JPWO2016162939A1 - 空気調和機 - Google Patents
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Abstract
Description
空気調和機の室外機送風機の多くに採用されるプロペラファンや、室内機、例えば天井カセット型4方向吹き出し機に使用されるターボファン等には、樹脂材料による射出成型品が多く用いられている。樹脂材料による射出成型品は、板金製ではないため、形状自由度が高く大量生産に有利であり、高効率且つ低騒音、低コストを実現することができる。
一般に、空気調和機の室外機では、送風機のファンは外気温や空気調和機を構成する冷凍サイクル内の冷媒温度などから演算し、約100rpmから約1000rpm程度まで、幅広い回転速度で送風している。
そのため、空気調和機の筐体との共振により、振動や騒音が特定の回転速度において大きくなってしまうことがある。共振による振動や騒音の増大は、空気調和機使用者にとって大きな問題となるため、予め空気調和機の筐体との共振が発生する回転速度を調査し、その回転速度を使用しないような制御等、工夫がなされている。
また、東北や北海道、北陸地方では、空気調和機の室外機熱交換器が積雪にて埋まってしまわないようにするため、積雪を考慮した高さに室外機を据え付けるべく、架台を作成しその上に室外機を設置する場合がある。
さらに、空気調和機の室内機については、室内機を施工する際、建物の構造により室内機を吊るための釣りボルトの長さも、施工場所によってそれぞれ異なる。このため、空気調和機を吊った状態での固有振動数は施工条件によって少しずつ異なる。
これらの場合、現地の施工状態によって、空気調和機室外機と架台を一体とした固有振動値は異なることになる。
また、特許文献2記載の空気調和機では、突風や地震、保守点検の際の振動等外乱により振動センサが誤検知してしまう虞れがある。また、振動センサを必要とするため、コストが増大するという問題がある。
(第1の実施形態)
図1は、本発明の第1の実施形態に係る空気調和機の室外機1の構成を示す図である。空気調和機は、室外機と図示しない室内機が、冷媒配管により接続されて冷凍サイクルを構成し、空気調和を行うものである。
図1に示すように、空気調和機の室外機1は、図示しない室外側熱交換器に送風するプロペラファン2と、プロペラファン2を回転駆動するファンモータ3と、ファンモータ3を所望の回転速度となるように回転自在に駆動制御するとともに、共振回避制御を実行する制御部4(制御手段)と、を備える。
制御部4は、共振判定部9の共振判定結果に基づいて、ファンモータ3の回転速度を調整し、共振状態から回避する。すなわち、制御部4は、共振判定部9が共振と判定すると、ファン1の回転速度を調整して、共振状態から回避できるかを試みる。
共振判定部9は、制御部4によるファン回転速度の増加または減少制御後に、再度、共振判定を試み、共振を判定しない場合、制御部4は、当該ファン回転速度による運転を継続する。
まず、プロペラファン2の共振に起因するトルク変動によるモータ電流の脈動の検出方法について述べる。
図2は、上記脈動検出部8の構成例を示す図である。
まず、電流検出部5は、ファンモータ3からの三相の出力電流(Iu、Iv、Iw)を検出する。具体的には、ファンモータ3を駆動するインバータ(図示省略)の直流部分に流れる電流をシャント抵抗(図示省略)の両端に発生する電圧から測定する。そして、制御部4内の図示しない電流演算部によって、モータ電流(Iu、Iv、Iw)を導出する。なお、モータ電流(Iu、Iv、Iw)の検出方法には、モータ電流の出力部に抵抗値の小さい抵抗を接続し、その抵抗にかかる電圧からの検出や、電流センサによる検出等様々な方法がある。
検出したモータ電流(Iu、Iv、Iw)を、次式(1)に従って、αβ変換、dq変換の順に変換し、その結果を1次遅れフィルタ処理することで、脈動検出部8の入力値となる、q軸電流フィードバック値を算出する。
Δθr=Δθdc/極対数 …(2)
ここで、1次遅れフィルタ処理の時定数の設定値の設定には、実機による試験を基に、トルク脈動の周期を抽出できるようにシミュレーションにより設定する。すなわち、フィルタ時定数の設定には脈動成分を抽出するためにフィルタ時定数を脈動周期より大きくする必要があるため、トルク脈動が発生するプロペラファン2の回転周期に対しそれよりも大きい時定数を設定する。1次遅れフィルタ処理72後、再度sinθr、cosθrをかけ、足し合わせ、調整ゲインKにより脈動成分の調整を行うことで、機械角位相θrの周期で脈動する成分のみを抽出することができる。サンプリング周期、フィルタ時定数の設定値の一例を図2に示す。
図3は、空気調和機の共振時における電流の脈動を示す波形図である。図3に示す曲線50aは、非共振状態の電流値波形を示し、曲線50bは、共振状態のときの電流値波形を示している。
図1に示す電流検出部5は、時々刻々ファンモータ電流を検出している。
空気調和機の室外機1または室内機が共振状態にある場合、ファンモータ3のトルク変動が非共振時と比較して大きくなり、それがファンモータ3の印加電流にも発生する。このため、図3の曲線50bに示すように、電流平均値Imに対する脈動(もしくは振幅)Iaが大きくなる。ファンモータ3の回転速度が増大するにつれ、印加電流も大きくなるため、電流平均値Imも増加する。電流脈動値Iaによって、共振判定が可能になる。
図4に示す曲線51bは共振がある場合、曲線51aは共振がない場合の関係を示す。
図4に示す曲線51aは、非共振状態の電流値波形を示し、曲線51bは共振状態のときの電流値波形を示している。本発明者らは、図4の曲線51bに示すように、共振状態にある場合、あるファン回転速度[Hz]において、ファンモータ3の電流脈動値が増大することを見出した。この点、プロペラファン2が万が一損傷した場合に生じる電流脈動値とは異なる。すなわち、プロペラファン2が損傷した場合には、プロペラファン2自身のアンバランスにより、回転速度によらずに電流脈動値が増大する。したがって、電流脈動値の増大を検出した場合に、回転速度を変えてみて、その結果、当該電流脈動値が減少するのであれば、プロペラファン2の損傷によるような室外機1の共振状態ではないと判定できる。ちなみに、回転速度を変えてみて室外機1の共振状態が解消した場合、当該共振状態が解消したときの回転速度を用いて、当該回転速度で室外機1を回転させるようにすれば、室外機1を停止させずに、振動や騒音、異音を少なくして運転することが可能になる。
図5は、空気調和機の運転中に共振を検知した場合の回避制御(その1)を示すフローチャートである。図中、Sはフローの各ステップを示す。本フローは、図1のマイクロコンピュータ等からなる制御部4において実行される。
空気調和機の運転中において、ステップS1で制御部4は、空気調和機の室外機1のファンモータ3の電流脈動(モータ電流の脈動)を計測する。すなわち、具体的には、電流検出部5は、ファンモータ3からの出力電流を検出するとともに、位相検出部6はファンモータ3の磁極位置を検出する。そして、脈動検出部8は、検出したファンモータ3の出力電流と機械角位相を用いてトルク変動によるモータ電流の脈動を抽出する。
ステップS2では、制御部4は、モータ電流の脈動と空気調和機の室外機1のプロペラファン2の回転速度(以下、ファン回転速度という)に基づいて空気調和機の室外機1の共振を判定する。空気調和機の室外機1が共振していないと判定した場合は、本フローを終了する。
ステップS5では、制御部4は、ファン回転速度変更(増加または減少)後における、モータ電流の脈動とファン回転速度に基づいて空気調和機の室外機1の共振を判定する。
ファン回転速度変更後においても空気調和機の室外機1が共振していると判定した場合、ステップS6で制御部4は、この共振が異常な状態による共振であると判定(「異常判定」)して本フローを終了する。なお、この異常判定の場合、制御部4は図示しない故障報知制御によって、ユーザにその旨を報知する、また異常を検出したとしてファンモータ3を停止する制御を行う。
図6は、空気調和機の運転中に共振を検知した場合の回避制御(その2)を示すフローチャートである。本回避制御は、図1のマイクロコンピュータ等からなる制御部4において実行される。
空気調和機の運転中において、ステップS11で制御部4は、ファン回転速度変化幅ΔFを計算する。冷凍サイクルの冷媒圧力や各温度によって回転速度変化幅ΔFは変化するので、制御部4は、ファン回転速度変化幅ΔFを逐次計算する。
ステップS12で制御部4は、ファン回転速度変化幅ΔFが0か(ΔF=0か)否かを判別し、ΔF=0の場合は、回転速度変化幅ΔFは変化ないと判断して本フローを終了する。
ΔF≠0の場合は、ステップS13で制御部4は、現在のファン回転速度FをΔFだけ変更してステップS14に進む。
空気調和機の室外機1が共振していると判定した場合、ステップS15で制御部4は、現在のファン回転速度Fがファン仕様最小回転速度Fminとなったか(F=Fminか)否かを判別する。
上記ステップS15でF≠Fminの場合は、ステップS17に進む。
ステップS17で制御部4は、現在のファン回転速度Fがファン仕様最大回転速度Fmaxとなったか(F=Fmaxか)否かを判別する。
このように、ファン回転速度が変更となった時に共振を判定し(ステップS14)、ファン回転速度が仕様の範囲最小の場合(ステップS15→YES)には回転速度を増加させ(ステップS16)、ファン回転速度が仕様の範囲最大の場合(ステップS17→YES)には回転速度を減少させる(ステップS18)。
上記ステップS17でF≠Fmaxの場合は、ステップS19に進む。
ステップS19で制御部4は、ファン回転速度変化幅ΔFが0より大きいか(ΔF>0か)否かを判別する。
なお、上記ステップS14〜ステップS21が共振回避制御の各ステップに相当する。
一方、上記ステップS14でファン回転速度変更後においても空気調和機の室外機1が共振していないと判定した場合、本フローを終了する。
このように、安価に空気調和機の室外機もしくは室内機の共振を精度よく検出することができ、より振動や騒音、異音の少なくかつ安定して運転できる空気調和機を実現することができる。
図7および図8は、本発明の第2の実施形態に係る空気調和機の施工例を説明する図である。図7は、空気調和機の室外機100が防振架台上に施工された例を、図8は、空気調和機の室外機100が降雪地域の型架台に施工された例を示す。
図7に示すように、本実施形態の空気調和機の室外機100は、筺体の上に送風機101を備え、底部に脚部102を備える。また、この筺体の前面には、正面カバー100aおよびサービスカバー100bを備え、左右の側面100c、および左右側面から背面にかけての熱交換器100dにより構成されている。
また、室外機100は、防振架台103,104に設置される。防振架台103と104には、防振ゴム105が挟まれている。
そこで、本実施形態に係る空気調和機の室外機100は、第1の実施形態で述べた、モータ電流の脈動検出による系全体の共振判定を本実施形態に係る空気調和機の室外機100の制御部(図示省略)に搭載する。すなわち、本実施形態に係る空気調和機の室外機100の制御部として、前記図1に示す空気調和機の室外機1の制御部4を搭載し、前記図5または図6のフローに示す共振回避制御を実行する。
したがって、本実施形態によれば、様々な施工状態においても共振を回避することができる。
また、本実施形態では、送風機のファンによる吹き出しが上吹き型の室外機を例として示しているが、横吹き型の室外機であっても、本振動判定方法は同様なため、同様の効果を得ることができる。
第1および第2の実施形態では、本発明を本実施形態に係る空気調和機の室外機に適用した例について説明したが、空気調和機の室内機に適用してもよい。
図9は、本発明の第3の実施形態に係る空気調和機の室内機200の施工例を説明する図である。
図9に示すように、本実施形態に係る空気調和機の室内機200は、筺体200Aが天井面204に向かうよう吊下げられる懸架タイプである。筺体200Aの天井面204側には、化粧板201が取り付けられる。
室内機200は、建築物躯体205に設置された吊ボルト203と筺体200A内に備えられた吊金具202によって建築物躯体205に懸架・固定されている。なお、天井内に埋め込まれるタイプの室内機や、店舗等でみられるような室内機をむき出しに設置する場合でも同様の形態である。
室内機200と建築物躯体205の間隔をとることや、室内機200各々の間隔等は、据付点検要領書により指導されている。しかし、建築物それぞれによって建築物躯体205と天井面204の距離は異なるため、建築物それぞれで吊ボルト203の長さは異なる。したがって、吊ボルト203まで含めた空気調和機の室内機200の固有振動数は異なることになる。
これにより、本実施形態に係る空気調和機の室内機200において、施工後の系全体の共振を判定することが可能となる。この共振判定を室内機200の送風機回転速度制御に反映することにより、共振を回避し、空気調和機の利用者にとって振動や、騒音等の不快要因を低減することができる。
図10は、本発明の第4の実施形態に係る空気調和機の室外機の施工例を説明する図である。
本実施形態は、本実施形態に係る空気調和機の室外機100に複数の送風機101a,101b,101c,101dが備えられる場合の例である。
図10に示すように、本実施形態に係る空気調和機の空気調和機100は、複数の送風機101a,101b,101c,101dを備えている。
複数の送風機101a,101b,101c,101dを備える室外機100において、個々のファンに対し、第1の実施形態で述べた、モータ電流の脈動検出による系全体の共振判定を本実施形態に係る空気調和機の室外機100の制御部(図示省略)に搭載し、前記図5または図6のフローに示す共振回避制御を実行する。
このように個々のファンに対し、第1の実施形態と同様の共振回避制御を実行してもよいが、複数の送風機101a,101b,101c,101dを備える場合、下記の共振回避制御を行うとよりよい。
2 プロペラファン
3 ファンモータ
4 制御部(制御手段)
5 電流検出部(電流検出手段)
6 位相検出部(位相検出手段)
7 ファン回転速度検出部(回転速度検出手段)
8 脈動検出部(脈動検出手段)
9 共振判定部(共振判定手段)
101,101a,101b,101c,101d 送風機
102 脚部
103,104 防振架台
105 防振ゴム
106 架台
200 室内機
200A 筺体
Claims (6)
- 熱交換器に送風するファンと、
前記ファンを駆動するモータと、
前記モータの回転速度を検出する回転速度検出手段と、
前記モータの電流値を検出する電流検出手段と、
前記モータの磁極位置を検出する位相検出手段と、
検出した前記モータの電流値および磁極位置に基づいて電流値の脈動を検出する脈動検出手段と、
検出した前記電流値の脈動および前記回転速度に基づき、前記モータを有する室外機または室内機の筺体の共振を判定する共振判定手段と、を備える
ことを特徴とする空気調和機。 - 前記共振判定手段が前記共振と判定した場合、前記回転速度を所定回転速度分増加または減少させる制御手段を備える
ことを特徴とする請求項1に記載の空気調和機。 - 前記共振判定手段は、
前記制御手段による前記回転速度の増加または減少制御後に、再度、前記共振判定を試み、共振を判定した場合には異常な共振であると判定する
ことを特徴とする請求項2に記載の空気調和機。 - 前記共振判定手段は、
前記制御手段による前記回転速度の増加または減少制御後に、再度、前記共振判定を試み、
共振を判定しない場合、前記制御手段は、当該回転速度による運転を継続する
ことを特徴とする請求項2に記載の空気調和機。 - 前記ファンを複数台備え、
前記制御手段は、
各ファンが所定の回転速度で運転しているときに、前記共振判定手段が共振と判定した場合、各ファンの平均回転速度が前記所定の回転速度となるように各モータの回転速度を増加または減少させる
ことを特徴とする請求項2に記載の空気調和機。 - 前記共振判定手段は、
前記室外機または室内機の筺体の施工後の系の共振を判定する
ことを特徴とする請求項1ないし5のいずれか一項に記載の空気調和機。
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