JP2010098933A

JP2010098933A - 冷凍サイクル装置

Info

Publication number: JP2010098933A
Application number: JP2009129268A
Authority: JP
Inventors: Kazunori Sakanobe; 和憲坂廼邊; Kazunori Hatakeyama; 和徳畠山
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2008-09-16
Filing date: 2009-05-28
Publication date: 2010-04-30
Anticipated expiration: 2029-05-28
Also published as: JP5274376B2

Abstract

【課題】安価な素子を使用し、そして、使用される素子数を少なくすることで、安価なコンバータ回路の構成を有する冷凍サイクル装置を得る。
【解決手段】永久磁石型同期発電機６は、発電機用ダイオード整流器１３に接続されており、その出力端には、スイッチング素子１４が接続されている。発電機コンバータ制御手段１８の出力側は、スイッチング素子１４に接続されている。発電機コンバータ回路１９は、発電機用ダイオード整流器１３、スイッチング素子１４、逆流阻止ダイオード１５、誘起電圧検出手段１６、電流検出手段１７及び発電機コンバータ制御手段１８を有する態様で構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷凍サイクル装置に関し、特に膨張機及び発電機を備える冷凍サイクル装置に関するものである。

従来の冷凍サイクル装置としては、膨張動力による発電を行うための回路としてＩＧＢＴを６素子用いる３相フルブリッジ型のコンバータを用いるものが開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特許第３９４３１２４号公報

しかしながら、従来の膨張機、発電機及び電力変換回路を用いて膨張動力を回収する冷凍サイクル装置においては、膨張動力の回収によって、絞り機構を用いる一般的な冷凍サイクルに比べ高効率なシステムとなる一方、新たに膨張機構、発電機、コンバータ及び制御手段を要するためコスト面での上昇が避けられないという問題があった。
また、コンバータでの半導体素子の数が増加するため、故障要因の増加により信頼性が低下する等の問題があった。

本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたもので、第１の目的は、安価な素子を使用し、そして、使用される素子数を少なくすることで、安価なコンバータ回路の構成を実現することである。また、第２の目的は、回路の過電流及び過電圧、並びに膨張機の異常回転による故障を防ぐことによって、安全で信頼性の高いシステムを構築することである。

本発明に係る冷凍サイクル装置は、冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮された冷媒を放熱させる放熱器と、前記放熱された冷媒を膨張させる膨張機と、前記膨張された冷媒を蒸発させる蒸発器とが順に冷媒配管で接続されて構成された冷媒回路と、商用電源を整流して直流電力を得る電源コンバータと、前記直流電力を平滑する平滑コンデンサと、前記直流電力を交流電力に変換するインバータと、前記インバータにより供給される交流電力により前記圧縮機を駆動する電動機と、前記膨張機によって回収される動力エネルギーを交流電力に変換する発電機と、前記発電機が出力する交流電力を直流電力に変換する発電機コンバータ回路と、を備え、前記発電機コンバータ回路は、前記発電機が出力する交流電力を整流するダイオード整流器と、前記ダイオード整流器の直流側出力端を短絡又は開放するスイッチング素子と、前記平滑コンデンサと前記スイッチング素子との間に挿入され、前記平滑コンデンサ側から前記スイッチング素子側への電力流入を阻止するように設置された逆流阻止ダイオードと、前記スイッチング素子の開閉動作を制御する発電機コンバータ制御手段と、を有することを特徴とする。

本発明の冷凍サイクル装置は、コンバータ回路のスイッチング素子を１個で実現することができ、また、ダイオード整流器は低速型の安価な素子を用いることができ、さらに、コンバータ回路を制御する制御信号は１本でよいことから安価なマイコン等を用いることができ、それぞれの構成部材において安価な構成が実現できる。
また、スイッチング素子の開閉動作の制御によって、回路の過電圧及び過電流による故障や、膨張機の異常回転による故障を防ぐことによって、安全で信頼性の高いシステムを構築できる。

本発明の実施の形態に係る冷凍サイクル装置の構成図である。発電機コンバータ制御手段の動作を示すフローチャートである。誘起電圧検出手段の動作説明図である。膨張機の回転位置と膨張トルクを示す図である。本発明の実施の形態２に係る冷凍サイクル装置の構成図である。本発明の実施の形態２に係る冷凍サイクル装置における発電機コンバータ回路１９の動作を示す図である。本発明の実施の形態３に係る冷凍サイクル装置の構成図である。本発明の実施の形態３に係る冷凍サイクル装置における発電機コンバータ回路１９の動作を示す図である。本発明の実施の形態４に係る膨張機３及び永久磁石型同期発電機６の構造を示す図である。本発明の実施の形態４に係る永久磁石型同期発電機６の構造を示す図である。一般的な永久磁石型同期発電機における回転子の構造を示す図である。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態に係る冷凍サイクル装置の構成図である。
圧縮機１、放熱器２、膨張機３及び蒸発器４は冷媒配管５によって接続され、冷媒回路２１が構成されている。永久磁石型同期発電機６は、膨張機３と機械的に接続されている。電動機７は、圧縮機１と機械的に接続されており、インバータ８は、電動機７に交流電力を供給するため、電動機７に接続されている。そのインバータ８を制御するため、インバータ制御手段９が接続されている。また、商用電源１２は、電源コンバータ１１に接続されており、整流した電力を出力するその出力端は、インバータ８に接続されている。また、その電源コンバータ１１の出力端には、インバータ８と並列になる構成で、平滑コンデンサ１０が接続されている。永久磁石型同期発電機６は、発電機用ダイオード整流器１３に接続されており、その発電機用ダイオード整流器１３の出力端には、スイッチング素子１４が接続されている。さらに、発電機用ダイオード整流器１３の出力端は、逆流阻止ダイオード１５を介して、平滑コンデンサ１０の両端に接続されている。また、誘起電圧検出手段１６の入力側は、永久磁石型同期発電機６に接続されており、その出力側は、発電機コンバータ制御手段１８に接続されている。電流検出手段１７は、発電機用ダイオード整流器１３とスイッチング素子１４の間に接続されており、その出力側は、発電機コンバータ制御手段１８に接続されている。また、平滑コンデンサ１０の両端は、その両端の電圧を検出するため、発電機コンバータ制御手段１８に接続されており、その発電機コンバータ制御手段１８の出力側は、スイッチング素子１４に接続されている。発電機コンバータ回路１９は、発電機用ダイオード整流器１３、スイッチング素子１４、逆流阻止ダイオード１５、誘起電圧検出手段１６、電流検出手段１７及び発電機コンバータ制御手段１８を有する態様で構成されている。

以下、図１を参照しながら、本発明の実施の形態に係る冷凍サイクル装置の全体動作について説明する。
冷媒配管５を流れる冷媒は、圧縮機１によって圧縮され、高温高圧となった冷媒は、放熱器２へと送られる。放熱器２へ送られた冷媒は、外部に放熱することで冷却され、凝縮し、低温高圧の液体冷媒となって、膨張機３へ送られる。膨張機３へ送られた液体冷媒は、膨張されて減圧され、蒸発しやすい低温低圧の状態で、蒸発器４に送られる。蒸発器４に送られた液体冷媒は、外部から熱を吸収して蒸発し気体の冷媒となり、再び圧縮機１へと送られ、上記動作を繰り返す。
また、商用電源１２から発生する交流電力は、電源コンバータ１１によって整流され、その整流された電力は、平滑コンデンサ１０に充電されることによって、平滑されて直流電力となる。その直流電力は、インバータ８に入力され、インバータ８は、インバータ制御手段９からの駆動信号を受けて、その直流電力を交流電力に変換する。その変換された交流電力が、電動機７に入力されることで、電動機７は回転し圧縮機１が駆動される。
また、膨張機３において液体冷媒が膨張する際、その膨張動力は、永久磁石型同期発電機６によって交流電力として電気エネルギーに変換される。その変換された交流電力は、発電機用ダイオード整流器１３に入力されて整流される。このとき、発電機コンバータ制御手段１８が、スイッチング素子１４をＯＮすることによって、永久磁石型同期発電機６の端子間に電流が流れ、また、スイッチング素子１４がＯＦＦすることによって、発電機用ダイオード整流器１３の出力側の電流回路が、逆流阻止ダイオード１５を介して平滑コンデンサ１０に接続される回路に切り替えられ、平滑コンデンサ１０が充電される。
誘起電圧検出手段１６は、永久磁石型同期発電機６によって膨張機３における膨張動力から変換された交流電圧の極性を検出し、発電機コンバータ制御手段１８に、その交流電圧の極性信号を出力する。その信号を受信した発電機コンバータ制御手段１８は、その信号に基づいて、膨張機３の回転数を算出する。また、電流検出手段１７は、発電機用ダイオード整流器１３によって整流された電流を検出し、その電流情報を発電機コンバータ制御手段１８に出力する。また、発電機コンバータ制御手段１８は、平滑コンデンサ１０の両端電圧を検出する。そして、発電機コンバータ制御手段１８は、電流検出手段１７から受信した電流情報、算出した膨張機３の回転数及び外部から入力される膨張機回転数指令値ωｇ＊に基づいて、スイッチング素子１４の開閉動作を制御する。

図２は、発電機コンバータ制御手段１８の動作を示すフローチャートであり、図３は、誘起電圧検出手段１６の動作説明図である。以下、図２及び図３を参照しながら、発電機コンバータ制御手段１８の制御動作について説明する。
まず、インバータ８の運転開始により圧縮機１が駆動するとともに、発電機コンバータ制御手段１８はスイッチング素子１４をＯＦＦし（Ｓ１）、誘起電圧検出手段１６の出力に基づいて膨張機３の回転数の算出を開始する（Ｓ２）。図３で示されるように、誘起電圧検出手段１６は、膨張機３の回転数に同期して発生する永久磁石型同期発電機６の交流電圧の極性を検出して、発電機コンバータ制御手段１８に、その極性信号を出力する。発電機コンバータ制御手段１８は、受信した極性信号のレベル変化の周期を計測して膨張機３の回転数ωを算出する（Ｓ２）。また、膨張機３は、極低速の状態において動力回収されると回転が維持できないため、発電機コンバータ制御手段１８は、回転維持が可能な領域になったか否かを、回転数ωによって判別する（Ｓ３）。そして、発電機コンバータ制御手段１８は、回転数ωが、回転維持が可能な回転数ωｓｔａｒｔまで上昇したことを確認した後は、外部から入力される膨張機回転数指令値ωｇ＊に基づいて、スイッチング素子１４の開閉動作（ＯＮ：導通、ＯＦＦ：遮断）についてＰＷＭ制御を実施する（Ｓ４〜Ｓ６）。すなわち、発電機コンバータ制御手段１８は、回転数ωが膨張機回転数指令値ωｇ＊に達したか否かを判定する（Ｓ４）。その判定の結果、達していないと判定した場合は、ＰＭＷ制御におけるデューティー比を減少させ（Ｓ５）、達したと判定した場合は、デューティー比を増加させる（Ｓ６）。次に、発電機コンバータ制御手段１８は、電流検出手段１７によって検出された電流が、永久磁石型同期発電機６の減磁レベル、又は発電機コンバータ回路１９の電流定格によって定まる所定の電流上限値を超えていないか否かを判定し（Ｓ７）、超えていると判定した場合、スイッチング素子１４をＯＦＦし（Ｓ１２）動作を終了する。そして、超えていないと判定した場合は、続いて、検出した母線電圧、すなわち、平滑コンデンサ１０の両端電圧が、回路の電圧定格等で定まる所定の電圧上限値を超えていないか否か、及び、算出した膨張機３の回転数が、発電機コンバータ回路１９の電圧定格又は膨張機３の機械強度によって定まる回転数上限値を超えていないか否かを判定し（Ｓ８）、超えていると判定した場合、スイッチング素子１４をＯＮし（Ｓ１１）動作を終了する。そして、超えていないと判定した場合は、続いて、冷凍サイクル装置全てを停止する外部停止指令が外部から入力されたか否かを判定し（Ｓ９）、入力されたと判定した場合、スイッチング素子１４をＯＦＦし（Ｓ１２）動作を終了する。一方、入力されていないと判定した場合は、続いて、サーモオフ要求、すなわち冷凍能力過多による一時的な圧縮機１及び膨張機３の運転停止要求が発生しているか否かを判定し（Ｓ１０）、サーモオフ要求が発生していると判定した場合、膨張機３を動作させると、放熱器２及び蒸発器４間の温度が急速に均衡し、省エネ性を損なうため、この条件においては、膨張機３が略停止するようにスイッチング素子１４をＯＮした（Ｓ１１）状態で終了する。そして、サーモオフ要求が発生していないと判定した場合は、再び、回転数ωが膨張機回転数指令値ωｇ＊に達したか否かを判定するステップＳ４に戻り、動作を繰り返す。

以上の動作によって、簡易な回路構成で膨張機３が発生する膨張動力を電気エネルギーに変換する機能を達成することができる。

なお、図２における圧縮機１起動時（Ｓ１）に、一定時間、スイッチング素子１４がＯＮ又はＰＷＭ制御により制御されることによって、膨張機３起動時の速度オーバーシュートを緩和するものとしてもよい。
また、ステップＳ７〜ステップＳ１０の各判定処理の順番においては、回路及び膨張機３の保護を優先するため、ステップＳ９及びステップＳ１０に先行して、ステップＳ７及びステップＳ８を処理させているが、これに限らず、その他の優先条件に従って、任意の順番に処理するものとしてもよい。

図４は、膨張機３の回転位置と膨張トルクを示す図である。以下、本実施の形態によってコスト効果をより発揮する膨張機３の機械構造について、図４を参照しながら説明する。
図１で示されるとおり、発電機コンバータ回路１９は、膨張機３に対して力行動作ができない構成である。すなわち、起動時に力行動作を要する構造の膨張機３については別途起動装置を必要とするので、コスト上昇する恐れがある。しかし、力行動作を要しない膨張機３については起動装置は不要であり、コスト低減に効果がある。シングルロータリ膨張機は、ベーンと膨張室１室の構造となるため、膨張トルクとベーントルクが相殺される位相（図３におけるＡ及びＢ）を原理的に有する。この位相においては、膨張機３が停止している場合、吐出及び吸入圧力によって膨張機３の自起動ができない。すなわち、このような膨張機３を使用する場合は、別途起動装置を構成する必要がある。一方、ツインロータリ膨張機及びスクロール膨張機は、回転位相が変化しても膨張トルクの極性が変化することは無いため、吐出及び吸入圧力によって膨張機３の自起動が可能であり、特別な起動装置を必要としない。このため、膨張機構としてはツインロータリ型及びスクロール型のようなトルクリップルの小さい構造であると、起動装置が不要であり低コストなコンバータが実現される。

以上のような構成及び動作によって、発電機コンバータ制御手段１８が外部から入力される膨張機回転数指令値ωｇ＊に基づき回転数制御を行うことで、冷媒回路２１を流れる冷媒の流量及び圧力の制御が実現でき、より応答性の良い冷凍サイクル装置を得ることができる。
また、誘起電圧検出手段１６は、永久磁石型同期発電機６が出力する交流電圧の極性を出力端から検出するため、永久磁石型同期発電機６内に新たにセンサを設けなくとも良く、安価なシステムが構築できる。
また、発電機コンバータ制御手段１８は、平滑コンデンサ１０の電圧が回路の電圧定格等で定まる所定の電圧上限値を超えた場合に、スイッチング素子１４をＯＮ又はＯＦＦすることによって発電機コンバータ回路１９から平滑コンデンサ１０への電力流出を停止するので、回路の過電圧による故障を防ぎ、安全で信頼性の高いシステムを構築できる。
また、発電機コンバータ制御手段１８は、電流検出手段１７によって検出される電流が、永久磁石型同期発電機６の減磁レベル、又は発電機コンバータ回路１９の電流定格によって定まる所定の電流上限値を超えた場合に、スイッチング素子１４をＯＦＦすることによって永久磁石型同期発電機６の磁石の減磁や発電機コンバータ回路１９の過電流破壊を防ぎ、安全で信頼性の高いシステムを構築できる。
そして、発電機コンバータ制御手段１８は、膨張機３の回転数が発電機コンバータ回路１９の電圧定格又は膨張機３の機械強度によって定まる回転数上限値を超えた場合にスイッチング素子１４をＯＮして膨張機３の回転数を制限することで、膨張機３の異常回転による故障を防ぎ、安全で信頼性の高いシステムを構築できる。
さらに、膨張機３の膨張機構をスクロール型又はツインロータリ型とすることで、膨張機３の停止位置によるトルク差を抑制することができ、起動装置が不要で低コストとなり、かつ信頼性の高いシステムを構築できる。

なお、図１では永久磁石型同期発電機６が３相である場合について示したが、これに限らず、相数は２相以上であればよい。また、直流発電機である場合は、誘起電圧検出手段１６におけるゼロクロスを検出することによる極性検出に代えて、電圧レベル検出とすることにより実現可能である。そして、冷媒の種類はこれを制限するものでなく、幅広く適用可能である。

実施の形態２．
図５は、本発明の実施の形態２に係る冷凍サイクル装置の構成図である。以下、図５を参照しながら、実施の形態１に係る冷凍サイクル装置と相違する点を中心に説明する。
図５で示されるように、永久磁石型同期発電機６は、発電機用ダイオード整流器１３に接続されており、その発電機用ダイオード整流器１３の出力端には、並列に第２平滑コンデンサ１００が接続されている。また、発電機用ダイオード整流器１３の＋側出力端から、降圧用スイッチング素子１０２、ＤＣリアクトル１０１、昇圧用スイッチング素子１０４、そして、発電機用ダイオード整流器１３の−側出力端の順に直列に接続されている。また、降圧用スイッチング素子１０２とＤＣリアクトル１０１との接続線には、降圧用ダイオード１０３のカソード側が接続され、発電機用ダイオード整流器１３の−側出力端には、その降圧用ダイオード１０３のアノード側が接続されている。また、ＤＣリアクトル１０１と昇圧用スイッチング素子１０４との接続線には、昇圧用ダイオード１０５のアノード側が接続され、電源コンバータ１１の＋側出力端には、昇圧用ダイオード１０５のカソード側が接続されている。また、発電機用ダイオード整流器１３の−側出力端には、電源コンバータ１１の−側出力端が接続されている。そして、第２平滑コンデンサ１００の両端は、その両端電圧Ｖｇを検出するため、発電機コンバータ制御手段１８に接続されている。さらに、この発電機コンバータ制御手段１８の出力側には、降圧用スイッチング素子１０２及び昇圧用スイッチング素子１０４が接続されており、発電機コンバータ制御手段１８によってそれらのＯＮ／ＯＦＦ制御が実施される。
本実施の形態に係る発電機コンバータ回路１９は、実施の形態１におけるスイッチング素子１４、逆流阻止ダイオード１５、及び、電流検出手段１７は備えておらず、発電機用ダイオード整流器１３、誘起電圧検出手段１６、発電機コンバータ制御手段１８、第２平滑コンデンサ１００、ＤＣリアクトル１０１、降圧用スイッチング素子１０２、降圧用ダイオード１０３、昇圧用スイッチング素子１０４及び昇圧用ダイオード１０５によって構成されている。
なお、上記の降圧用スイッチング素子１０２及び昇圧用スイッチング素子１０４は、トランジスタ、サイリスタ、又は、高周波用リレー等の高周波動作に対応した素子によって構成すればよい。

上記のＤＣリアクトル１０１、発電機コンバータ制御手段１８によってＰＷＭ制御される降圧用スイッチング素子１０２、及び、降圧用ダイオード１０３によって、両端電圧Ｖｇに対して平滑コンデンサ１０の両端の電圧（以下、両端電圧Ｖｄｃという）を抑制する降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ回路が構成されている。また、上記のＤＣリアクトル１０１、発電機コンバータ制御手段１８によってＰＷＭ制御される昇圧用スイッチング素子１０４、及び、昇圧用ダイオード１０５によって、両端電圧Ｖｇよりも高い両端電圧Ｖｄｃを発生させる昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ回路が構成されている。

図６は、本発明の実施の形態２に係る冷凍サイクル装置における発電機コンバータ回路１９の動作を示す図である。図６を参照しながら、本実施の形態に係る発電機コンバータ回路１９の動作について説明する。
発電機用ダイオード整流器１３の出力端に並列に接続された第２平滑コンデンサ１００は、発電機用ダイオード整流器１３によって整流された電圧を平滑して直流電圧である両端電圧Ｖｇを発生させる。図６で示されるように、この両端電圧Ｖｇは、膨張機３の回転数に比例して上昇する。このとき、両端電圧Ｖｇ及び両端電圧Ｖｄｃについて下記の式（１）

Ｖｇ≦Ｖｄｃの最大定格（１）

を満たす場合、発電機コンバータ制御手段１８は、降圧用スイッチング素子１０２をＯＮ（導通）状態に固定し、昇圧用スイッチング素子１０４をＰＷＭ制御を実施することによって平滑コンデンサ１０に対して充電電流を供給する。一方、両端電圧Ｖｇ及び両端電圧Ｖｄｃについて下記の式（２）

Ｖｇ＞Ｖｄｃの最大定格（２）

を満たす場合、発電機コンバータ制御手段１８は、昇圧用スイッチング素子１０４をＯＦＦ（遮断）状態とし、降圧用スイッチング素子１０２をＰＷＭ制御を実施することによってインバータ８への入力直流電圧の上昇を抑制する。上記の式（１）及び（２）のいずれかを満たす場合に、発電機コンバータ制御手段１８は、上記のような制御を実施することによって両端電圧Ｖｄｃが最大定格を超過しないように制御され、かつ、その最大定格近傍に一定になるように制御される。

以上の構成及び動作によって、両端電圧Ｖｇが上昇、すなわち、膨張機３が異常な高速回転している場合に、発電機コンバータ回路１９を降圧チョッパとして動作させ、平滑コンデンサ１０の両端電圧Ｖｄｃがその最大定格を超過しないように抑制することによって、平滑コンデンサ１０及びインバータ８等の回路の故障を防止することができる。

なお、図５では永久磁石型同期発電機６が３相である場合について示したが、これに限らず、相数は２相以上であればよい。また、永久磁石型同期発電機６に限定されるものでもなく、直流発電機等を適用してもよい。そして、冷媒の種類はこれを制限するものでなく、幅広く適用可能である。

実施の形態３．
図７は、本発明の実施の形態３に係る冷凍サイクル装置の構成図である。以下、図７を参照しながら、実施の形態１に係る冷凍サイクル装置と相違する点を中心に説明する。
図７で示されるように、永久磁石型同期発電機６は、発電機用ダイオード整流器１３に接続されており、その発電機用ダイオード整流器１３の出力端には、並列に第２平滑コンデンサ１００が接続されている。また、発電機用ダイオード整流器１３の＋側出力端から、昇降圧用スイッチング素子１１０、昇降圧用リアクトル１１１、そして、発電機用ダイオード整流器１３の−側出力端の順に直列に接続されている。また、昇降圧用スイッチング素子１１０と昇降圧用リアクトル１１１との接続線には、整流ダイオード１１２のカソード側が接続され、電源コンバータ１１の−側出力端には、整流ダイオード１１２のアノード側に接続されている。また、発電機用ダイオード整流器１３の−側出力端には、電源コンバータ１１の＋側出力端が接続されている。そして、第２平滑コンデンサ１００の両端は、その両端電圧Ｖｇを検出するため、発電機コンバータ制御手段１８に接続されている。さらに、この発電機コンバータ制御手段１８の出力側には、昇降圧用スイッチング素子１１０が接続されており、発電機コンバータ制御手段１８によってそのＯＮ／ＯＦＦ制御が実施される。
本実施の形態に係る発電機コンバータ回路１９は、実施の形態１におけるスイッチング素子１４、逆流阻止ダイオード１５、及び、電流検出手段１７は備えておらず、発電機用ダイオード整流器１３、誘起電圧検出手段１６、発電機コンバータ制御手段１８、第２平滑コンデンサ１００、昇降圧用スイッチング素子１１０、昇降圧用リアクトル１１１及び整流ダイオード１１２によって構成されている。
なお、上記の昇降圧用スイッチング素子１１０は、トランジスタ、サイリスタ、又は、高周波用リレー等の高周波動作に対応した素子によって構成すればよい。
また、整流ダイオード１１２については、発電機用ダイオード整流器１３の−側出力端に、そのアノード側が接続され、電源コンバータ１１の＋側出力端にそのカソード側が接続される構成としてもよい。

前述の実施の形態２に係る発電機コンバータ回路１９は、２石式による昇降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ回路を構成しているが、本実施の形態に係る発電機コンバータ回路１９は、１石式による昇降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ回路を構成しており、具体的には、昇降圧用スイッチング素子１１０、昇降圧用リアクトル１１１及び整流ダイオード１１２によって昇降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ回路が構成されている。

図８は、本発明の実施の形態３に係る冷凍サイクル装置における発電機コンバータ回路１９の動作を示す図である。図８を参照しながら、本実施の形態に係る発電機コンバータ回路１９の動作について説明する。
発電機用ダイオード整流器１３の出力端に並列に接続された第２平滑コンデンサ１００は、発電機用ダイオード整流器１３によって整流された電圧を平滑して直流電圧である両端電圧Ｖｇを発生させる。図８で示されるように、この両端電圧Ｖｇは、膨張機３の回転数に比例して上昇する。前述した式（１）を満たす場合、発電機コンバータ制御手段１８は、昇降圧用スイッチング素子１１０に対して、図８で示される点Ａにおけるデューティー比よりも高いデューティー比によってＰＷＭ制御を実施することによって、発電機コンバータ回路１９は昇圧チョッパとして機能し、平滑コンデンサ１０に対して充電電流を供給する。一方、前述した式（２）を満たす場合、発電機コンバータ制御手段１８は、昇降圧用スイッチング素子１１０に対して、図８で示される点Ａにおけるデューティー比よりも低いデューティー比によってＰＷＭ制御を実施することによって、発電機コンバータ回路１９は降圧チョッパとして機能し、インバータ８への入力直流電圧の上昇を抑制する。前述の式（１）及び（２）のいずれかを満たす場合に、発電機コンバータ制御手段１８は、上記のような制御を実施することによって両端電圧Ｖｄｃが最大定格を超過しないように制御され、かつ、その最大定格近傍に一定になるように制御される。

以上の構成及び動作によって、両端電圧Ｖｇが上昇、すなわち、膨張機３が異常な高速回転している場合に、発電機コンバータ回路１９を降圧チョッパとして動作させ、平滑コンデンサ１０の両端電圧Ｖｄｃがその最大定格を超過しないように抑制することによって、平滑コンデンサ１０及びインバータ８等の回路の故障を防止することができる。
また、本実施の形態に係る発電機コンバータ回路１９は、１石式による昇降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ回路を構成しており、使用される素子数を少なくすることができるので安価なコンバータ回路の構成を実現することができる。

なお、図７では永久磁石型同期発電機６が３相である場合について示したが、これに限らず、相数は２相以上であればよい。また、永久磁石型同期発電機６に限定されるものでもなく、直流発電機等を適用してもよい。そして、冷媒の種類はこれを制限するものでなく、幅広く適用可能である。

実施の形態４．
図９は本発明の実施の形態４に係る膨張機３及び永久磁石型同期発電機６の構造を示す図であり、図１０はその永久磁石型同期発電機６の構造を示す図である。
図９で示されるように、膨張機３は、絞り部２０３、末広部２０６及びガスタービン２００によって構成されている。また、図９及び図１０で示されるように、永久磁石型同期発電機６は、固定子２０１、回転子２０２、巻線２０５、永久磁石３００、固定子鉄心３０１及び回転子鉄心３０２によって構成されている。なお、この膨張機３及び永久磁石型同期発電機６は、実施の形態１〜実施の形態３における冷凍サイクル装置に設置されているものである。
絞り部２０３は、配管径が数ｍｍ〜数十ｍｍである冷媒配管５が冷媒の流通方向に向かって配管径が小さくなるように構成された部分であり、この絞り部２０３における最も配管径が小さい部分に連結され、そこから冷媒の流通方向に向かって配管径が大きくなるように構成された末広部２０６が形成されている。この末広部２０６の内部には、ガスタービン２００が設置されている。また、このガスタービン２００の下流側の冷媒配管５内には永久磁石型同期発電機６における回転子２０２が設置されており、ガスタービン２００及び回転子２０２の回転中心部がシャフト２０４によって連結されている。この回転子２０２が収納されている冷媒配管５の外周を囲うように固定子２０１が設置されている。この固定子２０１の外周部の内側には固定子鉄心３０１が複数形成されており、これらの固定子鉄心３０１それぞれの周りに巻線２０５が巻き付けられている。また、回転子２０２には、その外周から中心側寄りの内部に永久磁石３００が埋設されている。
なお、絞り部２０３及び末広部２０６は、本発明における「膨張弁」に相当するものである。

次に、図９及び図１０を参照しながら本実施の形態に係る膨張機３及び永久磁石型同期発電機６の動作を説明する。
実施の形態１〜実施の形態３における放熱器２から流出した低温高圧の冷媒は、膨張機３における絞り部２０３に流入する。この絞り部２０３に流入した冷媒は、絞り部２０３が冷媒の流通する方向に向かって配管径が小さくなることにより流速が速くなることによって減圧され、末広部２０６へ流入する。この末広部２０６に流入し流速が速められた冷媒は、ガスタービン２００に衝突し、これによってガスタービン２００はシャフト２０４を回転軸として回転する。このガスタービン２００が回転することによって、ガスタービン２００とシャフト２０４を介して連結されている永久磁石型同期発電機６における回転子２０２が、シャフト２０４を回転軸として回転する。この回転子２０２が回転することによって、回転子２０２に埋設された永久磁石３００も回転し、この永久磁石３００が発生する磁束が変化する。この永久磁石３００によって発生した磁束が変化することによって、固定子２０１における固定子鉄心３０１に巻き付けられた巻線２０５に電磁誘導による起電力が生じて発電する。

図１１は、一般的な永久磁石型同期発電機における回転子の構造を示す図であるが、以上の構成及び動作のように、図１１で示される一般的な回転子の構造に比べ、永久磁石３００が回転子２０２の外周から中心側の位置に埋設されて固定されることによって、回転子２０２の回転時に永久磁石３００に係る遠心力に対しても強くなり、回転子２０２の高速回転化が容易になる。
また、スクロール膨張機は、機構が複雑で小型化が困難であるのに対し、本実施の形態において、ガスタービン２００は、比較的小型化が容易であり、永久磁石型同期発電機６の回転子２０２と共に、数ｍｍ〜数十ｍｍの配管径である冷媒配管５に配置することが可能であり、全体的に小型化にすることが可能である。
さらに、冷媒配管５の外側に固定子２０１を配置することによって、巻線２０５を冷媒配管５の内部から引き出す必要がなく、冷媒配管５の密閉構造を簡易に実現することができる。

１圧縮機、２放熱器、３膨張機、４蒸発器、５冷媒配管、６永久磁石型同期発電機、７電動機、８インバータ、９インバータ制御手段、１０平滑コンデンサ、１１電源コンバータ、１２商用電源、１３発電機用ダイオード整流器、１４スイッチング素子、１５逆流阻止ダイオード、１６誘起電圧検出手段、１７電流検出手段、１８発電機コンバータ制御手段、１９発電機コンバータ回路、２１冷媒回路、１００第２平滑コンデンサ、１０１ＤＣリアクトル、１０２降圧用スイッチング素子、１０３降圧用ダイオード、１０４昇圧用スイッチング素子、１０５昇圧用ダイオード、１１０昇降圧用スイッチング素子、１１１昇降圧用リアクトル、１１２整流ダイオード、２００ガスタービン、２０１固定子、２０２回転子、２０３絞り部、２０４シャフト、２０５巻線、２０６末広部、３００永久磁石、３０１固定子鉄心、３０２回転子鉄心。

Claims

冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮された冷媒を放熱させる放熱器と、前記放熱された冷媒を膨張させる膨張機と、前記膨張された冷媒を蒸発させる蒸発器とが順に冷媒配管で接続されて構成された冷媒回路と、
商用電源を整流して直流電力を得る電源コンバータと、
前記直流電力を平滑する平滑コンデンサと、
前記直流電力を交流電力に変換するインバータと、
前記インバータにより供給される交流電力により前記圧縮機を駆動する電動機と、
前記膨張機によって回収される動力エネルギーを交流電力に変換する発電機と、
前記発電機が出力する交流電力を直流電力に変換する発電機コンバータ回路と、
を備え、
前記発電機コンバータ回路は、
前記発電機が出力する交流電力を整流するダイオード整流器と、
前記ダイオード整流器の直流側出力端を短絡又は開放するスイッチング素子と、
前記平滑コンデンサと前記スイッチング素子との間に挿入され、前記平滑コンデンサ側から前記スイッチング素子側への電力流入を阻止するように設置された逆流阻止ダイオードと、
前記スイッチング素子の開閉動作を制御する発電機コンバータ制御手段と、
を有する
ことを特徴とする冷凍サイクル装置。
前記発電機コンバータ制御手段は、外部から与えられる発電機回転数指令値に基づいて前記スイッチング素子の開閉動作を制御することによって、前記膨張機の回転数制御を行う
ことを特徴とする請求項１記載の冷凍サイクル装置。
前記発電機コンバータ制御手段は、前記スイッチング素子の開閉動作をＰＷＭ制御によって制御する
ことを特徴とする請求項２記載の冷凍サイクル装置。
前記発電機コンバータ回路は、前記発電機の出力端電圧の極性を検出する誘起電圧検出手段を有し、
前記発電機コンバータ制御手段は、前記極性に基づいて、前記膨張機の回転数を算出する
ことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の冷凍サイクル装置。
前記発電機コンバータ制御手段は、前記圧縮機の起動後、算出した前記膨張機の回転数が所定の回転数になるまで、前記スイッチング素子をＯＦＦする
ことを特徴とする請求項４記載の冷凍サイクル装置。
前記発電機コンバータ制御手段は、
前記平滑コンデンサの両端電圧を検出し、
その両端電圧が所定の上限値を超えた場合に、前記スイッチング素子をＯＮすることによって前記発電機コンバータ回路から前記平滑コンデンサへの電力流出を停止する
ことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載の冷凍サイクル装置。
前記発電機コンバータ回路は、前記ダイオード整流器の出力電流を検出する電流検出手段を有し、
前記発電機コンバータ制御手段は、前記出力電流が所定の上限値を超えた場合に、前記スイッチング素子をＯＦＦする
ことを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれかに記載の冷凍サイクル装置。
前記発電機コンバータ制御手段は、外部から運転休止指令を受けた場合には前記スイッチング素子をＯＮする
ことを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれかに記載の冷凍サイクル装置。
前記発電機コンバータ制御手段は、算出した前記膨張機の回転数が所定の上限値を超えた場合に、前記スイッチング素子をＯＮする
ことを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれかに記載の冷凍サイクル装置。
前記発電機コンバータ制御手段は、前記圧縮機の起動後、所定時間、前記スイッチング素子をＯＮ、又は、ＰＷＭ制御によって制御することによって、前記膨張機のオーバーシュートを緩和する
ことを特徴とする請求項１〜請求項９のいずれかに記載の冷凍サイクル装置。
前記膨張機の膨張機構は、スクロール型又はツインロータリ型である
ことを特徴とする請求項１〜請求項１０のいずれかに記載の冷凍サイクル装置。
前記発電機は、永久磁石型同期発電機である
ことを特徴とする請求項１〜請求項１１のいずれかに記載の冷凍サイクル装置。
前記発電機は、直流発電機であり、
前記誘起電圧検出手段は、前記発電機の出力端電圧の極性を検出することに代えて、該出力端電圧の電圧レベルを検出する
ことを特徴とする請求項４〜請求項１１のいずれかに記載の冷凍サイクル装置。
冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮された冷媒を放熱させる放熱器と、前記放熱された
冷媒を膨張させる膨張機と、前記膨張された冷媒を蒸発させる蒸発器とが順に冷媒配管で
接続されて構成された冷媒回路と、
商用電源を整流して直流電力を得る電源コンバータと、
前記直流電力を平滑する平滑コンデンサと、
前記直流電力を交流電力に変換するインバータと、
前記インバータにより供給される交流電力により前記圧縮機を駆動する電動機と、
前記膨張機によって回収される動力エネルギーを交流電力に変換する発電機と、
前記発電機が出力する交流電力を直流電力に変換する発電機コンバータ回路と、
を備え、
前記発電機コンバータ回路は、
前記発電機が出力する交流電力を整流するダイオード整流器と、
該ダイオード整流器の出力端に並列に接続され、前記ダイオード整流器によって整流された電力を平滑する第２平滑コンデンサと、
該第２平滑コンデンサの両端電圧に対して前記平滑コンデンサの両端電圧を昇圧又は降圧させる昇降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ回路と
該昇降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ回路を制御する発電機コンバータ制御手段と、
を有する
ことを特徴とする冷凍サイクル装置。
前記昇降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ回路は
前記ダイオード整流器の＋側出力端に、その一端が接続された降圧用スイッチング素子と、
該降圧用スイッチング素子の他端に、そのカソード側が接続され、前記ダイオード整流器の−側出力端に、そのアノード側が接続された降圧用ダイオードと、
前記降圧用スイッチング素子と前記降圧用ダイオードのカソード側との接続線に、その一端が接続されたＤＣリアクトルと、
該ＤＣリアクトルの他端に、その一端が接続され、前記電源コンバータの−側出力端に、その他端が接続された昇圧用スイッチング素子と、
前記ＤＣリアクトルと前記昇圧用スイッチング素子との接続線に、そのアノード側が接続され、前記電源コンバータの＋側出力端に、そのカソード側が接続された昇圧用ダイオードと、
を備え、
前記発電機コンバータ制御手段は、
前記第２平滑コンデンサの両端電圧を検出し、
前記降圧用スイッチング素子及び前記昇圧用スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ動作を制御する
ことを特徴とする請求項１４記載の冷凍サイクル装置。
前記昇降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ回路は、
前記ダイオード整流器の＋側出力端に、その一端が接続された昇降圧用スイッチング素子と、
該昇降圧用スイッチング素子の他端に、その一端が接続され、前記ダイオード整流器の−側出力端に、その他端が接続された昇降圧用リアクトルと、
前記昇降圧用リアクトルの両端と前記平滑コンデンサの両端とが接続される経路に直列に接続され、前記平滑コンデンサへの充電電流のみを流す方向に接続された整流ダイオードと、
を備え、
前記発電機コンバータ制御手段は、
前記第２平滑コンデンサの両端電圧を検出し、
前記昇降圧用スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ動作を制御する
ことを特徴とする請求項１４記載の冷凍サイクル装置。
前記発電機コンバータ制御手段は、
検出した前記第２平滑コンデンサの両端電圧の値が、前記平滑コンデンサの両端電圧の最大定格値以下の場合、前記降圧用スイッチング素子をＯＮ（導通）状態にし、前記昇圧用スイッチング素子をＰＷＭ制御することによって、前記昇圧用スイッチング素子、前記ＤＣリアクトル及び前記昇圧用ダイオードを昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ回路として機能させ、前記第２平滑コンデンサの両端電圧よりも高い前記平滑コンデンサの両端電圧を発生させ、
検出した前記第２の平滑コンデンサの両端電圧の値が、前記平滑コンデンサの両端電圧の最大定格値よりも高い場合、前記昇圧用スイッチング素子をＯＦＦ（遮断）状態にし、前記降圧用スイッチング素子をＰＷＭ制御することによって、前記降圧用スイッチング素子、前記ＤＣリアクトル及び前記降圧用ダイオードを降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ回路として機能させ、前記第２平滑コンデンサの両端電圧よりも低い前記平滑コンデンサの両端電圧を発生させる
ことを特徴とする請求項１５記載の冷凍サイクル装置。
前記発電機コンバータ制御手段は、
検出した前記第２平滑コンデンサの両端電圧の値が、前記平滑コンデンサの両端電圧の最大定格値以下の場合、前記昇降圧用スイッチング素子を所定のデューティー比よりも高いデューティー比によりＰＷＭ制御することによって、前記昇降圧用スイッチング素子、前記昇降圧用リアクトル及び前記整流ダイオードを昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ回路として機能させ、前記第２平滑コンデンサの両端電圧よりも高い前記平滑コンデンサの両端電圧を発生させ、
検出した前記第２の平滑コンデンサの両端電圧の値が、前記平滑コンデンサの両端電圧の最大定格値よりも高い場合、前記昇降圧用スイッチング素子を前記所定のデューティー比よりも低いデューティー比によりＰＷＭ制御することによって、前記昇降圧用スイッチング素子、前記昇降圧用リアクトル及び前記整流ダイオードを降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ回路として機能させ、前記第２平滑コンデンサの両端電圧よりも低い前記平滑コンデンサの両端電圧を発生させる
ことを特徴とする請求項１６記載の冷凍サイクル装置。
前記膨張機は、
絞り機構によって前記冷媒を減圧させる膨張弁と、
前記冷媒配管内に設置され、前記膨張弁から流出する前記冷媒の動力を用いて回転するガスタービンと、
を備え、
前記発電機は、回転子を有し、
前記ガスタービンは、前記回転子に機械的に連結され、
該回転子は、前記ガスタービンが回転することによって回転する
ことを特徴とする請求項１〜請求項１８のいずれかに記載の冷凍サイクル装置。
前記回転子は、前記冷媒配管内に設置された
ことを特徴とする請求項１９記載の冷凍サイクル装置。
前記発電機が前記永久磁石型同期発電機である場合、
前記回転子は、その外周から内側に埋設された永久磁石を有する
ことを特徴とする請求項１９又は請求項２０記載の冷凍サイクル装置。
前記発電機は、固定子を有し、
該固定子は、前記回転子が収納されている前記冷媒配管の外周を囲うように設置された
ことを特徴とする請求項１９〜請求項２１のいずれかに記載の冷凍サイクル装置。