JP2006166569A

JP2006166569A - 空気調和装置

Info

Publication number: JP2006166569A
Application number: JP2004353085A
Authority: JP
Inventors: Keisuke Otsuka; 啓右大塚
Original assignee: Daikin Industries Ltd
Current assignee: Daikin Industries Ltd
Priority date: 2004-12-06
Filing date: 2004-12-06
Publication date: 2006-06-22

Abstract

【課題】特殊な電解コンデンサを採用することなく、しかも寿命の検出精度を高める。
【解決手段】シャント抵抗６の端子間電圧から主回路の電流を検出する主回路電流検出部１１と、放熱フィン温度検出用サーミスタ７の出力信号から放熱フィンの温度を検出する放熱フィン温度検出部１２と、主回路電流から主回路電解コンデンサ３のリップル電流を推測し、放熱フィンの温度から主回路電解コンデンサ３の周囲温度を推定し、圧縮機５を制御するための制御信号をインバータ４に供給し、リップル電流、周囲温度、および圧縮機制御状態を用いて主回路電解コンデンサ３の寿命を計算する寿命計算部１３とを有する。
【選択図】図１

Description

この発明は、インバータからの出力電力を供給することによって冷媒圧縮用の圧縮機を駆動するよう構成した空気調和装置に関し、特に、このような空気調和装置であって、電源回路の寿命を検出するようにした空気調和装置に関する。

インバータからの出力電力を供給することによって冷媒圧縮用の圧縮機を駆動するよう構成した空気調和装置において、インバータ、コンバータなどの電力制御主回路には電解コンデンサが使用されており、この電解コンデンサの容量劣化に伴う寿命がそのまま空気調和装置の寿命として取り扱われている。

そして、このことを考慮して、従来から、電解コンデンサの寿命を検出する方法が提案されている（特許文献１、特許文献２を参照）。

特許文献１は、寿命検出対象である主回路電解コンデンサに対して、これに近接させて寿命検出用の電解コンデンサを配置し、寿命検出用の電解コンデンサから主回路電解コンデンサの寿命を検出することを記載している。

特許文献２は、寿命検出対象である主回路電解コンデンサに対して、寿命検出用コンデンサを一体化し、寿命検出用コンデンサから主回路電解コンデンサの寿命を検出することを記載している。

また、通電積算タイマー等を用いて空気調和装置の運転時間を積算し、この積算時間を寿命検出の目安とすることも提案されている。
特許第２９００５７９号公報特開２００１−３２７１６２号公報

特許文献１を採用した場合には、主回路電解コンデンサに流れ込むリップル電流に起因する自己発熱による温度上昇、およびこの温度上昇による寿命低下を考慮することができないので、寿命の検出精度が低下してしまうという不都合がある。特に、この場合には、実際の寿命よりも長い寿命を検出することになってしまう。

特許文献２を採用した場合には、主回路電解コンデンサの内部の温度上昇分を考慮して寿命検出精度を向上させることができるが、特殊な電解コンデンサが必要であり、専用設計が必要になるとともに、コストも高くなってしまうという不都合がある。

通電積算タイマー等を採用した場合には、設計、構成が簡単で、コストも低く抑えることができるが、主回路電解コンデンサの温度を全く考慮していないので、寿命の検出精度が著しく低くなってしまうという不都合がある。

この発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、特殊な電解コンデンサを採用する必要がなく、しかも寿命の検出精度を高めることができる空気調和装置を提供することを目的としている。

この発明の空気調和装置は、インバータからの出力電力を供給することによって冷媒圧縮用の圧縮機を駆動するよう構成したものであって、電力制御主回路に含まれる電解コンデンサの近傍の温度を検出する温度検出手段と、圧縮機の入力電流を検出する入力電流検出手段と、圧縮機が運転している状態か運転していない状態かを検出する圧縮機状態検出手段と、電解コンデンサの近傍の温度、圧縮機の入力電流を入力として、周囲温度の影響および自己発熱の影響を考慮して、電解コンデンサの寿命を算出する寿命算出手段とを含むものである。

ただし、寿命算出手段は、圧縮機が運転していない状態であることに応答して、周囲温度の影響のみを考慮して電解コンデンサの寿命を算出し、圧縮機が運転している状態であることに応答して、周囲温度の影響および自己発熱の影響を考慮して電解コンデンサの寿命を算出するものであることが好ましい。

この発明の空気調和装置であれば、インバータからの出力電力を供給することによって冷媒圧縮用の圧縮機を駆動することにより空気調和動作を行うに当たって、温度検出手段によって、電力制御主回路に含まれる電解コンデンサの近傍の温度を検出し、入力電流検出手段によって、圧縮機の入力電流を検出し、圧縮機状態検出手段によって、圧縮機が運転している状態か運転していない状態かを検出する。そして、寿命算出手段によって、電解コンデンサの近傍の温度、圧縮機の入力電流を入力として、周囲温度の影響および自己発熱の影響を考慮して、電解コンデンサの寿命を算出することができる。

したがって、電解コンデンサの寿命、ひいては空気調和装置の寿命を正確に算出することができ、寿命の到来により必要になる対処を適切な時期に行うことができる。

そして、寿命算出手段は、圧縮機が運転していない状態であることに応答して、周囲温度の影響のみを考慮して電解コンデンサの寿命を算出し、圧縮機が運転している状態であることに応答して、周囲温度の影響および自己発熱の影響を考慮して電解コンデンサの寿命を算出するものである場合には、電解コンデンサの寿命の算出精度を一層高めることができる。

この発明は、空気調和装置の寿命を正確に検出することができるという特有の効果を奏する。

以下、添付図面を参照して、この発明の空気調和装置の実施の形態を詳細に説明する。

図１はこの発明の空気調和装置の要部を示す概略図である。

図１においては、３相交流電源１を入力として直流電力を出力するＡＣ／ＤＣコンバータ２と、直流電力を平滑化する主回路電解コンデンサ３と、平滑化された直流電力を交流電力に変換するインバータ４と、インバータ４からの交流電力によって駆動されるモータを駆動源とする圧縮機５とを有している。そして、主回路電解コンデンサ３の一方の端子とインバータ４の対応する入力端子との間に電流検出用のシャント抵抗６を接続している。また、インバータ４には、パワーデバイスの放熱器に実装された放熱フィン温度検出用サーミスタ７が設けられている。

そして、シャント抵抗６の端子間電圧から主回路の電流を検出する主回路電流検出部１１と、放熱フィン温度検出用サーミスタ７の出力信号から放熱フィンの温度を検出する放熱フィン温度検出部１２と、主回路電流から主回路電解コンデンサ３のリップル電流を推測し、放熱フィンの温度から主回路電解コンデンサ３の周囲温度を推定し、圧縮機５を制御するための制御信号をインバータ４に供給し、リップル電流、周囲温度、および圧縮機制御状態を用いて主回路電解コンデンサ３の寿命を計算する寿命計算部１３と、残り寿命時間を保持する残り寿命時間記憶部１４とを有し、残り寿命時間記憶部１４に保持されている残り寿命時間を必要に応じて遠隔監視システムなどに出力する。

なお、主回路電流検出部１１、放熱フィン温度検出部１２、寿命計算部１３は、ハードウエアによって構成することが可能であるが、室外機制御マイコンの機能としてソフトウエアを組み込むことによって構成することが好ましい。

また、インバータ４を制御するための構成は従来公知であるから、詳細な説明を省略する。

前記寿命計算部１３における処理を詳細に説明する。

主回路電解コンデンサ３のリップル電流を推測する処理は、例えば、圧縮機が運転しているときにシャント抵抗によって圧縮機の入力電流（負荷）が分かるので、この圧縮機の入力電流と主回路電解コンデンサ容量、主回路電源電圧等の制御パラメータによって、従来から知られているように、達成することができる。

近年、多くの空気調和装置がDC圧縮機（ブラシレスDCモータを駆動源とする圧縮機）を搭載しており、DC圧縮機を駆動するにはインバータの出力電流（＝圧縮機の入力電流）からローターの位置検出を行うためのシャント抵抗（あるいは電流センサー）が搭載されており、このシャント抵抗を利用することで、コストアップなしで主回路電解コンデンサ３のリップル電流を推測することができる。

周囲温度を推定する処理は、例えば、予め信頼性試験などで放熱フィン温度と電解コンデンサの周囲温度との関係を計測してテーブルなどとして保持しておき、必要に応じてテーブルを参照することによって達成することができる。

主回路電解コンデンサ３の寿命の計算は、たとえば、圧縮機を駆動している状態と圧縮機を駆動していない状態とに分けて次のように行われる。

圧縮機を駆動していない状態：
この場合には、リップル電流による主回路電解コンデンサ３の自己発熱を考慮する必要がないので、アレニウスの法則式（数１）を使って実使用時の寿命L（時間）を計算し、これを用いて残り寿命時間を計算する。ただし、数１において、L0が最高使用温度での寿命（時間）、Ｔmaxが最高使用温度（℃）、Ｔaが周囲温度（℃）である。

図２のフローチャートを参照してさらに説明すると、ステップSP1において、機器の最初の電源投入が行われ（残り寿命時間計算をスタートし）、L0に初期値（例えば、メーカーが保障した時間）をセットする。次いで、ステップSP2において、例えば１時間の運転時間タイマーをスタートさせるとともに、Ｔaサンプリング（例えば、１時間の平均としてのＴaのサンプリング）をスタートする。そして、ステップSP3において、運転時間が１時間経過するまで待つ。その後、ステップSP4において、Ｔa（１時間の平均値）からアレニウスの法則によって、最高使用温度での寿命換算時間Lt（１時間当りの寿命換算時間）を計算する（数２）。なお、Ｔmax、Ｔaは、数１と同じである。

その後、ステップSP5 において、L0からLtを減算して残り寿命時間を算出し、新たなL0として残り寿命時間記憶部１４に記憶する。その後は、再びステップSP2の処理を行う。

したがって、１時間ごとに残り寿命時間を更新することができる。

具体的には、Ｔmax＝８５℃、Ｔa＝６５℃であれば、Lt＝０．２５時間となり、L0=３０００時間であれば、残り寿命時間は、３０００−０．２５＝２９９９．７５時間となる。

圧縮機を駆動している状態：
この場合には、リップル電流による主回路電解コンデンサ３の自己発熱を考慮する必要があるので、アレニウスの法則式に代えて数３を使って推定実力寿命L（時間）を計算し、これを用いて残り寿命時間を計算する。ただし、数３において、Lrが最高使用温度中における定格電圧印加での（リップル重畳）時の実力寿命（時間）、Ｔmaxが最高使用温度（℃）、Ｔaが周囲温度（℃）、Ｋがリップル加速係数（許容リップル電流未満なら２、許容リップル電流以上なら４）、ΔＴ0がリップル電流による温度上昇（素子中心、℃）、Ｉが印加リップル電流（Ａ・ｒｍｓ）、Ｉ0が最高使用温度中における定格リップル電流（Ａ・ｒｍｓ）である。

数３は、数１に対して自己発熱の影響項を付加したものである。そして、自己発熱の影響項は、例えば以下のように求められる。

リップル電流Ｉによる発熱量Ｐは、次式のように、リップル電流の二乗Ｉ²、および等価内部直列抵抗（ＥＳＲ）Ｒ（Ω）に比例する。
Ｐ＝Ｉ²×R
上式から、主回路電解コンデンサ３の内部の温度上昇ΔＴ（ｄｅｇ）は、次式のように得られ、リップル電流の二乗Ｉ²、およびＥＳＲに比例し、表面積Ａ（ｃｍ²）に反比例する。なお、Ｈは放熱係数（約１．５〜２．０×１０^-3Ｗ／ｃｍ²・℃）である。
ΔＴ＝（Ｉ²×R）／（Ａ×Ｈ）
したがって、数１に対して、自己発熱項を加えることによって、寿命推定式が数４に示すように得られる。なお、Kはリップル加速係数（許容リップル電流未満なら２、許容リップル電流以上なら４）である。

数４はDCライフの寿命規定値Ldをベースにしているので、自己発熱の影響項は必ず１より小さくなり、DCライフの寿命規定値に対して短くなる方向に働く。

また、コンデンサメーカーでは、最高使用（保証）温度における定格リップル電流重畳時の寿命値Lrと、コンデンサの中心部の温度上昇値ΔＴ0を規定しているので、これらの寿命値Lrと、温度上昇値ΔＴ0とを用いて数４を書き換えることによって、数５が得られる。

そして、数５のΔＴを電流に置き換えることによって、数３が得られる。

したがって、圧縮機５が動作しているか否かに応じて数１、数３の何れかを選択することによって、残り寿命時間を精度よく検出することができる。

図３は、残り寿命時間が徐々に短くなる様子を示す概略図である。

図３の領域（１）は、圧縮機が運転していない期間であって、例えば、冬のように外気温が低くて空気調和装置が停止している期間であり、残り寿命時間は殆ど短くならない。領域（３）は、圧縮機が運転していない期間であって、例えば、夏のように外気温が高い期間であり、残り寿命時間は徐々に短くなる。領域（２）は、例えば、夏のように外気温が高い期間であって、圧縮機が運転している期間であり、残り寿命時間は急激に短くなる。

したがって、実際には、領域（１）（２）（３）が任意の順序で生じることにより、残り寿命時間が短くなる。

そして、検出された残り寿命時間は、周期的に残り寿命時間記憶部１４に記憶され（更新され）、必要に応じて通信ネットワークを通して外部に供給される。

したがって、建物全体の空気調和装置を一括で監視、制御するシステムや、遠隔監視によって空気調和装置の故障予防や省エネ運転などを行うシステムに適用することによって、設計寿命を経過した後の残り寿命時間を精度よく検出することができ、空気調和装置の更新の提案をちょうど良いタイミングで行うことができる。

なお、この発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、主回路電解コンデンサ３の近傍の温度を検出するデバイスが実装されている場合には、放熱フィン温度検出用サーミスタ７に代えてこのデバイスを採用することが可能である。また、シャント抵抗に代えて電流センサーを採用することも可能である。さらに、残り寿命時間記憶部１４として、電源バックアップされたＲＡＭ、不揮発性メモリなどを採用することが可能である。

この発明の空気調和装置の要部を示す概略図である。残り寿命時間の算出処理の一例を説明するフローチャートである。残り寿命時間が徐々に短くなる様子を示す概略図である。

符号の説明

３主回路電解コンデンサ
４インバータ
５圧縮機
６シャント抵抗
７放熱フィン温度検出用サーミスタ
１１主回路電流検出部
１２放熱フィン温度検出部
１３寿命計算部

Claims

インバータ（４）からの出力電力を供給することによって冷媒圧縮用の圧縮機（５）を駆動するよう構成した空気調和装置であって、
電力制御主回路に含まれる電解コンデンサ（３）の近傍の温度を検出する温度検出手段（７）（１２）と、圧縮機（５）の入力電流を検出する入力電流検出手段（６）（１１）と、圧縮機（５）が運転している状態か運転していない状態かを検出する圧縮機状態検出手段（１３）と、電解コンデンサ（３）の近傍の温度、圧縮機（５）の入力電流を入力として、周囲温度の影響および自己発熱の影響を考慮して、電解コンデンサ（３）の寿命を算出する寿命算出手段（１３）とを含む
ことを特徴とする空気調和装置。
寿命算出手段（１３）は、圧縮機（５）が運転していない状態であることに応答して、周囲温度の影響のみを考慮して電解コンデンサ（３）の寿命を算出し、圧縮機（５）が運転している状態であることに応答して、周囲温度の影響および自己発熱の影響を考慮して電解コンデンサ（３）の寿命を算出するものである請求項１に記載の空気調和装置。