JPWO2005124988A1

JPWO2005124988A1 - 空気調和機

Info

Publication number: JPWO2005124988A1
Application number: JP2006514682A
Authority: JP
Inventors: 林壮寛小; 泉哲弥小
Original assignee: Toshiba Carrier Corp
Current assignee: Toshiba Carrier Corp
Priority date: 2004-06-21
Filing date: 2005-05-30
Publication date: 2008-04-17
Also published as: CN1969450A; CN1969450B; EP1796255B1; WO2005124988A1; EP1796255A4; BRPI0512085A; EP1796255A1

Abstract

インバータ回路によってそれぞれ駆動される複数の圧縮機を備えていても、構成の簡易化及び形状の小型化を達成することのできる空気調和機を提供する。複数の圧縮機１，２がそれぞれインバータ回路によってそれぞれ駆動されるとき、インバータ回路１２，２２は、それぞれ交流を整流する整流回路１１，２１が一体的に組み込まれた複合モジュール１０，２０からなり、複数の複合モジュールの各整流回路の各入力端に交流電源７を接続し、各整流回路の出力端を並列接続して直流電路を形成し、この直流電路を複数の前記複合モジュールの各インバータ回路の入力端に接続したものである。

Description

本発明は、インバータ回路によってそれぞれ駆動される複数の圧縮機をそなえた空気調和機に関する。

従来、互いに別個のインバータ回路により駆動制御される２台の能力可変圧縮機をそなえた空気調和機が提案されている（例えば、日本特許第２５５７９０３号公報参照）。この空気調和機は、冷凍サイクルとして２台の圧縮機の吐出側が１つの冷媒配管に共通に接続され、吸込側も１つの冷媒配管に共通に接続された冷凍サイクルを備えている。

このような空気調和機における２台の圧縮機を駆動する電源回路としては、交流電源の交流を１台の整流回路で整流し、この整流回路の出力を２台のインバータ回路によって可変周波数の交流に変換してそれぞれ対応する圧縮機に供給するものと、交流電源の交流を２台の整流回路で整流し、これらの整流回路の出力をそれぞれインバータ回路によって可変周波数の交流に変換して対応する圧縮機に供給するものとがある。

上述した空気調和機を駆動する交流電源として、２００Ｖの商用３相交流電源と、４００Ｖの商用３相交流電源とがある。ここで、空調能力が１０馬力の空気調和機であれば、２台の圧縮機の能力はそれぞれ５馬力相当となり、例えば、４００Ｖの３相交流電源で５馬力の圧縮機を駆動する場合の交流電源側の入力電流は１１Ａ程度になる。したがって、２台の圧縮機を駆動する場合の交流電源側の電流は２２Ａとなる。

いま、交流電源の交流を１台の整流回路で整流して圧縮機２台分の直流電力を得る場合には、整流回路に流れる電流は約４１Ａとなり、整流回路として定格が５０Ａのものを用いなければならない。
しかしながら、交流入力電圧が４００Ｖで、出力電流が５０Ａの定格を持つ整流回路は一般的ではなく、容量的に特殊なものとなることから、形状の大型化が避けられず、コスト的にも高いものになってしまう。

一方、１台の圧縮機を能力制御するためのインバータ装置として、整流回路とインバータ回路とが１つのパッケージとして一体化された複合モジュールが用いられることが多い。この複合モジュールでは、整流回路はこれと一体的に組み込まれているインバータ回路の直流電源となるため、インバータ回路と同一定格のものになっている。
このため、交流電源の交流を１台の整流回路で整流して圧縮機２台分の直流電力を得るような複合モジュールを使用するとすれば、インバータ回路にも２台分の交流電力を出力することのできる定格の大きい素子を用いなければならない。このような定格の大きな素子は、高価で、形状も大きく、これを収納する空気調和機も大型化してしまう。

そこで、複合モジュールを使用せずに、整流回路とインバータ回路とを別にしてそれぞれ半導体素子を接続する構成が考えられるが、その場合には配線に手間がかかり、取り付けスペースも広く確保しなければならない。

一方、２台のインバータ回路それぞれの直流電力を別個の整流回路から得るように構成した場合には、整流回路とインバータ回路の電流定格が等しいため、複合モジュールの使用が可能である。
しかしながら、この構成では、複合モジュール毎に、整流回路とインバータ回路の間に、力率改善用リアクタや平滑用キャパシタ等の回路素子、さらにはフィルタ回路を設けなければならず、そのために形状の大型化が避けられず、コスト的にも高いものになってしまう。

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、インバータ回路によってそれぞれ駆動される複数の圧縮機を備えていても、構成の簡易化及び形状の小型化を達成することのできる空気調和機を提供することを目的とする。

上記目的達成のため、本発明は、インバータ回路によってそれぞれ駆動される複数の圧縮機をそなえた空気調和機において、インバータ回路は、交流を整流する整流回路と一体的に組み込まれた複合モジュールとして構成され、複数の複合モジュールの各整流回路の各入力端に交流電源を接続し、各整流回路の出力端を並列接続して直流電路を形成し、この直流電路を複数の複合モジュールの各インバータ回路の入力端に接続したことを特徴とする。

上記のように構成したことにより、インバータ回路によってそれぞれ駆動される複数の圧縮機を備えていても、構成の簡易化及び形状の小型化を達成することのできる空気調和機を提供することができる。

本発明を適用する空気調和機の冷凍サイクルを示した図。図１に示した冷凍サイクルを構成する圧縮機を互いに別個のインバータ回路によって能力制御運転する制御回路の構成を示した回路図。空調負荷の変化に応じて圧縮機の運転台数及び圧縮機能力を制御する状態を説明するための線図。図２に示した制御回路の具体的な処理手順を示したフローチャート。

〔第１の実施形態〕
図１は、本発明を適用する空気調和機の冷凍サイクルであり、２台の圧縮機１及び２の吐出側が１つの冷媒配管に共通に接続され、吸込側も１つの冷媒配管に共通に接続されている。これら吐出側の配管と吸込側の冷媒配管とは、四方弁３の入口と出口にそれぞれ接続されている。そして、この四方弁３の一方の切替入出口と他方の切替入出口との間に、室内熱交換器４、膨張弁５、室外熱交換器６が、順次、冷媒配管で接続されている。
これにより、暖房運転時には矢印Ａ及び矢印Ｂに示したように、圧縮機１及び２、四方弁３、室内熱交換器４、膨張弁５、室外熱交換器６、四方弁３、圧縮機１及び２の経路で冷媒が循環され、冷房運転時には、矢印Ａ及び矢印Ｃに示したように、圧縮機１及び２、四方弁３、室外熱交換器６、膨張弁５、室内熱交換器４、四方弁３、圧縮機１及び２の経路で冷媒が循環される。

図２は、図１に示した冷凍サイクルを構成する圧縮機１及び２を、互いに別個のインバータ回路によって能力制御運転する制御回路の構成を示す回路図である。この図２において、４００Ｖの商用３相交流電源７に、突入防止回路８の入力端が接続されている。
この突入防止回路８は、例えば、抵抗素子とリレー接点とを並列接続し、電源の投入時にリレー接点をオフ状態に保ち、その後、リレー接点をオン状態にして突入電流を抑制するものが用いられる。
この突入防止回路８の出力端には、圧縮機１を駆動するための複合モジュール１０と、圧縮機２を駆動するための複合モジュール２０とが接続されている。複合モジュール１０，２０は、整流回路１１とインバータ回路１２、整流回路２１とインバータ回路２２という組合わせでそれぞれ１つのパッケージとして一体化されたもので、両者は同一の定格を有する同一モジュールとなっている。なお、圧縮機１及び２も同じ定格の圧縮機となっている。このうち、整流回路１１及び整流回路２１の各入力端が、突入防止回路８の出力端に接続されている。

ここで、空気調和機が１０馬力相当の空調能力を備えているものとすると、圧縮機１及び２はそれぞれ５馬力の仕事率を持つものが使用される。そして、これらの圧縮機１及び２に対応して、整流回路１１及び整流回路２１として、電圧が４００Ｖの交流を入力して２５Ａの直流電流を出力し得るように、それぞれダイオードが３相ブリッジ接続されたものが用いられ、インバータ回路１２及びインバータ回路２２として、ＩＧＢＴ等のスイッチング素子が３相ブリッジ接続され、直流の入力電流が２５Ａ、入力電圧が６００Ｖを超える定格のものが用いられる。

整流回路１１及び整流回路２１の各出力端は並列に接続されて直流電路を形成し、この直流電路の正の電路（負の電路でもよい）に力率改善用リアクタ３１が直列に接続され、この力率改善用リアクタ３１の負荷側の正、負の電路間に平滑用キャパシタ３２が接続されている。
また、これら正、負の電路に高調波が電源側に漏洩することを防止するフィルタ回路３３の電源側が接続され、このフィルタ回路３３の負荷側が分岐されて、インバータ回路１２の直流入力端とインバータ回路２２の直流入力端にそれぞれ接続されている。そして、インバータ回路１２の交流出力端に圧縮機１が、インバータ回路２２の交流出力端に圧縮機２がそれぞれ接続されている。

一方、インバータ回路１２及びインバータ回路２２を制御するために、整流回路１１の入力電流を検出する電流検出回路１３と、整流回路２１の入力電流を検出する電流検出回路２３と、これらの電流検出回路の電流検出値、図示省略の温度設定器の設定値に対する室温センサの温度検出値の差を考慮して算出される空調負荷を入力として、インバータ回路１２及び２２の各スイッチング素子のオン、オフ信号を生成する制御回路３０と、このオン、オフ信号を増幅してインバータ回路１２に供給する駆動回路１４と、インバータ回路２２に供給する駆動回路２４とが、設けられている。

上記のように構成された第１の実施形態の動作について、図３をも参照して以下に説明する。３相交流電源７の交流が、突入防止回路８を介して、整流回路１１及び整流回路２１に供給され、それぞれ脈流として出力される。
これらの脈流は、力率改善用リアクタ３１を介して、平滑用キャパシタ３２の両端に印加され、ここでリップル分の少ない直流に変換される。この直流は、フィルタ回路３３を介してインバータ回路１２及び２２に供給される。

制御回路３０は、空調負荷に応じて、圧縮機１のみを駆動するようにインバータ回路１２にオン、オフ信号を加えたり、圧縮機１及び２の両方を駆動するようにインバータ回路１２及び２２の両方にオン、オフ信号を加えたりする。
ここで、空調負荷が小さくて圧縮機１のみを駆動するときは、空調負荷の変化に応じて圧縮機能力を変化させるようにインバータ回路１２の出力周波数を変化させ、空調負荷が大きくて圧縮機１及び２の両方を駆動するときは、空調負荷の変化に対して両方の圧縮機能力及び変化率が同じになるように、それぞれの出力周波数を変化させる。

図３は、これらの関係を示した線図であり、空調負荷の変動範囲の全体に亘って、空調負荷と圧縮機能力とが直線Ｒに従って略比例するように圧縮機を能力制御するが、空調負荷がＱ_１より小さい範囲で１台目の圧縮機の能力をＲ_１以下で制御し、空調負荷がＱ_１より大きい範囲で１台目の圧縮機と２台目の圧縮機の両方を略同じ周波数で制御することにより、圧縮機の能力をＲ_１〜Ｒ_２（＝２・Ｒ_１）の範囲で制御し、空調負荷がＱ_２を超えたとしても圧縮機の能力をＲ_２に維持する。
このような制御を行うことによって、２台運転中の複合モジュール１０及び２０の電流値を均衡させることができる。

ところで、この第１の実施形態では、複合モジュール１０と２０とは、ともに同一定格のものを用いているので、整流回路１１と２１とは電流容量の等しい整流素子を使用している。しかしながら、これらの整流素子の順方向特性の違いによって、整流回路１１と２１との出力電流が若干アンバランスになる可能性がある。
したがって、複合モジュール１０と２０のうち、何れか一方の入力電流を検出し、その検出値が一定値以下になるように制御しても、インバータ回路のスイッチング素子が異常に温度上昇したり、圧縮機が過負荷状態になることを防止できない場合がある。
そこで、この第１の実施形態では、整流回路１１及び２１の各入力側に電流検出回路１３及び２３を設け、２つの電流検出値の合計値が予め設定した閾値を超えないように制御する。

すなわち、電流検出回路１３によって検出された整流回路１１の入力電流をｉ_１、電流検出回路２３によって検出された整流回路２１の入力電流をｉ_２とする。制御回路３０はこれらの電流検出値を読み込み、その合計電流Ｉ＝ｉ_１＋ｉ_２を算出し、この合計電流Ｉが予め設定した閾値を超えないように、インバータ回路１２及び２２の出力周波数を制御する。

具体的には、圧縮機を１台だけ運転している状態では、閾値Ｉｓ_１を用いて合計電流Ｉがこの閾値Ｉｓ_１を超えないように、すなわち、Ｉ≦Ｉｓ_１を維持するようにインバータ回路の出力周波数を制御する。
これに対して、圧縮機を２台とも運転している状態では、閾値Ｉｓ_２（＞Ｉｓ_１、一般的には２・Ｉｓ_１）を超えないように、すなわち、Ｉ≦Ｉｓ_２を維持するようにインバータ回路の出力周波数を制御する。

図４は、上述したように、入力電流を閾値よりも低く抑えるための具体的な処理手順を示すフローチャートである。ここでは、ステップ１０１で室内機の空調負荷から圧縮機運転台数ｎと、各インバータ回路の出力周波数を決定する。なお、圧縮機運転台数ｎ、各インバータ回路の出力周波数の決定は、各種提案されていて何れも公知であるのでその説明は省略する。
続いて、ステップ１０２で検出電流値ｉ_１，ｉ_２を読み込み、ステップ１０３でこれらの検出電流値の合計値Ｉを算出する。次に、ステップ１０４で、圧縮機の運転台数が１台であるか否かを判定し、１台であると判定したときはステップ１０５で合計値Ｉが１台分の閾値Ｉｓ_１を超えているか否かを判定し、超えた場合にはステップ１０６で運転中のインバータ回路の出力周波数を低下させて上記の処理を繰り返し、超えていなかった場合には周波数の低下処理をせずに上記の処理を繰り返す。
一方、ステップ１０４で圧縮機の運転台数が１台でないと判定された場合には、ステップ１０７で合計値Ｉが２台分の閾値Ｉｓ_２を超えているか否かを判定し、超えている場合には、ステップ１０６で運転中のインバータ回路の出力周波数を低下させて上記の処理を繰り返し、超えていない場合には、周波数の低下処理をせずに上記の処理を繰り返す。

このように、第１の実施形態によれば、インバータ回路１２，２２は、それぞれ交流を整流する整流回路１１，２１が一体的に組み込まれた複合モジュール１０，２０を構成する要素として構成され、これらの複合モジュール１０，２０の各整流回路１１，２１の各入力端に交流電源７を接続し、整流回路１１，２１の出力端を並列接続して直流電路を形成し、この直流電路を２個の複合モジュール１０，２０の各インバータ回路１２，２２の入力端に接続した構成としたので、力率改善用リアクタ３１、平滑用キャパシタ３２及び３３が１組で済むこととなり、これによって、インバータ回路によってそれぞれ駆動される複数の圧縮機を備えていても、構成の簡易化及び形状の小型化を達成することができる。

〔第２の実施形態〕
第１の実施形態では、インバータ回路によってそれぞれ駆動される２台の圧縮機をそなえた空気調和機について説明したが、本発明はこれへの適用に限定されず、３台以上の圧縮機がそれぞれインバータによって駆動される空気調和機にも適用することができる。

Claims

インバータ回路によってそれぞれ駆動される複数の圧縮機をそなえた空気調和機において、
前記インバータ回路は、交流を整流する整流回路と一体的に組み込まれた複合モジュールとして構成され、
複数の前記複合モジュールの各整流回路の各入力端に交流電源を接続し、前記各整流回路の出力端を並列接続して直流電路を形成し、この直流電路を複数の前記複合モジュールの各インバータ回路の入力端に接続した
ことを特徴とする空気調和機。
請求項１記載の空気調和機において、
複数の前記複合モジュールの各整流回路の入力電流を検出する電流検出回路と、
複数の前記複合モジュールのインバータ回路の動作中、前記電流検出回路で検出された電流の合計値と動作中の前記インバータ回路の数に応じて異なる値に設定された電流設定値との比較結果に基づいて前記複合モジュールの各インバータ回路の出力周波数を制御する電流制御手段と
をそなえたことを特徴とする空気調和機。