JP2009243800A - 空気調和機 - Google Patents

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純司 森本
Masashi Oka
昌史 岡
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Abstract

【課題】逆風等による風量低下対策として回転計などの高価な対策部品を追加することなく、必要な送風量を確保することのできる空気調和機が望まれている。
【解決手段】空気調和機は、冷媒回路の圧縮機5および熱交換器4と、熱交換器4に送風する送風機3とを搭載した室外機1を備え、圧縮機5を駆動する圧縮機用インバータの放熱板を含む制御器2を室外機1の送風機風路に配置したものであって、制御器2のマイコンは、圧縮機用放熱板温度の検出値に基づいて圧縮機用インバータの異常温度上昇を検知し、圧縮機用インバータの異常温度上昇が検知されたときに送風機用インバータへの出力電圧を高くする対応運転を行なうようになっている。
【選択図】図1

Description

本発明は、逆風等の外乱に対応可能な送風機を有する空気調和機の室外機に関するものである。
従来の空気調和機において、室外機に搭載されている送風機に逆風等の外乱が発生すると、送風機が拘束状態に陥るという障害が発生する。これを回避する技術としては、例えば下記特許文献1に記載の如く、送風機用電動機の状態を検出する機器(電流計、回転計、静圧計、サーミスタ、圧力計、電圧計等)を備えた空気調和機が知られている。この空気調和機では、各検出機器の検出値に基づいて送風機用電動機の拘束状態を検知したとき、送風機用電動機の最大出力による運転と停止、または送風機用電動機の出力を増加させながらの運転と停止を繰り返して、トルクを断続的に加えることにより、送風機用電動機の拘束状態を自ら回避するようにしている。
特開2002−364580号公報
前記した文献記載の空気調和機では、逆風等の外乱の影響による送風機の拘束状態を回避することができるが、回転している送風機の風量が低下したことを検知して、それを回避するといったことはできない。一般に、空気調和機は、周囲環境および運転状態により送風機の回転数がさまざまに変化する。特に低速回転域においては送風機の回転トルクが小さいことから、送風機風量が半減する程に強い逆風等の外乱の影響を受けた場合、送風機の風量が著しく下がって外乱等の影響が顕著に現れる。つまり、熱交換器での冷媒の放熱量が低下して冷媒回路の圧縮機吐出側の高圧圧力が異常に高くなることや、あるいは送風機の風路で冷却を行なう半導体素子が過熱して放熱板温度異常となることにより、空気調和機が自ずと異常停止する等のおそれがある。
一方で、前記のような強制的な異常停止後にサービスマンが到着したときには逆風が止んでいて、如何なる原因で異常停止したのか分からず、本来の異常とは異なる異常があったかのように処置されて真因が追求できないという問題があった。このような場合、送風機用の回転計などを取り付ければよいのであるが、追加費用がかかり保守管理も大変になるという課題をもたらす。
この発明は、前記のような課題を解決するためになされたもので、逆風等による風量低下対策として回転計などの高価な対策部品を追加することなく、必要な送風量を確保することのできる空気調和機の提供を目的とする。
ところで、一般に半導体素子からなるインバータには放熱板が連結されており、放熱板にはサーミスタが取り付けられている。この場合、本発明者らは、多大なる試験を重ねた結果、空気調和機の送風機用インバータの放熱板に取り付けられているサーミスタでは、低速領域で風量が半減する程の逆風等の外乱を受けても、検出温度に顕著な変化は現れないことを見出した。一方で、圧縮機用インバータの放熱板に取り付けられているサーミスタは、前記した逆風などの外乱の影響によって検出温度に顕著な変化が現れることも見出したのである。
この発明に係る空気調和機は、冷媒回路の圧縮機と、熱交換器と、送風機用インバータにより駆動されて熱交換器に送風する送風機とを搭載した室外機を備え、圧縮機を駆動する圧縮機用インバータの放熱板を室外機の送風機風路に配置した空気調和機において、圧縮機用インバータの放熱板の温度を検出する圧縮機用放熱板温度検出手段と、圧縮機用放熱板温度検出手段による検出値に基づいて圧縮機用インバータの異常温度上昇を検知する異常温度上昇検知手段と、異常温度上昇検知手段により圧縮機用インバータの異常温度上昇が検知されたときに送風機用インバータへの出力電圧を高くする、対応運転を行なう送風機用インバータ制御手段とを備えているものである。
この発明の空気調和機は、圧縮機用放熱板温度検出手段による検出値に基づいて圧縮機用インバータの異常温度上昇を検知し、圧縮機用インバータの異常温度上昇が検知されたときに送風機用インバータへの出力電圧を高くする対応運転を行なうようになっているので、逆風等の外乱の影響による圧縮機用インバータの異常温度上昇に対し、元々使用していた圧縮機用インバータの放熱板の温度を検出する温度検出手段を流用することで、対策部品を追加することなく圧縮機用インバータの異常温度上昇検知を行なうことができる。また、送風機が拘束状態に至る前に風量低下を検知して対応運転を行なうことにより風量を確保することができる。さらに、空気調和機が異常状態に陥らないように現状の運転状態を維持できる効果を有する。
実施の形態1.
図1はこの発明の実施の形態1における空気調和機の室外機の構成を示す一部分解した斜視図である。
図において、この実施の形態1に係る空気調和機は、室内の空調を行う室内機(図示省略)と、熱源機である室外機1とを配管接続した冷媒回路(図示省略)を備えている。室外機1は、冷媒回路の構成要素である圧縮機5および熱交換器4と、熱交換器4に室外空気を送る送風機3と、圧縮機5および送風機3を駆動制御する制御機器を収容した制御器2とを機内に搭載している。この室外機1では、送風機3が室外機1の風路内に室外空気を吸い込んで熱交換器4を通したのちに室外機1上部の吹出口から吹き出すようになっている。制御器2は熱交換器4と送風機3との間の風路内に配備されている。
図2は制御器2を背面から見た斜視図である。制御器2において、後述する圧縮機用インバータ25は圧縮機用インバータ基板8に配備されている。圧縮機用インバータ基板8には放熱板6が連結され、圧縮機用インバータ25の放熱板6の温度を検出するサーミスタ(圧縮機用放熱板温度検出手段の例)11が取り付けられている。同じく後述する送風機用インバータ27は送風機用インバータ基板9に配備されている。送風機用インバータ基板9には放熱板7が連結され、送風機用インバータ27の放熱板7の温度を検出するサーミスタ(送風機用放熱板温度検出手段の例)10が取り付けられている。放熱板6および放熱板7は制御器2の背面に露出して配備され、室外機における送風機3の風路に配置されている。送風機3により吸い込まれた室外空気は、熱交換器4での熱交換のみならず制御器2背面の放熱板6,7の冷却にも利用される。すなわち、放熱板6,7は圧縮機用インバータ25および送風機用インバータ27の熱を放熱することを目的として使用される。これらの放熱板6,7には複数の基板が接続される場合もある。また、サーミスタ10,11としては、外付けのサーミスタもしくは半導体モジュール内のサーミスタを用いることができる。
制御器2は、図3に示すように、AC電源12を入力して送風機3および圧縮機5を駆動制御するものであって、AC−DCコンバータ14と、室外機コントローラ15と、圧縮機駆動回路16と、送風機駆動回路17とを収容している。圧縮機5の吐出配管には冷媒回路の高圧圧力を検出する高圧圧力センサ(高圧圧力検出手段の例)18が配備されている。
室外機コントローラ15は、マイコン19と、通信回路24と、LED表示部23と、不揮発性メモリ22(運転状態データ記憶手段の例)と、センサ入力回路21と、出力回路(圧縮機用出力周波数検出手段を兼用)20Aと、出力回路(送風機用出力周波数検出手段を兼用)20Bと、センサ入力回路21とから構成されている。マイコン19は、制御などの演算処理を行なう中央演算処理ユニット、プログラムデータなどを記憶している内部メモリ、データバス(いずれも周知であるため図示省略)などから成っている。マイコン19の中央演算処理ユニットは、それぞれ後で詳述する、異常温度上昇検知手段、送風機用インバータ制御手段、および異常温度上昇履歴保存手段を実行する機能を備えている。
また、室外機コントローラ15において、通信回路24は外部のリモコンなどと伝送線13を介して通信接続されている。不揮発性メモリ22は、日常検出される更新データ、空調機運転状態データのデータテーブル、異常温度上昇履歴などを記憶する。LED表示部23は指令値や検出値の内容、あるいは運転履歴情報などを表示する。出力回路20Aは圧縮機用インバータ25への出力周波数および出力電圧の指令値をIPM駆動回路26へ出力するとともに出力周波数を検出する。出力回路20Bは送風機用インバータ27への出力周波数および出力電圧の指令値をIPM駆動回路28へ出力するとともに出力周波数を検出する。センサ入力回路21はサーミスタ10,11および高圧圧力センサ18からの検出信号をマイコン19に取り込むようになっている。
圧縮機駆動回路16は、出力回路20Aからの出力周波数および出力電圧の指令値により圧縮機用インバータ25を駆動するIPM駆動回路26と、指令値に応じた出力周波数および出力電圧の電源を圧縮機5に出力する圧縮機用インバータ25とを備えている。送風機駆動回路17は、出力回路20Bからの出力周波数および出力電圧の指令値により送風機用インバータ27を駆動するIPM駆動回路28と、指令値に応じた出力周波数および出力電圧の電源を送風機3に出力する送風機用インバータ27とを備えている。これらの圧縮機用インバータ25および送風機用インバータ27は、例えば半導体素子であるインテリジェントパワーモジュール(IPM)で構成されている。
次に、実施の形態1における空気調和機の動作を説明する。図4はこの空気調和機のマイコン19による制御処理手順を示すフローチャートである。図5は送風機5のトルクを上げる場合の出力周波数と出力電圧との関係を直線29〜32で示すグラフである。そして、マイコン19は、逆風の影響を受けて送風機3の風量が不足している場合、送風機5への出力電圧を、グラフ中に示す直線「29」の状態から、「30」、「31」、「32」へと徐々に高くすることにより(V/Fの補正)、送風機3の回転トルクを上げ、送風機3の風量を満足させるようになっている。
また、制御器2は空調機3の運転情報として、様々な運転データを保持している。その基準となるデータは、温度変化、圧力変化を踏まえ、図6に一例を示すように、開発時に膨大な量のデータテーブルが保存されている。さらに、それらのデータは機種群、馬力など多岐にわたる。例えば図6のデータテーブルTは、圧縮機用インバータ25への出力周波数F1(Hz)、冷媒回路の高圧圧力Pd(MPa)、送風機用インバータ27への出力周波数F5(Hz)からなる検出値のテーブル値と、空気調和機の代表的な通常運転状態時の圧縮機用放熱板温度からなる選定用のテーブル値とにより構成されている。
この選定用のテーブル値は、逆風など送風機障害が何も無い場合の値であり標準状態となる。図6に示したデータテーブルTの見方として、例えばそれぞれ検出された、放熱板7のサーミスタ10の検出温度THHS_5(外気温に相当)が25℃で、高圧圧力Pdが3.5MPaで、出力周波数F1が20Hzで、出力周波数F5が20Hzのとき、通常運転状態時の圧縮機用インバータ25の放熱板6の温度(テーブル値)として70℃が選定されるようになっている。
図4のフローチャートでは、まず、圧縮機用のタイマTimer_kpおよび送風機用のタイマTimer_Fが停止中の場合(step1〜3のYes)、すなわち圧縮機用インバータ25の異常温度上昇が何も起こっていない場合は、圧縮機用インバータ25の放熱板温度に関し、データテーブルT中のテーブル値THHS_Kと現状の温度検出値THHS_1は一致しているはずなので、各検出データ取り込みのステップに移る(step4)。
各検出値の取り込みステップ(step4)において、マイコン19は、各検出手段120B,18,120A,10によりそれぞれ検出された、送風機用インバータ27への出力周波数、冷媒回路の高圧圧力Pd、圧縮機用インバータ25への出力周波数、および送風機用インバータ27の放熱板温度THHS_5の各検出値を不揮発メモリ22にいったん格納する。そして、これらの各検出値を不揮発性メモリ22の空調機運転状態データと参照して、全ての検出値と合致する空調機運転状態データのテーブルデータTにある圧縮機用インバータ25の放熱板温度のテーブル値THHS_K(例えば、先程の例における70℃)を選定する(step5)。
次に、選定した圧縮機用放熱板温度であるテーブル値THHS_Kとサーミスタ11により検出された実際の圧縮機用放熱板温度THHS_1とを比較する(step6)。これらの温度差の判定値は一定値とするが、センサの検出誤差、半導体素子の性能のばらつきなどを考えると、5〜10degが妥当である。ここでは例として5degを温度差の判定値とする。そこで、step6において、温度差が5deg未満であれば(NO)、送風機風量に異常がないと判断し、現状の運転状態を一定時間保持するとともにタイマTimer_kpの計時を開始して(step14)、STARTに戻る。このようなテーブル値THHS_Kと現状の検出値THHS_1との比較は、現在の運転状態が本来あるべき運転状態なのか、逆風等の外乱の影響を受け本来の運転から外れていないかの判断材料となる。
他方、step6において、温度差が5deg以上であれば(YES)、マイコン19のカウンター機能を用いて、出力電圧を上げる回数Countを積算する(step7)。そして、上昇させた回数Countが5回以下であれば(step8のYes)、step9において送風機用インバータ27への出力電圧Vfoutを一定値(2〜5Vが妥当である)上昇させ、step10においてタイマTimer_Fの計時を開始する。
ここでは、一例として上昇値を2Vとした。上昇回数は出力電力の上昇にあわせ、5〜10回が妥当である。ここでは一例として5回とする。カウントアップするごとに出力電圧を2Vずつ上昇させる。低速回転領域では、電圧が2V上がるだけで送風機3のトルクが上がり、数%の回転数上昇となる。従って、送風機3への出力電圧を2Vずつ5回上昇させると、数十%の回転数の上昇を得ることができる。つまり、大なり小なりのさまざまな逆風などの外乱に対して送風機3の回転数を落とすことなく、必要とする風量(回転数)を維持することができる。
すなわち、マイコン19の異常温度上昇検知手段は、各検出手段によりそれぞれ検出された、送風機用インバータ27への出力周波数、冷媒回路の高圧圧力Pd、圧縮機用インバータ25への出力周波数、および送風機用インバータ27の放熱板温度の各検出値を不揮発性メモリ22の空調機運転状態データと参照して、全ての検出値と合致する空調機運転状態データのテーブルデータTにある圧縮機用インバータ25の放熱板温度のテーブル値THHS_Kを選定し、選定されたテーブル値THHS_Kとサーミスタ11による検出値THHS_1との差に基づいて圧縮機用インバータの異常温度上昇を検知する。また、マイコン19の送風機用インバータ制御手段は、異常温度上昇検知手段により圧縮機用インバータ25の異常温度上昇が検知されたときに異常温度上昇への対応運転を行なう。すなわち、マイコン19は送風機用インバータ27への出力電圧を高くするように制御するのである。
そうして、上記のように出力電圧を2V上昇させた後は、一定時間の運転を保持する(step11のNo)。運転を一定時間保持することで風量の影響を回避できる可能性があるからである。保持する一定時間は5〜10分間が妥当であり、ここでは5分間を例として挙げる。5分間の運転を実施した後は、さらに温度比較を行う(step6)。それでも温度差が5deg未満にならない場合は、前記のように送風機3への出力電圧を2Vずつ上昇させ(step9)、温度比較のフィードバックがかかるように、5回繰り返す(step8)。一定時間の5分はタイマTimer_kpで監視する(step1、step11)。
前記のように出力電圧の上昇を5回まで繰り返すうちに、温度差が5deg未満に落ち着いた場合は(step6のNo)、一定時間の5分間運転した後に(step14)、送風機3への出力電圧および出力周波数を元の指令値に戻して、通常の運転状態に戻す(step12)。
すなわち、マイコン19の送風機用インバータ制御手段は、圧縮機用インバータ25の異常温度上昇への対応運転を開始して所定時間経過後に送風機用インバータ27への出力を指令値に戻すのである。
一方で、送風機3への出力電圧の上昇を6回以上繰り返したが(step8のNo)、温度差が5deg未満に達することができない場合は、送風機3のトルクが足らないか、もしくは、送風機3が機械的に拘束状態になりかけていると判断し、送風機3の出力電圧を元の指令値に戻したうえで(step15)、送風機3を最大周波数で運転させるとともに、タイマTimer_kpの計時を開始してSTARTに戻る(step16)。
すなわち、マイコン19の送風機用インバータ制御手段は、圧縮機用インバータの異常温度上昇が検知される毎に送風機用インバータ27への出力電圧を所定量ずつ高くし、異常温度上昇の検知回数が所定回数を超えたときに送風機用インバータ27への出力電圧を指令値に戻すとともに、送風機用インバータ27への出力周波数を最大周波数にするのである。
尚、送風機3に順方向の風圧がかかった場合は、送風機3の回転数が増加し風量が増える。その場合は、圧縮機用放熱板温度THHS_1が高くならないため、現状の運転を保持させたままにするとよい。
上記したように、この実施の形態1の空気調和機によれば、逆風等の外乱の影響による圧縮機用インバータ25の異常温度上昇に対して、従来使用している圧縮機用のサーミスタ11を圧縮機用インバータ25の異常温度上昇検知に流用することで、対策部品を追加することなく、送風機3の拘束状態に至る前に風量低下を検知して風量を確保することができる。すなわち、圧縮機用放熱板温度に関して、データテーブルTのテーブル値THHS_Kと現在の運転状態の検出値THHS_1とをリアルタイムで比較し、送風機3の出力電圧を調整することにより、室外機3の運転を適切な範囲(必要風量)に維持できる。その結果、圧縮機用インバータ25の放熱板6が高温になりすぎて強制的な異常停止に至るという不具合を未然に抑止でき、空気調和機の最適な運転を行なうことができる。
実施の形態2.
この発明の実施の形態2における空気調和機は、図3に示したマイコン19の異常温度上昇履歴保存手段と、LED表示部23とを利用したものである。LED表示部23は不揮発性メモリ22に記憶されている空調機運転状態データの内容を室外機においてサービス用として表示するようになっている。また、マイコン19の異常温度上昇履歴保存手段は、送風機3の出力電圧を上げた場合(図4に示したフローチャートのstep9)、メンテナンスコードとして、送風機3の外乱影響ありという情報を不揮発メモリ22に記憶させる。更に、異常温度上昇履歴保存手段は圧縮機用インバータ25の異常温度上昇への対応運転を実施して異常温度上昇を検知しなくなった場合に異常温度上昇の発生を空調機運転状態データの一部として不揮発性メモリ22に記憶させる。
従って、この実施の形態2の空気調和機によれば、逆風等の外乱により送風機3のトルクを上げるべく出力電圧を上げた場合に、速やかに真因を究明できるよう、室外機コントローラ15の不揮発性メモリ22に異常履歴として格納しておく。これによって、このような異常履歴をサービス時に室外機コントローラ15のLED表示部23にメンテナンスコードとして表示させることができる。これらの異常な運転履歴はサービスマンに有益な情報となる。
この発明の実施の形態1における空気調和機の室外機の構成を示す一部分解した斜視図である。 この発明の実施の形態1における空気調和機の制御器の構成を示す外観図である。 この発明の実施の形態1における空気調和機の制御構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態1における空気調和機の制御の処理手順を示す流れ図である。 この発明の実施の形態1における空気調和機の送風機用インバータへの出力周波数と出力電圧との関係を示す図である。 この発明の実施の形態1における空気調和機の空調機運転状態データのデータテーブルの一例を示す図である。
符号の説明
1 室外機、3 送風機、4 熱交換器、5 圧縮機、6 放熱板、7 放熱板、10 サーミスタ(送風機用放熱板温度検出手段)、11 サーミスタ(圧縮機用放熱板温度検出手段)、18 高圧圧力センサ(高圧圧力検出手段)、19 マイコン(異常温度上昇検知手段、送風機用インバータ制御手段、異常温度上昇履歴保存手段)、20A 出力回路(圧縮機用出力周波数検出手段)、20B 出力回路(送風機用出力周波数検出手段)、22 不揮発性メモリ(運転状態データ記憶手段)、23 LED表示部(表示手段)、25 圧縮機用インバータ、27 送風機用インバータ、T データテーブル、THHS_K テーブル値。

Claims (5)

  1. 冷媒回路の圧縮機と、熱交換器と、送風機用インバータにより駆動されて前記熱交換器に送風する送風機とを搭載した室外機を備え、前記圧縮機を駆動する圧縮機用インバータの放熱板を前記室外機の送風機風路に配置した空気調和機において、前記圧縮機用インバータの放熱板の温度を検出する圧縮機用放熱板温度検出手段と、前記圧縮機用放熱板温度検出手段による検出値に基づいて前記圧縮機用インバータの異常温度上昇を検知する異常温度上昇検知手段と、前記異常温度上昇検知手段により前記圧縮機用インバータの異常温度上昇が検知されたときに前記送風機用インバータへの出力電圧を高くする、対応運転を行なう送風機用インバータ制御手段とを備えていることを特徴とする空気調和機。
  2. 冷媒回路における高圧圧力を検出する高圧圧力検出手段と、送風機用インバータヘの出力周波数を検出する送風機用出力周波数検出手段と、圧縮機用インバータヘの出力周波数を検出する圧縮機用出力周波数検出手段と、前記送風機用インバータの放熱板の温度を検出する送風機用放熱板温度検出手段と、互いに関連する、前記冷媒回路の高圧圧力、前記送風機用インバータヘの出力周波数、前記圧縮機用インバータヘの出力周波数、前記送風機用インバータの放熱板温度、および前記圧縮機用インバータの放熱板温度からなる空調機運転状態データを予めデータテーブルとして記憶している運転状態データ記憶手段とを備え、異常温度上昇検知手段は、各検出手段によりそれぞれ検出された、送風機用インバータヘの出力周波数、冷媒回路の高圧圧力、圧縮機用インバータヘの出力周波数、および送風機用インバータの放熱板温度の各検出値を前記運転状態データ記憶手段の空調機運転状態データと参照して、全ての検出値と合致する空調機運転状態データのテーブルにある圧縮機用インバータの放熱板温度のテーブル値を選定し、前記選定されたテーブル値と圧縮機用放熱板温度検出手段による検出値との差に基づいて前記圧縮機用インバータの異常温度上昇を検知するように構成されていることを特徴とする請求項1に記載の空気調和機。
  3. 送風機用インバータ制御手段は、異常温度上昇検知手段により圧縮機用インバータの異常温度上昇が検知される毎に送風機用インバータヘの出力電圧を所定量ずつ高くし、前記異常温度上昇の検知回数が所定回数を超えたときに前記送風機用インバータへの出力電圧を指令値に戻すとともに、前記送風機用インバータヘの出力周波数を最大周波数にするように構成されていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の空気調和機。
  4. 送風機用インバータ制御手段は、圧縮機用インバータの異常温度上昇への対応運転を開始して所定時間経過後に送風機用インバータヘの出力を指令値に戻すように構成されていることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の空気調和機。
  5. 運転状態データ記憶手段に記憶されている空調機運転状態データの内容を室外機においてサービス用に表示する表示手段と、圧縮機用インバータの異常温度上昇への対応運転を実施して前記異常温度上昇を検知しなくなった場合に前記異常温度上昇の発生を前記空調機運転状態データの一部として運転状態データ記憶手段に記憶させる異常温度上昇履歴保存手段とを備え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。
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