JP2007064542A - 冷凍装置及びそれに用いられるインバータ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
インバータ装置の発熱を抑制すると共に小型化し、冷凍装置の運転範囲も広くする。
【解決手段】
圧縮機101を備えた冷凍サイクルを有し、圧縮機101は運転周波数を可変制御される電動機111により駆動される冷凍装置において、交流電源から交流電圧を直流に変換するコンバータ222ａと、直流をスイッチング素子221をオンオフさせることにより運転周波数を生成して電動機111を駆動するインバータ221ａと、スイッチング素子221の温度を検出する温度検出素225と、を備え、スイッチング素子221の温度により単位時間当たりのオンオフ回数を可変する。
【選択図】図４

Description

本発明は、空気調和機及び冷凍機などの冷凍装置及びそれに用いられるインバータ装置に係わり、特に、広い運転範囲が要求されるものに好適である。

従来、インバータのスイッチング素子（パワー半導体）の温度上昇を抑制する制御として、スイッチング素子の通電をローテーションさせて温度上昇を抑制することが知られ、例えば、特許文献１に記載されている。

特開２００４−２４８３６２号公報

上記従来技術では、通電が各スイッチング素子に分散されるため、インバータ全体として見れば電流を減少させることになり、負荷の大きさが制限され、冷凍装置の運転範囲が狭められることになる。

本発明の目的は、インバータの通電電流（通過電流）を減少させることなく、インバータ装置の発熱を抑制すると共に小型化し、冷凍装置の運転範囲も広いものとすることにある。

上記の目的を達成するために、本発明は、圧縮機を備えた冷凍サイクルを有し、前記圧縮機は運転周波数を可変制御される電動機により駆動される冷凍装置において、交流電源から交流電圧を直流に変換するコンバータと、前記直流をスイッチング素子をオンオフさせることにより前記運転周波数を生成して前記電動機を駆動するインバータと、前記スイッチング素子の温度を検出する温度検出素子と、を備え、前記スイッチング素子の温度により単位時間当たりの前記オンオフ回数（キャリア周波数）を可変するものである。

また、上記のものにおいて、前記スイッチング素子の温度が設定温度以上となった場合、前記スイッチング素子の単位時間当たりのオンオフ回数を減少させることが望ましい。

さらに、上記のものにおいて、前記スイッチング素子の温度が設定温度以上となった場合、前記スイッチング素子の単位時間当たりのオンオフ回数を減少させ、その後、前記スイッチング素子の温度が前記設定温度よりも小さくなった場合は前記スイッチング素子の単位時間当たりのオンオフ回数を減少させる以前の回数に戻すことが望ましい。

さらに、上記のものにおいて、前記スイッチング素子の温度が前記設定温度よりも大きい第２の設定温度以上となった場合、前記運転周波数を低下させることが望ましい。

さらに、本発明は、冷凍サイクルの圧縮機を駆動する電動機の運転周波数を可変制御するインバータ装置において、交流電源から交流電圧を直流に変換するコンバータと、前記直流をスイッチング素子をオンオフさせることにより前記運転周波数を生成して前記電動機を駆動するインバータと、前記スイッチング素子の温度を検出する温度検出素子と、が実装され、実装面の反対面に放熱フィンが密着されるパワー素子搭載基板と、前記コンバータ及びインバータを制御するマイクロコンピュータが実装されたインバータ制御基板と、が階層状に配置され、前記温度検出素子により検出された温度により前記スイッチング素子の単位時間当たりのオンオフ回数が可変とされるものである。

本発明によれば、スイッチング素子の過大な温度上昇を抑え、故障を未然に防ぐことができ、冷凍装置の運転範囲をより広くすることができる。

以下、図面を参照して本発明の一実施の形態を説明する。
図１は、一実施の形態による冷凍サイクル系統図であり、圧縮機１０１、室内熱交換器１０２、室内膨張弁１０４、室外熱交換器１０５、アキュームレータ１０７を順次連結して冷媒を循環させ冷凍サイクルを形成している。室内を冷房する場合、圧縮機１０１で圧縮された冷媒は室外熱交換器１０５で凝縮して液化した後、室内膨張弁１０４で減圧し、室内熱交換器１０２で蒸発して圧縮機１０１に戻る。室内送風機用電動機１０３は室内機１０９の熱交換を促進し室外送風機用電動機１０６は室外機１０８の熱交換を促進する。

圧縮機１０１は、冷凍サイクルに必要とされる能力に関連して運転周波数（インバータ周波数）を可変制御される電動機１１１により駆動され、運転周波数はインバータ装置２１０により制御される。
冷凍サイクルは、圧縮機１０１の回転数以外に冷媒流量を調整する室内膨張弁１０４、あるいは室外膨張弁（図示せず）の開度、室内送風機用電動機１０３及び室外送風機用電動機１０６の回転数、冷房／暖房の運転モードを切り換える四方弁（図示せず）などにより制御され、それに必要とされる情報として、運転モード、温度設定などを行うリモコンによる操作指令信号、各部の温度（圧縮機の吐出ガス温度、外気温度、熱交換器温度、蒸発温度、吸込温度、吹出温度、凍結温度、ガス管温度など）及び圧力（圧縮機の吸込圧力、吐出圧力）を検出した信号などが冷凍サイクル制御基板２５４へ入力される。

また、インターフェイス用コネクタ２４２を介して冷凍サイクル制御基板２５４から出力されたインバータ要求周波数が入力されると共に、インバータ装置２１０から冷凍サイクル制御基板２５４へ運転周波数及び電動機１１１の電流の値を出力する。
さらに、冷凍サイクル制御基板２５４へ入力される検出信号及び指令信号をインターフェイス用コネクタ２４２を介してマイクロコンピュータ２３１へ入力することにより、冷凍サイクル制御をインバータ装置２１０にて行うことができ、各制御機構（室外膨張弁、室外送風機用電動機１０６、冷房／暖房の運転モードを切り換える四方弁）を制御することが可能である。

図２は、インバータ装置のブロック図を示し、交流電源２５０からの交流電圧を直流にする整流素子２２２と、生成された直流を交流に変換して電動機１１１を駆動するインバータ主回路部２２１aとインバータ主回路部２２１aに流れる電流を検出する電流検出機構２３４を制御するマイクロコンピュータ（マイコン）２３１と、インバータのスイッチング素子２２１スイッチング動作させるインバータ用ドライバ回路２３２と、冷凍サイクル制御基板２５４との通信をする通信回路２４１と、マイクロコンピュータ２３１及びインバータ用電流検出機構２３４、インバータ用ドライバ回路２３２、通信回路２４１とに制御電源を供給する電源回路２３３とが実装されたインバータ制御基板２３０とから構成される。

交流電源２５０からの交流電圧はコンバータ部２２２a（複数の整流素子２２２がブリッジ結線された回路）にて直流に変換され、直流／交流変換器であるインバータ主回路部２２１a（スイッチング素子２２２が三相ブリッジ結線された電力変換手段）がマイクロコンピュータ２３１スイッチング制御され、電動機１１１が交流周波数（運転周波数）で駆動される。

コンバータ部２２２aにおいて、交流電圧は、複数の整流素子２２２にて整流され、圧縮機１０１に内蔵された電動機１１１を運転または停止する電磁接触器２５３、力率改善用リアクトル２５２を介し、電解コンデンサ２５１に至る。また、電源投入時などに閉路する電磁接触器２５３が電解コンデンサ２５１に流れる過大な突入電流で溶着しないよう電磁接触器２５３と並列に突入電流制限抵抗器２４４を設ける。

インバータ主回路部２２１aにおいては、スイッチング素子２２1がスイッチング時に発生する逆起電力を回生するためにスイッチング素子２２１と併設してフライホイール素子２２３が設けられる。電動機１１１に供給される電流はインバータ用電流検出機構２３４にてスイッチング素子２２１に流れる電流を検出し、電流検出機構２３４にて信号を増幅してマイクロコンピュータ２３１に取り込まれ、マイクロコンピュータ２３１にて電動機１１１に出力している電流を監視される。マイクロコンピュータ２３１とスイッチング素子２２１との間にはマイクロコンピュータ２３１からの微弱な信号にてスイッチング素子２３１を駆動できるレベルまで増幅するインバータ用ドライバ回路２３２が設けられる。

さらに、通信回路２４１は冷凍サイクル制御基板２５０からの信号が入力されるインターフェイス用コネクタ２４２と、入力された信号をマイクロコンピュータ２３１へ光信号により伝達するフォトカプラ２４３とから構成され、電気的隔離が得られた状態で送受信される。コンバータ部２２２aで生成された直流の一部は、電源回路２３３で高電圧から５Ｖまたは、１５Ｖ等の制御電源に調整されて、マイクロコンピュータ２３１及びインバータ用電流検出機構２３４、インバータ用ドライバ回路２３２、通信回路２４１に供給される。

図３は、インバータ装置をモジュールとして一体化したものを示している。インバータモジュールは、ケース２６２でパワー素子搭載基板２２０の側面が覆われ、電源端子台２６０と電動機出力端子台２６１を設けられたケース２６２の底面からパワー素子搭載基板２２０、インバータ制御基板２３０の順序で階層状に配置される。パワー素子搭載基板２２０には、コンバータ機能部品の整流素子２２２、インバータ機能部品であるスイッチング素子２２１、フライホイール素子２２３、温度検出素子２２５が搭載されている。インバータ制御基板２３０には、マイクロコンピュータ２３１、インバータ用ドライバ回路２３２、インバータ用電流検出機構２３４、電源回路２３３、インターフェイス用コネクタ２４２、フォトカプラ２４３を備えられている。

また、パワー素子搭載基板２２０の反実装面にはコンバータ部２２２a及びインバータ主回路部２２１aの発熱を共に放熱する放熱フィン（図示せず）が密着されている。パワー素子搭載基板２２０とインバータ制御基板２３０は制御基板リードピン２３５で接続され、ケース２６２の上面にはケースフタ２６５を取り付けられている。つまり、インバータ制御基板２３０はケースフタ２６５の上に構成され、インバータ制御基板２３０の外形がケース２６２外形よりも小さくなっている。

したがって、本インバータ装置を例えば空気調和機の室外機に実装すれば、無駄なスペースを無くすことができ、パワー素子搭載基板２２０、インバータ制御基板２３０が階層状に近傍してコンパクトに配置されるので、ノイズ発生の可能性が大きい部分の配線長を短くでき、ノイズ発生の要因を少なくできる。さらに、電磁ノイズの影響の大きい、例えば大電流が必要とされる圧縮機１０１からの影響が大きい比較的微弱な信号通信信号においては、フォトカプラ２４３を介して光信号によりマイクロコンピュータ２３１へ伝達されるので、ノイズの混入による誤動作を無くして冷凍サイクルの信頼性を向上できる。

図４は、制御の詳細としてスイッチング素子の通過電流、インバータ周波数（運転周波数）、温度検出素子２２５による検出温度、スイッチング素子２２１の単位時間当たりのＯＮ・ＯＦＦ回数（キャリア周波数）の関係を示すタイムチャートである。電動機１１１に供給される電流（スイッチング素子２２１通過電流）は空気調和機１１０の運転状況により変化し、特に室外温度が高い場合は電動機１１１に供給する電流が大きくなったり、インバータ周波数の上昇と共に電流が増加する傾向にある。

また、運転周波数が上昇した場合でも、電流が増加し、スイッチング素子２２１の発熱量が大きくなる。また、スイッチング素子２２１の通過電流が同じ場合でも、キャリア周波数が高い場合はスイッチング素子２２１の発熱量が大きくなり、キャリア周波数が低い場合は、スイッチング素子２２１の発熱量が小さくなる。

図４のタイムチャートにおいて、運転開始によりスイッチング素子２２１に通過電流が流れることにより、スイッチング素子２２１が発熱し、温度検出素子２２５の温度が上昇する。また、運転周波数が高くなることによりスイッチング素子２２１の発熱量が大きくなる。そこで、図４の（1）時点において、温度検出素子２２５による検出温度が設定温度１（マイクロコンピュータ２３１で設定してある）に達した場合は、スイッチング素子２２１の単位時間当たりのＯＮ・ＯＦＦ回数を減少させ、スイッチング素子２２１の発熱を低下させる。

したがって、その後、時間が低下すると共に、スイッチング素子２２１の温度が低下し、温度検出素子２２５の温度が設定温度１より小さくなった場合、特に、設定温度３より低下した時点（2）でスイッチング素子２２１の単位時間当たりのＯＮ・ＯＦＦ回数を通常時のＯＮ・ＯＦＦ回数に戻す。それでもなお、スイッチング素子２２１の温度が設定温度１を越えた場合（図で（3）時点）はスイッチング素子２２１の単位時間当たりのＯＮ・ＯＦＦ回数を減少させる。

さらに、温度検出素子２２５の検出温度が上昇し、設定温度２を上回った場合（（4）時点）は、要求される周波数に関わらずインバータ周波数を低下する。そして、電流を減少させ、スイッチング素子２２１の発熱量を低下させる。温度検出素子２２５の温度が設定温度１以下（（5）時点）となったら、インバータ周波数を安定させて空気調和機１１０の使用範囲がいっそう狭くならにようにする。そして設定温度３に到達したら（（6）時点）、本来、必要とされる周波数まで上昇させる。さらに、要求運転周波数となっても設定温度１に達していない場合（（7）時点）は、キャリア周波数を通常のキャリア周波数に変更する。

以上により、空調された空間の快適性をできるだけ保ち、つまり温度変化が少なく、かつ、スイッチング素子２２１の温度が過大にならないようにすることができ、インバータ装置２１０、あるいは空気調和機のの信頼性の向上を図ることができる。

本発明による一実施の形態を示す冷凍サイクル系統図。 本発明の一実施の形態によるインバ−タ制御装置の回路図。 本発明による一実施の形態を示すインバ−タ制御装置の斜視組立図。 本発明の一実施の形態によるインバ−タ制御に係わるタイムチャート。

符号の説明

101…圧縮機、102…室内熱交換器、108…室外機、109…室内機、110…空気調和機、111…圧縮機用電動機、210…インバータ制御装置、220…パワー素子搭載基板、221…スイッチング素子、221a…インバータ（主回路部）、222…整流素子、222a…コンバータ部、223…フライホイール素子、225…温度検出素子、230…インバータ制御基板、231…マイコン、232…ドライバ回路、233…電源回路、234…電流検出機構、235…制御基板リードピン、241…通信回路、242…インターフェイス用コネクタ、243…フォトカプラ、244…突入電流制限用抵抗器、250…電源、251…電解コンデンサ、252…リアクトル、253…電磁接触器、254…冷凍サイクル制御基板、260…電源端子台、261…電動機出力端子台、262…ケース、265…ケースフタ。

Claims (5)

1. 圧縮機を備えた冷凍サイクルを有し、前記圧縮機は運転周波数を可変制御される電動機により駆動される冷凍装置において、
   交流電源から交流電圧を直流に変換するコンバータと、
   前記直流をスイッチング素子をオンオフさせることにより前記運転周波数を生成して前記電動機を駆動するインバータと、
   前記スイッチング素子の温度を検出する温度検出素子と、
   を備え、前記スイッチング素子の温度により単位時間当たりの前記オンオフ回数を可変することを特徴とする冷凍装置。
2. 請求項１に記載のものにおいて、前記スイッチング素子の温度が設定温度以上となった場合、前記スイッチング素子の単位時間当たりのオンオフ回数を減少させることを特徴とする冷凍装置。
3. 請求項１に記載のものにおいて、前記スイッチング素子の温度が設定温度以上となった場合、前記スイッチング素子の単位時間当たりのオンオフ回数を減少させ、その後、前記スイッチング素子の温度が前記設定温度よりも小さくなった場合は前記スイッチング素子の単位時間当たりのオンオフ回数を減少させる以前の回数に戻すことを特徴とする冷凍装置。
4. 請求項１に記載のものにおいて、前記スイッチング素子の温度が前記設定温度よりも大きい第２の設定温度以上となった場合、前記運転周波数を低下させることを特徴とする冷凍装置。
5. 冷凍サイクルの圧縮機を駆動する電動機の運転周波数を可変制御するインバータ装置において、
   交流電源から交流電圧を直流に変換するコンバータと、前記直流をスイッチング素子をオンオフさせることにより前記運転周波数を生成して前記電動機を駆動するインバータと、前記スイッチング素子の温度を検出する温度検出素子と、が実装され、実装面の反対面に放熱フィンが密着されるパワー素子搭載基板と、
   前記コンバータ及びインバータを制御するマイクロコンピュータが実装されたインバータ制御基板と、が階層状に配置され、
   前記温度検出素子により検出された温度により前記スイッチング素子の単位時間当たりのオンオフ回数が可変とされることを特徴とするインバータ装置。
   

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