WO2006120819A1

WO2006120819A1 - ヒートポンプ

Info

Publication number: WO2006120819A1
Application number: PCT/JP2006/307233
Authority: WO
Inventors: Keizo Matsui; Tetsuya Matsuyama
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.
Priority date: 2005-05-12
Filing date: 2006-04-05
Publication date: 2006-11-16
Also published as: JPWO2006120819A1; JP3898753B2

Abstract

　本発明のヒートポンプ４００における電源コンバータ５は、切り替え可能な高電圧発生回路と低電圧発生回路とを含む。回路選択部１５は、発電機８の回転数が所定値を上回るときには高電圧発生回路を、所定値を下回るときには低電圧発生回路を選択する。そのような所定値は、低電圧発生回路により発生する電圧を発生させる発電機８の回転数以下となるように定めることができる。

Description

明細書

ヒートポンプ技術分野

[0001] 本発明は、ヒートポンプに関し、特に、成績係数（COP Coefficient of Performance )の向上のため、膨張機を通過する冷媒カゝらエネルギーを回収して圧縮機の補助動力として用いるヒートポンプに関する。

背景技術

[0002] ヒートポンプは、圧縮機、放熱器 (凝縮器)、膨張機 (膨張弁)、蒸発器を配管で接続したループを有する。ヒートポンプでは、このループに沿って作業媒体 (冷媒）が気液変換操作を受けながら循環し、この循環に伴って熱源力熱が汲み出される。冷媒の非フロン化に伴い、ヒートポンプには、従来にも増して COPの向上が求められている。

[0003] 特開昭 61— 29647号公報は、 COPの向上のために、膨張機から回収した動力を圧縮機の補助動力として用いる動力回収機構を備えたヒートポンプ (冷凍サイクル）を開示する。このヒートポンプは、図 9に示すように、圧縮機 101、凝縮器 102、膨張機 103、蒸発器 104を備え、さらに、商用の交流電源 120からの交流電流を直流化するコンバータ（電源コンバータ） 105、コンバータ 105からの直流電流を所定周波数の交流電流に変換するインバータ 106、膨張機 103を通過する冷媒が与えるェネルギ一により発電する発電機 108、発電機 108からの交流電流を直流化するコンパ一タ 109を備え、コンバータ 109からの直流電流力インバータ 106に供給され、圧縮機 101の補助動力となる。

[0004] COPの向上のためには、膨張機 103を通過する冷媒の状態に応じ、発電機 108の回転数を制御して、膨張機 103の負荷を適切に調整することが望ましい。

[0005] 特開 2000— 241033号公報は、膨張機に接続した発電機の負荷の大きさを可変としたヒートポンプ (冷凍装置）を開示する（当該文献の図 6参照)。このヒートポンプは、図 10に示すように、圧縮機 201、放熱器 202、膨張機 203、蒸発器 204を備え、さらに、放熱器 202の出口側において冷媒の温度および圧力を検出する温度センサ 2 11および圧力センサ 212、これらセンサ 211, 212に接続された演算手段 213、演算手段 213に接続された回転数制御手段 215、回転数制御手段 215に接続された発電機 208を備え、回転数制御手段 215により発電機 208の回転数を調整することによって膨張機 203の負荷を制御し、これにより放熱器 202の出口側の冷媒の圧力を制御している。また、特開 2000— 241033号公報は、冷媒がその温度に応じて定まる最適圧力を有するように、冷媒の圧力を制御することも開示している（当該文献の図 10参照)。

[0006] なお、図 10に示したヒートポンプにおいて、符号 207は原動機、符号 221はオイルセパレータ、符号 222はアキュムレータである。

発明の開示

[0007] 特開昭 61— 29647号公報が開示するヒートポンプにおいても、 COPを更に向上させるには、膨張機 103を通過する冷媒の状態に応じて発電機 108の回転数を適切に制御するとよい。この場合、コンバータ 109を用いて発電機 108の回転数制御を行えば、コンバータ 109とは別に回転数制御手段を設けることなぐ発電機 108の回転数を制御することが可能となる。コンバータ 109を用いて発電機 108の回転数制御を行うには、スイッチング素子を備えた可変速コンバータを用い、このスイッチング素子を PWM (Pulse Width Modulation)方式でスイッチングするとよい。

[0008] ただし、可変速コンバータを用いて発電機 108の回転数を制御するためには、コンバータ 109の二次側（直流部） 100の電圧を一時側の電圧よりも高くする必要がある。これは、発電機 108による誘起電圧が直流部 100の電圧よりも高いと、コンバータ 1 09内のスイッチング素子の状態 (ON状態または OFF状態）を問わず、そのスィッチング素子に並列接続されたフライバックダイオードを通り、発電機 108から直流部 10 0へと電流が流れるためである。発電機 108から直流部 100に無制限に電流が流れることは、発電機 108の電流を制御できなくなること、換言すれば、発電機 108の回転数を制御できなくなることを意味する。したがって、可変速コンバータを用いて発電機 108の回転数を安定して制御するためには、直流部 100の電圧を高く維持することが望ましい。

[0009] しかし、直流部 100の電圧を高くすると、発電機 108の回転数が低く誘起電圧が低い場合にはコンバータ 109および発電機 108を経由して回収する動力の回収効率が低下する。これは、発電機 108の誘起電圧を直流部 100の電圧にまで昇圧する際にコンバータ 109および発電機 108において発生する損失力誘起電圧と直流部の電圧との差が拡大するにつれて大きくなるためである。このため、発電機 108を用いた動力の回収効率を向上させる観点からは、直流部 100の電圧を過度に高く設定することは望ましくない。

[0010] 以上のように、発電機を備えたヒートポンプにおいて可変速コンバータを用いて発電機の回転数を制御する場合には、発電機を安定して制御しょうとすると直流部の電圧は高いことが望ましぐ発電機によるエネルギーの回収効率を高くしょうとすると直流部の電圧は低!、ことが望ま U、ため、直流部の電圧の適切な設定が困難となり、その結果、 COPの向上を十分に図ることもできない、という問題が生じる。

[0011] 本発明は、従来力 COPを向上させる手段として個別に知られていた技術、具体的には発電機を用いた動力の回収技術 (例えば特開昭 61— 29647号公報）と、発電機を用いた膨張機の負荷制御による冷媒の圧力制御技術 (例えば特開 2000— 2 41033号公報）とを組み合わせるに止まらず、可変速コンバータを用いて発電機の回転数制御を行う場合に生じる上記問題を解決する新たなヒートポンプを提供することを目的とする。

[0012] すなわち、本発明は、冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機を通過した冷媒に熱を放出させる放熱器と、前記放熱器を通過した冷媒を膨張させる膨張機と、前記膨張機を通過した冷媒に熱を吸収させる蒸発器と、前記圧縮機、前記放熱器、前記膨張機および前記蒸発器をこの順に冷媒が循環可能となるように接続する配管と、交流電源からの交流電流を直流電流に変換する第 1コンバータと、前記第 1コンバータに接続されたインバータと、前記インバータカ供給される交流電流により前記圧縮機を駆動する電動機と、前記膨張機を通過する冷媒により駆動する発電機と、前記発電機からの交流電流を直流電流に変換し、前記第 1コンバータとともに前記インバータの入力端に接続された第 2コンバータと、を備え、前記インバータが、前記第 1コンバータおよび前記第 2コンバータから供給される直流電流を交流電流に変換して前記電動機に供給するように構成され、前記第 1コンバータが、高電圧発生回路と低電圧発生回路とを切り替え可能に有し、前記第 2コンバータが、前記発電機の回転数を制御可能な可変速コンバータであり、前記発電機の回転数に応じて、前記高電圧発生回路および前記低電圧発生回路のいずれか一方を選択する回路選択部を有し、前記回路選択部が、所定値を基準として、前記発電機の回転数が前記所定値を上回るときには前記高電圧発生回路を選択し、前記発電機の回転数が前記所定値を下回るときには前記低電圧発生回路を選択し、前記所定値が、前記低電圧発生回路により発生する電圧を発生させる前記発電機の回転数以下となるように、定められた、ヒートポンプを提供する。

[0013] 本発明のヒートポンプは、前記回路選択部が、前記発電機の回転数とともに前記電動機の回転数に応じて、前記高電圧発生回路および前記低電圧発生回路のいずれか一方を選択し、かつ前記所定値を基準とした選択に代え、所定値 Aおよび所定値 Bを基準として、前記発電機の回転数が前記所定値 Aを上回るという条件、および前記電動機の回転数が前記所定値 Bを上回るという条件、力選ばれる少なくとも一方の条件が成立するときには前記高電圧発生回路を選択し、前記発電機の回転数が前記所定値 Aを下回るという条件、および前記電動機の回転数が前記所定値 Bを下回るという条件、力^もに成立するときには前記低電圧発生回路を選択する、選択を行い、前記所定値 Aが、前記低電圧発生回路により発生する電圧を発生させる前記発電機の回転数以下となるように、定められた、ヒートポンプとしてもよい。

[0014] 本発明のヒートポンプは、前記放熱器と前記膨張機との間において冷媒の温度を検出する温度検出手段と、前記放熱器と前記膨張機との間において冷媒の圧力を検出する圧力検出手段と、前記温度検出手段により検出された温度に応じて冷媒最適圧力を算出し、前記圧力検出手段により検出された圧力と前記冷媒最適圧力とに基づいて発電機最適回転数を算出する演算手段と、をさらに備え、前記発電機最適回転数に基づき、前記発電機の回転数が前記発電機最適回転数に近づくように、前記第 2コンバータが前記発電機の回転数を制御する、ヒートポンプであることが好ましい。

[0015] この場合、前記回路選択部が、前記発電機の回転数に代えて、前記発電機最適回転数に応じて前記高電圧発生回路および前記低電圧発生回路のいずれか一方を選択しても構わない。

[0016] また、本発明の他の側面において、上述の回路選択部を、前記発電機の回転数に応じて、前記第 1コンバータの出力電圧の設定値を変更する電圧設定部と捉えることもできる。この場合、ヒートポンプは、前記第 1コンバータの出力電圧力前記発電機の発生する電圧以上となるように制御される。

[0017] 以上本発明によれば、発電機の安定した回転数制御と、発電機を用いた効率的な動力回収との両立を可能とし、これによつてヒートポンプの COPの更なる向上を可能とする。

図面の簡単な説明

[0018] [図 1]本発明のヒートポンプの一例を示す構成図

[図 2]図 1のヒートポンプにおける圧縮機への電力供給系の構成図

[図 3]本発明のヒートポンプの制御手順を例示するフローチャート

[図 4]最適効率が得られる冷媒圧力の冷媒温度依存性を示す最適効率圧力線を例示するグラフ

[図 5]本発明のヒートポンプの別の一例を示す構成図

[図 6]図 3に示した制御手順による電圧の制御例を示すタイムチャート

[図 7]第 3の実施形態のヒートポンプにおける電力供給系の構成図

[図 8]図 7に示した電力供給系による電圧の制御例を示すタイムチャート

[図 9]発電機により動力を回収する従来のヒートポンプの構成図

[図 10]発電機により冷媒圧力を制御する従来のヒートポンプの構成図

発明を実施するための最良の形態

[0019] 以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

[0020] (第 1の実施形態）

図 1に示すヒートポンプ 400は、圧縮機放熱器 2、膨張機 3、蒸発器 4、およびこれらを接続する配管 10を備えている。

[0021] 圧縮機 1に動力を供給する主動力源は商用の交流電源 20である。交流電源 20は電源コンバータ 5 (第 1コンバータ）に接続され、電源コンバータ 5はインバータ 6に接続され、インバータ 6は圧縮機 1を駆動させる電動機 7に接続されている。 [0022] 圧縮機 1の補助動力源は発電機 8である。発電機 8は、膨張機 3を通過する冷媒が膨張機 3に与えるエネルギーにより発電する。図示した形態では、発電機 8として、三相の交流電圧を発生させる永久磁石型同期発電機が用いられている。発電機 8は、可変速コンバータ (第 2コンバータ） 9に接続され、可変速コンバータ 9の出力端 (二次側端子） 92は、電源コンバータ 5の出力端 52とともに、インバータ 6の入力端 61に接続されている。コンバータ 5, 9の出力端 52, 92とインバータ 6の入力端 61との間の回路部は、直流部 30を構成する。

[0023] 電源コンバータ 5および可変速コンバータ 9からインバータ 6には直流電流が供給され、インバータ 6から電動機 7には三相の交流電流が供給される。電動機 7により圧縮機 1が駆動すると、冷媒が配管 10を介して要素機器 1, 2, 3, 4を循環しながら、蒸発器 4で汲み上げた熱を放熱器 2で放出する。

[0024] 図 2に、圧縮機 1への電気エネルギーの供給系統を示す。電源コンバータ 5は、ダィオードを用いた整流素子 50 (ダイオードブリッジ）、倍電圧整流用のコンデンサ 56, 57、電圧を平滑ィ匕する平滑コンデンサ 58、および電圧切替スィッチ 55を内蔵する。電圧切替スィッチ 55は、機械的なリレーであってもよいし、半導体スィッチであってもよい。

[0025] 図 2に示すように、電源コンバータ 5は、チャージポンプ型の昇圧回路を含んでいる。直列接続された 1対のコンデンサ 56, 57が整流素子 50の出力側に並列接続されている。電圧切替スィッチ 55は、自身が ON状態になったとき、第 1コンデンサ 56と第 2コンデンサ 57との間の線路と、単相の交流電源 20の一方の出力端とを結線する（ノィパスする）ように回路に組み込まれている。つまり、交流電源 20自身が昇圧回路に必要な発振源となっている。電圧切替スィッチ 55が ONのとき、コンデンサ 56, 57 は、交流電源 20の周波数に同期して蓄電と放電を繰り返し、自己の放電に基づくリップル電圧を整流素子 50の出力電圧に重畳させる。平滑コンデンサ 58は、整流素子 50からの昇圧された出力電圧を整流および平滑ィ匕することにより、昇圧された直流を電源コンバータ 5の出力電圧として出力する。

[0026] このような構成のコンバータ 5は、電圧切替スィッチ 55が閉じた状態で倍電圧整流回路 (高電圧発生回路）として機能し、電圧切替スィッチ 55が開いた状態で通常の全波整流回路 (低電圧発生回路）として機能する。交流電源 20の電圧を Vacとすると、倍電圧整流回路力得られる電圧は Vacの約 2. 8倍となり、全波整流回路から得られる電圧は Vacの約 1. 4倍となる。

[0027] インバータ 6は、いわゆる 3相電圧型インバータである。インバータ 6にはスィッチング素子 60が内蔵されている。スイッチング素子 60は、パワー MOSFETや IGBT(Ins ulated Gate Bipolar Transistor)である。このスイッチング素子 60を PWM方式でスィツチングすることにより、インバータ 6からは任意に定められた所定周波数の交流電流が圧縮機 1に供給される。こうして、圧縮機 1の回転数はインバータ 6により制御される

[0028] 可変速コンバータ 9も、インバータ 6と同様の 3相電圧型とすることができる。可変速コンバータ 9にも、パワー MOSFETや IGBTからなるスイッチング素子 90が内蔵されている。スイッチング素子 90を PWM方式でスイッチングすることにより、発電機 8のトルクの制御を通じ、発電機 8の回転数を制御できる。しかし、可変速コンバータ 9において入力端 91の電圧が出力端 92の電圧よりも高くなると、スイッチング素子 90に並列接続されたフライバックダイオード（図示省略)を通り、スイッチング素子 90の操作とは関係なく発電機 8から直流部 30へと電流が流れるため、可変速コンバータ 9によつて発電機 8の回転数を制御することができなくなる。このため、発電機 8の回転数を制御するためには、直流部 30の電圧を、発電機 8による誘起電圧よりも高く設定しなければならない。他方、発電機 8による誘起電圧が低い場合に直流部 30の電圧を高く設定すると、発電機 8および可変速コンバータ 9における回収エネルギーの損失が大きくなる。

[0029] 直流部 30に対する上記の相反する要求を満たすには、電源コンバータ 5において、発電機 8の回転数に応じ、高電圧発生回路および低電圧発生回路のいずれかを適切に選択するとよい。すなわち、発電機 8の回転数が低ぐ発電機 8による誘起電圧が低い場合には電源コンバータ 5の電圧切替スィッチ 55を開いて低電圧発生回路を選択し、直流部 30の電圧を低く保つ。一方、発電機 8の回転数が高ぐ発電機 8 による誘起電圧が高い場合には電圧切替スィッチ 55を閉じて高電圧発生回路を選択し、直流部 30の電圧を高く保つ。 [0030] 具体的には、予め定めた所定値を基準として、発電機 8の回転数が所定値を上回つたときには高電圧発生回路を選択し、発電機 8の回転数が所定値を下回ったときには低電圧発生回路を選択するとよい。この場合、所定値が適切に定められていれば、発電機 8の回転数が所定値と等しくなつたときの回路の選択は任意であって、高電圧発生回路を選択してもよいし、低電圧発生回路を選択してもよぐその直前に選択されて、た回路をそのまま維持することとしてもょヽ。

[0031] なお、上記所定値の前後に一定の不感帯を設定するようにしてもよい。すなわち、上記所定値は、第 1の所定値 R1と、該第 1の所定値 R1よりも小さい第 2の所定値 R2 とを含む。発電機 8の回転数が第 1の所定値 R1を上回った場合に高電圧発生回路が選択される一方、発電機 8の回転数が上記第 1の所定値 R1よりも若干小さい第 2 の所定値 R2を下回った場合に低電圧発生回路が選択されるようにする。第 1の所定値 R1から第 2の所定値 R2の間の回転数のときは、変化の前歴による。高電圧発生回路と低電圧発生回路との切り替えに、このようなヒステリシスを持たせれば、回路の動作が安定する。また、電圧切替スィッチ 55として機械的なリレーを用いた場合のチャタリング防止を図ることができる。

[0032] ところで、発電機 8の安定した制御のために、所定値は、低電圧発生回路により発生する電圧を発生させる発電機 8の回転数以下となるように、設定するべきである。所定値の下限に制限はないが、この値が低すぎると発電機 8における誘起電圧が低い場合にも高電圧発生回路が選択されやすくなるため、ヒートポンプの標準的な運転時に発生する誘起電圧などを考慮しつつ適切な範囲に定めるとよい。また、高電圧発生回路と低電圧発生回路との切り替えにヒステリシスを持たせる場合の所定値 R 1, R2についても、ともに、低電圧発生回路により発生する電圧を発生させる発電機 8の回転数以下となるように定めるとよ、。

[0033] 高 (低)電圧発生回路の選択は、基本的に、発電機 8の回転数に応じて行われる。

図 1に示したヒートポンプ 400では、発電機 8の回転数が可変速コンバータ 9から回路選択部 15に出力される。回路選択部 15において、発電機 8の回転数と予め定められた所定値とが対比されて選択されるべき回路が決定され、この決定が電源コンパータ 5に入力される。回路選択部 15は、マイクロコンピュータで構成することもできるし、オペアンプ等を用いたアナログ回路で構成することもできる。なお、図 1では、回路選択部 15を独立した要素として示したが、これに限らず、回路選択部 15は、例えば電源コンバータ 5と一体となった要素であってもよい。

[0034] 電源コンバータ 5における回路の選択は、発電機 8の回転数とともに電動機 7の回転数を検出することにより行ってもよい。電動機 7の回転数が高い場合に電動機 7を安定して回転させるためには、直流部 30の電圧は高いことが望ましいからである。電動機 7の回転数はインバータ 6から回路選択部 15へと出力すればよい。

[0035] 図 3に、回路選択の手順の一例を示す。この手順は、例えば、回路選択部 15を構成するマイクロコンピュータが実行可能なプログラムの形で与えられる。まず、この手順では、ステップ S 11で発電機 8の回転数と電動機 7の回転数が検出される。続くステツプ S 12で発電機 8の回転数が所定の回転数 Aと対比され、発電機 8の回転数が回転数 A未満でなければ (A以上であれば）、ステップ S16で電源コンバータ 5の電圧切替スィッチ 55が閉じられて高電圧発生回路が選択される。

[0036] 一方、ステップ S 12で発電機 8の回転数が回転数 A未満であれば、ステップ S 13で電動機 7の回転数が所定の回転数 Bと対比される。電動機 7の回転数が回転数 Bより大の場合には、ステップ S 14で電源コンバータ 5の電圧切替スィッチ 55が閉じられて高電圧発生回路が選択される。電動機 7の回転数が回転数 B以下の場合には、ステップ S15で電源コンバータ 5の電圧切替スィッチ 55が開かれて低電圧発生回路が選択される。このような手順に沿った処理を定期的に実施することにより、直流部 30の電圧を適切に制御することができる。なお、回路切替の閾値として定められる回転数 Aと回転数 Bは、等しい場合もあるし、異なる場合もある。

[0037] また、上記回転数 A, Bにも、前述したような不感帯を設定することができる。この場合、回転数 Aは、第 1の回転数 A1と、該第 1の回転数 A1よりも小さい第 2の回転数 A 2とを含む。回転数 Bは、第 3の回転数 B1と、該第 3の回転数 B1よりも小さい第 4の回転数 B2とを含む。回路選択部 15は、発電機 8の回転数が第 1の回転数 A1を上回るという条件、および電動機 7の回転数が第 3の回転数 B1を上回るという条件力も選ばれる少なくとも一方の条件が成立するときには高電圧発生回路を選択する。発電機 8 の回転数が第 2の回転数 A2を下回るという条件、および電動機 7の回転数が第 4の回転数 B2を下回るという条件がともに成立するときには低電圧発生回路を選択する

[0038] ところで、ヒートポンプの効率を高めて COPの向上を図るには、放熱器 2を通過して膨張機 3に向かう冷媒の圧力を、その冷媒の温度に応じた適切な圧力に調整することが望ましい。冷媒の温度により、効率向上に最適な圧力は相違するためである。図 4に、最適効率が得られる冷媒圧力を示す最適効率圧力線を例示する。

[0039] 冷媒の圧力を最適化するためには、発電機 8の回転数の制御を通じて膨張機 3の負荷を制御するとよい。図 1に示したヒートポンプ 400は、放熱器 2の出口近傍の配管 10内において冷媒の温度および圧力をそれぞれ測定する温度センサ 11および圧力センサ 12と、演算手段 13とを備えている。演算手段 13は、例えば、マイクロコンピュータによって構成することができる。

[0040] 演算手段 13は、温度センサ 11により検出された温度、および予め入力された最適効率圧力線に基づいて冷媒最適圧力を算出し、圧力センサ 12により検出された圧力と冷媒最適圧力とに基づいて発電機最適回転数を算出する。そして、この発電機最適回転数に基づき、発電機 8の回転数が発電機最適回転数となるように、より具体的には、発電機 8の回転数と発電機最適回転数との差分力 S小さくなるように、可変速コンバータ 9が発電機 8の回転数を制御する。

[0041] (第 2の実施形態）

図 5に、第 2の実施形態に係るヒートポンプの構成例を示す。このヒートポンプ 401 では、回路選択部 16が、高 (低)電圧発生回路を選択するとともに、前述の発電機最適回転数を算出する。回路選択部 16においても、高 (低)電圧発生回路の選択の手順は、例えば図 3を参照して説明したとおりに行えばよいが、所定値と対比する対象を、発電機 8の回転数ではなぐ算出した発電機最適回転数としてもよい。この場合、回路選択部 16は、可変速コンバータ 9からの発電機 8の回転数についての入力を要しなヽこと〖こなる。

[0042] 図 6に、本発明のヒートポンプ 400, 401を図 3の手順により制御した場合の電圧の変化の例を示す。ヒートポンプ 400, 401の運転開始時 (t=0)は、発電機 8および電動機 7はともに回転していないため、電源コンバータ 5では低電圧発生回路が選択され、電源コンバータ 5からは低電圧 (電圧 A)が供給されている。発電機 8の回転数が徐々に高くなり、時間 tlにおいて回転数 Aに至ると、低電圧発生回路が高電圧発生回路に切り替わり、電源コンバータ 5からは高電圧 (電圧 B)の供給が始まる。その後、発電機 8の回転数が減少に向カゝい、時間 t2において回転数 Aを下回ると、電源コンバータ 5からは再び電圧 Aが供給される。この間、電動機 7の回転数は回転数 B未満である力その回転数が増加に向力い、時間 t3において回転数 Bを超えると、電源コンバータ 5からは電圧 Bが供給される。

[0043] (第 3の実施形態）

図 1に示すように、第 3の実施形態に係るヒートポンプ 402の全体構成は、電源コンバータ 5Bの内部構成、および回路選択部 15の代わりに出力電圧設定部 17が設けられているという点で、第 1の実施形態に係るヒートポンプ 400と相違している。その他は、第 1の実施形態に係るヒートポンプ 400と共通である。また、発電機 8の回転数に応じて、電源コンバータ 5Bの出力電圧の設定値を変更するという点についても、基本的な技術思想は既に説明したとおりである。

[0044] 図 7は、第 3の実施形態に係るヒートポンプ 402の圧縮機 1への電気エネルギーの供給系統を示す。電源コンバータ 5Bは、ダイオードを用いた整流素子 50 (いわゆるダイオードブリッジ）、昇圧コイル 301、この昇圧コイル 301に直列に接続した逆流阻止ダイオード 302 (例えばショットキーノリアダイオード）、昇圧コイル 301と逆流阻止ダイオード 302との間で整流素子 50の負端子側に接続したスイッチング素子 303、出力電圧を平滑ィ匕する平滑コンデンサ 304、および発振回路 305を内蔵する。発振回路 305は、スイッチング素子 303の ON'OFFを制御する制御用 ICにて構成することができる。出力電圧設定部 17は、例えばマイクロコンピュータにて構成することができ、電源コンバータ 5Bの出力電圧を設定し、設定した出力電圧を電源コンバータ 5B が生成するように発振回路 305を制御する。

[0045] 電源コンバータ 5Bの動作を具体的に説明する。電源コンバータ 5Bにおいて、整流素子 50は全波整流回路を構成している。整流素子 50が出力する直流の一部は、スイッチング素子 303 (スイッチング部）に分岐入力するようになっている。スイッチング素子 303は、その分岐直流入力を発振回路 305が規定する周波数にて断続スイツチングする。昇圧コイル 301は、分岐直流入力の断続スイッチングに基づいて誘導電流を発生させるとともに、その誘導電流に基づくリップル電圧を整流素子 50が出力する直流電圧に重畳させた形で出力する。平滑コンデンサ 304 (整流平滑部）は、昇圧コイル 301からの出力電圧を整流および平滑ィ匕することにより整流素子 50による直流出力よりも昇圧された直流を生成し、この昇圧された直流を当該電源コンバータ 5Bの出力電圧として出力する。

[0046] このように、電源コンバータ 5Bは、スイッチング素子 303の ON · OFFを高速に制御することにより昇圧コイル 301を利用して出力電圧の制御が可能な昇圧チヨッパ回路を構成してヽる。スイッチング素子 303の ONデューティを変えることにより出力電圧を変えることができる。一例として、交流電源 20が 100Vの場合、直流部 30の電圧は 140V〜300Vの範囲で出力電圧を変えることができる。なお、逆流阻止ダイオード 3 02は、負荷側から電流が逆流しな!、ようにするために必要である。

[0047] 図 2で説明したチャージポンプ型の昇圧回路は、部品点数が極めて少なぐ回路の大型化やコスト増の問題を招来しにくいという利点がある。そのため、入力電圧の離散的な倍数を生成するのには極めて有効である。他方、本実施形態のようにコイルを用いたチヨッパ型の昇圧回路を採用すれば、より高いステップアップ比が自由かつ容易に得られるとともに、広範囲の入力 Z出力電圧にわたって高い変換効率を維持することがでさる。

[0048] 本実施形態のヒートポンプ 402におけるインバータ 6の動作は、第 1の実施形態のヒートポンプ 400と同様であり、圧縮機 1の回転数はインバータ 6により制御される。また、可変速コンバータ 9の動作も第 1の実施形態のヒートポンプ 400と同様であり、内蔵されたスイッチング素子 90を PWM方式でスイッチングすることにより、発電機 8のトルクの制御を通じ、発電機 8の回転数を制御できる。また、直流部 30の電圧は、発電機 8の回転数を制御するために、発電機 8による誘起電圧よりも高く設定する必要がある。他方、発電機 8による誘起電圧が低い場合に直流部 30の電圧を高く設定すると、発電機 8および可変速コンバータ 9における回収エネルギーの損失が大きくなる。

[0049] 直流部 30に対する上記の相反する要求を満たすには、電源コンバータ 5Bにおいて、発電機 8の回転数に応じ、出力電圧値を適切に設定するとよい。すなわち、発電機 8の回転数が低ぐ発電機 8による誘起電圧が低い場合には電源コンバータ 5Bの出力電圧を低く設定し、直流部 30の電圧を低く保つ。他方、発電機 8の回転数が高ぐ発電機 8による誘起電圧が高い場合には、直流部 30の電圧を高く保つ。電源コンバータ 5Bの出力電圧設定は、発電機 8の回転数に応じて出力電圧設定部 17によつて設定される。具体的に、出力電圧設定部 17は、可変速コンバータ 9から発電機 8の回転数を取得し、下記 (式 1)に基づき、発電機 8の回転数 co gと予め定められた係数 dと力ゝら、出力電圧候補 Vsetlを決定する。

Vsetl = d X co g · · · (式 1)

[0050] ここで係数 dは、発電機 8の誘起電圧 (Vx)の回転数 ( ω χ)に対する比 (VxZ ω χ) の値より大の値とする。なぜなら、発電機 8の回転数を制御するために、出力電圧候補 Vsetlを発電機 8による誘起電圧よりも高く設定しなければならないからである。決定された出力電圧候補 Vsetlは、電源コンバータ 5Bに与えられる。電源コンバータ 5 Bにおいては、与えられた出力電圧候補 Vsetlを生成するように制御が実施される。具体的には、出力電圧設定部 17からの出力電圧候補 Vsetlは、発振回路 305に入力される。発振回路 305は、与えられた出力電圧候補 Vsetlと、当該電源コンバータ 5Bの出力電圧 (逆流阻止ダイオード 302の下流側力も得られるフィードバック値）との差分が縮小するように、スイッチング素子 303の ON · OFF (デューティ比）を制御する。

[0051] さらに、電源コンバータ 5Bにおける出力電圧値の設定は、発電機 8の回転数とともに電動機 7の回転数を検出することにより行ってもよい。電動機 7の回転数が高い場合に電動機 7を安定して回転させるためには、直流部 30の電圧は高、ことが望ましいからである。電動機 7の回転数はインバータ 6から出力電圧設定部 17へと出力すればよい。出力電圧設定部 17は、インバータ 6から電動機 7の回転数を取得し、下記 (式 2)に基づき、その電動機 7の回転数 co mと予め定められた係数から、出力電圧候補 Vset2を決定する。

Vset2 = e X ω πι · · · (式 2)

[0052] ここで係数 eは、電動機 7の誘起電圧 (Vy)の回転数（co y)に対する比 (VyZ o y) の値より大の値とする。なぜなら、電動機 7の回転数を制御するためには、出力電圧候補 Vset2を電動機 7の誘起電圧よりも高く設定しなければならないからである。さらに、出力電圧候補 Vsetlと Vset2とを比較し、大きい方を電源コンバータ 5Bの出力電圧値として設定する。このようにすれば、発電機 8の回転数による制約と電動機 7の回転数による制約との両者を満足するように、電源コンバータ 5Bの電圧値を設定することができる。電源コンバータ 5Bの動作は先に説明した通りである。このような構成により、効率が高ぐさらに安定した発電機 8および電動機 7の運転が可能なヒートポンプが実現される。

[0053] 図 8に、本発明のヒートポンプ 402を上記の手順により制御した場合の電圧の変化の例を示す。ヒートポンプ 402の運転開始時 (t=0)は、発電機 8および電動機 7はともに回転していないため、出力電圧設定部 17は最低電圧値 VOを設定し、電源コンバータ 5Bからは最低電圧値 VOが供給されている。この最低電圧値 VOは、昇圧動作を行わないときの出力電圧である。

[0054] 膨張機 3の回転数が徐々に高くなり、発電機 8の回転数 co gに予め定められた係数 dを乗じて求まる出力電圧候補 Vsetl、または電動機 7の回転数 co mに予め定められた係数 eを乗じて求まる出力電圧候補 Vset2が、最低電圧値 V0よりも大きいと判断した場合、出力電圧設定部 17は、それら出力電圧候補 Vsetlと Vset2の大小比較を行い、より大きい方を電源コンバータ 5Bが生成するべき直流電圧として設定する。このようにして、電源コンバータ 5Bの出力電圧の設定値力下記条件 (A) (B)を共に満足する制御が実施される。

(A)発電機 8による誘起電圧よりも高いこと。

(B)電動機 7の目標回転数を実現する、つまり、電動機 7をある目標回転数で駆動するために必要な電圧以上であること。

[0055] 図 8の例において、時間 t4から t5の期間は、 Vsetlの方が Vset2より大となっているので、この期間中、出力電圧設定部 17は、電源コンバータ 5Bに向けて電圧設定値 Vsetlを出力する。この結果、電源コンバータ 5Bからは、膨張機 3の回転数に基づいて決定される Vsetlの大きさの直流が出力されることとなる。電源コンバータ 5B の出力電圧の設定値が VOから Vsetlに切り替わるときの発電機 8の回転数 Cは、発電機 8がちょうど VOの誘起電圧を発生する回転数、またはその回転数よりも小さい回転数とすることができる。このようにすれば、発電機 8から直流部 30に電流が無制限に流れ込むことを防止できる。

[0056] その後、発電機 8の回転数が減少に向カゝい、圧縮機 1の回転数が増加し、 Vset2の方が Vsetlより大となると（図 8中の時間 t5)、出力電圧設定部 17からは電圧設定値 Vset2が出力される。この結果、電源コンバータ 5Bからは、圧縮機 1の回転数に基づいて決定される Vset2の大きさの直流が出力されることとなる。電源コンバータ 5Bの出力電圧の設定値力から Vset2に切り替わるときの電動機 7の回転数 Dは、当該電動機 7をその回転数 Dで駆動するために最低限必要とされる、直流部 30の電圧値が VOに一致する場合の回転数とすることができる。このようにすれば、電動機 7を安定して回転させることが可能となる。

[0057] このようにして、膨張機 3および圧縮機 1が安定運転され、高効率なヒートポンプが実現される。なお、本実施形態のヒートポンプ 402においても、先の実施形態のヒートポンプ 400, 401と同様の手順にて、発電機最適回転数を算出することができる。すなわち、可変速コンバータ 9は、発電機最適回転数との差分力、さくなるように、発電機 8の回転数を制御する。したがって、実際の発電機 8の回転数に代えて、発電機最適回転数に応じて、出力電圧値を適切に設定することも可能である。

[0058] 以上に説明した本発明は、合理的な制御によりヒートポンプの COPの向上に寄与するものとして、ヒートポンプが属する技術分野において、多大な利用価値を有する。

Claims

請求の範囲

[1] 冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機を通過した冷媒に熱を放出させる放熱器と、前記放熱器を通過した冷媒を膨張させる膨張機と、前記膨張機を通過した冷媒に熱を吸収させる蒸発器と、前記圧縮機、前記放熱器、前記膨張機および前記蒸発器をこの順に冷媒が循環可能となるように接続する配管と、

交流電源からの交流電流を直流電流に変換する第 1コンバータと、前記第 1コンパータに接続されたインバータと、前記インバータから供給される交流電流により前記圧縮機を駆動する電動機と、

前記膨張機を通過する冷媒により駆動する発電機と、前記発電機からの交流電流を直流電流に変換し、前記第 1コンバータとともに前記インバータの入力端に接続された第 2コンバータと、を備え、

前記インバータが、前記第 1コンバータおよび前記第 2コンバータから供給される直流電流を交流電流に変換して前記電動機に供給するように構成され、

前記第 1コンバータが、高電圧発生回路と低電圧発生回路とを切り替え可能に有し前記第 2コンバータが、前記発電機の回転数を制御可能な可変速コンバータであり前記発電機の回転数に応じて、前記高電圧発生回路および前記低電圧発生回路のいずれか一方を選択する回路選択部を有し、

前記回路選択部が、所定値を基準として、

前記発電機の回転数が前記所定値を上回るときには前記高電圧発生回路を選択し、前記発電機の回転数が前記所定値を下回るときには前記低電圧発生回路を選択し、

前記所定値が、前記低電圧発生回路により発生する電圧を発生させる前記発電機の回転数以下となるように、定められた、

ヒートポンプ。

[2] 前記回路選択部が、前記発電機の回転数とともに前記電動機の回転数に応じて、前記高電圧発生回路および前記低電圧発生回路の!/ヽずれか一方を選択し、かつ、前記所定値を基準とした選択に代え、所定値 Aおよび所定値 Bを基準として、前記発電機の回転数が前記所定値 Aを上回るという条件、および前記電動機の回転数が前記所定値 Bを上回るという条件、力選ばれる少なくとも一方の条件が成立するときには前記高電圧発生回路を選択し、

前記発電機の回転数が前記所定値 Aを下回るという条件、および前記電動機の回転数が前記所定値 Bを下回るという条件、力ともに成立するときには前記低電圧発生回路を選択する、選択を行い、

前記所定値 Aが、前記低電圧発生回路により発生する電圧を発生させる前記発電機の回転数以下となるように、定められた、

請求項 1に記載のヒートポンプ。

[3] 前記放熱器と前記膨張機との間において冷媒の温度を検出する温度検出手段と、前記放熱器と前記膨張機との間において冷媒の圧力を検出する圧力検出手段と、前記温度検出手段により検出された温度に応じて冷媒最適圧力を算出し、前記圧力検出手段により検出された圧力と前記冷媒最適圧力とに基づいて発電機最適回転数を算出する演算手段と、をさらに備え、

前記発電機最適回転数に基づき、前記発電機の回転数が前記発電機最適回転数に近づくように、前記第 2コンバータが前記発電機の回転数を制御する、

請求項 1に記載のヒートポンプ。

[4] 前記回路選択部が、前記発電機の回転数に代えて、前記発電機最適回転数に応じて前記高電圧発生回路および前記低電圧発生回路のいずれか一方を選択する、請求項 3に記載のヒートポンプ。

[5] 前記所定値は、第 1の所定値と、該第 1の所定値よりも小さい第 2の所定値とを含み前記回路選択部は、前記発電機の回転数が前記第 1の所定値を上回った場合に前記高電圧発生回路を選択する一方、前記発電機の回転数が前記第 2の所定値を下回った場合に前記低電圧発生回路を選択する、請求項 1に記載のヒートポンプ。

[6] 冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機を通過した冷媒に熱を放出させる放熱器と、前記放熱器を通過した冷媒を膨張させる膨張機と、前記膨張機を通過した冷媒に熱を吸収させる蒸発器と、前記圧縮機、前記放熱器、前記膨張機および前記蒸発器をこの順に冷媒が循環可能となるように接続する配管と、

前記第 1コンバータが、出力電圧を連続的に変更可能な回路により構成され、前記第 2コンバータが、前記発電機の回転数を制御可能な可変速コンバータであり前記発電機の回転数に応じて、前記第 1コンバータの出力電圧の設定値を変更する電圧設定部を有し、

前記第 1コンバータの出力電圧が、前記発電機の発生する電圧以上となるように制御される、

ヒートポンプ。

[7] 前記電圧設定部が、前記発電機の回転数とともに前記電動機の回転数に応じて、前記第 1コンバータの出力電圧の設定値を変更する機能を有し、かつ、

前記第 1コンバータの出力電圧が、前記発電機の発生する電圧以上となる条件、および前記電動機の目標回転数を実現するための電圧以上となる条件を共に成立させるような設定値となるように制御される、

請求項 6に記載のヒートポンプ。

[8] 前記放熱器と前記膨張機との間において冷媒の温度を検出する温度検出手段と、前記放熱器と前記膨張機との間において冷媒の圧力を検出する圧力検出手段と、前記温度検出手段により検出された温度に応じて冷媒最適圧力を算出し、前記圧力検出手段により検出された圧力と前記冷媒最適圧力とに基づいて発電機最適回転数を算出する演算手段と、をさらに備え、

請求項 6に記載のヒートポンプ。

[9] 前記電圧設定部が、前記発電機の回転数に代えて、前記発電機最適回転数に応じて前記第 1コンバータの出力電圧を設定する、請求項 8に記載のヒートポンプ。

[10] 前記第 1コンバータは、発信回路と、整流素子と、前記整流素子が出力する直流の一部を分岐入力させ、その分岐直流入力を前記発振回路が規定する周波数にて断続スイッチングするスイッチング部と、前記分岐直流入力の断続スイッチングに基づいて誘導電流を発生させるとともに、その誘導電流に基づくリップル電圧を前記整流素子が出力する直流電圧に重畳させた形で出力する昇圧コイルと、前記昇圧コイル力の出力電圧を整流及び平滑ィ匕することにより前記整流素子による直流出力よりも昇圧された直流を生成し、この昇圧された直流を当該第 1コンバータの出力電圧として出力するための整流平滑部とを含む、請求項 6に記載のヒートポンプ。

[11] 前記発振回路は、前記電圧設定部によって与えられた設定電圧が生成されるように前記スイッチング部の ON 'OFFを制御する、請求項 10に記載のヒートポンプ。