JPWO2013190665A1 - ヒートポンプ装置、空気調和機および冷凍機 - Google Patents

Abstract

冷媒を圧縮する圧縮機構と圧縮機構を駆動するモータ８とを有する圧縮機１と、モータ８を駆動する電圧を印加するインバータ部９と、インバータ部９を駆動する駆動信号を生成するインバータ制御部１０と、圧縮機１の温度を検知する温度センサ３５ａ，３５ｂと、を備え、インバータ制御部１０は、圧縮機１を通常運転して冷媒を圧縮する通常運転モードと、モータ８へ高周波電圧を印加することにより圧縮機１を加熱運転する加熱運転モードとを有し、加熱運転モードにおいて、温度センサ３５ａ，３５ｂにより検知された温度と予め指定された必要加熱量とに基づいて高周波電圧を生成するための電圧指令の振幅および位相を決定する。

Description

本発明は、圧縮機を用いたヒートポンプ装置に関し、特に、空気調和機や冷凍機、温水機などに適用されるヒートポンプ装置に関する。

従来のヒートポンプ装置として、空気調和機の暖房開始時の立ち上がりスピードを向上させるために、暖房時の運転停止中に高周波の低電圧を圧縮機に供給するものがある（例えば、特許文献１参照）。同様の技術として、空気調和機の周囲温度が低温状態を検知した際に、通常運転時より高周波数の単相交流電圧を圧縮機に供給するものがある（例えば、特許文献２参照）。

また、冷媒寝込み現象の発生を防止するために圧縮機を予備加熱する拘束通電において、圧縮機モータの駆動信号として、二相変調方式のＰＷＭ（Pulse Width Modulation）出力にて、所定の位相角で静止した出力を行う信号を生成するものがある（例えば、特許文献３参照）。

一般的に圧縮機への寝込み防止対策として、圧縮機の運転停止中は、ヒーターによって圧縮機内を加熱したり、インバータによって圧縮機モータの巻線に拘束通電（圧縮機モーターを駆動しない電圧）して、圧縮機内を加熱している。しかしながら、運転停止中に圧縮機内の加熱のために電力を常に消費し、待機電力が増大するという課題があった。そこで、従来の圧縮機の加熱制御では、外気温度検出器によって外気温度を検出し、検出された外気温度が所定値以上となった場合に拘束通電またはヒーターによる加熱を停止して消費電力を低減している（例えば、特許文献４参照）。

また、上記の方式は外気温度やその他の部分の温度を検出することで、圧縮機内の冷媒状態を予測するものであるが、圧縮機に冷媒状態を検出するセンサを設置することで直接的に冷媒状態を検出する方式がある。この方式は、圧縮機を加熱するヒーターと、冷媒と冷凍機油の電気抵抗を検知する絶縁抵抗センサとを備え、そのセンサによって検出された絶縁抵抗値が所定値以下となった場合にヒーターに通電し、冷凍機油を加熱することで冷媒の二相分離を防止する。また、絶縁抵抗値が所定値以上となった場合には、ヒーターへの通電を停止して消費電力の低減を図っている（例えば、特許文献５参照）。

実開昭６０−６８３４１号公報 特開昭６１−９１４４５号公報 特開２００７−１６６７６６号公報 特開２０００−２９２０１４号公報 特開２０００−１４５６４０号公報

上記の特許文献１および２では、外気温度の低下に応じて圧縮機に高周波の交流電圧を印加することで圧縮機を加熱もしくは保温し、圧縮機内部の潤滑作用を円滑にする技術が示されている。

しかしながら、特許文献１には高周波の低電圧についての詳細な記載がなく、ロータの停止位置に依存する出力変化を考慮していないため、所望する圧縮機の加熱量を得られないおそれがある、という問題があった。

一方、上記特許文献２には、２５ｋＨｚといった高周波の単相交流電源にて電圧を印加することが記載されているとともに、可聴域を外れることによる騒音抑制、共振周波数を外れることによる振動抑制、巻線のインダクタンス分による小電流化での入力低減と温度上昇防止、圧縮機の回転部の回転抑制といった効果が示されている。

しかしながら、特許文献２の技術では、高周波の単相交流電源であるため、特許文献２の図３に示されるように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。このとき、高周波電流は還流ダイオードを介して電動機を還流せずに直流電源に回生され、オフ区間の電流の減衰が早く、電動機に効率的に高周波電流が流れずに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に、印加電圧に対する発熱量が小さくなり使用可能範囲内の電圧で、必要な加熱量を得られないという問題もある。

また、特許文献３には、モータ巻線に直流電流を流す拘束通電を行うことにより、ロータが回転しないようにして予熱を行う技術が開示されている。

しかしながら、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り、特許文献３に示すモータ巻線に直流電流を流す予熱方法の場合、発熱量が巻線抵抗と電流の二乗で得られるため、巻線抵抗が減少した分、電流が増加することとなる。その結果、インバータの損失増大による発熱が問題となり、信頼性の低下や放熱構造へのコスト増加という別の問題が発生する。

また、特許文献４に記載された圧縮機の加熱制御は、外気温度によって圧縮機の加熱時間を短縮し、運転停止中の消費電力を低減しているが、外気温度から圧縮機内部の冷媒状態を予測するものであり、確実に冷媒状態を検出するものではない。運転停止中における冷媒回路内の冷媒は最も低温の部分に集まる特性があり、室内機と室外機の温度差が大きくなる外気温度が低いときに圧縮機へ冷媒が溜まり込むことが多い。しかしながら、室外機の冷媒回路内の温度差によって外気温度が高い場合でも室外機の冷媒回路内において、圧縮機の温度が最も低くなる状態がある。また、外気温度が低い場合でも室外機の冷媒回路内において、圧縮機よりも室外熱交換器のほうが低温になり、圧縮機へ冷媒が溜まり込まない場合がある。そのため、実際には圧縮機の加熱が必要ではない（冷媒寝込みが発生していない）時にも圧縮機内を加熱しているため無駄な電力を消費している。また、実際には圧縮機の加熱が必要である冷媒寝込みが発生している時に圧縮機の加熱を停止してしまうことによって圧縮機の軸破損などの不具合が発生するおそれがある。

また、特許文献５に記載の冷凍装置では、圧縮機の給油管の下方に絶縁抵抗センサを設置し、冷媒と冷凍機油の二相分離を絶縁抵抗によって検出するようにしている。絶縁抵抗が所定値以下になった時のみヒーターに通電を行い、冷凍機油を加熱することで停止中の消費電力を消費している。しかしながら、絶縁抵抗を精度良く検出するためには高コストな絶縁抵抗センサが必要となるといった課題がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、安定的に圧縮機を加熱することが可能なヒートポンプ装置、空気調和機および冷凍機を得ることを目的とする。

また、必要な加熱を効率的に実現することが可能なヒートポンプ装置、空気調和機および冷凍機を得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に、本発明は、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、前記モータを駆動する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、前記圧縮機の温度を検知する温度センサと、を備え、前記インバータ制御部は、前記モータへ高周波電圧を印加することにより前記圧縮機を加熱運転する加熱運転モードと、前記圧縮機を通常運転して冷媒を圧縮する通常運転モードを有し、前記加熱運転モードにおいて、前記温度センサにより検知された温度と予め指定された必要加熱量とに基づいて前記高周波電圧を生成するための電圧指令の振幅および位相を決定することを特徴とする。

本発明にかかるヒートポンプ装置は、安定的、効率的に圧縮機を加熱して冷媒寝込み現象を回避することができ、省エネルギーを実現できるという効果を奏する。

図１は、実施の形態１のヒートポンプ装置の構成例を示す図である。 図２は、ヒートポンプ装置の要部構成の一例を示す図である。 図３は、ＰＷＭ信号生成部の一相分（Ｕ相）の信号生成方法を示す図である。 図４は、実施の形態１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５は、Ｖ＊を任意の値とし、加熱指令部が出力する高周波位相指令θｋとして０°と１８０°を切り替える場合のＰＷＭ信号の一例を示す図である。 図６は、図５に示した動作に対応する電圧ベクトル変化の説明図である。 図７は、実施の形態１のヒートポンプ装置が備えているインバータ制御部の加熱制御モードにおける動作例を示すフローチャートである。 図８は、圧縮機１が備えている温度センサからの出力、及び圧縮機の温度変化の様子を示した図である。 図９は、シリコンデバイス（以下、Ｓｉデバイス）とＳｉＣデバイスの耐圧とオン抵抗の関係を示す図である。 図１０は、実施の形態３のヒートポンプ装置の構成例を示す図である。 図１１は、図１０に示したヒートポンプ装置の冷媒の状態についてのモリエル線図である。

以下に、本発明にかかるヒートポンプ装置、空気調和機および冷凍機の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明にかかるヒートポンプ装置の実施の形態１の構成例を示す図である。本実施の形態のヒートポンプ装置１００は、例えば空気調和機を構成し、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、順次接続された冷凍サイクルを備える。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相の三相の巻線を有する三相モータである。

モータ８に電圧を与え駆動させるインバータ部９は、モータ８と電気的に接続されている。インバータ部９は、直流電圧（母線電圧）Ｖｄｃを電源とし、モータ８のＵ相，Ｖ相，Ｗ相の巻線に電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗをそれぞれ印加する。インバータ部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、通常運転モード制御部１１と、冷媒推定部１４および高周波通電部１３を有する加熱運転モード制御部１２と、駆動信号生成部１５と、周囲温度検知部３１と、冷媒量判定部（加熱運転開始時）３０とを備えており、インバータ部９を駆動するための信号（たとえばＰＷＭ信号）をインバータ部９へ出力する。

インバータ制御部１０において、通常運転モード制御部１１は、ヒートポンプ装置１００が通常の動作を行う場合に使用される。通常運転モード制御部１１は、駆動信号生成部１５を制御することにより、モータ８を回転駆動させるためのＰＷＭ信号をインバータ駆動信号として出力させる。

加熱運転モード制御部１２は、圧縮機１を加熱する場合に使用される。加熱運転モード制御部１２は、駆動信号生成部１５を制御することにより、モータ８が追従できない高周波電流（高周波電圧）を流してモータ８を回転駆動させることなく圧縮機１を加熱するためのＰＷＭ信号を、インバータ駆動信号として出力させる。その際、高周波通電部１３は、冷媒量推定部１４において圧縮機１の温度を検知する温度センサ３５ａ，３５ｂからの信号により推定された冷媒量の推定結果に基づいて、駆動信号生成部１５を制御する。そして、駆動信号生成部１５が高周波通電部１３からの制御に基づいてＰＷＭ信号を出力してインバータ部９を駆動することで、圧縮機１に滞留した液冷媒を短時間で温めて気化させ、圧縮機１外部へ排出させる。

図２は、ヒートポンプ装置の要部構成の一例を示す図である。図示したように、インバータ部９は、母線電圧Ｖｄｃを電源とし、６つのスイッチング素子（２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ，２１ｅ，２１ｆ）を備え、上側（上側素子を表す文字をＰとする）と下側（下側素子を表す文字をＮとする）のスイッチング素子で構成される直列接続部が並列に３個接続された回路である。インバータ部９は、インバータ制御部１０から入力される駆動信号であるＰＷＭ信号（ＵＰ，ＵＮ，ＶＰ，ＶＮ，ＷＰ，ＷＮ）に従い、それぞれに対応したスイッチング素子を駆動することで、三相の電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗを発生させ、モータ８のＵ相，Ｖ相，Ｗ相の巻線それぞれに電圧を印加する。なお、インバータ部９の入力側（母線電圧Ｖｄｃの供給側）にはＶｄｃを検知するための電圧センサ３６が設けられている。

インバータ制御部１０は、図１に示した加熱運転モード制御部１２を構成している冷媒量推定部１４および高周波通電部１３と、駆動信号生成部１５とを備える。冷媒量推定部１４は温度検出回路部２７および冷媒量判定部２８を備える。高周波通電部１３は加熱指令部２９を備える。また、インバータ制御部１０は、周囲温度検知部３１、周囲温度検知部からの信号により冷媒量を判定する冷媒量判定部（加熱運転開始時）３０を備える。駆動信号生成部１５は電圧指令値生成部２５およびＰＷＭ信号生成部２４を備える。なお、図２では、本実施の形態のヒートポンプ装置において特徴的な動作を行う構成要素のみを記載するようにしており、図１に示した通常運転モード制御部１１については記載を省略している。

加熱運転モード制御部１２（冷媒量推定部１４および高周波通電部１３）は、加熱運転モードにおける高周波電圧指令Ｖｋおよび高周波位相指令θｋを生成し、駆動信号生成部１５へ入力する。

駆動信号生成部１５において、電圧指令値生成部２５は、高周波通電部１３から入力される高周波電圧指令Ｖｋおよび高周波位相指令θｋに基づいて、三相（Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相）それぞれの電圧指令Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊を生成する。ＰＷＭ信号生成部２４は、三相電圧指令Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊に基づいてＰＷＭ信号（ＵＰ，ＶＰ，ＷＰ，ＵＮ，ＶＮ，ＷＮ）を生成してインバータ部９を駆動することにより、モータ８に電圧を印加させる。このとき、モータ８のロータが回転しないような高周波電圧を印加させ、モータ８を備えている圧縮機１（図１参照）を加熱する。なお、駆動信号生成部１５は、ヒートポンプ装置が通常運転モードで動作する場合にもＰＷＭ信号を生成する。その場合のＰＷＭ信号生成方法は、入力される情報（上記のＶｋ，θｋに相当する情報）が異なる以外は、加熱運転モード時で動作する場合と同様である。

以下、実施の形態１のヒートポンプ装置の特徴的な動作について詳しく説明する。冷媒量推定部１４は、複数の温度センサ３５ａ，３５ｂにより検出された温度間の差分情報や、初期温度との差分情報により冷媒量を推定する。温度センサ３５ａ，３５ｂからの検出信号は、温度検出回路部２７へ入力され、温度検出回路部２７は、温度センサ３５ａ，３５ｂの検出結果に基づいて温度センサ３５ａ，３５ｂにより検出された温度間の差分（差分情報）または初期温度との差分（差分情報）を求め、差分情報は冷媒量判定部２８へと入力される。冷媒量判定部２８は、入力された差分情報に基づいて冷媒状態（冷媒量）を推定し、推定結果を加熱指令部２９へ出力する。温度センサ３５ａ，３５ｂの検知タイミングは初期及び加熱中も常に行われるものとする。なお、本実施の形態においては、温度センサ３５ａ，３５ｂの位置および個数ついては特に規定しない。圧縮機の温度を検知可能であり、かつ、複数の温度センサにより差分情報が得られればよい。

また、周囲温度検知部３１は、外気温度（周囲温度）を検出し、検出結果を冷媒量判定部（加熱運転開始時）３０に入力する。冷媒量判定部（加熱運転開始時）３０は、外気温度に基づいて冷媒状態（冷媒量）を推定する。

従来、外気温度から圧縮機内部の冷媒状態を予測し、外気温度が所定値以上の場合は冷媒が寝込み状態にあると判定する手法がある。本実施の形態の周囲温度検知部３１および冷媒量判定部（加熱運転開始時）３０は、このように外気温度に基づいて冷媒が寝込み状態にあるか否かを判定する。しかしながら、このように外気温度に基づいた推定は、確実に冷媒状態を検出するものではない。特に、運転停止中における冷媒回路内の冷媒は最も低温の部分に集まる特性があり、室内機と室外機の温度差が大きくなる外気温度が低いときに圧縮機へ冷媒が溜まり込むことが多い。

そこで、本実施の形態では、複数の温度センサ３５ａ，３５ｂにより、圧縮機１の温度を検知し、運転停止中においても冷媒状態を正確に把握できるようにしている。例えば、加熱運転を開始するか否かについては外気温度に基づく冷媒状態の推定結果を用いて判定し、加熱運転時の高周波位相指令θｋについては、複数の温度センサ３５ａ，３５ｂにより求めた冷媒量の推定結果を用いて算出する。

振幅位相決定部として動作する高周波通電部１３において、加熱指令部２９は冷媒量推定部１４からの冷媒量の推定結果、及び冷媒量判定部３０から冷媒量の判定結果に基づいて加熱出力を決定する。冷媒量推定部１４による冷媒量の推定方法の例については後述する。

本実施の形態のヒートポンプ装置においては、冷媒量を推定し、必要な発熱量が得られるように、冷媒量の推定結果に基づいて加熱指令部２９が高周波位相指令θｋを生成・出力して圧縮機１を安定的に加熱する。これにより、冷媒量に対応する加熱出力を得るための電圧位相θｋが設定できる。また、冷媒量に応じて電圧位相および電圧指令値を調整することにより、省エネルギーを実現しつつ使用者の所望する加熱性能を提供できる。

加熱指令部２９は、冷媒量推定部１４（冷媒量判定部２８）からの推定信号（冷媒量の推定結果）を基にモータ８に通電するための電圧位相θｋを求める。たとえば、モータ８の０°の位置に対応する巻線に通電させる場合には、θｋ＝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恐れがあるため、時間の経過と共にθｋを変化させるようにしてもよい。

前述の通り、冷媒量を推定することができれば、必要なだけの加熱を行うことにより液冷媒を排出可能となる。推定結果に応じた出力で通電させることにより、圧縮機１内の液冷媒を確実に排出可能となり、装置の信頼性が向上する。また、冷媒量が少ない場合には出力を調節することにより省エネルギーとなる。

また、加熱指令部２９は必要加熱量に基づいて、発熱に必要な電圧指令Ｖ＊を出力する。たとえば必要加熱量と電圧指令Ｖ＊の関係をテーブルデータとしてあらかじめ記憶しておくことにより、必要加熱量に応じた電圧指令Ｖ＊を得ることができる。必要加熱量は使用者によって指定される情報である。

高周波通電部１３は、電圧センサ３６で検出された母線電圧Ｖｄｃと加熱指令部２９から入力された電圧指令Ｖ＊に基づいて、高周波電圧指令Ｖｋを生成する。高周波電圧指令Ｖｋは、電圧指令Ｖ＊と母線電圧Ｖｄｃを用いて次式で表される。
Ｖｋ ＝ Ｖ＊×√２／Ｖｄｃ

なお、高周波電圧指令Ｖｋは、周囲温度検知部３１や温度センサ３５ａ，３５ｂからの温度情報、圧縮機構造上などのデータを考慮し、これらのデータに基づいて補正するようにしてもよい。このように補正することで、動作環境に応じたより正確な値を得ることができ、信頼性を向上させることが可能である。

また、高周波電流の駆動周波数を高く設定することで、角周波数ωを高くすることができる。ωが高くなることにより鉄損が増加し発熱量が増加するため、省エネルギー化が可能となる。なお、人間の可聴域に含まれる周波数で高周波通電を行うと、モータ８の電磁音により騒音が発生するため、可聴域外（例えば２０ｋＨｚ以上）に設定する。なお、高周波電流の周波数、位相、振幅のうち少なくともいずれか１つを使用者からの入力により設定可能とすることができる。

続いて、駆動信号生成部１５がインバータ部９の駆動信号としてＰＷＭ信号を生成する動作について説明する。

ＰＷＭ信号を生成する駆動信号生成部１５においては、まず、電圧指令値生成部２５が、高周波電圧指令Ｖｋおよび位相指令θｋに基づいて電圧指令値Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊を生成する。

モータ８は三相モータであるが、三相モータの場合、一般的にＵ，Ｖ，Ｗの三相の位相は互いに１２０°（＝２π／３）異なる。そのため、電圧指令値生成部２５は、Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊として、以下の式（１）〜（３）に示したような、位相が２π／３ずつ異なる余弦波（正弦波）のＶ＊およびθに高周波電圧指令Ｖｋおよび電圧位相θｋをそれぞれ代入して各相の電圧指令値を生成する。
Ｖｕ＊＝Ｖ＊×ｃｏｓθ …（１）
Ｖｖ＊＝Ｖ＊×ｃｏｓ（θ−(２π／３)） …（２）
Ｖｗ＊＝Ｖ＊×ｃｏｓ（θ＋(２π／３)） …（３）

電圧指令値生成部２５により電圧指令値Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊が生成されると、次に、ＰＷＭ信号生成部２４が、電圧指令値生成部２５から入力された電圧指令値Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊と、所定の周波数で振幅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ＰＷＭ信号ＵＰ，ＶＰ，ＷＰ，ＵＮ，ＶＮ，ＷＮを生成する。

なお、上記の式（１）〜（３）では、単純な三角関数で電圧指令値Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊を求めるようにしたが、その外に二相変調や、三次高調波重畳変調、空間ベクトル変調といった手法によって電圧指令値Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊を求めるようにしても構わない。

ＰＷＭ信号生成部２４によるＰＷＭ信号の生成方法について詳しく説明する。Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の各相に対応するＰＷＭ信号の生成方法は同一であるため、ここでは、一例として、Ｕ相のＰＷＭ信号ＵＰおよびＵＮの生成方法を説明する。

図３は、ＰＷＭ信号生成部２４の一相分の信号生成方法を示す図であり、Ｕ相のＰＷＭ信号を生成する方法を示している。図３に示した三角波がキャリア信号、正弦波が電圧指令信号Ｖｕ＊である。図３に示した信号生成方法は一般に非同期ＰＷＭと称される手法に相当する。ＰＷＭ信号生成部２４は、電圧指令信号Ｖｕ＊と所定の周波数で振幅Ｖｄｃ／２（Ｖｄｃは直流母線電圧を示す）のキャリア信号を比較し、相互の大小関係に基づきＰＷＭ信号ＵＰおよびＵＮを生成する。すなわち、キャリア信号が電圧指令値Ｖｕ＊よりも大きいときは、ＵＰをＯＮ，ＵＮをＯＦＦとし、それ以外はＵＰをＯＦＦ，ＵＮをＯＮにする。なお、キャリア信号の振幅，位相は固定とする。

図４は、実施の形態１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４では、各スイッチングパターンで発生する電圧ベクトルをＶ０〜Ｖ７としている。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についても同様である。

図４に示すスイッチングパターンを組み合わせて電圧ベクトルを出力することでインバータ部９に所望の電圧を出力させることができる。圧縮機１内の冷媒をモータ８にて圧縮する動作（通常運転モードの動作）の場合には数１０〜数ｋＨｚ以下で動作することが一般的である。このときにθｋを高速で変化させることにより、数ｋＨｚを超える高調波電圧を出力し、圧縮機１に通電し加熱（加熱運転モード）することが可能となる。

ただし、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（Insulate Gate Bipolar Transistor）の場合、スイッチングスピードの上限が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の悪影響を及ぼす恐れがある。すなわち、キャリア周波数を２０ｋＨｚとした場合に高周波電圧の周波数をキャリア周波数の１／１０の２ｋＨｚ以下とすると、高周波電圧の周波数は可聴周波数領域となり、騒音悪化が懸念される。そのため、ＰＷＭ信号生成部２４は、以下に示す方法でキャリア信号に同期したＰＷＭ信号を生成するようにして、騒音悪化を回避する。

図５は、Ｖ＊を任意の値とし、加熱指令部２９が出力する高周波位相指令θｋとして０°と１８０°を切り替える場合のＰＷＭ信号の一例を示す図である。ＰＷＭ信号生成部２４は、高周波位相指令θｋがキャリア信号（三角波）の頂もしくは底（または、頂および底）のタイミングで０°と１８０°の間で切り替えることで、キャリア信号に同期したＰＷＭ信号を生成できる。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６は、図５に示した動作に対応する電圧ベクトル変化の説明図である。なお、図６では破線で囲まれたスイッチング素子がオン、破線で囲まれていないスイッチング素子がオフの状態であることを表している。図６に示すようにＶ０ベクトル，Ｖ７ベクトル印加時はモータ８の線間は短絡状態となり、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の電流）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の電流）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の電流と−Ｉuの電流とが交互にモータ８の巻線に流れることになる。特に、図６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（１／ｆｃ）の間に現れるため、キャリア周波数ｆcに同期した交流電圧をモータ８の巻線に印加することが可能となる、また、Ｖ４ベクトル（＋Ｉｕの電流）とＶ３ベクトル（−Ｉｕの電流）とが交互に出力されるため、正逆のトルクが瞬時に切り替わる。そのため、トルクが相殺されることによりロータの振動を抑えた制御が可能となる。

次に、インバータ制御部１０の動作について説明する。ここでは、圧縮機１を加熱する加熱運転モードで動作する場合におけるインバータ部９の制御動作について説明する。なお、ヒートポンプ装置１００が通常運転モードで動作する場合におけるインバータ部９の制御動作は従来と同様であるため説明を省略する。

図７は、実施の形態１のヒートポンプ装置１００が備えているインバータ制御部１０の動作例を示すフローチャートであり、加熱運転モード時の制御手順を示している。すなわち、加熱運転モード制御部１２および駆動信号生成部１５がインバータ部９の駆動信号としてＰＷＭ信号を生成する場合の制御手順を示している。

図８は、圧縮機１が備えている温度センサ３５ａ，３５ｂからの出力、及び圧縮機１の温度変化の様子を示した図である。図８の上側の図は、横軸に加熱開始からの時間（経過時間）ｔを示し、圧縮機１の上部に設置されている上段サーミスタ（温度センサ３５ａ）と圧縮機１の下部に設置されている下段サーミスタ（温度センサ３５ｂ）の温度を示している。図８の下側の図では、色の濃淡で温度を示しており色の濃いほど高い温度を示している。図８に示すように、圧縮機１は熱容量が比較的大きいため加熱前の停止状態において温度均一状態にあり、各温度センサの検出値間の差分はほぼ存在しない。しかし、圧縮機１ではモータ８が上部に設置されていることから、加熱を開始した場合には、先ず、上部の温度が先行して上昇する。続いて下部の温度が追従して上昇していき、一定時間経過後に、温度センサ３５ａ，３５ｂの差分がまた無くなっていくことがわかる。

本実施の形態では、このような圧縮機１の温度変化を使用し、冷媒量を正確に推定し適切な加熱を行う。例えば、温度センサ３５ａ，３５ｂの検出結果間の差分を温度差βとし、温度センサ３５ａ，３５ｂにより得られる初期温度（加熱運転モード開始時の温度）をＴ₀とし、温度センサ３５ａ，３５ｂにより得られる温度と初期温度Ｔ₀との差をγとするとき、β、γを用いて冷媒量を推定することができる。βが小さく、またγが小さい場合には、加熱運転モード開始時に近い状態であり、冷媒量が多いと判断できる。βが大きくなるにつれて冷媒量が減少するが、ある程度加熱開始から時間が経過するとβは減少する。一方、γは加熱開始から時間が経過するほど増加する。図８に示すこのような関係を元に、β、γの値と冷媒量の推定量との関係を条件式やテーブル形式で保持しておき、β、γの値に対応する冷媒量の推定量を求めることができる。

また、β、γではなく、温度センサ３５ａ，３５ｂが検知する温度と冷媒量の推定量との関係を条件式やテーブル形式で保持し、温度センサ３５ａ，３５ｂの検知結果に基づいて冷媒量の推定量を求めるようにしてもよい。さらに、冷媒量の推定という中間処理をはさまずに、温度センサ３５ａ，３５ｂの値とインバータ部９の出力（例えば、高周波位相指令θｋ）との関係を保持しておき、温度センサ３５ａ，３５ｂの検出結果に基づいて高周波位相指令θｋを直接求めるようにしてもよい。

図７、図８を用いて本実施の形態の加熱運転モード時の制御手順の一例を説明する。インバータ制御部１０の加熱運転モード制御部１２は、まず、待機状態であり、加熱運転モードへの移行を判断するための情報が検出されたか否かを判断する（ステップＳ１）。加熱運転モードへの移行が必要か否かを判定するための情報は、例えば、周囲温度検知部３１や圧縮機１の温度センサ３５ａ，３５ｂからの情報、及び運転指令が外部から入力されたか否かの情報などである。加熱運転モードへの移行を判断するための情報が検出された場合（ステップＳ１ Ｙｅｓ）、加熱運転モード制御部１２は、取得した情報に基づいて加熱運転モードへの移行が必要か否かを判断する（ステップＳ２）。ステップＳ２では、例えば、所定の運転指令（ヒートポンプ装置１００の動作開始指令）が外部から入力され、かつその時点で冷媒寝込み現象の発生が予測される場合（例えば、周囲の環境温度の傾きが閾値以上だった場合）に加熱運転モードでの動作が必要と判断する。

加熱運転モードへの移行を判断するための情報が検出されない（加熱運転モードでの動作が必要ない）場合（ステップＳ１ Ｎｏ）、またステップＳ２の判断で加熱運転モードへの移行が必要無いと判断された場合（ステップＳ２ Ｎｏ）、ステップＳ１へ戻る。

加熱運転モードへの移行が必要であると判断した場合（ステップＳ２ Ｙｅｓ）、モータ８の入出力電流および電圧を検知し、加熱運転モード開始する（ステップＳ３）。そして、駆動信号生成部１５は、加熱運転モード制御部１２から出力されるθｋ、Ｖｋに基づいて電圧指令値Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊を生成して出力する（ステップＳ４）。そして、駆動信号生成部１５は、電圧指令値Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊に基づいてＰＷＭ信号（ＵＰ，ＵＮ，ＶＰ，ＶＮ，ＷＰ，ＷＮ）を生成して出力し（ステップＳ５）、インバータ部９を制御する。なお、入出力電流および電圧とは、インバータ部９とモータ８の接続点で検出される電流および電圧（三相分）である。

次に、加熱運転モード制御部１２の冷媒量推定部１４は、温度センサ３５ａ，３５ｂからの信号として、初期温度Ｔ₀を検出する（ステップＳ６）。ここでは、加熱運転モード開始時には温度センサ３５ａ，３５ｂか示し温度は一致しているとするが、温度が異なる場合には、初期温度Ｔ₀として平均値を用いてもよいし、いずれか一方の温度を初期温度Ｔ₀としてもよい。

そして、加熱指令部２９は、加熱制御モードの開始から一定時間αの間は、加熱運転モードを維持する（ステップＳ７）。なお、例えば、加熱制御モードの開始から一定時間αは、冷媒量の推定結果等に関わらず、加熱を実施するよう加熱指令部２９に設定しておく。

加熱制御モードの開始から一定時間α経過すると、冷媒量推定部１４は、温度センサ３５ａ，３５ｂ（上下段サーミスタ）の検出結果間の差分である温度差βを算出する（ステップＳ８）。そして、初期温度Ｔ₀との温度センサ３５ａ，３５ｂの検出結果との差分γを算出し（ステップＳ９）、これら情報を基に、温度差βが閾値以下でありかつ温度差βがγ以下であるかを判定する（ステップＳ１０）。なお、差分γは、図８の例では、温度センサ３５ａ，３５ｂのうち低い方の温度とＴ₀との差としている。

温度差βが閾値以下である場合は、温度センサ３５ａ，３５ｂの検出結果間の温度センサの差分が少ないことを示しており、図８の右端または、左端の時間帯にあると考えられる。また温度差βがγ以下である場合は一定時間以上の時間が経過しており図８の中央付近の時間帯、もしくは右端の時間帯にあると考えられる。これら２条件のうち少なくともいずれか一方を満たしていない場合は、まだ寝込み冷媒が解消されていない左端、もしくは中央の時間帯にあると考え、加熱運転（加熱運転モード）を継続する。これら２条件の両方を満たしている場合は、図８の右端の時間帯にあると判断でき、寝込み冷媒が解消されている（液面が十分に低い）と考えられる。なお、加熱運転モードでは、上述のようにβとγに基づいてθｋを決定して制御することにより、効率的な加熱を実施することができる。

したがって、冷媒量推定部１４は、上記２条件に基づいて冷媒量（冷媒状態）の推定結果として、寝込み冷媒が解消されているか否かを加熱指令部２９に出力し、加熱指令部２９は、入力された推定結果に基づいて、加熱処理を加熱運転モードを継続するか否かを判断する。

すなわち、冷媒量推定部１４により温度差βが閾値以下でありかつ温度差βがγ以下であると判断された場合（ステップＳ１０ Ｙｅｓ）、加熱指令部２９は加熱運転を停止し（ステップＳ１１）、ステップＳ１へ戻る。

冷媒量推定部１４により温度差βが閾値以下でない、または温度差βがγ以下でないと判断された場合（ステップＳ１０ Ｎｏ）、ステップＳ８へ戻り、加熱運転を継続する。

このように、本実施の形態のヒートポンプ装置において、インバータ制御部１０は、圧縮機１が備えている温度センサ３５ａ，３５ｂから冷媒量を推定し推定結果および必要発熱量に基づいて電圧位相を決定し、ＰＷＭ信号を生成してインバータ部９を制御することとした。これにより、圧縮機１の冷媒量を正確に検知することができ、必要十分量のみの加熱により圧縮機１に滞留した液冷媒を外部に漏出可能とする。すなわち、安定的かつ効率的に圧縮機１を加熱することができる。

加えて、加熱運転モード制御部１２が、可聴周波数（２０〜２０ｋＨｚ）外の高周波電圧がモータ８に印加されるようにインバータ部９を制御すると、モータ８を加熱する際の騒音を抑えることができる。

一般に、圧縮機動作時の運転周波数は高々１ｋＨｚ程度である。そのため、１ｋＨｚ以上の高周波電圧をモータ８に印加すればよい。このとき、１４ｋＨｚ以上の電圧をモータ８に印加すれば、モータ８の鉄心の振動音がほぼ可聴周波数上限に近づくため、騒音の低減も可能となる。たとえば、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い。

ただし、高周波電圧の周波数はスイッチング素子２１ａ〜２１ｆの最大定格周波数を超えると素子破壊を起こし、負荷、もしくは電源短絡を起こし、発煙や発火に至る可能性があるため、高周波電圧の周波数は最大定格周波数以下に設定し信頼性を確保する。

また、周波数１０ｋＨｚ、出力５０Ｗを超える加熱機器の場合、電波法百条による制約があるため、事前に５０Ｗを超えないように電圧指令の振幅の調整や、流れる電流を検出して５０Ｗ以下となるようにフィードバックすることで、電波法を遵守した圧縮機１の加熱が可能となる。

また、本実施の形態では、温度センサ３５ａ，３５ｂにより検出した温度に基づいて冷媒量を推定したが、温度センサ３５ａ，３５ｂの代わりに漏洩電流を測定する電流計や、抵抗値を測定するための絶縁抵抗センサや粘度を測定する粘度センサ等を圧縮機１に設置することにより液面を検知して、冷媒量を推定するようにしてもよい。

実施の形態２．
次に、本発明にかかる実施の形態２のヒートポンプ装置について説明する。なお、本実施の形態のヒートポンプ装置の構成は実施の形態１と同様である。実施の形態１と同様の機能を有する構成要素は、実施の形態１と同一の符号を付して重複する説明を省略する。

図９は、シリコンデバイス（以下、Ｓｉデバイス）とＳｉＣデバイスの耐圧とオン抵抗の関係を示す図である。図９を用いて実施の形態２のヒートポンプ装置を説明する。本実施の形態のヒートポンプ装置は、図２に示したスイッチング素子２１ａ〜２１ｆをシリコンカーバイドデバイス（以下、ＳｉＣデバイス）のスイッチング素子としたものである。現在、一般的には珪素（Ｓｉ）を材料とする半導体を用いるのが主流である。Ｓｉデバイスと比較してＳｉＣデバイスではバンドギャップが大きく、大幅に耐圧とオン抵抗のトレードオフを改善できることが知られている。例えば、現在のＳｉデバイスを使った誘導加熱調理器では冷却装置や放熱ファンが必須とされているが、ワイドバンドギャップ半導体デバイスであるＳｉＣデバイスを用いることにより大幅に素子損失が低減可能であり、従来の冷却装置や放熱フィンの小型化または削除が可能となる。ＳｉＣ以外のワイドバンドギャップ半導体としては、例えば、窒化ガリウム系材料やダイヤモンドがある。

上記のようにスイッチング素子を従来のＳｉデバイスからＳｉＣデバイスに変更することで大幅な低損失化が可能となり、冷却装置や放熱フィンの小型化、または削除が可能となり、装置自体の大幅な低コスト化ができる。また、高周波でのスイッチングが可能となることで、モータ８に更に高周波の電流を流すことが可能となり、モータ８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部９に流入する電流を低減し、より高効率なヒートポンプ装置を得ることが可能となる。高周波化することにより人間の可聴域である１６ｋＨｚ以上の高周波に駆動周波数を設定することが可能となり、騒音対策がしやすいといった利点もある。

また、ＳｉＣを使用した場合、従来のＳｉに比べ低損失で電流を格段に多く流すことができるため、冷却フィンを小型化するなどの効果を得ることができる。本実施の形態ではＳｉＣデバイスを例に説明したが、ＳｉＣに代えてダイヤモンドやガリウムナイトライド（ＧａＮ）などのワイドバンドギャップ半導体デバイスを用いても同様であることは、当業者にとっては明らかである。なお、インバータが備えている各スイッチング素子のダイオードのみをワイドバンドギャップ半導体としてもよい。また、複数存在しているスイッチング素子のうちの一部（少なくとも１つ）をワイドバンドギャップ半導体で形成するようにしてもよい。一部の素子にワイドバンドギャップ半導体を適用した場合にも上述した効果を得ることができる。

また、実施の形態１および２では、スイッチング素子として主にＩＧＢＴを用いた場合を想定しているが、スイッチング素子はＩＧＢＴに限定されるものではなく、スーパージャンクション構造のパワーＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）やその他の絶縁ゲート半導体装置、バイポーラトランジスタでも同様であることは当業者にとっては明らかである。

実施の形態３．
図１０は、本発明にかかるヒートポンプ装置の実施の形態３の構成例を示す図である。本実施の形態では、実施の形態１、２で説明したヒートポンプ装置を空気調和機、ヒートポンプ給湯機、冷蔵庫、冷凍機等に搭載する際の構成および動作の一例について説明する。

図１１は、図１０に示したヒートポンプ装置の冷媒の状態についてのモリエル線図である。図１１において、横軸は比エンタルピ、縦軸は冷媒圧力を示す。

本実施の形態のヒートポンプ装置において、圧縮機５１、熱交換器５２、膨張機構５３、レシーバ５４、内部熱交換器５５、膨張機構５６および熱交換器５７は、配管により順次接続され、冷媒が循環する主冷媒回路５８を構成している。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は、上記実施の形態１、２で説明した圧縮機１であり、インバータ部９によって駆動されるモータ８と圧縮機構７とを有する圧縮機である（図１参照）。さらに、ヒートポンプ装置は、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が順次接続されている。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、ラジエータや床暖房等の放熱器等の水を利用する装置が接続される。

上記構成のヒートポンプ装置の動作について説明する。まず、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は実線方向に設定される。なお、この暖房運転には、空調で使われる暖房だけでなく、水に熱を与えて温水を作る給湯も含む。

圧縮機５１で高温高圧となった気相冷媒（図１１の点Ａ）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１１の点Ｂ）。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、暖房や給湯に利用される。

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１１の点Ｃ）。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１１の点Ｄ）。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、インジェクション回路６２を流れる冷媒（膨張機構６１で減圧され気液二相状態となった冷媒）と内部熱交換器５５で熱交換されて、さらに冷却される（図１１の点Ｅ）。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１１の点Ｆ）。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１１の点Ｇ）。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１１の点Ｈ）、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１１の点Ｉ）、内部熱交換器５５で熱交換される（図１１の点Ｊ）。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１１の点Ｈ）が、中間圧まで圧縮、加熱される（図１１の点Ｋ）。中間圧まで圧縮、加熱された冷媒（図１１の点Ｋ）に、インジェクション冷媒（図１１の点Ｊ）が合流して、温度が低下する（図１１の点Ｌ）。そして、温度が低下した冷媒（図１１の点Ｌ）が、さらに圧縮、加熱され高温高圧となり、吐出される（図１１の点Ａ）。

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を利用した電子制御により制御される。

次に、ヒートポンプ装置１００の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は破線方向に設定される。なお、この冷房運転には、空調で使われる冷房だけでなく、水から熱を奪って冷水を作ることや、冷凍等も含む。

圧縮機５１で高温高圧となった気相冷媒（図１１の点Ａ）は、圧縮機５１から吐出されると四方弁５９を経由して熱交換器５７側に流れていき、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１１の点Ｂ）。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１１の点Ｃ）。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において、インジェクション回路６２を流れる冷媒と熱交換され、冷却されて液化される（図１１の点Ｄ）。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１１の点Ｉ）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１１の点Ｄ）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１１の点Ｅ）。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１１の点Ｆ）。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１１の点Ｇ）。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、冷房や冷凍に利用される。そして、熱交換器５２で加熱された冷媒は、四方弁５９を経由してレシーバ５４へ流入し、そこでさらに加熱され（図１１の点Ｈ）、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（図１１の点Ｉ）、内部熱交換器５５で熱交換される（図１１の点Ｊ）。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内での圧縮動作については、上述した暖房運転時と同様である。

なお、インジェクション運転を行わない際には、上述した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。しかし、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。

以上のように、実施の形態１、２で説明したヒートポンプ装置は、空気調和機、ヒートポンプ給湯機、冷蔵庫、冷凍機等のインバータ圧縮機を用いたヒートポンプ装置に利用することができる。

以上のように、本発明にかかるヒートポンプ装置は、冷媒寝込み現象を効率的に解消させ省電力化を図るヒートポンプ装置に有用である。

１，５１ 圧縮機
２，５９ 四方弁
３，５，５２，５７ 熱交換器
４，５３，５６，６１ 膨張機構
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 通常運転モード制御部
１２ 加熱運転モード制御部
１３ 高周波通電部
１４ 冷媒量推定部
１５ 駆動信号生成部
２１ａ〜２１ｆ スイッチング素子
２４ ＰＷＭ信号生成部
２５ 電圧指令値生成部
２７ 温度検出回路部
２８ 冷媒量判定部
２９ 加熱指令部
３０ 冷媒量判定部（加熱運転開始時）
３１ 周囲温度検知部
３５ａ，３５ｂ 温度センサ
３６ 電圧センサ
５４ レシーバ
５５ 内部熱交換器
５８ 主冷媒回路
６０ ファン
６２ インジェクション回路
６３ 水回路
１００ ヒートポンプ装置

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、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、前記モータを駆動する電圧を印加するインバータと、前記圧縮機の温度または外気温度を検知する温度センサと、を備え、前記圧縮機を通常運転して冷媒を圧縮する通常運転モードと、前記モータへ前記通常運転モードより高周波数の電圧を印加することにより前記圧縮機を加熱運転する加熱運転モードとを有し、前記加熱運転モードにおいて、前記温度センサにより検知された温度に応じて前記電圧を生成する。

また、特許文献５に記載の冷凍装置では、圧縮機の給油管の下方に絶縁抵抗センサを設置し、冷媒と冷凍機油の二相分離を絶縁抵抗によって検出するようにしている。絶縁抵抗が所定値以下になった時のみヒーターに通電を行い、冷凍機油を加熱することで停止中の消費電力を低減している。しかしながら、絶縁抵抗を精度良く検出するためには高コストな絶縁抵抗センサが必要となるといった課題がある。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、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、前記モータを駆動する電圧を印加するインバータと、前記圧縮機の温度を検知する複数の温度センサと、を備え、前記圧縮機を通常運転して冷媒を圧縮する通常運転モードと、前記モータへ前記通常運転モードより高周波数の電圧を印加することにより前記圧縮機を加熱運転する加熱運転モードとを有し、前記加熱運転モードにおいて、前記複数の温度センサにより検知された温度に応じて前記電圧を生成する。

図３は、ＰＷＭ信号生成部２４の一相分の信号生成方法を示す図であり、Ｕ相のＰＷＭ信号を生成する方法を示している。図３に示した三角波がキャリア信号、正弦波が電圧指令値Ｖｕ＊である。図３に示した信号生成方法は一般に非同期ＰＷＭと称される手法に相当する。ＰＷＭ信号生成部２４は、電圧指令値Ｖｕ＊と所定の周波数で振幅Ｖｄｃ／２（Ｖｄｃは直流母線電圧を示す）のキャリア信号を比較し、相互の大小関係に基づきＰＷＭ信号ＵＰおよびＵＮを生成する。すなわち、キャリア信号が電圧指令値Ｖｕ＊よりも大きいときは、ＵＰをＯＮ，ＵＮをＯＦＦとし、それ以外はＵＰをＯＦＦ，ＵＮをＯＮにする。なお、キャリア信号の振幅，位相は固定とする。

ただし、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ため、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（Insulate Gate Bipolar Transistor）の場合、スイッチングスピードの上限が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の悪影響を及ぼす恐れがある。すなわち、キャリア周波数を２０ｋＨｚとした場合に高周波電圧の周波数をキャリア周波数の１／１０の２ｋＨｚ以下とすると、高周波電圧の周波数は可聴周波数領域となり、騒音悪化が懸念される。そのため、ＰＷＭ信号生成部２４は、以下に示す方法でキャリア信号に同期したＰＷＭ信号を生成するようにして、騒音悪化を回避する。

したがって、冷媒量推定部１４は、上記２条件に基づいて冷媒量（冷媒状態）の推定結果として、寝込み冷媒が解消されているか否かを加熱指令部２９に出力し、加熱指令部２９は、入力された推定結果に基づいて、加熱運転モードを継続するか否かを判断する。

このように、本実施の形態のヒートポンプ装置において、インバータ制御部１０は、圧縮機１が備えている温度センサ３５ａ，３５ｂの検出結果から冷媒量を推定し推定結果および必要発熱量に基づいて電圧位相を決定し、ＰＷＭ信号を生成してインバータ部９を制御することとした。これにより、圧縮機１の冷媒量を正確に検知することができ、必要十分量のみの加熱により圧縮機１に滞留した液冷媒を外部に漏出可能とする。すなわち、安定的かつ効率的に圧縮機１を加熱することができる。

図９は、シリコンデバイス（以下、Ｓｉデバイス）とＳｉＣデバイスの耐圧とオン抵抗の関係を示す図である。図９を用いて実施の形態２のヒートポンプ装置を説明する。本実施の形態のヒートポンプ装置は、図２に示したスイッチング素子２１ａ〜２１ｆをシリコンカーバイドデバイス（以下、ＳｉＣデバイス）のスイッチング素子としたものである。現在、一般的には珪素（Ｓｉ）を材料とする半導体を用いるのが主流である。Ｓｉデバイスと比較してＳｉＣデバイスではバンドギャップが大きく、大幅に耐圧とオン抵抗のトレードオフを改善できることが知られている。例えば、現在のＳｉデバイスを使った誘導加熱調理器では冷却装置や放熱フィンが必須とされているが、ワイドバンドギャップ半導体デバイスであるＳｉＣデバイスを用いることにより大幅に素子損失が低減可能であり、従来の冷却装置や放熱フィンの小型化または削除が可能となる。ＳｉＣ以外のワイドバンドギャップ半導体としては、例えば、窒化ガリウム系材料やダイヤモンドがある。

本実施の形態のヒートポンプ装置において、圧縮機５１、熱交換器５２、膨張機構５３、レシーバ５４、内部熱交換器５５、膨張機構５６および熱交換器５７は、配管により順次接続され、冷媒が循環する主冷媒回路５８を構成している。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は、上記実施の形態１、２で説明した圧縮機１であり、インバータ部９によって駆動されるモータ８と圧縮機構７とを有する圧縮機である（図１参照）。さらに、ヒートポンプ装置は、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が順次接続されている。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、床暖房等の放熱器等の水を利用する装置が接続される。

Claims (10)

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、
   前記モータを駆動する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、
   前記圧縮機の温度を検知する温度センサと、
   を備え、
   前記インバータ制御部は、
   前記圧縮機を通常運転して冷媒を圧縮する通常運転モードと、前記モータへ前記通常運転モードより高周波数の高周波電圧を印加することにより前記圧縮機を加熱運転する加熱運転モードとを有し、前記加熱運転モードにおいて、前記温度センサにより検知された温度と予め指定された必要加熱量とに基づいて前記高周波電圧を生成するための電圧指令の振幅および位相を決定することを特徴とするヒートポンプ装置。
2. 前記インバータ制御部は、前記インバータ制御部の前記加熱運転モードにおいて前記モータへ印加する高周波電圧の周波数、位相、振幅のうち少なくともいずれか１つを使用者からの入力により設定可能とすることを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ装置。
3. 前記インバータ制御部は、予め前記温度センサにより検知される温度とインバータ出力との対応テーブルを保持しておき、前記温度センサによる検知結果と前記対応テーブルとに基づいてインバータ出力を選択することを特徴とする請求項１または２に記載のヒートポンプ装置。
4. 前記温度センサを複数備え、
   前記インバータ制御部は、
   複数の前記温度センサの検知結果間の差分、及び初期温度と前記検知結果との差分に基づいて冷媒量を推定する冷媒量推定部と、
   前記冷媒量推定部により推定された冷媒量と予め指定された必要加熱量とに基づいて前記高周波電圧を生成するための電圧指令の振幅および位相を決定する高周波通電部と、
   を備えることを特徴とする請求項１、２または３に記載のヒートポンプ装置。
5. 前記インバータを構成するスイッチング素子のうち、少なくとも１つがワイドバンドギャップ半導体で形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載のヒートポンプ装置。
6. 前記インバータを構成しているスイッチング素子のダイオードのうち、少なくとも１つがワイドバンドギャップ半導体で形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載のヒートポンプ装置。
7. 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ことを特徴とする請求項５または６に記載のヒートポンプ装置。
8. 前記高周波電圧の周波数が１０ｋＨｚを超える場合は、前記モータの入力電力を５０Ｗ以下に制御することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載のヒートポンプ装置。
9. 請求項１〜８のいずれか１つに記載のヒートポンプ装置を備えることを特徴とする空気調和機。
10. 請求項１〜８のいずれか１つに記載のヒートポンプ装置を備えることを特徴とする冷凍機。

Images