JP7322279B2 - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

Description

本発明は、互いに非接続状態の複数の相巻線を有するモータを圧縮機の駆動モータとして備える冷凍サイクル装置に関する。

空気調和機等の冷凍サイクル装置に搭載される圧縮機の駆動モータとして、複数の相巻線を有する永久磁石同期モータが使用される。また、永久磁石同期モータ（ＤＣブラシレスモータともいう）の一例として、複数の相巻線を互いに非接続状態とした構成のオープン巻線モータ（Open-Windings Motor）が知られている。

このオープン巻線モータ（モータと略称する）を備えた冷凍サイクル装置は、モータの各相巻線の一端への通電を制御する第１インバータ、モータの各相巻線の他端への通電を制御する第２インバータ、各相巻線の他端の相互間に接続される開閉器を備え、この開閉器の閉成により各相巻線をスター結線（星形結線ともいう）して第１インバータを単独でスイッチングするスター結線モード、及び開閉器の開放により各相巻線を非接続状態として第１および第２インバータを互いに連係してスイッチングするオープン巻線モードを、選択的に設定する。

オープン巻線モードでは、スター結線モード時の約２倍の電圧を各相巻線に印加することができる。この点を考慮し、冷凍サイクル装置は、モータの回転数（速度）が閾値未満の低回転数域（低・中回転数域ともいう）では開閉器を閉成してスター結線モードを設定し、モータの回転数が負荷に応じた目標回転数となるよう第１インバータの単独スイッチングを制御する。モータの回転数が閾値以上の高回転数域では開閉器を開放してオープン巻線モードを設定し、モータの回転数が負荷に応じた目標回転数となるよう第１および第２インバータの連係スイッチングを制御する。モータの運転中に、スター結線モードとオープン巻線モードとをモータを停止させることなく切換えることで、低回転数域から高回転数域まで幅広い回転数範囲で高効率の運転を行うことができる。

特許第4906836号

スター結線モードとオープン巻線モードを切換えるためのリレー等の開閉器には、作動の回数に応じた寿命がある。この寿命はスター結線モードとオープン巻線モードの切換え回数が多いほど短くなる。また、スター結線モードとオープン巻線モードをモータの運転中に切換える際には、第１インバータの単独スイッチングと、第1インバータと第２インバータの連係スイッチングを適切なタイミングで切換える必要もあり、モータの負荷変動や電源状態によっては、切換えの際に不安定な状態が生じる可能性もあるので、スター結線モードとオープン巻線モードの切換えは、できれば少ない方が好ましい。

本発明の実施形態の目的は、開閉器の作動回数をできるだけ少なくすることができ、これにより開閉器の寿命向上が図れる、また安定したモータ駆動ができる冷凍サイクル装置を提供することである。

請求項１の冷凍サイクル装置は、圧縮機、凝縮器、減圧器、蒸発器を接続して冷媒を循環させる冷凍サイクルと；互いに非接続状態の複数の相巻線を有し、前記圧縮機を駆動するモータと；前記各相巻線の一端への通電を制御する第１インバータと；前記各相巻線の他端への通電を制御する第２インバータと；前記各相巻線の他端の相互間に接続された開閉器と；この開閉器の開放により前記各相巻線の他端を非接続状態とし前記第１および第２インバータを互いに連係してスイッチングするオープン巻線モード、及び前記開閉器の閉成により前記各相巻線の他端を相互接続して前記第１インバータをスイッチングするスター結線モードを、選択的に設定するモータコントローラと；を備える。このモータコントローラは、 前記モータの起動に際し、前記オープン巻線モードを設定し、その起動後、前記オープン巻線モードおよび前記スター結線モードのいずれかを選択する。

各実施形態に関わる空気調和装置の構成を示すブロック図。 各実施形態の構成を示すブロック図。 第1実施形態におけるモータが起動する際の回転数変化およびモータの通常運転中のモード選択条件を示す図。 第１実施形態におけるモータコントローラの制御を示すフローチャート。 第２実施形態におけるモータコントローラの制御を示すフローチャート。 第３実施形態におけるモータコントローラの制御を示すフローチャート。

［１］第１実施形態
第１実施形態の冷凍サイクル装置の構成について図面を参照しながら説明する。この実施形態では、複数の室外機および複数の室内機を互いに並列接続したいわゆるマルチタイプの空気調和機を例として説明するが、これに限らず、ヒートポンプ式チラーユニットや冷凍機等でもよい。

図１に示すように、複数の室外機（第１,第２,第３室外機）Ａ１～Ａ３が冷媒管により互いに並列に接続され、その室外機Ａ１～Ａ３に液側管Ｃ１およびガス側管Ｃ２を介して複数の室内機Ｂ１～Ｂｎが互いに並列状態で接続されている。そして、室外機Ａ１～Ａ３および室内機Ｂ１～Ｂｎ相互間にデータ伝送用および制御用の信号ラインＤが接続されている。これら室外機Ａ１～Ａ３および室内機Ｂ１～Ｂｎの接続により、冷暖房を行うとともに空調用冷温水の供給を行うマルチタイプの空気調和装置が構成される。この冷凍サイクルでは、室外機Ａ１が全体制御用の親機として機能し、残りの室外機Ａ２，Ａ３および室内機Ｂ１～Ｂｎが親機からの指示に従って動作する子機として機能する。

室外機Ａ１～Ａ３は、それぞれ、圧縮機１、四方弁２、室外熱交換器３、膨張弁（減圧器）４、アキュームレータ５、室外ファン６、室外温度センサ７、室外コントローラ８、および本実施形態のモータ駆動装置９を有する。冷房運転時、実線矢印で示すように、室内機Ｂ１～Ｂｎからガス側管Ｃ２に流れるガス冷媒が四方弁２およびアキュームレータ５を通って圧縮機１に吸込まれ、その圧縮機１で圧縮され吐出されるガス冷媒が四方弁２を通って室外熱交換器３に流れ、その室外熱交換器３で外気と熱交換して凝縮する冷媒が膨張弁４および液側管Ｃ１を通って室内機Ｂ１～Ｂｎへ流れる。暖房運転時、室内機Ｂ１～Ｂｎから液側管Ｃ１に流れる液冷媒が膨張弁４を通って室外熱交換器３に流れ、その室外熱交換器３で外気と熱交換して気化する冷媒が四方弁２およびアキュームレータ５を通って圧縮機１に吸込まれ、その圧縮機１で圧縮され吐出されるガス冷媒が四方弁２およびガス側管Ｃ２を通って室内機Ｂ１～Ｂｎへ流れる。

室内機Ｂ１，Ｂ２…は、それぞれ、流量調整弁１１、室内熱交換器１２、室内ファン１３、室内温度センサ１４、および室内コントローラ１５を含む。冷房運転時、実線矢印で示すように、室外機Ａ１～Ａ３から液側管Ｃ１に流れる液冷媒が流量調整弁１１を通って室内熱交換器１２に流れ、その室内熱交換器１２で室内空気と熱交換して気化する冷媒がガス側管Ｃ２を通って室外機Ａ１～Ａ３へ流れる。暖房運転時、室外機Ａ１～Ａ３からガス側管Ｃ２に流れるガス冷媒が室内熱交換器１２に流れ、その室内熱交換器１２で室内空気と熱交換して凝縮する冷媒が液側管Ｃ１を通って室外機Ａ１～Ａ３へ流れる。流量調整弁１１は、供給される駆動電圧パルスの数に応じて開度が全閉から全開まで連続的に変化するパルスモータバルブ（PMV）である。室内ファン１３は、室内空気を吸込みそれを室内熱交換器１２に送る。室内温度センサ１４は、室内ファン１３により吸込まれる室内空気の流路に配置され、その室内空気の温度Ｔａを検知する。室内コントローラ１５は、室内温度センサ１４の検知温度Ｔａと予め設定される室内設定温度Ｔｓとの差ΔＴａを空調負荷として検出し、その空調負荷ΔＴａに応じて流量調整弁１１の開度を制御するとともに、その空調負荷ΔＴａを信号ラインＤにより室外機（親機）Ａ１の室外コントローラ８に通知する。すなわち、冷房運転時は、室外熱交換器３は凝縮器として機能し、室内熱交換器１２は蒸発器として機能する。暖房運転時は、室外熱交換器３は蒸発器として機能し、室内熱交換器１２は凝縮器として機能する。

室内機Ｂｎは、流量調整弁２１、水熱交換器２２、水管２３、ポンプ２４、水管２５、水温度センサ２６、および水熱コントローラ２７を含む。流量調整弁２１は、供給される駆動電圧パルスの数に応じて開度が全閉から全開まで連続的に変化するパルスモータバルブ（PMV）である。水熱交換器２２は、冷媒流路２２ａを通る冷媒と水流路２２ｂを通る水との熱交換を行う。水流路２２ｂの流入口は、水管２３およびその水管２３に配置されたポンプ２４を介して負荷である例えば放熱器や給湯タンクの水流出口に接続されている。水流路２１ｂの流出口は、水管２５を介して上記放熱器や給湯タンクの水流入口に接続されている。ポンプ２４の運転により、放熱器や給湯タンクの水が水管２３、水流路２２ｂ、水管２５を通って循環する。水流路２２ｂから流出する水の温度Ｔｗが水温センサ２６で検知される。冷水供給運転時、実線矢印で示すように、室外機Ａ１～Ａ３から液側管Ｃ１に流れる液冷媒が流量調整弁２１を通って水熱交換器２２の冷媒流路２２ａに流れ、その冷媒流路２２ａで水流路２２ｂの水と熱交換して気化する冷媒がガス側管Ｃ２を通って室外機Ａ１～Ａ３へ流れる。温水供給運転時、室外機Ａ１～Ａ３からガス側管Ｃ２に流れるガス冷媒が水熱交換器２２の冷媒流路２２ａに流れ、その冷媒流路２２ａで水流路２２ｂの水と熱交換して凝縮する冷媒が流量調整弁２１および液側管Ｃ１を通って室外機Ａ１～Ａ３へ流れる。水熱コントローラ２７は、水温センサ２６の検知温度Ｔｗと予め設定される水設定温度Ｔｗｓとの差ΔＴｗを水温負荷として検出し、その水温負荷ΔＴｗに応じて流量調整弁２１の開度を制御するとともに、その水温負荷ΔＴｗを信号ラインＤにより室外機（親機）Ａ１の室外コントローラ８に通知する。

室外機Ａ１の室外コントローラ８は、室内機Ｂ１～Ｂｎから通知される空調負荷ΔＴａおよび水温負荷ΔＴｗの合計負荷を当該空気調和機（冷凍サイクル装置）の負荷として捕らえ、その負荷に対応する能力を室外機Ａ１～Ａ３に按分して割当て、その割当て能力を当該室外機Ａ１の室外コントローラ８で認識するとともに室外機Ａ２，Ａ３の各室外コントローラ８に通知する。

室外機Ａ１～Ａ３の圧縮機１は、図２に示すモータ１Ｍを駆動モータとして圧縮部と共に密閉ケースに収容した密閉型圧縮機である。モータ１Ｍは、永久磁石同期モータであって、かつ、互いに非接続状態の複数の相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗを有するいわゆるオープン巻線モータ（Open-Windings Motor）となっている。相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗは、低回転数域（低・中回転数域ともいう）で効率が向上するよう、細径の銅線を高い密度で多く巻回して構成される。ただし、このような高密度で多巻数の相巻線を用いると、モータ１Ｍの回転数（速度）の上昇に伴って相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗに誘起する電圧が早期に上昇し、その誘起電圧と後述のインバータから相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗに供給される電圧との差が早い段階で小さくなり、それ以上はモータ１Ｍの回転数を上昇させることができなくなる。そこで、後述のモータコントローラ９ｂは、低回転数域では相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗをスター結線（星形結線ともいう）して後述のインバータ３０のみを単独でスイッチングするスター結線モードを設定し、高回転数域では相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗを非接続状態（オープン状態）としてインバータ３０および後述のインバータ４０を互いに連係（協調ともいう）してスイッチングするオープン巻線モードを設定する。この設定により、低回転数域で高効率の運転を可能としながら、高回転数域まで幅広い回転数範囲で高効率の運転を行うことが可能である。

室外機Ａ１～Ａ３のモータ駆動装置９は、図２に示す駆動回路９ａおよびモータコントローラ９ｂを含む。モータ駆動回路９ａは、三相交流電源５０の交流電圧を全波整流して平滑し出力する直流電源部５５、この直流電源部５５の出力端とオープン巻線モータ１Ｍの相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗの一端との間の通電を制御するインバータ（第１インバータまたはマスタインバータともいう）３０、および上記直流電源部５５の出力端とオープン巻線モータ１Ｍの相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗの他端との間の通電を制御するインバータ（第２インバータまたはスレーブインバータともいう）４０を含む。直流電源５５をインバータ３０，４０の共通の直流電源とする電源共通方式を採用している。

インバータ３０は、スイッチング素子たとえばＩＧＢＴ３１，３２を直列接続しそのＩＧＢＴ３１，３２の相互接続点がオープン巻線モータ１Ｍの相巻線Ｌｕの一端に接続されるＵ相直列回路、ＩＧＢＴ３３，３４を直列接続しそのＩＧＢＴ３３，３４の相互接続点がオープン巻線モータ１Ｍの相巻線Ｌｖの一端に接続されるＶ相直列回路、ＩＧＢＴ３５，３６を直列接続しそのＩＧＢＴ３５，３６の相互接続点がオープン巻線モータ１Ｍの相巻線Ｌｗの一端に接続されるＷ相直列回路を含み、直流電源５５の正側出力端から相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗの一端への通電および相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗの一端から直流電源５５の負側出力端への通電をＩＧＢＴ３１～３６のスイッチングにより制御する。ＩＧＢＴ３１～３６には、回生用ダイオード（フリー・ホイール・ダイオードともいう）３１ａ～３６ａが逆並列接続されている。

インバータ４０は、ＩＧＢＴ４１，４２を直列接続しそのＩＧＢＴ４１，４２の相互接続点がオープン巻線モータ１Ｍの相巻線Ｌｕの他端に接続されるＵ相直列回路、ＩＧＢＴ４３，４４を直列接続しそのＩＧＢＴ４３，４４の相互接続点がモータ１Ｍの相巻線Ｌｖの他端に接続されるＶ相直列回路、ＩＧＢＴ４５，４６を直列接続しそのＩＧＢＴ４５，４６の相互接続点がオープン巻線モータ１Ｍの相巻線Ｌｗの他端に接続されるＷ相直列回路を互いに並列接続し、直流電源５５の正側出力端から相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗの他端への通電および相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗの他端から直流電源５５の負側出力端への通電をＩＧＢＴ４１～４６のスイッチングにより制御する。ＩＧＢＴ４１～４６には、回生用ダイオード４１ａ～４６ａが逆並列接続されている。

なお、インバータ３０は、実際には、Ｕ相・Ｖ相・Ｗ相の上記３つの直列回路を互いに並列接続してなる主回路と、この主回路のＩＧＢＴ３１～３６を駆動する駆動回路などの周辺回路とを、単一のパッケージに収納したモジュールいわゆるＩＰＭ（Intelligent Power Module）である。インバータ４０も、同様の構成のＩＰＭが使用される。

モータ１Ｍの相巻線Ｌｕの他端と相巻線Ｌｖの他端との相互間に、開閉器たとえばリレー５１の常開形接点（リレー接点という）５１ａが接続されている。モータ１Ｍの相巻線Ｌｖの他端と相巻線Ｌｗの他端との相互間に、開閉器たとえばリレー５２の常開形接点（リレー接点という）５２ａが接続されている。リレー５１,５２は、モータコントローラ９ｂにより、互いに同期した状態で付勢（通電オン）と消勢（通電オフ）が制御される。リレー５１,５２が付勢されるとリレー接点５１ａ，５２ａが閉成し、相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗの他端が相互接続されて相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗがスター結線状態となる。リレー５１,５２が消勢されるとリレー接点５１ａ，５２ａが開放し、相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗが非接続状態つまり電気的に分離したオープン巻線状態となる。

インバータ３０と相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗの一端との間の３つの通電ラインに電流センサ５３ｕ，５３ｖ，５３ｗが配置され、これら電流センサ５３ｕ，５３ｖ，５３ｗの出力信号がモータコントローラ９ｂに送られる。電流センサ５３ｕ，５３ｖ，５３ｗは、相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗに流れる電流（モータ電流という）Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを検知する。

モータコントローラ９ｂは、室外コントローラ８からの指令に応じて駆動回路９ａを制御するもので、制御の中枢となる主制御部６０、電流検出部６１、リレー駆動部６２、表示部６３、リレー５１，５２などを含む。電流検出部６１は、電流センサ５３，５３ｖ，５３ｗで検知されるモータ電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗのそれぞれのピーク値および実効値を検出する。リレー駆動部６２は、主制御部６０からの指令に応じてリレー５１，５２を付勢および消勢する。主制御部６０は、マイクロコンピュータおよびその周辺回路により構成され、室外コントローラ８からの指令および電流検出部６２の検出結果などに応じてリレー接点５１ａ，５２ａの開閉およびインバータ３０，４０のスイッチングを制御する。

とくに、主制御部６０は、リレー接点５１ａ，５２ａの開放により相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗの他端を非接続状態としインバータ３０，４０を互いに連係してスイッチングするオープン巻線モード及びリレー接点５１ａ，５２ａの閉成により相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗの他端を相互接続してインバータ３０を単独でスイッチングするスター結線モードを選択的に設定する機能を有するもので、このスター結線モードおよびオープン巻線モードの設定に関わる主要な構成として回転数検出部６０ａ，第１制御部６０ｂ，第２制御部６０ｃを含む。

回転数検出部６０ａは、インバータ３０,４０のスイッチング状態と電流検出部６１で検出される“モータ電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの瞬時値”に基づいてモータ１Ｍの回転数（速度）Ｎを検出（推定）する。

第１制御部６０ｂは、モータ１Ｍの起動に際し、オープン巻線モードを設定し、回転数検出部６０ａの検出回転数Ｎが図３に示す高回転数域の所定回転数Ｎ３（例えば50rpsまたは60rps）まで上昇するよう、そのオープン巻線モードのスイッチング（インバータ３０，４０の連係スイッチング）を制御する。

第２制御部６０ｃは、第１制御部６０ｂにより回転数検出部６０ａの検出回転数Ｎが上記高回転数域の所定回転数Ｎ３まで上昇した後、室外コントローラ８からの割当て能力（負荷）に基づいて目標回転数（目標速度）Ｎｔを設定し、この目標回転数Ｎｔが上記高回転数域にある場合はオープン巻線モードを設定して回転数検出部６０ａの検出回転数Ｎが目標回転数Ｎｔとなるようそのオープン巻線モードのスイッチングを制御し、上記目標回転数Ｎｔが図３に示す低回転数域にある場合はスター結線モードを設定して回転数検出部６０ａの検出回転数Ｎが目標回転数Ｎｔとなるようそのスター結線モードのスイッチング（インバータ３０の単独スイッチング）を制御する。

図３は、モータ１Ｍが起動する際の回転数Ｎの変化とモータ１Ｍの通常運転中のモード選択条件（第１モード選択条件）を示している。起動時を除くモータ１Ｍの通常運転状態において、モード選択条件は、目標回転数Ｎｔに応じてオープン巻線モードおよびスター結線モードのいずれかの選択を指定するもので、目標回転数Ｎｔの上昇方向の変化に際し、目標回転数Ｎｔが第２閾値Ｎ２（例えば40rps）未満の低回転数域に存する場合にスター結線モードを指定し、目標回転数Ｎｔが第２閾値Ｎ２以上の高回転数域に存する場合にオープン巻線モードを指定する。さらに、モード選択条件は、目標回転数Ｎｔの下降方向の変化に際し、目標回転数Ｎｔが第１閾値Ｎ１（＜Ｎ２）以上の高回転数域に存する場合にオープン巻線モードを指定し、目標回転数Ｎｔが第１閾値Ｎ１未満の低回転数域に存する場合にスター結線モードを指定する。低回転数域と高回転数域の境界に第２閾値Ｎ２と第１閾値Ｎ１によるヒステリシス幅を設けることにより、スター結線モードとオープン巻線モードの頻繁な切換えを防止している。

なお、目標回転数Ｎｔに基づいてモードを選択するだけでなく、負荷の大きさに応じて変動する“モータ電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗのピーク値または実効値”および目標回転数Ｎｔに基づいてモードを選択する構成としてもよい。

つぎに、モータコントローラ９ｂが実行する制御を図３および図４を参照しながら説明する。図４のフローチャートにおけるステップS1，S2…については単にS1，S2…と略称する。

［モータ１Ｍの起動時］
室外コントローラ８から運転開始指令を受けた場合（S1のYES）、モータコントローラ９ｂは、リレー接点５１ａ，５２ａの開放により相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗの他端を非接続状態としインバータ３０，４０を互いに連係してスイッチングするオープン巻線モードを設定する（S2）。モータ１Ｍの停止時は、リレー５１，５２の消勢（通電オフ）により常開形のリレー接点５１ａ，５２ａが開放していて相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗが互いに非接続状態となっているので、リレー接点５１ａ，５２ａの作動を要することなくオープン巻線モードを設定することができる。

続いて、モータコントローラ９ｂは、モータ１Ｍの回転数Ｎが例えば“1rps/s”の速度で上昇するようオープン巻線モードのスイッチングを制御しながら（S3）、回転数検出部６０ａの検出回転数Ｎと高回転数域の所定回転数Ｎ３とを比較する（S4）。検出回転数Ｎが所定回転数Ｎ３未満の場合（S4のNO）、モータコントローラ９ｂは、上記S4に戻り、オープン巻線モードのスイッチングを継続する（S4）。

オープン巻線モード時に形成される電流経路の一部を図２に破線で示す。まず、インバータ３０のＩＧＢＴ３１がオンしてインバータ４０のＩＧＢＴ４２がオン，オフを繰返すとともに、インバータ４０のＩＧＢＴ４３，４５が共にオンしてインバータ３０のＩＧＢＴ３４，３６が互いに同期してオン，オフを繰返す。これにより、破線矢印で示すように、直流電源５５の正側出力端からＩＧＢＴ３１を通って相巻線Ｌｕに電流が流れ、その相巻線Ｌｕを経た電流がＩＧＢＴ４２を通って直流電源５５の負側出力端に流れるとともに、直流電源５５の正側出力端からＩＧＢＴ４３，４５を通って相巻線Ｌｖ，Ｌｗに電流が流れ、その相巻線Ｌｖ，Ｌｗを経た電流がＩＧＢＴ３４，３６を通って直流電源５５の負側出力端に流れる。次に、インバータ３０のＩＧＢＴ３３がオンしてインバータ４０のＩＧＢＴ４４がオン，オフを繰返すとともに、インバータ４０のＩＧＢＴ４１，４５が共にオンしてインバータ３０のＩＧＢＴ３２，３６が互いに同期してオン，オフを繰返す。これにより、直流電源５５の正側出力端からＩＧＢＴ３３を通って相巻線Ｌｖに電流が流れ、その相巻線Ｌｖを経た電流がＩＧＢＴ４４を通って直流電源５５の負側出力端に流れるとともに、直流電源５５の正側出力端からＩＧＢＴ４１，４５を通って相巻線Ｌｕ，Ｌｗに電流が流れ、その相巻線Ｌｕ，Ｌｗを経た電流がＩＧＢＴ３２，３６を通って直流電源５５の負側出力端に流れる。次に、インバータ３０のＩＧＢＴ３５がオンしてインバータ４０のＩＧＢＴ４６がオン，オフを繰返すとともに、インバータ４０のＩＧＢＴ４１，４３が共にオンしてインバータ３０のＩＧＢＴ３２，３４が互いに同期してオン，オフを繰返す。これにより、直流電源５５の正側出力端からＩＧＢＴ３５を通って相巻線Ｌｗに電流が流れ、その相巻線Ｌｗを経た電流がＩＧＢＴ４６を通って直流電源５５の負側出力端に流れるとともに、直流電源５５の正側出力端からＩＧＢＴ４１，４３を通って相巻線Ｌｕ，Ｌｖに電流が流れ、その相巻線Ｌｕ，Ｌｖを経た電流がＩＧＢＴ３２，３４を通って直流電源５５の負側出力端に流れる。これら３パターンの電流経路が順に切換わることにより、モータ１Ｍのロータが回転する。

このオープン巻線モードの設定により、スター結線モード時の約√３倍の電圧を相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗに印加することができ、よって運転開始時の高空調負荷に対応する高回転数域へとモータ１Ｍの回転数Ｎを効率よく上昇させることが可能となる。とくに、空気調和装置の運転開始時は、空調負荷が高いだけでなく、室内ファン１３が動き始めたばかりで新鮮な室内空気が室内温度センサ１４にうまく流れないため室内温度検知が不安定な状態にあって、空調負荷を的確に捕らえることが難しい。このような運転開始時の状況では、リレー５１，５２を付勢せずリレー接点５１ａ，５２ａを開放したままのオープン巻線モードを初めから設定してモータ１Ｍの回転数Ｎを高回転数域まで上昇させるほうが、リレー５１，５２を付勢してリレー接点５１ａ，５２ａを閉成するスター結線モードを低回転数域で設定しその後の高回転数域でオープン巻線モードに移行する場合よりも、リレー接点５１ａ，５２ａの作動回数を確実に１回は少なくすることができる。つまり、リレー接点５１ａ，５２ａの作動回数を少なく抑えながら、不安定な高空調負荷に対処し得る十分な空調能力を発揮することが可能となる。

なお、空気調和機の運転開始時は、圧縮機１の起動に伴い、圧縮機１内の潤滑油の一部が冷媒と混合した状態で冷凍サイクル中に流出し、流出した潤滑油が冷凍サイクルを巡って圧縮機１に徐々に戻るようになる。流出した潤滑油が圧縮機１に戻るまでの間、圧縮機１内の潤滑油が不足気味となるなど、冷凍サイクルの運転が不安定な状態となる。この点について、本実施形態では、圧縮機１の起動に際してモータ１Ｍの回転数Ｎを高回転数域の所定回転数Ｎ３まで連続的に上昇させるので、たとえ圧縮機１内の潤滑油の一部が冷凍サイクル中に流出しても、流出した潤滑油は冷凍サイクルを迅速に巡って圧縮機１に早期に戻るようになり、冷凍サイクルの運転を早期に安定化させることができる。

［モータ１Ｍの起動完了］
回転数検出部６０ａの検出回転数Ｎが高回転数域の所定回転数Ｎ３に達した場合（S4のYES）、モータコントローラ９ｂは、モータ１Ｍの起動が完了したとの判断の下に、所定時間ｔにわたり、回転数検出部６０ａの検出回転数Ｎが所定回転数Ｎ３を保持するようオープン巻線モードのスイッチングを制御する（S5）。所定時間ｔは、圧縮機１が起動してから冷凍サイクルの運転が安定するまでの時間たとえば30秒程度である。所定時間ｔがあまり長過ぎると、所定時間ｔが経過した後の目標回転数Ｎｔと実際の回転数Ｎとの差が拡がり、回転数Ｎが目標回転数Ｎｔに到達するまでに時間がかかり過ぎてしまう。このような不具合が生じないよう、所定時間ｔとして一般的に10～60秒程度が選定される。

所定時間ｔの経過後、モータコントローラ９ｂは、室外コントローラ８からの割当て能力（負荷）に見合う目標回転数Ｎｔを設定する（S6）。そして、モータコントローラ９ｂは、上記設定した目標回転数Ｎｔが高回転数域にあるか低回転数域にあるかを判定する（S7）。

目標回転数Ｎｔが高回転数域にある場合（S7のYES）、モータコントローラ９ｂは、オープン巻線モードの設定を継続し（S8）、回転数検出部６０ａの検出回転数Ｎが目標回転数Ｎｔとなるようそのオープン巻線モードのスイッチングを制御する（S9）。続いて、モータコントローラ９ｂは、室外コントローラ８からの運転停止指令がなければ（S10のNO）、上記S6に戻り、目標回転数Ｎｔを再設定する（S6）。

一方、目標回転数Ｎｔが低回転数域にある場合（S7のNO）、モータコントローラ９ｂは、スター結線モードを設定し（S11）、回転数検出部６０ａの検出回転数Ｎが目標回転数Ｎｔとなるようそのスター結線モードのスイッチングを制御する（S9）。この場合の回転数Ｎの変化を図３に破線で示している。なお、上記S11でのスター結線モードの設定に際し、それまでのモータ１Ｍの運転がオープン巻線モードであった場合、インバータ３０，４０のスイッチングパターンを制御することによりリレー接点５１ａ，５２ａの相互間に電位差が生じないタイミングを作り、そのタイミングでリレー５１，５２を付勢することによりリレー接点５１ａ，５２ａを閉成し、この状態でインバータ４０のスイッチングを停止してインバータ３０のみスイッチングするスター結線モードに移る。これによりモータ１Ｍの運転を停止させることなくことなく継続させる。

一方、上記S11でのスター結線モードの設定に際し、それまでのモータ１Ｍの運転がスター結線モードであれば、そのままスター結線モードによるモータ１Ｍの運転を継続する。

また、スター結線モードによるモータ１Ｍの運転中に目標回転数Ｎｔが高回転数域となった場合（S7のYES）、モータコントローラ９ｂは、スター結線モードに代えてオープン巻線モードを設定する（S8）。この際、インバータ４０のスイッチングを開始し、インバータ３０とインバータ４０のスイッチングパターンを制御することによりリレー接点５１ａ，５２ａの相互間に電位差が生じないタイミングを作り、そのタイミングでリレー５１，５２を消勢することによりリレー接点５１ａ，５２ａを開放する。これにより、モータ１Ｍの運転を停止させることなくことなく継続させることができる。

続いて、モータコントローラ９ｂは、室外コントローラ８からの運転停止指令がなければ（S10のNO）、上記S6に戻り、室外コントローラ８からの割当て能力に対応する目標回転数Ｎｔを再び設定する（S6）。以後、モータコントローラ１３は同様の制御を繰り返す。

室外コントローラ８からの運転停止指令があれば（S10のYES）、モータコントローラ１３は、リレー５１，５２を消勢してリレー接点５１ａ，５２ａを開放するとともにインバータ３０，４０を停止する（S12）。

［まとめ］
以上のように、モータ１Ｍの起動に際しては、リレー５１，５２を付勢せずリレー接点５１ａ，５２ａを開放したままのオープン巻線モードを初めから設定してモータ１Ｍの回転数Ｎを上昇させることにより、リレー接点５１ａ，５２ａの作動回数やオープン巻線モードとスター結線モードの切換回数をできるだけ少なく抑えることができる。そして、リレー接点５１ａ，５２ａの作動回数が少なくなるので、リレー５１，５２の寿命向上や安定した運転が図れる。

［２］第２実施形態
モータコントローラ９ｂにおける第２制御部６０ｃの制御およびモード選択条件が第１実施形態と異なる例を第２実施形態として説明する。

第２制御部６０ｃは、第１制御部６０ｂによるオープン巻線モードのスイッチングによりモータ１Ｍが起動して回転数検出部６０ａの検出回転数Ｎが所定回転数Ｎ３まで上昇した後、室外コントローラ８からの割当て能力（負荷）に基づいて目標回転数Ｎｔを設定し、その後、回転数検出部６０ａの検出回転数Ｎが後述する第２モード選択条件の高回転数域にあればオープン巻線モードを設定してその検出回転数Ｎが目標回転数Ｎｔとなるよう同オープン巻線モードのスイッチングを制御し、検出回転数Ｎが同第２モード選択条件の低回転数域にあればスター結線モードを設定してその検出回転数Ｎが目標回転数Ｎｔとなるよう同オープン巻線モードのスイッチングを制御する。

第２モード選択条件は、モータ１Ｍの実際の回転数（回転数検出部６０ａの検出回転数）Ｎに応じてオープン巻線モードおよびスター結線モードのいずれかの選択を指定するもので、回転数検出部６０ａの検出回転数Ｎの上昇方向の変化に際し、検出回転数Ｎが第２閾値Ｎ２未満の低回転数域にあるうちはスター結線モードを指定し、検出回転数Ｎが第２閾値Ｎ２以上の高回転数域にあるうちはオープン巻線モードを指定する。さらに、検出回転数Ｎの下降方向の変化に際し、検出回転数Ｎが第１閾値Ｎ１（＜Ｎ２）以上の高回転数域にあるうちはオープン巻線モードを指定し、検出回転数Ｎが第１閾値Ｎ１未満の低回転数域にあるうちはスター結線モードを指定する。

モータ１Ｍの実際の運転中は、若干の時間の遅れは生じる可能性があるものの回転数Ｎが目標回転数Ｎｔへと速やかに移行するので、当該第２実施形態のように回転数Ｎに応じてモードの選択を指定する制御と、上記第１実施形態のように目標回転数Ｎｔに応じてモードの選択を指定する制御との間に、実質的な差はない。なお、回転数Ｎだけでなく、負荷の大きさに応じて変動する“モータ電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗのピーク値または実効値”と回転数Ｎとに基づいてモードを選択する構成としてもよい。

モータコントローラ９ｂが実行する制御を図５のフローチャートに示す。この制御では、目標回転数Ｎｔが高回転数域にあるか低回転数域にあるかを判定する図４のS7の処理に代えて、モータ１Ｍの回転数（回転数検出部６０ａの検出回転数）Ｎが高回転数域にあるか低回転数域にあるかを判定するS7xの処理を実行する。

すなわち、モータコントローラ９ｂは、モータ１Ｍの起動完了に伴い上記S6で目標回転数Ｎｔを設定した後、回転数検出部６０ａの検出回転数Ｎが高回転数域にあるか低回転数域にあるかを判定する（S7x）。検出回転数Ｎが高回転数域にある場合（S7xのYES）、モータコントローラ９ｂは、オープン巻線モードを設定し（S8）、検出回転数Ｎが目標回転数Ｎｔとなるようそのオープン巻線モードのスイッチングを制御する（S9）。検出回転数Ｎが低回転数域にある場合（S7xのNO）、モータコントローラ９ｂは、スター結線モードを設定し（S11）、検出回転数Ｎが目標回転数Ｎｔとなるようそのスター結線モードのスイッチングを制御する（S9）。

他の構成・制御・効果は第１実施形態と同じなので、その説明は省略する。

［３］第３実施形態
モータ電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗのピーク値および実効値が負荷の大きさおよびモータ１Ｍの回転数Ｎに比例する点に着目した第３実施形態について説明する。モータ電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗのピーク値または実効値のことを、以下、電流検出部６１の検出電流Ｉという。

第２制御部６０ｃは、第１制御部６０ｂによるオープン巻線モードのスイッチングによりモータ１Ｍの起動が完了して回転数検出部６０ａの検出回転数Ｎが所定回転数Ｎ３まで上昇した後、室外コントローラ８からの割当て能力に対応する目標回転数Ｎｔを設定し、電流検出部６１の検出電流Ｉが設定値Ｉｓ以上の場合は回転数Ｎが上記第2モード選択条件の高回転数域にあるとの判断の下にオープン巻線モードを設定して回転数検出部６０ａの検出回転数Ｎが目標回転数Ｎｔとなるよう同オープン巻線モードのスイッチングを制御し、電流検出部６１の検出電流Ｉが設定値Ｉｓ未満の場合は回転数Ｎが上記第2モード選択条件の低回転数域にあるとの判断の下にスター結線モードを設定して回転数検出部６０ａの検出回転数Ｎが目標回転数Ｎｔとなるよう同オープン巻線モードのスイッチングを制御する。

モータコントローラ９ｂが実行する制御を図６のフローチャートに示す。この制御では、回転数Ｎが高回転数域にあるか低回転数域にあるかを判定する図５のS7xの処理に代えて、電流検出部６１の検出電流Ｉが設定値Ｉｓ以上であるか否かを判定するS7yの処理を実行する。

すなわち、モータコントローラ９ｂは、モータ１Ｍの起動完了に伴い上記S6で目標回転数Ｎｔを設定した後、電流検出部６１の検出電流Ｉが設定値Ｉｓ以上であるか設定値Ｉｓ未満であるかを判定する（S7y）。検出電流Ｉが設定値Ｉｓ以上の場合（S7yのYES）、モータコントローラ９ｂは、オープン巻線モードを設定し（S8）、回転数検出部６０ａの検出回転数Ｎが目標回転数Ｎｔとなるようそのオープン巻線モードのスイッチングを制御する（S9）。検出電流Ｉが設定値Ｉｓ未満の場合（S7yのNO）、モータコントローラ９ｂは、スター結線モードを設定し（S11）、検出回転数Ｎが目標回転数Ｎｔとなるようそのスター結線モードのスイッチングを制御する（S9）。

なお、上記S7yの設定値Ｉｓの判定では、具体的には、ヒステリシス幅を持たせるための２つの設定値Ｉｓ２，Ｉｓ１を選択的に用いる。設定値Ｉｓ２は、回転数Ｎに置き換えると図３のモード選択条件の閾値Ｎ２に対応するもので、検出電流Ｉが上昇方向に変化する際に用いる。設定値Ｉｓ１（＜Ｉｓ２）は、回転数Ｎに置き換えると図３のモード選択条件の閾値Ｎ１に対応するもので、検出電流Ｉが下降方向に変化する際に用いる。

他の構成・制御・効果は第１および第２実施形態と同じなので、その説明は省略する。

［４］変形例
上記各実施形態では、常開形のリレー接点５１ａ，５２ａを開閉器として用いる場合を例に説明したが、半導体スイッチを開閉器として用いてもよい。

モータ１Ｍの起動が完了した後の通常運転中において、オープン巻線モードおよびスター結線モードのいずれかを選択するための判定処理として、第１実施形態のS7の判定処理、第２実施形態のS7xの判定処理、第３実施形態のS7yの判定処理を適宜に組み合わせてもよい。例えば、第２実施形態のS7xの判定処理と第３実施形態のS7yの判定処理を組み合わせる場合、モータコントローラ９ｂは、検出回転数Ｎが低回転数域から高回転数域に入ったとき（S7xのYES）または検出電流Ｉが設定値Ｉｓ未満の領域から設定値Ｉｓ以上の領域に入ったとき（S7yのYES）にスター結線モードからオープン巻線モードへ切換えを実行し、検出回転数Ｎが高回転数域から低回転数域に移り（S7xのNO）かつ検出電流Ｉが設定値Ｉｓ以上の領域から設定値Ｉｓ未満の領域に移ったとき（S7yのNO）にオープン巻線モードからスター結線モードへの切換えを実行する。

上記実施形態では、インバータ３０，４０を同じ直流電源５５に接続する電源共通方式を採用したが、インバータ３０，４０を別々の直流電源に接続する電源絶縁方式においても、同様に実施できる。

その他、上記各実施形態および変形例は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な各実施形態および変形例は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、書き換え、変更を行うことができる。これら実施形態や変形は、発明の範囲は要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…圧縮機、１Ｍ…オープン巻線モータ、Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗ…相巻線、２…四方弁、３…室外熱交換器（凝縮器または蒸発器）、４…膨張弁、８…室外コントローラ、９…モータ駆動装置、１１…流量調整弁、１２…室内熱交換器（蒸発器または凝縮器）、１３…室内ファン、１４…室内温度センサ、１５…室内コントローラ、５０…３相交流電源、５５…直流電源部、３０…インバータ（第１インバータ）、４０…インバータ（第２インバータ）、５１，５２…リレー、５１ａ，５２ａ…リレー接点、６０…主制御部、６０ａ…回転数検出部、６０ｂ…第１制御部、６０ｃ…第２制御部、６１…電流検出部、６２…リレー駆動部

Claims (8)

1. 圧縮機、凝縮器、減圧器、蒸発器を接続して冷媒を循環させる冷凍サイクルと、
   互いに非接続状態の複数の相巻線を有し、前記圧縮機を駆動するモータと、
   前記各相巻線の一端への通電を制御する第１インバータと、
   前記各相巻線の他端への通電を制御する第２インバータと、
   前記各相巻線の他端の相互間に接続された開閉器と、
   前記開閉器の開放により前記各相巻線の他端を非接続状態とし前記第１および第２インバータを互いに連係してスイッチングするオープン巻線モード、及び前記開閉器の閉成により前記各相巻線の他端を相互接続して前記第１インバータをスイッチングするスター結線モードを、選択的に設定するモータコントローラと、
   を備え、
   前記モータコントローラは、
   前記モータの起動に際し、前記オープン巻線モードを設定し、その起動後、前記オープン巻線モードおよび前記スター結線モードのいずれかを選択する、
   ことを特徴とする冷凍サイクル装置。
2. 前記モータコントローラは、
   前記起動に際して前記オープン巻線モードのスイッチングにより前記モータの回転数を所定回転数まで上昇させた後、前記冷凍サイクル装置の負荷に基づいて設定される目標回転数が高回転数域にあれば前記オープン巻線モードを設定し低回転数域にあれば前記スター結線モードを設定し、そのオープン巻線モードまたはスター結線モードのスイッチングを前記モータの回転数が前記目標回転数となるよう制御する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
3. 前記モータコントローラは、
   前記起動に際して前記オープン巻線モードのスイッチングにより前記モータの回転数を所定回転数まで上昇させた後、前記モータの回転数が高回転数域にあれば前記オープン巻線モードを設定し低回転数域にあれば前記スター結線モードを設定し、そのオープン巻線モードまたはスター結線モードのスイッチングを前記モータの回転数が前記冷凍サイクル装置の負荷に基づいて設定される目標回転数となるよう制御する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
4. 前記所定回転数は、前記高回転数域にあることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の冷凍サイクル装置。
5. 前記モータの電流を検出する電流検出部をさらに備え、
   前記モータコントローラは、
   前記起動に際して前記オープン巻線モードのスイッチングにより前記モータの回転数を所定回転数まで上昇させた後、前記電流検出部の検出電流が設定値以上の場合に前記オープン巻線モードを設定しその設定値未満の場合に前記スター結線モードを設定し、そのオープン巻線モードまたはスター結線モードのスイッチングを前記モータの回転数が前記冷凍サイクル装置の負荷に基づいて設定される目標回転数となるよう制御する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
6. 前記開閉器は常開型である
   ことを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。
7. 前記モータコントローラは、前記オープン巻線モードから前記スター結線モードへの切換え及び前記スター結線モードから前記オープン巻線モードへの切換えを、前記モータの運転中に実行可能である
   ことを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。
8. 前記圧縮機、前記蒸発器又は前記凝縮器として機能する室外熱交換器、前記減圧器を有する少なくとも１つの室外機と、
   それぞれが前記凝縮器又は蒸発器として機能する室内熱交換器を有する複数の室内機と、
   を備えた空気調和装置である
   ことを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置。

Images