JP2007292359A - 伝送装置並びに冷熱機器および設備機器 - Google Patents

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Abstract

【課題】ビルなどに既設の空調機の冷媒配管の両端付近を電気的絶縁装置に交換するという困難かつ煩雑な作業を伴わずに、簡単に通信媒体として利用できる伝送装置を得る。
【解決手段】金属配管2と、金属配管2の表面を絶縁物質を介して覆う表面導体部1とを室外ユニット3に設けられた制御部5と、信号線で接合回路6a、6bを介して接続する。金属配管2の接合回路6aより室外ユニット3側にインピーダンス調整器7を設けてこの金属配管2を室外ユニット3の冷媒回路4から交流的に分離する。室内ユニット8側についても同様にする。これにより、制御部5は搬送波をデータで変調した変調信号を信号線と接合回路6a、6bを介して金属配管2と表面導体部1に印加し、金属配管2と表面導体部1から変調信号を取り出し、この変調信号を復調してデータを取得する。室内ユニット側も同様である。
【選択図】図1

Description

本発明は、金属製配管を用いて通信する伝送装置並びにこの伝送装置を用いて制御信号を互いに通信する冷熱機器および設備機器に関するものである。
従来の空気調和機の伝送方式は、室内ユニットと室外ユニットの間を冷媒が往復するように配設されたガス側冷媒配管と液側冷媒配管のそれぞれについて室内ユニット側と室外ユニット側の双方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、ガス側冷媒配管と液側冷媒配管の双方に互いに逆相になる電気信号を流すことで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)
従来の冷熱機器の伝送方式は、以上のように構成されているため、以下に示すような課題を有していた。
従来の伝送方式を、ビルや住宅に既設された冷熱機器に対して適用しようとすると、室内ユニットおよび室外ユニットはアースと接続されているので、通信媒体となる2本の配管と室内ユニットとの間、および2本の配管と室外ユニットの間を絶縁する必要があり、配管の両端付近の鋼管を2つまたは4つの電気的絶縁装置に交換しなければならなかった。
このように、従来の伝送方式を、既設の冷熱機器に対して適用しようとすると、配管の両端付近の鋼管を複数の電気的絶縁装置に交換するという困難かつ煩雑な作業が発生するだけでなく、かなりのコスト増を招くという問題があった。この結果、既設の冷熱機器に対し、従来の伝送方式が適用されること(既設の配管が通信媒体として利用されること)はなかった。
本発明は係る課題を解決するためになされたもので、上記のような困難かつ煩雑な作業を伴わず、既設の冷熱機器の配管を簡単に通信媒体として利用できる伝送方式を提供することを目的にしている。
本発明に係る伝送装置は、設備機器間を接続する金属配管と、設備機器に設けられ金属配管と第1の配線によって接続される制御部と、金属配管の表面を絶縁物質を介して覆う導電性物質で構成され、制御部と第2の配線によって接続される表面導体部と、金属配管の第1の配線との接続位置より設備機器側の、金属配管の表面に取付けられ、この金属配管を設備機器から交流的に分離するインピーダンス調整器とを備え、制御部の各々は搬送波をデータで変調した変調信号を金属配管と前記表面導体部に印加し、金属配管と表面導体部から変調信号を取り出し、この変調信号を復調してデータを取得するものである。
従来の電気的絶縁装置を使わずに信号を伝送できるようにしたので、冷熱機器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が不要となり、既設の設備機器配管を簡単に通信媒体として利用できるようになる。この結果、新たな信号線の敷設なしに、既設の設備機器配管を通信媒介として利用する設備機器を構築することができる。
実施の形態1.
図1は本発明の実施の形態1に係る設備機器の構成を示したブロック図である。設備機器として空調機について説明する。また、説明簡略化のため空気調和機(以下、単に空調機ということもある)の室内ユニットと室外ユニットが対向で金属製の冷媒配管で接続された場合について説明を行う。
図において、金属配管2は表面を覆う断熱材保護のための導電性材料(以下、表面導体部と略す。)1であり、たとえばアルミ材を含むテープを断熱材の表面に巻き付けたり、導電性材料で構成された板状のシートを断熱材の表面に巻きつけたりするなどの方法により覆われている。このような配管で屋外に置かれる室外ユニット3と屋内に置かれる室内ユニット8は互いに接続されている。冷熱機器の具体例としては、屋外に配置され冷却水を冷却するクーリングタワー、屋内に配置された冷凍機などの圧縮機などが挙げられる。室外ユニット3は冷媒回路4と制御部5から構成されており、制御部5は他の空調機の制御部と互いに制御情報を授受するため周波数が数百kHz以上の交流電気信号である搬送波をデータで変調した変調信号を結合回路6を介して金属配管2及び導電性材料1に接続する。インピーダンス調整器7は磁性材料で構成された板状のシートや環状の分割コアなどにより構成され、このシートや環状の分割コアを金属配管の表面に巻き付ける方法により金属配管2を覆うことで、空調機の冷媒回路4から交流的に金属配管2を分離する作用を持つ。
室内ユニット8は冷媒回路9と制御部10から構成されており、制御部10は空調機(室外ユニット3)の制御部5と互いに制御情報を授受するため周波数が数百kHz以上の交流電気信号である搬送波をデータで変調した変調信号を結合回路11を介して金属配管2及び表面導体部1に接続する。インピーダンス調整器12は磁性材料で構成された板状のシートや環状の分割コアなどにより構成され、このシートや環状の分割コアを金属配管の表面に巻き付ける方法により金属配管を覆うことで、空調機の冷媒回路9から交流的に金属配管2を分離する作用を持つ。
図2は結合回路6の断面及び詳細構造を示す図である。金属配管2の表面を絶縁体で覆い、その上面に幅Wの金属箔または金属板を巻きつけた金属環からなる構造である。金属配管の外半径をr2、金属環の内半径をr1、絶縁体の誘電率をεとした場合、金属配管2と金属環とで静電容量Cを構成する。その容量は C=2πε*W/log(r1/r2) で求めることができる。ここで*は乗算を示し、/は除算を示す。
なお、結合回路6は金属配管2の表面に直接接触するようにしてもよい。
一方、図3に示すように、表面導体部1には金属箔又は金属板等で構成された金属環13を取り付け、金属環6及び金属環13にロウ付けなどで取り付けた信号線に制御部5からのデータ信号(搬送波をデータで変調した変調信号)を印加し、金属配管2と表面導体部1にこの信号を送る。ここで、金属環13は直接表面導体部1に接触するようにしているが、接触部の腐食などを考慮し、結合回路6と同様に絶縁体をはさみ静電容量を構成しても良い。なお、この金属環13は表面導体部1への結合回路を構成する。
このように金属配管2及び表面導体部1は同軸構造をなしているため、室外ユニット3の制御部5は交流電気信号で構成されたデータ信号(搬送波をデータで変調した変調信号)を金属配管2及び表面導体部1に印加することにより内外の導体間に電磁界を形成し信号が伝搬される。このとき室外ユニット3近傍の金属配管2に設けたインピーダンス調整器7の磁性材料により、インダクタンスLが構成されるため、搬送波の周波数fに対して
Z=2πfL なるインピーダンスが生じる。搬送波の周波数帯域は数百kHz〜数GHzであり、冷媒回路4側は高インピーダンスとなるため信号は冷媒回路4側には伝搬されず、室内ユニット8方向に伝搬される。室内ユニット8内の制御部10はこの信号を結合回路11を介し取り込み、復調することにより制御情報を得、この制御情報に基づいて冷媒回路などを制御する。同様な手順で室内ユニット8から室外ユニット3への制御情報伝達も行われるが、説明を省略する。
このように室外ユニット3および室内ユニット8は互いに制御信号を送受信しつつ、対を成し運転を行う。
以上のように、本実施の形態1によれば、空調機の配管工事は現行の方法になんら変更の必要なく、結合回路6及び11及び磁性材料7及び12を取り付けるだけで、容易に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冷熱機器を実現できる。
実施の形態2.
図4は本実施の形態2に係る設備機器の構成を示したブロック図である。設備機器として空調機などの冷熱機器を対象とする。また、説明簡略化のため空調機の室内ユニットと室外ユニットが金属製の冷媒配管によって対向で接続された場合について説明を行う。
図において、表面導体部1は、金属配管2の表面を覆う断熱材を保護するために設けられたものであり、たとえばアルミ材を含むテープなどで覆われている。このような配管によって屋外に置かれた室外ユニット3と屋内に置かれた室内ユニット8は互いに接続されている。また、屋内のフロア間に設けられた壁14により表面導体部1と断熱材は配管の一部で切断されている構造を持つ。室外ユニット3は冷媒回路4と制御部18から構成されており、制御部18は他の空調機の制御部19と互いに制御情報を授受するため交流電気信号で構成されたデータ信号(搬送波をデータで変調した変調信号)を結合回路6を介して金属配管2及び導電性材料1に印加する。また、制御部18がデータ信号に用いる周波数は可変に構成されている。インピーダンス調整器7は磁性材料で構成されており、金属配管を覆い、空調機の冷媒回路4から交流的に金属配管2を分離(絶縁)する作用を持つ。結合回路6、11ならびに表面導体部1への接続部については実施の形態1と同様、図2の構成であるため説明は省略する。
このように、金属配管2及び表面導体部1は同軸構造をなしているため、室外ユニット3の制御部18は交流電気信号で構成されたデータ信号(搬送波をデータで変調した変調信号)を金属配管2及び表面導体部1に印加することにより内外の導体間に電磁界を形成し信号が伝搬される。壁14により表面導体部1が分断されるが、図5に示すように、電圧源15により金属配管2の表面と表面導体部1の間に生じる電束は分断部で一部外部に流出するが配管上を長手方向に継続し伝搬してゆく、また磁界も同様に伝搬される。なお、金属配管2の表面と表面導体部1の間に生じる電磁界は交流のため変化するが、図5では説明を簡単にするために直流で示している。図6には長さ3mの配管において分断部の長さdを変化させたときの周波数―減衰量特性を計算したものである。dが大きいほど電圧の減衰は大きいがデータ信号に用いる交流信号(搬送波)の周波数を適切に選択すれば、一般的な壁の厚みの範囲では通信可能な範囲の減衰を持つ線路として利用可能である。たとえば、初期時に制御部18と制御部19が互いに周波数変えながら通信を行い伝送路の電圧減衰特性を計測することにより、減衰の少ない周波数を選択する。周波数選択された信号は配管を伝搬してゆくが、室外ユニット3近傍の金属配管2に設けられ、磁性材料で構成されたインピーダンス調整器7により、インダクタンスLが構成されるため、搬送波の周波数fに対して Z=2πfL なるインピーダンスが生じる。搬送波の周波数帯域は数百kHz〜数GHzであり、冷媒回路4側は高インピーダンスとなるため信号は冷媒回路4側へ伝搬せず、室内ユニット8方向に伝搬される。室内ユニット8内の制御部10はこの信号を結合回路11を介し取り込み、復調することにより制御情報を得、この制御情報に基づいて冷媒回路などを制御する。同様な手順で室内ユニット8から室外ユニット3への制御情報伝達も行われるが、同様な手順でなされるため説明を省略する。
このように、室外ユニット3および室内ユニット8は互いに制御信号を送受信しつつ、対を成し運転を行う。
以上のように、本実施の形態2によれば、空調機の配管工事は現行の方法になんら変更の必要なく、結合回路6及び11及び磁性材料7及び12を取り付けるだけで、容易に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冷熱機器を実現できる。
実施の形態3.
次に、図7は本実施の形態3に係る通信システムの構成を示すブロック図である。図において、金属配管2は表面を覆い断熱材保護のための表面導体部1であり、たとえばアルミ材を含むテープなどで覆われている。このような配管で屋外に置かれた室外ユニット3と屋内に置かれた室内ユニット8は互いに接続されている。具体例としては屋外に配置され冷却水を冷却するクーリングタワー、屋内に配置された冷凍機など圧縮機などに相当する。室外ユニット3は冷媒回路4と制御部5から構成されている。通信装置16は、制御情報を授受するため交流電気信号で構成されたデータ信号(搬送波をデータで変調した変調信号)を結合回路6を介して金属配管2及び表面導体部1に印加する。インピーダンス調整器7は、磁性材料で構成されており金属配管2を覆い、空調機の冷媒回路4から交流的に金属配管2を分離(絶縁)する作用を持つ。結合回路6、11ならびに表面導体部1への接続部については実施の形態1と同様、図2の構成であるため説明は省略する。
室内ユニット8は冷媒回路9と制御部10から構成されている。通信装置17は、配管に接続された通信装置を互いに制御情報を授受するため交流電気信号で構成されたデータ信号(搬送波をデータで変調した変調信号)を結合回路11を介して金属配管2及び表面導体部1に印加する。インピーダンス調整器12は、磁性材料で構成され金属配管2を覆い、空調機の冷媒回路9から交流的に金属配管2を分離(絶縁)する作用を持つ。結合回路6、11ならびに表面導体部1への接続部については実施の形態1と同様、図2の構成であるため説明は省略する。
このように、金属配管2と表面導体部1は同軸構造をなしているため、通信装置16は交流電気信号で構成されたデータ信号(搬送波をデータで変調した変調信号)を金属配管2及び表面導体部1に印加することにより内外の導体間に電磁界を形成し信号が伝搬される。このとき室外ユニット3近傍の金属配管2に設けた室外ユニット3近傍の金属配管2に設けられ、磁性材料で構成されたインピーダンス調整器7により、インダクタンスLが構成されるため、搬送波の周波数fに対して Z=2πfL なるインピーダンスが生じる。搬送波の周波数帯域は数百kHz〜数GHzであり、冷媒回路4側は高インピーダンスとなるため信号は冷媒回路4側へ伝搬せず、室内ユニット8方向に伝搬される。室内ユニット側に接続された通信装置17はこの信号を結合回路11を介し取り込み、復調することにより制御情報を得ることができる。同様な手順で室内ユニット8側の通信装置17から室外ユニット3側の通信装置16への制御情報伝達も行われるが、同様な手順でなされるため説明を省略する。
このように、通信装置16および通信装置17は互いに制御信号を送受信しつつ、対を成し運転を行う。
以上のように、本実施の形態3によれば、冷熱機器の配管に結合回路6及び11及び磁性材料7及び12を取り付けるだけで、容易に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データ伝送システムが実現できる。
また、本実施の形態3では配管の表面導体部1が一部分断した構成については説明していないが、実施の形態2と同様に伝送路として利用可能であるため、一部が分断された表面導体部1をもつ配管を用いても同様なシステムが工事性よく構成できる。
実施の形態4.
本実施の形態4では、インピーダンス調整器7の別の実施の形態について説明する。ここでは、LC共振回路を設けて遮断周波数で絶縁する形態を説明する。図10に示すように、室外ユニット3近傍の金属配管2を覆い磁性材料で構成されるインダクター(このインダクタンスをLとする)とこのインダクターに並列に接続されたコンデンサー(この容量をCとする)とで構成されるインピーダンス調整器を設け、室外機3の制御部18から送り出されるデータ信号(変調信号)の搬送波の周波数(この周波数をfとする)を、上記インダクターとコンデンサーの共振周波数
2πf=1/√(LC) を満足するように適当に選ぶ。これにより、室外機3の制御部18から金属配管2と表面導体部1に印加されたデータ信号は、この信号の搬送波によりインピーダンス調整器7が共振することで冷媒回路4側は絶縁されるため、室外ユニット3の冷媒回路4側へ伝搬せず、室内ユニット8方向に伝搬される。
金属配管の室外ユニット側近くについても上記と同様の処理を施すことにより、室外ユニットと配管を絶縁することができる。
以上のように、本実施の形態4よれば、実施の形態1〜3と同様の効果に加えて、インピーダンス調整器の絶縁性能が実施の形態1〜3よりもさらに向上する。
実施の形態5.
本実施の形態5では、インピーダンス調整器7のさらに別の実施の形態について説明する。ここでは、金属配管2に金属環で構成されたスタブを設けて信号の伝搬を阻止する形態を説明する。室外ユニット3近傍の金属配管2に金属環で構成されたインピーダンス調整器を被せ、室外機の制御部から送り出されるデータ信号(変調信号)の搬送波の周波数(この周波数をfとする)を、上記金属環の高さがこの搬送波の波長の1/4となるように選択する。またこの金属環の先端を解放する。これにより、室外機3の制御部18から金属配管2と表面導体部1に印加されたデータ信号はインピーダンス調整器の先端が解放されたスタブを往復することにより、この信号の搬送波の波長が1/2波長だけずれる。これは180度の位相ずれ(逆位相)に相当するので、伝送信号とこの往復信号とを合成すると、互いに打ち消しあうため、出力は0となる。すなわち、スタブの付け根で入力インピーダンスは0になる。従って、室外ユニット3の冷媒回路4側へ伝搬せず、室内ユニット8方向に伝搬される。
金属配管の室外ユニット側近くについても上記と同様の処理を施すことにより、室外ユニットと配管を絶縁することができる。
以上のように、本実施の形態5よれば、実施の形態1〜3と同様の効果に加えて、インピーダンス調整器の絶縁性能が実施の形態1〜3よりもさらに向上する。
また、実施の形態1〜3で結合回路6は金属箔または金属板を用い環状に構成したが、使用する交流信号の周波数に対して、十分な静電容量が得られる面積を確保できる構造であれば半円柱状など他の構造でも同様な効果を奏する。用いる材料も静電容量の電極を構成する導電性材料であれば金属箔または金属板でなくてもたとえば金属材料が蒸着された樹脂などでも良い。
また、実施の形態1〜3で表面導体部1について、環状に構成したが、表面導体部1と十分に接触構造が得られる構造や方式であれば同様な効果を奏する。また、結合回路6同様に静電容量を構成した方式の場合においては、環状構造でなくても良く、使用する交流信号の周波数に対して、十分な静電容量が得られる面積を確保できる構造であれば半円柱状など他の構造でも同様な効果を奏する。
また、実施の形態1および実施の形態2で結合回路6に静電容量を構成する方式について説明したが、図8に示すように、金属配管2にロウ付けなど電気的に接続し、直接信号を印加する方式でも同軸構造を構成する金属配管2及び表面導体部1を用いた伝送路が形成され、工事性の良い冷熱機器を構成することが可能である。
さらに、室外ユニット3と室内ユニット8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3に複数台の室内ユニット8が接続される構成であってもよいし、その逆であっても良い。この場合、空調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。
また、実施の形態3で結合回路6に静電容量を構成する方式について説明したが、図9に示すように、金属配管2にロウ付けなど電気的に接続し、直接信号を印加する方式でも同軸構造を構成する金属配管2及び表面導体部1を用いた伝送路が形成され、配線工事を必要としない、配管を伝送路に用いる通信システムを構成することが可能である。
さらに、通信装置16と通信装置17が各々1台の場合について説明したが、複数台の通信装置が接続される構成であっても良い。この場合、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。
本発明の実施の形態1に係る設備機器の構成を示したブロック図である。 本発明の実施の形態1に係る結合回路の断面構造ならびに詳細を示した図である。 本発明の実施の形態1に係る配管の信号結合回路の構造を示した説明図である。 本発明の実施の形態2に係る設備機器の構成を示したブロック図である。 本発明の実施の形態2に係る信号伝搬の説明図である。 本発明の実施の形態2に係る信号伝搬特性の計算例を示した図である。 本発明の実施の形態3に係る通信システムの構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態1または実施の形態2に係る信号結合方式を示す説明図である。 本発明の実施の形態3に係る信号結合方式を示す説明図である。 本発明の実施の形態4に係る信号遮断を示す説明図である。
符号の説明
1 表面導体部、2 金属配管、3 室外ユニット、4 冷媒回路、5 制御部、6 結合回路、7 磁性材料、8 室内ユニット、9 冷媒回路、10 制御部、11 結合回路、12 磁性材料、13 金属環、14 壁、15 電圧源、16 通信装置、17 通信装置、18 制御部、19 制御部。

Claims (13)

  1. 複数の機器と、
    これらの機器間を接続する金属配管と、
    前記機器の各々に設けられ、前記金属配管と第1の信号線によって接続される制御部と、
    前記金属配管の表面を絶縁物質を介して覆う導電性物質で構成され、前記制御部と第2の信号線によって接続される表面導体部と、
    前記金属配管の前記第1の信号線との接続位置より前記機器側の、前記金属配管の表面に取付けられ、この金属配管を前記機器から交流的に分離するインピーダンス調整器とを備え、
    前記制御部の各々は搬送波をデータで変調した変調信号を前記金属配管と前記表面導体部に印加し、前記金属配管と前記表面導体部から変調信号を取り出し、この変調信号を復調してデータを取得することを特徴とする伝送装置。
  2. さらに複数の通信装置を備え、
    前記制御部は、前記機器に設けられる代わりに、前記通信装置に設けられたことを特徴とする請求項1記載の伝送装置。
  3. 前記絶縁物質と前記表面導体部は前記金属配管の長手方向に所定の長さ分断部を有し、
    前記変調信号の前記分断部による減衰度を測定する測定手段を備え、
    前記制御部は、前記搬送波の周波数の値を、前記測定手段の測定結果が所定の値以下になるように設定することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の伝送装置。
  4. 前記インピーダンス調整器は、前記金属配管の表面を取り巻く磁性材料で構成され、
    前記制御部は、搬送波の周波数の値を所定の値に設定することを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の伝送装置。
  5. 前記インピーダンス調整器は、前記金属配管の表面を取り巻く磁性材料で構成されたインダクターと、このインダクターに並列に接続されたコンデンサーとから構成され、
    前記制御部は、前記搬送波の周波数の値を前記インダクターと前記コンデンサーとの共振周波数になるように設定することを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の伝送装置。
  6. 前記インピーダンス調整器は、導電性物質で構成された先端開放のスタブであり、
    前記制御部は、前記搬送波の周波数の値を、前記スタブの高さが前記搬送波の波長の4分の1になるように設定することを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の伝送装置。
  7. さらに、前記金属配管の前記第1の信号線との接続部に介在して設けられ、前記金属配管の表面を覆う導電性物質で構成された第1の結合回路と、
    前記表面導体部の前記第2の信号線との接続部に介在して設けられ、前記表面導体部の表面を覆う導電性物質で構成された第2の結合回路と、
    を備えたことを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の伝送装置。
  8. 前記第1の結合回路は、前記金属配管の表面を絶縁体を介して覆い、前記金属配管と静電容量による電磁界で結合されることを特徴とする請求項7に記載の伝送装置。
  9. 前記第2の結合回路は、前記金属配管の表面を絶縁体を介して覆い、前記金属配管と静電容量による電磁界で結合されることを特徴とする請求項7に記載の伝送装置。
  10. 前記導電性物質はアルミ材テープであることを特徴とする前記請求項1〜9のいずれかに記載の伝送装置。
  11. 前記導電性物質は金属箔または金属板で構成された金属環であることを特徴とする前記請求項1〜9のいずれかに記載の伝送装置。
  12. 前記機器の少なくとも2つは冷媒回路含む室内ユニットと室外ユニットであり、前記金属配管は冷媒用配管であり、前記絶縁物質は断熱材であり、前記請求項1乃至請求項11のいずれかに記載の伝送装置を含むことを特徴とする冷熱機器。
  13. 前記請求項1乃至請求項11のいずれかに記載の伝送装置を含むことを特徴とする設備機器。
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