JP7314504B2 - 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、室内機の風向板を回転させる、例えば上下風向板を上下方向に回転させる、もしくは、室内機の左右風向板を左右方向に回転させるステッピングモータの騒音低減に関する。

従来、ステッピングモータの騒音を低減させる図４の回路が特許文献１に開示されている。
図４はφ1～φ４の巻線を備えたステッピングモータ１１５と、このステッピングモータ１１５を駆動する駆動回路１１７を示している。

ステッピングモータ１１５の巻線φ１～φ４の一端は駆動用の電圧Ｖｍが印加される電源端子１１６に接続されており、巻線φ１～φ４のそれぞれの他端は駆動回路１１７内のトランジスタＱ１～Ｑ４のコレクタ端子にそれぞれ接続されている。また、トランジスタＱ１～Ｑ４のエミッタ端子はグランドに接続されている。

一方、トランジスタＱ１～Ｑ４のそれぞれのコレクタ端子にはダイオードＤ１～Ｄ４のアノード端子がそれぞれ接続されている。ダイオードＤ１～Ｄ４のカソード端子は定電圧ダイオードＺＤのカソード端子に接続され、定電圧ダイオードＺＤのアノード端子は電源端子１１６に接続されている。

この定電圧ダイオードＺＤの両端はトランジスタＱ５によって短絡／開放されるようになっており、さらにトランジスタＱ５のオンオフはトランジスタＱ６で制御される。トランジスタＱ６のベース端子をハイレベルにするとトランジスタＱ５がオンとなり定電圧ダイオードＺＤの両端は短絡され、トランジスタＱ６のベース端子をローレベルにするとトランジスタＱ５がオフとなり定電圧ダイオードＺＤの両端は短絡から開放される。

各トランジスタがオンすることで各巻線に電流が流れた後、各トランジスタがオフすることでこの電流が流れなくなった時に各巻線の両端にサージ電圧が発生する。各巻の一端は電圧Ｖｍに接続されているため、このサージ電圧は電圧Ｖｍに重畳、つまり加算された電圧となる。
電圧Ｖｍにアノード端子が接続された定電圧ダイオードＺＤは、このサージ電圧を電圧ＶｍとダイオードＤ１～Ｄ４の順方向電圧と定電圧ダイオードの定電圧の合計電圧以内にクリップするものである。一方、ステッピングモータ１１５を回転させるため、各トランジスタのベース端子に連続した駆動用のパルス信号が入力されると、これに対応して各トランジスタが連続してオンオフされる。前述したようにこのオンオフにより連続してサージ電圧が発生する。特許文献１に記載されているようにこの連続するサージ電圧が大きいほどステッピングモータ１１５のトルクが増加し、また、このトルクが増加することでステッピングモータ１１５駆動音（騒音）が増加することが知られている。

特許文献１ではこのステッピングモータ１１５の制御において、トルクが必要な時には定電圧ダイオードＺＤの両端を開放させてサージ電圧を所定の電圧でクリップし、騒音を小さくする必要がある時には定電圧ダイオードＺＤの両端を短絡させて、このサージ電圧を電圧Ｖｍと各ダイオードの順方向電圧の合計電圧以内にクリップするものである。このようにしてトルクの増加と静穏性を必要に応じて切り換えて使用する技術が記載されている。

ところで、空気調和機の室内機は空調された空気を送風ファンによって室内に送風し、また、送風方向を部屋の上下方向の角度に偏向する上下風向板が備えられている。この上下風向板はステッピングモータで駆動される。特に業務用の大型の室内機は上下風向板が大型となりこの大型の上下風向板を駆動するため大きなトルクが必要となる。このため、このステッピングモータを上下風向板の両端に備えたものがある。

空気調和機の運転において、設定温度と室温の差や外気温などによる空調負荷は刻々変化しており、室内機はこの空調負荷に対応して送風ファンの回転数や上下風向板の上下方向を逐次変更している。送風ファンの回転数が高い時には上下風向板にかかる風圧が大きいためステッピングモータの回転時のトルクはこれに負けない大きなトルクが必要である。ステッピングモータは原理上、停止時に最も大きなトルクを発生させるが、このステッピングモータのローターを回転させる場合には回転方向の隣接する巻線に電流を流してローターをこの巻線に吸引する。このため、距離が離れた隣接する巻線では磁力が弱くなり巻線を跨ぐ回転の途中段階では停止時よりもトルクが小さくなる。特に連続して回転する場合、停止時と異なりこのトルクが小さい期間が連続する。このため、設計時においてはこの風圧に耐える回転時のトルクを備えたステッピングモータを採用する。

しかしながら、ステッピングモータのステータにおける１つの磁極から次の磁極にローターが移動する１ステップの駆動音が、小さなトルクを発生する小型のステッピングモータよりも大きなトルクを発生させる大型のステッピングモータが大きい。特にモータを連続して駆動した場合に駆動音が連続するためユーザーにとっては大きな騒音に感じてしまう問題があった。このため、可能な限り小型、つまり、駆動音が小さいステッピングモータを採用する必要が有った。

特開平４－２９４１７８号公報（段落番号０００６～００１２）

本発明は以上述べた問題点を解決し、室内機の風向板、例えば上下風向板や左右風向板を駆動するステッピングモータにおいて回転に必要なトルクを確保しつつ、駆動音（騒音）を低減させることを目的とする。

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、
送風方向を偏向させる風向板を備えた室内機を備えた空気調和機であって、
前記室内機は、
前記送風方向を偏向させるために前記風向板を回転させるステッピングモータと、
前記ステッピングモータを駆動すると共に、入力された前記ステッピングモータのトルクを可変する信号に従って前記ステッピングモータのトルクを可変する風向板モータ駆動部と、
前記室内機の運転を管理すると共に、運転状態を出力する運転管理部と、
入力された前記運転状態に基づいて前記ステッピングモータのトルクを可変する信号を前記風向板モータ駆動部へ出力するトルク可変手段とを備えたことを特徴とする。

また、本発明の請求項２に記載の発明は、
前記室内機は、
室内に送風する送風ファンを回転させるファンモータと、
前記ファンモータを駆動するファンモータ駆動部と、
前記ファンモータ駆動部へ前記運転状態としての回転数を指示するファンモータ制御部とを備え、
前記トルク可変手段は、前記運転管理部が出力する前記回転数に基づいて前記ステッピングモータのトルクを可変する信号を前記風向板モータ駆動部へ出力す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、
風向板を駆動するステッピングモータにおいて、トルク可変手段が室内機の運転状態に基づいてステッピングモータのトルクを可変させるため、トルクが必要な時のみ必要なトルクを確保しつつ、トルクが必要でないときは駆動音（騒音）を低減させることができる。

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。 本発明の動作を説明する説明図である。 空気調和機の状態と必要なトルクの大きさを示すテーブルを説明する説明図である。 従来のステッピングモータ駆動回路を示す回路図である。

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、本実施例と関係のない冷媒回路などは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を示すブロック図である。この空気調和機１は室内機２と、これに通信接続された室外機３を備えている。

この室内機２は、図示しないリモコンの指示を受信するリモコン受信部１１と、室温を検出する室温センサ１２と、図示しない送風ファンを回転させるファンモータ１３と、内部に第１巻線１４ａ，第２巻線１４ｂ，第３巻線１４ｃ，第４巻線１４ｄを備え、それぞれの巻線の一端が直流電圧Ｖｃｃの端子に接続された上下風向板用のステッピングモータ１４と、図示しない冷媒回路用の電子膨張弁１５と、これらを制御する室内機制御部２０を備えている。なお、第１巻線１４ａ，第２巻線１４ｂ，第３巻線１４ｃ，第４巻線１４ｄの各他端は室内機制御部２０に接続されている。また、ステッピングモータ１４を回転させることで上下風向板を上下方向に回転させて、送風方向を上下に偏向させることができる。

この室内機制御部２０は、ファンモータ１３を駆動するファンモータ駆動部２１と、このファンモータ駆動部２１にファンモータ１３の回転数を指示するファンモータ制御部２２と、室内機２の運転状態、例えば通常運転、ダッシュ運転、おやすみ運転、上下風向板のスイング、風量の調整（ファンモータ１３の回転数の制御）など、運転全体を管理すると共に、これらの運転状態の情報を出力する運転管理部２３を備えている。

なお、スイングとは上下風向板を上下方向に自動的に往復させるものであり、ダッシュ運転とは最大空調能力と最大風量により部屋を急速に空調するものであり、お休み運転とは弱い空調能力と弱い風量により睡眠時の空調を行うものである。また、通常運転とは室温を設定温度にする空調運転であり、室温状況に応じて空調能力や風量を自動的に変化させるものである。

さらに室内機制御部２０は、ステッピングモータ１４を駆動する風向板モータ駆動部４０と、風向板モータ駆動部４０を介してステッピングモータ１４の回転を制御する回転制御部２４と、運転管理部２３から運転状態がそれぞれ入力され、これらの情報に基づいて風向板モータ駆動部４０にステッピングモータ１４のトルクを可変する信号を出力するトルク可変部（トルク可変手段）３０を備えている。なお、トルク可変部３０に関しては後で詳細に説明する。

一方、トルク可変部３０は運転管理部２３から運転状態が入力され、この運転情報に基づいて第１巻線１４ａ～第４巻線１４ｄに発生するサージ電圧を制限するクリップ電圧を決定し、この決定したクリップ電圧を指定する可変指示信号を出力するクリップ電圧決定部３１と、入力された可変指示信号に対応して第１巻線１４ａ～第４巻線１４ｄに発生するサージ電圧をクリップするクリップ電圧可変部３２を備えている。このクリップ動作についても後で詳細に説明する。

また、風向板モータ駆動部４０は、第１トランジスタ４１～第４トランジスタ４４と、第１ダイオード４５～第４ダイオード４８と、第１定電圧ダイオード５０と、第５ダイオード５１～第８ダイオード５４を備えている。

そして、ステッピングモータ１４の第１巻線１４ａの他端が第１トランジスタ４１のコレクタ端子に、また、第２巻線１４ｂの他端が第２トランジスタ４２のコレクタ端子に、また、第３巻線１４ｃの他端が第３トランジスタ４３のコレクタ端子に、さらに、第４巻線１４ｄの他端が第４トランジスタ４４のコレクタ端子に、それぞれ接続されている。
なお、第１トランジスタ４１～第４トランジスタ４４の各エミッタ端子はグランドに接続されている。

一方、第１トランジスタ４１のコレクタ端子には第５ダイオード５１のアノード端子が、第２トランジスタ４２のコレクタ端子には第６ダイオード５２のアノード端子が、第３トランジスタ４３のコレクタ端子には第７ダイオード５３のアノード端子が、第４トランジスタ４４のコレクタ端子には第８ダイオード５４のアノード端子が、それぞれ接続されている。
また、第５ダイオード５１～第８ダイオード５４の各カソード端子は第１定電圧ダイオード５０のカソード端子に接続され、第１定電圧ダイオード５０のアノード端子は直流電圧Ｖｃｃに接続されている。なお、第１定電圧ダイオード５０のカソード端子を以後、サージ電圧点Ｓ１と呼称する。

また、第１トランジスタ４１のコレクタ端子には第１ダイオード４５のカソード端子が、第２トランジスタ４２のコレクタ端子には第２ダイオード４６のカソード端子が、第３トランジスタ４３のコレクタ端子には第３ダイオード４７のカソード端子が、第４トランジスタ４４のコレクタ端子には第４ダイオード４８のカソード端子が、それぞれ接続されている。また、第１ダイオード４５～第４ダイオード４８の各アノード端子はグランドに接続されている。そして、クリップ電圧可変部３２の出力端がサージ電圧点Ｓ１（第１定電圧ダイオード５０のカソード端子）に接続されている。また、クリップ電圧可変部３２には直流電圧Ｖｃｃが入力されている。

一方、回転制御部２４は、ステッピングモータ１４を回転させる４種類のパルス信号を風向板モータ駆動部４０へ出力している。このパルス信号は駆動信号Ａを位相の基本とした場合、駆動信号Ａから位相が９０度遅れた駆動信号Ｂと、駆動信号Ａを反転させた駆動信号＃Ａと、駆動信号Ｂを反転させた駆動信号＃Ｂである。また、回転制御部２４は、駆動信号Ａを第１トランジスタ４１のベース端子に、駆動信号Ｂを第２トランジスタ４２のベース端子に、駆動信号＃Ａを第３トランジスタ４３のベース端子に、駆動信号＃Ｂを第４トランジスタ４４のベース端子に、それぞれ出力している。これらの信号についても後で詳細に説明する。

一方、背景技術で説明したようにサージ電圧の大きさによりステッピングモータ１４のトルクが増加する。このサージ電圧を可変させる、つまりトルクを可変させるため、クリップ電圧決定部３１は可変指示信号として「増加トルクなし」、「増加トルク（小）」、「増加トルク（中）」、「増加トルク（大）」の４段階に対応して４段階の電圧状態の信号を出力する。クリップ電圧決定部３１は入力された運転状態と対応する増加トルクの大きさを内部に備えたトルクテーブルから抽出して可変指示信号として出力する。なお、トルクテーブルについては後で詳細に説明する。

一方、クリップ電圧可変部３２は、内部に備えられて電圧ＶＬの定電圧を生成する第２定電圧ダイオード３２ｂと、電圧ＶＭの定電圧を生成する第３定電圧ダイオード３２ａと、風向板モータ駆動部４０に備えられている電圧ＶＨの定電圧を生成する第１定電圧ダイオード５０と、直流電圧Ｖｃｃを可変指示信号に対応して選択することでサージ電圧点Ｓ１のクリップ電圧を可変する。
クリップ電圧可変部３２は可変指示信号が「増加トルクなし」の時、クリップ電圧を電圧Ｖｃｃに接続する。つまり、クリップ電圧可変部３２はサージ電圧点S１と直流電圧Ｖｃｃの端子を短絡させる。また、クリップ電圧可変部３２は可変指示信号が「増加トルク（小）」の時、内部の第２定電圧ダイオード３２ｂ（定電圧はＶＬ）のみをサージ電圧点Ｓ１に接続する。また、クリップ電圧可変部３２は、可変指示信号が「増加トルク（中）」の時、内部の第３定電圧ダイオード３２ａ（定電圧はＶＭ）のみをサージ電圧点に接続する。

また、クリップ電圧可変部３２は、可変指示信号が「増加トルク（大）」の時、直流電圧Ｖｃｃの端子に何も接続しない。この時、定電圧がＶＨである第１定電圧ダイオード５０のみが直流電圧Ｖｃｃの端子に接続されていることになる。このようにクリップ電圧可変部３２は、可変指示信号によりサージ電圧点における電圧を直流電圧Ｖｃｃ、電圧ＶＬ、電圧ＶＭ、電圧ＶＨのいずれかの電圧にクリップすることができる。なお、各電圧は直流電圧Ｖｃｃ＜電圧ＶＬ＜電圧ＶＭ＜電圧ＶＨの関係となっている。
このようにクリップ電圧可変部３２は、ステッピングモータ１４のトルクを可変する信号としてクリップ電圧を出力する。

図２は本発明の動作を説明する説明図である。図２の横軸は時間である。縦軸に関して図２（１）は駆動信号Ａを、図２（２）は駆動信号Ｂを、図２（３）は駆動信号＃Ａを、図２（４）は駆動信号＃Ｂを、図２（５）は第１トランジスタ４１のコレクタ端子の電圧を、図２（６）は第２トランジスタ４２のコレクタ端子の電圧を、図２（７）は第３トランジスタ４３のコレクタ端子の電圧を、図２（８）は第４トランジスタ４４のコレクタ端子の電圧を、図２（９）はサージ電圧点Ｓ１の電圧（クリップ電圧）を、図２（１０）は可変指示信号を、それぞれ示している。なお、ｔ０～ｔ１２は時刻である。また、図２（９）のサージ電圧点Ｓ１の電圧は、各トランジスタのコレクタ端子の電圧を第５ダイオード５１～第８ダイオード５４により合成したものである。

図２（１）～（４）において各波形のローレベルは対応する巻線用のトランジスタをオフ、ハイレベルは対応する巻線用のトランジスタをオンすることを示す。前述したように各駆動信号は、駆動信号Ａを位相の基本とした場合、駆動信号Ａから位相が９０度遅れた駆動信号Ｂと、駆動信号Ａを反転させた駆動信号＃Ａと、駆動信号Ｂを反転させた駆動信号＃Ｂである。

一方、例えば図２（１）のｔ１で駆動信号Ａがハイレベル（オン）になると、第１トランジスタ４１がオンとなり、図２（５）に示すようにｔ１で第１トランジスタ４１のコレクタ端子の電圧がＶｃｃからアンダーシュートのサージ電圧により一時的にマイナス電位に振れた後ゼロボルトになる。つまり、直流電圧Ｖｃｃが第１巻線１４ａを介してグランドに接続される。この結果、第１巻線１４ａに電流が流れる。そして、ｔ３で駆動信号Ａがローレベル（オフ）になると、第１トランジスタ４１がオフとなり、図２（５）に示すようにｔ３で第１トランジスタ４１のコレクタ端子の電圧がゼロボルトからＶｃｃの電圧に向かって上昇する。

ただし、直前まで第１巻線１４ａに流れていた電流によりサージ電圧が発生する。このサージ電圧は直流電圧Ｖｃｃに重畳されるため、例えば図２（５）のｔ３における破線で示すようにピーク電圧Ｖｐに達する。このサージ電圧は各巻線で発生する。しかしながら、前述したようにクリップ電圧可変部３２はサージ電圧がピーク電圧Ｖｐに達するまでに図２（５）のｔ０～ｔ１１に示すようにＶｃｃ，ＶＬ，ＶＭ，ＶＨのいずれかの電圧にクリップする。なお、前述したようにどの電圧にクリップするのかは可変指示信号で決定される。

前述したようにクリップ電圧決定部３１は、入力されたファンモータ１３の回転数を含む運転状態から可変指示信号を作成する。例えば図２（１０）に示すように、作成された可変指示信号がｔ０～ｔ２まで増加トルクなし、ｔ２～ｔ４まで増加トルク（小）、ｔ４～ｔ１０まで増加トルク（中）、ｔ１０以降が増加トルク（大）の場合、図２（９）に示すようにサージ電圧点Ｓ１の電圧は、ｔ０～ｔ２まで直流電圧Ｖｃｃ、ｔ２～ｔ４まで電圧ＶＬ、ｔ４～ｔ１０まで電圧ＶＭ、ｔ１０以降が電圧ＶＨとなる。

図３はクリップ電圧決定部３１内に格納された、運転状態と増加トルクの大きさをテーブル化したトルクテーブルである。このテーブルの横方向に「運転状態」と「増加トルク（騒音）」の項目がある。運転状態とは空気調和機１の空調運転の状態であり、増加トルク（騒音）はサージ電圧による増加トルクの大きさを示している。なお、前述のようにトルクが増加するに従ってステッピングモータ１４の騒音も増加する。なお、増加トルクの大きさは「なし」、「小」、「中」、「大」に区分されている。

一方、「運転状態」は、図示しないリモコンの操作による手動の風向切り替えと、スイングによる自動風向切り替えと、図示しない電源コードをコンセントに差し込んだ時の初期化時（電源投入時）、運転開始時、運転終了時に区分けされ、手動時の風向切り替えとスイングによる風向切り替えは、「ダッシュ運転」と、「お休み運転」と、「通常運転」にそれぞれ区分されている。なお、手動時の風向切り替えはリモコンの1回のキー操作により、複数段階に区分された上下方向の内、1段階だけ上下風向板を回転させるものである。

例えば図３において手動時の風向切り替えは、ダッシュ運転であっても上下風向板の段階切替は1回のみであるため、増加トルクは「中」で十分であるが、スイングによる風向切り替え時のダッシュ運転は風量が多い状態で上下風向板の連続的な回転が必要であり、前述したように連続的な回転の場合、風量に負けないように増加トルクは「大」が必要である。また、運転開始／終了時は送風を行わない状態での連続的な風向板の回転（所定位置までの回転）であるため増加トルクは「なし」で十分である。

一方、通常運転ではファンの回転数が変化するためクリップ電圧決定部３１は入力された運転状態におけるファン回転数を監視し、例えば０～３００回転／分、３０１～６００回転／分、６０１～９００回転／分、９０１回転／分以上の区分に対応して、増加トルクを「なし」、「小」、「中」、「大」として可変指示信号を出力する。なお、これらの回転数の区分や運転モードの区分は一例であり、実際の空気調和機に対応して適宜決定すればよい。

以上説明したように、上下風向板を駆動するステッピングモータ１４において、トルク可変部３０が室内機２の運転状態に基づいてステッピングモータ１４のトルクを可変するため、ダッシュ運転時や上下風向板をスイングさせるような大きなトルクが必要な時のみトルクを確保しつつ、トルクが必要でない運転開始／停止時などは駆動音（騒音）を低減させることができる。また、トルクが必要な場合は風量が大きい場合であり、このような時は送風音にかき消されてステッピングモータ１４の駆動音は目立たない。

本実施例ではトルクを可変するためトルク可変部３０はクリップ電圧を変化させているが、これに限るものでなく、例えばステッピングモータ１４に印加される直流電圧Ｖｃｃを変化させるようにしても同様の効果を得ることができる。
また、本実施例では上下風向板用のステッピングモータを例にして説明しているが、これに限るものでなく、左右風向板用のステッピングモータの回転制御に用いても同様の効果を得ることが出来る。さらに、暖房運転時に送風する暖気を床に集中するように壁掛型室内機の下方のパネルを大きく開くパワーディフューザーの回転制御に用いても同様の効果を得ることができる。

１ 空気調和機
２ 室内機
３ 室外機
１１ リモコン受信部
１２ 室温センサ
１３ ファンモータ
１４ ステッピングモータ
１４ａ 第１巻線
１４ｂ 第２巻線
１４ｃ 第３巻線
１４ｄ 第４巻線
１５ 電子膨張弁
２０ 室内機制御部
２１ ファンモータ駆動部
２２ ファンモータ制御部
２３ 運転管理部
２４ 回転制御部
３０ トルク可変部（トルク可変手段）
３１ クリップ電圧決定部
３２ クリップ電圧可変部
３２ａ 第３定電圧ダイオード
３２ｂ 第２定電圧ダイオード
４０ 風向板モータ駆動部
４１ 第１トランジスタ
４２ 第２トランジスタ
４３ 第３トランジスタ
４４ 第４トランジスタ
４５ 第１ダイオード
４６ 第２ダイオード
４７ 第３ダイオード
４８ 第４ダイオード
５０ 第１定電圧ダイオード
５１ 第５ダイオード
５２ 第６ダイオード
５３ 第７ダイオード
５４ 第８ダイオード
Ｓ１ サージ電圧点

Claims (1)

1. 送風方向を偏向させる風向板を備えた室内機を備えた空気調和機であって、
   前記室内機は、
   送風ファンと、前記送風ファンを回転させるファンモータと、
   前記送風方向を偏向させるために前記風向板を回転させるステッピングモータと、
   前記ステッピングモータを駆動すると共に、入力された前記ステッピングモータのトルクを可変する信号に従って前記ステッピングモータのトルクを可変する風向板モータ駆動部と、
   前記室内機の運転を管理すると共に、運転状態を出力する運転管理部と、
   入力された前記運転状態に基づいて前記ステッピングモータのトルクを可変する信号を前記風向板モータ駆動部へ出力するトルク可変手段とを備え、
   前記トルク可変手段は、入力された前記運転状態が、前記ファンモータの回転による前記送風ファンの風量が大きい運転状態であるほど、前記トルクが大きくなるように前記ステッピングモータのトルクを可変する信号を出力し、入力された前記運転状態が、手動の風向切り替えである時よりも、スイングによる風向切り替えである時の方が、前記トルクが大きくなるように前記ステッピングモータのトルクを可変する信号を出力する
   ことを特徴とする空気調和機。

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