JP2001178173A - 空気調和機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明は、空気調和機の信頼性を損なわず、上
記要求に応える送風機を備えた空気調和機および制御方
法を提供するものである。 【解決手段】送風機用電動機にブラシレス直流電動機を
採用し、電動機駆動に必要なインバータ及び周辺制御回
路を一体化したワンチップモノシリックＩＣを電動機に
内蔵することにより、インバータのＰＷＭ制御の他、電
動機の入力直流電圧値の制御によって高出力化を図る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、空気調和機の送風
機用電動機および制御方法に係り、特に、インバータ及
び駆動回路を内蔵した送風機用電動機を備えた空気調和
機に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図１に従来の空気調和機の構成を示す。
１は室内機、５は室外機であり、それぞれ送風用ファン
３，６を備えている。各送風用ファン３，６の回転に
は、２，７の送風機用電動機が使用されている。

【０００３】従来の送風機用電動機１３は、例えば室外
機の場合、図２に示すように、商用交流電源８を整流・
平滑して得た直流電源を圧縮機用電動機１２への供給電
源と共用し、各々インバータ１０，１１を配置してこれ
を調整することで回転数制御を行っている。

【０００４】この場合、圧縮機や送風機用電動機で使用
する電動機は直流電動機であり、一般的に回転数は、電
動機巻線に供給する電圧に比例する。

【０００５】従って、供給する直流電圧は一定であるの
で、インバータを構成するスイッチング素子、例えばパ
ワートランジスタやＩＧＢＴ(Insulated Bipola Transi
stor）のＰＷＭチョッパ（スイッチング素子のオン・オ
フを所定の時間，周波数で繰り返す方法）によって、巻
線に供給する平均電圧を調整して回転数制御を行うのが
一般的である。

【０００６】図３はインバータを構成するスイッチング
素子のチョッパデューティ（スイッチング周波数に対す
るオン時間の比率）と入力直流電圧（回転数）との関係
を示す原理図である。

【０００７】（ａ）は、チョッパデューティが小さい場
合のイメージ図であり、オン時間１５が小さいほど平均
入力電圧１７は低くなるので電動機回転数も低くなる。
逆に（ｂ）は、オン時間１５が大きい場合のイメージ図
であり、（ａ）に比べて平均入力電圧１７は高くなるの
で回転数は増加する。

【０００８】尚、インバータのＰＷＭチョッパ回数が多
い程、インバータ損失が増加する為、近年の空気調和機
ではチョッパデューティを１００％にし、入力電圧を直
接可変して回転数制御する傾向である。

【０００９】図４は、特開平6−11171号公報に挙げられ
ている送風機用電動機の回転数を任意に制御する場合の
システム構成例である。ＩＧＢＴ３０（Ｑ１〜Ｑ６）と
環流ダイオード３１（Ｄ１〜Ｄ６）で構成するインバー
タ，ホール素子センサ２２を使って、回転信号を読みと
って実回転数を検出し、これを指令回転数３３と比較し
てＰＷＭ信号を形成し、ドライブ回路によりＩＧＢＴの
オン／オフを調整して所定の回転数になるよう制御する
方法で、入力直流電圧３２は一定である。

【００１０】これらの制御構成は、マイコンや電子回路
を駆使して実現可能であり、近年ではインバータを構成
するスイッチング素子の他、インバータ駆動ロジックや
短絡・過電流保護など各種保護機能ロジックを内蔵して
モノシリックＩＣによりワンチップ化，製品シリーズ化
され、夫々の用途に応じ各種機能を揃えたＩＣが市販さ
れている。

【００１１】これにより、送風機用電動機のインバータ
など電動機外部で構成していた制御回路部の実装面積が
大幅に縮小され、送風機用電動機内に実装が可能となっ
ている。

【００１２】尚、前記特開平6−11171号公報によれば、
前記モノシリックＩＣを内蔵した送風機用電動機を搭載
し、更に圧縮機電動機への供給直流電源と共用して送風
機の回転数制御する例も挙げられている。

【００１３】また最近では圧縮機回転数の制御として、
これまでのインバータのチョッパ（ＰＷＭ制御）に依ら
ず、昇圧回路を設けて入力の直流電圧（巻線電圧）を可
変にして回転数制御するＰＡＭ制御（Pulse Amplitude
Modulation）が採用されはじめている。

【００１４】前記昇圧回路によって得られる圧縮機回転
数制御用の可変入力直流電源を送風機用電動機用電源を
共用することに関しては、本発明の論ずるところであ
り、ＰＡＭ制御及び昇圧回路については後述する。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】ヒートポンプ方式の空
気調和機において、室内機・室外機に設ける送風機の主
な要求としては、省スペース、広範囲な風量調整可能な
こと、効率アップ，低騒音化などが挙げられる。

【００１６】これらの要求の内、広範囲な風量調整，効
率アップに応えるには、送風機を駆動する電動機の回転
数を広範囲に制御する必要があり、インバータの導入に
よりこれを実現しようとしているのは、前述の通りであ
る。

【００１７】しかし、インバータ及び駆動回路を備えれ
ば、省スペース化要求に応えるには絶縁距離確保や部品
点数増により実現困難である。

【００１８】省スペース，効率アップを図る為、前述の
インバータ及び周辺回路がワンチップ化されたモノシリ
ックＩＣを用いて実現可能であるが、ＩＣの放熱処理困
難な為、ＩＣの熱破壊といった点で問題が残り、発熱を
抑えるため低い回転数で使用せざるを得ない。

【００１９】特に、室外機に設ける送風機用電動機にお
いては、室内設定温度に早期に達するように立ち上がり
時間の短縮が要求され、冷房運転では、周囲温度(外気
温度)の高い状態で高回転運転を行う必要があるので、
ＩＣの放熱処理は重要課題である。

【００２０】ＩＣを電動機外部に設け、送風機ファンに
よる風を利用してＩＣを冷却する方法があるが、他の制
御部品との絶縁距離を確保する必要があり、省スペース
化に反する。

【００２１】逆に先述の特開平6−11171号公報のよう
に、送風機用電動機内部に実装すれば、ファンによる放
熱処理には頼れず、自然放熱する他はない。

【００２２】この場合、室外側送風機用電動機は、熱交
換器近傍に設ける為、熱交換器の放熱によりＩＣの周囲
温度は、外気温度よりも高くなって、やはり放熱面で厳
しくなる傾向にある。

【００２３】ＩＣの熱破壊対策としては、送風機用電動
機駆動電圧を低電圧化やインバータ構成素子の高効率化
が考えられるが、送風機駆動用として専用に回路（整流
回路やＤＣ／ＤＣコンバータ等）を設けなくてはなら
ず、省スペース化や原価低減という観点から得策ではな
い。

【００２４】事実、先述のように室外機では圧縮機駆動
用直流電源を送風機駆動用として共用しているのが現状
である。

【００２５】特に、室外機においては逆風や雨，露付き
等、設置環境の変化によって送風機用電動機の負荷が変
化するため、夫々の運転状態，運転条件を想定して巻線
やＩＣの熱破壊対策は解決すべき問題である。

【００２６】また、原価低減や基板実装面積を小さくす
ることを目的として、圧縮機用電動機の入力直流電源を
共用して送風機用電動機を駆動する方法がよく採られる
が、同じ様に入力直流電圧を昇圧回路によって直流電圧
を変化させた直流電源を共用すれば、直流電圧が上昇し
た分インバータのスイッチング損失が増加し、効率低下
やＩＣの発熱量が更に増える結果となる。

【００２７】この様に送風機用電動機の省スペース化と
高効率化、風量調整幅の拡大を図る上で、構成する制御
部品の放熱処理の面で課題が残り、特に昇圧回路によっ
て供給電圧が高電圧の状態で使用する場合においてもこ
れら課題を克服するような制御システムが必要である
が、現在有効な方法は確立されていない。

【００２８】本発明の目的は、上記課題に着目してなさ
れたものであり、送風機用電動機や構成部品の熱破壊に
対する保護機能を有した制御システムを備えた空気調和
機を提供するものである。

【００２９】

【課題を解決するための手段】本発明は送風機用電動機
のインバータ入力電圧が昇圧回路によって高電圧な状態
にあっても、上記目的を実現することが可能である。

【００３０】省スペース化に対しては、インバータ及び
周辺駆動回路，過電流防止回路機能を備えたワンチップ
モノシリックＩＣを採用することにより、これを送風機
用電動機に内蔵することで省スペース化を実現してい
る。

【００３１】更に昇圧回路の入力直流電圧の調整と、モ
ノシリックＩＣへの回転数指令信号調整の両方によって
回転数制御を行うものであるので、従来よりも送風機回
転数をより広範囲かつ高精度に制御を行うことができ
る。即ち、広範囲かつ正確な風量を確保できる。

【００３２】更に、調整する入力直流電圧と送風機用電
動機の入力直流電流を検出して、所定の入力電力になる
と直流電圧またはインバータ回転数指令信号に制限を加
える制御をシステムに加えることで前記モノシリックＩ
Ｃなどの制御部品や電動機巻線の熱破壊保護を防ぐこと
ができ、回転数制御領域の拡大や送風機用の信頼性確保
が実現できる。

【００３３】

【発明の実施の形態】本発明の詳細を図に示す一実施例
で説明する。図５は室外機の圧縮機駆動用直流電源と送
風機用電動機の入力電源を共用した場合のシステム構成
図、図６は本発明の実施例を示す送風機用電動機内のシ
ステム構成図、図７は図６のロジックを備えたモノシリ
ックワンチップＩＣを送風機用電動機内部に実装した実
施例を示す電動機側面図、図８は送風機用電動機に供給
する直流電圧によって電流制限を行うしきい値を示す図
である。

【００３４】先ず、図５において、４７は圧縮機、３５
は送風機用電動機である。空気調和機の高効率化を図る
ため、圧縮機４７と送風機用電動機３５にはブラシレス
直流電動機を採用しており、これを駆動する為、各々の
電動機にインバータを搭載している。この時、送風機用
電動機３５はインバータと駆動回路を一体化したモノシ
リックＩＣ４６を内蔵して省スペース化を実現してい
る。

【００３５】また、共用する圧縮機および送風機の入力
電圧値Ｖｄを運転状態に応じて可変にする為、マイコン
指令３７により昇圧回路３４を駆動して圧縮機と送風機
の回転数を制御している。

【００３６】本実施例で採用する昇圧回路３４は、昇圧
用スイッチング素子３９とダイオード４１，リアクタ４
０，平滑用キャパシタ１４によって構成されており、ス
イッチング素子３７のオン／オフの周波数とデューティ
の調整によって平滑キャパシタ１４端子間の直流電圧を
変化させている。

【００３７】これにより、例えば商用交流電源ＡＣ１０
０Ｖの場合、全波整流して平滑した直流電圧以上の範
囲、即ちＤＣ１４０Ｖ以上の領域において電圧を変化さ
せることができるので、その結果、電圧上昇に従って各
電動機の回転数も高速回転になるので昇圧回路が無い場
合に比べて制御可能な回転数領域を拡大できるようにな
っている。

【００３８】本実施例においては省スペース化の為、圧
縮機と送風機の入力直流電源を共用としているので、直
流電圧の調整は消費電力が大きい圧縮機の効率を優先さ
せて行うことにしている。

【００３９】通常、圧縮機回転数を高回転で制御すると
きは、送風機回転数も高回転になる場合が多く、それ
故、本実施例の場合においても、送風量制御範囲の拡大
は実現できている。

【００４０】また、送風機回転数の微調整は入力直流電
圧のみによって行うことが困難であるが、送風機用電動
機インバータのＰＷＭチョッパ、つまりモノシリックＩ
Ｃへの回転数指令信号の微調整によって所望の回転数を
得ている。

【００４１】本実施例で採用したモノシリックＩＣの構
成は、おおよそ図６で示す構成となっていて、ＩＧＢＴ
で構成するインバータ回路やＩＧＢＴ駆動回路の他、過
電流保護機能も内蔵している。

【００４２】抵抗４８の抵抗は、過電流保護機能が作動
する電流のしきい値を決定する要素であり、ノイズ等に
より同相のＩＧＢＴ（例えばＱ１とＱ４）が同時にオン
することによる短絡や電動機２９の巻線短絡によるＩＣ
破壊を防止している。

【００４３】本実施例では前述の通り送風機用電動機の
回転数制御をモノシリックＩＣ５１に入力する入力直流
電圧Ｖｄの調整の他、回転数微調整をホール素子センサ
２２から得た実回転数パルス信号を読み取ってモノシリ
ックＩＣ５１に入力する回転数指令信号に反映するフィ
ードバック制御を行っている。

【００４４】回転数指令信号は予め設定したモノシリッ
クＩＣ５１の三角波周波数との比較によってインバータ
ＰＷＭチョッパのデューティを決定する動作をするの
で、指令信号電圧値の増減によって送風機用電動機の回
転数が変化するようになっている。

【００４５】ここで、前記課題に出ていたモノシリック
ＩＣの熱破壊対策が問題となるが、本実施例においては
ＩＣ冷却（熱破壊保護）を促す為、図７に示したように
基板５２にモノシリックＩＣ５１を搭載し、ＩＣの放熱
面とブラッケット５０Ａを密着させ、ＩＣから発生した
熱をブラケット５０Ａを伝って放熱するような構造とし
ている。

【００４６】しかし、前記放熱対策によっても放熱量に
限界があり、入力直流電圧Ｖｄ増加によるＩＣからの発
熱量増大、調和機外部からの逆風などによる送風機負荷
上昇によって、モノシリックＩＣの破壊温度に達してし
まう。

【００４７】そこで、図５で示した電流検出回路４２に
よって送風機用電動機３５に流れる電流を検出して所定
の電流になると、現状の回転数を維持するように回転数
指令信号を出力する制御を行うことにしている。

【００４８】例えば、実回転数が設定回転数以下の場
合、回転数指令信号の電圧は徐々に増加させていくので
あるが、設定回転数に達する前に送風機負荷が増加して
所定の電流に達した場合、回転数指令信号の電圧は達し
た時の電圧を維持するようにする。

【００４９】また、回転数を維持した状態でも更に電流
値が増加する場合には、回転数指令信号の電圧値を徐々
に小さくして、所定の電流値以下になるよう制御を行
う。

【００５０】本実施例では、設定する電流は電動機特
性，送風機負荷特性の検討により予め設定しており、ま
た電流検出４２は抵抗を挿入することで、抵抗の端子間
電圧を取り込むことで端子間電圧と比例関係にある電流
を検出している。

【００５１】また、電流検出４２は送風機用電動機内部
に配置した過電流防止用として設定した過電流防止用抵
抗（図６，４８）と共用してもよい。

【００５２】尚、モノシリックＩＣ及び電動機巻線の温
度上昇値は電動機が消費する電力によって決まる為、前
記設定する電動機の電流値は入力直流電圧Ｖｄとの関係
によって変化させるものとする。

【００５３】従って設定電力以下になるよう回転数指令
信号による制限の他、入力直流電圧Ｖｄを徐々に下げて
温度上昇値を抑制することもできる。

【００５４】図８は本実施例における制限を行う入力直
流電圧Ｖｄと送風機用電動機電流の関係を示した図であ
る。

【００５５】（ａ）は制限する電動機消費電力を一定と
した場合の図であり、それぞれの回転数における負荷曲
線５６に対し、送風機負荷が上昇しても電動機温度上昇
破壊（ＩＣ熱破壊）しない直線５５を設定した例であ
る。

【００５６】（ｂ）は比較的、温度上昇幅の少ない低電
圧領域では制限電流を大きくし、温度上昇幅が大きい高
電圧領域では制限電流値を小さくした例であり、電動
機，ＩＣの持つ温度上昇特性によって柔軟に制限電力を
設定している。

【００５７】これにより、本発明における目的を損なわ
ず、前記モノシリックＩＣや電動機巻線の温度上昇によ
る電動機破壊は予防できるので高い信頼性と性能を確保
できている。

【００５８】尚、運転中、常に電動機電流・入力直流電
圧を管理しているので、製品外部からの逆風によるファ
ンの逆転現象など電動機負荷の変動する推移を監視する
ことで、ＩＣからの逆転信号を受け取らずともファンの
逆転検出が可能である。

【００５９】

【発明の効果】以上説明した通り本発明においては、イ
ンバータと駆動周辺回路をモノシリックＩＣに一体化
し、これを送風機用電動機に内蔵したものであり、省ス
ペース化に柔軟に対応できる。

【００６０】更にインバータＰＷＭチョッパ制御の他、
入力直流電圧によっても送風機の回転数制御を行うもの
であるので、制御可能な回転数範囲をより広範囲にかつ
高精度に回転数制御ができる。

【００６１】更に電流検出回路を送風機外部に別途設け
て所定の電力以下になるよう直流電圧と回転数指令信号
を調整するものであるので、空気調和機外部からの逆風
や送風機の結露等によって、送風機用電動機負荷が上昇
した場合においても、モノシリックＩＣや電動機巻線の
温度上昇による電動機破壊を防いで信頼性を確保でき
る。

【００６２】また、前記電流検出による電流監視を回転
数制御に加えて、送風機に加わる負荷状態を把握できる
ので、空気調和機外部からの逆風等によって送風機が逆
転した場合でも、内蔵したモノシリックＩＣからの逆転
信号等、送風機用電動機から別途逆転信号を取り込まな
くとも逆転検出ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明で説明する一般的な空気調和機の室内機
・室外機構成を示す斜視図。

【図２】室外機の圧縮機および送風機の制御システム構
成を示す回路図。

【図３】（ａ）及び（ｂ）はチョッパ周波数が高い場合
及び低い場合の入力直流電圧のイメージ図。

【図４】送風機用電動機の制御システム構成を示すロジ
ック図。

【図５】本発明の実施例を示すシステム構成を示す回路
図。

【図６】本発明の実施例を示す電動機内部のシステム構
成を示すロジック図。

【図７】本発明に係るワンチップＩＣを送風機用電動機
内部に実装した様子を示す電動機側面を示す側断面図。

【図８】送風機用電動機に供給する直流電圧によって電
流制限を行う為のしきい値を示す特性図。

【符号の説明】

１…室内機、２…室内側送風機用電動機、３…室内側送
風機ファン、４…配管銅パイプ、５…室外機、６…室外
側送風機ファン、７…室外側送風機用電動機、８…商用
交流電源、９…整流器、１０…圧縮機用インバータ、１
１…送風機用インバータ、１２…圧縮機電動機、１３…
送風機用電動機、１４…平滑用キャパシタ、１５…チョ
ッパオン時間、１６…チョッパ周期、１７…平均入力直
流電圧値、１８…入力直流電圧、２２…磁極位置検出ホ
ール素子、３２…入力直流電圧、３４…昇圧回路部、３
５…モノシリックＩＣ内蔵送風機用電動機、３６…マイ
コン制御部、３７…直流電圧制御信号、３８…インバー
タ転流指令信号、３９…昇圧回路部スイッチング素子、
４０…リアクタ、４１…ダイオード、４２…電流検出回
路、４３…検出電流値入力信号、４４…実回転数信号、
４５…回転数指令信号、４６…ワンチップＩＣ、４７…
圧縮機電動機、４８…過電流検出用抵抗、４９…シャフ
ト、５０Ａ…ＩＣ側ブラケット、５０Ｂ…ファン側ブラ
ケット、５１…モノシリックＩＣ、５２…内蔵基板、５
３…ケーブル、５４…電動機巻線、５５…入力電力制限
しきい値線、５６…定格回転時の負荷曲線。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 奥山 敦 栃木県下都賀郡大平町大字富田800番地 株式会社日立製作所冷熱事業部内 (72)発明者 田村 建司 栃木県下都賀郡大平町大字富田709番地の ２ 株式会社日立栃木エレクトロニクス内 Ｆターム(参考） 3L061 BE02 BF08 5H560 AA01 AA02 BB04 BB12 DA02 DA19 DB20 DC12 EB01 GG04 JJ02 SS07 UA06 XA04 XA12

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】熱交換器による放熱・吸熱作用を送風用フ
   ァンを回転させることによって行う空気調和機におい
   て、前記ファンの回転を行う電動機内にインバータ及び
   駆動回路を備え、前記インバータと電動機に供給する直
   流電圧の振幅値調整によって回転数制御を行う際、電動
   機内部又は外部に電動機負荷状態を監視する為の電流検
   出回路と、送風機用電動機の回転数信号と入力電流か
   ら、電動機回転方向、負荷状態を把握し、回転数指令信
   号を調整して前記電動機の回転数制御を行う制御機能を
   備えたことを特徴とする空気調和機。