WO2005103584A1 - ヒートポンプ装置 - Google Patents

Abstract

　回収効率の高い、高信頼性のヒートポンプ装置およびヒートポンプ装置を実現する。 　ヒートポンプ装置は、作動流体を膨張させる膨張機７１１と、膨張機７１１により動力を回収するために設置されて３相交流電力を発電する永久磁石型同期発電機７１０と、その交流電力を直流電力に変換するとともに、スイッチング素子群７０９のスイッチングにより、所定の目標回転数で発電機７１０を回転させる機能を有する第１のコンバータ７０８とから構成され、その発電した電力を、交流電源７０１を整流回路７０２及び平滑コンデンサ７０３で整流・平滑化した直流電力ラインへの接続、モータ駆動装置７０４を通して圧縮機７０７を回転させる電動機７０６の駆動に消費し、効率よく動力回収するものである。

Description

ヒートポンプ装置

技術分野

[0001] 本発明は、膨張機に発電機を連結して動力回収を行うヒートポンプ装置に関する。

背景技術

[0002] 従来の一般的な蒸気圧縮式冷凍装置としては、図 10に示す構成のものがある。図 10の蒸気圧縮式冷凍装置は、圧縮機 101、放熱器 102、膨張弁 103、及び蒸発器 104から構成される。これらの要素は配管により連結され、冷媒が図示の白抜き矢印 のように循環する。

上記蒸気圧縮式冷凍装置の運転原理は次のとおりである。冷媒の圧力及び温度 は圧縮機 101によって増加され、次いで、その冷媒が放熱器 102に入り、冷却される 。その後、高圧状態にある冷媒は膨張弁 103により蒸発圧力に絞られ、蒸発器 104 において吸熱して気化する。そして、蒸発器 104を出た冷媒は圧縮機 101に戻る。 本装置には、冷媒としてオゾン層を破壊せず地球温暖化係数の極めて小さ！、二酸 化炭素が用いられる。

しかし、二酸化炭素を冷媒とする蒸気圧縮式冷凍装置は、一般に使用されてきたフ ロンを冷媒とする冷凍装置に比べ、エネルギー効率である成績係数 (COP)が低い。 さらに、同等の冷凍能力を考えた場合、フロンを冷媒とする冷凍装置より多くの電力 が必要になる。そのため、多くの化石燃料がエネルギーとして必要になり、冷媒自体 の地球温暖化係数力 、さくても、結果的に多くの二酸化炭素が排出される。したがつ て、二酸ィ匕炭素を冷媒とする蒸気圧縮式冷凍装置の COPを向上させることが必要で あり、既にさまざまな構成や方法が提案されている。

COPを向上させる装置として以下のものが提案されて 、る (特許文献 1から 3)。図 1 1に示す冷凍装置では、原動機 205により圧縮機 201を駆動し、圧縮機 201により圧 縮された冷媒は、放熱器 202で冷却され、その後、膨張比制御手段 203が取り付け られた膨張機 204を通過する。膨張機 204は、主軸 213を介して圧縮機 201の駆動 を補助する。冷媒は膨張機 204内で膨張し、蒸発器 206内で外部より吸熱して気化 した後、再び圧縮機 201へ戻る。圧縮機 201、放熱器 202、膨張機 204、及び蒸発 器 206によって構成される回路は配管 207により連結される。なお、性能、信頼性向 上のためオイルセパレータ 208、アキュームレータ 209を設ける場合もある。

膨張比制御手段 203は、演算手段 210によって制御される。この演算手段 210へ の入力として、温度センサ 211と圧力センサ 212が放熱器 202の出口側の冷媒状態 を検出するために取り付けられて 、る。

このような構成の冷凍装置では、膨張機 204を使用することにより、冷媒の膨張によ る力で圧縮機 201の駆動を補助するため、使用されるエネルギー総量は低減され、 COPを向上させることが可能である。

即ち、図 12に示す、冷媒として二酸ィ匕炭素を用いた冷凍サイクルにおける冷媒の 状態を表す圧力ーェンタルピー状態図、いわゆるモリエル線図のように、従来の膨張 弁を膨張手段として用いていた場合には、等ェンタルピー膨張するが、膨張機により 等エントロピー膨張させ (図中の点線表示)、膨張機で回収された動力を利用するこ とで、総合効率を向上させることができる。

また、図 13に示す冷凍装置では、原動機 405によって駆動される圧縮機 401により 、圧縮された冷媒が放熱器 402で冷却され、その後、膨張機 403を通過する際に、こ の膨張機 403に接続された発電機 404に発電させる (特許文献 1、特許文献 2)。そ して、冷媒は膨張機 403内で膨張し、蒸発器 406内で外部より吸熱して気化した後、 再び圧縮機 401へ戻る構成になっている。

この装置は、冷媒の膨張による力で発電機 404を回転させて電力を発生し、その電 力を利用することで使用されるエネルギー総量は低減され、それにより COPを向上さ せることが可能である。

さらに、このような発電機 404としては、励磁装置を用いていた (特許文献 4)。特許 文献 4に開示された冷凍装置を図 14及び図 15に示す。この冷凍装置は、図 14に示 すように、圧縮機 501、凝縮器 502、受液器 503、膨張機 504、及び蒸発器 505の順 に冷媒が循環される構成において、膨張機 504には、その駆動軸と同軸上に連結さ れた発電機 506が備えられ、蒸発器 505の出口に設けられた冷媒の過熱度を検出 する過熱度検出部 512と、その信号に基づいて発電機 506の励磁電流を制御する 制御部 511と、発電機 506により発生した交流を直流に変換する整流器 508と、直 流電力を回収する蓄電器 510とを備えている。

このような冷凍装置の場合、発電機 506の励磁電流 (即ち、励磁コイルに流れる電 流量)を調整することにより発電機 506を制御し、発電機 506の負荷トルクの増減によ り、膨張機 504の回転制御を行って冷媒流量を調整するとともに、発電機 506により 発生する電力を蓄電器 510に効率良く回収して!/、る。

即ち、発電機 506は、ロータの他端に固定される駆動軸によって駆動力を入力し、 発電する構成になっている。発電機 506には、ブラシが備えられ、ブラシはスリップリ ングに摺動してロータコイルに励磁電流を供給する機能を有する。冷媒の膨張回転 仕事により駆動軸が回転されると、ロータコイルに供給される励磁電流により磁界が 生成されてステータコイルに起電力が生じ、この起電力はステータコイルより交流電 力として出力される。

また、発電機 506の励磁電流を生成するための励磁部 507は、図 15に示す回路 構成になっており、制御部 511の出力する励磁電流制御信号を入力信号とし、励磁 部 507から励磁電流を出力信号として発電機 506に供給する構成になっている。 即ち、 npn形のトランジスタ Tr604 (以下、 Tr604)のベースには、制御部 511から 出力される励磁電流制御信号が印加される。また、 Tr604のェミッタは、発電機 506 のマイナス端子に接続され、 Tr604のコレクタは、抵抗 605を介して発電機 506の口 ータコイル 602に接続されている。また、トランジスタ Tr603 (以下、 Tr603)のベース は、 Tr604のコレクタに接続され、 Tr603のェミッタは発電機 506のマイナス端子に 接続され、 Tr603のコレクタはロータコイル 602を介して発電機 506のプラス端子に 接続されている。これにより、制御部 511から Tr604のベースに印加される励磁電流 制御信号を増大すると、 Tr604が導通してロータコイル 602を流れる励磁電流を増 大させ、逆に Tr604のベースに印加される励磁電流制御信号を減少すると、励磁電 流を減少させるようになって!/ヽる。

さらに、励磁電流制御信号を出力する制御部 511は、冷凍サイクルの温度情報な どに基づいて、適正な冷媒流量になるように励磁部 507に出力する励磁電流制御信 号を制御する構成になっている。例えば、冷媒循環量が少ない場合には、発電機 50 6の励磁電流を減らし、負荷トルクを減少して膨張機 504の回転数を増加させる。逆 に、循環量が多い場合には、発電機 506の励磁電流を増やし、負荷トルクを増大さ せ、膨張機 504の回転数を減少させる。また、発電機 506により発電された交流電圧 は、整流器 508を介して直流電圧に変換され、可変負荷抵抗 509を介して充電電圧 がほぼ一定になるように制御され、蓄電器 510を充電する。

このように、ロータコイル 602と、ロータコイル 602に励磁電流を供給する励磁部 50 7とを備えた発電機 506によってその励磁電流を制御することにより、膨張機 504の 回転数を制御していた。

また、特許文献 5には、風車に軸結合される永久磁石型同期発電機の出力を AC — DC変換器 (可変速インバータ)を用いて変換する風力発電機において、可変速ィ ンバータを制御することにより、発電機の出力電圧とその回転数の可変速制御を行う ことが記載されている。

さらに、特許文献 6には、永久磁石型同期発電機の出力電流と端子電圧力 位置 推定器により、磁極位置を推定した上で、発電機のトルクを制御することが記載され ている。

特許文献 1：特開 2000— 241033号公報

特許文献 2：特開 2000 - 249411号公報

特許文献 3 :特開 2001— 165513号公報

特許文献 4:特開平 1— 168518号公報

特許文献 5：特開 2000— 345952号公報

特許文献 6：特開 2002— 354896号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

ところが、特許文献 4に記載の構成の場合、発電機の回転子の中に励磁部ゃコィ ルが備わっているため、重量が大きくなり、且つ、その構成が複雑であった。また、励 磁部に電流が流れるため、回転子内の電力ロスがあり、発電効率が低くなつていた。 また、励磁電流を調整することで発電機の回転数を制御しているため、狭い励磁電 流の調整範囲を超えた回転数に対しては、膨張機を制御することはできない。その ため、冷凍サイクルの最適化状態を作り出すのが難しぐ冷凍サイクルの効率を最適 にすることができな力つた。

また、引用文献 5に記載の発電機の制御の場合、回転子に励磁子とコイルが無い ため、回転子側の重量が減少し、かつ、回転子内の電流ロスが減少するため、発電 効率が高くなるとされているが、発電機の磁極位置を検出する方法については記載 がない。励磁部等のない永久磁石型同期発電機を用いた場合、この発電機を制御 するには、発電機の磁極位置を検出することが必要である。発電機の磁極位置検出 のためには、従来、エンコーダなどの回転位置センサの使用が不可欠であった。そ のため、例えば膨張機と発電機の一体型構造の場合であれば、エンコーダのために 回転軸をシェル外に出す必要があり、そのためには、圧力に対する軸シールなどの 対策が必要となり、信頼性を低下させるものであった。

また、風力発電機等においては、永久磁石型同機発電機の回転速度にかかわら ず直流電圧を一定に保っために、エンコーダを用いずに、電流により磁極位置を推 定し、発電機を制御するという技術は特許文献 6に開示されている。し力しながら、ヒ ートポンプ装置においては、単に発電機の出力を最大にするのみでなぐ発電機の 出力を効率よく利用しながら、かつ、冷凍サイクルの効率を最適にする制御が必要と される。

また、起動時などにおいて、膨張機を強制的に回転させることのできない構成であ り、冷凍サイクルの信頼性を低下させていた。

したがって本発明は、上記の課題を解決するもので、回転子側の重量が減少し、且 つ、回転子に励磁部とコイルがなぐ従って、そこに電気が流れず、回転子内の電力 ロスがないために発電効率が高くなり、更には、回転子側の構成が簡素であってコス トが低くなり、発電機の有効性を活用することができるヒートポンプ装置を提供するこ とを目的とする。

また他の目的は、効率の高い、信頼性の高いヒートポンプ装置を提供することにあ る。即ち、広範囲な回転数で膨張機を制御することを可能とし、効率の最適化を図り 、回転位置センサレスで永久磁石型同期発電機を制御することを可能とし、シール 性などの点力 信頼性の向上を図り、起動時に膨張機を強制回転させることを可能と し、起動性を改善して冷凍サイクルの信頼性の向上を図るものである。

課題を解決するための手段

第 1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と、圧縮機により圧 縮された冷媒を冷却する放熱器と、放熱器を通過した冷媒を膨張させる膨張機と、 膨張機により膨張した冷媒を蒸発させる蒸発器と、圧縮機、放熱器、膨張機、及び蒸 発器に冷媒を循環させる冷媒配管と、圧縮機と膨張機との間に設置されて冷媒の圧 力を検出する圧力センサと、圧縮機と膨張機との間に設置されて冷媒の温度を検出 する温度センサと、膨張機に接続された永久磁石型同期発電機と、永久磁石型同期 発電機に流れる電流を検出する電流センサと、永久磁石型同期発電機が出力する 交流電力を直流電力に変換し、電流センサにより検出された電流値により永久磁石 型同期発電機の磁極位置を推定するとともに、電流値および磁極位置を用いて永久 磁石型同期発電機の回転数を所定の値に制御する第 1のコンバータと、圧力センサ 及び温度センサ力 の信号により第 1のコンバータを制御する発電機回転数制御手 段とを有するちのである。

第 1の発明によれば、第 1のコンバータで永久磁石型同期発電機の回転数を所定 の値に制御し、膨張機に接続された永久磁石型同期発電機により電力回収を行える 。永久磁石型同期発電機には励磁部等がないので、発電機の重量が減少し、且つ、 発電効率が高くなり、それにより総合効率が高くコストの低いヒートポンプ装置を実現 できる。また、ヒートポンプ装置のサイクル効率を最適化することができる。

第 2の発明に係るヒートポンプ装置は、第 1の発明に係るヒートポンプ装置において 、電流センサにより検出された電流値により永久磁石型同期発電機の磁極位置およ び回転数を推定するとともに、電流値、磁極位置および回転数を用いて永久磁石型 同期発電機の電流値および回転数を所定の値に制御するものである。

上記第 2の発明によれば、回転位置センサなしで永久磁石型同期発電機の回転数 を制御することができ、それにより同一シェル内に発電機と膨張機を一体ィ匕して収納 することも可能となり、シール性に優れ信頼性の高 、ヒートポンプ装置を実現できる。 第 3の発明に係るヒートポンプ装置は、第 1の発明に係るヒートポンプ装置において 、商用電源の交流を直流に変換する第 2のコンバータと、第 1および第 2のコンバータ から出力された直流をインバータの入力端に接続して、所定の周波数の交流に変換 して圧縮機を駆動するインバータとを更に有するものである。

上記第 3の発明によれば、膨張機の発電電力を圧縮機の駆動電力として利用する ことを可能とし、簡易な構成とすることができるとともに、電力を効率良く回収すること ができる。

第 4の発明に係るヒートポンプ装置は、第 1の発明に係るヒートポンプ装置において 、圧縮機と膨張機との間に設置されて冷媒の圧力及び温度を検出する圧力センサ及 び温度センサと、圧力センサ及び温度センサ力 の信号により冷媒の圧力を最適圧 力とするように発電機の電流値を制御する発電機電流制御手段とを更に有するもの である。

上記第 4の発明によれば、ヒートポンプ装置のサイクル効率を最適化することができ る。

第 5の発明に係るヒートポンプ装置は、第 1の発明に係るヒートポンプ装置において 、圧縮機と膨張機との間に設置されて冷媒の圧力及び温度を検出する圧力センサ及 び温度センサと、圧力センサ及び温度センサ力 の信号により冷媒の圧力を最適圧 力とするように発電機の発電量を制御する発電機発電量制御手段とを更に有するも のである。

上記第 5の発明によれば、ヒートポンプ装置のサイクル効率を最適化することができ る。

第 6の発明に係るヒートポンプ装置は、第 1の発明に係るヒートポンプ装置において 、膨張機の起動時には、第 1のコンバータにより発電機をカ行駆動させるものである。 上記第 6の発明によれば、システム作動開始時の膨張機の起動をスムーズに行うこ とができ、システムの信頼性を向上させることができる。

第 7の発明に係るヒートポンプ装置は、第 1の発明に係るヒートポンプ装置において 、第 1のコンバータによる発電機の運転を、圧縮機の起動後の、所定の時間後に開 始さ ·¾：るちのである。

上記第 7の発明によれば、システムの立ち上げを迅速に行うことができる。

第 8の発明に係るヒートポンプ装置は、第 1の発明に係るヒートポンプ装置において 、冷媒が、二酸化炭素である。

上記第 8の発明によれば、ヒートポンプ装置の成績係数 (COP)の低下が回避され るので、冷媒として二酸ィ匕炭素を用いて地球温暖化防止の一助とすることができる。 第 9の発明に係る動力回収装置は、作動流体を膨張させる膨張機と、膨張機に接 続された永久磁石型同期発電機と、永久磁石型同期発電機に流れる電流を検出す る電流センサと、永久磁石型同期発電機が出力する交流電力を直流電力に変換し、 電流センサにより検出された電流値により永久磁石型同期発電機の磁極位置を推定 するとともに、電流値および磁極位置を用いて永久磁石型同期発電機の回転数を所 定の値に制御する第 1のコンバータとを有するものである。

上記第 9の発明によれば、第 1のコンバータで永久磁石型同期発電機の回転数を 所定の値に制御し、膨張機に接続された永久磁石型同期発電機により電力回収を 行える。永久磁石型同期発電機には励磁部等がないので、発電機の重量が減少し 、且つ、発電効率が高くなり、それにより総合効率が高くコストの低いヒートポンプ装 置を実現できる。

発明の効果

[0006] 本発明のヒートポンプ装置によれば、発電機に励磁部を設けず、発電機の回転子 側の重量を減少することができる。また同装置によれば、回転子内の電力ロスがない ために発電効率が高くなり、更には、回転子側の構成が簡素で低コストの動力回収 システムを実現できる。また、第 1のコンバータによる発電機のスイッチング制御により 、発電機を介した膨張機の制御を広範囲に行うことが可能となり、動力回収効率や冷 凍システム効率の向上を図れる。

図面の簡単な説明

[0007] [図 1]本発明による実施の形態 1のヒートポンプ装置を示すブロック構成図

[図 2]図 1に示すヒートポンプ装置の第 1のコンバータの詳細ブロック構成図

[図 3]本発明による実施の形態 2のヒートポンプ装置を示すブロック構成図

[図 4]放熱器出口圧力、温度に対する冷凍サイクルの効率の一例を示す図

[図 5]図 3に示すヒートポンプ装置における膨張機回転数決定のフローチャート

[図 6]図 3に示すヒートポンプ装置における膨張機起動時の状態推移図 圆 7]本発明による実施の形態 3のヒートポンプ装置を示すブロック構成図

[図 8]図 7に示すヒートポンプ装置の第 1のコンバータの詳細ブロック構成図

[図 9]図 7に示すヒートポンプ装置における発電機電流決定のフローチャート [図 10]従来の蒸気圧縮式冷凍装置を示す構成図

[図 11]従来の冷凍装置を示す構成図

圆 12]二酸ィ匕炭素を用いた冷凍サイクルにおける冷媒の状態を表すモリエル線図

[図 13]従来の別の冷凍装置を示す構成図

[図 14]従来の冷凍装置を示す構成図

[図 15]従来の冷凍装置の励磁部を示す回路図

符号の説明

701, 911, 1210 交流電源

702, 912, 1211 整流回路

703, 802, 913, 1212, 1402 平滑コンデンサ

704, 906, 1206 モータ駆動装置

705, 709 スイッチング素子群

706, 905, 1205 電動機

707, 901, 1201 圧縮機

708, 908, 1208 第 1のコンバータ

710, 907, 1207 発電機

711, 903, 1203 膨張機

801, 1401 直流電源

803a 〜803f, 1403a〜1403f スイッチング素子

804a〜804f, 1404a〜1404f 還流ダイオード

805a, 805b, 1405a, 1405b 電流センサ

806, 1406 2軸電流変換手段

807, 1407 回転子位置回転数推定手段

808, 1408 ベースドライノ

809, 1409 正弦波電圧出力手段 810, 1410 電流制御手段

811, 1411 電流指令作成手段

812 回転数制御手段

813a, 813b, 1413a, 1413b 分圧抵抗

902, 1202 放熱器

903, 1203 膨張機

904, 1204 蒸発器

909 膨張機回転数決定手段

910 膨張機起動手段

914, 1213 冷媒配管

915, 1214 圧力センサ

916, 1215 温度センサ

1209 発電機電流決定手段

発明を実施するための最良の形態

[0009] (実施の形態 1)

本発明のヒートポンプ装置の一実施の形態について図面を参照しながら説明する。 図 1は、本発明による実施の形態 1のヒートポンプ装置を示すブロック構成図である。 本実施の形態のヒートポンプ装置は、作動流体を膨張させる膨張機 711と、膨張機 711に接続された永久磁石型同期発電機 710 (以下、発電機 710)と、発電機 710 が出力する交流電力を直流電力に変換するとともに発電機 710の駆動を制御する機 能を有する第 1のコンバータ 708とを具備して構成される。

さらに、圧縮機 707と、圧縮機 707を駆動する電動機 706と、電動機 706を制御す るモータ駆動装置 704と、整流回路 702及び平滑コンデンサ 703で交流電源 701か ら変換した直流電力や、第 1のコンバータ 708からの直流電力を、モータ駆動装置 7 04を介して電動機 706に供給する電源回路とを含み構成される。

[0010] 次に、上記構成の動作について説明する。

図 1において、商用電源の交流電源 701からの入力を整流回路 702で直流に整流 された直流電圧は、平滑コンデンサ 703により電圧を平滑ィ匕された後、モータ駆動装 置 704により 3相の交流電圧に変換され、それにより電動機 706が駆動される。電動 機 706の駆動により圧縮機 707が圧縮機能を果たす。モータ駆動装置 704は、直流 電圧を交流に変換するためのスイッチング素子群 705などカゝら構成されており、 PW M (Pulse Width Modulation)方式でスイッチング素子群 705を所定の交流周波 数を実現するように ON— OFFさせることにより、任意の交流を出力することができる ものである。なお、本実施の形態では、整流回路 702及び平滑コンデンサ 703の構 成が第 2のコンバータであり、モータ駆動装置 704の構成がインバータに相当する。 一方、膨張機 711により動力を回収するために設置された発電機 710には、その 発電機 710により発電される 3相交流電力を直流に変換するための第 1のコンバータ 708が接続されている。この第 1のコンバータ 708は、発電機 710により発電される交 流電力を直流に変換するとともに、内部に構成されたスイッチング素子群 709を PW M方式でスイッチングすることにより、与えられる目標回転数で発電機 710を回転さ せる機能を有する。この発電機 710の回転数を制御する機能により、発電機 710を 介して膨張機 711の回転数を制御することが可能となり、これにより、膨張機 711を用 いたヒートポンプ装置において、その膨張機 711を最適な回転数で駆動することがで きる。すなわち、第 1のコンバータ 708のスイッチング制御により、発電機 710の、即ち 膨張機 711の広範囲な回転制御が可能となる。

また、第 1のコンバータ 708からの直流出力線は、整流回路 702から平滑コンデン サ 703を介して得られる直流電力ラインに並列接続される。これにより、第 1のコンパ ータ 708から回生された電力は、モータ駆動装置 704の駆動エネルギーに消費され る。

ところで、交流電源 701から整流回路 702を経て入力される電力を Win、モータ駆 動装置 704にて消費される電力を Wm、第 1のコンバータ 708により回生される電力 を Wgと記述すると、次式が成り立つ。

Win+Wg=Wm- . . (式 1)

ここで、ヒートポンプ装置における冷凍サイクル上に、この圧縮機 707と膨張機 711 が設置されている場合を考えると、通常は、圧縮機 707の消費電力量 Wmの方が、 膨張機 711による回生電力 Wgよりも大であるため、交流電源 701からの入力電力 W inは正の値である。

従って、第 1のコンバータ 708の出力を第 2のコンバータの出力端に接続しても、交 流電源 701に対して回生電流が流れることはなぐそのため特別な系統連携の制御 装置がなくても、平滑コンデンサ 703の電圧が過剰に上昇することはない。従って、こ のような簡易な構成の本実施の形態のヒートポンプ装置により、発電機 710により得 られた電力を効率良く回収することができる。

さらに、本実施の形態について、第 1のコンバータ 708の構成とその動作力も補足 説明する。図 2は、図 1に示すヒートポンプ装置の第 1のコンバータの詳細ブロック構 成図である。

この第 1のコンバータ 708は、 2個の電流センサ 805a, 805bと、スイッチング素子 8 03a, 803b, 803c, 803d, 803e, 803f及び環流ダイオード 804a, 804b, 804c, 804d, 804e, 804fが対になった変換回路と、 2軸電流変換手段 806、回転子位置 回転数推定手段 807、ベースドライバ 808、正弦波電圧出力手段 809、電流制御手 段 810、電流指令作成手段 811、及び回転数制御手段 812から成る制御回路とから 構成される。

そして、発電機 710の 3相交流の発電出力は、第 1のコンバータ 708を介して、例え ば、直流電源 801及び平滑コンデンサ 802側に供給されるように接続される。ここで 、直流電源 801及び平滑コンデンサ 802は、図 1における整流回路 702及び平滑コ ンデンサ 703に相当する。さらに、 3相の交流出力は、第 1のコンバータ 708により直 流に変換される。その際、外部より与えられる目標回転数の情報に基づいて発電機 7 10の回転数が目標回転数となるように制御が行われる。

つまり、第 1のコンバータ 708のスイッチング素子 803a〜803fのスイッチングパタ ーンを、電流センサ 805a, 805b力も得られる発電機 710の電流情報力も推定され た発電機 710の磁極位置の情報と、発電機 710の回転数の情報と、外部から与えら れる目標回転数の情報とから決定する。さらに、このスイッチングパターン信号は、ベ ースドライノ 808により、スイッチング素子 803a〜803fを電気的に駆動するためのド ライブ信号に変換され、これらのドライブ信号にしたがって、各スイッチング素子 803a 〜803fが動作する構成となって!/、る。 [0013] 次に、第 1のコンバータ 708の動作について説明する。

まず、外部より与えられる目標回転数 ω *を実現するように、現在の回転数 ω (後 述する推定回転数 ω m)との誤差から電流指令 I *力 次式 (式 2)を用いて回転数制 御手段 812により演算される。演算方法としては、一般的な PI制御方式による。 I*=Gpco X (ω *i)+Gico X∑ (ω *— ω)…（式 2)

ここで、 Gpco, Gicoは速度制御比例ゲイン，積分ゲイン、 ωは回転数、 ω *は目標 回転数、 I *は電流指令である。

さらに演算された電流指令値 I*から、電流指令作成手段 811は、電流位相角を実 現するための d軸電流指令 Id *、 q軸電流指令 Iq *を次式により演算する。

Id*=I* Xsin(jS)…（式 3)

Iq*=I* Xcos(jS) ··· (式 4)

ここで、 βは電流位相角である。

一方、電流センサ 805a, 805bにより検出された発電機 710の相電流 Iu, Ivは、 2 軸電流変換手段 806により、次式 (式 5)により、発電機 710のマグネットトルクに寄与 する q軸電流 Iqと、それに直交する d軸電流 Idの 2軸電流に変換される。

[0014] [数 1]

[0015] ここで、 0は回転子位置 (発電機の磁極位置)である。

[0016] そして、電流制御手段 810は、与えられた電流指令 Id* , Iq*と、電流値 Id, Iqを 用いて、次式により電流指令を実現するように制御演算を行い、出力電圧 Vd, Vqを 出力する。

Vd=GpdX (Id* -Id) +GidX∑ (Id*—Id) · · · (式 6)

Vq = GpqX (Iq *—Iq) +Giq X∑ (Iq *— Iq)…（式 7)

ここで、 Vd, Vqは d軸電圧， q軸電圧、 Gpd, Gidは d軸電流制御比例ゲイン，積分 ゲイン、 Gpq, Giqは q軸電流制御比例ゲイン，積分ゲインである。 次に、求められた 2方向の出力 Vd, Vqから、出力波形が正弦波となるように 3相の 出力電圧 Vu, Vv, Vwが、後述の方法で推定した回転子位置閘を用いて、一般的 な 2相 3相変換により、次式 (式 8)により変換して求められる。

[数 2]

(式 8)

[0018] ここで、 Vu, Vv, Vwは U相， V相， W相の電圧、 Θは回転子位置である。

さらに、正弦波電圧出力手段 809は、出力電圧 Vd, Vqと、回転子位置回転数推 定手段 807によって推定された回転子位置との情報に基づいて、発電機 710を駆動 するためのドライブ信号をベースドライノく 808に出力する。そして、ベースドライバ 80 8は、そのドライブ信号に従って、スイッチング素子 803a〜803fを駆動するための信 号を出力する。これにより、発電機 710が目標とする回転数 (速度）にて駆動される。

[0019] 次に、回転子位置回転数推定手段 807の動作について説明する。

まず、電流センサ 805a, 805bにより検出された電流から、各相の卷線に流れる相 電流 (iu, iv, iw)が得られる。また、正弦波電圧出力手段 809により出力される 3相 のデューティ値 Du, Dv, Dwと、分圧抵抗 813a, 813bから得られる電源電圧 Vdcと から、各相の卷線に印加される相電圧 (vu, w, vw)が次式により求められる。

vu=Du X Vdc…（式 9)

vv=Dv X Vdc…（式 10)

vw=Dw X Vdc - · · (式 11)

これらの値から、次式 (式 12)、（式 13)、（式 14)の演算により、各相の卷線に誘起 される誘起電圧値 eu, ev, ewが求められる。

eu=vu— R.iu— L' d (iu) Zdt…（式 12)

ev=w— R'iv— L ' d uv) / dt^# · ·、式 13)

ew=vw— R'iw— L ' d (iw) / dt^# · · (式 14) ここで、 Rは抵抗、 Lはインダクタンスである。また、 d(iu) Zdt, d(iv) /dt, d (iw) Zdtは、それぞれ ， iv, iwの時間微分である。

[0020] 次に、演算した誘起電圧値 eu, ev, ewを用いて、回転子位置 Θと推定回転数 ω m を推定する。これは、電動機駆動装置が認識している推定角度 Θ mを誘起電圧の誤 差を用いて補正することにより、真値に収束させて、回転子位置 Θを推定する方法で ある。また、推定角度 Θ mから、推定回転数 co mをも推定する。

まず、各相の誘起電圧基準値（eum, evm, ewm)を次式で求める。

eum=em' sm ( Θ m+ β Τ)

evm=em' sin ( θ m+ β Τ— 120

ewm=em- sin ( θ m+ j8 T- 240° )…（式 15)

ここで、 em誘起電圧振幅値 emは、誘起電圧値 eu, ev, ewの振幅値と一致させる ことにより求める。

また、次式 (式 16)を用いて、各相の誘起電圧値 esから各相の誘起電圧基準値 es mを減算し、偏差 εを求める。

ε =es— esm- · · (式 lo)

ここで、 sは相 (u/v/w)である。

そして、この偏差 ε力 0になれば推定角度 Θ mが真値になるので、偏差 εを 0に 収斂させるようにして、例えば、 ΡΙ演算で偏差 εを収斂する方法で、推定角度 Θ mの 真値を推定回転子位置 Θ (推定磁極位置）として求める。また、推定角度 Θ mの変動 値を演算することにより、推定回転数 co mを推定することができる。なお、この推定方 法は当業者であれば自明であるので、その説明を割愛する。

[0021] 以上のように本実施の形態のヒートポンプ装置では、第 1のコンバータ力 例えば電 流センサや回転子位置回転数推定手段などを用いて、発電機の磁極位置及び回転 数を推定し、これらの推定磁極位置と推定回転数に基づいて、励磁部等のない永久 磁石型同期発電機の回転数、即ち膨張機の回転数を制御し、膨張機に接続された 発電機による電力回収を効率よく行うことが可能となる。これにより、当該発電機の回 転子側には励磁部やコイルがないので、発電機の重量が減少し、且つ励磁部等によ る電力ロスがないために発電効率が高くなり、更には構成が簡素であってコストが低 減するヒートポンプ装置を提供することができる。

また、本実施の形態では、位置センサレスで発電機の磁極位置を知ることができる ので、例えば、エンコーダ用の軸シールなどが不要となり、膨張機と発電機を密閉一 体型シェルに収納することができ、信頼性 (シール性)の高 、ヒートポンプ装置が実現 する。

(実施の形態 2)

本発明のヒートポンプ装置を冷凍サイクルに用いた場合の実施の形態について、 図面を参照しながら説明する。図 3は、本発明による実施の形態 2のヒートポンプ装 置を示すブロック構成図である。

本実施の形態のヒートポンプ装置は、冷媒を圧縮する圧縮機 901と、圧縮機 901に より圧縮された冷媒を冷却する放熱器 902と、放熱器 902を通過した冷媒を膨張させ る膨張機 903と、膨張機 903により膨張した冷媒を蒸発させる蒸発器 904と、以上の 各要素機器間に冷媒を循環させる冷媒配管 914とを備え、膨張機 903に接続された 永久磁石型同期発電機 907 (以下、発電機 907)と、発電機 907が出力する交流電 力を直流電力に変換するとともに発電機 907の駆動を制御する機能を有する第 1の コンバータ 908とを具備して構成される。

また、圧縮機 901を駆動する電動機 905と、電動機 905を制御するモータ駆動装 置 906と、整流回路 912及び平滑コンデンサ 913で交流電源 911から変換した直流 電力や第 1のコンバータ 908からの直流電力を、モータ駆動装置 906を介して電動 機 905に供給する電源回路と、膨張機回転数決定手段 909、膨張機起動手段 910 、冷媒の圧力を検出する圧力センサ 915、及び冷媒の温度を検出する温度センサ 9 16など力 なり、第 1のコンバータ 908に信号を出力する制御回路とを含み構成され る。

なお、圧力センサ 915及び温度センサ 916は、ヒートポンプサイクルの高圧側であ る圧縮機 901と膨張機 903との間に設置されるものであり、本実施の形態の場合は、 それらを放熱器 902の出口に設置している。

また、発電機 907に接続されている第 1のコンバータ 908は、実施の形態 1の第 1の コンバータ 708と同様の構成であり、その説明を省略する。 [0023] 次に、上記構成の動作について説明する。

図 3において、モータ駆動装置 906と電動機 905によって駆動される圧縮機 901に より、圧縮された冷媒が放熱器 902で冷却され、その後、膨張機 903を通過する際に 膨張し、この膨張機 903に接続された発電機 907を回転させる。そして、膨張機 903 内で膨張した冷媒は、蒸発器 904内で外部より吸熱して気化した後、再び圧縮機 90 1へ戻る。なお、この閉回路は冷媒配管 914により連結されている。

そして、交流電源 911からの入力を整流回路 912で直流に整流された直流電圧は 、平滑コンデンサ 913により平滑ィ匕された後、モータ駆動装置 906により 3相の交流 電圧に変換され、それにより電動機 905が駆動される。電動機 906の駆動により、圧 縮機 901が圧縮機能を果たす。また、冷媒の膨張力により発生した膨張機 903のト ルクは、発電機 907の回転力となり、発電が行われる。この発電機 907により発電さ れた電力は、第 1のコンバータ 908により直流に変換された後、平滑コンデンサ 913 の両端に供給される。このように、膨張機 903に接続された発電機 907により発電さ れた電力は、圧縮機 901のモータ駆動の補助動力として使用されることになる。

[0024] ここで、発電機 907、即ち膨張機 903の回転数は、第 1のコンバータ 908により制御 される。また、圧縮機 901の回転数は、モータ駆動装置 906により制御される。

また、第 1のコンバータ 908には、膨張機回転数決定手段 909から目標回転数が 与えられる。この膨張機回転数決定手段 909は、圧力センサ 915及び温度センサ 91 6が検出した放熱器 902の出口温度、及び出口圧力の値より、最適な膨張機回転数 (目標回転数)を決定する。この最適な膨張機回転数は、図 4に示す、放熱器出口圧 力、放熱器出口温度に対する本冷凍サイクルの効率のデータより決定される。

この図に示すように、本冷凍サイクルの効率は、放熱器 902の出口圧力及び出口 温度により最大となる点が異なり、その点を結んだ線が図中の最適効率圧力線であ る。この圧力線を用いて、放熱器出口温度を計測することにより、そのときの放熱器 出口圧力として最適圧力が求められる。

[0025] 次に、膨張機回転数決定手段 909の動作について説明する。図 5は、図 3に示すヒ ートポンプ装置における膨張機回転数決定のフローチャートであり、膨張機回転数 決定手段 909におけるサイクル効率を最大にする膨張機回転数の値の決定手順を 示す。

まず、ステップ 101において、測定された放熱器出口の圧力及び温度の値を入力 する。そして、図 4に示す最適圧力のデータに従って、効率を最大にする最適圧力の 値が演算される (ステップ 102)。次に、測定された現在の出口圧力が、最適圧力より 大きいかをステップ 103にて判定する。出口圧力が最適圧力よりも大の場合には、出 口圧力を下げるように膨張機 903の目標回転数が上げられる (ステップ 104)。例え ば、後述する初期回転数指令 nlを初期値とし、これを増加する演算を行い、次回制 御の目標回転数に置き換える。そして、出口圧力を低下させるための目標回転数を 第 1のコンバータ 908に出力する (ステップ 105)。これにより、膨張機 903における入 口、出口の圧力差が低減されることになり、結果として冷凍サイクルにおける高圧側 の圧力が低下していく。

また、出口圧力が最適圧力よりも小の場合には、出口圧力を上げるように膨張機 90 3の目標回転数が下げられる (ステップ 106)。そして、出口圧力上昇の目標回転数 を第 1のコンバータ 908に出力する (ステップ 107)。これにより、膨張機 903における 入口、出口の圧力差が増加することになり、結果として冷凍サイクルにおける高圧側 の圧力が上昇する。

これらの制御を繰り返すことにより、放熱器 902の出口圧力は、冷凍サイクルの効率 を最大にする所定の最適圧力値になる。

なお、上記ステップ 102は、放熱器出口圧力、放熱器出口温度、最適圧力のデー タなどから、最適圧力を算出する最適値算出手段に該当する。

[0026] 以上のように本実施の形態のヒートポンプ装置では、第 1のコンバータ 908を、膨張 機回転数決定手段 909からの目標回転数に基づいて、冷媒の圧力を所定の最適圧 力値にするように、発電機 907の回転数 (即ち、膨張機 903の回転数)を制御する構 成により、ヒートポンプ装置のサイクル効率を最適化することができる。

また、本実施の形態によってサイクル効率の最適化が行われ、成績係数 (COP)が 向上することで、ヒートポンプ装置に冷媒として二酸ィ匕炭素を用いることが可能となり 、地球温暖化防止に役立てることができる。

[0027] 次に、膨張機起動手段 910の動作について説明する。図 6は、図 3に示すヒートポ ンプ装置における膨張機起動時の状態推移図であり、膨張機起動手段 910におけ る起動時の回転数の設定シーケンスを示す。即ち、起動時から定常時までの放熱器 出口圧力、膨張機回転数、発電機電流の推移例を表したものである。

図 6において、ヒートポンプ装置の起動時には、圧縮機 901の回転数が上昇してい き、徐々に放熱器出口圧力が上昇を始める。このとき、圧縮機 901を起動した後、時 刻 tlまでの間、第 1のコンバータ 908で発電機 907に流れる電流を零（±0)にする 制御を実行し、発電機 907に負荷トルクが掛からない発電停止運転を行う。

即ち、第 1のコンバータ 908による発電機 907の発電運転を、圧縮機 901の起動後 の、所定の時間後の時刻 tlに開始させる機能を有することにより、その間、膨張機 9 03をスムーズに回転させて本来の膨張機能を発揮させ、ヒートポンプシステムの立ち 上がりを迅速ィ匕するものである。

[0028] その後、時刻 tlのタイミングにおいて、膨張機 903の初期回転数指令（目標回転数 の初期値)を nlと設定する。これにより、膨張機 903の起動負荷を超える発電機 907 のカ行モードの駆動が実現され、スムーズな膨張機 903の回転が行われる。

この時刻 tl時点より、膨張力が十分に得られる時刻 t2までの期間は、膨張機 903 における発電機 907の電流がカ行側、つまり電源回路力も発電機 907の方向（発電 機に電気を入力するマイナスの電流方向）に流れるように、第 1のコンバータ 908で 制御する。即ち、第 1のコンバータ 908が発電機 907をカ行駆動させる機能を有する ことにより、起動時などにおいて、発電機を電動機として使用した膨張機を強制的に 回転させ、膨張機 903の起動をスムーズに行い、冷凍サイクルの信頼性の向上を図 るものである。

[0029] さらに、膨張力が増大した時刻 t2時点以降においては、発電機 907の電流が回生 側、つまり発電機 907から電源回路の方向（発電機から電気を出力するプラスの電 流方向）に流れるように、第 1のコンバータ 908で制御する。これにより、発電機 907 の回生モードの駆動が実現され、発電機 907による電力回収が開始される。

そして、時刻 t3時点から、初期回転数指令 nlの設定を解除し、膨張機回転数決定 手段 909に正規の目標回転数を出力させ、出口圧力を最適圧力値にする制御を実 行する。即ち、定常運転が行われて、放熱器出口圧力、膨張機回転数及び発電機 電流が徐々に上昇し、最適圧力値、目標回転数及び目標電流に達する。

このように本実施の形態によれば、起動時の発電機 907の発電停止運転や、カ行 モード駆動により、迅速なシステムの立ち上がりや、スムーズな膨張機 903の起動が 得られ、信頼性の高いヒートポンプ装置が提供される。なお、時間差を設けずに圧縮 機起動と同時に発電機のカ行駆動を行う構成でも良ぐ上記と同様な効果が得られ る。

(実施の形態 3)

[0030] 本発明のヒートポンプ装置を冷凍サイクルに用いた場合の別の実施の形態につい て、図面を参照しながら説明する。図 7は、本発明による実施の形態 3のヒートポンプ 装置を示すブロック構成図である。

本実施の形態のヒートポンプ装置は、冷媒を圧縮する圧縮機 1201と、圧縮機 120 1により圧縮された冷媒を冷却する放熱器 1202と、放熱器 1202を通過した冷媒を 膨張させる膨張機 1203と、膨張機 1203により膨張した冷媒を蒸発させる蒸発器 12 04と、以上の各要素機器間に冷媒を循環させる冷媒配管 1213とを備え、膨張機 12 03に接続された永久磁石型同期発電機 1207 (以下、発電機 1207)と、発電機 120 7が出力する交流電力を直流電力に変換するとともに発電機 1207の駆動を制御す る機能を有する第 1のコンバータ 1208とを具備して構成される。

また、圧縮機 1201を駆動する電動機 1205と、電動機 1205を制御するモータ駆動 装置 1206と、整流回路 1211及び平滑コンデンサ 1212で交流電源 1210から変換 した直流電力や第 1のコンバータ 1208からの直流電力を、モータ駆動装置 1206を 介して電動機 1205に供給する電源回路と、発電機電流決定手段 1209、放熱器 12 02出口で冷媒の圧力を検出する圧力センサ 1214、及び放熱器 1202出口で冷媒 の温度を検出する温度センサ 1215など力もなり、第 1のコンバータ 1208に信号を出 力する制御回路とを含み構成される。

[0031] 次に、膨張機に接続された発電機の電流を制御するための第 1のコンバータの構 成を説明する。図 8は、図 7に示すヒートポンプ装置の第 1のコンバータの詳細ブロッ ク構成図である。

この第 1のコンバータ 1208は、 2個の電流センサ 1405a, 1405bと、スイッチング素 子 1403a, 1403b, 1403c, 1403d, 1403e, 1403f及び環流ダイオード、 1404a, 1404b, 1404c, 1404d, 1404e, 1404f力 S対になった変換回路と、 2軸電流変換 手段 1406、回転子位置回転数推定手段 1407、ベースドライバ 1408、正弦波電圧 出力手段 1409、電流制御手段 1410、及び電流指令作成手段 1411からなる制御 回路とから構成される。なお、図中 1413a、 1413bは分圧抵抗である。

そして、発電機 1207の 3相交流の発電出力は、第 1のコンバータ 1208を介して、 例えば、直流電源 1401及び平滑コンデンサ 1402側に供給されるように接続される 。ここで、直流電源 1401及び平滑コンデンサ 1402は、図 7における整流回路 1211 及び平滑コンデンサ 1212に相当する。さらに、 3相の交流出力は、第 1のコンバータ 1208により直流に変換される。その際、外部より与えられる目標電流の情報に基づ いて発電機 1207の電流が目標電流となるように制御が行われる。

[0032] つまり、第 1のコンバータ 1208のスイッチング素子 1403a〜1403fのスイッチング パターンを、電流センサ 1405a, 1405bから得られる発電機 1207の電流情報から 推定された発電機 1207の磁極位置の情報と、発電機 1207の電流の情報と、外部 から与えられる目標電流の情報とから決定する。さら〖こ、このスイッチングパターン信 号は、ベースドライノく 1408により、スイッチング素子 1403a〜1403fを電気的に駆動 するためのドライブ信号に変換され、これらのドライブ信号にしたがって、各スィッチン グ素子 1403a〜1403fが動作する構成となっている。

そして、外部より与えられる目標電流を実現するように、電流指令作成手段 1411は 、電流位相角を実現するための d軸電流指令 Id *、 q軸電流指令 Iq *を次式により 演算する。

Id * =I * X sin ( jS )…（式 3)

Iq * =I * X cos ( jS ) · · · (式 4)

ここで、 I *は電流指令、 βは電流位相角である。

d軸電流指令 Id *、 q軸電流指令 Iq *を実現するための方法などは、実施の形態 1 に示した第 1のコンバータ 708と同様である。以上のような構成により、発電機 1207 の電流の制御を実現することができる。

[0033] 次に、上記構成の動作について説明する。 図 7において、モータ駆動装置 1206と電動機 1205によって駆動される圧縮機 12 01により、圧縮された冷媒が放熱器 1202で冷却され、その後、膨張機 1203を通過 する際に膨張し、この膨張機 1203に接続された発電機 1207を回転させる。そして、 膨張機 1203内で膨張した冷媒は、蒸発器 1204内で外部より吸熱して気化した後、 再び圧縮機 1201へ戻る。なお、この閉回路は冷媒配管 1213により連結されている そして、交流電源 1210からの入力を整流回路 1211で直流に整流された直流電圧 は、平滑コンデンサ 1212により平滑ィ匕された後、モータ駆動装置 1206により 3相の 交流電圧に変換され、それにより電動機 1205が駆動されることにより、圧縮機 1201 が圧縮機能を果たす。また、冷媒の膨張力により膨張機 1203を介して発電機 1207 が回転させられて発電する。この発電機 1207により発電された電力は、第 1のコンパ ータ 1208により直流に変換された後、平滑コンデンサ 1212及び電動機 1205に供 給される。このように、発電機 1207により発電された電力は、圧縮機 1201のモータ 駆動の補助動力として使用される。

[0034] さらに、本実施の形態においては、第 1のコンバータ 1208で、膨張機 1203のトル クを制御する動作が行われる。即ち、第 1のコンバータ 1208には、発電機電流決定 手段 1209から発電機 1207の目標電流が与えられる。発電機電流決定手段 1209 は、圧力センサ 1214及び温度センサ 1215が検出した放熱器 1202の出口温度、及 び出口圧力の値より、最適な発電機電流（目標電流)を決定する。この最適な発電機 電流は、図 4に示す、放熱器出口圧力、放熱器出口温度に対する本冷凍サイクルの 効率のデータより決定され、本冷凍サイクルの効率を最大にするように求められる。

[0035] 次に、発電機電流決定手段 1209の動作について説明する。図 9は、図 7に示すヒ ートポンプ装置における発電機電流決定のフローチャートであり、発電機電流決定 手段 1209におけるサイクル効率を最大にする発電機電流の値の決定手順を示す。 まず、ステップ 201において、測定された放熱器出口の圧力及び温度の値を入力 する。そして、図 4に示す最適圧力のデータに従って、効率を最大にする最適圧力の 値が演算される (ステップ 202)。次に、測定された現在の出口圧力が、最適圧力より 大きいかをステップ 203にて判定する。出口圧力が最適圧力よりも大の場合には、出 口圧力を下げるように発電機 1207の目標電流を増加させる (ステップ 204)。そして 、出口圧力を低下させるための目標電流を第 1のコンバータ 1208に出力する (ステツ プ 205)これにより、冷凍サイクルにおける高圧側の圧力が低下する。

また、出口圧力が最適圧力よりも小の場合には、出口圧力を上げるように発電機 12 07の目標電流を低減する (ステップ 206)。そして、出口圧力上昇の目標電流を第 1 のコンバータ 1208に出力する（ステップ 207)。これにより、冷凍サイクルにおける高 圧側の圧力が上昇する。

これらの制御を繰り返すことにより、放熱器 1202の出口圧力は、冷凍サイクルの効 率を最大にする所定の最適圧力値になる。

また、発電機 1207の電流値は、膨張機 1203のトルクを表しているので、目標電流 により、膨張機のトルクを変更することになる。膨張機 1203のトルクは、膨張機 1203 の入口側圧力と、出口側圧力の値により決まる値であり、膨張機 1203のトルクを制 御することにより、実質的に膨張機入口及び出口の圧力を制御することになる。従つ て、発電機 1207の目標電流を設定することにより、膨張機 1203の入口及び出口の 圧力を制御することが可能である。

[0036] 以上のように本実施の形態のヒートポンプ装置では、第 1のコンバータ 1208を、発 電機電流決定手段 1209からの目標電流に基づいて、冷媒の圧力を所定の最適圧 力値にするように、発電機 1207の電流 (即ち、膨張機 1203のトルク）を制御する構 成により、ヒートポンプ装置のサイクル効率を最適化することができる。

なお、本実施の形態の発電機 1207の電流制御は、第 1のコンバータ 1208のスイツ チング制御による発電機 1207の回転数制御でもあり、広範囲に膨張機 1203を制御 することができる。

[0037] ところで、発電機電流決定手段 1209が、目標電流を決定する代わりに、次式に基 づ 、て、発電機電力決定手段 (図示せず)が目標発電電力を決定する構成でも良く 、発電機 1207により発生する電力量を最適圧力に従って調整し、冷媒の圧力を最 適圧力値にする方式も有効である。

電力量 W=目標電流 X回転数' · ·（式 17)

つまり、目標発電電力を決定することにより、膨張機 1203に接続された発電機 120 7の回収電力量を制御することができる。

即ち、第 1のコンバータを、発電機電力決定手段からの目標発電電力に基づいて、 冷媒の圧力を所定の最適圧力値にするように、永久磁石型同期発電機の発電電力 を制御する構成とすることによって、ヒートポンプ装置のサイクル効率を最適化するこ とがでさる。

また、上記発電機 1207の発電電力制御も、スイッチング制御による回転数制御で あり、広範囲な回転数で膨張機 1203を制御することができる。

なお、本実施の形態では、電流センサは発電機の 3相交流の内の 2線の電流を計 測する構成で説明したが、第 1のコンバータの直流部分での電流センサにより構成さ れたものでも同様の機能を実現し、同様な効果を得ることができることは明らかである 産業上の利用可能性

以上のように、本発明は、膨張機を有する冷凍装置に適用され、例えば、冷暖房装 置や給湯機などのヒートポンプ式冷凍装置に適している。

Claims

請求の範囲

[1] 冷媒を圧縮する圧縮機と、

前記圧縮機により圧縮された前記冷媒を冷却する放熱器と、

前記放熱器を通過した前記冷媒を膨張させる膨張機と、

前記膨張機により膨張した前記冷媒を蒸発させる蒸発器と、

前記圧縮機、前記放熱器、前記膨張機、及び前記蒸発器に前記冷媒を循環させ る冷媒配管と、

前記圧縮機と前記膨張機との間に設置されて前記冷媒の圧力を検出する圧力セ ンサと、

前記圧縮機と前記膨張機との間に設置されて前記冷媒の温度を検出する温度セ ンサと、

前記膨張機に接続された永久磁石型同期発電機と、

前記永久磁石型同期発電機に流れる電流を検出する電流センサと、

前記永久磁石型同期発電機が出力する交流電力を直流電力に変換し、前記電流 センサにより検出された電流値により前記永久磁石型同期発電機の磁極位置を推定 するとともに、前記電流値および前記磁極位置を用いて前記永久磁石型同期発電 機の回転数を所定の値に制御する第 1のコンバータと

前記圧力センサ及び前記温度センサからの信号により前記第 1のコンバータを制 御する発電機回転数制御手段とを有するヒートポンプ装置。

[2] 前記第 1のコンバータは、前記電流センサにより検出された電流値により前期永久 磁石型同期発電機の磁極位置および回転数を推定するとともに、前記電流値、前記 磁極位置および回転数を用いて前記永久磁石型同期発電機の電流値および前記 回転数を所定の値に制御する、請求項 1に記載のヒートポンプ装置。

[3] 商用電源の交流を直流に変換する第 2のコンバータと、

前記第 1および第 2のコンバータから出力された直流を前記インバータの入力端に 接続して、所定の周波数の交流に変換して前記圧縮機を駆動するインバータとを更 に有する請求項 1に記載のヒートポンプ装置。

[4] 前記圧縮機と前記膨張機との間に設置されて前記冷媒の圧力及び温度を検出す る圧力センサ及び温度センサと、

前記圧力センサ及び前記温度センサからの信号により前記冷媒の圧力を最適圧 力とするように前記発電機の電流値を制御する発電機電流制御手段とを更に有する 請求項 1に記載のヒートポンプ装置。

[5] 前記圧縮機と前記膨張機との間に設置されて前記冷媒の圧力及び温度を検出す る圧力センサ及び温度センサと、

前記圧力センサ及び前記温度センサからの信号により前記冷媒の圧力を最適圧 力とするように前記発電機の発電量を制御する発電機発電量制御手段とを更に有す る請求項 1に記載のヒートポンプ装置。

[6] 前記膨張機の起動時には、前記第 1のコンバータにより前記発電機をカ行駆動さ せる請求項 1に記載のヒートポンプ装置。

[7] 前記第 1のコンバータによる前記発電機の運転を、前記圧縮機の起動後の、所定 の時間後に開始させる請求項 1に記載のヒートポンプ装置。

[8] 前記冷媒が、二酸ィ匕炭素であ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。

[9] 作動流体を膨張させる膨張機と、

前記膨張機に接続された永久磁石型同期発電機と、

前記永久磁石型同期発電機に流れる電流を検出する電流センサと、

前記永久磁石型同期発電機が出力する交流電力を直流電力に変換し、前記電流 センサにより検出された電流値により前記永久磁石型同期発電機の磁極位置を推定 するとともに、前記電流値および前記磁極位置を用いて前記永久磁石型同期発電 機の回転数を所定の値に制御する第 1のコンバータとを有する動力回収装置。