JP2014176252A - 空気調和装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 直流中間電圧の上昇を簡単に抑制する。
【解決手段】 電力変換装置１２０は、発電機３０の発電電力をコンバータ１３０で直流に変換し、更に、インバータ１４０で交流に変換して外部負荷Ｌに電力供給する。空調コントローラ１００は、直流中間電圧Ｖdcが第１判定閾値Ｖref1を超えた場合、コンバータ１３０から電力供給を受けているファンモータ４２の目標モータ回転数Ｎｆ*を増加補正する。これにより、ファンモータ指令電圧Ｖｆ*が増加する。こうして、電力変換装置１２０に発生した余剰電力をファンモータ４２の電力供給量増加により低減して、直流中間電圧の上昇を抑制することができる。
【選択図】 図３

Description

本発明は、エンジンにより圧縮機を駆動して作動する空気調和装置に関する。

従来から、エンジンにより圧縮機を駆動して作動する空気調和装置が知られている。また、特許文献１に提案されているように、圧縮機を駆動するエンジンの出力軸に連結されて発電する発電機を備えたものも知られている。この空気調和装置では、発電機の出力を使って室外機内の電気機器への電力供給をまかなうだけでなく、空調対象となる部屋の照明やコンセントに電力供給する。これにより、ユーザは、商用電源の供給を受けなくても、発電電力を使って部屋の電気器具等を使用することができる。

このように発電電力を空気調和装置の外部に供給する場合には、発電電力を商用電源と同じ波形の交流電力に変換する必要がある。そのため、空気調和装置は、発電電力を商用電源と同じＡＣ２００ＶあるいはＡＣ１００Ｖの交流電力に変換する電力変換装置を備えている。電力変換装置は、発電電力を入力して一定電圧の直流電力に変換するコンバータと、コンバータの出力する直流電力を商用電源と同じ波形（振幅および周波数）の交流電力に変換するインバータとを備えている。従って、インバータにより変換した交流電力を外部負荷（室外機以外の電気負荷）に供給できるようになっている。

ここで、電力変換装置について図５を用いて説明する。電力変換装置１２０は、コンバータ１３０とインバータ１４０とを備えている。コンバータ１３０は、発電機３０の出力する三相交流電力を入力して直流に変換するコンバータ回路１３１と、コンバータ回路１３１の出力電圧が一定の目標電圧に維持されるようにコンバータ回路１３１を制御するコンバータコントローラ１３２とから構成される。インバータ１４０は、コンバータ回路１３１の出力する電力を入力して交流に変換するインバータ回路１４１と、インバータ回路１４１の出力電圧が商用電源と同じ波形となるようにインバータ回路１４１を制御するインバータコントローラ１４２とから構成される。

コンバータ回路１３１は、ＭＯＳ−ＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor）やＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などの半導体スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６をブリッジ接続した３相ブリッジ回路であって、コンバータコントローラ１３２から出力されるゲート信号にしたがってスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６のオン／オフ状態が切り替えられて三相交流電力を直流電力に変換する。コンバータ回路１３１は、２本の直流ライン１３３，１３４を介してインバータ回路１４１と接続されており、変換した直流電力をインバータ回路１４１に出力する。直流ライン１３３には、ダイオード１３５が設けられている。

２本の直流ライン１３３，１３４間には、平滑用コンデンサ（電解コンデンサ）１５０が設けられている。また、直流ライン１３３，１３４間の電圧を検出する直流電圧センサ１３６が設けられている。直流電圧センサ１３６は、その検出値である直流電圧Ｖdcをコンバータコントローラ１３２に出力する。また、直流ライン１３３，１３４間には、放電用抵抗素子１６１と放電用スイッチング素子１６２とを直列接続した放電回路１６０が設けられている。

コンバータコントローラ１３２は、直流電圧Ｖdcをフィードバックして、直流電圧Ｖdcが目標直流電圧Ｖdc*と一致するようにデューティ比を設定したゲート信号をコンバータ回路１３１の各スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６に出力する。これにより、コンバータ回路１３１の出力直流電圧が目標直流電圧Ｖdc*に維持される。

インバータ回路１４１は、ＭＯＳ−ＦＥＴやＩＧＢＴなどの半導体スイッチング素子Ｓ７〜Ｓ１０をブリッジ接続したＨブリッジ回路であって、インバータコントローラ１４２から出力されるゲート信号にしたがってスイッチング素子Ｓ７〜Ｓ１０のオン／オフ状態が切り替えられて直流電力を単相交流電力に変換する。上アームとなるスイッチング素子Ｓ７と下アームとなるスイッチング素子Ｓ８との接続部に交流ライン１４３が接続され、他方の上アームとなるスイッチング素子Ｓ９と下アームとなるスイッチング素子Ｓ１０との接続部に交流ライン１４４が接続される。

インバータ回路１４１の出力側には、フィルタ回路１７０が設けられている。フィルタ回路１７０は、交流ライン１４３、１４４に直列に設けられるリアクトル１７１，１７２と、交流ライン１４３、１４４間に設けられるコンデンサ１７３を備えおり、出力電流のリップルを低減する。

フィルタ回路１７０の出力が電力変換装置１２０の出力となる。電力変換装置１２０の出力端子には、外部負荷Ｌが接続される。インバータコントローラ１４２は、交流出力電圧を検出する電圧センサ１４５の検出値を入力して、交流出力電圧Ｖacが目標交流電圧Ｖac*（商用電源と同じ波形電圧）に追従するようにインバータ回路１４１のスイッチング素子Ｓ７〜Ｓ１０のデューティ比を制御する。

特開２００５−２２６８７３号公報 特開２０１０−１４８１９９号公報

（発明が解決しようとする課題）
電力変換装置１２０に接続されている外部負荷Ｌの作動が急に停止された場合のように、電力変換装置１２０の電力負荷が急激に低下すると、コンバータコントローラ１３２の制御応答遅れによって、供給電力を瞬時に下げることができない。このため、コンバータ回路１３１の出力側に発生した余剰電力によって平滑用コンデンサ１５０が充電され、直流ライン１３３，１３４間の電圧が上昇する。この直流ライン１３３，１３４間の電圧を直流中間電圧と呼ぶ。直流中間電圧は、電力変換装置１２０を構成する電子部品の耐電圧以下に抑える必要がある。そこで、コンバータコントローラ１３２は、直流電圧センサ１３６により検出された直流中間電圧が閾値を超えたときに、放電用スイッチング素子１６２を一時的にオン状態に切り替えて、放電用抵抗素子１６１に放電電流を流して余剰電力を消費させる。

しかしながら、発電機３０の出力電力が大きく、電力負荷の変動量が大きい場合には、放電する余剰電力量も大きくなり、放電させるための放電用抵抗素子１６１の容量を大きくする必要がある。このため、放電用抵抗素子１６１の設置スペースが大きくなり、基板が大型化してしまう。また、コストアップを招いてしまう。

特許文献２には、直流中間電圧の跳ね上がりを抑制する技術が開示されている。この技術は、モータ駆動装置においてモータからの回生電流により直流中間電圧が上昇することを抑制するために、モータ電圧電流位相差が−９０°〜＋９０°の範囲になるようにモータ電圧位相指令値を補正するものである。しかし、この技術では、複雑な制御が必要となる。

本発明は、上記課題に対処するためになされたもので、直流中間電圧の上昇を簡単に抑制することを目的とする。

（課題を解決するための手段）
上記課題を解決する本発明の特徴は、エンジン（１０）の動力によって圧縮機（２０）を駆動して冷媒を循環させる室外機（２）と、前記室外機から送られた冷媒により室内を空調する室内機（３）とを備えた空気調和装置において、
前記エンジンの動力によって発電する発電機（３０）と、
前記発電機の出力する交流電力を入力して、設定電圧に制御した直流電力に変換する直流電力変換部（１３０）と、
前記直流電力変換部から出力された直流電力を入力して交流電力に変換し、その変換した交流電力を前記室外機の外部の電気負荷である外部負荷に出力する交流電力変換部（１４０）と、
前記室外機内に設けられて前記直流電力変換部の出力する直流電力を入力して作動し目標制御量に従って制御される室外機内機器（４１）と、
前記直流電力変換部の出力電圧である直流中間電圧を検出する直流中間電圧検出部（１３６）と、
前記直流中間電圧検出部により検出された直流中間電圧が予め設定した過電圧防止閾値（Ｖref1）を超えたときに、前記室外機内機器の目標制御量を増加させることにより前記直流中間電圧の上昇を抑制する直流中間電圧上昇抑制手段（Ｓ１０３，Ｓ１０５）とを備えたことにある。

本発明においては、室外機でエンジンの動力によって圧縮機を駆動して冷媒を循環させ、室内機で室外機から送られた冷媒により室内を空調する。このエンジンは、圧縮機を駆動するだけでなく、発電機を駆動する動力源としても使用される。本発明においては、この発電した電力を、室外機の外部の電気負荷である外部負荷で使用することができるように、直流電力変換部と交流電力変換部とを備えている。直流電力変換部は、発電機の出力する交流電力を入力して、設定電圧に制御した直流電力に変換する。交流電力変換部は、直流電力変換部から出力された直流電力を入力して交流電力に変換し、その変換した交流電力を外部負荷に出力する。

交流電力変換部から出力された交流電力を外部で自由に使えるようになると、その電力負荷変動が大きくなる。そして、電力負荷が急に低下した場合には、直流電力変換部の応答遅れによって直流電力変換部の出力側に余剰電力が発生して回路電圧が過剰に上昇してしまうおそれがある。一般に、直流電力変換部の出力側には、平滑用コンデンサが設けられるため、この平滑用コンデンサが充電されて回路電圧が上昇する。そこで、本発明においては、直流中間電圧検出部が直流電力変換部の出力電圧である直流中間電圧を検出する。そして、直流中間電圧が予め設定した過電圧防止閾値を超えたときに、直流中間電圧上昇抑制手段が、室外機内機器の目標制御量を増加させる。この室外機内機器は、室外機内に設けられて直流電力変換部の出力する直流電力を入力して作動し目標制御量に従って制御されるものである。従って、この目標制御量が増加することによって、室外機内機器で上記の余剰電力の少なくとも一部を良好に消費させることができる。このため、直流中間電圧の上昇を簡単に抑制することができる。また、直流中間電圧の上昇を抑制するための放電用抵抗素子を設けた構成の場合には、放電用抵抗素子の容量を大きくする必要がなく、省スペース、低コストにて実施することが可能となる。

尚、直流電力変換部の出力する直流電力を入力して作動する室外機内機器が複数ある場合には、そのうちの少なくとも一つについて目標制御量を増加させるようにすればよい。また、「目標制御量を増加させる」とは、直流中間電圧が過電圧防止閾値を超えていない通常時に比べて目標制御量を増加させることを意味している。

本発明の他の特徴は、前記室外機内機器は、熱交換用ファンを駆動するファンモータ（４１）であり、前記直流中間電圧上昇抑制手段は、前記ファンモータの目標制御量を増加させることにある。

本発明においては、直流中間電圧が予め設定した過電圧防止閾値を超えたときに、直流中間電圧上昇抑制手段が、熱交換用ファンを駆動するファンモータの目標制御量を増加させる。このファンモータは、ファンに連結されたモータと、直流電力が供給されてモータを駆動するモータ駆動回路とを含むものである。この場合、目標制御量は、ファンモータの目標回転数であってもよいし、ファンモータの目標電圧（電圧指令値）であってもよい。ファンモータの回転数や駆動電圧は、モータ駆動回路への通電を制御することによって可変することができる。従って、直流中間電圧上昇抑制手段によってファンモータの目標制御量が増加させられることにより、モータ駆動回路からモータに供給される電力が増加して上記の余剰電力を良好に消費させることができる。

尚、上記説明においては、発明の理解を助けるために、実施形態に対応する発明の構成に対して、実施形態で用いた符号を括弧書きで添えているが、本発明の各構成要件は前記符号によって規定される実施形態に限定されるものではない。

本実施形態に係る空気調和装置の概略構成図である。 空気調和装置の電力供給系統を概略的に表した系統図である。 電力変換装置、室外ファンモータユニット、ポンプモータユニットの概略構成図である。 ファンモータ制御ルーチンを表すフローチャートである。 電力変換装置の概略構成図である。

以下、本発明の一実施形態に係る空気調和装置について図面を用いて説明する。図１は、本実施形態に係る空気調和装置１の概略構成を表す。空気調和装置１は、室外機２と室内機３と備えている。室外機２は、ガスエンジン１０と、圧縮機２０と、発電機３０と、冷媒配管２２と、室外熱交換器２４と、膨張弁２５と、四方切換弁２６と、アキュムレータ２７と、クラッチ２８と、室外ファン４０と、エンジン冷却ユニット６０と、空調コントローラ１００とを備える。室内機３は、室内熱交換器２３と、室内ファン５０とを備える。室内機３が設けられる部屋には、室内機リモコン７０が設けられる。

ガスエンジン１０は、ガス配管１１からガス燃料の供給を受けて駆動する。このガスエンジン１０は、出力軸１２を備え、出力軸１２からガスエンジン１０の駆動力が外部に取り出される。出力軸１２には、第１プーリ１３および第２プーリ１４が出力軸１２と同軸的に連結している。ガスエンジン１０は、スタータモータ８０によって始動するように構成される。

圧縮機２０は、同軸配置された第１入力軸２１１と第２入力軸２１２を備える。第２入力軸２１２が回転した場合に圧縮機２０が駆動される。第１入力軸２１１には第３プーリ２１３が同軸的に連結している。第１プーリ１３と第３プーリ２１３との間にベルトが巻かれている。したがって、ガスエンジン１０の出力軸１２の回転駆動力は、第１プーリ１３および第３プーリ２１３を介して第１入力軸２１１に伝達される。

第１入力軸２１１と第２入力軸２１２の途中にクラッチ２８が取付けられる。クラッチ２８は、例えば２枚のクラッチ板が対面配置されるように構成され、それぞれのクラッチ板が接触した接触状態と離間した離間状態とを採り得ることが可能に構成されていてもよい。クラッチ２８は、ガスエンジン１０と圧縮機２０との接続状態を、ガスエンジン１０の動力が圧縮機２０に伝達される伝達状態と伝達されない遮断状態とに切り替えることができるように作動する。クラッチ２８の作動は、空調コントローラ１００により制御される。

圧縮機２０は、吸入口２１ａおよび吐出口２１ｂを有する。圧縮機２０が駆動した場合、吸入口２１ａから冷媒配管２２中の低圧ガス冷媒を吸入し、吸入した低圧ガス冷媒を内部で圧縮するとともに、圧縮した高圧ガス冷媒を吐出口２１ｂから冷媒配管２２に吐出する。

室内熱交換器２３および室外熱交換器２４は、それぞれ冷媒配管２２内の冷媒を導入するとともに、導入した冷媒と周囲空気とを熱交換させる。図１からわかるように、室内熱交換器２３と室外熱交換器２４とをつなぐ冷媒配管２２の途中に膨張弁２５が介装される。膨張弁２５はそこを通る冷媒配管２２内の冷媒を膨張（低圧化）させる。

四方切換弁２６にはそれぞれ独立した２つの通路が内部に形成される。この四方切換弁２６は、暖房接続状態と冷房接続状態とを選択的に切り換えることができるように構成される。四方切換弁２６が暖房接続状態であるときは、圧縮機２０の吐出口２１ｂと室内熱交換器２３とが四方切換弁２６に形成された一方の通路で連通され、圧縮機２０の吸入口２１ａと室外熱交換器２４とが四方切換弁２６に形成された他方の通路で連通される。一方、四方切換弁２６が冷房接続状態であるときは、圧縮機２０の吐出口２１ｂと室外熱交換器２４とが四方切換弁２６に形成された一方の通路で連通され、圧縮機２０の吸入口２１ａと室内熱交換器２３とが四方切換弁２６に形成された他方の通路で連通される。暖房運転時に四方切換弁２６は暖房接続状態とされ、冷房運転時に四方切換弁２６は冷房接続状態とされる。

次に、この空気調和装置１の空調運転（暖房運転、冷房運転）について簡単に説明する。まず、暖房運転について説明する。圧縮機２０がガスエンジン１０により駆動されると、吸入口２１ａから低圧ガス冷媒が圧縮機２０に吸入されるとともに吸入された低圧ガス冷媒が圧縮される。そして圧縮された高圧ガス冷媒が吐出口２１ｂから吐出される。吐出口２１ｂから吐出された高圧ガス冷媒は四方切換弁２６を経由して室内熱交換器２３に導入される。室内熱交換器２３に導入された高圧ガス冷媒は室内熱交換器２３内を流通する間に室内空気に熱を吐き出して凝縮する。このとき高圧ガス冷媒から吐き出された熱によって室内空気が暖められて、室内暖房される。

室内空気に熱を吐き出して凝縮した冷媒は一部液化して室内熱交換器２３から排出される。そして、膨張弁２５で膨張することにより蒸発しやすいように低圧化された後に室外熱交換器２４に導入される。室外熱交換器２４に導入された冷媒は室外熱交換器２４内を流通する間に外気の熱を奪って蒸発する。

外気の熱を奪って蒸発した冷媒は一部気化して室外熱交換器２４から排出され、四方切換弁２６を経由してアキュムレータ２７に供給される。アキュムレータ２７では冷媒が液冷媒と低圧のガス冷媒とに分離される。そして、低圧ガス冷媒のみが圧縮機２０の吸入口２１ａから圧縮機２０に帰還する。

次に、冷房運転について説明する。圧縮機２０がガスエンジン１０により駆動されると、圧縮機２０の吐出口２１ｂから高圧ガス冷媒が吐出される。吐出口２１ｂから吐出された高圧ガス冷媒は四方切換弁２６を経由して室外熱交換器２４に導入される。室外熱交換器２４に導入された高圧ガス冷媒は室外熱交換器２４内を流通する間に外気に熱を吐き出して凝縮する。

外気に熱を吐き出して凝縮した冷媒は一部液化して室外熱交換器２４から排出される。そして、膨張弁２５で膨張することにより蒸発しやすいように低圧化された後に室内熱交換器２３に導入される。室内熱交換器２３に導入された冷媒は室内熱交換器２３内を流通する間に室内空気の熱を奪って蒸発する。このとき冷媒が室内空気の熱を奪うことによって室内空気が冷やされて、室内冷房される。

室内空気の熱を奪って蒸発した冷媒は一部気化して室内熱交換器２３から排出され、四方切換弁２６を経由してアキュムレータ２７に供給される。そして、低圧ガス冷媒のみが圧縮機２０の吸入口２１ａから圧縮機２０に帰還する。

室内ファン５０は、室内熱交換器２３に送風することによって室内熱交換器２３内を流れる冷媒と室内空気との間の熱交換を促進させる。室外ファン４０は室外熱交換器２４に送風することによって室外熱交換器２４内を流れる冷媒と外気との間の熱交換を促進させる。なお、室外ファン４０は後述するラジエータ６１にも送風する。

発電機３０は入力軸３１を有する。入力軸３１には第４プーリ３２が同軸的に連結している。第２プーリ１４と第４プーリ３２との間にベルトが巻き付けられる。したがって、ガスエンジン１０の出力軸１２の回転は、第２プーリ１４および第４プーリ３２を介して発電機３０の入力軸３１に伝達される。入力軸３１が回転駆動することにより、発電機３０で発電される。

エンジン冷却ユニット６０は、ラジエータ６１、冷却水ポンプ６２および冷却水配管６３を備える。冷却水ポンプ６２は冷却水配管６３の途中に介装される。冷却水ポンプ６２が駆動することによって冷却水配管６３内を冷却水が流れる。冷却水配管６３は、内部の冷却水がガスエンジン１０を冷却することができるようにガスエンジン１０に接続される。また、冷却水配管６３は、ラジエータ６１内を流れることができるようにラジエータ６１にも接続される。このラジエータ６１は、図１からわかるように室外ファン４０に対面して配置される。したがって、室外ファン４０はラジエータ６１にも送風する。室外ファン４０が駆動してラジエータ６１に送風されることで、ラジエータ６１内を流れる冷却水が冷却される。

室内機リモコン７０は、空気調和装置１の運転の開始および停止の指示や、空調条件等の設定を行うことができるように構成される。そして、設定された条件が空調コントローラ１００に受信できるように、室内機リモコン７０が空調コントローラ１００と通信可能に構成される。空調コントローラ１００は、室内機リモコン７０で設定された条件や、室外機２に備えられている各種センサからの情報に基づいて室外機２の作動を制御する。また、室内機リモコン７０は、室内ファン５０の作動を制御する。

空気調和装置１の運転を開始させる場合、ユーザが室内機リモコン７０の起動スイッチを押圧操作（オン操作）して、空調起動信号を空調コントローラ１００に送信する。これにより、空調コントローラ１００はスタータモータ８０を駆動する。空調コントローラ１００は、スタータモータ８０の駆動回路（図示略）を内蔵しており、この駆動回路からスタータモータ８０に駆動電力を供給する。スタータモータ８０の駆動によってガスエンジン１０が始動する。ガスエンジン１０が一旦始動すれば、その後はガス燃料の供給によりガスエンジン１０の駆動が継続されるため、空調コントローラ１００は、スタータモータ８０の作動を停止させる。また、空調コントローラ１００は、ガスエンジン１０が始動された後に、ガスエンジン１０と圧縮機２０との接続状態が伝達状態となるようにクラッチ２８を作動させる。これによりガスエンジン１０に動力伝達可能に連結された圧縮機２０が駆動される。圧縮機２０が駆動することによって、冷媒配管２２中を冷媒が循環して空調運転が開始される。また、ガスエンジン１０が始動されると、ガスエンジン１０に動力伝達可能に連結された発電機３０も作動して発電を開始する。空調コントローラ１００は、空調負荷に応じてガスエンジン１０の回転数を制御する。

次に、空気調和装置１の電力供給系統について説明する。空気調和装置１の室外機２は、商用電源から供給される交流電力だけでなく、発電機３０によって発電された電力によっても作動することができるように構成されている。従って、商用電源からの電力供給の有無にかかわらず、発電電力により室外機２の動作を継続することができる。また、発電電力を室内機３に設けられた電気機器（例えば、室内ファン５０、以下、室内機負荷Ｌ１と呼ぶ）や、空気調和装置１以外の電気機器（以下、ユーザ負荷Ｌ２と呼ぶ）にも供給できるように外部電力出力機能を有する。以下、室内機負荷Ｌ１とユーザ負荷Ｌ２とをあわせて外部負荷Ｌと呼ぶ。

また、空気調和装置１においては、クラッチ２８の接続状態を伝達状態と遮断状態とに切り替えることにより、自立空調モードと自立発電モードとに切り替えることができる。自立空調モードにおいては、クラッチ２８が伝達状態に維持され、空調動作を行いながら、室外機２内の電気機器および外部負荷Ｌに発電電力を供給する。従って、商用電源からの電力供給が停止した場合でも空気調和装置１を自立運転させることができる。また、自立発電モードにおいては、クラッチ２８が遮断状態に維持され、発電機３０のみがガスエンジン１０により駆動される。従って、空調動作を停止させた状態で、大きな電力を外部負荷Ｌに供給することができる。

図２は、空気調和装置１の電力供給系統を概略的に表した図である。室外機２は、商用電力入力部１１０と、電力変換装置１２０と、交流系統切替スイッチ１１１と、充電器１１２と、バッテリ１１３と、商用系統コンバータ１１４と、自立電力外部出力部１１６を備えている。

商用電力入力部１１０は、商用電源５から供給された交流電力（商用電力と呼ぶ）を室外機２に取り込む受電盤であって、受電した商用電力を交流系統切替スイッチ１１１と商用系統コンバータ１１４とに供給する。

電力変換装置１２０は、発電機３０の発電した電力を入力し、入力した発電電力を商用電源５の電圧波形と同じ波形の交流電力に変換する。電力変換装置１２０は、図３に示すように、コンバータ１３０と、インバータ１４０と、平滑用コンデンサ１５０と、放電回路１６０と、フィルタ回路１７０とを備えている。各回路は、従来技術について説明したもの（図５）と同一であるため、図面に図５のものと同一の符号を付して説明を省略する。尚、放電用抵抗素子１６１については、従来例のものに比べて小さな容量となっている。

コンバータ１３０は、発電機３０の出力する発電電力を直流に変換してインバータ１４０に供給するとともに、室外ファンモータユニット４１およびポンプモータユニット６５に供給する。コンバータ１３０によって変換された直流電力を自立直流電力と呼ぶ。インバータ１４０は、自立直流電力を入力して商用電源５と同じ電圧波形となる交流電力に変換する。電力変換装置１２０によって変換された交流電力を自立電力と呼ぶ。

交流系統切替スイッチ１１１は、２入力１出力形式の切替スイッチで、商用電源５から供給される商用電力と、電力変換装置１２０から出力される自立電力とを入力し、何れか一方の電力を選択して充電器１１２に出力する。この交流系統切替スイッチ１１１は、商用電力を優先使用し商用電力の供給が停電したときに自動的に自立電力に切り替わるスイッチであってもよいし、あるいは、自立電力を優先使用し自立電力の供給が停電したときに自動的に商用電力に切り替わるスイッチであってもよい。また、オペレータが手動で商用電力と自立電力とを切り替えるものでもよい。

充電器１１２は、入力した交流電力を使ってバッテリ１１３を充電する。バッテリ１１３は、空調コントローラ１００に直流電力を供給する。空調コントローラ１００は、図示しないマイコン、入出力インターフェース、電源回路、駆動回路等を主要部として備えており、バッテリ１１３から電源回路に電力供給を受ける。空調コントローラ１００は、このバッテリ１１３の出力電力を使って、スタータモータ８０、電磁弁２６（四方切換弁２６等）、クラッチ２８を作動させる。従って、室外機２は、バッテリ１１３の電力によってガスエンジン１０を起動させて空調運転および発電を開始できるようになっている。

商用系統コンバータ１１４は、交流の商用電力を直流に変換する整流回路で、例えば、ダイオードブリッジ回路にて構成される。商用系統コンバータ１１４は、商用電力が電圧変動の少ない安定した交流電力であるため、常に一定電圧となる直流電力を出力することができる。商用系統コンバータ１１４の出力する直流電力を商用直流電力と呼ぶ。商用直流電力の電圧値は、コンバータ１３０の出力する自立直流電力の電圧値よりも低く設定されている。商用系統コンバータ１１４の出力する商用直流電力と、コンバータ１３０の出力する自立直流電力とは、共通の電力ライン１１５を介して室外機２の電気機器である室外ファンモータユニット４１およびポンプモータユニット６５に供給される。この場合、商用直流電力の電圧値が自立直流電力の電圧値よりも低くなるように設定されているため、コンバータ１３０が自立直流電力を出力している場合には、自動的に自立直流電力が室外ファンモータユニット４１およびポンプモータユニット６５に供給される。一方、コンバータ１３０が自立直流電力を出力していない場合には、自動的に商用直流電力が室外ファンモータユニット４１およびポンプモータユニット６５に供給される。

室外ファンモータユニット４１は、図３に示すように、室外ファン４０を駆動するファンモータ４２と、ファンモータ４２に交流電力を供給するモータドライバであるインバータ回路４３とを備えている。インバータ回路４３は、ＭＯＳ−ＦＥＴやＩＧＢＴなどの半導体スイッチング素子Ｓ１１〜Ｓ１６をブリッジ接続した３相ブリッジ回路である。ファンモータ４２には、回転数センサ４４が設けられている。回転数センサ４４は、ファンモータ４２の回転数Ｎｆ（室外ファン４０の回転数に相当する）を表す検出信号を空調コントローラ１００に出力する。空調コントローラ１００は、回転数センサ４４により検出されたモータ回転数Ｎｆが、空調負荷に応じて設定された目標モータ回転数Ｎｆ*に追従するようにインバータ回路４３の各スイッチング素子Ｓ１１〜Ｓ１６のデューティ比を制御する。尚、図３は、インバータ回路４３から自立直流電力が室外ファンモータユニット４１およびポンプモータユニット６５に供給される場合の回路を表している。

ポンプモータユニット６５は、図３に示すように、冷却水ポンプ６２を駆動するポンプモータ６６と、ポンプモータ６６に交流電力を供給するモータドライバであるインバータ回路６７とを備えている。インバータ回路６７は、ＭＯＳ−ＦＥＴやＩＧＢＴなどの半導体スイッチング素子Ｓ２１〜Ｓ２６をブリッジ接続した３相ブリッジ回路である。ポンプモータ６６には、回転数センサ６８が設けられている。回転数センサ６８は、ポンプモータ６６の回転数Ｎｐを表す検出信号を空調コントローラ１００に出力する。空調コントローラ１００は、回転数センサ６８により検出されたモータ回転数Ｎｐが、空調負荷に応じて設定された目標モータ回転数Ｎｐ*に追従するようにインバータ回路６７の各スイッチング素子Ｓ２１〜Ｓ２６のデューティ比を制御する。

自立電力外部出力部１１６は、電力変換装置１２０の出力する自立電力を入力し自立電力を室外機２の外部へ供給するための電力出力盤、あるいは、電力出力端子である。室外機２の外部には、配電盤２００が設けられる。この配電盤２００には、自立切替スイッチ２１０が設けられる。自立切替スイッチ２１０は、２入力１出力形式の切替スイッチで、一方の入力端子が商用電源５に接続され、他方の入力端子が自立電力外部出力部１１６に接続される。従って、自立切替スイッチ２１０は、商用電源５から供給される商用電力と、電力変換装置１２０から出力される自立電力とを入力し、何れか一方の電力を選択して出力する。

配電盤２００は、自立切替スイッチ２１０の出力に接続される室内機負荷ライン接続用端子２２１とユーザ負荷ライン接続用端子２２２とを備えている。従って、自立切替スイッチ２１０で選択された電力を外部負荷Ｌである室内機負荷Ｌ１およびユーザ負荷Ｌ２に供給できるようになっている。この自立切替スイッチ２１０は、商用電力を優先使用し商用電力の供給が停止したとき（停電時）に自動的に自立電力に切り替わるスイッチであってもよいし、あるいは、自立電力を優先使用し自立電力の供給が停止したときに自動的に商用電力に切り替わるスイッチであってもよい。また、オペレータが手動で商用電力と自立電力とを切り替えるものでもよい。

このように室外機２で自立電力を発電するように構成したシステムにおいては、空気調和装置１内の電気機器だけでなく、家庭、オフィス、工場等で使用される複数の電気機器（ユーザ負荷Ｌ２）の電源として自立電力を利用できる。このため、発電機３０の出力容量の増大が図られる。ユーザ負荷Ｌ２は、ユーザが任意に使用する電気機器であるため、その電力負荷の変動が大きい。従って、ユーザ負荷Ｌ２の作動が急に停止された場合のように、電力変換装置１２０の電力負荷が急激に低下すると、コンバータコントローラ１３２の制御応答遅れによって、供給電力を瞬時に下げることができず、余剰電力によってコンデンサ１５０が充電されて直流中間電圧が過剰に上昇するおそれがある。このとき、コンバータコントローラ１３２は、放電用スイッチング素子１６２をオンして放電用抵抗素子１６１にて余剰電力を消費させるが、大きな余剰電力に対応するためには。放電用抵抗素子１６１を大容量にする必要があり、上述した問題が生じる。

そこで、本実施形態においては、空調コントローラ１００が室外ファンモータユニット４１の回転数制御の態様を変更することにより直流中間電圧の上昇を抑制する。図４は、空調コントローラ１００に実行するファンモータ制御ルーチンを表す。ファンモータ制御ルーチンは、室外機２によって自立電力が外部に供給されている期間において、空調コントローラ１００に設けられたマイコンにより所定の短い演算周期にて実施される。この場合、電力変換装置１２０が作動中であって、コンバータ１３１回路から室外ファンモータユニット４１およびポンプモータユニット６５に自立直流電力が供給される状態となっている。

本ルーチンが起動すると、空調コントローラ１００は、ステップＳ１０１において、直流電圧センサ１３６により検出される直流中間電圧Ｖdcを読み込む。続いて、ステップＳ１０２において、フラグＦが「０」であるか否かを判断する。このフラグＦは、直流中間電圧の上昇を抑制する回転数増加モードの実行中であるか否かを表すフラグであり、Ｆ＝１により回転数増加モードを表し、Ｆ＝０により通常モードを表す。フラグＦは、本ルーチンの起動時においては、「０」に設定されている。従って、空調コントローラ１００は、その処理をステップＳ１０３に進める。

空調コントローラ１００は、ステップＳ１０３において、直流中間電圧Ｖdcが直流中間電圧の過剰上昇を判定する第１判定閾値Ｖref1よりも大きいか否かを判断する。空調コントローラ１００は、直流中間電圧Ｖdcが第１判定閾値Ｖref1以下であると判定した場合には（Ｓ１０３：Ｎｏ）、ステップＳ１０６において、回転数センサ４４により検出されたモータ回転数Ｎｆ（実モータ回転数Ｎｆと呼ぶ）を読み込む。続いて、ステップＳ１０７において、空調負荷に応じて設定される目標モータ回転数Ｎｆ*と実モータ回転数Ｎｆとの偏差ΔＮｆ（Ｎｆ*−Ｎｆ）を演算し、ステップＳ１０８において、偏差ΔＮｆに基づいて偏差ΔＮｆをゼロに近づけるフィードバック制御（例えば、ＰＩ演算やＰＩＤ演算）によりファンモータ指令電圧Ｖｆ*を演算する。続いて、空調コントローラ１００は、ステップＳ１０９において、ＰＷＭ制御によりファンモータ指令電圧Ｖｆ*に対応したゲート信号をインバータ回路４３のスイッチング素子Ｓ１１〜Ｓ１６に出力する。これにより、実モータ回転数Ｎｆが目標モータ回転数Ｎｆ*に追従するようにファンモータ４２に供給される電圧が制御される。

空調コントローラ１００は、ステップＳ１０９の処理を実行すると本ルーチンを一旦終了する。そして、所定の短い演算周期にて本ルーチンを繰り返す。こうした処理を繰り返しているうちに、ユーザ負荷Ｌ２の作動が急に停止された場合のように、電力変換装置１２０の電力負荷が急激に低下すると、コンバータコントローラ１３２の制御応答遅れによって、余剰電力が発生してコンデンサ１５０が充電されて直流中間電圧が急上昇する。これにより、直流中間電圧Ｖdcが第１判定閾値Ｖref1を超過すると、空調コントローラ１００は、ステップＳ１０３において、「Ｙｅｓ」と判定して、その処理をステップＳ１０４に進める。空調コントローラ１００は、ステップＳ１０４において、フラグＦを「１」に設定する。続いて、空調コントローラ１００は、ステップＳ１０５において、空調負荷に応じて設定される目標モータ回転数Ｎｆ*を増加補正する。この場合、空調負荷に応じて設定される目標モータ回転数Ｎｆ*に増加係数α（＞１）を乗算した値を新たな目標モータ回転数Ｎｆ*に設定する（Ｎｆ*←Ｎｆ*×α）。従って、通常モードに比べて高い目標モータ回転数Ｎｆ*が設定されることになる。そして、空調コントローラ１００は、その処理をステップＳ１０６に進める。これにより、増加補正された目標モータ回転数Ｎｆ*に基づく回転数フィードバック制御によりファンモータ指令電圧Ｖｆ*が設定される。従って、ファンモータ４２への電力供給量が増加する。こうして、電力変換装置１２０に発生した余剰電力を、ファンモータ４２の電力供給量増加により低減することができる。これにより、直流中間電圧の上昇を抑制することができる。

空調コントローラ１００は、所定の演算周期にて本ルーチンを繰り返す。この場合、フラグＦが「１」に設定されているため、空調コントローラ１００は、ステップＳ１０２において、「Ｎｏ」と判定し、その処理をステップＳ１１０に進める。空調コントローラ１００は、ステップＳ１１０において、直流中間電圧Ｖdcが第２判定閾値Ｖref2よりも小さいか否かを判断する。この第２判定閾値Ｖref2は、制御のハンチングを防止するために設けたもので、第１判定閾値Ｖref1よりも小さな値に設定されている。空調コントローラ１００は、直流中間電圧Ｖdcが第２判定閾値Ｖref2以上である場合には、その処理をステップＳ１０５に進める。従って、増加補正された目標モータ回転数Ｎｆ*に基づく回転数フィードバック制御が継続される。

こうした処理が繰り返されて、直流中間電圧Ｖdcが第２判定閾値Ｖref2よりも小さくなると（Ｓ１１０：Ｙｅｓ）、空調コントローラ１００は、ステップＳ１１１において、フラグＦを「０」に戻す。そして、その処理をステップＳ１０６に進める。従って、ステップＳ１０５の処理がスキップされるため、目標モータ回転数Ｎｆ*の増加補正が行われず、通常の目標モータ回転数Ｎｆ*に基づく回転数フィードバック制御によりファンモータ指令電圧Ｖｆ*が設定される。

以上説明した本実施形態の空気調和装置１によれば、自立電力を外部負荷Ｌに供給しているときに、その電力負荷（電力使用量）が急激に減少して直流中間電圧が上昇した場合には、ファンモータ４２の制御量を増加補正するため、電力変換装置２０で発生した余剰電力をファンモータ４２で消費させることができる。しかも、ファンモータ４２は、コンバータ回路１３１から自立直流電力が供給される負荷であるため、効率よく余剰電力を消費することができる。これにより、直流中間電圧の上昇を良好に抑制することができ、放電回路１６０の放電用抵抗素子１６１の容量を大きくしなくてすむ。この結果、放電用抵抗素子１６１の設置スペースを小さくし、基板の小型化を図ることができる。

また、直流中間電圧の上昇を抑制するにあたっては、ファンモータ４２の目標制御量を一時的に増加補正するだけで実施することができるため、大幅なコストアップを招くことなく簡単に実施することができる。

以上、本実施形態に係る空気調和装置１について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。

例えば、本実施形態においては、直流中間電圧の上昇が検出されたときにファンモータ４２の目標制御量を増加させているが、それに加えて、あるいは、それに代えて、室外機２に設けられたポンプモータユニット６５のポンプモータ６６の目標制御量（目標モータ回転数Ｎｐ*）を増加させるようにしてもよい。また、直流中間電圧の上昇が検出されたときに目標制御量を補正する対象は、ファンモータ４２やポンプモータ６６に限るものではない。

また、本実施形態においては、直流中間電圧の過剰上昇を抑制するために、ステップＳ１０５において、目標制御量に所定の増加係数αを乗算しているが、それに代えて、例えば、目標制御量を通常値よりも一定量だけ増加させるようにしてもよい。また、目標制御量を、予め設定した直流中間電圧上昇防止用固定値（例えば、最大値）に設定するようにしてもよい。また、目標制御量の増加補正は、モータの目標回転数を増加させるものに限らず、最終的なモータ指令電圧を増加補正するようにしてもよい。

また、本実施形態においては、ガスエンジン２０にて圧縮機２０および発電機３０を駆動するが、エンジンの形式はガス燃料の供給を受けるものに限るものではなく、ガソリン等の液体燃料の供給を受けるものであってもよい。

１…空気調和装置、２…室外機、３…室内機、５…商用電源、１０…ガスエンジン、２０…圧縮機、３０…発電機、４０…室外ファン、４１…室外ファンモータユニット、４２…ファンモータ、４３…インバータ回路、４４…回転数センサ、５０…室内ファン、６５…ポンプモータユニット、６６…ポンプモータ、６７…インバータ回路、６８…回転数センサ、７０…室内機リモコン、１００…空調コントローラ、１１０…商用電力入力部、１１１…交流系統切替スイッチ、１１２…充電器、１１３…バッテリ、１１４…商用系統コンバータ、１１６…自立電力外部出力部、１２０…電力変換装置、１３０…コンバータ、１３１…コンバータ回路、１３２…コンバータコントローラ、１３３，１３４…直流ライン、１３６…直流電圧センサ、１４０…インバータ、１４１…インバータ回路、１４２…インバータコントローラ、１５０…平滑用コンデンサ、１６０…放電回路、１６１…放電用抵抗素子、１６２…放電用スイッチング素子、２００…配電盤、２１０…自立切替スイッチ、Ｌ…外部負荷、Ｌ１…室内機負荷、Ｌ２…ユーザ負荷。

Claims (2)

1. エンジンの動力によって圧縮機を駆動して冷媒を循環させる室外機と、前記室外機から送られた冷媒により室内を空調する室内機とを備えた空気調和装置において、
   前記エンジンの動力によって発電する発電機と、
   前記発電機の出力する交流電力を入力して、設定電圧に制御した直流電力に変換する直流電力変換部と、
   前記直流電力変換部から出力された直流電力を入力して交流電力に変換し、その変換した交流電力を前記室外機の外部の電気負荷である外部負荷に出力する交流電力変換部と、
   前記室外機内に設けられて前記直流電力変換部の出力する直流電力を入力して作動し目標制御量に従って制御される室外機内機器と、
   前記直流電力変換部の出力電圧である直流中間電圧を検出する直流中間電圧検出部と、
   前記直流中間電圧検出部により検出された直流中間電圧が予め設定した過電圧防止閾値を超えたときに、前記室外機内機器の目標制御量を増加させることにより前記直流中間電圧の上昇を抑制する直流中間電圧上昇抑制手段と
   を備えたことを特徴とする空気調和装置。
2. 前記室外機内機器は、熱交換用ファンを駆動するファンモータであり、前記直流中間電圧上昇抑制手段は、前記ファンモータの目標制御量を増加させることを特徴とする請求項１記載の空気調和装置。

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