JP2020180749A - 空気調和機 - Google Patents

Abstract

【課題】制御回路である制御部３０を非絶縁回路構成としながらも、サーミスタＴｈに対して機械的絶縁対策を必要としない空気調和機を提供する【解決手段】空気調和機の回路において、マイコンからなる制御部３０がスイッチング電源回路１０に対して非絶縁回路構成とされている。この回路は、サーミスタＴｈを含む温度検出回路４０を備えている。温度検出回路４０は、スイッチング電源回路１０および制御部３０とは電気的に絶縁された構成であり、サーミスタＴｈの検知温度はフォトカプラを用いた伝達回路４１にて電気的絶縁を確保しながら制御部３０に入力される。【選択図】図１

Description

本発明は、制御部が非絶縁回路構成とされている空気調和機に関する。

空気調和機における回路（室内機側回路もしくは室外機側回路）は、通常、図５に示すように、商業電源（ＡＣ電圧）を整流および平滑化してＤＣ電圧を発生させ、その後段にスイッチング電源回路１０と、駆動部２０と、制御部３０とを含んだ構成とされている。駆動部２０は、ファンモータなどの負荷２１とこれを駆動するための駆動回路２２とを含んでいる。制御部３０は、マイクロコンピュータ（以下、マイコン）により構成されている。

駆動回路２２および制御部３０では、スイッチング電源回路１０を１次側電源とし、この１次側電源にスイッチングトランス１１を介して接続された２次側電源によって電源電圧（例えば、制御部３０では５Ｖ、駆動回路２２では１５Ｖ）が得られるようになっている。

ここで、図５に示す回路は、従来一般的であった絶縁回路構成を示すものである。絶縁回路構成においては、駆動部２０はスイッチング電源回路１０と共通の大地アースを有しているが、制御部３０はこれらとは共通のアースを有しておらずスイッチングトランス１１により電気的に絶縁されている。このような絶縁回路構成の通信については、制御部３０と駆動回路２２との間は、フォトカプラＰｃを介して通信が行われることで電気的絶縁が確保されている。

空気調和機においては、冷凍サイクル中の要所にサーミスタＴｈが設けられており、制御部３０はこれらのサーミスタＴｈの出力に応じて検知温度を求めることができる。例えば、サーミスタＴｈは抵抗Ｒ１と直列接続されており、サーミスタＴｈと抵抗Ｒ１との間の電圧（サーミスタ分圧）が制御部３０に入力される。サーミスタ分圧はそのときの温度に応じてリニアに変化（アナログ変化）するものであり、制御部３０は入力されたサーミスタ分圧の電圧値からサーミスタＴｈの検知温度を求めることができる。このとき、サーミスタＴｈは、制御部３０に配線接続されており、制御部３０と同じ電源電圧で作動する。制御部３０は、サーミスタＴｈの検知温度に基づいてファンモータ、圧縮機および膨張弁などの駆動制御を行う。

近年では、非絶縁回路構成の空気調和機も提案されている（例えば、特許文献１）。非絶縁回路構成の空気調和機では、図６に示すように、駆動回路２２およびスイッチング電源回路１０のみならず、制御部３０も共通の大地アースに接続されている。空気調和機を非絶縁回路構成とした場合には、制御部３０と駆動回路２２との間のフォトカプラＰｃを廃止し、制御部３０と駆動回路２２とを直接配線接続することが可能となる。これにより、駆動回路２２と制御部３０間の信号（ＤＣ電圧）を制御部３０へ直接入力（分圧）することができ、制御部３０が上記信号をリニアに検出することができるようになるため、駆動回路２２による駆動制御動作（モータ制御など）をより細かく行えるといったメリットがある。

特開２０１２−１７９１４号公報

しかしながら、非絶縁回路構成の空気調和機では、絶縁回路構成に比べてサーミスタＴｈにおける絶縁対策を強化しなければならない。絶縁回路構成の場合は、制御部３０自体がスイッチング電源回路１０に対して電気的に絶縁されているため、制御部３０に配線接続されたサーミスタＴｈもスイッチング電源回路１０に対して電気的に絶縁されている。これに対して、非絶縁回路構成の場合は、制御部３０自体がスイッチング電源回路１０に対して電気的に絶縁されておらず、そのため、サーミスタＴｈもスイッチング電源回路１０に対して電気的に絶縁されない。

空気調和機における各サーミスタＴｈは、温度を検知しようとする配管（銅管など）に接触させて用いられるが、このとき、サーミスタＴｈに繋がる配線（以下、サーミスタ配線）も配管に接触せざるを得ない。また、配管は、圧縮機からの漏洩電流や他の絶縁不良が生じた際に感電を防止するために絶縁工事を行い、必ず大地アースへ接続するようになっている。

図７（ａ）は、従来の絶縁回路構成における、サーミスタＴｈの配管への取り付け構造を示す概略図である。サーミスタＴｈは配管に溶着された銅管へ挿入し固定されるが、サーミスタ配線を引っ張ると銅管から抜けてしまうことがあるため、サーミスタ配線は配管に対して結束バンドなどで結束しサーミスタ配線が抜けないようにしている。図７（ａ）に示す構造では、サーミスタ配線を配管に対して結束するときに、サーミスタ配線の被覆が破れ、サーミスタ配線の芯線と配管とが接触する場合がある。このとき、スイッチング電源回路１０に対してサーミスタＴｈが電気的に絶縁されている絶縁回路構成の空気調和機では、サーミスタ配線の芯線と配管とが接触しても特に問題はない。しかしながら、非絶縁回路構成の空気調和機では、サーミスタ配線の芯線と配管とが接触し、サーミスタＴｈと大地アースとの間の絶縁不良が発生すると、回路破壊に至る恐れもある。

したがって、非絶縁回路構成の空気調和機では、サーミスタＴｈと大地アースとの間の絶縁をより確実にするための機械的絶縁対策が取られている。具体的には、図７（ｂ）に示すように、サーミスタ配線を絶縁チューブに通し、この絶縁チューブの上から結束することで、より確実な絶縁対策とされている。しかしながら、このような機械的絶縁対策では、絶縁チューブの追加によって材料コストが上がったり、サーミスタＴｈの取り付け工程が煩雑化したりするといった問題がある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、マイコンである制御部を非絶縁回路構成としながらも、サーミスタに対して機械的絶縁対策を必要としない空気調和機を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明は、制御部が非絶縁回路構成とされている空気調和機であって、サーミスタを含む温度検出回路を備えており、前記温度検出回路は、１次側電源および前記制御部とは電気的に絶縁された構成であり、前記サーミスタの検知温度はフォトカプラを用いた伝達回路にて電気的絶縁を確保しながら制御部に入力されることを特徴としている。

上記の構成によれば、制御部を非絶縁回路構成とすることのメリット（より細かい駆動制御が行える）を得ながらも、温度検出回路は１次側電源および制御部とは電気的に絶縁されているため、サーミスタにおける機械的絶縁対策が不要となる。これにより、コストの低減を図ることができる。

また、上記空気調和機では、前記伝達回路は、前記サーミスタの出力と比較電圧とを入力とし、これらの入力の大小関係によって出力のハイ（Ｈ）／ロー（Ｌ）が切り替わる比較器と、前記制御部から出力される比較信号を取り込む第１フォトカプラと、前記第１フォトカプラを通して入力された前記比較信号をＤ／Ａ変換して前記比較電圧とし、前記比較電圧を前記比較器に入力するＤ／Ａ変換部と、前記比較器の出力を前記制御部に伝達する第２フォトカプラとを備えており、前記比較信号は、時間の経過につれてデューティー比が徐々に増加もしくは減少するものであると共に、比較温度に対応づけられてデューティー比が設定されており、前記制御部は、前記第２フォトカプラを介して入力される前記比較器の出力のハイ（Ｈ）／ロー（Ｌ）が切り替わった時点で出力していた前記比較信号に対応する前記比較温度を前記サーミスタの検知温度であると判定する構成とすることができる。

上記の構成によれば、制御部から出力される比較信号を、対応する比較温度が所定の温度間隔で増加するように細かく変化するものとすれば、このような温度検出回路を用いることにより、サーミスタの検知温度を制御部に対してリニアに伝えることが可能となる。

本発明の空気調和機は、１次側電源および制御部とは電気的に絶縁された温度検出回路を備えたことで、制御部を非絶縁回路構成としながらも、サーミスタにおける機械的絶縁対策が不要となり、コストの低減を図ることができ、同時にサーミスタの温度をリニアに検出し制御できるといった効果を奏する。

実施の形態１に係る空気調和機における回路を示す図である。 図１の回路における温度検出回路の具体例を示す回路図である。 図２の温度検出回路における温度情報の伝達方法を説明する図である。 空気調和機の室内機において本発明を適用した場合の構成を示す概略図である。 空気調和機における回路の従来例を示す図であり、絶縁回路構成の空気調和機を示す図である。 空気調和機における回路の従来例を示す図であり、非絶縁回路構成の空気調和機を示す図である。 サーミスタＴｈの配管への取り付け構造を示す概略図であり、（ａ）は絶縁回路構成の場合、（ｂ）は非絶縁回路構成の場合を示す。

〔実施の形態１〕
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。図１は、本実施の形態１に係る空気調和機における回路を示す図である。図１に示す回路は図６に示す回路に変更を加えたものであり、図６と実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

図１に示す空気調和機の回路では、制御部３０および駆動回路２２は、スイッチング電源回路１０と共通の大地アースを有している。すなわち、本実施の形態１に係る空気調和機では、制御部３０が非絶縁回路構成とされていることが前提となっている。

一方、図１に示す回路では、サーミスタＴｈは制御部３０に配線接続されておらず、サーミスタＴｈを含む温度検出回路４０が、制御部３０や駆動回路２２とは別系統に設けられている。具体的には、温度検出回路４０は、スイッチングトランスの２次側電源によって電源電圧（例えば、５Ｖ）が得られるようになっており、かつ、スイッチング電源回路１０や制御部３０とは共通のアースを有しておらず、これらとは電気的に絶縁されている。

本実施の形態１に係る空気調和機では、温度検出回路４０と制御部３０とを電気的に絶縁するために、サーミスタＴｈと制御部３０とを配線接続することはできない。したがって、サーミスタＴｈによる検知温度は、フォトカプラを用いた伝達回路４１にて電気的絶縁を確保しつつ制御部３０に入力される必要がある。しかしながら、フォトカプラで伝達される信号はデジタルパルス信号となるため、単純にフォトカプラを用いるのみでは、制御部３０に対してサーミスタＴｈの検知温度をリニアに伝えることができない。

これに対し、本実施の形態１に係る空気調和機は、温度検出回路４０におけるサーミスタＴｈの検知温度を、フォトカプラを用いながらも制御部３０に温度情報をリニアに伝達することを可能としている。以下、この特徴について詳細に説明する。

図２は、温度検出回路４０の具体的な構成を示す回路図である。図２に示す温度検出回路４０は、サーミスタＴｈ、コンパレータ（比較器）Ｃｐ、コンデンサＣｄ、第１フォトカプラＰｃ１、第２フォトカプラＰｃ２および抵抗Ｒ１〜Ｒ５を具備して構成されている。尚、図２の構成では、コンパレータＣｐ、コンデンサＣｄ、第１フォトカプラＰｃ１、第２フォトカプラＰｃ２および抵抗Ｒ２〜Ｒ４が、図１に記載の伝達回路４１に相当する。

サーミスタＴｈは、電源ラインＬ１において抵抗Ｒ１と直列に接続されており、サーミスタＴｈと抵抗Ｒ１との間の分圧（サーミスタ分圧）がサーミスタＴｈの出力としてコンパレータＣｐの第１入力端子（ここでは＋側端子）に入力される。コンパレータＣｐの出力端子は、抵抗Ｒ２を介して第２フォトカプラＰｃ２の入力側に接続されており、第２フォトカプラＰｃ２はコンパレータＣｐの出力を制御部３０に伝達する。

コンパレータＣｐの第２入力端子（ここでは−側端子）には、サーミスタ分圧と比較するための比較電圧が入力される。この比較電圧は、制御部３０から出力される比較信号（デジタルパルス信号）をＤ／Ａ変換することで得られるものである。すなわち、制御部３０から出力される比較信号は、デジタルパルス信号のままで温度検出回路４０の第１フォトカプラＰｃ１に入力される。すなわち、第１フォトカプラＰｃ１は、制御部３０との電気的絶縁を確保しながら、比較信号を温度検出回路４０に取り込むものである。第１フォトカプラＰｃ１を通して入力された比較信号は、Ｄ／Ａ変換部であるコンデンサＣｄおよび抵抗Ｒ３によってＤ／Ａ変換されて比較電圧（アナログ信号）とされ、この比較電圧がコンパレータＣｐの第２入力端子に入力される。

続いて、上記構成の温度検出回路４０における温度情報の伝達方法を、図３を参照して説明する。まず、制御部３０から出力される比較信号は、デジタルパルス信号のデューティー比が、所定の時間間隔で変化するものとされる。例えば、デジタルパルス信号である比較信号のデューティー比は、図３に示すように、時間の経過につれてデューティー比が徐々に大きくなっていくように変化する（図３における(i)→(ii)→(iii)の変化）。そして、デジタルパルス信号をＤ／Ａ変換して得られるアナログ信号の電圧値（比較電圧）は、デジタルパルス信号のデューティー比が小さいほど低く、デューティー比が大きいほど高くなる。すなわち、コンパレータＣｐの第２入力端子に入力される比較電圧は、時間の経過につれて徐々に高くなっていくように変化する。図３の例では、(i)→(ii)→(iii)の変化に伴って比較電圧がＶａ→Ｖｂ→Ｖｃと変化しているが、このとき、Ｖａ＜Ｖｂ＜Ｖｃの関係となる。

また、制御部３０から出力される比較信号は、比較温度に対応づけられてデューティー比が設定されており、比較信号と比較温度との対応関係は制御部３０においてテーブル化され記憶されている。図３の例では、(i)→(ii)→(iii)の変化に伴って対応する比較温度がＴａ→Ｔｂ→Ｔｃと変化しているが、このとき、Ｔａ＜Ｔｂ＜Ｔｃの関係となる。比較信号のデューティー比と比較温度との関係は、予め実験により求められている。例えば、比較温度Ｔａに対応する比較電圧Ｖａは、サーミスタＴｈの検知温度がＴａとなる場合のサーミスタ分圧と一致する。

尚、図３の例では、パルス幅を一定としながらパルス間隔を変化させることでデューティー比を変化させているが、パルス間隔を一定としながらパルス幅を変化させることでデューティー比を変化させるものであってもよい。あるいは、パルス幅およびパルス間隔の両方を変化させながらデューティー比を変化させてもよい。また、図３における(i)，(ii)，(iii)の比較信号は、説明を分かり易くために、デューティー比の変化を大きく誇張して記載している。しかしながら、実際の比較信号は、対応する比較温度が所定の温度間隔（例えば０．５℃間隔）で増加するように細かく変化する。

コンパレータＣｐの出力は、第１入力端子への入力（すなわちサーミスタ分圧）が第２入力端子への入力（すなわち比較電圧）よりも小さいときはハイレベル（Ｈ）の出力となり、第１入力端子への入力が第２入力端子への入力よりも大きいときはローレベル（Ｌ）の出力となる。したがって、比較電圧が徐々に大きくなる途中において、比較電圧がサーミスタ分圧よりも大きくなった時点で、コンパレータＣｐの出力はハイ（Ｈ）からロー（Ｌ）に切り替わる。

コンパレータＣｐの出力がハイ（Ｈ）からロー（Ｌ）に切り替わると、その結果は第２フォトカプラＰｃ２を通して制御部３０に入力される。制御部３０は、この入力信号がハイ（Ｈ）からロー（Ｌ）に切り替わった時点で、出力していた比較信号に対応する比較温度をテーブルから読み出し、読み出した比較温度がその時点でのサーミスタＴｈの検知温度であると判定する。

上述したように、制御部３０から出力される比較信号は、対応する比較温度が所定の温度間隔（例えば０．５℃間隔）で増加するように細かく変化する。この温度間隔が十分に小さなものであれば、このような温度検出回路４０を用いることにより、本実施の形態１に係る空気調和機は、サーミスタＴｈの検知温度を制御部３０に対してリニアに伝えることが可能となる。

尚、比較温度の変化方向は上記説明とは逆であってもよい。すなわち、比較温度は、所定の温度間隔で減少するように変化するものであってもよい。この場合、コンパレータＣｐの出力は、比較電圧が徐々に小さくなる途中において、比較電圧がサーミスタ分圧よりも小さくなった時点で、コンパレータＣｐの出力はロー（Ｌ）からハイ（Ｈ）に切り替わる。したがって、制御部３０は、この入力信号がロー（Ｌ）からハイ（Ｈ）に切り替わった時点で、出力していた比較信号に対応する比較温度をテーブルから読み出し、読み出した比較温度がその時点でのサーミスタＴｈの検知温度であると判定する。

以上のように、本実施の形態１に係る空気調和機において、温度検出回路４０は、制御部３０とは別にスイッチングトランス１１の２次側電源によって電源電圧（例えば、５Ｖ）が得られている。さらに、温度検出回路４０と制御部３０との間の信号伝達は、第１フォトカプラＰｃ１および第２フォトカプラＰｃ２を介して行われるようになっている。したがって、温度検出回路４０は、スイッチングトランス１１、第１フォトカプラＰｃ１および第２フォトカプラＰｃ２によって制御部３０に対する電気的絶縁が確保されており、サーミスタＴｈを配管などに取り付けるに当たっては、図７（ｂ）に示すような機械的絶縁対策を必要としない。すなわち、サーミスタ配線を配管に結束する箇所で、サーミスタ配線を絶縁チューブに通すといった対策は必要なく、図７（ａ）に示すような取り付け構造とすることができるため、これによってコストの低減を図ることができる。

〔実施の形態２〕
図４は、空気調和機の室内機において本発明を適用した場合の構成を示す概略図である。図４に示すように、空気調和機の室内機には室内熱交換器５０が備わっており、室内熱交換器５０における配管温度を検知するためにサーミスタＴｈが取り付けられることが多くある。

この場合、電装回路部６０において図１に示すような回路が搭載され、室内熱交換器５０の配管に取り付けられたサーミスタＴｈが電装回路部６０に接続される。また、室内機の場合、駆動回路２２によって駆動される負荷２１は、室内ファン用のファンモータ７０となる。

〔実施の形態３〕
上記実施の形態２では、室内機において本発明を適用する場合を示したが、空気調和機の室外機において本発明を適用することも可能である。詳細な図示は省略するが、室外機においては、室外熱交換器、圧縮機吸入口、圧縮機吐出口または膨張弁出口などにサーミスタＴｈが取り付けられることが多くある。すなわち、室外機においては複数のサーミスタＴｈ用いられることが多くある。

このように、複数のサーミスタＴｈが用いられる場合には、使用するサーミスタＴｈごとに温度検出回路４０を設ける構成とすればよい。このように複数の温度検出回路４０を設ける場合、スイッチングトランスの２次側電源によって得られる電源電圧は、複数の温度検出回路４０において共通化されていてもよい。

また、室外機の場合、駆動回路２２によって駆動される負荷２１には、ファンモータ、圧縮機、膨張弁などがある。このように複数の負荷２１がある場合には、駆動部２０が複数備えられていてもよい。

今回開示した実施形態はすべての点で例示であって、限定的な解釈の根拠となるものではない。したがって、本発明の技術的範囲は、上記した実施形態のみによって解釈されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて画定される。また、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。

１０ スイッチング電源回路
１１ スイッチングトランス
２０ 駆動部
２１ 負荷
２２ 駆動回路
３０ 制御部
４０ 温度検出回路
Ｔｈ サーミスタ
Ｃｐ コンパレータ（比較器）
Ｃｄ コンデンサ（Ｄ／Ａ変換部）
Ｐｃ１ 第１フォトカプラ
Ｐｃ２ 第２フォトカプラ

Claims (2)

1. 制御部が非絶縁回路構成とされている空気調和機であって、
   サーミスタを含む温度検出回路を備えており、
   前記温度検出回路は、１次側電源および前記制御部とは電気的に絶縁された構成であり、前記サーミスタの検知温度はフォトカプラを用いた伝達回路にて電気的絶縁を確保しながら制御部に入力されることを特徴とする空気調和機。
2. 請求項１に記載の空気調和機であって、
   前記伝達回路は、
   前記サーミスタの出力と比較電圧とを入力とし、これらの入力の大小関係によって出力のハイ（Ｈ）／ロー（Ｌ）が切り替わる比較器と、
   前記制御部から出力される比較信号を取り込む第１フォトカプラと、
   前記第１フォトカプラを通して入力された前記比較信号をＤ／Ａ変換して前記比較電圧とし、前記比較電圧を前記比較器に入力するＤ／Ａ変換部と、
   前記比較器の出力を前記制御部に伝達する第２フォトカプラとを備えており、
   前記比較信号は、時間の経過につれてデューティー比が徐々に増加もしくは減少するものであると共に、比較温度に対応づけられてデューティー比が設定されており、
   前記制御部は、前記第２フォトカプラを介して入力される前記比較器の出力のハイ（Ｈ）／ロー（Ｌ）が切り替わった時点で出力していた前記比較信号に対応する前記比較温度を前記サーミスタの検知温度であると判定することを特徴とする空気調和機。

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