JP7168854B2 - 空気調和機及び予熱運転方法 - Google Patents

Description

本開示は、圧縮機の予熱を要する環境で使用される空気調和機及び予熱運転方法に関する。

寒冷地で使用される空気調和機においては、圧縮機の油及び冷媒を暖めることが必要となる場合がある。そこで、気温に応じて、圧縮機を駆動する駆動回路のインバータを予熱用に動作させ、圧縮機のモータを回転させないように電流を流し、予熱を行うことが知られている（例えば、特許文献１参照。）。

図１は、空気調和機（室外機）に搭載される圧縮機の駆動回路における主回路構成要素のみを簡略に記載した図の一例である。交流電源２０１と整流器２０３との間の交流電路には主回路リレー２０２が設けられている。整流器２０３の直流出力側の直流電路には、ＤＣリアクター２０４及び平滑コンデンサ２０５が接続されている。直流電路にはＩＰＭ（Intelligent Power Module）としてモジュール化されたインバータ２０８が接続されている。インバータ２０８には圧縮機２０９が接続されている。直流電路の電圧は、シャント抵抗２０６，２０７により分圧され、ＤＣ電圧として制御部（図示せず。）に送られる。

圧縮機２０９の通常の空調運転時には、主回路リレー２０２は閉路している。インバータ２０８は３相交流電力を出力し、圧縮機２０９を回転させる。一方、予熱運転中には、主回路リレー２０２は閉路しており、かつ、インバータ２０８は例えば３相巻線のうち２相巻線にのみ電流を流すことにより欠相運転となるスイッチ動作を行う。欠相運転時の圧縮機２０９は回転しないが、内部の巻線に通電されることにより発熱する。こうして、圧縮機２０９の予熱が行われる。予熱運転中、主回路リレー２０２は閉路したままである。圧縮機２０９の予熱に寄与している電力が例えば４０Ｗとすると、駆動回路が消費している電力、言い換えれば、交流電源２０１が供給している電力はそれより多く、例えば７０～８０Ｗになる。

特開２０００－２０５６２７号公報

上記のように、予熱運転中には、予熱に寄与しない電力損失も生じている。
本開示は、予熱のために供給する電力を低減することを目的とする。

（１）本開示の空気調和機は、圧縮機と、前記圧縮機を駆動する駆動回路とを有する空気調和機であって、前記駆動回路は、交流電路と、前記交流電路に接続された整流器と、前記整流器の出力側の直流電路と、前記直流電路に接続された平滑コンデンサと、前記直流電路に接続されたインバータと、前記交流電路から前記平滑コンデンサに至るまでの通電経路上に設けられたスイッチと、前記インバータを介して前記圧縮機に予熱用の通電を行う予熱運転中に、前記スイッチが閉路及び開路を実行するよう制御する制御部と、を備えている。
上記のように構成された空気調和機では、予熱のための電力損失を低減することができる。

以下（２）から（６）までは、付随的もしくは選択的な記載である。
（２）前記空気調和機において、前記直流電路にはＤＣリアクターが設けられており、前記交流電路から前記平滑コンデンサまでの配置は、前記交流電路、前記整流器、前記ＤＣリアクター、及び、前記平滑コンデンサの順である。
この場合、整流器のみならず、ＤＣリアクターの比較的大きい電力損失をも低減することができる。

（３）前記空気調和機において、前記制御部は、前記予熱運転中に、前記スイッチの閉路及び開路を繰り返し実行させる。
この場合、平滑コンデンサが比較的小容量（例えば数十μF）であっても、放電及び充電を繰り返すことにより、直流電路の電圧が低下し過ぎるのを抑制しつつ、周期的に平滑コンデンサを放電させ、かつ、電力損失を抑制することができる。

（４）前記空気調和機において、前記制御部は、前記直流電路の電圧が所定の電圧閾値に低下すると前記スイッチを閉路させる。
この場合、直流電路の電圧が電圧閾値より下がることを防止することができる。

（５）前記空気調和機において、前記スイッチは、前記交流電路の主回路スイッチと並列なバイパス回路を構成する予熱用スイッチであり、前記制御部は、前記予熱運転中に、前記主回路スイッチを開路させている。
この場合、主回路スイッチを開路させたままで、予熱用スイッチの開閉により予熱運転を行うことができる。

（６）前記空気調和機において、前記バイパス回路は、前記予熱用スイッチと直列に、電流抑制素子が接続されたものである。
この場合、開路状態の予熱用スイッチを閉路する瞬間の突入電流を電流抑制素子により低減することができる。

（７）本開示の予熱運転方法は、空気調和機の圧縮機を駆動する駆動回路を用いた予熱運転方法であって、交流電路から整流器を介して、平滑コンデンサを含む直流電路に電力供給するとともに、前記交流電路の電力に基づいて、前記直流電路からインバータを介して前記圧縮機を予熱する第１の期間と、前記交流電路からの電力供給を停止し、前記平滑コンデンサの放電電力により前記インバータを介して前記圧縮機を予熱する第２の期間と、を有する。
上記の予熱運転方法によれば、予熱のための電力損失を低減することができる。

従来の空気調和機に搭載される圧縮機の駆動回路における主回路構成要素のみを簡略に記載した図の一例である。 空気調和機（室外機）における圧縮機の駆動回路の一例を示す回路図である。 予熱運転の手順の一例を示すフローチャートである。 予熱運転中の各部の動作、電圧、電力等を表すタイムチャートである。

《駆動回路の構成例及び通常動作》
以下、一実施形態について説明する。
図２は、空気調和機（室外機）１００における圧縮機２の駆動回路５０の一例を示す回路図である。駆動回路５０は、例えば１つのプリント基板上に構成されている。交流電源１からの交流電路３（２線）のうちの１線には、主回路スイッチ５が設けられている。主回路スイッチ５には並列に、バイパス回路６が接続されている。バイパス回路６は、予熱用スイッチ７と、電流抑制素子８とを互いに直列に接続したものである。電流抑制素子８は、予熱用スイッチ７が閉路したときの突入電流を抑制する。突入電流を抑制することによって、予熱用スイッチ７の劣化を抑制し、耐用開閉回数をより多くすることができる。

主回路スイッチ５及び予熱用スイッチ７としては、励磁動作式の機械的な接点リレーを用いることができるが、半導体リレー又は半導体スイッチ素子を使用することもできる。電流抑制素子８とは、抵抗又はＮＴＣサーミスタ（Negative Temperature Coefficient Thermistor）である。ＮＴＣサーミスタは、通電により温度が高くなると抵抗値が下がる。

交流電路３には、フルブリッジの整流器４が接続されている。整流器４の直流出力端から、インバータ１０に至る直流電路９（ＤＣリンク）の１線には、ＤＣリアクター１１が設けられている。インバータ１０は、ＩＰＭ（Intelligent Power Module）としてモジュール化されている。ＤＣリアクター１１よりインバータ１０側の直流電路９の２線間には、平滑コンデンサ１２、及び、２つのシャント抵抗１３，１４の直列体が接続されている。

２つのシャント抵抗１３，１４の相互接続点の電圧を検出すれば、検出値に基づいて直流電路９のＤＣ電圧（平滑コンデンサ１２の両端電圧）がわかる。２つのシャント抵抗１３，１４の相互接続点の電圧は、制御部１５に送られている。制御部１５はＣＰＵ及びメモリを有し、メモリに記録されたプログラムを実行することにより必要な制御を行うことができる。

制御部１５には、圧縮機２の近傍の温度を検出する温度センサ１７の出力信号が入力されている。制御部１５は、主回路スイッチ５及び予熱用スイッチ７の開閉を制御する。インバータ１０は専用の制御部１６を有しており、インバータ１０は制御部１６の指令を受けてスイッチング動作する。制御部１６はＣＰＵ及びメモリを有し、メモリに記録されたプログラムを実行することにより必要な制御を行うことができる。２つの制御部１５，１６は、相互に制御情報の通信を行うことができる。なお、制御部１５，１６は、１つの制御部としてまとめてもよい。

上記のように構成された空気調和機１００の駆動回路５０において、通常の空調運転時は、主回路スイッチ５が閉路され、予熱用スイッチ７は開路されている。インバータ１０は、制御部１６の指令に応じてスイッチング動作し、圧縮機２を回転駆動する。

なお、整流器４にはＡＣ／ＤＣ変換に際し、電力損失がある。ＤＣリアクター１１も通電による電力損失がある。電流抑制素子８も同様である。以下に述べる予熱運転では、これらの電力損失に配慮した制御を行う。

《予熱運転》
次に、予熱運転について説明する。
図３は、予熱運転の手順の一例を示すフローチャートである。このフローチャートを実行するのは制御部１５であるが、必要に応じて制御部１５から指令を受けた制御部１６も共同でフローチャートを実行する。予熱運転は、例えば、空気調和機１００が空調運転を停止している場合であって、温度センサ１７により検出される温度が所定温度以下になったときに行われる。予熱運転開始後は、例えば、温度センサ１７が検出する温度が上記の所定温度を越える温度になったときに予熱完了とするか、あるいは、予熱運転開始後から一定時間が経過したときに予熱完了とすることができる。

図４は、予熱運転中の各部の動作、電圧、電力等を表すタイムチャートである。横軸は時間を表している。上から順に、予熱用スイッチ７の開閉（Ｈレベルが閉、Ｌレベルが開）、主回路スイッチ５の開閉、直流電路９のＤＣ電圧、圧縮機２に供給される予熱電力、駆動回路５０の消費電力を、それぞれ表している。以下、図４を参照しつつ、図３のフローチャートに従って予熱運転の動作を説明する。

図３において、予熱開始する場合、制御部１５は、まず、主回路スイッチ５を開路する（ステップＳ１）。予熱運転中は終始、主回路スイッチ５は開路している。図４では、時刻Ｔ０のタイミングである。このとき、予熱用スイッチ７も開路している状態である。そして、制御部１５から制御部１６に指令を送り、制御部１６は、インバータ１０を予熱運転用に動作させる（ステップＳ２）。

インバータ１０による予熱運転用の動作とは、例えば、圧縮機２に対する欠相運転である。欠相運転では、回転磁界を生じさせないように、圧縮機２内の３相のモータ巻線のうち２相のモータ巻線にのみ電流を流す。これにより、通電されたモータ巻線の発熱により圧縮機２は予熱される。予熱により、油と溶け合っている冷媒を分離することができる。

また、誘導加熱によって予熱運転を行うこともできる。この場合は、回転磁界を生じさせないように、圧縮機２内の３相のモータ巻線のうち２相のモータ巻線にのみ高周波の電流を流す。これにより、高周波の電流が流れたモータ巻線の発熱により圧縮機２は予熱される。予熱により、油と溶け合っている冷媒を分離することができる。

インバータ１０による予熱運転が開始されると、平滑コンデンサ１２の放電によりインバータ１０に対して予熱電力Ｐ０が提供される（図４）。この時点では、交流電源１から電力が供給されていないため、平滑コンデンサ１２の放電により、ＤＣ電圧が低下し始める（図４における時刻Ｔ０の直後）。

続いて制御部１５は、予熱用スイッチ７を時刻Ｔ１からＴ２までの一定時間にわたって閉路する（ステップＳ３）。この一定時間とは、平滑コンデンサ１２を満充電の状態にするに十分な時間である。

次に、制御部１５は、時刻Ｔ２において予熱用スイッチ７を開路する（ステップＳ４）。予熱用スイッチ７が開路されることにより交流電路３からの電力供給は絶たれるが、平滑コンデンサ１２が放電してインバータ１０への予熱電力の供給を維持する。平滑コンデンサ１２の放電によりＤＣ電圧は低下する。ＤＣ電圧が所定の電圧閾値Ｖ_{ＤＣ＿ｔｈ１}に低下するまでは（ステップＳ５）、予熱完了とならない限り（ステップＳ６）、制御部１５はステップＳ４，Ｓ５，Ｓ６の処理を繰り返す。なお、電圧閾値Ｖ_{ＤＣ＿ｔｈ１}は、ＤＣ電圧の不足として異常と認知されるレベルにまで低下しないように、不足電圧異常閾値Ｖ_{ＤＣ＿ｔｈ}より少し大きい値である。

時刻Ｔ３において、ＤＣ電圧が所定値Ｖ_{ＤＣ＿ｔｈ１}まで低下するとステップＳ５で「ＹＥＳ」となり、制御部１５は、時刻Ｔ３からＴ４までの一定時間、予熱用スイッチ７を閉路する（ステップＳ３）。この一定時間とは、前述の時刻Ｔ１からＴ２までの時間と同じである。

以下同様に、予熱用スイッチ７の開路（時刻Ｔ４～Ｔ５，Ｔ６～Ｔ７，Ｔ８～Ｔ９）及び閉路（時刻Ｔ５～Ｔ６，Ｔ７～Ｔ８，Ｔ９～Ｔ１０）が繰り返される。予熱完了となった場合（ステップＳ６の「ＹＥＳ」）、制御部１５，１６は、インバータ１０の予熱運転を停止させる（ステップＳ７）。そして、制御部１５は主回路スイッチ５を閉路し、かつ、予熱用スイッチ７を開路又は開路維持する（ステップＳ８）。こうして時刻Ｔ１１に予熱運転が終わる。

上記の予熱運転において、図４の最下段に示すように、駆動回路５０の消費電力（交流電源１から交流電路３を経て供給している電力）は、予熱用スイッチ７が開路している期間は発生しない。予熱用スイッチ７が開路している期間は、平滑コンデンサ１２の放電により予熱電力がインバータ１０に提供されているからである。従って、予熱用スイッチ７が開路している期間は、ＤＣリアクター１１、整流器４、及び、電流抑制素子８において電力損失は発生しない。予熱運転期間全体を通してみると、電力損失が発生しない期間がある分だけ、電力損失が抑制される。

空気調和機には家庭用と業務用とがあるが、業務用は家庭用よりも予熱運転用の電力が大きく、予熱に寄与しない電力損失も大きくなる傾向にある。従って、予熱運転中の電力損失を抑制することにより、業務用の空気調和機では特に、電力損失の低減効果が大きくなる。

上記開示では、予熱運転中に開閉されるスイッチとして、主回路スイッチ５のバイパス回路６に設けた予熱用スイッチ７を用いた。しかしながら、ＤＣリアクター１１にも一定の突入電流抑制の効果があるので、予熱運転中に開閉されるスイッチは、このような予熱用スイッチ７に限られない。例えば、予熱運転中に、主回路スイッチ５を開閉することによっても同様なことができる。また、整流器４とＤＣリアクター１１との間に、予熱運転中に開閉されるスイッチを設けることもできる。要するに、交流電路３から平滑コンデンサ１２に至るまでの通電経路上にスイッチを設ける必要がある。

《開示のまとめ》
以上の開示のまとめとして例えば以下のように表現できる。

本開示の空気調和機１００における駆動回路５０には、交流電路３から平滑コンデンサ１２に至るまでの通電経路上にスイッチ（例えば予熱用スイッチ７）が設けられている。制御部１５は、インバータ１０を介して圧縮機２に予熱用の通電を行う予熱運転中に、スイッチが閉路及び開路を実行するよう制御する。

このような空気調和機１００における駆動回路５０では、スイッチの閉路時と開路時とで、予熱の電力の、直接の供給元が異なる。スイッチの閉路時には、交流電路３の電力に基づいて、整流器４を経て平滑コンデンサ１２が充電されるとともに、直流電路９に与えられた電力によりインバータ１０を介して予熱運転が行われる。スイッチの開路時には、交流電路３からの電力供給は停止するが、平滑コンデンサ１２の放電電力により、インバータ１０を介して予熱運転を行うことができる。スイッチの開路時には、交流電路３から整流器４に電流が流れないので、少なくともＡＣ／ＤＣ変換の際の電力損失を生じない。このように、予熱運転中にスイッチを開路している期間があることにより、予熱のための電力損失を低減することができる。

直流電路９にはＤＣリアクター１１が設けられており、交流電路３から平滑コンデンサ１２までの配置は、交流電路３、整流器４、ＤＣリアクター１１、及び、平滑コンデンサ１２の順である。この場合、スイッチの開路時に、整流器４及びＤＣリアクター１１に電流が流れない。従って、整流器４のみならず、ＤＣリアクター１１の比較的大きい電力損失をも低減することができる。

制御部１５は、予熱運転中に、スイッチの閉路及び開路を繰り返し実行させる。この場合、平滑コンデンサ１２が比較的小容量（例えば数十μF）であっても、放電及び充電を繰り返すことにより、直流電路９の電圧が低下し過ぎるのを抑制しつつ、周期的に平滑コンデンサ１２を放電させ、かつ、電力損失を抑制することができる。

スイッチは、例えば、交流電路３の主回路スイッチ５と並列なバイパス回路６を構成する予熱用スイッチ７であり、制御部１５は、予熱運転中に、主回路スイッチ５を開路させている。この場合、主回路スイッチ５を開路させたままで、予熱用スイッチ７の開閉により予熱運転を行うことができる。

バイパス回路６は、予熱用スイッチ７と直列に、電流抑制素子８が接続されたものである。この場合、開路状態の予熱用スイッチを閉路する瞬間の突入電流を電流抑制素子８により低減することができる。

制御部１５は、直流電路９の電圧が所定の電圧閾値に低下するとスイッチを閉路させる。従って、直流電路９の電圧が電圧閾値より下がることを防止できる。

本開示は、空気調和機の圧縮機２を駆動する駆動回路５０を用いた予熱運転方法でもある。当該予熱運転方法は、交流電路３から整流器４を介して、平滑コンデンサ１２を含む直流電路９に電力供給するとともに、交流電路３の電力に基づいて、直流電路９からインバータ１０を介して圧縮機２を予熱する第１の期間と、交流電路３からの電力供給を停止し、平滑コンデンサ１２の放電電力によりインバータ１０を介して圧縮機２を予熱する第２の期間と、を有する。

上記の予熱運転方法によれば、第１の期間と第２の期間とで、予熱の電力の、直接の供給元が異なる。第１の期間には、交流電路３の電力に基づいて、整流器４を経て平滑コンデンサ１２が充電されるとともに、直流電路９に与えられた電力によりインバータ１０を介して予熱運転が行われる。一方、第２の期間には、交流電路３からの電力供給は停止するが、平滑コンデンサ１２の放電電力により、インバータ１０を介して予熱運転を行うことができる。第２の期間には、交流電路３から整流器４に電流が流れないので、少なくともＡＣ／ＤＣ変換の際の電力損失を生じない。このように、第２の期間があることにより、予熱のための電力損失を低減することができる。

以上、実施形態について説明したが、特許請求の範囲の趣旨及び範囲から逸脱することなく、形態や詳細の多様な変更が可能なことが理解されるであろう。

１：交流電源、２：圧縮機、３：交流電路、４：整流器、５：主回路スイッチ、６：バイパス回路、７：予熱用スイッチ、８：電流抑制素子、９：直流電路、１０：インバータ、１１：ＤＣリアクター、１２：平滑コンデンサ、１３，１４：シャント抵抗、１５，１６：制御部、１７：温度センサ、５０：駆動回路、１００：空気調和機、２０１：交流電源、２０２：主回路リレー、２０３：整流器、２０４：ＤＣリアクター、２０５：平滑コンデンサ、２０６，２０７：シャント抵抗、２０８：インバータ、２０９：圧縮機

Claims (6)

1. 圧縮機（２）と、前記圧縮機（２）を駆動する駆動回路（５０）とを有する空気調和機であって、前記駆動回路（５０）は、
   交流電路（３）と、
   前記交流電路（３）に接続された整流器（４）と、
   前記整流器（４）の出力側の直流電路（９）と、
   前記直流電路（９）に接続された平滑コンデンサ（１２）と、
   前記直流電路（９）に接続されたインバータ（１０）と、
   前記交流電路（３）から前記平滑コンデンサ（１２）に至るまでの通電経路上に設けられたスイッチ（７）と、
   前記インバータ（１０）を介して前記圧縮機（２）に予熱用の通電を行う予熱運転中に、前記スイッチ（７）が閉路及び開路を実行するよう制御する制御部（１５）と、を備えており、
   前記制御部（１５）は、前記予熱運転中に、前記スイッチ（７）の閉路及び開路を繰り返し実行させ る空気調和機。
2. 圧縮機（２）と、前記圧縮機（２）を駆動する駆動回路（５０）とを有する空気調和機であって、前記駆動回路（５０）は、
   交流電路（３）と、
   前記交流電路（３）に接続された整流器（４）と、
   前記整流器（４）の出力側の直流電路（９）と、
   前記直流電路（９）に接続された平滑コンデンサ（１２）と、
   前記直流電路（９）に接続されたインバータ（１０）と、
   前記交流電路（３）から前記平滑コンデンサ（１２）に至るまでの通電経路上に設けられたスイッチ（７）と、
   前記インバータ（１０）を介して前記圧縮機（２）に予熱用の通電を行う予熱運転中に、前記スイッチ（７）が閉路及び開路を実行するよう制御する制御部（１５）と、を備えており、
   前記制御部（１５）は、前記直流電路（９）の電圧が所定の電圧閾値に低下すると前記スイッチ（７）を閉路させる 空気調和機。
3. 圧縮機（２）と、前記圧縮機（２）を駆動する駆動回路（５０）とを有する空気調和機であって、前記駆動回路（５０）は、
   交流電路（３）と、
   前記交流電路（３）に接続された整流器（４）と、
   前記整流器（４）の出力側の直流電路（９）と、
   前記直流電路（９）に接続された平滑コンデンサ（１２）と、
   前記直流電路（９）に接続されたインバータ（１０）と、
   前記交流電路（３）から前記平滑コンデンサ（１２）に至るまでの通電経路上に設けられたスイッチ（７）と、
   前記インバータ（１０）を介して前記圧縮機（２）に予熱用の通電を行う予熱運転中に、前記スイッチ（７）が閉路及び開路を実行するよう制御する制御部（１５）と、を備えており、
   前記スイッチ（７）は、前記交流電路（３）の主回路スイッチ（５）と並列なバイパス回路（６）を構成する予熱用スイッチ（７）であり、前記制御部（１５）は、前記予熱運転中に、前記主回路スイッチ（５）を開路させている 空気調和機。
4. 前記バイパス回路（６）は、前記予熱用スイッチ（７）と直列に、電流抑制素子（８）が接続されたものである請求項３に記載の空気調和機。
5. 前記直流電路にはＤＣリアクター（１１）が設けられており、
   前記交流電路（３）から前記平滑コンデンサ（１２）までの配置は、前記交流電路（３）、前記整流器（４）、前記ＤＣリアクター（１１）、及び、前記平滑コンデンサ（１２）の順である請求項１～４のいずれか１項に記載の空気調和機。
6. 空気調和機の圧縮機（２）を駆動する駆動回路（５０）を用いた予熱運転方法であって、
   交流電路（３）から整流器（４）を介して、平滑コンデンサ（１２）を含む直流電路（９）に電力供給するとともに、前記交流電路（３）の電力に基づいて、前記直流電路（９）からインバータ（１０）を介して前記圧縮機（２）を予熱する第１の期間と、
   前記交流電路（３）からの電力供給を停止し、前記平滑コンデンサ（１２）の放電電力により前記インバータ（１０）を介して前記圧縮機（２）を予熱する第２の期間と、
   を有する予熱運転方法。

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