JP6260506B2 - 空気調和機 - Google Patents

Description

本発明は、空気調和機に係わり、より詳細には、直列に接続された平滑コンデンサの中点の電圧から制御用電圧を生成する室外機用の電源装置に関する。

従来、直列に接続された平滑コンデンサの中点電圧を制御用電圧として使用する電源装置としては、特許文献１に記載された図３に示すものが開示されている。
図３の電源装置は、交流電圧Ｖａｃが入力されるダイオードブリッジＤＲと、ダイオードブリッジＤＲの正極端と負極端との間に、直列に接続された抵抗ＲＢ１と抵抗ＲＢ２、及び直列に接続された平滑コンデンサＣＢ１と平滑コンデンサＣＢ２が、それぞれ並列に接続されている。そして平滑コンデンサＣＢ１と平滑コンデンサＣＢ２の接続点Ａが抵抗Ｒ１を介して制御部（ＣＴＲＬ）の電源端子に接続されている。

接続点Ａの電圧はバランス抵抗として機能する抵抗ＲＢ１と抵抗１ＲＢ２によって、平滑コンデンサＣＢ１の両端電圧と平滑コンデンサＣＢ２の両端電圧はほぼ同じ電圧になっている。制御部（ＣＴＲＬ）はスイッチング素子Ｍのスイッチングを制御するだけの機能を持つものであり、その動作によって大きく消費電流が変化することがない。従って、制御部（ＣＴＲＬ）に多少の負荷変動が有ったとしても、前述したように平滑コンデンサＣＢ１の両端電圧と平滑コンデンサＣＢ２の両端電圧は大きく異なる事がなく、このためそれぞれのコンデンサの寿命もほぼ同じになる。なお、このように平滑コンデンサを直列にして用いる理由はコストである。コンデンサは、一般的にその耐圧が４５０ボルトを超えると価格が急激に上昇し、空気調和機の電源回路のように二次側の直流電圧が５００ボルト以上となる電圧が印加される回路には安価な低耐圧の平滑コンデンサを直列にして用いることでコストの低減を図っている。

しかしながら、このように直列に接続された平滑コンデンサの中点電圧を制御用電源として使用する構成を空気調和機に用いた場合、それぞれの平滑コンデンサの両端に印加される電圧のアンバランスにより、一方の平滑コンデンサより他方の平滑コンデンサの寿命が短くなる問題がある。空気調和機には多数の弁の駆動用として多数のソレノイドが備えられており、これらの制御がオン又はオフに偏った場合に制御用電源の負荷変動の幅が大きくなる。このため、直列に接続された２つの平滑コンデンサのそれぞれの両端電圧がこの負荷変動によってアンバランスになり、結果的に２つの平滑コンデンサのうちの一方の寿命が短くなる。この結果、装置全体の寿命も短くなる。

特開２００３−３３９１６４号公報（第３−４頁、図１）

本発明は以上述べた問題点を解決し、平滑コンデンサの中点電圧を制御用電源として使用する電源装置を備えた空気調和機において、２つの平滑コンデンサのそれぞれの両端電圧の電位差を低減させて平滑コンデンサの寿命の差をなくすことを目的とする。

本発明は上述の課題を解決するため、本発明の請求項１に記載の発明は、交流電源が入力端に接続された整流器と、
同整流器の正極端と負極端に正極入力端と負極入力端がそれぞれ接続されたインバータ部と、
前記インバータ部の前記正極入力端と前記負極入力端の間に並列に接続された、第１抵抗と第２抵抗の直列回路及び第１コンデンサと第２コンデンサの直列回路及び第１電圧検出部と、
前記第２コンデンサの正極と負極に正極電源入力端と負極電源入力端がそれぞれ接続されて室外機に制御用電圧を供給する制御用電源と、
前記第２コンデンサ又は前記第１コンデンサの両端に接続された第２電圧検出部と、
前記第１電圧検出部で検出された電圧の１／２倍の電圧である基準電圧を中心として、予め定めた範囲の上側閾値と下側閾値を算出し、前記第２電圧検出部で検出された電圧である中点電圧が前記上側閾値と前記下側閾値の範囲内となるように前記第１コンデンサの両端電圧を制御する電圧指示信号を出力する中点電圧制御手段と、
入力された前記電圧指示信号に従って前記第１コンデンサの両端電圧を可変する中点電圧可変手段とを備え、
前記第１抵抗と前記第２抵抗の接続点と、前記第１コンデンサと前記第２コンデンサの接続点とが接続され、
前記中点電圧制御手段は、前記中点電圧が前記下側閾値以下になった時に電圧上昇を指示する前記電圧指示信号を前記中点電圧可変手段へ出力し、
電圧上昇を指示する前記電圧指示信号が入力された前記中点電圧可変手段は、前記第１コンデンサの両端電圧を上昇させ、
前記中点電圧制御手段は、前記中点電圧が前記上側閾値以上になった時に電圧低下を指示する前記電圧指示信号を前記中点電圧可変手段へ出力し、
電圧低下を指示する前記電圧指示信号が入力された前記中点電圧可変手段は、前記第１コンデンサの両端電圧を低下させることを特徴とする。

以上の手段を用いることにより、本発明による空気調和機によれば、中点電圧制御手段が、中点電圧が上側閾値と下側閾値の範囲内となるように中点電圧可変手段を制御するため、中点電圧を基準電圧に近づけることができ、結果的にコンデンサの印加電圧のアンバランスを低減させてコンデンサの寿命低減を防止することができる。

本発明による空気調和機の実施例を示すブロック図である。 本発明による中点電圧制御部の動作を説明する説明図である。 従来の電源装置を示すブロック図である。

以下、本発明の実施の形態を、添付図面に基づいた実施例として詳細に説明する。なお、空気調和機には熱交換機や送風ファンモータ、圧縮機や電磁弁などを備えているが、これらは本願と直接的な関係がないため図示と説明を省略する。

図１は本発明による空気調和機１の実施例を示すブロック図である。
この空気調和機１は室外機２と室内機３を備えており、室外機２には三相交流電源４が接続されている。

室外機２は、三相交流電源４が入力端に接続された整流器１５と、整流器１５の正極端１５ａと負極端１５ｂに、正極入力端２５ａと負極入力端２５ｂがそれぞれ接続されたインバータ部２５と、インバータ部２５の出力に接続された圧縮機のモータ２６とを備えている。また、整流器１５の正極端１５ａとインバータ部２５の正極入力端２５ａの間に直列に接続されたスイッチ１１と抵抗２４と、直列に接続されたスイッチ１１と抵抗２４の両端に並列に接続されたスイッチ１２とを備えている。インバータ部２５の正極入力端２５ａと負極入力端２５ｂの間には、抵抗１９（第１抵抗）と抵抗２０（第２抵抗）の直列回路、及びコンデンサ１７（第１コンデンサ）とコンデンサ１８（第２コンデンサ）の直列回路、及び電圧検出部２１（第１電圧検出部）がそれぞれ並列に接続されている。

なお、コンデンサ１７の負極端１７ｂとコンデンサ１８の正極端１８ａとが接続され、また、コンデンサ１７の正極端１７ａはインバータ部２５の正極入力端２５ａに、コンデンサ１８の負極端１８ｂはインバータ部２５の負極入力端２５ｂに、それぞれ接続されている。なお、スイッチ１２と抵抗２４の接続点をＰ点と呼称する。
また、抵抗１９と抵抗２０の接続点と、コンデンサ１７とコンデンサ１８の接続点が接続されている。

また、室外機２は、コンデンサ１８の両端に接続された電圧検出部２２（第２電圧検出部）と、コンデンサ１７とコンデンサ１８の接続点であるＣ点と整流器１５の正極端との間に直列に接続されたスイッチ１３と抵抗２３からなる中点電圧可変部（中点電圧可変手段）４０を備えている。さらに室外機２は、コンデンサ１８の正極端１８ａと負極端１８ｂに、正極電源入力端１６ａと負極電源入力端１６ｂがそれぞれ接続されて室外機２の内部の制御機器に制御用電圧を供給する制御用電源１６とを備えている。また、整流器１５の負極端１５ｂはグランドに接続されている。

また、室外機２は、電圧検出部２１で検出された電圧の１／２倍の電圧である基準電圧を中心として、予め定めた範囲の上側閾値と下側閾値を算出し、電圧検出部２２で検出された電圧である中点電圧が上側閾値と下側閾値の範囲内となるように電圧指示信号を中点電圧可変部４０へ出力する中点電圧制御部３０（中点電圧制御手段）を備えている。中点電圧可変部４０は、この電圧指示信号に従って中点電圧（Ｃ点の電圧）を制御する。

また、室外機２は、室内機３と通信接続されて室外機２を制御する室外機制御部２７と、室外機制御部２７が出力する駆動信号によって制御される図示しない弁を駆動するソレノイド２８を備えている。
室外機制御部２７は、インバータ部２５を制御するインバータ制御信号をインバータ部２５へ出力する。また、室外機制御部２７は、整流器１５の負極端１６ｂの電位を基準として電圧検出部２１が検出したＰ点の電圧がＰ点電圧信号として入力され、また、整流器１５の負極端１６ｂの電位を基準として電圧検出部２２が検出したＣ点の電圧がＣ点電圧信号として入力されている。また、室外機制御部２７は、スイッチ１１とスイッチ１２の開閉を制御しており、主電源のオンを行なうスイッチ１２のオン（閉）に先立ってスイッチ１１をオン（閉）することでコンデンサ１７とコンデンサ１８への突入電流を低減している。

室外機制御部２７は、例えばコンデンサ１７やコンデンサ１８が経年変化によりリップル電流が増加し、このためピーク電圧が上昇してＰ点の電圧が所定の限度値以上に高くなった場合、インバータ部２５を保護するためにスイッチ１２を開とする。また、同様にリップル電流増加によるピーク電圧上昇でＣ点の電圧が所定の限度値以上に高くなった場合、コンデンサ１８の両端電圧が印加されている図示しないファンモータを保護するために、室外機制御部２７はスイッチ１２を開とする。電圧検出部２１と電圧検出部２２はこのような保護を行なうために従来の空気調和機にすでに備えられている。

中点電圧制御部３０は、入力されたＰ点電圧信号から得られるＰ点電圧値を１／２倍して理想的な中点電圧値（基準電圧）を算出し、この基準電圧を中心として予め定めた範囲の上側閾値と下側閾値を算出して出力する閾値算出部３１と、この上側閾値と下側閾値とＣ点電圧信号が入力され、Ｃ点電圧の値が上側閾値と下側閾値の範囲に入るように中点電圧可変部４０へ電圧指示信号を出力する中点電圧管理部３２とを備えている。前述したように中点電圧可変部４０はスイッチ１３を備えており、電圧指示信号はこのスイッチ１３の開閉を指示する信号である。

閾値算出部３１は予め定めた値として閾値算出部３１内に記憶している電圧変動の許容値（例えば１０ボルト）に、算出した基準電圧の値を加算した上側閾値と、算出した基準電圧の値から電圧変動の許容値を減算した下側閾値をそれぞれ求めて中点電圧管理部３２へ出力する。なお、電圧変動の許容値は予め実験的に求めた値であり、例えば、スイッチ１３を開とした場合における制御用電源１６の負荷が最も重い時の中点電圧と１／２倍のＰ点電圧との差分の半分の値を下側閾値とする。一方、スイッチ１３を閉とした場合における制御用電源１６の負荷が最も軽い時の中点電圧と１／２倍のＰ点電圧との差分の半分の値を上側閾値とする。

中点電圧管理部３２は、電圧検出部２２から入力されたＣ点電圧の値が上側閾値以上の場合、Ｃ点電圧を低下させるために電圧指示信号によってスイッチ１３を開にして抵抗２３を整流器１５の正極端１５から切り離す。この結果、コンデンサ１７に並列接続されてる抵抗は抵抗１９のみとなる。一方、中点電圧管理部３２は、電圧検出部２２から入力されたＣ点電圧の値が下側閾値以下の場合、Ｃ点電圧を上昇させるために電圧指示信号によってスイッチ１３を閉にして抵抗２３を整流器１５の正極端１５に接続する。この結果、コンデンサ１７に並列接続されてる抵抗は抵抗２３と抵抗１９になる。

なお、本実施例において各スイッチはリレーで構成されており、スイッチ１３を駆動する信号（電圧指示信号）がハイレベルの時にこのリレーの接点が開となる。

次に図２の説明図を用いて中点電圧制御部３０の動作を説明する。
図２において横軸は時間であり、縦軸において図２（１）はＰ点とＣ点の直流電圧を、図２（２）はソレノイド２８を駆動する駆動信号を、図２（３）は中点電圧管理部３２が中点電圧可変部４０のスイッチ１３へ出力する電圧指示信号を、それぞれ示している。なお、ｔ２１〜ｔ２６は時刻である。なお、前提条件として、スイッチ１２が閉に、スイッチ１３が開に、それぞれなっているものとする。

図２（１）は電圧検出部２１が検出したＰ点電圧と、電圧検出部２２が検出したＣ点電圧を示している。三相交流電源４は商用電源であり、この商用電源の電圧が変動すると、Ｐ点電圧はこの電圧変動の影響を受けるためｔ２３までに示すように変動する。また、Ｃ点電圧はこの三相交流電源４の電圧変動の影響だけでなく前述したように制御用電源１６の負荷変動によっても影響を受ける。

コンデンサ１７とコンデンサ１８の寿命を同じにするためには、双方の両端の電圧が同じ電圧になるようにＣ点の電圧を図２（１）の破線で示すように理想的な中点電圧（基準電圧）、つまり、Ｐ点電圧の半分の電圧にしなければならない。このため、閾値算出部３１は、電圧検出部２１が検出したＰ点電圧を１／２倍にして基準電圧を算出し、さらにこの基準電圧を中心として算出した上側閾値と下限閾値を算出して中点電圧管理部３２へ常に出力している。

例えばＰ点電圧が５００ボルトの場合、閾値算出部３１は理想的な中点電圧値（基準電圧）を２５０ボルトとして算出し、中点電圧管理部３２は、上側閾値を２６０ボルト、また、下側閾値を２４０ボルトとしてそれぞれ算出する。このように算出した上側閾値と下側閾値を図２（１）に点線で示す。Ｐ点電圧に変動がなければ理想的な中点電圧値と上側閾値と下側閾値は平行線になる。

図２（２）に示すようにｔ２２で室外機制御部２７が駆動信号をハイレベルにしてソレノイド２８を駆動した場合、このソレノイド２８に電源を供給している制御用電源１６の負荷が増加することになりＣ点の電圧は低下する。そして、ｔ２３までは上側閾値及び下側閾値の範囲内であったＣ点の電圧はｔ２３で下側閾値以下となる。

中点電圧管理部３２は、入力されたＣ点電圧の値と入力された上側閾値及び下側閾値を比較し、入力されたＣ点電圧の値がｔ２３で下側閾値以下となったと判断し、Ｃ点電圧を上昇させるために図２（３）に示すようにスイッチ１３を閉に、つまり、電圧指示信号をローレベルにする。中点電圧管理部３２がスイッチ１３を閉にすると、抵抗２３と抵抗１９が並列に接続される。このため抵抗２３と抵抗１９との並列回路の抵抗値は抵抗２０よりも小さくなり、Ｃ点の電圧は上昇する。この結果、ｔ２３以降はＣ点の電圧が徐々に上昇し、上側閾値と下側閾値の間の電圧となる。

一方、ｔ２４で室外機制御部２７が駆動信号をローレベルにしてソレノイド２８の駆動を停止すると、制御用電源１６の負荷が減少することになりＣ点の電圧は上昇する。そして、上側閾値及び下側閾値の範囲内であったＣ点の電圧はｔ２５で上側閾値以上となる。

中点電圧管理部３２は、入力されたＣ点電圧の値と入力された上側閾値及び下側閾値を比較し、入力されたＣ点電圧の値がｔ２５で上側閾値以上となったと判断し、Ｃ点電圧を低下させるためにスイッチ１３を開に、つまり、電圧指示信号をハイレベルにする。
中点電圧管理部３２がスイッチ１３を開にすると、抵抗２３が整流器１５の正極端１５から切り離されるため、抵抗値の等しい抵抗１９と抵抗２０の直列回路となり、Ｃ点の電圧は低下し、上側閾値と下側閾値の間の電圧となる。
その後、Ｃ点電圧の値は上側閾値及び下側閾値の範囲内であるため、中点電圧管理部３２はスイッチ１３を開のままとする。

以上説明したように、中点電圧制御部３０が、中点電圧が上側閾値と下側閾値の範囲内となるように中点電圧可変部４０を制御するため、中点電圧を基準電圧に近づけることができ、結果的にコンデンサ１７、１８の両端電圧のアンバランスを低減させて２つのコンデンサ１７、１８の寿命を同じに近づけることができる。

また、本実施例において各スイッチをリレーとして説明しているが、これに限るものでなく、トランジスタなどのスイッチング素子を用いてもよい。また、本実施例においては三相用の電源回路として説明しているが、これに限るものでなく、単相用の電源回路に用いてもよい。

また、本実施例において中点電圧可変部４０を直列に接続された抵抗とスイッチとで構成しているが、これに限るものでなく、直列に接続された抵抗とスイッチに代えてトランジスタのコレクタ端子とエミッタ端子との間の電圧を可変させるようにしてもよい。
また、本実施例では電圧検出部２２（第２検出手段）をコンデンサ１８の両端に接続しているが、これに限るものでなく、コンデンサ１７の両端でもよい。この場合、Ｐ点電圧から電圧検出部２２での検出電圧を差し引いた値が中点電圧となる。

また、本実施例では力率改善回路については説明していないが、整流器１５の入力端と三相交流電源４の各相の間に図示しないリアクタを設けてもよいし、また、整流器１５の正極端とインバータ部２５の正極入力端との間に図示しないインダクタと逆流防止ダイオードと、さらに、このインダクタと逆流防止ダイオードの接続点と整流器１５の負極端を開閉する図示しないスイッチング素子とを備えたＰＦＣコンバータを設けても本願の構成を用いることができる。

１ 空気調和機
２ 室外機
３ 室内機
４ 三相交流電源
１１ スイッチ
１２ スイッチ
１３ スイッチ
１５ 整流器
１５ａ 正極端
１５ｂ 負極端
１６ 制御用電源
１６ａ 正極電源入力端
１６ｂ 負極電源入力端
１７ コンデンサ（第１コンデンサ）
１７ａ 正極端
１７ｂ 負極端
１８ コンデンサ（第２コンデンサ）
１８ａ 正極端
１８ｂ 負極端
１９ 抵抗（第１抵抗）
２０ 抵抗（第２抵抗）
２１ 電圧検出部（第１電圧検出部）
２２ 電圧検出部（第２電圧検出部）
２３ 抵抗
２４ 抵抗
２５ インバータ部
２５ａ 正極入力端
２５ｂ 負極入力端
２６ モータ
２７ 室外機制御部
２８ ソレノイド
３０ 中点電圧制御部（中点電圧制御手段）
３１ 閾値算出部
３２ 中点電圧管理部
４０ 中点電圧可変部（中点電圧可変手段）

Claims (1)

1. 交流電源が入力端に接続された整流器と、
   同整流器の正極端と負極端に正極入力端と負極入力端がそれぞれ接続されたインバータ部と、
   前記インバータ部の前記正極入力端と前記負極入力端の間に並列に接続された、第１抵抗と第２抵抗の直列回路及び第１コンデンサと第２コンデンサの直列回路及び第１電圧検出部と、
   前記第２コンデンサの正極と負極に正極電源入力端と負極電源入力端がそれぞれ接続されて室外機に制御用電圧を供給する制御用電源と、
   前記第２コンデンサ又は前記第１コンデンサの両端に接続された第２電圧検出部と、
   前記第１電圧検出部で検出された電圧の１／２倍の電圧である基準電圧を中心として、予め定めた範囲の上側閾値と下側閾値を算出し、前記第２電圧検出部で検出された電圧である中点電圧が前記上側閾値と前記下側閾値の範囲内となるように前記第１コンデンサの両端電圧を制御する電圧指示信号を出力する中点電圧制御手段と、
   入力された前記電圧指示信号に従って前記第１コンデンサの両端電圧を可変する中点電圧可変手段とを備え、
   前記第１抵抗と前記第２抵抗の接続点と、前記第１コンデンサと前記第２コンデンサの接続点とが接続され、
   前記中点電圧制御手段は、前記中点電圧が前記下側閾値以下になった時に電圧上昇を指示する前記電圧指示信号を前記中点電圧可変手段へ出力し、
   電圧上昇を指示する前記電圧指示信号が入力された前記中点電圧可変手段は、前記第１コンデンサの両端電圧を上昇させ、
   前記中点電圧制御手段は、前記中点電圧が前記上側閾値以上になった時に電圧低下を指示する前記電圧指示信号を前記中点電圧可変手段へ出力し、
   電圧低下を指示する前記電圧指示信号が入力された前記中点電圧可変手段は、前記第１コンデンサの両端電圧を低下させることを特徴とする空気調和機。

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