JP2011017491A - 空気調和機 - Google Patents

Abstract

【課題】待機状態から復帰する際に、負荷側に電源安定用としてコンデンサが挿入されていると多大な突入電流が流れスイッチング電源の大きな負荷になるため、電源容量の確保や、十分なディレーティングを確保した部品を必要とするため、部品、回路のコストを押し上げるという課題を有していた。
【解決手段】商用電源を整流した高圧直流電圧から低圧出力電圧に変換する電圧変換手段２と前記電圧変換手段から出力された直流電圧を制御電源として動作し、高圧直流をスイッチングしてモーター巻き線に印加することでモーターの回転数を制御する送風機用モーター６と、モーター制御電源電圧を可変する可変手段７と、運転開始指令を受け取ってモーターに回転数指令を出力するとともに、可変手段に可変幅信号を入力してモーターへの制御電源電圧を可変するマイクロコンピューターを核とする制御部８を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、送風機用モーターの制御電源を制御することにより待機時電力を削減する空気調和機に関するものである。

送風機用モーターは、高圧直流をＯＮ／ＯＦＦさせ三相交流を作り出し、モーター巻き線に印加するＰＷＭ駆動方式を採用したモーター駆動部が採用されている。

この方式では駆動部にＰＷＭ制御部とドライブ素子を組み合わせたＰＷＭ駆動回路または、これらを１パッケージ化したＩＣが使用される。これらの回路またはＩＣには稼動させるための制御電源が必要である
一方、前記制御電源やマイクロコンピューターを核とし、空気調和機を制御する制御回路の電源は、商用電源を全波整流した直流電圧を一次入力としてスイッチングさせることで低圧出力電圧を二次側に作り出すスイッチング電源を採用している。

スイッチング電源は二次出力へ変換出力する際一定の変換効率を持つため、二次消費電力に変換損失分上乗せされた電力を一次側で消費することになる。

制御回路が動作していない状態であっても、マイクロコンピューターを核とする制御回路含めた二次回路は電源が供給されている限り、一定の電力損失がある。この状態を待機電力損失と定義付ける。

従来の空気調和気は待機電力損失を低減するために制御電源の変換効率を向上させたり、不要回路の遮断や制御回路の動作を低下させたり、負荷の間欠動作により平均電力の低減を行ってきた。

例えば特許文献１あるいは特許文献２では、制御回路用電源と負荷駆動用電源の２電源を有し、待機時には負荷駆動用電源を遮断することにより電力を軽減しようとするものであった。

また、特許文献３では待機時に空気調和機の制御を行うマイクロコンピユーターの動作速度を運転時よりも遅くすることによりマイクロコンピューターが消費する電力を低減するものであった。

また、特許文献４では電力損失源である送風機用モーター駆動ＩＣの高圧回路を遮断することにより待機時の電力を軽減するものであった。

送風用モーターは一般的に高圧ＰＷＭ方式と呼ばれる駆動方式を採用しており、図７に従来技術における空気調和機の送風用モーター駆動構成図を示す。この送風用モーターは、商用電源の交流電圧を整流器１により整流した高圧直流電圧から少なくとも一つの低圧出力電圧に変換するスイッチング電源に代表されるような電圧変換手段２により出力する低圧直流電圧を制御電源として使用する。前記制御電源が印加されるＰＷＭ制御部３は前記低圧直流電圧により稼動状態となりマイクロコンピューターからの指令によりＰＷＭ信号を作り出す。さらにこのＰＷＭ信号により前記高圧直流をＯＮ／ＯＦＦさせることで三相交流を作り出し、モーター巻き線に印加することによりＰＷＭ駆動を行うモーター駆動部４により構成される。また、これらの構成はモーター駆動部と、ＰＷＭ制御部を個々の部品、回路で組み合わせたり、ＰＷＭ駆動ＩＣとして１パッケージ化したＩＣが使用され
ることがある。

一方このＰＷＭ駆動部は前述したように制御用の電源を要する。このことはわずかではあるが回路内部の電力損失が存在することを意味する。空気調和機はその装置としての特性上、一般的に年中コンセントを接続した状態で保管することが往々にしてある。従って空気調和として運転していないときでも電力損失があり、待機電力として仕事をしていないのに使用者に不利益をもたらす一因となっている。この待機電力の原因の一部が前述した送風用モーターのＰＷＭ駆動部に存在する制御電源の損失である。

この待機電力を削減する手段として、図８に示すように前記制御電源にリレー等のスイッチ１５を設け、待機時には制御電源を遮断する方法がある。この方法によるところの課題として、待機状態から復帰したときの電源突入がある。制御部にはその電源入力部に電源安定用としてコンデンサ等容量成分を設置することが一般的に行われる。待機電力削減用スイッチにより待機中に電源を遮断する構成とした場合、待機からの復帰時に前記安定用コンデンサへのチャージが行われる。従ってこの瞬間に多大な突入電流が流れることになり、このことは電圧変換手段の出力が突入に耐えられるよう、電源容量のマージン確保や耐突入電流の整流ダイオードなどの部品を使用しなければならないなど、コストアップの原因であった。

特開２００６−６９９９２号公報 特開２０００−５５４３９号公報 特許第３４８３４８３号公報 特許第４１５３５８６号公報

以上のように、特許文献１及び２及び４に記載の空気調和機にあっては、待機時に負荷を遮断することから待機状態から復帰する際には電源より負荷に突入電流が流れ、特に負荷側に電源安定用としてコンデンサが挿入されていると多大な突入電流となる。多大な突入電流の発生はスイッチング電源の大きな負荷になるため本来不必要な電源容量の確保や多大な突入電流による破壊を発生させないよう、十分なディレーティングを確保した部品を必要とするため、部品、回路のコストを押し上げる結果となる課題を有していた。

また、特許文献３に記載の空気調和機にあってはマイクロコンピューターの中でも動作速度を任意に可変できるような特殊な機能を持ったものを採用する必要があるという課題を有していた。

本発明は、従来技術の有するこのような問題点に鑑みてなされたものであり、待機からの復帰時に多大な突入電流を発生させず、かつ簡単な構成によりマイクロコンピューターによる電力損失をも削減し、特殊な機能を持った部品を採用することなくまた、不必要なコストを回路、部品にかけずに待機電力の低減する省エネの空気調和機を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明は、商用電源の交流電圧を整流した高圧直流電圧から少なくとも一つの低圧出力電圧に変換する電圧変換手段と前記電圧変換手段から出力された直流電圧を制御電源として動作し、前記高圧直流をスイッチングしてモーター巻き線に印加することでモーターの回転数を制御する送風機用モーターと前記モーター制御電源
電圧を可変する可変手段と運転開始指令を受け取って前記モーターに回転数指令を出力するとともに、前記可変手段に可変幅信号を入力してモーターへの制御電源電圧を可変するマイクロコンピューターを核とする制御部を備えたことを特徴とする。

本発明の空気調和機は、待機状態から復帰時に多大な突入電流を発生させない構成により、特殊な機能を持った部品を採用することなくまた、不必要なコストを回路、部品にかけずに待機電力の低減することができる。

本発明の実施の形態１における空気調和機の送風用モーター駆動構成図 （ａ）本発明の実施の形態１における制御電圧回路の詳細図（ｂ）特性図 本発明の実施の形態２における可変手段の構成図 本発明の実施の形態３における可変手段の構成図 本発明の実施の形態３における可変手段の別の構成図 本発明の実施の形態４における可変手段の構成図 従来技術における空気調和機の送風用モーター駆動構成図 従来技術における制御電圧切替え回路の詳細図

第１の発明は、商用電源の交流電圧を整流した高圧直流電圧から少なくとも一つの低圧出力電圧に変換する電圧変換手段と前記電圧変換手段から出力された直流電圧を制御電源として動作し、前記高圧直流をスイッチングしてモーター巻き線に印加することでモーターの回転数を制御する送風機用モーターと前記モーター制御電源電圧を可変する可変手段と運転開始指令を受け取って前記モーターに回転数指令を出力するとともに、前記可変手段に可変幅信号を入力してモーターへの制御電源電圧を可変するマイクロコンピューターを核とする制御部を備えたことにより待機からの復帰時に発生する多大な突入電流を低減することができる。

また、第２の発明は発振回路と波形整形回路からなる狭幅パルス発生手段を有し、通常動作時にはモーターが安定して動作するに必要な制御電圧を供給するとともに、待機動作時には前記狭幅パルス発生手段により発生した狭幅によりモーター制御電圧を低下させる構成としたことによりマイクロコンピューターが動作していなくとも復帰時に発生する多大な突入電流を低減することができるため、マイクロコンピューターにより消費される電力を低減することができ、さらに待機電力を低減することができる。

また、第３の発明は送風機用モーターの制御電源をモーターが安定して動作するのに必要な制御電圧を生成するための第１の電圧安定化手段と前記制御電圧を可変するための第２の電圧安定化手段と前記第２の安定化手段を制御電圧生成回路に接続する接続手段とから成り、通常運転時には前記接続手段にて第２の安定化手段を回路から開放し、待機時には前記接続手段を接続する構成としたことにより安価で簡単な回路構成により復帰時に発生する多大な突入電流を低減するとともに待機電力を低減することができる。

また、第４の発明は送風機用モーターの制御電源をモーターが安定して動作するのに必要な制御電圧を生成するための電圧安定化手段と小電位を常時前記モーターの制御電源に印加する小電位発生手段により構成した。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における空気調和機の概略構成図、図２（ａ）は制御電圧回路の詳細図、（ｂ）はその特性図である。

商用電源の交流電圧を整流した高圧直流電圧から少なくとも一つの低圧出力電圧に変換する電圧変換手段２と前記電圧変換手段から出力された低圧直流電圧を制御電源として動作し、前記高圧直流をスイッチングしてモーター巻き線に印加することでモーターの回転数を制御するＰＷＭ駆動部５を有する送風機用モーター６と、前記モーター制御電源電圧を可変する可変手段７と、運転開始指令を受け取って前記モーターに回転数指令を出力するとともに、前記可変手段に可変幅信号を入力してモーターへの制御電源電圧を可変するマイクロコンピューターを核とする制御部８による構成において、電圧変換手段２により出力された低圧直流電圧を前記可変手段７により通常動作時にはＰＷＭ制御部３が稼動するに必要な電圧Ｖ２に変換して前記ＰＷＭ制御部３に印加し、待機時にはＰＷＭ制御部３が消費する電力を最低レベルＶ１に保持するとともに、電源安定用に設けた容量に０Ｖよりも高い低電圧を充電しておくことにより待機からの復帰時に前記容量へのチャージにより発生する突入電流を抑制することで電圧変換手段であるスイッチング電源の出力容量を不要に増加させたり、過大な電力に耐えるような、部品をオーバースペックで使用するなど不要なコストアップを避けることができる。

一例として、Ｖ２＝２０Ｖの場合、Ｖ１は０．５Ｖ〜２Ｖ程度の電圧が待機時の消費電力低減と待機からの復帰時の突入電流の抑制を両立することができる制御電源電圧の範囲となる。この値は使用するモーター駆動ＩＣの種類等によって異なる。

一般的に容量成分として電解コンデンサが使用されるが、電解コンデンサは０Ｖから電圧を印加すると内部インピーダンスはほぼゼロとなるため多大な充電電流が突入電流として発生するが、若干でも充電状態にあると内部インピーダンスは一定の高さとなり充電電流はゆるやかな上昇となるため過大な突入電流は発生しない。

電圧可変の方法としては可変手段にパルス波形成型回路を設け、待機時にはマイクロコンピューターから狭いパルスを出力、待機から復帰したときには１００％のパルスを出力し、前記パルス波形成型回路から構成した電圧可変手段によりパルス幅に応じた電圧を生成する構成が考えられる。

（実施の形態２）
図３は本発明の実施の形態２における空気調和機の概略構成図である。

第２の実施例では、発振回路１０と波形整形回路９からなる狭幅パルス発生手段を有し、通常動作時にはモーターが安定して動作するに必要な制御電圧を供給するとともに、待機動作時には前記狭幅パルス発生手段により発生した狭幅によりモーター制御電圧を低下させる構成としたことにより、待機時にはマイクロコンピューターが動作していなくとも波形成型回路に狭い幅のパルスを印加することができる。従って待機時にはマイクロコンピューターを含む制御回路を停止することができるため、これら制御回路により消費される電力を低減することができることから、さらに待機電力を低減することができる。

（実施の形態３）
図３は本発明の実施の形態３における可変手段の構成図である。

実施の形態３では、送風機用モーターの制御電源をモーターが安定して動作するのに必要な制御電圧を生成するための第１の電圧安定化手段１１と、前記制御電圧を待機からの復帰時に発生する突入電流を最小としかつ待機時の損失を最小にする電圧に可変するための第２の電圧安定化手段１２と、前記第２の安定化手段を制御電圧生成回路に接続する接続手段１３とから成り、通常運転時には前記接続手段１３にて第２の安定化手段を回路から開放し、待機時には前記第２の安定化手段を 接続する構成としたことにより、安価で
簡単な回路構成により復帰時に発生する多大な突入電流を低減するとともにＰＷＭ制御部３による電力損失を低減し、かつマイクロコンピューターを核とする制御部８も停止状態にできるため、全体として待機時電力を大幅に低減することができる。

回路例としてツェナーダイオードによる電圧安定回路を２種類準備し並列接続とした。ここで一方の回路は常時接続、また、一方の回路はトランジスタ等のスイッチにより待機時に回路へ接続する構成が考えられる。

また、別の実施の形態として図５に示すように、電圧可変回路をツェナーダイオードとトランジスタ等のスイッチの並列回路で構成し、前記電圧可変回路を電圧安定回路に直列に接続する構成がある。本構成では通常時はスイッチを閉じ、待機時にはスイッチを開放することにより安定回路への供給電圧を可変し、前述した機能と効果を達成することができる。

（実施の形態４）
図６は本発明の実施の形態４における可変手段の構成図である。

ＰＷＭ制御部３への制御電源生成には、本来ＰＷＭ制御部が稼動するに必要な電圧を生成する安定電源生成手段１１と待機からの復帰時に発生する突入電流を抑制しかつ、待機時の損失を最小にする小電位発生手段１４により構成される。待機中はＰＷＭ制御部への印加電圧を最小にするため小電位発生手段に流れる電流は微小であるため、回路のインピーダンスは非常に高く設定されていて損失は少ない。一方待機から復帰した後の通常動作時には安定電源生成手段へ接続されたスイッチを閉じることにより安定電源生成手段へ電圧変換手段より電源を供給する。このとき前述したように小電位発生手段は回路インピーダンスが非常に高いため、小電位発生手段と安定化電源生成手段それぞれの出力が常時接続されていても、出力電圧すなわちＰＷＭ制御部への供給電位は安定電源生成手段の出力電位で安定することができる。

これらの構成により、より簡単で安価、かつ単純な制御により待機からの復帰時に発生する多大な突入電流を低減するとともにＰＷＭ制御部による電力損失を低減し、かつマイクロコンピューターを核とする制御回路も停止状態にできるため、全体として待機時電力を大幅に低減することができる。

本発明にかかる空気調和機は、空気清浄機あるいは空気清浄装置または換気装置を具備した空気調和機にも適用できる。

１ 整流器
２ 電圧変換手段
３ ＰＷＭ制御部
４ モーター駆動部
５ ＰＷＭ駆動部
６ 送風用モーター
７ 可変手段
８ 制御部
９ 波形成型回路
１０ 発振回路
１１ 第１の電圧安定化手段
１２ 第２の電圧安定化手段
１３ 接続手段
１４ 小電位発生手段
１５ スイッチ

Claims (4)

1. 商用電源の交流電圧を整流した高圧直流電圧から少なくとも一つの低圧出力電圧に変換する電圧変換手段と、前記電圧変換手段から出力された直流電圧を制御電源として動作し、前記高圧直流をスイッチングしてモーター巻き線に印加することでモーターの回転数が制御される送風機用モーターと、前記モーター制御電源電圧を可変する可変手段と、運転開始指令を受け取って前記モーターに回転数指令を出力するとともに、前記可変手段に可変幅信号を入力してモーターへの制御電源電圧を可変するマイクロコンピューターを核とする制御部を備えた空気調和機。
2. 発振回路と波形整形回路からなり、待機動作時の消費電力を削減すると共に通常動作に復帰時の突入電流を抑制可能な幅のパルスを発生する狭幅パルス発生手段を有し、通常動作時にはモーターが安定して動作するに必要な制御電圧を供給するとともに、待機動作時には前記狭幅パルス発生手段により発生パルスを狭幅にすることによりモーター制御電圧を低下させる構成とした請求項１に記載の空気調和機。
3. 送風機用モーターの制御電源をモーターが安定して動作するのに必要な制御電圧を生成するための第１の電圧安定化手段と、前記制御電圧を可変するための第２の電圧安定化手段と、前記第２の安定化手段を制御電圧生成回路に接続する接続手段とから成り、通常運転時には前記接続手段にて第２の安定化手段を回路から開放し、待機時には前記接続手段により第２の安定化手段を前記制御電圧生成回路に接続する構成とした請求項１に記載の空気調和機。
4. 送風機用モーターの制御電源を、モーターが安定して動作するのに必要な制御電圧を生成するための電圧安定化手段と、待機からの復帰時に突入電流を抑制するための小電位を常時前記モーターの制御電源に印加する小電位発生手段により構成した請求項１に記載の空気調和機。

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