JP7380257B2 - 空気調和機 - Google Patents

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本発明は、空気調和機に係わり、より詳細には、室外機に備えられているヒーターの故障検知に関する。
従来、空気調和機における例えばベースヒーターの故障検知は、室外機の圧縮機とベースヒーターの合計電流の変化で検出している(例えば、特許文献1参照。)。なお、ベースヒーターとは、室外機の底板(ベース)に装着されており、暖房時の除霜運転により発生するドレン水の氷結を防止するために底板を加熱するものである。
この空気調和機の室外機は、冷媒を圧縮する圧縮機101と、圧縮機101を駆動する圧縮機駆動回路102と、通電により発熱するベースヒーター103と、ベースヒーター103へ交流電源106を印加/遮断するスイッチであるヒーター駆動回路104と、交流電源106から供給される電流を検出する電流検出回路107と、電流検出回路107の出力である電流信号が入力され、圧縮機駆動回路102を制御し、ヒーター駆動回路104を制御してベースヒーター103へ交流電源106を印加/遮断させるマイクロコンピュータ108を備えている。
マイクロコンピュータ108は、圧縮機駆動回路102が圧縮機101を駆動している状態において、ヒーター駆動回路104へ交流電源106を印加する制御前の電流信号と印加した制御後の電流信号を比較し、その差が一定値以上なければベースヒーター103が非通電であり、ベースヒーター103自体の断線もしくはヒーター駆動回路104の故障と判断する。
しかしながら、圧縮機に比較してベースヒーターの消費電流が小さいため、正確にベースヒーターにおける交流電源の通電/非通電を検知できない問題があった。例えば家庭用空気調和機において、圧縮機を最大能力で運転している場合の消費電流は15アンペア以上である。一方、ベースヒーターの消費電流は0.4アンペア程度である。このため、圧縮機を最大負荷で運転中にベースヒーターへの交流電源の印加制御を行った場合、故障判断を行うために消費電流の増加を検出してベースヒーターの通電を確認する必要があるが、実際には圧縮機の負荷変動による電流変化と、ベースヒーターへの交流電源の通電による電流変化が混在するため、ベースヒーター又はその駆動回路の正確な故障判定ができなかった。
特開2006-292239号公報(段落番号0013~0015)
本発明は以上述べた問題点を解決し、圧縮機を運転している時に、ヒーターに交流電源を印加させる制御を行った場合であっても、ヒーターの断線もしくはヒーターに交流電源を印加させる駆動回路(スイッチ)の故障を判断することを目的とする。
本発明は上述の課題を解決するため、本発明の請求項1に記載の発明は、
入力された交流電源を整流して直流電源に変換する整流器と、前記整流器から出力された直流電圧を昇圧して出力すると共に力率を改善する昇圧部と、前記昇圧部から出力された直流電圧を交流電圧に変換して出力するインバータ部と、前記インバータ部で駆動される圧縮機と、前記昇圧部へ電圧制御信号を出力すると共に、前記インバータ部へ前記圧縮機の回転数と前記交流電圧の大きさを指示する制御部と、前記交流電源が印加されるヒーターと、前記制御部から出力される駆動信号により前記ヒーターへ前記交流電源を印加/遮断するスイッチと、同スイッチを駆動する駆動回路とを有する室外機を備えた空気調和機であって、
前記室外機は、
前記交流電圧を検出する交流電圧検出部と、
前記ヒーターと前記整流器を流れる交流電流を検出する交流電流検出部と、
検出した前記交流電流及び前記交流電圧から力率を算出して出力する力率検出部と、
前記駆動信号と前記力率から、前記ヒーター又は前記スイッチ又は前記駆動回路のうち少なくとも一つが正常か異常かを判定する故障判定手段とを備えたことを特徴とする。
以上の手段を用いることにより、本発明による空気調和機によれば、圧縮機を運転している時に、ヒーターに交流電源を印加させる制御を行った場合であっても、ヒーターに交流電源が通電/非通電となる場合の力率の変化により、ヒーターの断線もしくはヒーター駆動回路の故障を判断することができる。
本発明による空気調和機の実施例を示すブロック図である。 本発明の動作を説明する説明図である。 入力電流とベースヒーターの状態による力率を示す表及び、正常/異常の判定条件を示す説明図である。 従来の空気調和機を示すブロック図である。
以下、本発明の実施の形態を、添付図面に基づいた実施例として詳細に説明する。
[空気調和機全体の説明]
図1は本発明による空気調和機1を示すブロック図である。
この空気調和機1は交流電源2が接続された室外機40と、室外機40と通信線で接続された室内機50を備えている。
また、室外機40は、交流電源2を整流して直流電源に変換する整流器3と、整流器3の正極出力端と負極出力端に接続され、入力された直流電源の電圧を昇圧して出力する昇圧部4と、昇圧部4から直流電圧が出力される正極出力端と負極出力端のそれぞれが入力端に接続され、入力された直流電圧を変換して三相交流を生成し、圧縮機7に供給するインバータ部5と、直流電源の出力である整流器3の正極出力端と負極出力端の間に接続され、整流器3から出力される直流電圧を検出して直流電圧信号として出力する直流電圧検出部6と、交流電源2の一方の電源線(N側)と整流器3の一方の交流入力端との間に直列に配置され、交流電流を検出して交流電流信号として出力する交流電流検出部8と、室外機40の底面を温めるヒーターであるベースヒーター10と、室外機40を制御する室外機制御部20を備えている。交流電流検出部8はベースヒーター10と整流器3を流れる交流電流の合計の交流電流を検出する。
[室外機制御部の説明]
室外機制御部20は、整流器3の2つの入力端とベースヒーター10を接続する一対の電源線9と、一方の電源線9に直列に接続されたスイッチであるリレー22と、リレー22を駆動する駆動回路24と、整流器3から出力される直流電源の電圧が目的とする電圧になるように昇圧部4を制御する電圧制御信号を出力し、また、インバータ部5へ圧縮機7の回転数と圧縮機7を駆動する三相交流の電圧の大きさを制御するインバータ制御信号を出力し、また、リレー22の開閉を制御するヒーター駆動信号(駆動信号)を出力し、また、室外機40の全体の制御を行う制御部21と、力率を検出する力率検出部30と、入力されたヒーター駆動信号と力率により、ベースヒーター10とリレー22と駆動回路24のうち少なくとも1つの故障判定を行う故障判定部(故障判定手段)23を備えている。なお、故障判定部23については後で詳細に説明する。
[力率検出部の説明]
力率検出部30は、交流電圧検出部34と、有効電力を算出する有効電力算出部31と、皮相電力を算出する皮相電力算出部32と、力率を算出する力率算出部33とを備えている。交流電圧検出部34は、入力された直流電圧信号(整流器3で全波整流された電圧の検出信号)における瞬時値を検出し、この瞬時値を交流電圧信号として有効電力算出部31と皮相電力算出部32へ出力する。一方、有効電力算出部31と皮相電力算出部32は、交流電流検出部8から交流電流信号がそれぞれ入力されている。
有効電力算出部31は入力された交流電圧信号と交流電流信号から室外機40で消費される有効電力を算出する。具体的に有効電力算出部31は、瞬時電流と瞬時電圧との積を1秒間積分して有効電力を算出して出力する。一方、皮相電力算出部32は、入力された交流電圧信号と交流電流信号から室外機40へ供給される皮相電力を算出する。具体的に皮相電力算出部32は、交流電圧信号を用いて入力電圧のピーク電圧値から電圧の実効値を算出して保持する。さらに、瞬時電流を1秒間積分した値と、保持している電圧の実効値の積を皮相電力として出力する。力率算出部33は、有効電力と皮相電力とが入力されており、有効電力を皮相電力で除算することで力率を算出して出力する。
[故障判定部の説明]
故障判定部23は、力率算出部33から力率が入力され、さらに制御部21からヒーター駆動信号が入力されている。故障判定部23は、常に力率の変化を監視しており、ヒーター駆動信号によりリレー22が閉になっている間、予め記憶した判定閾値(例えば83%)以上に力率がなった時、また、リレー22が開になっている間、力率が判定閾値(83%)未満なっている状態を正常と判定する。これ以外の状態の時、故障判定部23はベースヒーター10又はリレー22又は駆動回路24のいずれかの故障と判定して制御部へエラー信号を出力する。
本実施例では制御部21が圧縮機7を運転している場合、力率を改善して目標となる力率(例えば90%)に近づくように制御しているため、力率は一定の範囲に制御される。一方、ベースヒーター10はニクロム線などを用いて発熱するため力率は100%である。従って圧縮機7が運転されている時、同時にリレー22を閉にしてベースヒーター10に電流を流すと、ベースヒーター10は有効電力のみを増加させるため、力率=有効電力/皮相電力の式において力率は大きくなる。つまり、室外機20における力率は圧縮機7のみが運転されている時に比較して、さらにベースヒーター10に電流を流すことにより力率が改善される。故障判定部23は、この状態をベースヒーター10とリレー22と駆動回路24がすべて正常であると判断している。
図3(A)は実験により測定した、圧縮機7が動作中における入力電流とベースヒーター10への通電/非通電の状態による力率(%)を示す表の説明図である。この表の横方向は入力電流(実効値)を示しており、この入力電流が3アンペア、5アンペア、8アンペア、13アンペアの場合を示している。一方、縦方向はベースヒーター10の通電/非通電の状態と、この通電/非通電による力率の差分と、入力電流毎の判定閾値を表している。入力電流毎の判定閾値は各入力電流ごとに通電/非通電による各力率のほぼ中間の値としている。
図3(A)に示すように入力電流が一定の場合、ベースヒーター10に通電した場合が、非通電の場合に比較して力率が大きくなっている。また、差分の値は入力電流が大きくなるに従って小さくなるが、入力電流が最大(13アンペア)の場合であっても故障か否かの判定が可能な5%の値である。このため、閾値をベースヒーター10に通電した場合と非通電の場合の力率の間の値に設定することでベースヒーター10に電流が流れているか否かを判定することができる。本実施例では各入力電流値で、故障か否かの判定が可能な力率83%を判定閾値としているが、これに限るものでなく、図3(A)の入力電流毎の判定閾値の欄に示すように、各入力電流毎の判定閾値を入力電流に応じて変更すればより正確な判定ができる。
[動作の説明]
図2は本発明の動作を説明する説明図である。図2において横軸は時間であり、縦軸は(1)圧縮機7の状態を、(2)昇圧部4の状態を、(3)ヒーター駆動信号を、(4)リレー22の接点開閉状態を、(5)ベースヒーター10の状態を、(6)力率の値を、(7)エラー信号を、それぞれ示している。また、図2の左側でベースヒーター10の断線検出を、図2の右側でリレー22又は駆動回路24の故障検出をそれぞれ示している。なお、t0~t6は時刻である。
まず、図2の左側の図を用いてベースヒーター10の断線検出の動作を説明する。
t0の時点では空気調和機1がサーモオフ(運転停止)状態である。この場合、室外機40の電源が投入されている状態で圧縮機7と昇圧部4が停止しており、また、リレー22の接点が開でベースヒーター10に電源が供給されていない状態となっている。この時、昇圧部4が動作停止状態であるため、力率の改善が行われないので力率は60%程度になっている。
そして、t1の時点で室内機50から制御部21へ圧縮機7の動作開始の指示が送信されると、制御部21は昇圧部4による昇圧を開始し、圧縮機7の運転を開始する(圧縮機の運転状態)。制御部21は、昇圧部4で昇圧を開始させると同時に力率の改善の動作も開始させる。この時の入力電流は約8アンペアであり、力率は圧縮機7の運転開始前の60%程度から79%に上昇する。故障判定部23はリレー22が「開」の状態で、かつ、現在の力率(79%)が判定閾値(83%)未満であるため「正常」と判定してエラー信号を出力しない。なお、この時の入力電流(実効値)は8アンペアである。
そして、t2の時点で制御部21がヒーター駆動信号で「閉」を指示するとリレー22が「閉」となってベースヒーター10に交流電源1が供給される。前述したようにベースヒーター10に通電されると力率が改善され、力率(79%)が力率(85%)に変化する。故障判定部23はヒーター駆動信号による「閉」指示がされた状態で、かつ、現在の力率(85%)が判定閾値(83%)以上であるため「正常」と判定するためエラー信号を出力しない。
この状態の時、t3の時点でベースヒーター10が故障により断線した場合、力率(85%)が力率(79%)に変化する。故障判定部23は、ヒーター駆動信号による「閉」が指示された状態で、かつ、力率(79%)が判定閾値(83%)未満であるため「異常」と判定しエラー信号を出力する。このエラー信号が入力された制御部21は室内機50へこの「異常」状態を送信し、室内機50はエラーメッセージをユーザーに報知する。
次に図2の右側の図を用いてリレー22の故障検出の動作を説明する。
t4の時点において空気調和機1はサーモオン状態である。制御部21は昇圧部4で昇圧を行っており、圧縮機7も運転中である。制御部21は昇圧部4で昇圧を行っている間、力率の改善の動作も実行しているため、力率は85%になっている。故障判定部23は、ヒーター駆動信号による「閉」が指示された状態で、かつ、現在の力率(85%)が判定閾値(83%)以上であるため「正常」と判定してエラー信号を出力しない。なお、この時の入力電流(実効値)は8アンペアである。
この状態の時、t5の時点で制御部21がヒーター駆動信号を「開」にしてベースヒーター10への給電を停止しようする。この場合、例えばリレー22の接点が溶着していた時、リレー22が正常ならば接点が「開」となるべきであるが、接点が「開」とならずに「閉」のままである。従ってベースヒーター10に電源が供給されたままとまり、力率は85%のままで変化しない。
故障判定部23は、ヒーター駆動信号による「開」が指示された状態で、かつ、現在の力率(85%)が判定閾値(83%)以上であるため「異常」と判定しエラー信号を出力する。このエラー信号が入力された制御部21は室内機50へこの「異常」状態を送信し、室内機50はエラーメッセージをユーザーに報知する。
なお、リレー22の接点が溶着した故障だけでなく、リレー22が故障して接点が「閉」とならない場合も検出可能である。
故障判定部23は、ヒーター駆動信号により「開」の指示から「閉」の指示になった時、現在の力率が判定閾値(83%)未満の場合、「異常」と判定するためエラー信号を出力する。これはリレー22の巻線の断線や、リレー22の駆動用の素子が故障している場合である。
以上の判定条件を図3(B)を用いて説明する。図3(B)はリレー22と駆動回路24に関して正常/異常の判定条件を示す説明図である。図3(B)において左から右に、「ヒーター駆動信号が開指示」、「ヒーター駆動信号が閉指示」の状態を示している。また、上から下に、「力率が判定閾値未満」、「力率が判定閾値以上」の状態を示している。それぞれの状態で示される項目はベースヒーター10又はリレー22又は駆動回路24のいずれか1つの部分の正常/異常を示している。
ヒーター駆動信号がリレー22を閉にする指示になっている間、力率が判定閾値以上に、また、ヒーター駆動信号がリレー22を開にする指示になっている間、力率が判定閾値未満になっている状態が正常である。また、ヒーター駆動信号がリレー22を開にする指示になっている間、力率が判定閾値以上に、また、ヒーター駆動信号がリレー22を閉にする指示になっている間、力率が判定閾値未満になっている状態が異常である。
つまり、ベースヒーター10に電源が印加されていれば、印加されていない場合に比較して力率が改善されるものであり、そうでない場合はベースヒーター10の断線、または、リレー22の故障、もしくは駆動回路24の故障と判定している。
[本発明の効果]
以上説明したように、圧縮機7を運転している場合であっても、ヒーター駆動信号の状態と力率の値により、ベースヒーター10の断線、もしくは、駆動回路24やリレー22の故障を判断することができる。
1 空気調和機
2 交流電源
3 整流器
4 昇圧部
5 インバータ部
6 直流電圧検出部
7 圧縮機
8 交流電流検出部
9 電源線
10 ベースヒーター(ヒーター)
20 室外機制御部
21 制御部
22 リレー(スイッチ)
23 故障判定部(故障判定手段)
24 駆動回路
30 力率検出部
31 有効電力算出部
32 皮相電力算出部
33 力率算出部
34 交流電圧検出部
40 室外機
50 室内機

Claims (2)

  1. 入力された交流電源を整流して直流電源に変換する整流器と、前記整流器から出力された直流電圧を昇圧して出力すると共に力率を改善する昇圧部と、前記昇圧部から出力された直流電圧を交流電圧に変換して出力するインバータ部と、前記インバータ部で駆動される圧縮機と、前記昇圧部へ電圧制御信号を出力すると共に、前記インバータ部へ前記圧縮機の回転数と前記交流電圧の大きさを指示する制御部と、前記交流電源が印加されるヒーターと、前記制御部から出力される駆動信号により前記ヒーターへ前記交流電源を印加/遮断するスイッチと、同スイッチを駆動する駆動回路とを有する室外機を備えた空気調和機であって、
    前記室外機は、
    前記交流電圧を検出する交流電圧検出部と、
    前記ヒーターと前記整流器を流れる交流電流を検出する交流電流検出部と、
    検出した前記交流電流及び前記交流電圧から力率を算出して出力する力率検出部と、
    前記駆動信号と前記力率から、前記ヒーター又は前記スイッチ又は前記駆動回路のうち少なくとも一つが正常か異常かを判定する故障判定手段とを備えたことを特徴とする空気調和機。
  2. 前記故障判定手段は、
    前記圧縮機が運転状態であり、前記ヒーターへ前記交流電源が印加されていない時の前記力率と前記ヒーターへ前記交流電源が印加されている時の前記力率との間の値を判定閾値として予め記憶しており、
    前記駆動信号が前記スイッチを閉にする指示であり、かつ、前記力率が前記判定閾値以上の場合、または、前記駆動信号が前記スイッチを開にする指示であり、かつ、前記力率が前記判定閾値未満の場合を正常と判定し、
    前記駆動信号が前記スイッチを開にする指示であり、かつ、前記力率が前記判定閾値以上の場合、または、前記駆動信号が前記スイッチを閉にする指示であり、かつ、前記力率が前記判定閾値未満の場合を異常と判定することを特徴とする請求項1記載の空気調和機。
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