderliche Wärmemenge zu erhalten.
  • Bei der vorliegenden Ausführungsform wird die Ausgabe (dargestellt durch θf) der Hochfrequenzphasenbefehl-Berechnungseinheit 31 daher mit der Zeit geändert, so dass an den Rotor gleichmäßig Spannung angelegt wird. 16 zeigt eine Darstellung zur Veranschaulichung der angelegten Spannung, wenn sich θf zeitlich ändert. Dabei wird θf mit der Zeit um 45° in der Reihenfolge 0°, 45°, 90°, 135°, ... verändert. Wenn θf 0° beträgt, ist die Phase θ des Spannungsbefehls 0° und 180°, wenn θf 45° beträgt, ist die Phase θ des Spannungsbefehls 45° und 225°, wenn θf 90° beträgt, ist die Phase θ des Spannungsbefehls 90° und 270°, und wenn θf 135° beträgt, ist die Phase θ des Spannungsbefehls 135° und 315°.
  • Konkret wird θf anfänglich auf 0° gesetzt, und die Phase θ des Spannungsbefehls wird synchron mit dem Trägersignal für eine vorgegebene Zeit zwischen 0° und 180° umgeschaltet. Danach wird θf auf 45° umgeschaltet, und die Phase θ des Spannungsbefehls wird synchron mit dem Trägersignal für eine vorgegebene Zeit zwischen 45° und 225° umgeschaltet. Danach wird θf auf 90° umgeschaltet ..., wobei auf diese Weise die Phase θ des Spannungsbefehls zu der jeweiligen vorgegebenen Zeit zwischen 0° und 180°, zwischen 45° und 225°, zwischen 90° und 270°, zwischen 135° und 315°, ... umgeschaltet wird. Da sich auf diese Weise die Stromanwendungsphase der Hochfrequenzwechselstromspannung zeitlich ändert, kann der Einfluss der von der Rotorstoppstellung abhängigen Induktivitätscharakteristik eliminiert werden und der Kompressor 1 kann unabhängig von der Rotorstellung gleichmäßig beheizt werden.
  • 17 zeigt eine Darstellung zur Veranschaulichung eines Beispiels für den Stromfluss durch jede der Phasen U, V und W des Motors 8, wenn θf 0° (die Richtung der U-Phase (V4) ist 0°), 30° und 60° beträgt. Wenn θf 0° ist, wird wie in 17 dargestellt nur ein weiterer Spannungsvektor (Spannungsvektor, bei dem von den Schaltelementen 91a bis 91f ein Schaltelement auf der positiven Spannungsseite und zwei Schaltelemente auf der negativen Spannungsseite oder zwei Schaltelemente auf der positiven Spannungsseite und ein Schaltelement auf der negativen Spannungsseite eingeschaltet sind) zwischen V0 und V7 erzeugt. In diesem Fall hat der Strom einen trapezförmigen Kurvenverlauf mit weniger harmonischen Komponenten.
  • Wenn θf jedoch 30° beträgt, werden zwei unterschiedliche Spannungsvektoren zwischen V0 und V7 erzeugt. In diesem Fall weist der Strom einen deformierten Kurvenverlauf mit vielen harmonischen Komponenten auf. Die Verformung des Kurvenverlaufs des Stroms kann sich nachteilig auswirken, z. B. durch unerwünschte Motorgeräusche oder Vibrationen der Motorwelle.
  • Wenn θf 60° beträgt, wird ähnlich wie in dem Fall, in dem θf 0° beträgt, ebenfalls nur ein weiterer Spannungsvektor zwischen V0 und V7 erzeugt. In diesem Fall hat der Strom einen trapezförmigen Kurvenverlauf mit weniger harmonischen Komponenten.
  • Wie oben beschrieben wurde, ist die Phase θ des Spannungsbefehls ein Vielfaches von 60° (hierin θp = 0°, θn = 180°), wenn die Referenzphase θf das n-fache von 60° beträgt (n ist eine ganze Zahl größer oder gleich 0), so dass nur ein weiterer Spannungsvektor zwischen V0 und V7 erzeugt wird. Beträgt die Referenzphase θf dagegen nicht das n-fache von 60°, ist die Phase θ des Spannungsbefehls kein Vielfaches von 60° und es werden somit zwei weitere Spannungsvektoren zwischen V0 und V7 erzeugt. Wenn zwischen V0 und V7 zwei weitere Spannungsvektoren erzeugt werden, weist der Strom einen deformierten Kurvenverlauf mit mehr Oberwellenkomponenten auf, was sich beispielsweise durch unerwünschte Motorgeräusche und Vibrationen der Motorwelle nachteilig auswirken kann. Es ist daher wünschenswert, die Referenzphase θf in Schritten des n-fachen von 60° zu ändern, d. h. 0°, 60°, ....
  • Als Nächstes wird die Funktionsweise der Inverter-Steuereinheit 10 beschrieben. 18 zeigt ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Beispiels für den Betrieb der Inverter-Steuereinheit 10 gemäß der ersten Ausführungsform. Während der Betrieb des Kompressors 1 gestoppt ist, bestimmt die Heizungsbestimmungseinheit 14 durch den oben beschriebenen Vorgang (Schritt S1: Heizungsbestimmungsschritt), ob der Heizbetriebsmodus durchgeführt werden soll oder nicht.
  • Wenn die Heiznotwendigkeitsbestimmungseinheit 25 bestimmt hat, den Heizbetriebsmodus durchzuführen (Schritt S1 Ja), wird eine Benachrichtigung, die einen Heizungsmodus anzeigt, als Betriebsmodusinformation bereitgestellt.
  • Anschließend wird bestimmt, ob die erforderliche Wärmemenge H*, bei der es sich um eine Ausgabe der Heizbefehl-Berechnungseinheit 26 handelt, größer oder gleich dem Schwellenwert ist (Schritt S2: Stromanwendungsumschaltungsschritt); wenn die erforderliche Wärmemenge H* dem Schwellenwert entspricht oder größer als der Schwellenwert ist (Schritt S2 Ja), schaltet die Stromanwendungs-Umschalteinheit 18 auf die Anwendung von Gleichstrom um, um Vdc* und θdc als V* und θ einzustellen, und die Spannungsbefehl-Erzeugungseinheit 19 berechnet die Spannungsbefehle Vu*, Vv* und Vw* (Schritt S3). Die PWM-Signal-Erzeugungseinheit 20 vergleicht dann die von der Spannungsbefehl-Erzeugungseinheit 19 ausgegebenen Spannungsbefehle Vu*, Vv* und Vw* mit dem Trägersignal und erhält die PWM-Signale UP, VP, WP, UN, VN und WN und gibt diese an den Inverter 9 aus (Schritt S4), wobei die Prozedur dann zu Schritt S1 zurückkehrt.
  • Wenn die Heiznotwendigkeitsbestimmungseinheit 25 in Schritt S1 festgestellt hat, dass der Heizbetriebsmodus nicht ausgeführt werden soll (Schritt S1 Nein), kehrt die Prozedur zu Schritt S1 zurück, in dem nach einer vorgegebenen Zeit erneut festgestellt wird, ob der Heizbetriebsmodus durchgeführt werden soll oder nicht.
  • Wenn in Schritt S2 festgestellt wird, dass die erforderliche Wärmemenge H* kleiner als der Schwellenwert ist (Schritt S2 Nein), schaltet die Stromanwendungs-Umschalteinheit 18 auf die Anwendung von Hochfrequenzstrom um, um Vac* und θac als V* und θ einzustellen, die Spannungsbefehl-Erzeugungseinheit 19 berechnet die Spannungsbefehle Vu*, Vv* und Vw* (Schritt S5), und die Prozedur wird mit Schritt S4 fortgesetzt.
  • Durch den oben beschriebenen Ablauf werden im Heizbetriebsmodus die Schaltelemente 91a bis 91f des Inverters 9 so angesteuert, dass Gleichstrom oder Hochfrequenzstrom im Motor 8 fließt. Wenn die Anwendung von Gleichstrom ausgewählt wird, kann der Motor 8 durch den Kupferverlust, der durch den Gleichstrom verursacht wird, Wärme erzeugen und eine hohe Leistung liefern. Dadurch kann der Motor 8 in kurzer Zeit aufgeheizt werden, wodurch das im Kompressor 1 stagnierende flüssige Kältemittel erwärmt und verdampft wird und in kurzer Zeit aus dem Kompressor 1 entweicht. Wenn die Anwendung von Hochfrequenzstrom ausgewählt wird, kann der Motor 8 nicht nur durch den Eisenverlust aufgrund des Hochfrequenzstroms, sondern auch durch den Kupferverlust aufgrund des durch die Leitungen fließenden Stroms effizient erwärmt werden. Auf diese Weise kann der Motor 8 mit minimalem Stromverbrauch aufgeheizt werden, und das im Kompressor 1 stagnierende flüssige Kältemittel kann erhitzt und verdampft werden und aus dem Kompressor 1 entweichen.
  • Wie oben beschrieben wurde, wird bei der Wärmepumpe 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform, wenn sich im Kompressor 1 flüssiges Kältemittel in einem Zustand der Stagnation befindet, bewirkt, dass Strom mit einer Frequenz außerhalb eines Audiofrequenzbereichs im Motor 8 durch Anwenden von Gleichstrom oder Anwenden von Hochfrequenzstrom fließt, um unerwünschte Geräusche zu reduzieren, wobei die Stromanwendung nach Bedarf auf die Anwendung von Gleichstrom umgeschaltet wird, wenn die erforderliche Wärmemenge groß ist, und auf die hocheffiziente Anwendung von Hochfrequenzstrom, wenn die erforderliche Wärmemenge klein ist, wodurch der Motor 8 effizient erwärmt werden kann. Dadurch kann das im Kompressor 1 stagnierende Kältemittel effizient erwärmt werden und das stagnierende Kältemittel kann aus dem Kompressor 1 entweichen.
  • Bei der Anwendung von Gleichstrom fließt im Motor 8 Gleichstrom und der Rotor des Motors 8 kann durch Gleichstromerregung in einer vorgegebenen Position fixiert werden; daher dreht sich der Rotor nicht und er vibriert nicht.
  • Es ist zu beachten, dass, wenn eine Hochfrequenzspannung, die größer oder gleich der Betriebsfrequenz während des Kompressionsbetriebs ist, zum Zeitpunkt der Anwendung von Hochfrequenzstrom an den Motor 8 angelegt wird, der Rotor des Motors 8 der Frequenz nicht folgen kann und somit keine Rotation und Vibration auftritt. Daher ist die Frequenz der vom Inverter 9 ausgegebenen Spannung wünschenswerterweise größer oder gleich der Betriebsfrequenz während des Kompressionsbetriebs.
  • Typischerweise beträgt die Betriebsfrequenz während des Kompressionsbetriebs höchstens 1 kHz. Daher ist es ausreichend, wenn eine Hochfrequenzspannung größer oder gleich 1 kHz an den Motor 8 angelegt wird. Wenn eine Hochfrequenzspannung größer oder gleich 14 kHz an den Motor 8 angelegt wird, liegt das Vibrationsgeräusch des Eisenkerns des Motors 8 fast an der oberen Grenze der Audiofrequenz, was auch in Bezug auf die Reduzierung unerwünschter Geräusche einen vorteilhaften Effekt hat. Es wird daher beispielsweise eine Hochfrequenzspannung von etwa 20 kHz, die außerhalb des Audiofrequenzbereich liegt, ausgegeben.
  • Übersteigt die Frequenz der Hochfrequenzspannung jedoch eine maximale Nennfrequenz der Schaltelemente 91a bis 91f, kann ein Kurzschluss der Last oder der Stromquelle durch Versagen der Schaltelemente 91a bis 91f verursacht werden, wodurch sich Rauch und Feuer entwickeln können. Daher ist es zur Gewährleistung der Zuverlässigkeit wünschenswert, dass die Frequenz der Hochfrequenzspannung kleiner oder gleich der maximalen Nennfrequenz ist.
  • Ferner sind als Motor 8 des Kompressors 1 von neueren Wärmepumpen Motoren mit einer IPM-Struktur zur Erhöhung des Wirkungsgrads oder Motoren mit konzentrierter Wicklung mit kleinen Spulenenden und einem niedrigen Spulenwiderstand weitverreitet. Da ein Motor mit konzentrierter Wicklung einen niedrigen Spulenwiderstand hat und eine geringe Wärmemenge durch Kupferverluste erzeugt, muss in den Leitungen ein hoher Strom fließen. Wenn in den Leitungen ein hoher Strom fließt, wird auch der Strom, die im Inverter 9 fließt, hoch, wodurch der Inverterverlust steigt.
  • Wenn im Heizbetriebsmodus die Erwärmung durch die Anwendung von Hochfrequenzstrom erfolgt, werden aufgrund der hohen Frequenz die induktiven Komponenten erhöht, und die Wicklungsimpedanz nimmt zu. Infolgedessen wird der in den Leitungen fließende Strom kleiner und der Kupferverlust verringert sich; durch das Anlegen der Hochfrequenzspannung wird jedoch entsprechend ein Eisenverlust verursacht, was eine effektive Erwärmung ermöglicht. Da der in den Leitungen fließende Strom kleiner wird, wird auch der im Inverter 9 fließende Strom kleiner, wodurch auch die Verluste im Inverter 9 verringert werden und eine effizientere Heizung möglich ist.
  • Wenn es sich bei dem Kompressor 1 um einen Motor mit IPM-Struktur handelt, wird die Rotoroberfläche, auf der sich hochfrequente magnetische Flüsse miteinander verbinden, als Ergebnis der Erwärmung durch die Anwendung von Hochfrequenzstrom, wie oben beschrieben wurde, ebenfalls zu einem wärmeerzeugenden Element. Dadurch vergrößert sich die mit dem Kältemittel in Berührung kommende Fläche und es kommt zu einer schnellen Erwärmung des Kompressionsmechanismus, wodurch das Kältemittel effizient erwärmt werden kann. Da es jedoch bei Anwendung von Hochfrequenzstrom weniger wahrscheinlich ist, dass eine erforderliche Wärmemenge erreicht wird, wenn die Impedanz zu hoch ist, wird die Anwendung von Hochfrequenzstrom auf die Anwendung von Gleichstrom umgeschaltet, wenn eine große Heizleistung benötigt wird, wodurch im Kompressor 1 stagnierendes flüssiges Kältemittel zuverlässig verdampft und zur Außenseite des Kompressors 1 abgeführt werden kann.
  • Als Alternative zum Umschalten zwischen der Anwendung von Gleichstrom und der Anwendung von Hochfrequenzstrom kann die Inverter-Steuereinheit 10 so betrieben werden, dass Gleichstrom und Hochfrequenzstrom gleichzeitig fließen, wodurch eine Anwendung von Strom möglich ist, bei der sowohl eine große Heizleistung, was ein Vorteil der oben beschriebenen Anwendung von Gleichstrom ist, als auch ein geringer Verlust, was ein Vorteil der Anwendung von Hochfrequenzstrom ist, erreicht wird. Wenn im Heizbetriebsmodus Hochfrequenzstrom und kein Gleichstrom angewendet wird, kann zudem ein Mechanismus zum Schalten der Verbindung der Leitungen des Motors vorgesehen werden, so dass die Impedanz variabel ist. In diesem Fall kann die Heizleistung durch Absenken der Impedanz erhöht werden, und die für die Erwärmung erforderliche Spannung wird durch Erhöhen der Impedanz relativ erhöht, was die Breite des realen Vektors vergrößert und eine Steuerung mit hoher Genauigkeit ermöglicht.
  • Es wird darauf hingewiesen, dass im Falle eines Motors mit hoher Impedanz die Leistung, die durch die Anwendung von Hochfrequenzstrom geliefert werden kann, begrenzt ist, was umso ausgeprägter ist, je höher die Frequenz ist. Daher wird bei der Wärmepumpe 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform eine Steuerung zur periodischen Änderung der Trägerfrequenz im Heizbetriebsmodus durchgeführt.
  • 19 zeigt einen Kurvenverlauf zur Veranschaulichung eines Beispiels für die Steuerung einer Trägerfrequenz, die von der Inverter-Steuereinheit 10 der Wärmepumpe 100 gemäß der ersten Ausführungsform durchgeführt wird. Konkret veranschaulicht 19 ein Beispiel, bei dem die Mitte der Trägerfrequenz des Inverters 9 16 kHz beträgt und sich die Trägerfrequenz in Form einer Sinuskurve mit einer Amplitude von 2 kHz und einer Periode von 1/500 s ändert. Da die Amplitude in dem in 19 dargestellten Beispiel 2 kHz beträgt, ändert sich die Trägerfrequenz periodisch zwischen 14 kHz und 18 kHz mit einer Periode von 1/500 s.
  • Wie in 19 dargestellt ist, wird die Trägerfrequenz so gesteuert, dass sie sich periodisch und in Bezug auf den Referenzmittenwert symmetrisch ändert, so dass der Mittelwert der Ausgangsleistung nahe an dem Wert liegt, der im Falle des Betriebs mit konstanter Trägerfrequenz auf dem Mittenwert (16 kHz) erreicht wird, was eine Steuerung der Heizleistung ermöglicht.
  • Da die Trägerfrequenz variabel ist, können außerdem die Peaks von durch die Trägerfrequenz hervorgerufenen unerwünschten Geräuschen verteilt und die unerwünschten Geräusche reduziert werden. Wenn also die Trägerfrequenz geändert wird und der Mittenwert der Trägerfrequenz innerhalb eines hörbaren Bereichs (16 kHz oder niedriger) liegt, ist es möglich, sowohl eine Reduzierung der unerwünschten Geräusche als auch eine Erhöhung der Heizleistung zu erreichen.
  • Ein Beispiel, bei dem die Trägerfrequenz mit einer Amplitude von 2 kHz und einer Periode von 1/500 s geändert wird, ist in 19 dargestellt, die Trägerfrequenz ist jedoch nicht darauf beschränkt. Da der Effekt der Verteilung von Trägerkomponenten nicht ausreichend verwirklicht werden kann, wenn sowohl die Amplitude als auch die Periode zu klein sind, ist es effektiver, eine relativ große Amplitude und eine relativ große Periode in Abhängigkeit vom Mittenwert der Trägerfrequenz zu wählen. Die Amplitude und die Frequenz werden vorzugsweise im Hinblick auf die Leistung einer Steuerung festgelegt, wie beispielsweise einer CPU, durch die die Inverter-Steuereinheit 10 implementiert wird.
  • 20 zeigt einen Kurvenverlauf zur Veranschaulichung eines weiteren Beispiels für die Steuerung einer Trägerfrequenz, die von der Inverter-Steuereinheit 10 der Wärmepumpe 100 gemäß der ersten Ausführungsform durchgeführt wird. 20 veranschaulicht ein Beispiel, bei dem die Trägerfrequenz des Inverters 9 mit einer kombinierten Periode mehrerer Frequenzen geändert wird. Konkret zeigt 20 ein Beispiel für einen Fall, bei dem die Trägerfrequenz mit einer kombinierten Periode von zwei Sinuskurven mit einer Mittenfrequenz von 16 kHz geändert wird, d. h. genauer gesagt in Form eines kombinierten Kurvenverlaufs einer ersten Sinuskurve (1f) mit einer Periode von 1/250 s und einer zweiten Sinuskurve (2f) mit einer Periode von 1/500 s. Da die Amplitude des kombinierten Kurvenverlaufs 2 kHz beträgt, ändert sich die Trägerfrequenz periodisch zwischen 14 kHz und 18 kHz mit einer Periode von 1/250 s.
  • Es wird darauf hingewiesen, dass das in 20 dargestellte Beispiel ein Beispiel für einen Fall ist, bei dem die erste Sinuskurve und die zweite Sinuskurve einander äquivalente Peakwerte haben und sich die Phasen bei 0° überschneiden. Darüber hinaus werden ihre Amplituden so angepasst, dass der Peakwert, d. h. die Amplitude des kombinierten Kurvenverlaufs, 2 kHz beträgt.
  • Wie in 20 dargestellt ist, können, wenn die Trägerfrequenz so gesteuert wird, dass sie sich mit einer kombinierten Frequenz von Sinuskurven mit mehreren Frequenzen ändert, durch die modulierte Frequenz der Trägerfrequenz (durch Strompeakimpulse verursachte Schwebungen) verursachte Schallspitzen verteilt und unerwünschte Geräusche reduziert werden.
  • In dem in 20 dargestellten Beispiel ist ein Fall dargestellt, bei dem die Trägerfrequenz so gesteuert wird, dass es sich um eine kombinierte Frequenz aus zwei Frequenzen handelt, die eine Beziehung äquivalenter Peakwerte und sich bei 0° überlappende Phasen aufweisen, die Trägerfrequenz ist jedoch nicht darauf beschränkt. Die Peakwerte und die Phasen von zwei Frequenzen können unterschiedlich sein, und es kann eine größere Anzahl von Frequenzen kombiniert werden. Je größer die Anzahl der kombinierten Frequenzen ist, desto leichter lassen sich die unerwünschten Schallspitzen verteilen.
  • Bei der vorliegenden Ausführungsform wird zwar der Fall beschrieben, dass die Trägerfrequenz in Form einer Sinuskurve geändert wird, die Trägerfrequenz ist jedoch nicht darauf beschränkt und kann in einer Form wie einer Dreieckskurve, einer Sägezahnkurve, einer trapezförmigen Kurve oder einer Rechteckkurve geändert werden. Konkret können die Effekte erzeugt werden, wenn die Trägerfrequenz eine Periodizität hat, die zum Mittenwert der Trägerfrequenz in einem Halbzyklus punktsymmetrisch ist, wobei ein Kurvenverlauf, der sich innerhalb einer Periode kontinuierlich ändert, unter anderen Kurvenverläufen vorzuziehen ist. Dies liegt daran, dass es weniger wahrscheinlich ist, dass Peaks entstehen, wenn sich Wechsel der Trägerfrequenz nahe beieinander innerhalb einer kurzen Zeitspanne konzentrieren. Dies gilt auch für die in 20 dargestellte Steuerung, d. h. für den Fall, dass die Trägerfrequenz so gesteuert wird, dass die Form, die die Änderung der Trägerfrequenz ausdrückt, einer Form entspricht, die durch die Kombination mehrerer periodischer Kurvenformen mit unterschiedlichen Frequenzen erhalten wird.
  • Wenn die Trägerfrequenz wie bei der vorliegenden Ausführungsform beschrieben gesteuert wird, können außerdem Geräusche verteilt und der Effekt der Peakreduzierung erzielt werden. Der Peakreduzierungseffekt dürfte signifikant sein, wenn die Modulationsfrequenz der Trägerfrequenz hoch ist (die Periode ist kurz). Dies liegt daran, dass Peaks weniger wahrscheinlich auftreten, wenn sich die Wechsel der Trägerfrequenz nahe beieinander innerhalb einer kurzen Zeitspanne konzentrieren.
  • Es ist zu beachten, dass verglichen mit einer Methode, bei der die Trägerfrequenz durch die Kombination mehrerer gegebener Trägerfrequenzen variabel gemacht wird, die Änderung der Trägerfrequenz unter Verwendung ihrer Periodizität die Auswahl geeigneter Parameter erheblich erleichtert.
  • Auch wenn eine zufällige Änderung der Frequenz ebenfalls zu einer Verringerung von unerwünschten Geräuschen und Rauschen führen kann, ist die Kontrolle der Leistung in diesem Fall schwierig. Außerdem besteht die Sorge, dass durch eine Stromänderung aufgrund einer plötzlichen Änderung der Trägerfrequenz unerwartete Geräusche und Rauschen erzeugt werden, ein Aspekt, der Aufmerksamkeit erfordert.
  • Wenn die Trägerfrequenz in jeder Periode statt bei Maxima und Minima des Trägersignals geändert wird, kann außerdem eine Differenz bei reellen Vektoren innerhalb einer Periode verringert werden, und ein durch unerwartete Überlagerung von Gleichströmen und Überhitzung verursachtes Versagen eines Elements kann vermindert werden.
  • Auch wenn jedes Mal, wenn die Trägerfrequenz geändert wird, eine Berechnung durchgeführt werden kann, kann der Aufwand der arithmetischen Verarbeitung vermindert werden, indem eine Trägerfrequenztabelle bereitgehalten und in Abhängigkeit von der Phaseninformation der Periode eine Trägerfrequenz aus der Tabelle ausgelesen wird. Ferner kann die Beziehung zwischen dem Mittenwert der Trägerfrequenz und der Kurve, die die Form einer Änderung der Trägerfrequenz ausdrückt, vorab strukturiert und zur Steuerung verwendet werden. In diesem Fall wird eines von mehreren Mustern, die vorab vorbereitet wurden, ausgelesen, und die Steuerung kann in Übereinstimmung mit dem gelesenen Muster durchgeführt werden, wodurch der Umfang der arithmetischen Verarbeitung weiter reduziert werden kann.
  • Darüber hinaus entspricht die Verwendung von Halbleitern aus Silicium (Si) für die im Inverter 9 enthaltenen Schaltelemente 91a bis 91f bzw. die parallel zu den Schaltelementen 91a bis 91f geschalteten Freilaufdioden 92a bis 92f derzeit normalerweise dem Mainstream. Alternativ können jedoch auch Halbleiter mit großem Bandabstand aus Siliciumcarbid (SiC), Galliumnitrid (GaN) oder Diamant verwendet werden.
  • Aus solchen Halbleitern mit großem Bandabstand gefertigte Schaltelemente und Diodenelemente weisen eine hohe Spannungsfestigkeit und eine hohe zulässige Stromdichte auf. Dies ermöglicht eine Verkleinerung der Schaltelemente und Diodenelemente, und die Verwendung der kleineren Schaltelemente und Diodenelemente ermöglicht eine Verkleinerung der Halbleitermodule, die diese Elemente enthalten.
  • Außerdem weisen Schaltelemente und Dioden aus solchen Halbleitern mit großem Bandabstand auch eine hohe Wärmebeständigkeit auf. Daher können die abstrahlenden Rippen eines Kühlkörpers verkleinert und ein Wasserkühler luftgekühlt werden, was eine weitere Verkleinerung der Halbleitermodule ermöglicht.
  • Darüber hinaus haben Schaltelemente und Diodenelemente aus solchen Halbleitern mit großem Bandabstand eine geringe Verlustleistung. Dadurch kann der Wirkungsgrad der Schaltelemente und der Diodenelemente und damit der Wirkungsgrad von Halbleitermodulen erhöht werden.
  • Da mit hoher Frequenz geschaltet werden kann, kann im Motor 8 außerdem Strom mit höherer Frequenz fließen, und der zum Inverter 9 fließende Strom kann reduziert werden, indem der Wicklungsstrom aufgrund der Erhöhung der Wicklungsimpedanz des Motors 8 verringert wird, wodurch eine effizientere Wärmepumpe 100 geschaffen werden kann. Da außerdem die Verwendung einer höheren Frequenz weiter vereinfacht wird, bestehen Vorteile darin, dass eine Frequenz, die über die Audiofrequenz hinausgeht, leicht eingestellt werden kann und Maßnahmen gegen unerwünschte Geräusche leichter getroffen werden können.
  • Zudem haben Halbleiter mit großem Bandabstand eine hohe Schaltgeschwindigkeit, und deren Ein/Aus-Breite (Tastverhältnis) kann mit hoher Genauigkeit gesteuert werden, wodurch die Ausgangsspannung auch im Falle eines Motors mit niedriger Impedanz mit hoher Genauigkeit gesteuert werden kann.
  • Da die Verlustleistung auch bei der Anwendung von Gleichstrom reduziert wird, ergeben sich Vorteile nicht nur durch die geringere Wärmeentwicklung, sondern auch durch die hohe Wärmebeständigkeit und die geringere Wahrscheinlichkeit eines Versagens aufgrund von Wärmeentwicklung, selbst wenn ein hoher Strom fließt.
  • Auch wenn sowohl die Schaltelemente als auch die Diodenelemente vorzugsweise aus Halbleitern mit großem Bandabstand gebildet werden, kann auch nur eines der Elemente aus Halbleitern mit großem Bandabstand gebildet werden, wodurch ebenfalls die bei der Ausführungsform beschriebenen Effekte erzeugt werden können.
  • Alternativ können auch durch die Verwendung von als effiziente Schaltelemente bekannten Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) mit Super-Junction-Struktur ähnliche Effekte erzielt werden.
  • Zudem ist es bei einem Kompressor mit einem Scroll-Mechanismus schwierig, den hohen Druck in einer Kompressionskammer abzubauen. Daher kann die Flüssigkeitsverdichtung im Vergleich zu anderen Kompressortypen zu einer übermäßigen Belastung des Verdichtungsmechanismus führen, und eine Beschädigung des Verdichtungsmechanismus ist wahrscheinlich. Bei der Wärmepumpe 100 der vorliegenden Ausführungsform kann der Kompressor 1 jedoch effizient beheizt werden und eine Stagnation des flüssigen Kältemittels im Kompressor 1 kann vermindert werden. Da eine Flüssigkeitsverdichtung verhindert werden kann, ist dies auch dann wirksam, wenn als Kompressor 1 ein Scroll-Kompressor verwendet wird.
  • Außerdem können bei einer Hochfrequenzstromanwendung Heizgeräte mit einer Frequenz von mehr als 10 kHz und einer Ausgangsleistung von mehr als 50 W durch Gesetze oder Vorschriften beschränkt sein. Daher kann der Spannungsbefehl V* im Voraus so eingestellt werden, dass 50 W nicht überschritten wird, oder es können ein Stromfluss oder eine Spannung erfasst und eine Rückkopplungsregelung kann so durchgeführt werden, dass die Ausgangsleistung kleiner oder gleich 50 W ist.
  • Während bei der vorliegenden Ausführungsform zwischen einer Hochfrequenzstromanwendung und Gleichstromanwendung umgeschaltet wird, kann nur eine der beiden Methoden durchgeführt werden.
  • Zweite Ausführungsform
  • 21 zeigt eine Darstellung zur Veranschaulichung eines Beispiels für die Konfiguration einer Wärmepumpe gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird ein Beispiel für eine spezielle Konfiguration und den Betrieb für einen Fall beschrieben, in dem die in der ersten Ausführungsform beschriebene Wärmepumpe 100 in einer Klimaanlage, einem Wärmepumpen-Warmwasserbereiter, einem Kühlgerät, einer Kältemaschine oder dergleichen installiert ist.
  • 22 zeigt den Zustand des Kältemittels in der in 21 dargestellten Wärmepumpe 100 in einem Mollier-Diagramm. In 22 sind an der horizontalen Achse die spezifische Enthalpie und an der vertikalen Achse der Kältemitteldruck aufgetragen.
  • Die Wärmepumpe 100 der vorliegenden Ausführungsform umfasst einen Hauptkältemittelkreislauf 58, in dem nacheinander über Leitungen ein Kompressor 51, ein Wärmetauscher 52, ein Expansionsmechanismus 53, ein Rezipient 54, ein interner Wärmetauscher 55, ein Expansionsmechanismus 56 und ein Wärmetauscher 57 verbunden sind und durch den das Kältemittel zirkuliert. Es wird darauf hingewiesen, dass im Hauptkältemittelkreislauf 58 an der Auslassseite des Kompressors 51 ein Vier-Wege-Ventil 59 angeordnet ist, das die Umschaltung der Zirkulationsrichtung des Kältemittels ermöglicht. Ferner ist in der Nähe des Wärmetauschers 57 ein Gebläse 60 angeordnet. Der Kompressor 51 entspricht dem in der obigen Ausführungsform beschriebenen Kompressor 1, wobei es sich um einen Kompressor handelt, der den vom Inverter 9 angetriebenen Motor 8 und den Kompressionsmechanismus 7 umfasst.
  • Ferner weist die Wärmepumpe 100 auch einen Injektionskreislauf 62 auf, der über Leitungen von einer Stelle zwischen dem Rezipienten 54 und dem internen Wärmetauscher 55 mit einer Injektionsleitung des Kompressors 51 verbunden ist. Der Expansionsmechanismus 61 und der interne Wärmetauscher 55 sind nacheinander mit dem Injektionskreislauf 62 verbunden. Ein Wasserkreislauf 63, durch den Wasser zirkuliert, ist mit dem Wärmetauscher 52 verbunden. Es wird darauf hingewiesen, dass eine Vorrichtung, die Wasser verwendet, wie beispielsweise ein Warmwasserbereiter, ein Heizkörper oder ein Wärmestrahler für eine Fußbodenheizung oder Ähnliches, mit dem Wasserkreislauf 63 verbunden ist.
  • Zunächst wird der Betrieb der Wärmepumpe 100 der vorliegenden Ausführungsform im Heizbetrieb beschrieben. Im Heizbetrieb ist das Vier-Wege-Ventil 59 in Richtung der durchgezogenen Linien eingestellt. Es wird darauf hingewiesen, dass der Heizbetrieb nicht nur die Heizung zur Klimatisierung umfasst, sondern auch die Warmwasserversorgung, die Wasser zur Warmwasserbereitung erwärmt.
  • Gasförmiges Kältemittel (Punkt 1 in 22), dessen Temperatur und Druck im Kompressor 51 erhöht wurde, wird aus dem Kompressor 51 ausgestoßen, durch den Wärmetauscher 52, der ein Kondensator ist und als Heizkörper dient, einem Wärmeaustausch unterzogen und dadurch verflüssigt (Punkt 2 in 22). Bei diesem Vorgang wird das durch den Wasserkreislauf 63 zirkulierende Wasser durch die vom Kältemittel abgegebene Wärme erwärmt und für die Heizung oder die Warmwasserversorgung verwendet.
  • Der Druck des aus der Verflüssigung im Wärmetauscher 52 resultierenden flüssigen Kältemittels wird durch den Expansionsmechanismus 53 herabgesetzt und es wird so in einen zweiphasigen Gas-Flüssigkeits-Zustand überführt (Punkt 3 in 22). Das durch den Expansionsmechanismus 53 in den zweiphasigen Gas-Flüssigkeits-Zustand überführte Kältemittel wird im Rezipienten 54 einem Wärmeaustausch mit dem in den Kompressor 51 gesaugten Kältemittel unterzogen und dadurch abgekühlt und verflüssigt (Punkt 4 in 22). Das aus der Verflüssigung im Rezipienten 54 resultierende flüssige Kältemittel wird in einen Strom durch den Hauptkältemittelkreislauf 58 und einen Strom durch den Injektionskreislauf 62 aufgeteilt.
  • Das durch den Hauptkältemittelkreislauf 58 strömende flüssige Kältemittel wird durch den Expansionsmechanismus 61 druckreduziert und im internen Wärmetauscher 55 einem Wärmeaustausch mit dem in den zweiphasigen Gas-Flüssigkeits-Zustand überführten und durch den Injektionskreislauf 62 strömenden Kältemittel unterzogen und somit abgekühlt (Punkt 5 in 22). Das aus der Abkühlung im internen Wärmetauscher 55 resultierende flüssige Kältemittel wird durch den Expansionsmechanismus 56 druckreduziert und so in einen zweiphasigen Gas-Flüssigkeits-Zustand überführt (Punkt 6 in 22). Das durch den Expansionsmechanismus 56 in den zweiphasigen Gas-Flüssigkeits-Zustand überführte Kältemittel wird am Wärmetauscher 57, der als Verdampfer dient, einem Wärmeaustausch mit der Außenluft unterzogen und somit erwärmt (Punkt 7 in 22). Das vom Wärmetauscher 57 erwärmte Kältemittel wird dann am Rezipienten 54 weiter erwärmt (Punkt 8 in 22) und in den Kompressor 51 gesaugt.
  • In der Zwischenzeit wird der Druck des durch den Injektionskreislauf 62 strömenden Kältemittels durch den Expansionsmechanismus 61 (Punkt 9 in 22) reduziert und einem Wärmeaustausch am internen Wärmetauscher 55 (Punkt 10 in 22) unterzogen, wie oben beschrieben wurde. Das Kältemittel (Injektionskältemittel) im zweiphasigen Gas-Flüssigkeits-Zustand, das aus dem Wärmeaustausch am internen Wärmetauscher 55 resultiert, strömt im zweiphasigen Gas-Flüssigkeits-Zustand durch die Injektionsleitung des Kompressors 51 in den Kompressor 51.
  • Im Kompressor 51 wird das aus dem Hauptkältemittelkreislauf 58 angesaugte Kältemittel (Punkt 8 in 22) auf einen Zwischendruck verdichtet und erwärmt (Punkt 11 in 22). Das auf den Zwischendruck komprimierte und erwärmte Kältemittel (Punkt 11 in 22) wird mit dem eingespritzten Kältemittel (Punkt 10 in 22) zusammengeführt und dabei auf eine niedrigere Temperatur gebracht (Punkt 12 in 22). Das temperaturabgesenkte Kältemittel (Punkt 12 in 22) wird dann weiter auf hohen Druck verdichtet und auf hohe Temperatur erwärmt und ausgestoßen (Punkt 1 in 22).
  • Es wird darauf hingewiesen, dass der Öffnungsgrad des Expansionsmechanismus 61 auf vollständig geschlossen eingestellt ist, wenn kein Injektionsvorgang erfolgt. Während der Öffnungsgrad des Expansionsmechanismus 61 größer als ein vorgegebener Öffnungsgrad ist, wenn der Injektionsvorgang durchgeführt wird, ist der Öffnungsgrad des Expansionsmechanismus 61 anders ausgedrückt so eingestellt, dass er kleiner als der vorgegebene Öffnungsgrad ist, wenn der Injektionsvorgang nicht durchgeführt wird. Das Kältemittel fließt daher nicht in die Injektionsleitung des Kompressors 51.
  • Es ist zu beachten, dass der Öffnungsgrad des Expansionsmechanismus 61 elektronisch durch eine Steuereinheit, wie beispielsweise einen Mikrocomputer, gesteuert wird.
  • Nachfolgend wird der Betrieb der Wärmepumpe 100 im Kühlbetrieb beschrieben. Während des Kühlbetriebs ist das Vier-Wege-Ventil 59 in Richtung der gestrichelten Linien eingestellt. Es ist darauf hinzuweisen, dass der Kühlbetrieb nicht nur die Kühlung zur Klimatisierung, sondern auch den Entzug von Wärme aus Wasser zur Erzeugung von Kaltwasser, die Kälteerzeugung und Ähnliches umfasst.
  • Gasförmiges Kältemittel (Punkt 1 in 22), dessen Temperatur und Druck im Kompressor 51 erhöht wurde, wird aus dem Kompressor 51 ausgestoßen, durch den Wärmetauscher 57, der ein Kondensator ist und als Kühler dient, einem Wärmeaustausch unterzogen und dadurch verflüssigt (Punkt 2 in 22). Das aus der Verflüssigung im Wärmetauscher 57 resultierende flüssige Kältemittel wird mit Hilfe des Expansionsmechanismus 56 druckreduziert und so in einen zweiphasigen Gas-Flüssigkeits-Zustand überführt (Punkt 3 in 22). Das durch den Expansionsmechanismus 56 in den zweiphasigen Gas-Flüssigkeits-Zustand überführte Kältemittel wird im internen Wärmetauscher 55 einem Wärmeaustausch unterzogen und dadurch abgekühlt und verflüssigt (Punkt 4 in 22). Im internen Wärmetauscher 55 erfolgt ein Wärmeaustausch zwischen dem durch den Expansionsmechanismus 56 in den zweiphasigen Gas-Flüssigkeits-Zustand überführten Kältemittel und dem in den zweiphasigen Gas-Flüssigkeits-Zustand überführten Kältemittel (Punkt 9 in 22), das sich aus der durch den Expansionsmechanismus 61 bewirkten Druckverringerung des infolge der Verflüssigung im internen Wärmetauscher 55 flüssigen Kältemittels ergibt. Das aus dem Wärmeaustausch im internen Wärmetauscher 55 resultierende flüssige Kältemittel (Punkt 4 in 22) wird in einen Strom durch den Hauptkältemittelkreislauf 58 und einen Strom durch den Injektionskreislauf 62 aufgeteilt.
  • Das durch den Hauptkältemittelkreislauf 58 strömende flüssige Kältemittel wird am Rezipienten 54 einem Wärmeaustausch mit dem in den Kompressor 51 angesaugten Kältemittel unterzogen und dadurch weiter abgekühlt (Punkt 5 in 22). Das durch die Abkühlung im Rezipienten 54 resultierende flüssige Kältemittel wird durch den Expansionsmechanismus 53 druckreduziert und so in den zweiphasigen Gas-Flüssigkeits-Zustand überführt (Punkt 6 in 22). Das durch den Expansionsmechanismus 53 in den zweiphasigen Gas-Flüssigkeits-Zustand überführte Kältemittel wird am Wärmetauscher 52, der als Verdampfer dient, einem Wärmeaustausch unterzogen und dadurch erwärmt (Punkt 7 in 22). Bei diesem Vorgang nimmt das Kältemittel Wärme auf und kühlt dadurch das durch den Wasserkreislauf 63 zirkulierende Wasser, das zur Kühlung oder Kälteerzeugung verwendet wird. Wie oben beschrieben wurde, bildet die Wärmepumpe 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform zusammen mit einer ein Fluid einsetzenden Vorrichtung, die das durch den Wasserkreislauf 63 zirkulierende Wasser (Fluid) verwendet, ein Wärmepumpensystem, und das Wärmepumpensystem kann für eine Klimaanlage, einen Wärmepumpen-Warmwasserbereiter, ein Kühlgerät, eine Kältemaschine oder dergleichen verwendet werden.
  • Das durch den Wärmetauscher 52 erwärmte Kältemittel wird dann im Rezipienten 54 (Punkt 8 in 22) weiter erwärmt und in den Kompressor 51 gesaugt.
  • In der Zwischenzeit wird der Druck des durch den Injektionskreislauf 62 strömenden Kältemittels durch den Expansionsmechanismus 61 reduziert (Punkt 9 in 22) und im internen Wärmetauscher 55 einem Wärmeaustausch unterzogen (Punkt 10 in 22), wie oben beschrieben wurde. Das Kältemittel (Injektionskältemittel) im zweiphasigen Gas-Flüssigkeits-Zustand, das aus dem Wärmeaustausch im internen Wärmetauscher 55 resultiert, strömt im zweiphasigen Gas-Flüssigkeits-Zustand durch die Injektionsleitung in den Kompressor 51. Der Verdichtungsvorgang im Kompressor 51 ist ähnlich wie im Heizbetrieb.
  • Es wird darauf hingewiesen, dass ähnlich wie beim Heizvorgang der Öffnungsgrad des Expansionsmechanismus 61 auf vollständig geschlossen eingestellt ist, wenn kein Injektionsvorgang erfolgt, so dass kein Kältemittel in die Injektionsleitung des Kompressors 51 fließt.
  • In der obigen Beschreibung wird der Wärmetauscher 52 ferner als ein Wärmetauscher wie beispielsweise ein Plattenkühler erläutert, der einen Wärmeaustausch zwischen dem Kältemittel und dem durch den Wasserkreislauf 63 zirkulierenden Wasser ermöglicht. Der Wärmetauscher 52 ist jedoch nicht darauf beschränkt und kann auch für einen Wärmeaustausch zwischen dem Kältemittel und der Luft sorgen. Der Wasserkreislauf 63 kann anstelle eines Kreislaufs, durch den Wasser zirkuliert, auch ein Kreislauf sein, durch den ein anderes Fluid zirkuliert.
  • Wie oben beschrieben wurde, kann die Wärmepumpe 100 für Wärmepumpen mit einem Inverterkompressor verwendet werden, wie beispielsweise eine Klimaanlage, einen Wärmepumpen-Warmwasserbereiter, ein Kühlgerät und eine Kältemaschine.
  • Die in den obigen Ausführungsbeispielen beschriebenen Konfigurationen sind Beispiele für die vorliegende Erfindung und können mit anderen bekannten Technologien kombiniert oder teilweise weggelassen oder modifiziert werden, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
  • Bezugszeichenliste
    • 1, 51
    Kompressor;
    2, 59
    Vier-Wege-Ventil;
    3, 5, 52, 57
    Wärmetauscher;
    4, 53, 56, 61
    Expansionsmechanismus;
    6
    Kältemittelleitungen;
    7
    Verdichtungsmechanismus;
    8
    Motor;
    9
    Inverter;
    10
    Inverter-Steuereinheit;
    11
    Normalbetriebsmodus-Steuereinheit;
    12
    Heizbetriebsmodus-Steuereinheit;
    13
    Ansteuersignal-Erzeugungseinheit;
    14
    Heizungsbestimmungseinheit;
    15
    Gleichstromanwendungseinheit;
    16
    Hochfrequenzstromanwendungseinheit;
    17
    Heizbefehlseinheit;
    18
    Stromanwendungs-Umschalteinheit;
    19
    Spannungsbefehl-Erzeugungseinheit;
    20
    PWM-Signal-Erzeugungseinheit;
    21
    Temperaturerfassungseinheit;
    22
    Stagnationsmengenschätzeinheit;
    23
    Stagnationsmengenerfassungseinheit;
    24
    Stagnationsbestimmungsumschalteinheit;
    25
    Heiznotwendigkeitsbestimmungseinheit;
    26
    Heizbefehl-Berechnungseinheit;
    27
    Stromanwendungsumschaltungs-Bestimmungseinheit;
    28
    Gleichstromspannungsbefehl-Berechnungseinheit;
    29
    Gleichstromphasenbefehl-Berechnungseinheit;
    30
    Hochfrequenzspannungsbefehl-Berechnungseinheit;
    31
    Hochfrequenzphasenbefehl-Berechnungseinheit;
    32
    Hochfrequenzphasen-Umschalteinheit;
    54
    Rezipient;
    55
    interner Wärmetauscher;
    58
    Hauptkältemittelkreislauf;
    60
    Gebläse;
    62
    Injektionskreislauf;
    63
    Wasserkreislauf;
    91a bis 91f
    Schaltelement;
    92a bis 92f
    Freilaufdiode;
    100
    Wärmepumpe.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • JP 2011038689 [0004]

Claims (14)

  1. Wärmepumpe, die aufweist: einen Kompressor zum Verdichten eines Kältemittels; einen Motor zum Antreiben des Kompressors; einen Inverter zum Anlegen einer gewünschten Spannung an den Motor; und eine Inverter-Steuereinheit zum Erzeugen eines Pulsweitenmodulationssignals zum Ansteuern des Inverters, wobei die Inverter-Steuereinheit als Betriebsarten einen Heizbetriebsmodus zum Durchführen eines Heizbetriebs des Kompressors und einen Normalbetriebsmodus zum Durchführen eines Normalbetriebs des Kompressors zum Verdichten des Kältemittels umfasst und wobei die Inverter-Steuereinheit im Heizbetriebsmodus eine Trägerfrequenz periodisch ändert, wobei es sich bei der Trägerfrequenz um eine Frequenz eines Trägersignals handelt.
  2. Wärmepumpe nach Anspruch 1, wobei die Inverter-Steuereinheit die Trägerfrequenz zu einem Zeitpunkt ändert, zu dem entweder ein Maximum oder ein Minimum des Trägersignals vorliegt.
  3. Wärmepumpe nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Inverter-Steuereinheit die Trägerfrequenz gemäß einer kombinierten Kurvenform ändert, die durch Kombination mehrerer periodischer Kurvenformen erhalten wird.
  4. Wärmepumpe nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Inverter-Steuereinheit die Trägerfrequenz gemäß einer kombinierten Kurvenform ändert, die durch Kombination mehrerer Kurvenformen mit unterschiedlichen Perioden erhalten wird.
  5. Wärmepumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Inverter-Steuereinheit eine Tabelle mit darin gespeicherten Kurvenformen mehrerer Muster bereithält, wobei die Muster jeweils die Form einer Änderung der Trägerfrequenz repräsentieren, und die Trägerfrequenz in Übereinstimmung mit einer in der Tabelle gespeicherten Kurvenform ändert.
  6. Wärmepumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Inverter-Steuereinheit im Heizbetriebsmodus ein Pulsweitenmodulationssignal erzeugt, indem sie einen Spannungsbefehl mit einem dreieckförmigen Trägersignal vergleicht, um eine Hochfrequenzwechselstromspannung mit einer Frequenz, die höher ist als eine Betriebsfrequenz im Normalbetriebsmodus, an zwei Leitungsphasen oder drei Leitungsphasen des Motors anzulegen, wobei der Spannungsbefehl zu den Zeitpunkten eines Maximums und eines Minimums eines Trägersignals abwechselnd zwischen Spannungsphasen mit Phasendifferenzen von im Wesentlichen 0° und im Wesentlichen 180° gegenüber einer Referenzphase der an den Motor angelegten Spannung umschaltet.
  7. Wärmepumpe nach Anspruch 6, wobei die Inverter-Steuereinheit im Heizbetriebsmodus in Abhängigkeit von der erforderlichen Wärmemenge zwischen einer Hochfrequenzstromanwendung, bei der eine Hochfrequenzwechselstromspannung an die Leitungen des Motors angelegt wird, und einer Gleichstromanwendung, bei der Gleichstrom an die Leitungen des Motors angelegt wird, umschaltet.
  8. Wärmepumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei im Inverter enthaltene Schaltelemente Halbleiter mit großem Bandabstand sind.
  9. Wärmepumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei im Inverter enthaltene Dioden Halbleiter mit großem Bandabstand sind.
  10. Wärmepumpe nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Halbleiter mit großem Bandabstand aus Siliciumcarbid, einem Material auf Galliumnitrid-Basis oder Diamant gefertigt sind.
  11. Wärmepumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei es sich bei im Inverter enthaltenen Schaltelementen um Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren mit Super-Junction-Struktur handelt.
  12. Wärmepumpensystem, das aufweist: eine Wärmepumpe mit einem Kältemittelkreislauf, wobei der Kältemittelkreislauf einen Kompressor mit einem Kompressionsmechanismus zum Komprimieren von Kältemittel, einen ersten Wärmetauscher, einen Expansionsmechanismus und einen zweiten Wärmetauscher umfasst, die nacheinander über Rohrleitungen verbunden sind; und eine Fluid verwendende Vorrichtung zur Verwendung von Fluid, das durch den ersten Wärmetauscher einem Wärmeaustausch mit dem Kältemittel unterzogen wird, wobei die Fluid verwendende Vorrichtung mit dem Kältemittelkreislauf verbunden ist, wobei die Wärmepumpe aufweist: den Kompressor zum Verdichten des Kältemittels; einen Motor zum Antreiben des Kompressors; einen Inverter zum Anlegen einer gewünschten Spannung an den Motor; und eine Inverter-Steuereinheit zum Erzeugen eines Pulsweitenmodulationssignals zum Ansteuern des Inverters, wobei die Inverter-Steuereinheit als Betriebsarten einen Heizbetriebsmodus zum Durchführen eines Heizbetriebs des Kompressors und einen Normalbetriebsmodus zum Durchführen eines Normalbetriebs des Kompressors zum Verdichten des Kältemittels umfasst und wobei die Inverter-Steuereinheit im Heizbetriebsmodus eine Trägerfrequenz periodisch ändert, wobei es sich bei der Trägerfrequenz um eine Frequenz eines Trägersignals handelt.
  13. Klimaanlage, die eine Wärmepumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 11 umfasst.
  14. Kältemaschine, die eine Wärmepumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 11 umfasst.
DE112019007291.9T 2019-05-07 2019-05-07 Wärmepumpe, Wärmepumpensystem, Klimaanlage und Kältemaschine Pending DE112019007291T5 (de)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/JP2019/018302 WO2020225860A1 (ja) 2019-05-07 2019-05-07 ヒートポンプ装置、ヒートポンプシステム、空気調和機および冷凍機

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE112019007291T5 true DE112019007291T5 (de) 2022-01-27

Family

ID=73051568

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE112019007291.9T Pending DE112019007291T5 (de) 2019-05-07 2019-05-07 Wärmepumpe, Wärmepumpensystem, Klimaanlage und Kältemaschine

Country Status (6)

Country Link
US (1) US20220136753A1 (de)
JP (1) JP7175389B2 (de)
CN (1) CN113785164A (de)
AU (1) AU2019444527B2 (de)
DE (1) DE112019007291T5 (de)
WO (1) WO2020225860A1 (de)

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011038689A (ja) 2009-08-10 2011-02-24 Mitsubishi Electric Corp 空気調和機

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005269880A (ja) * 2003-06-19 2005-09-29 Denso Corp ３相電圧型ｐｗｍインバータ装置
JP2006203984A (ja) * 2005-01-19 2006-08-03 Nissan Motor Co Ltd 負荷駆動装置及び負荷駆動方法
JP5361350B2 (ja) * 2008-11-28 2013-12-04 株式会社東芝 電気車用電力変換装置
AU2011358803B2 (en) * 2011-02-07 2015-08-06 Mitsubishi Electric Corporation Heat pump device, heat pump system, and control method for three-phase inverter
CN103688116B (zh) * 2011-06-17 2016-05-04 三菱电机株式会社 热泵装置、空调机和制冷机
US9829234B2 (en) * 2011-09-30 2017-11-28 Mitsubishi Electric Corporation Heat pump device, heat pump system, and method for controlling inverter
WO2013102999A1 (ja) * 2012-01-04 2013-07-11 三菱電機株式会社 ヒートポンプ装置、空気調和機および冷凍機
US9746216B2 (en) * 2012-06-29 2017-08-29 Mitsubishi Electric Corporation Heat pump device, heat pump system, air conditioner, and freezer
CN107076468A (zh) * 2014-11-04 2017-08-18 三菱电机株式会社 热泵装置及具有其的空调机、热泵式热水器以及制冷机
JP2016119822A (ja) * 2014-12-24 2016-06-30 株式会社安川電機 電力変換装置、制御装置およびキャリア周波数の変更方法
JP6430023B2 (ja) * 2015-09-04 2018-11-28 三菱電機株式会社 電力変換装置およびヒートポンプ装置
JP6444463B2 (ja) * 2017-08-28 2018-12-26 三菱電機株式会社 ヒートポンプ装置

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011038689A (ja) 2009-08-10 2011-02-24 Mitsubishi Electric Corp 空気調和機

Also Published As

Publication number Publication date
AU2019444527A1 (en) 2021-09-30
AU2019444527B2 (en) 2023-05-25
JPWO2020225860A1 (ja) 2021-12-09
WO2020225860A1 (ja) 2020-11-12
CN113785164A (zh) 2021-12-10
US20220136753A1 (en) 2022-05-05
JP7175389B2 (ja) 2022-11-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE10059190B4 (de) Vorrichtung für das Ansteuern eines linearen Kompressors
KR100880195B1 (ko) 모터에서 출력 마력과 효율을 증가시키기 위한 장치 및방법
DE69626073T2 (de) Steuerungsvorrichtung für einen kühlschrank und kühlschrank mit einer solchen vorrichtung
DE112014001071B4 (de) Vorrichtungen, Systeme und Verfahren für einen variablen Frequenzantriebbetrieb und eine entsprechende Steuerung
AU2012377681B2 (en) Heat pump device, air conditioner, and cooling machine
DE112015006879T5 (de) Leistungsumwandlungsvorrichtung und Wärmepumpenvorrichtung
US10605500B2 (en) Heat pump device, air conditioner, and freezer
DE112014006489T5 (de) Steuereinrichtung und Steuerverfahren für einen bürstenlosen Motor
DE112014004334T5 (de) Motorantriebseinrichtung
JP6619329B2 (ja) ヒートポンプ装置およびヒートポンプシステム
DE112018001508T5 (de) Ansteuervorrichtung und Ansteuerverfahren eines bürstenlosen Motors
DE112019007364T5 (de) Wärmepumpenvorrichtung, Klimaanlage und Kühlgerät
DE112013003811T5 (de) Motorantriebsvorrichtung
DE112014000364T5 (de) Betrieb eines Antriebs mit variabler Frequenz zum Vermeiden von Überhitzung
DE102016102789A1 (de) Motorbetriebener Verdichter
DE112018007088T5 (de) Leistungswandler und diesen verwendende klimaanlagenvorrichtung
JP6444463B2 (ja) ヒートポンプ装置
DE112019007291T5 (de) Wärmepumpe, Wärmepumpensystem, Klimaanlage und Kältemaschine
DE112012006959T5 (de) Wärmepumpenvorrichtung, Klimaanlage und Gefriermaschine
EP3883121A1 (de) Haushaltsgerät und verfahren zum betreiben eines haushaltsgerätes
DE102020203489A1 (de) Haushaltsgerät und Verfahren zum Betreiben eines Haushaltsgerätes
DE112020001141T5 (de) Leistungswandler und klimaanlagenvorrichtung, die diesen nutzt
DE112020007351T5 (de) Leistungsumwandlungsvorrichtung
US20230109173A1 (en) Dc bus capacitor assemblies for vienna vfd in air conditioning systems
DE69916509T2 (de) Vorrichtung zur Steuerung einer Klimaanlage

Legal Events

Date Code Title Description
R012 Request for examination validly filed