JP2005201549A - 空気調和機、空気調和機用太陽電池及び空気調和機への太陽電池接続方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 太陽電池により簡単な構成で室外機及び室内機の両方を同時又は切換駆動することのできる空気調和機、空気調和機用太陽電池及び空気調和機への太陽電池接続方法を提供する。
【解決手段】 商用電源の交流を整流する第１の整流器の出力によって駆動される室内機と、第１の整流器の出力に対してほぼ倍の電圧によって駆動される室外機と、第２の整流器の出力電圧にほぼ等しい電圧を発生すの両端部と、その中間部にそれぞれ出力端子を有し、両端部の出力端子が第２の整流器の出力側に接続され、中間部と一端部の出力端子が第１の整流器の出力側に接続された太陽電池アレイとを備える。空気調和機用太陽電池は、空気調和機を構成する圧縮機を駆動するための直流電源とほぼ等しい直流電圧を発生するように、複数の太陽電池モジュールが直列接続され、直流電圧の約半分の電圧を出力し得る中間端子を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、太陽電池を利用した空気調和機、空気調和機用太陽電池及び空気調和機への太陽電池接続方法に関する。

太陽電池を利用した空気調和機として、商用電源を整流回路によって整流し、得られた脈流を平滑コンデンサで平滑する直流電源回路と、この直流電源回路の出力を交流に変換して圧縮機を駆動するインバータ回路と、逆流防止用ダイオードを介して、平滑コンデンサの両端に直流電力を供給する太陽電池とを備えたものが開示されている（例えば、特許文献１参照）。

また、直流電源回路において発生する直流電圧のリップルによって、太陽電池の電流が断続的になり太陽電池の稼働率を低下する現象を防止するために、平滑コンデンサと太陽電池との間にリアクタを設けたものも開示されている（例えば、特許文献２参照）。
特開昭６１−１４３６６７号公報 特開平０６−３０７７３３号公報

一般に、１００Ｖの商用電源から受電する能力可変型の空気調和機においては、室外機に収納される圧縮機を駆動するためのインバータ回路に直流電力を供給する直流電源回路として、交流電源電圧のほぼ倍の電圧を出力する倍電圧整流回路を用い、室内機に収納される室内ファン等を駆動する直流電源回路として、交流電源電圧を全波整流する全波整流回路を用いている。従って、室外機を駆動する直流電圧は約２８０Ｖであり、室内機を駆動する直流電圧は約１４０Ｖである。

上述した特許文献１に記載のように、圧縮機を駆動するために２８０Ｖの直流電圧を出力する太陽電池では室外機しか駆動することができず、その出力によって室内機をも駆動するには降圧回路が必要になる。また、特許文献２に記載のものは日照条件や温度条件により太陽電池の出力が大きくなり過ぎることがあり、これに対処するために耐圧の大きい部品を用いなければならないという問題があった。

本発明は上記の問題点を解決するためになされたもので、その目的は太陽電池により簡単な構成で室外機及び室内機の両方を同時又は切換駆動することのできる空気調和機、そのための空気調和機用太陽電池及び空気調和機への太陽電池接続方法を提供することにある。

請求項１に係る発明は、
商用電源の交流を整流する第１の整流器の出力によって室内ファンを含む室内側機器を駆動する室内機と、商用電源の交流を整流して第１の整流器の出力に対してほぼ倍の電圧を出力する第２の整流器の出力によって圧縮機を含む室外側機器を駆動する室外機とでなる空気調和機において、
第２の整流器の出力電圧よりも高い電圧を発生するように複数の太陽電池モジュールが直列接続され、その両端部及び中間部にそれぞれ出力端子を有し、両端部の出力端子が第２の整流器の出力側に接続され、中間部と一端部の出力端子が第１の整流器の出力側に接続された太陽電池アレイを備えた、ことを特徴とする。

請求項３に係る発明は、
空気調和機を構成する圧縮機を駆動するための直流電源よりも高い直流電圧を発生するように、複数の太陽電池モジュールが直列接続され、直流電圧の約半分の電圧を出力し得る中間端子を備えた空気調和機用太陽電池である。

請求項４に係る発明は、
商用電源の交流を倍電圧整流する倍電圧整流回路によって駆動される圧縮機と、商用電源の交流を全波整流する全波整流回路によって駆動されるファンモータとを備えた空気調和機に太陽電池を接続する空気調和機への太陽電池接続方法において、
倍電圧整流回路よりも僅かに高い直流電圧が出力されるように複数の太陽電池モジュールを直列接続し、
直列接続された太陽電池モジュールの両端を倍電圧整流回路の出力端に並列接続し、
直列接続された太陽電池モジュールのうち、全波整流回路の出力電圧よりも僅かに高い直流電圧となる出力端を全波整流回路の出力端に並列接続する、
ことを特徴とする。

本発明は上記のように構成したことにより、太陽電池により簡単な構成で室外機及び室内機の両方を同時又は切換駆動することのできる空気調和機、空気調和機用太陽電池及び空気調和機への太陽電池接続方法が提供される。

以下、本発明を図面に示す好適な実施形態に基づいて詳細に説明する。

図１は本発明に係る空気調和機及びこれに用いる太陽電池の概略構成図である。同図において、建物１の屋根の日照面に、太陽電池と総称される太陽電池アレイ２が設置されている。太陽電池アレイ２は両端部と中間部に合計３個の出力端子を有し、負極側の一端部の出力端子から配電線３ｃが、正極側の他端部の出力端子から配電線３ａが、中間部の出力端子から配電線３ｂがそれぞれ導出され、このうち、配電線３ｃが２つに分岐され、そのうちの１つの配電線３ｃと配電線３ａとが室外機４に接続され、もう一つの配電線３ｃと配電線３ｂとが室内機５に接続されている。

図２は室内機５及び室外機４の各制御部の構成を示す回路図である。同図において、室内機５が室内側の交流電源６に接続されている。この交流電源６に対して、ヒューズ１１を介して、全波整流回路１２の入力端子が接続されている。全波整流回路１２の出力端子間に平滑コンデンサ１３が接続されている。この平滑コンデンサ１３の両端に変圧器１４の一次巻線及びスイッチング素子１５が直列に接続されている。変圧器１４の二次巻線にはダイオード１６及び平滑コンデンサ１７が直列に接続され、このうち、平滑コンデンサ１７に制御回路１８が並列に接続されている。また、平滑コンデンサ１３の両端にはファンモータ１９が接続されている。

太陽電池アレイ２は後述するように４枚の太陽電池モジュールが直列に接続され、その正極側の出力端子から配電線３ａが導出され、負極側の出力端子から配電線３ｃが導出され、直列接続された太陽電池モジュールの中間部の出力端子から配電線３ｂが導出されている。このうち、配電線３ｂは、逆流防止用ダイオード２１を介して、全波整流回路１２の正極側の出力経路に接続され、配電線３ｃの一方は全波整流回路１２の負極側の出力経路に接続されている。

一方、室外機４はノイズフィルタ２４を備え、その入力側の一端が、開閉器２２及びヒューズ２３を介して、交流電源６の一端に接続され、ノイズフィルタ２４の入力側の他端が交流電源６の他端に接続されている。ノイズフィルタ２４の出力側端子間に倍電圧整流回路２６が接続されている。倍電圧整流回路２６はダイオードの直列接続回路とコンデンサの直列接続回路とが並列接続されたものでなり、ダイオードの相互接続点が、リアクトル２５を介して、ノイズフィルタ２４の出力側の一端に接続され、コンデンサの相互接続点がノイズフィルタ２４の出力側の他端に接続されている。倍電圧整流回路２６の出力端にはインバータ回路２７の直流入力端が接続されている。このインバータ回路２７は、それぞれ還流用のダイオードが逆並列接続された６個のスイッチング素子が３相ブリッジ接続されたものでなっている。そして、直列接続された３組のスイッチング素子の各相互接続点が交流出力端になっており、これに圧縮機２９が接続されている。

そして、太陽電池アレイ２の正極側の出力端子から導出された配電線３ａが、逆流防止用ダイオード２８を介して、倍電圧整流回路２６の正極側の出力経路に接続され、太陽電池アレイ２の負極側の出力端子から導出された配電線３ｃの他方が倍電圧整流回路２６の負極側の出力経路に接続されている。

なお、室内機５には空気調和機を制御するマイクロコンピュータ１００を備え、このマイクロコンピュータ１００は各種の処理機能を備えているが、ここでは、室外機４の運転を停止する場合に開閉器２２を開放する開閉操作機能をも備えている。

上記のように構成された第１実施例の動作について以下に説明する。建物１に配設された１００Ｖの交流電源６の電圧が全波整流回路１２によって整流され、得られた脈流が平滑コンデンサ１３によって平滑されてリップル分の少ない直流電圧が、スイッチング素子１５を介して、変圧器１４の一次側に印加される。また、この直流電圧はファンモータ１９にも供給される。ここで、スイッチング素子１５を数ｋＨｚ程度でオン、オフ制御することによって、その二次側に例えば１０Ｖ程度の交流電圧を発生させる。この交流電圧はダイオード１６及び平滑コンデンサ１７によって整流、平滑されて制御回路１８に直流の駆動電圧が供給される。マイクロコンピュータ１００は、制御回路１８に加えられる直流電圧、又は、別個の降圧回路を介して得られた直流電圧を駆動源として動作し、室外機４の運転を停止するとき、開閉器２２を開放する。

一方、開閉器２２が閉路されたとき、交流電源６の電圧が、ノイズフィルタ２４及びリアクトル２５を介して、倍電圧整流回路２６に供給され、ここで倍電圧整流されてインバータ回路２７に加えられる。インバータ回路２７は、図示を省略した制御回路によってスイッチング素子が所定の順序でオン、オフ制御され、３相交流電圧を出力して圧縮機２９に加える。

このようにして、一般的な空調制御が行われるが、室内機５における全波整流回路１２の出力電圧はほぼ１４０Ｖであり、室外機４における倍電圧整流回路２６の出力電圧はほぼ２８０Ｖである。太陽電池アレイ２は交流電源６と併用することによって交流電力の消費を抑制するもので、４個の太陽電池モジュールを直列接続することにより、２８０Ｖを超える、例えば、２９０Ｖ〜３００Ｖの電圧を発生し、その電圧が配電線３ａ及び３ｃによって倍電圧整流回路２６の出力端子間に供給される。また、４個の太陽電池モジュールの中間の接続点から導出された配電線３ｂと配電線３ｃとによって、１４０Ｖを超える、例えば、１４５Ｖ〜１５０Ｖの電圧が全波整流回路１２の出力端子間に印加される。

この結果、太陽電池アレイ２により室外機４及び室内機５の両方を駆動したり、室内機５のみを駆動したりすることができる。

図３は本発明に係る空気調和機の第２実施例の構成を示す回路図であり、図中、第１実施例を示す図２と同一の要素には同一の符号を付してその説明を省略する。この実施例は太陽電池アレイ２の中間の出力端子から導出された配電線３ｂが全波整流回路１２の正極側に接続される途中の逆流防止用ダイオード２１の後段に接点ａが、太陽電池アレイ２の負極側の出力端子から導出されて全波整流回路１２の負極側に接続される途中に接点ｂがそれぞれ設けられ、さらに、太陽電池アレイ２の正極側の出力端子から導出された配電線３ａが倍電圧整流回路２６の正極側に接続される途中の逆流防止用ダイオード２８の後段に接点ｃが、太陽電池アレイ２の負極側の出力端子から導出されて倍電圧整流回路２６の負極側に接続される途中に接点ｄがそれぞれ設けられた点が図２と構成を異にし、これ以外は図２と同一に構成されている。なお、接点ａ，ｂは制御回路１８によって励磁、非励磁の制御が行われるリレー接点であり、接点ｃ，ｄは室外機の図示省略の制御回路によって励磁、非励磁の制御が行われるリレーの接点である。

上記のように構成された第２実施例の動作について、特に、第１実施例と構成を異にする部分について、以下に説明する。近年の空気調和機は空気清浄機能を備え、室外機４の運転を停止したまま、室内機５の送風機のみを運転したり、換気のみを目的として室外機４の運転を停止したまま、室内機５の送風機のみを運転したりする機会が多くなっている。従来では、空気調和機は室内機と室外機が同時に運転を行う冷暖房運転で使用される機会がほとんどであったが、近年の使用形態を考慮すると、室内機のみの運転に対処できるように太陽電池の電力を室内機に供給すれば、省エネルギー効果も大きくなる。一方、室内機と室外機の両方の機器を動作させる場合に太陽電池の電力を両方に供給すると、室内機の負荷が大きい場合には中間の出力端子電圧が低下し、室外機に電力を供給する両端間の電圧もそれに合わせて低下し、室外機側への電力供給ができなくなる可能性がある。したがって、室内機と室外機の両方が動作する場合には太陽電池の出力供給を室外機側に優先し、室内機側への供給を禁止する。

本実施例はこのような考えに基づいてなされたもので、室外機４及び室内機５のうち、室内機５のみが運転する場合は室内機５側へ、室内機５、室外機４の両方が動作する場合には室外機側に太陽電池アレイ２のエネルギーを供給するもので、運転開始当初に室内機５を運転する場合には接点ａ及びｂをオン状態にすると共に、接点ｃ及びｄをオフ状態にすることによって、室内機５のみに太陽電池エネルギーを供給する。その後、室外機４も運転する場合には接点ａ及びｂをオフ状態にすると共に、接点ｃ及びｄをオン状態にすることによって、室外機４のみに太陽電池エネルギーを供給する。

図４は上記の制御に対応する制御回路１８の処理手順の一例を示すフローチャートである。制御回路１８はマイクロコンピュータ１００から空気調和機の運転、停止の信号と、開閉器２２をオン、オフ制御する信号とを受け取り、これらの信号に基づいて室内機５及び室外機４の動作を確認してその処理を実行する。すなわち、ステップ１０１で空気調和機が運転開始されたとすると、ステップ１０２にて室内機５のリレーを励磁し、室外機４のリレーを非励磁の状態にする。続いて、ステップ１０３にて室外機４が動作が必要か否かを判定し、動作が必要でないときにはステップ１０２及び１０３の処理を繰り返し、動作が必要であればステップ１０４にて室内機５のリレーを非励磁の状態とし、室内機５のリレーを励磁する。そして、ステップ１０３で室外機４の動作が必要でないと判定するまで、ステップ１０３及び１０４の処理を繰り返す。

かくして、第２実施例によれば、太陽電池アレイ２により室外機４及び室内機５のうち、電力を必要とする側に随時太陽エネルギーを切換えて供給することができる。

図５は本発明に係る空気調和機用太陽電池の接続状態を変えて太陽エネルギーを供給する構成例であり（ａ）は図２に示したように、室外機４及び室内機５の両方に太陽エネルギーを供給する場合を示し、（ｂ）はその接続状態を変えて室内機５のみに太陽エネルギーを供給する場合を示している。すなわち、（ａ）に示す太陽電池アレイ２は、太陽電池モジュール２０１〜２０４が直列に接続され、電圧の最も高い太陽電池モジュール２０１の正極側と、電圧の最も低い太陽電池モジュール２０４の負極側と、太陽電池モジュール２０２及び２０３を接続する中間部とにそれぞれ出力端子を備え、これらの出力端子からそれぞれ配電線３ａ，３ｃ，３ｂを導出することによって図２に示したように室外機４及び室内機５の両方に太陽エネルギーを供給することができる。また、（ｂ）に示す太陽電池アレイ２は、太陽電池モジュール２０１及び２０２を直列接続し、太陽電池モジュール２０３及び２０４を直列接続し、太陽電池モジュール２０１の正極側の出力端子を太陽電池モジュール２０３の正極側の出力端子に接続して配電線３ｂを導出し、太陽電池モジュール２０２の負極側の出力端子を太陽電池モジュール２０４の負極側の出力端子に接続して配電線３ｃを導出したものである。図６（ａ）（ｂ）は図５（ａ）（ｂ）に接続状態を示した太陽電池アレイ２の等価回路である。

かくして、この実施例によれば、室内機５にて高い電力を必要とした場合、そのまま直列接続して使用すると出力電圧が上昇し、使用している部品として耐圧の大きいものに変更する必要があるが、中間の出力端子を利用して並列接続することによって、電圧を変えずに大きな電力を室内機５に供給できるという利点もある。

ここで、空気調和機に対して、例えば、図６（ａ）のような太陽電池アレイ２を接続する手順を簡単に説明することとする。この場合、最初に倍電圧整流回路２６よりも僅かに高い直流電圧が出力されるように複数の太陽電池モジュール２０１〜２０４を直列接続し、続いて、直列接続された太陽電池モジュール２０１〜２０４の両端を倍電圧整流回路の２６出力端に並列接続し、その後、直列接続された太陽電池モジュール２０１〜２０４のうち、全波整流回路１２の出力電圧よりも僅かに高い直流電圧となる出力端を全波整流回路１２の出力端に並列接続する。

一般的には、室外機用に４枚の太陽電池モジュールを直列接続したものを設け、さらに、室内機用に２枚の太陽電池モジュールを直列接続したものを設ける構成も考えられるが、上記の手順を採用することによって、昇圧回路や降圧回路を不要にした簡単な構成で、かつ、枚数の少ない太陽電池モジュールで室外機及び室内機の両方を同時又は切換駆動することが可能となる。

なお、上述した実施例は４枚の太陽電池モジュールを直列接続したり、あるいは、直並列接続する場合について説明したが、太陽電池モジュールの素子アレイの数を変えたものを用いることによって、２枚の太陽電池モジュールであっても、６枚又は８枚等、偶数枚であれば、上述したと同様に室外機及び室内機の両方又はいずれか一方を駆動することができる。

また、太陽電池モジュールの素子アレイの数を変えたものを奇数枚直列接続する場合であっても、倍電圧整流回路２６の出力電圧より、例えば、２０〜３０Ｖ高い両端電圧を全波整流回路１２の両端電圧よりも１０〜１５Ｖ高い値に分圧できる中間部に出力端子を設けることによって、上述したと同様な効果が得られる。

本発明に係る空気調和機及び空気調和機用太陽電池の第１実施例の概略構成図。 第１実施例を構成する室内機及び室外機の各制御部の構成を示す回路図。 本発明に係る空気調和機及び空気調和機用太陽電池の第２実施例の概略構成図。 第２実施例の制御に対応する制御回路の処理手順の一例を示すフローチャート。 本発明に係る空気調和機用太陽電池の接続状態を変えてエネルギー供給する構成例。 図５に示した接続状態に対応する太陽電池アレイの等価回路。

符号の説明

１ 建物
２ 太陽電池アレイ
３ａ〜３ｄ 配電線
４ 室外機
５ 室内機
６ 交流電源
１２ 全波整流回路
１３ 平滑コンデンサ
１９ ファンモータ
２１，２８ 逆流防止用ダイオード
２２ 開閉器
２６ 倍電圧整流回路
２７ インバータ回路
２９ 圧縮機
１００ マイクロコンピュータ

Claims (4)

1. 商用電源の交流を整流する第１の整流器の出力によって室内ファンを含む室内側機器を駆動する室内機と、商用電源の交流を整流して前記第１の整流器の出力に対してほぼ倍の電圧を出力する第２の整流器の出力によって圧縮機を含む室外側機器を駆動する室外機とでなる空気調和機において、
   前記第２の整流器の出力電圧よりも高い電圧を発生するように複数の太陽電池モジュールが直列接続され、その両端部及び中間部にそれぞれ出力端子を有し、両端部の前記出力端子が前記第２の整流器の出力側に接続され、中間部と一端部の前記出力端子が前記第１の整流器の出力側に接続された太陽電池アレイを備えた、ことを特徴とする空気調和機。
2. 前記太陽電池アレイの出力経路を開閉することが可能な開閉器と、室外機のみに太陽電池の電力を供給するとき、室内機への電力供給経路を遮断し、室内機のみに太陽電池の電力を供給するとき、室外機への電力供給経路を遮断するように前記開閉器を操作する開閉操作手段と、を備えたことを特徴とする請求項１に記載の空気調和機。
3. 空気調和機を構成する圧縮機を駆動するための直流電源よりも高い直流電圧を発生するように、複数の太陽電池モジュールが直列接続され、前記直流電圧の約半分の電圧を出力し得る中間端子を備えた空気調和機用太陽電池。
4. 商用電源の交流を倍電圧整流する倍電圧整流回路によって駆動される圧縮機と、商用電源の交流を全波整流する全波整流回路によって駆動されるファンモータとを備えた空気調和機に太陽電池を接続する空気調和機への太陽電池接続方法において、
   前記倍電圧整流回路よりも僅かに高い直流電圧が出力されるように複数の太陽電池モジュールを直列接続し、
   直列接続された太陽電池モジュールの両端を前記倍電圧整流回路の出力端に並列接続し、
   直列接続された太陽電池モジュールのうち、前記全波整流回路の出力電圧よりも僅かに高い直流電圧となる出力端を前記全波整流回路の出力端に並列接続する、
   ことを特徴とする空気調和機への太陽電池接続方法。

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