JP7349067B2

JP7349067B2 - 空気調和機

Info

Publication number: JP7349067B2
Application number: JP2019232181A
Authority: JP
Inventors: 祐大久保
Original assignee: Fujitsu General Ltd
Current assignee: Fujitsu General Ltd
Priority date: 2019-12-24
Filing date: 2019-12-24
Publication date: 2023-09-22
Anticipated expiration: 2039-12-24
Also published as: JP2021100360A

Description

本発明は、空気調和機に係わり、より詳細には、インバータ回路のスイッチング損失の改善に関する。

従来、昇圧回路を備えた空気調和機におけるインバータ回路のスイッチング損失の改善は、圧縮機の回転数に対応して昇圧回路の出力電圧を可変することでスイッチング損失を低減させて実現されている（例えば、特許文献１参照。）。
この室外機に備えられたインバータ装置は、直流電力の電圧を昇圧させる昇圧回路と、昇圧回路によって昇圧された直流電圧を交流電圧に変換し、圧縮機用モータへ供給するインバータ回路を備えている。

このインバータ装置は、圧縮機の回転数の範囲を３つの領域に分け、この領域に対応して昇圧回路の出力電圧（インバータ回路への供給電圧）を制御している。インバータ装置は、トルク制御が可能な圧縮機用モータの最小回転数から中間回転数以下のＡ領域では昇圧回路で昇圧させないで供給電圧を出力する。また、インバータ装置は、中間回転数を超えて定格回転数未満のＢ領域において、昇圧回路で圧縮機用モータの回転数に比例して昇圧させて供給電圧を出力する（ＰＡＭ制御）。また、インバータ装置は、定格回転数以上かつ最大回転数以下であるＣ領域では、昇圧回路を介して一定値で昇圧した供給電圧を出力する。なお、Ｃ領域は弱め界磁制御領域である。
このように回転数の領域に対応して供給電圧を高くすることで、インバータ回路でのスイッチング損失を最小限に留めることが出来る。

ところで、圧縮機の負荷の大きさは、主として圧縮機に接続された冷媒回路である室内機と室外機の各熱交換器の圧力差（温度差）で決定される。例えば暖房運転において外気温が－１０℃で室温が３０℃の場合は冷媒回路のこの圧力差が大きく、つまり、負荷が大きくなり、外気温が１０℃で室温が１５℃の場合は冷媒回路のこの圧力差が小さく、つまり、負荷が小さくなる。

圧縮機を起動する場合、負荷が小さい時よりも負荷が大きい時にはインバータ回路へ供給する供給電圧を高くして大きなトルクで圧縮機を回転させる必要がある。負荷が大きい時にインバータ回路へ供給する供給電圧が低い場合、トルク不足で圧縮機に振動が発生することがある。このため、インバータ装置は、動作温度範囲内で確実に圧縮機を起動するため、通常の設計においてこの負荷が最大となる場合を想定して前述したＡ領域とＢ領域での供給電圧を決定していた。

インバータ回路に備えられているスイッチング素子は、その素子をスイッチングするスイッチング速度が同じ場合、供給電圧が高くなるほどスイッチング損失が大きくなる。このため、冷媒回路の負荷が大きい場合、例えば寒冷地では圧縮機を確実に起動するための供給電圧を高くしなければならず、逆に負荷が小さい場合、例えば温暖な地域では圧縮機を確実に起動するための供給電圧は低くてもよい。

前述したように空気調和機は最悪の条件、つまり、例えば寒冷地に設置された場合でも確実に圧縮機を起動できるように設計されている。このため、温暖な地域に設置された空気調和機では負荷が必ずしも大きくならないにも関わらず、スイッチング損失が寒冷地と同じように発生しており、無駄な損失が発生していた。

特開２０１５－１４４５３０号公報（段落番号００１３～００１５）

本発明は以上述べた問題点を解決し、空気調和機で発生するスイッチング損失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、
入力された直流電圧を昇圧して供給電圧を出力する昇圧部と、入力された前記供給電圧を交流電圧に変換して出力するインバータ部と、前記交流電圧で駆動される圧縮機と、前記昇圧部へ昇圧の指示を行う電圧制御信号を出力し、前記インバータ部へ前記圧縮機の回転数と前記交流電圧の大きさを指示する制御部とを備えた空気調和機であって、
前記空気調和機は、前記圧縮機の負荷が大きい時の前記供給電圧に比較して前記圧縮機の負荷が小さい時の前記供給電圧を低くする損失低減手段を備えてい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、負荷が小さい場合にインバータ部への供給電圧を低下させることでスイッチング損失を低減することができる。

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。本発明による空気調和機の動作を説明する説明図である。昇圧電圧を補正するための補正値テーブルの説明図である。

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。

［空気調和機全体の説明］
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は交流電源２が接続された室外機４０と、室外機４０と通信線及び冷媒管で接続された室内機５０を備えている。

また、室外機４０は、交流電源２を整流して直流電圧を出力する整流器３と、整流器３の正極出力端と負極出力端に接続された昇圧部４と、昇圧部４から供給電圧が出力される正極出力端と負極出力端のそれぞれが入力端に接続され、入力された供給電圧を変換して三相の交流電圧を生成し、圧縮機７に内蔵されたモータ７ａに供給するインバータ部５と、供給電圧が出力される昇圧部４の正極出力端と負極出力端の間に接続され、供給電圧を検出して供給電圧信号として出力する供給電圧検出部６を備えている。

また、室外機４０は、四方弁８と、室外機熱交換器９と、室外機熱交換器９の温度を測定する室外機熱交換器温度センサ１７と、電子膨張弁１０と、第１操作弁１１と、第２操作弁１２と、吐出温度センサ１３と、吸入温度センサ１４と、外気温度を測定する外気温度センサ１６と、室外機４０を制御する室外機制御部２０を備えている。

なお、吐出温度センサ１３は検出した温度を吐出温度信号として、また、吸入温度センサ１４は検出した温度を吸入温度信号として、また、室外機熱交換器温度センサ１７は室外機熱交換器温度信号を、外気温度センサ１６は外気温度信号を、それぞれ出力する。

圧縮機７の吐出口は吐出管１５ａで、また、吸入口はガス管１５ｂで、それぞれ四方弁８と接続されている。また、四方弁８、室外機熱交換器９、電子膨張弁１０、第１冷媒管１５ｃ、第２操作弁１２は順次配管で接続されている。さらに四方弁８は、第２冷媒管１５ｄで第１操作弁１１に接続されている。なお、室外機４０と室内機５０は第１操作弁１１と第２操作弁１２を介してそれぞれの冷媒回路が接続されている。一方、吐出温度センサ１３は吐出管１５ａに、吸入温度センサ１４はガス管１５ｂにそれぞれ設けられている。

室内機５０は、室外機４０と通信線１８を介して通信接続され、室内機５０を制御する室内機制御部５１と、第１操作弁１１と第２操作弁１２に冷媒管で接続された室内機熱交換器５２と、室内機熱交換器５２の温度を検出する室内機熱交換器温度センサ５３を備えている。なお、室内機制御部５１は室内機熱交換器温度センサ５３で検出した温度を通信信号により、定期的に室内機熱交換器温度として室外機４０へ送信する。

［室外機制御部の説明］
室外機制御部２０は、入力された供給電圧信号で示される供給電圧が目的とする電圧になるように昇圧を指示することで昇圧部４を制御する電圧制御信号を出力し、また、インバータ部５へ圧縮機７のモータ７ａの回転数と圧縮機７を駆動する交流電圧の大きさを制御するインバータ制御信号を出力し、室外機４０の制御を行う制御部２１と、圧縮機７の負荷が大きい時に比較して圧縮機７の負荷が小さい時に昇圧部４で昇圧する供給電圧を低くする損失低減部（損失低減手段）３０を備えている。なお、制御部２１には室内機５０から前述したように通信信号により室内機熱交換器温度が入力されている。なお、以降、回転数とはモータ７ａの回転数を示す。

制御部２１は、供給電圧信号と、吸入温度信号と、吐出温度信号と、室外機熱交換器温度信号と、室内機５０から通信線１８を介して受信した室内機５０の室内機熱交換器温度と、外気温度信号が入力されており、これらの信号で表される供給電圧と吸入温度と吐出温度と室外機熱交換器温度と室内機熱交換器温度と外気温度から、供給電圧の大きさや圧縮機７の回転数やインバータ部５から出力される交流電圧の大きさを制御している。さらに制御部２１は、圧縮機７の回転数を回転数信号により、また、室内機熱交換器温度を室内機熱交換器温度信号により出力している。

［損失低減部の説明］
損失低減部３０は、昇圧電圧補正部３１と負荷検出部３２と補正値記憶部３３を備えている。負荷検出部３２は吐出温度信号と室外機熱交換器温度信号と室内機熱交換器温度信号と外気温度信号と回転数信号が入力されるようになっている。ただし、本実施例では負荷の大きさを算出するために負荷検出部３２は、室内機熱交換器温度と室外機熱交換器温度の差の絶対値からなる温度差を算出して負荷信号として出力している。さらに負荷の大きさの検出精度を向上させるために他の信号も組み合わせて用いてもよいし、例えば簡略化するために吐出温度や回転数や外気温度のみで負荷の大きさを算出してもよい。

補正値記憶部３３は内部に補正値テーブル３３ａを記憶している。図３はこの補正値テーブル３３ａを示す説明図である。横方向は室内機熱交換器温度と室外機熱交換器温度の温度差（絶対値）を５℃刻みで表している。この熱交換器の温度差は負荷の大きさを示しており、値が大きくなるほど負荷は大きくなる。また、縦方向は圧縮機７の回転数（単位：回転／毎秒）であり、上から下に向かって１５～３５まで1回転刻みで区分している。なお、この回転数が高くなるほど負荷が大きくなる。なお、補正値テーブル３３ａに格納される値（補正値）は０～３０ボルトの電圧値であり、制御部２１が出力する電圧制御信号（昇圧の指示電圧）を低下させるように補正するものである。

この補正値は回転数に対応して３つの領域に分かれている。回転数が１５以上２３未満までのＡ領域と、回転数が２３以上で３０未満までのＢ領域と、回転数が３０以上で３５以下のＣ領域である。Ａ領域は比較的低速の回転数でありモータ７ａのトルク制御が行われる領域である。このＡ領域は負荷の大きさが一定の時は回転数に関係なく同じ値の補正値が格納されている。
なお、Ａ領域において負荷が最も小さい温度差が５℃で回転数が１５以上２３未満の場合を最大の補正値である３０ボルトとし、負荷が大きくなるに従って、つまり温度差が大きくなるに従って値が小さくなるように補正値が格納されている。
なお、回転数が１５未満の領域は圧縮機７の回転停止状態からオープンループの制御により回転を開始して安定的な回転になり、トルク制御が可能になるまでの領域であるため、従来と同様に供給電圧の補正は行わないのでここでの説明を省略する。

Ｂ領域はトルク制御に代えてＰＡＭ制御が行われる領域である。このＢ領域は回転数の増加に応じて減少する補正値が格納されている。なお、Ｂ領域において負荷が最も小さい温度差が５℃で回転数が２３の場合を最大の補正値である２５ボルトとし、負荷が大きくなるに従って、つまり温度差が大きくなるに従って値が小さくなるような補正値が格納されている。
Ｃ領域はＰＡＭ制御に代えて弱め界磁の回転数領域であり、電圧の補正を行わないため補正値は回転数や負荷の大きさに関係なくすべて０である。

なお、昇圧部４は電圧制御信号に従って、整流器３から入力された２８０Ｖの直流電圧を３１０Ｖ～３８０Ｖに昇圧する。後で詳細に説明するように損失低減部３０は、制御部２１を介して負荷の大きさに対応してこの電圧制御信号（昇圧の指示電圧）を補正し、昇圧部４が出力する供給電圧を変化させることができる。

昇圧電圧補正部３１は、入力された回転数と負荷信号（負荷の大きさ）を用いて補正値記憶部３３内の補正値テーブル３３ａから対応する補正値を補正値信号として入力し、これを補正電圧信号により補正電圧値として制御部２１へ出力する。制御部２１は供給電圧を目標の電圧とするための電圧制御信号を常にフィードバック制御により生成している。制御部２１はこの生成した電圧制御信号に対して補正電圧値を減じた電圧値となる電圧制御信号に変換して昇圧部４へ出力する。前述したように補正値テーブル３３ａは負荷が大きくなるに従って小さくなる補正値が格納されているため、圧縮機７の負荷が小さい時に昇圧部４は、その負荷の大きさに対応した供給電圧を出力する。

［動作説明］
図２は本発明による空気調和機の動作を説明する説明図である。
横軸は回転数（単位：回転／毎秒）を示しており、前述したようにＡ領域とＢ領域とＣ領域に分かれている。縦軸は供給電圧（単位：ボルト）を示している。
この図では圧縮機７の負荷が最大の場合と最小の場合（実線）とその中間の平均的な負荷の場合（破線）の供給電圧の変化をグラフで示している。

背景技術で説明したように圧縮機を備えた空気調和機は、動作温度範囲内で確実に圧縮機を起動するため、通常の設計においてこの負荷が最大となる場合を想定して前述したＡ領域とＢ領域での供給電圧を決定している。本実施例ではこの負荷が最大となる場合、Ａ領域において供給電圧：３４０Ｖ、Ｂ領域において供給電圧：３４０Ｖ～３８０Ｖ、Ｃ領域において供給電圧：３８０Ｖとなるように空気調和機１の仕様を決定している。

また、背景技術で説明したように、このような仕様の空気調和機であれば仕様の範囲内においてどの様な外気温度でも確実に圧縮機を起動できるが、一方、温暖な気候により負荷の小さい地域に設置された空気調和機は供給電圧：３４０Ｖより低い電圧で容易に圧縮機を起動できる電圧マージンが存在するのに関わらず、供給電圧：３４０Ｖで圧縮機を起動するため従来の空気調和機では余計なスイッチング損失が発生していた。

本実施例では、負荷検出部３２が負荷の大きさを検出して負荷信号を昇圧電圧補正部３１へ出力する。昇圧電圧補正部３１は、入力された負荷信号と圧縮機７の回転数を用いて補正値テーブル３３ａから補正値を読出し、これを補正電圧値として制御部２１へ出力する。

例えば、現在の回転数が１５回転／毎秒、室外機熱交換器温度がマイナス５℃、室内機熱交換器温度が２０℃であるとする。負荷検出部３２は室外機熱交換器温度と室内機熱交換器温度の温度差の絶対値である２５℃を算出して負荷信号として出力する。昇圧電圧補正部３１は、入力された負荷信号で示される２５℃と圧縮機７の回転数（１５回転／毎秒）を用いて補正値テーブル３３ａから出力される補正値信号が入力され、この補正値信号が示す補正値（１５ボルト）を補正電圧信号として制御部２１へ出力する。

制御部２１は昇圧部４から出力される供給電圧が補正されない場合、必ず圧縮機７を起動できるように、図２の負荷が最大の場合のグラフ（補正前の電圧）で示される電圧を出力する。具体的にはＡ領域では３４０ボルト、Ｂ領域では３４０～３８０Ｖ、Ｃ領域では３８０ボルトである。制御部２１は損失低減部３０の昇圧電圧補正部３１から補正値（１５ボルト）が入力されると、回転数が１５回転／毎秒のＡ領域では３４０ボルトより１５ボルトたけ低い３２５ボルトを出力するように昇圧部４へ電圧制御信号を出力する。このため、供給電圧は、図２において破線のグラフで示される電圧に昇圧されることになる。

前述したように補正値テーブル３３ａは負荷が大きくなるに従って値が小さくなるように格納されているため、圧縮機７の最大負荷より現在の負荷が小さい時には、その負荷の大きさに対応して供給電圧が補正前の電圧より低くなることになる。

［効果について］
以上説明したように本実施例では、このような負荷が小さい場合にスイッチング損失を低減させるために、負荷の大きさに対応して供給電圧を変化させるための損失低減部３０を空気調和機１に備えている。従って負荷が小さい場合に空気調和機１は圧縮機を起動できる範囲内で供給電圧を低下させるため、スイッチング損失を低減することができる。

［補正値テーブルの他の例について］
なお、本実施例では最大負荷における供給電圧の変化グラフから補正値テーブル３３ａの補正値を減算する方式を採用しているが、これに限るものでなく、最小負荷における供給電圧の変化グラフを基準とし、補正値を加算することで最大負荷における供給電圧の変化グラフを実現するように補正値テーブル３３ａの値を決定してもよい。
また、補正値テーブル３３ａを用いないで、負荷の大きさと圧縮機７の回転数から同等の補正値を求める数式を用いてもよい。

１空気調和機
２交流電源
３整流器
４昇圧部
５インバータ部
６供給電圧検出部
７圧縮機
７ａモータ
８四方弁
９室外機熱交換器
１０電子膨張弁
１１第１操作弁
１２第２操作弁
１３吐出温度センサ
１４吸入温度センサ
１５ａ吐出管
１５ｂガス管
１５ｃ第１冷媒管
１６外気温度センサ
１７室外機熱交換器温度センサ
２０室外機制御部
２１制御部
３０損失低減部（損失低減手段）
３１昇圧電圧補正部
３２負荷検出部
３３補正値記憶部
４０室外機
５０室内機
５１室内機制御部
５２室内機熱交換器
５３室内機熱交換器温度センサ

Claims

入力された直流電圧を昇圧して供給電圧を出力する昇圧部と、入力された前記供給電圧を交流電圧に変換して出力するインバータ部と、前記交流電圧で駆動される圧縮機と、前記昇圧部へ昇圧の指示を行う電圧制御信号を出力し、前記インバータ部へ前記圧縮機の回転数と前記交流電圧の大きさを指示する制御部とを備えた空気調和機であって、
前記空気調和機は、損失低減手段を備え、
前記損失低減手段は、前記圧縮機の負荷の大きさを検出する負荷検出部を備え、前記圧縮機の負荷の大きさと前記圧縮機の回転数に基づいて前記供給電圧を変化させ、前記圧縮機の回転数が同じである場合において、前記圧縮機の負荷が大きい時の前記供給電圧に比較して前記圧縮機の負荷が小さい時の前記供給電圧を低くすることを特徴とする空気調和機。
前記損失低減手段は、
前記圧縮機の負荷の大きさと前記圧縮機の回転数に対応して前記供給電圧を補正する電圧を示す補正値を予め記憶する補正値記憶部と、
入力された前記圧縮機の回転数と前記圧縮機の負荷の大きさに対応する前記補正値を前記補正値記憶部から読み出して前記制御部へ出力する昇圧電圧補正部をさらに備え、
前記制御部は入力された前記補正値に従って前記供給電圧を補正することを特徴とする請求項１記載の空気調和機。