JP5937619B2 - ヒートポンプ装置ならびに、それを備えた空気調和機、ヒートポンプ給湯機、冷蔵庫、および冷凍機 - Google Patents

Description

本発明は、ヒートポンプ装置ならびに、それを備えた空気調和機、ヒートポンプ給湯機、冷蔵庫、および冷凍機に関する。

従来、空気調和機等に用いられるヒートポンプ装置の運転停止中において、圧縮機内部への液冷媒の滞留を防止する技術として、圧縮機内部のモータを駆動することなくモータ巻線に通電（以下「拘束通電」という）して、圧縮機を加熱することにより液冷媒を気化させて排出するものがある。例えば、空気調和機の周囲温度が低温状態を検知した際に、通常運転時における通常周波数より高い約２５ｋＨｚの単相交流電圧を圧縮機に供給して、騒音や振動、過大な温度上昇や圧縮機の回転部の回転を抑制しつつ、圧縮機内部への液冷媒の滞留を防止して圧縮機内部の潤滑作用を円滑にする技術が開示されている（例えば、特許文献１）。

さらに、例えば、外気温度に応じてモータ巻線に直流電流を流すことによりモータの巻線に発生する銅損を利用して、ロータを回転させることなくモータの予備加熱を行う技術が開示されている（例えば、特許文献２）。

特開昭６１−９１４４５号公報 特開２００７−１６６７６６号公報

しかしながら、特許文献１に記載された技術では、高周波の単相交流電圧を圧縮機に供給しているので、全てのスイッチング素子がオフとなる全オフ区間が比較的長く発生することになる。このような全オフ区間では、電流は還流ダイオードを介して直流電源に回生するため、モータに効率的に高周波電流を流すことができず、圧縮機の加熱効率が悪くなる、という問題があった。また、小型で鉄損の小さなモータを用いた場合、印加電圧に対する発熱量が小さくなるため、使用可能範囲内の電圧では必要な加熱量を得られない、という問題があった。

また、特許文献３に記載されたように、モータ巻線に直流電流を流してモータの予備加熱を行う場合、発熱量は巻線抵抗と電流の二乗との積で得られるが、近年のモータの高効率設計によりモータの巻線抵抗が小さくなる傾向にあるため、十分な加熱量を得るには、巻線抵抗が減少した分、モータに流れる電流を増加させる必要がある。このため、インバータに流れる電流も増加し、インバータの損失が増大して圧縮機の加熱効率が悪化する、という問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、必要な加熱量に応じて効率よく圧縮機への加熱を実施し、確実に圧縮機内部への冷媒の滞留を防止すると共に、待機電力の削減を図ることを可能とするヒートポンプ装置ならびに、それを備えた空気調和機、ヒートポンプ給湯機、冷蔵庫、および冷凍機を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明にかかるヒートポンプ装置は、冷媒を圧縮する圧縮機構と前記圧縮機構を駆動するモータとを有する圧縮機と、熱交換器と、前記モータに所望の電圧を印加するインバータと、前記インバータを駆動する駆動信号を生成するインバータ制御部と、を備えるヒートポンプ装置であって、前記インバータ制御部は、前記圧縮機の運転待機中において、前記圧縮機への冷媒寝込量に基づいて、当該圧縮機への加熱が必要であるか否かを判定すると共に、当該圧縮機への加熱が必要であると判定した場合に、前記冷媒寝込量に応じて、前記モータに直流電圧を供給する直流通電と前記モータに通常運転時よりも高い周波数の高周波電圧を供給する高周波通電とのうち、いずれか一方を選択して、前記モータの拘束通電を実施するための拘束通電指令を出力する拘束通電制御部と、前記拘束通電指令に基づき前記駆動信号を生成する駆動信号生成部と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、必要な加熱量に応じて効率よく圧縮機への加熱を実施し、確実に圧縮機内部への冷媒の滞留を防止すると共に、待機電力の削減を図ることができる、という効果を奏する。

図１は、実施の形態１にかかるヒートポンプ装置の一構成例を示す図である。 図２は、実施の形態１にかかるヒートポンプ装置におけるインバータの一構成例を示す図である。 図３は、実施の形態１にかかるヒートポンプ装置におけるインバータ制御部の一構成例を示す図である。 図４は、実施の形態１にかかるヒートポンプ装置における拘束通電制御部の一構成例を示す図である。 図５は、実施の形態１にかかるヒートポンプ装置における加熱判定部の動作を説明するための図である。 図６は、実施の形態１にかかるヒートポンプ装置における冷媒寝込量出力部の別の構成例を示す図である。 図７は、実施の形態１にかかるヒートポンプ装置における直流通電指令生成部の一構成例を示す図である。 図８は、実施の形態１にかかるヒートポンプ装置における高周波通電指令生成部の一構成例を示す図である。 図９は、実施の形態１にかかるヒートポンプ装置における８通りのスイッチングパターンを示す図である。 図１０は、実施の形態１にかかるヒートポンプ装置において直流通電を選択した場合の各信号波形を示す図である。 図１１は、実施の形態１にかかるヒートポンプ装置において高周波通電を選択した場合の各信号波形を示す図である。 図１２は、実施の形態１にかかるヒートポンプ装置における冷媒加熱動作処理のフローチャートである。 図１３は、実施の形態２にかかるヒートポンプ装置における高周波通電指令生成部の一構成例を示す図である。 図１４は、実施の形態２にかかるヒートポンプ装置における高周波通電時の各信号波形を示す図である。 図１５は、各電圧ベクトルに対応するインバータ内の各スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ状態を示す図である。 図１６は、高周波通電時におけるＩＰＭモータのロータ停止位置の一例を示す図である。 図１７は、ロータ位置と各相電流との関係を示す図である。 図１８は、基準位相θｆを変化させた場合の印加電圧を示す図である。 図１９は、基準位相θｆが０°、３０°、６０°である場合の各相電流波形を示す図である。 図２０は、実施の形態４にかかる冷凍サイクルの一構成例を示す図である。 図２１は、図２０に示す冷凍サイクルにおける冷媒の状態遷移を示すモリエル線図である。

以下に添付図面を参照し、本発明の実施の形態にかかるヒートポンプ装置ならびに、それを備えた空気調和機、ヒートポンプ給湯機、冷蔵庫、および冷凍機について説明する。なお、以下に示す実施の形態により本発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１にかかるヒートポンプ装置の一構成例を示す図である。図１に示すように、実施の形態１にかかるヒートポンプ装置１００は、圧縮機１、四方弁２、熱交換器３、膨張機構４、および熱交換器５が冷媒配管６を介して順次接続され、冷凍サイクル５０が形成される。なお、図１に示す例では、冷凍サイクル５０を形成する基本的な構成を示しており、一部構成要素を省略した図としている。

圧縮機１の内部には、冷媒を圧縮する圧縮機構７と、この圧縮機構７を動作させるモータ８とが設けられている。モータ８は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の三相の巻き線を有する三相モータである。

モータ８には、インバータ９が電気的に接続されている。インバータ９は、直流電圧源１１に接続され、直流電圧源１１から供給される直流電圧（母線電圧）Ｖｄｃを電源としてモータ８のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の巻き線に電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗをそれぞれ印加する。

また、インバータ９には、インバータ制御部１０が電気的に接続されている。インバータ制御部１０は、インバータ９を駆動するための駆動信号をインバータ９へ出力する。このインバータ制御部１０は、通常運転モードおよび加熱運転モードの２つの運転モードを備えている。

通常運転モードでは、インバータ制御部１０は、モータ８を回転駆動するためのＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）信号（駆動信号）を生成して出力する。また、加熱運転モードでは、インバータ制御部１０は、通常運転モードとは異なり、運転待機中においてモータ８を回転駆動させないように通電することによりモータ８の加熱を行い、圧縮機１内部に滞留した液冷媒を温め気化させて排出する運転モードである。この加熱運転モードでは、モータ８に直流電流もしくはモータ８が追従できない高周波電流を流すことにより、モータ８に発生する熱を利用して、圧縮機１内部に滞留した液冷媒に加熱する。本実施の形態では、この加熱運転モードにおいて、モータ８を回転駆動させないように通電して加熱を行うことを、以下「拘束通電」と呼ぶ。なお、モータ８に直流電流を流して拘束通電を実施することを、以下「直流通電」と呼び、モータ８に高周波電流を流して拘束通電を実施することを、以下「高周波通電」と呼ぶ。また、本実施の形態では、以下、加熱運転モードを実現する構成部および動作について説明する。

インバータ制御部１０は、加熱運転モードを実現する構成部として、拘束通電制御部１２および駆動信号生成部１３を備えている。拘束通電制御部１２は、加熱判定部１４、直流通電指令生成部１５、および高周波通電指令生成部１６を備えている。なお、ここでは、通常運転モードを実現するための一部構成要素を省略した図としている。

図２は、実施の形態１にかかるヒートポンプ装置におけるインバータ９の一構成例を示す図である。図２に示すように、インバータ９は、ブリッジ結線されたスイッチング素子７０ａ〜７０ｆ、および各スイッチング素子７０ａ〜７０ｆにそれぞれ並列接続された還流ダイオード８０ａ〜８０ｆを有している。このインバータ９は、直流電圧源１１に接続され、母線電圧Ｖｄｃを電源として、インバータ制御部１０より送られたＰＷＭ信号（ＵＰ、ＶＰ、ＷＰ、ＵＮ、ＶＮ，ＷＮ）により、それぞれに対応したスイッチング素子（ＵＰはスイッチング素子７０ａ、ＶＰはスイッチング素子７０ｂ、ＷＰはスイッチング素子７０ｃ、ＵＮはスイッチング素子７０ｄ、ＶＮはスイッチング素子７０ｅ、ＷＮはスイッチング素子７０ｆにそれぞれ対応）が駆動され、モータ８のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の巻き線にそれぞれ印加する三相の電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗを発生させる。

図３は、実施の形態１にかかるインバータ制御部の一構成例を示す図である。インバータ制御部１０は、上述したように、加熱判定部１４、直流通電指令生成部１５、および高周波通電指令生成部１６を備える拘束通電制御部１２および駆動信号生成部１３を備え構成される。加熱判定部１４は、加熱指令部１７および通電切替部１８を備えている。また、駆動信号生成部１３は、電圧指令算出部１９およびＰＷＭ信号生成部２０を備えている。

直流通電指令生成部１５は、加熱指令部１７から出力される加熱量Ｈ＊に基づいて、直流電圧指令Ｖｄｃ＊および直流電圧位相指令θｄｃを含む直流通電指令を生成し、高周波通電指令生成部１６は、加熱指令部１７から出力される加熱量Ｈ＊に基づいて、高周波電圧指令Ｖａｃ＊および高周波電圧位相指令θａｃを含む高周波通電指令を生成する。

加熱指令部１７は、圧縮機１に滞留した液冷媒の寝込量を推定して、加熱要否を駆動信号生成部１３に出力すると共に、液冷媒の追い出しに必要な加熱量Ｈ＊を求めて直流通電指令生成部１５および高周波通電指令生成部１６に出力し、直流通電指令生成部１５の出力である直流電圧指令Ｖｄｃ＊および直流電圧位相指令θｄｃを含む直流通電指令と、高周波通電指令生成部１６の出力である高周波電圧指令Ｖａｃ＊および高周波電圧位相指令θａｃを含む高周波通電指令とを切り替える通電切替信号を通電切替部１８に出力する。

通電切替部１８は、直流電圧指令Ｖｄｃ＊および直流電圧位相指令θｄｃもしくは高周波電圧指令Ｖａｃ＊および高周波電圧位相指令θａｃのいずれか、つまり、直流通電指令もしくは高周波通電指令のいずれかを選択し、電圧指令Ｖ＊および電圧位相指令θを含む拘束通電指令として駆動信号生成部１３に出力する。

電圧指令算出部１９は、電圧指令Ｖ＊および電圧位相指令θに基づいて三相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）電圧指令Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊を生成する。ＰＷＭ信号生成部２０は、三相電圧指令Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊および母線電圧Ｖｄｃに基づいて、インバータ９を駆動するためのＰＷＭ信号（ＵＰ、ＶＰ、ＷＰ、ＵＮ、ＶＮ、ＷＮ）を生成する。

つぎに、実施の形態１にかかるヒートポンプ装置１００における拘束通電制御部１２の詳細構成および動作について、図４〜図６を参照して説明する。

図４は、実施の形態１にかかるヒートポンプ装置における拘束通電制御部の一構成例を示す図である。また、図５は、実施の形態１にかかるヒートポンプ装置における加熱判定部の動作を説明するための図である。図５（ａ）は、圧縮機１の周辺の雰囲気温度（例えば、外気温度）Ｔｃおよび圧縮機１の温度（圧縮機温度）Ｔｏと時間との関係を示し、図５（ｂ）は、単位時間当たりの冷媒寝込量を示し、図５（ｃ）は、単位時間あたりの加熱量Ｈ＊を示している。また、図６は、実施の形態１にかかるヒートポンプ装置における加熱判定部の別の構成例を示す図である。

拘束通電制御部１２は、上述したように、加熱判定部１４、直流通電指令生成部１５、および高周波通電指令生成部１６を備え、加熱判定部１４は、加熱指令部１７および通電切替部１８を備えている。加熱指令部１７は、図４に示すように、冷媒寝込量出力部４０、加熱要否判定部２５、加熱量演算部２６、および通電切替判断部２７を備え構成される。冷媒寝込量出力部４０は、温度検出部２１および冷媒寝込量推定部２２を備えている。また、通電切替部１８および通電切替判断部２７は、通電切替制御部３３を構成している。

温度検出部２１は、圧縮機１の周辺の雰囲気温度（例えば、外気温度）Ｔｃおよび圧縮機１の温度（圧縮機温度）Ｔｏを検出し、冷媒寝込量推定部２２は、雰囲気温度Ｔｃおよび圧縮機温度Ｔｏに基づいて、圧縮機１内に滞留した液冷媒の寝込量を推定する。ここで、冷凍サイクル５０を循環する冷媒は、冷凍サイクル５０を形成する各構成部のうち、最も温度の低い箇所で凝縮して溜まり込んでいく。圧縮機１は、冷凍サイクル５０を形成する各構成部の中で最も熱容量が大きいため、図５（ｂ）に示すように、雰囲気温度Ｔｃの上昇に対して、圧縮機温度Ｔｏが遅れて上昇して最も温度が低くなる。このため、圧縮機１の内部に液冷媒が滞留する。本実施の形態では、冷媒寝込量推定部２２は、例えば、あらかじめ実験等により求めた雰囲気温度Ｔｃと圧縮機温度Ｔｏとの関係に基づいて、図５（ｂ）に示すように、単位時間ｔ当たりの冷媒寝込量を推定する。なお、圧縮機１の熱容量をあらかじめ把握している場合には、雰囲気温度Ｔｃのみを検出して、雰囲気温度Ｔｃの変化に対して圧縮機温度Ｔｏがどの程度遅れて変化するか推定することにより、単位時間ｔ当たりの冷媒寝込量を推定することが可能である。この場合には、圧縮機温度Ｔｏを検出するセンサを削減することができ、コストを削減することができる。また、雰囲気温度Ｔｃに代えて、冷凍サイクル５０を形成する各構成部の中で圧縮機１よりも熱容量が小さい熱交換器３等の温度を検出するようにしても、同様に単位時間ｔ当たりの冷媒寝込量を推定することが可能であることは言うまでもない。

また、図６（ａ）に示すように、冷媒寝込量出力部４０ａは、図５において説明した温度検出部２１および冷媒寝込量推定部２２に代えて、圧縮機１内部の冷媒寝込量を検出する冷媒寝込量検出部２３を設けている。このように、より直接的に冷媒寝込量を検出するようにすれば、より正確な冷媒寝込量を把握することが可能である。なお、圧縮機１内部の冷媒寝込量を検出するセンサとしては、液量を測る静電容量センサや、レーザーや音、電磁波等により圧縮機１の上部と冷媒の液面との距離を測るセンサ等がある。また、図６（ｂ）に示すように、温度検出部２１、冷媒寝込量推定部２２、冷媒寝込量検出部２３、および冷媒寝込判定切替部２４を備える冷媒寝込量出力部４０ｂを設け、冷媒寝込量の推定値と検出値とのうちのいずれかを選択するように構成してもよいし、さらには、冷媒寝込量の推定値および検出値の両方を用いて以降の制御を行うようにしてもよい。

加熱要否判定部２５は、冷媒寝込量出力部４０（あるいは４０ａ、または４０ｂ）の出力である冷媒寝込量に基づいて、圧縮機１への加熱要否を判定する。圧縮機１への加熱が必要である、つまり、液冷媒が圧縮機１内部に滞留している場合、あるいは、液冷媒が圧縮機１内部に滞留していると推定された場合には、加熱要否判定部２５は、ＰＷＭ信号生成部２０にＯＮ信号を出力すると共に、加熱量演算部２６に圧縮機１内部に滞留した液冷媒を追い出すために必要な加熱量Ｈ＊の演算開始を指示し、圧縮機１への加熱が不要である、つまり、液冷媒が圧縮機１内部に滞留していない場合、あるいは、液冷媒が圧縮機１内部に滞留していないと推定された場合には、加熱要否判定部２５は、ＰＷＭ信号生成部２０にＯＦＦ信号を出力する。

加熱量演算部２６は、加熱要否判定部２５から加熱量Ｈ＊の演算開始を指示されると、冷媒寝込量出力部４０（あるいは４０ａ、または４０ｂ）の出力である冷媒寝込量に応じて、圧縮機１内部に滞留した液冷媒を追い出すために必要な加熱量Ｈ＊を演算し、直流通電指令生成部１５、高周波通電指令生成部１６および通電切替判断部２７に出力する。この加熱量Ｈ＊は、圧縮機１の種類や大きさにより変化し、圧縮機１が大きい場合や熱が伝わりにくい素材や形状である場合には、加熱量Ｈ＊を高く設定すればよい。

通電切替判断部２７は、図５（ｃ）に示すように、あらかじめ直流通電を行うか高周波通電を行うかを決定する閾値を有しており、加熱量Ｈ＊が閾値以上であるか閾値未満であるかに基づいて、通電切替部１８を制御する。加熱量Ｈ＊が閾値以上である場合には、通電切替判断部２７は、通電切替部１８により直流通電指令生成部１５から出力される直流電圧指令Ｖｄｃ＊および直流電圧位相指令θｄｃを選択（以下、「直流通電を選択」という）して電圧指令Ｖ＊および電圧位相指令θとして出力されるように制御し、加熱量Ｈ＊が閾値未満である場合には、通電切替判断部２７は、通電切替部１８により高周波通電指令生成部１６から出力される高周波電圧指令Ｖａｃ＊および高周波電圧位相指令θａｃを選択（以下、「高周波通電を選択」という）して電圧指令Ｖ＊および電圧位相指令θとして出力されるように制御する。

つぎに、実施の形態１にかかるヒートポンプ装置における直流通電指令生成部１５の詳細構成および動作について、図７を参照して説明する。図７は、実施の形態１にかかるヒートポンプ装置における直流通電指令生成部の一構成例を示す図である。図７に示すように、直流通電指令生成部１５は、直流電圧指令演算部２８および直流電圧位相指令演算部２９を備え構成される。

直流電圧指令演算部２８は、加熱量Ｈ＊と直流電圧指令Ｖｄｃ＊との関係をテーブルデータとしてあらかじめ記憶しておき、加熱量演算部２６から入力される加熱量Ｈ＊に応じて、直流電圧指令Ｖｄｃ＊を演算して出力する。なお、上述した例では、加熱量Ｈ＊を入力としているが、上述した圧縮機１の周辺の雰囲気温度（例えば、外気温度）Ｔｃや圧縮機温度Ｔｏ、圧縮機１の構造に関する情報など種々のデータを用いて、直流電圧指令Ｖｄｃ＊の信頼性を向上させることも可能であることは言うまでもない。

また、直流電圧位相指令演算部２９は、モータ８に通電する直流電圧位相指令θｄｃを求める。ここでは、直流電圧を印加するために直流電圧位相指令θｄｃは固定値とし、例えばモータ８の０°の位置において通電する場合には、θｄｃ＝０を出力する。ただし、固定値で連続通電を行った場合、モータ８の特定部分のみが発熱するため、本実施の形態では、時間の経過と共に直流電圧位相指令θｄｃを変化させ、モータ８を均一に加熱するようにしている。

つぎに、実施の形態１にかかるヒートポンプ装置における高周波通電指令生成部１６の詳細構成および動作について、図８を参照して説明する。図８は、実施の形態１にかかるヒートポンプ装置における高周波通電指令生成部の一構成例を示す図である。高周波通電指令生成部１６は、高周波電圧指令演算部３０および高周波電圧位相指令演算部３１を備え構成される。

高周波電圧指令演算部３０は、加熱量Ｈ＊と高周波電圧指令Ｖａｃ＊との関係をテーブルデータとしてあらかじめ記憶しておき、加熱量演算部２６から入力される加熱量Ｈ＊に応じて、高周波電圧指令Ｖａｃ＊を演算して出力する。なお、上述した例では、加熱量Ｈ＊を入力としているが、直流電圧指令演算部２８と同様に、圧縮機１の周辺の雰囲気温度（例えば、外気温度）Ｔｃや圧縮機温度Ｔｏ、圧縮機１の構造に関する情報など種々のデータを用いて、高周波電圧指令Ｖａｃの信頼性を向上させることも可能であることは言うまでもない。

また、高周波電圧位相指令演算部３１は、モータ８に通電する高周波電圧位相指令θａｃを求める。ここでは、高周波電圧を印加するために高周波電圧位相指令θａｃを０°〜３６０°の範囲で連続的に変化させる。ここで、高周波電圧位相指令θａｃが０°〜３６０°の範囲で変化する周期を短くすることにより、高周波電圧の周波数を増加させることができる。

ここで、実施の形態１にかかるヒートポンプ装置１００において、直流通電と高周波通電とを加熱量に応じて切り替える主旨について説明する。

直流通電の場合、モータ８に直流電流Ｉｄｃを流すことにより、モータ８を構成する巻線の抵抗ＲとＩｄｃとに比例した銅損をモータ８の巻線に発生させることにより、モータ８内部に滞留した液冷媒に加熱することができる。

また、直流電流Ｉｄｃを増加させるようにインバータ９を駆動することにより、大きな発熱量を得ることができ、圧縮機１内部に滞留した液冷媒を短時間で排出することが可能である。しかし、近年のモータは、高効率設計により巻線の抵抗値が小さくなる傾向であるので、従来よりも巻線の抵抗値が小さくなった分、十分な加熱量を得るためには、直流電流Ｉｄｃを増加させる必要がある。このため、インバータ９の損失が増大してモータ８の加熱効率が悪化し、消費電力が増加するため、運転待機中に長時間冷媒加熱を行うのに適した通電手法ではない。

一方、高周波通電の場合、インバータ９によりモータ８に高周波電流Ｉａｃを流すことにより、モータ８を構成する固定子や回転子の材料である磁性体に渦電流損やヒステリシス損といった鉄損を発生させることにより、モータ８内部に滞留した液冷媒に加熱することができる。

また、高周波電流Ｉａｃの角周波数ωを高くすることにより、鉄損が増加して発熱量を大きくすることができ、さらには、モータ８のインダクタンスによるインピーダンスを高くすることができるので、高周波電流Ｉａｃを抑制することでき、インバータ９の損失を低減しつつモータ８内部に滞留した液冷媒への高効率な加熱が可能となるため、運転待機中に長時間冷媒加熱を行うのに適している。このため、待機電力の削減による省エネルギー化が可能であり、地球温暖化防止に寄与することができる。しかし、高周波通電を行う場合には、通電周波数が可聴帯域内であるとモータ８の電磁音による騒音が問題となるため、可聴周波数限界である２０ｋＨｚに近づける必要がある。また、鉄損が小さい小型のモータ８を用いた場合や、インダクタンスが大きいモータ８を用いた場合には、印加電圧に対する発熱量が小さくなる。

したがって、本実施の形態では、加熱量Ｈ＊が大きい場合には、直流通電を行うことで加熱量を大きくすることにより短時間で液冷媒の排出を行い、加熱量Ｈ＊が小さい場合には、高周波通電を行うことにより消費電力の削減を図る。このように、加熱量Ｈ＊の大きさに応じて、直流通電と高周波通電とを切り替えることにより、確実に圧縮機１内部に滞留した液冷媒を排出可能となり、消費電力を削減して地球温暖化防止に寄与した冷媒加熱運転が可能となるだけでなく、インバータ９に大きな直流電流Ｉｄｃが流れる時間を短縮できるので、信頼性の向上やインバータ９の放熱構造の簡素化によるコスト削減が可能となる。

つぎに、電圧指令算出部１９における電圧指令値Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊の生成手法と、ＰＷＭ信号生成部２０におけるＰＷＭ信号の生成手法とについて、図９〜図１１を参照して説明する。

モータ８が三相モータである場合には、一般的に、Ｕ相、Ｖ相、およびＷ相の各位相は、互いに１２０°（＝２π／３）ずつ異なる。そのため、各電圧指令値Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊を次式（１）〜（３）のように位相が２π／３ずつ異なる余弦波（正弦波）と定義する。

Ｖｕ＊＝Ｖ＊×ｃｏｓθ … （１）
Ｖｖ＊＝Ｖ＊×ｃｏｓ（θ−（２／３）π） … （２）
Ｖｗ＊＝Ｖ＊×ｃｏｓ（θ＋（２／３）π） … （３）

電圧指令算出部１９は、電圧指令Ｖ＊および電圧位相指令θに基づき、上式（１）〜（３）を用いて各電圧指令値Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊を算出してＰＷＭ信号生成部２０に出力する。ＰＷＭ信号生成部２０は、各電圧指令値Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊と、所定の周波数で振幅値が±（Ｖｄｃ／２）のキャリア信号（基準信号）とを比較し、相互の大小関係に基づき各ＰＷＭ信号ＵＰ，ＶＰ，ＷＰ，ＵＮ，ＶＮ，ＷＮを生成する。

なお、上式（１）〜（３）では、単純な三角関数で各電圧指令Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊を求めているが、上述した手法以外に、二相変調や三次高調波重畳変調、空間ベクトル変調といった他の手法を用いて、電圧指令Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊を求めてもよい。

ここで、電圧指令値Ｖｕ＊がキャリア信号よりも大きい場合には、ＵＰはスイッチング素子７０ａをオンにする電圧とし、ＵＮはスイッチング素子７０ｄをオフにする電圧とする。また、電圧指令値Ｖｕ＊がキャリア信号よりも小さい場合には、逆に、ＵＰはスイッチング素子７０ａをオフにする電圧とし、ＵＮはスイッチング素子７０ｄをオンにする電圧とする。他の信号についても同様であり、電圧指令値Ｖｖ＊とキャリア信号との比較によりＶＰおよびＶＮが決定され、電圧指令値Ｖｗ＊とキャリア信号との比較によりＷＰおよびＷＮが決定される。

一般的なインバータの場合、相補ＰＷＭ方式を採用しているため、ＵＰおよびＵＮ、ＶＰおよびＶＮ、ＷＰおよびＷＮはそれぞれ互いに論理反転した関係となる。そのため、スイッチングパターンは全部で８通りとなる。

図９は、実施の形態１にかかるヒートポンプ装置における８通りのスイッチングパターンを示す図である。なお、図９では、各スイッチングパターンで発生する電圧ベクトルにＶ０〜Ｖ７の符号を付している。また、各電圧ベクトルの電圧の方向を±Ｕ，±Ｖ，±Ｗ（電圧が発生しない場合には０）で表している。ここで、＋Ｕとは、Ｕ相を介してモータ８へ流入し、Ｖ相及びＷ相を介してモータ８から流出するＵ相方向の電流を発生させる電圧であり、−Ｕとは、Ｖ相及びＷ相を介してモータ８へ流入し、Ｕ相を介してモータ８から流出する−Ｕ相方向の電流を発生させる電圧である。±Ｖ，±Ｗについても同様の解釈である。

図９に示すスイッチングパターンを組み合わせることにより、インバータ９に所望の電圧を出力させることができる。例えば、通常の圧縮動作を行う通常運転モードでは、数１０Ｈｚ〜数ｋＨｚの範囲で動作させることが一般的である。ここで、電圧位相指令θを固定値にすることにより、加熱運転モードにおける直流通電を行うことができ、電圧位相指令θを通常運転モードよりも高速で変化させることにより、加熱運転モードにおける高周波通電を行うことができる。

図１０は、実施の形態１にかかるヒートポンプ装置において直流通電を選択した場合の各信号波形を示す図である。θ＝９０°に設定した場合は、図１０に示すように、Ｖｕ＊＝０、Ｖｖ＊＝−０．５Ｖ＊、Ｖｗ＊＝０．５Ｖ＊となり、基準信号と比較した結果、図１０に示す各ＰＷＭ信号ＵＰ，ＶＰ，ＷＰ，ＵＮ，ＶＮ，ＷＮが得られ、図９の電圧ベクトルＶ０（０電圧）、Ｖ２（＋Ｖ電圧）、Ｖ６（―Ｗ電圧）、Ｖ７（０電圧）が出力され、モータ８に直流電流を流すことが可能となる。

また、図１１は、実施の形態１にかかるヒートポンプ装置において高周波通電を選択した場合の各信号波形を示す図である。高周波通電では、電圧位相指令θ＝０°〜３６０°に設定しているため、図１１に示すように、Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊はそれぞれ１２０°位相差の正弦（余弦）波となり、基準信号と比較した結果、図１１に示す各ＰＷＭ信号ＵＰ，ＶＰ，ＷＰ，ＵＮ，ＶＮ，ＷＮが得られ、時間の変化とともに電圧ベクトルが変化し、モータ８に高周波電流を流すことが可能となる。

つぎに、実施の形態１にかかるヒートポンプ装置１００における冷媒加熱動作処理について、図１２を参照して説明する。図１２は、実施の形態１にかかるヒートポンプ装置における冷媒加熱動作処理のフローチャートである。図１２に示すように、実施の形態１にかかるヒートポンプ装置における冷媒加熱動作処理は、加熱判定ステップ、通電切替ステップ、電圧指令値算出ステップ、およびＰＷＭ信号生成ステップの４つのステップに分割される。

運転待機中において、加熱要否判定部２５は、圧縮機１への加熱が必要か否かを判定する（ステップＳＴ１０１）。本実施の形態では、上述したように、加熱要否判定部２５は、冷媒寝込量出力部４０の出力である冷媒寝込量に基づいて、圧縮機１への加熱要否を判定する。

圧縮機１への加熱が不要である、つまり、液冷媒が圧縮機１内部に滞留していない場合、あるいは、液冷媒が圧縮機１内部に滞留していないと推定された場合には（ステップＳＴ１０１；Ｎｏ）、加熱要否判定部２５は、ＰＷＭ信号生成部２０にＯＦＦ信号を出力して、圧縮機１への加熱が必要となるまで、この加熱要否判定ステップを繰り返し実施する。

圧縮機１への加熱が必要である、つまり、液冷媒が圧縮機１内部に滞留している場合、あるいは、液冷媒が圧縮機１内部に滞留していると推定された場合には（ステップＳＴ１０１;Ｙｅｓ）、加熱要否判定部２５は、ＰＷＭ信号生成部２０にＯＮ信号を出力すると共に、加熱量演算部２６に圧縮機１内部に滞留した液冷媒を追い出すために必要な加熱量Ｈ＊の演算開始を指示する。

加熱量演算部２６は、加熱要否判定部２５から加熱量Ｈ＊の演算開始を指示されると、冷媒寝込量に応じて、加熱量Ｈ＊を演算し、直流通電指令生成部１５、高周波通電指令生成部１６および通電切替判断部２７に出力する（ステップＳＴ１０２）。

続いて、直流通電指令生成部１５は、加熱量Ｈ＊に応じて、直流電圧指令Ｖｄｃ＊および直流電圧位相指令θｄｃを生成し、高周波通電指令生成部１６は、加熱量Ｈ＊に応じて、高周波電圧指令Ｖａｃ＊および高周波電圧位相指令θａｃを生成する（ステップＳＴ１０３）。

続いて、通電切替判断部２７は、加熱量Ｈ＊が閾値以上であるか閾値未満であるかを判定する（ステップＳＴ１０４）。通電切替判断部２７は、加熱量Ｈ＊が閾値以上である場合には直流通電を選択し（ステップＳＴ１０４；Ｙｅｓ）、直流通電指令生成部１５から出力される直流電圧指令Ｖｄｃ＊および直流電圧位相指令θｄｃが出力されるように通電切替部１８を制御し、加熱量Ｈ＊が閾値未満である場合には高周波通電を選択し（ステップＳＴ１０４；Ｎｏ）、高周波通電指令生成部１６から出力される高周波電圧指令Ｖａｃ＊および高周波電圧位相指令θａｃが出力されるように通電切替部１８を制御する。

電圧指令算出部１９は、直流通電が選択された場合には（ステップＳＴ１０４；Ｙｅｓ）、直流通電指令である直流電圧指令Ｖｄｃ＊および直流電圧位相指令θｄｃに基づき、各電圧指令値Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊を算出してＰＷＭ信号生成部２０に出力する（ステップＳＴ１０５ａ）。

また、電圧指令算出部１９は、高周波通電が選択された場合には（ステップＳＴ１０４；Ｎｏ）、高周波通電指令である高周波電圧指令Ｖａｃ＊および高周波電圧位相指令θａｃに基づき、各電圧指令値Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊を算出してＰＷＭ信号生成部２０に出力する（ステップＳＴ１０５ｂ）。

ＰＷＭ信号生成部２０は、各電圧指令値Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊に基づき、各ＰＷＭ信号ＵＰ，ＶＰ，ＷＰ，ＵＮ，ＶＮ，ＷＮを生成してインバータ９の各スイッチング素子７０ａ〜７０ｆに出力し（ステップＳＴ１０６）、ステップＳＴ１０１に戻り、通常運転モードによる運転が開始されるまで、ステップＳＴ１０１〜ステップＳＴ１０６の処理を繰り返し実施する。

以上説明したように、実施の形態１のヒートポンプ装置によれば、圧縮機の運転待機中において、液冷媒が圧縮機内部に滞留している場合、あるいは、液冷媒が圧縮機内部に滞留していると推定された場合に、検出あるいは推定された冷媒寝込量に基づいて、圧縮機内部に滞留した液冷媒を気化させて排出するために必要な加熱量を求め、その加熱量があらかじめ設定した閾値以上である場合には、直流電圧印加による拘束通電、つまり、直流通電を実施し、閾値未満である場合には、高周波電圧印加による拘束通電、つまり、高周波通電を実施するようにしたので、加熱量が大きい場合には、大きな発熱量を得ることができる直流通電を行うことにより、短時間で確実に圧縮機内部への冷媒の滞留を防止することができ、加熱量が小さい場合には、高効率な加熱が可能な高周波通電を行うことにより、運転待機中における消費電力を削減することができる。このように、必要な加熱量に応じて効率よく圧縮機への加熱を実施することにより、確実に圧縮機内部への冷媒の滞留を防止すると共に、待機電力の削減を図ることができ、待機電力の削減による省エネルギー化が可能となり、地球温暖化防止に寄与することができる。

なお、直流通電を実施する場合には、モータに直流電流が流れることにより、モータのロータを直流励磁により所定位置に固定することが可能となるため、ロータの回転や振動が発生しない。

また、高周波通電を実施する場合には、圧縮動作時の運転周波数以上の高周波電圧をモータに印加すれば、モータ内のロータが高周波電圧に追従できなくなり、回転や振動が発生することが無くなる。そのためインバータが出力する電圧の周波数が圧縮動作時の運転周波数以上となるようにすることが望ましい。

一般に、圧縮動作時の運転周波数は、高々１ｋＨｚ程度であるので、圧縮機の運転待機中において高周波通電を実施する場合には、圧縮動作時の運転周波数である１ｋＨｚ以上の高周波電圧をモータに印加すればよい。また、例えば１４ｋＨｚ以上の高周波電圧をモータに印加すれば、モータの鉄心の振動音がほぼ可聴周波数上限に近づくため、騒音の低減にも効果がある。ここで、例えば、可聴周波数外の２０ｋＨｚ程度の高周波電圧となるようにすれば、より騒音を低減させることができるが、高周波通電を実施する際には、信頼性確保のため、インバータ内のスイッチング素子の最大定格周波数以下の高周波電圧を印加するのが望ましい。

また、圧縮機のモータがＩＰＭ（Ｉｎｔｅｒｉｏｒ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ）構造の埋込磁石型モータである場合には、高周波通電を実施する際には、高周波磁束が鎖交するロータ表面も発熱部となる。したがって、冷媒接触面の増加により圧縮機構への速やかな加熱を実現でき、より高効率な冷媒加熱が可能となる。

なお、上述した実施の形態１では、圧縮機内部に滞留した液冷媒を気化させて排出するために必要な加熱量に応じて、直流通電と高周波通電とを切替える例について説明したが、例えば、直流電流と高周波電流とが同時に流れるようにインバータ制御部を構成することも可能であり、その場合には、上述した直流通電のメリットである大きな発熱量と高周波通電のメリットである低損失とを兼ね備えた拘束通電が可能となる。

実施の形態２．
実施の形態１では、高周波通電において電圧位相指令θを０°〜３６０°の範囲で連続的に変化させる例について説明したが、本実施の形態では、キャリア周波数に同期して電圧位相を反転させることにより、キャリア周波数に等しい高周波通電を実施する例について説明する。

図１３は、実施の形態２にかかるヒートポンプ装置における高周波通電指令生成部の一構成例を示す図である。また、図１４は、実施の形態２にかかるヒートポンプ装置における高周波通電時の各信号波形を示す図である。なお、実施の形態２にかかるヒートポンプ装置の全体構成は、実施の形態１にかかるヒートポンプ装置の全体構成と同一であるので、ここでは説明を省略する。

図１３に示すように、実施の形態２における高周波通電指令生成部１６ａは、実施の形態１において説明した構成に加え、高周波電圧位相指令演算部３１の出力をキャリア信号に同期して反転させる高周波位相切替部３２を備えている。

ここで、実施の形態２にかかるヒートポンプ装置１００において、キャリア周波数に同期して電圧位相を反転させる主旨について説明する。

一般的なインバータの場合、キャリア信号の周波数であるキャリア周波数は、インバータのスイッチング素子のスイッチングスピードにより上限が決まっている。そのため、搬送波であるキャリア周波数以上の高周波電圧を出力することは困難である。なお、一般的なＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）の場合、スイッチングスピードの上限は２０ｋＨｚ程度である。

また、高周波電圧の周波数がキャリア周波数の１／１０程度以上になると、高周波電圧の波形出力精度が悪化し直流成分が重畳するなど悪影響を及ぼす虞がある。この点を考慮して、高周波電圧の周波数をキャリア周波数の１／１０以下とすると、例えば、キャリア周波数が２０ｋＨｚである場合には、高周波電圧の周波数が２ｋＨｚ以下となり、可聴周波数帯域内となるので、モータの電磁音による騒音が問題となる。

したがって、本実施の形態では、高周波電圧位相指令演算部３１から出力させる電圧位相（以下、「基準位相」という）を固定値とし、図１４に示すように、キャリア信号の山の頂点から谷の頂点に至るまでの期間、つまり、キャリア周波数ｆｃの１周期（１／ｆｃ）で高周波電圧位相指令演算部３１の出力を１８０°反転させるように構成している。このように構成することにより、後段の電圧指令算出部１９においてキャリア信号に同期して反転する電圧指令Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊が得られ、さらに後段のＰＷＭ信号生成部２０においてキャリア信号に同期した高精度な各ＰＷＭ信号ＵＰ，ＶＰ，ＷＰ，ＵＮ，ＶＮ，ＷＮが生成される。このとき、電圧ベクトルは、Ｖ０（ＵＰ＝ＶＰ＝ＷＰ＝０）、Ｖ４（ＵＰ＝１、ＶＰ＝ＷＰ＝０）、Ｖ７（ＵＰ＝ＶＰ＝ＷＰ＝１）、Ｖ３（ＵＰ＝０、ＶＰ＝ＷＰ＝１）、Ｖ０（ＵＰ＝ＶＰ＝ＷＰ＝０）、…の順で変化する。

図１５は、各電圧ベクトルに対応するインバータ内の各スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ状態を示す図である。図１５に示す各回路図では、破線で囲まれたスイッチング素子がＯＮ、それ以外がＯＦＦであることを示している。また、電圧ベクトルの変化順序を示す太矢印の回転方向（電圧ベクトルＶ０→Ｖ４→Ｖ７→Ｖ３→Ｖ０…の回転方向）は、図１４に示す例に対応している。

図１５に示す例では、各ＰＷＭ信号ＵＰ，ＶＰ，ＷＰ，ＵＮ，ＶＮ，ＷＮは、１キャリア周期で図１５の４つの回路状態を１回転する。これにより、１キャリア周期を１周期とする電流をモータ８に流すように構成している。

図１５に示すように、Ｖ０ベクトル、Ｖ７ベクトル印加時は、モータ８の線間が短絡状態となり、電圧が出力されない。この場合、モータ８のインダクタンスに蓄えられたエネルギーが電流となって短絡回路中を流れる。また、Ｖ４ベクトル印加時には、Ｕ相を介してモータ８へ流入し、Ｖ相およびＷ相を介してモータ８から流出するＵ相方向の電流（＋Ｉｕ）が流れ、Ｖ３ベクトル印加時には、Ｖ相およびＷ相を介してモータ８へ流入し、Ｕ相を介してモータ８から流出する−Ｕ相方向の電流（−Ｉｕ）がモータ８の巻線に流れる。つまり、Ｖ４ベクトル印加時と、Ｖ３ベクトル印加時とでは、逆方向の電流がモータ８の巻線に流れる。そして、電圧ベクトルがＶ０、Ｖ４、Ｖ７、Ｖ３、Ｖ０、…の順で変化するため、＋Ｉｕと−Ｉｕとが交互にモータ８の巻線に流れることになる。この結果、図１５に示すように、Ｖ４ベクトルとＶ３ベクトルとが１キャリア周期の間に現れるため、キャリア信号の周波数に同期した高周波電圧をモータ８の巻線に印加することが可能となる。

また、Ｖ４ベクトルとＶ３ベクトルとが交互に出力され、＋Ｉｕと−Ｉｕとが交互にモータ８の巻線に流れるため、正逆のトルクが瞬時に切り替わる。このため、正逆のトルクが相殺され、ロータの振動を抑えた電圧の印加が可能となる。

以上説明したように、実施の形態２のヒートポンプ装置によれば、高周波電圧位相指令演算部から出力させる基準位相を固定値とし、キャリア信号の周波数に同期して反転させることにより、キャリア周波数に等しい高周波通電を実施するようにしたので、キャリア信号の周波数に同期した高精度な高周波電圧をモータの巻線に印加することができ、モータの電磁音による騒音を抑制することができる。

また、基準位相を０°と１８０°との間で反転させることにより、Ｖ４ベクトルとＶ３ベクトルとがＶ０ベクトルおよびＶ７ベクトルを介して交互に出力され、Ｕ相電流の方向が瞬時に切り替わる、つまり、正逆のトルクが瞬時に切り替わり、正逆のトルクが相殺されるため、ロータの振動を抑制することができる。

実施の形態３．
実施の形態２では、高周波電圧位相指令演算部から出力させる電圧位相（基準位相）を固定値とする例について説明したが、本実施の形態では、基準位相を時間の経過と共に変化させる例について説明する。なお、実施の形態３にかかるヒートポンプ装置の全体構成、インバータ制御部の構成、および拘束通電制御部の構成は、実施の形態１にかかるヒートポンプ装置の全体構成と同一であるので、ここでは説明を省略する。また、実施の形態３にかかるヒートポンプ装置における高周波通電指令生成部の構成は、実施の形態２にかかるヒートポンプ装置における高周波通電指令生成部の構成と同一であるので、ここでは説明を省略する。

図１６は、高周波通電時におけるＩＰＭモータのロータ停止位置の一例を示す図である。図１６に示すように、モータ８がＩＰＭモータ（Ｉｎｔｅｒｉｏｒ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ Ｍｏｔｏｒ：埋込磁石型モータ）である場合、モータ８のロータ停止位置は、ロータのＮ極の向きがＵ相方向からずれた角度φの大きさによって表される。

図１７は、ロータ位置と各相電流との関係を示す図である。ＩＰＭモータの場合、高周波通電時における巻線インダクタンス値は、ロータ位置に依存する。そのため、電気角周波数ωと巻線インダクタンス値との積で表される巻線インピーダンスは、ロータ位置に応じて変動する。したがって、運転待機中に直流通電を実施する際に、同一の電圧を印加した場合においても、ロータ停止位置によって、モータ８の巻線に流れる電流が変動してしまい、加熱量が変化する。この結果、ロータ停止位置によっては、必要な加熱量を得るために、多くの電力が消費される虞がある。

したがって、本実施の形態では、高周波電圧位相指令演算部３１から出力させる電圧位相（基準位相＝θｆとする）を時間の経過と共に変化させることにより、ロータに満遍なく電圧を印加する。

図１８は、基準位相θｆを変化させた場合の印加電圧を示す図である。図１８（ａ）に示す例では、基準位相θｆ＝０°である場合の例を示している。この場合には、高周波通電指令生成部１６ａの出力である高周波電圧位相指令θａｃは、０°と１８０°との間で切り替えられる。図１８（ｂ）に示す例では、θｆ＝４５°である場合の例を示している。この場合には、θａｃは、４５°と２２５°との間で切り替えられる。図１８（ｃ）に示す例では、θｆ＝９０°である場合の例を示している。この場合には、θａｃは、９０°と２７０°との間で切り替えられる。図１８（ｄ）に示す例では、θｆ＝１３５°である場合の例を示している。この場合には、θａｃは、１３５°と３１５°との間で切り替えられる。

つまり、図１８に示すように、基準位相θｆを４５°ずつ所定時間の経過と共に変化させることにより、キャリア信号に同期して反転する高周波電圧位相指令θａｃも４５°ずつ変化していくので、ロータ停止位置によらず、ロータに満遍なく電圧を印加することができ、効率よく圧縮機１内部に滞留した液冷媒を加熱することができる。

図１９は、基準位相θｆが０°、３０°、６０°である場合の各相電流波形を示す図である。図１９（ａ）は、θｆ＝０°である場合の各相電流波形を示し、図１９（ｂ）は、θｆ＝３０°である場合の各相電流波形を示し、図１９（ｃ）は、θｆ＝６０°である場合の各相電流波形を示している。

θｆ＝０°である場合には、図１５に示すように、Ｖ０ベクトルとＶ７ベクトルとの間に、他の電圧ベクトル（正電圧側のスイッチング素子１つと負電圧側のスイッチング素子２つ、あるいは、正電圧側のスイッチング素子２つと負電圧側のスイッチング素子１つがオン状態となる電圧ベクトル）が１つのみ発生する。この場合には、図１９（ａ）に示すように、各相電流波形は台形状となり、高調波成分の少ない電流となる。

また、θｆ＝６０°である場合も、θｆ＝０°である場合と同様に、Ｖ０ベクトルとＶ７ベクトルとの間に他の電圧ベクトルが１つのみ発生するので、図１９（ｃ）に示すように、各相電流波形は台形状となり、高調波成分が少ない電流となる。

しかし、θｆ＝３０°である場合には、Ｖ０ベクトルとＶ７ベクトルとの間に異なる２つの電圧ベクトルが発生することとなり、図１９（ｂ）に示すように、各相電流波形が歪み、高調波成分の多い電流となる。この各相電流波形の歪みは、モータ騒音やモータ軸振動などの要因となる虞がある。

つまり、基準位相θｆを６０°のｎ倍（ｎは０以上の整数）で切り替えるようにすれば、高周波電圧位相指令θａｃも常に６０°の倍数となり、０°と１８０°との間、６０°と２４０°との間、１２０°と３００°との間で常に切り替わる。このようにすれば、Ｖ０ベクトルとＶ７ベクトルとの間に他の電圧ベクトルが１つのみ発生するため、各相電流波形は台形状となり、高調波成分が少ない電流となる。一方、基準位相θｆを６０°のｎ倍以外で切り替えるようにした場合には、高周波電圧位相指令θａｃが６０°の倍数とならないため、Ｖ０ベクトルとＶ７ベクトルとの間に他の電圧ベクトルが２つ発生し、各相電流波形が歪み、高調波成分の多い電流となる。したがって、基準位相θｆは、０°、６０°、１２０°、…のように６０°の倍数で変化させることが望ましい。

以上説明したように、実施の形態３のヒートポンプ装置によれば、高周波電圧位相指令演算部から出力させる基準位相を所定時間毎に変化させ、高周波通電を実施する際に、高周波交流電圧の通電位相を所定時間毎に変化させるようにしたので、ロータ停止位置によるインダクタンス特性の影響を排除することができ、ロータ停止位置によらず、効率よく均一に圧縮機内部に滞留した液冷媒を加熱することができる。

また、基準位相を所定時間毎に６０°の倍数で変化させるようにすれば、各相電流波形の高調波成分を抑制することができ、モータ騒音やモータ軸振動の発生を防止することができる。

実施の形態４．
本実施の形態では、実施の形態１〜３に記載したヒートポンプ装置を適用可能な空気調和機、ヒートポンプ給湯機、冷蔵庫、および冷凍機について説明する。

ここでは、実施の形態４にかかる空気調和機、ヒートポンプ給湯機、冷蔵庫、および冷凍機の冷凍サイクルのより具体的な構成および通常運転モードにおける動作について、図２０、図２１を参照して説明する。

図２０は、実施の形態４にかかる冷凍サイクルの一構成例を示す図である。また、図２１は、図２０に示す冷凍サイクルにおける冷媒の状態遷移を示すモリエル線図である。図２１において、横軸は比エンタルピ、縦軸は冷媒圧力を示す。

実施の形態４にかかる冷凍サイクル５０ａは、圧縮機５１と、熱交換器５２と、膨張機構５３と、レシーバ５４と、内部熱交換器５５と、膨張機構５６と、熱交換器５７とが配管により順次接続され、冷媒が循環する主冷媒回路５８を備え形成される。なお、主冷媒回路５８において、圧縮機５１の吐出側には、四方弁５９が設けられ、冷媒の循環方向が切り替え可能となっている。また、熱交換器５７の近傍には、ファン６０が設けられる。また、圧縮機５１の内部には、冷媒を圧縮する圧縮機構７と、この圧縮機構７を動作させるモータ８とが設けられている。さらに、冷凍サイクル５０ａは、レシーバ５４と内部熱交換器５５との間から、圧縮機５１のインジェクションパイプまでを配管により繋ぐインジェクション回路６２を備える。インジェクション回路６２には、膨張機構６１、内部熱交換器５５が順次接続される。

熱交換器５２には、水が循環する水回路６３が接続される。なお、水回路６３には、給湯器（図示せず）、ラジエータ（図示せず）や床暖房等の放熱器（図示せず）等の水を利用する装置が接続される。

まず、冷凍サイクル５０ａにおける暖房運転時の動作について説明する。暖房運転時には、四方弁５９は、図２０中の実線方向に設定される。なお、この暖房運転とは、空気調和機における暖房運転だけでなく、ヒートポンプ給湯機において水に熱を与えて温水を作る給湯運転も含む。

図２１において、圧縮機５１で高温高圧となった気相冷媒（図２１のＡ点）は、圧縮機５１から吐出され、凝縮器であり放熱器となる熱交換器５２で熱交換されて液化する（図２１のＢ点）。このとき、冷媒から放熱された熱により、水回路６３を循環する水が温められ、空気調和機における暖房運転やヒートポンプ給湯機における給湯運転に利用される。

熱交換器５２で液化された液相冷媒は、膨張機構５３で減圧され、気液二相状態になる（図２１のＣ点）。膨張機構５３で気液二相状態になった冷媒は、レシーバ５４で圧縮機５１へ吸入される冷媒と熱交換され、冷却されて液化される（図２１のＤ点）。レシーバ５４で液化された液相冷媒は、主冷媒回路５８と、インジェクション回路６２とに分岐して流れる。

主冷媒回路５８を流れる液相冷媒は、膨張機構６１で減圧され気液二相状態となったインジェクション回路６２を流れる冷媒と内部熱交換器５５で熱交換されて、さらに冷却される（図２１のＥ点）。内部熱交換器５５で冷却された液相冷媒は、膨張機構５６で減圧されて気液二相状態になる（図２１のＦ点）。膨張機構５６で気液二相状態になった冷媒は、蒸発器となる熱交換器５７で外気と熱交換され、加熱される（図２１のＧ点）。そして、熱交換器５７で加熱された冷媒は、レシーバ５４でさらに加熱され（図２１のＨ点）、圧縮機５１に吸入される。

一方、インジェクション回路６２を流れる冷媒は、上述したように、膨張機構６１で減圧されて（図２１のＩ点）、内部熱交換器５５で熱交換される（図２１のＪ点）。内部熱交換器５５で熱交換された気液二相状態の冷媒（インジェクション冷媒）は、気液二相状態のまま圧縮機５１のインジェクションパイプから圧縮機５１内へ流入する。

圧縮機５１では、主冷媒回路５８から吸入された冷媒（図２１のＨ点）が、中間圧まで圧縮、加熱される（図２１のＫ点）。中間圧まで圧縮、加熱された冷媒（図２１のＫ点）に、インジェクション冷媒（図２１のＪ点）が合流して、温度が低下する（図２１のＬ点）。そして、温度が低下した冷媒（図２１のＬ点）が、さらに圧縮、加熱され高温高圧となり、吐出される（図２１のＡ点）。

なお、インジェクション運転を行わない場合には、膨張機構６１の開度を全閉にする。つまり、インジェクション運転を行う場合には、膨張機構６１の開度が所定の開度よりも大きくなっているが、インジェクション運転を行わない際には、膨張機構６１の開度を所定の開度より小さくする。これにより、圧縮機５１のインジェクションパイプへ冷媒が流入しない。なお、膨張機構６１の開度は、マイクロコンピュータ等の制御部（図示せず）により電子制御により制御される。

つぎに、冷凍サイクル５０ａにおける冷房運転時の動作について説明する。冷房運転時には、四方弁５９は図２０中の破線方向に設定される。なお、この冷房運転とは、空気調和機における冷房運転だけでなく、冷蔵庫において水から熱を奪って冷水を作ることや、冷凍機における冷凍運転も含む。

圧縮機５１で高温高圧となった気相冷媒（図２１のＡ点）は、圧縮機５１から吐出され、凝縮器であり放熱器となる熱交換器５７で熱交換されて液化する（図２１のＢ点）。熱交換器５７で液化された液相冷媒は、膨張機構５６で減圧され、気液二相状態になる（図２１のＣ点）。膨張機構５６で気液二相状態になった冷媒は、内部熱交換器５５で熱交換され、冷却され液化される（図２１のＤ点）。内部熱交換器５５では、膨張機構５６で気液二相状態になった冷媒と、内部熱交換器５５で液化された液相冷媒を膨張機構６１で減圧させて気液二相状態になった冷媒（図２１のＩ点）とを熱交換させている。内部熱交換器５５で熱交換された液相冷媒（図２１のＤ点）は、主冷媒回路５８と、インジェクション回路６２とに分岐して流れる。

主冷媒回路５８を流れる液相冷媒は、レシーバ５４で圧縮機５１に吸入される冷媒と熱交換されて、さらに冷却される（図２１のＥ点）。レシーバ５４で冷却された液相冷媒は、膨張機構５３で減圧されて気液二相状態になる（図２１のＦ点）。膨張機構５３で気液二相状態になった冷媒は、蒸発器となる熱交換器５２で熱交換され、加熱される（図２１のＧ点）。このとき、冷媒が吸熱することにより、水回路６３を循環する水が冷やされ、空気調和機における冷房運転や冷凍機における冷凍運転に利用される。

そして、熱交換器５２で加熱された冷媒は、レシーバ５４でさらに加熱され（図２１のＨ点）、圧縮機５１に吸入される。

一方、インジェクション回路６２を流れる冷媒は、上述したように、膨張機構６１で減圧されて（図２１のＩ点）、内部熱交換器５５で熱交換される（図２１のＪ点）。内部熱交換器５５で熱交換された気液二相状態の冷媒（インジェクション冷媒）は、気液二相状態のまま圧縮機５１のインジェクションパイプから圧縮機５１内に流入する。

圧縮機５１内での圧縮動作については、暖房運転時と同様であるので、ここでは省略する。

なお、インジェクション運転を行わない際には、暖房運転時と同様に、膨張機構６１の開度を全閉にして、圧縮機５１のインジェクションパイプへ冷媒が流入しないようにする。

また、上記説明では、熱交換器５２は、冷媒と、水回路６３を循環する水とを熱交換させるプレート式熱交換器のような熱交換器であるとして説明した。熱交換器５２は、これに限らず、冷媒と空気を熱交換させるものであってもよい。

また、水回路６３は、水が循環する回路ではなく、他の流体が循環する回路であってもよい。

以上説明したように、実施の形態４の空気調和機、ヒートポンプ給湯機、冷蔵庫、および冷凍機によれば、上述した実施の形態１〜３に記載のヒートポンプ装置を適用することにより、実施の形態１〜３において説明した効果を得ることができ、待機電力の削減による省エネルギー化が可能であり、地球温暖化防止に寄与することができる。

なお、上述した実施の形態におけるインバータを構成するスイッチング素子と、これに並列に接続される環流ダイオードとしては、一般的には珪素（Ｓｉ：シリコン）を材料とするＳｉ系半導体を用いるのが主流であるが、炭化珪素（ＳｉＣ）や窒化ガリウム（ＧａＮ）、ダイヤモンドを材料とするワイドバンドギャップ（ＷＢＧ）半導体を用いてもよい。

このようなＷＢＧ半導体によって形成されたスイッチング素子やダイオード素子は、耐電圧性が高く、許容電流密度も高い。そのため、スイッチング素子やダイオード素子の小型化が可能であり、これら小型化されたスイッチング素子やダイオード素子を用いることにより、これらの素子を組み込んだ半導体モジュールの小型化が可能となる。

また、このようなＷＢＧ半導体によって形成されたスイッチング素子やダイオード素子は、耐熱性も高い。そのため、ヒートシンクの放熱フィンの小型化や、水冷部の空冷化が可能であるので、半導体モジュールの一層の小型化が可能になる。

さらに、このようなＷＢＧ半導体によって形成されたスイッチング素子やダイオード素子は、電力損失が低い。そのため、スイッチング素子やダイオード素子の高効率化が可能であり、延いては半導体モジュールの高効率化が可能になる。

また、より高い周波数でのスイッチングが可能となるため、モータにより高い周波数の電流を流すことが可能となり、モータの巻線インピーダンス増加による巻線電流低減によりインバータへ流れる電流を低減できるため、より効率の高いヒートポンプ装置を得ることが可能となる。さらには、高周波数化が容易であるため、可聴周波数帯域以上の周波数に設定することができ、騒音対策が容易となる等の利点がある。

また、直流通電においても、電力損失が小さくなるため、発熱が小さくなるだけでなく、仮に大電流が流れた場合でも、高耐熱性能が高いため、信頼性の高いヒートポンプ装置を得ることができる等の利点がある。

なお、スイッチング素子及びダイオード素子の両方がＷＢＧ半導体によって形成されていることが望ましいが、いずれか一方の素子がＷＢＧ半導体よって形成されていてもよく、上述した実施の形態における効果を得ることができる。

ＷＢＧ半導体の他にも、高効率なスイッチング素子として知られているスーパージャンクション構造のＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ−Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を用いても、同様の効果を得ることが可能である。

また、スクロール機構の圧縮機は、圧縮室の高圧リリーフが困難である。そのため、他の方式の圧縮機に比べ、液圧縮した場合に圧縮機構に過大なストレスが掛かる可能性が高い。しかし、上述した実施の形態にかかるヒートポンプ装置では、効率よく圧縮機を加熱することが可能であり、圧縮機内部への液冷媒の滞留を抑制することできる。そのため、液圧縮を防止することができるので、スクロール機構の圧縮機を用いる場合にも効果的である。

さらに、高周波通電を実施する場合に、周波数１０ｋＨｚ、出力５０Ｗを超える加熱機器の場合、法令による制約を受ける場合もある。そのため、事前に５０Ｗを超えないよう電圧指令Ｖ＊の調整や、流れる電流や電圧を検出して５０Ｗ以下となるようフィードバック制御を行うようにしてもよい。

なお、インバータ制御部は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）やＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）、マイクロコンピュータ（マイコン）の離散システムで構成可能であり、その他にもアナログ回路やデジタル回路等の電気回路素子などで構成してもよい。

また、以上の実施の形態に示した構成は、本発明の構成の一例であり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、一部を省略する等、変更して構成することも可能であることは言うまでもない。

１ 圧縮機
２ 四方弁
３ 熱交換器
４ 膨張機構
５ 熱交換器
６ 冷媒配管
７ 圧縮機構
８ モータ
９ インバータ
１０ インバータ制御部
１１ 直流電圧源
１２ 拘束通電制御部
１３ 駆動信号生成部
１４ 加熱判定部
１５ 直流通電指令生成部
１６，１６ａ 高周波通電指令生成部
１７ 加熱指令部
１８ 通電切替部
１９ 電圧指令算出部
２０ ＰＷＭ信号生成部
２１ 温度検出部
２２ 冷媒寝込量推定部
２３ 冷媒寝込量検出部
２４ 冷媒寝込判定切替部
２５ 加熱要否判定部
２６ 加熱量演算部
２７ 通電切替判断部
２８ 直流電圧指令演算部
２９ 直流電圧位相指令演算部
３０ 高周波電圧指令演算部
３１ 高周波電圧位相指令演算部
３２ 高周波位相切替部
３３ 通電切替制御部
４０，４０ａ，４０ｂ 冷媒寝込量出力部
５０，５０ａ 冷凍サイクル
５１ 圧縮機
５２，５７ 熱交換器
５３，５６，６１ 膨張機構
５４ レシーバ
５５ 内部熱交換器
５８ 主冷媒回路
５９ 四方弁
６０ ファン
６２ インジェクション回路
６３ 水回路
７０ａ〜７０ｆ スイッチング素子
８０ａ〜８０ｆ 還流ダイオード
１００ ヒートポンプ装置

Claims (15)

1. 冷媒を圧縮する圧縮機構と前記圧縮機構を駆動するモータとを有する圧縮機と、熱交換器と、前記モータに所望の電圧を印加するインバータと、前記インバータを駆動する駆動信号を生成するインバータ制御部と、を備えるヒートポンプ装置であって、
   前記インバータ制御部は、
   前記圧縮機の運転待機中において、前記圧縮機内部の冷媒を加熱する際、前記冷媒を加熱する加熱量が大きいときには直流を用いて前記モータへの通電を実施し、前記加熱量が小さいときには高周波を用いて前記モータへの通電を実施する通電制御部を備えるヒートポンプ装置。
2. 前記通電制御部は、
   前記圧縮機への冷媒寝込量を推定あるいは検出して出力する冷媒寝込量出力部と、
   前記冷媒寝込量に応じた加熱量を演算する加熱量演算部と、
   前記圧縮機周辺の第１温度および前記圧縮機自体の第２温度に基づいて前記圧縮機への冷媒寝込量を推定し、推定した冷媒寝込量に応じた加熱量を演算し、演算した加熱量に基づいて、前記直流通電と前記高周波通電とを切り替える通電切替判断部と、
   を備える請求項１に記載のヒートポンプ装置。
3. 前記通電切替判断部は、あらかじめ定められた閾値と前記加熱量とを比較して、前記加熱量が前記閾値以上である場合には、前記直流通電を実施し、
   前記加熱量が前記閾値未満である場合には、前記高周波通電を実施する請求項２に記載のヒートポンプ装置。
4. 前記加熱量に基づいて、前記高周波通電を実施するための高周波電圧指令および高周波電圧位相指令を生成する高周波通電指令生成部を備え、
   前記高周波通電指令生成部は、前記高周波電圧位相指令を前記インバータのキャリア信号に同期させて反転させる請求項３に記載のヒートポンプ装置。
5. 前記高周波通電指令生成部は、所定時間毎に、前記高周波電圧位相指令を反転させる基準位相を変化させる請求項４に記載のヒートポンプ装置。
6. 前記高周波通電指令生成部は、前記基準位相を前記所定時間毎に６０°の倍数で変化させる請求項５に記載のヒートポンプ装置。
7. 前記冷媒寝込量出力部は、前記ヒートポンプ装置を構成するいずれかの部品あるいは構成要素の温度および雰囲気温度のうちの少なくとも１つを検出して前記冷媒寝込量を推定する請求項２に記載のヒートポンプ装置。
8. 前記冷媒寝込量出力部は、前記圧縮機の内部に滞留した液冷媒の液量あるいは液面を検知して前記冷媒寝込量を検出する請求項２に記載のヒートポンプ装置。
9. 前記加熱量演算部は、前記圧縮機の特性に合わせて前記加熱量を演算する請求項２に記載のヒートポンプ装置。
10. 前記インバータを構成するスイッチング素子の少なくとも１つ、または、前記インバータを構成するダイオードは、ワイドバンドギャップ半導体によって形成されている請求項１に記載のヒートポンプ装置。
11. 前記ワイドバンドギャップ半導体は、炭化珪素、窒化ガリウム系材料又はダイヤモンドである請求項１０に記載のヒートポンプ装置。
12. 請求項１から１１のいずれか一項に記載のヒートポンプ装置を備えた空気調和機。
13. 請求項１から１１のいずれか一項に記載のヒートポンプ装置を備えたヒートポンプ給湯機。
14. 請求項１から１１のいずれか一項に記載のヒートポンプ装置を備えた冷蔵庫。
15. 請求項１から１１のいずれか一項に記載のヒートポンプ装置を備えた冷凍機。

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