JP4770399B2

JP4770399B2 - ヒートポンプ装置

Info

Publication number: JP4770399B2
Application number: JP2005316103A
Authority: JP
Inventors: 敬三松井; 哲也松山
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2005-10-31
Filing date: 2005-10-31
Publication date: 2011-09-14
Anticipated expiration: 2025-10-31
Also published as: JP2007120903A

Description

本発明は、圧縮機と膨張機を有するヒートポンプ装置、または、複数の圧縮機を有するヒートポンプ装置に関する。

複数台の圧縮機を有する空気調和機において、各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知られている（特許文献１を参照）。その場合、複数の圧縮機を駆動する際に、たとえば２台の圧縮機を駆動する場合には、第１圧縮機の回転数と第２圧縮機の回転数とがある周波数帯に存在する場合、共振およびうなりを起こして大きな運転音を生じる問題を避けるために、圧縮機を駆動する周波数、つまり回転数を制御して、共鳴およびうなりを生じさせないための制御手段を設けたものであった。

一方、空気調和機に用いられている冷媒の循環により温冷環境を実現するいわゆるヒートポンプ装置は、圧縮機、放熱器、膨張弁、蒸発器を配管で接続したループを有する。ヒートポンプ装置では、このループに沿って作業媒体（冷媒）が気液変換操作を受けながら循環し、この循環に伴って熱源から熱が汲み出される。冷媒の非フロン化に伴い、ヒートポンプ装置には、従来にも増して効率の向上が求められている。

そのようなヒートポンプ装置において、従来の膨張弁に代えて動力回収が可能な膨張機を備え、高効率化を実現する構成が提案されている。特許文献２は、効率の向上のために、膨張機から回収した動力を圧縮機の補助動力として用いる動力回収機構を備えたヒートポンプ（冷凍サイクル）を開示する。図１に示すように、原動機１０５によって駆動される圧縮機１０１により、圧縮された冷媒が放熱器１０２で冷却され、その後、発電機１０４が取り付けられた膨張機１０３を通過する際に、膨張機１０３内で膨張して発電機１０４で電力を発生させ、蒸発器１０６内で外部より吸熱して気化した後、再び圧縮機１０１へ戻る。この閉回路は配管により連結され、性能、信頼性向上のため、オイルセパレータ１０７、アキュームレータ１０８を設ける場合もある。そして、圧力センサ１１０と温度センサ１１１とは、放熱器１０２の出口側の冷媒状態を検出し、圧力センサ１１０と温度センサ１１１からの情報を元に、演算手段１０９において最適圧力値を演算する。そして演算手段１０９からの信号に基づいて、回転数制御手段１１２は、発電機１０４の回転数を制御する。

このような構成の膨張機１０３を使用することにより、冷媒の膨張による力で発電機１０４を回転させることにより電力を発生し、その電力を有効利用することにより総合的に使用されるエネルギー量は低減され、それによりＣＯＰを向上させている。
特開昭６１−１７８５８５号公報特開２０００−２４１０３３号公報

圧縮機を有する空気調和機の発生する運転音の成分としては、圧縮機の回転数に起因する成分、圧縮機のモータのコギングトルクに起因する成分、圧縮機のモータを駆動するインバータのキャリア周波数に起因する成分の大きく分けて3つの成分が存在する。図２は、圧縮機を有する空気調和機の騒音の周波数スペクトルの一例を表した図である。このように圧縮機の回転数（この場合、４０ｒｐｓ）とその高調波成分が、低周波から１００〜２００Ｈｚまで発生し、さらに圧縮機のモータのコギングトルク成分（回転数の１２倍の
成分、図中１２ｆと記述）が５００〜２ＫＨｚの範囲で発生する。さらに圧縮機を駆動するインバータ装置のキャリア周波数成分が数ＫＨｚ近傍で発生する。このように、圧縮機をインバータ装置による回転数調整により能力制御する空気調和機においては、このような種々の周波数の振動、騒音が発生する。

さらに、複数台の圧縮機を可変速駆動するような空気調和機などのように、振動、騒音源となる周波数成分が複数存在し、またそれが近い周波数である場合、共鳴、うなり現象により不快な騒音となる。図３に示すのは、近い周波数の振動、騒音が存在した場合のうなり現象を表した図である。１００Ｈｚと１０５Ｈｚの周波数成分が存在する環境においては、その重ね合わせにより振幅が倍で、差分の周波数成分が発生する。そのため、振幅が大きく、非常に低周波の不快な振動、騒音が発生することになる。

しかしながら、従来の技術にあるような複数台の圧縮機を有した空気調和機においては、圧縮機の回転数に起因する運転音の発生する共鳴、うなりを生じさせないことはできるが、圧縮機を駆動するインバータ装置のキャリア周波数に起因する共鳴、うなりを低減させることは出来なかった。特にこのように複数台の圧縮機がそれぞれインバータ装置により駆動された場合、それぞれのキャリア音が干渉して、共鳴、うなりを発生させ、大きな騒音を発生させるものであった。

また、そのような問題が発生する条件は、高効率を目指した圧縮機、膨張機を有したヒートポンプ装置においても、圧縮機と膨張機が同一配管上に設置されているため同様に存在する。

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、もしくは圧縮機、膨張機を有したヒートポンプ装置において、回転数制御するための制御装置が発生する高周波音に起因する共鳴、うなりを低減して、低騒音の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機器は、冷媒を圧縮するための圧縮機と、前記圧縮機により圧縮された冷媒を冷却するための放熱器と、前記放熱器を通過した冷媒を膨張させるための膨張機と、前記膨張機により膨張した冷媒を蒸発させるための蒸発器と、以上の各要素機器をこの順に接続して冷媒を循環させる冷媒配管と、
交流電源からの交流電流を直流電流に変換する第１コンバータ装置と、
前記第１コンバータ装置に接続されるインバータ装置と、前記インバータ装置から供給される交流電流により前記圧縮機を可変速制御する電動機と、
前記膨張機を通過する冷媒から回転力を得る発電機と、前記発電機からの交流電流を直流電流に変換し、前記インバータ装置とともに前記第１コンバータ装置の出力端に接続され前記発電機を可変速制御する第２コンバータ装置を備え、
前記インバータ装置が、前記第１コンバータ装置および前記第２コンバータ装置から供給される直流電流を交流電流に変換して前記電動機に供給するように構成され、
前記圧縮機と前記膨張機の駆動条件に応じて、前記電動機と前記発電機の回転数が高い方に大きな方のキャリア周波数を割り当て、
前記インバータ装置が前記圧縮機を可変速駆動するキャリア周波数と前記コンバータ装置が前記膨張機を可変速駆動するキャリア周波数との差を、
前記圧縮機の最大駆動周波数と前記膨張機の最大駆動周波数の合計値以上となるように設定したものである。

上記ヒートポンプ機器は、どのような運転条件、回転数においても前記圧縮機のキャリア音と前記膨張機のキャリア音に起因する共振、うなりは発生せず、騒音の少ない運転が可能となる。

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、どのような運転条件においても、共振、うなり騒音の少ないヒートポンプ機器を得ることができる。

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。

（第１の実施形態）
図４は、第１の実施形態に係るヒートポンプ装置の構成図である。この図に示すように、ヒートポンプ装置は、圧縮機３０１と放熱器３０２と膨張機３０３と蒸発器３０４とが順に接続されてなる冷媒回路を備えている。この冷媒回路には、高圧部分（圧縮機３０１から放熱器３０２を経て膨張機３０３に至る部分）において超臨界状態となる冷媒が充填されている。本実施形態では、そのような冷媒として二酸化炭素（ＣＯ_２）が充填されており、定格運転時には、高圧側は約１０ＭＰａ超、低圧側は約３〜５ＭＰａの圧力となる。ただし、冷媒の種類は特に限定されるものではない。上記冷媒回路の冷媒は、運転時に超臨界状態とならない冷媒であってもよい。

さらに、膨張機３０３には、永久磁石型同期発電機３０７（以下、発電機３０７）が接続され、発電機３０７が出力する交流電力を変換して直流電力を出力するとともに発電機３０７の駆動を制御する機能を有した可変速コンバータ３０８とを具備して構成される。なお、発電機３０７の駆動を制御する機能とは、例えば、発電機３０７の回転数もしくは電流値を所定の値に制御するものである。

また、圧縮機３０１を駆動する電動機３０５と、直流を所定の周波数の交流に変換するとともに電動機３０５の回転数もしくは電流値を所定の値に制御するインバータ装置３０６（以下、インバータ３０６）とを備えるものである。

また、制御回路の一部として、整流回路３１０及び平滑コンデンサ３１１から構成されるコンバータが設けられている。このコンバータは、交流電源３０９からの入力した交流を整流回路３１０で直流に変換し、平滑コンデンサ３１１でその電圧を平滑化する。すなわち可変速コンバータ３０８の直流出力をコンバータの直流出力端ならびにインバータ３
０６の直流入力端に接続し、交流電源３０９及び発電機３０７からの電力をインバータ３０６に供給して、膨張機３０３での膨張力等を圧縮機３０１の駆動力として利用することができる構成となっている。

上記ヒートポンプ応用機器の冷凍サイクルの動作について説明する。

図４において、インバータ３０６により制御される電動機３０５によって圧縮機３０１が駆動され、圧縮機３０１により冷媒が圧縮される。圧縮された冷媒は、放熱器３０２で冷却され、その後、可変速コンバータ３０８により制御される発電機３０７に連結している、膨張機３０３を通過する。このとき冷媒は、膨張機３０３内で膨張し、蒸発器３０４内で外部より吸熱して気化した後、再び圧縮機３０１へ戻る。

また図４において、交流電源３０９を整流回路３１０で整流して得られた直流電力は、平滑コンデンサ３１１によりその電圧が平滑化されたあと、インバータ３０６により３相の交流電力に変換されて、電動機３０５に供給される。それにより電動機３０５が駆動されて圧縮機３０１が圧縮機能を果たす。

また、冷媒の膨張力により発生した膨張機３０３のトルクは、発電機３０７の回転力となり発電が行われる。この発電機３０７により発電された交流電力は、可変速コンバータ３０８により直流電力に変換された後、平滑コンデンサ３１１の両端に供給される。これにより、膨張機３０３により発電された電力は、圧縮機３０１のモータ駆動の補助動力として使用されることになる。

ここで、膨張機３０３及び発電機３０７の回転数は、可変速コンバータ３０８により制御される。また、圧縮機３０１及び電動機３０５の回転数は、インバータ３０６により制御される。

電動機３０５を駆動するインバータ３０６は、ＰＷＭ制御（パルス幅変調）方式で電動機３０５の回転数を制御する。この時、インバータ３０６で出力電圧をパルス幅で決めるための変調波の周波数をキャリア周波数と呼ぶ。電動機３０５の駆動周波数をｆｄ、それを駆動するインバータ３０６のキャリア周波数をｆｃとすると、それに起因して発生する騒音の主周波数成分ｆｎは、周波数変調により（式１）のように表される。

ｆｎ＝ｆｃ±ｆｄ・・・ (式１)
図５（ａ）（ｂ）は、キャリア音を誘起する電動機電流の周波数スペクトルの実験データの一例である。図５（ａ）は回転数３０ｒｐｓ、図５（ｂ）は９０ｒｐｓにおけるスペクトルを示し、また電動機の極数は４極である。４極の電動機の駆動周波数をｆｄとすると、回転数Ｎはｆｄ／２となる。従って、回転数３０ｒｐｓ、９０ｒｐｓの場合の駆動周波数ｆｄは、それぞれ６０Ｈｚ、１８０Ｈｚとなる。従って、電動機を駆動するインバータのキャリア周波数ｆｃに対し、周波数幅＝２×ｆｄの２つの周波数成分が発生し、それぞれ約１２０Ｈｚ、３６０Ｈｚの周波数幅ＤＦとなっている。

このように、電動機をＰＷＭ制御方式のインバータにより駆動する場合、（式１）で表されるような騒音周波数が発生する。従って、この騒音周波数は電動機の回転数に依存する。

この実施例のように、圧縮機３０１と膨張機３０３が同じ冷凍サイクル上に存在し、さらにそれぞれを駆動するインバータ３０６、可変速コンバータ３０８がＰＷＭ制御方式の場合、キャリア周波数に起因する主騒音成分には、４つの周波数成分が存在することになる。これらの周波数成分が互いに近い周波数であると、共振、うなりを発生し、非常に不
快な騒音を発生することになる。本実施例においては、そのような共振、うなりを避けるために以下のようにキャリア周波数を設定することとする。つまり、インバータ３０６のキャリア周波数をｆｃｃｏｍｐ、可変速コンバータ３０８のキャリア周波数をｆｃｅｘｐ、圧縮機３０１の最大駆動周波数をｆｄｃｏｍｐｍａｘ、膨張機３０３の最大駆動周波数をｆｄｅｘｐｍａｘと表したときに、以下の（式２）が成り立つようにそれぞれのキャリア周波数を設定する。

｜ｆｃｃｏｍｐ−ｆｃｅｘｐ｜＞ｆｄｃｏｍｐｍａｘ＋ｆｄｅｘｐｍａｘ・・・(式２)
図６は、本実施例における圧縮機３０１と膨張機３０３のキャリア周波数による騒音の周波数特性の関係を表す特性図である。この図に示すようにインバータ３０６のキャリア周波数に起因する騒音周波数ｆｎｃｏｍｐは、インバータ３０６の駆動周波数をｆｄｃｏｍｐとすると、（式３）のように表される。

ｆｎｃｏｍｐ＝ｆｃｃｏｍｐ±ｆｄｃｏｍｐ・・・ (式３)
一方、可変速コンバータ３０８のキャリア周波数に起因する騒音周波数ｆｎｅｘｐは、可変速コンバータ３０８の駆動周波数をｆｄｅｘｐとすると、（式４）のように表される。

ｆｎｅｘｐ＝ｆｃｅｘｐ±ｆｄｅｘｐ・・・ (式４)
従って図６に示すように、ｆｃｃｏｍｐ＞ｆｃｅｘｐの場合には、大きな共振、うなりを発生させないためには、ｆｎｃｏｍｐの最小値であるｆｃｃｏｍｐ−ｆｄｃｏｍｐｍａｘと、ｆｎｅｘｐの最大値であるｆｃｅｘｐ＋ｆｄｅｘｐｍａｘが最低限（式５）の関係になっていることが必要で、それによりどのような駆動周波数の場合でも共振、うなりを抑えることが可能であることが分かる。

ｆｃｃｏｍｐ−ｆｄｃｏｍｐｍａｘ＞ｆｃｅｘｐ＋ｆｄｅｘｐｍａｘ・・・ (式５)
逆に、ｆｃｃｏｍｐ＜ｆｃｅｘｐの場合には、大きな共振、うなりを発生させないためには、ｆｎｃｏｍｐの最大値であるｆｃｃｏｍｐ＋ｆｄｃｏｍｐｍａｘと、ｆｎｅｘｐの最小値であるｆｃｅｘｐ−ｆｄｅｘｐｍａｘが最低限（式６）の関係になっていることが必要で、それによりどのような駆動周波数の場合でも共振、うなりを抑えることが可能であることが分かる。

ｆｃｃｏｍｐ＋ｆｄｃｏｍｐｍａｘ＜ｆｃｅｘｐ−ｆｄｅｘｐｍａｘ・・・ (式６)以上の関係式、（式５）(式６)から、それぞれのキャリア周波数に最低限（式２）の関係が成り立てば、どのような駆動周波数の場合でも共振、うなりを抑えることが可能であることが分かる。

このように、本実施例におけるヒートポンプ装置においては、圧縮機を駆動するインバータのキャリア周波数と、膨張機を駆動する可変速コンバータのキャリア周波数に（式２）の関係が設定されているので、互いのキャリア周波数に起因する騒音による共振、うなりの発生を抑えることができるものである。
本実施例では、（式２）が成り立つように圧縮機のインバータ、膨張機の可変速コンバータのキャリア周波数を設定していたが、さらにうなり効果を低減するためにキャリア周波数をさらにΔｆだけ差を持たせることでうなりの実聴感を緩和することも可能である。つまり、（式７）が成り立つようにキャリア周波数を設定することも可能である。ここで、Δｆとしては、経験的に１０Ｈｚ以上程度の値をとればよいことが確認されている。

｜ｆｃｃｏｍｐ−ｆｃｅｘｐ｜＞ｆｄｃｏｍｐｍａｘ＋ｆｄｅｘｐｍａｘ＋Δｆ
・・・ (式７)
本実施例では、1台の圧縮機と1台の膨張機を有したヒートポンプ装置の例で説明したが
、複数台の圧縮機、複数台の膨張機を有したヒートポンプ装置においても、各インバータ装置、コンバータ装置の各キャリア周波数を、キャリア周波数が隣接した各装置の最大運転周波数以上離れるように設定すればよいことは明らかである。

（第２の実施形態）
図７は、第２の実施形態に係る複数台の圧縮機を使用したヒートポンプ装置の構成図である。この図に示すように、ヒートポンプ装置は、２台の圧縮機６０１ａ、６０１ｂと放熱器６０２と膨張弁６０３と蒸発器６０４とが順に接続されてなる冷媒回路を備えている。２台の圧縮機６０１ａ、６０１ｂは、冷媒回路に対して並列に接続されており、冷媒の圧縮能力は、２台の圧縮機６０１ａ、６０１ｂの合計能力となる。

また、各圧縮機６０１ａ、６０１ｂを駆動する電動機６０５ａ、６０５ｂと、所定の周波数の交流を出力し、電動機６０５ａ、６０５ｂの回転数もしくは電流値を所定の値に制御するインバータ装置６０６ａ、６０６ｂ（以下、インバータ６０６ａ、６０６ｂ）とを備えるものである。

上記ヒートポンプ装置の冷凍サイクルの動作について説明する。

図７において、２台のインバータ６０６ａ、６０６ｂにより制御される電動機６０５ａ、６０５ｂによって並列に接続された２台の圧縮機６０１ａ、６０１ｂが駆動され、圧縮機６０１ａ、６０１ｂにより冷媒が圧縮される。圧縮された冷媒は、放熱器６０２で冷却され、その後、膨張弁６０３を通過する。このとき冷媒は、膨張弁６０３前後で膨張し、蒸発器６０４内で外部より吸熱して気化した後、再び圧縮機６０１ａ、６０１ｂへ戻る。

ここで、各圧縮機６０１ａ、６０１ｂの回転数は、インバータ６０６ａ、６０６ｂにより制御される。電動機６０５ａ、６０５ｂを駆動するインバータ６０６ａ、６０６ｂは、ＰＷＭ制御（パルス幅変調）方式で電動機６０５ａ、６０５ｂの回転数を制御する。この時、インバータ６０６ａ、６０６ｂで出力電圧をパルス幅で決めるための変調波の周波数をキャリア周波数と呼ぶ。電動機６０５ａ、６０５ｂの駆動周波数をｆｄ（ｉ）、ｉ＝１，２、それを駆動するインバータ６０６ａ、６０６ｂのキャリア周波数をｆｃ（ｉ），ｉ＝１，２とすると、それに起因して発生する騒音の主周波数成分ｆｎ（ｉ）、ｉ＝１，２は、周波数変調により（式８）のように表される。

ｆｎ（ｉ）＝ｆｃ（ｉ）±ｆｄ（ｉ）ｉ＝１，２・・・ (式８)
この実施例の場合でも、第１の実施形態のように、２台の圧縮機が同じ冷凍サイクル上に存在し、さらにそれぞれを駆動する２台のインバータがＰＷＭ制御方式の場合、キャリア周波数に起因する主騒音成分には、４つの周波数成分が存在することになる。これらの周波数成分が互いに近い周波数であると、共振、うなりを発生し、非常に不快な騒音を発生することになる。本実施例においては、そのような共振、うなりを避けるために第１の実施形態と同様に以下のようにキャリア周波数を設定することとする。つまり、２台の圧縮機の最大駆動周波数をｆｄｍａｘ（ｉ），ｉ＝１，２としたときに、以下の（式９）が成り立つようにそれぞれのキャリア周波数を設定する。

｜ｆｃ（１）−ｆｃ（２）｜＞ｆｄｍａｘ（１）＋ｆｄｍａｘ（２）・・・ (式９)
以上の関係式から、それぞれのキャリア周波数に最低限（式９）の関係が成り立てば、どのような駆動周波数の場合でも共振、うなりを抑えることが可能であることが分かる。

本実施形態では、２台の圧縮機を用いた場合について説明したが、３台以上の圧縮機を用いた場合も、３台の内から任意に選択した２台の圧縮機について（式９）の関係を満たすようにすれば、共振、うなりが低減できることは明らかである。

また、本実施形態では、膨張機構として膨張弁６０３を用いた場合について説明したが、実施形態１のごとく、膨張弁の代わりに膨張機をもちいたばあいも本発明は有効である。この場合は、圧縮機同士は、（式９）の関係を満たし、任意に選択した圧縮機と膨張機との間では、（式２）の関係を満たすように構成すればよい。

また、本発明は、配管によって接続されたヒートポンプ機器の共振、うなりを抑制することを主な課題とするものである。可変速駆動が可能なインバーター装置やコンバーター装置が近傍に配置されていても、実施形態１または２のように機器が配管等で直接接続されていない場合には、共振、うなりは大きな問題とはならない。

以上説明したように本発明は、複数台の圧縮機もしくは、その効率の向上のための膨張機、圧縮機を有した構成からなり、複数台のインバータ機器を有するヒートポンプ機器について有用である。

従来の膨張機を用いたヒートポンプ装置を示す構成図圧縮機を有する空気調和機の騒音の周波数スペクトルの一例を表した図うなり現象の原理を表した図第１の実施形態に係るヒートポンプ装置の構成図（ａ）（ｂ）電動機電流の周波数スペクトルの一例を表した図第１の実施形態に係る圧縮機と膨張機のキャリア周波数による騒音の周波数特性の関係を表す特性図第２の実施形態に係る複数台の圧縮機を使用したヒートポンプ装置の構成図

符号の説明

３０１圧縮機
３０２放熱器
３０３膨張機
３０４蒸発器
３０５電動機
３０６インバータ
３０７発電機
３０８可変速コンバータ
６０１ａ、ｂ圧縮機
６０２放熱器
６０３膨張弁
６０４蒸発器
６０５ａ、ｂ電動機
６０６ａ、ｂインバータ

Claims

冷媒を圧縮するための圧縮機と、前記圧縮機により圧縮された冷媒を冷却するための放熱器と、前記放熱器を通過した冷媒を膨張させるための膨張機と、前記膨張機により膨張した冷媒を蒸発させるための蒸発器と、以上の各要素機器をこの順に接続して冷媒を循環させる冷媒配管と、
交流電源からの交流電流を直流電流に変換する第１コンバータ装置と、
前記第１コンバータ装置に接続されるインバータ装置と、前記インバータ装置から供給される交流電流により前記圧縮機を可変速制御する電動機と、
前記膨張機を通過する冷媒から回転力を得る発電機と、前記発電機からの交流電流を直流電流に変換し、前記インバータ装置とともに前記第１コンバータ装置の出力端に接続され前記発電機を可変速制御する第２コンバータ装置を備え、
前記インバータ装置が、前記第１コンバータ装置および前記第２コンバータ装置から供給される直流電流を交流電流に変換して前記電動機に供給するように構成され、
前記圧縮機と前記膨張機の駆動条件に応じて、前記電動機と前記発電機の回転数が高い方に大きな方のキャリア周波数を割り当て、
前記インバータ装置が前記圧縮機を可変速駆動するキャリア周波数と前記コンバータ装置が前記膨張機を可変速駆動するキャリア周波数との差を、
前記圧縮機の最大駆動周波数と前記膨張機の最大駆動周波数の合計値以上となるように設定したヒートポンプ装置。
前記冷媒は二酸化炭素である、請求項１に記載のヒートポンプ装置。