JP2008286498A - ヒートポンプ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低コストにて漏洩電流を低減し、複数台の流体機械を有する信頼性の高いヒートポンプ装置を提供する
【解決手段】圧縮機２０１に備えられた電動機２０５は、圧縮機電力変換装置２０６により駆動され、膨張機２０３に備えられた発電機２０７は、膨張機電力変換装置２０８により駆動される。圧縮機電力変換装置２０６、膨張機電力変換装置２０８により出力される電圧は、キャリア信号生成手段３０９により生成されたキャリア信号を元に互いに逆位相となるように作成されることにより、漏洩電流の少ないヒートポンプ装置を実現する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、複数台の圧縮機、もしくは圧縮機と膨張機を有するヒートポンプ装置に関する。

圧縮機を有するヒートポンプ装置において、圧縮機の回転数を供給電源の周波数を変更することによりきめ細かな能力制御を行うものが一般的に知られている。さらに、この供給電源の周波数、および電圧の制御をパルス幅変調制御（ＰＷＭ制御）により行う電力変換装置、インバータ装置が広く使用されている。

インバータ装置により駆動される圧縮機のモータは、圧縮機と同じ密閉容器内に収納されている。この密閉容器は、金属製でさらに配管を経由してアースに接続される。圧縮機モータの巻線と密閉容器間には小さな浮遊容量が存在するため、インバータ装置のスイッチングに伴い圧縮機モータの巻線から密閉容器を通してアースへと高周波の漏れ電流が流れる。図１に示すのは、圧縮機のモータの電気的構成を表す図である。このように３相モータの各巻線は、それぞれ密閉容器との間に浮遊容量を有しており、その浮遊容量は、アースへとつながれている。そのため、モータに印加された信号の高周波成分は、浮遊容量を通ってアースへと流れる。

この漏れ電流は、圧縮機駆動の制御性低下、ブレーカの誤動作を引き起こす恐れがある。そのため、この漏れ電流を低減する対策が検討されている。たとえば、インバータ装置の出力端と圧縮機モータの間にチョークコイルを設けたり、インバータ装置のスイッチング周波数を低下させるなどの対策がとられている。

また、特許文献１に示す冷凍サイクル装置のインバータ装置および冷凍サイクル装置では、ブラシレス直流モータの各相巻線からアースへと流れる零相電流を検出し、検出した零相電流に相似する波形の電流を、トランジスタを用いたプッシュプル回路回路により作成し、その作成した電流によってブラシレス直流モータからの漏れ電流を強制的に打ち消す構成として、漏れ電流を低減している。これにより、スイッチング周波数が高い場合でも高周波漏れ電流を確実に低減することができる冷凍サイクルのインバータ装置および冷凍サイクルが提供されていた。

特開平１０−４２５８５号公報

能力を上げるために複数台の圧縮機を備えられたヒートポンプ装置、もしくは、効率を上げるために膨張機により動力を回収するような動力回収型のヒートポンプ装置においては、それぞれ電動機、発電機をインバータ駆動する場合、漏れ電流の発生源が増加するため、漏れ電流の絶対値が増加する問題があった。

それに対し、従来のチョークコイルを設けて漏れ電流を低減するような装置においては、インバータ装置のスイッチング周波数が高くなると十分な低減効果が得られないという問題があった。特に、漏れ電流の発生源が増え、漏れ電流の絶対値が増加する場合には、このような構成では、漏れ電流を低下させることが困難であった。

また、ブラシレス直流モータの各相巻線からアースへと流れる零相電流を検出し、検出した零相電流に相似する波形の電流を、トランジスタを用いたプッシュプル回路回路により作成し、漏れ電流を強制的に打ち消す構成においては、新たな回路が必要となるため、設置スペースやコスト上昇の問題を有していた。また、スイッチングＯＮＯＦＦ時のバラツキにより漏れ電流が不安定に振れるという課題も有していた。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、複数台の圧縮機、発電機を有した膨張機を有するヒートポンプ装置において、低コストにて増加する漏れ電流を低減し、安全で信頼性の高いヒートポンプ装置を提供することを目的としている。

本発明に係るヒートポンプ装置は、複数台の流体機械と、各流体機械に備えられた電動機、もしくは発電機の駆動を制御すると共に、出力する電圧が互いに逆位相に構成され漏洩電流を相殺させる機能を有した複数台の制御手段を有したものである。

上記ヒートポンプ装置は、出力電圧が互いに逆位相に構成され漏洩電流を相殺させるため、少ない漏洩電流での運転が可能となる。

本発明に係るヒートポンプ装置は、冷媒を圧縮する圧縮機と、冷媒を膨張させる膨張機と、圧縮機に接続された電動機と、直流電力を所定の周波数の交流に変換し電動機の駆動を制御する電動機制御手段と、膨張機に接続された発電機と、発電機が出力する交流電力を変換して直流電力を出力する発電機制御手段とを備え、発電機制御手段と電動機制御手段は、互いに出力する電圧が逆位相に構成され、漏洩電流を相殺させる機能を有したものである。

このことにより、圧縮機と膨張機を備えたヒートポンプ装置は、少ない漏洩電流での運転が可能となる。

本発明に係るヒートポンプ装置は、発電機制御手段、および電動機制御手段が、キャリア信号に基づくパルス幅変調制御により出力電圧を制御する機能を有し、キャリア信号が互いに逆相に構成されることが好ましい。

このことにより、圧縮機と膨張機を備えたヒートポンプ装置は、低コストにて少ない漏洩電流での運転が可能となる。

本発明に係るヒートポンプ装置は、冷媒を圧縮する複数台の圧縮機と、複数台の圧縮機に接続された電動機の駆動を制御する複数台の電動機制御手段とを備え、各複数台の電動機制御手段は、互いに逆位相の電圧を出力し、漏洩電流を相殺させる機能を有したものである。

このことにより、複数台の圧縮機を備えたヒートポンプ装置は、少ない漏洩電流での運転が可能となる。

本発明に係るヒートポンプ装置は、複数台の電動機制御手段が、キャリア信号に基づくパルス幅変調制御により出力電圧を制御する機能を有し、キャリア信号が互いに逆相に構成されることが好ましい。

このことにより、複数台の圧縮機を備えたヒートポンプ装置は、低コストにて少ない漏洩電流での運転が可能となる。

前記冷媒は二酸化炭素であってもよい。

以上のように本発明によれば、低コストにて増加する漏れ電流を低減し、安全で信頼性の高い、複数台の流体機械を有するヒートポンプ装置を得ることができる。

（第１の実施形態）
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

図２は、本発明によるヒートポンプ装置の一実施例のブロック構成図である。
本ヒートポンプ装置は、圧縮機電力変換装置２０６により制御される電動機２０５を備えて冷媒を圧縮する圧縮機２０１と、冷媒を冷却する放熱器２０２と、膨張機電力変換装置２０８により制御される発電機２０７を備えて冷媒を膨張させる膨張機２０３と、冷媒を蒸発させる蒸発器２０４と、以上の各要素間に冷媒を循環させる配管２０９とを備えて、冷凍サイクルを形成する。

上記ヒートポンプ装置の運転原理は次のとおりである。冷媒蒸気の圧力及び温度は圧縮機２０１によって増大され、次いで、その冷媒蒸気が放熱器２０２に入り、そこで冷却される。この後、高圧冷媒は膨張機２０３により蒸発圧力に絞られ、蒸発器２０４において気化し、その周辺から熱を吸収する。そして、蒸発器２０４の出口を通って冷媒蒸気は圧縮機２０１に戻る。

電動機２０５は、圧縮機電力変換装置２０６によりその回転数が制御される。一方、膨張機２０３は、膨張機電力変換装置２０８により、その回転数が制御され、本ヒートポンプ装置を最適な状態で運転される。

図３に本実施形態におけるヒートポンプ装置内の圧縮機電力変換装置２０６、および膨張機電力変換装置２０８のブロック構成図を示す。この図に示すように、圧縮機電力変換装置２０６は、流体機械である圧縮機２０１に備えられた電動機２０５を駆動するための回路および制御部から構成されている。交流電源Ａ３０１より与えられる交流電力を整流回路Ａ３０２、平滑コンデンサＡ３０３により直流化した後、スイッチング素子Ａ３０４によりパルス幅変調（ＰＷＭ）により作成された３相交流により電動機２０５が駆動される。スイッチング素子Ａ３０４としては、例えば、ＩＧＢＴのような素子が用いられる。また、スイッチング制御手段Ａ３１０は、電動機２０５に出力する交流をスイッチング素子Ａ３０４においてパルス幅変調（ＰＷＭ）により作成するためのスイッチングパターンを出力する。

また、膨張機電力変換装置２０８は、流体機械である膨張機２０３に備えられた発電機２０７を駆動するための回路および制御部から構成されている。交流電源Ｂ３０５より与えられる交流電力を整流回路Ｂ３０６、平滑コンデンサＢ３０７により直流化した後、スイッチング素子Ｂ３０８によりパルス幅変調（ＰＷＭ）により作成された３相交流により発電機２０７が駆動される。また、スイッチング制御手段Ｂ３１２は、発電機２０７に出力する交流をスイッチング素子Ｂ３０８においてパルス幅変調（ＰＷＭ）により作成するためのスイッチングパターンを出力する。

また、キャリア信号生成手段３０９は、パルス幅変調（ＰＷＭ）を行うための変調信号であるキャリア信号を生成し、スイッチング制御手段Ａ３１０に出力する。また、同信号とは逆位相の信号を、位相反転手段３１１を通し作成しスイッチング制御手段Ｂ３１２に
出力する。これにより、スイッチング素子Ａ３０４より出力されるパルス幅変調（ＰＷＭ）信号と、スイッチング素子Ｂ３０８より出力されるパルス幅変調（ＰＷＭ）信号とは、逆位相の信号となる。

次にスイッチング制御手段Ａ３１０、スイッチング制御手段Ｂ３１２の動作について説明する。スイッチング制御手段Ａ３１０および、スイッチング制御手段Ｂ３１２は、キャリア信号生成手段３０９からのキャリア信号に従い、スイッチング素子Ａ３０４、およびスイッチング素子Ｂ３０８を制御する制御信号を作成する。

図４は、スイッチング制御手段Ａ３１０および、スイッチング制御手段Ｂ３１２におけるスイッチング信号生成のタイミングの一例を表すタイミングチャートである。与えられた出力電圧値を満足するように、スイッチング素子を制御するためのタイミングを表すものである。スイッチング制御手段Ａ３１０は、与えられた電圧値Ａと、キャリア信号生成手段３０９からのキャリア信号を比較し、キャリア信号の方が電圧値Ａより小であれば、スイッチング素子Ａ３０４のスイッチング信号をＯＮにする。これにより、与えられた電圧値Ａを満足するための、スイッチング素子Ａ３０４のＯＮ信号が生成される。一方、スイッチング制御手段Ｂ３１２は、与えられた電圧値Ｂと、キャリア信号生成手段３０９から位相反転手段３１１を通し作成された反転されたキャリア信号を比較し、反転キャリア信号の方が電圧値Ｂより小であれば、スイッチング素子Ｂ３１２のスイッチング信号をＯＮにする。これにより、与えられた電圧値Ｂを満足するための、スイッチング素子Ｂ３１２のＯＮ信号が生成される。

これにより、スイッチング素子Ａ３０４とスイッチング素子Ｂ３１２のスイッチング信号は、互いに逆位相となる。

図５に、（ａ）従来のヒートポンプ装置における漏れ電流、（ｂ）本実施例によるヒートポンプ装置における漏れ電流のシミュレーション結果の一例を示す。図５（ａ）に示すのは、従来のヒートポンプ装置における圧縮機の電動機のＵ相、Ｖ相の電圧と、膨張機の発電機のＵ相、Ｖ相の電圧と、そのときの漏洩電流の時間的推移の一例を示したものである。このように、電動機のＵ相、Ｖ相の電圧と、発電機のＵ相、Ｖ相の電圧とが互いに同じ位相となっている。漏洩電流は、先に説明したように、３相モータの各巻線が、それぞれ密閉容器との間に有する浮遊容量を介してアースへと流れる電流であるので、電圧の立上り、立下りに多く発生する高周波成分が電圧として印加されたときに、それぞれ立上り、立下りに対応した電流が流れるものである。従って、電圧の立上りと立下りが同じタイミングで発生しない限り、電圧の立上り、立下りの回数に比例した量の漏洩電流が発生する。この従来のヒートポンプ装置の場合には、圧縮機と膨張機の電圧が同位相で発生するため、それぞれの電圧の立上り、立下りのタイミングで大きな漏洩電流が発生している。

一方、図５（ｂ）に示すのは、本発明によるヒートポンプ装置における圧縮機の電動機のＵ相、Ｖ相の電圧と、膨張機の発電機のＵ相、Ｖ相の電圧と、そのときの漏洩電流の時間的推移の一例を示したものである。このように、電動機のＵ相、Ｖ相の電圧と、発電機のＵ相、Ｖ相の電圧とが互いに逆の位相となっている。漏洩電流は、電圧の立上り、立下りに多く発生し、しかも、それぞれ立上り、立下りに対応した電流が流れるものであり、電圧の立上りと立下りが同じタイミングで発生した場合、その漏洩電流は相殺されて、非常に少ない量となる。この図に示すように、圧縮機と膨張機の電圧が、逆位相になっていることにより、漏洩電流は、互いに打ち消しあって非常に少なくなっている。このように、本発明によるヒートポンプ装置では、圧縮機の電動機の電圧と、膨張機の発電機の電圧とが、互いに逆位相になるようにしたので、非常に少ない漏洩電流で圧縮機、および膨張機を駆動することを実現するものである。
（第２の実施形態）
図６は、第２の実施形態に係るヒートポンプ装置の構成図である。本ヒートポンプ装置は、圧縮機電力変換装置Ａ６０７Ａにより制御される電動機Ａ６０６Ａを備えて冷媒を圧縮する圧縮機Ａ６０１Ａと、それに並列に備えられた圧縮機電力変換装置Ｂ６０７Ｂにより制御される電動機Ｂ６０６Ｂを備えて冷媒を圧縮する圧縮機Ｂ６０１Ｂと、冷媒を冷却する放熱器６０２と、冷媒を膨張させる膨張弁６０３と、冷媒を蒸発させる蒸発器６０４と、以上の各要素間に冷媒を循環させる配管６０５とを備えて、冷凍サイクルを形成する。

上記ヒートポンプ装置の運転原理は次のとおりである。冷媒蒸気の圧力及び温度は圧縮機Ａ６０１Ａ、および圧縮機Ｂ６０１Ｂの２台の圧縮機により増大され、次いで、その冷媒蒸気が放熱器６０２に入り、そこで冷却される。この後、高圧冷媒は膨張弁６０３により蒸発圧力に絞られ、蒸発器６０４において気化し、その周辺から熱を吸収する。そして、蒸発器６０４の出口を通って冷媒蒸気は圧縮機Ａ６０１Ａ、および圧縮機Ｂ６０１Ｂに戻る。

電動機Ａ６０６Ａおよび電動機Ｂ６０６Ｂは、圧縮機電力変換装置Ａ６０７Ａ、および圧縮機電力変換装置Ｂ６０７Ｂによりその回転数が制御され、本ヒートポンプ装置が最適な状態で運転される。圧縮機電力変換装置Ａ６０７Ａ、および圧縮機電力変換装置Ｂ６０７Ｂは、第１の実施形態において図３に示した圧縮機電力変換装置２０６、および膨張機電力変換装置２０８のブロック構成図と同様の構成となっている。
圧縮機電力変換装置Ａ６０７Ａ、および圧縮機電力変換装置Ｂ６０７Ｂの詳細は、第一の実施形態で説明したヒートポンプ装置と同様であるので省くが、圧縮機電力変換装置Ａ６０７Ａと圧縮機電力変換装置Ｂ６０７Ｂ、それぞれが出力する電圧は、逆位相となるように、キャリア信号の位相を変更することにより設定される。

これにより、圧縮機Ａと圧縮機Ｂの電圧が、逆位相になることにより、漏洩電流は、互いに打ち消しあって非常に少なくなる。このように、本実施例のヒートポンプ装置では、複数台の圧縮機を有するヒートポンプサイクルにおいて、複数台の圧縮機の電動機の電圧が、互いに逆位相になるようにしたので、非常に少ない漏洩電流で圧縮機を駆動することを実現するものである。

本実施例では、キャリア信号として三角波を使用する、三角波比較方式によりスイッチング信号を生成するものとして説明したが、のこぎり波などのキャリア信号を用いても同様の効果が得られることは言うまでもない。

以上説明したように本発明は、複数台の流体機器を備えたヒートポンプ装置について有用である。

圧縮機のモータの電気的構成を表す構成図 第１の実施形態に係るヒートポンプ装置の一実施例のブロック構成図 第１の実施形態に係るヒートポンプ装置内の圧縮機電力変換装置２０６、および膨張機電力変換装置２０８のブロック構成図 第１の実施形態に係るヒートポンプ装置内のスイッチング制御手段Ａ３１０および、スイッチング制御手段Ｂ３１２におけるスイッチング信号生成のタイミングの一例を表すタイミングチャート （ａ）従来のヒートポンプ装置における漏れ電流のシミュレーション結果の一例を示す図、（ｂ）第１の実施形態に係るヒートポンプ装置における漏れ電流のシミュレーション結果の一例を示す図 第２の実施形態に係るヒートポンプ装置の構成図

符号の説明

２０１ 圧縮機
２０２ 放熱器
２０３ 膨張機
２０４ 蒸発器
２０５ 電動機
２０６ 圧縮機電力変換装置
２０７ 発電機
２０８ 膨張機電力変換装置
２０９ 配管

Claims (6)

1. 電動機、もしくは発電機を備え、冷媒を圧縮、もしくは膨張させる複数台の流体機械、
   各流体機械に備えられた電動機、もしくは発電機の駆動を制御する複数台の制御手段、を有したヒートポンプ装置において、
   前記複数台の制御手段は、互いに出力する電圧が逆位相に構成され、漏洩電流を相殺させる機能を有したことを特徴とするヒートポンプ装置
2. 冷媒を圧縮する圧縮機と、冷媒を膨張させる膨張機と、前記圧縮機に接続された電動機と、直流電力を所定の周波数の交流に変換し前記電動機の駆動を制御する電動機制御手段と、前記膨張機に接続された発電機と、前記発電機が出力する交流電力を変換して直流電力を出力する発電機制御手段とを備えるヒートポンプ装置において、
   前記発電機制御手段と前記電動機制御手段は、互いに出力する電圧が逆位相に構成され、漏洩電流を相殺させる機能を有したことを特徴とする請求項１記載のヒートポンプ装置
3. 前記発電機制御手段、および前記電動機制御手段は、キャリア信号に基づくパルス幅変調制御により出力電圧を制御する機能を有し、前記発電機制御手段と、前記電動機制御手段とのキャリア信号が互いに逆相に構成されることを特徴とする請求項２記載のヒートポンプ装置
4. 冷媒を圧縮する複数台の圧縮機と、前記複数台の圧縮機に接続された電動機の駆動を制御する複数台の電動機制御手段とを備えるヒートポンプ装置において、
   前記複数台の電動機制御手段は、互いに逆位相の電圧を出力し、漏洩電流を相殺させる機能を有したことを特徴とする請求項１記載のヒートポンプ装置
5. 前記複数台の電動機制御手段は、キャリア信号に基づくパルス幅変調制御により出力電圧を制御する機能を有し、互いにそのキャリア信号が逆相に構成されることを特徴とする請求項４記載のヒートポンプ装置
6. 前記冷媒は二酸化炭素である、請求項１〜５のいずれか一つに記載のヒートポンプ装置

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