JP2011530968A - ユニットの容量制御のための個別の周波数を用いた動作 - Google Patents

Abstract

冷媒システム２０において使用される可変速電気駆動部は、モータ４０の動作周波数の関数である可変速度で関連した構成要素２２を駆動する電気モータ４０と、連続的な可変速度で関連した構成要素２２を駆動するように電気モータに交流の個別の駆動周波数を供給するためのコントローラ４２と、を備えている。コントローラ４２は、関連した構成要素２２を駆動する平均合成可変速度が、選択した少なくとも２つの個別の周波数の組み合わせの関数となるように、少なくとも２つの個別の周波数の間で電気モータ４０への駆動周波数を循環させる。

Description

本発明は、電気モータに関し、特に、複数の個別の周波数を用いた電気モータの制御に関する。

冷媒システムにおいて、電気モータが、コンプレッサ、ファン、ポンプおよび種々の他の構成要素を駆動するように広く用いられてきた。周知のように、一般の冷媒システムでは、コンプレッサは、冷媒を圧縮し、この圧縮冷媒は、（通常はコンデンサまたはガスクーラである）第１の熱交換器へ送られる。第１の熱交換器を出た後、この冷媒は、膨張装置へと通流し、膨張装置において、冷媒の温度が、冷却し温度制御環境へ輸送すべき空気の温度よりも低下する。そして、この冷媒は、第２の熱交換器を通して送られる。一般に、上記第２の熱交換器は、エバポレータであり、該エバポレータにおいて、冷媒は、空気から熱を吸収して（空気を冷却して）蒸発し、再びコンプレッサへ流入する。

冷媒システムをより良く制御し、システムの効率を向上させるために、可変速電気モータが、上記のシステムにおいて、より一層用いられるようになっている。可変速の駆動によって、設計者にとっては、システムの動作および制御の自由度が高くなる。一般の電気モータにおいては、モータの動作速度は、モータの入力周波数および極数の関数である。したがって、冷媒システムの関連した構成要素のモータによる駆動速度を変化させるために、モータが異なる速度で構成要素を実質的に駆動するように電気モータの入力周波数を変化させることができる。このように、冷媒システムの可変速モータおよび関連した従動装置は、動作周波数の広い周波数域にわたって動作することができる。冷媒システムの条件や熱負荷の要求が変化するので、可変速モータのコントローラが、動作周波数を変化させることができる。一般に、可変速モータの周波数は、ゼロから望ましい動作周波数へと増加する。したがって、周波数は、ゼロから、望ましい冷却容量等を実現するように選択され得る設定動作周波数へと増加する。さらに、停止時には、周波数は、この動作周波数からゼロへ戻る。

しかし、上記のシステムの問題は、特定の動作周波数が、望ましくない状態、例えば、機械共振や音響共鳴を生じさせ、この望ましくない状態が冷媒システムの構成要素の騒音および過度の振動を生じさせ得ることである。モータの周波数がゼロから望ましい動作周波数へと増加する上記のシステムは、起動時および停止時の双方において、これらの共振や共鳴が生じる周波数を通過し得る。また、コントローラは、外部の熱負荷要求を満足するように動作中に周波数を変化させるので、避けるべき共振周波数領域の１つに電気モータの動作を移動させてしまうことがある。過度の振動、騒音および脈動が発生し、冷媒システムの構成要素が損傷し得るので、これは望ましくない。システムの周波数は、複数のモータ動作速度周波数によって、もしくは、従動装置自体の動作速度周波数（または該動作周波数の整数倍の動作周波数）によって共振し得る。例えば、従動装置がギアボックス、プーリまたは他の同様の手段を介してモータに取り付けられている場合には、従動装置の運転速度周波数は、モータの運転速度周波数とは異なり得ることに留意されたい。

あるシステムでは、可能な限り共振を防止するために、無段階の制御を用いて非常に制限された時間の間、上記の望ましくない周波数で動作を行うことにより、上記の問題を克服するという試みがなされてきた。しかし、この方法では、望ましくない周波数を完全に避けることができない。

本発明の実施例では、電気モータは、電気モータの動作周波数の関数である望ましい可変速度で冷媒システムの関連した構成要素を駆動する。本発明では、制御装置を用いて、冷媒システムの対応した構成要素のモータによる合成駆動速度が、選択された駆動周波数の組み合わせの関数となるように、複数の駆動周波数の間で電気モータへの駆動周波数を交互に切り替えることによって、モータの動作周波数が制御される。

本発明の冷媒システムを概略的に示した図である。 コンプレッサの容量対コンプレッサに取り付けられた電気モータの動作周波数のグラフである。 コンプレッサの振動対コンプレッサに取り付けられた電気モータの動作周波数のグラフである。 コンプレッサの効率対コンプレッサに取り付けられた電気モータの動作周波数のグラフである。

複数の個別の周波数を用いた電気モータの可変速制御は、空調システム、冷凍システムやヒートポンプシステムを含む冷媒システムの広い範囲に適用することができる。（居住用や商業用の建物の快適領域の用途や、冷凍容器および冷凍商品の用途の）固定式システムと、（コンテナおよびトラック／トレーラの冷凍の用途や、自動車／バスの空調の用途の）輸送システムとの双方が、個別の周波数を用いた可変速制御を利用することができる。特に、複数の個別の周波数を用いて、（単一の構成やタンデム式の構成での動作において）コンプレッサを可変制御することができる。コンプレッサは、往復動型、スクロール型、スクリュ型、ロータリ型および遠心型を含む種々の異なる形式とすることができる。

図１には、一般の冷媒システム２０が示されており、該冷媒システム２０は、第１の熱交換器２４へ圧縮冷媒を輸送するコンプレッサ２２を備えている。第１の熱交換器２４は、第１の熱交換器２４を横切って空気を移動させる空気移動装置、例えば、ファン２６と関連している。第１の熱交換器２４を通流した後は、冷媒は、膨張装置２８を通過して第２の熱交換器３０へ流入する。また、第２の熱交換器３０は、空気移動装置、例えば、ファン３２と関連し得る。

一般の冷媒システム２０を示したが、例えば、上述した種々の形式の冷媒システムとすることもできる。特定の形式のシステムに基づいて、付加的な構成要素が、冷媒システム２０のサブシステムを形成することもできる。

コンプレッサ２２は、一般に誘導型の電気モータであるモータ４０によって駆動される。モータ用コントローラ４２が、モータ４０に接続されており、該モータ４０の動作を制御している。１つの実施例では、モータ用コントローラ４２は、段階モードでの可変速制御を用いて動作するようにモータ４０を制御する。モータ４０は、１３０Ｈｚまでの周波数で動作し、一般には、１５〜１２０Ｈｚの範囲で動作し、好ましくは、４５〜９０Ｈｚの範囲で動作し得る。

モータ用コントローラ４２は、望ましい周波数ｆ₀でモータ４０を一定に動作させる、または、少なくとも２つの周波数（もしくは周波数帯）ｆ₁，ｆ₂の間でモータ４０の動作周波数を交互に切り替えるように構成することができる。少なくとも２つの周波数の間で動作周波数を交互に切り替えることにより、モータ４０は、周波数ｆ₀での連続的な動作に関連し得るモータ４０やコンプレッサ２２の望ましくない特性（例えば、振動、脈動、音響共鳴）を防止しつつ、望ましい周波数ｆ₀で一定に動作しているのと同じように、駆動することができる。

モータ用コントローラ４２は、平均合成動作周波数がｆ₀となるように、時間間隔ｔ₁の間は周波数ｆ₁で作動し、時間間隔ｔ₂の間は周波数ｆ₂で作動することができる。１つの例として、コンプレッサ２２を動作させるのに望ましい周波数を５０Ｈｚとすることができる。１つの解決策では、モータ用コントローラ４２は、時間間隔ｔ₁が時間間隔ｔ₂に等しい場合は、時間間隔ｔ₁の間は４０Ｈｚで作動し、時間間隔ｔ₂の間は６０Ｈｚで作動し、または、時間間隔３ｔ₁が時間間隔ｔ₂に等しい場合は、時間間隔ｔ₁の間は２０Ｈｚで作動し、時間間隔ｔ₂の間は６０Ｈｚで作動するように交互に切り替えることができるように構成されており、もしくは他の同様の組み合わせとすることができる。また、モータ用コントローラ４２は、上記の組み合わせが平均動作周波数ｆ₀を生じさせるように、時間間隔にわたって３つ以上の周波数で作動することができる。特定の周波数でモータ４０を動作する時間は、（例えば、温度制御環境の過度の冷却や冷却不足を防止するために）、望ましい長さに短縮もしくは延長され得る。周波数ｆ₁および周波数ｆ₂が互いに数ヘルツの範囲内にあるときには、上述した望ましくない影響を生じることなく、時間間隔ｔ₁および時間間隔ｔ₂の長さは、（５分間だけ）延長され得る。

図２Ａ、図２Ｂおよび図２Ｃには、本明細書で説明したモータ４０の動作方法を用いて実現することができる結果の例が示されている。周波数は、システムの動作条件や環境条件、熱負荷要求および他の要因に基づいて変化し得る。特定の望ましい周波数および望ましくない周波数は、実験室において実験的に決定されるか、冷媒システム２０の組立または設置の後、もしくはこれらの最中に構成要素に取り付けることができる種々の形式のセンサ、例えば、センサ４６によって識別され得る。

１つの例として、図２Ａには、３つの異なる周波数ｆにおけるコンプレッサ２２の容量Ａが示されている。この例では、周波数ｆ₁は３８Ｈｚであり、周波数ｆ₂は４２Ｈｚである。望ましい容量をＡ₂とすると、コンプレッサ２２を動作させるのに望ましい周波数ｆ₀は４０Ｈｚである。しかし、図２Ｂに示したように、４０Ｈｚつまり周波数ｆ₀における振動は、３８Ｈｚつまり周波数ｆ₁および４２Ｈｚつまり周波数ｆ₂における振動よりも高い。さらに、図２Ｃに示したように、４０Ｈｚつまり周波数ｆ₀におけるコンプレッサ２２の効率は、３８Ｈｚつまり周波数ｆ₁および４２Ｈｚつまり周波数ｆ₂における効率よりも低い。３８Ｈｚで５０％の時間の間、かつ４２Ｈｚで５０％の時間の間、コンプレッサを動作させた場合には、コンプレッサ２２の効率を向上させ、かつ振動レベルを減少させたまま、同一の望ましい容量Ａ₂を実現することができる。

上記の例で説明したように、本発明において、一連の個別の駆動周波数を用いることにより、コンプレッサ２２の動作範囲全体にわたって連続的な可変出力速度を実現することができる。可変速の動作は、出力速度（およびコンプレッサの容量）が交流の個別の駆動周波数における平均合成周波数の関数として連続的に可変となるように、コンプレッサのモータ４０に交流の個別の駆動周波数を供給することにより提供される。

モータ用コントローラ４２は、モータの動作周波数を制御することができるオン・オフスイッチまたは論理回路を備えることができる。さらに、モータ用コントローラ４２を、手動で動作する、予めプログラムする、自己調整する、適合可能とすることができ、もしくは、望ましい動作周波数をモータ４０に供給するように他の方法で構成することができる。冷媒システム用コントローラ５０は、モータ用コントローラ４２と関連するか、もしくはモータ用コントローラ４２を備えることができる。冷媒システム用コントローラ５０は、ユーザーインターフェース５２を介して使用者による入力に基づいて動作することができる。

さらに、モータ用コントローラ４２は、作業者がモータ用コントローラ４２をプログラムするセットアップモードもしくは較正モードを備えることができる。冷媒システム２０の他の実施例では、モータ用コントローラ４２は、自己調整式であり、動作モードにおいて実行中補正（ｏｎ−ｔｈｅ−ｆｌｙ ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ）を提供する。実行中補正において、モータ用コントローラ４２は、望ましくない周波数を避けるために、パラメータの問題、例えば、過度の振動を識別し、周波数ｆ₁または周波数ｆ₂の一方または双方を調整し、これにより、自己補正を行う。モータ用コントローラ４２は、望ましくない周波数のルックアップテーブルのようなデータを備えるか、もしくは蓄積することもできる。コンプレッサ２２の動作に関連したパラメータの１つ、例えば、振動や音響共鳴を識別し、対応したデータをモータ用コントローラ４２またはシステム用コントローラ５０へ送信するように、冷媒システム２０内に変換器４６や他のセンサを構成することもできる。冗長性を与えるために、コンプレッサ２２の望ましくない動作条件を判断するように、システム２０の全体にわたって複数の変換器４６を用いることができる。

対応したファン用コントローラ６２，７２によってそれぞれ制御されるモータ６０，７０によって、ファン２６，３２を動作することができる。１つの実施例では、ファン用コントローラ６２，７２は、モータ用コントローラ４２について上述した１つまたは複数の特徴をそれぞれ備えている。コンプレッサ２２について上述したように、少なくとも１つの変換器６６，７６が、ファンの望ましくない動作条件（例えば、周波数）を識別するようにファン２６，３２と関連することができる。冷媒システム５０は、ファン用コントローラ６２，７２を備えるか、もしくはファン用コントローラ６２，７２に接続され得る。

電気モータによって駆動される他の冷媒システムの構成要素、例えば、液体ポンプが、本発明の範囲内にあるとともに、本発明から同様に恩恵を受けることができる。

本発明の望ましい実施例を説明してきたが、当業者であれば、特許請求の範囲によって画定された本発明の範囲を逸脱することなく、形態および詳細の変更がなされ得ることを理解するであろう。

Claims (14)

1. 可変速度で関連した構成要素を駆動し、この可変速度が当該電気モータの動作周波数の関数となる電気モータと、
   前記関連した構成要素を駆動する可変速度が少なくとも２つの周波数の組み合わせの関数となるように、前記少なくとも２つの周波数の間で前記電気モータの動作周波数を循環させることによって、連続的な可変速度で前記関連した構成要素を駆動するように、前記電気モータの動作周波数を制御する、コントローラと、
   を備えた冷媒システム。
2. 前記関連した構成要素は、コンプレッサであることを特徴とする請求項１に記載の冷媒システム。
3. 前記コンプレッサから冷媒を受けるように接続された第１の熱交換器と、
   前記第１の熱交換器から冷媒を受けるように接続された膨張装置と、
   前記膨張装置から冷媒を受け、前記コンプレッサへ冷媒を供給するように接続された第２の熱交換器と、
   をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の冷媒システム。
4. 前記電気モータは、第１の時間間隔の間は第１の周波数で動作され、第２の時間間隔の間は第２の周波数で動作されることを特徴とする請求項１に記載の冷媒システム。
5. 前記コントローラは、センサに応答することを特徴とする請求項１に記載の冷媒システム。
6. 前記センサは、振動用センサであることを特徴とする請求項５に記載の冷媒システム。
7. 前記センサは、音響用センサであることを特徴とする請求項６に記載の冷媒システム。
8. 第１の電気モータによって駆動されるコンプレッサと、
   第２の電気モータによって駆動される第１の空気移動装置と関連し、前記コンプレッサから冷媒を受けるように接続された第１の熱交換器と、
   前記第１の熱交換器から冷媒を受けるように接続された膨張装置と、
   第３の電気モータによって駆動される第２の空気移動装置と関連し、前記膨張装置から冷媒を受け、前記コンプレッサへ冷媒を供給するように接続された第２の熱交換器と、
   前記電気モータの速度が複数の駆動周波数の組み合わせの関数となるように前記複数の駆動周波数の間で循環させることによって、少なくとも１つの前記電気モータを動作する可変速コントローラと、
   を備えた冷媒システム。
9. 前記可変速コントローラは、第１の時間間隔の間は第１の周波数で、第２の時間間隔の間は第２の周波数で、前記電気モータを動作するようにプログラムされていることを特徴とする請求項８に記載の冷媒システム。
10. 第１の熱交換器、膨張装置および第２の熱交換器を有した冷媒システムにおいてコンプレッサを動作する方法であって、
    可変周波数入力の関数として出力速度を有したモータ出力を生成するように、前記コンプレッサに接続された電気モータへ可変周波数入力を与えるステップと、
    前記電気モータの平均出力速度が複数の周波数の組み合わせの関数となるように、前記複数の周波数の間で前記可変周波数入力を循環させるステップと、
    前記モータ出力速度の関数である速度で前記コンプレッサを駆動するステップと、
    を含む方法。
11. コンプレッサと、
    前記コンプレッサから冷媒を受けるように接続された第１の熱交換器と、
    膨張装置から冷媒を受け、前記コンプレッサへ冷媒を供給するように接続された第２の熱交換器と、
    可変周波数電気入力の周波数の関数である出力速度で動作する可変速電気モータであって、当該電気モータの出力速度の関数として可変コンプレッサ速度を与えるように前記コンプレッサに接続された可変速電気モータと、
    周波数範囲にわたって前記可変周波数電気入力を供給する可変速コントローラであって、前記周波数範囲の少なくとも一部において、出力合成速度が複数の個別の周波数の時間平均の関数となるように前記複数の個別の周波数の間で前記電気入力を交互に切り換える、可変速コントローラと、
    を備えた冷媒システム。
12. 前記可変速コントローラは、動作範囲内に少なくとも１つの望ましくない周波数を蓄積し、前記可変速電気モータの速度が前記複数の個別の周波数の組み合わせの関数となるように、前記望ましくない周波数とは異なる個別の周波数の間で循環させることによって前記望ましくない周波数を避けることを特徴とする請求項１１に記載の冷媒システム。
13. 可変速モータを有したコンプレッサと、
    前記コンプレッサから冷媒を受けるように接続された第１の熱交換器と、
    前記第１の熱交換器から冷媒を受けるように接続された膨張装置と、
    前記膨張装置から冷媒を受け、前記コンプレッサへ冷媒を供給するように接続された第２の熱交換器と、
    前記コンプレッサの出力速度が交流の個別の駆動周波数の平均の関数となるように、前記交流の個別の駆動周波数を含む可変速モータの電気入力を供給することによって、出力速度範囲にわたって連続的な可変速度で前記コンプレッサを動作する、コントローラと、
    を備えた冷媒システム。
14. 前記コンプレッサの出力速度は、前記交流の個別の駆動周波数と、該交流の個別の駆動周波数の各々における供給時間の割合との関数であることを特徴とする請求項１３に記載の冷媒システム。

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