JP4975352B2

JP4975352B2 - 空気調和機

Info

Publication number: JP4975352B2
Application number: JP2006102131A
Authority: JP
Inventors: 寛仁竹林
Original assignee: Toshiba Carrier Corp
Current assignee: Carrier Japan Corp
Priority date: 2006-04-03
Filing date: 2006-04-03
Publication date: 2012-07-11
Anticipated expiration: 2026-04-03
Also published as: JP2007282318A

Description

この発明は、冷凍サイクルの高圧圧力に応じて動作する高圧スイッチを備えた空気調和機に関する。

圧縮機、室外熱交換器、減圧器、室内熱交換器を配管接続して冷媒を循環させる冷凍サイクルを備え、かつ圧縮機モータへの駆動電力を出力するインバータを備えた空気調和機では、冷凍サイクルの高圧側配管に、交流電源に接続された高圧スイッチを取付け、その高圧スイッチの動作に伴って通電が遮断されるリレーの接点をインバータへの通電路に挿接したものがある（例えば特許文献１）。

すなわち、冷凍サイクルの高圧圧力が異常上昇して高圧スイッチが動作すると、上記リレーへの通電が遮断されて、そのリレー接点が開き、インバータへの通電が遮断される。これにより、圧縮機の運転が停止し、冷凍サイクルの配管や機器が保護される。
特開平３―５６７３号公報

上記インバータへの通電路には、圧縮機の運転に必要な大電流が流れる。高圧圧力の異常上昇時は、その大電流が流れる通電路がリレー接点によっていきなり遮断されるため、リレー接点に大きな負担がかかる。これは、リレーの寿命に悪影響を与える。

このため、高圧スイッチの動作を検出し、リレーが開放される前にインバータの駆動を停止させることが考えられるが、高圧スイッチが交流電源に接続されているため、リレーの開放と交流電源のゼロクロスとの違いを判別しなければならない。このため、高圧スイッチの動作を検出するためにある程度の時間が必要となり、リレーが開放される前にインバータの駆動を停止させるのは困難であった。

また、高圧スイッチを直流電源に接続するとともに制御回路で高圧スイッチの動作を検出してインバータの駆動を停止させた後、制御回路からインバータへの通電路に挿接したリレーを切断するという方法も考えられるが、万が一、制御回路が故障した場合には高圧スイッチが動作してもリレーが切断されないという事態が発生するおそれがある。

そこで、この発明は、上記の事情を考慮したもので、高圧スイッチ動作時のインバータへの通電遮断を、リレー接点により確実に遮断でき、しかもそのリレー接点に負担をかけずに実行することができ、これによりリレーの寿命向上が図れる空気調和機を提供することを目的としている。

請求項１に係る発明は、圧縮機、室外熱交換器、減圧器、室内熱交換器を配管接続して冷媒を循環させる冷凍サイクルと、商用交流電源に接続され、上記圧縮機のモータに対する駆動電力を出力するインバータと、上記商用交流電源と上記インバータとの間の通電路に挿接された突入電流制限用の抵抗素子と、この抵抗素子と並列に接続された常開接点および直流駆動のコイルを有する第１リレーと、この第１リレーのコイルに対する通電路に挿接されたスイッチ手段と、上記第１リレーのコイルに対する通電路に挿接された常開接点および直流駆動のコイルを有する第２リレーと、この第２リレーのコイルに対する通電路に挿接され、上記冷凍サイクルの高圧圧力の異常上昇時に動作して開放する高圧スイッチと、この高圧スイッチの動作を検出する検出手段と、上記商用交流電源の投入から所定時間遅れで上記スイッチ手段をオンし且つ上記インバータの駆動を開始するとともに、上記検出手段の動作検出時に、上記インバータの駆動を停止する制御手段と、を備えている。

この発明の空気調和機によれば、高圧スイッチ動作時のインバータへの通電遮断を、リレー接点により、しかもそのリレー接点に負担をかけずに実行することができる。よって、高圧スイッチ動作時には通電を確実に遮断できるとともにリレーの寿命を向上させることができる。

［１］以下、本発明の第１の実施形態について図面を参照して説明する。

図１に示すように、商用交流電源１からインバータ４にかけての通電路に、リアクタ２が挿接されるとともに、突入電流制限用の抵抗素子たとえば正特性サーミスタ（以下、ＰＴＣという）３が挿接されている。ＰＴＣ３は、商用交流電源１の投入に際してインバータ４に突入電流が流れないよう、電流を制限する。

上記インバータ４は、商用交流電源１の電圧を整流する整流回路５、およびその整流回路５の出力電圧（直流電圧）をスイッチングにより所定周波数の交流電圧に変換するスイッチング回路６により、構成されている。このインバータ４の出力が、端子７に接続された圧縮機モータ１０に、駆動電力として供給される。

圧縮機モータ１０は、圧縮機１１に収容されている。この圧縮機１１に、四方弁１２、室外熱交換器１３、膨張弁１４、および室内熱交換器１５が順次に配管接続されて冷凍サイクルが構成されている。すなわち、冷房時は、圧縮機１１から吐出される冷媒が図示実線矢印の方向に流れ、室外熱交換器１３が凝縮器、室内熱交換器１５が蒸発器として機能する。暖房時は、四方弁１２が切換わることにより、圧縮機１１から吐出される冷媒が図示波線矢印の方向に流れ、室外熱交換器１５が凝縮器、室外熱交換器１３が蒸発器として機能する。

この冷凍サイクルの高圧側配管に、常閉形の高圧スイッチ２０が取付けられている。高圧スイッチ２０は、冷凍サイクルの所定箇所の高圧圧力が異常上昇した場合に動作して開放する。

一方、商用交流電源１に直流電源回路８が接続されている。直流電源回路８は、制御回路の動作に必要な直流電圧５Ｖおよび直流電圧１２Ｖを出力する。この直流電圧１２Ｖが加わる正側端子に上記高圧スイッチ２０を介してリレー３１のコイル３１ｃの一端が接続され、そのコイル３１ｃの他端がスイッチ手段たとえばＮＰＮ型トランジスタ３３のコレクタ・エミッタ間を介して接地される。すなわち、リレー３１のコイル３１ｃに対する直流電圧１２Ｖの通電路に、高圧スイッチ２０およびトランジスタ３３のコレクタ・エミッタ間が挿接された構成となっている。

リレー３１は、常開接点３１ａおよび直流駆動されるコイル３１ｃからなる。このリレー３１の常開接点３１ａが、上記ＰＴＣ３に並列に接続されている。コイル３１ｃには、その両端間に直流電圧に対して逆方向になるように還流用のダイオードＤが接続されている。

上記トランジスタ３３のベース・エミッタ間に抵抗３４を介して直流電圧５Ｖが印加され、そのトランジスタ３３のベース・エミッタ間にＮＰＮ型トランジスタ３５のコレクタ・エミッタ間が接続されている。そして、トランジスタ３５のベースが抵抗３６を介してＭＣＵ４０に接続されている。

また、高圧スイッチ２０とリレー３１のコイル３１ｃとの間の通電路に、抵抗３７，３８の直列回路からなる動作検出回路２９が接続されている。この動作検出回路２９は、抵抗３８に生じる電圧を出力とするもので、高圧スイッチ２０の非動作時は所定レベルの電圧（論理“１”信号）を出力し、高圧スイッチ２０が動作して開放した場合に出力が零（論理“０”信号）となる。

ＭＣＵ４０は、抵抗４１を介して印加される直流電圧５Ｖにより動作する。このＭＣＵ４０に、データ記憶用のメモリ（ＥＥＰＲＯＭ）４２が接続されている。また、ＭＣＵ４０は、インバータ４を駆動制御する主制御手段、リレー３１を駆動制御するリレー制御手段、動作検出回路２９の出力から高圧スイッチ２０の動作を検出する検出手段を備えている。

このうち、主制御手段およびリレー制御手段は、互いの連係に基づく（１）（２）の制御手段を有している。
（１）商用交流電源１の投入（＝直流電圧５Ｖの印加）から所定時間（数秒）遅れでトランジスタ３３をオンし且つインバータ４の駆動を開始する制御手段。
（２）上記検出手段の動作検出時に、インバータ４の駆動を停止する制御手段。

作用を説明する。
商用交流電源１が投入されると（運転開始）、その商用交流電源１からＰＴＣ３を通してインバータ４に電流が流れる。この場合、ＰＴＣ３の抵抗により流れる電流が制限され、インバータ４に過大な突入電流が流れない。

ＭＣＵ４０は、商用交流電源１の投入に伴い、トランジスタ３５をオンする。トランジスタ３５がオンすると、トランジスタ３３がオフし、リレー３１のコイル３１ｃに対する通電路が遮断される。こうして、リレー３１の常開接点３１ａが開放状態を保つことにより、上記のようにＰＴＣ３を介した通電が行われる。

商用交流電源１の投入から数秒後、ＭＣＵ４０は、トランジスタ３５をオフするとともに、インバータ４を駆動する。トランジスタ３５がオフすると、トランジスタ３３がオンし、リレー３１のコイル３１ｃに対する通電路が形成される。これにより、リレー３１の常開接点３１ａが閉成する。

常開接点３１ａが閉成すると、その常開接点３１ａ側にほとんどの電流が流れ、抵抗を有するＰＴＣ３側には電流が流れない。こうして、インバータ４の駆動に十分な電流が流れるようになる。

次に、冷凍サイクルの高圧圧力が異常上昇した場合の作用を、図２のタイムチャートを参照しながら説明する。
冷凍サイクルの高圧圧力が異常上昇すると、高圧スイッチ２０が動作して開放する。高圧スイッチ２０が動作して開放すると、リレー３１のコイル３１ｃへの通電が遮断されるが、リレー３１のコイル３１ｃと還流用のダイオードＤの間を電流が流れ、通電遮断から常開接点３１ａが開放するまでに10msec程度の時間遅れが生じる。つまり、高圧スイッチ２０が動作して開放しても、常開接点３１ａはすぐに開放せず、商用交流電源１からインバータ４への常開接点３１ａを通した通電が続くことになる。

一方、高圧スイッチ２０の動作を検出する動作検出回路３９では、高圧スイッチ２０の動作と同時に、動作検出回路３９からＭＣＵ４０への入力信号が論理“１”から論理“０”に切換わる。ＭＣＵ４０は、動作検出回路３９からの入力信号を監視しており（ノイズ除去処理を含む）、入力信号が確かに論理“０”に変化したことを確認し、インバータ４の駆動を停止する。この駆動停止のタイミングは、10msec以下で実施可能であり、リレー３１の常開接点３１ａが開放するタイミングよりも先に実行できる。

インバータ４の駆動が停止すると、常開接点３１ａを通してインバータ４に流れる電流は大幅に減少する。この状態で常開接点３１ａが開放（通電遮断）するので、その開放時の常開接点３１ａにかかる負担はきわめて小さい。したがって、リレー３１の寿命が向上する。

万が一、動作検出回路３９やＭＣＵ４０が故障してインバータ４の駆動を停止することが不可能な場合でも、高圧スイッチ２０とリレー３１のコイル３１ｃが直列接続されているため、移動体４への通電は確実に遮断され、安全である。なお、この場合、常開接点３１ａが開放すると、ＰＴＣ３を通してインバータ４側に電流が流れるが、ＰＴＣ３の抵抗により、インバータ４を継続して駆動できるだけの電流は流れ込まないため、インバータ４の駆動が続くことはなく、安全である。

［２］第２の実施形態について説明する。
図３に示すように、直流電圧１２Ｖが加わる正側端子にリレー（第２リレー）３２の常開接点３２ａを介してリレー（第１リレー）３１の直流駆動されるコイル３１ｃの一端が接続され、そのコイル３１ｃの他端がトランジスタ３３のコレクタ・エミッタ間を介して接地される。すなわち、リレー３１のコイル３１ｃに対する通電路に、リレー３２の常開接点３２ａおよびトランジスタ３３のコレクタ・エミッタ間が挿接された構成となっている。

リレー３２は、常開接点３２ａおよび直流駆動されるコイル３２ｃからなる。コイル３２ｃには、その両端間に直流電圧に対して逆方向になるように還流用のダイオードＤが接続されている。

さらに、直流電圧１２Ｖが加わる正側端子に高圧スイッチ２０を介して上記リレー３２のコイル３２ｃの一端が接続され、そのコイル３２ｃの他端が接地される。すなわち、リレー３２のコイル３２ｃに対する通電路に、高圧スイッチ２０が挿接された構成となっている。この場合、高圧スイッチ２０の接続用として端子板９が設けられている。

そして、高圧スイッチ２０とコイル３２ｃとの間の通電路に、動作検出回路３９が接続されている。

ＭＣＵ４０の主制御手段およびリレー制御手段は、互いの連係に基づく（１１）（１２）の制御手段を有している。
（１１）商用交流電源１の投入（＝直流電圧５Ｖの印加）から所定時間（数秒）遅れでトランジスタ３３をオンし且つインバータ４の駆動を開始する制御手段。
（１２）当該ＭＣＵ４０における検出手段の動作検出時に、インバータ４の駆動を停止する制御手段。
他の構成は、第１の実施形態と同じである。よって、その説明は省略する。

冷凍サイクルの高圧圧力が異常上昇した場合の作用を、図４のタイムチャートを参照しながら説明する。
冷凍サイクルの高圧圧力が異常上昇すると、高圧スイッチ２０が動作して開放する。高圧スイッチ２０が動作して開放すると、リレー３２のコイル３２ｃへの通電が遮断されるが、リレー３２のコイル３２ｃと還流用のダイオードＤにより、通電遮断から常開接点３２ａが開放するまでに10msec程度の時間遅れが生じる。つまり、高圧スイッチ２０が動作して開放しても、常開接点３２ａはすぐに開放せず、よってリレー３１のコイル３１ｃへの通電が続いて常開接点３１ａも開放せず、商用交流電源１からインバータ４への常開接点３１ａを通した通電が続くことになる。

その後、常開接点３２ａが開放すると、リレー３１のコイル３１ｃへの通電が遮断されるが、リレー３１のコイル３１ｃと還流用のダイオードＤにより、通電遮断から常開接点３１ａが開放するまでに10msec程度の時間遅れが生じる。つまり、リレー３２の常開接点３２ａが開放しても、リレー３１の常開接点３１ａはすぐに開放せず、引き続き、商用交流電源１からインバータ４への常開接点３１ａを通した通電が続くことになる。

ただし、高圧スイッチ２０の動作が動作検出回路３９によって検出されており、高圧スイッチ２０の動作と同時に、動作検出回路３９からＭＣＵ４０への入力信号が論理“１”から論理“０”に切換わる。ＭＣＵ４０は、動作検出回路３９からの入力信号を監視しており（ノイズ除去処理を含む）、入力信号が確かに論理“０”であることを確認したところで、インバータ４の駆動を停止する。この駆動停止のタイミングは、リレー３１の常開接点３１ａが開放するタイミングよりも、先である。

インバータ４の駆動が停止すると、常開接点３１ａを通してインバータ４に流れる電流は大幅に減少する。この状態で常開接点３１ａが開放（通電遮断）するので、その開放時の常開接点３１ａにかかる負担はきわめて小さい。したがって、リレー３１の寿命が大幅に向上する。

しかも、高圧スイッチ２０が動作してからリレー３１の常開接点３１ａが開放するまでに、２つのリレー３１，３２による２段階の時間遅れ（最長20msec）が存在するので、何らかの原因で、ＭＣＵ４０によるインバータ４の駆動停止が若干遅れても、その駆動停止タイミングよりも後で常開接点３１ａが開放する可能性が高くなり、リレー３１の寿命向上に関しての信頼性が向上する。

［３］第３の実施形態について説明する。
図５に示すように、商用交流電源１とインバータ４との間の通電路に、ＰＴＣ３に代えて、リレー（第１リレー）５１の常開接点５１ａを介して突入電流制限用の抵抗器５０が挿接されている。リレー５１は、常開接点５１ａおよび直流駆動されるコイル５１ｃからなる。コイル５１ｃには、その両端間に直流電圧に対して逆方向になるように還流用のダイオードＤが接続されている。

そして、抵抗器５０および常開接点５１ａの直列回路と並列に、リレー（第２リレー）３１の常開接点３１ａが接続されている。

さらに、直流電圧１２Ｖが加わる正側端子に、リレー（第３リレー）３２の常開接点３２ａを介して、リレー３１，５１のコイル３１ｃ，５１ｃのそれぞれ一端が接続されている。コイル３１ｃの他端は、トランジスタ（第２スイッチ手段）３３のコレクタ・エミッタ間を介して接地される。コイル５１ｃの他端は、ＮＰＮ型トランジスタ（第１スイッチ手段）５２のコレクタ・エミッタ間を介して接地される。

上記トランジスタ３３のベース・エミッタ間に抵抗３４を介して直流電圧５Ｖが印加され、そのトランジスタ３３のベース・エミッタ間にＮＰＮ型トランジスタ３５のコレクタ・エミッタ間が接続されている。そして、トランジスタ３５のベースが抵抗３６を介してＭＣＵ４０の出力端子Ａに接続されている。

上記トランジスタ５２のベース・エミッタ間に抵抗５３を介して直流電圧５Ｖが印加され、そのトランジスタ５２のベース・エミッタ間にＮＰＮ型トランジスタ５４のコレクタ・エミッタ間が接続されている。そして、トランジスタ５４のベースが抵抗５５を介してＭＣＵ４０の出力端子Ｂに接続されている。

また、ＭＣＵ４０に、表示部４３が接続されている。

ＭＣＵ４０の主制御手段およびリレー制御手段は、互いの連係に基づく（２１）（２２）の制御手段を有している。
（２１）商用交流電源１の投入（＝直流電圧５Ｖの印加）に伴いトランジスタ５２をオンし、それから所定時間遅れでトランジスタ３３をオンし且つインバータ４の駆動を開始する制御手段。

（２２）当該ＭＣＵ４０における検出手段の動作検出時に、インバータ４の駆動を停止する制御手段。

他の構成は、第２の実施形態と同じである。よって、その説明は省略する。

つぎに、図６のタイムチャートを参照しながら、作用について説明する。
ＭＣＵ４０は、商用交流電源１の投入時（運転開始）、トランジスタ５４をオフする。トランジスタ５４がオフしていれば、トランジスタ５２がオンし、リレー５１のコイル５１ｃに対する通電路が形成される。これにより、リレー５１の常開接点５１ａが閉成する。

同時に、ＭＣＵ４０は、トランジスタ３５をオンする。トランジスタ３５がオンすると、トランジスタ３３がオフし、リレー３１のコイル３１ｃに対する通電路が遮断される。これにより、リレー３１の常開接点３１ａが開放状態を保つ。

こうして、常開接点５１ａが閉成し、かつ常開接点３１ａが開放状態を保つことにより、商用交流電源１から抵抗器５０および常開接点５１ａを通してインバータ４に電流が流れる。この場合、抵抗器５０の抵抗により、インバータ４に突入電流が流れない。

常開接点３１ａが閉成すると、その常開接点３１ａ側にほとんどの電流が流れ、抵抗器５０側には電流が流れない。こうして、インバータ４の駆動に十分な電流が流れるようになる。

常開接点３１ａの閉成の少し後で、ＭＣＵ４０は、トランジスタ５４をオンする。トランジスタ５４がオンすると、トランジスタ５２がオフし、リレー５１のコイル５１ｃに対する通電路が遮断される。これにより、リレー５１の常開接点５１ａが開放する。この開放により、抵抗器５０を通る通電路が遮断される。

次に、冷凍サイクルの高圧圧力が異常上昇した場合について、説明する。
冷凍サイクルの高圧圧力が異常上昇すると、高圧スイッチ２０が動作して開放する。高圧スイッチ２０が動作して開放すると、リレー３２のコイル３２ｃへの通電が遮断されるが、リレー３２のコイル３２ｃと還流用のダイオードＤにより、通電遮断から常開接点３２ａが開放するまでに10msec程度の時間遅れが生じる。つまり、高圧スイッチ２０が動作して開放しても、常開接点３２ａはすぐに開放せず、よってリレー３１のコイル３１ｃへの通電が続いて常開接点３１ａも開放せず、商用交流電源１からインバータ４への常開接点３１ａを通した通電が続くことになる。

ただし、高圧スイッチ２０の動作が動作検出回路３９によって検出されており、高圧スイッチ２０の動作と同時に、動作検出回路３９からＭＣＵ４０への入力信号が論理“１”から論理“０”に切換わる。ＭＣＵ４０は、動作検出回路３９からの入力信号を監視しており、入力信号が論理“０”であることを確認したところで、インバータ４の駆動を停止する。この駆動停止のタイミングは、リレー３１の常開接点３１ａが開放するタイミングよりも、先である。

また、ＭＣＵ４０は、動作検出回路３９からの入力信号が論理“０”であることを確認したところで、高圧圧力の異常上昇が生じた旨のデータをメモリ４２に書き込むとともに、高圧圧力の異常上昇が生じた旨を表示部４３で表示する。

この第３の実施形態においても、高圧スイッチ２０が動作してからリレー３１の常開接点３１ａが開放するまでに、２つのリレー３１，３２の機構的な特性による２段階の時間遅れが存在するので、何らかの原因で、ＭＣＵ４０によるインバータ４の駆動停止が遅れても、その駆動停止タイミングよりも後で常開接点３１ａが開放する可能性が高くなり、リレー３１の寿命向上に関しての信頼性が向上する。

なお、この発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、要旨を変えない範囲で種々変形実施可能である。

第１の実施形態の構成を示す図である。第１の実施形態の作用を説明するためのタイムチャート。第２の実施形態の構成を示す図である。第２の実施形態の作用を説明するためのタイムチャート。第３の実施形態の構成を示す図である。第３の実施形態の作用を説明するためのタイムチャート。

符号の説明

１…商用交流電源、３…ＰＴＣ、４…インバータ、１０…圧縮機モータ、１１…圧縮機、１３…室外熱交換器、１５…室内熱交換器、２０…高圧スイッチ、３１，３２，５１…リレー、３１ａ，３２ａ，５１ａ…常開接点、３３…ＮＰＮ型トランジスタ（スイッチ手段）、４０…ＭＣＵ、５２…ＮＰＮ型トランジスタ（スイッチ手段）

Claims

圧縮機、室外熱交換器、減圧器、室内熱交換器を配管接続して冷媒を循環させる冷凍サイクルと、
商用交流電源に接続され、前記圧縮機のモータに対する駆動電力を出力するインバータと、
前記商用交流電源と前記インバータとの間の通電路に挿接された突入電流制限用の抵抗素子と、
前記抵抗素子と並列に接続された常開接点および直流駆動のコイルを有する第１リレーと、
前記第１リレーのコイルに対する通電路に挿接されたスイッチ手段と、
前記第１リレーのコイルに対する通電路に挿接された常開接点および直流駆動のコイルを有する第２リレーと、
前記第２リレーのコイルに対する通電路に挿接され、前記冷凍サイクルの高圧圧力の異常上昇時に動作して開放する高圧スイッチと、
前記高圧スイッチの動作を検出する検出手段と、
前記商用交流電源の投入から所定時間遅れで前記スイッチ手段をオンし且つ前記インバータの駆動を開始するとともに、前記検出手段の動作検出時に、前記インバータの駆動を停止する制御手段と、
を備えることを特徴とする空気調和機。
圧縮機、室外熱交換器、減圧器、室内熱交換器を配管接続して冷媒を循環させる冷凍サイクルと、
商用交流電源に接続され、前記圧縮機のモータに対する駆動電力を出力するインバータと、
常開接点および直流駆動のコイルを有する第１リレーと、
前記商用交流電源と前記インバータとの間の通電路に、前記第１リレーの常開接点を介して挿接された突入電流制限用の抵抗器と、
前記抵抗器および前記常開接点の直列回路と並列に接続された常開接点および直流駆動のコイルを有する第２リレーと、
前記第１リレーのコイルに対する通電路に挿接された第１スイッチ手段と、
前記第２リレーのコイルに対する通電路に挿接された第２スイッチ手段と、
前記第１リレーのコイルおよび前記第２リレーのコイルに対する通電路に挿接された常開接点および直流駆動のコイルを有する第３リレーと、
前記第３リレーのコイルに対する通電路に挿接され、前記冷凍サイクルの高圧圧力の異常上昇時に動作して開放する高圧スイッチと、
前記高圧スイッチの動作を検出する検出手段と、
前記商用交流電源の投入に伴い前記第１スイッチ手段をオンし、それから所定時間遅れで前記第２スイッチ手段をオンした後に前記インバータの駆動を開始するとともに、前記検出手段の動作検出時に、前記インバータの駆動を停止する制御手段と、
を備えることを特徴とする空気調和機。