JP7168884B2

JP7168884B2 - 空気調和機

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Publication number: JP7168884B2
Application number: JP2021053661A
Authority: JP
Inventors: 伸夫林; 卓郎小川; 孝幸宮島
Original assignee: Daikin Industries Ltd
Current assignee: Daikin Industries Ltd
Priority date: 2021-03-26
Filing date: 2021-03-26
Publication date: 2022-11-10
Anticipated expiration: 2041-03-26
Also published as: JP2022150871A

Description

本開示は、室内機及び室外機を備えた空気調和機に関する。

特許文献１には、単相交流電源から供給された交流を整流して出力するコンバータ回路と、前記コンバータ回路により出力された直流を交流に変換するインバータ回路と、前記インバータ回路の入力ノード間に接続されたコンデンサとを有する電力変換装置が開示されている。この電力変換装置では、前記単相交流電源と前記コンバータ回路との間にリアクトルを設け、前記単相交流電源から前記リアクトルを介して前記コンバータ回路に交流が供給されるようにしている。

特許第５７４１０００号公報

空気調和機の室内機と室外機に、特許文献１のような電力変換装置を設け、室外機側のコンバータ回路には、単相交流電源からリアクトルを介して交流が供給される一方、室内機側のコンバータ回路には、単相交流電源からリアクトルを介さずに交流が供給されるようにすることが考えられる。このようにした場合、室内機側のコンバータ回路には、単相交流電源からリアクトルを介さずに交流が供給されるので、室内機側のコンバータ回路の入力電流に重畳する高調波成分が大きくなる。その結果、室内機側と室外機側のコンバータ回路の入力電流の合計、すなわち空気調和機全体の入力電流に重畳する高調波成分が大きくなる。

本開示の目的は、室内機と室外機を備えた空気調和機の入力電流に重畳する高調波成分を抑制することにある。

本開示の第１の態様は、室内機（10）及び室外機（20）を備えた空気調和機であって、前記室内機（10）及び室外機（20）の一方は、リアクトル（L）を有し、前記室内機（10）は、単相交流電源（2）から前記リアクトル（L）を介して供給された交流を整流して出力する室内機側コンバータ回路（111）と、前記室内機側コンバータ回路（111）により出力された直流を交流に変換する室内機側インバータ回路（112）と、前記室内機側インバータ回路（112）の入力ノード（IN1,IN2）間に接続された室内機側コンデンサ（113）とを有し、前記室外機（20）は、前記単相交流電源（2）から前記リアクトル（L）を介して供給された交流を整流して出力する室外機側コンバータ回路（211）と、前記室外機側コンバータ回路（211）により出力された直流を交流に変換する室外機側インバータ回路（212）と、前記室外機側インバータ回路（212）の入力ノード（ON1,ON2）間に接続された室外機側コンデンサ（213）とを有している。

第１の態様では、室内機側コンバータ回路（111）と室外機側コンバータ回路（211）の両方に、単相交流電源（2）からリアクトル（L）を介して交流が供給されるので、室内機側コンバータ回路（111）に、単相交流電源（2）からリアクトル（L）を介さずに交流が供給される場合に比べ、室内機側コンバータ回路（111）の入力電流に重畳する高調波成分を抑制できる。その結果、室内機側コンバータ回路（111）と室外機側コンバータ回路（211）の入力電流の合計、すなわち空気調和機（1）全体の入力電流に重畳する高調波成分を抑制できる。

本開示の第２の態様は、第１の態様において、前記室外機側コンデンサ（213）は、前記室外機側コンバータ回路（211）の出力電圧の脈動を許容する。

室外機側コンバータ回路（211）の出力電圧の脈動を許容するためには、当該脈動を完全に吸収する場合に比べ、室外機側コンデンサ（213）の容量を小さく設定する必要がある。第２の態様では、室外機側コンデンサ（213）に室外機側コンバータ回路（211）の出力電圧の脈動を完全に吸収させる場合に比べ、室外機側コンバータ回路（211）の入力電圧半周期中の通電期間を長くできる。当該通電期間を長くすると、入力電流に含まれる高調波成分が小さくなるため、高調波成分の所定の抑制効果を得るために必要なリアクトル（L）のインダクタンスを小さくできる。したがって、リアクトル（L）のサイズを小さくできる。

本開示の第３の態様は、第１又は第２の態様において、前記室内機（10）が、前記リアクトル（L）を有し、前記リアクトル（L）、前記室内機側コンバータ回路（111）、前記室内機側インバータ回路（112）、及び前記室内機側コンデンサ（113）は、共通の基板（100）に実装されている。

第３の態様では、リアクトル（L）を実装するための基板を、室内機側コンバータ回路（111）、室内機側インバータ回路（112）、及び室内機側コンデンサ（113）を実装するための基板とは別に室内機（10）内に設ける場合に比べ、室内機（10）内に必要なスペースを小さくできるので、室内機（10）を小型化できる。

図１は、実施形態に係る空気調和機の構成を示す回路図である。図２は、比較例１における室内機側コンバータ回路の入力電流及び入力電圧を示すタイミングチャートである。図３は、実施例及び比較例１における室内機側コンバータ回路の入力電流に重畳する各次数の周波数成分を示すグラフである。図４は、ＩＥＣ６１０００－３－２で定められた高調波成分の限度値と、比較例２における室外機側コンバータ回路の入力電流に重畳する各次数の周波数成分を示すグラフである。図５は、ＩＥＣ６１０００－３－２で定められた高調波成分の限度値と、比較例３における室外機側コンバータ回路の入力電流に重畳する各次数の周波数成分を示すグラフである。図６は、ＩＥＣ６１０００－３－２で定められた高調波成分の限度値と、比較例２における空気調和機の入力電流に重畳する各次数の周波数成分を示すグラフである。

以下、本開示の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。

図１は、本開示の実施形態に係る空気調和機（1）を示す。この空気調和機（1）は、室内機（10）及び室外機（20）を備える。

室内機（10）は、リアクトル（L）と、室内機側電力変換装置（11）と、ファンモータ（12）と、図示しない室内機側筐体を備えている。リアクトル（L）と、室内機側電力変換装置（11）と、ファンモータ（12）とは、前記室内機側筐体に収容されている。

リアクトル（L）の一端は、単相交流電源（2）に接続されている一方、リアクトル（L）の他端は、室内機側電力変換装置（11）と後述する室外機側電力変換装置（21）とに接続されている。

室内機側電力変換装置（11）は、単相交流電源（2）からリアクトル（L）を介して供給される入力交流を、所望周波数及び所望電圧を有する出力交流に変換して、ファンモータ（12）に供給する。具体的には、室内機側電力変換装置（11）は、室内機側コンバータ回路（111）と、室内機側インバータ回路（112）と、室内機側コンデンサ（113）と、室内機側制御部（114）とを備えている。リアクトル（L）、室内機側コンバータ回路（111）、室内機側インバータ回路（112）、及び室内機側コンデンサ（113）は、共通の基板（100）に実装されている。

室内機側コンバータ回路（111）は、単相交流電源（2）からリアクトル（L）を介して供給された入力交流を整流して第１及び第２の室内機側直流電力線（115,116）に出力する。室内機側コンバータ回路（111）は、第１及び第２の室内機側入力端子（ITE1,ITE2）を備え、これら第１及び第２の室内機側入力端子（ITE1,ITE2）に前記入力交流が入力される。単相交流電源（2）と第１の室内機側入力端子（ITE1）との間にリアクトル（L）が接続されている。室内機側コンバータ回路（111）は、ブリッジ状に結線された第１～第４の室内機側整流ダイオード（111a～111d）を有している。これら第１～第４の室内機側整流ダイオード（111a～111d）は、そのカソードを第１の室内機側直流電力線（115）側に向けるとともに、そのアノードを第２の室内機側直流電力線（116）側に向けている。第１及び第２の室内機側整流ダイオード（111a,111b）は、第１及び第２の室内機側直流電力線（115,116）の間に第１の室内機側直流電力線（115）側から順に互いに直列に接続され、それらの接点は、第１の室内機側入力端子（ITE1）に接続されている。第３及び第４の室内機側整流ダイオード（111c,111d）は、第１及び第２の室内機側直流電力線（115,116）の間に第１の室内機側直流電力線（115）側から順に互いに直列に接続され、それらの接点は、第２の室内機側入力端子（ITE2）に接続されている。

室内機側インバータ回路（112）は、室内機側コンバータ回路（111）により出力された直流を交流にスイッチング動作により変換してファンモータ（12）に供給する。詳しくは、室内機側インバータ回路（112）は、６つの室内機側スイッチング素子（112a～112f）と、６つの室内機側還流ダイオード（112g）とを有している。６つの室内機側スイッチング素子（112a～112f）は、ブリッジ結線されている。詳しく説明すると、室内機側インバータ回路（112）は、第１及び第２の室内機側直流電力線（115,116）間に接続された３つのスイッチングレグを備えている。スイッチングレグは、２つの室内機側スイッチング素子（112a～112f）が互いに直列に接続されたものである。３つのスイッチングレグの各々において、上アームの室内機側スイッチング素子（112a,112c,112e）と下アームの室内機側スイッチング素子（112b,112d,112f）との中点が、ファンモータ（12）の各相のコイル（u相、v相、w相のコイル）にそれぞれ接続されている。各室内機側スイッチング素子（112a～112f）には、室内機側還流ダイオード（112g）が１つずつ逆並列に接続されている。

室内機側コンデンサ（113）は、室内機側インバータ回路（112）の入力ノード（IN1,IN2）間、すなわち第１及び第２の室内機側直流電力線（115,116）の間に接続されている。室内機側コンデンサ（113）は、室内機側コンバータ回路（111）及び室内機側インバータ回路（112）のそれぞれに対し並列に接続されている。この室内機側コンデンサ（113）は、室内機側コンバータ回路（111）の出力電圧を平滑化する平滑コンデンサである。

室内機側制御部（114）は、室内機側インバータ回路（112）の各スイッチング素子（112a～112f）にスイッチング信号を出力することにより、各スイッチング素子（112a～112f）のスイッチング動作を制御する。

ファンモータ（12）は、室内機側電力変換装置（11）により供給される交流によって駆動される。

室外機（20）は、室外機側電力変換装置（21）と、圧縮機用モータ（22）と、図示しない室外機側筐体を備えている。室外機側電力変換装置（21）と、圧縮機用モータ（22）とは、前記室外機側筐体に収容されている。

室外機側電力変換装置（21）は、室外機側コンバータ回路（211）と、室外機側インバータ回路（212）と、室外機側コンデンサ（213）と、室外機側制御部（214）とを備えている。

室外機側コンバータ回路（211）は、単相交流電源（2）からリアクトル（L）を介して供給された入力交流を整流して第１及び第２の室外機側直流電力線（215,216）に出力する。室外機側コンバータ回路（211）は、第１及び第２の室外機側入力端子（OTE1,OTE2）を備え、これら第１及び第２の室外機側入力端子（OTE1,OTE2）に前記入力交流が入力される。単相交流電源（2）と第１の室外機側入力端子（OTE1）との間にリアクトル（L）が接続されている。室外機側コンバータ回路（211）は、ブリッジ状に結線された第１～第４の室外機側整流ダイオード（211a～211d）を有している。これら第１～第４の室外機側整流ダイオード（211a～211d）は、そのカソードを第１の室外機側直流電力線（215）側に向けるとともに、そのアノードを第２の室外機側直流電力線（216）側に向けている。第１及び第２の室外機側整流ダイオード（211a,211b）は、第１及び第２の室外機側直流電力線（215,216）の間に第１の室外機側直流電力線（215）側から順に互いに直列に接続され、それらの接点は、第１の室外機側入力端子（OTE1）に接続されている。第３及び第４の室外機側整流ダイオード（211c,211d）は、第１及び第２の室外機側直流電力線（215,216）の間に第１の室外機側直流電力線（215）側から順に互いに直列に接続され、それらの接点は、第２の室外機側入力端子（OTE2）に接続されている。

室外機側インバータ回路（212）は、室外機側コンバータ回路（211）により出力された直流を交流にスイッチング動作により変換し圧縮機用モータ（22）に供給する。詳しくは、室外機側インバータ回路（212）は、６つの室外機側スイッチング素子（212a～212f）と、６つの室外機側還流ダイオード（212g）とを有している。６つの室外機側スイッチング素子（212a～212f）は、ブリッジ結線されている。詳しく説明すると、室外機側インバータ回路（212）は、第１及び第２の室外機側直流電力線（215,216）間に接続された３つのスイッチングレグを備えている。スイッチングレグは、２つの室外機側スイッチング素子（212a～212f）が互いに直列に接続されたものである。３つのスイッチングレグの各々において、上アームの室外機側スイッチング素子（212a,212c,212e）と下アームの室外機側スイッチング素子（212b,212d,212f）との中点が、圧縮機用モータ（22）の各相のコイル（u相、v相、w相のコイル）にそれぞれ接続されている。各室外機側スイッチング素子（212a～212f）には、室外機側還流ダイオード（212g）が１つずつ逆並列に接続されている。

室外機側コンデンサ（213）は、室外機側インバータ回路（212）の入力ノード（ON1,ON2）間、すなわち第１及び第２の室外機側直流電力線（215,216）の間に接続されている。室外機側コンデンサ（213）は、室外機側コンバータ回路（211）及び室外機側インバータ回路（212）のそれぞれに対し並列に接続されている。

室外機側コンデンサ（213）の電圧は、単相交流電源（2）から供給される入力交流の周波数に応じて脈動する。室外機側コンデンサ（213）の容量は、室外機側コンデンサ（213）が室外機側コンバータ回路（211）の出力電圧をほとんど平滑化できないが、室外機側インバータ回路（212）のスイッチング動作に起因する室外機側コンバータ回路（211）の入力電流の変動を抑制できるように設定されている。

そのため、室外機側コンデンサ（213）の容量値は、数十μＦ程度で、室外機側コンバータ回路（211）の出力電圧は、その最大値がその最小値の２倍以上となるような大きな脈動を有している。

室外機側制御部（214）は、室外機側インバータ回路（212）の各スイッチング素子（212a～212f）にスイッチング信号を出力することにより、各スイッチング素子（212a～212f）のスイッチング動作を制御する。

したがって、本実施形態によれば、室内機側コンバータ回路（111）と室外機側コンバータ回路（211）の両方に、単相交流電源（2）からリアクトル（L）を介して交流が供給されるので、室内機側コンバータ回路（111）に、単相交流電源（2）からリアクトル（L）を介さずに交流が供給される場合に比べ、室内機側コンバータ回路（111）の入力電流に重畳する高調波成分を抑制できる。その結果、室内機側コンバータ回路（111）と室外機側コンバータ回路（211）の入力電流の合計、すなわち空気調和機（1）全体の入力電流に重畳する高調波成分を抑制できる。

上述のこと等を実証するために、以下に実験例（実施例、比較例１～３）を挙げる。

実施例では、上記実施形態に係る空気調和機（1）において、室内機側コンバータ回路（111）の入力電流を測定する。

比較例１では、室内機側コンバータ回路（111）に単相交流電源（2）からリアクトル（L）を介さずに入力交流を供給にするようにした場合に、室内機側コンバータ回路（111）の入力電圧及び入力電流を測定する。

図２は、比較例１における室内機側コンバータ回路（111）の入力電圧及び入力電流を示す。

図３は、実施例及び比較例１における室内機側コンバータ回路（111）の入力電流に重畳する各次数の周波数成分を示す。室内機側コンバータ回路（111）の入力電流に重畳する周波数成分は、室内機側コンバータ回路（111）の入力電流に対し、高速フーリエ変換（ＦＦＴ：fast Fourier transform）を行うことにより得られる。

図３に示すように、実施例では、室内機側コンバータ回路（111）の入力電流に重畳する高次の高調波成分が、比較例１に比べて小さくなっている。

したがって、上記実施例及び比較例１は、室内機側コンバータ回路（111）に、単相交流電源（2）からリアクトル（L）を介して交流が供給される場合に、室内機側コンバータ回路（111）に、単相交流電源（2）からリアクトル（L）を介さずに交流が供給される場合に比べ、室内機側コンバータ回路（111）の入力電流に重畳する高次の高調波成分を抑制できることを物語るものである。

比較例２では、室内機側コンバータ回路（111）に単相交流電源（2）からリアクトル（L）を介さずに入力交流を供給にするとともに、室外機側コンバータ回路（211）には単相交流電源（2）からリアクトル（L）を介して入力交流を供給にするようにし、かつリアクトル（L）のインダクタンスを第１のインダクタンス値とした場合に、室外機側コンバータ回路（211）の入力電流を測定する。

図４は、ＩＥＣ（International Electrotechnical Commission）６１０００－３－２で定められた高調波成分の限度値と、比較例２における室外機側コンバータ回路（211）の入力電流に重畳する各次数の周波数成分を示す。図４～図６中、ＩＥＣ６１０００－３－２で定められた高調波成分の限度値を折れ線グラフ、各入力電流に重畳する各次数の周波数成分を棒グラフで示す。

比較例３では、室内機側コンバータ回路（111）に単相交流電源（2）からリアクトル（L）を介さずに入力交流を供給にするとともに、室外機側コンバータ回路（211）には単相交流電源（2）からリアクトル（L）を介して入力交流を供給にするようにし、かつリアクトル（L）のインダクタンスを第１のインダクタンス値よりも大きい第２のインダクタンス値とした場合に、室外機側コンバータ回路（211）の入力電流を測定する。

図５は、ＩＥＣ６１０００－３－２で定められた高調波成分の限度値と、比較例３における室外機側コンバータ回路（211）の入力電流に重畳する各次数の周波数成分を示す。

図４及び図５に示すように、比較例２では、室外機側コンバータ回路（211）の入力電流に重畳する高次の高調波成分が、比較例３に比べて大きくなっている。

したがって、上記比較例２及び比較例３は、リアクトル（L）のインダクタンスを小さくすると、室外機側コンバータ回路（211）の入力電流に重畳する高次の高調波成分が増大することを物語るものである。

したがって、比較例２のように、室内機側コンバータ回路（111）に単相交流電源（2）からリアクトル（L）を介さずに入力交流を供給にするとともに、室外機側コンバータ回路（211）と単相交流電源（2）との間に介在させるリアクトル（L）のインダクタンスを小さくした場合には、図６に示すように、室内機側コンバータ回路（111）と室外機側コンバータ回路（211）の入力電流の合計、すなわち空気調和機（1）の入力電流を高調波規格であるＩＥＣ６１０００－３－２に適合させることができなくなる。

しかし、本実施形態では、室内機側コンバータ回路（111）に、単相交流電源（2）からリアクトル（L）を介して交流を供給するので、リアクトル（L）を介さずに交流を供給する場合に比べ、空気調和機（1）の入力電流を高調波規格に適合させるために必要なリアクトル（L）のインダクタンスを小さくできる。したがって、リアクトル（L）を小型化できる。また、リアクトル（L）の小型化により、室内機側コンバータ回路（111）、室内機側インバータ回路（112）、及び室内機側コンデンサ（113）と共通の基板にリアクトル（L）を実装すること、及び室内機（10）の室内機側筐体内にリアクトル（L）の収容スペースを確保することが容易になる。

本実施形態では、リアクトル（L）、室内機側コンバータ回路（111）、室内機側インバータ回路（112）、及び室内機側コンデンサ（113）を、共通の基板（100）に実装したので、リアクトル（L）を実装するための基板を、室内機側コンバータ回路（111）、室内機側インバータ回路（112）、及び室内機側コンデンサ（113）を実装するための基板とは別に室内機（10）内に設ける場合に比べ、室内機（10）内に必要なスペースを小さくできる。したがって、室内機（10）を小型化できる。

また、本実施形態では、室外機側コンデンサ（213）の容量を小さく設定し、室外機側コンバータ回路（211）の出力電圧の脈動を許容させるので、室外機側コンデンサ（213）に室外機側コンバータ回路（211）の出力電圧の変動を完全に吸収させる場合に比べ、室外機側コンバータ回路（211）の入力電圧半周期中の通電期間を長くできる。当該通電期間を長くすると、入力電流に含まれる高調波成分が小さくなるため、高調波成分の所定の抑制効果を得るために必要なリアクトル（L）のインダクタンスを小さくでき、リアクトル（L）のサイズを小さくできる。

また、本実施形態では、共通のリアクトル（L）によって、室内機側コンバータ回路（111）及び室外機側コンバータ回路（211）の入力電流の高調波を抑制するので、高調波抑制用のリアクトルを、室内機側コンバータ回路（111）及び室外機側コンバータ回路（211）のそれぞれに対応して設けなくてもよい。したがって、部品点数及びコストを削減できる。

（その他の実施形態）
上記実施形態では、リアクトル（L）を室内機（10）だけに設けたが、室外機（20）だけに設けても良い。

また、本発明は、ＩＥＣ６１０００－３－２以外の規格に空気調和機（1）を適合させるために適用してもよく、ＩＥＣ６１０００－３－２に適合しない空気調和機（1）にも適用できる。

以上、実施形態を説明したが、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。また、以上の実施形態及び変形例は、本開示の対象の機能を損なわない限り、適宜組み合わせたり、置換したりしてもよい。

本開示は、室内機及び室外機を備えた空気調和機として有用である。

１空気調和機
２単相交流電源
１０室内機
２０室外機
１００基板
１１１室内機側コンバータ回路
１１２室内機側インバータ回路
１１３室内機側コンデンサ
２１１室外機側コンバータ回路
２１２室外機側インバータ回路
２１３室外機側コンデンサ
Ｌリアクトル
ＩＮ１，ＩＮ２入力ノード
ＯＮ１，ＯＮ２入力ノード

Claims

室内機（10）及び室外機（20）を備えた空気調和機であって、
前記室内機（10）及び室外機（20）の一方は、リアクトル（L）を有し、
前記室内機（10）は、単相交流電源（2）から前記リアクトル（L）を介して供給された交流を整流して出力する室内機側コンバータ回路（111）と、
前記室内機側コンバータ回路（111）により出力された直流を交流に変換する室内機側インバータ回路（112）と、
前記室内機側インバータ回路（112）の入力ノード（IN1,IN2）間に接続された室内機側コンデンサ（113）とを有し、
前記室外機（20）は、前記単相交流電源（2）から前記リアクトル（L）を介して供給された交流を整流して出力する室外機側コンバータ回路（211）と、
前記室外機側コンバータ回路（211）により出力された直流を交流に変換する室外機側インバータ回路（212）と、
前記室外機側インバータ回路（212）の入力ノード（ON1,ON2）間に接続された室外機側コンデンサ（213）とを有し、
前記室外機側コンバータ回路（211）の出力電圧は、その最大値がその最小値の２倍以上となる脈動を有している空気調和機。
請求項１に記載の空気調和機において、
前記室外機側コンデンサ（213）は、前記室外機側インバータ回路（212）のスイッチング動作に起因する前記室外機側コンバータ回路（211）の入力電流の変動を抑制する空気調和機。
請求項１又は２に記載の空気調和機において、
前記室内機（10）が、前記リアクトル（L）を有し、
前記リアクトル（L）、前記室内機側コンバータ回路（111）、前記室内機側インバータ回路（112）、及び前記室内機側コンデンサ（113）は、共通の基板（100）に実装されている空気調和機。