特許第5928153号(P5928153)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2022.1.31 β版

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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】5928153
(24)【登録日】2016年5月13日
(45)【発行日】2016年6月1日
(54)【発明の名称】空気調和機
(51)【国際特許分類】
   F24F 11/02 20060101AFI20160519BHJP
   H02M 7/48 20070101ALI20160519BHJP
【FI】
   F24F11/02 102E
   H02M7/48 L
【請求項の数】1
【全頁数】10
(21)【出願番号】特願2012-115497(P2012-115497)
(22)【出願日】2012年5月21日
(65)【公開番号】特開2013-242081(P2013-242081A)
(43)【公開日】2013年12月5日
【審査請求日】2015年3月31日
(73)【特許権者】
【識別番号】000006611
【氏名又は名称】株式会社富士通ゼネラル
(72)【発明者】
【氏名】本田 成樹
【審査官】 横溝 顕範
(56)【参考文献】
【文献】 特開平07−120045(JP,A)
【文献】 特開2008−096079(JP,A)
【文献】 特開平11−346476(JP,A)
【文献】 特開2008−267749(JP,A)
【文献】 特開2010−043959(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
F24F 11/02
H02M 7/06
H02M 7/48
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
交流電源を整流する整流器と、整流された電圧を平滑して直流電源にするコンデンサと、前記直流電源の電圧を検出する電圧検出手段と、前記直流電源を入力しモータを駆動するインバータと、前記交流電源と前記整流器との間に直列に配置されたスイッチ手段と、前記コンデンサの容量を推測するコンデンサ容量推測手段と、記憶部と、前記電圧検出手段と前記コンデンサ容量推測手段からの信号を入力すると共に、前記インバータと前記スイッチ手段を制御し、所定の前記直流電源の電圧値である瞬断閾値よりも検出した前記直流電源の電圧が低下した時に前記スイッチ手段を切断する制御部とを備え、
前記記憶部には前記コンデンサの容量に対応して、前記モータが連続運転可能な前記直流電源の電圧限度値である前記瞬断閾値を格納した瞬断閾値テーブルが予め記憶されており、
前記制御部は、前記コンデンサ容量推測手段で得られたコンデンサ容量に対する前記瞬断閾値を前記瞬断閾値テーブルから抽出することを特徴とする空気調和機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、空気調和機に係わり、より詳細には、空気調和機に供給される交流電源が一時的に切断されたり、交流電源の電圧が空気調和機の定格電圧以下に一時的に低下する瞬断や瞬時電圧変動に対応する制御に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、空気調和機は交流電源を整流して平滑コンデンサで平滑し、この平滑された直流電圧でインバータを駆動して圧縮機を運転するようになっている。この交流電源が一時的に切断されたり電圧が機器の定格以下に低下する瞬断や瞬時電圧変動が発生しても一定時間以内の瞬断(数十ミリセカンド)では、平滑コンデンサに蓄えられた電荷を用いて圧縮機の運転を継続するようになっている。そして、一定時間以上の瞬断では圧縮機などの動作を一旦停止させ、あらためて再起動するようになっている(例えば、特許文献1参照。)。
なお、本願では瞬断や瞬時電圧変動を総称して瞬断と呼称する。
【0003】
この瞬断が発生した場合、圧縮機に供給される電源用の平滑コンデンサの電圧が低下し、交流電源が復帰した時に平滑コンデンサへの突入電流が発生して、このコンデンサやリレーなどの部品が破壊されるおそれがある。このため、瞬断による再起動では、交流電源を供給/切断するパワーリレーをオフすると共に、平滑コンデンサへ流れる電流を抑制する突入電流防止抵抗によってコンデンサを徐々に充電することで部品の破壊を防止するようになっている。
【0004】
図6はこのような突入電流防止回路を備えた空気調和機の室外機のブロック図である。
交流電源81の2本の電源ラインはブリッジダイオード83の入力端に接続されており、ブリッジダイオード83で整流された後、平滑コンデンサ84で平滑されて直流電圧としてインバータ部85へ供給されて圧縮機のモータ87を駆動するようになっている。一方、交流電源81とブリッジダイオード83との間の2本の電源ラインの一方にはパワーリレー92が直列に配置され、このパワーリレー92と並列に突入電流防止抵抗91が接続されている。そして、パワーリレー92はドライブ回路93を介して、また、インバータ部85はドライブ回路90を介して、それぞれ制御装置89によって制御される構成になっている。
【0005】
空気調和機の運転開始により交流電源81を供給する、もしくは運転中の瞬断により空気調和機の定格電圧以下の状態から定格電圧以内の電圧に復帰する場合、制御装置89はパワーリレー92を所定時間だけオフ状態としておく。この間に交流電源81による入力電流は突入電流防止抵抗91とブリッジダイオード83とを介して平滑コンデンサ84に流れ込み、この電圧を徐々に上昇させる。そして、制御装置89は所定時間が経過して突入電流が規定値以下になったと思われるタイミングでパワーリレー92をオンにする。このようにしてインバータ部85には規定の電圧が印加され、制御装置89はインバータ部85の駆動を開始してモータ87の運転を開始する(例えば、特許文献2参照。)。
【0006】
瞬断や瞬時電圧変動の発生を検出するためには、交流電源からの入力電圧、又は、平滑コンデンサ両端の直流電圧を監視する方法があるが、廉価な機器では平滑コンデンサの両端電圧を監視する方法が一般的である。この場合、直流電圧の閾値を設けて一定電圧以下になった時、つまり、規定時間以上の瞬断や瞬時電圧変動の発生によって一旦空気調和機の運転を停止し、その後、再起動処理を実行する構成となっている。
【0007】
しかしながら、平滑コンデンサは経年変化や周囲温度、充放電電流の量、つまり、モータの運転状態など、様々な要因によって容量が減少するという特性がある。このため、この特性によって瞬断が発生しても空気調和機の運転を継続可能な時間が短くなってしまう。このため、平滑コンデンサの容量にマージンを持たせ、より大きい容量の平滑コンデンサを用いねばならないためコストが上昇してしまう問題がある。また、平滑コンデンサの容量を大きくすると突入電流が増加するという問題もあった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0008】
【特許文献1】特開平4−30298号公報(第2−3頁、図1
【特許文献2】特開平5−168248号公報(第2−3頁、図1
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
本発明は以上述べた問題点を解決し、突入電流を抑制しつつ、より大きい容量の平滑コンデンサを用いずにコストダウンを図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0010】
本発明は上述の課題を解決するため、本発明の請求項1に記載の発明は、交流電源を整流する整流器と、整流された電圧を平滑して直流電源にするコンデンサと、前記直流電源の電圧を検出する電圧検出手段と、前記直流電源を入力しモータを駆動するインバータと、前記交流電源と前記整流器との間に直列に配置されたスイッチ手段と、前記コンデンサの容量を推測するコンデンサ容量推測手段と、記憶部と、前記電圧検出手段と前記コンデンサ容量推測手段からの信号を入力すると共に、前記インバータと前記スイッチ手段を制御し、所定の前記直流電源の電圧値である瞬断閾値よりも検出した前記直流電源の電圧が低下した時に前記スイッチ手段を切断する制御部とを備え、
前記記憶部には前記コンデンサの容量に対応して、前記モータが連続運転可能な前記直流電源の電圧限度値である前記瞬断閾値を格納した瞬断閾値テーブルが予め記憶されており、
前記制御部は、前記コンデンサ容量推測手段で得られたコンデンサ容量に対する前記瞬断閾値を前記瞬断閾値テーブルから抽出することを特徴とする。
【発明の効果】
【0011】
以上の手段を用いることにより、本発明による空気調和機によれば、請求項1に係わる発明は、直流電源を平滑するコンデンサの経時変化による容量の減少に対応して、瞬断閾値を初期値の値よりも徐々に低下させるように変更するため、コンデンサに蓄積された電荷を有効に活用し、より大きい容量の平滑コンデンサを用いる必要がなくなるため、突入電流を抑制しつつコストダウンを図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【0012】
図1】本発明による空気調和機の実施例を示すブロック図である。
図2】本発明の原理を説明する説明図である。
図3】瞬断閾値を説明するグラフとテーブルである。
図4】平滑コンデンサの容量を推測する原理を説明する説明図である。
図5】室外機制御部の処理を説明するフローチャートである。
図6】従来の空気調和機を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【0013】
以下、本発明の実施の形態を、添付図面に基づいた実施例として詳細に説明する。
【実施例1】
【0014】
図1は本発明による空気調和機の実施例を示すブロック図である。この空気調和機は交流電源3が接続された室外機1と、この室外機1と通信接続された室内機2とを備えている。
【0015】
室外機1は、交流電源3の2本のラインが入力端に接続された整流器であるブリッジダイオード13と、同ブリッジダイオード13の出力端の正極と負極とが入力端に接続され、出力端がモータ18に接続されたインバータ17と、交流電源3とブリッジダイオード13の入力端との一方のラインに直列に接続されると共に、直列に接続された突入電流防止抵抗10と突入電流防止リレー11とが並列に接続されたスイッチ手段であるパワーリレー12と、ブリッジダイオード13の出力端の正極と負極との間に接続された平滑コンデンサ14及び電圧検出手段である直流電圧検出部16と、突入電流防止リレー11とパワーリレー12とインバータ17を制御すると共に、直流電圧検出部16の検出信号を入力する室外機制御部19と、平滑コンデンサ14の容量を推測するコンデンサ容量推測手段20とを備えている。
【0016】
また、室外機制御部19はその内部に、直流電圧検出部16が出力する直流電圧検出信号をA/D変換して直流電圧値に変換するA/D変換部19aと、後述する瞬断閾値テーブルを記憶する記憶部19bとを備えている。なお、コンデンサ容量推測手段20は直流電圧検出部16と一部の室外機制御部19とで構成されている。
【0017】
室外機制御部19は室内機2からの運転指示の送信データを受信し、これに対応して突入電流防止リレー11とパワーリレー12とのオン/オフ動作や、インバータ17によるモータ18の回転を制御する。また、室外機制御部19は、直流電圧検出部16の直流電圧検出信号を常に監視しており、平滑コンデンサ14のリップル電圧(所定期間における最大値と最小値の差)に基づいて平滑コンデンサの容量を推測する。これがコンデンサ容量推測手段である。そして、平滑コンデンサ14の定格の容量に対する現在の容量の率であるコンデンサ容量率を算出する。
【0018】
そして、この平滑コンデンサの容量率に対応した瞬断閾値と直流電圧値との比較により、交流電源3の供給が停止、又は低下してこれ以上室外機1の運転が継続不可能となった時を検出し、一旦運転を停止した後、再起動の処理を開始する。なお、運転継続可能な瞬断の時間は空気調和機の仕様により決定されており、一般的には20mS(ミリセカンド)前後の期間で運転を継続可能なようになっている。また、本実施例では所定時間以上継続した瞬断によって室外機1が一旦停止した後、再起動しなければならないタイミングを瞬断再起動の発生と呼称する。
【0019】
瞬断再起動は瞬断時間の長さだけで決定されるものでなく、その時の室外機1の運転状況によっても発生タイミングが異なる。つまり、モータ18が高回転している場合は、消費電流が多くて平滑コンデンサ14の電圧が急激に低下するため、瞬断が発生してから平滑コンデンサ14の電圧が瞬断閾値よりも低下するまでの時間は短い。一方、逆にモータ18が停止している場合は消費電流が少なくて平滑コンデンサ14の電圧がゆっくり低下するため、瞬断が発生してから平滑コンデンサ14の電圧が瞬断閾値よりも低下するまでの時間は長い。さらに平滑コンデンサ14の容量が経年変化や低外気温などで低下している場合は瞬断が発生してから平滑コンデンサ14の電圧が瞬断閾値よりも低下するまでの時間が短くなる。
【0020】
このため、本実施例では瞬断再起動のタイミングを判定する瞬断閾値を、平滑コンデンサ14の経年変化などによる容量の減少に対応して初期値の値よりも徐々に低下させるようにしている。このため、平滑コンデンサ14の、より低い電圧の領域まで室外機1の運転を継続させることがでる。
【0021】
次に図4の平滑コンデンサの容量を推測する原理を説明する説明図を用いて、平滑コンデンサの容量率について説明する。前述したように、平滑コンデンサの容量率とは部品仕様としての平滑コンデンサ14の容量(定格の容量)に対する現在の平滑コンデンサ14の容量の比率である。なお、より正確に平滑コンデンサの容量率を求める場合は、工場出荷時や平滑コンデンサを交換したした時点で、装着された平滑コンデンサの容量を測定して定格の容量として用いてもよい。
平滑コンデンサ14の容量を求めるコンデンサ容量推測手段としては、運転停止中の静電容量の測定、放電抵抗によって電荷を放電させたコンデンサへの突入電流の測定、もしくは、放電抵抗によって電荷を放電させたコンデンサに電圧を印加して一定の電圧に到達する時間を測定するなど、種々の方法が提案されているが、本実施例ではリップル電圧の変化で平滑コンデンサ14の容量を求める方法を説明する。
【0022】
リップル電圧とは、平滑コンデンサ14だけでは除去しきれない交流電源3の周期的な電圧変化に対応して現れる直流電圧の周期的な電圧変動であり、ここでは図4で示すように周期的な電圧変動波形の上のピークと下のピークとの間の電圧幅を示す。一般的に負荷と平滑コンデンサ14に印加される整流電圧が一定の場合は平滑コンデンサ14の容量が小さくなるほどリップル電圧が大きくなる。従って、このリップル電圧の初期状態(平滑コンデンサ14が新品)の場合と、経年変化などで容量が減少した状態とをこのリップル電圧の比率で推測することができる。
【0023】
例えば図4で示すように平滑コンデンサ14が初期状態(定格容量)の場合、リップル電圧は5ボルトであるが、平滑コンデンサ14が設計範囲においてこれ以上の電圧では機器の動作に支障が生じる限度と判断される限度状態では8.3ボルトになっている。この場合、リップル電圧の比率=5ボルト(初期状態)/8.3ボルト(現在の状態)×100=60%となる。また、現在の状態が6.2ボルトならば、約80%になる。
このリップル電圧の比率を求める場合は負荷の変動がない場合、つまり、室外機1のインバータ17が停止している時に室外機制御部19が随時測定する。
【0024】
次に図3のグラフとテーブルとを用いて瞬断閾値について説明する。前述したように、コンデンサ容量率、つまり平滑コンデンサ14の容量が小さくなるに従って瞬断閾値も低下させる。これを図3(1)のグラフに示す。図3(1)のグラフの縦軸は瞬断閾値(V)を、横軸はコンデンサ容量率(%)を示している。
【0025】
なお、瞬断閾値は平滑コンデンサ14の現在の電圧(直流電圧値)と比較され、現在の電圧が瞬断閾値よりも大きい場合は再起動処理が行われない。つまり、実際に瞬断が発生して復帰した場合であっても瞬断閾値以下とならない限りパワーリレー12はオン状態のままであり、瞬断復帰時は平滑コンデンサ14へ突入電流が流れ込む。従ってこのグラフを作成する場合は、各コンデンサ容量率の場合に、対応する瞬断閾値を用いても関連する回路に不具合を与えない突入電流であり、かつ、空気調和機の仕様で決定された最大の瞬断期間で動作するように予め実験で求めて決定する。
【0026】
図3(2)はコンデンサ容量率(%)と、瞬断閾値(V)とリップル電圧(V)とを示す瞬断閾値テーブルである。なお、実際のテーブルにはコンデンサ容量率はデータ化されておらず説明のためにのみ記載している。コンデンサ容量率は前述したようにリップル電圧を用いて算出されるため、図3(2)の瞬断閾値テーブルにおけるリップル電圧の値は、図3(1)のコンデンサ容量率と対応させて格納されている。
【0027】
次に本発明の動作原理について図2を用いて説明する。図2(1)は交流電源3の電圧を示しているが、波形を表すものでなく概念的な電圧の大小を示している。なお、本発明の空気調和機は交流電源3の定格電圧が220ボルトであり、±10%の範囲で動作するようになっている。従って定格電圧の−10%、つまり、交流電源3の電圧が198ボルト未満になった時に瞬断が発生し、交流電源3の電圧が198ボルト以上になった時に瞬断から復帰したことになる。なお、この198ボルト未満の期間が瞬断発生期間である。また、本発明の空気調和機は20mS未満の瞬断では再起動せずに運転を継続できる仕様になっている。
【0028】
図2(2)は室外機1が最大能力で動作中に瞬断が発生した時の平滑コンデンサ14の電圧を示している。なお、平滑コンデンサ14は新品(定格容量)のものであり、直流電圧検出部16で測定した瞬断発生前の平滑コンデンサ14の両端電圧は280ボルト、リップル電圧は5ボルト(コンデンサ容量率は100%)である。この場合、室外機制御部19は、予め記憶部19bに記憶されている図3(2)の瞬断閾値テーブルから、リップル電圧が5ボルトと対応する瞬断閾値:252ボルトを抽出し、この値と平滑コンデンサ14の両端電圧(直流電圧)を比較して瞬断再起動の発生を判断する。
【0029】
瞬断発生から20mSの間に平滑コンデンサ14の両端電圧は徐々に低下し、252ボルト未満となった時に、室外機制御部19は瞬断再起動の発生と判断して図2(5)に示すようにインバータ17の動作を停止させる。その後、図2(6)に示すようにパワーリレー12をオンからオフにする。ただし、図2(7)に示すように突入電流防止リレー11はオンの状態を継続させる。
【0030】
図2(1)に示すように瞬断は発生から35mS後に解消するため、これに従って図2(2)に示すように平滑コンデンサ14の両端電圧は徐々に上昇して瞬断発生前の280ボルトまで復帰する。ただし、室外機制御部19はインバータ17を停止、つまり、圧縮機を停止してから3分間は運転を再開しない。これは圧縮機を含む図示しない冷媒回路内の圧力が均衡するのを待つためである。
【0031】
室外機制御部19はインバータ17を停止してから3分経過する直前に図2(6)に示すようにパワーリレー12をオン状態にする。図2(2)に示すように3分間待つ間に、突入電流防止抵抗を介して充電電流が流れるため、平滑コンデンサ14の電圧は元の電圧まで復帰しており突入電流の発生はわずかである。そしてこの後、インバータ17を動作させて再起動処理を行う。
【0032】
図2(3)は比較のために図示した容量が減少した後の平滑コンデンサ14の両端電圧であり、従来のように瞬断閾値を252ボルトに固定した場合を示している。この場合、平滑コンデンサ14の両端電圧は急激に低下して瞬断閾値である252ボルト未満に短時間で到達する。従って、このタイミングで再起動処理を行うことになってしまう。この場合、仕様で規定された瞬断期間内での運転継続ができなくなるという問題かある。このため、従来は仕様で規定された瞬断期間内での運転継続ができるように平滑コンデンサ14の容量を予め大きくする対策が取られており、このためコストアップとなっていた。
【0033】
図2(4)は図2(2)で説明した平滑コンデンサ14の容量が減少し、図2(3)と同じ容量になった場合の本発明の動作を説明する平滑コンデンサ14の電圧である。当然のことながらこの波形は図2(3)と同一になる。前述したように、本発明では室外機制御部19がコンデンサ容量率に対応して瞬断閾値を低下させる制御を行っている。
【0034】
図2(4)の場合にリップル電圧が8.3ボルトだとすると図3(2)の瞬断閾値テーブルから瞬断閾値は224ボルトになり、平滑コンデンサ14の電圧が224ボルト未満となるまで室外機制御部19はインバータ17を動作させる。平滑コンデンサ14の電圧が224ボルト未満となった時、室外機制御部19は前述した再起動処理を開始する。
【0035】
このように平滑コンデンサ14の容量減少に対応して瞬断閾値を低下させるため、平滑コンデンサ14の両端電圧が従来の場合(瞬断閾値が固定)よりも低い場合でもインバータ17に電源を供給可能なため、平滑コンデンサ14の容量を必要最小限とすることができ、コストダウンを図ることができる。また、平滑コンデンサ14のコンデンサ容量率ごとに瞬断復帰での突入電流を考慮して瞬断閾値を決定しているため、突入電流による回路部品を破壊することがない。なお、平滑コンデンサ14の容量が定格の状態で瞬断閾値を低く設定した場合、瞬断発生から平滑コンデンサ14の両端電圧が低下して瞬断閾値未満となるまでの間に瞬断が終了した時に問題となる。つまり、この場合、突入電流防止リレー11がオンのままなので、交流電圧復帰による大きな突入電流が流れ、部品が故障するおそれがある。
一方、平滑コンデンサ14の容量減少による突入電流の低下に対応して瞬断閾値を低下させる場合、部品が故障しない所定の突入電流値以内に保つことが可能である。
【0036】
次に図5のフローチャートを用いて室外機制御部19の動作を説明する。また、図5において、STはステップを表し、これに続く数字はステップ番号を示す。また、図5中の『Y』はYesを、『N』はNoをそれぞれ示している。なお、前提条件として突入電流防止リレー11とパワーリレー12とは共にオフとなっている。
【0037】
室外機制御部19は、室内機2から運転開始指示のデータを受信したか確認する(ST1)。室内機2から運転開始指示のデータを受信した場合(ST1−Y)、突入電流防止リレー11をオンにし、その一定時間後にパワーリレー12をオンにする(ST7)。
【0038】
次にリップル電圧を測定する。そして測定したリップル電圧に対応した瞬断閾値を瞬断閾値テーブルから抽出する(ST8)。リップル電圧は少なくとも交流電源3の周波数の1周期分の時間だけ平滑コンデンサ14の電圧をサンプリングし、最大電圧と最低電圧との差を算出することで求めることができる。次に、インバータ17の運転を開始してST1へジャンプする。
【0039】
室内機2から運転開始指示のデータを受信していない場合(ST1−N)、瞬断再起動を検出したか確認する(ST2)。この場合、直流電圧検出部16で検出した現在の電圧値がST8で抽出した瞬断閾値よりも低い場合を瞬断再起動を検出したとしている。瞬断再起動を検出していない場合(ST2−N)、現在の状態を継続し(ST10)、ST1へジャンプする。なお、現在の状態とは、現在、モータ18が回転中であれば指示された空調運転内容に従って回転を制御したり、モータ18が停止して室外機1が待機状態であればその状態を継続することである。
【0040】
一方、瞬断再起動を検出した場合(ST2−Y)、現在、インバータ17を運転中か確認する(ST3)。現在、インバータ17を運転中でない場合(ST3−N)、ST10へジャンプする。現在、インバータ17を運転中の場合(ST3−Y)、インバータ17の運転を停止し、パワーリレー12をオフにする(ST4)。
【0041】
そしてインバータ17の運転を停止してから3分間経過したか確認する(ST5)。インバータ17の運転を停止してから3分間経過していない場合(ST5−N)、ST5へジャンプする。インバータ17の運転を停止してから3分間経過した場合(ST5−Y)、パワーリレー12をオンにしてインバータ17の運転を開始する(ST6)。そしてST1へジャンプする。
【0042】
本実施例では交流電源が単相の場合で説明しているが、これに限るものでなく、三相交流電源を用いた場合にも適用できる。
【符号の説明】
【0043】
1 室外機
2 室内機
3 交流電源
10 突入電流防止抵抗
11 突入電流防止リレー
12 パワーリレー(スイッチ手段)
13 ブリッジダイオード(整流器)
14 平滑コンデンサ
16 直流電圧検出部(電圧検出手段)
17 インバータ
18 モータ
19 室外機制御部
19a A/D変換部
19b 記憶部
20 コンデンサ容量推測手段
図1
図2
図3
図4
図5
図6