JP7412618B1

JP7412618B1 - 圧縮機、空気調和装置および加温方法

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Publication number: JP7412618B1
Application number: JP2023029239A
Authority: JP
Inventors: 建吾河村; 洋寿小倉; 紫織尾花; 智貴森川
Original assignee: Hitachi Johnson Controls Air Conditioning Inc
Current assignee: Hitachi Johnson Controls Air Conditioning Inc
Priority date: 2023-02-28
Filing date: 2023-02-28
Publication date: 2024-01-12
Anticipated expiration: 2043-02-28

Abstract

【課題】圧縮機停止時の磁石の位置によらず、所望の加温効果を得ることができる圧縮機、空気調和装置および加熱方法を提供すること。【解決手段】圧縮機２１は、複数のコイルと磁石とを備えるモータ３０と、モータ３０により回転する回転軸と、回転軸の回転により流体を圧縮する圧縮機構と、回転軸内を通して圧縮機２１が有する摺動部へ供給される潤滑油と、モータ３０のコイルに電流を流すための矩形波信号を生成する制御部５０とを含む。制御部５０は、複数のコイルと永久磁石との位置関係が所定の位置関係となるように所定のコイルに対する矩形波信号を生成し、永久磁石の位置を調整した後、回転軸を介して潤滑油を加温するために各コイルに対する矩形波信号を生成する。【選択図】図５

Description

本発明は、圧縮機、空気調和装置および潤滑油の加温方法に関する。

空気調和装置に用いられる圧縮機は、流体として冷媒を用い、系内を冷媒に混じって潤滑油が流れ、系内の各所を潤滑し、圧縮機内へ戻される。空気調和装置の運転停止時に外気温度が低下すると、冷媒が凝縮し、液冷媒は潤滑油より重いことから底に溜まり、線状層を形成する。

このような状態で圧縮機を起動させると、冷媒の吸い込みによって低圧となった潤滑油中の冷媒が急激に沸騰し、潤滑油が泡立ち、潤滑油が冷媒とともに圧縮機外へ排出されてしまい、潤滑油の油面が低下する（オイルフォーミング）。これにより、摺動部への給油が不十分になり、潤滑不良が発生する。この潤滑不良の発生を防止するために、ヒータを用いた方式や電磁誘導加熱の原理を利用した方式により潤滑油を加温している。

電磁誘導加熱の原理を利用した方式は、ヒータを用いた方式に比べて安価であるが、永久磁石やモータ巻線の特性により所望の加温を実現するためには、モータが回転動作として追従できないほどの高周波の交流電流をモータの巻線（コイル）に流し、しかも、電流量を調整する必要がある。

電流量は、ＰＷＭ(Pulse Width Modulation)信号の一周期のうちの電流がオンの時間の割合（ＤＵＴＹ）を変えることで調整することができる。このＰＷＭ信号の周期は、高周波の交流電流にするために高速にすると、インバータ素子のスイッチング損失が増加し、熱を放熱するための放熱フィンを拡張する等のコスト増の対応が必要になる。

そこで、スイッチング損失を減らすことを目的として、モータ巻線のインダクタンスによる電流遅れを利用し、疑似的に交流電流を成形する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

中国特許出願公開第１０７２１８７１１号明細書

しかしながら、上記の従来の技術では、電動機が備える磁石の位置によって加温効果が異なることから、圧縮機停止時の磁石の位置によっては、所望の加温効果が得られないという問題があった。

本発明は、上記課題に鑑み、複数の巻線と磁石とを備える電動機と、
電動機により回転する回転軸と、
回転軸の回転により流体を圧縮する圧縮機構と、
回転軸内を通して圧縮機が有する摺動部へ供給される潤滑油と、
電動機の各巻線に電流を流すための矩形波信号を生成する制御手段と
を含み、
制御手段は、複数の巻線と磁石との位置関係が所定の位置関係となるように所定の巻線に対する矩形波信号を生成し、磁石の位置を調整した後、回転軸を介して潤滑油を加温するために各巻線に対する矩形波信号を生成する、圧縮機が提供される。

本発明によれば、圧縮機停止時の磁石の位置によらず、所望の加温効果を得ることができる。

本実施形態に係る空気調和装置の構成例を示した図。空気調和装置に用いられる圧縮機の構成例を示した図。電磁誘導加熱の原理を利用した方式の室外機の構成例を示した図。ＰＷＭ信号について説明する図。圧縮機が備える制御部の構成例を示した図。従来の加熱制御について説明する図。本加熱制御の概要について説明する図。加熱動作前の準備動作における各相に流す電流について説明する図。加熱動作におけるＰＷＭ信号および各相に流す電流について説明する図。本加熱制御の流れの一例を示したフローチャート。加熱動作前の準備動作における各相に流す電流の別の例について説明する図。

図１は、本実施形態に係る空気調和装置の構成例を示した図である。空気調和装置１０は、空気調和を行う空間内（室内）に設置される室内機１１と、室外に設置される室外機２０とを含み、流体として冷媒を室内機１１と室外機２０との間を循環させ、室内の空気と熱交換させることにより空気調和を行う。

室内機１１と室外機２０は、それぞれ２台以上で構成されていてもよく、室内機１１は、１台の室外機２０に対し、２台以上接続されていてもよい。冷媒は、ハイドロフルオロカーボン（ＨＦＣ）やハイドロフルオロオレフィン（ＨＦＯ）等を用いることができる。ＨＦＣとしては、Ｒ３２（ＣＨ_２Ｆ_２）、Ｒ４１０Ａ（ＣＨ_２Ｆ_２＋Ｃ_２ＨＦ_３）等を用いることができ、ＨＦＯとしては、Ｒ１２３４ｙｆ（ＣＦ_３ＣＦ＝ＣＨ_２）等を用いることができる。

室内機１１は、室内熱交換器１２と、室内ファン１３と、室内ファン用駆動モータ１４とを備える。室内ファン１３は、室内ファン用駆動モータ１４により駆動し、室内の空気を取り込み、室内熱交換器１２へ送り込む。室内熱交換器１２は、内部に冷媒が流通する複数本の伝熱管を有し、送り込まれた空気が複数本の伝熱管の表面に接触して冷媒との間で熱交換を行うように構成されている。室内熱交換器１２により熱交換された空気は、室内へ送出される。

室内機１１は、そのほか、室内温度等を計測するための各種センサや、冷媒を減圧し、膨張させる弁であって、冷媒の流量を制御することが可能な室内膨張弁等を備えることができる。

室外機２０は、圧縮機２１と、四方弁２２と、室外膨張弁２３と、室外熱交換器２４と、室外ファン２５と、室外ファン用駆動モータ２６とを備える。圧縮機２１は、アキュームレータ２７を含み、圧縮機用駆動モータにより駆動し、アキュームレータ２７から低圧のガス冷媒を吸引し、昇圧して高圧のガス冷媒として吐出する。アキュームレータ２７は、過渡時の圧縮機２１への液戻りを防ぎ、液を分離するための容器であり、冷媒を適度な乾き度に調整する。乾き度は、蒸気と微小液滴との混合状態を示す湿り蒸気中における蒸気の占める割合である。

四方弁２２は、空気調和装置１０の運転状態（運転モード）に応じて、冷媒が流れる方向を切り替える弁である。運転モードは、冷房モード、暖房モード、送風モード等である。室外膨張弁２３は、高圧の冷媒を減圧し、膨張させる弁であって、冷媒の流量を制御することが可能な弁である。室外ファン２５は、室外ファン用駆動モータ２６により駆動し、室外の空気を取り込み、室外熱交換器２４へ送り込む。室外熱交換器２４も、室内熱交換器１２と同様、内部に冷媒が流通する複数本の伝熱管を有し、送り込まれた空気が複数本の伝熱管の表面に接触して冷媒との間で熱交換を行うように構成されている。室外熱交換器２４により熱交換された空気は、室外へ送出される。

室外機２０は、制御装置２８をさらに備える。制御装置２８は、圧縮機２１、四方弁２２、室外膨張弁２３、室内ファン用駆動モータ１４、室外ファン用駆動モータ２６と接続され、これらの制御を行う。制御装置２８は、圧縮機２１の回転数、室外膨張弁２３の開度、室内ファン用駆動モータ１４の回転数、室外ファン用駆動モータ２６の回転数等を制御する。制御装置２８は、各種センサにより検出された情報に基づき、これらの制御を行うことができる。

冷房モードでは、室内熱交換器１２を蒸発器とし、室外熱交換器２４を凝縮器として利用し、圧縮機２１、四方弁２２、室外熱交換器２４、室外膨張弁２３、室内熱交換器１２、四方弁２２、アキュームレータ２７、圧縮機２１の順に系内に封入された冷媒を循環させる。暖房モードでは、その反対に、室内熱交換器１２を凝縮器とし、室外熱交換器２４を蒸発器として利用し、圧縮機２１、四方弁２２、室内熱交換器１２、室外膨張弁２３、室外熱交換器２４、四方弁２２、アキュームレータ２７、圧縮機２１の順に系内に封入された冷媒を循環させる。

ここでは、圧縮機２１を備える装置として、空気調和装置１０を例に挙げたが、これに限定されるものではなく、冷凍機やチラーユニット等であってもよい。また、制御装置２８は、室外機２０に限らず、室内機１１が備えていてもよく、室内機１１と室外機２０の両方が備えていてもよく、さらに、室内機１１や室外機２０とは別に、中央制御盤等として設けられていてもよい。

図２は、空気調和装置１０に用いられる圧縮機２１の構成例を示した図である。圧縮機２１は、電動機として、複数のコイルと磁石とを備えるモータ３０、モータ３０により回転する回転軸（シャフト）３１、シャフト３１の回転により冷媒を圧縮する圧縮機構３２、シャフト３１内を通して圧縮機２１が有する摺動部へ供給される潤滑油３３と、モータ３０の各コイルに電流を流すための各矩形波信号を生成する制御手段とを含む。圧縮機２１は、モータ３０、シャフト３１、圧縮機構３２、潤滑油３３を密閉された容器３４内に収納する。

モータ３０は、位相を変えた３つの交流を使用して動作する３相モータであり、複数のコイルとして、３つのコイルを有する中空円筒状の固定子（ステータ）３０ａと、ステータ３０ａ内に回転可能に配設され、磁石として、永久磁石を備える回転子（ロータ）３０ｂとを含む。シャフト３１は、ロータ３０ｂの中心に配設され、ロータ３０ｂの回転に伴って回転する。３相モータのコイルは、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３つのコイルから構成され、シャフト３１を中心とした断面において、各コイルが１２０°ずつずれた位置に配置されている。

圧縮機２１は、制御手段として機能する制御部を備える。制御部は、制御装置２８に実装されていてもよいし、制御装置２８とは別の装置であってもよい。制御部は、商用電源の供給を受けて、交流電流を直流電流に変換し、また、矩形波信号を生成し、変換した直流電流と生成した矩形波信号とに基づき、モータ３０の各コイルに電流を流すために、モータ３０に印加する電圧（パルス波）を生成する。

矩形波信号は、正の任意の電圧Ｖ_ｃｃと０Ｖ等のようなＨｉとＬｏｗの２つのレベルからなり、Ｈｉのときにオン、Ｌｏｗのときにオフが繰り返されるＰＷＭ信号である。ＰＷＭ信号は、オン（オン時間ともいう。）の時、一定の電圧を印加し、コイルに流れる電流を増加させ、オフ（オフ時間ともいう。）の時、電圧の印加を停止し、コイルに流れる電流を減少させ、平均電流が一定になるように制御する信号である。制御部は、ＰＷＭ信号のＤＵＴＹ比を変えることによりコイルに流す電流量を調整することができる。

３つのコイルは、１２０°ずつずれた位置に配置され、ＰＷＭ信号は、１２０°位相のずれた信号であるため、任意の時点では３相のうちの１つの相のコイルに高い電圧がかかってＮ極が発生し、残りの２つの相のコイルは低い電圧となってＳ極が発生することになり、各コイルに発生する極は、時間の経過に伴って変化する。Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の順に１２０°ずれて配置されている場合、Ｎ極が発生するコイルが、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相、Ｕ相、・・・と順に変化することになる。ロータ３０ｂは、永久磁石を有し、永久磁石のＳ極が、Ｎ極が発生したＵ相、Ｖ相、Ｗ相、Ｕ相、・・・の順に引き合うことで一定の方向に回転する。

容器３４は、断面が円形で一方に長い形状の中空の容器であり、その断面の中心の位置にシャフト３１が配設される。シャフト３１は、容器３４の長手方向に沿ってモータ３０から上方と下方の両方へ延び、モータ３０の上方に配設された圧縮機構３２と連結される。シャフト３１は、中空とされ、その下端が圧縮機構３２の下方の、容器３４の底に貯留される潤滑油３３に浸漬される。潤滑油３３は、シャフト３１の回転により中空の内部を通して吸い上げられ、シャフト３１の上端等から圧縮機２１が有する摺動部へ供給される。

圧縮機構３２は、圧縮機２１がスクロール圧縮機である場合、２枚の板状部材を同一形状の渦巻き状に成形した２つの渦巻き体の一方を固定し、他方を円運動させることにより、２つの渦巻き体により仕切られた空間の容積を変化させて冷媒を圧縮する。２つの渦巻き体は、固定する側の渦巻き体が固定スクロールであり、円運動させる側の渦巻き体が揺動スクロールである。冷媒は、吸込口３５から吸い込まれ、圧縮機構３２で圧縮された後、吐出口３６から吐出される。

摺動部は、固定スクロールと揺動スクロールとが接する部分やシャフト３１を回転可能に支持する軸受とシャフト３１とが接する部分等である。潤滑油３３は、摺動部へ供給され、摺動部を潤滑する。余分な潤滑油３３は、軸受に設けられた穴等を介して容器３４の底へ戻される。

潤滑油３３は、固定スクロールと揺動スクロールとの間へ供給されるため、冷媒がそれらの隙間から漏れ出ないように封止するための媒体としても機能し、また、冷媒と相溶性を有し、冷媒に混じって系内（冷媒回路）を循環し、再び圧縮機２１へと戻ってくる。潤滑油３３は、系内を循環している間、室外膨張弁２３等の摺動部を有する部品を潤滑し、配管の継目等の隙間をなくすように封止する。

ここでは、圧縮機２１をスクロール圧縮機として説明したが、圧縮機２１は、同じくモータ３０、シャフト３１、圧縮機構３２、潤滑油３３を容器３４内に収容したロータリ圧縮機等であってもよい。

ところで、上記のオイルフォーミングが発生すると、摺動部への給油が不十分になり、潤滑不良が発生することから、ヒータを用いた方式や電磁誘導加熱の原理を利用した方式により潤滑油３３を加温する必要がある。

そこで、ヒータを用いた方式を用いて加熱することができるが、ヒータを用いた方式は、容器３４の周囲にヒータを設ける必要があり、部品点数が増加し、コスト増となる。これに対し、電磁誘導加熱の原理を利用した方式は、現在圧縮機２１が備える部品等で加熱することができるので、ヒータを用いた方式より安価で提供することができる。このため、電磁誘導加熱の原理を利用した方式のほうが望ましい。

ここで、電磁誘導加熱の原理について簡単に説明する。コイルに高周波の交流電流を流すと、その周りに磁力線が発生する。発生した磁力線の近くに電気を通す金属を配置すると、金属内に磁束の変化を妨げる方向にうず電流が流れる。金属には電気抵抗があるため、電気抵抗を流れるうず電流によりジュール熱が発生し、金属が加熱される。

図３を参照して、電磁誘導加熱の原理を利用した方式の室外機２０の構成例について説明する。室外機２０は、圧縮機２１と、制御装置２８とを含む。室外機２０は、室外熱交換器２４等も含むが、ここでは室外熱交換器２４等を省略する。制御装置２８は、情報処理手段の一例としてＯＤＵ(Out Door Unit)４０と、変換手段の一例としてＩＮＶ(Inverter)４１とを含む。商用電源４２は、ＯＤＵ４０とＩＮＶ４１とに交流電力を供給する。

ＯＤＵ４０は、商用電源４２からの交流電力の供給を受けて起動し、ＰＷＭ信号を生成し、伝送線４３を介してＩＮＶ４１へＰＷＭ信号を出力する。ＩＮＶ４１は、商用電源４２からの交流電力と、ＯＤＵ４０から出力されたＰＷＭ信号とに基づき、圧縮機（ＣＭＰ）２１のモータ３０に印加するパルス波を生成する。

モータ３０は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のコイル４４～４６を含む。ＩＮＶ４１により生成されたパルス波は、モータ３０の各相に印加され、各相のコイル４４～４６へ電流が流れると、上記のように磁力線が発生し、その近くにある金属材料から製作されたロータ３０ｂにうず電流が発生し、ジュール熱が発生してロータ３０ｂが加熱される。

ロータ３０ｂの熱は、ロータ３０ｂに接する、同じく金属材料から製作されたシャフト３１に伝播し、シャフト３１から潤滑油３３に伝播して、潤滑油３３を加温する。潤滑油３３の加温は、潤滑油３３の底へ凝縮する液冷媒を減らし、オイルフォーミングの発生を抑制する。

図４は、ＰＷＭ信号について説明する図である。図４中、Ｖ_ｕは、Ｕ相に印加する所望の電圧波形を示し、Ｖ_ｖは、Ｖ相に印加する所望の電圧波形を示し、Ｖ_ｗは、Ｗ相に印加する所望の電圧波形を示す。これらの所望の電圧波形は、所定のＤＵＴＹ比とするために与えられる電圧波形である。Ｖ_ｃは、三角波である搬送波（キャリア）の電圧波形を示す。

図４は、Ｖ_ｕ、Ｖ_ｖ、Ｖ_ｗの電圧レベルと、Ｖ_ｃの電圧レベルとを比較し、Ｖ_ｕ、Ｖ_ｖ、Ｖ_ｗの電圧レベルがＶ_ｃの電圧レベルより高いとき、Ｕ＋、Ｖ＋、Ｗ＋のＨｉを示し、Ｖ_ｃの電圧レベルより低いとき、Ｕ－、Ｖ－、Ｗ－のＬｏｗを示す。

したがって、所定のＤＵＴＹ比を設定して、所望の電圧波形を与え、キャリアの電圧波形と比較することで、ＨｉとＬｏｗの電圧レベルが繰り返してなる所定のＤＵＴＹ比となるＰＷＭ信号を生成することができる。

図５は、圧縮機２１が備える制御部の構成例を示した図である。制御部５０は、ＩＮＶ４１に含まれる第１の変換回路の一例として電源回路（整流回路ともいう。）５１と、ＩＮＶ４１に含まれる第２の変換回路の一例としてインバータブリッジ回路５２と、ＯＤＵ４０の一例としてマイクロコンピュータ５３とを含む。

整流回路５１は、商用電源４２と接続され、商用電源４２からの交流電力を、整流ダイオード５４や平滑コンデンサ５５等を使用して直流電力に変換する。整流ダイオード５４は、交流電力を直流電力に変換する整流手段の一例であり、平滑コンデンサ５５は、変換した直流電力の電圧を平滑にする平滑化手段の一例である。

インバータブリッジ回路５２は、通電（オン）と非通電（オフ）とを切り替える切替手段の一例としてスイッチング素子５６を含み、整流回路５１からの直流電力と、マイクロコンピュータ５３からのＰＷＭ信号とに基づき、スイッチング素子５６を動作させ、モータ３０に印加する３つのパルス波として電圧（Ｖ_ｕ、Ｖ_ｖ、Ｖ_ｗ）を生成する。スイッチング素子５６は、例えば電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）等である。

マイクロコンピュータ５３は、モータ駆動制御部５７と、加熱制御部５８と、信号生成部５９と、制御切替部６０とを含む。マイクロコンピュータ５３は、プロセッサと、メモリとを少なくとも備え、メモリが制御プログラムを記憶しており、プロセッサがメモリから制御プログラムを読み出して実行することにより、上記のモータ駆動制御部５７等の各機能部を実現する。なお、これらの機能部は、全ての機能部を制御プログラムにより実現してもよいが、一部または全部をＡＳＩＣ(Application Specific Integrated Circuit)等のハードウェアにより実現してもよい。

モータ駆動制御部５７は、モータ３０が駆動中に、制御切替部６０により信号生成部５９と接続され、圧縮機２１の吐出温度や室内温度等を測定する各種センサの測定結果を基に、インバータブリッジ回路５２を構成するスイッチング素子５６に印加するＰＷＭ信号のオン／オフのパルス幅を演算して出力し、モータ３０の駆動を制御する。モータ駆動制御部５７は、演算結果としてＤＵＴＹ比を出力することができる。

加熱制御部５８は、モータ３０が停止中に、制御切替部６０により信号生成部５９と接続され、スイッチング素子５６に印加するＰＷＭ信号のオン／オフのパルス幅を演算し、演算結果としてＤＵＴＹ比を出力して加熱制御を行う。また、加熱制御部５８は、必要に応じて、３相のうちの少なくとも１つのＤＵＴＹ比を調整し、コイルに流れる電流量を調整する。モータ３０の停止中に潤滑油３３を加温するのは、モータ３０の次の起動時に、オイルフォーミングが発生しないようにするためである。

信号生成部５９は、例えばＰＷＭ生成タイマ等であり、モータ駆動制御部５７や加熱制御部５８から出力されたＤＵＴＹ比に基づき、ＰＷＭ信号を生成する。制御切替部６０は、モータ３０を駆動する際、モータ駆動制御部５７と接続するように接続先を切り替え、駆動を停止する際、加熱制御部５８と接続するように接続先を切り替える。

整流回路５１とインバータブリッジ回路５２との間には、整流回路５１からインバータブリッジ回路５２へ入力される直流電流を測定するためのシャント抵抗６１が設けられる。また、平滑コンデンサ５５の電圧を測定することで、直流電圧を測定することができる。モータ３０のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の電圧および電流は、上記の直流電流および直流電圧と、ＰＷＭ信号とに基づいて算出することができる。算出方法については既に知られているため、ここではその詳細については省略する。

電磁誘導加熱の原理を利用した方式により所望の加温を実現するためには、高周波の交流電流を流す必要があるが、上述したように、スイッチング素子５６のスイッチング損失が増加し、放熱フィンを拡張する等のコスト増の対応が必要となる。

これを回避するために、上記の従来の技術では、モータのコイルのインダクタンスによる電流遅れを利用し、疑似的に交流電流を成形して、スイッチング損失を減らしている。

図６を参照して、従来の技術について簡単に説明しておく。この技術では、電流１周期を複数の区間に分割し、ＰＷＭ信号を生成する際に分割した半分の区間をオンとし、残りの半分の区間をオフとする。図６に示す例では、電流１周期を６つの区間に分割し、３つの区間をオン区間とし、残りの３つの区間をオフ区間としている。これにより、５０％ＤＵＴＹのＰＷＭ信号を生成し、オン区間で交流の正側の電流を流し、オフ区間で交流の負側の電流を流す。

このような区間分けを利用し、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相につき、１２０°位相（２区間分）をずらして、各相のＰＷＭ信号を生成する。これにより、スイッチング周期を電流周期まで低減しつつ３相交流電流を生成することができる。

この技術では、３相のうちの１相、すなわちＵ相のみ、ＤＵＴＹ比を５０％から３３．３％へ調整可能とされている。３相のＤＵＴＹ比が全て５０％である場合、Ｕ相とＶ相、Ｖ相とＷ相、Ｗ相とＵ相の非対称のパルス波が重畳されたとき、ハイレベル、中間レベル、ローレベルの３段階のレベルとなり、ハイレベルの持続時間とローレベルの持続時間は同一となる。このため、ハイレベルの持続時間とローレベルの持続時間との差において生じるオフセット電圧は発生しない。

一方、Ｕ相のＤＵＴＹ比を５０％から変更すると、オフセット電圧が発生し、これが直流量として印加されることになる。したがって、加熱量が不足する場合、Ｕ相のＤＵＴＹ比を変更することにより直流量を印加し、銅製のコイルの銅損を増加させて加熱量を確保することができる。銅損は、コイルの抵抗成分により発生する損失である。

このようにして、ＰＷＭ信号のＤＵＴＹ比を調整し、コイルに流れる電流量を調整することができる。

潤滑油３３の加温効果は、永久磁石やコイルの特性、圧縮機停止時の永久磁石の位置により異なる。電波法では、５０Ｗを超える場合は総務大臣の認可が必要とされている。このため、認可を受けることはなく使用するには、永久磁石の位置を変更しながら電力を測定しつつ、電流を調整する必要がある。これでは、幅広い特性のモータを使用した場合、電力の変動が大きくなり、電流の調整も容易ではなくなり、所望の加温を得ることが難しい。

そこで、本実施形態に係る圧縮機２１では、制御装置２８が、３相のコイルと永久磁石との位置関係が所定の位置関係となるように所定の相に電流を流すための矩形波信号を生成し、永久磁石の位置を調整した後、シャフト３１を介して潤滑油３３を加温するための各相に電流を流すための各ＰＷＭ信号を生成する。これにより、モータ３０を駆動する際に、永久磁石が所定の位置になるように位置決めされるため、幅広い特性のモータを使用した場合でも電力の変動が小さくなり、電流の調整も容易になり、所望の加温を得ることができる。

図７を参照して、制御部５０による加熱制御について説明する。制御部５０が備える加熱制御部５８は、圧縮機停止時に、加熱制御を実施する。加熱制御では、潤滑油３３の加温を行う加熱動作の開始前に、所定のコイルに対するＰＷＭ信号を生成し、所定のコイルに電流を流す。所定のコイルは、所定の相のコイルであり、例えばＵ相のコイルである。所定の相のコイルは、Ｕ相に限らず、Ｖ相やＷ相のコイルであってもよい。所定のコイルに流れる電流は、直流電流であり、モータ３０のロータを動かすだけのトルクを与えるものである。

図７では、複数の矩形が配列して示されているが、これは、ＰＷＭ信号のオン時間を示しており、矩形間の空白部分がＰＷＭ信号のオフ時間を示している。加熱動作開始前、Ｕ相のコイルに電流を流すと、Ｕ相がＮ極となり、永久磁石のＳ極と引き合い、Ｕ相に永久磁石のＳ極が近づくようにロータ３０ｂが回転する。

ロータ３０ｂは、その回転の勢いでＵ相を通り過ぎて回転しようとする。このため、Ｕ相に発生するＮ極の磁力と、Ｖ相およびＷ相に発生するＳ極の磁力とを同一にし、その回転を抑制し、所定の位置として、Ｎ極となったＵ相と永久磁石のＳ極が対向する位置で固定されることが望ましい。そこで、Ｕ相のコイルにのみ電流を流し、Ｖ相のコイルとＷ相のコイルには、Ｕ相に流れた電流がＶ相とＷ相とに半分ずつ分岐して流れるようにする。すなわち、図８に示すように、Ｖ相とＷ相には、流れの向きが反対（負）の、Ｕ相の半分の電流が流れるようにする。

具体的には、Ｕ相に電圧を印加するために使用される上段、下段のスイッチング素子５６のうち、上段のみをＰＷＭ信号によりオン／オフ駆動する。Ｖ相、Ｗ相へは、下段のスイッチング素子５６のみをＰＷＭ信号によりオン／オフ駆動する。このように制御することで、所定の位置に永久磁石を固定することができる。

永久磁石を固定したときの位置を加熱動作開始時の位置とし、交流出力のみの３相ＰＷＭ信号を印加し、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のコイルに電流を流し、電磁誘導加熱により潤滑油３３の所望の加温を得ることができる。この場合は、交流出力であるため、Ｕ相のコイルに対する上段、下段の両方のスイッチング素子５６を交互にオン／オフさせ、Ｖ相、Ｗ相も同様に動作させることになる。

図９に示すように、加熱制御部５８は、キャリア信号の３周期でＰＷＭ信号を１つ生成し、モータ３０のコイルに流す交流電流の１周期を形成するように制御する。キャリア信号は、前半と後半に分けて６区間とし、それぞれの区間をＰＷＭ信号のオン／オフの固定区間とする。

Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の６区間の全てをＰＷＭ信号のオン／オフの固定区間であってもよいし、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のいずれか１相の１区間を、任意のタイミングでオン／オフを切り替えるＤＵＴＹ比調整区間とし、電流量の調整を可能としてもよい。なお、ＤＵＴＹ比調整区間においてＤＵＴＹ比を変更することで、直流量を加算することができる。

ただし、交流出力のみの３相ＰＷＭ信号を印加し、もしくはそれに直流量を加算した場合、位置決めしたときの所定の位置に固定した相、例えばＵ相と、その他の２つの相、Ｖ相およびＷ相との間の磁力が釣り合った状態が崩れ、磁力に大小関係が生じ、ロータ３０ｂが回転してしまう。したがって、磁力が釣り合った状態が崩れないようにＤＵＴＹ比を調整する必要がある。

具体的には、固定した相のＤＵＴＹ比を、他の２つのＤＵＴＹ比より小さい値に設定し、その固定した相に直流量を印加する。固定した相がＵ相である場合、Ｕ相に直流量を印加することで、Ｕ相にＮ極を発生させることができるため、永久磁石のＳ極を、Ｕ相のコイルに対向した位置に固定することができる。

図１０は、本加熱制御の流れの一例を示したフローチャートである。本加熱制御による潤滑油３３の加温は、モータ３０が停止した段階から開始することができるが、モータ３０が停止中の任意の時期に開始してもよいし、モータ３０の停止中の外気温度が第１の閾値より低くなった場合に開始してもよい。モータ３０が停止中の任意の時期としては、潤滑油３３の温度を測定するセンサ等を備える場合、そのセンサ等により潤滑油３３の温度が第２の閾値より低くなった時を一例として挙げることができる。

ステップ１００から開始し、ステップ１０１では、加熱制御部５８は、３相のコイルと永久磁石との位置関係が所定の位置関係となるように、所定の相に対するスイッチング素子５６に印加するＰＷＭ信号のＤＵＴＹ比を設定し、信号生成部５９が、ＤＵＴＹ比に基づき、所定の相に対するＰＷＭ信号を生成する。

ステップ１０２で、インバータブリッジ回路５２が整流回路５１からの直流電力と、信号生成部５９から入力されたＰＷＭ信号とに基づき、所定の相のパルス波を生成し、モータ３０の所定の相に印加し、３相のコイルとロータの永久磁石との位置関係が所定の位置関係になるように、永久磁石の位置決めを行う。例えば、永久磁石のＳ極が、所定の相としてＵ相のコイルに対向する位置となるように、永久磁石の位置決めを行う。

永久磁石の位置決めが完了した段階で、加熱動作を開始し、ステップ１０３で、加熱制御部５８が、３相のスイッチング素子５６に印加するＰＷＭ信号のＤＵＴＹ比を設定し、信号生成部５９が、ＤＵＴＹ比に基づき、３相に対するＰＷＭ信号を生成する。

ステップ１０４で、インバータブリッジ回路５２が整流回路５１からの直流電力と、信号生成部５９から入力されたＰＷＭ信号とに基づき、３相のパルス波を生成し、３相コイルに入力し、３相コイルにおいて交流電流が流れ、電磁誘導加熱によりシャフト３１を介して潤滑油３３を加温する。

加熱制御部５８による制御は、制御切替部６０により信号生成部５９との接続を、加熱制御部５８からモータ駆動制御部５７へ切り替えるまで実施される。

図１１は、加熱動作前の準備動作における各相に流す電流の別の例について説明する図である。図１１（ａ）は、図８と同様に、Ｕ相に正の電流、Ｖ相、Ｗ相に流れの向きが逆の、それぞれにＵ相の半分の負の電流を流すパターンを示し、図１１（ｂ）は、Ｕ相、Ｖ相に正の電流、Ｗ相にＵ相の２倍の負の電流を流すパターンを示す。

図１１（ｃ）は、Ｖ相に正の電流、Ｕ相、Ｗ相にＶ相の半分の負の電流を流すパターンを示し、図１１（ｄ）は、Ｕ相に負の電流、Ｖ相、Ｗ相にＵ相の半分の正の電流を流すパターンを示す。図１１（ｅ）は、Ｗ相に正の電流、Ｕ相、Ｖ相にＷ相の半分の負の電流を流すパターンを示し、図１１（ｆ）は、Ｖ相に負の電流、Ｕ相、Ｗ相にＶ相の半分の正の電流を流すパターンを示す。

これらのいずれのパターンで電流を流しても、永久磁石の位置を所定の位置に固定することができる。

以上に説明してきたように、本発明の圧縮機、空気調和装置および加熱方法を提供することにより、幅広い特性のモータを使用することができ、安価で提供することが可能となる。また、加熱動作において電力の変動が少なく、電流量の調整が容易であり、所望の加熱を実現することができる。

これまで本発明の圧縮機、空気調和装置および加温方法について上述した実施形態をもって詳細に説明してきたが、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、他の実施形態や、追加、変更、削除など、当業者が想到することができる範囲内で変更することができ、いずれの態様においても本発明の作用・効果を奏する限り、本発明の範囲に含まれるものである。

１０…空気調和装置
１１…室内機
１２…室内熱交換器
１３…室内ファン
１４…室内ファン用駆動モータ
２０…室外機
２１…圧縮機
２２…四方弁
２３…室外膨張弁
２４…室外熱交換器
２５…室外ファン
２６…室外ファン用駆動モータ
２７…アキュームレータ
２８…制御装置
３０…モータ
３０ａ…ステータ
３０ｂ…ロータ
３１…シャフト
３２…圧縮機構
３３…潤滑油
３４…容器
３５…吸込口
３６…吐出口
４０…ＯＤＵ
４１…ＩＮＶ
４２…商用電源
４３…伝送線
４４～４６…コイル
５０…制御部
５１…整流回路
５２…インバータブリッジ回路
５３…マイクロコンピュータ
５４…整流ダイオード
５５…平滑コンデンサ
５６…スイッチング素子
５７…モータ駆動制御部
５８…加熱制御部
５９…信号生成部
６０…制御切替部
６１…シャント抵抗

Claims

複数の巻線と磁石とを備える電動機と、
前記電動機により回転する回転軸と、
前記回転軸の回転により流体を圧縮する圧縮機構と、
前記回転軸内を通して圧縮機が有する摺動部へ供給される潤滑油と、
電磁誘導加熱により前記電動機に発生した熱を、前記回転軸を介して前記潤滑油へ伝播させて該潤滑油を加温するために、前記電動機の巻線に電流を流すための矩形波信号を生成する制御手段と
を含み、
前記制御手段は、加熱動作を開始する前に、前記磁石のＮ極またはＳ極が前記複数の巻線のうちの所定の巻線と対向する位置となるように、前記所定の巻線に対する矩形波信号を生成し、前記磁石の位置を調整し、調整した前記位置を加熱動作開始時の位置として位置決めした後、前記回転軸を介して前記潤滑油を加温するために前記各巻線に対する矩形波信号を生成する、圧縮機。
前記制御手段は、通電と非通電とを切り替える複数の切替手段を含み、前記磁石の位置を調整する際に、前記矩形波信号に基づき、動作させる前記切替手段を切り替え、前記複数の巻線に流れる電流量を変更する、請求項１に記載の圧縮機。
前記制御手段は、前記圧縮機が停止し、前記潤滑油を加温する加熱動作毎に、動作させる前記切替手段を切り替える、請求項２に記載の圧縮機。
前記制御手段は、前記磁石の位置を調整した後、前記各矩形波信号の周期が前記各巻線に流れる電流の周期と等しくなるように該各矩形波信号を生成する、請求項１に記載の圧縮機。
前記制御手段は、前記矩形波信号のうちの少なくとも１つのデューティ比を調整する、請求項４に記載の圧縮機。
前記制御手段は、
商用電源からの交流電力を直流電力に変換する第１の変換手段と、
前記直流電力と、前記矩形波信号とに基づき、前記電動機の巻線に電流を流すために該電動機に印加する電圧を生成する第２の変換手段と、
前記電動機に印加する電圧を生成するための矩形波信号を生成する信号生成手段と、
前記矩形波信号を生成するためのデューティ比を設定する加熱制御手段と
を含む、請求項１に記載の圧縮機。
圧縮機を含む空気調和装置であって、前記圧縮機が、
複数の巻線と磁石とを備える電動機と、
前記電動機により回転する回転軸と、
前記回転軸の回転により流体を圧縮する圧縮機構と、
前記回転軸内を通して圧縮機が有する摺動部へ供給される潤滑油と、
電磁誘導加熱により前記電動機に発生した熱を、前記回転軸を介して前記潤滑油へ伝播させて該潤滑油を加温するために、前記電動機の巻線に電流を流すための矩形波信号を生成する制御手段と
を含み、
前記制御手段は、加熱動作を開始する前に、前記磁石のＮ極またはＳ極が前記複数の巻線のうちの所定の巻線と対向する位置となるように、前記所定の巻線に対する矩形波信号を生成し、前記磁石の位置を調整し、調整した前記位置を加熱動作開始時の位置として位置決めした後、前記回転軸を介して前記潤滑油を加温するために前記各巻線に対する矩形波信号を生成する、空気調和装置。
複数の巻線と磁石とを備える電動機と、前記電動機により回転する回転軸と、前記回転軸の回転により流体を圧縮する圧縮機構と、前記回転軸内を通して圧縮機が有する摺動部へ供給される潤滑油と、前記回転軸を介して前記潤滑油を加温するために、前記電動機の巻線に電流を流すための矩形波信号を生成する制御手段とを含む、圧縮機において、前記潤滑油を加温する方法であって、
前記制御手段が、加熱制御を開始する前に、前記磁石のＮ極またはＳ極が前記複数の巻線のうちの所定の巻線と対向する位置となるように、前記所定の巻線に対する矩形波信号を生成するステップと、
前記磁石の位置を調整し、調整した前記位置を加熱動作開始時の位置として位置決めした後、前記制御手段が、前記回転軸を介して前記潤滑油を加温するために前記各巻線に対する矩形波信号を生成するステップと、
前記各巻線に対する矩形波信号により生成された電圧を前記電動機に印加し、電磁誘導加熱により前記電動機に発生した熱を、前記回転軸を介して前記潤滑油へ伝播させて該潤滑油を加温するステップと
を含む、加温方法。