JP5638699B2 - ヒートポンプ装置、ヒートポンプシステム及びインバータの制御方法 - Google Patents

Description

この発明は、ヒートポンプ装置に使用される圧縮機の加熱技術に関する。

特許文献１には、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ことについての記載がある。特許文献２には、空気調和機の周囲が低温になった場合に、２５ｋＨｚといった、通常運転時より高周波数である単相交流電圧を圧縮機に供給することについての記載がある。
特許文献１および２に記載された技術は、いずれも、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ものである。

実開昭６０−６８３４１号公報 特開昭６１−９１４４５号公報

大きな電流が流れた場合にモータやインバータが破損することを防止するために、インバータに流れる電流値を検出して、検出した電流値が大きい場合にインバータからモータへの電圧の印加を停止させることが考えられる。
しかし、高周波の交流電圧を圧縮機に供給した場合、インバータに流れる電流値が大きいにも関わらず、検出された電流値が高周波数であるため、雑音として取り除かれてしまう恐れがある。その結果、インバータに流れる電流値が大きいにも関わらず、インバータからモータへの電圧の印加が停止されず、モータやインバータが破損する恐れがある。
この発明は、高周波の交流電圧を圧縮機に供給して圧縮機を加熱する場合に、大きな電流が流れてしまい、モータやインバータが破損することを防止することを目的とする。

この発明に係るヒートポンプ装置は、
冷媒を圧縮する圧縮機構を有する圧縮機と、
前記圧縮機が有する前記圧縮機構を動作させるモータと、
前記モータに所定の電圧を印加するインバータと、
前記インバータへ駆動信号を出力して前記インバータを制御するインバータ制御部と、
前記インバータに流れる電流値を検出し、検出した電流値のうち予め定められた第１周波数以上の電流値を低減して出力する電流検出部と、
前記電流検出部が出力した電流値が所定の電流値以上である場合、前記インバータ制御部から前記インバータへの駆動信号の出力を停止させる駆動信号停止部と
を備え、
前記インバータ制御部は、
電圧指令値を生成して出力する電圧指令生成部と、
前記電圧指令生成部が出力した電圧指令値と所定の周波数の基準信号の値とを比較して、比較結果に基づき駆動信号を生成し、生成した駆動信号を前記インバータへ出力する駆動信号生成部と、
前記電圧指令生成部が生成する電圧指令値が、前記第１周波数に応じて定められた下限値以上の値となるように、電圧指令値の値を制御する電圧指令値制御部と
を備えることを特徴とする。

この発明に係るヒートポンプ装置では、第１周波数に応じて定められた下限値以上の電圧指令値を生成し、駆動信号を生成する。これにより、電流の周波数が低くなり、電流値が雑音として取り除かれなくなる。そのため、大きな電流がインバータに流れたことを確実に検出して、インバータからモータへの電圧の出力を確実に停止させることができ、モータやインバータが破損することを防止できる。

実施の形態１におけるヒートポンプ装置１００の構成を示す図。 実施の形態１におけるインバータ９の構成を示す図。 実施の形態１におけるインバータ制御部１０の構成を示す図。 実施の形態１におけるＰＷＭ信号生成部２６の入出力波形を示す図。 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。 実施の形態１における加熱判定部１２の構成を示す図。 実施の形態１におけるインバータ制御部１０の動作を示すフローチャート。 実施の形態２におけるインバータ制御部１０の構成を示す図。 選択部２３がキャリア信号の頂及び底のタイミングで、位相θｐと位相θｎとを交互に切り替えた場合のタイミングチャート。 図９に示す電圧ベクトルの変化の説明図。 選択部２３がキャリア信号の底のタイミングで、位相θｐと位相θｎとを交互に切り替えた場合のタイミングチャート。 ＩＰＭモータのロータ位置の説明図。 ロータ位置による電流変化を示す図。 θｆを時間の経過とともに変化させた場合の印加電圧を示す図。 θｆが０度（Ｕ相（Ｖ４）方向が０度）、３０度、６０度の時のモータ８のＵＶＷの各相に流れる電流を表した図。 実施の形態３におけるインバータ９の構成を示す図。 モータ８に流れる電圧及び電流と、電流検出部２０により検出される電流値とを示す図。 電圧指令値Ｖ＊と電流値Ｉとの関係を示す図。 実施の形態３におけるインバータ制御部１０の構成を示す図。 電圧指令値Ｖ＊とキャリア信号との関係を示す図。 デッドタイムとＰＷＭ信号との関係を示す図。 実施の形態６に係るヒートポンプ装置１００の回路構成図。 図２２に示すヒートポンプ装置１００の冷媒の状態についてのモリエル線図。

実施の形態１．
実施の形態１では、ヒートポンプ装置１００の基本的な構成及び動作について説明する。

図１は、実施の形態１におけるヒートポンプ装置１００の構成を示す図である。
実施の形態１におけるヒートポンプ装置１００は、圧縮機１、四方弁２、熱交換器３、膨張機構４、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相の三相の巻き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９は、モータ８と電気的に接続されている。インバータ９は、モータ８のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の巻き線に電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗをそれぞれ印加する。
インバータ９には、高周波電圧発生部１１と加熱判定部１２（状態検出部）とを備えるインバータ制御部１０が電気的に接続されている。インバータ制御部１０は、インバータ９から送られるインバータ９の電源電圧である母線電圧Ｖｄｃと、モータ８に流れる電流Ｉの値とに基づいて、モータ８を加熱する必要があるか判断するとともに、モータ８を加熱する必要がある場合に、ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）信号（駆動信号）をインバータ９へ出力する。

図２は、実施の形態１におけるインバータ９の構成を示す図である。
インバータ９は、交流電源１３と、交流電源１３から供給される電圧を整流する整流器１４と、整流器１４で整流された電圧を平滑して直流電圧（母線電圧Ｖｄｃ）を生成する平滑コンデンサ１５と、平滑コンデンサ１５で生成された母線電圧Ｖｄｃを検出してインバータ制御部１０へ出力する母線電圧検出部１６とを備える。
また、インバータ９は、母線電圧Ｖｄｃを電源とする電圧印加部１９を備える。電圧印加部１９は、２つのスイッチング素子（１７ａと１７ｄ、１７ｂと１７ｅ、１７ｃと１７ｆ）の直列接続部が３個並列に接続され、各スイッチング素子１７ａ〜１７ｆそれぞれと並列に接続された環流ダイオード１８ａ〜１８ｆを備える回路である。電圧印加部１９は、インバータ制御部１０より送られるＰＷＭ信号ＵＰ、ＶＰ、ＷＰ、ＵＮ、ＶＮ、ＷＮに応じて、それぞれに対応したスイッチング素子（ＵＰは１７ａ、ＶＰは１７ｂ、ＷＰは１７ｃ、ＵＮは１７ｄ、ＶＮは１７ｅ、ＷＮは１７ｆ）を駆動する。そして、電圧印加部１９は、駆動したスイッチング素子１７に応じた電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗを、モータ８のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の巻き線それぞれに印加する。
さらに、インバータ９は、モータ８のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の巻き線に電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗを印加することにより、インバータ９からモータ８へ流れる電流Ｉを検出してインバータ制御部１０へ出力する電流検出部２０を備える。

図３は、実施の形態１におけるインバータ制御部１０の構成を示す図である。
上述したように、インバータ制御部１０は、高周波電圧発生部１１と加熱判定部１２とを備える。加熱判定部１２については後述し、ここでは高周波電圧発生部１１について説明する。
高周波電圧発生部１１は、テーブルデータ２１、外部入力部２２、選択部２３、積分器２４、電圧指令生成部２５、ＰＷＭ信号生成部２６を備える。
選択部２３は、加熱判定部１２から出力された電圧指令値Ｖｃと、テーブルデータ２１に記録された電圧指令値Ｖｔと、外部入力部２２から入力された電圧指令値Ｖａとのうちいずれか１つを電圧指令値Ｖ＊として選択して出力する。また、選択部２３は、テーブルデータ２１に記録された回転数指令値ωｔと、外部入力部２２から入力された回転数指令値ωａとのうちいずれかを回転数指令値ω＊として選択して出力する。
積分器２４は、選択部２３が出力した回転数指令値ω＊から電圧位相θを求める。
電圧指令生成部２５は、選択部２３が出力した電圧指令値Ｖ＊と、積分器２４が求めた電圧位相θとを入力として、電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊を生成して出力する。
ＰＷＭ信号生成部２６は、電圧指令生成部２５が出力した電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊と、母線電圧Ｖｄｃとに基づいて、ＰＷＭ信号（ＵＰ、ＶＰ、ＷＰ、ＵＮ、ＶＮ，ＷＮ）を生成し、インバータ９へ出力する。

電圧指令生成部２５の電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊の生成方法と、ＰＷＭ信号生成部２６のＰＷＭ信号の生成方法とについて説明する。
図４は、実施の形態１におけるＰＷＭ信号生成部２６の入出力波形を示す図である。
例えば、電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊を式（１）〜式（３）のように位相が２π／３ずつ異なる余弦波（正弦波）と定義する。但し、Ｖ＊は電圧指令値の振幅、θは電圧指令値の位相である。
（１）Ｖｕ＊＝Ｖ＊ｃｏｓθ
（２）Ｖｖ＊＝Ｖ＊ｃｏｓ（θ−（２／３）π）
（３）Ｖｗ＊＝Ｖ＊ｃｏｓ（θ＋（２／３）π）
電圧指令生成部２５は、選択部２３が出力した電圧指令値Ｖ＊と、積分器２４が求めた電圧位相θとに基づき、式（１）〜式（３）により電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊を計算し、計算した電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊をＰＷＭ信号生成部２６へ出力する。ＰＷＭ信号生成部２６は、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。
例えば、電圧指令値Ｖｕ＊がキャリア信号よりも大きい場合には、ＵＰはスイッチング素子１７ａをオンにする電圧とし、ＵＮはスイッチング素子１７ｄをオフにする電圧とする。また、電圧指令値Ｖｕ＊がキャリア信号よりも小さい場合には、逆に、ＵＰはスイッチング素子１７ａをオフにする電圧とし、ＵＮはスイッチング素子１７ｄをオンにする電圧とする。他の信号についても同様であり、電圧指令値Ｖｖ＊とキャリア信号との比較によりＶＰ、ＶＮが決定され、電圧指令値Ｖｗ＊とキャリア信号との比較によりＷＰ、ＷＮが決定される。
一般的なインバータの場合、相補ＰＷＭ方式を採用しているため、ＵＰとＵＮ、ＶＰとＶＮ、ＷＰとＷＮは互いに逆の関係となる。そのため、スイッチングパターンは全部で８通りとなる。

図５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５では、各スイッチングパターンで発生する電圧ベクトルにＶ０〜Ｖ７の符号を付している。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についても同様の解釈である。
図５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９に所望の電圧を出力させることができる。このときに位相θを高速で変化させることにより、高周波の電圧を出力することが可能となる。

なお、式（１）〜式（３）以外にも二相変調や、三次高調波重畳変調、空間ベクトル変調等により電圧指令信号Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊を求めても構わない。

図６は、実施の形態１における加熱判定部１２の構成を示す図である。
加熱判定部１２は、インバータ９の母線電圧検出部１６が検出した母線電圧Ｖｄｃや、インバータ９の電流検出部２０が検出した電流Ｉ等に基づき、高周波電圧発生部１１の動作状態（ＯＮ／ＯＦＦ）を制御する。
加熱判定部１２は、電流比較部２７、電圧比較部２８、温度検出部２９、温度比較部３０、第１論理積計算部３１、寝込み判定部３２、経過時間計測部３３、時間比較部３４、リセット部３５、論理和計算部３６、第２論理積計算部３７、加熱量判断部３８を備える。

電流比較部２７は、電流検出部２０により検出され出力された電流Ｉが、Ｉｍｉｎ＜Ｉ＜Ｉｍａｘの状態の時に正常状態と判断して１を、それ以外の場合には０を出力する。
ここで、Ｉｍａｘは電流上限値、Ｉｍｉｎは電流下限値である。Ｉｍａｘ以上の過大な正の電流、又は、Ｉｍｉｎ以下の過大な負の電流が流れる場合、電流比較部２７は異常状態と判断して０を出力することで、加熱を停止するよう動作する。

電圧比較部２８は、母線電圧検出部１６により検出した母線電圧Ｖｄｃが、Ｖｄｃ＿ｍｉｎ＜Ｖｄｃ＜Ｖｄｃ＿ｍａｘの状態の時に正常状態と判断して１を、それ以外の場合には０を出力する。
ここで、Ｖｄｃ＿ｍａｘは母線電圧上限値、Ｖｄｃ＿ｍｉｎは母線電圧下限値である。Ｖｄｃ＿ｍａｘ以上の過大な母線電圧の場合や、Ｖｄｃ＿ｍｉｎ以下の過小な母線電圧の場合には、電圧比較部２８は異常状態と判断して０を出力することで、加熱を停止するよう動作する。

温度検出部２９は、電圧印加部１９の温度であるインバータ温度Ｔｉｎｖ、圧縮機１の温度Ｔｃ、外気温度Ｔｏを検出する。
温度比較部３０は、予め設定したインバータの保護温度Ｔｐ＿ｉｎｖとインバータ温度Ｔｉｎｖとを比較するとともに、予め設定した圧縮機１の保護温度Ｔｐ＿ｃと圧縮機温度Ｔｃとを比較する。そして、温度比較部３０は、Ｔｐ＿ｉｎｖ＞Ｔｉｎｖの状態、かつ、Ｔｐ＿ｃ＞Ｔｃの状態では正常に動作していると判断して１を、それ以外の場合には０を出力する。
ここで、Ｔｐ＿ｉｎｖ＜Ｔｉｎｖとなった場合には、インバータ温度が高温になっており、また、Ｔｐ＿ｃ＜Ｔｃとなった場合には、圧縮機１内のモータ８の巻線温度が高温となっており、絶縁不良等の恐れがある。そのため、温度比較部３０は、危険と判断して０を出力して加熱を停止するよう動作する。ここで、圧縮機１はモータ８の巻線に比べて熱容量が大きく、温度の上昇速度が巻線に比べて遅い点を考慮してＴｐ＿ｃを設定する必要がある。

第１論理積計算部３１は、以上の電流比較部２７、電圧比較部２８、温度比較部３０の出力値の論理積を出力する。電流比較部２７、電圧比較部２８、温度比較部３０の出力値のいずれか１つでも異常状態の０となった場合には、第１論理積計算部３１が０を出力して加熱を停止するよう動作させる。
なお、ここでは、電流Ｉ、母線電圧Ｖｄｃ、温度Ｔｉｎｖ、Ｔｃを用いて加熱を停止する方法について述べたが、全てを用いなくてもよい。また、ここで述べた以外のパラメータを用いて加熱を停止するよう構成してもよい。

続いて、温度検出部２９により検出した圧縮機１の温度Ｔｃと外気温度Ｔｏに基づいて、寝込み判定部３２により圧縮機１内の圧縮機１内に液冷媒が滞留した状態（冷媒が寝込んだ状態）か否かを判断する。
圧縮機１は冷凍サイクル中で最も熱容量が大きく、外気温Ｔｏの上昇に対して、圧縮機温度Ｔｃは遅れて上昇するため、最も温度が低くなる。冷媒は冷凍サイクル中で最も温度が低い場所で滞留し、液冷媒として溜まるため温度の上昇時に圧縮機１内に冷媒が溜まる。そこで、寝込み判定部３２は、Ｔｏ＞Ｔｃとなった場合には、冷媒が圧縮機１内に滞留していると判断して１を出力して加熱を開始し、Ｔｏ＜Ｔｃとなった場合に加熱を停止する。
なお、Ｔｏが上昇傾向の時や、Ｔｃが上昇傾向の時に加熱を開始するよう制御してもよく、ＴｃもしくはＴｏの検出が困難になった場合にいずれか１つを用いて制御ができるため信頼性の高い制御が実現できる。

ここで、圧縮機温度Ｔｃ及び外気温度Ｔｏの両方が検出不可能になった場合、圧縮機１の加熱ができなくなる恐れがある。そこで、経過時間計測部３３は、圧縮機１を加熱していない時間（Ｅｌａｐｓｅ＿Ｔｉｍｅ）を計測し、時間比較部３４にて予め設定した制限時間Ｌｉｍｉｔ＿Ｔｉｍｅを超過した場合に１を出力して圧縮機１の加熱を開始する。ここで、一日の温度変化は太陽が昇る朝から昼にかけて温度が上昇し、日没から夜にかけて温度が低下するため、おおよそ１２時間周期で温度の上昇低下が繰り返される。そのため、例えばＬｉｍｉｔ＿Ｔｉｍｅを１２時間程度に設定しておけばよい。
なお、Ｅｌａｐｓｅ＿Ｔｉｍｅは圧縮機１への加熱を行った場合にリセット部３５にてＥｌａｐｓｅ＿Ｔｉｍｅを０に設定する。

論理和計算部３６は、以上の寝込み判定部３２と時間比較部３４との出力値の論理和を出力する。寝込み判定部３２と時間比較部３４との出力値のいずれか一方でも加熱開始を表す１となった場合には、論理和計算部３６が１を出力して圧縮機１への加熱を開始させる。

第２論理積計算部３７は、第１論理積計算部３１と論理和計算部３６との出力値の論理積を、加熱判定部１２の出力値として出力する。出力値が１の場合には、高周波電圧発生部１１を動作させ、圧縮機１の加熱動作を行う。一方、出力値が０の場合には、高周波電圧発生部１１を動作させず、圧縮機１の加熱動作をしない、あるいは、高周波電圧発生部１１の動作を停止させ、圧縮機１の加熱動作を止める。
第２論理積計算部３７で論理積を出力するため、第１論理積計算部３１にて圧縮機１への加熱停止の信号０が出力されている場合には、論理和計算部３６が加熱開始の信号１が出力されていても、加熱を停止させることができる。そのため、信頼性を確保しつつ、待機中の消費電力を最小限に抑えることが可能なヒートポンプ装置を得ることができる。

なお、寝込み判定部３２は、圧縮機温度Ｔｃと外気温度Ｔｏとに基づいて、圧縮機１内に液冷媒が滞留した状態を検出するとした。さらに、加熱量判断部３８は、圧縮機温度Ｔｃと外気温度Ｔｏとから圧縮機１内に滞留した液冷媒の量を特定する。そして加熱量判断部３８は、特定した液冷媒の量に応じて、冷媒を圧縮機１の外部へ追い出すのに必要な電圧指令値Ｖｃを計算して出力する。これにより、必要最小限の電力で圧縮機１内に液冷媒が滞留した状態を解消することが可能となり、消費電力削減による地球温暖化への影響を低減することが可能となる。

次に、インバータ制御部１０の動作について説明する。
図７は、実施の形態１におけるインバータ制御部１０の動作を示すフローチャートである。
（Ｓ１：加熱判断ステップ）
加熱判定部１２は、圧縮機１の運転停止中に、上述した動作により高周波電圧発生部１１を動作させるかを判断する。
高周波電圧発生部１１を動作させると加熱判定部１２が判断した場合、すなわち加熱判定部１２の出力値が１（ＯＮ）の場合（Ｓ１でＹＥＳ）、処理をＳ２へ進め、加熱用のＰＷＭ信号を発生させる。一方、高周波電圧発生部１１を動作させないと加熱判定部１２が判断した場合、すなわち加熱判定部１２の出力値が０（ＯＦＦ）の場合（Ｓ１でＮＯ）、所定時間経過後に、再び高周波電圧発生部１１を動作させるかを判断する。
（Ｓ２：電圧指令値生成ステップ）
選択部２３は、電圧指令値Ｖ＊と回転数指令値ω＊とを選択し、積分器２４は、選択部２３が選択した回転数指令値ω＊から電圧位相θを求める。そして、電圧指令生成部２５は、選択部２３が選択した電圧指令値Ｖ＊と、積分器２４が求めた電圧位相θとに基づき、式（１）〜式（３）により電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊を計算し、計算した電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊をＰＷＭ信号生成部２６へ出力する。
（Ｓ３：ＰＷＭ信号生成ステップ）
ＰＷＭ信号生成部２６は、電圧指令生成部２５が出力した電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊をキャリア信号と比較して、ＰＷＭ信号ＵＰ、ＶＰ、ＷＰ、ＵＮ、ＶＮ、ＷＮを得て、インバータ９へ出力する。これにより、インバータ９のスイッチング素子１７ａ〜１７ｆを駆動してモータ８に高周波電圧を印加する。
モータ８に高周波電圧を印加することにより、モータ８の鉄損と、巻線に流れる電流にて発生する銅損とで効率よくモータ８が加熱される。モータ８が加熱されることにより、圧縮機１内に滞留する液冷媒が加熱されて気化し、圧縮機１の外部へと漏出する。
所定の時間経過後、再びＳ１へ戻りさらに加熱が必要かを判定する。

以上のように、実施の形態１に係るヒートポンプ装置１００では、圧縮機１内に液冷媒が滞留した状態である場合に、高周波電圧をモータ８へ印加するため、騒音を抑えつつ、効率的にモータ８を加熱できる。これにより、圧縮機１内に滞留した冷媒を効率的に加熱することができ、滞留した冷媒を圧縮機１の外部へ漏出させることができる。

なお、圧縮動作時の運転周波数以上の高周波電圧をモータ８に印加すれば、モータ８内のロータが周波数に追従できなくなり、回転や振動が発生することが無くなる。そこで、Ｓ２において、選択部２３は、圧縮動作時の運転周波数以上となる回転数指令ω＊を出力するのがよい。
一般に、圧縮動作時の運転周波数は、高々１ｋＨｚ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。また、１４ｋＨｚ以上の高周波電圧をモータ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、騒音の低減にも効果がある。そこで、例えば、選択部２３は、２０ｋＨｚ程度の高周波電圧となるような回転数指令ω＊を出力する。

但し、高周波電圧の周波数はスイッチング素子１７ａ〜１７ｆの最大定格周波数を超えるとスイッチング素子１７ａ〜１７ｆの破壊による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。そのため、信頼性を確保するため高周波電圧の周波数は最大定格周波数以下にすることが望ましい。

また、近年のヒートポンプ装置用の圧縮機のモータには高効率化のためＩＰＭ（Ｉｎｔｅｒｉｏｒ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ）構造のモータや、コイルエンドが小さく巻線抵抗の低い集中巻きモータが広く用いられる。集中巻きモータは、巻線抵抗が小さく銅損による発熱量が少ないため、巻線に多量の電流を流す必要がある。巻線に多量の電流を流すと、インバータ９に流れる電流も多くなり、インバータ損失が大きくなる。
そこで、上述した高周波電圧印加による加熱を行うと、高周波数によるインダクタンス成分が大きくなり、巻線インピーダンスが高くなる。そのため、巻線に流れる電流が小さくなり銅損は減るものの、その分高周波電圧印加による鉄損が発生し効果的に加熱することができる。さらに、巻線に流れる電流が小さくなるため、インバータに流れる電流も小さくなり、インバータ９の損失も低減でき、より効率の高い加熱が可能となる。
また、上述した高周波電圧印加による加熱を行うと、圧縮機がＩＰＭ構造のモータである場合、高周波磁束が鎖交するロータ表面も発熱部となる。そのため、冷媒接触面増加や圧縮機構への速やかな加熱が実現されるため効率の良い冷媒の加熱が可能となる。

また、インバータ９を構成するスイッチング素子１７ａ〜１７ｆと、これに並列に接続された環流ダイオード１８ａ〜１８ｆには、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。しかし、これに代えて、炭化珪素（ＳｉＣ）や窒化ガリウム（ＧａＮ）、ダイヤモンドを材料とするワイドバンドギャップ半導体を用いても良い。
このようなワイドバンドギャップ半導体によって形成されたスイッチング素子やダイオード素子は、耐電圧性が高く、許容電流密度も高い。そのため、スイッチング素子やダイオード素子の小型化が可能であり、これら小型化されたスイッチング素子やダイオード素子を用いることにより、これらの素子を組み込んだ半導体モジュールの小型化が可能となる。
また、このようなワイドバンドギャップ半導体によって形成されたスイッチング素子やダイオード素子は、耐熱性も高い。そのため、ヒートシンクの放熱フィンの小型化や、水冷部の空冷化が可能であるので、半導体モジュールの一層の小型化が可能になる。
さらに、このようなワイドバンドギャップ半導体によって形成されたスイッチング素子やダイオード素子は、電力損失が低い。そのため、スイッチング素子やダイオード素子の高効率化が可能であり、延いては半導体モジュールの高効率化が可能になる。

なお、スイッチング素子及びダイオード素子の両方がワイドバンドギャップ半導体によって形成されていることが望ましいが、いずれか一方の素子がワイドバンドギャップ半導体よって形成されていてもよく、この実施例に記載の効果を得ることができる。

その他、高効率なスイッチング素子として知られているスーパージャンクション構造のＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ−Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を用いることでも同様の効果を得ることが可能である。

また、スクロール機構の圧縮機は、圧縮室の高圧リリーフが困難である。そのため、他の方式の圧縮機に比べ、液圧縮した場合に圧縮機構に過大なストレスが掛かり破損する可能性が高い。しかし、実施の形態１のヒートポンプ装置１００では、圧縮機１の効率の良い加熱が可能であり、圧縮機１内の液冷媒の滞留を抑制することできる。そのため、液圧縮を防止することができるので、圧縮機１としてスクロール圧縮機を用いた場合にも効果的である。

さらに、周波数１０ｋＨｚ、出力５０Ｗを超える加熱機器の場合、法令による制約を受ける場合もある。そのため、事前に５０Ｗを超えないよう電圧指令値の振幅の調整や、流れる電流や電圧を検出して５０Ｗ以下となるようフィードバック制御を行うようにしてもよい。

なお、インバータ制御部１０は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）やＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）、マイクロコンピュータ（マイコン）、電子回路などで構成される。

実施の形態２．
実施の形態２では、高周波電圧の生成方法について説明する。

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。そのため、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（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）の場合、スイッチングスピードの上限は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悪影響を及ぼす恐れがある。この点を考慮し、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。

図８は、実施の形態２におけるインバータ制御部１０の構成を示す図である。
実施の形態２におけるインバータ制御部１０は、高周波電圧発生部１１が、積分器２４（図３参照）に代えて、基準位相θｆに、選択部２３にて切り換えられた位相θｐと位相θｎを加算して電圧位相θとする加算部３９を備えることを除き、図３に示す実施の形態１におけるインバータ制御部１０と同じである。そのため、同一の符号を付して説明は省略し、変更点のみ説明する。

実施の形態１では、回転数指令ω＊を積分器２４にて積分して電圧位相θを求めていた。これに対し、実施の形態２では、選択部２３（位相切替部）が、位相θｐと、位相θｐとほぼ１８０度異なる位相θｎとの２種類の電圧位相を交互に切り換える。そして、加算部３９が、基準位相θｆに、選択部２３が選択した位相θｐ又は位相θｎを加算して電圧位相θとする。
なお、以下の説明では、θｐ＝０［度］、θｎ＝１８０［度］として説明する。

次に、インバータ制御部１０の動作について説明する。
なお、図７に示すＳ２の動作以外は、実施の形態１におけるインバータ制御部１０と同じであるため、説明を省略する。
Ｓ２では、選択部２３が、キャリア信号の頂（山）又は底（谷）のタイミングで、あるいは、頂及び底のタイミングで、位相θｐと位相θｎとを交互に切り替える。そして、加算部３９が、基準位相θｆに、選択部２３が選択した位相θｐ又は位相θｎを加算して電圧位相θとして電圧指令生成部２５へ出力する。電圧指令生成部２５は、電圧位相θと、電圧指令値Ｖ＊とを用いて式（１）〜式（３）にて電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊を得て、ＰＷＭ信号生成部２６へ出力する。
選択部２３が位相θｐと位相θｎとを、キャリア信号の頂もしくは底、頂及び底のタイミングで切り替えることで、キャリア信号に同期したＰＷＭ信号を出力することが可能となる。

図９は、選択部２３がキャリア信号の頂及び底のタイミングで、位相θｐと位相θｎとを交互に切り替えた場合のタイミングチャートである。なお、ＵＰとＵＮ、ＶＰとＶＮ、ＷＰとＷＮはそれぞれオン／オフ状態が逆であり、一方がわかれば他方もわかるため、ここではＵＰ、ＶＰ、ＷＰのみを示している。また、ここでは、θｆ＝０［度］としている。
この場合、図９に示すようにＰＷＭ信号が変化する。そして、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１０は、図９に示す電圧ベクトルの変化の説明図である。なお、図１０では、破線で囲まれたスイッチング素子１７がオン、破線で囲まれていないスイッチング素子１７がオフの状態であることを表している。
図１０に示すように、Ｖ０ベクトル、Ｖ７ベクトル印加時はモータ８の線間が短絡状態となり、電圧が出力されない無通電区間である。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（＋Ｉｕの電流）が流れ、Ｖ３ベクトル印加時には、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（−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９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電圧の印加が可能となる。

図１１は、選択部２３がキャリア信号の底のタイミングで、位相θｐと位相θｎとを交互に切り替えた場合のタイミングチャートである。
この場合、図１１に示すようにＰＷＭ信号が変化する。そして、電圧ベクトルはＶ０、Ｖ４、Ｖ７、Ｖ７、Ｖ３、Ｖ０、Ｖ０、Ｖ３、Ｖ７、Ｖ７、Ｖ４、Ｖ０、・・・の順で変化する。Ｖ４ベクトルとＶ３ベクトルとが２キャリア周期の間に現れるため、１／２キャリア周波数の交流電圧をモータ８の巻線に印加することが可能となる。

図１２は、ＩＰＭモータのロータ位置（ロータの停止位置）の説明図である。ここでは、ＩＰＭモータのロータ位置φは、ロータのＮ極の向きがＵ相方向からずれた角度の大きさによって表される。
図１３は、ロータ位置による電流変化を示す図である。ＩＰＭモータの場合、巻線インダクタンスはロータ位置に依存する。そのため、電気角周波数ωとインダクタンス値との積で表される巻線インピーダンスは、ロータ位置に応じて変動する。したがって、同一電圧を印加した場合においても、ロータ位置によって、モータ８の巻線に流れる電流が変動してしまい、加熱量が変化してしまう。その結果、ロータ位置によっては、必要な加熱量を得るために、多くの電力が消費される恐れがある。

そこで、時間の経過と共に基準位相θｆを変化させ、ロータに満遍なく電圧を印加する。
図１４は、θｆを時間の経過とともに変化させた場合の印加電圧を示す図である。
ここでは、θｆを時間の経過とともに、０度、４５度、９０度、１３５度、・・・と４５度づつ変化させている。θｆが０度であれば、電圧指令値の位相θは０度、１８０度となり、θｆが４５度であれば、電圧指令値の位相θは４５度、２２５度となり、θｆが９０度であれば、電圧指令値の位相θは９０度、２７０度となり、θｆが１３５度であれば、電圧指令値の位相θは１３５度、３１５度となる。
つまり、初めに、θｆが０度に設定され、所定の時間、電圧指令値の位相θがキャリア信号に同期して０度と１８０度とで切り替えられる。その後、θｆが４５度に切り替えられ、所定の時間、電圧指令値の位相θがキャリア信号に同期して４５度と２２５度とで切り替えられる。その後、θｆが９０度に切り替えられ、・・・というように、所定の時間毎に、０度と１８０度、４５度と２２５度、９０度と２７０度、１３５度と３１５度、・・・と電圧指令値の位相θが切り替えられる。
これにより、時間の経過とともに、高周波交流電圧の通電位相が変化するため、ロータ停止位置によるインダクタンス特性の影響を排除することができ、ロータ位置に依存せず均一な圧縮機１の加熱が可能となる。

図１５は、θｆが０度（Ｕ相（Ｖ４）方向が０度）、３０度、６０度の時のモータ８のＵＶＷの各相に流れる電流を表した図である。
θｆが０度の場合には、図９に示すようにＶ０とＶ７との間に他の電圧ベクトル（スイッチング素子１７ａ〜１７ｆの正電圧側１つと負電圧側２つ、又は、正電圧側２つと負電圧側１つがオン状態となる電圧ベクトル）が１つのみ発生する。この場合、電流波形は台形状となり高調波成分の少ない電流となる。
しかし、θｆが３０度の場合には、Ｖ０とＶ７との間に異なる２つの電圧ベクトルが発生する。この場合、電流波形が歪み、高調波成分の多い電流となる。この電流波形の歪みはモータ騒音やモータ軸振動などの悪影響を与える恐れがある。
また、θｆが６０度の場合も、θｆが０度の場合と同様に、Ｖ０とＶ７との間に他の電圧ベクトルが１つのみ発生する。この場合、電流波形は台形状となり、高調波成分が少ない電流となる。
このように、基準位相θｆが６０度のｎ倍（ｎは０以上の整数）の場合には、電圧位相θが６０度の倍数となるため（ここでは、θｐ＝０［度］、θｎ＝１８０［度］である）、Ｖ０とＶ７との間に他の電圧ベクトルが１つのみ発生する。一方、基準位相θｆが６０度のｎ倍以外の場合には、電圧位相θが６０度の倍数とならないため、Ｖ０とＶ７との間に他の電圧ベクトルが２つ発生してしまう。Ｖ０とＶ７との間に他の電圧ベクトルが２つ発生してしまうと、電流波形が歪み、高調波成分の多い電流となり、モータ騒音やモータ軸振動などの悪影響を与える恐れがある。したがって、基準位相θｆは、０度、６０度、・・・のように６０度刻みで変化させることが望ましい。

以上のように、実施の形態２に係るヒートポンプ装置１００では、位相θ１と、位相θ１とほぼ１８０度異なる位相θ２との二種類の位相をキャリア信号に同期させて交互に切り換えて、電圧指令値の位相とした。これにより、キャリア周波数に同期した高周波電圧をモータ８の巻線へ印加することができる。
また、実施の形態２に係るヒートポンプ装置１００では、基準位相θｆを時間の経過とともに変化させた。これにより、時間の経過とともに、高周波交流電圧の通電位相が変化するため、ロータ位置に依存せず均一な圧縮機１の加熱が可能となる。

実施の形態３．
実施の形態３では、大きな電流が流れることにより、モータ８やインバータ９が破損することを防止する方法について説明する。

図１６は、実施の形態３におけるインバータ９の構成を示す図である。
実施の形態３におけるインバータ９は、電流検出部２０がフィルタ部４０を備えることと、比較部４１及びＰＷＭ遮断部４２（比較部４１及びＰＷＭ遮断部４２を総称して駆動信号停止部と呼ぶ）を備えることとを除き、図２に示す実施の形態１におけるインバータ９と同じである。そのため、同一の符号を付して説明は省略し、変更点のみ説明する。

フィルタ部４０は、電流検出部２０が検出した電流値Ｉのうち予め定められた周波数（第１周波数）以上の電流値を低減して電流値Ｉ＿ｆｉｌとして出力する。比較部４１は、フィルタ部４０が出力した電流値Ｉ＿ｆｉｌと予め定めた遮断レベルとを比較して、電流値Ｉ＿ｆｉｌが遮断レベルよりも高いか否かを判定する。ＰＷＭ遮断部４２は、電流値Ｉ＿ｆｉｌが遮断レベルよりも高いと判定された場合には、インバータ制御部１０からインバータ９へのＰＷＭ信号の出力を遮断する。これにより、インバータ９からモータ８への電圧の出力が停止し、過大な電流がモータ８やインバータ９に流れなくなる。

図１７は、モータ８に流れる電圧及び電流と、電流検出部２０により検出される電流値とを示す図である。なお、図１７において、電流検出部２０により検出される電流値と重ねて示す破線は、モータ８に流れる電流値を参考のため示したものである。
Ｖ４ベクトルの区間ではモータ電圧は正となるため、モータ電流は負から正に流れる。続いてＶ７ベクトルの区間では、モータ電圧はゼロとなり、モータ８の線間が短絡されるよう動作するため、モータ８のインダクタンスに蓄えられたエネルギーがモータ８の抵抗成分とインダクタンス成分から求まる時定数にて減衰する。その後、Ｖ３ベクトルの区間ではモータ電圧が負となるため、正から負のモータ電流が流れ、Ｖ０ベクトルの区間では再びモータ８の線間が短絡されるよう動作するため、前述の時定数で減衰する。
前述の時定数は概ね数ｍｓｅｃ程度であり、出力周波数を２０ｋＨｚとした場合の周期５０μｓｅｃに対して十分長い。そのため、Ｖ０ベクトル及びＶ７ベクトルの区間では、Ｖ４ベクトル及びＶ３ベクトルの区間で発生した電流を保持するよう動作する。
上述した通り、Ｖ０ベクトルの区間とＶ７ベクトルの区間とでは、モータ電圧はゼロとなり、モータ８の線間が短絡されるよう動作する。そのため、電流検出部２０には電流が流れない。したがって、Ｖ３、Ｖ４ベクトルの区間でのみ、電流検出部２０に電流が流れ、電流値が検出される。なお、図５におけるＶ１、Ｖ２、Ｖ５、Ｖ６ベクトルの区間でも同様に、電流検出部２０に電流が流れ、電流値が検出される。

正常な状態では巻線に巻線インピーダンスが存在するため、大きな電流が流れにくい。しかし、巻線異常等によりモータ８の線間等が短絡状態になった場合、インピーダンスが低下するため、大きな電流が流れ、モータ８やインバータ９が破損する恐れがある。
実施の形態３に係るヒートポンプ装置１００では、上述したように、電流値Ｉ＿ｆｉｌが遮断レベルよりも高いと比較部４１が判定した場合、インバータ制御部１０からインバータ９へのＰＷＭ信号の出力をＰＷＭ遮断部４２が遮断する。これにより、インバータ９からモータ８への電圧の出力が停止し、過大な電流がモータ８やインバータ９に流れなくなり、モータ８やインバータ９が破損することが防がれる。

しかし、上述したように、比較部４１は、電流検出部２０が検出した電流値Ｉではなく、フィルタ部４０が高周波数の電流値を雑音として低減した後の電流値Ｉ＿ｆｉｌを入力としている。電流値Ｉではなく電流値Ｉ＿ｆｉｌを入力としているのは、雑音による誤動作防止のためである。

図１８は、電圧指令値Ｖ＊と電流値Ｉとの関係を示す図である。
図１８に示すように、電圧指令値Ｖ＊が大きい場合、Ｖ４ベクトル及びＶ３ベクトルの区間が長くなる。そのため、電流検出部２０に電流が流れる時間が十分に確保され、フィルタ部４０により電流値Ｉの高周波成分が低減されたとしても、遮断レベルとの比較に十分な値が電流値Ｉ＿ｆｉｌとして残される。その結果、インバータ９に遮断レベルを超える電流が流れた場合、保護信号がＯＮになり、ＰＷＭ遮断部によりＰＷＭ信号の出力が遮断される。
一方、電圧指令値Ｖ＊が小さい場合、Ｖ４ベクトル及びＶ３ベクトルの区間が短くなる。そのため、電流検出部２０に電流が流れる時間が十分に確保されず、フィルタ部４０により電流値Ｉの高周波成分が低減されると、遮断レベルとの比較に十分な値が電流値Ｉ＿ｆｉｌとして残らなくなってしまう。その結果、インバータ９に遮断レベルを超える電流が流れても、保護信号がＯＮにならず、ＰＷＭ遮断部によりＰＷＭ信号の出力が遮断されない。

つまり、電圧指令値Ｖ＊が小さく、Ｖ４ベクトル及びＶ３ベクトルの区間が短いと、保護が必要な大きさの電流が流れているにも関わらず、ＰＷＭ遮断部によりＰＷＭ信号の出力が遮断されない。そのため、インバータ９からモータ８への電圧印加が継続され、モータ８やインバータ９に過大な電流が流れ続けてしまい、モータ８やインバータ９が破損する恐れがある。

図１９は、実施の形態３におけるインバータ制御部１０の構成を示す図である。
図１９に示すように、インバータ制御部１０に電圧指令値制御部４３を設ける。電圧指令値制御部４３は、保護が必要な大きさの電流が流れた場合に、比較部４１で電流値Ｉ＿ｆｉｌが遮断レベルよりも高いと確実に判定されるように、電圧指令値Ｖ＊（又は電圧指令値Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊）の下限値を設定する。そして、電圧指令値制御部４３は、電圧指令値Ｖ＊（又は電圧指令値Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊）を下限値以上となるように制御する。
この下限値は、フィルタ部４０が低減させる周波数や、時定数等の設計値に応じて設定される。また、下限値は、比較部４１の遮断レベルも合わせて考慮して設定されてもよい。下限値が正しく設定されることにより、様々なヒートポンプ装置においても確実な保護を行うことが可能となる。

図２０は、電圧指令値Ｖ＊とキャリア信号との関係を示す図である。
図２０に示すように、電圧指令値Ｖ＊が非常に大きくなった場合、ＵＶＷ相の電圧指令値Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊がキャリア信号の頂と底との近傍で動作するようになる。一般的にインバータ制御部１０を構成するマイコンは様々な種類があり、キャリア信号の頂と底との近傍での動作が異なる。そのため、マイコンによっては、電圧指令値Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊がキャリア信号の頂と底との近傍で動作した場合に、出力電圧が低下することや、想定外のＰＷＭ信号が出力されインバータ９が破損すること等がある。
そこで、電圧指令値制御部４３は、電圧指令値Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊がキャリア信号の頂と底との近傍で動作しないように、電圧指令値Ｖ＊（又は電圧指令値Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊）の上限値を設定する。この上限値は、インバータ制御部１０として用いるマイコンに応じて定めればよい。例えば、電圧指令値Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊が、キャリア信号の頂と底との値（つまり、キャリア信号の振幅値Ｖｄｃ／２）と所定値以上離れるように、上限値が設定される。

図５に示す通り、インバータ９の直列接続部における２つのスイッチング素子（１７ａと１７ｄ、１７ｂと１７ｅ、１７ｃと１７ｆ）は、一方がオンの場合には他方がオフとなるように動作する。
しかし、スイッチング動作の遅れ等により、直列接続部における２つのスイッチング素子が同時にオン状態となり、短絡することによりインバータ９が破損する場合がある。そのため、一般的に、インバータ９には、直列接続部における一方のスイッチング素子１７がオフしてから、他方のスイッチング素子をオンするまでにデッドタイム（短絡防止時間）を設けていることが多い。

図２１は、デッドタイムとＰＷＭ信号との関係を示す図である。図２１では、マイコン１とマイコン２との２つの例を示している。
マイコン１の場合、キャリア信号と電圧指令値Ｖｕ＊とを比較して、キャリア信号が電圧指令値Ｖｕ＊よりも高い場合、基本信号がハイになり、キャリア信号が電圧指令値Ｖｕ＊よりも低い場合、基本信号がローになる。そして、基本信号がハイの場合、ＰＷＭ信号ＵＰがオン、ＵＮがオフになり、基本信号がローの場合、ＰＷＭ信号ＵＮがオン、ＵＮがオフになる。但し、基本信号が切り替わってから、デッドタイム（Ｔｄカウンタの１カウント）の間はＰＷＭ信号の切り替えを行わない。そのため、図２１の例では、本来ＰＷＭ信号ＵＮがオンとなるはずのタイミング（図２１の破線で囲んだ区間）において、ＰＷＭ信号ＵＮがオンとならない。
マイコン２の場合、キャリア信号と電圧指令値Ｖｕ＊とを比較して、キャリア信号が電圧指令値Ｖｕ＊よりも高い場合、ＰＷＭ信号ＵＰがオンになり、キャリア信号が電圧指令値Ｖｕ＊よりも低い場合、ＰＷＭ信号ＵＰがオフになる。また、キャリア信号を上にずらしたキャリア信号＊と電圧指令値Ｖｕ＊とを比較して、キャリア信号＊が電圧指令値Ｖｕ＊よりも高い場合、ＰＷＭ信号ＵＮがオンになり、キャリア信号＊が電圧指令値Ｖｕ＊よりも低い場合、ＰＷＭ信号ＵＮがオフになる。マイコン２の場合、キャリア信号とキャリア信号＊とのずれにより、デッドタイムが設定されている。図２１の例では、本来ＰＷＭ信号ＵＮがオンとなるはずのタイミング（図２１の破線で囲んだ区間）において、ＰＷＭ信号ＵＮがオンとならない。
このように、デッドタイムが設けられている場合、電圧指令値Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊がキャリア信号の頂と底との近傍で動作すると、一方のスイッチング素子１７をオンとするＰＷＭ信号が縮小され、２つのスイッチング素子に対応するＰＷＭ信号が互いに逆の関係で動作しなくなる場合がある。
そこで、電圧指令値制御部４３は、デッドタイムも考慮して、電圧指令値Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊がキャリア信号の頂と底との近傍で動作しないように、電圧指令値Ｖ＊（又は電圧指令値Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊）の上限値を設定する。例えば、電圧指令値Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊が、キャリア信号の頂と底との値（つまり、キャリア信号の振幅値Ｖｄｃ／２）から、デッドタイムから算出される所定値以上離れるように、上限値が設定される。

以上のように、実施の形態３に係るヒートポンプ装置１００では、電圧指令値Ｖ＊に下限値及び上限値を設定することにより、高周波電圧をモータ８へ印加する場合にも、モータ８やインバータ９が破損することを防止できる。

なお、上記説明では、電圧指令値Ｖ＊と電圧指令値Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊とのどちらかを制限するとした。電圧指令値Ｖ＊を制限した場合には、結果的に電圧指令値Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊が制限されることになるため、どちらを制限しても同じ効果が得られる。

実施の形態４．
実施の形態４では、ヒートポンプ装置１００の回路構成の一例について説明する。
なお、例えば、図１では、圧縮機１と、四方弁２と、熱交換器３と、膨張機構４と、熱交換器５とが配管により順次接続されたヒートポンプ装置１００について示した。実施の形態４では、より具体的な構成のヒートポンプ装置１００について説明する。

図２２は、実施の形態４に係るヒートポンプ装置１００の回路構成図である。
図２３は、図２２に示すヒートポンプ装置１００の冷媒の状態についてのモリエル線図である。図２３において、横軸は比エンタルピ、縦軸は冷媒圧力を示す。
ヒートポンプ装置１００は、圧縮機５１と、熱交換器５２と、膨張機構５３と、レシーバ５４と、内部熱交換器５５と、膨張機構５６と、熱交換器５７とが配管により順次接続され、冷媒が循環する主冷媒回路５８を備える。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、上記実施の形態で説明した圧縮機１であり、インバータ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。
さらに、ヒートポンプ装置１００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。

まず、ヒートポンプ装置１００の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、この暖房運転とは、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２３の点１）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２３の点２）。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２３の点３）。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２３の点４）。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、膨張機構６１で減圧され気液二相状態となったインジェクション回路６２を流れる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２３の点５）。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２３の点６）。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２３の点７）。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２３の点８）、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２３の点９）、内部熱交換器５５で熱交換される（図２３の点１０）。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２３の点８）が、中間圧まで圧縮、加熱される（図２３の点１１）。中間圧まで圧縮、加熱された冷媒（図２３の点１１）に、インジェクション冷媒（図２３の点１０）が合流して、温度が低下する（図２３の点１２）。そして、温度が低下した冷媒（図２３の点１２）が、さらに圧縮、加熱され高温高圧となり、吐出される（図２３の点１）。

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。
ここで、膨張機構６１の開度は、マイクロコンピュータ等の制御部により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、この冷房運転とは、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２３の点１）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５７で熱交換されて液化する（図２３の点２）。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２３の点３）。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で熱交換され、冷却され液化される（図２３の点４）。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２３の点９）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２３の点４）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２３の点５）。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２３の点６）。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２３の点７）。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、レシーバ５４でさらに加熱され（図２３の点８）、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２３の点９）、内部熱交換器５５で熱交換される（図２３の点１０）。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流入する。
圧縮機５１内での圧縮動作については、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、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。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、ヒートポンプ装置１００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。

１ 圧縮機、２ 四方弁、３ 熱交換器、４ 膨張機構、５ 熱交換器、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 高周波電圧発生部、１２ 加熱判定部、１３ 交流電源、１４ 整流器、１５ 平滑コンデンサ、１６ 母線電圧検出部、１７ スイッチング素子、１８ 環流ダイオード、１９ 電圧印加部、２０ 電流検出部、２１ テーブルデータ、２２ 外部入力部、２３ 選択部、２４ 積分器、２５ 電圧指令生成部、２６ ＰＷＭ信号生成部、２７ 電流比較部、２８ 電圧比較部、２９ 温度検出部、３０ 温度比較部、３１ 第１論理積計算部、３２ 寝込み判定部、３３ 経過時間計測部、３４ 時間比較部、３５ リセット部、３６ 論理和計算部、３７ 第２論理積計算部、３８ 加熱量判断部、３９ 加算部、４０ フィルタ部、４１ 比較部、４２ ＰＷＭ遮断部、４３ 電圧指令値制御部、５１ 圧縮機、５２，５７ 熱交換器、５３，５６，６１ 膨張機構、５４ レシーバ、５５ 内部熱交換器、５８ 主冷媒回路、５９ 四方弁、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。

Claims (13)

1. 冷媒を圧縮する圧縮機構を有する圧縮機と、
   前記圧縮機が有する前記圧縮機構を動作させるモータと、
   前記モータに電圧を印加するインバータと、
   前記インバータへ駆動信号を出力して前記インバータを制御するインバータ制御部とを備え、
   前記インバータに流れる電流値を検出し、検出した電流値のうち予め定められた第１周波数以上の電流値を低減し、
   その電流値が予め定められた電流値以上である場合、前記インバータ制御部から前記インバータへの駆動信号の出力を停止し、
   前記インバータ制御部は、
   電圧指令値を生成して出力する電圧指令生成部を備え、
   前記電圧指令生成部が生成する電圧指令値が、前記第１周波数に応じて定められた下限値以上の値となるように、電圧指令値の値を制御する
   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、さらに、
   予め定められた第２周波数の基準信号に同期して、位相を切り替えて出力する位相切替部
   を備え、
   前記電圧指令生成部は、振幅値Ｖ＊と前記位相切替部が出力した位相とを用いて、前記電圧指令値を生成し、
   前記インバータ制御部は、前記振幅値Ｖ＊を、前記第１周波数に応じて定められた第１の値以上とすることにより、前記電圧指令値が前記下限値以上の値となるようにする
   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、前記電圧指令生成部が生成する電圧指令値が、前記基準信号の振幅値に応じて定められた上限値以下の値となるように、前記電圧指令値の値を制御する
   ことを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ装置。
4. 前記インバータ制御部は、さらに、
   前記基準信号に同期して、位相を切り替えて出力する位相切替部
   を備え、
   前記電圧指令生成部は、振幅値Ｖ＊と前記位相切替部が出力した位相とを用いて、前記電圧指令値を生成し、
   前記インバータ制御部は、前記振幅値Ｖ＊を、前記基準信号の振幅値に応じて定められた第２の値以下とすることにより、前記電圧指令値が前記上限値以下の値となるようにする
   ことを特徴とする請求項３に記載のヒートポンプ装置。
5. 前記インバータは、２つのスイッチング素子が直列に接続された直列接続部を有し、前記直列接続部における２つのスイッチング素子のうち、一方のスイッチング素子がオフとなってから予め定められた短絡防止時間が経過するまでは他方のスイッチング素子をオンとせず、
   前記インバータ制御部は、前記振幅値Ｖ＊を、前記基準信号の振幅値と、前記短絡防止時間とに応じて定められた前記第２の値以下とする
   ことを特徴とする請求項４に記載のヒートポンプ装置。
6. 前記基準信号は、頂と底とが特定可能な信号であり、
   前記位相切替部は、前記基準信号の頂と底とのタイミングで前記位相を切り替える
   ことを特徴とする請求項２，４または５に記載のヒートポンプ装置。
7. 前記位相切替部は、予め定められた時間毎に切り替え対象となる位相の位相角を変更しつつ、前記基準信号に同期して、前記位相を切り替えて出力する
   ことを特徴とする請求項２，４，５または６に記載のヒートポンプ装置。
8. 前記インバータ制御部は、さらに、
   前記圧縮機に冷媒を圧縮させる圧縮運転の停止時に、前記圧縮機を加熱する加熱運転を実行するか否かを判定する加熱判定部
   を備え、
   前記インバータ制御部は、前記加熱判定部が加熱運転を実行すると判定した場合に、前記各駆動信号を前記インバータへ出力することにより、前記圧縮運転の時に前記インバータに発生させる交流電圧よりも周波数の高い高周波交流電圧を前記インバータに発生させる
   ことを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載のヒートポンプ装置。
9. 前記インバータを構成するスイッチング素子は、ワイドギャップ半導体である
   ことを特徴とする請求項１から８までのいずれかに記載のヒートポンプ装置。
10. 前記ワイドギャップ半導体は、ＳｉＣ、ＧａＮ、ダイヤモンドのいずれかである
    ことを特徴とする請求項９に記載のヒートポンプ装置。
11. 前記インバータを構成するスイッチング素子は、スーパージャンクション構造のＭＯＳＦＥＴである
    ことを特徴とする請求項１から８までのいずれかに記載のヒートポンプ装置。
12. 冷媒を圧縮する圧縮機構を有する圧縮機と、第１熱交換器と、膨張機構と、第２熱交換器とが配管により順次接続された冷媒回路を備えるヒートポンプ装置と、前記冷媒回路に接続された前記第１熱交換器で冷媒と熱交換された流体を利用する流体利用装置とを備えるヒートポンプシステムであり、
    前記ヒートポンプ装置は、さらに、
    前記圧縮機が有する前記圧縮機構を動作させるモータと、
    前記モータに電圧を印加するインバータと、
    前記インバータへ駆動信号を出力して前記インバータを制御するインバータ制御部と、
    前記インバータに流れる電流値を検出し、検出した電流値のうち予め定められた第１周波数以上の電流値を低減して出力する電流検出部と、
    前記電流検出部が出力した電流値が予め定められた電流値以上である場合、前記インバータ制御部から前記インバータへの駆動信号の出力を停止させる駆動信号停止部と
    を備え、
    前記インバータ制御部は、
    電圧指令値を生成して出力する電圧指令生成部と、
    前記電圧指令生成部が出力した電圧指令値と予め定められた第２周波数の基準信号の値とを比較して、比較結果に基づき駆動信号を生成し、生成した駆動信号を前記インバータへ出力する駆動信号生成部と、
    前記電圧指令生成部が生成する電圧指令値が、前記第１周波数に応じて定められた下限値以上の値となるように、電圧指令値の値を制御する電圧指令値制御部と
    を備えることを特徴とするヒートポンプシステム。
13. 冷媒を圧縮する圧縮機構を有する圧縮機と、
    前記圧縮機が有する前記圧縮機構を動作させるモータと、
    前記モータに電圧を印加するインバータと
    を備えるヒートポンプ装置における前記インバータの制御方法であり、
    前記インバータに流れる電流値を検出し、検出した電流値のうち予め定められた第１周波数以上の電流値を低減して出力する電流検出工程と、
    電圧指令値を生成して出力する電圧指令生成工程と、
    前記電圧指令生成工程で出力した電圧指令値と予め定められた第２周波数の基準信号の値とを比較して、比較結果に基づき駆動信号を生成し、生成した駆動信号を前記インバータへ出力する駆動信号生成工程と、
    前記電圧指令生成工程で生成する電圧指令値が、前記第１周波数に応じて定められた下限値以上の値となるように、電圧指令値の値を制御する電圧指令値制御工程と、
    前記電流検出工程で出力した電流値が予め定められた電流値以上である場合、前記駆動信号生成工程での前記インバータへの駆動信号の出力を停止させる駆動信号停止工程と
    を備えることを特徴とするインバータの制御方法。

Images