JP2010032102A

JP2010032102A - 空気調和機

Info

Publication number: JP2010032102A
Application number: JP2008194266A
Authority: JP
Inventors: Hirohisa Ogura; 洋寿小倉; Tatsuya Hizume; 達也樋爪
Original assignee: Hitachi Appliances Inc
Current assignee: Hitachi Appliances Inc
Priority date: 2008-07-29
Filing date: 2008-07-29
Publication date: 2010-02-12

Abstract

【課題】
暖房運転時に定期的に行う除霜運転は室温の低下につながるため、除霜運転の時間を短くできる空気調和機が望まれる。
【解決手段】
室外制御装置は、除霜運転時に圧縮機モータを駆動するためのチョッピング周波数を切換えて渦電流を増加させ、その損失による熱を冷媒の加熱に利用するとともに、圧縮機モータを駆動するためのモータ電流を通常の暖房運転時に比べて多く流して圧縮機モータの巻き線抵抗による損失を増加させ、その損失による熱を冷媒の過熱に利用することで、室外熱交換器に付着した霜の溶解を早めて除霜運転時間を短縮することを特徴とする空気調和機。
【選択図】図２

Description

本発明は、空気調和機における暖房運転時の除霜運転制御に関する。

現在、空気調和機の暖房運転においては暖房能力の低下の原因となる室外熱交換器に付着する霜を取り除くための除霜運転を定期的に行うのが一般的である。このような除霜運転の時間を短縮するための技術として、例えば特許文献１や特許文献２が知られている。

特許文献１には、渦電流によって発生するジュール熱を蓄熱する手段を圧縮機の外周に設け、このジュール熱を冷媒の加熱に利用する技術が開示されている。また、特許文献２には、除霜運転時にインバータ装置の出力を、通常運転時の電圧／周波数（Ｖ／Ｆ）比よりも小さくしてモータ電流を増加させることで銅損による発熱を除霜に利用する技術が開示されている。

特開平４−２５７６７３号公報特開昭６３−１６１３６３号公報

特許文献１は、蓄熱器を設置するために圧縮機の構造の変更が必要となるほか、蓄熱器の追加による圧縮機の大型化によって空気調和機の室外機が大型化してしまうことや、コストアップなどのデメリットが数多くある。また、特許文献２は、インバータ装置の出力を通常よりも小さくするため、圧縮機モータの回転数を正しく制御できなくなることが考えられる。

そこで、本発明は、圧縮機構造を変更することなく除霜運転を短時間にでき、除霜運転中の圧縮機モータの回転数制御も容易である空気調和機を提供することを目的とする。

上記目的は、圧縮機モータと、外気温度センサと、室外熱交換器と、前記室外熱交換器の温度を計測する室外熱交換器温度センサと、圧縮機モータを制御するインバータ制御手段を搭載した室外制御装置とを備えた室外機に、室内機を接続して冷凍サイクルを構成した空気調和機において、前記インバータ制御手段は、除霜運転における圧縮機モータの駆動を暖房運転時とは異なるチョッピング周波数に切換えることで、圧縮機モータに発生する渦電流を増加させ、これを冷媒の加熱に利用することにより達成できる。

また、上記目的は、圧縮機モータと、外気温度センサと、室外熱交換器と、前記室外熱交換器の温度を計測する室外熱交換器温度センサと、圧縮機モータを制御するインバータ制御手段を搭載した室外制御装置とを備えた室外機に、室内機を接続して冷凍サイクルを構成した空気調和機において、前記インバータ制御手段は、ベクトル演算により圧縮機モータへの印加電圧を算出する手段であり、モータ出力トルクに寄与しないＩｄ電流を増加させることで、モータ電流を増加させ、巻き線抵抗による損失によって発生する熱を冷媒の加熱に利用することで達成できる。

本発明によれば、除霜運転時間を短縮することができる。

以下、本発明の一実施形態における空気調和機を図１，図２を用いて説明する。

図１は空気調和機の冷凍サイクル構成図である。室内機Ａは、冷凍サイクルにおいて、ガス側配管１０に設けられたガス側配管接続バルブ３と、液側配管１１に設けられた液側配管接続バルブ６とを介して接続されている。室内機Ａには室内熱交換器４，室内ファン５の他、室温センサ等が設けられている。室内ファン５は、室内熱交換器４に室内空気を通風して熱交換し、室内空気を冷却または加熱し、冷房または暖房する。

一方、室外機Ｃには圧縮機モータ１，四方弁２，室外熱交換器８，電動膨張弁７，外気温度センサ５１、および室外熱交換器温度センサ５２等が設けられている。四方弁２は、圧縮機モータ１から吐出した冷媒ガスを室外熱交換器８に導くか、室内機Ａに導くかの切換えを行うものであり、冷房運転か暖房運転かを切換えるものである。図１の四方弁２の状態は暖房サイクルにした状態であり、冷媒は冷凍サイクル中を実線矢印のように循環する。電動膨張弁７は、液側配管１１に設けられている。

また、室外機Ｃには、室外ファン９が室外空気を室外熱交換器８に通風するように配置されている。そして、冷凍サイクルの主要な冷媒温度を検知するために、圧縮機モータ１近傍の吐出配管には冷媒吐出温度センサ２２が配置されている。

外気温度センサ５１は、電動膨張弁７を開閉するための制御パラメータとして使用する。室外熱交換器温度センサ５２は、暖房運転中に室外熱交換器８の温度を検知する。この検知温度によって着霜の量を或る程度推測する。

図２は空気調和機の制御ブロック図を示す。図２において、２１が室外機Ｃに設けられた室外制御装置、３１が室内機Ａの室内制御装置を示す。

室内制御装置３１は、制御信号の送受信を行うためのデータ伝送線６１により室外制御装置２１と接続されている。室内制御装置３１は、リモコン４１から信号を受信して、これに基づいて所定の制御を行うようになっている。

一方、室外制御装置２１は、圧縮機モータ１から吐出した冷媒の温度を検知するための冷媒吐出温度センサ２２，外気温度を検知するための外気温度センサ５１，室外熱交換器８の温度を検知するための室外熱交換器温度センサ５２等、各種センサからの信号を受信する。また、圧縮機モータ１，電動膨張弁７等のアクチュエータに接続され、これら温度情報及び室内制御装置３１からデータを入手して制御信号をこれらに送信する。インバータ制御手段２３は、圧縮機モータ１に通電すべき印加電圧を演算により算出し、この演算結果に基づきインバータ回路２４へチョッピング信号を出力する。

また、室外熱交換器８の着霜に関して、外気温度センサ５１および室外熱交換器温度センサ５２により各温度を検知して除霜運転処理を行う。

このように構成した空気調和機で、室内機を暖房運転した場合の動作の概要について説明する。

リモコン４１から操作信号を受信すると、室内制御装置３１は、受信した設定風速に従って室内ファン５を制御すると共に、暖房運転開始指令を通して室外制御装置２１に送信する。

室外制御装置２１は、室内制御装置３１から指令信号を受信すると、四方弁２を暖房サイクルに設定し、室外ファン９を所定の回転数で駆動し、電動膨張弁７を所定の運転用開度に絞り込む。更に、室内機Ａから受信した圧縮機モータ１の回転数指令値に基づいてインバータ回路２４の素子を任意のチョッピング周波数でオンまたはオフして圧縮機モータ１を回転させる。この時、インバータ制御手段２３は前記圧縮機モータ１が必要なトルクに対してモータ電流が最小となるような最適な効率で駆動するよう制御する。その後、室外制御装置２１は、実際の回転数と室内機Ａから受信した回転数指令値とを比較しながら圧縮機モータの回転数制御を行う。以上によって暖房運転が行われる。

次に、除霜運転について説明する。上記暖房サイクルを繰り返すことにより、冷媒は外気と熱交換し、室外熱交換器８は冷媒に熱を奪われ温度が下がる。このときに、室外熱交換器８の表面で水分が氷結すると霜が生成することとなる。このように霜が付着し、成長するため室外熱交換器８の熱交換効率が低下する。そのため、定期的に外気温度センサ５１より得られる外気温度および室外熱交換器温度センサ５２から得られる室外熱交換器温度に基づいて、室外制御装置２１は室外熱交換器８の着霜を演算により推定し、除霜運転を開始する。

除霜運転は、暖房運転を停止して四方弁２を暖房サイクル側から冷房サイクル側に冷凍サイクルを切換え、圧縮機モータ１により温められた高温高圧の冷媒を室外熱交換器８に流すことによって霜を溶かすものである。これにより熱交換効率を回復させる。除霜運転は、一旦暖房運転を停止することになるため、その停止期間中に室内温度を低下させることとなってしまう。なお、除霜運転すなわち冷房サイクルは、室外熱交換器８が所定温度に達した時点で終了し、圧縮機モータ１を例えば３分程度停止してサイクルバランスを行った後、暖房運転を再開する。

次に本発明の一実施形態について説明する。室外制御装置２１は、室内制御装置３１から暖房運転指令を受信すると、インバータ制御手段２３により所定周波数のチョッピング信号を出力して圧縮機モータ１を駆動する。インバータ制御手段２３は、前記信号を出力するとともに圧縮機モータ１が必要なトルクに対して最小のモータ電流で駆動するような効率を重視した制御をする。暖房運転により着霜が進むと熱交換器温度および室外温度による除霜運転開始条件を満たすため除霜運転を開始する。除霜運転は冷凍サイクルを暖房サイクルから冷房サイクルに切換えるために一度圧縮機モータ１を停止もしくは減速させる。次に四方弁２を冷凍サイクルに切換え、圧縮機モータ１を再起動する。再起動する際に、インバータ制御手段から出力するチョッピング周波数を除霜用の任意の周波数に変更する。渦電流は、一般的にｆＢ／ρに比例することが知られておりチョッピング周波数を変更することによっても変化する。ここでｆは周波数、Ｂは磁束密度、ρは導体の比抵抗。また渦電流は、ｆＢ＊ｆＢ／ρに比例した渦電流損による熱を発生させる。本発明は、この渦電流損による発熱をチョッピング周波数の変更により増加させ冷媒温度の上昇を早めることで室外熱交換器に付着した霜の溶解を早める。その後、熱交換器温度が所定温度に達した時点で除霜運転を終了して暖房運転を再開する。インバータ制御手段２３は暖房運転に戻ると同時にチョッピング周波数を元の暖房運転時の周波数に戻す。

以上により、蓄熱器等の付属部品を使用せず、従来以上に冷媒の温度を上昇させることができる。

次にもう一つの本発明の一実施形態を図４，図５を用いて説明する。

前記インバータ制御手段２３は、ベクトル制御理論を利用した制御手段であり、ｑ軸電流指令値Ｉｑ^*とｄ軸電流指令値Ｉｄ^*を算出する電流指令演算器２８と、電流指令値Ｉｄ^*及びＩｑ^*と空気調和機の室内制御装置３１より与えられるモータ回転数指令値ω１^*を入力値として圧縮機中に組み込まれているモータの巻線インダクタンス値Ｌｄ及びＬｑと巻線抵抗値ｒと発電定数ｋＥとから圧縮機モータ１に通電する電圧指令値Ｖdc^*及びＶqc^*を演算によって求める電圧指令演算器２７と、回転子位置θdcを検出もしくは演算によって求める回転子位置検出器１１と、前記θdcと、Ｖdc^*及びＶqc^*から３相ＰＷＭ信号Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗを生成する３相ＰＷＭ信号生成器２６とからなる。

ｑ軸電流指令値Ｉｑ^*は圧縮機モータ１を駆動する際に必要な出力トルクを得るための電流指令であり、算出方法には周波数指令ω１^*より求める方法等がある。ｄ軸電流指令値Ｉｄ^*は出力トルクに寄与しない電流指令であり、突極性を持ったモータに置ける最適電流位相を作るために利用される他、弱め界磁を実現するために利用される電流指令値である。

室外制御装置２１は、室内制御装置３１から暖房運転指令を受信すると、インバータ制御手段２３により所定周波数のチョッピング信号を出力して圧縮機モータ１を駆動する。インバータ制御手段２３は、前記信号を出力するとともに圧縮機モータ１が必要なトルクに対して最小のモータ電流で駆動するような効率重視の制御を行う。

図４は通常暖房運転時のＩｑ^*とＩｄ^*の関係を示した図である。ｑ軸上のＩｑ^*は圧縮機モータ１の出力トルクを満たすような、ある一定量の値となる。これに対してｄ軸上のＩｄ^*は出力トルクに寄与しない電流成分であり、通常は零としている。但し、突極性のあるモータの場合はリラクタンストルクを得るためにＩｄ^*を僅かに負の方向に出力する。暖房運転により着霜が進むと室外熱交換器温度および室外温度による除霜運転開始条件を満たすため除霜運転を開始する。除霜運転は冷凍サイクルを暖房サイクルから冷房サイクルに切換えるために一度圧縮機モータ１を停止もしくは減速させる。次に四方弁２を冷房サイクルに切換えるとともに、圧縮機モータ１を再起動させる。図５は除霜運転時の電流指令値を示す図である。除霜運転を開始すると電流指令演算器９は通常零のＩｄ^*を増加させる。Ｉｄ^*は一定量とするか、Ｉｑ^*とＩｄ^*の合成ベクトルであるＩｍ^*が一定量になるようにＩｄ^*を算出する。ここで、Ｉｄ^*は正に大きくしても負に大きくしてもよい。本発明は、圧縮機モータ１に流れるモータ電流が増加するため、圧縮機モータ１の巻き線抵抗による損失分の熱が増加して、冷媒温度の上昇を早めることができる。これにより除霜時間を短縮することができる。その後、室外熱交換器温度が所定温度に達した時点で除霜運転を終了して暖房運転を再開する。Ｉｄ^*は暖房運転を再開する時点で零に戻す。

本発明によれば、渦電流損による発熱及び巻き抵抗による損失分の発熱を利用して冷媒の温度上昇を早めて、除霜運転の時間を短縮することができ、暖房運転率を向上することが可能である。

空気調和機の冷凍サイクル構成図。空気調和機の制御ブロック図。インバータ制御手段を説明するための図。暖房運転時のモータ電流指令値を説明するための図。除霜運転時のモータ電流指令値を説明するための図。

符号の説明

Ａ室内機
Ｃ室外機
１圧縮機モータ
２四方弁
３ガス側配管接続バルブ
４室内熱交換器
５室内ファン
６液側配管接続バルブ
７電動膨張弁
８室外熱交換器
９室外ファン
１０ガス側配管
１１液側配管
２１室外制御装置
２２冷媒吐出温度センサ
２３インバータ制御手段
２４インバータ回路
２５回転子位置検出器
２６３相ＰＷＭ信号生成器
２７電圧指令演算器
２８電流指令演算器
３１室内制御装置
４１リモコン
５１外気温度センサ
５２室外熱交換器温度センサ
６１データ伝送線

Claims

圧縮機モータと、直流電圧を入力としたインバータ回路と、外気温度センサと、室外熱交換器と、前記室外熱交換器の温度を計測する室外熱交換器温度センサと、四方弁と、室外制御装置とを備えた室外機に、室内機を接続して冷凍サイクルを構成した空気調和機において、
前記室外制御装置は、前記インバータ回路を構成する素子にオンオフ指令を生成するインバータ制御手段を備え、暖房運転時における前記室外熱交換器の着霜状態を外気温度と熱交換器温度とにより推定し、着霜と判断した場合には四方弁を冷房サイクルに切換えて除霜運転を開始するとともに、前記インバータ制御手段から出力する前記インバータ回路を構成する素子をオンオフするためのチョッピング信号の周波数を暖房運転時とは異なる周波数に変更して前記圧縮機モータを回転させ、前記圧縮機モータに発生する渦電流を増加させることで冷媒を加熱することを特徴とする空気調和機。
請求項１において、前記室外制御装置は、外気温度と熱交換器温度とにより室外熱交換器の着霜を検知して除霜運転を開始した場合、前記四方弁を冷房サイクルに切換えて除霜運転を開始するとともに、前記圧縮機モータを駆動するために流すモータ電流を前記インバータ制御手段により増加させることで前記圧縮機モータの巻き線抵抗による発熱量を増加させることで冷媒を加熱することを特徴とする空気調和機。
請求項２において、前記圧縮機モータに通電すべき電圧である電圧指令値をベクトル演算によって算出するインバータ制御手段を備え、除霜運転を開始した場合には、出力トルクに寄与しないｄ軸電流指令の絶対値を増加させることで前記圧縮機モータに流れるモータ電流を増加させることを特徴とする空気調和機。