JP2013108675A - 冷凍サイクル装置の室外機 - Google Patents

Abstract

【課題】電動機に結露が生じることを抑制する冷凍サイクル装置の室外機を提供することを目的としている。
【解決手段】室外熱交換器２１と、室外熱交換器２１の下流側に設けられ、室外熱交換器２１に外気を供給するファン２４を回転させる３相の電動機２７と、電動機２７を制御する制御回路７７とを有し、制御回路７７は、室外熱交換器２１の除霜運転時に、電動機２７が回転しないように３相のうちの２相に通電させ、所定時間間隔で通電する２相を切り替える。
【選択図】図５

Description

本発明は、空気調和装置や給湯器などに利用される冷凍サイクル装置の室外機に関するものである。

空気調和装置の室外ユニットに搭載された室外ファンの電動機には、たとえば結露などにより発生する水が、電動機の外郭内に留まることを抑制し、当該外郭内に設けられた各種電子機器などの故障を防止するようにしたものが提案されている（たとえば、特許文献１参照）。

「モールド樹脂部の内周側に前記ロータの回転軸線方向に沿って前記開口部に向かって延びる凹溝を設けるとともに、前記モールド樹脂部に内周側から外周側へ連通する排水口を設け、前記凹溝に前記モールド樹脂部の端面に向かって傾斜するテーパー部を形成した」、室外ファンの電動機が搭載された室外ユニットに関する技術が特許文献１に記載されている。
特許文献１に記載の技術は、テーパー部がモールド樹脂部の端面に向かって傾斜しているため、モールド樹脂部内で生成した結露水は、モールド樹脂部の外へ排水されることが促される。

特開２０１０−１４２０４５号公報（たとえば、図８参照）

特許文献１に記載の技術は、「凹溝に前記モールド樹脂部の端面に向かって傾斜するテーパー部を形成した」ため、電動機に生じた結露の排出を促すことはできるが、結露自体が生じることを抑制することはできなかった。

本発明は、以上のような課題を解決するためになされたもので、電動機に結露が生じることを抑制する冷凍サイクル装置の室外機を提供することを目的としている。

本発明に係る冷凍サイクル装置の室外機は、室外熱交換器と、室外熱交換器の下流側に設けられ、室外熱交換器に外気を供給するファンを回転させる３相の電動機と、電動機を制御する制御回路とを有し、制御回路は、室外熱交換器の除霜運転時に、電動機が回転しないように３相のうちの２相に通電させ、所定時間間隔で通電する２相を切り替えるものである。

本発明に係る冷凍サイクル装置の室外機によれば、室外熱交換器の除霜運転時に、ファンが回転しないように３相のうちの２相に通電させ、所定時間間隔で通電する２相を切り替えるため、電動機の巻線が発熱体としての機能を果たす。これにより、電動機への結露が抑制され、電動機の信頼性向上、長寿命化を図ることができる。また、ヒータなどを別途備える改良をする必要がないため、その分コストアップの抑制を図ることができる。

本発明の実施の形態１に係る空気調和装置の概要構成図の一例である。 図１に示す空気調和装置の室外機の点線Ａ−Ａにおける断面図である。 図２に示す室外機の電動機の縦断面図である。 図３に示す基板に設けられたインバータ回路の回路構成の一例である。 電源から巻線に供給される電流について説明する図である。 本発明の実施の形態１に係る空気調和装置の結露抑制運転時の処理の流れについて説明する図である。 本発明の実施の形態２に係る給湯器の概要構成図の一例である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る空気調和装置１００の概要構成図の一例である。図２は、図１に示す空気調和装置１００の室外機６２の点線Ａ−Ａにおける断面図である。図３は、図２に示す室外機６２の電動機２７の縦断面図である。図４は、図３に示す基板５に設けられたインバータ回路の回路構成の一例である。
空気調和装置１００は、電動機２７に結露が生じることを抑制するための結露抑制制御を実施する機能を有している。

［構成説明］
空気調和装置１００は、室内機６１と室外機６２とを有し、これらが冷媒配管６３で接続されて構成されている。
室内機６１は、図示を省略したが、冷房運転時に蒸発器として機能し、暖房運転時に凝縮器として機能する室内熱交換器を有している。

室外機６２は、その外郭に、外気を室外機６２内に取り込むための吸込口２６Ａ、及び室外機６２内の空気を排出するための吹出口２６Ｂが形成されている。そして、この吹出口２６Ｂには、グリル２５が設けられている。
室外機６２は、冷房運転時に凝縮器（放熱器）として機能し、暖房運転時に蒸発器として機能する室外熱交換器２１、排水される水の凍結を防止するヒータ２３、室外熱交換器２１に外気を供給する送風機２９、及び電動機２７を保持する電動機サポート２２を有している。なお、図示を省略したが、室外機６２は、冷媒を圧縮して搬送する圧縮機、流路を切り替える四方弁、及び冷媒を減圧させる膨張弁などを有している。

室外熱交換器２１は、送風機２９によって室外機６２に取り込まれる空気と冷媒との間で熱交換を行わせ、冷房運転時に冷媒を凝縮液化させ、暖房運転時に冷媒を蒸発ガス化させるものである。この室外熱交換器２１は、吸込口２６Ａの下流側であって、送風機２９の上流側に設けられている。なお、室外熱交換器２１は、たとえば冷媒配管を流れる冷媒とフィンを通過する空気との間で熱交換ができるようなプレートフィンアンドチューブ型熱交換器で構成するとよい。

ヒータ２３は、室外熱交換器２１などから滴下し、ドレンパンに貯留された水が凍結することを防止するものである。これにより、排水不良を防止することができる。このヒータ２３は、たとえば室外機６２の内部の下側に設けられる。ヒータ２３は、特に限定されるものではないが、たとえばニクロム線などで構成し、通電して熱を発生させるようにすればよい。
電動機サポート２２は、送風機２９を支持するものである。この電動機サポート２２は、室外熱交換器２１の下流側に設けられている。

送風機２９は、室外熱交換器２１に外気を供給するものである。この送風機２９は、電動機サポート２２によって支持され、室外熱交換器２１の下流側であって吹出口２６Ｂの上流側に設けられている。送風機２９は、プロペラファン２４、及びプロペラファン２４を回転させるための電動機２７を有している。
プロペラファン２４は、後述のシャフト７を介して接続されており、シャフト７の回転に伴って回転し、室外熱交換器２１に室外空気を供給可能とするものである。なお、実施の形態１では、ファンがプロペラファン２４であるものとして説明しているが、それに限定されるものではない。

電動機２７は、プロペラファン２４を回転させるものであり、吹出口２６Ｂ側以外の外郭を構成するモールド樹脂３、吹出口２６Ｂ側の外郭を構成するブラケット６、及び図２の電動機サポート２２に固定される取付足１３とを有している。また、電動機２７は、プロペラファン２４に一端が接続されるシャフト７、シャフト７を回転自在とする軸受１４、シャフト７の外周に固定されるロータ１２、ロータ１２を回転させるための固定子鉄心１、固定子鉄心１に設けられる巻線２、巻線２を絶縁する絶縁部８、巻線２に供給する電流（電力）を制御するインバータ回路などを有する基板５、ロータ１２の位置を検出する位置検出素子１１、及び電動機２７の温度を検出するサーミスタ３０を有している。なお、実施の形態１では、電動機２７が３相であるものを例として説明する。また、固定子鉄心１、巻線２、絶縁部８及び基板５によって固定子部が構成される。

モールド樹脂３は、電動機２７のうち、吹出口２６Ｂ側以外の外郭を構成するものである。このモールド樹脂３は、その外側面に取付足１３が設けられ、また、吹出口２６Ｂ側の面にブラケット６が設けられている。モールド樹脂３の形状は、特に限定されるものではないが、たとえば吹出口２６Ｂ側の面が円形状に開放された略円筒形状などとするとよい。
ブラケット６は、電動機２７のうちの吹出口２６Ｂ側の外郭を構成するものである。このブラケット６の形状は、特に限定されるものではないが、たとえばシャフト７が配置可能なように中心部に開口が形成された略円板形状などとするとよい。
取付足１３は、電動機２７を電動機サポート２２に固定させるものである。この取付足１３は、電動機２７の外側面に設けられている。取付足１３と電動機サポート２２との固定方法は特に限定されるものではない。

シャフト７は、ロータ１２の回転に伴って回転し、それによってプロペラファン２４を回転させるものである。シャフト７は、プロペラファン２４に接続されるとともに、外周にロータ１２が固定されている。また、シャフト７は、軸受１４によって回転自在に設けられている。
ロータ１２（回転子）は、たとえば永久磁石などを有し、巻線２に供給される電流によって発生した磁界によって回転するものである。ロータ１２は、中央部にシャフト７が貫通して固定されており、ロータ１２の回転に伴ってシャフト７を回転させることが可能なものである。

固定子鉄心１は、巻線２に供給される電流によって発生した磁界の磁束密度を大きくするものである。この固定子鉄心１は、巻線２を設けるためのスロットを有している。固定子鉄心１の形状は特に限定されるものではないが、たとえば電動機２７がアキシャル型やラジアル型に対応するように設定すればよい。
巻線２は、基板５に接続され、たとえば銅線などを巻回して構成されるものである。この巻線２は、固定子鉄心１のスロットに設けられる。巻線２に供給される電流は、基板５に設けられたインバータ回路によって制御される。電動機２７は３相であるため、巻線２は、Ｕ相に対応する巻線２ａ、Ｖ相に対応する巻線２ｂ、及びＷ相に対応する巻線２ｃから構成される（図５参照）。
絶縁部８は、巻線２と固定子鉄心１とを絶縁させるものである。なお、絶縁部８の形状は、特に限定されるものではない。

基板５は、巻線２に供給される電流を制御する制御回路７７、及び制御回路７７に制御されて巻線２に電流を供給する駆動回路７１を有している。
制御回路７７は、暖房運転などの通常運転時において、位置検出素子１１の検出結果に基づいて巻線２に供給する電流を制御するものである。具体的には、制御回路７７は、ＰＷＭ制御を実施して、Ｕ相とＶ相、Ｖ相とＷ相、及びＷ相とＵ相への通電を切り替えてロータ１２を回転させ、これにより、プロペラファン２４を回転させるものである。Ｕ相よりＶ相は１２０度位相が遅れており、Ｖ相よりＷ相は１２０度位相が遅れている。また、制御回路７７は、プロペラファン２４を回転させるＰＷＭ制御の他に、ロータ１２が回転しないように、巻線２に電流を供給する結露抑制制御を実施するものである。この結露抑制制御については、図５にて詳しく説明する。なお、制御回路７７は、たとえばマイコンなどで構成するとよい。また、制御回路７７は、位置検出素子１１及び駆動回路７１のスイッチング素子７１ａ〜７１ｆに接続されている。

駆動回路７１は、スイッチング素子７１ａ〜７１ｆ、及び電圧源である定電圧部７３を有している。
スイッチング素子７１ａ〜７１ｆは、定電圧部７３と巻線２ａ〜２ｃとの接続を切り替えるものである。スイッチング素子７１ａ〜７１ｆは、スイッチング素子７１ａ、７１ｄが直列に接続されたものと、スイッチング素子７１ｂ、７１ｅが直列に接続されたものと、スイッチング素子７１ｃ、７１ｆが直列に接続されたものとを並列に接続して構成されている。なお、このスイッチング素子７１ａ〜７１ｆは、たとえばＩＧＢＴなどで構成するとよい。
定電圧部７３は、商用電源（図示省略）から供給される電圧（電流）を定電圧に変換し、当該電圧をスイッチング素子７１ａ〜７１ｆを介して巻線２に供給するためのものである。定電圧部７３は、たとえばダイオードブリッジ及び平滑コンデンサなどにより構成するとよい。

位置検出素子１１は、ロータ１２の位置を検出するものである。位置検出素子１１は、制御回路７７に接続されている。この位置検出素子１１は、たとえばホール素子などで構成するとよい。
サーミスタ３０は、電動機２７の温度を検知するものである。このサーミスタ３０が設けられる位置は、電動機２７内でもよいし、外郭でもよい。サーミスタ３０は、制御回路７７に接続されている。これにより、制御回路７７は、サーミスタ３０の検出結果に基づいて、巻線２に供給する電流値を設定することができるようになっている。

［結露の影響について］
空気調和装置１００は、暖房運転時において室外熱交換器２１を蒸発器として機能させるため、室外熱交換器２１に霜や結露が生じることがある。そこで、空気調和装置１００は、送風機２９を停止して室外熱交換器２１への外気（冷気）の供給を停止し、四方弁を切り替えて、室内熱交換器を蒸発器として機能させ、室外熱交換器２１を凝縮器として機能させる除霜運転を可能としている。なお、送風機２９を停止するのは、除霜運転により溶けた霜などが再び凍結してしまわないようにするためである。この除霜運転により、室外熱交換器２１は加熱され、室外熱交換器２１に付着した霜や結露は蒸発する。

しかし、このときに発生する蒸気２８が電動機２７に付着して電動機２７が結露する場合がある。そして、このような場合に、再び暖房運転に移行し室外熱交換器２１が冷えるとこの結露が凍結してしまう。これを繰り返すうちに、電動機２７内に水が侵入してしまう可能性がある。そして、電動機２７内に水が浸入すると、固定子部が水にさらされてしまい、絶縁部８の巻線２に対する絶縁抵抗の低下によるショート、スイッチング素子７１ａ〜７１ｆなどの破壊や腐食による信号異常などが発生する可能性がある。また、侵入した水が凍ると、ロータ１２の回転が妨げられて（ロック）運転停止が発生したり、水から氷になることで膨張して内部断線などが起きる。また、水の浸入により軸受１４に錆が発生し、シャフト７が回転することで異音が発生してしまう可能性がある。

そこで、空気調和装置１００は、除霜運転により、室外熱交換器２１などに付着していた霜や結露が蒸発し、電動機２７が結露することを抑制する結露抑制制御を実施する。
図５は、結露抑制制御時における定電圧部７３から巻線２ａ〜２ｃに供給される電流について説明する図である。

［動作説明］
図５に示すように、電動機２７の巻線２は、Ｕ相に対応する巻線２ａ、Ｖ相に対応する巻線２ｂ、及びＷ相に対応する巻線２ｃから構成されている。そして、次に説明するように、制御回路７７は、スイッチング素子７１ａ〜７１ｆのオンオフを切り替えて、Ｕ相とＶ相、Ｖ相とＷ相、及びＷ相とＵ相の通電を切り替える。

（１）Ｕ相とＶ相を通電する場合には、制御回路７７は、スイッチング素子７１ａ、７１ｅをオンにして、スイッチング素子７１ｂ〜７１ｄ、７１ｆをオフとする（図５の状態）。
（２）Ｖ相とＷ相を通電する場合には、制御回路７７は、スイッチング素子７１ｂ、７１ｆをオンにして、スイッチング素子７１ａ、７１ｃ〜７１ｅをオフとする。
（３）Ｗ相とＵ相を通電する場合には、制御回路７７は、スイッチング素子７１ｃ、７１ｄをオンにして、スイッチング素子７１ａ、７１ｂ、７１ｅ、７１ｆをオフとする。

そして、制御回路７７は、たとえば（１）を所定時間実施した後に、（２）を所定時間実施し、さらに、（３）を所定時間実施するという制御を繰り返す。なお、（１）〜（３）の制御を連続で切り替えると暖房運転や冷房運転時などと同様に回転してしまうため、切り替えのタイミング毎にインターバルをおいて印加することで回転しないようにする。このように、巻線２に電流を流すことで巻線２を加熱し、電動機２７の外郭及び固定子部の温度を上昇させる。

なお、制御回路７７は、（１）、（２）、（３）の順番で制御を実施し、再び（１）に戻る制御を実施する場合を例に説明したが、それに限定されるものではなく、インターバルを置くのであれば、（１）、（３）、（２）の順番でもよいことは言うまでもない。このように、結露抑制制御では、（１）〜（３）の制御を実施することで、電動機２７をムラ無く加熱することができるとともに、巻線２への負荷を分散することができる。
また、（１）〜（３）の所定時間は、特に限定されるものではないが、通電時間と温度上昇の関係より結露に対し最適な設定にするとよく、たとえば、それぞれを２０秒程度に設定するとするよい。インターバルの時間についても、特に限定されるものではないが、たとえば１秒程度に設定するとよい。

図６は、実施の形態１に係る空気調和装置１００の結露抑制運転時の処理の流れについて説明する図である。図６を参照して、空気調和装置１００の動作について説明する。
（ステップＳ１）
制御回路７７は、除霜運転を開始する。

（ステップＳ２）
制御回路７７は、スイッチング素子７１ａ〜７１ｆを制御して、ロータ１２の回転を停止させる。

（ステップＳ３）
制御回路７７は、四方弁を切り替えて、室外熱交換器２１を凝縮器として機能させる。

（ステップＳ４）
制御回路７７は、ヒータ２３に通電するように制御する。

（ステップＳ５）
ステップＳ３及びステップＳ４により、室外熱交換器２１などに付着した霜や結露などが蒸発して蒸気となり、その蒸気が室外機６２内に充満する。

（ステップＳ６）
制御回路７７は、ステップＳ３〜ステップＳ５と平行して結露抑制制御を実施し、ロータ１２が回転しないように、巻線２に通電する。なお、巻線２に供給する電流値を調整することで温度調整が可能である。そこで、制御回路７７は、サーミスタ３０の検出温度が露点温度以上となるように、巻線２に供給する電流値を設定する。なお、サーミスタ３０の検出温度は、電動機２７の外郭及び固定子部の温度に対応している。これにより、電動機２７に結露が付着してしまうことをより確実に抑制することができる。

（ステップＳ７）
ステップＳ５のように室外機６２内に蒸気が充満しているが、ステップＳ６における巻線２の通電による熱により、電動機２７が加温されるため、電動機２７の結露の発生が抑制されている。

（ステップＳ８）
制御回路７７は、除霜運転を停止する。すなわち、制御回路７７は、四方弁を切り替え、送風機２９を駆動する。

なお、室外機６２に搭載された機器のうち、特に霜が付着しやすいものが暖房運転時に蒸発器となる室外熱交換器２１である。室外熱交換器２１が加熱されると、室外熱交換器２１から発生する蒸気が多くなる。そこで、制御回路７７は、ステップＳ６において、ロータ１２が回転しないように巻線２に通電させる代わりに、上記（３）、（２）、（１）の順番で制御を実施してロータ１２を逆回転させるような制御を実施してもよい。
このようにロータ１２が逆回転すると、吹出口２６Ｂから外気が取り込まれ、室外熱交換器２１を介して吸込口２６Ａから吹き出される。これにより、室外機６２に滞留している湿度の高い空気を放出させることができる。さらに、電動機２７側から室外熱交換器２１側に向かって蒸気が流れることになるため、電動機２７が蒸気にさらされてしまうことが抑制される。したがって、ロータ１２を逆回転させることによっても、電動機２７が結露や凍結してしまうことを、抑制することができる。

［実施の形態１に係る空気調和装置１００の有する効果］
本実施の形態１に係る空気調和装置１００は、室外熱交換器の除霜運転時に、ロータ１２が回転しないように３相のうちの２相に通電させて、巻線２を発熱体（ヒータ）として機能させることができる。これにより、除霜運転時に発生する蒸気によって電動機２７が結露してしまうことを抑制することができる。なお、ロータ１２を回転させないため、除霜運転により溶けた霜などが再び凍結してしまうことが抑制されている。また、電動機２７の結露自体を抑制するので、凍結の元となる水が電動機２７に付着しないため、凍結も抑制することができる。
また、本実施の形態１に係る空気調和装置１００は、所定時間間隔で通電する２相を切り替えるため、電動機２７をムラ無く加熱することができるとともに、巻線２への負荷を分散することができる。
さらに、本実施の形態１に係る空気調和装置１００は、サーミスタ３０の検出温度が露点温度以上となるように巻線２に供給する電流値を設定するため、電動機２７に結露が付着してしまうことをより確実に抑制することができる。
このように、空気調和装置１００は、結露及び凍結を抑制することができるため、電動機２７の各種電子機器の劣化抑制や不具合を抑制することができる。すなわち、空気調和装置１００は、信頼性向上（品質向上）、及び長寿命化を図ることができる。また、空気調和装置１００は、電動機２７の加熱にあたり別途ヒータを設けるなどといった必要もないためその分、コストアップを抑制することができる。

実施の形態２．
実施の形態１では、空気調和装置１００が凍結抑制制御を実施する例を説明したが、実施の形態２のように、給湯器２００にこの凍結抑制制御を適用してもよい。また、本実施の形態２では、実施の形態１と同一部分には同一符号とし、実施の形態１との相違点を中心に説明するものとする。図７は、実施の形態２に係る給湯器の概要構成図の一例である。

貯水槽５２は、たとえば、冷媒対水で熱交換をするプレート式熱交換器などが設けられたものである。室外機６２に設けられた圧縮機、室外熱交換器、絞り装置、及びこのプレート式熱交換器とが冷媒配管で接続されて、冷凍サイクルを構成している。そして、室外熱交換器は蒸発器として機能し、プレート式熱交換器が凝縮器として機能する。
なお、貯水槽５２は、プレート式熱交換器で冷媒から温熱を得て加温された水（温水）を蓄えることが可能となっており、風呂５７に温水を供給することが可能となっている。

このような給湯器２００においても、室外機６２の電動機２７が蒸発器として機能して霜や結露が形成されるため、結露抑制制御を実施させることで、給湯器２００のコストアップ抑制を図りながら、給湯器２００の電動機の信頼性向上、長寿命化をすることができる。

１ 固定子鉄心、２、２ａ〜２ｃ 巻線、３ モールド樹脂、５ 基板、６ ブラケット、７ シャフト、８ 絶縁部、１１ 位置検出素子、１２ ロータ、１３ 取付足、１４ 軸受、２１ 室外熱交換器、２２ 電動機サポート、２３ ヒータ、２４ プロペラファン、２５ グリル、２６Ａ 吸込口、２６Ｂ 吹出口、２７ 電動機、２８ 蒸気、２９ 送風機、３０ サーミスタ、５２ 貯水槽、５７ 風呂、６１ 室内機、６２ 室外機、６３ 冷媒配管、７１ 駆動回路、７１ａ〜７１ｆ スイッチング素子、７３ 定電圧部、７７ 制御回路、１００ 空気調和装置、２００ 給湯器。

Claims (4)

1. 室外熱交換器と、
   前記室外熱交換器の下流側に設けられ、前記室外熱交換器に外気を供給するファンを回転させる３相の電動機と、
   前記電動機を制御する制御回路とを有し、
   前記制御回路は、前記室外熱交換器の除霜運転時に、
   前記電動機が回転しないように３相のうちの２相に通電させ、所定時間間隔で通電する２相を切り替える
   ことを特徴とする冷凍サイクル装置の室外機。
2. 前記制御回路は、
   前記電動機の温度が露点温度以上となるように、前記電動機の通電を制御する
   ことを特徴とする請求項１に記載の冷凍サイクル装置の室外機。
3. 室外熱交換器と、
   前記室外熱交換器の下流側に設けられ、前記室外熱交換器に外気を供給するファンを回転させる３相の電動機と、
   前記電動機を制御する制御回路とを有し、
   前記制御回路は、前記室外熱交換器の除霜運転時に、
   前記電動機を逆回転させて、前記電動機側から前記室外熱交換器側に向かって空気を流す
   ことを特徴とする冷凍サイクル装置の室外機。
4. 前記冷凍サイクル装置が、
   空気調和装置、又は給湯器である
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の冷凍サイクル装置の室外機。

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