JP6582236B2 - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

Description

本発明は、Ｒ１１２３を含む作動流体を用いる冷凍サイクル装置に関する。

一般に、冷凍サイクル装置は、圧縮機、必要に応じて四方弁、放熱器（または凝縮器）、キャピラリーチューブや膨張弁等の減圧器、蒸発器、等を配管接続して冷凍サイクルを構成し、その内部に冷媒を循環させることにより、冷却または加熱作用を行っている。

これらの冷凍サイクル装置における冷媒としては、フロン類（フロン類はＲ○○またはＲ○○○と記すことが、米国ＡＳＨＲＡＥ３４規格により規定されている。以下、Ｒ○○またはＲ○○○と示す）と呼ばれるメタンまたはエタンから誘導されたハロゲン化炭化水素が知られている。

上記のような冷凍サイクル装置用冷媒としては、Ｒ４１０Ａが多く用いられているが、Ｒ４１０Ａ冷媒の地球温暖化係数（ＧＷＰ）は２０９０と大きく、地球温暖化防止の観点から問題がある。

そこで、地球温暖化防止の観点からは、ＧＷＰの小さな冷媒として、例えば、Ｒ１１２３（１，１，２−トリフルオロエチレン）や、Ｒ１１３２（１，２−ジフルオロエチレン）が提案されている（例えば特許文献１または特許文献２）。

国際公開第２０１２／１５７７６４号 国際公開第２０１２／１５７７６５号

しかしながら、Ｒ１１２３（１，１，２−トリフルオロエチレン）や、Ｒ１１３２（１，２−ジフルオロエチレン）は、Ｒ４１０Ａなどの従来の冷媒に比べて安定性が低く、ラジカルを生成した場合、不均化反応により別の化合物に変化する恐れがある。不均化反応は大きな熱放出を伴うため、圧縮機や冷凍サイクル装置の信頼性を低下させる恐れがある。このため、Ｒ１１２３やＲ１１３２を圧縮機や冷凍サイクル装置に用いる場合には、この不均化反応を抑制する必要がある。

本発明は、上記従来のこのような課題を考慮し、たとえば、空気調和機などの用途に用いられる冷凍サイクル装置において、Ｒ１１２３を含む作動流体を用いるのにより適した冷凍サイクル装置を提供するものである。

前記従来の課題を解決するために、本発明の冷凍サイクル装置は、電動機を備えた圧縮機と、凝縮器と、膨張弁と、蒸発器とを接続した冷凍サイクル回路を備え、前記冷凍サイクル回路に封入する冷媒として、１，１，２−トリフルオロエチレンとジフルオロメタンとを含む作動流体を用い、前記電動機を駆動する電動機駆動装置を備え、前記電動機駆動装置は回転数推定手段を備えたものである。

これによれば、電動機の回転状態を検出しているので、電動機に回転異常が生じた場合
に、電動機への電源供給を停止できる。このため、作動流体内のＲ１１２３の分子運動が活発化した結果生じる不均化反応を抑制することが可能となり、信頼性を高めることができる。

本発明は、Ｒ１１２３を含む作動流体を用いるのにより適した冷凍サイクル装置を得ることができる。

本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の概略構成図 本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置を構成する圧縮機の概略構成図 本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置を構成する圧縮機の集中巻の電動機の概略構成図 本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置を構成する圧縮機の分布巻の電動機の概略構成図 本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の電動機駆動装置のシステム構成図 本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の高圧側圧力と電流値の変化率の閾値との関係を示す図 本発明の実施の形態１に係る冷凍サイクル装置の高圧側圧力と直流電圧値の変化率の閾値との関係を示す図

第１の発明は、電動機を備えた圧縮機と、凝縮器と、膨張弁と、蒸発器とを接続した冷凍サイクル回路を備え、前記冷凍サイクル回路に封入する冷媒として、１，１，２−トリフルオロエチレンとジフルオロメタンとを含む作動流体を用い、前記電動機を駆動する電動機駆動装置を備え、前記電動機駆動装置は回転数推定手段を備えたものである。

これによれば、電動機駆動装置は、回転子の回転状態を検出しているので、電動機に回転異常が生じた場合に、電動機への電源供給を停止できる。このため、不均化反応の起点となりうる圧縮機への過剰な電力供給を防止できる。これによって、不均化反応の発生、または、進行を抑制できる。

第２の発明は、第１の発明において、前記回転数推定手段は、前記電動機へ入力する電流の検出値から回転数を推定するものである。

第３の発明は、第２の発明において、前記電動機は、回転子と前記回転子の周囲に配置された固定子とを備え、前記回転数推定手段は、前記回転子の磁極位置の情報に基づいて回転数を推定するものである。

第４の発明は、第３の発明において、前記回転子は永久磁石を備えるものである。回転子に永久磁石を備えた電動機は、モータ効率が高いので、熱損失が軽減できる。このため、電動機の過度の温度上昇を抑制できる。また、モータ効率向上にともなって、巻線の巻き数を少なくできるため、コイルエンドの体積を小さくできる。これにより、コイルエンドで生じやすいレイヤーショートを、生じにくくすることができる。このため、不均化反応の発生、または、進行を抑制できる。

第５の発明は、第４の発明において、前記固定子は、集中巻きの固定子である。固定子を集中巻にすることで、コイルエンドを小さくすることができるので、コイルエンドで生
じやすいレイヤーショートを、生じにくくすることができる。このため、不均化反応の発生、または、進行を抑制できる。

第６の発明は、第４の発明において、前記永久磁石はネオジム磁石であるものである。回転子にネオジム磁石を備えた電動機は、さらにモータ効率が高いので、電動機の過度の温度上昇を抑制できる。巻線の巻き数を少なくできるため、コイルエンドの体積を小さくできるので、コイルエンドで生じやすいレイヤーショートを、生じにくくすることができる。このため、不均化反応の発生、または、進行を抑制できる。

第７の発明は、第１の発明において、前記電動機は、回転子と前記回転子の周囲に配置された固定子とを備え、前記固定子は、給電ターミナルに接続されるリード線を備えた三相巻線を備え、前記リード線は、ステータ側の隣接するリード線同士の間隔が、給電ターミナル側の隣接するリード線同士の間隔より大きいものである。

これによれば、圧縮機内におけるリード線同士の間隔を大きくできるので、不均化反応の起点となりうるレイヤーショートを、生じにくくすることができ、不均化反応の発生、または、進行を抑制できる。

第８の発明は、第１の発明において、前記電動機駆動装置は前記電動機に入力される電流を検出する電流検出手段を備え、前記電流検出手段の検出値の変化率が所定値以上となった場合には、前記電動機への電力供給を停止するものである。これによれば、不均化反応が進行する前に、電力供給を停止することができる。

第９の発明は、第１の発明において、前記電動機駆動装置は前記電動機駆動装置に入力される電圧を検出する電圧検出手段を備え、前記電圧検出手段の検出値の変化率が所定値未満となった場合には、前記電動機への電力供給を停止するものである。これによれば、不均化反応が進行する前に、電力供給を停止することができる。

第１０の発明は、第８の発明において、前記圧縮機の吐出部と前記膨張弁の入口との間に設けられた高圧側圧力検出手段を備え、前記高圧側圧力検出手段の検出値が大きくなるほど、前記所定値を小さくするものである。これによれば、より確実に、不均化反応が進行する前に、電力供給を停止することができる。このため、安全性が向上する。

第１１の発明は、第９の発明において、前記圧縮機の吐出部と前記膨張弁の入口との間に設けられた高圧側圧力検出手段を備え、前記高圧側圧力検出手段の検出値が大きくなるほど、前記所定値を大きくするものである。これによれば、より確実に、不均化反応が進行する前に、電力供給を停止することができる。

第１２の発明は、第１の発明において、前記電動機駆動装置は前記電動機に入力される電流を検出する電流検出手段を備え、前記電動機駆動装置は前記電動機に入力される電流を検出し、前記高圧側圧力検出手段の検出値が所定値以上で、かつ、前記電流検出手段の検出値の変化率が所定値以上となった場合には、前記電動機への電力供給を停止するものである。これによれば、より確実に、不均化反応が進行する前に、電力供給を停止することができる。

第１３の発明は、第１の発明において、前記電動機駆動装置は前記電動機駆動装置に入力される電圧を検出する電圧検出手段を備え、前記電動機駆動装置は前記電動機駆動装置に入力される電圧を検出し、前記高圧側圧力検出手段の検出値が所定値以上で、かつ、前記電圧検出手段の検出値の変化率が所定値未満となった場合には、前記電動機への電力供給を停止するものである。これによれば、より確実に、不均化反応が進行する前に、電力
供給を停止することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１に、本発明の第１の実施の形態に係る冷凍サイクル装置１００を示す。本実施の形態の冷凍サイクル装置１００は、室内機ユニット１０１ａと室内機ユニット１０１ａとが冷媒配管及び制御配線等により互いに接続された、所謂セパレート型の空気調和機である。

室内機ユニット１０１ａは、室内熱交換器１０３と、室内熱交換器１０３に送風するとともに、室内熱交換器１０３で熱交換した空気を室内に吹き出す貫流ファン（クロスフローファン）である室内送風ファン１０７ａを備えている。室外機ユニット１０１ｂは、圧縮機１０２、減圧手段である膨張弁１０４、室外熱交換器１０５、四方弁１０６、室外熱交換器１０５に送風するプロペラファンである室外送風ファン１０７ｂを備えている。

室内機ユニット１０１ａと室外機ユニット１０１ｂとを分離できるように、室内機ユニット１０１ａは、配管接続部１１２を備えている。室外機ユニット１０１ｂは、配管接続部１１２、配管接続部１１２と四方弁１０６との間に設けられた三方弁１０８、配管接続部１１２と膨張弁１０４との間に設けられた二方弁１０９を備えている。また、室内機ユニット１０１ａは、圧縮機１０２内に設けられた電動機を駆動する電動機駆動装置１１５を備えている。

そして、室内機ユニット１０１ａの一方の配管接続部１１２と室外機ユニット１０１ｂの二方弁１０９が設けられた側の配管接続部１１２とは、冷媒配管の１つである液管１１１ａで接続されている。また、室内機ユニット１０１ａの他方の配管接続部１１２と室外機ユニット１０１ｂの三方弁１０８が設けられた側の配管接続部１１２とは、冷媒配管の１つであるガス管１１１ｂで接続されている。

このように、本実施の形態の冷凍サイクル装置１００は、主に、圧縮機１０２、室内熱交換器１０３、膨張弁１０４、室外熱交換器１０５の順に冷媒配管で接続し、冷凍サイクル回路を構成している。冷凍サイクル回路は、圧縮機１０２と室内熱交換器１０３または室外熱交換器１０５との間に、圧縮機１０２から吐出された冷媒の流れ方向を室内熱交換器１０３または室外熱交換器１０５のいずれかに切替える四方弁１０６を備えている。

四方弁１０６を備えることで、本実施の形態の冷凍サイクル装置１００は、冷房運転と、暖房運転の切り替えが可能となる。つまり、冷房運転時には、圧縮機１０２の吐出側と室外熱交換器１０５とを連通させるとともに、室内熱交換器１０３と圧縮機１０２の吸入側とを連通されるように、四方弁１０６を切換える。これによって、室内熱交換器１０３を蒸発器として作用させ、周囲大気（室内空気）から熱を吸熱し、室外熱交換器１０５を凝縮器として作用させ、室内で吸熱した熱を周囲大気（室外空気）へ放熱する。一方、暖房運転時には、圧縮機１０２の吐出側と室内熱交換器１０３とを連通させるとともに、室外熱交換器１０５と圧縮機１０２の吸入側とを連通されるように、四方弁１０６を切換える。これによって、室外熱交換器１０５を蒸発器として作用させ、（室外空気）から吸熱し、室内熱交換器１０３を凝縮器として作用させ、室外で吸熱した熱を室内空気へ放熱する。

なお、四方弁１０６は、制御装置（図示せず）からの電気的信号によって、冷房と暖房と切り替える電磁弁式のものが用いられている。

また、冷凍サイクル回路は、四方弁１０６をバイパスし、圧縮機１０２の吸入側と吐出側とを連通するバイパス手段１１３と、バイパス手段１１３の冷媒の流れを開放、閉止する開閉弁１１３ａを備えている。

また、圧縮機１０２の吐出側には、電子制御式の開閉弁であるリリーフ弁１１４が設けられている。なお、リリーフ弁１１４は、圧縮機１０２の吐出部から膨張弁１０４までの間、または、圧縮機１０２の吐出部から三方弁１０８までの間に設けられていればよいが、圧縮機１０２の圧力を急速に逃すためには、圧縮機１０２の吐出部から四方弁１０６までの間に設けられていることが望ましい。

冷凍サイクル回路は、圧縮機１０２の吐出側と膨張弁１０４の入口との間に設けられた高圧側圧力検出手段１１６を備えている。高圧側圧力検出手段１１６は、加圧されるダイヤフラムのひずみをひずみゲージなどで電気的に検出して測定する構成でもよい。さらに、機械的に圧力を検出する金属ベローズや金属ダイヤフラムで構成してもよい。

冷凍サイクル回路は、圧縮機１０２の吐出側と凝縮器の入口との間に設けられた吐出温度検出手段１１７を備えている。本実施の形態では、四方弁１０６の切り替えによって、室内熱交換器１０３または室外熱交換器１０５のいずれかが凝縮器となるため、吐出温度検出手段１１７は、圧縮機１０２の吐出側と四方弁１０６の入口との間に設けられている。吐出温度検出手段１１７は、サーミスタや熱電対などで構成され、温度を電気的に検出する。

高圧側圧力検出手段１１６や、吐出温度検出手段１１７の検出値は、制御装置へ電気的に送信される。

冷凍サイクル回路内には、作動流体（冷媒）が封入されている。作動流体について説明する。本実施の形態の冷凍サイクル装置１００に封入される作動流体は、（１）Ｒ１１２３（１，１，２−トリフルオロエチレン）と、（２）Ｒ３２（ジフオロメタン）からなる２成分系の混合作動流体であり、特に、Ｒ３２が３０重量％以上６０重量％以下の混合作動流体である。

Ｒ１１２３にＲ３２を３０重量％以上混合することで、Ｒ１１２３の不均化反応を抑制できる。また、Ｒ３２の濃度が高いほど不均化反応をより抑制できる。これは、Ｒ３２のフッ素原子への分極が小さいことによる不均化反応を緩和する作用と、Ｒ１１２３とＲ３２は物理特性が似ていることから凝縮・蒸発など相変化時の挙動が一体となることによる不均化の反応機会を減少させる作用とにより、Ｒ１１２３の不均化反応を抑制することができる。

また、Ｒ１１２３とＲ３２の混合冷媒は、Ｒ３２が３０重量％、Ｒ１１２３が７０％で共沸点を持ち、温度すべりがなくなる為、単一冷媒と同様な取り扱いが可能である。つまり、Ｒ３２を６０重量％以上混合すると、温度すべりが大きくなり、単一冷媒と同様な取り扱いが困難となる可能性があるため、Ｒ３２を６０重量％以下で混合することが望ましい。特に、不均化を防止するとともに、共沸点に近づくため温度すべりをより小さくし、機器の設計が容易とするために、Ｒ３２を４０重量％以上５０重量％以下で混合することが望ましい。

表１、表２は、Ｒ１１２３とＲ３２の混合作動流体のうち、Ｒ３２が３０重量％以上６０重量％以下となる混合割合での、冷凍サイクルの圧力、温度、圧縮機の押しのけ容積が同じ場合の冷凍能力およびサイクル効率（ＣＯＰ）を計算し、Ｒ４１０ＡとＲ１１２３と
比較したものである。

まず、表１、表２の計算条件について説明する。近年、機器のサイクル効率を向上するため、熱交換器の高性能化が進み、実際の運転状態では、凝縮温度は低下し、蒸発温度は上昇する傾向にあり、吐出温度も低下する傾向にある。このため、実際の運転条件を考慮し、表１の冷房計算条件は、冷凍サイクル装置１００の冷房運転時（室内乾球温度 ２７℃、湿球温度 １９℃、室外乾球温度 ３５℃）に対応し、蒸発温度は１５℃、凝縮温度は４５℃、圧縮機の吸入冷媒の過熱度は５℃、凝縮器出口の過冷却度は８℃とした。

また、表２の暖房計算条件は、冷凍サイクル装置１００の暖房運転時（室内乾球温度 ２０℃、室外乾球温度 ７℃、湿球温度 ６℃）に対応した計算条件で、蒸発温度は２℃、凝縮温度は３８℃、圧縮機の吸入冷媒の過熱度は２℃、凝縮器出口の過冷却度は１２℃とした。

表１、表２より、Ｒ３２を３０重量％以上６０重量％以下で混合することにより、冷房および暖房運転時に、Ｒ４１０Ａと比較して、冷凍能力は約２０％増加し、サイクル効率（ＣＯＰ）は９４〜９７％となり、温暖化係数はＲ４１０Ａの１０〜２０％に低減できる。

以上説明したように、Ｒ１１２３とＲ３２の２成分系において、不均化の防止、温度すべりの大きさ、冷房運転時・暖房運転時の能力、ＣＯＰを総合的に鑑みると（すなわち、後述する圧縮機を用いた空気調和機器に適した混合割合を特定すると）、３０重量％以上６０重量％以下のＲ３２を含む混合物が望ましく、さらに望ましくは、４０重量％以上５０重量％以下のＲ３２を含む混合物が望ましい。

次に、冷凍サイクル回路を構成する各構成要素について説明する。

室内熱交換器１０３、室外熱交換器１０５には、フィンアンドチューブ型熱交換器やパラレルフロー形（マイクロチューブ型）熱交換器などが用いられる。なお、なお、図１に
示したようなセパレート型の空気調和機ではなく、例えば、室内熱交換器１０３の周囲媒体としてブライン（ブラインを居住スペースの冷暖房に使用）を用いる場合や、二元式冷凍サイクルの冷媒を用いる場合には、熱交換器の形態として、二重管熱交換器やプレート式熱交換器、シェルアンドチューブ熱交換器を用いてもよい（図示せず）。この場合、室内熱交換器１０３は、被冷却、加熱対象（セパレート型の空気調和機の場合、室内空気）を直接、冷却、加熱はしないので、必ずしも、室内に配置されなくともよい。 膨張弁１０４には、例えば、パルスモータ駆動方式の電子膨張弁などが使用される。

圧縮機１０２の詳細について、図２を用いて説明する。圧縮機１０２はいわゆる密閉型のロータリ式圧縮機である。密閉容器１０２ｇの内部には、電動機１０２ｅ、圧縮機構１０２ｃが収納され、内部は高温高圧の吐出冷媒と、冷凍機油で満たされている。電動機（モータ）１０２ｅは、所謂ブラシレス・モータである。電動機１０２ｅは、圧縮機構１０２ｃに接続された回転子１０２１ｅと、回転子１０２１ｅの周囲に設けられた固定子１０２２ｅとを備えている。

固定子１０２２ｅには三相巻線が施され、固定子１０２２ｅ上下方向の端部でコイルエンド１０２３ｅを形成している。そして、三相巻線の端部はそれぞれリード線１０２ｉとなっている。つまり、固定子１０２２ｅは、三相巻線のそれぞれから延びる３本のリード線１０２ｉを備えている。３本のリード線１０２ｉの他端は、給電ターミナル１０２ｈに接続される。給電ターミナル１０２ｈは、３つの端子を備え、それぞれの端子は、電動機駆動装置１１５に接続されている。

図２に示すように、３本のリード線１０２ｉのそれぞれは、電動機１０２ｅの水平断面において、コイルエンド１０２３ｅの離れた位置から延びている。より詳細には、３本のリード線１０２ｉのそれぞれは、固定子１０２２ｅ側（後述するコイルエンド１０２３ｅ側）の隣接するリード線１０２ｉ同士の間隔が、給電ターミナル１０２ｈ側の隣接するリード線同士の間隔より大きくなっている。また、３本のリード線１０２ｉは、電動機１０２ｅの水平断面において、回転子１０２１ｅの回転中心を中心として約１２０度ごとに配置されていてもよい。

図３は、電動機１０２ｅの横断面図である。電動機１０２ｅはいわゆる集中巻の電動機である。固定子１０２２ｅは、１つのティース３１と、ティース３１をつなぐ環状のヨーク３２からなり、固定子１０２２ｅの内周部に対向して、略円筒形の回転子コア３３とその外周部に配置された永久磁石３４からなる回転子１０２１ｅがクランクシャフト１０２ｍを中心として回転自在に保持されている。永久磁石３４は、外周をステンレス等の非磁性体の環３５を外周に挿入することにより固定されている。

なお、永久磁石の固定方法は、エポキシ樹脂等の接着剤を用いて固定しても構わない。

また、永久磁石の配置方法として、上記では、永久磁石３４を回転子コア３３の外周部に配置する構造として説明したが、永久磁石を回転子コアの内部に配置した構造（図示せず）としてもよい。

一方、固定子１０２２ｅは、圧縮機のシェルに焼きばめされることによって密閉容器１０２ｇ内部で固定されている。固定子１０２２ｅの固定方法は、これに限らず、例えば、溶接等の方法で固定しても構わない。

ティース３１には、三相巻線が施され、後述する電動機駆動装置１１５のスイッチング素子により、回転子１０２１ｅに回転磁界が発生するように巻線に電流を流している。回転磁界は、インバータにより可変速で発生させることが可能であり、圧縮機１０２の運転
開始直後等には高速で、安定運転時等には低速で運転される。

固定子１０２２ｅの外周部に切り欠き、または溝、穴３７を設けることにより、圧密閉容器１０２ｇと固定子１０２２ｅとの間または固定子１０２２ｅそのものに、固定子１０２２ｅの全長に貫通した部分があり、そこを冷凍機油が通ることにより、冷凍作用を行っている。

電動機１０２ｅを集中巻の電動機とすることで、巻線抵抗が低減でき、大幅に銅損が低減できると共に、モータ全長も小さくできる。

なお、電動機１０２ｅは、集中巻きの電動機であるとして説明したが、分布巻きの電動機であってもよい。図４は、分布巻きの電動機１０２ｅの横断面図である。固定子１０２２ｅは、複数のティース６１と、ティース６１をつなぐ環状のヨーク６２からなり、固定子１０２２ｅの内周部に対向して、略円筒形の回転子コア６３とその外周部に配置された永久磁石６４からなる回転子１０２１ｅがクランクシャフト１０２ｍを中心として回転自在に保持されている。永久磁石６４は、外周をステンレス等の非磁性体の環６６を外周に挿入することにより固定されている。固定子１０２２ｅは、圧縮機のシェルに焼きばめされることによって密閉容器１０２ｇ内部で固定されている。

固定子１０２２ｅの外周部に切り欠き６７、または溝、穴を設けることにより、そこを冷凍機油が通ることにより、冷凍作用を行っている。

回転子１０２１ｅは４極であり、固定子１０２２ｅのティース数はスロット数と等しく１２または２４である。各スロットには、三相巻線が施されている。

なお、回転子の極数および固定子のスロット数は、６極９スロット、６極１８スロット、４極６スロット、８極１２スロット、１０極１２スロットでも良い。

圧縮機１０２において、蒸発器から流出した低圧冷媒は、四方弁１０６を介して、吸入管１０２ａから吸入され、圧縮機構１０２ｃで昇圧される。昇圧され、高温高圧となった吐出冷媒は、吐出マフラー１０２ｌから吐出され、電動機１０２ｅ周囲で構成される隙間（回転子１０２１ｅと固定子１０２２ｅ間、固定子１０２２ｅと密閉容器１０２ｇ間）を通って、吐出空間１０２ｄへと流動する。その後、吐出管１０２ｂから圧縮機１０２の外へと吐出され、四方弁１０６を介して、凝縮器へと向う。

圧縮機構１０２ｃは、電動機１０２ｅと、クランクシャフト１０２ｍを介して接続されている。電動機１０２ｅでは、外部電源から受け取った電力を電気的エネルギから機械的（回転）エネルギに変換している。圧縮機構１０２ｃでは、電動機１０２ｅからクランクシャフト１０２ｍを介して伝達される機械的エネルギを用いて、冷媒を昇圧する圧縮仕事を行っている。

次に、電動機駆動装置１１５について説明する。図５は、電動機駆動装置のシステム構成図である。図５に示すように、電動機駆動装置１１５は、複数のスイッチング素子５ａ〜５ｆと対をなす還流ダイオード６ａ〜６ｆからなるインバータ５と、速度制御部１１と、電流制御部１２と、ＰＷＭ信号生成部１３、誘起電圧推定部１４と、回転子位置速度推定部１５を備えている。また、電動機駆動装置１１５は、電動機１０２ｅに入力される電流を検出する電流検出手段である電流検出部９と、電動機駆動装置１１５に入力される電圧を検出する電圧検出手段である直流電圧検出部１０とを備えている。

交流電源１からの入力電圧は整流回路２で直流に整流され、その直流電圧はインバータ
５により三相の交流電圧に変換され、それによりブラシレスＤＣモータである電動機１０２ｅが駆動される。

電動機駆動装置１１５では、外部より与えられる目標速度を実現するべく、速度制御部１１は目標速度ω＊と現在の速度ω１（推定回転数、つまり、回転子磁極位置速度推定部１５により推定された推定速度の現在値）との速度誤差△ωがゼロとなるように比例積分制御（以下、ＰＩ制御という）により電流指令値Ｉ＊を演算する。

電流制御部１２は速度制御部１１により演算された電流指令値Ｉ＊に基づいて作成される固定子巻線の相電流指令値と、電流検出器７ａ、７ｂおよび電流検出部９から得られる電流検出値との電流誤差がゼロとなるようにＰＩ制御により電圧指令値Ｖ＊を演算する。

誘起電圧推定部１４は電流検出器７ａ、７ｂおよび電流検出部９により検出された電動機１０２ｅの電流検出値と、電圧指令値Ｖ＊と、分圧抵抗８ａ、８ｂおよび直流電圧検出部１０により検出されたインバータ５の直流電圧の情報とに基づいて、電動機１０２ｅの固定子巻線の各相に生じた誘起電圧を推定する。

回転子位置速度推定部１５は、誘起電圧推定部１４により推定された誘起電圧を用いて電動機１０２ｅにおける回転子１０２１ｅの磁極位置および速度を推定する。この推定された回転子磁極位置の情報に基づいて、電流制御部１２では、インバータ５が電圧指令値Ｖ＊を出力するために、スイッチング素子５ａ〜５ｆを駆動するための信号が生成され、その駆動信号はＰＷＭ信号生成部１３により、スイッチング素子５ａ〜５ｆを電気的に駆動するためのドライブ信号に変換される。ドライブ信号により各スイッチング素子５ａ〜５ｆが動作する。このような構成によって、電動機駆動装置１１５は、位置センサレス正弦波駆動を行い、圧縮機１０２の電動機１０２ｅを回転させる。

電動機１０２ｅが回転した後、回転子位置速度推定部１５が、回転子１０２１ｅの速度がゼロであると推定した場合には、電流制御部１２が電圧指令値Ｖ＊の出力を停止する。

なお、電動機１０２ｅは、ＡＣモータであってもよい。この場合には、電動機駆動装置１１５は、位置センサレス正弦波駆動に代えてベクトル制御を行えばよい。そして、回転子位置速度推定部１５は、電流検出部９により検出された電流値を用いて、回転子１０２１ｅの速度を推定する。または、回転子位置速度推定部１５は、誘起電圧推定部１４により推定された誘起電圧を用いて回転子１０２１ｅの磁極位置および速度を推定する。

電動機駆動装置１１５は、電流変化率演算部（図示せず）と、直流電圧変化率算出部（図示せず）と、記憶部（図示せず）とを備えている。

電流検出部９で検出した電流値は、逐次、記憶部に記憶される。電流変化率演算部は、電流検出部９で検出した電流値Ｉと、記憶部に記憶された所定時間前の電流値Ｉ’から、電流値の変化率△Ｉを演算する。そして、電流値の変化率△Ｉが所定値△Ｉ０以上であれば、電流制御部１２が電圧指令値Ｖ＊の出力を停止する。

所定値△Ｉ０は、あらかじめ定められた一定値であってもよいが、図６に示すように、高圧側圧力の所定値Ｐｈ１までは一定値であり、所定値Ｐｈ１以上では、高圧側圧力が高くなるほど、所定値△Ｉ０を小さくするように設定した閾値としてもよい。つまり、記憶部に、あらかじめ定められた、高圧側圧力が高くなるほど小さくなる所定値△Ｉ０を、相関式やテーブルとして記憶させておき、電流値の変化率△Ｉが、高圧側圧力検出手段１１６が検出する圧力に応じた所定値△Ｉ０以上であれば、電流制御部１２が電圧指令値Ｖ＊の出力を停止する。

なお、電流検出部９の検出値の変化率△Ｉを用いる代わりに、直流電圧検出部１０の検出値の変化率△Ｖを用いてもよい。つまり、直流電圧検出部１０で検出した電圧値Ｖは、逐次、記憶部に記憶される。直流電圧変化率演算部は、直流電圧検出部１０で検出した電圧値Ｖと、記憶部に記憶された所定時間前の直流電圧値Ｖ’から、直流電圧値の変化率△Ｖを演算する。そして、直流電圧値の変化率△Ｖが所定値△Ｖ０未満であれば、電流制御部１２が電圧指令値Ｖ＊の出力を停止する。この場合には、所定値△Ｖ０は、図７に示すように、高圧側圧力の所定値Ｐｈ１までは一定値であり、所定値Ｐｈ１以上では、高圧側圧力が高くなるほど、所定値△Ｖ０を大きくするように設定した閾値としてもよい。

本実施の形態の冷凍サイクル装置において、不均化反応発生の原因となり得る事象について説明する。

不均化反応が発生しやすい条件は、冷媒が過度に高温高圧下での条件である。このような高温高圧下の冷媒雰囲気下にて、高エネルギ源が付加されると、反応発生の起点となり得る。それゆえ、不均化反応を抑制するには、冷媒が過度に高温高圧の雰囲気下となるのを避けるか、高温高圧の冷媒雰囲気下への高エネルギ源の付加を避ける必要がある。

本実施の形態のような冷凍サイクル装置において、これらの現象が生じる状況を考える。まず、冷媒が過度に高温高圧になる状況について考える。

室内、もしくは、室外送風ファンに起因する状況を考えると、冷媒が高圧となる凝縮器側で送風ファンが満足に働かずに送風に支障をきたした結果、冷媒から空気への放熱が進まない場合が想定される。

具体的に、送風に支障をきたしている状況として、凝縮器側の送風ファンが異常停止する場合や、凝縮器の送風ファンによって駆動される空気の送風経路が障害物によって閉塞されている場合などが想定される。凝縮器にて、冷媒からの放熱が進まないと、凝縮器内の冷媒温度、圧力が過度に上昇する。

一方、冷媒側に起因する状況としては、冷媒配管の一部の破損によって冷媒配管が閉塞する場合、設置作業やメンテナンス作業において、冷媒配管の真空引き不足等の原因によって、水分（水蒸気や、雨天時作業等、空気中に存在する水分が真空引き不足によって管内に残留した場合など）や、切りくず等の残留物（配管設置作業時に配管切断によって発生した切りくずが残留した場合など）が配管や膨張弁１０４等の冷凍サイクル回路を構成する要素に残留・堆積して、回路を閉塞する場合や、設置作業における二方弁１０９や三方弁１０８の開き忘れによる回路閉塞や、ポンプダウン運転時の運転停止忘れなどが考えられる。

圧縮機１０２の運転中に冷凍サイクル回路が閉塞すると、圧縮機１０２の吐出部から冷凍サイクル回路の閉塞部にかけての冷媒圧力、温度が過度に上昇する。

先に説明した通り、不均化反応が発生しやすい条件は過度な高温高圧下の条件であるから、これらの状況が不均化反応発生の原因になり得る。

安全性を担保するためには、上述の状況が発生した場合においても、不均化反応が発生しないような、もしくは、仮に反応が起こった場合においても、装置の破損を最小限に食い止めるような対策が必要となる。

次に、冷凍サイクル装置内で高エネルギ源が付加される状況を考える。

所定の運転条件下ではない状態、すなわち、上述の凝縮器側の送風ファン停止、冷凍サイクル回路の閉塞等によって、吐出圧力（冷凍サイクルの高圧側）が過度に上昇した状態や、圧縮機１０２の圧縮機構１０２ｃの摺動部が異物の噛み込みが発生した状態などにおいては、電動機が電気から機械エネルギへの変換と、圧縮機構へ伝達できるエネルギの上限値を超え、圧縮機構がそれ以上は冷媒を昇圧する圧縮仕事を行えなくなる、いわゆる圧縮機１０２のロック異常が生じる。

この状態下においても、圧縮機１０２への電力供給を続けると、圧縮機１０２を構成する電動機１０２ｅへ電力が過剰に供給され、電動機１０２ｅが異常に発熱する。その結果、電動機１０２ｅの固定子１０２２ｅを構成する巻線の絶縁体が破損して、巻線の導線同士が直接接触し、レイヤーショートと呼ばれる現象を引き起こす。レイヤーショートは、冷媒雰囲気下にて、高エネルギが発生する現象（放電現象）なので、不均化反応の起点となり得る。

このレイヤーショート以外にも、電動機１０２ｅへ電力が過剰に供給されると、電動機１０２ｅへ電力を供給するリード線や給電ターミナルの絶縁体が破損して、ショートが発生する恐れがあり、これらの箇所でのショートも、不均化反応の起点となり得る。

しかし、本実施の形態においては、電動機１０２ｅは永久磁石を備えた回転子１０２１ｅを備えている。回転子に永久磁石を備えた電動機は、モータ効率が高いので、熱損失が軽減できる。このため、電動機１０２ｅの過度の温度上昇を抑制できる。このため、不均化反応の発生、または、進行を抑制できる。

また、モータ効率向上にともなって、三相巻線の巻き数を少なくできるため、コイルエンドの体積を小さくできる。これにより、コイルエンド１０２３ｅで生じやすいレイヤーショートを、生じにくくすることができ、不均化反応の発生、または、進行を抑制できる。

さらに、電動機１０２ｅは集中巻きの電動機であることが望ましい。集中巻にすることで、コイルエンドをより小さくすることができるので、コイルエンドで生じやすいレイヤーショートを、生じにくくすることができる。このため、不均化反応の発生、または、進行をより抑制できる。

また、永久磁石は、ネオジム磁石であることが望ましい。これによれば、他の磁石に比較して、ネオジム磁石は磁力が大きいため、三相巻線の巻き数を少なくできる。その結果、コイルエンド１０２３ｅの体積が小さくできるので、コイルエンド１０２３ｅで生じやすいレイヤーショートを、生じにくくすることができる。このため、不均化反応の発生、または、進行を抑制できる。

また、３本のリード線１０２ｉのそれぞれは、給電ターミナル１０２ｈでの各リード線１０２ｉの間隔以上の距離を保って、コイルエンド１０２３ｅから給電ターミナル１０２ｈへと延びているので、密閉容器１０２ｇ内におけるリード線１０２ｉ同士の間隔が大きくなるので、レイヤーショートを生じにくくすることができ、不均化反応の発生、または、進行を抑制できる。

また、回転子位置速度推定部１５が、電動機１０２ｅへの入力電流、または、回転子１０２１ｅの磁極位置の情報によって、回転子１０２１ｅが回転しているか否かを検出している。そして、圧縮機１０２の回転後、目標速度ω＊がゼロでない状態で、かつ、回転子１０２１ｅの推定回転数がゼロである、つまり、回転子１０２１ｅが回転していないと推
定すると、電流制御部１２が電圧指令値Ｖ＊の出力を停止する。

つまり、圧縮機１０２の起動後、圧縮機１０２への停止指示があるまでの期間に、回転子１０２１ｅが回転していないと推定すると、圧縮機１０２を停止させる。

このため、電動機１０２ｅがトルク不足の状態、つまり、圧縮機１０２のロック異常の状態には、電動機駆動装置１１５から電動機１０２ｅへと電力が過剰に供給されることがない。このため、不均化反応の起点となりうる圧縮機１０２への過剰な電力供給を防止できるので、不均化反応の発生、または、進行を抑制できる。

また、目標速度ω＊がゼロでなく、電流検出部９の検出値の変化率△Ｉが所定値△Ｉ０以上であれば、電流制御部１２が電圧指令値Ｖ＊の出力を停止する。電流検出部９の検出値の変化率△Ｉを用いることで、レイヤーショート等が生じた際の急激な電流値の上昇を検出できるため、不均化反応が進行する前に、電動機駆動装置１１５から電動機１０２ｅへと電力供給を停止できる。

なお、上述の電流検出部９の検出値の変化率△Ｉを用いて、電動機１０２ｅの回転指令を停止する制御は、高圧側圧力検出手段１１６が検出する圧力が、所定値Ｐｈ０以上の場合に限って行ってもよい。または、吐出温度検出手段１１７が検出する温度が、所定値Ｔｄ０以上の場合に限って行ってもよい。

これによれば、不均化反応が進行しやすい高圧下や高温下では、不均化反応の進行を阻止できる。このため、安全性が向上する。また、不均化反応が進行しにくい条件では、不必要に、電動機１０２ｅが停止することを防止できる。

また、所定値△Ｉ０は、高圧側圧力検出手段１１６の検出値が大きいほど小さくなるように設定してもよい。これによれば、不均化反応が進行しやすい高圧下では、不均化反応の進行を阻止できる。また、不均化反応が進行しにくい条件では、不必要に、電動機１０２ｅが停止することを防止できる。

または、目標速度ω＊がゼロでなく、直流電圧検出部１０の検出値の変化率△Ｖが所定値△Ｖ０未満であれば、電流制御部１２が電圧指令値Ｖ＊の出力を停止する。直流電圧検出部１０の検出値の変化率△Ｖを用いることで、レイヤーショートが生じた際の急激な直流電圧値の低下を検出できるため、不均化反応が進行する前に、電動機駆動装置１１５から電動機１０２ｅへと電力供給を停止できる。

なお、上述の直流電圧検出部１０の検出値の変化率△Ｖを用いて、電動機１０２ｅの回転指令を停止する制御は、高圧側圧力検出手段１１６が検出する圧力が、所定値Ｐｈ０以上の場合に限って行ってもよい。または、吐出温度検出手段１１７が検出する温度が、所定値Ｔｄ０以上の場合に限って行ってもよい。

これによれば、不均化反応が進行しやすい高圧下や高温下では、不均化反応の進行を阻止できる。このため、安全性が向上する。また、不均化反応が進行しにくい条件では、不必要に、電動機１０２ｅが停止することを防止できる。

また、所定値△Ｖ０は、高圧側圧力検出手段１１６の検出値が大きいほど大きくなるように設定してもよい。これによれば、不均化反応が進行しやすい高圧下では、不均化反応の進行を阻止できる。また、不均化反応が進行しにくい条件では、不必要に、電動機１０２ｅが停止することを防止できる。

なお、不均化反応発生の抑止策として、上述したような、圧縮機１０２への供給電力の停止に併せて、四方弁１０６を均圧方向へ切り替え（暖房運転ならば冷房運転へ、冷房運転ならば暖房運転へ）てもよい。または、圧縮機１０２への供給電力の停止に併せて、開閉弁１１３ａを開として、バイパス手段１１３を介して圧縮機１０２の吐出側と吸入側を連通させてもよい。または、圧縮機１０２への供給電力の停止に併せて、リリーフ弁１１４を開として、冷媒を外部空間へ放出してもよい。これらによって、冷凍サイクル回路内の高圧側圧力を低下させることができるので、不均化反応の発生、または、進行を抑制できる。

なお、圧縮機１０２は、ロータリ式圧縮機として説明したが、他の形式、例えば、スクロール式、レシプロ式などの容積式圧縮機、もしくは、遠心式圧縮機を用いても良い。

上述したように、本発明にかかる冷凍サイクル装置は、Ｒ１１２３を含む作動流体を用いるのに適しているため、給湯器、カーエアコン、冷凍冷蔵庫、除湿機等の用途にも適用できる。

９ 電流検出部
１０ 直流電圧検出部
１００ 冷凍サイクル装置
１０１ａ 室内機ユニット
１０１ｂ 室外機ユニット
１０２ 圧縮機
１０２ａ 吸入管
１０２ｃ 圧縮機構
１０２ｄ 吐出空間
１０２ｅ 電動機
１０２ｆ オイル溜り
１０２ｇ 密閉容器
１０２ｈ 給電ターミナル
１０２ｉ リード線
１０２ｊ 上軸受
１０２ｋ 下軸受
１０２ｌ 吐出マフラー
１０２ｍ クランクシャフト
１０２１ｃ 圧縮室
１０２１ｅ 回転子
１０２２ｃ ピストン
１０２２ｅ 固定子
１０２３ｃ シリンダ
１０２３ｅ コイルエンド
１０３ 室内熱交換器
１０４ 膨張弁
１０５ 室外熱交換器
１０６ 四方弁
１０７ａ 室内送風ファン
１０７ｂ 室外送風ファン
１０８ 三方弁
１０９ 二方弁
１１１ａ 液管
１１１ｂ ガス管
１１２ 配管接続部
１１３ バイパス手段
１１３ａ 開閉弁
１１４ リリーフ弁
１１５ 電動機駆動装置
１１６ 高圧側圧力検出手段
１１７ 吐出温度検出手段

Claims (10)

1. 電動機を備えた圧縮機と、凝縮器と、膨張弁と、蒸発器とを接続した冷凍サイクル回路を備え、前記冷凍サイクル回路に封入する冷媒として、１，１，２−トリフルオロエチレンとジフルオロメタンとを含む作動流体を用い、前記電動機を駆動する電動機駆動装置を備え、前記電動機駆動装置は回転数推定手段を有し、前記電動機駆動装置は、前記圧縮機の目標回転数がゼロでないとき、かつ前記回転数推定手段により回転数がゼロと推定されるときに前記電動機への電力供給を停止することを特徴とする冷凍サイクル装置。
2. 前記回転数推定手段は、前記電動機へ入力する電流の検出値から回転数を推定することを特徴とする請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
3. 前記電動機は、回転子と前記回転子の周囲に配置された固定子とを備え、前記回転数推定手段は、前記回転子の磁極位置の情報に基づいて回転数を推定することを特徴とする請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
4. 前記回転子は永久磁石を備えることを特徴とする請求項３に記載の冷凍サイクル装置。
5. 前記固定子は、集中巻きの固定子であることを特徴とする請求項４に記載の冷凍サイクル装置。
6. 前記永久磁石はネオジム磁石であることを特徴とする請求項４に記載の冷凍サイクル装置。
7. 前記電動機駆動装置は前記電動機に入力される電流を検出する電流検出手段を備え、前記電流検出手段の検出値の変化率が所定値以上となった場合には、前記電動機への電力供給を停止することを特徴とする請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
8. 電動機を備えた圧縮機と、凝縮器と、膨張弁と、蒸発器とを接続した冷凍サイクル回路を備え、前記冷凍サイクル回路に封入する冷媒として、１，１，２−トリフルオロエチレンとジフルオロメタンとを含む作動流体を用い、前記電動機を駆動する電動機駆動装置を備え、前記電動機駆動装置は前記電動機に入力される電流を検出する電流検出手段を備え、前記電流検出手段の検出値の変化率が所定値以上となった場合には、前記電動機への電力供給を停止し、前記圧縮機の吐出部と前記膨張弁の入口との間に設けられた高圧側圧力検出手段を備え、前記高圧側圧力検出手段の検出値が大きくなるほど、前記所定値を小さくすることを特徴とする冷凍サイクル装置。
9. 電動機を備えた圧縮機と、凝縮器と、膨張弁と、蒸発器とを接続した冷凍サイクル回路を備え、前記冷凍サイクル回路に封入する冷媒として、１，１，２−トリフルオロエチレンとジフルオロメタンとを含む作動流体を用い、前記電動機を駆動する電動機駆動装置を備え、前記電動機駆動装置は回転数推定手段を有し、前記電動機駆動装置は前記電動機に入力される電流を検出する電流検出手段を備え、前記電動機駆動装置は前記電動機に入力される電流を検出し、前記圧縮機の吐出部と前記膨張弁の入口との間に設けられた高圧側圧力検出手段を備え、前記高圧側圧力検出手段の検出値が所定値以上で、かつ、前記電流検出手段の検出値の変化率が所定値以上となった場合には、前記電動機への電力供給を停止することを特徴とする冷凍サイクル装置。
10. 電動機を備えた圧縮機と、凝縮器と、膨張弁と、蒸発器とを接続した冷凍サイクル回路を備え、前記冷凍サイクル回路に封入する冷媒として、１，１，２−トリフルオロエチレンとジフルオロメタンとを含む作動流体を用い、前記電動機を駆動する電動機駆動装置を備え、前記電動機駆動装置は回転数推定手段を有し、前記電動機駆動装置は前記電動機駆動装置に入力される電圧を検出する電圧検出手段を備え、前記電動機駆動装置は前記電動機駆動装置に入力される電圧を検出し、前記圧縮機の吐出部と前記膨張弁の入口との間に設けられた高圧側圧力検出手段を備え、前記高圧側圧力検出手段の検出値が所定値以上で、かつ、前記電圧検出手段の検出値の変化率が所定値未満となった場合には、前記電動機への電力供給を停止することを特徴とする冷凍サイクル装置。