УСТРОЙСТВО ТЕПЛОВОГО НАСОСА И УСТАНОВКА ДЛЯ КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ВОЗДУХА, ВОДОНАГРЕВАТЕЛЬ С ТЕПЛОВЫМ НАСОСОМ, ХОЛОДИЛЬНАЯ УСТАНОВКА И МОРОЗИЛЬНЫЙ АППАРАТ, ВКЛЮЧАЮЩИЕ В СЕБЯ УСТРОЙСТВО ТЕПЛОВОГО НАСОСА Российский патент 2017 года по МПК F25B1/00 F24F11/02 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[0001] Данное изобретение относится к устройству теплового насоса, и установке для кондиционирования воздуха, водонагревателю с тепловым насосом, холодильной установке, и морозильному аппарату, включающим в себя устройство теплового насоса.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0002] Известна технология для предотвращения застоя жидкого хладагента в компрессоре. С использованием этой технологии, во время периода нефункционирования устройства теплового насоса, используемого в установке для кондиционирования воздуха и т.п., обмотку двигателя возбуждают без приведения в движение двигателя компрессора (что далее называется «возбуждением с блокировкой»), и компрессор нагревается для испарения, таким образом, и выпуска жидкого хладагента. Например, существует технология для того, чтобы, при нахождении компрессора в резервном режиме функционирования, подавать переменное напряжение, имеющее частоту, приблизительно, 20 килогерц, которая выше, чем нормальная частота во время нормального функционирования, для того, чтобы двигатель компрессора предотвратил, таким образом, сжижение хладагента в компрессоре, посредством использования тепла, генерируемого вследствие коммутационных потерь коммутирующих элементов, из которых выполнен инвертор, и тепла, генерируемого двигателем (например, патентный документ 1).

[0003] В случае IPM-двигателя (двигателя с внутренним постоянным магнитом (Interior Permanent Magnet)), индуктивность обмотки ротора изменяется в зависимости от положения ротора. Например, описана следующая технология для предотвращения застоя хладагента в компрессоре. С использованием этой технологии, например, при истечении заданного времени, в то время как температура цикла холодильной установки равна или ниже заданного значения, переменное напряжение, имеющее частоту 14 кГц или выше, которая выше, чем нормальная частота во время нормального функционирования, подают на двигатель в компрессоре, при сдвиге фазы переменного напряжения, для эффективного нагрева, таким образом, жидкого хладагента (например, патентный документ 2).

[0004] Кроме того, например, описана технология для обеспечения сохранения количества тепла компрессора постоянным, независимо от эффектов вследствие производственных изменений и изменений окружающей среды. При использовании этой технологии, секцию, где электрический ток, протекающий в обмотке двигателя, является относительно постоянным вблизи максимума, устанавливают в качестве секции обнаружения тока, и, на основе максимального значения тока, обнаруженного при этой синхронизации, вычисляют оптимальное значение команды управления напряжением для получения мощности, необходимой для испарения и выпуска хладагента, застаивающегося в компрессоре (например, патентный документ 3).

[0005] Для сохранения количества тепла компрессора постоянным, т.е., для сохранения величины мощности, подаваемой к двигателю компрессора, постоянной, и надежного предотвращения застоя хладагента в компрессоре, необходимо более точно определять электрический ток, протекающий в обмотке двигателя. Однако, когда частота, при которой выполняют возбуждение с блокировкой двигателя компрессора, увеличивается, секция, где электрический ток, протекающий в обмотке двигателя, является относительно стабильным вблизи максимума, уменьшается, и точность обнаружения тока ухудшается. Даже когда аналоговое значение тока, обнаруженное в цикле дискретизации, подвергают AD-преобразованию для выполнения обнаружения тока, если частота, при которой выполняют возбуждение с блокировкой двигателя компрессора, является высокой, то количество отсчетов, обнаруживаемых во время одного цикла, уменьшается. Следовательно, для улучшения точности обнаружения, необходим микрокомпьютер и т.п., способный выполнять дискретизацию при высокой частоте дискретизации. Таким образом, например, описана технология для равномерного разделения цикла дискретизации, при выполнении AD-преобразования, на множество циклов дискретизации, и выполнения обнаружения тока при сдвиге множества синхронизаций дискретизации последовательно для обнаружения мощности с высокой точностью, эквивалентной точности обнаружения при дискретизации, выполняемой при частоте дискретизации, которая является увеличенной в два или более раз (например, патентный документ 4).

СПИСОК БИБЛИОГРАФИЧЕСКИХ ССЫЛОК

ПАТЕНТНЫЕ ДОКУМЕНТЫ

[0006] Патентный документ 1: выложенная заявка на японский патент № 2004-271167

Патентный документ 2: выложенная заявка на японский патент № 2012-82996

Патентный документ 3: WO 2009/028053

Патентный документ 4: выложенная заявка на японский патент № 2012-225767

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ТЕХНИЧЕСКАЯ ПРОБЛЕМА

[0007] Однако в технологии, описанной в патентном документе 4, поскольку цикл дискретизации равномерно разделен на множество циклов дискретизации, не существует связи между синхронизацией для выполнения обнаружения тока и циклом тока. Таким образом, когда существует сдвиг синхронизации обнаружения относительно цикла тока, точность обнаружения ухудшается. Следовательно, существует проблема, состоящая в том, что величина мощности, подаваемой на двигатель компрессора, не может быть сохранена постоянной.

[0008] Данное изобретение было разработано ввиду упомянутой выше проблемы, и задачей данного изобретения является обеспечение устройства теплового насоса, которое может сохранять величину мощности, подаваемой на двигатель компрессора, постоянной, и сохранять количество тепла для компрессора постоянным, когда высокочастотное напряжение, имеющее частоту выше, чем частота во время нормального функционирования, подают на двигатель компрессора для выполнения возбуждения с блокировкой, и, таким образом, может эффективно и надежно предотвращать застой жидкого хладагента в компрессоре. Дополнительно, задачей данного изобретения является обеспечение установки для кондиционирования воздуха, водонагревателя с тепловым насосом, холодильной установки, и морозильного аппарата, включающих в себя устройство теплового насоса.

РЕШЕНИЕ ПРОБЛЕМЫ

[0009] Для решения упомянутых выше проблем и решения задачи изобретения, устройство теплового насоса согласно одному аспекту данного изобретения является устройством теплового насоса, которое включает в себя компрессор, включающий в себя механизм сжатия, который сжимает хладагент, и двигатель компрессора, который приводит в действие механизм сжатия, теплообменник, инвертор, который прикладывает требуемое напряжение к двигателю компрессора, и блок управления инвертора, который генерирует управляющий сигнал для приведения в действие инвертора, причем блок управления инвертора включает в себя блок управления возбуждением с блокировкой, который выдает команду управления фазой высокочастотного напряжения, когда высокочастотное напряжение, имеющее частоту выше, чем частота во время нормального функционирования, подают на двигатель компрессора для выполнения возбуждения с блокировкой двигателя компрессора, в то время как компрессор находится в резервном режиме функционирования, который восстанавливает, на основе соответствующих межфазных напряжений, соответствующих фазных напряжений, или соответствующих фазных токов двигателя компрессора, в течение множества циклов высокочастотного возбуждения, при выполнении возбуждения с блокировкой, соответствующие межфазные напряжения, соответствующие фазные напряжения, или соответствующие фазные токи для одного цикла высокочастотного возбуждения, и который выдает команду управления высокочастотным напряжением на основе восстановленных соответствующих значений обнаружения для одного цикла высокочастотного возбуждения, и блок генерации управляющего сигнала, который генерирует управляющий сигнал, на основе команды управления фазой высокочастотного напряжения и команды управления высокочастотным напряжением.

ПОЛОЖИТЕЛЬНЫЕ ЭФФЕКТЫ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0010] Согласно данному изобретению имеется эффект, состоящий в том, что когда высокочастотное напряжение, имеющее частоту выше, чем частота во время нормального функционирования, подают на двигатель компрессора для выполнения возбуждения с блокировкой, можно сохранить величину мощности, подаваемой к двигателю компрессора, постоянной и сохранить количество тепла для компрессора постоянным, и, таким образом, эффективно и надежно предотвратить застой жидкого хладагента в компрессоре.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0011] Фиг. 1 является схемой, иллюстрирующей пример конфигурации устройства теплового насоса согласно первому варианту осуществления.

Фиг. 2 является схемой, иллюстрирующей пример конфигурации инвертора в устройстве теплового насоса согласно первому варианту осуществления.

Фиг. 3 является схемой, иллюстрирующей пример конфигурации блока управления инвертора в устройстве теплового насоса согласно первому варианту осуществления.

Фиг. 4 является схемой для объяснения функционирования блока генерации команды управления мощностью нагрева в устройстве теплового насоса согласно первому варианту осуществления.

Фиг. 5 является схемой, иллюстрирующей формы сигналов для объяснения способа генерации значений команд управления напряжением и PWM-сигналов.

Фиг. 6 является схемой, иллюстрирующей восемь образцов коммутации в устройстве теплового насоса, согласно первому варианту осуществления.

Фиг. 7 является схемой, иллюстрирующей пример конфигурации блока генерации команды управления фазой высокочастотного напряжения в устройстве теплового насоса, согласно первому варианту осуществления.

Фиг. 8 является схемой, иллюстрирующей формы сигналов во время возбуждения с блокировкой в устройстве теплового насоса, согласно первому варианту осуществления.

Фиг. 9 является схемой, иллюстрирующей состояния включено/выключено коммутирующих элементов в инверторе в соответствии с векторами напряжения.

Фиг. 10 является схемой, иллюстрирующей формы сигналов фазного тока, когда опорная фаза θf составляет 0°, 30°, и 60°.

Фиг. 11 является схемой, иллюстрирующей пример положения остановки ротора IPM-двигателя.

Фиг. 12 является схемой, иллюстрирующей связь между положением ротора и соответствующими фазными токами.

Фиг. 13 является схемой, иллюстрирующей пример подробной конфигурации блока вычисления мощности в устройстве теплового насоса согласно первому варианту осуществления;

Фиг. 14 является схемой, иллюстрирующей формы сигналов для объяснения способа обнаружения соответствующих линейных напряжений и соответствующих фазных токов в устройстве теплового насоса согласно первому варианту осуществления.

Фиг. 15 является схемой, иллюстрирующей формы сигналов, когда значение напряжения на шине инвертора флуктуирует.

Фиг. 16 является схемой, иллюстрирующей различия в форме сигнала линейного напряжения и форме сигнала фазного тока в зависимости от различия в величине значения напряжения на шине инвертора.

Фиг. 17 является схемой, иллюстрирующей пример подробной конфигурации блока вычисления мощности в устройстве теплового насоса согласно первому варианту осуществления.

Фиг. 18 является схемой, иллюстрирующей пример подробной конфигурации, отличной от подробной конфигурации, показанной на фиг. 17, блока вычисления мощности в устройстве теплового насоса согласно первому варианту осуществления.

Фиг. 19 является схемой, иллюстрирующей пример подробной конфигурации блока генерации команды управления высокочастотным напряжением в устройстве теплового насоса, согласно первому варианту осуществления.

Фиг. 20 является схемой, иллюстрирующей сравнительный пример управления неизменным напряжением и управления согласно первому варианту осуществления.

Фиг. 21 является схемой, иллюстрирующей пример конфигурации цикла холодильной установки согласно второму варианту осуществления.

Фиг. 22 является диаграммой Молье, иллюстрирующей переход состояний хладагента в цикле холодильной установки, показанном на фиг. 21.

ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

[0012] Устройство теплового насоса, и установка для кондиционирования воздуха, водонагреватель с тепловым насосом, холодильная установка, и морозильный аппарат, включающие в себя устройство теплового насоса, согласно вариантам осуществления данного изобретения, объяснены ниже со ссылкой на сопутствующие чертежи. Следует отметить, что данное изобретение не ограничено вариантами осуществления, объясненными ниже.

[0013] Первый вариант осуществления.

Фиг. 1 является схемой примера конфигурации устройства теплового насоса, согласно первому варианту осуществления. Как показано на фиг. 1, в устройстве 100 теплового насоса, согласно первому варианту осуществления, компрессор 1, четырехходовой вентиль 2, теплообменник 3, механизм 4 расширения, и теплообменник 5 последовательно соединены через трубопровод 6 хладагента для образования цикла 50 холодильной установки. Следует отметить, что в примере показанном на фиг. 1, показана базовая конфигурация, образующая цикл 50 холодильной установки. Некоторые компоненты на фиг. 1 опущены.

[0014] Механизм 7 сжатия, который сжимает хладагент, и двигатель 8 компрессора, который приводит в действие механизм 7 сжатия, обеспечены в компрессоре 1. Двигатель 8 компрессора является трехфазным двигателем, включающим в себя обмотки двигателя для трех фаз, т.е., U-фазы, V-фазы, и W-фазы.

[0015] Инвертор 9 электрически соединен с двигателем 8 компрессора. Инвертор 9 соединен с источником 11 постоянного напряжения и подает напряжения Vu, Vv, и Vw, соответственно, на обмотки U-фазы, V-фазы, и W-фазы двигателя 8 компрессора, с использованием, в качестве источника питания, постоянного напряжения (напряжения на шине) Vdc, подаваемого от источника 11 постоянного напряжения.

[0016] Блок 10 управления инвертора электрически соединен с инвертором 9. Блок 10 управления инвертора выдает для инвертора 9 управляющие сигналы для приведения в действие инвертора 9. Блок 10 управления инвертора имеет два режима функционирования, т.е., нормальный режим функционирования и режим функционирования с нагревом.

[0017] В нормальном режиме функционирования, блок 10 управления инвертора генерирует и выдает PWM-сигналы (сигналы с широтно-импульсной модуляцией (Pulse Width Modulation)) (управляющие сигналы) для управления вращением двигателя 8 компрессора. В режиме функционирования с нагревом, в отличие от нормального режима функционирования, блок 10 управления инвертора возбуждает двигатель 8 компрессора таким образом, чтобы двигатель 8 компрессора не приводился во вращение, когда компрессор 1 находится в резервном режиме функционирования (далее называемом «возбуждением с блокировкой»), для нагрева двигателя 8 компрессора, таким образом, нагревая и испаряя жидкий хладагент, застаивающийся в компрессоре 1, и выпуская хладагент. В данном варианте осуществления, в режиме функционирования с нагревом, блок 10 управления инвертора возбуждает двигатель 8 компрессора высокочастотным током, за которым двигатель 8 компрессора не может следовать (что далее называется «высокочастотным возбуждением»), для нагрева, таким образом, жидкого хладагента, застаивающегося в компрессоре 1, с использованием тепла, генерируемого в двигателе 8 компрессора.

[0018] При выполнении высокочастотного возбуждения, если высокочастотное напряжение, имеющее частоту, равную или более высокую, чем рабочая частота во время операции сжатия, прикладывают к двигателю 8 компрессора, то ротор в двигателе 8 компрессора не может следовать за высокочастотным напряжением; следовательно, не происходит вращения и вибрации. Следовательно, необходимо установить частоту выходного сигнала напряжения от инвертора 9 равной или более высокой, чем рабочая частота во время операции сжатия.

[0019] В большинстве случаев, рабочая частота во время операции сжатия составляет, приблизительно, не более, чем 1 кГц. Следовательно, при выполнении высокочастотного возбуждения, в то время как компрессор 1 находится в резервном режиме функционирования, к двигателю 8 компрессора необходимо приложить высокочастотное напряжение с частотой, равной или более высокой, чем 1 кГц, которая является рабочей частотой во время операции сжатия. Например, если высокочастотное напряжение с частотой, равной или более высокой, чем 14 кГц, прикладывают к двигателю 8 компрессора, то звук вибрации стального сердечника двигателя 8 компрессора близко приближается к верхней границе слышимой частоты. Следовательно, существует также эффект уменьшения шума. Например, если установить высокочастотное напряжение с частотой, приблизительно, 20 кГц, которая находится за пределами слышимых частот, то можно дополнительно уменьшить шум. Однако, при выполнении высокочастотного возбуждения, желательно, для обеспечения надежности, приложить высокочастотное напряжение, имеющее частоту, равную или меньшую, чем максимальная номинальная рабочая частота коммутирующих элементов в инверторе 9.

[0020] В случае, когда двигатель 8 компрессора является двигателем со встроенным магнитом, имеющим структуру IPM (внутренний постоянный магнит (Interior Permanent Magnet)), при выполнении высокочастотного возбуждения, поверхность ротора, которую пересекает высокочастотный магнитный поток, также становится участком генерации тепла. Следовательно, можно реализовать быстрый нагрев механизма сжатия посредством увеличения контактной поверхности хладагента. Таким образом, хладагент может быть нагрет более эффективно.

[0021] Компоненты и операции для реализации операции режима функционирования с нагревом объяснены ниже.

[0022] Блок 10 управления инвертора включает в себя блок 12 управления возбуждением с блокировкой и блок 13 генерации управляющего сигнала, которые являются компонентами для реализации режима функционирования с нагревом. Блок 12 управления возбуждением с блокировкой включает в себя блок 14 вычисления мощности, блок 15 генерации команды управления высокочастотным напряжением, блок 16 генерации команды управления фазой высокочастотного напряжения, и блок 17 генерации команды управления мощностью нагрева. Следует отметить, что на этой фигуре, некоторые из компонентов для реализации нормального режима функционирования опущены.

[0023] Фиг. 2 является схемой примера конфигурации инвертора 9 в устройстве теплового насоса, согласно первому варианту осуществления. Как показано на фиг. 2, инвертор 9 включает в себя соединенные по мостовой схеме коммутирующие элементы 70а-70f и диоды 80a-80f обратного тока, соответственно, соединенные параллельно с коммутирующими элементами 70a-70f. Инвертор 9 соединен с источником 11 постоянного напряжения. Согласно PWM-сигналам (UP, VP, WP, UN, VN, и WN), отправляемым от блока 10 управления инвертора, инвертор 9 управляет коммутирующими элементами, соответственно, в соответствии с PWM-сигналами (UP соответствует коммутирующему элементу 70a, VP соответствует коммутирующему элементу 70b, WP соответствует коммутирующему элементу 70c, UN соответствует коммутирующему элементу 70d, VN соответствует коммутирующему элементу 70e, и WN соответствует коммутирующему элементу 70f) с использованием напряжения на шине Vdc в качестве источника питания для генерации напряжений Vu, Vv, и Vw для трех фаз, прикладываемых, соответственно, к обмоткам U-фазы, V-фазы, и W-фазы двигателя 8 компрессора.

[0024] Фиг. 3 является схемой, иллюстрирующей пример конфигурации блока управления инвертора согласно первому варианту осуществления. Блок 10 управления инвертора выполнен с возможностью включать в себя, как объяснено выше, блок 12 управления возбуждением с блокировкой, включающий в себя блок 14 вычисления мощности, блок 15 генерации команды управления высокочастотным напряжением, блок 16 генерации команды управления фазой высокочастотного напряжения, и блок 17 генерации команды управления мощностью нагрева, и блок 13 генерации управляющего сигнала, включающий в себя блок 19 вычисления команды управления напряжением и блок 20 генерации PWM-сигнала.

[0025] Блок 16 генерации команды управления фазой высокочастотного напряжения генерирует и выдает команду θ управления фазой высокочастотного напряжения при выполнении возбуждения с блокировкой.

[0026] Блок 14 вычисления мощности восстанавливает, на основе соответствующих межфазных напряжений, соответствующих фазных напряжений, или соответствующих фазных токов (на фиг. 3, показанных, как "V" и "I") двигателя 8 компрессора в течение множества циклов высокочастотного возбуждения, при выполнении возбуждения с блокировкой, соответствующие межфазные напряжения, соответствующие фазные напряжения, или соответствующие фазные токи для одного цикла высокочастотного возбуждения, и вычисляет значение мощности P, подаваемой к двигателю 8 компрессора, с использованием восстановленных значений обнаружения для одного цикла высокочастотного возбуждения. Следует отметить, что детекторы напряжения или детекторы тока, которые обнаруживают соответствующие межфазные напряжения, соответствующие фазные напряжения, или соответствующие фазные токи двигателя 8 компрессора, не показаны на этой фигуре. Однако, только известные детекторы должны быть использованы в качестве таких детекторов. Данное изобретение не ограничено конфигурациями и типами этих детекторов.

[0027] Блок 17 генерации команды управления мощностью нагрева обнаруживает по меньшей мере одно из температуры любых частей или компонентов, конфигурирующих устройство 100 теплового насоса, и атмосферной температуры (на фиг. 3, показанной как "T"), оценивает количество жидкого хладагента, застаивающегося в компрессоре 1, и генерирует команду P* управления мощностью нагрева, необходимую для выпуска жидкого хладагента за пределы компрессора 1.

[0028] Блок 15 генерации команды управления высокочастотным напряжением генерирует команду V* управления высокочастотным напряжением таким образом, чтобы значение мощности P, вычисленное посредством блока 14 вычисления мощности, совпадало с командой P* управления мощностью нагрева, генерируемой посредством блока 17 генерации команды управления мощностью нагрева.

[0029] Блок 19 вычисления команды управления напряжением генерирует значения Vu*, Vv* и Vw* команд управления напряжениями трех фаз (U-фазы, V-фазы и W-фазы), на основе команды V* управления высокочастотным напряжением и команды θ управления фазой высокочастотного напряжения.

[0030] Блок 20 генерации PWM-сигнала генерирует, на основе значений Vu*, Vv* и Vw* команд управления напряжениями трех фаз и напряжения на шине Vdc, PWM-сигналы (UP, VP, WP, UN, VN, и WN) для приведения в действие инвертора 9.

[0031] Функционирование блока 17 генерации команды управления мощностью нагрева в устройстве 100 теплового насоса согласно первому варианту осуществления, объяснено со ссылкой на фиг. 4. Фиг. 4 является схемой для объяснения функционирования блока генерации команды управления мощностью нагрева в устройстве теплового насоса согласно первому варианту осуществления.

[0032] Блок 17 генерации команды управления мощностью нагрева обнаруживает атмосферную температуру Tc (например, температуру наружного воздуха) вокруг компрессора 1 и температуру To (температуру компрессора) компрессора 1 и оценивает, на основе атмосферной температуры Tc и температуры To компрессора, количество жидкого хладагента, застаивающегося в компрессоре 1. Хладагент, циркулирующий в цикле 50 холодильной установки, конденсируется и застаивается в месте, где температура является самой низкой среди компонентов, образующих цикл 50 холодильной установки. Компрессор 1 имеет наибольшую теплоемкость среди компонентов, образующих цикл 50 холодильной установки. Следовательно, как показано на фиг. 4(а), температура To компрессора возрастает позже возрастания атмосферной температуры Tc. Таким образом, компрессор 1 имеет самую низкую температуру. Следовательно, жидкий хладагент застаивается в компрессоре 1. В данном варианте осуществления, блок 17 генерации команды управления мощностью нагрева оценивает количество жидкого хладагента в единицу времени t, как показано на фиг. 4(b), на основе, например, связи между атмосферной температурой Tc и температурой To компрессора, полученной заранее экспериментальным или другим путем. Следует отметить, что, когда теплоемкость компрессора 1 известна заранее, можно оценить количество жидкого хладагента в единицу времени t посредством обнаружения только атмосферной температуры Tc, оценивая степень задержки в изменении температуры To компрессора относительно изменения атмосферной температуры Tc. В этом случае, можно уменьшить количество датчиков для обнаружения температуры To компрессора и, таким образом, уменьшить затраты. Совершенно очевидно, что также можно оценить количество жидкого хладагента в единицу времени t посредством обнаружения, вместо атмосферной температуры Tc, температуры теплообменника 3 и т.п., имеющего теплоемкость, меньшую, чем теплоемкость компрессора 1, среди компонентов, образующих цикл 50 холодильной установки.

[0033] Количество жидкого хладагента в компрессоре 1 может быть обнаружено более прямым способом. Например, можно реализовать обнаружение с использованием, в качестве датчика для обнаружения количества жидкого хладагента в компрессоре 1, например, емкостного датчика для измерения количества жидкости или датчика для измерения расстояния между верхней частью компрессора 1 и поверхностью жидкости хладагента с использованием лазера, звука, электромагнитных волн, и т.п. Следует отметить, что в качестве способа оценки или обнаружения количества жидкого хладагента, может быть использован любой из способов, объясненных выше.

[0034] Блок 17 генерации команды управления мощностью нагрева вычисляет, согласно оцененному или обнаруженному количеству жидкого хладагента, команду P* управления мощностью нагрева, необходимую для выпуска жидкого хладагента, застаивающегося в компрессоре 1, и выдает команду P* управления мощностью нагрева для блока 15 генерации команды управления высокочастотным напряжением. Когда количество жидкого хладагента, застаивающегося в компрессоре 1, является большим, команде P* управления мощностью нагрева присваивают большое значение. Когда количество жидкого хладагента равно нулю, команде P* управления мощностью нагрева присваивают нулевое значение или обеспечивают управление таким образом, чтобы нагрев прекратился. Следовательно, можно получить мощность для минимально необходимого количества тепла. Команда P* управления мощностью нагрева изменяется в зависимости от типа и размера компрессора 1. Когда компрессор 1 является большим, выполнен из слабо проводящего тепло материала, или имеет плохо проводящую тепло форму, должна быть только увеличена команда P*управления мощностью нагрева. Это может быть реализовано посредством, например, сохранения множества таблиц, указывающих на связь между количеством жидкого хладагента и командой P* управления мощностью нагрева, и считывания, из таблицы, соответствующей типу или размеру компрессора 1, команды P* управления мощностью нагрева, соответствующей количеству жидкого хладагента, застаивающегося в компрессоре 1.

[0035] Способ генерации значений команд Vu*, Vv* и Vw* управления напряжением посредством блока 19 вычисления команд управления напряжением и способ генерации PWM-сигналов посредством блока 20 генерации PWM-сигналов объяснены со ссылкой на фиг. 5 и фиг. 6.

[0036] Фиг. 5 является схемой, иллюстрирующей формы сигналов для объяснения способа генерации значений команд управления напряжением и PWM-сигналов.

[0037] Когда двигатель 8 компрессора является трехфазным двигателем, в общем, U-фаза, V-фаза, и W-фаза отличаются друг от друга на 120° (=2π/3). Следовательно, значения команд Vu*, Vv* и Vw* управления напряжением определяются, как косинусоидальные сигналы (синусоидальные сигналы), имеющие фазы, отличающиеся друг от друга на 2π/3, как показано в следующих Уравнениях (1)-(3):

[0038]

Vu*=V*cosθ (1)

Vv*=V*cos(θ-(2/3)π) (2)

Vw*=V*cos(θ+(2/3)π) (3)

[0039] Блок 19 вычисления команд управления напряжением вычисляет, на основе команды V* управления напряжением и команды θ управления фазой напряжения, значения команд Vu*, Vv* и Vw* управления напряжением, с использованием Уравнений (1)-(3), и выдает значения команд Vu*, Vv* и Vw* управления напряжением для блока 20 генерации PWM-сигналов. Блок 20 генерации PWM-сигналов сравнивает значения команд Vu*, Vv* и Vw* управления напряжением с несущим сигналом (опорным сигналом), имеющим амплитудное значение ±(Vdc/2) на заданной частоте, и генерирует PWM-сигналы UP, VP, WP, UN, VN, и WN на основе связи их величин друг с другом.

[0040] Следует отметить, что в Уравнениях (1)-(3), команды Vu*, Vv* и Vw* управления напряжением вычисляют с помощью простых тригонометрических функций; однако, кроме способа, объясненного выше, значения Vu*, Vv* и Vw* команд управления напряжением могут быть вычислены с использованием других способов, таких как двухфазная модуляция, модуляция с суперпозицией третьей гармоники, и пространственно-векторная модуляция.

[0041] Когда значение команды Vu* управления напряжением является большим, чем несущий сигнал, UP устанавливают равным напряжению для включения коммутирующего элемента 70a, а UN устанавливают равным напряжению для выключения коммутирующего элемента 70d. Когда значение команды Vu* управления напряжением является меньшим, чем несущий сигнал, напротив, UP устанавливают равным напряжению для выключения коммутирующего элемента 70a, а UN устанавливают равным напряжению для включения коммутирующего элемента 70d. То же самое применяют к другим сигналам. Конкретно, VP и VN определяют посредством сравнения значения команды Vv* управления напряжением и несущего сигнала, а WP и WN определяют посредством сравнения значения команды Vw* управления напряжением и несущего сигнала.

[0042] В случае инверторов общего назначения, принята комплементарная PWM-система. Таким образом, UP и UN, VP и VN, и WP и WN связаны отношениями логической инверсии друг с другом. Следовательно, всего существует восемь образцов коммутации.

[0043] Фиг. 6 является схемой, иллюстрирующей восемь образцов коммутации в устройстве теплового насоса согласно первому варианту осуществления. Следует отметить, что на фиг. 6, обозначения V0-V7 относятся к векторам напряжений, генерируемым соответствующими образцами коммутации. Направления напряжений соответствующих векторов напряжений представлены посредством ±U, ±V, и ±W (и 0, когда напряжение не генерируется). Здесь, +U указывает на напряжение для генерации электрического тока в направлении U-фазы, втекающего в двигатель 8 компрессора через U-фазу и вытекающего из двигателя 8 компрессора через V-фазу и W-фазу, а -U указывает на напряжение для генерации электрического тока в направлении -U-фазы, втекающего в двигатель 8 компрессора через V-фазу и W-фазу и вытекающего из двигателя 8 компрессора через U-фазу. Такая же интерпретация применима к ±V и ±W.

[0044] Посредством комбинирования образцов коммутации, показанных на фиг. 6, можно обеспечить, чтобы инвертор 9 выдавал необходимые напряжения. Например, в нормальном режиме функционирования, для выполнения нормальной операции сжатия, обычной практикой является изменение команды θ управления фазой напряжения в приведенных выше Уравнениях (1)-(3) в пределах диапазона от нескольких десятков герц до нескольких сотен герц, и обеспечения возможности функционирования инвертора 9 в пределах этого диапазона. В данном варианте осуществления, в режиме функционирования с нагревом, посредством изменения команды θ управления фазой напряжения быстрее, чем в нормальном режиме функционирования, можно обеспечить высокочастотное переменное напряжение, имеющее частоту, равную или более высокую, чем несколько килогерц и возбудить двигатель 8 компрессора (высокочастотное возбуждение) для выполнения операции с блокировкой.

[0045] Конфигурация и функционирование блока 16 генерации команды управления фазой высокочастотного напряжения в устройстве 100 теплового насоса согласно первому варианту осуществления, объяснены со ссылкой на фиг. 7-10.

[0046] Фиг. 7 является схемой, иллюстрирующей пример конфигурации блока генерации команды управления фазой высокочастотного напряжения в устройстве теплового насоса согласно первому варианту осуществления. Фиг. 8 является схемой, иллюстрирующей формы сигналов во время возбуждения с блокировкой в устройстве теплового насоса, согласно первому варианту осуществления.

[0047] Как показано на фиг. 7, блок 16 генерации команды управления фазой высокочастотного напряжения в первом варианте осуществления включает в себя блок 22 инвертирования фазы высокочастотного напряжения, который инвертирует команду θ управления фазой высокочастотного напряжения в синхронизации с несущим сигналом, и блок 23а суммирования, который суммирует опорную фазу θf с выходным сигналом блока 22 инвертирования фазы высокочастотного напряжения.

[0048] В случае инверторов общего назначения, несущая частота, которая является частотой несущего сигнала, имеет верхний предел вследствие скорости коммутации коммутирующих элементов инверторов. Следовательно, трудно обеспечить выходной сигнал высокочастотного напряжения, имеющий частоту, равную или более высокую, чем несущая частота, которая является несущим сигналом. Следует отметить, что в случае IGBT (биполярных транзисторов с изолированным затвором (Insulated Gate Bipolar Transistors)) общего назначения, верхний предел скорости коммутации составляет, приблизительно, 20 килогерц.

[0049] Когда частота высокочастотного напряжения является равной или более высокой, чем, приблизительно, 1/10 несущей частоты, могут наблюдаться неблагоприятные эффекты, такие как ухудшение точности выходного сигнала высокочастотного напряжения и суперпозиция DC-компонентов. Ввиду упомянутого выше, когда несущая частота установлена равной 20 килогерц, если частота высокочастотного напряжения установлена равной или меньшей, чем 1/10 несущей частоты, то частота высокочастотного напряжения является равной или меньшей, чем 2 килогерца, тогда частота высокочастотного напряжения попадает в пределы диапазона слышимых частот. Следовательно, шум вследствие электромагнитного звука двигателя компрессора является проблемой.

[0050] Таким образом, в данном варианте осуществления, как показано на фиг. 8, команду θ управления фазой высокочастотного напряжения инвертируют на 180° в каждом периоде времени, а именно, от высшей точки к низшей точке несущего сигнала, т.е., в каждом цикле несущей частоты fc (1/fc). При такой конфигурации, значения Vu*, Vv* и Vw* команд управления напряжением, инвертированные в синхронизации с несущим сигналом, получают на более позднем этапе в блоке 19 вычисления команд управления напряжением. Дополнительно, очень точные PWM-сигналы UP, VP, WP, UN, VN, и WN, синхронизированные с несущим сигналом, генерируют в блоке 20 генерации PWM-сигналов на еще более позднем этапе. В этот момент, вектор напряжения изменяется в следующем порядке 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), ….

[0051] Фиг. 9 является схемой, иллюстрирующей состояния включено/выключено коммутирующих элементов в инверторе, в соответствии с векторами напряжения. В принципиальных схемах, показанных на фиг. 9, коммутирующие элементы, окруженные пунктирными линиями, являются включенными, а другие коммутирующие элементы являются выключенными. Направление смены толстой стрелки, указывающее на изменение порядка векторов напряжения (направление смены векторов напряжения V0→V4→V7→V3→0 …) соответствует примеру, показанному на фиг. 9.

[0052] В примере, показанном на фиг. 9, PWM-сигналы UP, VP, WP, UN, VN, и WN циклически повторяют четыре схемных состояния, показанные на фиг. 9, один раз в течение одного цикла несущего сигнала. В результате, электрический ток, имеющий цикл, эквивалентный одному циклу несущего сигнала, подают к двигателю 8 компрессора.

[0053] Как показано на фиг. 9, когда применяют вектор V0 или вектор V7, линии двигателя 8 компрессора являются короткозамкнутыми, и никакое напряжение не выдается. В этом случае, энергия, запасенная в индуктивности двигателя 8 компрессора, преобразуется в электрический ток и протекает через короткозамкнутую цепь. Когда применяют вектор V4, протекает электрический ток (+Iu) в направлении U-фазы, втекающий в двигатель 8 компрессора через U-фазу и вытекающий из двигателя 8 компрессора через V-фазу и W-фазу. Когда применяют вектор V3, электрический ток (-Iu) в направлении -U-фазы, втекающий в двигатель 8 компрессора через V-фазу и W-фазу и вытекающий из двигателя 8 компрессора через U-фазу, протекает к обмоткам двигателя 8 компрессора. А именно, когда применяют вектор V4, электрический ток протекает к обмоткам двигателя 8 компрессора в противоположном направлении по отношению к случаю применения вектора V3. Поскольку векторы напряжения меняются в порядке V0, V4, V7, V3, V0, …, +Iu и -Iu поочередно протекают в обмотках двигателя 8 компрессора. В результате, как показано на фиг. 9, вектор V4 и вектор V3 появляются во время одного цикла несущего сигнала. Следовательно, можно приложить высокочастотное напряжение, синхронизированное с частотой несущего сигнала, к обмоткам двигателя 8 компрессора.

[0054] Поскольку вектор V4 и вектор V3 выдаются поочередно, +Iu и -Iu поочередно протекают в обмотках двигателя 8 компрессора. Следовательно, положительный крутящий момент и отрицательный крутящий момент мгновенно переключаются. Следовательно, положительный крутящий момент и отрицательный крутящий момент нейтрализуют друг друга. Следовательно, можно приложить напряжение, которое подавляет вибрации ротора.

[0055] Опорная фаза θf относительно несущего сигнала команды θ управления фазой высокочастотного напряжения является, желательно, кратной 60°. Причина этого будет объяснена ниже.

[0056] Фиг. 10 является схемой, иллюстрирующей соответствующие формы сигналов фазных токов, полученных, когда опорная фаза θf равна 0°, 30°, и 60°. Фиг. 10(а) показывает соответствующие формы сигналов фазных токов, полученных, когда θf равна 0°. Фиг. 10(b) показывает соответствующие формы сигналов фазных токов, полученных, когда θf равна 30°. Фиг. 10(с) показывает соответствующие формы сигналов фазных токов, полученных, когда θf равна 60°.

[0057] Когда θf=0°, как показано на фиг. 9, только один другой вектор напряжения (вектор напряжения, с которым один коммутирующий элемент на стороне положительного напряжения и два коммутирующих элемента на стороне отрицательного напряжения или два коммутирующих элемента на стороне положительного напряжения и один коммутирующий элемент на стороне отрицательного напряжения находятся во включенном состоянии) генерируется между вектором V0 и вектором V7. В этом случае, как показано на фиг. 10(а), соответствующие формы сигналов фазных токов имеют трапециевидную форму, и полученный электрический ток имеет малое количество гармоник.

[0058] Когда θf=60°, как и в случае θf=0°, только один другой вектор напряжения генерируется между вектором V0 и вектором V7. Следовательно, как показано на фиг. 10(c), соответствующие формы сигналов фазных токов имеют трапециевидную форму, и полученный электрический ток имеет малое количество гармоник.

[0059] Однако, когда θf=30°, два разных вектора напряжения генерируются между вектором V0 и вектором V7. Как показано на фиг. 10(b), соответствующие формы сигналов фазных токов искажаются, и полученный электрический ток имеет много гармоник. Искажение соответствующих форм сигналов фазных токов может вызвать шум двигателя, вибрацию вала двигателя, и т.п.

[0060] А именно, если опорная фаза θf является кратной 60°, то и команда θ управления фазой высокочастотного напряжения всегда является кратной 60°, только один другой вектор напряжения генерируется между вектором V0 и вектором V7. Следовательно, соответствующие формы сигналов фазных токов имеют трапецеидальные формы, и полученный электрический ток имеет малое количество высокочастотных компонентов. Напротив, когда опорная фаза θf не является кратной 60°, команда θ управления фазой высокочастотного напряжения не является кратной 60°. Следовательно, два других вектора напряжения генерируются между вектором V0 и вектором V7. Таким образом, соответствующие формы сигналов фазных токов искажаются, и полученный электрический ток имеет много высокочастотных компонентов. Следовательно, опорная фаза θf предпочтительно является кратной 60°, например, 0°, 60°, 120°, ….

[0061] Связь между положением остановки ротора двигателя 8 компрессора и количеством тепла во время возбуждения с блокировкой объяснена со ссылкой на фиг. 11 и 12.

[0062] Фиг. 11 является схемой, иллюстрирующей пример положения остановки ротора IPM-двигателя. Когда двигатель 8 компрессора является IPM-двигателем (двигателем с внутренним постоянным магнитом (Interior Permanent Magnet Motor)), как показано на фиг. 11, положение остановки ротора двигателя 8 компрессора представляют посредством величины угла φ смещения направления N-полюса ротора от направления U-фазы.

[0063] Фиг. 12 является схемой, иллюстрирующей связь между положением ротора и соответствующими фазными токами. В случае IPM-двигателя, значение индуктивности обмотки во время высокочастотного возбуждения зависит от положения ротора. Следовательно, полное сопротивление обмотки, представляемое посредством произведения электрической угловой частоты ω и индуктивности обмотки флуктуирует согласно положению ротора. Следовательно, при выполнении возбуждения с блокировкой двигателя 8 компрессора, в то время как компрессор находится в резервном режиме функционирования, даже когда приложено одно и то же напряжение, электрический ток, протекающий в обмотке двигателя 8 компрессора, флуктуирует согласно положению остановки ротора. Следовательно, количество тепла изменяется. В результате, в зависимости от положения остановки ротора, большая величина мощности может потребляться для получения необходимого количества тепла. Кроме того, вполне вероятно, что жидкий хладагент нельзя будет выпустить из внутренней части компрессора 1 вследствие недостаточного нагрева, и блок 10 управления инвертора переключится в нормальный режим функционирования в состоянии, в котором жидкий хладагент застаивается в компрессоре 1. Следовательно, при выполнении возбуждения с блокировкой двигателя 8 компрессора, необходимо сохранять величину мощности, подаваемой на двигатель 8 компрессора, неизменной, и сохранять количество тепла компрессора 1 неизменным, независимо от положения остановки ротора.

[0064] В качестве способа сохранения величины мощности, подаваемой к двигателю 8 компрессора, постоянной, когда обнаруживают соответствующие межфазные напряжения, соответствующие фазные напряжения, или соответствующие фазные токи двигателя 8 компрессора, и значение мощности, получаемое из значений обнаружения, необходимо зафиксировать, необходимо очень точно обнаруживать значения обнаружения. Однако, в микрокомпьютере и т.п., обычно используемом в качестве блока 10 управления инвертора, даже когда получают достаточную точность обнаружения в пределах диапазона от нескольких десятков герц до нескольких сотен герц во время нормального функционирования, как объяснено выше, весьма вероятно, что достаточная точность обнаружения не будет получена, когда высокочастотное напряжение, имеющее частоту, более высокую, чем частота во время нормального функционирования, подают на двигатель 8 компрессора, и возбуждение с блокировкой двигателя 8 компрессора выполняют, например, при выполнении высокочастотного возбуждения, синхронизированного с несущим сигналом.

[0065] Например, когда, допустим, частота высокочастотного возбуждения при выполнении возбуждения с блокировкой составляет 20 килогерц, один цикл высокочастотного возбуждения составляет 50 микросекунд. Однако, время A/D (аналого-цифрового) преобразования микрокомпьютера составляет несколько микросекунд, и на цикл высокочастотного возбуждения приходится всего несколько точек обнаружения; следовательно, точность обнаружения ухудшается.

[0066] Таким образом, в данном варианте осуществления, объясненном выше, на основе соответствующих межфазных напряжений, соответствующих фазных напряжений, или соответствующих фазных токов двигателя 8 компрессора, в течение множества циклов высокочастотного возбуждения при выполнении возбуждения с блокировкой, восстанавливают соответствующие межфазные напряжения, соответствующие фазные напряжения, или соответствующие фазные токи, для одного цикла высокочастотного возбуждения. В результате, даже когда блок 10 управления инвертора выполнен с использованием микрокомпьютера, имеющего длительное время A/D-преобразования относительно частоты высокочастотного возбуждения, при выполнении возбуждения с блокировкой, можно улучшить точность обнаружения значений обнаружения для одного цикла высокочастотного возбуждения. Значение мощности, подаваемой на двигатель 8 компрессора, вычисляют с использованием восстановленных значений обнаружения для одного цикла высокочастотного возбуждения. Значением мощности управляют таким образом, чтобы оно совпадало с командой управления мощностью нагрева, необходимой для выпуска жидкого хладагента, застаивающегося в компрессоре 1, за пределы компрессора 1. В результате, можно сохранять величину мощности, подаваемой на двигатель 8 компрессора, постоянной, и сохранять количество тепла компрессора 1 постоянным, независимо от положения остановки ротора. Можно более надежно выпустить жидкий хладагент, застаивающийся в компрессоре 1, из внутренней части компрессора 1, с использованием минимальной мощности.

[0067] Подробные конфигурации и операции секций блока 12 управления возбуждением с блокировкой для реализации управления, объясненного выше, будут объяснены со ссылкой на фиг. 13-20.

[0068] Фиг. 13 является схемой, иллюстрирующей пример подробной конфигурации блока вычисления мощности в устройстве теплового насоса согласно первому варианту осуществления. В примере, показанном на фиг. 13, блок 14 вычисления мощности включает в себя блок 24 обнаружения, блок 25 определения повторения, и оперативный блок 26 мощности.

[0069] Сначала, будет объяснен пример, в котором используют способ с двумя измерителями мощности, используемый в качестве способа измерения для трехфазной мощности.

[0070] Когда используют способ с двумя измерителями мощности, значение мощности P представляют, как в Уравнении (4) ниже, используя, например, соответствующие линейные напряжения Vuv и Vwv, ток Iu U-фазы, и ток Iw W-фазы.

[0071]

P=VuvIu+VwIw (4)

[0072] Конфигурация является такой, что, согласно приведенному выше Уравнению (4), блок 24 обнаружения обнаруживает соответствующие линейные напряжения Vuv и Vwv, ток Iu U-фазы, и ток Iw W-фазы.

[0073] Фиг. 14 является схемой, иллюстрирующей формы сигналов для объяснения способа обнаружения соответствующих линейных напряжений и соответствующих фазных токов в устройстве теплового насоса согласно первому варианту осуществления. Как объяснено выше, в данном варианте осуществления, команды Vu*, Vv* и Vw* управления напряжением во время режима функционирования с нагревом синхронизируются с несущим сигналом, который является опорным сигналом. Таким образом, как показано на фиг. 14, соответствующие линейные напряжения Vuv и Vwv, ток Iu U-фазы, и ток Iw W-фазы имеют формы сигналов, синхронизированные с несущим сигналом.

[0074] В данном варианте осуществления, блок 24 обнаружения обнаруживает соответствующие линейные напряжения Vuv и Vwv, ток Iu U-фазы, и ток Iw W-фазы при сдвиге фазы на (1/n) цикла несущего сигнала, одномоментно, в течение n циклов несущего сигнала (в примере, показанном на фиг. 14, десяти циклов несущего сигнала) и вычисляет значение мощности P для одного цикла несущего сигнала с использованием значений обнаружения.

[0075] Более конкретно, как показано на фиг. 14, в первом цикле, блок 24 обнаружения выполняет A/D-преобразование в нижней точке несущего сигнала и обнаруживает мгновенные значения Vuv [1] и Vwv [1] соответствующих линейных напряжений, мгновенное значение Iu [1] тока U-фазы, и мгновенное значение Iw [1] тока W-фазы. Затем, во втором цикле, блок 24 обнаружения выполняет A/D-преобразование в момент времени, который находится на (1/n) цикла несущего сигнала позже, чем нижняя точка несущего сигнала, и обнаруживает мгновенные значения Vuv [2] и Vwv [2] соответствующих линейных напряжений, мгновенное значение Iu [2] тока U-фазы, и мгновенное значение Iw [2] тока W-фазы. После этого, в m-ном цикле (m является целым от 1 до (n-1)), блок 24 обнаружения выполняет A/D-преобразование в момент времени, который находится на (m/n) цикла несущего сигнала позже, чем нижняя точка несущего сигнала, и обнаруживает мгновенные значения Vuv [m] и Vwv [m] соответствующих линейных напряжений, мгновенное значение Iu [m] тока U-фазы, и мгновенное значение Iw [m] тока W-фазы. Таким образом, блок 24 обнаружения меняет момент времени A/D-преобразования на (1/n) цикла несущего сигнала, одномоментно, в течение n циклов несущего сигнала и получает массив данных одного цикла несущего сигнала Vuv [n], Vwv [n], Iu [n], и Iw [n]. В результате, можно восстановить соответствующие линейные напряжения Vuv и Vwv, ток Iu U-фазы, и ток Iw W-фазы, для одного цикла несущего сигнала, т.е., одного цикла высокочастотного возбуждения.

[0076] Далее объяснена операция, выполняемая, когда значение напряжения на шине инвертора 9, т.е., значение напряжения Vdc источника 11 постоянного напряжения, показанного на фиг. 1, флуктуирует. Фиг. 15 является схемой, иллюстрирующей формы сигналов, когда значение напряжения на шине инвертора флуктуирует. Фиг. 16 является схемой, иллюстрирующей различия в форме сигнала линейного напряжения и форме сигнала фазного тока в зависимости от различия в величине значения напряжения на шине инвертора. Фиг. 16(a) показывает форму сигнала линейного напряжения Vuv и форму сигнала тока Iu U-фазы, полученные, когда значение напряжения на шине питания Vdc инвертора является малым. Фиг. 16(b) показывает форму сигнала линейного напряжения Vuv и форму сигнала тока Iu U-фазы, полученные, когда значение напряжения на шине питания Vdc инвертора является большим.

[0077] Если значение Vdc напряжения на шине инвертора 9 флуктуирует, в то время как блок 24 обнаружения обнаруживает значения обнаружения от первого цикла несущего сигнала до n-го цикла, то соответствующие значения линейного напряжения и соответствующие значения фазного тока также флуктуируют согласно флуктуации в значении Vdc напряжения на шине инвертора 9, как показано на фиг. 15. Следовательно, точность восстановления значений обнаружения для одного цикла несущего сигнала ухудшается.

[0078] Как показано на фиг. 16, линейным напряжением Vuv управляют таким образом, чтобы значение Va×tva, показанное на фиг. 16(a) и значение Vb×tvb, показанное на фиг. 16(b), по существу, совпадали друг с другом. С другой стороны, в отношении тока U-фазы, значение Ia, показанное на фиг. 16(a), и значение Ib, показанное на фиг. 16(b), по существу, совпадают друг с другом и Ia×t0a<Ib×t0b. А именно, поскольку фазный ток является большим, когда значение Vdc напряжения на шине питания является большим, мощность на входе двигателя 8 компрессора флуктуирует согласно величине значения Vdc напряжения на шине питания.

[0079] Таким образом, в данном варианте осуществления, когда блок 25 определения повторения обнаруживает, что значение Vdc напряжения на шине флуктуирует сверх заданного диапазона (например, ±10%) во время обнаружения значений обнаружения, блок 24 обнаружения отбрасывает значения обнаружения, которые были обнаружены, и повторно начинает обнаружение значений обнаружения, начиная с первого цикла несущего сигнала. Посредством выполнения такого управления, можно подавлять влияние флуктуации в значении Vdc напряжения на шине на точность значения мощности P.

[0080] Следует отметить, что в примере, объясненном выше, воспринимают флуктуацию в значении Vdc напряжения на шине инвертора 9 и повторяют операцию восстановления для значений обнаружения одного цикла несущего сигнала. Однако, можно воспринять, кроме флуктуации в значении Vdc напряжения на шине инвертора 9, событие, вызывающее флуктуацию в значениях обнаружения, и повторить операцию восстановления для значений обнаружения одного цикла несущего сигнала.

[0081] Фиг. 17 является схемой, иллюстрирующей пример подробной конфигурации блока вычисления мощности в устройстве теплового насоса согласно первому варианту осуществления. В примере, показанном на фиг. 17, показана конфигурация, в которой используют способ с двумя измерителями мощности. Оперативный блок 26 мощности может включать в себя умножители 28а и 28b, блоки 29а и 29b вычисления суммы, делители 30a и 30b, и сумматор 23b.

[0082] Мгновенные значения Vuv [m] и Vwv [m] соответствующих линейных напряжений, мгновенное значение Iu [m] тока U-фазы, и мгновенное значение Iw [m] тока W-фазы, обнаруживаемые посредством блока 24 обнаружения, являются входными данными для оперативного блока 26 мощности.

[0083] Умножитель 28а вычисляет произведение Vuv [m] на Iu [m]. Блок 29а вычисления суммы вычисляет сумму отсчетов от m=1 до n. Делитель 30a делит произведение Vuv [m] на Iu [m] на количество отсчетов n для вычисления среднего значения произведения.

[0084] Умножитель 28b вычисляет произведение Vwv [m] на Iw [m]. Блок 29b вычисления суммы вычисляет сумму отсчетов от m=1 до n. Делитель 30b делит произведение Vwv [m] на Iw [m] на количество отсчетов n для вычисления среднего значения произведения.

[0085] Сумматор 23b суммирует выходные данные делителя 30a и выходные данные делителя 30b для вычисления значения мощности P на входе двигателя 8 компрессора.

[0086] Фиг. 18 является схемой, иллюстрирующей пример подробной конфигурации, отличной от фиг. 17, блока вычисления мощности в устройстве теплового насоса согласно первому варианту осуществления.

[0087] Кроме способа с двумя измерителями мощности, объясненного выше, также может быть представлен способ измерения трехфазной мощности, согласно Уравнению (5) ниже, с использованием соответствующих фазных напряжений Vu, Vv и Vw и соответствующих фазных токов Iu, Iv, и Iw.

[0088]

P=Vu×Iu+Vv×Iv+Vw×Iw (5)

[0089] В этом случае, существует недостаток, состоящий в том, что количество обнаруживаемых параметров увеличивается. При использовании закона Кирхгофа, указывающего, что сумма мгновенных значений Iu [m], Iv [m] и Iw [m] соответствующих фазных токов равна нулю в цепи с трехфазным питанием, например, обнаруживают ток Iu U-фазы и ток Iw W-фазы, а мгновенное значение Iv [m] может быть представлено с использованием мгновенного значения Iu [m] и мгновенного значения Iw [m] тока W-фазы, как показано в Уравнении (6).

[0090]

Iv [m]=-Iu [m]-Iw [m] (6)

[0091] Значение мощности P на входе двигателя 8 компрессора однозначно определяют по среднему значению Iave среднеквадратичных значений соответствующих фазных токов.

[0092] А именно, значение мощности P на входе двигателя 8 компрессора может быть вычислено с использованием фазных токов для двух фаз (в этом примере, тока Iu U-фазы и тока Iw W-фазы).

[0093] В примере, показанном на фиг. 18, показана конфигурация, в которой использовано приведенное выше Уравнение (6) и связь между средним значением Iave среднеквадратичных значений соответствующих фазных токов и значением мощности P на входе двигателя 8 компрессора. Оперативный блок 26 мощности может включать в себя сумматор 23с, умножители 28с-28f, блоки 29с-29е вычисления суммы, делители 30с-30е, блоки 31а-31с вычисления квадратного корня, блок 32 вычисления средних значений, и преобразователь 33 ток/мощность.

[0094] Преобразователь 33 ток/мощность сохраняет, в виде таблицы преобразования, связь между средним значением Iave среднеквадратичных значений соответствующих фазных токов, полученных заранее экспериментальным путем, путем моделирования, и т.п., и значением мощности P на входе двигателя 8 компрессора.

[0095] Мгновенное значение Iu [m] тока U-фазы и мгновенное значение Iw [m] тока W-фазы, обнаруживаемые посредством блока 24 обнаружения, являются входными данными для оперативного блока 26 мощности.

[0096] Сумматор 23с суммирует Iu [m] и Iw [m]. Умножитель 28с инвертирует знак для получения мгновенного значения Iv [m] тока V-фазы.

[0097] Умножитель 28d возводит в квадрат Iu [m]. Блок 29с вычисления суммы вычисляет сумму значений отсчетов от m=1 до n. Делитель 30c делит эту сумму на количество отсчетов n. Блок 31а вычисления квадратного корня получает квадратный корень. В результате, вычисляют среднеквадратичное значение Iu_rms тока U-фазы.

[0098] Умножитель 28е возводит в квадрат Iv [m]. Блок 29d вычисления суммы вычисляет сумму значений отсчетов от m=1 до n. Делитель 30d делит эту сумму на количество отсчетов n. Блок 31b вычисления квадратного корня получает квадратный корень. В результате, вычисляют среднеквадратичное значение Iv_rms тока V-фазы.

[0099] Умножитель 28f возводит в квадрат Iw [m]. Блок 29e вычисления суммы вычисляет сумму значений отсчетов от m=1 до n. Делитель 30e делит эту сумму на количество отсчетов n. Блок 31c вычисления квадратного корня получает квадратный корень. В результате, вычисляют среднеквадратичное значение Iw_rms тока W-фазы.

[0100] Блок 32 вычисления средних значений вычисляет среднее значение Iave из Iu_rms, Iv_rms, и Iw_rms. Преобразователь 33 ток/мощность преобразует среднее значение Iave в значение мощности P с использованием таблицы преобразования, объясненной выше.

[0101] Фиг. 19 является схемой, иллюстрирующей пример подробной конфигурации блока генерации команды управления высокочастотным напряжением в устройстве теплового насоса согласно первому варианту осуществления. В примере, показанном на фиг. 19, блок 15 генерации команды управления высокочастотным напряжением может включать в себя вычитатель 34 и контроллер 35.

[0102] Значение мощности P, вычисленное посредством блока 14 вычисления мощности и команду P* управления мощностью нагрева, сгенерированную посредством блока 17 генерации команды управления мощностью нагрева, вводят в блок 15 генерации команды управления высокочастотным напряжением.

[0103] Вычитатель 34 вычисляет отклонение между значением мощности P и командой P* управления мощностью нагрева. Контроллер 35 управляет командой V* управления высокочастотным напряжением таким образом, чтобы это отклонение стало равным нулю.

[0104] Следует отметить, что совершенно очевидно, что контроллер 35 может быть выполнен в виде пропорционального регулятора, интегрального регулятора, или дифференциального регулятора, используемых в большинстве случаев для управления, или в виде комбинации этих регуляторов. Данное изобретение не ограничено конфигурацией контроллера 35.

[0105] Фиг. 20 является схемой, иллюстрирующей сравнительный пример управления неизменным напряжением и управления согласно первому варианту осуществления. На фиг. 20, горизонтальная ось указывает на положение φ ротора двигателя 8 компрессора, а вертикальная ось указывает на мощность, подаваемую на двигатель 8 компрессора. Буква “A”, показанная на фиг. 20, указывает на пример, в котором возбуждение с блокировкой двигателя 8 компрессора выполняют посредством управления неизменным напряжением. Буква “B”, показанная на фиг. 20, указывает на пример, в котором возбуждение с блокировкой двигателя 8 компрессора выполняют посредством управления неизменной мощностью, объясненного в данном варианте осуществления.

[0106] В двигателе, который эффективно использует реактивный момент, таком как IPM-двигатель или синхронный реактивный двигатель, индуктивность значительно флуктуирует согласно положению φ ротора. Следовательно, полное сопротивление значительно изменяется согласно положению φ ротора. Следовательно, при выполнении возбуждения с блокировкой двигателя 8 компрессора посредством управления неизменным напряжением (А на фиг. 20), мощность, подаваемая на двигатель 8 компрессора, значительно флуктуирует. В зависимости от положения φ ротора, на двигатель 8 компрессора подается избыточная мощность или мощность, меньшая, чем минимальная мощность, требуемая для выпуска жидкого хладагента, застаивающегося в компрессоре 1.

[0107] Напротив, в данном варианте осуществления (В на фиг. 20), мощностью, подаваемой на двигатель 8 компрессора управляют таким образом, чтобы она была фиксированной. Следовательно, можно эффективно и надежно нагревать жидкий хладагент, застаивающийся в компрессоре 1, и выпускать жидкий хладагент за пределы компрессора 1, независимо от положения φ ротора.

[0108] Как объяснено выше, при использовании устройства теплового насоса в первом варианте осуществления, в то время как компрессор находится в резервном режиме функционирования, высокочастотное напряжение, синхронизированное с несущим сигналом, подают на двигатель компрессора для выполнения возбуждения с блокировкой двигателя компрессора. Из соответствующих межфазных напряжений, соответствующих фазных напряжений, или соответствующих фазных токов, обнаруживаемых при сдвиге фазы на (1/n) цикла, одномоментно, в течение n циклов (n является целым, равным или большим, чем 2) несущего сигнала, восстанавливают соответствующие межфазные напряжения, соответствующие фазные напряжения, или соответствующие фазные токи, для одного цикла несущего сигнала. Значением мощности, вычисляемым с использованием восстановленных значений обнаружения для одного цикла несущего сигнала, управляют таким образом, чтобы оно совпадало с командой управления мощностью нагрева, необходимой для выпуска жидкого хладагента, застаивающегося в компрессоре, за пределы компрессора. Таким образом, даже когда блок управления инвертора выполнен с использованием микрокомпьютера, имеющего длительное время A/D-преобразования относительно частоты высокочастотного возбуждения, при выполнении возбуждения с блокировкой, можно сохранять количество тепла для компрессора постоянным, и эффективно и надежно предотвращать застой жидкого хладагента в компрессоре, независимо от положения ротора двигателя компрессора.

[0109] Следует отметить, что в первом варианте осуществления, объясненном выше, объяснен пример, в котором соответствующие межфазные напряжения, соответствующие фазные напряжения, или соответствующие фазные токи, обнаруживают при сдвиге фазы на (1/n) цикла, одномоментно, в течение n циклов (n является целым, равным или большим, чем 2) несущего сигнала, и значение мощности вычисляют с использованием значений обнаружения для одного цикла несущего сигнала. Однако, порядок обнаружения значений обнаружения и количество значений обнаружения этим не ограничены. Когда значения обнаружения обнаруживают в течение n циклов несущего сигнала, например, значения обнаружения могут быть обнаружены в фазах, каждая из которых соответствует (m/n) цикла (m является натуральным числом, равным или меньшим, чем n), в течение k циклов (k является любым числом, равным или меньшим, чем n), таких как четные циклы или нечетные циклы, и значения обнаружения могут рассматриваться в качестве значений обнаружения для одного цикла несущего сигнала для вычисления значения мощности. А именно, когда значения обнаружения обнаружены пять раз в десяти циклах несущего сигнала, например, значения обнаружения могут быть, соответственно, обнаружены в фазе, соответствующей (4/10) цикла в первом цикле, в фазе, соответствующей (2/10) цикла в четвертом цикле, в фазе, соответствующей (6/10) цикла в шестом цикле, в фазе, соответствующей (10/10) цикла в восьмом цикле, и в фазе, соответствующей (8/10) цикла в десятом цикле.

[0110] В первом варианте осуществления, объясненном выше, объяснен пример, в котором возбуждение с блокировкой выполняют посредством инвертирования команды управления фазой высокочастотного напряжения в синхронизации с несущим сигналом инвертора, и восстанавливают значения обнаружения для одного цикла несущего сигнала. Однако, совершенно очевидно, что эффекты, подобные эффектам, приведенным выше, могут быть получены даже с использованием конфигурации, в которой восстанавливают значения обнаружения для заданного диапазона, синхронизированного с циклом несущего сигнала, например, половины цикла несущего сигнала или множества циклов. Совершенно очевидно, что эффекты, подобные эффектам, приведенным выше, могут быть получены даже с использованием конфигурации, в которой цикл высокочастотного возбуждения, при выполнении возбуждения с блокировкой, т.е. команда управления фазой высокочастотного напряжения, не синхронизирован с несущим сигналом, или даже с использованием конфигурации, в которой, из соответствующих межфазных напряжений, соответствующих фазных напряжений, или соответствующих фазных токов двигателя компрессора в течение множества циклов высокочастотного возбуждения восстанавливают значения обнаружения для одного цикла высокочастотного возбуждения или заданного диапазона, синхронизированного с циклом высокочастотного возбуждения.

[0111] В первом варианте осуществления, объясненном выше, объяснен пример, в котором возбуждение с блокировкой двигателя компрессора выполняют посредством высокочастотного возбуждения. Однако, в случае высокочастотного возбуждения, когда полное сопротивление является слишком большим, трудно получить необходимое количество тепла. Следовательно, когда необходимо большое количество тепла, конфигурация может быть такой, чтобы возбуждение с блокировкой двигателя компрессора могло быть выполнено с использованием возбуждения постоянным током вместе с высокочастотным возбуждением. С использованием такой конфигурации, можно более надежно испарить жидкий хладагент, застаивающийся в компрессоре, и выпустить жидкий хладагент за пределы компрессора.

[0112] Существует характеристика, которая состоит в том, что при приложении высокочастотного напряжения к двигателю компрессора, электрическому току сложнее протекать, поскольку полное сопротивление увеличивается из-за индуктивного компонента обмотки двигателя компрессора. Например, в нормальном режиме функционирования, соответствующие фазные токи, протекающие в двигателе компрессора, составляют, в большинстве случаев, приблизительно, несколько десятком ампер. С другой стороны, в режиме функционирования с нагревом, фазные токи равны или меньше, чем несколько ампер. А именно, в нормальном режиме функционирования и режиме функционирования с нагревом, коэффициенты усиления и частотные характеристики, необходимые для детекторов тока, являются разными. Следовательно, в случае обнаружения фазных токов при выполнении возбуждения с блокировкой двигателя компрессора с использованием высокочастотного возбуждения с использованием детектора тока, используемого в нормальном режиме функционирования, точность обнаружения может ухудшиться. Следовательно, предпочтительно, чтобы детектор тока, используемый для обнаружения фазного тока в нормальном режиме функционирования, и детектор тока, используемый для обнаружения фазного тока в режиме функционирования с нагревом, были отдельными детекторами тока, имеющими разные коэффициенты усиления и частотные характеристики. Альтернативно, при использовании одного детектора тока как для нормального режима функционирования, так и для режима функционирования с нагревом, могут быть заданы два коэффициента усиления и две частотные характеристики, подходящие для соответствующих режимов, и они могут быть изменены в зависимости от того, является ли режим нормальным режимом функционирования или режимом функционирования с нагревом. Точность обнаружения фазных токов может быть улучшена, если принять меры, например, для изменения количества битов A/D-обнаружения микрокомпьютера, конфигурирующего блок управления инвертора, например, с десяти битов до двенадцати битов.

[0113] Следует отметить, в отношении обнаружения линейных напряжений и фазных напряжений, что, поскольку различие значений напряжений в нормальном режиме функционирования и режиме функционирования с нагревом является малым, нет большой необходимости в принятии мер, например, для обеспечения детектора напряжения для режима функционирования с нагревом, который отличается от детектора напряжения для нормального режима функционирования. Однако, в то время как частота напряжения в нормальном режиме функционирования составляет от нескольких десятков до нескольких сотен герц, частота напряжения в режиме функционирования с нагревом составляет несколько килогерц. Следовательно, когда добавляют LPF (фильтр нижних част (Low Pass Filter)) для удаления высокочастотного шума и т.п., желательно сконструировать LPF согласно частоте в режиме функционирования с нагревом, т.е., частоте высокочастотного возбуждения при выполнении возбуждения с блокировкой двигателя компрессора.

[0114] Дополнительно, когда линейные напряжения и фазные токи обнаруживают посредством одного и того же микрокомпьютера, имеет значение увеличение затрат, поскольку необходимо использовать микрокомпьютер, имеющий многофункциональность вследствие увеличения скорости обработки микрокомпьютера вследствие увеличения количества обнаруживаемых линейных напряжений и фазных токов и нехватки портов для A/D-обнаружения. В этом случае, например, можно уменьшить количество обнаруживаемых линейных напряжений и фазных токов микрокомпьютера посредством обеспечения цепи умножения для вычисления произведения линейных напряжений на фазные токи вне микрокомпьютера. Таким образом, можно сдерживать увеличение затрат на микрокомпьютер. В этом случае, можно легко реализовать сдерживание роста затрат с использованием, в качестве цепи умножения, например, цепи умножения, включающей в себя операционный усилитель, IC для умножения, обычно доступную на рынке, и т.п.

[0115] Второй вариант осуществления

В данном варианте осуществления, объяснены установка для кондиционирования воздуха, водонагреватель с тепловым насосом, холодильная установка, и морозильный аппарат, в которых может быть применено устройство теплового насоса, описанное в первом варианте осуществления.

[0116] Более подробная конфигурация цикла холодильной установки и операций в нормальном режиме функционирования установки для кондиционирования воздуха, водонагревателя с тепловым насосом, холодильной установки, и морозильного аппарата, согласно второму варианту осуществления, объяснены со ссылкой на фиг. 21 и фиг. 22.

[0117] Фиг. 21 является схемой примера конфигурации цикла холодильной установки согласно второму варианту осуществления. Фиг. 22 является диаграммой Молье, иллюстрирующей переход состояний хладагента в цикле холодильной установки, показанном на фиг. 21. На фиг. 22, горизонтальная ось указывает на удельную энтальпию h, а вертикальная ось указывает на давление P хладагента.

[0118] В цикле 50а холодильной установки согласно второму варианту осуществления, компрессор 51, теплообменник 52, механизм 53 расширения, ресивер 54, внутренний теплообменник 55, механизм 56 расширения, и теплообменник 57 последовательно соединены трубопроводом для образования основной схемы 58 циркуляции хладагента, посредством которой хладагент циркулирует. Следует отметить, что в основной схеме 58 циркуляции хладагента, четырехходовой вентиль 59 обеспечен на стороне выпуска компрессора 51; следовательно, направление циркуляции хладагента может быть переключено. Вентилятор 60 обеспечен вблизи теплообменника 57. Механизм сжатия, который сжимает хладагент, и двигатель компрессора, который активирует механизм сжатия, обеспечены в компрессоре 51. Дополнительно, цикл 50а холодильной установки включает в себя схему 62 впрыска, которая соединяет, с использованием трубопровода, местоположение между ресивером 54 и внутренним теплообменником 55, с трубопроводом впрыска компрессора 51. Механизм 61 расширения и внутренний теплообменник 55 последовательно соединены со схемой 62 впрыска.

[0119] Схема 63 циркуляции воды, посредством которой циркулирует вода, соединена с теплообменником 52. Следует отметить, что устройство, которое использует воду, такое как водонагреватель (не показан), радиатор (не показан), или радиатор для подогрева пола (не показан) соединяют со схемой 63 циркуляции воды.

[0120] Сначала, будет объяснено функционирование во время операции нагрева в цикле 50а холодильной установки. Во время операции нагрева, четырехходовой вентиль 59 устанавливают в направлении сплошной линии на фиг. 21. Следует отметить, что операция нагрева включает в себя не только операцию нагрева в установке для кондиционирования воздуха, но и операцию нагрева воды для применения в нагреве воды и обеспечения горячей воды в водонагревателе с тепловым насосом.

[0121] На фиг. 22, хладагент в газовой фазе (у точки А на фиг. 22), нагретый и сжатый до высокой температуры и высокого давления посредством компрессора 51, выпускают из компрессора 51, и он обменивается теплом в теплообменнике 52, функционирующем в качестве конденсатора и радиатора, и сжижается (у точки В на фиг. 22). У этой точки, вода, циркулирующая через схему 63 циркуляции воды, нагревается посредством тепла, излучаемого от хладагента, и используется для операции нагрева в установке для кондиционирования воздуха и операции нагрева воды в водонагревателе с тепловым насосом.

[0122] Давление хладагента в жидкой фазе, сжиженного посредством теплообменника 52, уменьшают посредством механизма 53 расширения, и он переходит в газожидкостное двухфазное состояние (у точки С на фиг. 22). Хладагент, перешедший в газожидкостное двухфазное состояние посредством механизма 53 расширения, обменивается теплом с хладагентом, всасывающимся в компрессор 51 в ресивере 54, для охлаждения и сжижения (у точки D на фиг. 22). Хладагент в жидкой фазе, сжиженный посредством ресивера 54, разделяют между основной схемой 58 циркуляции хладагента и схемой 62 впрыска, и он течет в них.

[0123] Хладагент в жидкой фазе, текущий через основную схему 58 циркуляции хладагента, обменивается теплом с хладагентом с уменьшенным давлением, перешедшим в газожидкостное двухфазное состояние посредством механизма 61 расширения и протекающим через схему 62 впрыска, и дополнительно охлаждается посредством внутреннего теплообменника 55 (у точки Е на фиг. 22). Давление хладагента в жидкой фазе, охлажденного посредством внутреннего теплообменника 55, уменьшают посредством механизма 56 расширения, и он переходит в газожидкостное двухфазное состояние (у точки F на фиг. 22). Хладагент, перешедший в газожидкостное двухфазное состояние посредством механизма 56 расширения, обменивается теплом с наружным воздухом в теплообменнике 57, функционирующим в качестве испарителя, и нагревается (у точки G на фиг. 22). Хладагент, нагретый посредством теплообменника 57, дополнительно нагревают посредством ресивера 54 (у точки H на фиг. 22) и он всасывается в компрессор 51.

[0124] С другой стороны, как объяснено выше, давление хладагента, текущего через схему 62 впрыска, уменьшают посредством механизма 61 расширения (у точки I на фиг. 22), и он обменивается теплом во внутреннем теплообменнике 55 (у точки J на фиг. 22). Хладагент (хладагент впрыска) в газожидкостном двухфазном состоянии, после теплообмена во внутреннем теплообменнике 55, втекает в компрессор 51 из трубопровода впрыска компрессора 51, сохраняя газожидкостное двухфазное состояние.

[0125] В компрессоре 51, хладагент, всасываемый из основной схемы 58 циркуляции хладагента (у точки H на фиг. 22), сжимают и нагревают до получения промежуточного давления (у точки K на фиг. 22). Хладагент впрыска (у точки J на фиг. 22) объединяется с хладагентом, сжатым и нагретым до промежуточного давления (у точки K на фиг. 22); следовательно, температура хладагента падает (у точки L на фиг. 22). Хладагент, имеющий низкую температуру (у точки L на фиг. 22), дополнительно сжимают и нагревают до высокой температуры и высокого давления и выпускают (у точки А на фиг. 22).

[0126] Следует отметить, что, когда операцию впрыска не выполняют, механизм 61 расширения полностью закрыт. А именно, когда операцию впрыска выполняют, степень открывания механизма 61 расширения является большей, чем заданная степень открывания. Однако, когда операцию впрыска не выполняют, степень открывания механизма 61 расширения устанавливают меньшей, чем заданная степень открывания. В результате, хладагент не втекает в трубопровод впрыска компрессора 51. Следует отметить, что степенью открывания механизма 61 расширения управляют посредством электронного управления посредством блока управления (не показан), такого как микрокомпьютер.

[0127] Теперь будет объяснено функционирование во время операции охлаждения в цикле 50а холодильной установки. Во время операции охлаждения, четырехходовой вентиль 59 устанавливают в направлении, указанном посредством пунктирной линии на фиг. 21. Следует отметить, что операция охлаждения включает в себя не только операцию охлаждения в установке для кондиционирования воздуха, но и извлечение тепла из воды для обеспечения холодной воды в холодильной установке и операцию замораживания в морозильном аппарате.

[0128] Хладагент в газовой фазе (у точки А на фиг. 22), нагретый и сжатый до высокой температуры и высокого давления посредством компрессора 51, выпускают из компрессора 51, и он обменивается теплом в теплообменнике 57, функционирующим в качестве конденсатора и радиатора, и сжижается (у точки В на фиг. 22). Давление хладагента в жидкой фазе, сжиженного посредством теплообменника 57, уменьшают посредством механизма 56 расширения, и он переходит в газожидкостное двухфазное состояние (у точки С на фиг. 22). Хладагент, перешедший в газожидкостное двухфазное состояние посредством механизма 56 расширения, обменивается теплом во внутреннем теплообменнике 55 для охлаждения и сжижения (у точки D на фиг. 22). Во внутреннем теплообменнике 55, хладагент, перешедший в газожидкостное двухфазное состояние посредством механизма 56 расширения, обменивается теплом с хладагентом, перешедшим в газожидкостное двухфазное состояние посредством уменьшения давления хладагента в жидкой фазе, сжиженного во внутреннем теплообменнике 55, в механизме 61 расширения (у точки I на фиг. 22). Хладагент в жидкой фазе, после теплообмена во внутреннем теплообменнике 55 (у точки D на фиг. 22), разделяют между основной схемой 58 циркуляции хладагента и схемой 62 впрыска, и он течет в них.

[0129] Хладагент в жидкой фазе, текущий через основную схему 58 циркуляции хладагента, обменивается теплом с хладагентом, всасываемым в компрессор 51, и дополнительно охлаждается, посредством ресивера 54 (у точки Е на фиг. 22). Давление хладагента в жидкой фазе, охлажденного посредством ресивера 54, уменьшают посредством механизма 53 расширения, и он переходит в газожидкостное двухфазное состояние (у точки F на фиг. 22). Хладагент, перешедший в газожидкостное двухфазное состояние посредством механизма 53 расширения, обменивается теплом и нагревается посредством теплообменника 52, функционирующего в качестве испарителя (у точки G на фиг. 22). У этой точки, хладагент поглощает тепло, в результате чего вода, циркулирующая через схему 63 циркуляции воды, охлаждается и используется для операции охлаждения в установке для кондиционирования воздуха и операции замораживания в морозильном аппарате.

[0130] Хладагент, нагретый посредством теплообменника 52, дополнительно нагревают посредством ресивера 54 (у точки H на фиг. 22), и он всасывается в компрессор 51.

[0131] Напротив, как объяснено выше, давление хладагента, текущего через схему 62 впрыска, уменьшают посредством механизма 61 расширения (у точки I на фиг. 22), и он обменивается теплом во внутреннем теплообменнике 55 (у точки J на фиг. 22). Хладагент (хладагент впрыска) в газожидкостном двухфазном состоянии, после теплообмена во внутреннем теплообменнике 55, втекает в компрессор 51 из трубопровода впрыска компрессора 51, сохраняя газожидкостное двухфазное состояние.

[0132] Операция сжатия в компрессоре 51 является подобной сжатию во время операции нагрева. Следовательно, ее объяснение может быть опущено.

[0133] Следует отметить, что, когда операцию впрыска не выполняют, как например, в операции нагрева, механизм 61 расширения полностью закрыт для предотвращения втекания хладагента в трубопровод впрыска компрессора 51.

[0134] В приведенном выше объяснении, теплообменник 52 может быть выполнен в виде теплообменника, подобного теплообменнику пластинчатого типа, который обеспечивает теплообмен между хладагентом и водой, циркулирующей в схеме 63 циркуляции воды. Теплообменник 52 не ограничен этим и может быть теплообменником других типов, которые обеспечивают теплообмен между хладагентом и воздухом.

[0135] Схема 63 циркуляции воды может не быть схемой, через которую циркулирует вода, а может быть схемой, через которую циркулирует текучая среда, отличная от воды.

[0136] Как объяснено выше, в случае установки для кондиционирования воздуха, водонагревателя с тепловым насосом, холодильной установки, и морозильного аппарата, во втором варианте осуществления, посредством применения устройства теплового насоса, описанного в первом варианте осуществления, можно получить эффекты, объясненные в первом варианте осуществления.

[0137] Следует отметить, что, в качестве коммутирующих элементов, конфигурирующих инвертор в данных вариантах осуществления, и диодов обратного тока, соединенных параллельно с коммутирующими элементами, обычно, главным образом, используют Si-полупроводниковые приборы, выполненные из кремния (Si). Однако, могут быть использованы полупроводники с широкой запрещенной зоной (wide band gap - WBG), выполненные из карбида кремния (SiC), нитрида галлия (GaN), или алмаза.

[0138] Коммутирующие элементы и диодные элементы, выполненные из такого WBG-полупроводника, имеют устойчивость к воздействию высокого напряжения, а также имеют высокую допустимую плотность электрического тока. Следовательно, можно уменьшить в размерах коммутирующие элементы и диодные элементы. При использовании коммутирующих элементов и диодных элементов уменьшенного размера, можно уменьшить в размере полупроводниковый модуль, включающий в себя эти элементы.

[0139] Коммутирующие элементы и диодные элементы, выполненные из такого WBG-полупроводника, также имеют высокую нагревостойкость. Следовательно, можно уменьшить в размере радиаторные пластины теплоотвода и заменить секцию водяного охлаждения на воздушное охлаждение. Следовательно, можно дополнительно уменьшить полупроводниковый модуль в размере.

[0140] Дополнительно, коммутирующие элементы и диодные элементы, выполненные из такого WBG-полупроводника, имеют низкие потери мощности. Следовательно, эти коммутирующие элементы и диодные элементы могут иметь высокую эффективность, обеспечивая, таким образом, полупроводниковому модулю возможность быть высокоэффективным.

[0141] Возможна коммутация на более высокой частоте. Таким образом, можно подавать электрический ток, имеющий более высокую частоту, на двигатель компрессора. Следовательно, можно уменьшить электрический ток, протекающий в инверторе, посредством уменьшения тока обмоток, посредством увеличения полного сопротивления обмоток двигателя компрессора. Следовательно, можно получить устройство теплового насоса, имеющее более высокую эффективность. Дополнительно, поскольку легко увеличить частоту, существует преимущество, состоящее в том, что, например, можно установить частоту на границе или выше диапазона слышимых частот и легко обеспечить уменьшение шума.

[0142] При использовании возбуждения постоянным током вместе с высокочастотным возбуждением, например, существует не только преимущество, состоящее в том, что генерация тепла уменьшается, поскольку потери мощности уменьшаются, но и преимущество, состоящее в том, что даже если протекает большой ток, может быть получено устройство теплового насоса с высокой надежностью, поскольку показатель нагревостойкости является высоким.

[0143] Следует отметить, что желательно, чтобы как коммутирующие элементы, так и диодные элементы были выполнены из WBG-полупроводника. Однако, по меньшей мере один из этих элементов может быть выполнен из WBG-полупроводника. Можно получить эффекты в вариантах осуществления.

[0144] Кроме WBG-полупроводников, при использовании MOSFET (полевого транзистора со структурой металл-оксид-полупроводник (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)) с более эффективной структурой перехода, известного, как высокоэффективный коммутирующий элемент, также можно получить те же самые эффекты.

[0145] В компрессоре со спиральным механизмом, разгрузка высокого давления в камере сжатия является затруднительной. Следовательно, по сравнению с компрессорами других систем, очень вероятно, что при выполнении сжатия жидкости к механизму сжатия будет приложена избыточно высокая нагрузка. Однако, в устройстве теплового насоса согласно вариантам осуществления, можно эффективно нагреть компрессор и предотвратить застой жидкого хладагента в компрессоре. Следовательно, поскольку можно предотвратить сжатие жидкости, устройство теплового насоса также является эффективным при использовании компрессора со спиральным механизмом.

[0146] Дополнительно, при выполнении высокочастотного возбуждения, в случае превышения нагревающим устройством частоты 10 килогерц и выходной мощности 50 Вт, применение такого нагревающего устройства может быть, в некоторых случаях, законодательно ограничено. Следовательно, команда V* управления напряжением может быть настроена заранее таким образом, чтобы эта мощность не превышала 50 Вт, или могут быть обнаружены протекающий ток и напряжение, для выполнения управления с обратной связью таким образом, чтобы эта мощность была равной или меньшей, чем 50 Вт.

[0147] Следует отметить, что блок управления инвертора может быть выполнен посредством дискретной системы CPU (центрального процессора (Central Processing Unit)), DSP (цифрового сигнального процессора (Digital Signal Processor)), или микрокомпьютера. Кроме того, блок управления инвертора может быть выполнен посредством электрического схемного элемента, такого как аналоговая схема или цифровая схема.

[0148] Конфигурации, показанные в приведенных выше вариантах осуществления, являются примерами конфигурации данного изобретения, и является очевидным, что эти конфигурации могут быть объединены с другими общеизвестными технологиями, и эти конфигурации могут быть изменены, например, посредством исключения их части, не выходя за пределы объема данного изобретения.

ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ

[0149] Как объяснено выше, данное изобретение является полезным в качестве технологии для предотвращения застоя жидкого хладагента в компрессоре, когда компрессор находится в резервном режиме функционирования, в устройстве теплового насоса и в установке для кондиционирования воздуха, водонагревателе с тепловым насосом, холодильной установке, и морозильном аппарате, включающим в себя устройство теплового насоса, и, конкретно, подходит для конфигурации, в которой высокочастотное напряжение, имеющее частоту выше, чем частота во время нормального функционировании, подают на двигатель компрессора для выполнения возбуждения с блокировкой.

СПИСОК ССЫЛОЧНЫХ ПОЗИЦИЙ

[0150] 1 - компрессор, 2 - четырехходовой вентиль, 3 - теплообменник, 4 - механизм расширения, 5 - теплообменник, 6 - трубопровод хладагента, 7 - механизм сжатия, 8 - двигатель компрессора, 9 - инвертор, 10 - блок управления инвертора, 11 - источник постоянного напряжения, 12 - блок управления возбуждением с блокировкой, 13 - блок генерации управляющего сигнала, 14 - блок вычисления мощности, 15 - блок генерации команды управления высокочастотным напряжением, 16 - блок генерации команды управления фазой высокочастотного напряжения, 17 - блок генерации команды управления мощностью нагрева, 19 - блок вычисления команд управления напряжением, 20 - блок генерации PWM-сигналов, 22 - блок инвертирования фазы высокочастотного напряжения, 23a-23c - сумматор, 24 - блок обнаружения, 25 - блок определения повторения, 26 - блок вычисления мощности, 28a-28f - умножитель, 29a-29e - блок вычисления суммы, 30a-30e - делитель, 31a-31c - блок вычисления квадратного корня, 32 - блок вычисления средних значений, 33 - преобразователь ток/мощность, 50, 50a - цикл холодильной установки, 51 - компрессор, 52, 57 - теплообменник, 53, 56, 61 - механизм расширения, 54 - ресивер, 55 - внутренний теплообменник, 58 - основная схема циркуляции хладагента, 59 - четырехходовой вентиль, 60 - вентилятор, 62 - схема впрыска, 63 - схема циркуляции воды, 70a-70f - коммутирующий элемент, 80a-80f - диод обратного тока, 100 - устройство теплового насоса.

Группа изобретений относится к холодильной технике. Устройство теплового насоса включает в себя инвертор, который прикладывает требуемое напряжение к двигателю компрессора. Содержит блок управления инвертора, который восстанавливает значения межфазных и фазных напряжений или фазных токов, имеющих частоту выше, чем частота во время нормального режима функционирования, для выполнения возбуждения с блокировкой двигателя компрессора. Восстановление осуществляется на основе соответствующих межфазных и фазных напряжений или с фазных токов двигателя компрессора в течение множества циклов высокочастотного возбуждения. Данное устройство теплового насоса может быть использовано в устройстве кондиционирования воздуха, водонагревателе, холодильной установке или морозильном аппарате. Техническим результатом является предотвращение застоя хладагента и повышение надежности и эффективности работы системы. 5 н. и 12 з.п. ф-лы, 22 ил.

1. Устройство теплового насоса, которое включает в себя инвертор, который прикладывает требуемое напряжение к двигателю компрессора, причем устройство теплового насоса содержит блок управления инвертора, который восстанавливает, на основе соответствующих межфазных напряжений, соответствующих фазных напряжений или соответствующих фазных токов двигателя компрессора в течение множества циклов высокочастотного возбуждения при подаче на двигатель компрессора высокочастотного напряжения, имеющего частоту выше, чем частота во время нормального режима функционирования, для выполнения возбуждения с блокировкой двигателя компрессора, в то время как компрессор находится в резервном режиме функционирования, соответствующие межфазные напряжения, соответствующие фазные напряжения или соответствующие фазные токи для заданного диапазона из множества циклов высокочастотного возбуждения, и который управляет напряжением, подлежащим приложению к двигателю компрессора, на основе по меньшей мере одного из восстановленных соответствующих значений обнаружения для заданного диапазона.

2. Устройство теплового насоса по п. 1, в котором блок управления инвертора обнаруживает, в каждом из циклов от одного цикла до n циклов (n является целым, равным или большим, чем 2) из циклов высокочастотного возбуждения, соответствующие межфазные напряжения, соответствующие фазные напряжения или соответствующие фазные токи, в фазе, которая находится на (m/n) цикла (m является натуральным числом, равным или меньшим, чем n) позднее начальной точки соответствующего одного из этих циклов и является разной для каждого из этих циклов, вычисляет значение мощности с использованием соответствующих значений обнаружения для одного цикла высокочастотного возбуждения, генерирует команду управления мощностью нагрева, необходимую для выпуска жидкого хладагента, застаивающегося в компрессоре, за пределы компрессора, и управляет таким образом, что значение мощности совпадает с командой управления мощностью нагрева.

3. Устройство теплового насоса по п. 2, в котором блок управления инвертора обнаруживает соответствующие межфазные напряжения, соответствующие фазные напряжения или соответствующие фазные токи, при сдвиге фазы на (1/n) цикла, одномоментно, в течение n циклов высокочастотного возбуждения (n является целым, равным или большим, чем 2).

4. Устройство теплового насоса по п. 2, в котором, в то время как блок управления инвертора обнаруживает соответствующие значения обнаружения для одного цикла высокочастотного возбуждения, когда значение напряжения на шине инвертора колеблется сверх заданного диапазона, блок управления инвертора отбрасывает соответствующие значения обнаружения, которые были обнаружены, и повторно начинает обнаружение соответствующих значений обнаружения, начиная с первого цикла высокочастотного возбуждения.

5. Устройство теплового насоса по п. 2, в котором блок управления инвертора инвертирует фазу высокочастотного напряжения в синхронизации с несущим сигналом инвертора.

6. Устройство теплового насоса по п. 5, в котором блок управления инвертора устанавливает опорную фазу для высокочастотного напряжения кратной 60˚ относительно несущего сигнала инвертора.

7. Устройство теплового насоса по п. 2, в котором блок управления инвертора обнаруживает по меньшей мере одно из температуры любых частей или компонентов, конфигурирующих устройство теплового насоса, и атмосферной температуры и оценивает количество жидкого хладагента.

8. Устройство теплового насоса по п. 2, в котором блок управления инвертора воспринимает количество жидкости или поверхность жидкости жидкого хладагента, застаивающегося в компрессоре, и обнаруживает количество жидкого хладагента.

9. Устройство теплового насоса по п. 2, в котором блок управления инвертора генерирует команду управления мощностью нагрева согласно характеристике компрессора.

10. Устройство теплового насоса по п. 2, в котором блок управления инвертора имеет, в качестве коэффициента усиления и частотной характеристики при обнаружении фазных токов, по меньшей мере два вида коэффициентов усиления и два вида частотных характеристик, для возбуждения с блокировкой и для нормального функционирования, для приведения в действие двигателя компрессора.

11. Устройство теплового насоса по п. 1, в котором по меньшей мере один из коммутирующих элементов, составляющих инвертор, выполнен из полупроводника с широкой запрещенной зоной.

12. Устройство теплового насоса по п. 1, в котором диод, составляющий инвертор, выполнен из полупроводника с широкой запрещенной зоной.

13. Устройство теплового насоса по п. 11 или 12, в котором полупроводник с широкой запрещенной зоной является любым из материалов на основе карбида кремния, нитрида галлия и алмаза.

14. Установка для кондиционирования воздуха, содержащая устройство теплового насоса по любому из пп. 1-12.

15. Водонагреватель с тепловым насосом, содержащий устройство теплового насоса по любому из пп. 1-12.

16. Холодильная установка, содержащая устройство теплового насоса по любому из пп. 1-12.

17. Морозильный аппарат, содержащий устройство теплового насоса по любому из пп. 1-12.