JP5362036B2 - 空気調和機 - Google Patents

Description

この発明は、空気調和機に使用される圧縮機の加熱方法に関するものである。

従来の空気調和機では、冷凍サイクルを長時間停止し、圧縮機が低温に保たれた場合、圧縮機吸入管路へ液冷媒が寝込み、起動時に液圧縮を生じて軸トルクが過大となり、ひいては圧縮機破損を引き起こすことがあり問題となっていた。

これに対し、圧縮機自身が低温のとき、圧縮機内部から効率よく加熱するようにした空気調和機の圧縮機駆動装置を提供することを目的として、圧縮機が運転停止中に、圧縮機の可動部分が追従できない、通常運転時より高周波数の一定交流電圧を圧縮機に一定時間ごとに印加し、そのとき電流検出手段が所定設定値より高い電流値を検出した場合には、一定交流電圧を圧縮機に連続して印加するようにした空気調和機の圧縮機駆動装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開平１１−３２４９３４号公報（［０００６］段落、図１）

しかし、特許文献１の技術においては、例えば突極比を有する永久磁石形同期モータに適用した場合、ロータ位置に応じてインダクタンス値が異なるため、一定時間交流電圧を印加してもロータ位置に応じてモータへ入力される電力が異なり、ロータ位置によっては液冷媒が残ってしまう可能性があるという課題があった。

本発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、一定の電力で圧縮機の加熱を行うことにより、ロータ位置によらず圧縮機内の液冷媒を解消することができる信頼性の高い空気調和機を得ることを目的とする。

本発明に係る空気調和機は、ロータ位置に応じてインダクタンス値が異なるモータを備える圧縮機、室内側熱交換器、および室外側熱交換器を備えた空気調和機において、圧縮機のモータを駆動するインバータ回路と、インバータ回路の電力を検出するインバータ電力検出手段と、インバータ回路を制御するＰＷＭ信号を生成するＰＷＭ信号生成手段と、ＰＷＭ信号生成手段に電圧指令値を出力する電圧指令値発生手段と、圧縮機内部の液冷媒の寝込みを検出し、電圧指令値発生手段に出力する寝込み検出手段と、を備えた空気調和機であって、電圧指令値発生手段は、圧縮機内部の液冷媒の寝込み検出時に、インバータ回路の電力が所定電力値となるように、電圧指令値を出力するものである。

本発明によれば、ロータ位置によらず圧縮機内液冷媒を解消することができる信頼性の高い空気調和機を得ることができるという効果がある。

実施の形態１に係る空気調和機の構成図である。 実施の形態１に係る電圧指令値発生手段の動作を示す図である。 ＰＷＭ信号生成手段の動作を表す電圧波形図である。 実施の形態２に係る空気調和機の構成図である。 実施の形態２に係る電圧指令値発生手段の動作を示す図である。 実施の形態３に係る空気調和機の構成図である。 実施の形態３に係る電圧指令値発生手段の動作を示す図である。

１ 圧縮機
２ 四方弁
３ 室外熱交換器
４ 膨張弁
５ 室内熱交換器
６ 冷媒配管
７ 圧縮機構
８ モータ
９ インバータ
１０ インバータ制御手段
１１ インバータ電圧検出手段
１２ インバータ電流検出手段
１３ 寝込み検出手段
１４ 電圧指令値発生手段
１５ 積分器
１６ ＰＷＭ信号生成手段
１７ａ〜ｆ スイッチング素子
１８ 電圧指令振幅制御手段
１９ インバータ電力算出手段
２０ 交流電源
２１ 整流手段
２２ 平滑手段
２３ 交流電圧検出手段
２４ 交流電流検出手段
２５ 交流電力算出手段

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る空気調和機の構成図である。

図１において、圧縮機１、四方弁２、室外熱交換器３、膨張弁４、室内熱交換器５は冷媒配管６を介して取り付けられた冷凍サイクルを構成し、セパレート形空気調和機を構成している。また圧縮機１内部には冷媒を圧縮する圧縮機構７とこれを動作させるモータ８が設けられている。また、モータ８に電圧を与え駆動させるインバータ９が、モータ８と電気的に接続されている。

インバータ９は、ブリッジ結線されたスイッチング素子１７ａ〜１７ｆから構成されており、インバータ制御手段１０より送られたＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）信号により、それぞれに対応したスイッチング素子が駆動される。すなわち、ＰＷＭ信号として６種類の信号（ＵＰ、ＶＰ、ＷＰ、ＵＮ、ＶＮ，ＷＮ）が出力され、ＵＰは１７ａ、ＶＰは１７ｂ、ＷＰは１７ｃ、ＵＮは１７ｄ、ＶＮは１７ｅ、ＷＮは１７ｆをそれぞれ駆動する。

インバータ制御手段１０内には、インバータ９の入力電圧を検出するインバータ電圧検出手段１１、インバータ９の入力電流を検出するインバータ電流検出手段１２が設けられている。また、インバータ制御手段１０内には、電圧指令値を発生する電圧指令値発生手段１４、入力信号を積分して出力する積分器１５、電圧指令値発生手段１４の出力する電圧指令値を受けてＰＷＭ信号を発生するＰＷＭ信号生成手段１６が設けられている。

また、寝込み検出手段１３は、圧縮機１内の冷媒の寝込みを検出して、電圧指令値発生手段１４に出力する。検出方法としては、任意の公知技術を用いることができ、例えば、圧縮機内部の温度を検出しておき、その検出値が所定値以下になった経過時間が所定値より長くなったときに、冷媒の寝込み有りと検出してもよいし、或いは、直接圧縮機内部の液冷媒量を検出するようにしてもよい。

次に動作について説明する。

外気温度が低い、特に冬場の夜間に、圧縮機１を含む空気調和機の室外機は冷却される。そして、夜明けにより外気温度が上昇すると、最も熱容量が大きい圧縮機１のみが冷えたままの状態となり、温度の一番低い場所に集まる特性のある冷媒は、圧縮機１内に集まって寝込み状態となる。

寝込み検出手段１３は、圧縮機１の運転停止中に冷凍サイクルの温度および経過時間の情報等に基づいて寝込みを検出する。寝込み状態である場合には、インバータ制御手段１０は予熱用のＰＷＭ信号を発生する。特に冷媒は、外気温度低下時から上昇時にかけて寝込みやすいため、温度が上昇傾向の場合に予熱用のＰＷＭ信号を発生することで、確実に冷媒が寝込んでいる状態の場合のみに、予熱運転をすることができる。

インバータ制御手段１０は、寝込み検出手段１３が圧縮機１内の冷媒寝込みを検出した場合に、電圧指令値発生手段１４にて、インバータ９を駆動するための電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊を求め、その電圧指令値を元にＰＷＭ信号生成手段１６からＰＷＭ信号を出力し、スイッチング素子１７ａ〜１７ｆを駆動して予熱運転を行う。

電圧指令値発生手段１４が電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊を出力する動作について説明する。図２は、実施の形態１に係る電圧指令値発生手段１４の動作を示す図である。電圧指令値発生手段１４は、インバータ電圧検出手段１１の出力Ｖｄｃと、インバータ電流検出手段１２の出力Ｉｉｎｖ＿ｉｎと、回転数指令ω＊を積分器１５にて積分して得られた電圧位相指令θと、に基づいて電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊を出力する。

具体的には、図２において、まず、インバータ電圧検出手段１１の出力Ｖｄｃとインバータ電流検出手段１２の出力Ｉｉｎｖ＿ｉｎの積からインバータの電力Ｐｉｎｖを求める。このＰｉｎｖと任意に指定するインバータの電力指令Ｐｉｎｖ＊との差分に基づいて、電圧指令振幅制御手段１８により電圧指令値の振幅Ａを算出する。なお、Ｐｉｎｖ＊については、圧縮機の熱容量、Ｐｉｎｖの典型値、許容される予熱時間などから、適宜設計すればよい。

また、電圧指令振幅制御手段１８による振幅Ａの算出方法としては、比例制御、比例積分制御、比例積分微分制御等の一般的な制御方式を用いることができる。これにより、インバータ電力が一定になるよう電圧指令値の振幅を制御することが可能となり、ロータ位置に依存しないモータ８の加熱が可能となる。例えば、比例制御の場合は［数１］により、比例積分制御の場合は［数２］により、振幅Ａを算出することができる。

なお、［数１］［数２］において、Ｋｐは比例制御ゲイン、Ｋｉは積分制御ゲインである。

一方、電圧指令値発生手段１４では、電圧位相指令θに基づいて、位相が２π／３ずつ異なる正弦波が生成され、この正弦波と上記で求められた振幅Ａとの積が、以下に示す［数３］乃至［数５］のとおり、電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊として出力される。

ＰＷＭ信号生成手段１６では、上記電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊に基づき、ＰＷＭ信号を出力する。図３は、ＰＷＭ信号生成手段１６の動作を表す電圧波形図である。

［数３］〜［数５］により得られた電圧指令値と、所定の周波数で振幅Ｖｄｃ／２（ここにＶｄｃはインバータ電圧検出手段１１にて検出した母線電圧）のキャリア信号と、を比較し、相互の大小関係に基づきＰＷＭ信号ＵＰ、ＶＰ、ＷＰ、ＵＮ、ＶＮ、ＷＮを生成する。例えば、電圧指令値Ｖｕがキャリア信号よりも大きい場合には、ＵＰはスイッチング素子１７ａをオンにする電圧を出力し、ＵＮはスイッチング素子１７ｄをオフにする電圧を出力する。また、電圧指令値Ｖｕがキャリア信号よりも小さい場合には、逆に、ＵＰはスイッチング素子１７ａをオフにする電圧を出力し、ＵＮはスイッチング素子１７ｄをオンにする電圧を出力する。他の信号についても同様である。

なお、［数３］〜［数５］以外にも二相変調や、三次高調波重畳変調、空間ベクトル変調等により電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊を求めても何ら問題ないことは言うまでもない。

このようにして出力されたＰＷＭ信号により、インバータ９のスイッチング素子１７ａ〜１７ｆが駆動されて、モータ８に電圧を印加することで、所望のインバータ電力にてモータ８を加熱することが可能となる。このとき、モータ８では、三相に電流が流れるので、均一な加熱が可能となり、また、所望のインバータ電力で加熱することができるので、モータ８のロータ位置に依存しない加熱ができる。

そして、このようにモータ８を加熱することにより、圧縮機１内に滞留する液冷媒が加熱されて気化し，圧縮機外部へと漏出する。寝込み検出手段はこの冷媒漏出が所定行われたことを判断して寝込み状態から正常状態への復帰を判別し，モータ加熱を終了する。

実施の形態１によれば、電圧指令振幅制御手段１８により、インバータ回路の電力が一定になるように電圧指令値の振幅を制御しているので、ロータ位置によらず圧縮機内液冷媒を解消することができる信頼性の高い空気調和機を得ることができるという効果がある。また、圧縮動作時のインバータの運転周波数は概ね１ｋＨｚ以下だが、インバータを圧縮動作時の運転周波数以上で動作させることにより、回転トルクや振動が発生すること無く、また高周波電圧印加によるモータ鉄損と、巻線に流れる電流にて発生する銅損にて効率よくモータ８の加熱をすることが可能となる効果がある。

さらに、印加する高周波電圧の周波数を可聴範囲外である１４ｋＨｚ以上とすれば、モータ８の鉄心の振動音がほぼ可聴範囲外となるため、騒音を低減することができる効果がある。また、高周波電圧の周波数をスイッチング素子のスイッチング周波数の上限値以下とするにより、より信頼性の高い空気調和機を得ることができる効果がある。

また、ＩＰＭ（埋込磁石形）モータは、インダクタンス値がロータ位置依存性を有するため、ロータ位置によりインピーダンス値が異なるが、本実施の形態では、電力が一定になるよう制御されるため、インピーダンス値の増減に伴う電流値の増減による加熱ムラが発生することなくモータの加熱が可能となる効果がある。また、モータ８が磁石埋め込み型モータである場合、高周波磁束が鎖交する回転子表面も発熱部となるため、効率の良い冷媒の加熱が可能となる効果がある。

また、一般に、コイルエンドが小さく巻線抵抗の低い集中巻モータの場合、巻線抵抗が小さく銅損による発熱量が少ないため、巻線に多量の電流を流す必要があり、インバータ９に流れる電流も大きくなってインバータ損失が過大となってしまうが、本実施の形態の高周波電圧印加による加熱によれば、より損失を低減した加熱が可能となる効果がある。

すなわち、高周波電圧を印加するためインダクタンス成分が大きくなり、巻線インピーダンスが高くなる。これにより、巻線に流れる電流が小さくなり銅損は減るものの、その分高周波電圧印加による鉄損が発生し、巻線抵抗の低い集中巻モータにおいても効果的に加熱することができる。さらに巻線に流れる電流が小さいため、インバータ９の損失も小さくなり、より損失を低減した加熱が可能となる。

また、スクロール機構の圧縮機は、圧縮室の高圧リリーフが困難であるため液冷媒が入った場合に圧縮機構に過大なストレスが掛かり破損する恐れがある。また、冷媒が寝込み状態になると、圧縮機内の潤滑油と混ざり合ってしまうが、このとき、冷媒が排出される際に油も一緒に冷凍サイクル中に出て行ってしまうので、圧縮機内の油が少なくなり焼損等を引き起こす恐れもある。本実施の形態によれば圧縮室内の効率の良い加熱が可能であり、破損の防止に対して有効である。

さらに、周波数１０ｋＨｚ、出力５０Ｗを超える加熱機器の場合、電波法百条による制約があるため、事前に５０Ｗを超えないよう電圧指令値の振幅の調整や、流れる電流を検出して５０Ｗ以下となるようフィードバックすることで、電波法を遵守した圧縮機の加熱が可能となる。また、機器全体の電力を管理することが可能となるため、必要に応じた省エネルギー運転が可能となり、地球温暖化防止にも配慮した制御が可能となる効果がある。

さらに、寝込み検出手段１３により検出した寝込み状態に応じて、Ｐｉｎｖ＊の設定値を変化させることにより、インバータをより効率的に駆動させることができる。例えば、寝込み量が大きい場合には、Ｐｉｎｖ＊の設定値を大きくすることで、早急に寝込んだ冷媒を追い出すことも可能である。これにより、瞬時に暖房性能を確保できるだけでなく、寝込み量が少ない場合にはＰｉｎｖ＊の設定値を小さくすることで、無駄な消費電力を削減することができ、地球温暖化対策に寄与する空気調和機を得ることが可能となる効果がある。

実施の形態２．
図４は、実施の形態２に係る空気調和機の構成図である。図４において、図１と同じ構成要素については、同じ符号を付してある。図１との差異は、インバータ電流検出手段１２の入力がインバータ９の出力であるＵＶＷ相の電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗとなっており、このＵＶＷ相の電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗが電圧指令値発生手段１４の入力となっている点である。

次に動作について説明する。動作についても、実施の形態１との差異を中心に説明する。

図５は、実施の形態２に係る電圧指令値発生手段１４の動作を示す図である。図５において、電圧指令値発生手段１４内に、インバータ電力算出手段１９が設けられている。インバータ電力算出手段１９では、電圧指令値発生手段１４から出力される電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊と、インバータのＵＶＷ相の出力電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗと、に基づいて、例えば［数６］にてインバータ電力Ｐｉｎｖを求める。

なお、インバータ電力Ｐｉｎｖについては、［数６］以外の求め方や、インバータ電力Ｐｉｎｖの平均値、積分値などを用いても何ら問題ないことは言うまでもない

求めたＰｉｎｖとインバータの電力指令Ｐｉｎｖ＊の偏差に基づいて、電圧指令振幅制御手段１８を用いて電圧指令値の振幅Ａを算出し、以降、実施の形態１と同様の動作となる。

実施の形態２によっても、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

実施の形態３．
図６は、実施の形態３に係る空気調和機の構成図である。図６において、図１と同じ構成要素については、同じ符号を付してある。

実施の形態１及び２では、インバータ９を直流電圧電源により動作させる場合を説明してきたが、実施の形態３では、交流電源２０を整流手段２１にて整流し、コンデンサ等に代表される平滑手段２２にて平滑することで直流電圧を生成する。図１との差異は、交流電源２０の電圧を検出する交流電圧検出手段２３が設けられたこと、及び、交流電源２０に流れる電流を検出する交流電流検出手段２４が設けられたことである。

次に動作について説明する。動作についても、実施の形態１との差異を中心に説明する。

図７は、実施の形態３に係る電圧指令値発生手段１４の動作を示す図である。図７において、電圧指令値発生手段１４内に、交流電力算出手段２５が設けられている。交流電力算出手段２５では、交流電圧検出手段２３の出力Ｖａｃと、交流電流検出手段２４の出力Ｉａｃと、に基づいて、例えば［数７］にて交流電力Ｐａｃを算出する。

なお、交流電力Ｐａｃについては、［数７］以外の求め方や、交流電力Ｐａｃの平均値、積分値などを用いても何ら問題ないことは言うまでもない。

求めたＰａｃと交流電力指令Ｐａｃ＊との偏差に基づいて、電圧指令振幅制御手段１８を用いて電圧指令値の振幅Ａを算出し、以降、実施の形態１と同様の動作となる。

実施の形態３によっても、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

本発明は、空気調和機は勿論、冷蔵庫、冷凍機、ヒートポンプ給湯機などインバータにより駆動される圧縮機を用いる冷凍サイクルにおいて幅広く適用が可能である。

Claims (12)

1. ロータ位置に応じてインダクタンス値が異なるモータを備える圧縮機、室内側熱交換器、および室外側熱交換器を備えた空気調和機において、
   前記圧縮機のモータを駆動するインバータ回路と、
   前記インバータ回路の電力を検出するインバータ電力検出手段と、
   前記インバータ回路を制御するＰＷＭ信号を生成するＰＷＭ信号生成手段と、
   前記ＰＷＭ信号生成手段に電圧指令値を出力する電圧指令値発生手段と、
   前記圧縮機内部の液冷媒の寝込みを検出し、前記電圧指令値発生手段に出力する寝込み検出手段と、
   を備えた空気調和機であって、
   前記電圧指令値発生手段は、前記圧縮機内部の液冷媒の寝込み検出時に、前記インバータ回路の電力が所定電力値となるように、前記電圧指令値を出力する空気調和機。
2. 前記インバータ電力検出手段は、
   前記インバータ回路の入力電圧を検出するインバータ電圧検出手段と、
   前記インバータ回路の入力電流を検出するインバータ電流検出手段と、
   を備え、
   前記電圧指令値発生手段は、前記圧縮機内部の液冷媒の寝込み検出時に、前記インバータ回路の入力電圧と前記インバータ回路の入力電流とに基づき、前記インバータ回路の電力が所定電力値となるように、前記電圧指令値を出力する請求項１に記載の空気調和機。
3. 前記インバータ電力検出手段は、
   前記インバータ回路の出力電流を検出するインバータ電流検出手段を備え、
   前記電圧指令値発生手段は、前記圧縮機内部の液冷媒の寝込み検出時に、前記電圧指令値及び前記インバータ回路の出力電流とに基づき、前記インバータ回路の電力が所定電力値となるように、前記電圧指令値を出力する請求項１に記載の空気調和機。
4. 前記インバータ電力検出手段は、
   前記インバータ回路の交流入力電圧を検出するインバータ電圧検出手段と、
   前記インバータ回路の交流入力電流を検出するインバータ電流検出手段と、
   を備え、
   前記電圧指令値発生手段は、前記圧縮機内部の液冷媒の寝込み検出時に、前記インバータ回路の交流入力電圧と前記インバータ回路の交流入力電流とに基づき、前記インバータ回路の電力が所定電力値となるように、前記電圧指令値を出力する請求項１に記載の空気調和機。
5. 前記電圧指令値発生手段の出力周波数は、圧縮動作時の前記インバータ回路の運転周波数よりも高い請求項１乃至４のいずれかに記載の空気調和機。
6. 前記電圧指令値発生手段の出力周波数は、可聴範囲よりも高い請求項１乃至５のいずれかに記載の空気調和機。
7. 前記電圧指令値発生手段の出力周波数は、前記インバータ回路を構成するスイッチング素子のスイッチング周波数の上限値よりも低い請求項１乃至６のいずれかに記載の空気調和機。
8. 前記モータは、磁石埋め込み型構造である請求項１乃至７のいずれかに記載の空気調和機。
9. 前記モータは、集中巻モータである請求項１乃至８のいずれかに記載の空気調和機。
10. 前記圧縮機は、スクロール機構である請求項１乃至９のいずれかに記載の空気調和機。
11. 前記インバータ回路の運転周波数が１０ｋＨｚを超える場合には、前記所定電力値が５０Ｗ以下に設定される請求項１乃至１０のいずれかに記載の空気調和機。
12. 前記電圧指令値発生手段は、前記寝込み検出手段により検出した寝込み状態に応じて、前記所定電力値を変化させる請求項１乃至１１のいずれかに記載の空気調和機。

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