JP5847022B2 - 空気調和機、およびそのインターリーブ制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、空気調和機、およびそのインターリーブ制御方法に関する。

リアクタ、スイッチング素子、および逆流防止素子を有して構成されるチョッパ回路部を複数並列に接続し、各スイッチング素子をそれぞれ異なるスイッチング位相でスイッチングさせ、各チョッパ回路部に流れる電流の和となる入力電流において、スイッチングに起因するリプルを相殺することにより、高調波電流を抑制するインターリーブコンバータがある。このようなインターリーブコンバータを用いた技術として、例えば、入力電流、スイッチング周波数、出力電力、回路効率、あるいは出力電圧に応じて、各リアクタに流れる電流モードを、連続モード、臨界モード、あるいは不連続モードの何れかに切り換えるようにしたコンバータ回路を備えた空気調和機が開示されている（例えば、特許文献１）。

国際公開第２０１０／０２３９７８号

しかしながら、上記従来技術は、コンバータ回路の各電気諸量に応じて、連続モード、臨界モード、あるいは不連続モードの何れかに切り換えるものであるので、空気調和機のより実際的な運転状態に応じた最適なインターリーブ制御を行うことができない、という問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、より実際的な運転状態に応じた最適なインターリーブ制御を行うことが可能な空気調和機、およびそのインターリーブ制御方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明にかかる空気調和機は、リアクタ、スイッチング素子、および逆流防止素子を有して構成されるスイッチングコンバータ回路を複数個並列に接続して構成されたインターリーブコンバータを用いた空気調和機であって、冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機から吐出された冷媒を凝縮する凝縮機と、室内温度を検出する室内温度検出手段と、前記圧縮機の冷媒吐出温度を検出する冷媒吐出温度検出手段と、前記凝縮機の冷媒凝縮温度を検出する冷媒凝縮温度検出手段と、少なくとも前記室内温度、前記冷媒吐出温度、および前記冷媒凝縮温度に基づいて、前記スイッチング素子のスイッチング周波数を制御する制御手段と、を備え、前記制御手段は、前記室内温度と設定目標温度との温度差分値に基づいて前記圧縮機の運転状態を推定し、前記運転状態、前記冷媒吐出温度および前記冷媒凝縮温度に基づいて算出した圧縮機負荷算出値に基づいて、前記スイッチング素子のスイッチング周波数目標値を設定し、スイッチング周波数指令値と前記スイッチング周波数目標値とのスイッチング周波数差分値を算出し、前記スイッチング周波数差分値が零より小さい場合に、前記スイッチング周波数指令値に前記スイッチング周波数差分値を加算し、前記スイッチング周波数差分値が零より大きい場合に、前記スイッチング周波数指令値から前記スイッチング周波数差分値を減算することを特徴とする。

本発明によれば、より実際的な運転状態に応じた最適なインターリーブ制御を行うことが可能となる、という効果を奏する。

図１は、実施の形態にかかる空気調和機に用いられるインターリーブコンバータの一構成例を示す図である。 図２は、実施の形態にかかる空気調和機の一構成例を示す図である。 図３は、インターリーブコンバータを構成する各スイッチング素子の駆動パルス波形および負荷側から見た駆動パルス波形の一例を示す図である。 図４は、実施の形態にかかる空気調和機におけるインターリーブ制御手順の一例を示すフローチャートである。

以下に添付図面を参照し、本発明の実施の形態にかかる空気調和機、およびそのインターリーブ制御方法について説明する。なお、以下に示す実施の形態により本発明が限定されるものではない。

実施の形態．
図１は、実施の形態にかかる空気調和機に用いられるインターリーブコンバータの一構成例を示す図である。図１に示すように、インターリーブコンバータ１００は、交流電源１の交流電圧を全波整流する整流回路２、スイッチングコンバータ回路３、およびスイッチングコンバータ回路３の出力を平滑する平滑コンデンサ７を備え、インターリーブコンバータ１００の負荷８である後段のインバータ回路（図示せず）に直流電圧を供給している。

整流回路２は、４個の整流ダイオード２ａ〜２ｄをブリッジ接続して構成される。スイッチングコンバータ回路３は、リアクタ４ａとスイッチング素子５ａと逆流防止素子６ａとからなるスイッチングコンバータ回路３ａと、リアクタ４ｂとスイッチング素子５ｂと逆流防止素子６ｂとからなるスイッチングコンバータ回路３ｂと、リアクタ４ｃとスイッチング素子５ｃと逆流防止素子６ｃとからなるスイッチングコンバータ回路３ｃと、リアクタ４ｄとスイッチング素子５ｄと逆流防止素子６ｄとからなるスイッチングコンバータ回路３ｄとを、並列接続して構成される。

各スイッチング素子５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄは、例えばＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ ＧＡＴＥ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）やＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）により構成され、各逆流防止素子６ａ，６ｂ、６ｃ、６ｄは、例えばファストリカバリダイオードにより構成される。なお、各スイッチング素子５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄおよび各逆流防止素子６ａ，６ｂ、６ｃ、６ｄは、例えば、従来のＳｉ（シリコン）系半導体により構成された半導体素子よりもスイッチング速度が速く、スイッチング損失が小さい特性を有するＳｉＣ（炭化ケイ素）やＧａＮ（窒化ガリウム）等のワイドバンドギャップ（以下、「ＷＢＧ」という）半導体により形成するのが好ましい。

図２は、実施の形態にかかる空気調和機の一構成例を示す図である。図２に示すように、実施の形態にかかる空気調和機は、室外に設置される室外機２００と、空調対象となる室内に設置される室内機３００とを備えている。

室外機２００は、図１に示したインターリーブコンバータ１００と、室外機側制御手段１０ａと、圧縮機（図示せず）から吐出される冷媒の温度（以下、「冷媒吐出温度」という）を検出する冷媒吐出温度検出手段２０と、外気温度を検出する外気温度検出手段２１と、凝縮機（図示せず）により凝縮された冷媒の温度（以下、「冷媒凝縮温度」という）を検出する冷媒凝縮温度検出手段２２とを備えている。

室内機３００は、室内機側制御手段１０ｂと、室内機３００に吸い込まれる空気の温度（以下、「室内温度」という）を検出する室内温度検出手段２３とを備えている。

なお、室外機側制御手段１０ａおよび室内機側制御手段１０ｂは、信号線により接続され、１つの制御手段１０として機能する。制御手段１０としての各機能は、それぞれ室外機側制御手段１０ａおよび室内機側制御手段１０ｂの何れに持たせてもよく、制御手段１０としての各機能の分担により本発明が限定されるものではない。

つぎに、インターリーブコンバータ１００の動作について、図３を参照して説明する。図３は、インターリーブコンバータを構成する各スイッチング素子のスイッチングパルス波形および負荷側から見たスイッチングパルス波形の一例を示す図である。図３（ａ）は、スイッチング素子５ａのスイッチングパルス波形を示し、図３（ｂ）は、スイッチング素子５ｂのスイッチングパルス波形を示し、図３（ｃ）は、スイッチング素子５ｃのスイッチングパルス波形を示し、図３（ｄ）は、スイッチング素子５ｄのスイッチングパルス波形を示し、図３（ｅ）は、各スイッチング素子５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄのスイッチングパルス波形を加算した、負荷８側から見たスイッチングパルス波形を示している。

制御手段１０は、低負荷時には各スイッチング素子５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄのスイッチング周波数を低くしてスイッチングロスを低減し、高負荷時には各スイッチング素子５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄのスイッチング周波数を高くして力率改善を図る。このようにスイッチング周波数を可変制御することにより、低負荷時、高負荷時共に高効率運転を可能としている。

スイッチング素子単体のスイッチング周波数の高周波化に関しては、素子単体での特性により限界がある。また、スイッチング周波数の高周波化によりスイッチング素子の発熱量が大きくなる。

図３に示すように、本実施の形態では、制御手段１０は、各スイッチングパルスのスイッチング周波数の１周期に対して、９０°の位相差をもって各スイッチング素子５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄを駆動する。これにより、負荷８側から見たスイッチング周波数は、各スイッチング素子５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄのスイッチング周波数に対して４倍の周波数となる。したがって、高負荷時における力率改善効果を大きくすることができ、より高効率な運転が可能となる。また、同一負荷におけるスイッチング素子の発熱量を抑制することができる。

なお、図１に示す例では、４つのスイッチングコンバータ回路３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄを並列接続してインターリーブコンバータ１００を構成した例を示しているが、インターリーブコンバータ１００を構成するスイッチングコンバータ回路の並列接続数はこれに限らない。例えば、製品に要求される性能やコスト等に応じて、２つ以上のｎ個のスイッチングコンバータ回路によりインターリーブコンバータ１００を構成してもよく、この場合には、各スイッチングパルスの１周期に対して、（３６０／ｎ）°の位相差をもって各スイッチング素子を駆動するようにすればよい。このインターリーブコンバータ１００を構成するスイッチングコンバータ回路の並列接続数により本発明が限定されるものではない。

つぎに、実施の形態にかかる空気調和機におけるインターリーブ制御について、図１および図４を参照して説明する。図４は、実施の形態にかかる空気調和機におけるインターリーブ制御手順の一例を示すフローチャートである。

実施の形態にかかる空気調和機の電源が投入されると、制御手段１０は、スイッチング周波数指令値（ｆ１）を初期設定し（ステップＳＴ１０１）、空気調和機の運転を開始する。

つぎに、制御手段１０は、室内温度検出手段２３により検出された室内温度τ１と設定目標温度τ２との温度差分値ΔＴを算出し（ステップＳＴ１０２）、その温度差分値ΔＴに基づいて、圧縮機の運転状態を推定する（ステップＳＴ１０３）。

ここで、圧縮機の運転状態とは、例えば、インターリーブコンバータ１００の出力電流値や出力電力値等の電気諸量であってもよく、本実施の形態では、実際に検出された室内温度τ１を用いて推定した値となるので、単に出力電流や出力電力等を検出した場合よりもより実際の運転状態に則した値とすることができる。

なお、圧縮機の運転状態の推定手法に関しては、例えば、室内温度τ１と設定目標温度τ２との温度差分値ΔＴと圧縮機の運転状態との関係をあらかじめテーブルとして保持しておき、そのテーブルから室内温度に応じた圧縮機の運転状態を読み出すようにしてもよいし、また、例えば、室内温度τ１と設定目標温度τ２との温度差分値ΔＴと圧縮機の運転状態を示す電気諸量との関係式を用いて算出するようにしてもよい。

また、圧縮機の運転状態を推定する際、外気温度検出手段２１により検出された外気温度を用いることにより、さらに圧縮機の運転状態の精度を向上させるようにしてもよい。

つぎに、制御手段１０は、ステップＳＴ１０３において推定した圧縮機運転状態、冷媒吐出温度検出手段２０により検出された冷媒吐出温度、および冷媒凝縮温度検出手段２２により検出された冷媒凝縮温度に基づいて、圧縮機の負荷（トルク）を算出する（ステップＳＴ１０４）。

なお、圧縮機の負荷を算出する際、電子式リニア膨張弁（図示せず）の開度を用いることにより、さらに圧縮機の負荷の精度を向上させるようにしてもよい。

つぎに、制御手段１０は、ステップＳＴ１０４において算出した圧縮機負荷算出値に基づいて、各スイッチング素子５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄのスイッチング周波数目標値（ｆ２）を設定する（ステップＳＴ１０５）。

なお、スイッチング周波数目標値（ｆ２）の算出手法に関しては、例えば、圧縮機負荷算出値とスイッチング周波数目標値（ｆ２）との関係をあらかじめテーブルとして保持しておき、そのテーブルから圧縮機負荷算出値に応じたスイッチング周波数目標値（ｆ２）を読み出すようにしてもよいし、また、例えば、圧縮機負荷算出値とスイッチング周波数目標値（ｆ２）との関係式を用いて算出するようにしてもよい。

そして、制御手段１０は、スイッチング周波数指令値（ｆ１）とスイッチング周波数目標値（ｆ２）とのスイッチング周波数差分値Δｆを算出してそのスイッチング周波数差分値Δｆを零比較し（ステップＳＴ１０６）、スイッチング周波数差分値Δｆが零である場合（ステップＳＴ１０６;Δｆ＝０）、つまり、スイッチング周波数指令値（ｆ１）とスイッチング周波数目標値（ｆ２）とが等しい場合には、ステップＳＴ１０２の処理に戻る。

スイッチング周波数差分値Δｆが零より小さい場合（ステップＳＴ１０６；Δｆ＜０）、つまり、スイッチング周波数指令値（ｆ１）よりもスイッチング周波数目標値（ｆ２）が大きい場合には、スイッチング周波数指令値（ｆ１）にスイッチング周波数差分値Δｆを加算してスイッチング周波数指令値（ｆ１）を再設定し（ステップＳＴ１０７）、ステップＳＴ１０２の処理に戻る。

スイッチング周波数差分値Δｆが零より大きい場合（ステップＳＴ１０６；Δｆ＞０）、つまり、スイッチング周波数指令値（ｆ１）よりもスイッチング周波数目標値（ｆ２）が小さい場合には、スイッチング周波数指令値（ｆ１）からスイッチング周波数差分値Δｆを減算してスイッチング周波数指令値（ｆ１）を再設定し（ステップＳＴ１０８）、ステップＳＴ１０２の処理に戻る。

このような処理を継続して実施することにより、常に実際の運転状態に則してインターリーブコンバータ１００を構成するスイッチングコンバータ回路３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄの各スイッチング素子５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄのスイッチング周波数制御が行われる。

以上説明したように、実施の形態の空気調和機、およびそのインターリーブ制御方法によれば、２つ以上のｎ個のスイッチングコンバータ回路を並列接続し、スイッチング周波数の１周期に対して、（３６０／ｎ）°の位相差をもって各スイッチング素子を駆動するインターリーブコンバータを用いて、実際に検出した少なくとも室内温度、冷媒吐出温度、および冷媒凝縮温度に基づいて、スイッチング素子のスイッチング周波数を制御する構成とし、室内温度と設定目標温度との温度差分値に基づいて、圧縮機の運転状態を推定し、その運転状態、冷媒吐出温度、および冷媒凝縮温度に基づいて算出した圧縮機負荷算出値に基づいて、スイッチング素子のスイッチング周波数目標値を設定し、スイッチング周波数差分値が零より小さい場合に、スイッチング周波数指令値にスイッチング周波数差分値を加算してスイッチング周波数指令値を再設定し、スイッチング周波数差分値が零より大きい場合に、スイッチング周波数指令値からスイッチング周波数差分値を減算してスイッチング周波数指令値を再設定することにより、常に実際の運転状態に則してインターリーブコンバータを構成するスイッチングコンバータ回路の各スイッチング素子のスイッチング周波数制御が行われるので、より実際的な運転状態に応じた最適なインターリーブ制御を行うことが可能となる。

また、負荷側から見たスイッチング周波数は、各スイッチング素子のスイッチング周波数に対してｎ倍の周波数となるので、高負荷時における力率改善効果を大きくすることができ、より高効率な運転が可能となる。また、同一負荷におけるスイッチング素子の発熱量を抑制することができる。

また、インターリーブコンバータを構成するスイッチング素子や逆流防止素子を、従来のＳｉ系半導体により構成された半導体素子よりもスイッチング速度が速く、スイッチング損失が小さい特性を有するＷＢＧ半導体により形成することにより、更なる高効率化が可能となる。

なお、上述した実施の形態において説明したＷＢＧ半導体により構成されたスイッチング素子や逆流防止素子を用いることによる効果は、上述した効果にとどまらない。

例えば、ＷＢＧ半導体によって構成されたスイッチング素子や逆流防止素子は、耐電圧性が高く、許容電流密度も高いため、スイッチング素子や逆流防止素子のさらなる小型化が可能であり、これら小型化されたスイッチング素子や逆流防止素子を用いることにより、これらのスイッチング素子や逆流防止素子を組み込んだインターリーブコンバータの小型化が可能となる。

また、ＷＢＧ半導体によって構成されたスイッチング素子や逆流防止素子は、上述したように耐熱性も高いため、放熱手段の放熱フィンの小型化が可能であるので、インターリーブコンバータの一層の小型化が可能となり、延いては、そのインターリーブコンバータを組み込んだ空気調和装置の小型化・低コスト化を図ることが可能となる。

なお、以上の実施の形態に示した構成は、本発明の構成の一例であり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、一部を省略する等、変更して構成することも可能であることは言うまでもない。

１ 交流電源
２ 整流回路
２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ 整流ダイオード
３，３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ スイッチングコンバータ回路
４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ リアクタ
５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ スイッチング素子
６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ 逆流防止素子
７ 平滑コンデンサ
８ 負荷
１０ 制御手段
１０ａ 室外機側制御手段
１０ｂ 室内機側制御手段
２０ 冷媒吐出温度検出手段
２１ 外気温度検出手段
２２ 冷媒凝縮温度検出手段
２３ 室内温度検出手段
１００ インターリーブコンバータ
２００ 室外機
３００ 室内機

Claims (11)

1. リアクタ、スイッチング素子、および逆流防止素子を有して構成されるスイッチングコンバータ回路を複数個並列に接続して構成されたインターリーブコンバータを用いた空気調和機であって、
   冷媒を圧縮する圧縮機と、
   前記圧縮機から吐出された冷媒を凝縮する凝縮機と、
   室内温度を検出する室内温度検出手段と、
   前記圧縮機の冷媒吐出温度を検出する冷媒吐出温度検出手段と、
   前記凝縮機の冷媒凝縮温度を検出する冷媒凝縮温度検出手段と、
   少なくとも前記室内温度、前記冷媒吐出温度、および前記冷媒凝縮温度に基づいて、前記スイッチング素子のスイッチング周波数を制御する制御手段と、
   を備え、
   前記制御手段は、
   前記室内温度と設定目標温度との温度差分値に基づいて前記圧縮機の運転状態を推定し、前記運転状態、前記冷媒吐出温度および前記冷媒凝縮温度に基づいて算出した圧縮機負荷算出値に基づいて、前記スイッチング素子のスイッチング周波数目標値を設定し、スイッチング周波数指令値と前記スイッチング周波数目標値とのスイッチング周波数差分値を算出し、前記スイッチング周波数差分値が零より小さい場合に、前記スイッチング周波数指令値に前記スイッチング周波数差分値を加算し、前記スイッチング周波数差分値が零より大きい場合に、前記スイッチング周波数指令値から前記スイッチング周波数差分値を減算することを特徴とする空気調和機。
2. 前記制御手段は、前記インターリーブコンバータの出力電流値あるいは出力電力値を含む電気諸量を前記運転状態として推定することを特徴とする請求項１に記載の空気調和機。
3. 前記制御手段は、前記温度差分値と前記運転状態との関係を示すテーブルを保持し、当該テーブルを用いて、前記運転状態を推定する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。
4. 前記制御手段は、前記温度差分値と前記運転状態との関係式を用いて、前記運転状態を推定することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の空気調和機。
5. 前記制御手段は、前記圧縮機負荷算出値と前記スイッチング周波数目標値との関係を示すテーブルを保持し、当該テーブルを用いて、前記スイッチング周波数目標値を設定することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の空気調和機。
6. 前記制御手段は、前記圧縮機負荷算出値と前記スイッチング周波数目標値との関係式を用いて、前記スイッチング周波数目標値を設定することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の空気調和機。
7. 前記インターリーブコンバータは、ｎ個（ｎは、２以上の整数）の前記スイッチングコンバータ回路により構成され、
   前記制御手段は、前記スイッチング周波数の１周期に対して、（３６０／ｎ）°の位相差をもって前記各スイッチング素子を駆動制御することを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の空気調和機。
8. 前記スイッチング素子は、ワイドバンドギャップ半導体によって形成されていることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の空気調和機。
9. 前記逆流防止素子は、ワイドバンドギャップ半導体によって形成されていることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の空気調和機。
10. 前記ワイドバンドギャップ半導体は、炭化珪素、窒化ガリウム系材料、またはダイヤモンドであることを特徴とする請求項８または９に記載の空気調和機。
11. リアクタ、スイッチング素子、および逆流防止素子を有して構成されるスイッチングコンバータ回路を複数個並列に接続して構成されたインターリーブコンバータを用いた空気調和機のインターリーブ制御方法であって、
    室内温度と設定目標温度との温度差分値を算出し、当該温度差分値に基づいて、圧縮機の運転状態を推定するステップと、
    少なくとも前記運転状態、冷媒吐出温度、および冷媒凝縮温度に基づいて、圧縮機負荷算出値を算出するステップと、
    前記圧縮機負荷算出値に基づいて、前記各スイッチング素子のスイッチング周波数目標値を設定するステップと、
    スイッチング周波数指令値と前記スイッチング周波数目標値とのスイッチング周波数差分値を算出し、当該スイッチング周波数差分値を零比較するステップと、
    前記スイッチング周波数差分値が零より小さい場合に、前記スイッチング周波数指令値に前記スイッチング周波数差分値を加算するステップと、
    前記スイッチング周波数差分値が零より大きい場合に、前記スイッチング周波数指令値から前記スイッチング周波数差分値を減算するステップと、
    を有することを特徴とする空気調和機のインターリーブ制御方法。

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