JP2019531686A - バッテリを備えた可変速駆動装置 - Google Patents
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Abstract
本開示の実施形態は、暖房、換気、空調、および冷凍（ＨＶＡＣ＆Ｒ）システムであって、ＨＶＡＣ＆Ｒシステムの圧縮器（３２）を駆動するように構成されたモータ（５０）に電力を供給するように構成された可変速駆動装置（ＶＳＤ）（５２）と、交流（ＡＣ）電源（１０８）からのＡＣ電力を受け、ＡＣ電力を直流（ＤＣ）電力に変換するように構成された、ＶＳＤ（５２）の整流器（１０２）と、整流器（１０２）に電気的に接続された、ＶＳＤ（５２）のＤＣバス（１０６）と、ＤＣバス（１０６）に電気的に接続された、ＶＳＤ（５２）のインバータ（１０４）であって、インバータ（１０４）がＤＣ電力を出力ＡＣ電力に変換するように構成され、出力ＡＣ電力が、可変電圧および可変周波数を有し、出力ＡＣ電力がモータ（５０）に差し向けられる、インバータ（１０４）と、ＤＣバス（１０６）に電気的に接続されたバッテリ（１００）であって、バッテリが、補助ＤＣ電力をＶＳＤ（５２）に供給するように構成される、バッテリ（１００）と、を備える、暖房、換気、空調、および冷凍（ＨＶＡＣ＆Ｒ）システムに関する。
Description
関連出願の相互参照
本願は、「ＶＡＲＩＡＢＬＥ ＳＰＥＥＤ ＤＲＩＶＥ ＷＩＴＨ ＢＡＴＴＥＲＹ」と題された、２０１６年１０月５日に出願された、米国仮特許出願第６２／４０４，６４６号明細書の優先権および利益を主張し、その開示は、全ての目的のために、その全体が参照により本明細書に援用される。
本願は、「ＶＡＲＩＡＢＬＥ ＳＰＥＥＤ ＤＲＩＶＥ ＷＩＴＨ ＢＡＴＴＥＲＹ」と題された、２０１６年１０月５日に出願された、米国仮特許出願第６２／４０４，６４６号明細書の優先権および利益を主張し、その開示は、全ての目的のために、その全体が参照により本明細書に援用される。
本出願は概して、暖房、換気、空調、および冷凍（ＨＶＡＣ＆Ｒ）システムに関し、より詳細には、ＨＶＡＣ＆Ｒシステムの可変速駆動装置のためのバッテリに関する。
ＨＶＡＣ＆Ｒシステムは、居住環境、商業環境、および産業環境において用いられて、それぞれの環境内にいる人々のために温度および湿度などの環境特性を制御している。場合により、ＨＶＡＣ＆Ｒシステムは、蒸気圧縮システムを備える場合があり、蒸気圧縮システムは、冷媒ループに沿って作動液を循環させる。作動液は、蒸気圧縮システムの作動と関連した異なる温度および圧力を受けることに応じて、蒸気、液体、およびこれらの組み合わせの間で相を変えるように構成される。例えば、蒸気圧縮システムは、圧縮器を用いて熱交換器まで作動液を循環させ、熱交換器は、この冷媒と熱交換器を流れる別の流体との間で熱を伝達し得る。場合により、圧縮器は、モータによって駆動され、モータは、可変速駆動装置から電力を受ける。ＨＶＡＣ＆Ｒシステムのための従来の可変速駆動装置は、送電網に電気的に接続され、そのために、送電網からの電力供給の遮断および／または不整合を経験する場合がある。
１つの実施形態では、暖房、換気、空調、および冷凍（ＨＶＡＣ＆Ｒ）システムが、モータに電力を供給するように構成された可変速駆動装置であって、モータが、ＨＶＡＣ＆Ｒシステムの圧縮器を駆動するように構成される、可変速駆動装置と、交流（ＡＣ）電源からのＡＣ電力を受け、ＡＣ電力を直流（ＤＣ）電力に変換するように構成された、可変速駆動装置の整流器と、整流器に電気的に接続された、可変速駆動装置のＤＣバスであって、ＤＣバスが、整流器から受けたＤＣ電力を変更するように構成される、ＤＣバスと、ＤＣバスに電気的に接続された、可変速駆動装置のインバータであって、インバータが、ＤＣバスからのＤＣ電力を出力ＡＣ電力に変換するように構成され、出力ＡＣ電力が、可変電圧および可変周波数を有し、出力ＡＣ電力が、モータに差し向けられる、インバータと、可変速駆動装置のＤＣバスに電気的に接続されたバッテリであって、バッテリが、可変速駆動装置に補助ＤＣ電力を供給するように構成される、バッテリと、を備える。
別の実施形態では、暖房、換気、空調、および冷凍（ＨＶＡＣ＆Ｒ）システムのための可変速駆動装置が、交流（ＡＣ）電源からのＡＣ電力を受け、ＡＣ電力を直流（ＤＣ）電力に変換するように構成された、可変速駆動装置の整流器と、整流器に電気的に接続された、可変速駆動装置のＤＣバスであって、ＤＣバスが、整流器から受けたＤＣ電力の電圧を増幅または低下させるように構成される、ＤＣバスと、ＤＣバスに電気的に接続された、可変速駆動装置のインバータであって、インバータが、ＤＣバスからのＤＣ電力を出力ＡＣ電力に変換するように構成され、出力ＡＣ電力が、可変電圧および可変周波数を有し、出力ＡＣ電力が、モータに差し向けられる、インバータと、可変速駆動装置のＤＣバスに電気的に接続されたバッテリであって、バッテリが、可変速駆動装置に補助ＤＣ電力を供給するように構成される、バッテリと、ＡＣ電源およびバッテリに電気的に接続された充電器であって、充電器が、ＡＣ電源からのＡＣ電力を受け、ＤＣ電力をバッテリに供給するように構成される、充電器と、を備える。
別の実施形態では、方法が、交流（ＡＣ）電源から可変速駆動装置に差し向けられたＡＣ電力の電圧を監視するステップと、ＡＣ電力が閾値よりも大きい場合に、可変速駆動装置によりモータを作動させるために、ＡＣ電源からのＡＣ電力を使用するステップと、ＡＣ電力が閾値以下である場合に、可変速駆動装置によりモータを作動させるために、バッテリから可変速駆動装置に電力を差し向けるステップと、を含む。
以下、１つまたは複数の具体的な実施形態を説明する。これらの実施形態を簡潔に説明するために、本明細書では、実際の実装形態のすべての特徴が説明されるとは限らない。あらゆるそのような実際の実装形態の開発においては、あらゆる工学または設計プロジェクトと同様に、実装形態ごとに異なり得るシステム関連およびビジネス関連の制約の順守などの、開発者の具体的な目標を達成するために、数多くの実装形態固有の決定がなされるはずであることを理解されたい。また、このような開発努力は、複雑かつ時間がかかり得るが、それにも関わらず、この開示の利益を受ける当業者にとっては、設計、組立て、および製造の通常の作業であり得ることを理解されたい。
本開示の実施形態は、バッテリを備えた可変速駆動装置を用いる、暖房、換気、空調、および冷凍（ＨＶＡＣ＆Ｒ）システムを対象としている。上で検討されたとおり、可変速駆動装置は、ＨＶＡＣ＆Ｒシステムの圧縮器を駆動するモータに接続され得る。従来の可変速駆動装置は、送電網に電気的に接続され、送電網は、可変速駆動装置に交流（ＡＣ）電力を一定の電圧および／または一定の周波数で供給する。場合により、送電網から可変速駆動装置に供給される電力は、過酷な気象現象、自然災害、定期保守、および／または電力供給を乱し得る他の事象の結果として遮断を被る場合がある。したがって、可変速駆動装置をバッテリに電気的に接続して、送電網からの電力供給の遮断が生じた場合に、可変速駆動装置に補助電力を供給することが望ましい場合がある。加えて、送電網から供給される電力のコストは、需要、時期、および／または時刻に基づいて変動し得る。そのため、バッテリは、送電網からの電力のコストが比較的高い需要ピーク時の間、可変速駆動装置に補助電力を供給し得る。したがって、可変速駆動装置に電気的に接続されたバッテリは、可変速駆動装置が、送電網において遮断が発生している場合に電力を受けること、および／またはＨＶＡＣ＆Ｒシステムの運転コストを削減することを可能にする。
いくつかの実施形態では、可変速駆動装置は、可変速駆動装置の直流（ＤＣ）バスを介して、バッテリに電気的に接続される。周知のように、バッテリは、一般的に、ＤＣ電力の形で電力を供給する。加えて、可変速駆動装置は、整流器を用いて、送電網（例えば、ＡＣ電源）からのＡＣ電力をＤＣ電力に変換し、次いで、インバータを用いて、ＤＣ電力を変換して、可変電圧および／または可変周波数を有し得るＡＣ電力に戻す。よって、バッテリは、ＤＣ電力を用いる可変速駆動装置の一部にＤＣ電力を供給し、可変速駆動装置が、ＤＣ電力を、可変電圧および／または可変周波数を有するＡＣ電力に変換することを可能にし得る。本開示の実施形態は、送電網からの電力および／またはバッテリからの補助電力を受ける場合に、可変速駆動装置の性能を高めるために用いられ得る、様々な整流器およびインバータを含み得る。さらに、いくつかの実施形態では、可変速駆動装置は、バッテリを充電するのに用いるために、送電網からの電力を受け、蓄積する充電要素を備えることができ、それにより、バッテリが可変速駆動装置に補助電力を供給し得る時間を増やすことができる。
ここで図面に目を向けると、図１は、典型的な商業的環境のための建物１２における、加熱、通気、空調、および冷凍（ＨＶＡＣ＆Ｒ）システム１０のための環境の実施形態の斜視図である。ＨＶＡＣ＆Ｒシステム１０は、建物１２を冷却するために使用され得る、冷却された液体を供給する蒸気圧縮システム１４を含み得る。ＨＶＡＣ＆Ｒシステム１０はまた、建物１２を加熱するために温かい液体を供給するためのボイラー１６と、空気を建物１２を通して循環させる空気分配システムとを含み得る。空気分配システムはまた、空気還流ダクト１８、空気供給ダクト２０、および／または空気ハンドラー２２を含み得る。いくつかの実施形態において、空気ハンドラー２２は、ボイラー１６および蒸気圧縮システム１４へ導管２４により接続された熱交換器を含み得る。空気ハンドラー２２における熱交換器は、ＨＶＡＣ＆Ｒシステム１０の作動モードに依存して、加熱された液体をボイラー１６から受けることができるか、冷却された液体を蒸気圧縮システム１４から受けることができるかのいずれかである。ＨＶＡＣ＆Ｒシステム１０は、個別の空気ハンドラーが建物１２の各フロアにある状態で示されているが、他の実施形態において、ＨＶＡＣ＆Ｒシステム１０は、フロア間で共有され得る空気ハンドラー２２および／または他のコンポーネントを含み得る。
図２および３は、ＨＶＡＣ＆Ｒシステム１０において用いることができる蒸気圧縮システム１４の実施形態である。蒸気圧縮システム１４は、圧縮器３２で開始する回路を通って冷媒を循環させ得る。回路はまた、コンデンサ３４と、膨張バルブまたはデバイス３６と、液体冷却器または蒸発器３８とを含んでもよい。蒸気圧縮システム１４は、アナログ・デジタル（Ａ／Ｄ）変換器４２、マイクロプロセッサ４４、不揮発性メモリ４６、および／またはインターフェイスボード４８を有する制御パネル４０をさらに含み得る。
蒸気圧縮システム１４において冷媒として使用され得る流体のいくつかの例は、ハイドロフルオロカーボン（ＨＦＣ）系冷媒、例えば、Ｒ−４１０Ａ、Ｒ−４０７、Ｒ−１３４ａ、ハイドロフルオロオレフィン（ＨＦＯ）、アンモニア（ＮＨ３）、Ｒ−７１７、二酸化炭素（ＣＯ２）、Ｒ−７４４、または炭化水素系冷媒などの「天然」冷媒、水蒸気、または他の任意の好適な冷媒である。いくつかの実施形態において、蒸気圧縮システム１４は、Ｒ−１３４ａなど、中圧冷媒に対して低圧冷媒とも呼ばれる、１気圧でセ氏約１９度（カ氏６６度）の標準沸点を有する冷媒を効率的に用いるように構成されてもよい。本明細書で使用される際、「標準沸点」は、１気圧で計測された沸点温度と呼ばれ得る。
いくつかの実施形態において、蒸気圧縮システム１４は、可変速駆動装置（ＶＳＤ：ｖａｒｉａｂｌｅ ｓｐｅｅｄ ｄｒｉｖｅ）５２、モータ５０、圧縮器３２、コンデンサ３４、膨張バルブまたはデバイス３６、および／または蒸発器３８のうちの１つまたは複数を使用し得る。モータ５０は、圧縮器３２を駆動することができ、可変速駆動装置（ＶＳＤ）５２により動力供給されてもよい。ＶＳＤ５２は、ＡＣ電源からの特定の固定された線間電圧および固定された線間周波数を有する交流（ＡＣ）電力を受け、可変電圧および周波数を有する電力をモータ５０に供給する。他の実施形態において、モータ５０は、ＡＣまたは直流（ＤＣ）電源から直接的に動力供給されてもよい。モータ５０は、ＶＳＤにより、またはＡＣもしくはＤＣ電源、例えばスイッチ式リラクタンスモータ、誘導モータ、電子整流式永久磁石モータ、または別の好適なモータから直接的に動力供給され得る任意のタイプの電気モータを含み得る。
ＨＶＡＣ＆Ｒシステムは、チラー、空調機器、ヒートポンプ、屋上ユニット、冷凍システム、可変冷媒流量（ＶＲＦ）システム、別の好適なコンポーネント、またはこれらの任意の組み合わせを含み得る。ＨＶＡＣ＆Ｒシステムは、一般的に、可変速駆動装置によって駆動され得る、圧縮器、ポンプ、ファンなどの１つまたは複数のモータ駆動コンポーネントを備える。いくつかの実施形態では、２つ以上のコンポーネントが、単一の可変速駆動装置から駆動され得る。例えば、いくつかのファンが、単一の可変速駆動装置を共有する場合もあるし、２つ以上の圧縮器が、単一の可変速駆動装置を共有する場合もある。追加的または代替的に、複数の可変速駆動装置が、単一のＨＶＡＣ＆Ｒシステムに含まれてもよい。例えば、ＨＶＡＣ＆Ｒシステムは、１つまたは複数の圧縮器のための第１の可変速駆動装置と、コンデンサのファンのための第２の可変速駆動装置と、蒸発器のポンプのための第３の可変速駆動装置と、を備えていてもよい。なおさらなる実施形態では、ＨＶＡＣ＆Ｒシステムには、ＨＶＡＣ＆Ｒシステムのコンポーネントに十分な電力を供給するために、任意の好適な数の可変速駆動装置が含まれ得る。
圧縮器３２は冷媒蒸気を圧縮するとともに、蒸気を排出路を通じてコンデンサ３４へ送達する。いくつかの実施形態において、圧縮器３２は、遠心圧縮器であってもよい。圧縮器３２によりコンデンサ３４へ送達された冷媒蒸気は、熱をコンデンサ３４における冷却液（例えば水または空気）に伝達し得る。冷媒蒸気は、冷却液との熱伝熱の結果として、コンデンサ３４において冷媒液へと凝結し得る。コンデンサ３４からの液体冷媒は、膨張デバイス３６を通って蒸発器３８へ流れ得る。図３の図示の実施形態において、コンデンサ３４は、水で冷却されるとともに、冷却液をコンデンサへ供給する冷却タワー５６へ接続されたチューブ束５４を含む。
蒸発器３８に送達される液体冷媒は、コンデンサ３４において使用された冷却液と同じであっても無くてもよい別の冷却液からの熱を吸収することができる。蒸発器３８における液体冷媒は、液体冷媒から冷媒蒸気への相変化を受け得る。図３の図示された実施形態に示されるとおり、蒸発器３８は、冷却負荷６２に接続された供給ライン６０Ｓと還流ライン６０Ｒとを有するチューブ束５８を含み得る。蒸発器３８の冷却液（例えば水、エチルグリコール、塩化カルシウム塩水、塩化ナトリウム塩水、または他の任意の好適な流体）は、還流ライン６０Ｒを介して蒸発器３８へ入り、供給ライン６０Ｓを介して蒸発器３８を出る。蒸発器３８は、チューブ束５８における冷却液の温度を、冷媒との熱伝熱を介して低下させ得る。蒸発器３８におけるチューブ束５８は、複数のチューブおよび／または複数のチューブ束を含み得る。いずれの場合も、蒸気冷媒は蒸発器３８を出て、吸引ラインにより圧縮器３２へ戻り、サイクルを完了する。
図４は、中間回路６４がコンデンサ３４と膨張デバイス３６との間に組み込まれた蒸気圧縮システム１４の概略図である。中間回路６４は、コンデンサ３４へ直接的に流体接続された入口ライン６８を有し得る。他の実施形態において、入口ライン６８は、コンデンサ３４へ間接的に流体接続され得る。図４の図示された実施形態に示されるとおり、入口ライン６８は、中間容器７０の上流に位置付けられた第１膨張デバイス６６を含む。いくつかの実施形態において、中間容器７０は、フラッシュタンク（例えばフラッシュ中間冷却器）であってもよい。他の実施形態において、中間容器７０は、熱交換器または「サーフェスエコノマイザー（ｓｕｒｆａｃｅ ｅｃｏｎｏｍｉｚｅｒ）」として構成され得る。図４に示された実施形態において、中間容器７０は、フラッシュタンクとして使用され、第１膨張デバイス６６は、コンデンサ３４から受け取った液体冷媒の圧力を低める（膨張させる）ように構成される。膨張プロセス中に、液体の一部が蒸発してもよく、したがって、中間容器７０は、蒸気を、第１膨張デバイス６６から受け取った液体から分離するのに使用され得る。追加的に、中間容器７０は、中間容器７０に入るときに液体冷媒が受ける圧力低下を理由として、（例えば、中間容器７０に入るときに受ける、容積が急速に増大することを原因として）液体冷媒のさらなる膨張を提供し得る。中間容器７０における蒸気は、圧縮器３２の吸引ライン７４を通って圧縮器３２により引き込まれ得る。他の実施形態において、中間容器における蒸気は、圧縮器３２の中間ステージ（例えば吸引ステージではない）へ引き込まれ得る。中間容器７０において集まる液体は、膨張デバイス６６および／または中間容器７０における膨張を理由としてコンデンサ３４を出る液体冷媒より低いエンタルピーであり得る。中間容器７０からの液体は、次いで、ライン７２内を、第２膨張デバイス３６を通って、蒸発器３８へ流れ得る。
上記のように、可変速駆動装置５２は、可変速駆動装置に補助電力を供給するため、したがって、最終的に、モータ５０および圧縮器５２に電力を供給するためのバッテリを備え得る。場合により、送電網によって可変速駆動装置５２に供給される電力の遮断が発生する場合があり、それによって、蒸気圧縮システム１４のシャットダウンに至り得る。そのため、バッテリは、このような遮断が発生した場合、および／または送電網からの電力のコストが比較的高い場合に、可変速駆動装置５２に補助電力を提供し得る。本明細書で詳細に検討されているとおり、可変速駆動装置５２は、バッテリを調整し、バッテリが可変速駆動装置５２に適切に電力を供給できるようにするために、様々な整流器構成、インバータ構成、および／または追加的なコンポーネントを備え得る。
例えば、図５は、バッテリ１００を備えた可変速駆動装置５２の実施形態の概略図である。図５の図示の実施形態に示されるとおり、可変速駆動装置５２は、整流器１０２と、インバータ１０４と、ＤＣバス１０６と、を備え得る。整流器１０２は、一定の電圧および周波数のＡＣ電力を受け、ＡＣ電力をＤＣ電力に変換する。次いで、ＤＣバス１０６は、モータ５０の負荷需要に基づき得る所定の電圧および周波数に達するようにＤＣ電力を操作または変換（例えば、ＤＣ電力を降圧または昇圧）し得る。次いで、インバータ１０４は、ＤＣ電力を変換して、可変電圧および周波数を含むＡＣ電力に戻す。インバータ１０４からのＡＣ電力は、モータ５０に電力を供給するために用いられ、モータは、蒸気圧縮システムの圧縮器３２を駆動する。
図５の図示の実施形態に示されるとおり、バッテリ１００は、バッテリ１００が、ＡＣ電源１０８（例えば、送電網）とは独立に、可変速駆動装置５２に補助電力を供給し得るように、そして最終的にモータに電力を供給し得るように、可変速駆動装置５２のＤＣバス１０６に接続され得る。例えば、整流器１０２および／またはインバータ１０４ではなくＤＣバス１０６においてバッテリ１００からの補助電力を受けることができるように、バッテリ１００は、可変速駆動装置５２にＤＣ電力を供給し得る。いくつかの実施形態では、バッテリ１００は、可変速駆動装置５２の外部とされ得るが、ＤＣバス１０６を介して可変速駆動装置５２の回路１１０に接続され得る。本明細書で使用される場合、バッテリ１００は、１つまたは複数のバッテリセルをそれぞれ備えた複数のバッテリであり得る。例えば、バッテリ１００は、直列接続または並列接続で互いに接続された２、３、４、５、６、７、８、９、１０、またはそれ以上のバッテリを含み得る。いくつかの実施形態では、バッテリ１００は、１００キロワット（ｋＷ）〜５０，０００ｋＷ、２００ｋＷ〜４０，０００ｋＷ、または５００ｋＷ〜２５，０００ｋＷの電力を蓄積および／または供給し得る。
図５の図示の実施形態に示されるとおり、充電器１１２は、バッテリ１００および／またはＡＣ電源１０８に接続され得る。例えば、充電器１１２は、ＡＣ電源１０８に接続され、したがって、ＡＣ電源１０８からのエネルギーを受け、調整（例えば、フィルタリングおよび／または変更）する。充電器１１２によって調整されたエネルギーは、バッテリ１００を再充電する、および／またはバッテリ１００に他の方法で電力を供給するために用いられ得る。加えて、可変速駆動装置５２の回路１１０は、バッテリ１００と可変速駆動装置５２のＤＣバス１０６との間に接続されたダイオード１１４を備え得る。ダイオード１１４は、電力が可変速駆動装置５２（例えば、ＤＣバス１０２）から流れてバッテリ１００に戻るのを阻止し得るが、バッテリ１００からＤＣバス１０６への電力の流れを促進する。
加えて、図５の可変速駆動装置５２は、可変速駆動装置５２をＡＣ電源１０８から切り離す（例えば、絶縁する）（例えば、可変速駆動装置５２とＡＣ電源１０８との間の接続を遮断する）ように構成されたスイッチ１１６を備え得る。非限定的な例として、ＡＣ電源１０８によって供給される電力のコストが比較的高い場合、可変速駆動装置５２がＡＣ電源１０８から電力を取り出さないように、ＡＣ電源１０８と可変速駆動装置５２との間の接続が切り離され得る。このような場合には、可変速駆動装置５２は、バッテリ１００から補助電力を取り出すことができる。いくつかの実施形態では、可変速駆動装置５２のインバータ１０４は、バッテリ１００が電力を可変速駆動装置５２に供給する場合、出力電力（例えば、モータ５０）の周波数を下げて、モータ５０にかかるトルクを十分な大きさに保つことができる。追加的または代替的に、可変速駆動装置５２は、ＡＣ電源１０８からの電力が遮断された場合に、バッテリ１００の制御パネル、ファン、ポンプ、および／または他のコンポーネントに電力を供給するように構成され得る追加的な外部インバータ１１８を備え得る。
加えて、図５は、ＡＣ電源１０８によって可変速駆動装置５２に供給されたＡＣ電力の電圧および／または周波数を測定し得るセンサ１２０を備えた可変速駆動装置５２を示している。いくつかの実施形態では、制御パネル４０は、可変速駆動装置５２のセンサ１２０、バッテリ１００、および／またはスイッチ１１６に通信可能に接続され得る。これにより、制御パネル４０は、ＡＣ電源１０８から受けたＡＣ電力を示すフィードバックをセンサ１２０から受信し、センサ１２０から受信したフィードバックに応じて可変速駆動装置５２の回路１１０を調整することができる。例えば、センサ１２０からのフィードバックが閾値に達した場合、および／または閾値未満に低下した場合、制御パネル４０は、バッテリ１００が可変速駆動装置５２のＤＣバス１０６に電力を供給するように、スイッチ１１６を開放し、バッテリ１００を起動することができる。追加的または代替的に、センサ１２０からのフィードバックが閾値を超えた場合、電力がＡＣ電源１０８から可変速駆動装置５２に供給されるように、スイッチ１１６は、閉鎖され、バッテリが停止され得る。なおさらなる実施形態では、制御パネル４０は、モータ５０の速度および／または圧縮器３２の排出圧力を監視し、それに応じて、可変速駆動装置５２の回路１１０を調整することができる。いくつかの実施形態では、可変速駆動装置５２は、モータ５０に十分な電圧を供給するために、ＡＣ電源１０８とバッテリ１００との両方から電力を受けるように構成され得る。
図６は、バッテリ１００を備えるが、充電器１１２を持たない、可変速駆動装置５２の実施形態の概略図である。例えば、可変速駆動装置５２は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（「ＩＧＢＴ」）１４０を備え、ＩＧＢＴ １４０は、電力が複数の方向（例えば、ＡＣ電源１０８から可変速駆動装置５２および可変速駆動装置５２からＡＣ電源１０８、可変速駆動装置５２からモータ５０およびモータ５０から可変速駆動装置５２、ならびに／または整流器１０２からインバータ１０４およびインバータ１０４から整流器１０２）に流れることができるようにする。ＩＧＢＴは、整流器１０２および／またはインバータ１０４に含まれて、ＤＣバス１０６における電力の電圧がバッテリ１００を充電するのに好適であるように、ＤＣバス１０６における電力を調整し得る。このようにして、電力がＡＣ電源１０８から可変速駆動装置５２に供給される場合、ＤＣバスを通ってバッテリ１００に電力が流れた結果、バッテリ１００が充電され得る。したがって、充電器１１２は、バッテリ１００がＡＣ電源１０８から直接充電され得るため、図６の可変速駆動装置５２の実施形態には含まれない。
加えて、ダイオード１１４は、バッテリ１００から可変速駆動装置５２、または可変速駆動装置５２からバッテリ１００に向けてのいずれかで電力が流れ得るように、図６の可変速駆動装置５２の実施形態には含まれない。いくつかの実施形態では、インバータ１０４は、モータ５０からＤＣバス１０６に電力を供給して、回生制動またはスリップエネルギー回収をもたらし、それによって、可変速駆動装置５２の効率を高めることができる。なおさらなる実施形態では、バッテリ１００は、ＡＣ電源１０８に電力を供給し得る。例えば、ＡＣ電源１０８からの電力が遮断された（例えば、送電網がシャットダウンした）場合、可変速駆動装置５２と同じ電子回路（例えば、同じ住宅または建築物）に接続され得る他のコンポーネントに電力を供給することが望ましい場合がある。例えば、可変速駆動装置５２は、住宅または他の建築物の電子回路に電気的に接続されてもよい。したがって、バッテリ１００は、ＡＣ電源１０８が遮断された場合に、住宅または他の建築物の電力回路にも電気的に接続されている１つまたは複数のコンポーネントに電力を供給し得る。
上で検討されたとおり、可変速駆動装置５２は、ＡＣ電源１０８および／またはバッテリ１００のいずれかから電力を受けた場合に、可変速駆動装置５２の性能を高め得る、整流器１０２、インバータ１０４、および／またはＤＣバス１０６の様々な構成を備え得る。例えば、図７は、整流器１０２の実施形態の概略図であり、整流器１０２は、ＡＣ電源１０８からのＡＣ電力をＤＣ電力に変換するために、可変速駆動装置５２に含まれ得る。例えば、図７の整流器１０２は、ＡＣ電力をＤＣ電力に変換する複数のダイオード１６０（例えば、ＰＮ接合ダイオード）を備える。図７の図示の実施形態に示されるとおり、ＡＣ電力は、三相ＡＣ電力を含むことができ、三相ＡＣ電力は、３つの対応する入力（例えば、配線）を介して整流器１０２に差し向けられる。そのため、ＡＣ電力の各相は、複数のダイオード１６０のうちの一対のダイオードに電気的に接続され得る。ＡＣ電力の相のそれぞれに対応する一対のダイオードは、負荷（例えば、バッテリ１００）の正および負の端子に対応し得る。図７の図示の実施形態は、三相ＡＣ電力を受け、複数のダイオード１６０のうちの６つのダイオードを備える整流器１０２を示しているが、整流器１０２は、任意の好適な相の数（例えば、１、２、４、５、６、７、８、９、１０、またはそれ以上）を有するＡＣ電力を受けることができ、複数のダイオード１６０のうちの任意の好適な数のダイオード（例えば、１、２、３、４、５、７、８、９、１０、またはそれ以上）を備えることができることに留意されたい。
複数のダイオード１６０は、電流がＡＣ電源１０８から流れることを可能にし、またバッテリ１００、ＤＣバス１０６、インバータ１０４、またはこれらの組み合わせなどの、可変速駆動装置５２の別のコンポーネントに向けて流れることを可能にする。よって、電流は、方向１６２に流れ得る。複数のダイオード１６０は、方向１６４への電流の流れを阻止して、電流は方向１６２に流れることができるが、方向１６４には流れることができないようにし得る。したがって、図７の整流器１０２は、パッシブ方式の整流器であり、図５に示す可変速駆動装置５２の実施形態において用いられ得るが、整流器１０２が方向１６４への電流の流れを阻止するために、図６に示す可変速駆動装置５２の実施形態には好適ではない場合がある。
図８は、図６に示す可変速駆動装置５２の実施形態において用いられ得る整流器１０２の実施形態である。例えば、図８の図示の実施形態では、整流器１０２は、複数のダイオード１６０の代わりに複数のトランジスタ１８０を備える。複数のトランジスタ１８０もまた、ＡＣ電源１０８からのＡＣ電力をＤＣ電力に変換するように構成され得る。さらに、複数のトランジスタ１８０は、方向１６２および１６４の両方の方向に電流が流れることを可能にし得る。したがって、複数のトランジスタ１８０はまた、ＤＣ電力を変換してＡＣ電力に戻して、モータ５０から、可変速駆動装置５２が電気的に接続され得る電子回路（例えば、住宅または他の構造の電子回路）に電流が流れること可能にし得る。そのため、整流器１０２は、アクティブ方式の整流器である。
図８の図示の実施形態に示されるとおり、ＡＣ電源１０８からのＡＣ電力は、三相ＡＣ電力を含むことができ、三相ＡＣ電力は、３つの対応する入力（例えば、配線）を介して整流器１０２に差し向けられる。そのため、ＡＣ電力の各相は、複数のトランジスタ１８０のうちの一対のトランジスタに電気的に接続され得る。ＡＣ電力の相のそれぞれに対応する一対のトランジスタは、負荷（例えば、バッテリ１００）の正および負の端子に対応し得る。図８の図示の実施形態は、三相ＡＣ電力を受け、複数のトランジスタ１８０のうちの６つのトランジスタを備える整流器１０２を示しているが、整流器１０２は、任意の好適な相の数（例えば、１、２、４、５、６、７、８、９、１０、またはそれ以上）を有するＡＣ電力を受けることができ、複数のトランジスタ１８０のうちの任意の好適な数のトランジスタ（例えば、１、２、３、４、５、７、８、９、１０、またはそれ以上）を備えることができることに留意されたい。
図９は、インバータ１０４の実施形態の概略図であり、インバータ１０４は、可変速駆動装置５２に含まれ得る。図８の整流器１０２と同様に、図９に示すインバータ１０４は、インバータ１０４がＤＣ電力をＡＣ電力に変換でき、かつＡＣ電力をＤＣ電力に変換できる点で、アクティブ方式である。例えば、インバータ１０４は、電流が第１方向２０２に流れた場合にＤＣ電力をＡＣ電力に変換する複数のトランジスタ２００を備える。加えて、複数のトランジスタ２００は、第１方向２０２とは反対の第２方向２０４に電流が流れた場合に、ＡＣ電力をＤＣ電力に変換する。
図９の図示の実施形態に示されるとおり、インバータからモータ５０に差し向けられたＡＣ電力は、三相ＡＣ電力を含み得る。ＡＣの各相は、対応する入力（例えば、配線）を介してモータ５０に差し向けられ得る。そのため、ＡＣ電力の各相は、複数のトランジスタ２００のうちの一対のトランジスタに電気的に接続され得る。ＡＣ電力の相のそれぞれに対応する一対のトランジスタは、ＤＣ電源（例えば、バッテリ１００）の正および負の端子に対応し得る。図９の図示の実施形態は、三相ＡＣ電力を差し向け、複数のトランジスタ２００のうちの６つのトランジスタを備えるインバータ１０４を示しているが、整流器１０２は、任意の好適な相の数（例えば、１、２、４、５、６、７、８、９、１０、またはそれ以上）を有するＡＣ電力をモータ５０に差し向けることができ、複数のトランジスタ２００のうちの任意の好適な数のトランジスタ（例えば、１、２、３、４、５、７、８、９、１０、またはそれ以上）を備えることができることに留意されたい。
図１０〜１２は、整流器１０２および／またはバッテリ１００から受けたＤＣ電力を変更および／または操作するために用いられ得るＤＣバス１０６の実施形態の概略表現である。例えば、図１０は、ＤＣバス１０６が受けたＤＣ電力の電圧を低下（例えば、降圧）するように構成されたＤＣバス１０６の実施形態の概略図である。図１１は、ＤＣバス１０６が受けたＤＣ電力の電圧を増加（例えば、上昇）することができるＤＣバス１０６の実施形態の概略図である。さらに、図１２は、ＤＣバス１０６が受けたＤＣ電力の電圧の低下（例えば、降圧）および／または増加（例えば、上昇）を両方行い得るＤＣバス１０６の実施形態の概略図である。いくつかの実施形態では、図１２に示すＤＣバス１０６の実施形態を通る電流の大きさは、可変速駆動装置５２、モータ５０、および／または圧縮器３２から受信したフィードバックに基づいて、制御パネル４０によって調整され得る。例えば、制御パネル４０は、モータ５０の速度および／または圧縮器３２を出る冷媒の圧力を示すフィードバックを受信し、ＤＣバス１０６を通る電流の大きさを調整して、ＤＣ電力の電圧を増加または低減させ、フィードバックに基づいてモータの速度を調整し得る。図１０〜１２に示すＤＣバス１０６の実施形態の任意の組み合わせを可変速駆動装置５２に用いることができることに留意されたい。
いずれの場合でも、本開示の可変速駆動装置５２の実施形態は、様々なモードで動作するように構成され得る。例えば、以下の表１は、様々なパラメータ（例えば、とりわけ、モータの速度、圧縮器３２の排出圧力、ＡＣ電源１０８からのＡＣ電力の入力電圧、バッテリ１００の充電）に基づいて選択され得る、可変速駆動装置５２の様々な動作モードの例を示している。表１では、「０」は、電力を受けたり供給したりしないコンポーネント（例えば、ＡＣ電源１０８、モータ５０、および／またはバッテリ１００）を表し、「＋」は、電力を供給するコンポーネントを表し、「−」は、電力を受けるコンポーネントを表す。表１は、可変速駆動装置５２の１３の動作モードを含むが、本開示の可変速駆動装置５２の実施形態は、１３を超える動作モード（例えば、１４、１５、１６、１７、１８、１９、２０、またはそれ以上の動作モード）を含んでもよいし、１３未満の動作モード（例えば、１２、１１、１０、９、８、７、６、５、４、３、２、または１の動作モード）を含んでもよい。
図１３は、ＡＣ電源１０８および／またはバッテリ１００から電力を受ける可変速駆動装置５２を用いてモータ５０を動作させるために用いられ得るプロセス２２０のブロック図である。例えば、ブロック２２２において、制御パネル４０は、ＡＣ電源１０８から可変速駆動装置５２に供給されたＡＣ電力を示す、センサ１２０からのフィードバックを受信し得る。上で検討されたとおり、センサ１２０からのフィードバックは、ＡＣ電源１０８によって供給されたＡＣ電力の電圧および／または周波数を含み得る。いずれの場合でも、ブロック２２４で示されるとおり、制御パネル４０は、センサ１２０からのフィードバックが閾値よりも大きい（例えば、所定の電圧および／または周波数よりも大きい）場合に、可変速駆動装置５２がＡＣ電力を利用してモータ５０を動作させること可能にするように構成され得る。さらに、ブロック２２６において、制御パネル４０は、センサ１２０からのフィードバックが閾値に達した、または閾値未満に低下した場合に、スイッチ１１６を開放し、バッテリ１００を動作させる。そのため、バッテリ１００は、例えばＡＣ電源１０８からのＡＣ電力が遮断された場合に、モータ５０が動作し続けることができるように、可変速駆動装置５２に電力を供給し得る。
加えて、上で検討されたとおり、制御パネル４０はまた、蒸気圧縮システム１４に配置された１つまたは複数のセンサから受信したフィードバックに基づいて可変速駆動装置５２の動作を調整し得る。例えば、制御パネル４０は、モータ５０の速度および／または圧縮器３２の排出圧力を示すフィードバックを受信し得る。次いで、制御パネルは、可変速駆動装置５２の回路１１０（例えば、スイッチ１１６、バッテリ１００、または別の好適なコンポーネント）を調整して、モータ５０の速度および／または圧縮器３２の排出圧力が所定の値に達することを可能にし得る。
上記のように、本開示は、ＨＶＡＣ＆Ｒシステムの動作に役立つ、１つまたは複数の技術的効果を提供し得る。本開示の実施形態は、可変速駆動装置に電気的に接続され、ＨＶＡＣ＆Ｒシステムのモータに電力を供給するように構成されたバッテリを備え得る。バッテリは、ＡＣ電源からのＡＣ電力が遮断された場合および／またはＡＣ電力のコストが比較的高い場合に、ＡＣ電源の代わりに電力を供給し得る。追加的または代替的に、バッテリは、負荷需要（例えば、モータからの負荷需要）がＡＣ電源単独および／またはバッテリ単独を使用することによって満たされていない場合、可変速駆動装置に差し向けられた電力を補い得る。可変速駆動装置のバッテリを使用することにより、可変速駆動装置の動作が強化され、ＨＶＡＣ＆Ｒシステムのシャットダウンおよび／または保守が低減され得る。本明細書における技術的効果および技術的課題は、例であり、これによって限定されない。本明細書で説明した実施形態は、他の技術的効果を有することができ、他の技術的課題を解決することができることに留意されたい。
特定の特徴および実施形態のみが図示され説明されたが、特許請求の範囲において列挙された主題の新規な教示および利点から実質的に逸脱すること無しに、当業者には多くの修正形態および変更形態が浮かび得る（例えば、様々な要素のサイズ、寸法、構造、形状および割合、パラメータ（例えば温度、圧力など）の値、取付配置構成、材料、色、向きなどの使用におけるバリエーション）。任意のプロセスまたは方法ステップの順番または順序は、代替的実施形態により変えられ得るか、または並べ直され得る。したがって、添付の特許請求の範囲は全てのそのような修正形態および変更形態を、本開示の真の趣旨内に該当するとして、カバーすることを意図されていることを理解されたい。さらに、例示的実施形態の簡潔な説明を提供するために、実際の実装形態の全ての特徴が説明されないこともある（すなわち、本開示を実施する現在想定される最良のモードに関連しないもの、または、特許請求された開示を可能にすることに関連しないもの）。任意のそのような実際の実装形態の開発においては、任意の工学的または設計プロジェクトと同様に、数多くの実装形態の特定の決定がなされ得ることが認められるべきである。このような開発努力は、複雑かつ時間がかかり得るが、それにも関わらず、この開示の利益を有する当業者にとっては、不要な実験をすることなく、設計、組立て、および製造の通常の作業であり得る。
Claims (20)
- 暖房、換気、空調、および冷凍（ＨＶＡＣ＆Ｒ）システムであって、
モータに電力を供給するように構成された可変速駆動装置であって、前記モータが、前記ＨＶＡＣ＆Ｒシステムの圧縮器を駆動するように構成される、可変速駆動装置と、
交流（ＡＣ）電源からのＡＣ電力を受け、前記ＡＣ電力を直流（ＤＣ）電力に変換するように構成された、前記可変速駆動装置の整流器と、
前記整流器に電気的に接続された、前記可変速駆動装置のＤＣバスであって、前記ＤＣバスが、前記整流器から受けた前記ＤＣ電力を変更するように構成される、ＤＣバスと、
前記ＤＣバスに電気的に接続された、前記可変速駆動装置のインバータであって、前記インバータが、前記ＤＣバスからの前記ＤＣ電力を出力ＡＣ電力に変換するように構成され、前記出力ＡＣ電力が、可変電圧および可変周波数を有し、前記出力ＡＣ電力が、前記モータに差し向けられる、インバータと、
前記可変速駆動装置の前記ＤＣバスに電気的に接続されたバッテリであって、前記バッテリが、前記可変速駆動装置に補助ＤＣ電力を供給するように構成される、バッテリと、
を備える、暖房、換気、空調、および冷凍（ＨＶＡＣ＆Ｒ）システム。 - 前記整流器および前記インバータが、アクティブ方式であり、電流が前記整流器および前記インバータを通って第１方向および第２方向に流れることを可能にし、前記第１方向が前記第２方向とは反対の方向である、請求項１に記載のシステム。
- 前記整流器が第１の複数のトランジスタを備え、前記インバータが第２の複数のトランジスタを備える、請求項２に記載のシステム。
- 前記モータが、前記バッテリを充電するために、前記バッテリにＤＣ電力を供給するように構成される、請求項２に記載のシステム。
- 前記バッテリおよび前記ＡＣ電源に接続された充電器であって、前記充電器が、前記ＡＣ電源からのＡＣ電力を受け、調整し、ＤＣ電力を前記バッテリに供給するように構成される、充電器を備える、請求項１に記載のシステム。
- スイッチであって、前記スイッチが、前記ＡＣ電源からの前記ＡＣ電力の電圧が閾値に達した場合に開放されるように構成される、スイッチを備える、請求項５に記載のシステム。
- 前記バッテリと前記ＤＣバスとの間に配置されたダイオードであって、前記ダイオードが、電流が前記ＤＣバスから前記バッテリに流れることを阻止するように構成される、ダイオードを備える、請求項６に記載のシステム。
- 前記ＤＣバスが、前記ＤＣ電力の電圧を増幅させる、または前記ＤＣ電力の電圧を低下させる、またはその両方であるように構成される、請求項１に記載のシステム。
- 前記ＡＣ電源からの前記ＡＣ電力が三相ＡＣ電力を含む、請求項１に記載のシステム。
- 前記バッテリが、５００ｋＷ〜２５，０００ｋＷのＤＣ電力を前記可変速駆動装置に供給するように構成される、請求項１に記載のシステム。
- 暖房、換気、空調、および冷凍（ＨＶＡＣ＆Ｒ）システムのための可変速駆動装置であって、
交流（ＡＣ）電源からのＡＣ電力を受け、前記ＡＣ電力を直流（ＤＣ）電力に変換するように構成された、前記可変速駆動装置の整流器と、
前記整流器に電気的に接続された、前記可変速駆動装置のＤＣバスであって、前記ＤＣバスが、前記整流器から受けた前記ＤＣ電力の電圧を増幅または低下させるように構成される、ＤＣバスと、
前記ＤＣバスに電気的に接続された、前記可変速駆動装置のインバータであって、前記インバータが、前記ＤＣバスからの前記ＤＣ電力を出力ＡＣ電力に変換するように構成され、前記出力ＡＣ電力が、可変電圧および可変周波数を有し、前記出力ＡＣ電力が、前記モータに差し向けられる、インバータと、
前記可変速駆動装置の前記ＤＣバスに電気的に接続されたバッテリであって、前記バッテリが、前記可変速駆動装置に補助ＤＣ電力を供給するように構成される、バッテリと、
前記ＡＣ電源および前記バッテリに電気的に接続された充電器であって、前記充電器が、前記ＡＣ電源からのＡＣ電力を受け、ＤＣ電力を前記バッテリに供給するように構成される、充電器と、
を備える、可変速駆動装置。 - スイッチであって、前記スイッチが、前記ＡＣ電源からの前記ＡＣ電力の電圧が閾値に達した場合に開放されるように構成される、スイッチを備える、請求項１１に記載のシステム。
- 前記バッテリと前記ＤＣバスとの間に配置されたダイオードであって、前記ダイオードが、電流が前記ＤＣバスから前記バッテリに流れることを阻止するように構成される、ダイオードを備える、請求項１２に記載のシステム。
- 前記整流器が、前記ＡＣ電力を前記ＤＣ電力に変換するように構成された複数のダイオードを備える、請求項１１に記載のシステム。
- 前記ＡＣ電源からの前記ＡＣ電力が三相ＡＣ電力を含む、請求項１１に記載のシステム。
- 前記バッテリが、５００ｋＷ〜２５，０００ｋＷのＤＣ電力を前記可変速駆動装置に供給するように構成される、請求項１１に記載のシステム。
- 方法であって、
交流（ＡＣ）電源から可変速駆動装置に差し向けられたＡＣ電力の電圧を監視するステップと、
前記ＡＣ電力が閾値よりも大きい場合に、前記可変速駆動装置によりモータを作動させるために、前記ＡＣ電源からの前記ＡＣ電力を使用するステップと、
前記ＡＣ電力が前記閾値以下である場合に、前記可変速駆動装置により前記モータを作動させるために、バッテリから前記可変速駆動装置に電力を差し向けるステップと、
を含む、方法。 - 前記可変速駆動装置から電力を受ける前記モータの速度を監視するステップ、または前記モータによって駆動される圧縮器の排出圧力を監視するステップ、またはその両方のステップを含む、請求項１７に記載の方法。
- 前記モータの前記速度または前記圧縮器の前記排出圧力またはその両方に基づいて、前記ＡＣ電源および前記バッテリから電力を選択的に供給するステップを含む、請求項１８に記載の方法。
- 充電器において前記ＡＣ電源から電力を受けるステップを含む、請求項１７に記載の方法。
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