JP2008106950A - 空気調和機 - Google Patents

Abstract

【課題】契約アンペア数が現状のままでも商用電源から供給する電流を抑制して運転の際に発生するピーク電流を供給することができ、しかも蓄電部から商用電源への逆潮流を防止できる空気調和機を提供することである。
【解決手段】室内機１１は室内温度が設定されるとともに冷媒の熱を室内に供給し、室外機１２は室内機１１で熱交換された冷媒を圧縮膨張して外気と熱交換し室内温度が設定温度となるように冷媒を室内機１１に循環させる。そして、パワーアシスト装置３１は、室内機１１及び室外機１２の運転の際に発生するピーク電流のうち、所定電流を商用電源から供給し、逆潮流防止部３５により、不足分を蓄電部３３から供給するとともに蓄電部３３から商用電源に電流が逆潮流することを防止する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、室内の温度が設定温度になるように冷暖房を行う空気調和機に関する。

一般に、住宅は電力会社との契約アンペア数の範囲内で電力の供給を受けるようになっており、電力供給の容量を上げるには契約アンペア数を大きくした契約を結ぶことが必要である。

一方、集合住宅の場合は一棟全体に対して電力の総供給量があらかじめ決められていることが多く、そのため増量できる電力量が限られている。このような集合住宅の場合において、各住戸で容量を上げるには管理組合もしくはオーナー（賃貸の場合）の許可が必要であり、集合住宅全体として電力供給容量が不足することが予想される場合には、全体の総供給量を上げる必要がある。つまり、電気幹線の改修が必要となる。これは「共用部分の変更」となるため管理組合を通して住人全員の了解もしくは、オーナーの許可が必要となる。これが電化促進の弊害となっている一つの要因である。

そこで、契約アンペア数が現状のままでもオール電化を実現できることが望まれており、運転開始時にピーク電流が発生する電化機器のピーク電流を抑制することが考えられている。既存の集合住宅で使用される電化機器の中で、ピーク電流が出やすいものの一つとしてルームエアコン（以下、空気調和機という）がある。

図６は従来の空気調和機の一例を示す外観構成図である。空気調和機は室内に設置される室内機１１と室外に配置される室外機１３とを主構成要素とし、リモコン１３により室内機１１に対し運転開始や停止あるいは室温の設定等の設定操作を行うようになっている。室外機１２は圧縮機を有し冷媒を圧縮膨張させて外気と熱交換し、その冷媒を室内機１１と室外機１２との間に循環させて冷媒の保有する熱を室内機１１に供給する。例えば、冷房運転のときは、冷媒の冷熱を室内機１１から室内に供給し室内機１１で熱交換して温められた冷媒の熱を冷媒室外機１２から外気に放熱する。一方、暖房運転のときは、冷媒の温熱を室内機１１から室内に供給し室内機１１で熱交換して冷やされた冷媒の熱を室外機１２から外気に放出し外気から受熱する。

図７は従来の空気調和機の一例を示すブロック構成図であり、図７（ａ）は装置構成図、図７（ｂ）は電気接続構成図である。図７（ａ）に示すように、リモコン１３はマイコン（マイクロコンピュータ）１４を有し、設定ボタン１５で設定された運転開始や停止あるいは室温の設定等の情報を無線（例えば赤外線）で室内機１１に送信する。また、設定情報の一部はＬＣＤ表示器１６に表示される。リモコン１３の電源としては、例えば乾電池１７が使用される。

室内機１１はリモコン１３からの設定情報をマイコン１８で受信するとともに室内の温度や湿度も入力する。そして、これらの情報に基づきファンモータ１９や風向きモータ２０を駆動するとともにＬＣＤ表示器２１に室内機１１の状態を表示する。また、室外機１２に対して、通信線２２を介して冷暖房に必要な指令情報を送信する。室内機１１の電源は商用電源から供給される。

室外機１２は、室内機からの指令情報を通信線２２を介してマイコン２３で受信するとともに外気の温度を入力し、これらの情報に基づき冷暖暖房の切替を行い圧縮機２４やファンモータ２５を駆動する。室外機１２の電源は商用電源から供給される。

図７（ｂ）に示すように、室内機１１及び室外機１２は３個の電気接続端子を有しており、２端子は電源用に使用し１端子は通信用に使用される。電源は単相の１００Ｖ／２００Ｖの商用電源が室内機１１に接続され、室内機１１からケーブル２６を介して室外機１２に供給される。

次に、図８は空気調和機の運転直後から目標とする室内温度に至るまでの消費電流及び室内温度の一例を示す特性図であり、図８（ａ）は外気温度が３５℃で設定温度が２８℃での冷房運転時の一例の特性図、図８（ｂ）は外気温度が２℃で設定温度が２５℃での暖房運転時の特性図である。図８（ａ）に示すように、冷房運転の場合には運転開始から約１０分後に消費電流Ｉが１２Ａ〜１３Ａのピーク電流となり、このピーク電流のときに室温Ｔは急峻に設定温度に近づいている。そして、約１５分後から約６０分の間においてなだらかに消費電流Ｉが減少し、約６０分経過後には３Ａ程度となる特性を有する。

また、図８（ｂ）に示すように、暖房運転の場合には運転開始から約１４分後に消費電流Ｉが１６Ａ〜１７Ａのピーク電流となり、このピーク電流のときに室温Ｔは急峻に設定温度に近づいている。そして、約４５分後から約６０分の間においてなだらかに消費電流が減少し、約６０分経過後には５Ａ程度となる特性を有する。

一般の住宅においては契約アンペア数は３０Ａあるいは４０Ａが多いので、ピーク電流が１２Ａ〜１３Ａあるいは１６Ａ〜１７Ａに達すると、他の電化機器を同時に使用することが困難となる。なお、運転開始してから約６０分経過後には安定した運転状態となり、その安定運転状態では消費電流は約３Ａあるいは約５Ａであることから、ピーク電流を抑制すれば契約アンペア数が現状のままでも空気調和機を使用できることが分かる。

そこで、図９に示すように、空気調和機の運転開始時のピーク電流を抑制するためのピークカット装置２７を設けることが考えられる。ピークカット装置２７は、交流の商用電源を直流に変換する順変換器２８と、直流を交流に変換する逆変換器２９とを有し、さらに順変換器２８で変換された直流を蓄電し空気調和機がピーク電流を必要とするときに逆変換器２９に蓄電された電力を供給する蓄電部３０を有する。

すなわち、空気調和機を運転するときには商用電源からの電流を一定とし、空気調和機がピーク電流を必要とするときには不足分を蓄電部３０から供給する。これにより、空気調和機の運転の際のピーク電流を商用電源から供給する必要がなくなるので、契約アンペア数が現状のままでも空気調和機を使用できる。この場合、蓄電部３０からの直流は逆変換器２９により交流に変換されて室外機１２さらには室内機１１に供給されるので、蓄電部３０からの電力が商用電源側に逆潮流することはない。

ここで、空気調和機に蓄電池を設けて、昼間の電力需要のピーク時には蓄電池の電力をインバータ回路に供給して空調機を運転し、蓄電池の充電に際しては、蓄電池の端子電圧が放電終止電圧以下のときに充電を開始する一方、放電終止電圧を超えるときには放電終止電圧まで負荷に放電させた後に充電を行い、高効率で昼間の電力ピーク時の電力シフト量を大きくし、かつ設備容量を低減させるようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。
特開平６−１３７６５２号公報

しかし、特許文献１のものは電力系統全体のピーク電力を抑制するために空気調和機に蓄電池を用いたものであり、一般の住宅用の契約アンペア数を保持したまま空気調和機のピーク電流を抑制するものでない。また、図９に示したものでは、蓄電部３０として鉛蓄電池を用いることになるので設置面積が大きくなる。また、順変換器２８と逆変換器２９との２個の変換器を必要とするので電力変換のロスが大きくなり効率も低下する。

また、順変換器２８と逆変換器２９との間に蓄電部３０を接続し、蓄電部３０の直流を逆変換器２９で変換して空気調和機に供給するので、蓄電部３０からの電力が商用電源側に逆潮流することはないが、順変換器２８と逆変換器２９とを１個の変換器にまとめた場合には、蓄電部３０からの直流を変換器で変換した交流は空気調和機と商用電源との双方に接続されることになるので、蓄電部３０からの直流を変換器で変換した交流が商用電源側に逆潮流することがある。

本発明の目的は、契約アンペア数が現状のままでも商用電源から供給する電流を抑制して運転の際に発生するピーク電流を供給することができ、しかも蓄電部から商用電源への逆潮流を防止できる空気調和機を提供することである。

請求項１の発明に係わる空気調和機は、室内温度が設定されるとともに冷媒の熱を室内に供給する室内機と、前記室内機で熱交換された冷媒を圧縮膨張して外気と熱交換し室内温度が設定温度となるように冷媒を前記室内機に循環させる室外機と、前記室内機及び前記室外機の運転の際に発生するピーク電流のうち所定電流を商用電源から供給し不足分を蓄電部から供給するとともに前記蓄電部から商用電源に電流が逆潮流することを防止する逆潮流防止部を有したパワーアシスト装置とを具備したことを特徴とする。

請求項２の発明に係わる空気調和機は、請求項１の発明において、前記パワーアシスト装置は、前記室内機及び前記室外機の運転状態を通信線を介して入力し、前記蓄電部の蓄電及び放電の制御を行うことを特徴とする。

請求項３の発明に係わる空気調和機は、請求項１または２の発明において、前記パワーアシスト装置は、前記室内機と前記室外機との間の室外に設けられたことを特徴とする。

本発明によれば、空気調和機の運転の際に発生するピーク電流のうち、所定電流を商用電源から供給し、不足分をパワーアシスト装置の蓄電部から供給するので、契約アンペア数が現状のままでも商用電源から供給する電流を抑制できる。また、パワーアシスト装置は、蓄電部から商用電源に電流が逆潮流することを防止する逆潮流防止部を有しているので、蓄電部から商用電源に電流が逆潮流することを防止できる。

図１は本発明の実施の形態に係わる空気調和装置の構成図である。図７（ｂ）に示した従来例に対し、室内機１１と室外機１２との間にパワーアシスト装置３１が設けられている。室内機１１及び室外機１２は３個の電気接続端子を有しており、２端子は電源用に使用され１端子は通信用に使用される。図１では端子１、２は電源線３２に接続され、端子３は通信線２２に接続されている。電源は単相の１００Ｖ／２００Ｖの商用電源が室内機１１に接続され、室内機１１から電源線３２を介してパワーアシスト装置３１及び室外機１２に供給される。

室内機１１は、図７（ａ）に示すように構成され、図示省略のリモコン１３から運転開始や停止あるいは室温の設定等の情報が設定されると、これらの情報に基づき室外機１２から循環される冷媒の熱を室内に供給する。また、室外機１２も図７（ａ）に示すように構成され、室内機１１で熱交換された冷媒を圧縮膨張して外気と熱交換し、冷媒の温度を所定温度になるように調整し、所定温度の冷媒を室内機１１に循環させる。

パワーアシスト装置３１は、蓄電部３３とパワーアシスト部３４と逆潮流防止部３５とからなる。パワーアシスト部３４は、室内機１１及び室外機１２の運転状態を通信線２２を介して入力し、蓄電部３３の蓄電及び放電の制御を行うものである。すなわち、パワーアシスト部３４は単相１００Ｖ／２００Ｖの商用電源から室内機１１を介して電源線３２により交流電力の供給を受け、室外機１２が停止しているときまたは軽負荷運転であるときに、交流を直流に変換して蓄電部３３に蓄電する。また、パワーアシスト部３４は室内機１１及び室外機１２の運転の際に発生するピーク電流のうちの一部を蓄電部３３に蓄電された直流電力を交流に変換して室外機１２に供給する。逆潮流防止部３５は、蓄電部３３からの直流電力をパワーアシスト部３４で交流に変換した電流が商用電源に逆潮流することを防止するものであり、詳細については後述する。

次に、図２は本発明の実施の形態に係わる空気調和機の運転直後から目標とする室内温度に至るまでの消費電流及び室内温度の一例を示す特性図であり、図２（ａ）は外気温度が３５℃で設定温度が２８℃での冷房運転時の一例の特性図、図２（ｂ）は外気温度が２℃で設定温度が２５℃での暖房運転時の特性図である。

図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、空気調和機の運転の際に発生するピーク電流に対して、パワーアシスト部３４は、商用電源から供給する電流を所定電流Ｉａ（たとえば、６Ａ）に抑制し、この所定電流Ｉａに対して不足分を蓄電部３３から供給する。

冷房運転の場合には、図２（ａ）に示すように、運転開始から約２．５分で消費電流Ｉは所定電流Ｉａに達し、運転開始から約３０分で所定電流Ｉａ以下となる。そこで、運転開始から約２．５分〜約３０分の間において、蓄電部３３から不足分の電流を供給する。図２（ａ）の斜線部が不足分の電流でありＴは室温である。

一方、暖房運転の場合には、図２（ｂ）に示すように、運転開始から約２．５分で消費電流Ｉは所定電流Ｉａに達し、運転開始から約５５分で所定電流Ｉａ以下となる。そこで、運転開始から約２．５分〜約５５分の間において、蓄電部３３から不足分の電流を供給する。図２（ｂ）の斜線部が不足分の電流でありＴは室温である。

これにより、空気調和機を運転する際にピーク電流が発生しても、商用電源から供給する消費電力は所定電流Ｉａ（例えば、６Ａ）に抑制できるので、契約アンペア数が多くの一般住宅で使用されている例えば３０Ａあるいは４０Ａであっても、２４Ａ〜３４Ａの余裕があるので空気調和機を使用できる。

次に、図１に示すように、パワーアシスト装置３１のパワーアシスト部３４は、単相１００Ｖ／２００Ｖの商用電源から室内機１１を介して電源線３２により交流電力の供給を受け、交流を直流に変換して蓄電部３３に蓄電するとともに、室内機１１及び室外機１２の運転の際に発生するピーク電流のうちの一部を蓄電部３３から交流に変換して電源線３２に出力し室外機１２に供給するものである。従って、パワーアシスト装置３１から、蓄電部３０からの電力を電源線３２に供給したとき、室外機１２だけでなく室内機１１を介して商用電源に逆潮流するおそれがある。そこで、この逆潮流を逆潮流防止部３５で防止する。

図３は本発明の実施の形態における逆潮流防止部３５の一例を示す説明図であり、図３（ａ）は２個のサイリスタ素子を逆並列接続した場合の逆潮流防止部３５の一例を示す回路構成図、図３（ｂ）は図３（ａ）に示した逆潮流防止部３５の動作説明図である。

図３（ａ）に示すように、電圧位相検出器３６は商用電源３７の電圧位相を検出し同期回路３８に出力する。同期回路３８は商用電源３７の電源電圧の電圧位相と同期した同期信号をゲート信号発生回路３９に出力する。ゲート信号発生回路３９は同期回路３８の同期信号に基づきサイリスタ素子４０ａ、４０ｂに交互にゲート信号を出力する。

図３（ｂ）に示すように、同期回路３８は電源電圧が負から正にゼロクロスする時点から正から負にゼロクロスする時点の間において同期信号１を出力し、電源電圧が正から負にゼロクロスする時点から負から正にゼロクロスする時点の間において同期信号２を出力する。ゲート信号発生回路３９は同期信号１が入力されているときはサイリスタ４０ａにゲート信号１を出力し、同期信号２が入力されているときはサイリスタ４０ｂにゲート信号２を出力する。

ここで、負荷である室外機１２は力率が１であるので、電源電圧と同位相の電流が負荷である室外機１２に流れる。従って、図３（ａ）に示すように、電源電圧が正であるときには商用電源３７から、サイリスタ４０ａを通って図３の矢印Ａ方向に負荷である室外機１２に電流が供給される。一方、電源電圧が負であるときには商用電源３７からサイリスタ４０ｂを通って図３の矢印Ｂ方向に負荷である室外機１２に電流が供給される。これにより、電源電圧に同期した交流電流が供給され、負荷である室外機１２側から交流電源３７側に電流が逆潮流することを防止できる。

図４は本発明の実施の形態における逆潮流防止部３５の他の一例を示す説明図であり、図４（ａ）はダイオードを並列接続した２個のスイッチング素子を直列接続した場合の逆潮流防止部３５の一例を示す回路構成図、図４（ｂ）は図４（ａ）に示した逆潮流防止部３５の動作説明図である。

図４（ａ）に示すように、電圧位相検出器３６は商用電源３７の電圧位相を検出し同期回路３８に出力し、同期回路３８は商用電源３７の電源電圧の電圧位相と同期した同期信号をゲート信号発生回路３９に出力する。ゲート信号発生回路３９は同期回路３８の同期信号に基づきダイオードＤ１を並列接続したスイッチング素子４１ａ、あるいはダイオードＤ２を並列接続したスイッチング素子４１ｂに交互にゲート信号を出力する。

図４（ｂ）に示すように、同期回路３８は電源電圧が負から正にゼロクロスする時点から正から負にゼロクロスする時点の間において同期信号１を出力し、電源電圧が正から負にゼロクロスする時点から負から正にゼロクロスする時点の間において同期信号２を出力する。ゲート信号発生回路３９は同期信号１が入力されているときはスイッチ素子４１ａにゲート信号１を出力し、同期信号２が入力されているときはスイッチ素子４１ｂにゲート信号２を出力する。

ここで、負荷である室外機１２は力率が１であるので、電源電圧と同位相の電流が負荷である室外機１２に流れる。従って、図４（ａ）に示すように、電源電圧が正であるときには商用電源３７からスイッチ素子４１ａ及びダイオードＤ２を通って図４の矢印Ａ方向に負荷である室外機１２に電流が供給される。一方、電源電圧が負であるときには商用電源３７からスイッチ素子４１ｂ及びダイオードＤ１を通って図３の矢印Ｂ方向に負荷である室外機１２に電流が供給される。これにより、電源電圧に同期した交流電流が供給され、負荷である室外機１２側から交流電源３７側に電流が逆潮流することを防止できる。

このように、逆潮流防止部３５を交流電源３７側である室内機１１と負荷である室外機１２との間に設け、パワーアシスト部３４から出力される蓄電部３３からの電力を交流電源側に逆潮流しないようにしている。

例えば、太陽光発電システム、燃料電池システム、電力貯蔵システム等では、電力系統に連系することを前提に構成され、電力会社からの受電点で逆潮流しないように監視用の継電器等を設置することが義務付けられているが、本発明のように住宅の電化機器へ電力のアシストをするパワーアシスト装置に対して、逆潮流を防止するために監視用の継電器を取り付けると高価なものとなり、一般家庭へのパワーアシスト装置の導入が困難なものとなってしまう。本発明では、図３及び図４に示すように、サイリスタ素子やスイッチング素子等により、ハードウェア的に逆潮流を防止する構成にしているので安価に構成できる。

次に、図５は本発明の実施の形態に係わる空気調和機の一例を示す外観構成図である。図６に示した従来例に対し、室内機１１と室外機１２との間に設けられるパワーアシスト装置３１が室外の室外機１２に併設されている。パワーアシスト装置３１を室外の室外機１２に併設することにより、室内の空間を既存の空気調和機と同様に広く使用できる。

本発明の実施の形態によれば、空気調和機の運転の際に発生するピーク電流のうち、所定電流（例えば６Ａ）を商用電源から供給し、不足分をパワーアシスト装置３１の蓄電部３３から供給するので、空気調和機の使用時においても商用電源からの消費電力を抑制できる。従って、契約アンペア数（例えば、３０Ａや４０Ａ）であっても空気調和機を他の電化機器と同時に使用できる。

また、パワーアシスト装置３１は室内機１１と室外機１２との間に設けられ、室内機１１及び室外機１２の運転状態を通信線２２を介して入力し、蓄電部３３の蓄電及び放電の制御を行うので高効率化が図れる。また、パワーアシスト装置３１は蓄電部３３から商用電源に電流が逆潮流することを防止する逆潮流防止部３５を有しているので、蓄電部３３から商用電源に電流が逆潮流することを防止できる。さらに、パワーアシスト装置３１を室外の室外機１２に併設するので、室内の空間を既存の空気調和機と同様に広く使用できる。

本発明の実施の形態に係わる空気調和装置の構成図。 本発明の実施の形態に係わる空気調和機の運転直後から目標とする室内温度に至るまでの消費電流及び室内温度の一例を示す特性図。 本発明の実施の形態における逆潮流防止部の一例を示す説明図。 本発明の実施の形態における逆潮流防止部の他の一例を示す説明図。 本発明の実施の形態に係わる空気調和機の一例を示す外観構成図。 従来の空気調和機の一例を示す外観構成図。 従来の空気調和機の一例を示すブロック構成図。 空気調和機の運転直後から目標とする室内温度に至るまでの消費電流及び室内温度の一例を示す特性図。 従来の空気調和機の他の一例を示すブロック構成図。

符号の説明

１１…室内機、１２…室外機、１３…リモコン、１４…マイコン、１５…設定ボタン、１６…ＬＣＤ表示器、１７…乾電池、１８…マイコン、１９…ファンモータ、２０…風向きモータ、２１…ＬＣＤ表示器、２２…通信線、２３…マイコン、２４…圧縮機、２５…ファンモータ、２６…ケーブル、２７…ピークカット装置、２８…順変換器、２９…逆変換器、３０…蓄電部、３１…パワーアシスト装置、３２…電源線、３３…蓄電部、３４…パワーアシスト部、３５…逆流防止部、３６…電圧位相検出器、３７…商用電源、３８…同期回路、３９…ゲート信号発生回路、４０…サイリスタ素子、４１…スイッチ素子

Claims (3)

1. 室内温度が設定されるとともに冷媒の熱を室内に供給する室内機と、前記室内機で熱交換された冷媒を圧縮膨張して外気と熱交換し室内温度が設定温度となるように冷媒を前記室内機に循環させる室外機と、前記室内機及び前記室外機の運転の際に発生するピーク電流のうち所定電流を商用電源から供給し不足分を蓄電部から供給するとともに前記蓄電部から商用電源に電流が逆潮流することを防止する逆潮流防止部を有したパワーアシスト装置とを具備したことを特徴とする空気調和機。
2. 前記パワーアシスト装置は、前記室内機及び前記室外機の運転状態を通信線を介して入力し、前記蓄電部の蓄電及び放電の制御を行うことを特徴とする請求項１に記載の空気調和機。
3. 前記パワーアシスト装置は、前記室内機と前記室外機との間の室外に設けられたことを特徴とする請求項１または２に記載の空気調和機。

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