JP5425035B2 - ペルチェ素子駆動制御装置及びその装置を備えた空気調和機 - Google Patents

Description

この発明は、ペルチェ素子の駆動制御装置及びその装置を備えた空気調和機に関する。

従来より、直流電流を流すことにより、吸熱側から放熱側に熱を移動させることができるペルチェ素子が知られている。ペルチェ素子の駆動制御装置として、例えばペルチェ素子に直流電流を供給する電圧可変直流電源回路と、ペルチェ素子に印加された電圧を検出する電圧検出回路と、ペルチェ素子を流れる電流を検出する電流検出回路とを備え、電圧検出回路及び電流検出回路の検出値に基づいて電圧可変直流電源回路を制御するようにした装置がある（例えば、特許文献１参照）。

特開２０００−３５３８３０号公報（第４頁、図１）

ところで、ペルチェ素子駆動制御装置によりペルチェ素子や電圧可変直流電源回路の異常検出を行うことが検討されている。しかし、特許文献１では異常検出を行う点については考慮されていない。このため、異常が発生してその状態が継続すると、ペルチェ素子駆動制御装置内の他の電子部品が故障するなど、故障箇所が更に拡大する可能性があるという問題があった。また、特許文献１では電圧検出回路と電流検出回路の両方を備えており、更に構成を単純化して低コスト化することが望まれている。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、ペルチェ素子を流れる電流のみを検出することでペルチェ素子や電圧可変直流電源回路の異常を検出し、安価な構成で故障箇所の拡大防止を実現することが可能なペルチェ素子駆動制御装置及びその装置を備えた空気調和機を提供することを目的とする。

この発明に係るペルチェ素子駆動制御装置は、ペルチェ素子に電圧を印加する電源回路と、ペルチェ素子に流れる電流を検出する電流検出部と、電流検出部により検出した検出電流値が目標電流値に一定になるように電源回路の出力電圧を可変制御する制御部とを備え、制御部は、電流検出部により検出した検出電流値が目標電流値を含む所定電流範囲内であるか否かを判断し、所定電流範囲内であれば正常と判定して電源回路の制御を継続し、所定電流範囲外であれば、ペルチェ素子又は電源回路の異常と判定してペルチェ素子への通電を停止するように電源回路を制御するものである。

また、この発明に係る空気調和機は、上記ペルチェ素子駆動制御装置と、このペルチェ素子駆動制御装置により駆動されるペルチェ素子とを備えたものである。

この発明によれば、ペルチェ素子を流れる電流を検出する電流検出回路の検出結果のみから異常判定を行い、異常と判定した場合にはペルチェ素子への通電を停止させるようにしたので、安価な構成で故障箇所の拡大防止を図ることができる。

また、ペルチェ素子及びその電源回路の故障に伴う故障箇所の拡大を防止でき、信頼性の高い空気調和機を得ることができる。

この発明の実施の形態１におけるペルチェ素子駆動制御装置のブロック図である。 この発明の実施の形態１における電圧可変直流電源回路の出力特性図である。 この発明の実施の形態１におけるペルチェ素子駆動制御装置の動作の流れを示すフローチャートである。 図３の異常判定処理の流れを示すフローチャートである。 この発明の実施の形態２における電圧可変直流電源回路の出力特性図である。 この発明の実施の形態２におけるペルチェ素子駆動制御装置の動作の流れを示すフローチャートである。 この発明の実施の形態３におけるペルチェ素子駆動制御装置の動作の流れを示すフローチャートである。 この発明の実施の形態４に係る空気調和機の斜視図である。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１におけるペルチェ素子駆動制御装置のブロック図である。
ペルチェ素子駆動制御装置は、直流電圧を入力してペルチェ素子９に直流電流を供給する電圧可変直流電源回路１０と、ペルチェ素子９に流れる電流を検出する電流検出部１１と、電圧可変直流電源回路１０の出力電圧を可変制御する制御部としてのマイコン１とを備えている。

電圧可変直流電源回路１０は、電圧可変直流電源回路１０の一方の入力端子と直列に接続されたメイン駆動ＩＣ２と、マイコン１からの制御値を受信し、メイン駆動ＩＣ２に出力する補助駆動ＩＣ３とを備えている。電圧可変直流電源回路１０は更に、メイン駆動ＩＣ２に直列に接続されたインダクタ５と、インダクタ５の入力側端子と電圧可変直流電源回路１０の他方の入力端子との間に接続されたダイオード４と、インダクタ５の出力側端子と電圧可変直流電源回路１０の他方の入力端子との間に接続されたアルミ電解コンデンサ６とを有している。

電流検出部１１は、ペルチェ素子９の一方の入力端子に接続された電流検出用抵抗７と、電流検出用抵抗７の端子間電圧に基づいて電流を検出し、マイコン１に出力する電流検出回路８とを備えている。

マイコン１は、電流検出部１１にて検出された電流がペルチェ素子９に対する目標電流に一定になるように電圧可変直流電源回路１０の出力電圧を可変制御する。マイコン１は更に、電流検出部１１にて検出された電流に基づいてペルチェ素子９及び電圧可変直流電源回路１０の異常検知を行い、異常を検知した場合、ペルチェ素子９への通電を停止する制御を行う。マイコン１は電圧可変直流電源回路１０の電源とは別の電源に接続されている。

ところで、ペルチェ素子９を制御する場合、ペルチェ素子９の吸熱側と放熱側の温度差を急激に与えてしまうとペルチェ素子９自体の寿命が短くなってしまう。このため、ペルチェ素子９の通電開始時（立ち上げ時）には、マイコン１から補助駆動ＩＣ３に出力する制御値を徐々に上昇させ、電圧可変直流電源回路１０からペルチェ素子９に印加する印加電圧を０ボルトから徐々に上昇させるようにしている。

図２は、この発明の実施の形態１における電圧可変直流電源回路の出力特性図である。横軸はマイコン１から電圧可変直流電源回路１０に出力される制御値、縦軸は電圧可変直流電源回路１０の出力電圧（ペルチェ素子９への印加電圧）である。
図２に示すように、出力電圧が０からＶａに至るまでの間は出力電圧の変化が大きく、電圧可変直流電源回路１０の出力電圧が安定しない制御不安定領域となっている。よって、この実施の形態では、電圧Ｖａ以上の安定制御可能領域の電圧を用いてペルチェ素子９を使用するようにしている。すなわち、ペルチェ素子９に流す目標電流は、安定制御可能領域の電圧が印加されたときにペルチェ素子９に流れる電流の範囲内に設定される。よって、ペルチェ素子９に目標電流を流すためにマイコン１から出力される目標制御値ＸＡは電圧Ｖａに対応する制御下限値Ｘａよりも大きい値となる。なお、マイコン１内には、図２に示した制御値と出力電力との関係に加え、制御値とその制御値を出力したときにペルチェ素子９に流れる電流との関係（図示せず）も予め記憶されている。

次に、ペルチェ素子駆動制御装置の動作を図３のフローチャートを参照して説明する。
マイコン１は、外部からペルチェ素子９への通電指令があると（Ｓ１）、電圧可変直流電源回路１０に出力する制御値を、ペルチェ素子９の目標電流に対応する目標制御値ＸＡに至るまで徐々に上昇させ、電圧可変直流電源回路１０の出力電圧、すなわちペルチェ素子９への印加電圧を徐々に上昇させる（Ｓ２）。なお、この目標電流は外部からの指令に応じて任意に変更可能なものとする。

そして、マイコン１から出力する制御値が目標電流に対応した目標制御値ＸＡに達すると（Ｓ３）、電流検出部１１の検出電流値Ｉに基づいて後述の異常判定を行う（Ｓ４）。ここでは正常と判定した場合（Ｓ５）、検出電流値Ｉが目標電流値に一定になるように電圧可変直流電源回路１０を制御し（Ｓ６）、ステップＳ４に戻る。Ｓ４の異常判定の結果が正常の間、ステップＳ４〜Ｓ６の処理が繰り返される。

マイコン１は、ステップＳ４の異常判定において異常と判定した場合には、補助駆動ＩＣ３に出力する制御値を０にしてペルチェ素子９への通電を停止する（Ｓ７）。なお、図３のフローチャートにはないが、外部からペルチェ素子９への通電停止が指示された場合、マイコン１は、ペルチェ素子９の通電開始時（立ち上げ時）と同様にペルチェ素子９の発熱面と吸熱面の温度差が急激とならないように、電圧可変直流電源回路１０に出力する制御値を徐々に減少させ、電圧可変直流電源回路１０からペルチェ素子９に印加する印加電圧を徐々に０ボルトに近づけるようにしている。

図４は、図３の異常判定処理の流れを示すフローチャートである。
電流検出部１１の検出電流値Ｉが、目標電流値を含む所定電流範囲内であるか否かを判断し（Ｓ１１）、所定電流範囲内であれば正常と判定し（Ｓ１２）、所定電流範囲外であればペルチェ素子９又は電圧可変直流電源回路１０の一方又は両方に異常があると判定する（Ｓ１３）。所定電流範囲の上限値及び下限値はペルチェ素子９の正常動作範囲として予めマイコン１内に記憶設定されている。

なお、ここでは、検出電流値Ｉが所定電流範囲外であれば異常と判定しているが、異常内容を更に判定するようにしてもよい。すなわち、電流検出部１１の検出電流値Ｉが０のときは「オープン（断線）異常」と判定し、検出電流値Ｉが予め設定した閾値以上の場合、「ショート（短絡）異常」を判定する。そして、判定結果を外部に通知する等の機能を設けるようにしてもよい。

以上説明したように、この実施の形態１によれば、電流検出回路８の検出電流値Ｉが目標電流値を含む所定電流範囲内であるか否かを判断し、判断結果に基づいて正常又は異常を判定するようにしたので、正常又は異常の判定を電流検出回路８の検出結果のみから行える。そして、異常と判定した場合にはペルチェ素子９への通電を停止させるようにしたので、安価な構成で故障箇所の拡大防止を図ることができる。

また、ペルチェ素子９の目標印加電圧を安定制御可能領域内の電圧としたので、安定した制御を実現できる。また、電圧可変直流電源回路１０に出力する制御値を徐々に上昇させて電圧可変直流電源回路１０の出力電圧が徐々に上昇するようにしたので、ペルチェ素子９への熱ストレスによる性能劣化や破壊を防止することができる。

実施の形態２．
以上の実施の形態１では、電流検出部１１の検出電流値Ｉに基づいて電圧可変直流電源回路１０の制御及び異常判定を行っていた。実施の形態２では実施の形態１の動作に加えて更に、マイコン１から電圧可変直流電源回路１０への出力制御値に上限を設けるようにしたものである。

実施の形態２のペルチェ素子駆動制御装置のブロック構成は図１に示した実施の形態１と同様であり、実施の形態１とはその動作が異なるのみである。以下、実施の形態２が実施の形態１と異なる部分を中心に説明する。

図５は、この発明の実施の形態２におけるペルチェ素子駆動制御装置の電圧可変直流電源回路の出力特性図である。横軸はマイコン１から電圧可変直流電源回路１０に出力される制御値、縦軸は電圧可変直流電源回路１０の出力電圧（ペルチェ素子９への印加電圧）である。
図５に示すように、実施の形態２では所定の電圧上限値Ｖｂ以上の電圧がペルチェ素子９に印加されないように電圧可変直流電源回路１０を制御する動作を行う。ペルチェ素子駆動制御装置は電圧検出部を持たないため、具体的にはマイコン１から出力する制御値が電圧上限値Ｖｂに対応する制御上限値Ｘｂを超えないように制限する動作となる。

図６は、この発明の実施の形態２におけるペルチェ素子駆動制御装置の動作の流れを示すフローチャートである。図６において図３と同一処理には同一ステップ番号を示す。
ステップＳ１〜ステップＳ５、Ｓ７の処理は実施の形態１と同様である。実施の形態２では、ステップＳ５で異常判定の結果が正常の場合、電流検出部１１の検出電流値Ｉが目標電流値に一定になるように電圧可変直流電源回路１０への制御値を決定する（Ｓ２１）。そして、その決定した制御値が制御上限値Ｘｂを超えるか否かを判断し（Ｓ２２）、超えないと判断した場合、マイコン１は決定した制御値を電圧可変直流電源回路１０に出力し（Ｓ２３）、超えると判断した場合、電圧可変直流電源回路１０に出力する制御値を制御上限値Ｘｂに制限し（Ｓ２４）、制御上限値Ｘｂを電圧可変直流電源回路１０に出力する（Ｓ２３）。以上の制御により、ペルチェ素子９の印加電圧が電圧上限値Ｖｂを超えないように制限される。

ここで、制御値が制御上限値Ｘｂを超える場合とは、以下の状況が該当する。電流検出部１１の検出電流値Ｉが実際よりも小さく検出された場合、マイコン１は、電流検出部１１の検出電流値Ｉを目標電流に近づけようとして電圧可変直流電源回路１０への制御値を上昇させる。その際、制御上限値Ｘｂを超える可能性がある。なお、Ｓ２２において制御値が制御上限値Ｘｂを超えると判断された期間が所定時間以上続いた場合、電圧可変直流電源回路１０やペルチェ素子９の異常と判断してペルチェ素子９の通電を停止するようにしてもよい。

このように、この実施の形態２では、実施の形態１と同様の作用効果が得られると共に、印加電圧が電圧上限値Ｖｂを超えないように制限するようにしたので、ペルチェ素子９に過大な電圧が印加されペルチェ素子９が破壊されることを防止することができる。

実施の形態３．
以上の実施の形態１、２では、ペルチェ素子９への通電中のみペルチェ素子９を流れる電流を検出し異常判定を実施していたが、実施の形態３ではペルチェ素子９への通電停止中においても電流を検出し異常判定を実施するようにしたものである。

実施の形態３のペルチェ素子駆動制御装置のブロック構成は図１に示した実施の形態１と同様であり、実施の形態１、２とはその動作が異なるのみである。以下、実施の形態３が実施の形態１、２と異なる部分を中心に説明する。

ペルチェ素子９に通電が指示された場合の動作は上記実施の形態１又は２と同様であり、実施の形態３は、ペルチェ素子９の通電停止中の動作に特徴がある。以下、通電停止中の動作について図７のフローチャートを参照して説明する。なお、マイコン１は、ペルチェ素子９への通電が停止中においても電流検出部１１にて検出した検出電流値Ｉを取り込んでいるものとする。
マイコン１は、ペルチェ素子９への通電指示を電圧可変直流電源回路１０に与えていないにも係わらず、電流検出部１１により所定電流以上の電流が検出された場合（Ｓ３１）、電圧可変直流電源回路１０の異常と判定する（Ｓ３２）。そして、マイコン１は電圧可変直流電源回路１０の異常であることを、音声出力手段や表示手段など（どちらも図示せず）により使用者に通知（外部に通知）する制御を行う（Ｓ３３）。

以上説明したように、この実施の形態３では、実施の形態１及び２と同様の作用効果が得られると共に、ペルチェ素子９への通電停止中においても電流検出部１１にて検出した検出電流値Ｉに基づいて異常判定を行う。そして、異常有の場合、電圧可変直流電源回路１０の異常と判断して使用者に電圧可変直流電源回路１０の異常であることを通知する制御を行うので、故障箇所の拡大防止効果を更に高めることができる。

実施の形態４．
実施の形態４は、上記実施の形態１〜３の何れかのペルチェ素子駆動制御装置とこのペルチェ素子駆動制御装置によって制御されるペルチェ素子とを有する空気調和機に関するものである。

図８は、この発明の実施の形態４に係る空気調和機の斜視図である。
図８に示す空気調和機２０は、電気を帯びた微粒子を部屋に放出するミスト放出装置２１を有しており、ミスト放出装置２１内にペルチェ素子９とペルチェ素子駆動制御装置とが配置されている。ペルチェ素子９は、その冷却効果により空気中の水分を凝縮させて回収する手段として用いられ、ミスト放出装置２１では、ペルチェ素子９を駆動して空気中の水分を回収し、その回収した水分に高電圧をかけ、電気を帯びた微粒子を部屋に放出する。ペルチェ素子９への通電指令、言い換えればミスト放出機能の開始はリモコン２２により行われる。

以上のように構成された空気調和機２０では、リモコン２２からペルチェ素子９への通電を指示するリモコン信号が発信されると、そのリモコン信号をペルチェ素子駆動制御装置のマイコン１（図１参照）が受信する。ペルチェ素子駆動制御装置のマイコン１は、受信したリモコン信号が正常なリモコン波形であれば、図３のステップＳ２以降の処理を行う。

このように、この実施の形態４によれば、上記のペルチェ素子駆動制御装置を空気調和機に適用したため、ペルチェ素子９を利用する機能の動作の安定化を図ることができ、また、故障箇所の拡大を防止して信頼性の高い空気調和機を得ることができる。

なお、ここでは、ミスト放出機能を有する空気調和機にペルチェ素子９を用いた例を示したが、これに限られたものではなく、除湿機能を有する空気調和機において、除湿手段としてペルチェ素子９を用いてもよい。

１ マイコン、２ メイン駆動ＩＣ、３ 補助駆動ＩＣ、４ ダイオード、５ インダクタ、６ アルミ電解コンデンサ、７ 電流検出用抵抗、８ 電流検出回路、９ ペルチェ素子、１０ 電圧可変直流電源回路、１１ 電流検出部、２０ 空気調和機、２１ ミスト放出装置、２２ リモコン。

Claims (5)

1. ペルチェ素子に電圧を印加する電源回路と、
   前記ペルチェ素子に流れる電流を検出する電流検出部と、
   前記電流検出部により検出した検出電流値が目標電流値に一定になるように前記電源回路の出力電圧を可変制御する制御部とを備え、
   前記制御部は、前記電流検出部により検出した検出電流値が前記目標電流値を含む所定電流範囲内であるか否かを判断し、前記所定電流範囲内であれば正常と判定して前記電源回路の制御を継続し、前記所定電流範囲外であれば、前記ペルチェ素子又は前記電源回路の異常と判定して前記ペルチェ素子への通電を停止するように前記電源回路を制御する
   ことを特徴とするペルチェ素子駆動制御装置。
2. 前記電源回路は、その特性上、安定して電圧出力を行える電圧領域を有し、前記目標電流値は、前記電圧領域内の電圧を前記ペルチェ素子に印加した場合の電流の範囲内に設定されることを特徴とする請求項１記載のペルチェ素子駆動制御装置。
3. 前記制御部は、前記電流検出部の検出電流値が前記目標電流値となるように、前記電源回路に出力する制御値を制御し、前記制御値が予め設定した制御上限値を超えないように制限することを特徴とする請求項１又は請求項２記載のペルチェ素子駆動制御装置。
4. 前記制御部は、前記ペルチェ素子への通電指示を前記電源回路に与えていないにも係わらず、前記電流検出部により所定電流以上の電流が検出された場合、前記電源回路の異常と判定し、その旨を外部に通知することを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載のペルチェ素子駆動制御装置。
5. ペルチェ素子と、請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載のペルチェ素子駆動制御装置とを備えたことを特徴とする空気調和機。

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