JP2006138524A - 圧縮機制御ユニットおよび圧縮機制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】交流商用電源を用いてインバータ駆動する圧縮機制御ユニットを小型化し、さらに圧縮機制御ユニット内部の部品信頼性を高める。
【解決手段】密閉した筐体３５内に配置した整流回路部３６と、スイッチング回路部３７と、制御回路部３８とから構成される駆動回路部と、少なくとも複数の回路部の温度を検出する温度センサ６０、６１、６２、６３を有する圧縮機制御ユニット１８を用い、複数の温度センサ６０、６１、６２、６３のうちの少なくとも一つの温度センサから検出された値に基づいて圧縮機の運転動作を制御している。
【選択図】図３

Description

本発明は、交流電源を用いたインバータ制御により冷媒圧縮用の圧縮機を駆動させるための圧縮機制御ユニットおよびこの圧縮機制御ユニットを用いた圧縮機制御方法に関する。

家庭用空気調和機などには小型化と省エネルギ性が要求されている。このような観点から、室内ユニットでは熱交換器の伝熱面積の増加が要求され、室外ユニットでは熱交換器の伝熱面積を増大させつつ室外ユニットを小型化することが要求されている。一方、室外ユニットに搭載されている圧縮機についても小型高性能化が要求されている。また、圧縮機については、圧縮機本体と制御ユニットとを一体化して、圧縮機構成部品の小型化と製造時の組み立て性を容易にすることなども要求されている。

さらに、家庭用空気調和機の圧縮機としてはインバータ制御による圧縮機が主流であり、圧縮機とその圧縮機を制御する制御ユニットが空気調和機を構成する室外ユニットに搭載されて冷凍サイクルを運転している。

図６は従来の空気調和機における室外ユニットの概略構成を示す斜視図である。図６に示すように、室外ユニット本体１００は、圧縮機構部（図示せず）およびこの圧縮機構部を駆動するモータ部（図示せず）を密閉容器内に収納した圧縮機１１０と、外気との熱交換を行うための室外熱交換器１２０と、熱交換のための外気を送風する送風機１３０とにより構成されている。また、これらの構成要素は外枠体（図示せず）に収納されている。また、室外ユニット１００の構成要素部品を駆動するための駆動回路ユニット１４０が、室外ユニット１００の上部空間に圧縮機１１０とは切り離されて配置されている。

駆動回路ユニット１４０は、圧縮機１１０を駆動制御するための圧縮機制御ユニット、送風機１３０を駆動制御するための送風機制御ユニット、冷凍サイクルを駆動制御するための冷凍サイクル制御ユニット、さらには室内ユニットへの配線部などにより構成されているが、大部分の構成要素は圧縮機制御ユニットである。

一方、図７には、空気調和機の圧縮機としてのインバータ制御による圧縮機を駆動するための駆動回路図を示す。図７に示すように、駆動回路は、交流商用電源２００を直流に変換するコンバータ回路部となる整流回路部２１０、直流を三相交流に変換して圧縮機１１０のモータ２２０を駆動するインバータ回路部となるスイッチング回路部２３０、さらにスイッチング回路部２３０を駆動するゲートドライブ回路部２４０、さらには通電信号を形成する演算器２５０により構成されている。ここで、整流回路部２１０はリアクタンス２６０、コンデンサ２７０、さらにはダイオード２８０などの組み合わせによって形成されている。また、スイッチング回路部２３０は、高速スイッチングが可能なＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipor mode Transistor）素子やパワートランジスタなどよりなるスイッチング素子２９０によって構成されている。

図６に示すように、駆動回路ユニット１４０はそれぞれの駆動要素とは別体で設けられ、それらの駆動要素とは組み立て時に配線接続する構成となっている。

一方、近年、車載空調機にもインバータ制御の圧縮機が搭載され、空調機の小型化軽量化などを目的として、圧縮機と圧縮機制御ユニットとを一体化した例が開示されている（例えば、特許文献１、特許文献２など）。
特開２００２−１７４１７８号公報 特開２００３−１３８５９号公報

交流商用電源を用いたインバータ駆動の圧縮機を用いた空気調和機では、圧縮機本体と圧縮機制御ユニットとが別体で設けられ、圧縮機制御ユニットの室外ユニットに占める体積が大きくなるため、室外熱交換器の有効伝熱面積を減少させて性能を損なわせている。

一方、圧縮機制御ユニットを小型化して圧縮機本体と一体化して室外ユニットに占める体積を小さくする場合には以下のような課題が生じる。すなわち、圧縮機制御ユニットを小型にして圧縮機本体と一体化しようとすると、コンバータ回路部やインバータ回路部、あるいはそれらの制御回路部を小さい体積中に収納する必要がある。コンバータ回路部やインバータ回路部は発熱部品であるため、マイコンなどの構成部品の制御回路部に熱的ダメージを与える。さらに、圧縮機本体が圧縮冷媒によって高温になるため、圧縮機制御ユニットがその影響を受けるといった課題を有している。

本発明は、これら上記の課題を解決するためになされたもので、交流商用電源を用いてインバータ駆動する圧縮機制御ユニットを小型化しても圧縮機制御ユニット内部の部品信頼性を高め、空気調和機の室外ユニットに搭載したときに、室外熱交換器の有効伝熱面積を増加させ、空気調和能力を増大させることが可能な、圧縮機制御ユニットと圧縮機制御方法を提供することを目的とする。

これらの課題を解決するために、本発明の圧縮機制御ユニットは、密閉した筐体内に配置したコンバータ回路部と、インバータ回路部と、制御回路部とから構成される駆動回路部を備え、少なくとも複数の回路部に、温度検出手段を有している。

このような構成によって、圧縮機制御ユニット内の発熱部品あるいは受熱部品の温度検知を行い、それらの値に基づいて空気調和機の最適運転を行うことができるとともに、回路部品の信頼性を高めることができる。

また、密閉した筐体内に配置したコンバータ回路部と、インバータ回路部と、制御回路部とから構成される駆動回路部を備え、圧縮機の冷媒吐出管に筐体が貫通することで圧縮機に搭載されるとともに、筐体内でかつ冷媒吐出管の略近傍に温度検出手段を有するもので、このような構成により、圧縮機と圧縮機制御ユニットを一体化して圧縮機ユニットとして小型化した場合でも、空気調和機の中で最高温度となる冷媒吐出管近傍の温度を検知することにより、圧縮機制御ユニット内の回路部品を保護して空調機の最適運転を行うことができる。また、圧縮機制御ユニット内の回路部品を保護する温度検出手段と吐出温度検出手段とを共用できる。

また、本発明の圧縮機制御方法は、密閉した筐体内に配置したコンバータ回路部と、インバータ回路部と、制御回路部とから構成される駆動回路部と、複数の回路部の温度を検出する複数の温度検出手段とを備えた圧縮機制御ユニットを用い、複数の温度検出手段のうちの少なくとも一つの温度検出手段から検出された値に基づいて圧縮機の運転動作を制御している。

このような制御方法によれば、圧縮機制御ユニット内の発熱部品あるいは受熱部品の温度検知を行い、それらの値に基づいて空気調和機の最適運転を行うことができるとともに、回路部品の信頼性を高めることができる。

さらに、温度検出手段により検出される温度の時間変化値を用いて圧縮機の運転動作を制御することが望ましく、回路部品の信頼性をより高めることができる。

本発明の圧縮機制御ユニットおよび圧縮機制御方法によれば、圧縮機本体上部に圧縮機制御ユニットを一体的に搭載して圧縮機ユニットの小型化を実現し、さらに空気調和機の最適運転を行うことができるとともに、回路部品の信頼性を高めることができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて詳しく説明する。

図１は本発明の実施の形態における圧縮機制御ユニットを用いた空気調和機の室外ユニットを示す図である。図１（ａ）は室外ユニットの平面図であり、図１（ｂ）はその正面図である。室外ユニット本体１０は外装部１１、室外熱交換器１２、送風ファン１３、送風機用モータ１４、送風ガイドとなるベルマウス１５、圧縮機ユニット１６により構成されている。圧縮機ユニット１６は圧縮機本体１７とその上部に搭載されて一体化された圧縮機制御ユニット１８とにより構成されている。

本実施の形態における室外ユニット１０と図６に示す従来の室外ユニットとの違いは、圧縮機の全体構成と駆動回路ユニットの構成である。すなわち、駆動回路ユニットの大部分を占める圧縮機制御ユニット１８を、小型コンパクトにして圧縮機本体１７の上部に一体的に搭載している。したがって、従来は駆動回路ユニットにより無駄な領域となっていた室外熱交換器１２のうちの非有効伝熱領域１９を有効伝熱面積とすることができ、空気調和能力を増大させることが可能となる。

また、本発明の実施の形態のように、圧縮機ユニット１６は圧縮機本体１７と圧縮機制御ユニット１８が一体化されているため、室外ユニット１０の組み立て時において組み立て性が向上するだけでなく、メンテナンスにおいても圧縮機ユニット１６と圧縮機制御ユニット１８を一つのユニットとして扱えメンテナンス性が向上する。

図２は本発明の実施の形態における圧縮機ユニット１６を模式的に示す正面図である。図２に示すように、密閉された圧縮機筐体よりなる圧縮機本体１７の内部には、冷媒吸入管２１より吸入された冷媒を圧縮する圧縮機構部２２と圧縮機構部２２を駆動するモータ部２３とが収納配置されている。モータ部２３によって発生する回転力は回転軸（図示せず）を介して圧縮機構部２２に伝達されて、圧縮機構部２２の圧縮構成要素（図示せず）を回転運動あるいは往復運動させることによって冷媒を圧縮し、圧縮された冷媒は上部に設けられた冷媒吐出管２４より冷凍サイクル中に供給される。また、圧縮機本体１７はベース２５によって室外ユニット１０に配置固定されている。

図３は本発明の実施の形態における圧縮機制御ユニット１８の内部構成を示す平面図、図４はそのＡ−Ａ断面図である。

図３および図４に示すように、圧縮機制御ユニット１８は側板部３２と底板部３３と天板部３４により円筒形状の筐体３５を形成し、筐体３５の内部に圧縮機を駆動制御するための駆動回路部品が収納されている。駆動回路部品は、交流商用電源を直流に変換するコンバータ回路部である整流回路部３６、直流を交流に変換するインバータ回路部であるスイッチング回路部３７、および制御回路部３８のそれぞれのブロックに大きく分けられて収納されている。圧縮機制御ユニット１８本体の中央部には、圧縮機からの冷媒吐出管２４が貫通する吐出管貫通部３９が設けられている。

整流回路部３６には、ダイオード４０、コンデンサ４１、リアクタンス４２などが配置されている。また、スイッチング回路部３７には、高速スイッチングを行うＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipor mode Transistor）素子４３、その素子を駆動するためのドライブ回路４４などが配置されている。また、制御回路部３８には制御信号発生器４５やマイコン４６などの制御回路部品が配置されている。

整流回路部３６が位置する部分の筐体３５の側板部３２には、商用交流電源の取込取り出し端子部４７が設けられ、スイッチング回路部３７が位置する部分の筐体３５の側板部３２には、圧縮機の電動機部への出力端子部４８が設けられている。

図４は図３のＡ−Ａ断面図であり、図４に示すように円筒形の側板部３２と、上面に設けられた天板部３４と、さらに底板部３３とにより密閉容器を構成している。さらに、中央部には吐出管貫通部３９が底板部３３から天板部３４を貫通して設けられている。これらの側板部３２、天板部３４あるいは底板部３３は熱伝導率の高い、例えば金属材料などにより構成されるとともに、防水防滴の密閉構造を有している。図４に示すように、筐体３５に収納された各駆動回路部品は、筐体３５の底部に平面配置して設けられた回路基板である基板４９に実装されている。図４においては、各駆動回路部品の接続端子５０が基板４９上に接続される構成としているが、基板４９に直接表面実装して、回路部品の載置面積と載置体積を小さくすることも可能である。

図３に示すように、整流回路部３６のダイオード４０やスイッチング回路部３７のＩＧＢＴ素子４３などの発熱部品は側板部３２に面して配置され、さらに側板部３２とそれらの発熱部品との間には、高熱伝導率材料よりなる熱伝導体５１を介在させている。熱伝導体５１はダイオード４０やＩＧＢＴ素子４３からの発熱を筐体３５外部へ放熱するための部材であり、これらの発熱部品と密着して設けられるように接着性樹脂層５２を設けた構成としている。また熱伝導体５１の材料は高熱伝導率材料である銅やアルミなどの金属材料、あるいは高熱伝導率の樹脂材料などを用いることができる。熱伝導体５１を弾性を有する樹脂材料で構成した場合には、発熱部品と熱伝導体５１との密着性を確保できるので必ずしも接着性樹脂層５２を設ける必要はなくなる。

図３に示すように、筐体３５の内部にはそれぞれの回路部品の間に樹脂５３がモールドされ、それぞれの回路部品間の絶縁を確保しているとともに耐振動性、耐防湿性などを確保している。ここで、発熱の大きい整流回路部３６やスイッチング回路部３７と、発熱の小さい制御回路部３８とにより構成されていることから、回路部品の間にモールドする樹脂５３をそれぞれの領域ブロックで異ならせることによってそれぞれの回路部品の信頼性を高めることもできる。すなわち、全体としては熱伝導率の大きい樹脂材料をモールドし、整流回路部３６やスイッチング回路部３７と制御回路部３８とが接する境界部には断熱性を有する低熱伝導率の樹脂材料をモールドすることも可能である。また、断熱性を有する樹脂材料に代えて空気断熱層を設けることも可能である。したがって、各ブロック、各回路部品に応じて樹脂材料を選択し、放熱量の制御と回路部品の固定とをすることによって、圧縮機制御ユニットをコンパクトにすることができる。

また、図３に示すように、コンバータ回路部である整流回路部３６と、インバータ回路部であるスイッチング回路部３７と、制御回路部３８とには、それぞれ温度検出手段となる温度センサ６０、６１、６２が複数設けられている。整流回路部３６に設けられた温度センサ６０は、整流回路部３６で最大の発熱部品となるダイオード４０の温度を測定するようにしている。ダイオード４０の温度はダイオード４０そのものの温度を直接測定してもよいし、ダイオード４０近傍の温度を測定してもよい。スイッチング回路部３７に設けられた温度センサ６１は、スイッチング回路部３７で最大の発熱部品となるＩＧＢＴ素子４３の温度を測定するようにしている。ＩＧＢＴ素子４３の温度はＩＧＢＴ素子４３そのものの温度を直接測定してもよいし、ＩＧＢＴ素子４３近傍の温度を測定してもよい。さらに、制御回路部３８に設けられた温度センサ６２は、制御回路部３８を構成し熱的ダメージを受けやすいマイコン４６の温度を測定するようにしている。マイコン４６の温度はマイコン４６そのものの温度を直接測定してもよいし、マイコン４６近傍の温度を測定してもよい。なお、それぞれの測定すべき回路部品の近傍の温度としては、空間の空気温度であってもよいし、充填されている樹脂材料の温度であってもよい。

さらに、本発明の実施の形態では、圧縮機制御ユニット１８の筐体３５内であって、冷媒吐出管２４が貫通する吐出管貫通部３９近傍の温度を測定する温度測定手段としての温度センサ６３が設けられている。

これらの温度センサ６０、６１、６２、６３によって測定された温度情報は、圧縮機制御ユニット１８の制御回路部３８に伝送されて、整流回路部３６やスイッチング回路部３７にフィードバックされて圧縮機本体１７の駆動を制御している。また、これらの温度情報は、圧縮機以外の送風機用モータ１４や、冷凍サイクル切替弁（図示せず）などの運転を制御するようにしてもよい。

前述したように、図３、図４に示す本発明の実施の形態における圧縮機制御ユニット１８は、発熱部品からの発熱が放熱しやすい構成としている。しかしながら、運転状況の変動や周囲環境の変化によってそれら回路部品の温度が変動し、それぞれの回路部品の動作環境としての温度限界を超える場合がある。そこで、本発明の実施の形態では特にこれら回路部品のうちの発熱部品であるダイオード４０やＩＧＢＴ素子４３の温度と、外部の最高温度となる冷媒吐出管２４近傍の筐体３５の温度を測定するとともに、熱影響を受けやすいマイコン４６の温度を測定している。これらの温度情報は制御回路部３８で処理され、圧縮機本体１７などの運転状況を制御し、回路部品がその温度限界を超えないように制御している。特に、本発明のように、インバータ制御の圧縮機制御をする場合には、その運転周波数を制御して、これらの回路部品の温度が所定範囲内になるように制御することが可能である。そのため、マイコン４６などの部品の信頼性を高め、安定した運転が可能となる。

なお、温度を測定する温度センサの配置位置は前述した回路部品あるいは位置に限らずさらに追加して設けることも可能である。また、これら複数の温度センサによって圧縮機の運転を制御する温度はそれぞれ異なってもよい。さらにそれぞれの温度を用いて演算処理をし、その演算値に基づいて制御を行ってもよい。

図５は、本発明の実施の形態における圧縮機制御方法を示すフローチャートである。図５に示すフローチャートは、圧縮機制御ユニット１８本体の温度として、ダイオード４０に設けられた温度センサ６０による温度をＴａ、ＩＧＢＴ素子４３に設けられた温度センサ６１による温度をＴｂ、マイコン４６に設けられた温度センサ６２による温度をＴｃ、さらには吐出管貫通部３９近傍に設けられた温度センサ６３による温度をＴｄとしている。また、それぞれの回路部品には温度上限値が設けられ、ダイオード４０ではＴａ１、ＩＧＢＴ素子４３ではＴｂ１、マイコン４６ではＴｃ１、吐出管貫通部３９近傍ではＴｄ１としている。本実施の形態では、これらの温度上限値とそれぞれの温度センサによって測定された温度との差を求め、それぞれの温度差が所定値以下となったときにインバータ制御の運転周波数を制御するようにしている。

すなわち、図５に示すように、圧縮機運転を開始し、まずステップ１でそれぞれの温度センサ６０、６１、６２、６３によって温度Ｔａ、Ｔｂ、Ｔｃ、Ｔｄを計測する。次に、ステップ２であらかじめ決めたそれぞれの温度上限値Ｔａ１、Ｔｂ１、Ｔｃ１、Ｔｄ１と測定された温度Ｔａ、Ｔｂ、Ｔｃ、Ｔｄとの差Ｔａ１−Ｔａ、Ｔｂ１−Ｔｂ、Ｔｃ１−Ｔｃ、Ｔｄ１−Ｔｄを演算する。次に、ステップ３でそれぞれの差Ｔａ２、Ｔｂ２、Ｔｃ２、Ｔｄ２が所定値より大きいか小さいかを比較判定する。このようにして、比較判定した結果、その差が所定値以下である場合にはインバータ制御の運転周波数を小さくする制御を行うように、運転周波数限定の別ルーチン制御を行う。一方、その差が、所定値以上である場合には、そのままの運転周波数で運転を継続し、ステップ１からの動作を繰り返す。

なお、温度上限値はそれぞれで当然異なっており、比較判定するための差もそれぞれの回路部品で異なってもよい。また、これらの判定に優先順位をつけたり、それらの値を演算処理することによって判定することも可能である。また、運転周波数限定の別ルーチンで運転する際にも、同様のステップを繰り返して、逆に運転周波数を増大させる制御を行ってもよいことは当然である。また、特に、吐出管貫通部３９近傍での温度で制御する場合には、圧縮機の運転制御だけでなく、空気調和機の送風ファンなどの運転を制御して、その温度を所定値にすることも可能である。

いずれにしても、本発明の実施の形態における圧縮機制御方法によれば、空気調和機の最適運転を行うことができるとともに、圧縮機制御ユニット１８内に収納している回路部品の信頼性を高め、圧縮機ユニット１６全体としての小型コンパクト化を実現することができる。

また、上述の制御方法の場合には、温度センサ６０、６１、６２、６３による温度としてある時間での温度を用いて比較判定をしていたが、別の方法として、温度センサにより測定される温度の時間変化値を用いることも可能である。すなわち、それぞれの回路部品で運転時間に対して温度上昇勾配が異なる場合などは、その温度勾配から温度上限値への運転到達時間を予測し、より安全側に運転を制御することなどが可能となる。

以上述べたように、本発明によれば、交流商用電源を用いてインバータ駆動する圧縮機制御ユニットを小型化しても圧縮機制御ユニット内部の部品信頼性を高めて、空気調和機の最適運転を行うことができる圧縮機制御ユニットと圧縮機制御方法を提供でき、空気調和機のみならず冷蔵庫や自販機などにも有用である。

本発明の実施の形態における圧縮機制御ユニットを用いた空気調和装置の室外ユニットを示す図 同圧縮機制御ユニットを用いた圧縮機ユニットを模式的に示す正面図 同圧縮機制御ユニットの内部構成を示す平面図 図３のＡ−Ａ断面図 本発明の実施の形態における圧縮機制御方法を示すフローチャート 従来の空気調和機における室外ユニットの概略構成を示す斜視図 インバータ制御による圧縮機を駆動するための駆動回路図

符号の説明

１０ 室外ユニット（本体）
１１ 外装部
１２ 室外熱交換器
１３ 送風ファン
１４ 送風機用モータ
１５ ベルマウス
１６ 圧縮機ユニット
１７ 圧縮機本体
１８ 圧縮機制御ユニット
１９ 非有効伝熱領域
２１ 冷媒吸入管
２２ 圧縮機構部
２３ モータ部
２４ 冷媒吐出管
３２ 側板部
３３ 底板部
３４ 天板部
３５ 筐体
３６ 整流回路部
３７ スイッチング回路部
３８ 制御回路部
３９ 吐出管貫通部
４０ ダイオード
４１ コンデンサ
４２ リアクタンス
４３ ＩＧＢＴ素子
４５ 制御信号発生器
４６ マイコン
４７ 取込取り出し端子部
４８ 出力端子部
４９ 基板
５０ 接続端子
５１ 熱伝導体
５２ 接着性樹脂層
５３ 樹脂
６０，６１，６２，６３ 温度センサ

Claims (4)

1. 密閉した筐体内に配置したコンバータ回路部と、インバータ回路部と、制御回路部とから構成される駆動回路部を備え、少なくとも複数の前記回路部に、温度検出手段を有する圧縮機制御ユニット。
2. 密閉した筐体内に配置したコンバータ回路部と、インバータ回路部と、制御回路部とから構成される駆動回路部を備え、圧縮機の冷媒吐出管に前記筐体が貫通することで前記圧縮機に搭載されるとともに、前記筐体内でかつ前記冷媒吐出管の略近傍に温度検出手段を有する圧縮機制御ユニット。
3. 密閉した筐体内に配置したコンバータ回路部と、インバータ回路部と、制御回路部とから構成される駆動回路部と、複数の前記回路部の温度を検出する複数の温度検出手段とを備えた圧縮機制御ユニットを用い、前記複数の温度検出手段のうちの少なくとも一つの温度検出手段から検出された値に基づいて圧縮機の運転動作を制御することを特徴とする圧縮機制御方法。
4. 温度検出手段により検出される温度の時間変化値を用いて圧縮機の運転動作を制御することを特徴とする請求項３に記載の圧縮機制御方法。

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