JP2006038393A - 空気調和機器、信号伝送方法および空気調和機器の信号伝送方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
従来の伝送方式を、ビルや住宅に既設された空気調和機器に対して適用しようとすると、通信媒体となる冷媒配管と、室内ユニットと、室外ユニットの間を絶縁する必要があり、冷媒配管の両端付近の鋼管を電気的絶縁装置に交換しなければならなかった。
【解決手段】
冷媒配管３，４の一端に接続された室内ユニット２と、冷媒配管３，４の他端に接続された室外ユニット１とを有する空気調和機器であって、冷媒配管３，４の両端部に各々設けられ、冷媒配管３，４に交流制御信号を結合すると共に、交流電気信号に対して所定のインピーダンスを奏する信号結合部７を備えることを特徴とする。
かかる構成によって、本発明は、従来のような電気的絶縁装置が不要となり、簡単な装置構成で室内ユニット２と室外ユニット１間の信号伝送が行えるといった優れた効果が発揮される。
【選択図】 図1

Description

本発明は、室内外に分離して機器が配置され、互いに制御信号を授受しながら機能を奏する空気調和機器、信号伝送方法および空気調和機器の信号伝送方法に関するものである。

従来の空気調和機器は、室内ユニットと室外ユニットに分割した空気調和機器のガス側冷媒配管と液側冷媒配管のそれぞれの室内ユニット側、室外ユニット側に電気的絶縁装置を設け、室内ユニットの制御基板とガス側冷媒配管および液側冷媒配管を接続し、また室外ユニットの制御基板とガス側冷媒配管および液側冷媒配管を接続し、ガス側及び液側の冷媒配管を室内ユニットと室外ユニットの制御信号の通信媒体として使用するように構成されていた。（特許文献１参照）

特開平６−２８８０（請求項１、第１図、第２図）

しかしながら、従来の空気調和機器は、通信媒体となる冷媒配管と、室内ユニットと、室外ユニットとの間を絶縁する必要があり、装置構成が大規模かつ複雑になり、問題であった。
特に、既設の空気調和機器に対して、従来の空気調和機器の伝送方式を適用しようとしても、絶縁作業が非常に困難かつ煩雑であったため、現実にはほとんど適用できなかった。

本発明は、係る課題を解決するためになされたもので、非常に簡単な構成で室内外の機器間での信号伝送を行う空気調和機器を提供することを目的とする。また、困難かつ煩雑な作業を伴わずに、既設の配管を簡単に通信媒体として利用できる信号伝送方法を提供することを目的とする。

本発明に係る空調調和機器は、冷媒配管の一端に接続された室内ユニットと、冷媒配管の他端に接続された室外ユニットとを有する空気調和機器であって、冷媒配管の両端部に各々設けられ、冷媒配管に交流制御信号を結合すると共に、交流電気信号に対して所定のインピーダンスを奏する信号結合部を備えることを特徴とする。

本発明に係る空調調和機器は、冷媒配管の両端部に各々信号結合部が設けられているので、交流電気信号に対して所定のインピーダンスを奏する伝送路を冷媒配管に形成することができる。その結果、従来技術のような電気的絶縁装置が不要となり、簡単な装置構成で室内ユニットと室外ユニット間の信号伝送が行えるといった優れた効果が発揮される。
また、既設の冷媒配管に、例えば、環状コアと接続端子からなる信号結合部を取り付けるだけで、通信媒体として利用できるようになる。その結果、冷媒配管の両端付近の鋼管を電気的絶縁装置に交換する作業なしに、既設の冷媒配管を通信媒介として利用できるといった優れた効果が発揮される。

実施の形態１．
図１は、本実施の形態に係る空気調和機器の構成を示すブロック図である。
同図において、室外ユニット１と室内ユニット２は、外壁１０を間に挟んで、ガス側冷媒配管３と液側冷媒配管４を介して接続されている。

室内ユニット２は、室内ユニット冷媒回路８と室内ユニット制御回路９と信号結合回路（信号結合部）７から構成されている。また、室内ユニット制御回路９は、交流信号を媒介として制御信号を交換しており、室内ユニット制御回路９より出力された交流制御信号は、信号結合回路７を経てガス側冷媒配管３ないし液側冷媒配管４あるいは両方の配管を媒体として、室外ユニットに伝送される。

室外ユニット１は、室外ユニット冷媒回路５と室外ユニット制御回路６と信号結合回路（信号結合部）７から構成されている。また、室外ユニット制御回路６は、室内ユニット制御回路９と同様、交流信号を媒介として制御信号を交換しており、室外ユニット制御回路６より出力された交流制御信号は、信号結合回路７を経てガス側冷媒配管３ないし液側冷媒配管４あるいは両方の配管に結合されて、室内ユニット２に伝送される。

図２（ａ）は、本実施の形態に係る信号結合回路７の原理を示すブロック図である。ここでは室外ユニット１を例として説明する。室外ユニット冷媒回路５は、金属材料で構成されており、液側配管３とガス側配管４は、電気的には室外ユニット冷媒回路５を介して短絡されている。図２（ｂ）に示すように、磁性材料で構成された環状のコア１１の中心部に、液側配管３及びガス側配管４を各々挿着することにより、巻き数１のインダクタンスが構成される。たとえば、内半径Ｒ１、外半径Ｒ２、高さｈで透磁率μのトロイダルコアの場合、自己インダクタンスＬは、
Ｌ＝（μｈ／２π）ｌｎ（Ｒ２／Ｒ１）であり、周波数ｆの交流信号に対しては、
Ｚ＝ｊ２πｆＬのインピーダンスを持つ。したがって、室外ユニット制御回路６が送信する交流制御信号に対しては、液側配管３及びガス側配管４を貫通させたコア１１の作用により、室外ユニット冷媒回路５側には、２＊Ｚのインピーダンスで終端された伝送路が形成される。

図３は、信号結合回路７の一具体例である結合クランプ１２を示す図である。結合クランプ１２は、環状のコア１１が中心軸線に沿って２分割された部分コア片１１ａと、室外機制御回路６からの交流制御信号を結合する接続端子１３とを備えている。また、接続端子１３は、部分コア片１１ａの長手方向片端面の配管挿着部分に設けられた金属性の接触部１３ａと、室外ユニット制御回路６の交流制御信号を接続するための接続部１３ｂとを備えている。
結合クランプ１２は、開閉可能に構成されており、図４に示すように、部分コア片１１ａを組み合わせた状態で閉じることができる。この際、液側配管３又はガス側配管４の金属部を部分コア片１１ａの中心部に挟み込むことにより、図２（ａ）で説明したインダクタンスが形成される。そして、結合クランプ１２の接続部１３ｂは、各配管への交流制御信号の注入部となる。

図５は、室外ユニット１の配管接続部を示す図であり、図３に示した結合クランプ１２を用いて、液側配管３及びガス側配管４に交流制御信号を結合する具体例を示している。図５に示すように、室外ユニット１には、液側配管３とガス側配管４を、従来技術で説明した空調機器と同様に接続し、室外ユニット制御回路６からの制御信号ケーブル１６に電気的に接続された結合クランプ１２を、上から覆い被せて液側配管３及びガス側配管４の金属部に取り付けることにより、図１に示した信号結合回路７が形成される。
室外ユニット冷媒回路５に接続された液側配管３及びガス側配管４は、発泡ウレタン等の絶縁材料からなる断熱材で覆われて、室内ユニット２へ敷設される。また、同様に、図１に示したように、室内ユニット２の室内ユニット冷媒回路８の配管接続部にも、室外ユニット１と同様な方法で、結合クランプ１２を、上から覆い被せて各配管に取り付けることにより、信号結合回路７が形成される。

このように、液側配管３及びガス側配管４に結合クランプ１２を取り付けることにより、交流的に所定のインピーダンスで両端が終端された、互いに絶縁された並行線路が形成されることとなる。この線路を介して室外ユニット制御回路６および室内ユニット制御回路９は、互いに制御信号を送受信し、室外ユニット１と室内ユニット２は、対を成して空調運転を実行する。
以上のように、本方式によれば、空調機の冷媒配管工事は、従来技術の方法になんら変更の必要がなく、結合クランプ１２を取り付けるだけで容易に冷媒配管を伝送路として使用することが可能になり、工事性よく、制御配線工事をなくした空調機器を実現できる。

実施の形態２．
次に、実施の形態２に係る空気調和機器を説明する。図６は、実施の形態２に係る信号結合回路７の原理を示すブロック図である。なお、実施の形態１と同一又は同等な構成部分については同一符号を付し、その説明は省略する。

図６（ａ）においては、室外ユニット１を例として説明する。室外ユニット冷媒回路５は、金属材料で構成されており、室外ユニット１の接地線接続端子と電気的に接続されている。したがって、液側配管３とガス側配管４は、電気的に室外ユニット冷媒回路５を介し接地接続端子に接続されている。また、一般的に室外ユニット１は、接地配線工事が施されている。このままの状態で液側配管３またはガス側配管４に直接信号を結合しても、接地インピーダンスが低い場合、結合損失が大きく、配管への信号伝搬は期待できない。

図６（ｂ）に示すように、磁性材料で構成された環状のコア１１の中心部に、液側配管３及びガス側配管４を各々挿着することにより、巻き数１のインダクタンスが構成される。たとえば、内半径Ｒ１、外半径Ｒ２、高さｈで透磁率μのトロイダルコアの場合、自己インダクタンスＬは、
Ｌ＝（μｈ／２π）ｌｎ（Ｒ２／Ｒ１）であり、周波数ｆの交流信号に対しては、
Ｚ＝ｊ２πｆＬのインピーダンスを持つ。したがって、室外ユニット制御回路６が送信する交流制御信号に対しては、液側配管３又はガス側配管４を貫通させたコア１１の作用により、室外ユニット冷媒回路５側には、Ｚのインピーダンスで接地された伝送路が形成される。

図７は、室外ユニット１の配管接続部を示す図であり、図３に示した結合クランプ１２を用いて、液側配管３又はガス側配管４に交流制御信号を結合する具体例を示している。説明簡易化のため、ガス側配管４に信号を結合することとして説明を行う。図７に示すように、室外ユニット１には、液側配管３とガス側配管４を、従来技術で説明した空調機器と同様に接続し、室外機制御回路６からの制御信号同軸ケーブル１７の中心導体に電気的に接続された結合クランプ１２を、上から覆い被せてガス側配管４の金属部に取り付ける。また、制御信号同軸ケーブル１７の外導体は、ガス側配管４の断熱材表面に導電材料で所定の幅だけ覆った励波部１８に接続することにより、図１に示した信号結合回路７が形成される。
同様に、図１に示したように、室内ユニット２の冷媒回路８の配管接続部にも、室外ユニット１と同様な方法で、結合クランプ１２を上から覆い被せてガス側配管４に取り付けると共に、制御信号同軸ケーブル１７の外導体を励波部１８に接続することにより、信号結合回路７が形成される。

このような様態において、室外ユニット制御回路６から交流制御信号が送信されると、ガス側配管４の表面と励波部１８の間で電磁界が発生し、この電磁界が、ガス側配管４の表層を伝搬する。結合クランプ１２の自己インダクタンスにより、接地に対しては所定のインピーダンスを持っているため、励振電流が接地にすべて吸収されることがなく、注入損失も低く抑えられる。

ガス側配管４の表層を伝搬した電磁界は、室内ユニット２側の信号結合回路７に到達し、励振部１８と結合クランプ１２に接続された制御信号同軸ケーブル１７に電気信号を発生させる。この電気信号を室内ユニット制御回路９が受信し、通信が行われる。室内ユニット２から室外ユニット１への通信についても、送受信の動作を逆とし、同様に実施される。
以上のように、本方式によれば、空調機の冷媒配管工事は、従来技術の方法になんら変更の必要がなく、結合クランプ１２を取り付けると共に、配管表面に励波部１８を取り付けるだけで容易に冷媒配管を伝送路として使用することが可能になり、工事性よく、制御配線工事をなくした空調機器を実現できる。

また、本実施の形態では、交流制御信号をガス側配管４に結合する場合について説明したが、液側配管３、あるいは両配管に信号を結合しても、同様な効果を得ることができる。

図８は、室外ユニット１の配管接続部を示す図であり、図３に示した結合クランプ１２を用いて、液側配管３又はガス側配管４に交流制御信号を結合する第２の具体例を示している。説明簡易化のため、ガス側配管４に信号を結合することとして説明を行う。図８に示すように、室外ユニット１には、液側配管３とガス側配管４を、従来技術で説明した空調機器と同様に接続し、室外機制御回路６からの制御信号同軸ケーブル１７の中心導体に電気的に接続された結合クランプ１２を、上から覆い被せてガス側配管４の金属部に取り付ける。また、制御信号同軸ケーブル１７の外導体を室外ユニット冷媒回路５に接続することにより、信号結合回路７が形成される。
同様に、室内ユニット２の冷媒回路８の配管接続部にも、室外ユニット１と同様な方法で、結合クランプ１２を上から覆い被せてガス側配管４に取り付けると共に、制御信号同軸ケーブル１７の外導体を室内ユニット冷媒回路８に接続することにより、信号結合回路７が形成される。

室内ユニット２は、一般に、天井の建物構造材１９（鉄骨など）に、金属製アンカー等でつり下げられて設置される。また、室外ユニット１においては、建物構造材１９を介し接地されているか、あるいは接地配線と構造材とが静電結合等で結合されている。したがって、図９に示すように、建物構造体１９を共通線とし、結合クランプ１２のインピーダンスで終端されたガス側配管４を電線として用いる伝送線路が形成される。

このような様態において、ガス側配管４と結合クランプ１２と建物構造体１９とで電気信号のループが形成されるので、室外ユニット制御回路６から交流制御信号が送信されると、この交流制御信号は、ガス側配管４を介して室内ユニット２に伝送される。この交流制御信号を室内ユニット制御回路９が受信し、通信が行われる。室内ユニット２から室外ユニット１への通信についても、送受信の動作を逆とし、同様に実施される。
以上のように、本方式によれば、空調機の冷媒配管工事は、従来技術の方法になんら変更の必要がなく、結合クランプ１２を取り付けるだけで、容易に冷媒配管を伝送路として使用することが可能になり、工事性よく、制御配線工事をなくした空調機器を実現できる。

また、本実施の形態では、交流制御信号をガス側配管４に結合する場合について説明したが、液側配管３、あるいは両配管に信号を結合しても、同様な効果を得ることができる。

実施の形態３．
次に、実施の形態３に係る空気調和機器を説明する。図１０は、実施の形態３に係る信号結合回路７の原理を示すブロック図である。なお、実施の形態１と同一又は同等な構成部分については同一符号を付し、その説明は省略する。

図１０においては、室外ユニット１を例として説明する。室外ユニット冷媒回路５は、金属材料で構成されており、液側配管３とガス側配管４は、電気的には室外ユニット冷媒回路５を介して短絡されている。室外ユニット冷媒回路５を短絡終端（冷媒配管取り出し部）とし、液側配管３及びガス側配管４を並行線路とすると、短絡終端からの距離ｌにおけるインピーダンスは、図１１，１２に示した式ならびにグラフのように、原理的には距離ｌにより０〜∞の範囲で変化する。たとえば、距離ｌを使用する交流制御信号の波長の１／４に選ぶと、無限大となり、ガス側配管４と液側配管３は絶縁された配線と見ることができる。ここで、１ＧＨｚの周波数を用いた場合、波長は３０ｃｍであるから、短絡終端からの距離ｌを７．５ｃｍとすればよい。

図１３は、室外ユニット１の配管接続部を示す図であり、図１０の図を具体化した例を示している。交流制御信号の周波数に応じ、距離ｌを波長の１／４で液側配管３及びガス側配管４に結合することにより、両配管を伝送線として使用できる。
この線路を介して、室外ユニット制御回路６および室内ユニット制御回路９は、互いに制御信号を送受信し、室外ユニット１と室内ユニット２は、対を成して空調運転を実行する。
以上のように、本方式によれば、空調機の冷媒配管工事は、従来技術の方法になんら変更の必要がなく、室外ユニット冷媒回路５から交流制御信号の波長の１／４の距離に信号を結合するだけで、容易に冷媒配管を伝送路として使用することが可能になり、工事性よく、制御配線工事をなくした空調機器を実現できる。

なお、ここでは単一の周波数を想定しているが、制御信号の周波数帯域が所定の帯域を有するものであっても、通信方式によっては周波数による伝送路特性を吸収可能なものもあり、給電点の距離は使用する周波数帯域で、略１／４波長としても良い。

さらに、室外ユニット１と室内ユニット２が各々１台の場合について説明したが、ビル空調システム（ビルマルチエアコン）のように、１台の室外ユニット１に複数台の室内ユニット２が接続される構成であってもよいし、その逆であってもよい。この場合、冷媒配管を利用して、ネットワークシステムを構築することが可能となる。

なお、実施の形態１〜３では、空気調和機器の冷媒配管を使用した信号伝送方法について説明してきたが、このような信号伝送方法は冷媒配管に限定されるものではない。交流電気信号を伝送させることのできる通電材質で出来た配管であればなんであってもよい。例えば水道管、ガス管、ファンコイルユニットなどを用いた給湯システムの給湯管、ＦＦ式暖房機の配管などを利用してもよい。ビルや住宅に既設されたこのような配管を利用することにより容易にネットワークシステムを構築することができる。

実施の形態１に係る空気調和機器の構成を示すブロック図である。 （ａ）は実施の形態１に係る信号結合回路の原理を示すブロック図である。（ｂ）はコアの構造を示す断面図である。 実施の形態１に係る結合クランプの構造を示す図である。 実施の形態１に係る結合クランプを閉じた状態を示す図である。 実施の形態１に係る信号結合部の具体例を示す図である。 （ａ）は実施の形態２に係る信号結合回路の原理を示すブロック図である。（ｂ）はコアの構造を示す断面図である。 実施の形態２に係る信号結合回路の具体例を示す図である。 実施の形態２に係る信号結合回路の別の具体例を示す図である。 図８の信号結合回路を用いた伝送経路を説明するためのシステム構成図である。 実施の形態３に係る信号結合回路の原理を示すブロック図である。 液側配管３及びガス側配管４の端部を示す図である。 短絡終端からの距離ｌにおけるインピーダンスを示すグラフである。 実施の形態３に係る信号結合回路の具体例を示す図である。

符号の説明

１ 室外ユニット
２ 室内ユニット
３ 液側配管
４ ガス側配管
５ 室外ユニット冷媒回路
６ 室外ユニット制御回路
７ 信号結合回路（信号結合部）
８ 室内ユニット冷媒回路
９ 室内ユニット制御回路
１０ 外壁
１１ コア
１１ａ 部分コア片
１２ 結合クランプ
１３ 接続端子
１３ａ 接触部
１３ｂ 接続部
１５ 断熱材
１６ 制御信号ケーブル
１７ 制御信号同軸ケーブル
１８ 励振部
１９ 建物構造体

Claims (13)

1. 冷媒配管の一端に接続された室内ユニットと、前記冷媒配管の他端に接続された室外ユニットとを有する空気調和機器であって、
   前記冷媒配管の両端部に各々設けられ、前記冷媒配管に交流制御信号を結合すると共に、交流電気信号に対して所定のインピーダンスを奏する信号結合部を備えることを特徴とする空気調和機器。
2. 前記信号結合部は、磁性材料で形成され前記冷媒配管を中心部に挿着する環状コアと、前記環状コアより中央側の前記冷媒配管の金属部に対して電気的に接触する接続端子とを備えることを特徴とする請求項１記載の空気調和機器。
3. 前記環状コアは、複数の部分コア片に分離可能に構成され、これらの部分コア片を組み合わせる際に前記冷媒配管を挟み込んで挿着することを特徴とする請求項２記載の空気調和機器。
4. 前記接続端子は、前記環状コアの片端面に設けられ、前記冷媒配管を挿着した際に金属部と電気的に接触する接触部と、交流制御信号伝送用の電気配線を接続する接続部とを備えることを特徴とする請求項２又は請求項３記載の空気調和機器。
5. 前記冷媒配管は、ガス側配管と液側配管とを有し、
   前記信号結合部は、前記ガス側配管と前記液側配管との双方に設けられていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の空気調和機器。
6. 前記冷媒配管は、ガス側配管と液側配管とを有し、
   前記信号結合部は、前記ガス側配管と前記液側配管とのいずれか一方に設けられていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の空気調和機器。
7. 交流制御信号伝送用の同軸ケーブルの中心導体が、前記信号結合部に接続すると共に、前記同軸ケーブルの外導体が、前記室内ユニット又は前記室外ユニットのアースに接続することを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の空気調和機器。
8. 交流制御信号伝送用の同軸ケーブルの中心導体が、前記信号結合部に接続すると共に、前記同軸ケーブルの外導体が、前記冷媒配管の断熱材表面に設けた導電部に接続することを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の空気調和機器。
9. 冷媒配管の一端に接続された室内ユニットと、前記冷媒配管の他端に接続された室外ユニットとを有する空気調和機器であって、
   前記冷媒配管の両端部の各々に設けられ、前記室内ユニット又は前記室外ユニットの冷媒配管取り出し部から交流制御信号の波長λのλ/4の距離における前記冷媒配管の金属部に交流制御信号を結合する信号結合部を備えることを特徴とする空気調和機器。
10. 配管の両端間で交流制御信号を伝送させる信号伝送方法であって、
    前記配管の両端部に磁性材料を上から覆い被せることにより、交流電気信号に対して所定のインピーダンスを奏する伝送路を前記配管に形成することを特徴とする信号伝送方法。
11. 配管の両端間で交流制御信号を伝送させる信号伝送方法であって、
    前記配管の端部から交流制御信号の波長λのλ/4の距離における前記配管の金属部に交流制御信号を結合することを特徴とする信号伝送方法。
12. 冷媒配管の一端に接続された室内ユニットと、前記冷媒配管の他端に接続された室外ユニットとの間で交流制御信号を伝送させる空気調和機器の信号伝送方法であって、
    前記冷媒配管の両端部に磁性材料を上から覆い被せることにより、交流電気信号に対して所定のインピーダンスを奏する伝送路を前記冷媒配管に形成することを特徴とする空気調和機器の信号伝送方法。
13. 冷媒配管の一端に接続された室内ユニットと、前記冷媒配管の他端に接続された室外ユニットとの間で交流制御信号を伝送させる空気調和機器の信号伝送方法であって、
    前記室内ユニット又は前記室外ユニットの冷媒配管取り出し部から交流制御信号の波長λのλ/4の距離における前記冷媒配管の金属部に交流制御信号を結合することを特徴とする空気調和機器の信号伝送方法。

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