JP7438373B2 - 冷凍空調装置 - Google Patents

Description

本開示は、除霜運転を行う冷凍空調装置に関する。

冷凍空調装置では、熱源側の熱交換器に霜がついた際に生じる空調能力の低下を回復させるため、暖房運転中に熱源側の熱交換器を加温して霜を溶かす除霜運転が行われる。除霜運転では、熱源側の熱交換器を加熱するため、熱源側の熱交換器において熱エネルギーが消費されることとなる。

除霜運転中には、液バック現象という圧縮機に液冷媒が吸入される現象が生じることが知られている。特許文献１には、除霜運転中の液バック現象を防止するため、インバータにより冷媒を加熱する方法が開示されている。また、除霜運転中のインテリジェントパワーモジュールのヒートショックを抑制するため、インテリジェントパワーモジュールのインバータを加熱する方法も知られている。

国際公開第２０２０／００８６２０号

除霜運転では、熱源側の熱交換器を加熱するために熱エネルギーが消費されることとなるため、利用側の熱交換器の温度は低下する。本来冷凍空調装置は、暖房運転時において、熱源側の熱交換器を蒸発器として温度を低下させ、利用側の熱交換器を凝縮器として温度を上昇させるヒートポンプとして機能させるものである。従って、利用側の熱交換器の温度を低下させる除霜運転は、ヒートポンプとしての機能を一時後退させることとなり、利用者には望ましくない状態である。そのため、除霜運転は、出来るだけ短時間であり、且つ、温度変化が少ないことが望まれる。

これまで、除霜に関する技術については、多く検討されているものの、加熱量の増加と結びつけられたものは少ない。例えば、特許文献１の方法は、除霜運転中の液バック現象という特殊な環境条件を防止するためにインバータを加熱する方法であり、一般的な除霜条件において、冷凍空調装置の性能を改善しようとするものではない。また、インテリジェントパワーモジュールを加熱する方法は、インバータの冷却方法として冷媒を用いた方法を採用している場合にのみ有効となる技術であり、且つ、インバータの発熱量を制御するため除霜運転自体の改善には必ずしもならない。

本開示は、上記課題を解決するためになされたものであり、除霜により暖房能力が低下している時間を短縮することができる冷凍空調装置を提供することを目的とする。

本開示に係る冷凍空調装置は、圧縮機、第１熱交換器、絞り装置、第２熱交換器、及び、四方弁が配管にて結合され、冷媒が循環している冷媒回路と、圧縮機の温度を計測する温度センサと、圧縮機に内蔵されたモータと、モータを制御するインバータと、インバータに設けられ、第１熱交換器の除霜運転において、温度センサの計測値の低下を検出すると、圧縮機の温度を上昇させる発熱制御手段と、を備え、発熱制御手段は、圧縮機の温度を上昇させる制御を、第１熱交換器の除霜運転において、温度センサの計測値の低下の開始を検出すると開始し、第１熱交換器の除霜運転後において、温度センサの計測値が、第１熱交換器の除霜運転が開始する前に温度センサにより検出された温度センサの計測値と同じになると停止するものである。

本開示に係る冷凍空調装置によれば、圧縮機の温度が所定値以下になると圧縮機の温度を上昇させる制御を行うことで、圧縮機から吐出される冷媒温度の低下が緩和される。このため、第１熱交換器における除霜運転を早期に完了させ、且つ、除霜運転後、第２熱交換器において暖房能力が低下した状態の時間を短縮させることができる。

実施の形態１に係る冷凍空調装置の回路構成図である。 実施の形態１に係る冷凍空調装置の暖房運転時の冷媒回路図である。 実施の形態１に係るインバータの構成を説明する回路構成図である。 実施の形態１に係る励磁電流指令作成部の構成を示す回路構成図である。 実施の形態１に係る発熱制御手段の構成を示す回路構成図である。 比較例に係る冷凍空調装置における圧縮機の吐出温度と、圧縮機の電流と、時間との関係を示すグラフである。 実施の形態１に係る冷凍空調装置における圧縮機の吐出温度と、圧縮機の電流と、時間との関係を示すグラフである。 実施の形態１に係る冷凍空調装置の除霜運転における処理のフローチャートである。 実施の形態２に係る冷凍空調装置の回路構成図である。 実施の形態２に係る冷凍空調装置における圧縮機の吐出温度と、圧縮機の電流と、時間との関係を示すグラフである。

実施の形態１．
以下、本実施の形態１に係る冷凍空調装置１００について説明する。なお、以下の図面では各構成部材の大きさの関係が実際のものとは異なる場合がある。また、以下の図面において、同一の符号を付したものは、同一又はこれに相当するものであり、このことは明細書の全文において共通することとする。更に、明細書全文に表わされている構成要素の形態は、あくまでも例示であって、これらの記載に限定されるものではない。

＜冷凍空調装置の構成＞
図１は、実施の形態１に係る冷凍空調装置１００の回路構成図である。図１に示すように、冷凍空調装置１００は、圧縮機１、第１熱交換器２、絞り装置３、第２熱交換器４、四方弁５、及び、アキュムレータ６が配管１０１により結合され、冷媒が循環する冷媒回路を有する。冷凍空調装置１００は、温度センサ３０及び制御装置１５を有する。

圧縮機１は、冷媒を吸入し、圧縮して、高温及び高圧の状態にして吐出する。圧縮機１は、容量制御可能なインバータ圧縮機などで構成されている。圧縮機１には、モータ１１が内蔵されてしている。モータ１１は、圧縮機１の圧縮機構部（図示せず）を駆動させ、圧縮機１の動力を発生させるものである。モータ１１は、インバータ２０と電気的に接続されている。モータ１１は、インバータ２０により駆動が制御されている。モータ１１は、冷媒と接触している接触面１１ａとなる図示せぬ巻線および鉄心を有し、それぞれ冷媒との間で熱的エネルギーを収受する機構となっている。インバータ２０には、発熱制御手段２１が設けられている。

第１熱交換器２、及び、第２熱交換器４は、冷媒と、空気などの熱媒体とで熱交換をさせるものである。第１熱交換器２、及び、第２熱交換器４は、例えば、フィンチューブ型の熱交換器である。第１熱交換器２は、例えば、室外に配置されている。第２熱交換器４は、例えば、室内に配置されている。冷凍空調装置１００が冷房運転をしている時は、第１熱交換器２が凝縮器として機能する。冷凍空調装置１００が暖房運転をしている時は、第１熱交換器２が蒸発器として機能する。以下では、第１熱交換器２が室外に配置され、第２熱交換器４が室内に配置された例について説明する。

絞り装置３は、冷媒を膨張及び減圧させるものである。絞り装置３は、例えば、電子式膨張弁など開度を任意に制御することができる装置である。絞り装置３の開度は、例えば、制御装置１５により制御されている。絞り装置３は、第１熱交換器２と、第２熱交換器４との間に接続されている。絞り装置３は、第１熱交換器２、又は、第２熱交換器４のうち、凝縮器として機能している一方の熱交換器から流出した冷媒を低温及び低圧の状態として蒸発器として機能している他方の熱交換器に流入させる。冷凍空調装置１００が冷房運転をしている時は、第１熱交換器２から流出した冷媒が絞り装置３に流入し、低温及び低圧の状態となって、第２熱交換器４に流入する。

四方弁５は、暖房時の冷媒の流れ方向と、冷房時の冷媒の流れ方向とを切り替える機能を有する。四方弁５の動作は、例えば、制御装置１５により制御されている。四方弁５は、圧縮機１の吐出側が、第１熱交換器２と第２熱交換器４とのうち、凝縮器として機能している熱交換器に接続するように冷媒の流路を切り替える。アキュムレータ６は、余剰冷媒を貯留するものである。

温度センサ３０は、圧縮機１から吐出される冷媒の温度を検出する。温度センサ３０は、圧縮機１の吐出口１ａに取り付けられている。温度センサ３０は、例えば、圧縮機１と四方弁５とを接続している配管１０１に設けられている。温度センサ３０で計測された温度の情報は、制御装置１５のモード判断部２２に入力される。

制御装置１５は、温度センサ３０で計測された温度の情報に基づきインバータ２０における動作モードを判断するモード判断部２２を有する。動作モードは、通常のモードである高効率運転モード、及び、除霜運転時に実行される加熱優先運転モードを含む。

高効率運転モードは、通常の運転モードであり、エネルギー効率を最適化して冷凍空調装置１００の運転を行うモードである。高効率運転モードには、公知の方法を採用することができる。加熱優先運転モードは、モータ１１の力率を意図的に低下させ、圧縮機１の電流を増加させることでモータ１１の発熱量を増加させる運転である。高効率運転モードによる除霜運転において、温度センサ３０の計測値が低下すると、運転モードが加熱優先運転モードとなり、圧縮機１の温度を上昇させる制御が行われる。加熱優先運転モードにおいては、定格電流Ｉ［Ａ］を超えない範囲で所望の加熱量が得られる電流で運転される。なお、モータ１１においては、巻線抵抗Ｒ［Ω］、定格入力Ｐ［Ｗ］、及び、定格電流Ｉ［Ａ］の関係が０．００１＜（３＊Ｉ＊Ｉ＊Ｒ）／Ｐを満足するモータ１１が使用されることが望ましい。上式カッコ内（３＊Ｉ＊Ｉ＊Ｒ）はモータ１１の巻線が発する定格発熱量［Ｗ］を示しており、モータ１１の出力に対する発熱比率が０．００１に満たない高効率モータでは巻線の発熱による液冷媒の加熱効果がほとんど無いことがその理由となる。

モード判断部２２は、動作モードに応じたモード信号を生成する。モード判断部２２で生成されたモード信号は、インバータ２０に入力の発熱制御手段２１における処理に用いられる。モード判断部２２から入力されるモード信号により、発熱制御手段２１が発停する。発熱制御手段２１の詳細については後述する。

制御装置１５は、マイクロコンピュータを有している。マイクロコンピュータは、例えば、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）などの制御演算処理装置を有する。マイクロコンピュータは、入出力を管理するＩ／Ｏポートを有する。マイクロコンピュータは、図示していない記憶部を有する。記憶部は、データを一時的に記憶できるランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）などの揮発性記憶装置及び、ハードディスク、データを長期的に記憶できるフラッシュメモリなど不揮発性の補助記憶装置などである。記憶部は、制御演算処理装置が行う処理手順をプログラムとしてデータを有する。制御演算処理装置がプログラムのデータに基づいて処理を実行し、各部の処理が実現される。

冷凍空調装置１００は、制御装置１５の制御により、冷房運転、暖房運転、及び、除霜運転を行う。制御装置１５は、四方弁５の動作を制御し、冷媒の流れ方向を切り替えることにより、冷房運転、暖房運転、又は、除霜運転のいずれかを実行する。

＜冷房運転＞
冷凍空調装置１００の冷房運転では、第１熱交換器２が凝縮器として機能し、第２熱交換器４が蒸発器として機能する。図１に示すように、冷房運転においては、圧縮機１により圧縮され高温且つ高圧のガス状態となった冷媒が、圧縮機１から吐出され、四方弁５を通過して、凝縮器として作用する第１熱交換器２に流入する。ガス状態の冷媒は、第１熱交換器２において室外空気と熱交換して凝縮し、液化する。液状態の冷媒は、絞り装置３に流入し、絞り装置３において膨張及び減圧されて低温且つ低圧の気液二相状態の冷媒となる。気液二相状態の冷媒は、蒸発器として作用する第２熱交換器４に流入し、第２熱交換器４において、室内空気と熱交換して蒸発し、ガス化する。このとき、室内空気が冷やされ、室内において冷房が実施される。蒸発した低温且つ低圧のガス状態の冷媒は、四方弁５を通過して、圧縮機１に吸入される。

＜暖房運転＞
図２は、実施の形態１に係る冷凍空調装置１００の暖房運転時の冷媒回路図である。暖房運転では、第１熱交換器２が蒸発器として機能し、第２熱交換器４が凝縮器として機能する。図２に示すように、暖房運転では、圧縮機１により圧縮され高温且つ高圧のガス状態になった冷媒は、圧縮機１から吐出され、四方弁５を通過して、凝縮器として作用する第２熱交換器４に流入する。ガス状態の冷媒は、第２熱交換器４において、室内空気と熱交換されて凝縮し、液化する。このとき、室内空気が暖められ、室内において暖房が実施される。液状態の冷媒は、絞り装置３に流入し、絞り装置３において膨張及び減圧されて低温且つ低圧の気液二相状態の冷媒となる。そして、気液二相状態の冷媒は、蒸発器として作用する第１熱交換器２に流入し、第１熱交換器２において、室外空気と熱交換されて蒸発してガス化する。蒸発した低温且つ低圧のガス状態の冷媒は、四方弁５を通過して、圧縮機１に吸入される。

暖房運転において、第１熱交換器２が低温の外部の空気に放熱を行うことで第１熱交換器２が外部の気温よりも低い温度に保たれる。暖房が継続して実施されると、外部の空気に含まれる水分が第１熱交換器２に付着して、霜が発生する場合がある。冷凍空調装置１００は、第１熱交換器２で発生した霜が成長し、第１熱交換器２の通風抵抗が上昇して、熱交換効率が低下することを防止するため、除霜運転を行う。除霜運転は、例えば、定期的に行われる。除霜運転は、除霜運転開始の条件を満たすと行う構成であってもよい。除霜運転開始の条件は、例えば、外気温が所定の温度になったことでよい。除霜運転のタイミングは、特に限定されない。

＜除霜運転＞
除霜運転では、冷媒が冷房運転時の流れ方向になるように四方弁５が切り替えられ、図１で示す冷媒回路の構成となる。除霜運転においては、圧縮機１から吐出された高温及び高圧のガス冷媒は、四方弁５を介し、第１熱交換器２に流入する。このとき、第１熱交換器２に付着した霜は、高温及び高圧のガス冷媒から受熱し、溶かされる。液状態の冷媒は、第１熱交換器２から流出し、絞り装置３、第２熱交換器４、及び、四方弁５を通過して、圧縮機１に吸入される。除霜運転は、例えば、一定の時間継続される。除霜運転は、除霜運転終了の条件を満たすと終了し、暖房運転が再開される。除霜運転終了の条件は、例えば、一定の時間でよく、除霜運転終了の条件は、特に限定されない。

＜インバータの構成＞
図３は、実施の形態１に係るインバータ２０の構成を説明する回路構成図である。インバータ２０では、制御回路４１に入力される温度センサ３０の計測値に基づき、電流制御における応答を向上させている。図３に示すように、インバータ２０は、制御装置１５及び圧縮機１に電気的に接続されており、電力変換部４０と、制御回路４１とを有する。発熱制御手段２１は、インバータ２０の制御回路４１に設けられている。

電力変換部４０は、制御回路４１で生成された電圧指令に基づき、モータ１１に電力を供給する。電力変換部４０は、電力変換を行うＩＧＢＴなどのスイッチング素子をはじめとする半導体素子を搭載した回路である。電力変換部４０のスイッチング素子は、電圧指令に基づきスイッチング動作を行う。

電流センサ４２ａ、及び、電流センサ４２ｂは、電力変換部４０からモータ１１に供給されるＵ相電流Ｉｕ、及び、Ｖ相電流Ｉｖを検出するために設けられている。電流センサ４２ａ、及び、電流センサ４２ｂで検出されたＵ相電流Ｉｕ、及び、Ｖ相電流Ｉｖの値は、制御回路４１に入力される。

制御回路４１は、電力変換部４０に入力される電圧指令を生成する回路である。制御回路４１は、ｄｑ変換部５０と、逆ｄｑ変換部５５と、位置速度推定部５１と、速度制御部５２と、励磁電流指令作成部５３と、電流制御部５４とを有する。発熱制御手段２１は、励磁電流指令作成部５３に設けられている。

制御回路４１は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）などの制御演算処理装置を備えたマイクロコンピュータを有する。制御回路４１は、入出力を管理するＩ／Ｏポートを有する。マイクロコンピュータは、図示していない記憶部を有する。記憶部は、データを一時的に記憶できるランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）などの揮発性記憶装置及び、ハードディスク、データを長期的に記憶できるフラッシュメモリなど不揮発性の補助記憶装置などである。記憶部は、制御演算処理装置が行う処理手順をプログラムとしてデータを有する。制御演算処理装置がプログラムのデータに基づいて処理を実行し、各部の処理が実現される。

ｄｑ変換部５０は、電流センサ４２ａ、及び、電流センサ４２ｂから入力されたＵ相電流Ｉｕ、及び、Ｖ相電流Ｉｖの情報を、ｄ－ｑ軸の電流情報である励磁電流Ｉｄ及びトルク電流Ｉｑに変換する。逆ｄｑ変換部５５は、ｄ－ｑ軸上の電圧指令であるｄ軸電圧指令Ｖｄ＊、及び、ｑ軸電圧指令Ｖｑ＊を交流の電圧指令に変換する。位置速度推定部５１は、ｄ軸電圧指令Ｖｄ＊、ｑ軸電圧指令Ｖｑ＊、励磁電流Ｉｄ、及び、トルク電流Ｉｑから、モータ１１の回転位置θ及び回転速度ωを推定する。速度制御部５２、励磁電流指令作成部５３、及び、電流制御部５４は、それぞれ、モータ１１の回転速度ωを制御する。

インバータ２０は、圧縮機１のモータ１１の回転速度ωが、制御装置１５から入力された速度指令ω＊に一致する様にモータ１１の駆動を制御する。一般に使用される密閉型の圧縮機１は、モータ１１が高温且つ高圧の冷媒に晒されることから、回転センサを内蔵していないため、圧縮機１に流れる電流情報を用いて、モータ１１の回転位置及び回転速度を推定してモータ１１が運転されている。インバータ２０は、モータ１１に流れる電流情報を用いてモータ１１の回転位置θ及び回転速度ωの情報を推定するセンサレスベクトル制御によりモータ１１の駆動を制御している。

センサレスベクトル制御では、位置速度推定部５１の出力するθを用いてｄｑ変換及び逆ｄｑ変換を行う。また、センサレスベクトル制御では、位置速度推定部５１の出力する回転速度ωを用いて速度制御が行われる。回転速度ωは、速度制御部５２において、速度指令ω＊と比較され、その結果に基づきトルク電流指令Ｉｑ＊が生成される。

トルク電流指令Ｉｑ＊は、積分器を内包する速度制御部５２により、回転速度ωが速度指令ω＊に定常的に一致する値に維持される。トルク電流指令Ｉｑ＊は、励磁電流指令作成部５３で作成された励磁電流指令Ｉｄ＊とともに電流制御部５４に入力される。励磁電流指令作成部５３の詳細は後述する。

電流制御部５４では、励磁電流指令Ｉｄ＊に励磁電流Ｉｄが一致するようなｄ軸電圧指令Ｖｄ＊が生成され、トルク電流指令Ｉｑ＊にトルク電流Ｉｑが一致するようなｑ軸電圧指令Ｖｑ＊が生成される。

電流制御部５４で生成されたｄ軸電圧指令Ｖｄ＊、及び、ｑ軸電圧指令Ｖｑ＊は、逆ｄｑ変換部５５にて交流の電圧指令に変換される。逆ｄｑ変換部５５にて変換された交流の電圧指令に基づき、電力変換部４０から電圧が発生されて、モータ１１が所定の回転数で運転される。

＜励磁電流指令作成部５３の構成＞
図４は、実施の形態１に係る励磁電流指令作成部５３の構成を示す回路構成図である。図４に示すように、励磁電流指令作成部５３は、高効率な励磁電流指令Ｉｄｈ＊を演算する高効率制御部６０と、加熱用の励磁電流指令Ｉｄｍ＊を演算する発熱制御手段２１と、セレクタ６１とを有する。

セレクタ６１は、制御装置１５のモード判断部２２で生成されたモード信号ＭＯＤＥに基づき、高効率な励磁電流指令Ｉｄｈ＊及び加熱用の励磁電流指令Ｉｄｍ＊のいずれを出力するか選択する。そして、励磁電流指令Ｉｄ＊として出力する。

ここで、励磁電流指令Ｉｄ＊は、モータ１１の力率を制御する操作量である。一般に、力率は、電流が最大、又は、最小となるように設定されている。実施の形態１の励磁電流指令作成部５３は、力率が、モード信号ＭＯＤＥ、トルク電流指令Ｉｑ＊、及び、圧縮機１の吐出温度Ｔｄによって変化する様に制御する。励磁電流指令Ｉｄ＊は、モード信号ＭＯＤＥが、高効率運転モードが定義されたモード信号ＭＯＤＥであると、Ｕ相電流Ｉｕ及びＶ相電流Ｉｖが最小となるように励磁電流指令Ｉｄ＊が出力する。励磁電流指令Ｉｄ＊は、モード信号ＭＯＤＥが、加熱優先運転モードが定義されたモード信号ＭＯＤＥであると、Ｕ相電流Ｉｕ及びＶ相電流Ｉｖが、あらかじめ定められた最大電流値Ｉｍａｘとなるような励磁電流指令Ｉｄ＊を出力する。

高効率制御部６０は、トルク電流指令Ｉｑ＊に基づき、Ｕ相電流Ｉｕ、及び、Ｖ相電流Ｉｖを最小とする高効率な励磁電流指令Ｉｄｈ＊を出力する。

発熱制御手段２１は、トルク電流指令Ｉｑ＊、及び、圧縮機１の吐出温度Ｔｄに基づき、Ｕ相電流Ｉｕ、及び、Ｖ相電流Ｉｖを定められた最大電流値Ｉｍａｘとする加熱用の励磁電流指令Ｉｄｍ＊を算出する。

セレクタ６１は、高効率運転モードが定義されたモード信号ＭＯＤＥが入力されると、高効率制御部６０から出力された高効率な励磁電流指令Ｉｄｈ＊を励磁電流指令Ｉｄ＊として出力する。

セレクタ６１は、加熱優先運転モードが定義されたモード信号ＭＯＤＥが入力されると、発熱制御手段２１から出力された加熱用の励磁電流指令Ｉｄｍ＊を励磁電流指令Ｉｄ＊として出力する。つまり、インバータ２０の発熱制御手段２１は、モータ１１における励磁電流指令Ｉｄｍ＊を制御量として、発熱制御を行う。

＜発熱制御手段の構成＞
図５は、実施の形態１に係る発熱制御手段２１の構成を示す回路構成図である。図５に示すように、発熱制御手段２１は、電流上限演算部７０と、リミッタ７１と、を有する。

電流上限演算部７０は、圧縮機１の吐出温度Ｔｄと、圧縮機１の吐出温度上限値Ｔｄｍａｘとに基づき、電流上限値Ｉ＿ｌｉｍを演算する。リミッタ７１は、電流上限値Ｉｌｉｍに基づき加熱用の励磁電流指令Ｉｄｍ＊を制限する。

次に、図４及び図５を参照しながら、励磁電流指令作成部５３における処理について説明する。励磁電流指令作成部５３は、高効率運転モードと加熱優先運転モードが定義されているＭＯＤＥ信号、トルク電流指令Ｉｑ＊、及び、圧縮機１の吐出温度Ｔｄに基づき、励磁電流指令Ｉｄ＊を作成する。

励磁電流指令作成部５３では、トルク電流指令Ｉｑ＊が、高効率な励磁電流指令Ｉｄｈ＊を算出する高効率制御部６０及び加熱用の励磁電流指令Ｉｄｍ＊を算出する発熱制御手段２１に入力される。そして、セレクタ６１によりモード信号ＭＯＤＥに基づき、高効率な励磁電流指令Ｉｄｈ＊、又は、加熱用の励磁電流指令Ｉｄｍ＊のいずれを励磁電流指令Ｉｄ＊とするかが選択される。

高効率制御部６０では、例えば、Ｕ相電流Ｉｕ、及び、Ｖ相電流Ｉｖが最小となるような励磁電流指令Ｉｄ＊が生成される。高効率制御部６０は、公知の構成を取り得る。

発熱制御手段２１では、トルク電流指令Ｉｑ＊とあらかじめ定められた最大電流値Ｉｍａｘとに基づき、以下の数式１により仮の加熱用励磁電流指令Ｉｄｍ０＊が算出される。最大電流値Ｉｍａｘは、上述のように、電流上限演算部７０において、圧縮機１の吐出温度Ｔｄと圧縮機１の吐出温度上限値Ｔｄｍａｘとに基づき算出される。

そして、リミッタ７１において、電流上限値Ｉｌｉｍにより仮の加熱用励磁電流指令Ｉｄｍ０＊の絶対値が制限されて、加熱用の励磁電流指令Ｉｄｍ＊が求められる。求められた加熱用の励磁電流指令Ｉｄｍ＊は、吐出温度上限値Ｔｄｍａｘ及び最大電流値Ｉｍａｘにより上限が管理された励磁電流指令Ｉｄ＊として励磁電流指令作成部５３から出力される。出力された励磁電流指令Ｉｄ＊は、電流制御部５４を介して逆ｄｑ変換部５５に入力され、逆ｄｑ変換部５５で変換された電圧指令により電力変換部４０から電圧が発生されて、モータ１１が所定の回転数で運転される。

＜除霜運転における制御（比較例）＞
図６は、比較例に係る冷凍空調装置における圧縮機１の吐出温度と、圧縮機１の電流と、時間との関係を示すグラフである。図６は、比較例に係る冷凍空調装置の暖房～除霜～暖房の運転状態を示している。図６において、縦軸は、吐出温度及び圧縮機１の電流を示し、横軸は、時間を示している。また、図６において、実線は圧縮機１の吐出温度、点線は圧縮機電流を示している。図６に示すように、比較例においては、暖房運転及び除湿運転の双方において、通常のモードである高効率運転モードにより動作する。

図６の（１）の区間は、暖房運転から除霜運転に切り替えた直後である。この区間では、暖房運転時に高温化した第２熱交換器４の冷媒が圧縮機１に逆流するため、圧縮機１の吐出温度は、やや上昇する。

その後、図６のＡ点を過ぎた（２）の区間では、圧縮機１自体のもつ熱が第１熱交換器２の霜取りのために消費されることで、低温の冷媒が圧縮機１に吸入されることとなる。これにより、圧縮機１自体の熱が冷媒に奪われ、吐出温度が低下する。除湿運転中は、冷媒の温度低下により冷媒の圧力も低下するため、圧縮機１の電流も、暖房時よりも低下する。除霜運転は、霜が融解するまで、又は、一定の時間行われるまで継続される。

図６のＢ点では、除霜運転が終了し、四方弁５が、再度、図２の状態に示す暖房運転の状態に切り替えられ、暖房運転が再開される。除霜運転から暖房運転に切り替わった直後の図６の（３）の区間では、圧縮機１の熱エネルギーが除霜に使われたため、圧縮機１の吐出温度が、除霜運転前の圧縮機１の吐出温度よりも低下した状態である。

その後、圧縮機１の吐出温度は、徐々に上昇し、図６の点Ｃにおいて除霜運転前の温度に戻り、図６の（４）の区間においてようやく、暖房運転としての能力が発揮されることになる。

このように、比較例に係る冷凍空調装置は、除霜運転後に暖房運転としての能力を発揮できる状態に達するために、図６の（３）の区間で示す所定の予熱時間が必要である。除霜運転中、及び、予熱運転中である図７の（２）及び（３）の区間は、暖房が行われず、又は、十分ではなく、使用者の求める暖房性能を発揮できない。

＜除霜運転における制御（実施例）＞
次に、実施の形態１に係る冷凍空調装置１００における除霜運転の制御について説明する。図７は、実施の形態１に係る冷凍空調装置１００における圧縮機１の吐出温度と、圧縮機１の電流と、時間との関係を示すグラフである。図７は、図６と同様、実施の形態１に係る冷凍空調装置の暖房～除霜～暖房の運転状態を示している。図７において、縦軸に吐出温度及び圧縮機１の電流を示し、横軸に時間を示している。また、図７において、実線は圧縮機１の吐出温度、点線は圧縮機電流を示している。

図７に示すように、冷凍空調装置１００は、暖房運転において、通常のモードである高効率運転モードにより動作している。冷凍空調装置１００は、除霜運転の開始後、第１熱交換器２の除霜運転において、温度センサ３０における計測値の低下が検出されると、加熱優先運転モードとなり発熱制御手段２１により圧縮機１の温度を上昇させる。発熱制御手段２１は、モータ１１における損失を増加させることで、圧縮機１の温度を上昇させる。発熱制御手段２１の処理により、モータ１１の力率を意図的に低下させて圧縮機１の電流を増加させることで、モータ１１の発熱量が増加し、圧縮機１の温度が上昇する。

図７の（１）の区間は、上述のように、暖房運転から除霜運転に切り替えた直後であり、暖房運転時に高温化した第２熱交換器４の冷媒が圧縮機１に逆流するため、圧縮機１の吐出温度は、やや上昇する。この区間では、温度センサ３０における計測値は、低下しないため、通常の高効率運転モードにより運転が継続される。

除霜運転中の図７のＡ点において、温度センサ３０で検出した圧縮機１の吐出温度が低下すると、制御装置１５のモード判断部２２からインバータ２０に対し、通常の高効率運転モードから加熱優先運転モードへ切り替える指令が発出される。

図７のＡ点後の（２）の区間では、加熱優先運転モードにおいて、インバータ２０の発熱制御手段２１は、モード判断部２２からの指令を受けて、圧縮機１のモータ１１に供給される電流を増加させることでモータ１１の損失を増加させる制御を行う。つまり、発熱制御手段２１は、モータ１１に供給される電流の値を制御量としている。モータ１１の電流が増加すると、モータ１１の巻線では、電流の２乗に比例した銅損が熱として発生する。モータ１１で生じた熱は、モータ１１が冷媒と接触している接触面１１ａにおいて冷媒に放熱され、冷媒の温度が上昇する。モータ１１の発熱量増加に伴い、圧縮機１に吸入された冷媒の温度低下が緩和されて、吐出温度の低下が抑制された状態で除霜運転が実施され、図７のＢ２点において終了する。これにより、除霜運転である図７の（１）及び（２）の時間が、比較例よりも短時間となる。

図７のＢ２点後の（３）の区間では、除霜運転から暖房運転に切り替えられ、暖房運転が再開される。このとき、制御装置１５のモード判断部２２からインバータ２０に発出される運転モードは、加熱優先運転モードの状態が継続されている。つまり、暖房運転の開始時は、発熱制御手段２１により圧縮機１の温度を上昇させる処理が継続されている。

図７の（３）の区間後のＣ２点において、圧縮機１の吐出温度が除霜運転前の温度まで回復したことが確認されると、制御装置１５により加熱優先運転モードから高効率運転モードへのモード切替指示が発出される。この結果、除霜運転後の予熱時間である図７の（３）の時間が、比較例よりも短時間となる。その後、インバータ２０における運転は、高効率運転モードに切り替えられる。

図８は、実施の形態１に係る冷凍空調装置１００の除霜運転における処理のフローチャートである。除霜運転は、制御装置１５の処理により行われる。図８に示すように、制御装置１５は、除霜運転開始の条件を満たしたと判断すると除霜運転を開始する。ステップＳ０１において、制御装置１５のモード判断部２２は、ステップＳ０１において温度センサ３０における計測値が低下したが否かを判断する。

制御装置１５のモード判断部２２は、ステップＳ０１において、温度センサ３０における計測値が低下していないと判断すると、ステップＳ０２に移行し、運転モードを高効率運転モードに維持し、計測値が低下していると判断するまで処理を繰り返す。この区間は、図７における（１）の区間に対応する。

制御装置１５のモード判断部２２は、ステップＳ０１において、温度センサ３０の計測値が低下していると判断すると、ステップＳ０３に移行し、運転モードを高効率運転モードから加熱優先運転モードに変更し、ステップＳ０４に移行する。ステップＳ０４において、制御装置１５のモード判断部２２は、加熱優先運転モードが定義されたモード信号を生成して発熱制御手段２１に入力する。これにより、圧縮機１の温度を上昇させる制御が行われる。この時点は、図７におけるＡに対応する。

ステップＳ０５において、制御装置１５のモード判断部２２は、温度センサ３０における計測値が、除霜運転前に検出された温度センサ３０における計測値と同じになるまで回復しているか否かを判断する。制御装置１５のモード判断部２２は、ステップＳ０５において、温度センサ３０における計測値が回復していないと判断すると、計測値が回復していると判断するまで処理を繰り返す。この区間は、図７における（２）及び（３）の区間に対応する。

制御装置１５のモード判断部２２は、ステップＳ０５において、温度センサ３０の計測値が回復していると判断すると、ステップＳ０６に移行し、運転モードを加熱優先モードから高効率運転モード変更し、高効率運転モードが定義されたモード信号を生成して発熱制御手段２１に入力する。これにより、加熱優先モードにより圧縮機１の温度を上昇させる制御が停止し、高効率運転モードが継続される。この時点は、図７におけるＣ２の時点から、（４）の区間に対応する。

このように、冷凍空調装置１００においては、除霜運転中及び暖房運転開始時における圧縮機１の吐出温度の低下が抑制され、且つ、除霜運転中及び暖房運転後通常運転開始までの時間が短縮されるため、使用者に不快感を与えない運転が実現される。

また、圧縮機１の温度維持は、意図しない液冷媒の吸入があってもこれを蒸発させる様に作用するため、潤滑不良などの不具合が起こりにくい高品質なシステムを得る効果もある。

＜変形例＞
電流最大条件は、力率遅れ状態と力率進み状態の２つの条件が存在する。上述した数式１は、力率遅れ状態で運転が行われる場合に用いられる条件である。変形例に係る冷凍空調装置１００においては、仮の加熱用励磁電流指令Ｉｄｍ０＊が、以下の数式２に基づき算出される点で異なる。数式２は、力率進み状態で運転が行われる場合に用いられる条件である。

数式１の方法によれば、モータ１１に発生する磁束を増加することとなるため、モータ１１の鉄損の増加が促進され、より効果的な加熱が可能となる。また、数式２の方法によれば、インバータ２０の出力電圧が低下することになるため、出力電圧の増加が困難な場合、例えば圧縮機１の回転速度を増加させて運転する場合などに有効である。

また、実施の形態１に係る数式１の方法と、変形例に係る数式２の方法とを、圧縮機１の回転数や出力電圧に応じて切り替えて使用することもできる。

以上説明した、実施の形態１に係る冷凍空調装置１００によれば、除霜運転において、圧縮機１の温度が所定値以下になると発熱制御手段２１により圧縮機１の温度を上昇させる制御を行うことで、圧縮機１から吐出される冷媒温度の低下が緩和される。このため、第１熱交換器２における除霜運転を早期に完了させ、且つ、除霜運転後、第２熱交換器４において暖房能力が低下した状態の時間を短縮させて、使用者に不快感を与えない運転を実現することができる。また、圧縮機１の温度は、圧縮機１に標準的に装備されている温度センサ３０を用いることができ、追加の部材が不要であるため、除霜運転により暖房能力が低下している時間を短縮するという効果を、安価に得ることができる。また、圧縮機１の温度が低下しないよう維持されるため、意図しない液冷媒が吸入されると、液冷媒を蒸発させる様に作用し、潤滑不良などの不具合が起こりにくい高品質なシステムを得ることができる。また、暖房運転時の総合的な能力は、除霜時間も含まれた冷凍空調装置１００における平均積算能力で評価されるため、除霜時間を短縮することによる効果は、暖房能力の向上につながる。また、暖房・除霜運転サイクルでの圧縮機１の温度変化幅が縮小されるため圧縮機構の熱ストレスが緩和し、金属疲労に対する信頼性が向上する。

また、発熱制御手段２１が設けられたインバータ２０は、圧縮機１に標準的に装備されている場合、追加の部材が不要であるため、除霜運転により暖房能力が低下している時間を短縮することができる冷凍空調装置１００を、安価に得ることができる。インバータ２０に設けられた発熱制御手段２１により圧縮機１の温度を上昇させることで、除霜運転中、及び、暖房開始時の能力不足の時間が短くなり、ユーザの快適性が向上する。

また、発熱制御手段２１により、モータ１１の損失を増加させる制御を行うことにより、モータ１１が発熱し、圧縮機１から吐出される冷媒の低下を緩和することができる。また、インバータ２０は、圧縮機１に標準的に装備されている場合、追加の部材が不要であるため、除霜運転により暖房能力が低下している時間を短縮することができる冷凍空調装置１００を、安価に得ることができる。

また、発熱制御手段２１は、モータ１１の電流値を制御量としており、インバータ２０が実施する通常の制御を応用することで圧縮機１の温度を上昇させて、暖房能力が低下した状態の時間を短縮することができる。

また、発熱制御手段２１は、モータ１１の励磁電流指令Ｉｄ＊を制御量として行われるため、インバータ２０が実施する通常の制御を応用することで、圧縮機１の温度を上昇させて、暖房能力が低下した状態の時間を短縮することができる。

また、発熱制御手段２１は、除霜運転終了後、暖房運転が開始時にも行われるため、除霜運転後の予熱時間が短縮されるため、使用者に不快感を与えない運転を実現できる。

また、圧縮機１の温度を計測する温度センサ３０は圧縮機１の吐出口１ａに配置されている。このため、圧縮機１における温度変化を素早く計測して発熱制御を行うことで除霜運転により暖房能力が低下している時間が短縮し、使用者に不快感を与えない運転を実現できる。

実施の形態２．
＜冷凍空調装置の構成＞
図９は、実施の形態２に係る冷凍空調装置１００の回路構成図である。実施の形態２は、圧縮機１を加熱する構成が、実施の形態１と相違する。実施の形態２では、実施の形態１と共通する部分は同一の符号を付して説明を省略し、実施の形態１との相違点を中心に説明する。実施の形態２における発熱制御手段２１は、圧縮機１に取り付けられたヒータ８０を制御する点で、モータ１１を制御する実施の形態１と相違する。

図９に示すように、実施の形態２に係る冷凍空調装置１００は、運転停止中に、圧縮機１に液冷媒が溜まることを防止するために、圧縮機１にヒータ８０が装着されている。ヒータ８０による加熱量は、制御装置１５の発熱制御手段２１により制御されている。

図１０は、実施の形態２に係る冷凍空調装置１００における圧縮機１の吐出温度Ｔｄと、圧縮機１の電流と、時間との関係を示すグラフである。図１０は、実施の形態２に係る冷凍空調装置１００の暖房～除霜～暖房の運転状態を示している。図１０において、縦軸に吐出温度及びヒータ動作のＯＮ／ＯＦＦを示し、横軸に時間を示している。また、図１０において、実線は圧縮機１の吐出温度、点線は圧縮機電流を示している。

図１０に示すように、冷凍空調装置１００は、実施の形態１と同様、暖房運転において、通常のモードである高効率運転モードにより動作している。冷凍空調装置１００は、除霜運転の開始後、第１熱交換器２の除霜運転において、温度センサ３０における計測値の低下が検出されると、モード判断部２２から加熱優先運転モードが定義されたＭＯＤＥ信号が発熱制御手段２１に発出される。発熱制御手段２１は、圧縮機１に取り付けられたヒータ８０の発熱量を増加させて、圧縮機１の温度を上昇させる。

図１０に示すように、冷凍空調装置１００は、実施の形態１と同様、暖房運転において、通常のモードである高効率運転モードにより動作する。除霜運転の開始後、図１０の（１）の区間が経過して圧縮機１の吐出温度が所定値以下になるＡ点において、制御装置１５は、加熱優先運転モードを開始する。

図１０の（２）の区間では、ヒータ８０により圧縮機１を加熱する加熱制御により、圧縮機１の吐出温度の低下が抑制された状態で除霜運転が実施され、除霜運転が実施されている図１０の（１）及び（２）の時間が、図６における比較例よりも短時間となる。

除霜運転が完了した後は、図１０のＢ２点において、暖房運転に切り替えられ、図１０の（３）の区間で暖房運転が再開されるが、ヒータ８０による加熱優先運転モードが継続される。

その後、圧縮機１の吐出温度Ｔｄが回復したことが確認されると、図１０のＣ２点において、加熱優先運転モードから高効率運転モードへのモード切替指示が発出され、高効率運転モードに切り替えられる。

これにより、除霜運転後の予熱時間である図１０の（３）の時間が、図６における比較例よりも短時間となる。このように、実施の形態２の冷凍空調装置１００においても、除霜運転中及び暖房運転開始時における圧縮機１の吐出温度Ｔｄの低下が抑制され、且つ、除霜運転中及び暖房運転後通常運転開始までの時間が短縮される。これにより、使用者に不快感を与えない運転が実現される。

以上説明した、実施の形態２に係る冷凍空調装置１００によれば、圧縮機１に取り付けられたヒータ８０により圧縮機１を加熱するため、圧縮機１から吐出される冷媒の低下を緩和することができる。また、ヒータ８０が圧縮機１に標準的に装備されている場合には、追加の部材が不要であるため、除霜運転により暖房能力が低下している時間を短縮することができる冷凍空調装置１００を、安価に得ることができる。

１ 圧縮機、１ａ 吐出口、２ 第１熱交換器、３ 絞り装置、４ 第２熱交換器、５ 四方弁、６ アキュムレータ、１１ モータ、１１ａ 接触面、１５ 制御装置、２０ インバータ、２１ 発熱制御手段、２２ モード判断部、３０ 温度センサ、４０ 電力変換部、４１ 制御回路、４２ａ 電流センサ、４２ｂ 電流センサ、５０ ｄｑ変換部、５１ 位置速度推定部、５２ 速度制御部、５３ 励磁電流指令作成部、５４ 電流制御部、５５ 逆ｄｑ変換部、６０ 高効率制御部、６１ セレクタ、７０ 電流上限演算部、７１ リミッタ、８０ ヒータ、１００ 冷凍空調装置、１０１ 配管。

Claims (8)

1. 圧縮機、第１熱交換器、絞り装置、第２熱交換器、及び、四方弁が配管にて結合され、冷媒が循環している冷媒回路と、
   前記圧縮機の温度を計測する温度センサと、
   前記圧縮機に内蔵されたモータと、
   前記モータを制御するインバータと、
   前記インバータに設けられ、前記第１熱交換器の除霜運転において、前記温度センサの計測値の低下を検出すると、前記圧縮機の温度を上昇させる発熱制御手段と、を備え、
   前記発熱制御手段は、前記圧縮機の温度を上昇させる制御を、
   前記第１熱交換器の除霜運転において、前記温度センサの計測値の低下の開始を検出すると開始し、
   前記第１熱交換器の除霜運転後において、前記温度センサの計測値が、前記第１熱交換器の除霜運転が開始する前に前記温度センサにより検出された前記温度センサの計測値と同じになると停止する
   冷凍空調装置。
2. 前記発熱制御手段は、
   前記モータの励磁電流指令の値を制御量としており、負の励磁電流指令を発生する
   請求項１に記載の冷凍空調装置。
3. 前記発熱制御手段は、
   暖房運転から前記除霜運転に切り替わった後、前記温度センサの計測値が低下しない間は前記暖房運転で行われていた運転モードである高効率運転モードを継続する請求項１または請求項２記載の冷凍空調装置。
4. 前記モータは、前記冷媒が流れる前記配管と接触している接触面を有している
   請求項１～３のいずれか一項に記載の冷凍空調装置。
5. 前記発熱制御手段は、前記モータの損失を増加させることで前記圧縮機の温度を上昇させる
   請求項１～４のいずれか一項に記載の冷凍空調装置。
6. 前記モータは、
   巻線抵抗Ｒ［Ω］、定格入力Ｐ［Ｗ］、及び、定格電流Ｉ［Ａ］の関係が
   ０．００１＜（３＊Ｉ＊Ｉ＊Ｒ）／Ｐ
   を満足するものである
   請求項１～５のいずれか一項に記載の冷凍空調装置。
7. 前記発熱制御手段は、
   暖房運転の開始時に前記圧縮機の温度を上昇させる
   請求項１～６のいずれか一項に記載の冷凍空調装置。
8. 前記温度センサは圧縮機の吐出口に配置されている
   請求項１～７のいずれか一項に記載の冷凍空調装置。

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