热泵装置、空调机以及制冷机.pdf

本发明的目的在于获得一种不受电动机转子停止位置影响，能稳定地加热压缩机的热泵装置。本发明的热泵装置具备：压缩机（1），其包括压缩机构（7）以及电动机（8）；热交换器（3、5）；逆变器（9）；以及逆变器控制部（10），其包括生成逆变器（9）的驱动信号的驱动信号生成部（15）、以及在对电动机施加电动机无法驱动旋转的高频电压来加热压缩机的情况下控制驱动信号生成部（15）的加热运转模式控制部（12）。加热运转模式控制部（12）具备：磁极位置推断部（13），其对表示电动机（8）的转子停止位置的磁极位置进行推断；以及高频通电部（14），其基于磁极位置的推断结果以及所需加热量来决定以正弦波表现的电压指令的振幅以及相位，并将所决定的振幅以及相位通知给驱动信号生成部（15），使其生成驱动信号。

权利要求书
1.  一种热泵装置，其包括：压缩机，其包括压缩制冷剂的压缩机构、以及驱动所述压缩机构的电动机；热交换器；逆变器，其对所述电动机施加期望的电压；以及逆变器控制部，其包括生成所述逆变器的驱动信号的驱动信号生成部、以及在对所述电动机施加所述电动机无法旋转驱动的高频电压来加热所述压缩机的情况下控制所述驱动信号生成部的加热运转模式控制部，
所述热泵装置的特征在于：
所述加热运转模式控制部具备：
磁极位置推断部，其基于所述电动机的感应电压对表示所述电动机的转子停止位置的磁极位置进行推断；以及
振幅相位决定部，其基于所述磁极位置的推断结果以及预先指定的所需加热量，来决定以正弦波表现的电压指令的振幅以及相位，并将该决定出的振幅以及相位通知所述驱动信号生成部，使其生成基于通知内容的驱动信号。

2.  根据权利要求1所述的热泵装置，其特征在于：
所述振幅相位决定部决定所述振幅以及相位，以获得由用户指定的发热量。

3.  根据权利要求2所述的热泵装置，其特征在于：
所述振幅相位决定部保持有用户可指定的发热量与所述振幅以及与所述磁极位置的对应表，在用户指定发热量的情况下，选择与该时点的磁极位置以及所指定的发热量相对应的振幅。

4.  根据权利要求1、2或3所述的热泵装置，其特征在于：
所述磁极位置推断部在所述电动机的转子即将停止前对所述磁极位置进行推断并存储，
所述振幅相位决定部使用由所述磁极位置推断部存储的磁极位置来决定振幅以及相位。

5.  根据权利要求1至4中任一项所述的热泵装置，其特征在于：
所述逆变器使施加给所述电动机的电压频率成为高于人的可听声频率的上限的频率。

6.  根据权利要求1至5中任一项所述的热泵装置，其特征在于：
所述振幅相位决定部，与在所述驱动信号生成部生成驱动信号时使用的载波信号的顶点或底点、或者顶点以及底点同期地使所述相位变化半周期。

7.  根据权利要求1至6中任一项所述的热泵装置，其特征在于：
构成所述逆变器的开关元件中的至少一个由宽禁带半导体形成。

8.  根据权利要求1至6中任一项所述的热泵装置，其特征在于：
构成所述逆变器的开关元件的二极管由宽禁带半导体形成。

9.  根据权利要求7或8所述的热泵装置，其特征在于：
所述宽禁带半导体为碳化硅、氮化镓类材料或金刚石。

10.  一种空调机，其特征在于：
具备权利要求1至9中任一项所述的热泵装置。

11.  一种制冷机，其特征在于：
具备权利要求1至9中任一项所述的热泵装置。

说明书热泵装置、空调机以及制冷机
技术领域
本发明涉及使用压缩机的热泵装置，特别是应用于空调机、制冷机、温水机等的热泵装置。
背景技术
作为现有的热泵装置，有为了提高空调机启动制热时的起动速度而在制热时的运转停止过程中向压缩机供给高频低电压的热泵装置(例如，参见专利文献1)。作为相同的技术，还有在检测到空调机的周围温度为低温状态时，向压缩机供给与通常运转期间相比高频的单相交流电压的热泵装置(例如，参见专利文献2)。
此外，还有为了防止产生制冷剂休眠现象，在对压缩机进行预加热的限制通电中，作为压缩机电动机的驱动信号，通过两相调制方式的PWM输出，生成以规定相位角进行静止输出的信号的热泵装置(例如，参见专利文献3)。
专利文献1：日本实开昭60-68341号公报
专利文献2：日本特开昭61-91445号公报
专利文献3：日本特开2007-166766号公报
发明内容
在上述专利文献1和2中，示出了基于外部空气温度的下降而对压缩机施加高频交流电压来对压缩机进行加热或保温，从而使压缩机内部的润滑作用顺利进行的技术。
但是，在专利文献1没有针对高频低电压的详细记载，因为没有考虑到取决于转子停止位置的输出变化，因此存在有可能无法获得所需的压缩机加热量的问题。
另一方面，在上述专利文献2中，记载了以例如25kHz的高频单相交流电源施加电压，并示出了如下效果，通过避开可听声频率范围来抑制噪音，通过避开共振频率来抑制振动，通过基于绕组电感量的小电流化来减少输入以及防止温度上升、以及抑制压缩机的旋转部的旋转。
但是，在专利文献2的技术中，因为是高频单相交流电源，所以如专利文献2的图3所示那样，所产生的全部开关元件断开的全断开区间比较长。此时，存在如下问题，高频电流不会经由回流二极管回流到电动机而是再生为直流电源，断开区间的电流的衰减快，高频电流无法高效率地流过电动机，从而压缩机的加热效率恶化。此外，在使用小型小铁损的电动机的情况下，还存在相对于施加电压的发热量变小，无法以可使用范围内的电压获得所需加热量的问题。
此外，在专利文献3中公开了通过使直流电流流过电动机绕组的限制通电，以不使转子旋转的方式进行予热的技术。
但是，随着近年的电动机的高效率设计，电动机的绕组电阻有减小的趋势，所以在如专利文献3所示的在电动机绕组中流过直流电流的予热方法的情况下，发热量是通过绕组电阻与电流的平方来得出的，因此绕组电阻减少的话电流必须相应地增加。其结果是，逆变器的损失增大而导致发热会成为问题，还会出现可靠性下降、散热结构成本增加等其他问题。
本发明鉴于上述问题而完成，其目的在于获得一种不受电动机的转子停止位置影响而能够稳定加热压缩机的热泵装置、空调机以及制冷机。
此外，其目的还在于获得一种能够有效实现所需加热输出的热泵装置、空调机以及制冷机。
为了解决上述问题并达成目的，本发明的热泵装置，其具备：压缩机，其包括压缩制冷剂的压缩机构以及驱动上述压缩机构的电动机；热交换器；逆变器，其对上述电动机施加期望的电压；以及逆变器控制部，其包括生成上述逆变器的驱动信号的驱动信号生成部以及在对上述电动机施加上述电动机无法旋转驱动的高频电压来加热上述压缩机的情况下控制上述驱动信号生成部的加热运转模式控制部，该热泵装置的特征在于，上述加热运转模式控制部具备：磁极位置推断部，其基于上述电动机的感应电压对表示上述电动机的转子停止位置的磁极位置进行推断；以及振幅相位决定部，其基于上述磁极位置的推断结果以及预先指定的所需加热量，来决定以正弦波表现的电压指令的振幅以及相位，将该决定出的振幅以及相位通知上述驱动信号生成部，使其生成基于通知内容的驱动信号。
根据本发明所涉及的热泵装置，能够不取决于电动机的转子停止位置稳定地加热压缩机、避免制冷剂休眠现象，并且能够实现节能化的效果。
附图说明
图1是表示本发明所涉及的热泵装置的实施方式1的结构示例的图。
图2是表示热泵装置的主要结构的一个示例的图。
图3是表示嵌入式磁铁型同步电动机的转子构造的图。
图4是表示从具备图3所示的转子的电动机的定子侧观察的电感特性的图。
图5是表示与图4所示的电感特性相对应的电流特性的图。
图6是表示PWM信号生成部的一相的信号生成方法的图。
图7是表示过热运转时的逆变器的8种开关模式的图。
图8是表示PWM信号生成部的PWM信号生成动作的图。
图9是与图8所示的动作相对应的电压矢量变化的说明图。
图10是表示实施方式1的逆变器控制部的动作示例的流程图。
图11是表示Si元件与SiC元件的耐压与导通电阻的关系的图。
图12是表示实施方式3的热泵装置的结构示例的图。
图13是有关热泵装置的制冷剂的状态的莫里尔图。
符号的说明
1、51 压缩机
2、59 四通阀
3、5、52、57 热交换器
4、53、56、61 膨胀机构
6 制冷剂配管
7 压缩机构
8 电动机
9 逆变器
10 逆变器控制部
11 通常运转模式控制部
12 加热运转模式控制部
13 磁极位置推断部
14 高频通电部
15 驱动信号生成部
16 位置检测部
17 位置检测判定部
18 加热指令部
19 电压指令值生成部
20 PWM信号生成部
21a至21f 开关元件
54 接收机
55 内部热交换器
58 主制冷剂回路
60 风扇
62 喷射回路
63 水回路
100 热泵装置
具体实施方式
下面，基于附图详细说明本发明所涉及的热泵装置、空调机以及制冷机的实施方式。此外，本发明并不局限于该实施方式。
实施方式1
图1是表示本发明所涉及的热泵装置的实施方式1的结构示例的图。本实施方式的热泵装置100例如是构成空调机，具备将压缩机1、四通阀2、热交换器3、膨胀机构4以及热交换器5由制冷剂配管6依次连接的制冷循环。在压缩机1的内部设置有对制冷剂进行压缩的压缩机构7、以及使该压缩机构7动作的电动机8。电动机8是具有U相、V相、W相三相绕组的三相电动机。
对电动机8施加电压进行驱动的逆变器9与电动机8电连接。逆变器9以直流电压(母线电压)Vdc为电源，分别对电动机8的U相、V相以及W相绕组施加电压Vu、Vv以及Vw。逆变器9与逆变器控制部10电连接。逆变器控制部10具备：通常运转模式控制部11、包括磁极位置推断部13以及高频通电部14的加热运转模式控制部12以及驱动信号生成部15，将用于驱动逆变器9的信号(例如，PWM信号)向逆变器9输出。
在逆变器控制部10，通常运转模式控制部11在由热泵装置100进行通常动作的情况下使用。该通常运转模式控制部11通过对驱动信号生成部15进行控制，将用于驱动电动机8旋转的PWM信号作为逆变器驱动信 号进行输出。
加热运转模式控制部12在对压缩机1进行加热的情况下使用。该加热运转模式控制部12通过控制驱动信号生成部15，将PWM信号作为逆变器驱动信号输出，该PWM信号使电动机8无法追随的高频电流流过，用于加热压缩机1而不会使电动机8旋转驱动。此时，基于磁极位置推断部13对表示电动机8的转子停止位置的磁极位置进行推断的结果(推断信息)，由高频通电部14控制驱动信号生成部15，再由驱动信号生成部15输出PWM信号来驱动逆变器9，由此在短时间内对滞留于压缩机1的液体制冷剂加热使其气化，并将其排出到压缩机1外部。
图2是表示热泵装置的主要结构的一个示例的图。如图所示，逆变器9是将母线电压Vdc作为电源，将6个开关元件(21a、21b、21c、21d、21e、21f)的串联连接部并联成3个连接的电路。逆变器9基于从逆变器控制部10输入的驱动信号亦即PWM信号(UP至WN)，驱动各自对应的开关元件，由此产生三相电压Vu、Vv、Vw，对电动机8的U相、V相、W相绕组分别施加电压。此外，在逆变器9的输入侧(母线电压Vdc的供给侧)设置有用于检测Vdc的电压传感器31。
逆变器控制部10，其具备：构成图1所示的加热运转模式控制部12的磁极位置推断部13以及高频通电部14，以及驱动信号生成部15。磁极位置推断部13包括位置检测部16以及位置检测判定部17。高频通电部14包括加热指令部18。驱动信号生成部15包括电压指令值生成部19以及PWM信号生成部20。另外，在图2中，仅记载了在本实施方式的热泵装置中实施特征性动作的构成要素，省略了关于图1所示的通常运转模式控制部11的记载。
加热运转模式控制部12(磁极位置推断部13以及高频通电部14)生成高频电压指令Vk以及高频相位指令θk。
在驱动信号生成部15，电压指令值生成部19基于从加热运转模式控 制部12输入的高频电压指令Vk以及高频相位指令θk，生成三相(U相、V相、W相)各自的电压指令Vu＊、Vv＊、Vw＊。PWM信号生成部20基于三相电压指令Vu＊、Vv＊、Vw＊，生成PWM信号(UP、VP、WP、UN、VN、WN)对逆变器9进行驱动，由此对电动机8施加电压。此时，施加使电动机8的转子不旋转的高频电压，来对具备电动机8的压缩机1(参照图1)进行加热。另外，驱动信号生成部15即使在热泵装置以通常运转模式做动作的情况下也生成PWM信号。该情况下的PWM信号生成方法与在加热运转模式时做动作的情况相同。即，只是从通常运转模式控制部11输入的信息(相当于上述Vk、θk的信息)不同。
下面详细说明实施方式1的热泵装置的特征性动作。
磁极位置推断部13以例如特开2011-61884号公报中记载的方法对磁极位置(转子位置)进行推断。即，在磁极位置推断部13，位置检测部16对电动机8的感应电压与基准电压进行比较，生成位置检测信号，位置检测判定部17基于从位置检测部16输出的位置检测信号推断电动机8的磁极位置。磁极位置的推断结果输出到高频通电部14的加热指令部18。磁极位置推断时机为加热运转模式前，例如在电动机运转时(转子旋转时)进行推断。或者可以在停止后进行推断。在转子完全停止且未产生感应电压的状态下，逆变器9能够将高频电压施加给电动机8，基于流过电动机的电流值的检测结果进行位置推断。因为该位置推断方法为公知，因此省略说明。此外，还可以在转子即将停止前对位置进行推断并存储。另外，在本实施方式中，没有特别规定磁极位置的推断方法。可以使用公知的任何方法对磁极位置进行推断。
在作为振幅相位决定部来工作的高频通电部14中，加热指令部18基于来自位置检测判定部17的信号(磁极位置推断结果)决定加热输出。图3是表示嵌入式磁铁型同步电动机(相当于电动机8)的转子构造的图。如图3所示，磁铁型同步电动机的转子构成为包括铁芯121以及磁铁122。 在此类构造中，由于基于转子的位置而空隙的长度(磁铁与定子的距离)发生变化，因此从定子侧观察的电感值如图4所示发生变化。如图4所示电感值发生变化，则流过绕组的电流量如图5所示发生变化，并影响装置全体的加热输出。这意味着，在以规定频率(固定值)施加规定电压(固定值)的高频电压的情况下，受基于转子位置的电感值的变动的影响，液体制冷剂的稳定加热变得困难。即，为了实现稳定加热，需要根据转子位置对施加给电动机8的高频电压进行调整。
于是，在本实施方式的热泵装置中，对表示转子位置的磁极位置进行推断，基于磁极位置的推断结果由加热指令部18生成并输出电压相位θk来对压缩机1稳定加热，以获得所需发热量。由此，即使在磁极位置所对应的电感值高(加热输出小)的情况下，也能够设定出可获得用户所需的加热输出的电压相位θk。此外，由于在电感值低(加热输出大)的情况下电流值增大，铁损等损失增加，因此在重视效率的情况下调整电压相位以及电压指令值，由此能够实现节能化并提供用户所需的加热性能。
加热指令部18基于来自磁极位置推断部13(位置检测判定部17)的推断信号(磁极位置的推断结果)来求取用于对电动机8通电的相位θk。例如，在对与电动机8的0°位置对应的绕组通电的情况下，输出θk＝0。但是，在以固定值连续通电的情况下，由于有可能仅电动机8的特定部分发热，因此可以随着时间的经过使θk变化。这样，通电的绕组被改变，因此能够对电动机8均匀加热。如图4所示，电感值相同的转子位置存在2个以上，因此，例如，在对电感值最小的位置进行通电的情况下，可以分别对0°与180°位置上的绕组交替地通电。
如上所述，若能够推断磁极位置，则通过对与电感值低的磁极位置对应的绕组通电，即使是相同的施加电压也能获得更高输出的电流。在所需加热量大的情况下，从推断的磁极位置推断电感值低的位置，对与 推断结果相对应的绕组通电，由此能够可靠地排出压缩机1内的液体制冷剂，提高装置的可靠性。此外，在所需加热量低的情况下，在电感值高的磁极位置进行通电，进行输出电流低的加热输出，由此能够减少流过电路的电流量，实现节能化。
此外，加热指令部18基于所需加热量，输出发热所需的电压指令V＊。例如将所需加热量与电压指令V＊的关系作为表数据事先存储起来，由此能够获得与所需加热量相对应的电压指令V＊。所需加热量为用户所指定的信息。
高频通电部14基于由电压传感器31检测出的母线电压Vdc与从加热指令部18输入的电压指令V＊，生成高频电压指令Vk。高频电压指令Vk使用电压指令V＊与母线电压Vdc以下式表示。
Vk＝V＊×√2/Vdc
另外，高频电压指令Vk考虑外部空气温度、压缩机温度、压缩机构造等方面的数据，基于这些数据进行校正，由此能够获得与动作环境相对应的更加正确的值，能够提高可靠性。
此外，将高频电流的驱动频率设定得高，由此能够提高角频率ω。ω增高使铁损增加发热量增加，因此能够实现节能化。另外，如果以包含在人的可听声频率范围内的频率进行高频通电，则会因为电动机8的电磁音产生噪音，因此设定为可听声频率范围外(例如20kHz以上)。
接着，对驱动信号生成部15生成PWM信号作为逆变器9的驱动信号的动作加以说明。
在生成PWM信号的驱动信号生成部15，首先，电压指令值生成部19基于高频电压指令Vk以及相位指令θk生成电压指令值Vu＊、Vv＊、Vw＊。
电动机8是三相电动机，在三相电动机的情况下，一般U、V、W三相的相位彼此相差120°(＝2π/3)。因此，电压指令值生成部19，将 高频电压指令Vk以及电压相位θk分别代入如下述式(1)至(3)所示的、相位彼此相差2π/3的余弦波(正弦波)的V＊以及θ，生成各相的电压指令值Vu＊、Vv＊、Vw＊。
Vu＊＝V＊×cosθ             …(1)
Vv＊＝V＊×cos(θ-(2π/3))   …(2)
Vw＊＝V＊×cos(θ+(2π/3))   …(3)
由电压指令值生成部19生成电压指令值Vu＊、Vv＊、Vw＊，接着，PWM信号生成部20将从电压指令值生成部19输入的电压指令值Vu＊、Vv＊、Vw＊与规定频率且振幅为Vdc/2的载波信号(基准信号)进行比较，基于相互的大小关系，生成PWM信号UP、VP、WP、UN、VN、WN。
另外，在上述式(1)至(3)中，以单纯的三角函数求取电压指令值Vu＊、Vv＊、Vw＊，但除此之外，也可以以两相调制、三次谐波叠加调制、空间矢量调制的方法求取电压指令值Vu＊、Vv＊、Vw＊。
对PWM信号生成部20的PWM信号的生成方法进行详细阐述。因为与U相、V相、W相各相对应的PWM信号的生成方法相同，因此在这里作为一个示例，说明U相的PWM信号UP以及UN的生成方法。
图6是示出PWM信号生成部20的一相的信号生成方法的图，示出了生成U相的PWM信号的方法。图6所示的三角波为载波信号，正弦波为电压指令信号Vu＊。图6所示的信号生成方法相当于一般称之为非同步PWM的方法。PWM信号生成部20将电压指令信号Vu＊与规定频率且振幅为Vdc/2(Vdc表示直流母线电压)的载波信号进行比较，基于相互的大小关系，生成PWM信号UP以及UN。即，在载波信号大于电压指令值Vu＊时，UP为导通(ON)，UN为断开(OFF)，除此之外，UP为断开(OFF)，UN为导通(ON)。另外，载波信号的振幅、相位固定。
图7是表示实施方式1的8种开关模式的图。另外，在图7中，将在各开关模式中所产生的电压矢量设为V0至V7。此外，将各电压矢量的 电压方向以±U、±V、±W(未产生电压的情况下为0)进行表示。此处，+U是产生经由U相流入电动机8、经由V相以及W相从电动机8流出的U相方向的电流的电压，-U是产生经由V相以及W相流入电动机8、经由U相从电动机8流出的-U相方向的电流的电压。有关±V、±W也是一样。
将图7所示的开关模式组合来输出电压矢量，由此能够使逆变器9输出所需的电压。在由电动机8对压缩机1内的制冷剂进行压缩的动作(通常运转模式的动作)的情况下，一般是在数10至数kHz以下动作。此时使θk高速变化，由此能够输出超过数kHz的高谐波电压，对压缩机1通电并加热(加热运转模式)。
但是，在一般逆变器的情况下，载波信号的频率亦即载波频率由逆变器的开关元件的开关速度决定上限，因此难以输出载波亦即载波频率以上的高频电压。另外，在一般IGBT(Insulate Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)的情况下，开关速度的上限为20kHz左右。此外，如果高频电压的频率为载波频率的1/10左右，则高频电压的波形输出精度恶化，可能会产生直流分量叠加等不良影响。即，在将载波频率设定为20kHz的情况下，如果将高频电压的频率设为载波频率的1/10的2kHz以下，则高频电压的频率为可听声频率范围，噪音可能恶化。因此，PWM信号生成部20以如下方法生成与载波信号同步的PWM信号，避免噪音恶化。
图8是表示将V＊设为任意数值、加热指令部18的输出θk设为0°的情况下的PWM信号生成部20的动作的图。PWM信号生成部20通过在载波信号(三角波)的顶点或底点(或者顶点和底点)的时机对高频相位指令θk在0°与180°之间进行切换，由此能够生成与载波信号同步的PWM信号。此时，电压矢量以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)、…的顺序进行变化。
图9是与图8所示的动作相对应的电压矢量变化的说明图。另外，图9表示的是以虚线包围的开关元件为导通状态、未以虚线包围的开关元件为断开状态。如图9所示，在施加V0矢量、V7矢量时电动机8的线间处于短路状态，不输出电压。在该情况下，由电动机8的电感所蓄积的能量成为电流在短路电路中流动。此外，在施加V4矢量时，经由U相流入电动机8且经由V相以及W相从电动机8流出的U相方向的电流(+Iu的电流)流过，施加V3矢量时，经由V相以及W相流入电动机8、经由U相从电动机8流出的-U相方向的电流(-Iu的电流)流过电动机8的绕组。即，施加V4矢量时与施加V3矢量时反方向的电流流过电动机8的绕组。而且，因为电压矢量按照V0、V4、V7、V3、V0、…的顺序变化，因此+Iu的电流与-Iu的电流交替地流过电动机8的绕组。特别是，如图8所示，V4矢量与V3矢量出现于1个载波周期(1/fc)间，因此能够对电动机8的绕组施加与载波频率fc同步的交流电压，此外，由于交替地输出V4矢量(+Iu的电流)与V3矢量(-Iu的电流)，因此瞬间切换正反转矩。因此，通过抵消转矩而抑制转子振动的控制成为可能。
下面说明逆变器控制部10的动作。此处，对以加热压缩机1的加热运转模式运行的情况下的逆变器9的控制动作加以说明。另外，因为热泵装置100以通常运转模式运行的情况下的逆变器9的控制动作与以往相同，因此省略说明。
图10是表示实施方式1的热泵装置100所具备的逆变器控制部10的动作例的流程图，示出了加热运转模式时的控制步骤。即，示出了加热运转模式控制部12以及驱动信号生成部15生成作为逆变器9的驱动信号的PWM信号的情况下的控制步骤。
在本实施方式的热泵装置100中，逆变器控制部10首先对是否有表示加热运转模式的输入(指示以加热运转模式运行的输入)进行判断(步骤S1)。另外，在该步骤S1中，可以基于是否从外部输入了外部空气温 度、压缩机温度、运转指令等，判断以加热运转模式运行的必要性。例如，在从外部输入规定运转指令(热泵装置100的动作开始指令)且在该时点预测会产生制冷剂休眠现象的情况下(例如，外部空气温度为规定阈值以下的情况下)，判断为需要以加热运转模式运行。在没有表示加热运转模式的输入(不需要以加热运转模式运行)的情况下(步骤S1：“否”)，在规定定时再次执行步骤S1。在有表示加热运转模式的输入的情况下(步骤S1：“是”)，对电动机8的输入输出电流以及电压进行检测，并基于检测信号推断磁极位置(步骤S2、S3)。另外，输入输出电流以及电压是指在逆变器9与电动机8的连接点处检测出的电流以及电压(三相的量)。磁极位置的推断是基于例如电压(感应电压)的检测结果等由磁极位置推断部13来实施的。在没有产生感应电压的状态下，可以控制逆变器9使其对电动机8施加用于推断磁极位置的高频电压，基于此时流过电动机8的电流值对磁极位置进行推断。此外，还可以在电动机8即将停止前基于感应电压实施磁极位置的推断并存储推断结果，以其替代步骤S3的推断结果。
接着，确认是否有高效率运转模式的输入(是否进行了以高效率运转模式运行的指定)(步骤S4)，在有以高效率运转模式运行的输入的情况下(步骤S4：“是”)，决定进行将电压相位控制在电感值高的位置并抑制输出电流的模式的运转(高效运转)。并且，基于在步骤S3所获得的磁极位置推断结果决定电压指令的相位，开始实施与高效率运转模式相对应的PWM信号(UP、UN、VP、VN、WP、WN)的生成与输出来对逆变器9进行控制(步骤S5)。由此，能够将消耗电力抑制得低并对滞留于压缩机1的液体制冷剂进行加热使其气化，使其排出到压缩机1的外部。
在没有高效率运转模式的输入的情况下(步骤S4：“否”)，开始进行用于加热运转的PWM信号的生成与输出(步骤S6)。此时，不考虑 磁极位置推断结果来决定电压相位(θk)(通常的加热运转控制)。
接着，确认加热输出是否为所需加热量以上，即，是否获得足够能使滞留于压缩机1的液体制冷剂气化的加热输出(步骤S7)。例如，基于电动机8的输入输出电流以及电压计算出加热输出，确认所算出的加热输出是否在规定阈值以上。在加热输出未达到阈值的情况下，判定为加热输出不足(步骤S7：“否”)，而决定进行将电压相位控制在电感值低的位置来使加热输出最大的模式的运转(高输出运转)。接着，基于在步骤S3所获得的磁极位置推断结果来决定电压指令的相位，开始进行与高输出运转对应的PWM信号(UP、UN、VP、VN、WP、WN)的生成与输出(步骤S8)。其结果，大量高频电流流入电动机8，铜损以及铁损引起发热，因此能够在短时间内加热电动机8。
在加热输出为阈值以上的情况下，则判断为加热输出足够(步骤S7：“是”)，不执行步骤S8。
在执行步骤S8后，或在步骤S7判断为加热输出足够后，在规定定时再次执行步骤S1(反复执行上述步骤S1至S8的动作)。另外，由于在加热运转模式下电动机8不旋转驱动，因此在对磁极位置进行了一次推断后，可以省略推断磁极位置的步骤S3。
如此，在本实施方式的热泵装置中，逆变器控制部10对压缩机1所具备的电动机8的磁极位置进行推断，基于推断结果以及所需发热量决定电压相位，生成PWM信号来控制逆变器9。由此，能够不取决于电动机8的磁极位置稳定地加热压缩机1，其结果，滞留于压缩机1内的液体制冷剂排出到外部。此外，由于基于磁极位置对流过电动机8的电流进行调整，因此能够有效地过热压缩机1，实现节能化。
此外，控制逆变器9对电动机8施加可听声频率(20至20kHz)之外的高频电压，因此能够抑制加热电动机8时的噪音。
通常，压缩机动作时的运转频率最高为1kHz左右。因此，只要对电 动机施加1kHz以上的高频电压即可。此时，只要对电动机8施加14kHz以上的电压，电动机8的铁芯的振动音就几乎接近可听声频率的上限，因此能够降低噪音。例如，只要使用可听声频率之外的20kHz左右的高频电压即可。
但是，如果高频电压的频率超过开关元件21a至21f的最大额定频率则会导致元件损坏，产生负载或电源短路，甚至有可能引发冒烟、起火，因此将高频电压的频率设定为最大额定频率以下以确保可靠性。
实施方式2
对实施方式2的热泵装置进行说明。另外，装置结构与实施方式1相同(参照图2)。
使用图11说明实施方式2的热泵装置。本实施方式的热泵装置将碳化硅元件(以下、SiC元件)的开关元件作为图2所示的开关元件21a至21f。现在，一般来说主流是使用以硅(Si)为材料的半导体。图11是表示硅元件(以下称Si元件)以及SiC元件的耐压与导通电阻的关系的图。与Si元件相比可知在SiC元件中禁带大，能够大幅改善耐压与导通电阻的兼顾性。例如，在使用现有的Si元件的感应加热烹调器中需要冷却装置、散热风扇，但通过使用宽禁带半导体元件亦即SiC元件能够大幅降低元件损失，能够使现有的冷却装置、散热片小型化或将其去除。作为SiC以外的宽禁带半导体，例如有氮化镓类材料、金刚石。
如上所述，将开关元件从现有Si元件变为SiC元件由此能够实现大幅度低损失化，能够使冷却装置、散热片小型化、或将其去除，而能够实现装置本身的大幅度低成本化。此外，由于能够实现高频的开关，而能够使更高频的电流流过电动机8，且由于电动机8的绕组阻抗增加而绕组电流降低因此流入逆变器9的电流降低，于是能够获得更高效率的热泵装置。基于高频化还具有如下优点，由于能够将驱动频率设定在人的可听声频率范围亦即16kHz以上的高频，因此易于采取噪音对策。此外， 在使用SiC的情况下，较之于现有Si能够低损失地流过更多电流，因此能够获得使冷却片小型化等效果。在本实施方式中以SiC元件为例进行了说明，不过代替SiC而使用金刚石、氮化镓(GaN)等宽禁带半导体元件也一样，这对于本领域的技术人员是显而易见的。另外，还可以仅将逆变器的各开关元件的二极管使用宽禁带半导体。此外，还可以用宽禁带半导体来形成存在多个的开关元件中的一部分(至少为1个)。在将宽禁带半导体应用于部分元件的情况下也能够获得上述效果。
此外，在实施方式1以及2中，设想的是作为开关元件主要使用IGBT的情况，但开关元件并不局限于IGBT，超级结构造的功率MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor金属氧化物半导体场效应晶体管)、其他绝缘栅半导体元件、双极晶体管也一样，这一点对于本领域的技术人员而言是显而易见的。
实施方式3
对实施方式3的热泵装置进行说明。在本实施方式中，对具备在实施方式1、2中说明的热泵装置的设备(空调机等)的动作进行说明。
图12是表示实施方式3的热泵装置的结构示例的图。图13是有关图12所示的热泵装置的制冷剂的状态的莫里尔图。在图13中，横轴表示比焓，纵轴表示制冷剂压力。
在本实施方式的热泵装置中，压缩机51、热交换器52、膨胀机构53、接收机54、内部热交换器55、膨胀机构56以及热交换器57由配管依次连接，构成供制冷剂循环的主制冷剂回路58。另外，在主制冷剂回路58中，在压缩机51的排出侧，设置有四通阀59，能够切换制冷剂的循环方向。此外，在热交换器57附近，设置有风扇60。此外，压缩机51是上述实施方式1、2中说明的压缩机1，是具有由逆变器9驱动的电动机8与压缩机构7的压缩机(参照图1)。而且，热泵装置具备从接收机54与内部热交换器55之间到压缩机51的喷射管通过配管连接的喷射回路 62。在喷射回路62依次连接有膨胀机构61、内部热交换器55。在热交换器52连接有供水循环的水回路63。另外，在水回路63连接有热水器、暖气片、地暖设备等的散热器等使用水的装置。
对上述结构的热泵装置的动作进行说明。首先说明制热运转时的动作。在制热运转时，四通阀59被设定为实线方向。另外，该制热运转不仅包括空调机中所使用的制热，还包括对水加热来制造温水的热水供应。
在压缩机51变成高温高压的气相制冷剂(图13的点A)从压缩机51排出，在作为冷凝器亦即散热器的热交换器52进行热交换而液化(图13的点B)。此时，通过从制冷剂散出的热将在水回路63循环的水加热，用于制热与热水供应。在热交换器52液化的液相制冷剂在膨胀机构53减压，成为气液两相状态(图13的点C)。在膨胀机构53成为气液两相状态的制冷剂在接收机54与吸入压缩机51的制冷剂进行热交换，被冷却并液化(图13的点D)。在接收机54被液化的液相制冷剂分支流到主制冷剂回路58与喷射回路62。
在主制冷剂回路58流动的液相制冷剂与在喷射回路62流动的制冷剂(在膨胀机构61被减压成为气液两相状态的制冷剂)在内部热交换器55进行热交换，进一步被冷却(图13的点E)。在内部热交换器55被冷却的液相制冷剂在膨胀机构56被减压，成为气液两相状态(图13的点F)。在膨胀机构56成为气液两相状态的制冷剂在作为蒸发器的热交换器57与外部空气进行热交换，被加热(图13的点G)。而且，在热交换器57被加热的制冷剂在接收机54进一步被加热(图13的点H)，并被压缩机51吸入。
另一方面，在喷射回路62流动的制冷剂如上所述，在膨胀机构61被减压(图13的点I)，在内部热交换器55实施热交换(图13的点J)。在内部热交换器55进行了热交换的气液两相状态的制冷剂(喷射制冷剂)保持气液两相状态从压缩机51的喷射管流入压缩机51内。
在压缩机51中，从主制冷剂回路58吸入的制冷剂(图13的点H)被压缩到中间压力，并加热(图13的点K)。喷射制冷剂(图13的点J)与被压缩到中间压力并加热的制冷剂(图13的点K)合流，温度下降(图13的点L)。而且，温度下降的制冷剂(图13的点L)进一步被压缩并加热，成为高温高压，并被排出(图13的点A)。
另外，在不进行喷射运转的情况下，将膨胀机构61的开度设定为全关。即，在实施喷射运转的情况下，膨胀机构61的开度大于规定开度，但在不实施喷射运转时，使膨胀机构61的开度小于规定开度。由此，制冷剂不流入压缩机51的喷射管。另外，膨胀机构61的开度通过利用微型计算机等的电子控制进行控制。
下面，对热泵装置100的制冷运转时的动作进行说明。在制冷运转时，四通阀59被设定为虚线方向。另外，该制冷运转不仅包括空调机所使用的制冷，还包括从水中去除热来制作冷水，冷冻等。
在压缩机51成为高温高压的气相制冷剂(图13的点A)从压缩机51被排出，经由四通阀59流到热交换器57侧，在作为冷凝器即散热器的热交换器57进行热交换并液化(图13的点B)。在热交换器57被液化的液相制冷剂在膨胀机构56减压成为气液两相状态(图13的点C)。在膨胀机构56成为气液两相状态的制冷剂在内部热交换器55与在喷射回路62流动的制冷剂进行热交换，被冷却并液化(图13的点D)。在内部热交换器55，使在膨胀机构56成为气液两相状态的制冷剂、与将在内部热交换器55被液化的液相制冷剂在膨胀机构61进行减压而成为气液两相状态的制冷剂(图13的点I)进行热交换。在内部热交换器55进行了热交换的液相制冷剂(图13的点D)分支流到主制冷剂回路58与喷射回路62。
在主制冷剂回路58流动的液相制冷剂在接收机54与吸入压缩机51的制冷剂进行热交换，进一步被冷却(图13的点E)。在接收机54被冷 却的液相制冷剂在膨胀机构53被减压成为气液两相状态(图13的点F)。在膨胀机构53成为气液两相状态的制冷剂在作为蒸发器的热交换器52进行热交换，并被加热(图13的点G)。此时，制冷剂吸热，由此在水回路63循环的水被冷却，被用于制冷、冷冻。进而，在热交换器52被加热的制冷剂经由四通阀59流入接收机54，在此进一步被加热(图13的点H)，并被压缩机51吸入。
另一方面，在喷射回路62流动的制冷剂如上所述，在膨胀机构61被减压(图13的点I)，在内部热交换器55进行热交换(图13的点J)。在内部热交换器55进行了热交换的气液两相状态的制冷剂(喷射制冷剂)保持气液两相状态从压缩机51的喷射管流入压缩机51内。有关压缩机51内的压缩动作，与上述制热运转时相同。
另外，在不进行喷射运转时，与上述制热运转时相同，将膨胀机构61的开度设为全关，不使制冷剂流入压缩机51的喷射管。
此外，在上述说明中，对热交换器52是使制冷剂与在水回路63循环的水进行热交换的板式热交换器那样的热交换器进行了说明。但是，热交换器52并不局限于此，还可以是使制冷剂与空气进行热交换的热交换器。此外，对于水回路63，不仅可以是水循环的回路，还可以是其他流体循环的回路。
如上所述，实施方式1、2中说明的热泵装置能够用于空调机、热泵热水机、冰箱、制冷机等使用了逆变器压缩机的热泵装置。
如上所述，本发明所涉及的热泵装置作为能够有效消除制冷剂休眠现象的热泵装置是有效的。