JP6932204B2 - 空気調和機 - Google Patents

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Description

本発明は、インバータを制御する電圧生成部への電源供給の有無を切り替える高圧スイッチを備える空気調和機に関する。
空気調和機は、密閉型圧縮機内の圧力の上昇、および密閉型圧縮機内の温度の上昇を、密閉型圧縮機の異常として検出する。特許文献1は、密閉型圧縮機内で異常が発生したときに開状態となる高圧スイッチを備える空気調和機を開示する。特許文献1に記載の空気調和機は、高圧スイッチが開状態となると、密閉型圧縮機に電圧を印加するインバータのスイッチング動作を駆動させるインバータ駆動モジュールへの電源供給を停止することにより、インバータを停止させる。これにより、密閉型圧縮機内の圧力、および密閉型圧縮機内の温度の上昇を抑制する。
特開2010−181110号公報
しかしながら、上記従来の空気調和機は、密閉型圧縮機の冷媒負荷の一時的な上昇によって密閉型圧縮機の圧力が上昇した場合、高圧スイッチが開状態となるため、密閉型圧縮機が停止してしまうという問題があった。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、密閉型圧縮機の停止を抑制することができる空気調和機を得ることを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる空気調和機は、冷媒を圧縮する密閉型の圧縮機と、交流電源から供給される第1交流電力を直流電力に変換するコンバータと、高電位側の直流母線と接続され、圧縮機の圧力がしきい値以上になったとき開状態となる高圧スイッチと、高圧スイッチに接続されるシャント抵抗と、シャント抵抗に流れる電流値を監視する監視部とを有し、高圧スイッチが開状態であることを検出する開閉検出部と、コンバータと高電位側の直流母線と低電位側の直流母線と接続され、コンバータから供給される直流電力を圧縮機を駆動する第2交流電力に変換し、第2交流電力を圧縮機へ印加し、圧縮機を駆動させるインバータと、インバータを制御するインバータ制御部と、シャント抵抗と接続され、シャント抵抗で降圧された電圧であってかつインバータ制御部の電源となる電圧をインバータ制御部へ印加する電圧生成部と、開閉検出部と電圧生成部との間に設置され、開閉検出部から電圧生成部に印加される電圧の変動を抑制する平滑用コンデンサと、高圧スイッチが開状態であることを開閉検出部が検出した場合、高圧スイッチが連続して開状態となっている回数である連続開回数、高圧スイッチが開状態となった回数である開回数、圧縮機の駆動周波数、および圧縮機の温度が、それぞれのしきい値よりも小さい値である場合、圧縮機の出力を制限させる制御部と、を備えることを特徴とする。
本発明に係る空気調和機は、密閉型圧縮機の停止を抑制することができるという効果を奏する。
実施の形態にかかる空気調和機の構成例を示す図 実施の形態にかかる開閉検出部の機能ブロックを示す図 実施の形態にかかる制御部の機能ブロックを示す図 実施の形態にかかるインバータ制御の制御ブロックを示す図 実施の形態の制御回路の構成例を示す図 実施の形態における異常検出時の異常判定部の制御の一例を示すフローチャート
以下に、空気調和機を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
実施の形態.
図1は、本発明の実施の形態にかかる空気調和機の構成例を示す図である。空気調和機1は、ノイズフィルタ10と、コンバータ11と、インバータ12と、平滑用コンデンサ13と、冷媒回路15と、開閉検出部16と、電圧生成部17と、制御部18と、インバータ制御部19とを備える。冷媒回路15は、圧縮機14と、高圧スイッチ151と、温度検出部152と、図示しない膨張弁とを備える。
ノイズフィルタ10は、商用交流電源2から空気調和機1へ供給される交流電力のノイズを抑制する。コンバータ11は、ノイズフィルタ10を経由して、商用交流電源2から供給される交流電力を直流電力に変換し、直流電力をインバータ12へ供給する。インバータ12は、コンバータ11から供給される直流電力を、圧縮機14を駆動させる駆動指令に応じた駆動周波数および電圧の大きさの交流電力に変換し、変換により得られた交流電力を圧縮機14へ印加する。平滑用コンデンサ13は、電圧生成部17と開閉検出部16との間に設置され、電荷を蓄えまたは放出することで電圧生成部17に印加される電圧の変動を抑制する。圧縮機14は、密閉型の圧縮機であり、冷媒回路15内の冷媒を圧縮させる。また、圧縮機14は、インバータ12が印加する交流電力によって駆動される。冷媒回路15は、冷媒を循環させることで空気調和機1の熱交換を促す。
高圧スイッチ151は、圧縮機14の圧力と同じ圧力となる冷媒回路15に設置され、圧縮機14の圧力がしきい値以上になると開状態となる。高圧スイッチ151は、開状態となることで、電圧生成部17への電源供給を停止し、これにより、後述するように電圧生成部17からインバータ制御部19への電圧の供給が停止され、結果として、圧縮機14の圧縮動作が停止する。圧縮機14の圧力がしきい値よりも小さくなると、高圧スイッチ151は、閉状態となり、電圧生成部17へ電源供給を開始し、圧縮機14を駆動させる。高圧スイッチ151が開状態となるしきい値は、一定値であってもよいし、ヒステリシスをもって変化する値であってもよい。本実施の形態では、高圧スイッチ151が開状態となるしきい値を45kg/cmとしている。温度検出部152は、圧縮機14の温度を検知し、検知した温度の情報を制御部18へ送信する。
開閉検出部16は、高圧スイッチ151と平滑用コンデンサ13との間に配置される。また、開閉検出部16は、開閉検出部16に流れる電流値を制御部18へ送信する。図2は、実施の形態にかかる開閉検出部16の機能ブロックを示す図である。開閉検出部16は、シャント抵抗161と、監視部162を備える。シャント抵抗161は、高圧スイッチ151から電圧生成部17へ流れる電流を検出する。監視部162は、シャント抵抗161に流れる電流値を監視する。監視部162は、例えば、制御部18へデジタル信号を出力するA/D変換器である。本実施の形態では、検出の方式を、シャント抵抗161を用いる方式としているが、他の方式、例えばカレントトランスによる方式としてもよい。また、監視部162には、コンパレータを用いることができ、この場合はコンパレータが、シャント抵抗161に流れる電流値のしきい値を超えるか判定をする。監視部162にコンパレータを用いる場合は、コンパレータ1つで、開閉検出部16と、後述する異常判定部181との両方の機能を実現することができる。
電圧生成部17は、インバータ駆動モジュールであり、インバータ制御部19へ、インバータ制御部19の電源となる電圧を印加する。また、電圧生成部17は、高圧スイッチ151が閉状態である時に、電圧生成部17の電源となる電圧が印加される。制御部18は、温度検出部152から受信した温度の情報を基に、圧縮機14の温度に異常が発生しているか判定する。また、制御部18は、開閉検出部16から受信した電流値の情報を基に、圧縮機14の圧力に異常が発生しているか判定する。また、制御部18は、インバータ制御部19へ印加する電圧を供給するか否かの制御を電圧生成部17に行う。
図3は、実施の形態にかかる制御部18の機能ブロックを示す図である。また、図4は、実施の形態にかかるインバータ制御の制御ブロックを示す図である。制御部18は、異常判定部181と、圧縮機制御部182と、を備える。異常判定部181は、開閉検出部16および温度検出部152が検出した情報から圧縮機14に異常が発生しているか判定し、異常が発生していると判定した場合、電圧生成部17を停止させるように制御する。または、異常判定部181は、圧縮機14に異常が発生していると判定した場合、圧縮機制御部182を介してインバータ12の制御を行い、圧縮機14の停止、または圧縮機14の出力制限をさせる制御を行う。圧縮機制御部182は、インバータ制御部19を制御することで、圧縮機14の出力制限、または圧縮機14を停止させる。また、圧縮機制御部182は、温度検出部152が検出する圧縮機14の温度を監視する。
インバータ制御部19は、制御部18から入力される駆動指令に応じた駆動周波数および電圧の大きさの交流電力を出力するために、インバータ12を構成するスイッチング素子のオンまたはオフを制御するPWM(Pulse Width Modulation)信号を生成し、PWM信号をインバータ12へ印加することによりインバータ12を制御する。
実施の形態にかかる異常判定部181、圧縮機制御部182、およびインバータ制御部19のハードウェア構成について説明する。異常判定部181、圧縮機制御部182、およびインバータ制御部19は、各処理を行う電子回路である処理回路により実現される。
本処理回路は、専用のハードウェアであっても、メモリ及びメモリに格納されるプログラムを実行するCPU(Central Processing Unit、中央演算装置)を備える制御回路であってもよい。ここでメモリとは、例えば、RAM(Random Access Memory)、ROM(Read Only Memory)、フラッシュメモリなどの、不揮発性または揮発性の半導体メモリ、磁気ディスク、光ディスクなどが該当する。本処理回路がCPUを備える制御回路である場合、この制御回路は例えば、図5に示す構成の制御回路200となる。
図5に示すように、制御回路200は、CPUであるプロセッサ200aと、メモリ200bとを備える。図5に示す制御回路200により実現される場合、プロセッサ200aがメモリ200bに記憶された、各処理に対応するプログラムを読みだして実行することにより実現される。また、メモリ200bは、プロセッサ200aが実施する各処理における一時メモリとしても使用される。
本処理回路が、専用のハードウェアである場合、処理回路は、例えば、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)、FPGA(Field Programmable Gate Array)、またはこれらを組み合わせたものである。
異常判定部181および圧縮機制御部182は、それぞれ単体の制御回路200により実現することができるが、異常判定部181と圧縮機制御部182とを一体とした制御回路200としてもよい。
図6は、本実施の形態における異常検出時の異常判定部181の制御の一例を示すフローチャートである。異常判定部181は、開閉検出部16が検知する電流値から高圧スイッチ151の開状態を検出する。
圧縮機制御部182は、インバータ制御部19を制御することで圧縮機14を駆動させることにより、空気調和機1の運転を開始する(ステップS01)。すでに圧縮機14が駆動状態にある場合、空気調和機1は継続して運転する。
圧縮機14の駆動後、異常判定部181は、シャント抵抗161が検出した電流値のデータを開閉検出部16から取得する。また、異常判定部181は、温度検出部152が検出した圧縮機14の温度のデータを、圧縮機制御部182から取得する(ステップS02)。
異常判定部181は、開閉検出部16が検出した電流値から、高圧スイッチ151の開状態を検出しているか判定する(ステップS03)。例えば、異常判定部181は、開閉検出部16が検出した電流値が0Aであった場合、高圧スイッチ151は開状態であると判定する(ステップS03,Yes)。
異常判定部181が、高圧スイッチ151の開状態を検知していない場合(ステップS03,No)、異常判定部181は、前回の異常の判定で、高圧スイッチ151の連続開回数がカウントされていたか、カウントされていなかったかの判定(ステップS04)を行う。連続開回数とは、開閉検出部16が、高圧スイッチ151が開状態であることを連続して検出した回数である。
高圧スイッチ151の連続開回数がカウントされていた場合(ステップS04,Yes)、つまり連続開回数が0でない場合、異常判定部181は、連続開回数の値を0にリセットする(ステップS05)。高圧スイッチ151の連続開回数がカウントされていなかった場合(ステップS04,No)、つまり連続開回数が0である場合、処理はステップS06へ進む。
異常判定部181は、温度検出部152が検出した圧縮機14の温度が、しきい値以上であるかの判定を行う(ステップS06)。例えば、圧縮機14の温度のしきい値は、150℃とする。
圧縮機14の温度が、しきい値以上である場合(ステップS06,Yes)、異常判定部181は、高圧スイッチ151は閉状態であるが、空気調和機1に異常が発生していると判定し、圧縮機14の出力を制限する(ステップS15)。この場合、本フローチャートに記載はないが、圧縮機14の出力を制限するだけでなく、圧縮機14を停止する処理を加えてもよい。
圧縮機14の温度が、しきい値より小さい値である場合(ステップS06,No)、異常判定部181は、空気調和機1は正常に動作していると判定し(ステップS07)、処理は終了する。この処理開始から処理終了までのフローは周期的に行われる。例えば、処理開始から処理終了までのフローを1ミリ秒以内の周期とすることで、異常判定部181は、一時的な冷媒負荷の増加に起因する圧力上昇を検出することができる。一時的な冷媒負荷の増加とは、圧縮機14の駆動周波数の増加に対して、冷媒回路15による熱交換が追い付かず、一時的に冷媒回路15内の冷媒の圧力が上昇することである。
異常判定部181が、高圧スイッチ151の開状態を検出している場合(ステップS03,Yes)、異常判定部181は、高圧スイッチ151の開回数をカウントアップし、次の処理へ進む(ステップS08)。開回数とは、高圧スイッチ151が閉状態から開状態へ遷移し、再度閉状態へ遷移する一連の動作の回数である。
異常判定部181は、連続開回数をカウントアップするか判定する。異常判定部181が、前回の判定から継続して開状態を検出した場合(ステップS09,Yes)、異常判定部181は、連続開回数をカウントアップする(ステップS10)。本処理では、一例として1ミリ秒毎に判定を行い、直近100ミリ秒での高圧スイッチ151の状態検出を行う。なお、異常判定部181は、直近100ミリ秒での高圧スイッチ151の開回数を判定することとしているが、100ミリ秒より判定する時間を長くしてもよく、100ミリ秒より判定する時間を短くしてもよい。本処理では、連続開回数にしきい値を設け、高圧スイッチ151の開状態の連続開回数によって、圧縮機14に異常が発生しているかを判定する。また、本処理では、開回数は、空気調和機1が運転開始されてから開状態となった積算の回数から直近100ミリ秒の開回数をカウントするが、その他、直近100ミリ秒よりも前の開回数の情報は、破棄することで開回数をカウントする方法も挙げられる。異常判定部181が、前回の判定から継続して開状態を検出しない場合(ステップS09,No)、処理はステップS11へ進む。
異常判定部181は、連続開回数がしきい値以上であるかの判定(ステップS11)を行う。本実施の形態では、連続開回数を20回とするが、20回以外の値をしきい値としてもよい。
異常判定部181は、連続開回数がしきい値以上であると判定した場合(ステップS11,Yes)、異常判定部181は、電圧生成部17の動作を停止する(ステップS16)。またフローチャートへの記載はないが、電圧生成部17への電源供給の停止と並行して、圧縮機制御部182を経由してインバータ制御部19へ、圧縮機14の停止指令を与え、圧縮機14の動作を停止させることとしてもよい。
高圧スイッチ151の連続開回数がしきい値より小さい値であった場合(ステップS11,No)、異常判定部181は、連続開回数のカウントアップが停止していることを確認し、直近100ミリ秒の高圧スイッチ151の開回数がしきい値以上であるかの判定を行う(ステップS12)。本実施の形態では、開回数のしきい値を50回とするが、50回以外の値としてもよい。高圧スイッチ151が頻繁に開状態と閉状態とに遷移する異常が発生している場合、連続開回数は小さい値となるため異常と判定することができない。しかし、高圧スイッチ151が頻繁に開状態と閉状態とに遷移する場合でも、開回数の値は大きくなるため、異常判定部181は、開回数がしきい値以上であるかを判定することで、圧縮機14の異常を検知することができる。
直近100ミリ秒の高圧スイッチ151の開回数がしきい値以上である場合(ステップS12,Yes)、異常判定部181は、圧縮機14の圧力値が異常であると判断し、電圧生成部17の動作を停止させ(ステップS16)、並行してインバータ制御部19へ停止指令を与える。ここで、異常判定部181は、直近100ミリ秒の開回数を判定することとしているが、100ミリ秒より判定する時間を長くしてもよく、100ミリ秒より判定する時間を短くしてもよい。
直近100ミリ秒の高圧スイッチ151の開回数がしきい値より小さい値である場合(ステップS12,No)、異常判定部181は、高圧スイッチ151の開状態が検出された時のインバータ12の駆動周波数がしきい値以上であるか判定を行う(ステップS13)。高圧スイッチ151の開状態を検出時のインバータ12の駆動周波数は、例えば、インバータ12が出力する圧縮機14の駆動指令値から検知される。本実施の形態では、インバータ12の駆動周波数のしきい値を第1のしきい値とするが、第1のしきい値以外の値としてもよい。第1のしきい値は、例えば、インバータ12の最大駆動周波数の90%の値である。
インバータ12の駆動周波数がしきい値以上である場合(ステップS13,Yes)、異常判定部181は、冷媒回路15内の冷媒負荷が増加していると判断し、電圧生成部17の動作を停止させ(ステップS16)、並行してインバータ制御部19へ停止指令を与える。本処理は、インバータ12の駆動周波数が一定のしきい値を超えることで、圧縮機14の停止を行っているが、ステップS12の処理と組み合わせて直近100ミリ秒間の高圧スイッチ151の開回数に応じて複数のしきい値を設けてもよい。複数のしきい値を設ける例として、直近100ミリ秒間の高圧スイッチ151の開回数を20回より多く検知しているとき、駆動周波数のしきい値を第1のしきい値とし、直近100ミリ秒間の高圧スイッチ151の開回数を40回より多く検知しているとき、駆動周波数のしきい値を第2のしきい値とする例が挙げられる。第2のしきい値は、例えば、インバータ12の最大駆動周波数の80%の値である。
インバータ12の駆動周波数がしきい値より小さい値である場合(ステップS13,No)、異常判定部181は、温度検出部152が検知する圧縮機14の温度がしきい値以上かの判定(ステップS14)を行う。圧縮機14の温度を検出することで、冷媒回路15内の圧力を算出することができる。圧縮機14の温度がしきい値以上である場合(ステップS14,Yes)、異常判定部181は、冷媒回路15内の冷媒負荷の増加により圧縮機14の温度が上昇したと判定し、電圧生成部17の動作を停止させ(ステップS16)、並行してインバータ制御部19へ停止指令を与える。なお、ステップS14で判定に用いる温度のしきい値はステップS06の判定で用いるしきい値とは異なる値を用いることを想定しているが、同じ値を用いて判定を行ってもよい。圧縮機14の温度がしきい値よりも小さい場合(ステップS14,No)、異常判定部181は、高圧スイッチ151は開状態であるが、圧縮機14の温度は正常であるため、圧縮機14をただちに停止する必要はないと判定し、圧縮機14の出力を制限する(ステップS15)。
なお、フローチャートへ図示はしていないが、起動時からの一定時間内の高圧スイッチ151の開回数をカウントしておき、高圧スイッチ151の開回数が、一定回数を超えた場合、圧縮機制御部182は、圧縮機14、開閉検出部16、または異常判定部181の故障が発生していると判定し、異常信号を外部へ送信するとしてもよい。また、一定時間内に高圧スイッチ151の開回数が、設定した回数を超えなかった場合には、高圧スイッチ151の開回数をリセットする処理を行ってもよい。例えば、起動時から30分以内の高圧スイッチ151の開回数をカウントし、カウント数が100回を超えた場合、圧縮機14、開閉検出部16、または異常判定部181は故障が発生していると、圧縮機制御部182が判定し、異常信号を外部へ出力する。30分内のカウント数が設定した回数を超えなかった場合は、異常判定部181は、カウント数をリセットする処理をすることとしてもよい。
圧縮機14の圧力の値がしきい値以上となる異常時には、高圧スイッチ151は、開状態となり圧縮機14の圧縮動作を停止させる。高圧スイッチ151が開状態となる条件は、一般的には圧力が上がり続ける場合である。しかし、空気調和機1の運転条件によっては、一時的に圧縮機14の圧力がしきい値以上となるが、その後、すぐにしきい値よりも小さくなる場合もある。この場合、高圧スイッチ151が開状態となっても平滑用コンデンサ13の残留電荷により、電圧生成部17は動作を停止せず、圧縮機14の圧縮動作が停止しない。このため、空気調和機1は、運転を続けることとなる。圧縮機14の圧縮動作が停止しない状態は、冷媒回路15内の圧力が上昇した、圧力をより低下させるべき状態であるため、必要に応じ圧縮機14の出力を制限、または停止する必要がある。本実施の形態は、開閉検出部16と、異常判定部181と、圧縮機制御部182とを用いてこの高圧スイッチ151の開状態と冷媒回路15の温度検出部152とを監視することで圧縮機14の一時的な冷媒負荷を原因とする圧力変動にも対応した空気調和機1の運転ができる。
以上説明したように、本実施の形態によれば、異常判定部181は、一時的な冷媒負荷の増加に起因する異常と、圧縮機14を停止する必要がある異常とを切り分けることが可能であり、一時的な冷媒負荷を原因とする圧力上昇である場合、密閉型圧縮機の停止を抑制することができる。なお、本実施の形態で説明した起動装置は空気調和機1に適しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、交流電源に接続され、密閉型圧縮機を備えるその他の機器にも適用することができる。
以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。
1 空気調和機、2 商用交流電源、10 ノイズフィルタ、11 コンバータ、12 インバータ、13 平滑用コンデンサ、14 圧縮機、15 冷媒回路、16 開閉検出部、17 電圧生成部、18 制御部、19 インバータ制御部、151 高圧スイッチ、152 温度検出部、161 シャント抵抗、162 監視部、181 異常判定部、182 圧縮機制御部、200 制御回路、200a プロセッサ、200b メモリ。

Claims (3)

  1. 冷媒を圧縮する密閉型の圧縮機と、
    交流電源から供給される第1交流電力を直流電力に変換するコンバータと、
    前記コンバータと高電位側の直流母線と低電位側の直流母線と接続され、前記コンバータから供給される前記直流電力を前記圧縮機を駆動する第2交流電力に変換し、前記第2交流電力を前記圧縮機へ印加し、前記圧縮機を駆動るインバータと、
    前記高電位側の直流母線と接続され、前記圧縮機の圧力がしきい値以上になったとき開状態となる高圧スイッチと、
    前記高圧スイッチに接続されるシャント抵抗と、前記シャント抵抗に流れる電流値を監視する監視部とを有し、前記高圧スイッチが開状態であることを検出する開閉検出部と、
    前記インバータを制御するインバータ制御部と、
    前記シャント抵抗と接続され、前記シャント抵抗で降圧された電圧であってかつ前記インバータ制御部の電源となる電圧を前記インバータ制御部へ印加する電圧生成部と、
    前記開閉検出部と前記電圧生成部との間に設置され、前記開閉検出部から前記電圧生成部に印加される電圧の変動を抑制する平滑用コンデンサと、
    前記高圧スイッチが開状態であることを前記開閉検出部が検出した場合、前記高圧スイッチが連続して開状態となっている回数である連続開回数、前記高圧スイッチが開状態となった回数である開回数、前記圧縮機の駆動周波数、および前記圧縮機の温度が、それぞれのしきい値よりも小さい値である場合、前記圧縮機の出力を制限させる制御部と、
    を備えることを特徴とする空気調和機。
  2. 前記制御部は、
    前記高圧スイッチが開状態であることを前記開閉検出部が検出しない場合、前記圧縮機の運転を継続させることを特徴とする請求項1に記載の空気調和機。
  3. 前記制御部は、
    記連続開回数、前記開回数、前記圧縮機の駆動周波数、および前記圧縮機の温度のうち少なくとも1つが、前記それぞれのしきい値以上である場合、前記圧縮機を停止させることを特徴とする請求項1または2に記載の空気調和機。
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