JP7241968B2 - 空気調和機 - Google Patents

Description

本開示は、内部に設けられたモータに回生制動を適用する空気調和機に関する。

一般的な空気調和機は、圧縮機、室外熱交換器、減圧装置、および、室内熱交換器を基本構成とした冷媒回路内を冷媒が循環する冷凍サイクルを備える。近年、冷媒としてＲ３２（ジフルオロメタン ＣＨ_２Ｆ_２）などのハイドロフルオロカーボンを適用する空気調和機が設計されることが多い。冷房運転と暖房運転とが可能な機種の空気調和機は、上記冷媒回路内に四方弁を備えている。当該空気調和機は、四方弁により冷媒流路方向を切り替えることで、冷房および暖房の運転切り替えを実施している。

空気調和機は、室外熱交換器および室内熱交換器での熱交換用の空気を送風するためのモータ、および、圧縮機内で冷媒を圧縮するためのモータなど、各種モータを備えている。各モータは、ユーザの快適性および省エネルギー効果の向上を目的として、インバータ制御によって任意に回転数を変更することが可能である。

圧縮機または熱交換器の付近には、サーミスタなどの温度センサが備えられている。それら温度センサからの情報を基に、室外機または室内機に内蔵されたマイクロコンピュータが演算を行い、各アクチュエータに対して信号を送信し、圧縮機または送風機などの冷凍サイクルの動作点の制御を行っている。

冷凍サイクルでは、圧縮機で圧縮された冷媒が、凝縮器で凝縮される際に最も高い圧力値を示す。冷房時は室外熱交換器、暖房時は室内熱交換器が、凝縮器として作用する。凝縮器では、空気調和機の故障を防ぎ、信頼性を確保するという観点から、凝縮時の空気調和機にかかる圧力の上限値を設定している。以下、当該上限値を、圧力上限値と呼ぶ。様々な運転モードにおいて、空気調和機の圧力が圧力上限値を超過しないように、空気調和機を設計する必要がある。

空気調和機の圧力が圧力上限値を超過しやすいモードの一つに、暖房運転において、室内機に備える送風機の風速を低下させる際に、目的の風速に至るまでに生じる過渡的な室内熱交換器の圧力上昇がある。この圧力上昇は、風速低下により凝縮器での熱交換量が急激に減少し、圧縮機から凝縮器に供給する熱量が凝縮器での放熱量を上回ることに起因するものである。

上記の圧力超過を回避するためには、耐圧に優れた空気調和機を設計することが求められる。しかしながら、耐圧向上のためには、例えば、冷媒回路を構成する各種配管を厚くする、あるいは、材料変更による耐圧向上を図るなどの変更を行う必要がある。しかしながら、それらの変更を行った場合、耐圧は向上するが、それに伴い、冷媒回路部品のコストアップにつながることが多い。コストパフォーマンスが良好な状態で、空気調和機の設計圧力超過を回避するためには、ハードウェアまたは冷媒物性により決まる圧力上限値に対して、アクチュエータ制御方法の変更による冷凍サイクルの動作点の操作で対応することが有効であると考えられる。

アクチュエータ制御方法の変更による上記の圧力超過を回避する方法として、例えば、リモコンから風速低下の指令を受けた後、送風機モータの回転数を減少させる前に、圧縮機モータの回転数をあらかじめ減少させる制御方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に記載の当該制御方法は、冷凍サイクルが冷媒回路内のバランスがつり合う状態で運転されることを利用した方法である。当該制御方法では、風速低下よりも前に圧縮機の運転周波数を低下させることで、凝縮圧力を下げ、風速低下による圧力の過上昇を回避している。

特開平１１－２１１２４７号公報

しかしながら、気候変動が大きい地域または断熱性の悪い住宅に設置される空気調和機においては、快適性確保のため、空気調和機のモータ減速が頻繁に行われる。このとき、特許文献１に記載の空気調和機では、モータ減速中の過渡状態においても、電源からの電力供給があり、電力を消費している。そのため、省エネルギー効果が得られないという課題があった。

本開示は、かかる課題を解決するためになされたものであり、モータ減速中の消費電力を抑えながら、空気調和機の圧力が圧力上限値を超過することを防止することが可能な、空気調和機を得ることを目的としている。

本開示に係る空気調和機は、圧縮機、凝縮器、蒸発器、および、減圧装置を有する冷凍サイクルと、前記凝縮器および前記蒸発器に対して送風を行う送風機と、前記圧縮機および前記送風機をそれぞれ駆動するモータと、前記モータを駆動するインバータ回路と、電源と前記インバータ回路との間に接続され、前記モータの回生制動を行うスイッチング素子を備えた回生回路と、前記モータの減速中に、前記凝縮器の凝縮圧力と前記凝縮器の圧力上限値とに基づいて、前記回生回路に設けられた前記スイッチング素子のオンオフ動作を制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記モータの減速中に、前記凝縮器の前記凝縮圧力と前記圧力上限値との差が小さくなるほど、前記スイッチング素子のオン時間を低減させ、前記凝縮器の前記凝縮圧力と前記圧力上限値との前記差が大きくなるほど、前記スイッチング素子のオン時間を増加させるものである。

本開示に係る空気調和機によれば、凝縮器の凝縮圧力と凝縮器の圧力上限値とに基づいて、回生回路に設けられたスイッチング素子のオンオフ動作を制御して、モータ減速時に回生制動を行うようにしたので、モータ減速中の消費電力を抑えながら、空気調和機の圧力が圧力上限値を超過することを防止することができる。

実施の形態１に係る空気調和機１００の冷媒回路の構成を示す冷媒回路図である。 実施の形態１に係る空気調和機１００に設けられたモータ制御回路４０の構成を示す回路図である。 図２の回生回路１７の構成を示す拡大図である。 図２の回路５０Ａの等価回路５０を示す図である。 実施の形態１に係る空気調和機１００のモータ制御回路４０における電磁エネルギー蓄積時の回路図である。 実施の形態１に係る空気調和機１００のモータ制御回路４０における電力回生時の回路図である。 実施の形態１に係る空気調和機１００のモータ制御回路４０における電力非回生時の回路図である。 実施の形態１に係る空気調和機１００の回生回路１７に設けられたスイッチ２５および２７のオン時間Ｔｏｎとオフ時間Ｔｏｆｆとを示す図である。 実施の形態１に係る空気調和機１００の制御部２０の構成を示すブロック図である。 実施の形態１に係る空気調和機１００の制御部２０の処理の流れを示すフローチャートである。

以下、本開示に係る空気調和機の実施の形態について図面を参照して説明する。本開示は、以下の実施の形態に限定されるものではなく、本開示の主旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。また、本開示は、以下の実施の形態およびその変形例に示す構成のうち、組み合わせ可能な構成のあらゆる組み合わせを含むものである。また、各図において、同一の符号を付したものは、同一の又はこれに相当するものであり、これは明細書の全文において共通している。なお、各図面では、各構成部材の相対的な寸法関係または形状等が実際のものとは異なる場合がある。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る空気調和機１００の冷媒回路の構成を示す冷媒回路図である。空気調和機１００は、室外機１と室内機２との組み合わせにより構成されている。室外機１と室内機２とは互いに冷媒配管３０を介して接続されている。冷媒配管３０は、例えば銅配管である。冷媒は、冷媒配管３０内を流れる。図１においては、説明のため、構成の一部分を透過させ、破線で示している。また、冷房時の冷媒流路方向を実線の矢印で示し、暖房時の冷媒流路方向を一点鎖線で示している。

室外機１は、屋外に設置される。一方、室内機２は、屋内に設置される。室内機２は、例えば、屋内の壁に設置可能な壁掛け形である。図１の例では、１台の室外機１と１台の室内機２とが接続されているが、それらの台数はこの例に限らない。例えば、１台または複数台の室外機１と１台の室内機２、あるいは、１台または複数台の室外機１と複数台の室内機２を接続することも可能である。

室外機１には、図１に示すように、圧縮機３、室外熱交換器４、減圧装置５、および、四方弁６が収容されている。また、室外機１は、制御部２０を有している。制御部２０は、室外機１ではなく、室内機２に設置されていてもよい。あるいは、制御部２０は、室外機１および室内機２の両方に設置されていてもよい。制御部２０は、例えば、マイクロコンピュータから構成される。制御部２０のハードウェア構成については後述する。

圧縮機３は、圧縮機モータ１９（図２参照）を有する。圧縮機３は、圧縮機モータ１９を動力源として動作する。圧縮機モータ１９は、制御部２０の制御に基づくインバータ制御により回転数の変更が可能である。圧縮機３は、例えば、インバータ圧縮機である。圧縮機３は、吸入した冷媒を圧縮して吐出する。圧縮機モータ１９は、圧縮機３を駆動するアクチュエータを構成している。

室外熱交換器４は、内部を流通する冷媒と空気との間で熱交換を行う。室外熱交換器４は、例えば、フィンアンドチューブ型熱交換器である。空気調和機１００が冷房運転を行っているときは、室外熱交換器４は、凝縮器として機能する。一方、空気調和機１００が暖房運転を行っているときは、室外熱交換器４は、蒸発器として機能する。

減圧装置５は、室外熱交換器４と後述する室内熱交換器７との間に接続されている。減圧装置５は、冷媒を減圧させる。減圧装置５は、例えば、膨張弁である。膨張弁としては、細管を用いて減圧させる膨張弁、または、電子式膨張弁などが用いられる。減圧装置５が電子式膨張弁の場合、制御部２０により、減圧装置５の冷媒流量は電気的に制御することができる。

四方弁６は、制御部２０の制御に基づいて、冷媒回路における冷媒流路方向を切り替える。空気調和機１００が冷房運転を行っているときは、四方弁６は、図１の実線の状態となり、圧縮機３の吐出口と室外熱交換器４とを接続する。一方、空気調和機１００が暖房運転を行っているときは、四方弁６は、図１の一点鎖線の状態となり、圧縮機３の吐出口と室内熱交換器７とを接続する。暖房運転または冷房運転のいずれか一方のみ運転可能な空気調和機においては、四方弁６の搭載は省略される。

室内機２には、図１に示すように、室内熱交換器７が収容されている。室内熱交換器７は、内部を流通する冷媒と空気との間で熱交換を行う。室内熱交換器７は、例えば、フィンアンドチューブ型熱交換器である。空気調和機１００が冷房運転を行っているときは、室内熱交換器７は、蒸発器として機能する。一方、空気調和機１００が暖房運転を行っているときは、室内熱交換器７は、凝縮器として機能する。

図１に示すように、圧縮機３、四方弁６、室外熱交換器４、減圧装置５、および、室内熱交換器７は、冷媒配管３０により接続されて、冷媒回路を構成している。このように、空気調和機１００は、圧縮機３、室外熱交換器４、減圧装置５、および、室内熱交換器７を基本構成とした冷媒回路内を冷媒が循環する冷凍サイクルを備える。

また、室外機１には、図１に示すように、さらに、室外送風機モータ８と室外ファン９が収容されている。室外送風機モータ８は、制御部２０の制御に基づくインバータ制御により回転数の変更が可能である。室外ファン９は、室外送風機モータ８を動力源として動作する。室外ファン９は、室外送風機モータ８と同じ回転数で回転する。室外ファン９は、例えばプロペラファンである。室外送風機モータ８は、室外ファン９を駆動するアクチュエータを構成している。

また、室内機２には、図１に示すように、さらに、室内送風機モータ１０と室内ファン１１が収容されている。室内送風機モータ１０は、制御部２０の制御に基づくインバータ制御により回転数の変更が可能である。室内ファン１１は、室内送風機モータ１０を動力源として動作する。室内ファン１１は、室内送風機モータ１０と同じ回転数で回転する。室内ファン１１は、例えば、クロスフローファンである。なお、図１の例では、室内ファン１１はクロスフローファンとして示されているが、この場合に限定されない。室内ファン１１は、室外ファン９と同じように、プロペラファンとすることも可能である。室内送風機モータ１０は、室内ファン１１を駆動するアクチュエータを構成している。

室外ファン９により、室外熱交換器４で熱交換された空気の送風を行い、室内ファン１１により、室内熱交換器７で熱交換された空気の送風を行う。

空気調和機１００の動作について説明する。はじめに、空気調和機１００が冷房運転を行うときの動作について説明する。圧縮機３は、吸入した冷媒を圧縮して吐出する。吐出された冷媒は、四方弁６を介して、室外熱交換器４に流入される。室外熱交換器４には、室外ファン９から空気が送風される。室外熱交換器４は、冷媒と空気との間の熱交換を行う。このとき、室外熱交換器４は、凝縮器として機能する。従って、熱交換により、冷媒は冷却される。冷却された冷媒は、減圧装置５に流入される。減圧装置５は、当該冷媒を減圧して膨張させる。当該冷媒は、室内熱交換器７に流入される。室内熱交換器７には、室内ファン１１から空気が送風される。室内熱交換器７は、冷媒と空気との間の熱交換を行う。室内熱交換器７は、蒸発器として機能する。従って、熱交換により、冷媒は加熱され、空気は冷却される。加熱された冷媒は、四方弁６を介して、圧縮機３に吸入される。

次に、空気調和機１００が暖房運転を行うときの動作について説明する。圧縮機３は、吸入した冷媒を圧縮して吐出する。吐出された冷媒は、四方弁６を介して、室内熱交換器７に流入される。室内熱交換器７には、室内ファン１１から空気が送風される。室内熱交換器７は、冷媒と空気との間の熱交換を行う。室内熱交換器７は、凝縮器として機能する。従って、熱交換により、冷媒は冷却され、空気は加熱される。冷却された冷媒は、減圧装置５に流入される。減圧装置５は、当該冷媒を減圧して膨張させる。膨張された冷媒は、室外熱交換器４に流入される。室外熱交換器４には、室外ファン９から空気が送風される。室外熱交換器４は、冷媒と空気との間の熱交換を行う。室外熱交換器４は、蒸発器として機能する。従って、熱交換により、冷媒は加熱される。加熱された冷媒は、四方弁６を介して、圧縮機３に吸入される。

また、図１に示すように、圧縮機３、室外熱交換器４および室内熱交換器７のそれぞれには、温度センサ１２が設けられている。各温度センサ１２は、例えば、サーミスタである。各温度センサ１２と制御部２０とは電気的に接続されている。制御部２０は、各温度センサ１２からの情報を基に、各アクチュエータにおける冷媒状態を把握可能となる。図１の例では、温度センサ１２の個数は３つとしているが、必要に応じて室外機１と室内機２とに備える温度センサ１２の個数を増加または減少することは可能である。

図２は、実施の形態１に係る空気調和機１００に設けられたモータ制御回路４０の構成を示す回路図である。モータ制御回路４０は、室内送風機モータ１０、圧縮機モータ１９および室外送風機モータ８の制御を行う。図２に示すように、モータ制御回路４０は、ノイズフィルタ回路１４と、コンバータ回路１５と、回生回路１７と、インバータ回路１８とを有している。回生回路１７とインバータ回路１８とは、同一の基板上に実装される。以下では、当該基板を、インバータ基板と呼ぶ。

ノイズフィルタ回路１４は、交流電源１３に接続されている。ノイズフィルタ回路１４には、交流電源１３からの電力が供給される。ノイズフィルタ回路１４は、一端が正側母線４１に接続され、他端が負側母線４２に接続されている。ノイズフィルタ回路１４は、交流電源１３から出力される交流電圧の波形から、ノイズを除去する。

コンバータ回路１５は、ノイズフィルタ回路１４に並列に接続されている。コンバータ回路１５は、一端が正側母線４１に接続され、他端が負側母線４２に接続されている。コンバータ回路１５は、ノイズフィルタ回路１４から出力された交流波形を、直流波形に変換する。コンバータ回路１５は、ダイオード素子などの複数のスイッチング素子を含む。図２の例においては、コンバータ回路１５は、４個のダイオード素子がブリッジ接続されたブリッジ回路である。

コンバータ回路１５を構成する一部としてリアクタ１６が設けられている。リアクタ１６は、正側母線４１に直列に接続されている。リアクタ１６は、上述したインバータ基板に接続されて、室外機１の中に備えられる。

また、コンバータ回路１５は、スイッチ１５ａおよび１５ｂを有している。スイッチ１５ａおよび１５ｂのオンとオフとの切り替えは、制御部２０によって制御される。スイッチ１５ａおよび１５ｂは、例えば、半導体スイッチング素子である。

回生回路１７は、交流電源１３とインバータ回路１８との間に接続されている。さらに詳細に言えば、回生回路１７は、コンバータ回路１５とインバータ回路１８との間に接続されている。室内送風機モータ１０、圧縮機モータ１９および室外送風機モータ８の駆動時は、回生回路１７は、コンバータ回路１５から出力された直流電流を、インバータ回路１８のそれぞれに供給する。一方、室内送風機モータ１０、圧縮機モータ１９および室外送風機モータ８の減速時は、回生回路１７は、これらのモータの回生制動を行う。回生回路１７は、スイッチング素子を有している。制御部２０が当該スイッチング素子のオンオフ動作を制御することで、回生回路１７は、室内送風機モータ１０、圧縮機モータ１９および室外送風機モータ８の回生制動を行う。回生制動においては、室内送風機モータ１０、圧縮機モータ１９および室外送風機モータ８は、発電機として利用される。また、回生回路１７は、回生制動で得られた電力を電源側に回生するか、あるいは、蓄電器１７ａ（図３参照）に蓄積する。これにより、省エネルギー効果が得られる。

ここで、回生制動とは、通常は動力源として用いられているモータを、発電機として作動させ、回転の運動エネルギーを電気エネルギーに変換して回収することで、モータに制動をかける電気ブレーキの一手法である。回生制動では、モータの電機子電圧を電源電圧よりも高くすることにより、モータを発電機として駆動させる。回生制動における制動の大きさは、インバータ回路１８に流す電流の大きさに依存する。

図３は、図２の回生回路１７の構成を示す拡大図である。図３に示すように、回生回路１７は、蓄電器１７ａと、２つのダイオード１７ｂおよび１７ｄと、２つのスイッチング素子１７ｃおよび１７ｅとを有している。

蓄電器１７ａは、一端が正側母線４１に接続され、他端が負側母線４２に接続されている。蓄電器１７ａと正側母線４１との接続点を、接続点４５と呼ぶ。また、蓄電器１７ａと負側母線４２との接続点を、接続点４６と呼ぶ。蓄電器１７ａは、室内送風機モータ１０、圧縮機モータ１９および室外送風機モータ８の減速時の回生制動により得られる電力を蓄積する。蓄電器１７ａは、コンデンサまたはバッテリである。

ダイオード１７ｄは、蓄電器１７ａに並列に接続されている。ダイオード１７ｄは、カソード端子が正側母線４１に接続され、アノード端子が負側母線４２に接続されている。ダイオード１７ｄと正側母線４１との接続点を、接続点４７と呼ぶ。また、ダイオード１７ｄと負側母線４２との接続点を、接続点４８と呼ぶ。スイッチング素子１７ｅは、ダイオード１７ｄに並列に接続されている。

ダイオード１７ｂは、正側母線４１に直列に接続されている。ダイオード１７ｂの向きは、正側母線４１に流れる電流の向きに対して逆向きである。すなわち、ダイオード１７ｂは、カソード端子が接続点４５に接続され、アノード端子が接続点４７に接続されている。スイッチング素子１７ｃは、ダイオード１７ｂに並列に接続されている。

スイッチング素子１７ｃおよび１７ｅは、例えば半導体スイッチング素子である。スイッチング素子１７ｃおよび１７ｅのオンとオフとの切り替えは、制御部２０によって制御される。スイッチング素子１７ｃがオフの状態のとき、交流電源１３からインバータ回路１８への電力供給は遮断される。

また、図３に示すように、正側母線４１は、接続点４３で、３つの正側母線４１ａ、４１ｂ、および、４１ｃに分岐する。また、負側母線４２は、接続点４４で、３つの負側母線４２ａ、４２ｂ、および、４２ｃに分岐する。

図２の説明に戻る。インバータ回路１８は、３つのインバータ回路１８ａ、１８ｂおよび１８ｃを含む。

インバータ回路１８ａは、一端が正側母線４１ａに接続され、他端が負側母線４２ａに接続されている。インバータ回路１８ａは、回生回路１７から出力された直流電流を３相の交流波形に変換して、室内送風機モータ１０に供給する。これにより、室内ファン１１が駆動される。

インバータ回路１８ｂは、一端が正側母線４１ｂに接続され、他端が負側母線４２ｂに接続されている。インバータ回路１８ｂは、回生回路１７から出力された直流電流を３相の交流波形に変換して、圧縮機モータ１９に供給する。これにより、圧縮機３が駆動される。

インバータ回路１８ｃは、一端が正側母線４１ｃに接続され、他端が負側母線４２ｃに接続されている。インバータ回路１８ｃは、回生回路１７から出力された直流電流を３相の交流波形に変換して、室外送風機モータ８に供給する。これにより、室外ファン９が駆動される。

インバータ回路１８ａ、１８ｂおよび１８ｃのそれぞれは、複数のスイッチング素子を含む。それらのスイッチング素子は、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などのトランジスタである。各トランジスタには、逆流防止用のダイオードが逆並列接続されている。図２の例においては、インバータ回路１８ａ、１８ｂおよび１８ｃのそれぞれは、６個のトランジスタがブリッジ接続された三相ブリッジ回路である。インバータ回路１８ａ、１８ｂおよび１８ｃのそれぞれは、６個のトランジスタのオンオフ動作により、直流母線電圧を三相交流電圧に変換する。それらのトランジスタのオンとオフとの切り替えは、制御部２０によって制御される。

次に、図２のモータ制御回路４０の動作について説明する。交流電源１３から電力が供給され、ノイズフィルタ回路１４により交流波形のノイズ除去が行われる。次に、コンバータ回路１５が、交流波形から直流波形への変換を行う。次に、回生回路１７を通過した直流電流は、インバータ回路１８ａ、１８ｂおよび１８ｃにより、再び、交流波形に変換される。これにより、室内送風機モータ１０、圧縮機モータ１９および室外送風機モータ８が駆動される。室内送風機モータ１０には室内ファン１１が接続され、圧縮機モータ１９には圧縮機３が接続され、室外送風機モータ８には室外ファン９が接続されている。室内送風機モータ１０、圧縮機モータ１９および室外送風機モータ８の回転数で、それぞれ、室内ファン１１、圧縮機３および室外ファン９が回転する。

上述したように、コンバータ回路１５、回生回路１７およびインバータ回路１８は、通電のオンとオフとの切り替えが可能なスイッチング素子を備える。それらスイッチング素子としては、上述したように、例えば半導体スイッチング素子が用いられる。スイッチング素子を切り替えるタイミングは、制御部２０によって制御される。

図２に示すモータ制御回路４０のうち、回路５０Ａ部分は、図４に示す簡易な等価回路５０で表すことができる。図４は、図２の回路５０Ａの等価回路５０を示す図である。回路５０Ａは、回生回路１７、インバータ回路１８、室内送風機モータ１０、圧縮機モータ１９および室外送風機モータ８を含む。ただし、図４において、モータ２１は、室内送風機モータ１０、圧縮機モータ１９および室外送風機モータ８のいずれか１つを表す。

図４に示すように、等価回路５０は、キャパシタ２２と、抵抗２３と、２つのダイオード２４および２６と、２つのスイッチ２５および２７と、抵抗２８と、インダクタ２９とで、表すことができる。

キャパシタ２２は、モータ２１の回生制動により生じる電荷を蓄えることが可能である。キャパシタ２２の正側端子には、抵抗２３の一端が直列接続されている。抵抗２３の内部抵抗は、配線の合成抵抗を表している。抵抗２３の他端には、ダイオード２４が逆向きで直列接続されている。すなわち、ダイオード２４のカソード端子が抵抗２３の当該他端に接続されている。スイッチ２５は、ダイオード２４に並列接続されている。

ダイオード２６は、ダイオード２４の後段に配置されている。ダイオード２６は、キャパシタ２２に並列に接続されている。ダイオード２６のカソード端子が、ダイオード２４のアノード端子に接続されている。ダイオード２６のアノード端子は、キャパシタ２２の負側端子に接続されている。スイッチ２７は、ダイオード２６に並列接続されている。スイッチ２５とスイッチ２７とは、制御部２０によりオンとオフの切り替えが可能である。

抵抗２８は、ダイオード２６の後段に配置されている。抵抗２８の一端は、ダイオード２４のアノード端子に接続されると共に、ダイオード２６のカソード端子に接続されている。抵抗２８の他端は、インダクタ２９の一端に直列接続されている。抵抗２８は、モータ２１の鉄損および銅損を含んだ巻線抵抗、および、インダクタ２９によるインダクタンスとの合成インピーダンスを表している。インダクタ２９の他端は、モータ２１の一端に接続されている。モータ２１の他端は、ダイオード２６のアノード端子およびキャパシタ２２の負側端子に接続されている。なお、モータ２１の外部へ意図的にインダクタ２９を接続することも可能である。その場合の抵抗２８は、その外部接続されたインダクタ２９によるインダクタンスと前述した合成インピーダンスとの合成値を表す。

図４に示す等価回路５０において、モータ２１の停止中は、制御部２０の制御により、スイッチ２５とスイッチ２７がともにオフの状態であり、交流電源１３からのモータ２１への電力供給はない。

一方、モータ２１の駆動時は、図４に示す等価回路５０において、制御部２０の制御により、スイッチ２５がオン、スイッチ２７がオフとなる。これにより、交流電源１３からモータ２１への電力供給が行われる。このとき、制御部２０により制御される周波数でインバータ回路１８に備える複数のトランジスタのオンとオフを切り替えることにより、モータ２１の駆動時のモータ回転数が可変となる。キャパシタ２２の短絡を回避するため、制御部２０では、スイッチ２５とスイッチ２７が同時にオンとならないような規制を行う。具体的には、例えば、スイッチ２５およびスイッチ２７の一方にオフ信号を与えた時点から、一定時間Ｔ_Ｄ（図８参照）が経過した後に、他方にオン信号を与えるようにすればよい。当該一定時間Ｔ_Ｄを、短絡防止期間またはデッドタイムという。

次に、モータ２１の減速時の等価回路５０の動作について説明する。まず、モータ２１が駆動中のときは、上述したように、スイッチ２５がオン、スイッチ２７がオフになっている。このとき、モータ２１を減速する場合、制御部２０の制御により、スイッチ２５がオフとなる。これにより、交流電源１３からモータ２１への電力供給が遮断される。この状態で、スイッチ２７のオンとオフとの切り替えを繰り返し行うことにより、等価回路５０において、昇圧チョッパ回路が形成される。これにより、モータ２１の減速時に、モータ２１側の電圧の昇圧が行われる。その際、等価回路５０内に流れる電流の方向により、交流電源１３側への電力の回生を行うことが可能となる。

図５は、実施の形態１に係る空気調和機１００のモータ制御回路４０における電磁エネルギー蓄積時の回路図である。図５は、モータ２１の減速時に、図４の等価回路５０において、スイッチ２５をオフとし、スイッチ２７をオンとしたときの回路図を示す。このとき、モータ２１には、その回転数に比例した起電力が発生する。駆動時に電動機として作用していたモータ２１は、図５において発電機として作用し、インダクタ２９には電磁エネルギーが蓄積される。このとき、図５の回路には、モータ２１の回転数に応じて時計回りと反時計回りのいずれの方向にも電流Ｉが流れる可能性がある。

一方、図４の等価回路５０において、スイッチ２５とスイッチ２７とを共にオフとしたとき、図５の回路においてインダクタ２９に蓄積された電磁エネルギーが放出される。このとき、回路に流れる電流Ｉの方向により、図６と図７の回路に場合分けされる。

図６は、実施の形態１に係る空気調和機１００のモータ制御回路４０における電力回生時の回路図である。図６において、電流Ｉは、図中の矢印の方向、すなわち、反時計回りに流れる。そのため、モータ２１の減速時に生じる電力は、キャパシタ２２へ回生される。回生した電力は、空気調和機１００の待機電力またはモータ２１の再駆動時の電力として利用される。

図７は、実施の形態１に係る空気調和機１００のモータ制御回路４０における電力非回生時の回路図である。図７において、電流Ｉは、図中の矢印方向、すなわち、時計回りに流れる。これにより、モータ２１の減速時に生じる電力は、抵抗２８などで熱として消費される。

モータ２１の減速中は、制御部２０でスイッチ２７を切り替えるスイッチング周期Ｔを調整することにより、目的のモータ回転数に減速するまでの過渡状態の時間長を制御することが可能となる。過渡状態の時間長は、制動の大きさと反比例する。制御部２０は、モータ２１の減速中に、スイッチ２５がオフの状態において、スイッチ２７のスイッチング動作を制御するスイッチング定数を決定する。スイッチング定数は、スイッチ２７のオン時間Ｔｏｎとオフ時間Ｔｏｆｆとをそれぞれ示す２つのパラメータである。図８は、実施の形態１に係る空気調和機１００の回生回路１７に設けられたスイッチ２５および２７のオン時間Ｔｏｎとオフ時間Ｔｏｆｆとを示す図である。図８において、横軸は時間を示し、縦軸はスイッチ２５およびスイッチ２７の電圧を示す。また、実線６０は、スイッチ２５のオンオフの状態を示し、実線６１は、スイッチ２７のオンオフの状態を示す。図８に示すように、スイッチング周期Ｔは、スイッチ２７のオン時間Ｔｏｎとオフ時間Ｔｏｆｆとを加算した値である。

なお、モータ２１の減速中の制動の大きさは、スイッチ２７のスイッチング周期Ｔ（＝Ｔｏｎ＋Ｔｏｆｆ）に対するスイッチ２７のオン時間Ｔｏｎの比（＝Ｔｏｎ／Ｔ）に依存する。当該比が１に近づくほど、モータ２１の目標回転数に至るまでに要する時間が短くなる。したがって、スイッチング定数は、スイッチ２７のオン時間Ｔｏｎとオフ時間Ｔｏｆｆとを示す２つのパラメータの代わりに、スイッチ２７のオン時間Ｔｏｎとスイッチ２７のスイッチング周期Ｔとの比（＝Ｔｏｎ／Ｔ）を示す１つのパラメータとしてもよい。

制御部２０は、モータ２１の減速中に、凝縮器の凝縮圧力が圧力上限値に近くなるほど、凝縮圧力が過上昇している状態であると判定し、モータ２１の減速スピードを遅らせる制御を行う。このとき、制御部２０にて、上記のスイッチング定数を変更し、減速中のモータ２１のモータ回転数が目標回転数に至るまでに要する時間を長くすることで、凝縮器における熱交換量の急激な減少による設計圧力超過を回避する。

制御部２０は、モータ２１の減速中に、凝縮器の凝縮圧力が圧力上限値から離れるほど、設計圧力超過に対してマージンが確保できている状態であると判定し、モータ２１の減速スピードを速くする制御を行う。このとき、制御部２０にて、上記のスイッチング定数を変更し、減速中のモータ２１のモータ回転数が目標回転数に至るまでに要する時間を短くすることで、モータ２１の回転数の変更の即応性を高め、ユーザの快適性を向上させる。

このように、制御部２０は、モータ２１の減速中に、凝縮器の凝縮圧力と圧力上限値とに基づいて、回生回路１７に設けられたスイッチ２７のオンオフ動作を制御する。凝縮器の凝縮圧力は、例えば、以下のようにして求める。図１に示すように、温度センサ１２は、室外熱交換器４および室内熱交換器７に設けられている。冷房時は室外熱交換器４が凝縮器として機能し、暖房時は室内熱交換器７が凝縮器として機能する。制御部２０は、冷房時は、室外熱交換器４に取り付けられた温度センサ１２から温度を取得する。また、制御部２０は、暖房時は、室内熱交換器７に取り付けられた温度センサ１２から温度を取得する。制御部２０は、温度センサ１２によって検出された冷媒温度を冷媒圧力に変換する。制御部２０は、こうして得た冷媒圧力を、凝縮圧力として用いる。なお、冷媒温度を冷媒圧力に変換する方法は、制御部２０が、予め設定された演算式を用いて冷媒温度から冷媒圧力を演算する。あるいは、制御部２０が、冷媒温度ごとの冷媒圧力の値を定義したデータテーブルを予め記憶部２０ｄ（図９参照）に記憶しておき、当該データテーブルを用いて、冷媒温度から冷媒圧力を求めるようにしてもよい。

制御部２０は、空気調和機１００の圧力上限値を予め記憶部２０ｄ（図９参照）に記憶している。制御部２０は、冷媒温度から求めた凝縮圧力と圧力上限値との差を演算し、当該差に基づいて、上述したスイッチング定数の変更を行う。

また、モータ回転数変更の即応性を重点的に設計する場合など、設計意図によっては、特定の減速スピードにてモータ２１の減速過程を検討する場合がある。そこで、モータ２１が減速する際、制御部２０の演算によるスイッチング定数変更のほかに、制御部２０は、人為的にスイッチング定数を設定可能なモードも備える。

当該モードでは、書き換え可能なデータ形式にて、スイッチ２７のオン時間Ｔｏｎとオフ時間Ｔｏｆｆを示す２つのパラメータを、ユーザが外部から制御部２０に入力することで、変更可能とする。あるいは、スイッチ２７のオン時間Ｔｏｎとスイッチング周期Ｔとの比（＝Ｔｏｎ／Ｔ）を示す１つのパラメータを、ユーザが外部から制御部２０に入力することで、変更可能とする。この場合、空気調和機１００の圧力が設計圧力を超過しやすい過負荷環境下における実機評価を経て、凝縮圧力の設計圧力超過に対するマージンを考慮し、スイッチング定数の決定を行う。こうすることで、空気調和機１００の圧力が設計圧力を超過することを確実に抑制できる。

図９は、実施の形態１に係る空気調和機１００の制御部２０の構成を示すブロック図である。図９に示すように、制御部２０は、温度取得部２０ａと、演算部２０ｂと、スイッチング制御部２０ｃと、記憶部２０ｄとを有している。

温度取得部２０ａは、冷房時は、室外熱交換器４に取り付けられた温度センサ１２から冷媒温度を取得し、暖房時は、室内熱交換器７に取り付けられた温度センサ１２から温度を取得する。このように、温度取得部２０ａは、凝縮器として機能している室外熱交換器４または室内熱交換器７に取り付けられた温度センサ１２から冷媒温度を取得する。

演算部２０ｂは、温度取得部２０ａが取得した冷媒温度を冷媒圧力に変換することで、凝縮器の凝縮圧力を求める。また、演算部２０ｂは、求めた凝縮圧力と、記憶部２０ｄに記憶された圧力上限値との差を求める。また、演算部２０ｂは、当該差に基づいて、回生回路１７のスイッチ２７のオンオフ動作を制御するためのスイッチング定数を求める。スイッチング定数は、スイッチ２７のオン時間Ｔｏｎとオフ時間Ｔｏｆｆを示す２つのパラメータ、または、スイッチ２７のオン時間Ｔｏｎとスイッチング周期Ｔとの比（＝Ｔｏｎ／Ｔ）を示す１つのパラメータである。

このとき、演算部２０ｂは、凝縮器の凝縮圧力が圧力上限値以下で、且つ、凝縮器の凝縮圧力が圧力上限値に近づくほど、モータ２１の減速スピードが遅くなるように、スイッチング定数を決定する。すなわち、スイッチ２７のオン時間Ｔｏｎを小さくし、オフ時間Ｔｏｆｆを大きくする。また、演算部２０ｂは、凝縮器の凝縮圧力が圧力上限値以下で、且つ、凝縮器の凝縮圧力が圧力上限値から離れるほど、モータ２１の減速スピードが速くなるように、スイッチング定数を決定する。すなわち、スイッチ２７のオン時間Ｔｏｎを大きくし、オフ時間Ｔｏｆｆを小さくする。なお、演算部２０ｂは、凝縮器の凝縮圧力が圧力上限値を超えている場合には、モータ２１の減速スピードが遅くなるように、スイッチング定数を決定する。

スイッチング制御部２０ｃは、回生回路１７に設けられたスイッチ２５および２７のオンオフ動作の制御を行う。また、スイッチング制御部２０ｃは、図２に示したコンバータ回路１５に設けられたスイッチ１５ａおよび１５ｂのオンオフ動作も制御する。さらに、スイッチング制御部２０ｃは、インバータ回路１８ａ、１８ｂおよび１８ｃに設けられた各トランジスタのオンオフ動作の制御も行う。

記憶部２０ｄは、圧力上限値を予め記憶している。さらに、記憶部２０ｄは、温度取得部２０ａが取得した冷媒温度のデータを記憶する。また、記憶部２０ｄは、演算部２０ｂの演算結果などの各種データを記憶する。また、記憶部２０ｄは、必要に応じて、冷媒温度ごとの冷媒圧力の値を定義した上記データテーブルを記憶する。

ここで、制御部２０のハードウェア構成について説明する。制御部２０における温度取得部２０ａ、演算部２０ｂおよびスイッチング制御部２０ｃの各機能は、処理回路により実現される。処理回路は、専用のハードウェア、または、プロセッサから構成される。専用のハードウェアは、例えば、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）またはＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）などである。プロセッサは、メモリに記憶されるプログラムを実行する。記憶部２０ｄはメモリから構成される。メモリは、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ（Erasable Programmable ROM）などの不揮発性または揮発性の半導体メモリ、もしくは、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスクなどのディスクである。

図１０は、実施の形態１に係る空気調和機１００の制御部２０の処理の流れを示すフローチャートである。図１０のフローの処理は、モータ２１の減速時に行われる。

図１０に示すように、ステップＳ１で、制御部２０は、回生回路１７のスイッチ２５をオフにする。これにより、交流電源１３からモータ２１への電力の供給が遮断される。

次に、ステップＳ２で、制御部２０の温度取得部２０ａは、温度センサ１２から冷媒温度を取得する。このとき、温度取得部２０ａは、凝縮器として機能している室外熱交換器４または室内熱交換器７に取り付けられた温度センサ１２から冷媒温度を取得する。

次に、ステップＳ３で、制御部２０の演算部２０ｂは、ステップＳ２で取得した冷媒温度を冷媒圧力に変換することで、凝縮器の凝縮圧力を求める。

次に、ステップＳ４で、制御部２０の演算部２０ｂは、ステップＳ３で求めた凝縮圧力と、予め設定された圧力上限値との差を求める。

次に、ステップＳ５で、制御部２０の演算部２０ｂは、ステップＳ４で求めた差に基づいて、回生回路１７のスイッチ２７のオンオフ動作を制御するための上記のスイッチング定数を求める。

次に、ステップＳ６で、制御部２０のスイッチング制御部２０ｃは、ステップＳ５で求めたスイッチング定数に基づいて、回生回路１７のスイッチ２７のオンオフ動作を制御する。その後、ステップＳ２の処理に戻る。

以上のように、実施の形態１においては、空気調和機１００のモータ２１に、スイッチング制御可能な回生制動を適用する。制御部２０は、モータ２１の減速時に、凝縮器の凝縮圧力と凝縮器の圧力上限値とに基づいて、回生回路１７を制御する。これにより、空気調和機１００の設計圧力以下の圧力を保持しながら、モータ２１の減速が可能となる。また、回生制動によって得られる電力を空気調和機１００の待機電力またはモータ２１の再駆動時の電力として利用することで、消費電力を抑えた空気調和機１００の稼働を実現するという効果を有する。

実施の形態１においては、モータ２１の減速中の凝縮器の圧力の過上昇をアクチュエータ制御のみで回避する。そのため、必要以上に、空気調和機１００の冷媒回路部品の耐圧性を高める必要がなく、コスト面でのメリットも期待できる。具体的には、冷媒配管３０を構成する銅配管を厚くする、あるいは、材料変更による耐圧向上を図るなどの、耐圧向上対策が必要ない。そのため、耐圧向上対策にかかる費用がかからず、空気調和機１００のコストアップを抑制することができる。

また、実施の形態１では、モータ２１の減速時のスイッチング定数は変更可能であり、制御部２０での演算またはユーザの入力により設定可能である。実施の形態１においては、制御部２０は、冷媒温度から求めた凝縮圧力と圧力上限値との差を演算し、当該差に基づいて、スイッチング定数の変更を行う。そのため、凝縮圧力が圧力上限値を超えることはなく、その結果、空気調和機１００の圧力が設計圧力を超えることはない。また、ユーザがスイッチング定数を入力する場合は、空気調和機１００の圧力が設計圧力を超過しやすい過負荷環境下における実機評価に基づいて決定したスイッチング定数を用いる。そのため、凝縮圧力が圧力上限値を超えることはなく、その結果、空気調和機１００の圧力が設計圧力を超えることはない。

また、実施の形態１では、モータ２１の減速時は、交流電源１３からモータ２１への電力供給を遮断する。モータ２１の減速時の電力消費がないため、さらに、省エネルギー効果が得られる。また、回生回路１７の蓄電器１７ａに蓄電した電力を、空気調和機１００の待機電力またはモータ２１の再駆動時の電力として利用する。これにより、消費電力を抑えた高効率かつ信頼性の高い空気調和機１００を得ることができる。

ユーザの快適性が重要視される空気調和機においては、ユーザがリモコンで設定可能な風速は４速または５速などの多段階に設計されることが多い。このように、モータの最大回転数と最小回転数との差が大きい設計をすることで、モータが最大回転数から最小回転数に減速したときに、空気調和機の圧力が設計圧力を超過してしまうことが一層懸念される。しかしながら、実施の形態１に係る空気調和機１００においては、上述したように、空気調和機１００のモータ２１にスイッチング制御可能な回生制動を適用する。これにより、実施の形態１では、このような場合においても、空気調和機１００の設計圧力以下の圧力を保持しながら、モータ２１の減速が可能である。

また、現在、ほとんどのメーカが採用している冷媒のＲ３２は、従来用いられてきた冷媒のＲ２２（クロロジフルオロメタン ＣＨＣｌＦ_２）などのハイドロクロロフルオロカーボンと比較して、高い圧力値を示す。このため、空気調和機の圧力が設計圧力を超過することにより引き起こされる機器不具合への対策は、より慎重に検討する必要がある。しかしながら、実施の形態１に係る空気調和機１００においては、冷媒としてＲ３２を使用した場合においても、空気調和機１００の設計圧力以下の圧力を保持しながら、モータ２１の減速が可能である。

１ 室外機、２ 室内機、３ 圧縮機、４ 室外熱交換器、５ 減圧装置、６ 四方弁、７ 室内熱交換器、８ 室外送風機モータ、９ 室外ファン、１０ 室内送風機モータ、１１ 室内ファン、１２ 温度センサ、１３ 交流電源、１４ ノイズフィルタ回路、１５ コンバータ回路、１５ａ スイッチ、１５ｂ スイッチ、１６ リアクタ、１７ 回生回路、１７ａ 蓄電器、１７ｂ ダイオード、１７ｃ スイッチング素子、１７ｄ ダイオード、１７ｅ スイッチング素子、１８ インバータ回路、１８ａ インバータ回路、１８ｂ インバータ回路、１８ｃ インバータ回路、１９ 圧縮機モータ、２０ 制御部、２０ａ 温度取得部、２０ｂ 演算部、２０ｃ スイッチング制御部、２０ｄ 記憶部、２１ モータ、２２ キャパシタ、２３ 抵抗、２４ ダイオード、２５ スイッチ、２６ ダイオード、２７ スイッチ、２８ 抵抗、２９ インダクタ、３０ 冷媒配管、４０ モータ制御回路、４１ 正側母線、４１ａ 正側母線、４１ｂ 正側母線、４１ｃ 正側母線、４２ 負側母線、４２ａ 負側母線、４２ｂ 負側母線、４２ｃ 負側母線、４３ 接続点、４４ 接続点、４５ 接続点、４６ 接続点、４７ 接続点、４８ 接続点、５０ 等価回路、５０Ａ 回路、６０ 実線、６１ 実線、１００ 空気調和機。

Claims (10)

1. 圧縮機、凝縮器、蒸発器、および、減圧装置を有する冷凍サイクルと、
   前記凝縮器および前記蒸発器に対して送風を行う送風機と、
   前記圧縮機および前記送風機をそれぞれ駆動するモータと、
   前記モータを駆動するインバータ回路と、
   電源と前記インバータ回路との間に接続され、前記モータの回生制動を行うスイッチング素子を備えた回生回路と、
   前記モータの減速中に、前記凝縮器の凝縮圧力と前記凝縮器の圧力上限値とに基づいて、前記回生回路に設けられた前記スイッチング素子のオンオフ動作を制御する制御部と
   を備え、
   前記制御部は、前記モータの減速中に、
   前記凝縮器の前記凝縮圧力と前記圧力上限値との差が小さくなるほど、前記スイッチング素子のオン時間を低減させ、
   前記凝縮器の前記凝縮圧力と前記圧力上限値との前記差が大きくなるほど、前記スイッチング素子のオン時間を増加させる、
   空気調和機。
2. 前記凝縮器に設けられ、前記凝縮器の内部を流れる冷媒の温度を検出する温度センサを備え、
   前記制御部は、前記温度センサが検出した前記冷媒の前記温度を前記冷媒の圧力に変換することで、前記凝縮圧力を求める、
   請求項１に記載の空気調和機。
3. 前記回生回路は、前記制御部の制御により、前記モータの減速時に、前記電源から前記モータへの電力供給を遮断する、
   請求項１または２に記載の空気調和機。
4. 前記回生回路は、前記回生制動で得られた電力を蓄積する蓄電器を有している、
   請求項１～３のいずれか１項に記載の空気調和機。
5. 前記蓄電器に蓄積された前記電力は、前記制御部の制御により、待機電力または前記モータの再駆動時の電力として使用される、
   請求項４に記載の空気調和機。
6. 前記制御部は、
   前記凝縮器の前記凝縮圧力と前記圧力上限値とに基づいてスイッチング定数を決定し、
   前記スイッチング定数に基づいて、前記スイッチング素子のオンオフ動作を制御する、
   請求項１～５のいずれか１項に記載の空気調和機。
7. 前記制御部は、
   外部から入力されるスイッチング定数に基づいて、前記スイッチング素子のオンオフ動作を制御する、
   請求項１～５のいずれか１項に記載の空気調和機。
8. 前記スイッチング定数は、前記スイッチング素子のオン時間とオフ時間とを示す２つのパラメータである、
   請求項６または７に記載の空気調和機。
9. 前記スイッチング定数は、前記スイッチング素子のオン時間とスイッチング周期との比を示す１つのパラメータである、
   請求項６または７に記載の空気調和機。
10. 前記制御部は、
    前記凝縮器の前記凝縮圧力と前記圧力上限値との差が小さくなるほど、前記モータの減速スピードを遅くし、
    前記凝縮器の前記凝縮圧力と前記圧力上限値との差が大きくなるほど、前記モータの前記減速スピードを速くする、
    請求項１～９のいずれか１項に記載の空気調和機。

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