JP2010008003A - 空気調和器 - Google Patents

Abstract

【課題】
除霜期間には圧縮機駆動モータに損失熱を発生させて冷媒や圧縮機を加熱することで除霜期間を短縮し、さらに適正な条件に従って制御することで圧縮機やインバータ装置等の機器の損傷を防ぎ安全に損失熱を発生させることができる空気調和器を提供することを課題とする。
【解決手段】
上記課題を解決するために、本発明に係る空気調和機は、圧縮機，四方弁，室内熱交換器，減圧装置，室外熱交換器を接続して冷媒回路を形成し、冷媒回路に冷媒を循環させることにより冷房運転及び暖房運転を行い、圧縮機を駆動するベクトル制御可能な圧縮機駆動モータと、所定のタイミングで圧縮機駆動モータの磁束方向にトルクに寄与することがない任意の電流を供給することで圧縮機駆動モータに損失熱を発生させ、少なくとも冷媒及び圧縮機の何れかを加熱するインバータ装置とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、ヒートポンプ式空器調和機において暖房時に蒸発器が着霜した際に除霜運転を行う空気調和機に係り、特にヒートポンプの圧縮機を駆動するベクトル制御可能な圧縮機駆動モータを制御するインバータ装置を備えた空気調和機に関する。

ヒートポンプ式空気調和機は、冷房時には室内熱交換器が蒸発器、室外熱交換器が凝縮器となり、暖房時には冷媒流路を切り替え、室内熱交換器が凝縮機、室外熱交換器が蒸発器となる。

暖房時においては、特定条件下で室外熱交換器に霜が付着し蒸発性能が低下する。霜の付着により蒸発性能が低下すると暖房能力が低下してしまうため、室外熱交換器に付着した霜を除去する必要がある。

霜を除去する方法としては、逆サイクル方式とバイパス方式がある。逆サイクル方式は、四方弁を切り替えて冷媒循環方向を逆にして暖房運転から冷房運転にすることで、室外熱交換器に付着した霜を凝縮熱で除霜するものである。バイパス方式は、四方弁を切り替えることなく暖房運転を継続したまま圧縮機から吐出された冷媒の一部を、室内熱交換器ではなく、バイパス路を介して直接室外熱交換器に供給して、室外熱交換器の温度を上昇させることにより除霜するものである。どちらの方式も圧縮機から吐出された高温の冷媒の熱を除霜に利用している。しかし、逆サイクル方式では、除霜期間中に暖房運転が停止するため、室温が低下してしまう。一方バイパス方式では、暖房を継続したまま除霜することができるが、室内に放出する熱量の一部を除霜に利用するため、除霜のための時間を要するとともに暖房能力が低下してしまうため、室温が低下してしまう。どちらの方式でも、除霜運転中は暖房能力が低下または暖房運転が停止して室内温度が低下するため、除霜運転は極力短時間で終わらせることが望ましい。

従来の除霜能力を向上させる技術として、圧縮機駆動モータの熱を利用するものがある（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）。特許文献１では、１２０度通電方式で制御される圧縮機駆動モータにおいて、通常暖房時は効率が良い正規の通電信号パターンで圧縮機駆動モータを回転し、除霜運転やその準備期間にはモータ効率が低く、モータを発熱させる損失パターンに切り替えて圧縮機駆動モータを回転させる。特許文献１によれば、正規パターンとは圧縮機駆動モータを効率よく回転させることであり、モータ周波数に対して適正な電圧を印加してモータを回転させる。一方損失パターンとは、モータ周波数に対して適性値以上の電圧を印加してモータを回転させることで損失熱を発生させるパターンである。圧縮機駆動モータが冷媒流路に配置されていれば、冷媒を介して損失熱を除霜する熱に利用することができるため、除霜期間が短くなり室内温度の低下を抑制することができる。この正規パターンと損失パターンを繰り返して、通常の暖房運転と除霜運転を繰り返す。

また、特許文献２では１２０度通電方式か１８０度通電方式か明記されていないが、特許文献１と同様に、除霜運転中にモータを低効率に運転することによってモータを発熱させ、吐出冷媒の温度を上昇させることで除霜期間を短縮する。

一方、特許文献１の技術を利用した制御方法が特許文献３より提案されている。特許文献３によると、特許文献１の技術を利用し、適正な条件に従って圧縮機駆動モータに損失熱を発生させ、機器の損傷等を生じることなく利用快適性の向上を図ることができる。

特開平６−１８５８３５号公報 特開平９−３３１４５号公報 特開平９−２６２３６号公報

上述したように、圧縮機駆動モータの損失熱を除霜に利用する方法はすでに提案されているが、特許文献１においては１２０度通電方式であるため１８０度通電方式には対応していない。１２０度通電方式よりも１８０度通電方式の方が制御方法が複雑になるが、ベクトル制御することで位相を細かく把握できるため、圧縮機駆動モータを発熱させるには１８０度通電方式のほうが有利である。空気調和器の場合、同じ周波数でモータを回転させていても運転時の環境負荷により圧縮機駆動モータの入力が異なる。したがって、１８０度通電方式の方が環境に応じてより的確に対応することができる。

また、特許文献２においては１２０度通電方式か１８０度通電方式か明記されておらず、具体的にどのような場合に圧縮機駆動モータを発熱させ、どのような場合に通常運転させるのか等の条件について開示されていない。損失熱を発生させると冷媒だけでなく圧縮機やインバータ装置も発熱する。したがって、これらの機器を損傷させることなく安全に損失熱を発生させる必要がある。

本発明は、除霜期間には圧縮機駆動モータに損失熱を発生させて冷媒や圧縮機を加熱することで除霜期間を短縮し、さらに、適正な条件に従って制御することで圧縮機やインバータ装置等の機器の損傷を防ぎ安全に損失熱を発生させることができる空気調和器を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る空気調和機は、圧縮機，四方弁，室内熱交換器，減圧装置，室外熱交換器を接続して冷媒回路を形成し、冷媒回路に冷媒を循環させることにより冷房運転及び暖房運転を行い、圧縮機を駆動するベクトル制御可能な圧縮機駆動モータと、所定のタイミングで圧縮機駆動モータの磁束方向にトルクに寄与することがない任意の電流を供給することで圧縮機駆動モータに損失熱を発生させ、冷媒及び圧縮機の少なくとも何れかを加熱するインバータ装置とを備える。

本発明によれば、除霜期間には圧縮機駆動モータに損失熱を発生させて冷媒や圧縮機を加熱することで除霜期間を短縮し、さらに適正な条件に従って制御することで圧縮機やインバータ装置等の機器の損傷を防ぎ安全に損失熱を発生させることができる空気調和器を提供することができる。

以下、図面を用いて本発明に係る実施例について説明する。

本発明に係る空気調和機の第１の実施例について図１−図３を用いて説明する。本実施例は、暖房運転中に室外熱交換器に着霜した場合に行われる除霜運転において、ベクトル制御可能な圧縮機駆動モータの磁束方向に電流を流すことで圧縮機駆動モータに損失熱を発生させ、圧縮機駆動モータに発生した損失熱で冷媒を加熱することにより除霜時間を短縮するものである。

図１は、逆サイクル方式で除霜運転を行う空気調和機のサイクル構成図である。逆サイクル方式による除霜運転を暖房運転時の冷媒の流れで説明する。圧縮機１より吐出された高温・高圧の冷媒が四方弁２を介して室内熱交換器３に流入し、室内送風ファン１１により送られる空気と熱交換して液冷媒に凝縮され、膨張弁４により低温・低圧二相流冷媒になる。そして、低温・低圧となった二相流冷媒は室外熱交換器５に流入し室外送風ファン１２より送られる空気と熱交換した後、四方弁２を介して再び圧縮機１に戻る。除霜運転時には四方弁２が切り替わり冷媒流路が逆になる。つまり、圧縮機１から吐出された冷媒が四方弁２を介して室外熱交換器５に流入し、高温・高圧の冷媒の熱で霜を溶かした後、室内熱交換機３に流入し、再び圧縮機に戻る。

図１に示されたインバータ装置１４に制御される圧縮機駆動モータ１ｂは冷媒流路に配置され、圧縮機駆動モータ１ｂが発する熱で冷媒を加熱する。除霜運転中に、圧縮機駆動モータ１ｂに損失熱を発生させて、損失熱を冷媒や圧縮機の加熱に利用する。

インバータ装置は環境負荷に応じて適切な周波数で圧縮機駆動モータを制御する。このとき、特定条件下で室外熱交換器５に霜が付着し蒸発性能が低下することで暖房能力が低下してしまう。そして、暖房運転中に着霜した場合は除霜運転が行われるが、除霜運転の判別手段として、室外熱交換器に具備した室外熱交換器温度測定サーミスタ９や時間検出手段（図示なし）を用いることができる。除霜準備期間では室外送風ファン１２を停止し、圧縮機１の周波数を下げるまたは圧縮機を停止させる。これは、室内熱交換器３で凝縮した液冷媒が圧縮機１に戻り圧縮機１に過大な力が掛からないようにするとともに、四方弁２を切り替え冷媒流路が変わる際の衝撃による振動，騒音を低減し在室者に不快感を与えないようにするためである。その後、四方弁２を切り替えて除霜運転を開始する。除霜運転終了の判別においても、室外熱交換器５に具備した室外熱交換器温度測定サーミスタ９や時間検出手段を用いることができる。除霜運転終了後、暖房運転準備期間に移り、四方弁２を切り替える。その後暖房運転に移行するが、圧縮機１の熱は除霜運転を行ったことにより低下しているので、室温を上昇させるだけの熱量を室内にすぐに供給することができない。そのため、室温の低下を招かないよう室内熱交換器３に室内熱交換器温度測定サーミスタ７を取り付け、室内熱交換器３が一定の温度に上昇するまで室内送風ファン１１を停止したままとする。これらはすでに公知の技術であるので詳細は省略する。

以上は除霜準備期間，除霜運転期間，暖房運転準備期間に行われる制御の一例である。前述したように、除霜運転期間中は室温が低下してしまい快適性が損なわれるが、本実施例は、このような課題に対して、除霜期間を短くする方法を提供するものである。具体的には、除霜準備期間，除霜運転期間，暖房運転準備期間において、圧縮機駆動モータに損失熱を発生させ、この損失熱を冷媒，圧縮機に付与することで除霜期間を大幅に短縮させるものである。

次に、損失熱を発生させるタイミングと制御について説明する。図２は、本実施例における運転動作図である。通常暖房時に着霜状態と判定されると圧縮機の周波数を低下させる。これに伴い圧縮機駆動モータ１ｂのｄ軸（圧縮機駆動モータの磁束方向をｄ軸、磁束に対し垂直方向をｑ軸とする。）に電流Ｉｄを供給し、圧縮機駆動モータ１ｂを発熱させる。入力制限がある空気調和機の場合、圧縮機の周波数が低下するに従って圧縮機駆動モータ１ｂに供給される電流が低下する。それに伴いｄ軸に供給する電流Ｉｄを上昇させていく。除霜運転期間に入ると圧縮機１は高周波数になるので、Ｉｄは除霜準備期間の時よりも小さい値となる。除霜運転期間が終わり暖房運転準備期間に移行すると、圧縮機１の周波数を低下させるので、これに伴いＩｄを上昇させ、暖房運転に移行すると通常制御となる。

図３は、本実施例における制御を示したフローチャートである。まずステップＳ１にて、室外熱交換器５が着霜状態かどうかを判別する。着霜状態の判別は室外熱交換器温度測定サーミスタ９、時間検出手段によって計測された暖房運転時間を用いる。暖房運転時間が設定時間以上かつ室外熱交換器温度測定サーミスタ９により検出された温度が設定値以下のとき除霜準備期間に移行する。着霜状態と判別されればステップＳ２と進む。ステップＳ２では圧縮機に取り付けられた吐出冷媒温度測定サーミスタ６により検出された温度と設定値とを比較する。これは加熱によるモータの損傷を防ぐためである。なお、この吐出冷媒温度測定サーミスタ６は、図１に示すように圧縮機駆動モータ１ｂ付近に取り付けることで、圧縮機１の温度や圧縮機駆動モータ１ｂの温度とみなすこともできる。

ステップＳ２で圧縮機の温度が設定値よりも低いと判定されるとステップＳ３に移行し、圧縮機駆動モータに損失熱を発生させるために圧縮機駆動モータのｄ軸に電流Ｉｄを供給する。このとき、あらかじめ定められた電流上限値ａと現在の電流値ｂを比較しａ＞ｂであれば(ａ−ｂ)の電流を供給する。電流上限値は圧縮機駆動モータが損傷することなく供給することができる最大電流としてもよいし、入力制限がある空気調和機においては入力が超過しないように定められた電流値としてもよい。除霜準備期間では圧縮機の周波数は低下していくのでＩｄは増加していくが、除霜運転期間中、圧縮機は高周波数で回転するのでＩｄは減少する。そして、暖房運転準備期間には圧縮機は停止するので、Ｉｄは再び増加する。

上記一連の演算をステップＳ３で行いステップＳ４に移行する。ステップＳ４では除霜期間が終了かどうかの判定を行い、除霜期間終了であれば終了し、除霜期間が終了していなければステップＳ２に戻る。

一方、ステップＳ２で圧縮機温度が設定値以上である場合はステップＳ５に移行し、電流Ｉｄを減少または電流Ｉｄの供給を止める。Ｉｄを減少させる場合は、電流の減少量と圧縮機温度，外気温との関係をあらかじめ把握しておく必要がある。外気温は外気温測定サーミスタ８を用いることで検出できる。

以上Ｓ１−Ｓ６により、除霜期間に圧縮機駆動モータの損失熱を除霜に利用できるため、除霜期間が大幅に短縮され室温の低下を抑制することができる。

本実施例における空気調和機は、１８０度通電方式でベクトル制御可能である圧縮機駆動モータを具備し、除霜期間には圧縮機駆動モータのｄ軸に回転トルクに寄与することがない任意の電流を流すことで、圧縮機駆動モータに損失熱を発生させ、冷媒や圧縮機を加熱することで除霜期間を短縮することができる。さらに適正な条件に従って制御することで、圧縮機やインバータ装置等の機器の損傷を防ぎ安全に損失熱を発生させることができる。

より具体的には、本実施例に係る空気調和機は、圧縮機，四方弁，室内熱交換器，減圧装置，室外熱交換器を接続して冷媒回路を形成し、冷媒回路に冷媒を循環させることにより冷房運転及び暖房運転を行い、圧縮機を駆動するベクトル制御可能な圧縮機駆動モータと、所定のタイミングで圧縮機駆動モータの磁束方向にトルクに寄与することがない任意の電流を供給することで圧縮機駆動モータに損失熱を発生させ、少なくとも冷媒及び圧縮機の何れかを加熱するインバータ装置とを備える。ベクトル制御可能な圧縮機駆動モータを用いることで、通常の運転状態から圧縮機駆動モータのｄ軸に任意の電流Ｉｄを流して損失熱を発生させることができる。

また、室外熱交換器の除霜期間中に圧縮機駆動モータに損失熱を発生させることにより冷媒を加熱する。暖房運転から除霜運転に切り替わるまでの除霜準備期間，実際に除霜が行われる除霜運転期間、逆サイクル方式の場合において除霜運転終了後から暖房運転開始までの暖房運転準備期間の少なくとも何れかの期間に圧縮機駆動モータに損失熱を発生させることにより、除霜時間が短縮され、暖房運転中に行われる除霜運転により生じる室温の低下を抑制することができる。

さらに、圧縮機駆動モータに供給することが可能な任意に定められた電流上限値ａが現状の運転状態の電流値である現状電流値ｂより大きい（つまり、ａ＞ｂ）場合、圧縮機駆動モータの磁束方向に電流上限値と現状電流値との差（つまり、ａ−ｂ）の電流を供給する。これにより、圧縮機駆動モータの許容値を超える電流を供給することを防ぐことができ損傷を回避することができる。また、空気調和機に入力上限が定められていた場合、供給することが可能な最大電流値を定数とすることで、入力上限値にわずかでも余裕があればｄ軸に電流を流し損失熱を発生させることができる。空気調和機の場合、同じ周波数で圧縮機駆動モータを回転させていても周囲の環境温度により入力が異なる。したがって、上記のように演算することで、環境負荷に応じた的確な電流を供給することができる。

また、圧縮機駆動モータの温度を検出する圧縮機駆動モータ温度検出手段により検出された温度が所定値以下の場合に、圧縮機駆動モータに損失熱を発生させる。これにより圧縮機駆動モータの熱による損傷を防ぐことができる。

本発明に係る空気調和機の第２の実施例について図４を用いて説明する。図４は、本実施例における制御を示したフローチャートである。圧縮機駆動モータに損失熱を発生させるとインバータ装置も発熱してしまう。本実施例は、インバータ装置の温度を検出するインバータ装置温度測定サーミスタ１０を備え、インバータ装置温度測定サーミスタにより検出された温度が所定値以上の場合、室外ファンモータの回転数を高くして風量を増加させてインバータ装置を冷却することで、インバータ装置１４を熱による損傷から防ぐものである。尚、本実施例においては、インバータ装置１４は室外送風ファンの送風路に配置される。

ステップＳ２までは実施例１と同様であるので詳細な説明は省略する。ステップＳ３において、インバータ装置温度測定サーミスタ１０により検出された温度を設定値と比較する。インバータ装置温度測定サーミスタ１０により検出された温度が設定値よりも低ければ、実施例１と同様に供給可能なＩｄを演算し、ｄ軸に電流を供給して、実施例１と同様のフローとなる。インバータ装置温度測定サーミスタ１０により検出された温度が設定値以上であれば、ステップＳ７に移行し、室外送風ファンの回転数が上限かどうか判断する。室外送風ファンの回転数が上限でなければ室外送風ファンの回転数を上昇させ、室外送風ファンによって送風される空気で冷却する。一方、室外送風ファンの回転数が上限であればステップＳ８に移行する。ここで、Ｉｄが下限かどうかを判断し、Ｉｄが下限であればステップＳ９に移行して、通常制御となる。また、ステップＳ８において、Ｉｄが下限でなければステップＳ１０に移行し、Ｉｄを減少させる。なお、ステップＳ７で室外送風ファンモータの回転数が上限の場合、ステップＳ８でＩｄが下限であるかどうかの判定を行わずに通常制御にしてもよい。上記のような制御をすることで、インバータ装置１４を熱による損傷から防ぐことができる。

本実施例における空気調和機は、インバータ装置温度検出手段により検出された温度が所定値以上の場合、室外送風ファンの回転数を上昇させてインバータ装置を冷却する。これにより、インバータ装置を熱による損傷から防ぐことができる。

なお、上記各実施例においては、除霜運転中に損失熱を発生させたが、通常の暖房運転中に損失熱を発生させてもよい。この場合、ランニングコストは高くなるが、暖房能力が向上するため快適性が向上する。また、除霜運転として逆サイクル方式を適用したが、バイパス方式を適用してもよいし、ヒータを具備した空気調和機を用いてもよい。さらには、空気調和機に限らずヒートポンプを利用している機器に適用することが可能である。

逆サイクル方式で除霜を行う空気調和機のサイクル構成図。 第１の実施例における運転動作図。 第１の実施例における制御を示したフローチャート。 第２の実施例における制御を示したフローチャート。

符号の説明

１ 圧縮機
１ａ 圧縮部
１ｂ 圧縮機駆動モータ
２ 四方弁
３ 室内熱交換器
４ 膨張弁
５ 室外熱交換器
６ 吐出冷媒温度測定サーミスタ
７ 室内熱交換器温度測定サーミスタ
８ 外気温測定サーミスタ
９ 室外熱交換器温度測定サーミスタ
１０ インバータ装置温度測定サーミスタ
１１ 室内送風ファン
１２ 室外送風ファン
１３ マイクロコンピュータ
１４ インバータ装置

Claims (5)

1. 圧縮機，四方弁，室内熱交換器，減圧装置，室外熱交換器を接続して冷媒回路を形成し、前記冷媒回路に冷媒を循環させることにより冷房運転及び暖房運転を行う空気調和機において、
   前記圧縮機を駆動するベクトル制御可能な圧縮機駆動モータと、
   所定のタイミングで前記圧縮機駆動モータの磁束方向にトルクに寄与することがない任意の電流を供給することで前記圧縮機駆動モータに損失熱を発生させ、前記冷媒及び前記圧縮機の少なくとも何れかを加熱するインバータ装置と、を備えたことを特徴とする空気調和機。
2. 請求項１において、暖房運転中に前記室外熱交換器が着霜した場合に前記圧縮機から吐出される冷媒により前記室外熱交換器を除霜する空気調和機であって、
   前記室外熱交換器の除霜期間中に前記圧縮機駆動モータに損失熱を発生させることにより前記冷媒を加熱することを特徴とする空気調和機。
3. 請求項１又は２に記載の空気調和機において、前記圧縮機駆動モータに供給することが可能な任意に定められた電流上限値と現状の運転状態の電流値である現状電流値との差を演算する手段を備え、
   前記電流上限値が前記現状電流値より大きい場合、前記圧縮機駆動モータの磁束方向に前記電流上限値と前記現状電流値との差の電流を供給することを特徴とする空気調和機。
4. 請求項１乃至３の何れかにおいて、前記圧縮機駆動モータの温度を検出する圧縮機駆動モータ温度検出手段を備え、
   前記圧縮機駆動モータ温度検出手段により検出された温度が所定値以下の場合、前記圧縮機駆動モータに損失熱を発生させることを特徴とする空気調和機。
5. 請求項１乃至４の何れかにおいて、前記インバータ装置の温度を検出するインバータ装置温度検出手段を備えるとともに、前記インバータ装置は室外ファンの送風路に配置され、
   前記インバータ装置温度検出手段により検出された温度が所定値以上の場合、前記室外ファンの回転数を上昇させて前記インバータ装置を冷却することを特徴とする空気調和機。

Images