JP4234554B2

JP4234554B2 - 電源制御装置およびそれを用いた空気調和機

Info

Publication number: JP4234554B2
Application number: JP2003335402A
Authority: JP
Inventors: 登志雄丸毛; 智彦堤
Original assignee: Daikin Industries Ltd; Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Daikin Industries Ltd; Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-09-26
Filing date: 2003-09-26
Publication date: 2009-03-04
Anticipated expiration: 2023-09-26
Also published as: JP2005098654A

Description

この発明は、電源制御装置およびそれを用いた空気調和機に関する。

従来、電源制御装置としては、四方弁の弁コイルにリレーを介してインバータ用電源部からの直流高電圧を印加して、四方弁を切り換え動作させた後、リレーをオフして弁コイルにトランジスタを介して直流低電圧を印加して保持動作させるものがある(例えば、特開２００３−１０６６１１号公報(特許文献１)参照)。

ところで、上記電源制御装置では、直流高電圧から直流低電圧に切り換えるときに、低電圧用の電源部から弁コイルに過電流が流れるため、トランジスタの定格を大きくする必要があると共に、電圧レギュレーションが低下するために平滑用コンデンサの容量を大きくしなければならない。このため、上記電源制御装置では、電源部の小型化を図ることができないと共に、コストが高くつくという問題がある。
特開２００３−１０６６１１号公報

そこで、この発明の目的は、スイッチング素子および電源部の小容量化ができ、小型化とコスト低減を図ることができる電源制御装置およびそれを用いた空気調和機を提供することにある。

上記目的を達成するため、この発明の電源制御装置は、直流高電圧を出力する高圧直流電源と、上記高圧直流電源の直流高電圧よりも低い直流低電圧を出力する低圧直流電源と、上記高圧直流電源からの直流高電圧をオンオフする第１スイッチング素子と、上記低圧直流電源からの直流低電圧をオンオフする第２スイッチング素子と、上記高圧直流電源から直流高電圧が上記第１スイッチング素子を介して印加され、上記低圧直流電源から直流低電圧が上記第２スイッチング素子を介して印加されるインダクタンス成分を有する第１負荷と、上記第１負荷に並列に接続され、上記第１負荷に生じる逆起電力を吸収する逆起電力吸収素子と、上記第２スイッチング素子をオフした状態で上記第１スイッチング素子をオンして上記高圧直流電源から上記第１負荷に電流を流し、上記第１負荷に流れる電流が安定してから上記第１スイッチング素子をオフし、上記第１スイッチング素子のオフから所定時間経過した後に上記第２スイッチング素子をオンして上記低圧直流電源から上記第１負荷に電流を流すように、上記第１,第２スイッチング素子を制御する制御部とを備え、上記第１負荷は、電磁コイルを用いた作動装置であって、上記制御部は、上記第２スイッチング素子をオフした状態で上記第１スイッチング素子をオンして上記高圧直流電源からの直流高電圧を上記電磁コイルに印加することにより上記作動装置を作動させた後、上記第１スイッチング素子をオフすることにより上記逆起電力吸収素子を介して上記電磁コイルに流れる回生電流が上記電磁コイルの保持電流以下になる前に、上記第２スイッチング素子をオンして上記低圧直流電源からの直流低電圧を上記電磁コイルに印加することにより、上記作動装置の作動状態を保持することを特徴とする。

上記構成の電源制御装置によれば、上記第１,第２スイッチング素子を制御する制御部によって、まず、第２スイッチング素子をオフした状態で第１スイッチング素子をオンすると、上記第１負荷に高圧直流電源からの直流高電圧が第１スイッチング素子を介して印加されて第１負荷に電流が流れる。そうして上記第１負荷に流れる電流が安定してから上記第１スイッチング素子をオフにすると、第１負荷に並列に接続された逆起電力吸収素子を介して第１負荷に回生電流が流れて、その回生電流は時間の経過と共に徐々に低下する。そして、上記第１スイッチング素子のオフから所定時間後に第２スイッチング素子をオンすると、低圧直流電源からの直流低電圧が第２スイッチング素子を介して印加されて第１負荷に電流が流れる。このとき、上記第１スイッチング素子のオフから次に第２スイッチング素子をオンするまでの所定時間を、例えば逆起電力吸収素子を介して第１負荷に流れる回生電流が低下する途中になるように設定することによって、第２スイッチング素子のオン時に過大な電流が流れることがない。したがって、例えば、電磁コイルに直流高電圧が印加されて作動した後、電磁コイルに直流低電圧が印加されてその作動状態が保持される作動装置を上記第１負荷とする電源制御装置において、上記第２スイッチング素子および低圧直流電源の小容量化ができ、小型化とコスト低減を図ることができる。

また、上記第２スイッチング素子をオフした状態で第１スイッチング素子をオンして、上記作動装置(アクチュエータ)の電磁コイルに上記高圧直流電源から電流を流すことにより作動装置を作動させる。そして、その電磁コイルに流れる電流が安定してから、すなわち作動が完全に行われてから、上記第１スイッチング素子をオフして、その所定時間後に上記第２スイッチング素子をオンすることにより作動装置の電磁コイルに上記低圧直流電源から電流を流して、作動装置の状態を保持することができる。

また、一実施形態の電源制御装置は、上記高圧直流電源からの直流高電圧をオンオフする第３スイッチング素子と、上記第３スイッチング素子がオンすることにより上記高圧直流電源から直流高電圧が印加される第２負荷とを有し、上記制御部は、上記第１スイッチング素子または上記第３スイッチング素子のいずれか一方のみをオンするように、上記第１,第３スイッチング素子を制御することを特徴とする。

上記実施形態の電源制御装置によれば、上記第１負荷に直流高電圧を印加する高圧直流電源に、他の第２負荷が接続されている場合、上記制御部は、上記第１スイッチング素子または上記第３スイッチング素子のいずれか一方のみをオンするので、高圧直流電源に同時に２つの負荷が接続されることがなく、高圧直流電源の小容量化ができ、小型化と低コスト化ができる。

また、一実施形態の電源制御装置は、上記制御部は、上記第３スイッチング素子よりも上記第１スイッチング素子を優先してオンすることを特徴とする。

上記実施形態の電源制御装置によれば、上記制御部により上記第３スイッチング素子よりも上記第１スイッチング素子を優先してオンすることによって、第２負荷に上記高圧直流電源から直流高電圧が印加されている場合であっても、必要なときは第１負荷に高圧直流電源から直流高電圧を優先的に印加することができる。

また、この発明の空気調和機は、上記電源制御装置を用いた空気調和機であって、上記第２負荷が電気式膨張弁であることを特徴とする。ここで、上記電気式膨張弁とは、電動膨張弁や電磁膨張弁などのことである。

上記構成の空気調和機によれば、スイッチング素子や低圧直流電源の小容量化ができ、小型化と低コスト化ができる空気調和機を実現することができる。
また、この発明の空気調和機は、上記電源制御装置を用いた空気調和機であって、上記第１負荷が四方弁であることを特徴とする。
上記構成の空気調和機によれば、スイッチング素子や低圧直流電源の小容量化ができ、小型化と低コスト化ができる空気調和機を実現することができる。

以上より明らかなように、この発明の電源制御装置によれば、スイッチング素子および電源部の小容量化ができ、小型化とコスト低減を図ることができる。

また、この発明の空気調和機によれば、小型化と低コスト化ができる電源制御装置を用いることによって、小型で低コストな空気調和機を実現できる。

以下、この発明の電源制御装置およびそれを用いた空気調和機を図示の実施の形態により詳細に説明する。

図１はこの発明の実施の一形態の電源制御装置を用いた空気調和機の要部の構成図を示している。この空気調和機は、図示しないが、ヒートポンプ方式の冷媒回路を用いたものであり、電磁四方弁により冷媒回路を切り換えて冷房運転と暖房運転を行うものである。

図１において、１は制御部、２は上記制御部１からの制御信号を受け、膨張弁駆動信号を出力する第３スイッチング素子の一例としてのスイッチ回路、３は上記スイッチ回路２からの膨張弁駆動信号により開度が制御される第２負荷の一例としての電動膨張弁、４は電源トランス、５は上記電源トランス４を介して電力を供給するスイッチング電源、６はインダクタンス成分を有する第１負荷の一例としての電磁四方弁である。

図１に示すように、上記スイッチング電源５には、インバータ用直流電圧Ｖ1(＋２８０Ｖ)が供給され、スイッチング電源５の出力端子間に電源トランス４の１次側コイルが接続されている。上記電源トランス４の２次側コイルの一端はグランドに接続され、他端は高電圧用出力端子であり、２次側コイルの途中に低電圧用出力端子を設けている。

そして、上記電源トランス４の高電圧用出力端子に整流用ダイオードＤ1のアノードを接続し、ダイオードＤ1のカソードとグランドとの間に平滑用コンデンサＣ1を接続している。上記ダイオードＤ1のカソードに第１スイッチング素子の一例としての第１第１トランジスタＱ1のエミッタを接続し、第１トランジスタＱ1のコレクタに電磁四方弁６のインダクタンス成分である弁コイルＬ1の一端を接続し、その弁コイルＬ1の他端をグランドに接続している。上記弁コイルＬ1の一端に、逆起電力吸収素子としてのダイオードＤ4のカソードを接続し、ダイオードＤ4のアノードをグランドに接続している。

また、上記電源トランス４の低電圧用出力端子に整流用ダイオードＤ2のアノードを接続し、ダイオードＤ2のカソードとグランドとの間に平滑用コンデンサＣ2を接続している。上記ダイオードＤ2のカソードに第２スイッチング素子の一例としての第２トランジスタＱ2のエミッタを接続し、第２トランジスタＱ2のコレクタにダイオードＤ3のアノードを接続し、そのダイオードＤ3のカソードを弁コイルＬ1の一端に接続している。

上記ダイオードＤ1,平滑用コンデンサＣ1,電源トランス４およびスイッチング電源５で直流高電圧Ｖ2を出力する高圧直流電源を構成し、ダイオードＤ2,平滑用コンデンサＣ2,電源トランス４およびスイッチング電源５で直流低電圧Ｖ3を出力する低圧直流電源を構成しており、電源トランス４およびスイッチング電源５は、高圧直流電源と低圧直流電源で共用している。上記ダイオードＤ1と平滑用コンデンサＣ1により整流され平滑にされて得られる直流高電圧Ｖ2は＋１５Ｖであり、ダイオードＤ2と平滑用コンデンサＣ2により整流され平滑にされて得られる直流低電圧Ｖ3は＋４Ｖである。

また、上記制御部１は、マイクロコンピュータと入出力回路などからなり、第１,第２トランジスタＱ1,Ｑ2のオンオフを制御する制御信号Ｇ1,Ｇ2を出力する。上記制御部１からの制御信号Ｇ1,Ｇ2は、それぞれ第１,第２トランジスタＱ1,Ｑ2のベースに接続されている。

また、上記スイッチ回路２からの膨張弁駆動信号が一端に接続された電動膨張弁３の他端を上記ダイオードＤ1のカソードに接続しており、スイッチ回路２からの膨張弁駆動信号がハイレベル(オフ状態)からローレベル(オン状態)になると、ダイオードＤ1側から電動膨張弁３を介してスイッチ回路２の出力端子に電流が流れる。この電動膨張弁３は、印加されるパルス数を制御することによって、開度が調整される。

図２は、上記電源制御装置の動作を説明するためのタイミング図を示しており、図２(a)は電磁四方弁６の切換時のコイル電流、図２(b)は第１トランジスタＱ1の電流、図２(c)は第２トランジスタＱ2の電流、図２(d)は保持電源(Ｖ3電圧)、図２(e)は第１トランジスタＱ1のオンオフ動作、図２(f)は第２トランジスタＱ2のオンオフ動作を示している。

図２に示すように、第１トランジスタＱ1をオンすると、直流高電圧Ｖ2(＋１５Ｖ)が電磁四方弁６の弁コイルＬ1に印加され、弁コイルＬ1に流れる電流は、なだらかに増加しながら一定の動作電流(１Ａ)となる。そして、第１トランジスタＱ1をオンしてから時間ｔ1経過した後、第１トランジスタＱ1をオフすると、図２(a)に示すように、電磁四方弁６のコイル電流はなだらかに減少していく。この第１トランジスタＱ1がオンしている時間ｔ1は、電磁四方弁６が確実に作動する時間を設定する。

そして、上記第１トランジスタＱ1をオフしてから所定時間ｔ2経過した後、第２トランジスタＱ2をオンすると、直流低電圧Ｖ3(＋４Ｖ)が電磁四方弁６の弁コイルＬ1に印加される。このときの電磁四方弁６のコイル電流は、切換動作時の動作電流１Ａよりも低い０．４Ａ程度となっており、図２(c)に示すように、オンした第２トランジスタＱ2には過大な電流が流れることなく、すぐに０．４Ａから保持電流である０．２Ａ程度となる。上記所定時間ｔ2は、ダイオードＤ4を介して電磁四方弁６の弁コイルＬ1に流れる回生電流が電磁四方弁６の保持電流よりも小さくなる前に第２トランジスタＱ2をオンするように設定する。

また、図３(a)は電動膨張弁３の消費電力を示し、図３(b)は電磁四方弁６の消費電力を示している。図３(b)に示すように、第１トランジスタＱ1がオンしたときの電磁四方弁６の消費電力は１３Ｗであり、その後の無通電時間と第２トランジスタＱ2がオンしたときの電磁四方弁６の消費電力は０.８Ｗである。そして、電動膨張弁３は、第１トランジスタＱ1がオンした期間を除いて動作可能であり、動作時の消費電力は６Ｗである。

また、図４は上記電力制御装置の制御部１の電磁四方弁６の駆動制御処理を説明するためのフローチャートを示し、図５は上記電力制御装置の制御部１の電動膨張弁３の駆動制御処理を説明するためのフローチャートを示している。

以下、上記制御部１の動作を図４,図５に従って説明する。なお、上記電磁四方弁６の駆動制御処理および電動膨張弁３の駆動制御処理は、運転中は常に繰り返し行われる。

まず、電磁四方弁６の駆動制御処理がスタートすると、図４に示すステップＳ１で電磁四方弁６に通電要求が有るか否かを判定して、電磁四方弁６に通電要求が有ると判定すると、ステップＳ２に進む一方、電磁四方弁６に通電要求がないと判定すると、ステップＳ１１に進み、第１,第２トランジスタＱ1,Ｑ2をオフにし、無通電フラグをリセットして、この処理を終了する。

ここで、電磁四方弁６を通電するのは、空気調和機が暖房運転を行う場合であり、冷房運転時は、電磁四方弁６には通電を行わないが、電磁四方弁６の動作は逆であってもよい。

次に、ステップＳ２では、第１トランジスタＱ1がオンか否かを判定して、第１トランジスタＱ1がオンしていると判定すると、ステップＳ７に進む一方、第１トランジスタＱ1がオンしていないと判定すると、ステップＳ３に進む。

次に、ステップＳ３で第２トランジスタＱ2がオンか否かを判定して、第２トランジスタＱ2がオンしていると判定すると、この処理を終了する一方、第２トランジスタＱ2がオンしていないと判定すると、ステップＳ４に進む。

そして、ステップＳ４で無通電フラグがセットされているか否かを判定して、無通電フラグがセットされていると判定すると、ステップＳ９に進む一方、無通電フラグがセットされていないと判定すると、ステップＳ５に進む。

次に、ステップＳ５で電動膨張弁の駆動終了信号が有るか否かを判定して、電動膨張弁の駆動終了信号が有ると判定すると、ステップＳ６に進み、第１トランジスタＱ1をオンし、タイマＴ1をスタートして、この処理を終了する。このタイマＴ1の計時時間はｔ1である。

一方、ステップＳ２で第１トランジスタＱ1がオンしていると判定して、ステップＳ７に進むと、タイマＴ1の計時が終了か否かを判定して、タイマＴ1の計時が終了していると判定すると、ステップＳ８に進み、第１トランジスタＱ1をオフにし、タイマＴ2をスタートさせ、さらに無通電フラグをセットして、この処理を終了する。一方、ステップＳ７でタイマＴ1の計時が終了していないと判定すると、この処理を終了する。

また、ステップＳ４で無通電フラグがセットされていると判定して、ステップＳ９に進むと、タイマＴ2の計時が終了か否かを判定する。そして、ステップＳ９でタイマＴ2の計時が終了していると判定すると、ステップＳ１０に進み、第２トランジスタＱ2をオンして、この処理を終了する一方、ステップＳ９でタイマＴ2の計時が終了していないと判定すると、この処理を終了する。このタイマＴ2の計時時間はｔ2である。

次に、電動膨張弁３の駆動制御処理がスタートすると、図５に示すステップＳ２１で電動膨張弁３の現在開度と目標開度が異なっているか否かを判定して、電動膨張弁３の現在開度と目標開度が異なっていると判定すると、ステップＳ２２に進む一方、電動膨張弁３の現在開度と目標開度が異なっていないと判定すると、この処理を終了する。

次に、ステップＳ２２で電磁四方弁６に通電要求が有るか否かを判定して、電磁四方弁６に通電要求が有ると判定すると、ステップＳ２４に進む一方、電磁四方弁６に通電要求がないと判定すると、ステップＳ２３に進み、電動膨張弁３の通電を開始し、電動膨張弁３の駆動終了信号を出力しない。

一方、ステップＳ２４では、電動膨張弁３が通電中か否かを判定して、電動膨張弁３が通電中でないと判定すると、この処理を終了する一方、電動膨張弁３が通電中であると判定すると、ステップＳ２５に進み、電動膨張弁３の通電を終了し、電動膨張弁３の駆動終了信号を出力して、この処理を終了する。

このように、上記電源制御装置によれば、第１,第２トランジスタＱ1,Ｑ2を制御する制御部１によって、まず、第２トランジスタＱ2をオフした状態で第１トランジスタＱ1をオンすることにより、電磁四方弁６に直流高電圧Ｖ2が第１トランジスタＱ1を介して電磁四方弁６の弁コイルＬ1に印加されて弁コイルＬ1に電流が流れて、電磁四方弁６を作動させる。その後、時間ｔ1が経過して、弁コイルＬ1に流れる電流が安定してから第１トランジスタＱ1をオフにすると、弁コイルＬ1に並列に接続されたダイオードＤ4により逆起電力が生じることなく、ダイオードＤ4を介して弁コイルＬ1に回生電流が流れて、回生電流は徐々に小さくなる。そして、上記ダイオードＤ4を介して弁コイルＬ1に流れる回生電流が保持電流以下になる前であって、第１トランジスタＱ1のオフから所定時間ｔ2後に、第２トランジスタＱ2をオンする。そうすることによって、直流低電圧Ｖ3が第２トランジスタＱ2を介して弁コイルＬ1に印加されて保持電流が流れ、電磁四方弁６が保持されると共に、第２トランジスタＱ2のオン時に過大な電流が流れることがない。したがって、上記第２トランジスタＱ2および低圧直流電源の小容量化ができ、小型化とコスト低減を図ることができる。

また、上記実施の形態では、電磁四方弁６の弁コイルＬ1に直流高電圧Ｖ2を他の負荷として電動膨張弁３が接続されているが、制御部１は、第１トランジスタＱ1またはスイッチ回路２のいずれか一方のみをオンするので、直流高電圧Ｖ2が同時に２つの負荷に印加されることがないので、高圧直流電源の小容量化ができ、小型化と低コスト化ができる。

また、上記制御部１によりスイッチ回路２よりも第１トランジスタＱ1を優先してオンすることによって、電動膨張弁３に直流高電圧Ｖ2が印加されている場合であっても、必要なときは電動膨張弁３への印加を止めて電磁四方弁６の弁コイルＬ1に直流高電圧Ｖ2を優先的に印加することができる。

また、上記構成の空気調和機によれば、スイッチング素子や電源部の小容量化ができ、小型化と低コスト化ができる空気調和機を実現することができる。

上記実施の形態では、マイクロコンピュータを用いた制御部１により、第１,第２トランジスタＱ1,Ｑ2およびスイッチ回路２を制御したが、論理回路や遅延回路を用いて第１,第２トランジスタＱ1,Ｑ2およびスイッチ回路２を制御してもよい。

また、上記実施の形態では、電源制御装置を用いた空気調和機について説明したが、電源制御装置はこれに限らず、インダクタンス成分を有する負荷の電源供給を制御するものであれば、この発明を適用することができる。

図１はこの発明の実施の一形態の電源制御装置を用いた空気調和機の要部の構成図である。図２(a)は電磁四方弁の切換時のコイル電流を示す図であり、図２(b)は第１トランジスタの電流を示す図であり、図２(c)は第２トランジスタの電流を示す図であり、図２(d)は保持電源(Ｖ3電圧)を示す図であり、図２(e)は第１トランジスタのオンオフ動作を示す図であり、図２(f)は第２トランジスタのオンオフ動作を示す図である。図３(a)は電動膨張弁の消費電力を示す図であり、図３(b)は電磁四方弁の消費電力を示す図である。図４は上記電力制御装置の制御部１の電磁四方弁の駆動制御処理を説明するためのフローチャートである。図５は上記電力制御装置の制御部１の電動膨張弁の駆動制御処理を説明するためのフローチャートである。

符号の説明

１…制御部、
２…スイッチ回路、
３…電動膨張弁、
４…電源トランス、
５…スイッチング電源、
６…電磁四方弁、
Ｄ1〜Ｄ4…ダイオード、
Ｃ1,Ｃ2…平滑用コンデンサ、
Ｑ1…第１トランジスタ、
Ｑ2…第２トランジスタ、
Ｔ1…第１タイマ、
Ｔ2…第２タイマ。

Claims

直流高電圧を出力する高圧直流電源と、
上記高圧直流電源の直流高電圧よりも低い直流低電圧を出力する低圧直流電源と、
上記高圧直流電源からの直流高電圧をオンオフする第１スイッチング素子(Ｑ1)と、
上記低圧直流電源からの直流低電圧をオンオフする第２スイッチング素子(Ｑ2)と、
上記高圧直流電源から直流高電圧が上記第１スイッチング素子(Ｑ1)を介して印加され、上記低圧直流電源から直流低電圧が上記第２スイッチング素子(Ｑ2)を介して印加されるインダクタンス成分を有する第１負荷(６)と、
上記第１負荷(６)に並列に接続され、上記第１負荷(６)に生じる逆起電力を吸収する逆起電力吸収素子(Ｄ4)と、
上記第２スイッチング素子(Ｑ2)をオフした状態で上記第１スイッチング素子(Ｑ1)をオンして上記高圧直流電源から上記第１負荷(６)に電流を流し、上記第１負荷(６)に流れる電流が安定してから上記第１スイッチング素子(Ｑ1)をオフし、上記第１スイッチング素子(Ｑ1)のオフから所定時間経過した後に上記第２スイッチング素子(Ｑ2)をオンして上記低圧直流電源から上記第１負荷(６)に電流を流すように、上記第１,第２スイッチング素子(Ｑ1,Ｑ2)を制御する制御部(１)とを備え、
上記第１負荷(６)は、電磁コイルを用いた作動装置であって、
上記制御部(１)は、上記第２スイッチング素子(Ｑ2)をオフした状態で上記第１スイッチング素子(Ｑ1)をオンして上記高圧直流電源からの直流高電圧を上記電磁コイルに印加することにより上記作動装置を作動させた後、上記第１スイッチング素子(Ｑ1)をオフすることにより上記逆起電力吸収素子(Ｄ4)を介して上記電磁コイルに流れる回生電流が上記電磁コイルの保持電流以下になる前に、上記第２スイッチング素子(Ｑ2)をオンして上記低圧直流電源からの直流低電圧を上記電磁コイルに印加することにより、上記作動装置の作動状態を保持することを特徴とする電源制御装置。
請求項１に記載の電源制御装置において、
上記高圧直流電源からの直流高電圧をオンオフする第３スイッチング素子(２)と、
上記第３スイッチング素子(２)がオンすることにより上記高圧直流電源から直流高電圧が印加される第２負荷(３)とを有し、
上記制御部(１)は、上記第１スイッチング素子(Ｑ1)または上記第３スイッチング素子(２)のいずれか一方のみをオンするように、上記第１, 第３スイッチング素子(２)を制御することを特徴とする電源制御装置。
請求項２に記載の電源制御装置において、
上記制御部(１)は、上記第３スイッチング素子(２)よりも上記第１スイッチング素子(Ｑ1)を優先してオンすることを特徴とする電源制御装置。
請求項２または３に記載の電源制御装置を用いた空気調和機であって、
上記第２負荷(３)が電気式膨張弁であることを特徴とする空気調和機。
請求項１乃至４のいずれか１つに記載の電源制御装置を用いた空気調和機であって、
上記第１負荷(６)が四方弁であることを特徴とする空気調和機。