JP2005180748A

JP2005180748A - 冷凍空調装置

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Publication number: JP2005180748A
Application number: JP2003420354A
Authority: JP
Inventors: Hideji Ohara; 秀司尾原; Satoshi Kikuchi; 菊地　　聡; Haruo Oharagi; 春雄小原木; Hideyuki Ueda; 英之植田; Mutsunori Matsunaga; 睦憲松永; Tomio Yoshikawa; 富夫吉川
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2003-12-18
Filing date: 2003-12-18
Publication date: 2005-07-07
Anticipated expiration: 2023-12-18
Also published as: JP4134899B2

Abstract

【課題】
インバータを用いた冷凍空調装置において、負荷に応じた圧縮機駆動とインバータの損失のない圧縮機駆動とを切替えて省エネルギー化を図ること。
【解決手段】
冷凍空調装置は、電動機によって駆動される圧縮機３と、電動機３を駆動するインバータ１４と、制御装置４５と、切替え手段１６とを備える。切替え手段１６は、商用電源１５の電源周波数による電動機の駆動とインバータ１４の可変周波数による電動機の駆動とに切替える。電動機はその回転子に複数の永久磁石を有する同期電動機が使用される。制御装置４５は、インバータ１４の出力波形を商用電源１５の波形に同期させるように制御し、その同期状態で商用電源１５の電源周波数による電動機の駆動とインバータ１４の可変周波数による電動機の駆動とを切替えるように制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、空気調和機および冷凍装置などの冷凍空調装置に係わり、特にインバータで制御される圧縮機を備えた冷凍空調装置に好適なものである。

近年、地球温暖化防止、ランニングコスト低減等の観点から、ビル、店舗等において消費電力の大部分を占めている冷凍空調装置の省エネルギー化が進められている。

従来の圧縮機駆動装置としては、特開平５−２１１７９６号公報（特許文献１）に開示されたものがある。この圧縮機は、交流電源をコンバータに供給することにより直流電圧を得、この直流電圧をインバータに供給することにより交流電圧を得て、さらにこの交流電圧をブラシレスＤＣモータの電機子巻線に供給するようにしたものである。そして、この圧縮機では、誘起電圧検出部によりブラシレスＤＣモータの誘起電圧を検出して間接的に磁極位置を検出し、運転周波数指令値および誘起電圧検出部からの検出信号を入力としてインバータ制御部によりインバータに電流制御あるいは電圧制御、速度制御等を行なうためのインバータ制御信号を供給するようにしている。なお、当該ブラシレスＤＣモータは回転子鉄心に複数の永久磁石を設けて構成されている。

また、従来の空気調和装置としては、特開２００１−３８６４号公報（特許文献２）に開示されたものがある。この空気調和装置は、圧縮機と凝縮器と絞り装置と蒸発器とを冷媒配管で接続した冷凍サイクルを備えた空気調和装置であって、前記圧縮機を駆動する始動時に誘導電動機として始動すると共に同期回転数近くで同期引込みを行って同期運転を行なう永久磁石組込誘導電動機と、この永久磁石組込誘導電動機に電力を供給する３相交流電源と前記永久磁石組込誘導電動機間を接続する３相回路の各相に双方向性を有するスイッチング素子と、商用電源周波数の１／（６ｎ＋１）（ｎは正の整数）で間欠的に前記スイッチング素子を導通させる制御手段とを備えるようにしたものである。

特開平５−２１１７９６号公報

特開２００１−３８６４号公報

上述した特許文献１では、ブラシレスＤＣモータを用いることにより高効率で圧縮機を運転できるが、交流電源からインバータ装置を介してブラシレスＤＣモータに電力を供給してブラシレスＤＣモータの同期運転を行なっているため、インバータ装置の駆動による損失が発生するという課題があった。また、インバータ装置が故障した場合にブラシレスＤＣモータの運転を継続することができないという課題があった。

また、上述した特許文献２では、同期運転を行なう永久磁石組込誘導電動機を用いることにより高効率で圧縮機を運転できるが、交流電源から双方向性スイッチング素子を介して永久磁石組込誘導電動機に電力を供給して永久磁石組込誘導電動機の同期運転を行なっているため、双方向性スイッチング素子の駆動による損失が発生するという課題があった。また、双方向性スイッチング素子が故障した場合に永久磁石組込誘導電動機の運転を継続することができないという課題があった。

さらには、複数の圧縮機を用いた冷凍空調装置に特許文献１および２の技術を適用しようとすると、複数の圧縮機の同期電動機のそれぞれにインバータが必要となるため、インバータ費用が高価になってしまうと共に、インバータを収納する電気箱の容積が大きくなり、大きな収納スペースを確保しなければならない、などの課題があった。

本発明の目的は、負荷に応じた圧縮機駆動とインバータの損失のない圧縮機駆動とを切替えて適切な運転能力を確保しつつ省エネルギー化を図ることができる冷凍空調装置を得ることにある。

なお、本発明のその他の目的と有利点は以下の記述から明らかにされる。

前記目的を達成するために、本発明においては、固定子および回転子を有する電動機によって駆動される圧縮機と、前記電動機を駆動するインバータと、前記インバータを制御する制御装置と、商用電源の電源周波数による前記電動機の駆動と前記インバータの可変周波数による前記電動機の駆動とに切替える切替え手段と、を備え、前記電動機はその回転子に複数の永久磁石を有する同期電動機を使用し、前記制御装置は、前記インバータの出力波形を商用電源の波形に同期させるように制御し、その同期状態で前記商用電源の電源周波数による前記電動機の駆動と前記インバータの可変周波数による前記電動機の駆動とを切替えるように制御する構成にしたことにある。

前記本発明において、より好ましくは次の構成としたことにある。
（１）前記商用電源の出力波形を測定する波形測定手段を備え、前記制御装置は前記波形測定手段の測定波形に基づいて前記インバータの出力波形を商用電源の波形に同期させるように制御すること。
（２）前記電動機は回転子の鉄心にかご型導体と複数の永久磁石とを有する自己始動式同期電動機を使用すること。
（３）前記圧縮機は複数台で構成され、前記インバータは前記圧縮機の台数より少ない台数で構成され、前記切替え手段は、前記インバータを共用してその可変周波数によって複数台の前記圧縮機の電動機の駆動を切替えると共に、前記インバータの可変周波数による複数台の前記圧縮機の電動機の駆動と商用電源の電源周波数による前記電動機の駆動とを切替える構成としたこと。
（４）前記電動機に流れる電流を検出する電流検出手段を備え、前記制御装置は前記電流検出手段の検出値に基づいて前記商用電源の電源周波数による前記電動機の駆動から前記インバータの可変周波数による前記電動機の駆動に切替えるように前記切替え手段を制御する機能を有すること。
（５）前記電動機はその回転子に２極に着磁された永久磁石を有していること。

本発明の冷凍空調装置によれば、インバータの出力波形を商用電源の波形に同期させた状態で商用電源の電源周波数による電動機の駆動とインバータの可変周波数による電動機の駆動とを切替えるようにしているので、負荷に応じた圧縮機駆動とインバータの損失のない圧縮機駆動とを切替えて適切な運転能力を確保しつつ省エネルギー化を図ることができる。

以下、本発明の複数の実施例について図を用いて説明する。各実施例の図における同一符号は同一物または相当物を示す。なお、複数の実施例を必要に応じて適宜に組み合わせることにより、より効果的なものとすることができる。

本発明の第１実施例の空気調和機を図１から図３を参照しながら説明する。図１は本発明の第１実施例である空気調和機の構成を示す図、図２は図１の空気調和機に用いられる圧縮機の縦断面図、図３は図２の圧縮機に用いられる電動機の回転子の断面図である。

図１に示すように、本実施例の空気調和機は、圧縮機３、四方弁４、室外熱交換器５、室外膨張装置６、室内膨張装置７、室内熱交換器８、アキュムレータ９を冷媒配管１０にて順次連結して構成されている。また、室外機１は圧縮機３を駆動するための駆動回路１３を内蔵している。圧縮機３およびアキュムレータ９は、本実施例では室外機１に内蔵されているが、室内機２に内蔵されるようにしてもよい。室外機１と室内機２とは冷媒配管１０を介して接続されている。

圧縮機駆動回路１３は、インバータ１４、波形計測器１７およびスイッチ回路１６を備えて構成され、商用電源１５と圧縮機３の電動機６０（図２参照）との間に接続されている。インバータ１４は電動機６０を可変回転数で駆動するためのものである。波形計測器１７は商用電源１５の波形を計測するためのものである。切替え手段を構成するスイッチ回路１６は、商用電源１５の電源周波数による電動機６０の駆動と、インバータ１４の可変周波数による電動機６０の駆動とに切替えるためのものである。

制御装置４５は、インバータ１４の出力波形を商用電源１５の波形に同期させるように制御する機能と、その同期状態で商用電源１５の電源周波数による電動機６０の駆動とインバータ１４の可変周波数による電動機６０の駆動とを切替えるようにスイッチ回路１６を制御する機能とを有する。

係る空気調和機の暖房運転時においては、四方弁４を図１の破線のように切替え、破線の矢印の方向に冷媒を流して暖房サイクルを構成する。即ち、暖房運転時には、圧縮機３で圧縮された冷媒は、室内熱交換器８において凝縮して室内空気に放熱した後、室外膨張装置６で膨張し、室外熱交換器５で蒸発して室外空気から吸熱し、その後にアキュムレータ９を通して圧縮機３に戻り、以下これを繰り返す。

また、冷房運転時においては、四方弁４を図１の実線のように切替え、図１の実線の矢印の方向に冷媒を流して冷房サイクルを構成する。即ち、冷房運転時には、圧縮機３で圧縮された冷媒は、室外熱交換器５において凝縮して室外空気に放熱した後、室内膨張装置７で膨張し、室内熱交換器８で蒸発して室内空気から吸熱し、その後にアキュムレータ９を通して圧縮機９に戻り、以下これを繰り返す。

各運転時において、室内空気は、室内送風装置１２により室内熱交換器８に通風されて室内熱交換器８と熱交換して、暖房運転時には加熱され、冷房運転時には冷却される。室外空気は、室外送風装置１１により室外熱交換器５に通風されて室外熱交換器５と熱交換して、暖房運転時には冷却され、冷房運転時には加熱される。

図２に示すように、圧縮機３は、圧縮機構部５０および電動機６０を圧力容器４４内に上下に収納して構成されている。圧縮機構部５０と電動機６０とはクランクシャフト２４を介して連結されている。

圧縮機構部５０は、固定スクロール１８の端板１９に直立する渦巻状ラップ２０と、旋回スクロール２１の端板２２に直立する渦巻状ラップ２３とを噛み合わせて形成されている。この圧縮機構部５０は、旋回スクロール２１をクランクシャフト２４によって旋回運動させることで圧縮動作を行なう。固定スクロール１８および旋回スクロール２１によって形成される圧縮室２５のうち、最も外径側に位置している圧縮室は旋回運動に伴って両スクロール１８、２１の中心に向かって移動し、容積が次第に縮小する。圧縮室２５が両スクロール１８、２１の中心近傍に達すると、圧縮室２５内の圧縮された冷媒ガスは圧縮室２５と連通した吐出口２６から吐出される。吐出された冷媒ガスは、固定スクロール１８およびフレーム２７に設けられたガス通路を通ってフレーム２７下部の圧力容器４４内に至り圧力容器４４の側壁に設けられた吐出パイプ２８から圧縮機外に吐出される。

また、圧力容器４４内には電動機６０が内封されており、電動機６０で旋回スクロール２１が駆動されて圧縮動作を行なう。電動機６０の下方には、油溜め部２９が設けられている。その中の潤滑油は、回転運動によって生じる圧力差によってクランクシャフト２４内に設けられた油孔３０を通り、旋回スクロール２１とクランクシャフト２４との摺動部や、すべり軸受け等の潤滑を行なう。電動機６０は固定子３１と回転子３２からなる埋込磁石形同期電動機であり、固定子３１は回転子鉄心３１ａとそれに巻き回された電機子巻線３１ｂとを有する。回転子３２は、図３に示すように、回転子鉄心３２ａの内部に板状の永久磁石３２ｂを埋設しており、永久磁石３２ｂは４極に着磁されている。

係る空気調和機の動作について説明する。制御装置４５は、起動時にスイッチ回路１６をインバータ１４側に切替え、インバータ１４から供給する電源を用いて圧縮機３を起動させる。その後、インバータ１４の周波数を上昇させ、これに伴って圧縮機回転数を増加させる。また、波形計測器１７にて商用電源１５の波形を測定する。制御装置４５は、この波形計測器１７の測定波形に基づいて、インバータ１４の出力周波数が商用電源１５の周波数に一致する際に、インバータ１４の出力波形を商用電源１５の波形と同期させる。

インバータ１４の出力波形と商用電源１５の波形とが同期した状態でスイッチ回路１６にて圧縮機３に供給する電源をインバータ１４から商用電源１５に切替える。これにより、インバータ１４から商用電源１５に確実に切替えることができ、商用電源１５にて圧縮機３を確実に駆動することができる。この圧縮機３の電動機６０は４極であるので、このときの圧縮機回転数は、商用電源１５が５０Ｈｚの場合は１５００ｒ／ｍｉｎ、商用電源１５が６０Ｈｚの場合は１８００ｒ／ｍｉｎである。このとき、供給電源にはインバータ１４を介していないため、インバータ１４の損失が無く、高効率の空気調和機とすることができ、省エネルギー化を図ることができる。したがって、最も使用頻度が高い圧縮機回転数が商用電源５０Ｈｚの場合は１５００ｒ／ｍｉｎ、商用電源６０Ｈｚの場合は１８００ｒ／ｍｉｎとなるように圧縮機を製作しておくことが、高効率化には望ましい。

また、負荷が変化し、圧縮機３の回転数を変更する必要が生じた場合には、インバータ１４からの供給電源の波形と商用電源１５の波形とを同期させた状態で、スイッチ回路１６にて圧縮機３に供給する電源を商用電源１５からインバータ１４に切替える。これによって、商用電源１５からインバータ１４に確実に切替えることができると共に、負荷状態に合わせた圧縮機回転数を得ることができる。すなわち、負荷が大きい場合には圧縮機回転数を増加させ、必要な冷暖房能力を確保することができ、負荷が小さい場合にはそれに合わせて圧縮機回転数を下げることにより、不必要に大きな電力を消費することを防ぐことができ、この点からも省エネルギー化を図ることができる。

次に、本発明の第２実施例について図４を用いて説明する。図４は本発明の第２実施例の冷凍空調装置に用いる電動機の回転子の断面図である。この第２実施例は、次に述べる通り第１実施例と相違するものであり、その他の点については第１実施例と基本的には同一である。

この第２実施例では、電動機６０は自己始動式同期電動機であり、回転子鉄心３２ａに板状の永久磁石３７が埋設され、この永久磁石３７は２極に着磁されている。さらに、回転子鉄心３２ａの外周近傍には導体が埋設されて、かご型導体（巻線）３２ｃを形成している。

この第２実施例おいて、起動時に商用電源１５を投入すると、同期回転数以下の回転数では誘導電動機として作用するため、回転子の回転数が徐々に増加していき、同期回転数近くになると同期電動機として作用して、同期回転数での一定速運転を行なう。この電動機６０は２極であるので、回転数は商用電源１５が５０Ｈｚの場合は３０００ｒ／ｍｉｎ、商用電源１５が６０Ｈｚの場合は３６００ｒ／ｍｉｎである。したがって、最も使用頻度が高い圧縮機回転数が商用電源５０Ｈｚの場合は３０００ｒ／ｍｉｎ、商用電源６０Ｈｚの場合は３６００ｒ／ｍｉｎとなるように圧縮機を製作しておくことが、高効率化には望ましい。

また、負荷が変化し、圧縮機３の回転数を変更する必要が生じた場合には、インバータ１４からの出力波形と商用電源１５の波形とを同期させた状態で、スイッチ回路１６にて圧縮機３に供給する電源を商用電源１５からインバータ１４に切替えることで負荷状態に合わせた圧縮機回転数を得ることができる。すなわち、負荷が大きい場合には圧縮機回転数を増加させ、必要な冷暖房能力を確保することができ、負荷が小さい場合にはそれに合わせて圧縮機回転数を下げることにより、不必要に大きな電力を消費することを防ぐことができる。

また、この第２実施例の電動機６０は商用電源１５での自己始動ができるため、万一、インバータ１４が故障した場合も、スイッチ回路１６を商用電源側に切替えることで同期回転数での応急運転することができる。

電動機６０の極数を最小の２極としているので、電動機６０の同期回転数が早くなるため、圧縮機３の冷媒吐出量が大きくなる。したがって、圧縮機３の圧縮室の容積を小さくすることができ、圧縮機３およびそれを搭載する室外機１の大きさを小型化できる。

次に、本発明の第３実施例について図５を用いて説明する。図５は本発明の第３実施例の冷凍空調装置の構成図である。この第３実施例は、次に述べる通り第１実施例と相違するものであり、その他の点については第１実施例と基本的には同一である。

この第３実施例では、一台の室外機１に対し、複数の室内機２ａ、２ｂが接続されている。また、室外機１内に内蔵された圧縮機駆動回路１３は、永久磁石同期電動機を用いた複数の圧縮機３ａ、３ｂと、これら圧縮機３ａ、３ｂと同じ数のスイッチ回路１６ａ、１６ｂと、一台のインバータ１４と、商用電源１５の波形を測定できる１台の波形計測器１７とを備えて構成されている。室内機２ａには室内熱交換器８ａ、室内膨張装置７ａおよび室内送風装置１２ａが備えられ、室内機２ｂには室内熱交換器８ｂ、室内膨張装置７ｂおよび室内送風装置１２ｂが備えられている。

また、冷凍サイクルの吐出側と吸込側との間を接続する電磁開閉弁４１が設けられている。圧縮機３ａ、３ｂの吐出側には、油分離器４０が設けられている。この油分離器４０の吐出側には吐出圧力検出装置４２が設けられている。

係る第３実施例では、それぞれの室内機２ａ、２ｂの使用状態によって負荷状態が大きく変化する。そこで、負荷が小さい場合には、例えば圧縮機３ａのみを駆動してインバータ１４を用いた容量制御運転を行なう。係る圧縮機３ａのみ運転時に室内機２ａ、２ｂの負荷が大きくなり、圧縮機３ａのみでは能力を確保できなくなった場合、圧縮機３ａは商用電源１５を直接用いた運転にし、圧縮機３ｂでインバータ１４を用いた容量制御運転を行なう。さらに、定格運転時には圧縮機３ａ、３ｂともに商用電源１５を直接用いた運転とする。したがって、マルチエアコンのように複数の圧縮機３ａ、３ｂを持つ場合でも、１台のインバータ１４にて複数の永久磁石同期電動機を用いた圧縮機３ａ、３ｂを駆動することができ、かつ、定格運転時にはインバータ１４の損失が発生しないため、高効率で低コストの空気調和機を得ることができる。

なお、この第３実施例においては室内機２ａ、２ｂおよび圧縮機３ａ、３ｂが２台の場合について説明しているが、これらは複数であれば２台でなくてもよいし、またそれぞれ異なった形式の室内機や圧縮機であってもよい。また、全ての圧縮機が永久磁石同期電動機でなく、圧縮機のうちの一部または全てを自己始動式同期電動機として、万一インバータ１４が故障した場合にも応急運転ができるような構成としてもよい。

次に、本発明の第４実施例について図６を用いて説明する。図６は本発明の第４実施例の冷凍空調装置の構成図である。この第４実施例は、次に述べる通り第１実施例と相違するものであり、その他の点については第１実施例と基本的には同一である。

この第４実施例では、圧縮機３に供給する電流を測定する電流検出器４３を備えている。商用電源１５で駆動する同期電動機の場合、回転数を負荷によって調整することができないため、商用電源１５による同期運転中に圧縮機３が過負荷運転状態になると、トルク不足となって脱調を起こす恐れがある。この第４実施例では、商用電源１５で圧縮機３を駆動中に電流検出器４３にて電動機６０に流れる電流を常時監視しておき、電流検出器４３の検出値がある設定値を超えた場合、インバータ１４による駆動に切替え、圧縮機の駆動回転数を低下させることで脱調を防止することができる。

なお、以上の実施例においては空気調和機の場合について説明を行ったが、同様の冷凍サイクルを用いた冷凍装置に対しても本発明を適用することができる。また、冷凍サイクルは図で説明したものだけでなく、圧縮機を用いたものであればどのような構成になっていてもよい。また、圧縮機はスクロール圧縮機について説明しているがロータリー圧縮機やレシプロ圧縮機など他の形態の圧縮機でもよい。また電動機の回転子は埋込磁石型のもので説明しているが、表面磁石型のものでもよく、また永久磁石の形状も板状に限らない。

本発明第１の実施例である空気調和機の構成を示す図である。図１の空気調和機に用いられる圧縮機の縦断面図である。図２の圧縮機に用いられる電動機の回転子の断面図である。本発明の第２実施例の冷凍空調装置に用いる電動機の回転子の断面図である。本発明の第３実施例の冷凍空調装置の構成図である。本発明の第４実施例の冷凍空調装置の構成図である。

符号の説明

１…室外機、２、２ａ、２ｂ…室内機、３、３ａ、３ｂ…圧縮機、４…四方弁、５…室外熱交換器、６…室外膨張装置、７、７ａ、７ｂ…室内膨張装置、８、８ａ、８ｂ…室内熱交換器、９…アキュムレータ、１０…冷媒配管、１１…室外送風装置、１２、１２ａ、１２ｂ…室内送風装置、１３…圧縮機駆動回路、１４…インバータ、１５…商用電源、１６、１６ａ、１６ｂ…スイッチ回路、１７…波形計測器、１８…固定スクロール、１９…固定スクロールの端板、２０…固定スクロールの渦巻状ラップ、２１…旋回スクロール、２２…旋回スクロールの端板、２３…旋回スクロールの渦巻状ラップ、２４…クランクシャフト、２５、２５ａ、２５ｂ…圧縮室２５、２６…吐出口、２７…フレーム、２８…吐出パイプ、２９…油溜め部、３０…油孔、３１…固定子、３１ａ…固定子鉄心、３１ｂ…固定子巻線、３２…回転子、３２ａ…回転子鉄心、３２ｂ…永久磁石、３２ｃ…かご型導体（巻線）、３９…受液器、４０…油分離器、４１…電磁開閉弁、４２…吐出圧力検出装置、４３…電流検出器（電流検出手段）、４４…圧力容器、４５…制御装置。

Claims

固定子および回転子を有する電動機によって駆動される圧縮機と、
前記電動機を駆動するインバータと、
商用電源の電源周波数による前記電動機の駆動と前記インバータの可変周波数による前記電動機の駆動とに切替える切替え手段と、
前記インバータを制御する制御装置と、を備え、
前記電動機はその回転子に複数の永久磁石を有する同期電動機を使用し、
前記制御装置は、前記インバータの出力波形を商用電源の波形に同期させるように制御し、その同期状態で前記商用電源の電源周波数による前記電動機の駆動と前記インバータの可変周波数による前記電動機の駆動とを切替えるように制御する
ことを特徴とする冷凍空調装置。
請求項１に記載の冷凍空調装置において、前記商用電源の出力波形を測定する波形測定手段を備え、前記制御装置は前記波形測定手段の測定波形に基づいて前記インバータの出力波形を商用電源の波形に同期させるように制御することを特徴とする空気調和機または冷凍装置。
請求項１または２に記載の冷凍空調装置において、前記電動機は回転子の鉄心にかご型導体と複数の永久磁石とを有する自己始動式同期電動機を使用することを特徴とする冷凍空調装置。
請求項１から３の何れかに記載の冷凍空調装置において、前記圧縮機は複数台で構成され、前記インバータは前記圧縮機の台数より少ない台数で構成され、前記切替え手段は、前記インバータを共用してその可変周波数によって複数台の前記圧縮機の電動機の駆動を切替えると共に、前記インバータの可変周波数による複数台の前記圧縮機の電動機の駆動と商用電源の電源周波数による前記電動機の駆動とを切替える構成としたことを特徴とする冷凍空調装置。
請求項１から４の何れかに記載の冷凍空調装置において、前記電動機に流れる電流を検出する電流検出手段を備え、前記制御装置は前記電流検出手段の検出値に基づいて前記商用電源の電源周波数による前記電動機の駆動から前記インバータの可変周波数による前記電動機の駆動に切替えるように前記切替え手段を制御する機能を有することを特徴とする冷凍空調装置。
請求項１から５の何れかに記載の冷凍空調装置において、前記電動機はその回転子に２極に着磁された永久磁石を有していることを特徴とする冷凍空調装置。