JP2011163728A - 空気調和装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】装置容積や装置コストの上昇を抑制し得ると共に、より適切な過熱保護を行い得る空気調和装置を提供する。
【解決手段】電動圧縮機を、圧縮機５と、圧縮機５を駆動する電動モータ６と、半導体スイッチング素子近傍の温度を検知する温度センサ１１を備えたインバータ７と、を一体にして備えたインバータ一体型電動圧縮機１０とし、制御装置３により、インバータ７の検出温度、圧縮機５の回転数および圧縮機５の動力それぞれの冷凍サイクル２における圧力負荷特性の相関関係に基づき、圧縮機５の吐出温度を推定する。
【選択図】図１

Description

本発明は空気調和装置に係り、特に、装置容積や装置コストの上昇を抑制し得ると共に、より適切な過熱保護を行い得る空気調和装置に関するものである。
自動車等の車両用空気調和装置として、ガス冷媒を圧縮する圧縮機と、高圧のガス冷媒を外気と熱交換して凝縮させるコンデンサと、高温高圧の液冷媒を低温低圧の液冷媒にする膨張弁と、低温低圧の液冷媒を外気と熱交換して気化させるエバポレータとを備え、冷媒通路を介してこれらを接続した冷凍サイクルを構成するものが知られている。
この種の車両用空気調和装置において、圧縮機を電動モータによって駆動する電動圧縮機を用いる構成の場合に、圧縮機の吐出温度を検知して、該吐出温度が一定温度以上になったとき、電動圧縮機の回転数を設定値まで下げるような運転制御が行われている。また、過熱保護の観点から、電動モータのモータコイル近傍に温度検出手段を設置し、モータコイル温度が許容温度を超えた場合に、電動圧縮機の回転数の低下や電動圧縮機を停止させるなどの制御も行われている。
このように、圧縮機の吐出温度検知や電動モータのモータコイル温度検知のためには、該当箇所に温度センサの設置が必要となるが、構造的な複雑さやスペースの問題、或いは部品点数の増加によるコスト上昇等の観点から、センサレスの構成として他のパラメータからこれら温度を推定する手法が提案されている。
例えば、特開２００６−２９１８７８号公報に開示の「電動圧縮機の制御方法および制御装置」では、電動圧縮機の吐出圧力、電動モータ回転数、電動モータ駆動装置の入力電流からモータコイル温度を演算により求める手法が開示されている。
特開２００６−２９１８７８号公報
しかしながら、上述した特許文献１に開示された技術においては、モータコイル温度を求める演算に用いるパラメータが、直接的に温度に影響されるパラメータではないため、例えば車両側の高温雰囲気等の外乱による影響が加味されていないという事情があった。つまり、正常運転時にはこのような車両側の高温雰囲気等についても、予め実験的に求めた補正値などで対処可能であるが、外気温度の異常な上昇や、異常発熱時などの場合には温度の補正では対処できず、見逃してしまう可能性がある。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、新たに温度検出手段を具備することなく電動モータのモータコイル温度または圧縮機の吐出温度を求め、装置容積や装置コストの上昇を抑制し得る空気調和装置を提供することを目的としている。
また、本発明の他の目的は、電動モータのモータコイル温度または圧縮機の吐出温度について、より実際的な推定を実現し、より適切な過熱保護を行い得る空気調和装置を提供することにある。
上記課題を解決するため、本発明は以下の手段を採用する。
本発明は、ガス冷媒を圧縮する電動圧縮機と、高圧のガス冷媒を外気と熱交換して凝縮させるコンデンサと、高温高圧の液冷媒を低温低圧の液冷媒にする膨張弁と、低温低圧の液冷媒を外気と熱交換して気化させるエバポレータとを備えた冷凍サイクルと、制御手段とを有する空気調和装置において、前記電動圧縮機は、圧縮機と、前記圧縮機を駆動する電動モータと、半導体スイッチング素子近傍の温度を検知する温度検知手段を備えたインバータとを一体にして備えたインバータ一体型電動圧縮機であって、前記制御手段は、前記インバータの検出温度、前記圧縮機の回転数および前記圧縮機の動力に基づき、前記圧縮機の吐出温度を推定する空気調和装置を提供する。
本発明によれば、インバータの半導体スイッチング素子近傍の検出温度に基づいて圧縮機の吐出温度を推定することとし、推定演算に用いるパラメータに温度パラメータを用いているので、外気温度の異常な上昇や、異常発熱時などの場合でも、より実際的な圧縮機の吐出温度の推定を行うことができる。また、圧縮機吐出温度が設定閾値を超えたときに圧縮機回転数の低下設定または圧縮機の停止を行うことにより、適切に過熱保護を行うことができる。なお、インバータの温度検出手段は、半導体スイッチング素子の過熱保護のための既設のものを使用すれば良く、新たに設定する必要はない。
上記空気調和装置において、制御手段は、前記インバータの検出温度、前記圧縮機の動力および前記圧縮機の吐出温度それぞれの前記冷凍サイクルにおける圧力負荷特性の相関関係に基づき、前記圧縮機の吐出温度を推定することとしてもよい。
このような構成によれば、設定されている圧縮機回転数におけるインバータ検出温度の冷凍サイクルにおける圧力負荷特性と、設定されている圧縮機回転数における圧縮機動力の冷凍サイクルにおける圧力負荷特性と、設定されている圧縮機回転数における圧縮機吐出温度の冷凍サイクルにおける圧力負荷特性との相関関係に基づき、圧縮機の吐出温度を推定するので、より実際的な推定を実現し、より適切な過熱保護を行うことができる。
本発明は、ガス冷媒を圧縮する電動圧縮機と、高圧のガス冷媒を外気と熱交換して凝縮させるコンデンサと、高温高圧の液冷媒を低温低圧の液冷媒にする膨張弁と、低温低圧の液冷媒を外気と熱交換して気化させるエバポレータとを備えた冷凍サイクルと、制御手段とを有する空気調和装置において、前記電動圧縮機は、圧縮機と、前記圧縮機を駆動する電動モータと、半導体スイッチング素子近傍の温度を検知する温度検知手段を備えたインバータとを一体にして備えたインバータ一体型電動圧縮機であって、前記制御手段は、前記インバータの検出温度、前記圧縮機の回転数および前記圧縮機の動力に基づき、前記電動モータのモータコイル温度を推定する空気調和装置を提供する。
本発明によれば、インバータの半導体スイッチング素子近傍の検出温度に基づいて電動モータのモータコイル温度を推定することとし、推定演算に用いるパラメータにインバータの検出温度を用いているので、外気温度の異常な上昇や、異常発熱時などの場合でも、より実際的なモータコイル温度の推定を行うことができる。
また、例えば、推定したモータコイル温度が設定閾値を超えた場合に、圧縮機回転数の低下設定または圧縮機の停止を行うことにより、適切に過熱保護を行うことができる。なお、インバータの温度検出手段は、半導体スイッチング素子の過熱保護のための既設のものを使用すれば良く、新たに設定する必要はない。
上記空気調和装置において、制御手段は、前記インバータの検出温度、前記圧縮機の動力および前記電動モータのモータコイル温度それぞれの前記冷凍サイクルにおける圧力負荷特性の相関関係に基づき、前記電動モータのモータコイル温度を推定することとしてもよい。
このような構成によれば、設定されている圧縮機回転数におけるインバータ検出温度の冷凍サイクルにおける圧力負荷特性と、設定されている圧縮機回転数における圧縮機動力の冷凍サイクルにおける圧力負荷特性と、設定されている圧縮機回転数におけるモータコイル温度の冷凍サイクルにおける圧力負荷特性との相関関係に基づき、電動モータのモータコイル温度を推定するので、より実際的な推定を実現し、より適切な過熱保護を行うことが可能となる。
上記空気調和装置において、前記温度検知手段は、前記電動圧縮機を流れる冷媒流の中流域から下流域に対応した位置に配置されることが好ましい。
温度検知手段を、電動圧縮機を流れる冷媒流の中流域から下流域に対応した位置に配置するので、電動モータの不具合による異常な温度上昇があっても、確実に電動モータのモータコイル温度または圧縮機の吐出温度の推定に反映することができ、より適切な過熱保護を行うことができる。
上記空気調和装置において、前記制御手段は、前記圧縮機の回転数および前記圧縮機の動力に基づき、冷媒抜けを判断することとしてもよい。
このような構成によれば、圧縮機回転数および圧縮機動力に基づき冷媒抜けを判断することとし、例えば、所定の圧縮機回転数を超えているときに、圧縮機動力が所定の閾値を下回っている場合には、冷媒抜け（システム外部への冷媒漏れ）と判断して、圧縮機を停止するようにすれば、ガスロー状態で圧縮機の吐出温度が上昇することを防ぐことができる。
上記空気調和装置において、前記インバータの検出温度に基づき、フロストを判断することとしてもよい。
インバータの検出温度に基づきフロストを判断するので、例えば、インバータの検出温度が所定閾値を下回ったときには圧縮機回転数を上昇させ、所定期間改善されなければ圧縮機を停止するようにすれば、エバポレータのフロストに伴う圧縮機の損傷を防止することができる。
本発明によれば、インバータの半導体スイッチング素子近傍の検出温度に基づいて圧縮機の吐出温度または電動モータのモータコイル温度を推定するので、外気温度の異常な上昇や、異常発熱時などの場合でも、より実際的な圧縮機の吐出温度またはモータコイル温度の推定を行うことができ、適切に過熱保護を行うことができるという効果を奏する。
本発明の第１の実施形態に係る空気調和装置の構成図である。 インバータ一体型電動圧縮機のインバータ収容部を破断して例示する部分縦断面図である。 インバータ一体型電動圧縮機のインバータにおける電力用半導体スイッチング素子と温度センサの配置を例示する概略平面図である。 本発明の第１の実施形態に係る空気調和装置における運転制御のフローチャートである。 所定の圧縮機回転数におけるインバータ温度の冷凍サイクルにおける圧力負荷特性を例示した図である。 所定の圧縮機回転数における圧縮機動力の冷凍サイクルにおける圧力負荷特性を例示した図である。 所定の圧縮機回転数における圧縮機吐出温度の冷凍サイクルにおける圧力負荷特性を例示した図である。 本発明の第２の実施形態に係る空気調和装置における運転制御のフローチャートである。 所定の圧縮機回転数における電動モータのモータコイル温度の冷凍サイクルにおける圧力負荷特性を例示した図である。 本発明の第３の実施形態に係る空気調和装置における運転制御のフローチャートである。 圧縮機回転数に対する圧縮機動力の特性を例示した図である。 本発明の第４の実施形態に係る空気調和装置における運転制御のフローチャートである。
〔第１の実施形態〕
以下、本発明の第１の実施形態に係る空気調和装置について、図面を参照して説明する。
図１は本発明の第１の実施形態に係る空気調和装置の構成図である。同図において、本実施形態に係る空気調和装置１は、冷凍サイクル２および制御装置３を主たる要素として備えている。
冷凍サイクル２は、例えば、エバポレータ４に低温低圧の液冷媒を供給するもので、圧縮機５、コンデンサ８および膨張弁９を備えている。圧縮機５は、エバポレータ４で車室内の熱を奪って気化した低温低圧のガス冷媒を圧縮し、高温高圧のガス冷媒としてコンデンサ８へ送り出すものであり、電動モータ６の動力により駆動される。またコンデンサ８は、例えば、エンジンルームの前部に配設され、圧縮機５から供給された高温高圧のガス冷媒を外気で冷却し、ガス状の冷媒を凝縮液化させるものである。こうして液化された冷媒は、レシーバ（図示せず）へ送られて気液の分離がなされた後、高温高圧の液冷媒として膨張弁９に送られる。この膨張弁９では、高温高圧の液冷媒を減圧および膨張させることによって低温低圧の液（霧状）冷媒とし、エバポレータ４へ供給する。
電動モータ６の回転速度は、インバータ７から供給される電力の変化により連続的または段階的に可変制御される。電動モータ６の回転速度の変化により、圧縮機５による冷媒吐出容量が変化し、冷凍サイクル２内を循環する冷媒の循環量（流量）が調節され、エバポレータ４の冷却能力（冷凍サイクル２の冷房能力）が制御される。
また、制御装置３は、少なくとも記憶装置３１および演算装置３２を備えている。演算装置３２は、ＣＰＵまたはマイクロプロセッサＭＰＵ等で実現される。通常運転時には、制御装置３の演算装置３２は、図示しない操作パネルからの設定指示、並びに、冷凍サイクル２における各種検出データ（低圧側圧力等）に応じて圧縮機５の回転数を設定し、インバータ７を介して電動モータ６の回転速度を制御する。
また、本実施形態では、上記圧縮機５、圧縮機５を駆動する電動モータ６、インバータ７とは一体化されており、いわゆるインバータ一体型電動圧縮機１０を構成している。ここで、インバータ７には、半導体スイッチング素子（ＩＧＢＴ等のパワー素子）近傍の温度を検知する温度センサ１１が設けられている。この温度センサ１１は、電動圧縮機にインバータを一体化することで温度環境が非常に厳しいものとなるため、半導体スイッチング素子の過熱保護用として既設のものである。
次に、本実施形態に係る空気調和装置１において用いるインバータ一体型電動圧縮機１０の構造の概要と、インバータ７の半導体スイッチング素子の温度検出を行う温度センサの設置について、図２および図３を参照して説明する。ここで、図２はインバータ一体型電動圧縮機１０のインバータ収容部６１を破断して例示する部分縦断面図であり、図３はインバータ一体型電動圧縮機１０のインバータ７における電力用半導体スイッチング素子７４（ＩＧＢＴ等）と温度センサ１１の配置構成を例示する概略平面図である。
図２において、インバータ一体型電動圧縮機１０は、その外殻を構成するハウジング５２を備えている。ハウジング５２は、電動モータ６が収容されるモータハウジング５３と、図示省略の圧縮機構が収容される圧縮機ハウジング５４とをボルト５５で一体に締め付け固定することによって構成される。このモータハウジング５３および圧縮機ハウジング５４は、耐圧容器であり、アルミ合金を用いたアルミダイカスト製とされている。
上記ハウジング５２の内部に内蔵される電動モータ６および図示省略の圧縮機構は、モータ軸６０を介して連結され、電動モータ６の回転によって圧縮機構が駆動されるように構成されている。モータハウジング５３の一端側（図２の左側）には、冷媒吸入ポート（図示せず）が設けられており、この冷媒吸入ポートからモータハウジング５３内に吸入された低温低圧の冷媒ガスは、電動モータ６の周囲をモータ軸線Ｌ方向に沿って（図２の左側から右側へ向かって）流通後、圧縮機構に吸い込まれて圧縮される。圧縮機構により圧縮された高温高圧の冷媒ガスは、圧縮機ハウジング５４内に吐き出された後、圧縮機ハウジング５４の一端側（図２の右側）に設けられている吐出ポート５７から外部へと送出されるように構成されている。
また、モータハウジング５３の外周部には、その上方部にボックス形状をなすインバータ収容部６１が一体に成形されている。図２には、このインバータ収容部６１を破断した部分縦断面図が示されている。インバータ収容部６１は、上面が開放された所定高さの周囲壁により囲われたボックス構造を有しており、その上面開口部は、図示省略のシール材を介してビスによりネジ止め固定されるカバー部材で密閉されるようになっている。このインバータ収容部６１の一側面には２つの電源ケーブル取り出し口が設けられており、２本の電源ケーブルを介して高電圧電源とインバータ収容部６１内に設置されるインバータ７とが接続されるように構成されている。
インバータ収容部６１内に設置されるインバータ７は、６個の電力用半導体スイッチング素子７４（ＩＧＢＴ等のパワー素子）、それらを動作させるパワー系制御回路（図示省略）並びに高電圧部品（図示省略）等が実装されたパワー回路基板７５、及びＣＰＵ等の低電圧で動作する素子を有する制御並びに通信回路（図示省略）等が実装された制御基板（プリント基板）７６などを備えている。
インバータ７内の６個の電力用半導体スイッチング素子７４は、図３の概略平面図に示すように、モータ軸線方向Ｌと直交する方向に各々３個ずつ並列されて、モータ軸線方向Ｌに２列に配列されている。なお、これら２列の配置において、モータ軸線方向Ｌと直交する方向にずれがあるのは、レイアウト設計上の便宜からなるものである。
また、温度センサ１１は、６個の電力用半導体スイッチング素子７４の配置領域の略中央付近に配置されている。温度センサ１１は、電力用半導体スイッチング素子７４近傍の周囲温度を検知して、通信系統を介して検知した温度データを制御装置３（図１）に送信する。なお、温度センサ１１は、電力用半導体スイッチング素子７４の近傍で、且つ、インバータ一体型電動圧縮機１０を流れる冷媒流の中流域から下流域に対応した位置に配置するのが好ましい。より下流側とした方が電動モータ６の不具合による異常な温度上昇をも検出温度データに反映できるためである。
次に、図４から図７を参照して、本実施形態に係る空気調和装置１における圧縮機５の吐出温度の推定と、該推定吐出温度に応じた運転制御について説明する。ここで、図４は第１の実施形態に係る空気調和装置１における運転制御のフローチャートであり、図５から図７は、圧縮機の吐出温度の推定に用いられる各種圧力負荷特性の一例を示した図である。
本実施形態に係る空気調和装置１の運転制御に関する一連の処理シーケンスは制御装置３の演算装置３２がプログラムとして実行するものである。また、以下に説明する一連の処理シーケンスは所定時間間隔毎に繰り返し行われるものであり、ステップＳ１０１のタイマ処理では、この所定時間間隔をタイマで刻み、一連の処理シーケンスをスタートさせる。
まず、各種データを取得する（ステップＳ１０２）。具体的には、インバータ７の温度センサ１１から電力用半導体スイッチング素子７４近傍の周囲温度を検知データＩＧＢＴ温度として取得するとともに、演算装置３２が現在設定している圧縮機回転数および圧縮機動力を取得する。
次に、所定の演算式にこれら各種データを与えて、圧縮機吐出温度ＴＤを計算する（ステップＳ１０３）。ここでの計算方法については後述する。
次に、算出した圧縮機吐出温度ＴＤを所定の圧縮機吐出温度閾値Ｔｔｈ１と比較する（ステップＳ１０４）。圧縮機吐出温度ＴＤが圧縮機吐出温度閾値Ｔｔｈ１以下の場合には、ステップＳ１０５に進んで通常運転を継続し、圧縮機吐出温度ＴＤが圧縮機吐出温度閾値Ｔｔｈ１を超えている場合には、ステップＳ１０６に進んで圧縮機回転数を低下させる。
次に、低下させた圧縮機回転数を所定の最低回転数Ｎｔｈ１と比較する（ステップＳ１０７）。圧縮機回転数が最低回転数Ｎｔｈ１以上のときにはステップＳ１０１（タイマ処理）に戻り、圧縮機回転数が最低回転数Ｎｔｈ１を下回っているときには、圧縮機吐出温度ＴＤが異常な過熱状態に至っていると判断して、ステップＳ１０８に進んで圧縮機５を停止する。
次に、図５から図７を参照して、図４のステップＳ１０３において実行される圧縮機吐出温度ＴＤの計算方法について説明する。本実施形態では、制御装置３の記憶装置３１に予め設定されているインバータ検出温度の冷凍サイクルにおける圧力負荷特性、圧縮機動力の冷凍サイクルにおける圧力負荷特性、及び圧縮機吐出温度の冷凍サイクルにおける圧力負荷特性との相関関係に基づき、圧縮機吐出温度ＴＤを推定する。
まず、各特性について図５から図７を参照して説明する。
図５は、圧縮機回転数が１８００［ｒｐｍ］のときの圧縮機動力の圧力負荷特性の一例を示した図であり、高圧側圧力ＨＰ［ＭＰａＧ］−低圧側圧力ＬＰ［ＭＰａＧ］のマップ上での圧縮機動力の分布が領域Ａａ１から領域Ａａ５に分けて示されている。
図６は、圧縮機回転数が１８００［ｒｐｍ］のときのインバータ検出温度の圧力負荷特性の一例を示した図であり、高圧側圧力ＨＰ［ＭＰａＧ］−低圧側圧力ＬＰ［ＭＰａＧ］のマップ上でのＩＧＢＴ温度（インバータ検出温度）の分布が領域Ａｂ１から領域Ａｂ５に分けて示されている。
図７は、圧縮機回転数が１８００［ｒｐｍ］のときの圧縮機吐出温度の圧力負荷特性の一例を示した図であり、高圧側圧力ＨＰ［ＭＰａＧ］−低圧側圧力ＬＰ［ＭＰａＧ］のマップ上での圧縮機吐出温度の分布が領域Ａｃ１から領域Ａｃ５に分けて示されている。
なお、上記各圧力負荷特性は、圧縮機回転数のレベルに応じてそれぞれ用意されており、各圧縮機回転数に対応付けられてそれぞれ記憶装置３１に格納されている。
なお、上記各圧力負荷特性においては、各パラメータの取り得る範囲を５つのレベルに分割して分布を作成したが、分割数については限定されない。また、マップとして情報を有しているのではなく、相関関係に関する演算式を情報として有していてもよい。
制御装置３の演算装置３２は、図４のステップＳ１０２において、ＩＧＢＴ温度、圧縮機動力、圧縮機回転数のデータを取得すると、取得した圧縮機回転数に対応する圧縮機動力の圧力負荷特性、インバータ検出温度の圧力負荷特性、および圧縮機吐出温度の圧力負荷特性を記憶装置３１から抽出する。
続いて、演算装置３２は、抽出したインバータ検出温度の圧力負荷特性上に、取得したＩＧＢＴに対応する曲線を、圧縮機動力の圧力負荷特性上に取得した圧縮機動力に対応する曲線を描く。なお、対応する値がない場合には、分布曲線を補間して曲線を描く。
続いて、演算装置３２は、インバータ検出温度の圧力負荷特性上に描いた曲線と圧縮機動力の圧力負荷特性上に描いた曲線とを圧縮機吐出温度の圧力負荷特性に重ねて描き、両曲線の交点に位置する圧縮機吐出温度を読み取ることで、その時点での圧縮機吐出温度ＴＤを推定する。
例えば、図４のステップＳ１０２において、ＩＧＢＴ温度として７０［℃］、圧縮機動力として９００［Ｗ］、圧縮機回転数として１８００［ｒｐｍ］が取得された場合、演算装置３２は、記憶装置３１から圧縮機回転数１８００［ｒｐｍ］に対応する圧縮機動力の圧力負荷特性、インバータ検出温度の圧力負荷特性、および圧縮機吐出温度の圧力負荷特性をそれぞれ抽出する。この結果、図５から図７に示した各圧力負荷特性が抽出される。
続いて、演算装置３２は、図５に示される圧縮機動力の圧力負荷特性上に９００［Ｗ］の曲線Ｐ９００を、図６に示されるインバータ検出温度の圧力負荷特性上に７０［℃］の曲線ＴＩ７０を描き、更に、図７に示される圧縮機吐出温度の圧力負荷特性上に、図５に描いた曲線Ｐ９００及び図６に描いた曲線ＴＩ７０を重ねて描き、この両特性の交点ＰＴＤを求め、該交点ＰＴＤの分布上での圧縮機吐出温度ＴＤを読み取る。この結果、圧縮機の吐出温度ＴＤは１０５［℃］として推定される。
このように、圧縮機吐出温度の圧力負荷特性上で、圧縮機動力特性曲線とＩＧＢＴ温度特性曲線の交点の圧縮機吐出温度を読み取ることで、圧縮機吐出温度ＴＤを推定することができる。また、上記分布特性を用いて求める他、例えば、これら３種の圧力負荷特性等を演算式等で定めておき、これらの演算式に各種データを与えて、圧縮機の吐出温度ＴＤを演算により求めることとしてもよい。
以上説明したように、本実施形態に係る空気調和装置１によれば、温度センサ１１によるインバータ７の半導体スイッチング素子７４近傍の検出温度に基づいて、圧縮機５の吐出温度ＴＤを推定する。このように、推定演算に用いるパラメータとしてインバータ７における半導体スイッチング素子７４の近傍の検出温度を用いているので、外気温度の異常な上昇や、異常発熱時などの場合でも、より実際的な圧縮機吐出温度ＴＤの推定を行うことができる。
また、圧縮機吐出温度ＴＤが設定閾値Ｔｔｈ１を超えたときに圧縮機回転数を低下させ、また圧縮機回転数が最低回転数Ｎｔｈ１を下回ったときに圧縮機を停止するので、適切な過熱保護を行うことができる。なお、インバータ７の温度センサ１１は、半導体スイッチング素子７４の過熱保護のための既設のものを使用すれば良く、新たに設定する必要はない。
〔第２の実施形態〕
次に、本発明の第２の実施形態に係る空気調和装置について説明する。上述した第１の実施形態では、圧縮機吐出温度ＴＤを推定していたが、本実施形態では、圧縮機吐出温度ＴＤに代えて、モータコイル温度ＴＭを推定する。以下、第１の実施形態と異なる点であるモータコイル温度ＴＭの推定方法及び推定したモータコイル温度ＴＭに応じた運転制御について図８及び図９を参照して説明する。
図８は第２の実施形態に係る空気調和装置１における運転制御のフローチャートであり、図９は圧縮機回転数が１８００［ｒｐｍ］のときの電動モータ６のモータコイル温度ＴＭの圧力負荷特性の一例を示した図である。
図８に示した一連の処理は、制御装置３の演算装置３２がプログラムとして実行するものである。また、以下に説明する一連の処理シーケンスは所定時間間隔毎に繰り返し行われるものであり、ステップＳ２０１のタイマ処理では、この所定時間間隔をタイマで刻み、一連の処理シーケンスをスタートさせる。
まず、各種データを取得する（ステップＳ２０２）。具体的には、インバータ７の温度センサ１１から電力用半導体スイッチング素子７４近傍の周囲温度を検知データＩＧＢＴ温度として取得するとともに、演算装置３２が現在設定している圧縮機回転数および圧縮機動力を取得する。
次に、所定の演算式にこれら各種データを与えて、電動モータ６のモータコイル温度ＴＭを計算する（ステップＳ２０３）。ここでの計算方法については後述する。
次に、算出したモータコイル温度ＴＭを所定のモータコイル温度閾値Ｔｔｈ２と比較する（ステップＳ２０４）。モータコイル温度ＴＭがモータコイル温度閾値Ｔｔｈ２以下のときには、ステップＳ２０５に進んで通常運転を継続し、モータコイル温度ＴＭがモータコイル温度閾値Ｔｔｈ２を超えているときには、ステップＳ２０６に進んで圧縮機回転数を低下させる。
次に、低下させた圧縮機回転数を所定の最低回転数Ｎｔｈ２と比較する（ステップＳ２０７）。圧縮機回転数が最低回転数Ｎｔｈ２以上のときにはステップＳ２０１（タイマ処理）に戻り、圧縮機回転数が最低回転数Ｎｔｈ２を下回っているときには、電動モータ６のモータコイル温度が異常な過熱状態に至っていると判断して、ステップＳ２０８に進んで圧縮機５を停止する。
次に、図９を参照して、図８のステップＳ２０３において実行される電動モータ６のモータコイル温度ＴＭの計算方法について説明する。
本実施形態では、制御装置３の記憶装置３１に予め格納されているインバータ検出温度の圧力負荷特性、圧縮機動力の圧力負荷特性、及び電動モータ６のモータコイル温度の圧力負荷特性との相関関係に基づき、電動モータ６のモータコイル温度ＴＭを推定する。
ここで使用されるインバータ検出温度の圧力負荷特性及び圧縮機動力の圧力負荷特性については、上述した第１の実施形態と同様であるので説明を省略する。
図９は、圧縮機回転数が１８００［ｒｐｍ］のときのモータコイル温度の圧力負荷特性の一例であり、高圧側圧力ＨＰ［ＭＰａＧ］−低圧側圧力ＬＰ［ＭＰａＧ］のマップ上でのモータコイル温度の分布が領域Ａｄ１から領域Ａｄ６に分けて示されている。
なお、このようなモータコイル温度の圧力負荷特性も、上述したインバータ検出温度の圧力負荷特性及び圧縮機動力の圧力負荷特性と同様に、圧縮機回転数のレベルに応じてそれぞれ用意されている。
制御装置３の演算装置３２は、図８のステップＳ２０２において、ＩＧＢＴ温度、圧縮機動力、圧縮機回転数のデータを取得すると、記憶装置３１に格納されている複数の圧力負荷特性の中から、取得した圧縮機回転数に対応する圧縮機動力の圧力負荷特性、インバータ検出温度の圧力負荷特性、およびモータコイル温度の圧力負荷特性をそれぞれ抽出する。
続いて、演算装置３２は、抽出したインバータ検出温度の圧力負荷特性上に、取得したＩＧＢＴに対応する曲線を、圧縮機動力の圧力負荷特性上に取得した圧縮機動力に対応する曲線を描く。次に、演算装置３２は、インバータ検出温度の圧力負荷特性上に描いた曲線と圧縮機動力の圧力負荷特性上に描いた曲線とをモータコイル温度の圧力負荷特性に重ねて描き、両曲線の交点に位置するモータコイル温度を読み取ることで、その時点でのモータコイル温度を推定する。
例えば、図８のステップＳ２０２において、ＩＧＢＴ温度として７０［℃］、圧縮機動力として９００［Ｗ］、圧縮機回転数として１８００［ｒｐｍ］が取得された場合には、演算装置３２は、図５に示される圧縮機動力の圧力負荷特性上に９００［Ｗ］の曲線Ｐ９００を、図６に示されるインバータ検出温度の圧力負荷特性上に７０［℃］の曲線ＴＩ７０を描き、更に、図９に示されるモータコイル温度の圧力負荷特性上に、図５に描いた曲線Ｐ９００及び図６に描いた曲線ＴＩ７０を重ねて描き、この両特性の交点ＰＴＭを求め、該交点ＰＴＭの分布上でのモータコイル温度を読み取る。この結果、モータコイル温度は７０［℃］と推定される。
このように、モータコイル温度の圧力負荷特性上で、圧縮機動力特性曲線とＩＧＢＴ温度特性曲線の交点のモータコイル温度を読み取ることで、電動モータ６のモータコイル温度７０［℃］を推定することができる。なお、上述したように上記分布特性を用いて求める他、例えば、これら３種の圧力負荷特性等を演算式等で定めておき、これらの演算式に各種データを与えて、圧縮機の吐出温度ＴＤを演算により求めることとしてもよい。
以上説明したように、本実施形態に係る空気調和装置によれば、温度センサ１１によるインバータ７の半導体スイッチング素子７４近傍の検出温度に基づいて、電動モータ６のモータコイル温度ＴＭを推定する。このように、推定演算に用いるパラメータとしてインバータ７の半導体スイッチング素子７４近傍の検出温度を用いているので、外気温度の異常な上昇や、異常発熱時などの場合でも、より実際的な電動モータ６のモータコイル温度ＴＭの推定を行うことができる。
また、電動モータ６のモータコイル温度ＴＭが設定閾値Ｔｔｈ２を超えたときに圧縮機回転数を低下させ、また圧縮機回転数が最低回転数Ｎｔｈ２を下回ったときに圧縮機を停止することにより、適切な過熱保護を行うことができる。なお、インバータ７の温度センサ１１は、半導体スイッチング素子７４の過熱保護のための既設のものを使用すれば良く、新たに設定する必要はない。
また、第１の実施形態でも説明したように、温度センサ１１を、電力用半導体スイッチング素子７４の近傍で、且つ、インバータ一体型電動圧縮機１０を流れる冷媒流の中流域から下流域に対応した位置に配置することにより、電動モータ６の不具合による異常な温度上昇をも検出温度データに反映でき、適切な過熱保護を行うことができる。
〔第３の実施形態〕
次に、本発明の第３の実施形態に係る空気調和装置について説明する。本実施形態の空気調和装置の構成は第１の実施形態（図１〜図３）と同等であり、説明を省略する。また、本実施形態の空気調和装置１における運転制御は、圧縮機回転数および圧縮機動力に基づき冷媒抜けを判断するものであり、第１の実施形態または第２の実施形態の運転制御に付加して実施されるものである。
図１０は、第３の実施形態に係る空気調和装置１における運転制御のフローチャートである。図中の結合子Ｑ１〜結合子Ｑ２間の処理ステップは、第１の実施形態または第２の実施形態において、各種データの取得（図４のステップＳ１０２または図８のステップＳ２０２）後に挿入される。
まず、取得した圧縮機回転数ＮＣを所定の圧縮機回転数閾値Ｎｔｈ３と比較し（ステップＳ３０１）、圧縮機回転数ＮＣが圧縮機回転数閾値Ｎｔｈ３を下回っていれば、そのまま第１の実施形態または第２の実施形態の処理に戻る。
また、圧縮機回転数ＮＣが圧縮機回転数閾値Ｎｔｈ３を超えているときには、圧縮機動力ＰＣを所定の圧縮機動力閾関数値Ｐｔｈ（ＮＣ）と比較して（ステップＳ３０２）、圧縮機動力ＰＣが圧縮機動力閾関数値Ｐｔｈ（ＮＣ）以上であれば、そのまま第１の実施形態または第２の実施形態の処理に戻る。
また、ステップＳ３０２において、圧縮機動力ＰＣが圧縮機動力閾関数値Ｐｔｈ（ＮＣ）を下回っているときには、冷媒抜けが発生していると判断して、ステップＳ３０３に進んで圧縮機５を停止する。
冷凍サイクル２の外部に冷媒が漏れて冷却サイクル２の冷媒量が少なくなった場合など、冷媒循環量が少なくなっているときには、圧縮機５の動力が異常に少なくなり、ガスロー状態で圧縮機５の吐出温度が上昇する。そのため、圧縮機回転数が一定値以上で、異常に圧縮機５の動力が低下しているときには、冷媒抜けと判断して圧縮機５を停止し、吐出温度の過熱保護を行うものである。
図１１には、圧縮機回転数に対する圧縮機動力の特性を例示し、圧縮機動力閾関数ＰＴＨを例示する。図１１の例では、冷却サイクル２の冷媒量が４０［％］未満となった状況を冷媒抜けと判断するように、圧縮機動力閾関数ＰＴＨが設定されている。なお、ステップＳ３０２で使用する圧縮機動力閾関数値Ｐｔｈ（ＮＣ）は、圧縮機動力閾関数ＰＴＨに圧縮機回転数ＮＣを代入して求められる。
以上説明したように、本実施形態に係る空気調和装置では、圧縮機回転数および圧縮機動力に基づき冷媒抜けを判断することとし、圧縮機回転数ＮＣが圧縮機回転数閾値Ｎｔｈ３を超え、圧縮機動力ＰＣが圧縮機動力閾関数値Ｐｔｈ（ＮＣ）を下回っている場合には、冷媒抜け（外部への冷媒漏れ）と判断して、圧縮機５を停止するので、ガスロー状態で圧縮機５の吐出温度が上昇することを防ぐことができる。
〔第４の実施形態〕
次に、本発明の第４の実施形態に係る空気調和装置について説明する。本実施形態に係る空気調和装置の構成は第１の実施形態（図１〜図３）と同等であり、説明を省略する。また、本実施形態の空気調和装置１における運転制御は、インバータの検出温度（ＩＧＢＴ温度）に基づきフロストを判断するものであり、第１の実施形態または第２の実施形態の運転制御に付加して実施されるものである。
フロストは、冷却能力が過多で、高湿度時に、エバポレータ４に空気中の水分が凍結（フロスト）してしまう現象である。フロストによって空気が通らなくなり、空気との熱交換量が少なくなる。そのため、通常は空気と熱交換され気化されて圧縮機５に戻ってくる冷媒が、気化されずに液冷媒のまま戻ることとなる。液冷媒は摺動部の潤滑油を洗い流すなどの作用があり、圧縮機５を破損させるおそれがある。
フロスト時の圧縮機５に液冷媒が大量に戻ってくる状況下では、液冷媒の潜熱により電力用半導体スイッチング素子７４の発熱が通常よりも余計に冷やされることとなる。したがって、インバータの検出温度（ＩＧＢＴ温度）が正常時よりも異常に下がっている場合には、液冷媒が圧縮機５に戻ってきているとして、フロストと判断することとした。
図１２は、第４の実施形態の空気調和装置１における運転制御のフローチャートである。図中の結合子Ｑ３〜結合子Ｑ４間の処理ステップは、第１の実施形態または第２の実施形態において、各種データの取得（図４のステップＳ１０２または図８のステップＳ２０２）後に挿入される。
まず、ＩＧＢＴ温度と所定のＩＧＢＴ温度閾値Ｔｔｈ３と比較する（ステップＳ４０１）。ＩＧＢＴ温度がＩＧＢＴ温度閾値Ｔｔｈ３を超えているときは、そのまま第１の実施形態または第２の実施形態の処理に戻る。
また、ＩＧＢＴ温度がＩＧＢＴ温度閾値Ｔｔｈ３以下のときは、ステップＳ４０２に進んでカウンタをインクリメントし、該カウンタ値を所定回数閾値Ｃｔｈ１と比較する（ステップＳ４０３）。ここで、カウンタは連続してＩＧＢＴ温度が異常低下していると判断された回数を計数するもので、回数閾値Ｃｔｈ１はタイマ処理（図４のステップＳ１０１、図８のステップＳ２０１）のインターバルに応じて設定すれば良い。
カウンタ値が所定回数閾値Ｃｔｈ１未満のときには、圧縮機回転数を上昇させて（ステップＳ４０４）、そのまま第１の実施形態または第２の実施形態に戻る。また、カウンタ値が所定回数閾値Ｃｔｈ１以上のときには、改善されないと判断し、ステップＳ４０５に進んで圧縮機５を停止する。
以上説明したように、本実施形態の空気調和装置では、インバータの検出温度（ＩＧＢＴ温度）に基づきフロストを判断することとし、ＩＧＢＴ温度がＩＧＢＴ温度閾値Ｔｔｈ３を下回ったときには圧縮機回転数を上昇させ、所定期間改善されなければ圧縮機５を停止するので、エバポレータ４のフロストに伴う圧縮機５の損傷を防止することができる。
１ 空気調和装置
２ 冷凍サイクル
３ 制御装置（制御手段）
４ エバポレータ
５ 圧縮機
６ 電動モータ
７ インバータ
８ コンデンサ
９ 膨張弁
１０ インバータ一体型電動圧縮機
１１ 温度センサ（温度検知手段）
３１ 記憶装置
３２ 演算装置
５２ ハウジング
６１ インバータ収容部
７４ 半導体スイッチング素子
７５ パワー回路基板
７６ 制御基板

Claims (7)

  1. ガス冷媒を圧縮する電動圧縮機と、高圧のガス冷媒を外気と熱交換して凝縮させるコンデンサと、高温高圧の液冷媒を低温低圧の液冷媒にする膨張弁と、低温低圧の液冷媒を外気と熱交換して気化させるエバポレータとを備えた冷凍サイクルと、制御手段とを有する空気調和装置において、
    前記電動圧縮機は、圧縮機と、前記圧縮機を駆動する電動モータと、半導体スイッチング素子近傍の温度を検知する温度検知手段を備えたインバータとを一体にして備えたインバータ一体型電動圧縮機であって、
    前記制御手段は、前記インバータの検出温度、前記圧縮機の回転数および前記圧縮機の動力に基づき、前記圧縮機の吐出温度を推定する空気調和装置。
  2. 前記制御手段は、前記インバータの検出温度、前記圧縮機の動力および前記圧縮機の吐出温度それぞれの前記冷凍サイクルにおける圧力負荷特性の相関関係に基づき、前記圧縮機の吐出温度を推定する請求項１に記載の空気調和装置。
  3. ガス冷媒を圧縮する電動圧縮機と、高圧のガス冷媒を外気と熱交換して凝縮させるコンデンサと、高温高圧の液冷媒を低温低圧の液冷媒にする膨張弁と、低温低圧の液冷媒を外気と熱交換して気化させるエバポレータとを備えた冷凍サイクルと、制御手段とを有する空気調和装置において、
    前記電動圧縮機は、圧縮機と、前記圧縮機を駆動する電動モータと、半導体スイッチング素子近傍の温度を検知する温度検知手段を備えたインバータとを一体にして備えたインバータ一体型電動圧縮機であって、
    前記制御手段は、前記インバータの検出温度、前記圧縮機の回転数および前記圧縮機の動力に基づき、前記電動モータのモータコイル温度を推定する空気調和装置。
  4. 前記制御手段は、前記インバータの検出温度、前記圧縮機の動力および前記電動モータのモータコイル温度それぞれの前記冷凍サイクルにおける圧力負荷特性の相関関係に基づき、前記電動モータのモータコイル温度を推定する請求項３に記載の空気調和装置。
  5. 前記温度検知手段は、前記電動圧縮機を流れる冷媒流の中流域から下流域に対応した位置に配置される請求項１から請求項４のいずれかに記載の空気調和装置。
  6. 前記制御手段は、前記圧縮機の回転数および前記圧縮機の動力に基づき、冷媒抜けを判断する請求項１から請求項５のいずれかに記載の空気調和装置。
  7. 前記制御手段は、前記インバータの検出温度に基づき、フロストを判断する請求項１から請求項６のいずれかに記載の空気調和装置。
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