JP2018063079A - ヒートポンプ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】エネルギー消費効率を改善することが可能な電源切替え方式のヒートポンプ装置を提供する。【解決手段】ヒートポンプ装置において、電源回路３０は、交流電源２０および直流電源２１の一方からの電力供給によって圧縮機１１用のモータ１６を駆動するように電力供給経路を切替え可能な電源切替部３１を含む。結線切替部３５は、モータ１６の固定子巻線ＳＵ，ＳＶ，ＳＷの結線方式をＹ結線とΔ結線とで切替えることができる。制御部３６は、交流電源２０によってモータ１６を駆動する場合には固定子巻線ＳＵ，ＳＶ，ＳＷをＹ結線に切替え、直流電源２１によってモータ１６を駆動する場合には固定子巻線ＳＵ，ＳＶ，ＳＷをΔ結線に切替えるように構成されている。【選択図】図１

Description

この開示は、空気調和機、冷蔵庫、および給湯機などのヒートポンプ装置に関し、たとえば、交流電源および直流電源のいずれによっても動作可能なヒートポンプ装置に好適に用いられるものである。

特開２００９−２１６３２４号公報（特許文献１）は、空気調和機の省エネルギー性を高めるための技術を開示する。具体的にこの文献の空気調和機では、圧縮機用のモータの固定子巻線をΔ結線とＹ結線とに選択的に切替えるための巻線切替ユニットが設けられている。圧縮機を定格能力で運転する場合、巻線切換ユニットによってΔ結線が選択される。圧縮機を定格能力の半分の中間能力で運転する場合は、巻線切換ユニットによってＹ結線が選択される。

特開平０９−２４３１３６号公報（特許文献２）は、商用電源と太陽電池とを併用した空気調和機を開示する。具体的にこの文献の空気調和機では、太陽電池の発電電力はＤＣ／ＤＣコンバータを介して空気調和機の室外機に供給される。ＤＣ／ＤＣコンバータには部品コストの低減のために出力電力制限値が設けられる。空気調和機の消費電力が出力電力制限値を超えている場合は、不足分の電力が商用電源から空気調和機に供給される。

特開２００９−２１６３２４号公報 特開平０９−２４３１３６号公報

本願の発明者らは、直流電源と交流電源との間の漏洩電流を防止するために、蓄電池などの直流電源からの電力供給と商用交流電源からの電力供給とを完全に切替えて一方の電源からの電力のみを圧縮機に供給する空気調和機の開発を進めている。

このような電源切替え方式の空気調和機において直流電源からの電力供給によって圧縮機を高運転周波数で駆動するためには、ＤＣ／ＤＣコンバータによって昇圧された電圧をインバータ回路に供給することが必要となる。この理由は、一般に蓄電池などの直流電源の出力電圧の大きさには制限があるからである。

ところが、ＤＣ／ＤＣコンバータを用いた場合、その変換ロスのためにエネルギー消費効率（ＣＯＰ：Coefficient Of Performance）が低く抑えられてしまうという問題がある。この問題は、空気調和機に限らず、冷蔵庫および給湯機などを含めたヒートポンプ装置に共通したものである。

本開示において示された技術は、上記の状況を考慮したものであり、その目的は、エネルギー消費効率を改善することが可能な電源切替え方式のヒートポンプ装置を提供することである。

この開示の一態様によるヒートポンプ装置は、圧縮機と、第１の熱交換器と、膨張弁と、第２の熱交換器と、電源回路と、結線切替部と、制御部とを備える。圧縮機は、冷媒を圧縮する。第１の熱交換器は、圧縮された冷媒を凝縮させる。膨張弁は、第１の熱交換器を通過した冷媒の流量を調整する。第２の熱交換器は、膨張弁を通過した冷媒を蒸発させ、蒸発した冷媒を圧縮機に戻す。電源回路は、交流電源および直流電源の一方からの電力供給によって圧縮機用のモータを駆動するように電力供給経路を切替え可能な電源切替部を含む。結線切替部は、モータの固定子巻線ＳＵ，ＳＶ，ＳＷの結線方式をＹ結線とΔ結線とで切替えることができる。制御部は、電源切替部および結線切替部を制御する。制御部は、交流電源によってモータを駆動する場合には固定子巻線ＳＵ，ＳＶ，ＳＷをＹ結線に切替え、直流電源によってモータを駆動する場合には固定子巻線ＳＵ，ＳＶ，ＳＷをΔ結線に切替えるように構成されている。

上記構成において、電源回路は、整流回路と、インバータ回路とをさらに含んでいてもよい。この場合、整流回路は、交流電源からの交流電圧を整流する。インバータ回路は、直流電源からの直流電圧または整流回路によって整流された電圧に基づいて交流電圧を生成し、生成した交流電圧によってモータを駆動する。

一実施形態において、電源回路は、直流電源からの直流電圧を昇圧するＤＣ／ＤＣコンバータをさらに含んでいてもよい。この場合、電源切替部は、直流電源によってモータを駆動する場合には、直流電源からの直流電圧をインバータ回路に直接供給する場合と、ＤＣ／ＤＣコンバータによって昇圧された直流電圧をインバータ回路に供給する場合とに切替え可能であってもよい。

上記の一実施形態において、制御部は、モータに供給すべき最大電力が閾値以上の場合に、ＤＣ／ＤＣコンバータによって昇圧された直流電圧をインバータ回路に供給し、モータに供給すべき最大電力が閾値未満の場合に直流電源からの直流電圧をインバータ回路に直接供給するように構成されていてもよい。

他の実施形態において、直流電源によってモータを駆動する場合、直流電源からの直流電圧は昇圧されることなくインバータ回路に直接供給されてもよい。

上記の各構成において、制御部は、ＨＥＭＳ（Home Energy Management System）の中央管理装置からの指令に基づいて電源切替部の電力供給経路を切り替えるように構成可能である。

上記の一態様のヒートポンプ装置によれば、直流電源によってモータを駆動する場合には固定子巻線ＳＵ，ＳＶ，ＳＷをΔ結線に切替えることによって、エネルギー消費効率を改善することができる。

空気調和機の全体構成を示すブロック図である。 図１の結線切替部の構成を示す回路図である。 ３相モータの固定子巻線の結線方式の違いを説明するための図である。 図１の空気調和機において結線切替部の切替え手順の一例を示すフローチャートである。 図１の空気調和機において電源切替部の切替え手順の一例を示すフローチャートである。 ＤＣ／ＤＣコンバータの一例としての昇圧チョッパの回路図である。 表１の各条件における損失の計算結果を示す図である。 実施の形態２の空気調和機の構成を示すブロック図である。 図８の空気調和機において結線切替部の切替え手順の一例を示すフローチャートである。 実施の形態３の空気調和機の構成を示すブロック図である。 図１０の空気調和機において電源切替部の切替え手順の一例を示すフローチャートである。

以下、各実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して、その説明を繰返さない場合がある。

＜実施の形態１＞
［空気調和機の全体構成］
図１は、空気調和機の全体構成を示すブロック図である。図１では、ヒートポンプ装置の一例として空気調和機１の全体構成が示されている。なお、実施の形態１では、ヒートポンプ装置の一例として、室内機と室外機とからなるセパレート型の空気調和機を例に挙げて説明するが、実施の形態１によって開示される技術は、これに限られるものでない。たとえば、室内機と室外機とに区分されていない一体型の空気調和機にも本技術を適用可能であるし、冷蔵庫、冷凍庫、給湯機などにも適用可能である。

図１を参照して、空気調和機１は、圧縮機１１（コンプレッサとも称する）、四方弁１４、室外熱交換器１２、膨張弁１５、および室内熱交換器１３を含むヒートポンプサイクル１０を備える。さらに、空気調和機１は、圧縮機１１の動力源となるモータ（図１の１６）に駆動電源を供給する電源回路３０と、結線切替部３５と、制御部３６と、操作部２２とを備える。

ヒートポンプサイクル１０において、圧縮機１１は、冷媒を圧縮する。四方弁１４は、冷房運転および暖房運転において冷媒の巡回方向を切替える。室外熱交換器１２は、室外の空気および冷媒の間で熱交換する。膨張弁１５は、冷媒の流量を調整するためにその開度が制御される。室内熱交換器１３は、室内の空気および冷媒の間で熱交換する。

四方弁１４を切替えたときの冷媒の巡回方向について説明する。冷房運転モード時には、図１の破線の矢印で示されるように、圧縮機１１、四方弁１４、室外熱交換器１２、膨張弁１５、室内熱交換器１３、四方弁１４、圧縮機１１の順に冷媒が巡回する。この場合、室外熱交換器１２が、圧縮された高温の冷媒を凝縮して液化させるための凝縮器として機能し、室内熱交換器１３が、液化された冷媒を蒸発させることで冷媒を低温の気体に変化させるための蒸発器として機能する。一方、暖房運転モード時には、図１の実線の矢印ＨＴで示されるように、圧縮機１１、四方弁１４、室内熱交換器１３、膨張弁１５、室外熱交換器１２、四方弁１４、圧縮機１１の順に冷媒が巡回する。この場合、室外熱交換器１２が蒸発器として機能し、室内熱交換器１３が凝縮器として機能する。

電源回路３０は、直流電源２１および商用の交流電源２０と接続され、これらの電源の一方からの電力供給によって３相交流電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３を生成して圧縮機１１のモータ（図１の１６）に供給する。より具体的には、電源回路３０は、電源切替部３１、整流回路３２、ＤＣ／ＤＣ（直流／直流）コンバータ３３、およびインバータ回路３４を含む。

なお、図１では、直流電源２１として蓄電池２１Ａを用いた例が示されているが、蓄電池２１Ａに代えて、太陽電池など他の直流電源であってもよい。

電源切替部３１は、交流電源２０および直流電源２１の一方からの電力供給によって圧縮機１１用のモータを駆動するように電力供給経路を切替えることができる。このように、交流電源２０と直流電源２１とを完全に切替えることによって、直流電源２１と交流電源２０との間の漏洩電流を防止することができる。

図１の場合、電源切替部３１は切替器ＳＷ１，ＳＷ２を備える。切替器ＳＷ１は、オンオフスイッチである。切替器ＳＷ１は、オン状態（すなわち、導通状態）のとき交流電源からの交流電圧を整流回路に供給し、オフ状態（非導通状態）のとき交流電源２０からの交流電圧の供給を遮断する。切替器ＳＷ２は、オンオフスイッチと切替えスイッチを兼ねたものである。切替器ＳＷ２は、オン状態のとき、蓄電池２１Ａからの直流電圧をＤＣ／ＤＣコンバータ３３に供給する場合とインバータ回路３４に直接供給する場合とに切替え可能である。切替器ＳＷ２は、オフ状態のとき蓄電池２１Ａからの直流電圧の供給を遮断する。

整流回路３２は、切替器ＳＷ１を介して交流電源２０から供給された交流電圧を直流電圧に変換する。整流回路３２として例えばダイオードブリッジ整流回路が用いられる。

ＤＣ／ＤＣコンバータ３３は、切替器ＳＷ２を介して蓄電池２１Ａから供給された直流電圧を昇圧する。ＤＣ／ＤＣコンバータ３３の種類は特に限定されない。たとえば、非絶縁型の昇圧チョッパを用いてもよいし、絶縁型のフライバックコンバータまたはフォワードコンバータなどを用いてもよい。

インバータ回路３４は、整流回路３２によって整流された電圧、または切替器ＳＷ２から直接供給された直流電圧、またはＤＣ／ＤＣコンバータ３３から出力された直流電圧のいずれかを３相交流電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３に変換する。インバータ回路３４として３相ブリッジ型のものを用いることができる。

結線切替部３５は、圧縮機１１用のモータの固定子巻線の結線方式をＹ結線とΔ結線とで切り替えることができる。結線切替部３５の詳細は図２で説明する。なお、図１の機能ブロック図では圧縮機１１と結線切替部３５とが分離して示されているが、実際上は、結線切替部３５は圧縮機１１に内蔵されている場合が多い。本実施の形態の結線切替部３５はそのような場合も含む。

制御部３６は、ＣＰＵおよびメモリを含むマイクロコンピュータをベースに構成される。制御部３６は、リモコンに設けられた操作部２２から入力されたユーザの指令に基づいて、空気調和機１の全体を制御する。具体的に制御部３６は、電源切替部３１の切替器ＳＷ１，ＳＷ２、ＤＣ／ＤＣコンバータ３３、インバータ回路３４、および結線切替部３５の動作を制御する。

［結線切替部の構成］
図２は、図１の結線切替部の構成を示す回路図である。図２には、結線切替部３５とともに、図１の圧縮機１１の動力源となる３相モータ１６と、インバータ回路３４と、制御部３６とが示されている。

３相モータ１６は、永久磁石同期モータ、もしくは、ブラシレスＤＣモータである。永久磁石同期モータ（ブラシレスＤＣモータ）は、回転子に永久磁石が設けられ、固定子にＵ相、Ｖ相、Ｗ相の固定子巻線ＳＵ，ＳＶ，ＳＷが設けられる。固定子巻線ＳＵ，ＳＶ，ＳＷの各一端はインバータ回路３４の出力ノードＮ１，Ｎ２，Ｎ３とそれぞれ接続される。なお、インバータ回路３４の入力ノードＮ４，Ｎ５間には直流電圧Ｖｄｃが印加される。

結線切替部３５は、３個のスイッチからなるスイッチ群３５Ａと３個のスイッチからなるスイッチ群３５Ｂとを備える。スイッチ群３５Ａを構成する３個のスイッチの一端は固定子巻線ＳＵ，ＳＶ，ＳＷの一端とそれぞれ接続され、３個のスイッチの他端は固定子巻線ＳＶ，ＳＷ，ＳＵの他端とそれぞれ接続される。スイッチ群３５Ｂを構成する３個のスイッチの一端は固定子巻線ＳＵ，ＳＶ，ＳＷの一端とそれぞれ接続され、３個のスイッチの他端は共通ノードＮＣと接続される。スイッチ群３５Ａ，３５Ｂのオンおよびオフは制御部３６によって制御される。

上記の結線切替部３５の構成によれば、スイッチ群３５Ｂを構成する全てのスイッチを導通状態にし、スイッチ群３５Ａを構成する全てのスイッチを非導通状態にすれば、固定子巻線ＳＵ，ＳＶ，ＳＷの結線方式はＹ結線になる。逆に、スイッチ群３５Ｂを構成する全てのスイッチを非導通状態にし、スイッチ群３５Ａを構成する全てのスイッチを導通状態にすれば、固定子巻線ＳＵ，ＳＶ，ＳＷの結線方式はΔ結線になる。

［Ｙ結線とΔ結線との違いについて］
図３は、３相モータの固定子巻線の結線方式の違いを説明するための図である。図３（Ａ）はＹ結線の回路図を示し、図３（Ｂ）はΔ結線の回路図を示し、図３（Ｃ）は結線方式による電圧および電流の違いを表形式で示す。図３（Ａ），（Ｂ）のノードＮ１，Ｎ２，Ｎ３は図２のインバータ回路３４の出力ノードＮ１，Ｎ２，Ｎ３にそれぞれ対応する。

図３を参照して、結線方式の違いによらず、各相の固定子巻線ＳＵ，ＳＶ，ＳＷには同一の大きさＥの電圧が印加され、同一の大きさＩの電流が流れているものとする。ここで、大きさとは振幅値または実効値を表すものとする。

一方、３相モータの端子間の電圧、すなわち、ノードＮ１，Ｎ２の間、ノードＮ２，Ｎ３の間、ノードＮ３，Ｎ１の間に印加される電圧、ならびに各ノードＮ１，Ｎ２，Ｎ３を流れる電流は、結線方式によって違いが生じる。Ｙ結線の場合には、３相モータの各端子を流れる電流の大きさはＩであるのに対し、端子間電圧の大きさは√３×Ｅになる。Δ結線の場合には、３相モータの各端子を流れる電流の大きさは√３×Ｉになるのに対し、端子間電圧の大きさはＥである。

したがって、Ｙ結線をΔ結線に変更することによって、端子間電圧の大きさは１／√３になるのに対し、各端子電流の大きさは√３倍になる。逆に、各端子間電圧、すなわち、インバータ回路３４の出力電圧を一定にすれば、Ｙ結線をΔ結線に変更することによって、各固定子巻線に印加される電圧の大きさを√３倍にし、固定子巻線に流れる電流を１／√３倍にすることができる。

本実施の形態では、上記の点を利用して、直流電源２１からの電源供給によって圧縮機１１を動作させる場合には、圧縮機１１用の３相モータ１６の固定子巻線ＳＵ，ＳＶ，ＳＷの結線方式をΔ結線にする。これによって、３相モータ１６の各固定子巻線ＳＵ，ＳＶ，ＳＷに印加される電圧を高電圧にできるので、Ｙ結線の場合に比べて、より高い回転速度範囲まで直流電源２１によって３相モータ１６を駆動できる。

［ヒートポンプ装置の動作］
次に、上記構成の空気調和機１の動作、特に結線切替部および電源切替部の切替え手順について具体的に説明する。

図４は、図１の空気調和機において結線切替部の切替え手順の一例を示すフローチャートである。図１および図４を参照して、まず、ステップＳ１０１においてユーザによって操作部２２が操作されることにより空気調和機１の室外機への通電用電源スイッチ（リレー）がオン（ＯＮ）される。これによって、空気調和機１の運転が開始される（ステップＳ１０２）。

なお、図４のフローチャートではステップＳ１０１において電源スイッチがオンされ、ステップＳ１０２で空気調和機１の運転が開始されるとしたが、これに限定されるものではない。たとえば、電源スイッチは既にオンされた状態で、ステップＳ１０１でユーザが室内の設定温度を入力するとともに冷房運転または暖房運転の開始指令を入力し、ステップＳ１０２でその入力に応答した制御が開始されるとしてもよい。より一般的には、ステップＳ１０１では図４のステップＳ１０３以降の制御手順を開始するための何らかの運転指令が入力され、ステップＳ１０２においてその運転が開始される。

次のステップＳ１０３において、制御部３６は、操作部２２を介してユーザから運転モードの選択入力を受付ける。運転モードには、交流電源２０からの電源供給によって空気調和機１が動作するＡＣモードと、蓄電池２１Ａからの電源供給によって空気調和機１が動作するＤＣモードとがある。運転モードがＡＣモードかＤＣモードかはフラグ（flag）としてレジスタなどに格納される。

次のステップＳ１０４において、制御部３６は、フラグがＡＣモードに設定されているか、ＤＣモードに設定されているかを確認する。ここで、フラグがＤＣモードに設定されている場合（ステップＳ１０４でＮＯ）、制御部３６は蓄電池２１Ａの出力電圧の大きさの情報を受け、蓄電池２１Ａから出力される直流電圧が基準電圧以下であるか否かを判定する（ステップＳ１０５）。この結果、蓄電池２１Ａから出力される直流電圧が基準電圧以下である場合（ステップＳ１０５でＹＥＳ）、残量不足のため蓄電池２１Ａからの電源供給は困難であるので、制御部３６は、フラグをＡＣモードに設定し直す（ステップＳ１０６）。この場合、処理はＳ１０４に戻る。

フラグがＤＣモードに設定されており（ステップＳ１０４でＮＯ）、蓄電池２１Ａの残量が十分な場合には（ステップＳ１０５でＮＯ）、制御部３６は、圧縮機１１が動作状態（ＯＮ）であるか、すなわち、インバータ回路３４から交流電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３が供給されているかを判定する（ステップＳ１０７）。圧縮機１１が動作状態の場合には（ステップＳ１０７でＹＥＳ）、制御部３６は、圧縮機１１の動作をオフ（ＯＦＦ）にする（ステップＳ１０８）。

その後、ステップＳ１０９において、制御部３６は、圧縮機１１用の３相モータの固定子巻線ＳＵ，ＳＶ，ＳＷの結線方式をΔ結線に切替える。次のステップＳ１１０において、制御部３６は、インバータ回路３４から交流電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３を供給することによって、圧縮機１１の動作を開始する。

一方、ステップＳ１０４において、フラグがＡＣモードに設定されていることが確認された場合には（ステップＳ１０４でＹＥＳ）、制御部３６は、まず、圧縮機１１が動作状態（ＯＮ）であるか、すなわち、インバータ回路３４から交流電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３が供給されているかを判定する（ステップＳ１１１）。圧縮機１１が動作状態の場合には（ステップＳ１０７でＹＥＳ）、制御部３６は、圧縮機１１の動作をオフ（ＯＦＦ）にする（ステップＳ１１２）。

その後、ステップＳ１１３において、制御部３６は、圧縮機１１用の３相モータの固定子巻線ＳＵ，ＳＶ，ＳＷの結線方式をΔ結線に切替える。次のステップＳ１１４において、制御部３６は、インバータ回路３４から交流電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３を供給することによって、圧縮機１１の動作を開始する。

その後の圧縮機１１が動作中において、制御部３６はユーザによって運転モードが変更されたか否かを定期的に確認するために、運転モードの設定状態（すなわち、フラグの値）を取得する（ステップＳ１１５）。運転モードの設定状態が変更されていない場合には（ステップＳ１１６でＮＯ）、指定時間の経過ごとに（ステップＳ１１７）上記の運転モードの変更の有無の確認を行う。一方、運転モードが変更されていた場合には（ステップＳ１１６でＹＥＳ）、制御部３６は上記のステップＳ１０４からの制御を繰返す。

図５は、図１の空気調和機において電源切替部の切替え手順の一例を示すフローチャートである。

図１および図５を参照して、ステップＳ２００において、制御部３６はフラグがＤＣモードに設定されているか、ＡＣモードに設定されているかを確認する。フラグがＤＣモードに設定されている場合には（ステップＳ２００でＹＥＳ）、次のステップＳ２０１において制御部３６は、電源回路３０から圧縮機１１に供給すべき最大電力が閾値以上であるか否かを判定する。

ＤＣモードの場合において圧縮機１１に閾値以上の電力供給が必要な場合には（ステップＳ２０１でＹＥＳ）、制御部３６は、切替器ＳＷ１をオフ状態にし、切替器ＳＷ２の接続を切替えることによって直流電源２１をＤＣ／ＤＣコンバータ３３に接続する（ステップＳ２０３）。これによって、ＤＣ／ＤＣコンバータ３３によって昇圧された直流電圧がインバータ回路３４に入力されるようになる。

ＤＣモードの場合において圧縮機１１に閾値以上の電力供給が必要でない場合には（ステップＳ２０１でＮＯ）、制御部３６は、切替器ＳＷ１をオフ状態にし、切替器ＳＷ２の接続を切替えることによって直流電源２１を直接、インバータ回路３４に接続する。これによって、ＤＣ／ＤＣコンバータ３３において損失が生じないので、より低消費電力で空気調和機１の運転が可能になる。

一方、フラグがＡＣモードに設定されている場合には（ステップＳ２００でＮＯ）、次のステップＳ２０２において、制御部３６は、切替器ＳＷ１をオン状態にして且つ切替器ＳＷ２をオフ状態にする。この結果、交流電源２０からの交流電圧が整流回路３２に入力され、整流回路３２によって整流された電圧がインバータ回路３４に入力されるようになる。

［ＤＣ／ＤＣコンバータでの損失の計算結果］
以下、ＤＣ／ＤＣコンバータでの損失を具体的に計算した結果について説明する。以下の損失計算では、ＤＣ／ＤＣコンバータとして昇圧チョッパを用い、暖房運転において定格能力で空気調和機を運転した場合、冷房運転において定格能力で空気調和機を運転した場合、暖房運転において定格能力の半分程度の中間能力で空気調和機を運転した場合について比較した。

図６は、ＤＣ／ＤＣコンバータの一例としての昇圧チョッパの回路図である。図６を参照して、ＤＣ／ＤＣコンバータ３３は、入力ノードＮ６と入力ノードＮ７の間に入力された直流電圧Ｖｉを昇圧することによって直流電圧Ｖｏを生成し、生成した直流電圧Ｖｏを出力ノードＮ８と出力ノードＮ９との間から出力する。出力ノードＮ８から出力される出力電流をＩｏとする。

具体的に、ＤＣ／ＤＣコンバータ３３は、インダクタ４０と、ダイオード４１と、スイッチング素子４２と、コンデンサ４３とを含む。インダクタ４０およびダイオード４１は、この並び順で入力ノードＮ６と出力ノードＮ８との間に直列に接続される。ダイオード４１のアノードがインダクタ４０と接続される。低電位側の入力ノードＮ７と低電位側の出力ノードＮ９との間は配線４５によって直接接続される。スイッチング素子４２は、インダクタ４０およびダイオード４１の接続ノード４９と配線４５との間に接続される。図６の例ではスイッチング素子４２としてＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）が用いられている。平滑用のコンデンサ４３は出力ノードＮ８と出力ノードＮ９との間に接続される。

スイッチング素子４２のゲート電極にはキャリア周波数ＦｃのＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号が入力される。スイッチング素子４２およびダイオード４１の温度をＴｓとする。

スイッチング素子４２およびダイオード４１として、型番ＰＳＳ２０Ｓ９２Ｅ６の三菱電機製のパワーモジュールに実装されたＩＧＢＴおよびダイオードを使用した場合を想定した。また、インバータ回路３４は最大変調率で動作すると仮定した。したがって、ＤＣ／ＤＣコンバータ３３の昇圧率（Ｖｏ／Ｖｉ）は必要最小限の値に設定されている。損失計算に用いたパラメータを次の表１に示す。

図７は、表１の各条件における損失の計算結果を示す図である。図７において、ダイオードの導通損失をＤＣＬで示し、ダイオードのスイッチング損失をＤＳＬで示し、ＩＧＢＴの導通損失をＴｒＣＬで示し、ＩＧＢＴのスイッチング損失をＴｒＳＬで示す。

表１および図７を参照して、暖房運転かつ定格能力の場合において、モータの固定子巻線ＳＵ，ＳＶ，ＳＷの結線方式をＹ結線からΔ結線に変更した場合には、ＤＣ／ＤＣコンバータ３３の出力電圧Ｖｏは１／√３倍に減少する。この結果、図７に示すように、ＩＧＢＴのスイッチング損失は約４Ｗ低減したことがわかる。また、ＩＧＢＴ導通損失もＰＷＭ信号の通電率が減少したため約２Ｗ低減した。しかし、出力電流が√３倍増加したためにダイオードの導通損失が約２Ｗ増加した。したがって、ＤＣ／ＤＣコンバータ全体では、モータの固定子巻線の結線方式をＹ結線からΔ結線に変更することによって損失が約４．５Ｗ低減している。冷房運転かつ定格能力の場合についても同様の結果が得られている。

一方、暖房運転かつ中間能力の場合において、モータの固定子巻線の結線方式をΔ結線にした場合には、ＤＣ／ＤＣコンバータでの昇圧が必要でない。この場合、図１の直流電源２１からの直流電圧がインバータ回路３４に直接入力される。表１では便宜的にＤＣ／ＤＣコンバータ３３の入力電圧Ｖｉと出力電圧Ｖｏを共に１００Ｖと記載しているが、実際にはＤＣ／ＤＣコンバータ３３を電流は通過していない。ＤＣ／ＤＣコンバータ３３が動作していないので、損失は０Ｗになる。

［効果］
上記で説明した実施の形態１の空気調和機の効果をまとめると以下のとおりである。一般的に、直流電源の出力電圧の上限値は安全上の理由から商用交流電源に比べて低い値に制限されている。このため、従来の空気調和機において直流電源を用いた場合には、圧縮機の能力が制限されるという問題があった。ＤＣ／ＤＣコンバータを用いた場合でも昇圧には限界があるので、交流電源を用いた場合に比べて圧縮機の能力には限界があった。

これに対して、本実施の形態の空気調和機１では、直流電源２１によってモータ１６を駆動する場合には固定子巻線ＳＵ，ＳＶ，ＳＷがΔ結線に切替えられる。これによって、ＤＣ／ＤＣコンバータ３３の出力電圧を変更せずに、モータの各固定子巻線に印加される電圧を√３倍に増加することができるので、空気調和機１のエネルギー消費効率を改善することができる。さらに、Ｙ結線の場合に比べてより高い能力を実現することができる。

また、モータ１６に供給すべき最大電力が閾値未満の場合、たとえば、定格能力の半分程度の中間能力で空気調和機１を運転している場合には、直流電源２１からの直流電圧は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３３をバイパスしてインバータ回路３４に直接供給される。これによって、電源回路３０の消費電力をさらに低減させることができる。

＜実施の形態２＞
実施の形態２では、ＨＥＭＳ（Home Energy Management System）の中央管理装置からの指令に基づいてヒートポンプ装置が動作する場合について説明する。実施の形態２においても、ヒートポンプ装置として空気調和機を例に挙げて説明するが、実施の形態２において開示される技術は、冷蔵庫、冷凍庫、給湯機などにも適用可能である。

［ＨＥＭＳについて］
ＨＥＭＳにおいて中央管理装置は、無線ＬＡＮ（Local Area Network）を介して、インターネット、スマートメータと称される高機能の分電盤、太陽光発電装置および蓄電池などの電源装置、ならびに、給湯器、空気調和機、冷蔵庫、および洗濯機などの家電機器と接続される。中央管理装置は、太陽光発電装置の発電量および蓄電池の残量などの電源装置の動作状態に関する情報を取得するとともに、各家電装置の消費電力などの動作状態に関する情報を取得する。中央管理装置は、これらの情報に基づいて効率的な運転がなされるように各電源装置および各家電装置の動作を管理する。

［空気調和機の構成および動作について］
図８は、実施の形態２の空気調和機の構成を示すブロック図である。図８の空気調和機２は、制御部３６がＨＥＭＳの中央管理装置２３からの指令に基づいて動作する点で図１の空気調和機１と異なる。図８のその他の点は図１の場合と同様であるので、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して説明を繰り返さない。

図９は、図８の空気調和機において結線切替部の切替え手順の一例を示すフローチャートである。図９のフローチャートは、いくつかの点で図４のフローチャートを変更したものとなっている。以下、図４、図８および図９を参照して変更点について説明する。

まず、図９のフローチャートでは、図４のステップＳ１０３，Ｓ１１５に代えてステップＳ１０３Ａ，Ｓ１１５Ａがそれぞれ設けられている。ステップＳ１０３Ａ，Ｓ１１５Ａでは、制御部３６は、ＨＥＭＳの中央管理装置２３から運転モードに関する情報、すなわちフラグの設定値がＡＣモードまたはＤＣモードのいずれであるかを取得する。

さらに、図９のフローチャートでは、図４のステップＳ１０５およびステップＳ１０６が設けられていない。蓄電池２１Ａの残量が十分であるか否かは、ＨＥＭＳの中央管理装置２３によって管理されているので、空気調和機２の制御部３６がそのような判断を行う必要はない。

図９のその他の点は図４の場合と同様であるので、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して説明を繰返さない。また、図５で説明した電源切替部３１の切替え手順は実施の形態２においても同様であるので説明を繰返さない。

［効果］
以上の実施の形態２の空気調和機２においても、実施の形態１の場合と同様の作用効果を奏することができる。さらに、空気調和機２の消費電力ならびに蓄電池２１Ａの残量または太陽電池の発電電力などの直流電源２１の動作状態に応じた中央管理装置２３の指令に基づいて、効率的に空気調和機２を運転することができる。

＜実施の形態３＞
実施の形態３では、電源回路３０にＤＣ／ＤＣコンバータ３３が設けられていない変形例について説明する。例えば寝室用など、比較的出力が小さい空気調和機であれば、ＤＣ／ＤＣコンバータ３３によって昇圧しなくても、圧縮機１１用のモータの固定子巻線をΔ結線にすることによって必要十分な能力を得ることができる。以下、図面を参照して具体的に説明する。

なお、実施の形態３においても、ヒートポンプ装置として空気調和機を例に挙げて説明するが、実施の形態３で開示される技術は、冷蔵庫、冷凍庫、給湯機などにも適用可能である。

［空気調和機の構成および動作について］
図１０は、実施の形態３の空気調和機の構成を示すブロック図である。図１０の空気調和機３の電源回路３０Ａは、ＤＣ／ＤＣコンバータ３３を含まない点で図１の空気調和機１の電源回路３０と異なる。図１０の場合、切替器ＳＷ２は、蓄電池２１Ａとインバータ回路３４の入力ノードとの間を接続する配線の途中に設けられ、オンオフスイッチとして機能する。図１０のその他の点は図１の場合と同様であるので、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して説明を繰返さない。

図１１は、図１０の空気調和機において電源切替部の切替え手順の一例を示すフローチャートである。

図１０および図１１を参照して、ステップＳ４００において、制御部３６はフラグがＤＣモードに設定されているか、ＡＣモードに設定されているかを確認する。フラグがＤＣモードに設定されている場合には（ステップＳ４００でＹＥＳ）、次のステップＳ４０１において制御部３６は、切替器ＳＷ１をオフ状態にして且つ切替器ＳＷ２をオン状態にすることによって、直流電源２１からの直流電圧がインバータ回路３４に直接入力されるようにする。

一方、フラグがＡＣモードに設定されている場合には（ステップＳ４００でＮＯ）、次のステップＳ４０２において制御部３６は、切替器ＳＷ１をオン状態にして且つ切替器ＳＷ２をオフ状態にする。この結果、交流電源２０からの交流電圧が整流回路３２に入力され、これにより整流回路３２によって整流された電圧がインバータ回路３４に入力されるようになる。

［効果］
高能力での圧縮機の運転が必要でない場合には、上記のように電源回路３０にＤＣ／ＤＣコンバータ３３を設けない構成とすることができる。ＤＣ／ＤＣコンバータ３３を設けなくても、固定子巻線ＳＵ，ＳＶ，ＳＷの結線方式をΔ結線にすることによって、必要な大きさの圧縮機１１の運転周波数を得ることができる。

＜付記＞
上記の実施の形態１〜３の開示内容の一部を要約すると次のようになる。

（１） ヒートポンプ装置は、圧縮機１１と、第１の熱交換器１２；１３と、膨張弁１５と、第２の熱交換器１３；１２と、電源回路３０と、結線切替部３５と、制御部３６とを備える。圧縮機１１は、冷媒を圧縮する。第１の熱交換器１２；１３は、圧縮された冷媒を凝縮させる。膨張弁１５は、第１の熱交換器１２；１３を通過した冷媒の流量を調整する。第２の熱交換器１３；１２は、膨張弁１５を通過した冷媒を蒸発させ、蒸発した冷媒を圧縮機１１に戻す。電源回路３０は、交流電源２０および直流電源２１の一方からの電力供給によって圧縮機１１用のモータ１６を駆動するように電力供給経路を切替え可能な電源切替部３１を含む。結線切替部３５は、モータ１６の固定子巻線ＳＵ，ＳＶ，ＳＷの結線方式をＹ結線とΔ結線とで切替えることができる。制御部３６は、電源切替部３１および結線切替部３５を制御する。制御部３６は、交流電源２０によってモータ１６を駆動する場合には固定子巻線ＳＵ，ＳＶ，ＳＷをＹ結線に切替え、直流電源２１によってモータ１６を駆動する場合には固定子巻線ＳＵ，ＳＶ，ＳＷをΔ結線に切替えるように構成されている。

上記のヒートポンプ装置によれば、直流電源２１によってモータ１６を駆動する場合には固定子巻線ＳＵ，ＳＶ，ＳＷをΔ結線に切替えることによって、ＤＣ／ＤＣコンバータ３３の出力電圧を変更せずに、モータの各固定子巻線ＳＵ，ＳＶ，ＳＷに印加される電圧を√３倍に増加することができる。この結果、ヒートポンプ装置のエネルギー消費効率を改善することができる。また、Ｙ結線の場合に比べてより高い能力を実現することができる。

（２） 上記（１）において、電源回路３０は、整流回路３２と、インバータ回路３４とをさらに含む。整流回路３２は、交流電源２０からの交流電圧を整流する。インバータ回路３４は、直流電源２１からの直流電圧または整流回路３２によって整流された電圧に基づいて交流電圧を生成し、生成した交流電圧によってモータ１６を駆動する。

上記のようにモータをインバータ駆動することによって圧縮機の運転周波数を自在に変更することができるので、効率的な圧縮機の駆動が可能になる。

（３） 上記（２）において、電源回路３０は、直流電源２１からの直流電圧を昇圧するＤＣ／ＤＣコンバータ３３をさらに含む。電源切替部３１は、直流電源２１によってモータ１６を駆動する場合には、直流電源２１からの直流電圧をインバータ回路３４に直接供給する場合と、ＤＣ／ＤＣコンバータ３３によって昇圧された直流電圧をインバータ回路３４に供給する場合とに切替え可能である。

ＤＣ／ＤＣコンバータ３３をバイパスして直流電圧をインバータ回路３４に供給することによって、電源回路３０の消費電力をさらに低減させることができる。

（４） 上記（３）において、制御部３６は、モータ１６に供給すべき最大電力が閾値以上の場合に、ＤＣ／ＤＣコンバータ３３によって昇圧された直流電圧をインバータ回路３４に供給し、モータ１６に供給すべき最大電力が閾値未満の場合に直流電源２１からの直流電圧をインバータ回路３４に直接供給するように構成される。

高能力での運転が必要でない場合には、ＤＣ／ＤＣコンバータ３３を介さずに直流電圧をインバータ回路３４に直接供給することによって、電源回路３０の消費電力をさらに低減させることができる。

（５） 上記（２）において、直流電源２１によってモータを駆動する場合、直流電源２１からの直流電圧は昇圧されることなくインバータ回路３４に直接供給される。

高能力での運転が必要でない場合には、上記のように電源回路３０にＤＣ／ＤＣコンバータ３３を設けない構成とすることができる。

（６） 上記（１）〜（５）において、制御部３６は、ＨＥＭＳ（Home Energy Management System）の中央管理装置２３からの指令に基づいて電源切替部３１の電力供給経路を切り替える。

この構成によれば、ヒートポンプ装置の消費電力ならびに蓄電池の残量または太陽電池の発電電力などの直流電源の動作状態に応じて、効率的にヒートポンプ装置を運転することができる。

今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものでないと考えられるべきである。この発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１〜３ 空気調和機、１０ ヒートポンプサイクル、１１ 圧縮機、１２ 室外熱交換器、１３ 室内熱交換器、１４ 四方弁、１５ 膨張弁、１６ モータ、２０ 交流電源、２１ 直流電源、２１Ａ 蓄電池、２２ 操作部、２３ 中央管理装置、３０，３０Ａ 電源回路、３１ 電源切替部、３２ 整流回路、３３ ＤＣ／ＤＣコンバータ、３４ インバータ回路、３５ 結線切替部、３５Ａ，３５Ｂ スイッチ群、３６ 制御部、ＳＵ，ＳＶ，ＳＷ 固定子巻線。

Claims (6)

1. 冷媒を圧縮する圧縮機と、
   前記圧縮された冷媒を凝縮させる第１の熱交換器と、
   前記第１の熱交換器を通過した冷媒の流量を調整する膨張弁と、
   前記膨張弁を通過した冷媒を蒸発させ、前記蒸発した冷媒を前記圧縮機に戻す第２の熱交換器と、
   交流電源および直流電源の一方からの電力供給によって前記圧縮機用のモータを駆動するように電力供給経路を切替え可能な電源切替部を含む電源回路と、
   前記モータの固定子巻線の結線方式をＹ結線とΔ結線とで切替え可能な結線切替部と、
   前記電源切替部および前記結線切替部を制御する制御部とを備え、
   前記制御部は、前記交流電源によって前記モータを駆動する場合には前記固定子巻線をＹ結線に切替え、前記直流電源によって前記モータを駆動する場合には前記固定子巻線をΔ結線に切替えるように構成されている、ヒートポンプ装置。
2. 前記電源回路は、
   前記交流電源からの交流電圧を整流するための整流回路と、
   前記直流電源からの直流電圧または前記整流回路によって整流された電圧に基づいて交流電圧を生成し、生成した交流電圧によって前記モータを駆動するインバータ回路とをさらに含む、請求項１に記載のヒートポンプ装置。
3. 前記電源回路は、前記直流電源からの直流電圧を昇圧するＤＣ／ＤＣコンバータをさらに含み、
   前記電源切替部は、前記直流電源によって前記モータを駆動する場合には、前記直流電源からの直流電圧を前記インバータ回路に直接供給する場合と、前記ＤＣ／ＤＣコンバータによって昇圧された直流電圧を前記インバータ回路に供給する場合とに切替え可能である、請求項２に記載のヒートポンプ装置。
4. 前記制御部は、前記モータに供給すべき最大電力が閾値以上の場合に、前記ＤＣ／ＤＣコンバータによって昇圧された直流電圧を前記インバータ回路に供給し、前記モータに供給すべき最大電力が前記閾値未満の場合に前記直流電源からの直流電圧を前記インバータ回路に直接供給するように構成される、請求項３に記載のヒートポンプ装置。
5. 前記直流電源によって前記モータを駆動する場合、前記直流電源からの直流電圧は昇圧されることなく前記インバータ回路に直接供給される、請求項２に記載のヒートポンプ装置。
6. 前記制御部は、ＨＥＭＳ（Home Energy Management System）の中央管理装置からの指令に基づいて前記電源切替部の電力供給経路を切り替える、請求項１〜５のいずれか１項に記載のヒートポンプ装置。

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