JPS60144154A - 空気調和機の高効率運転装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は空気調和機における圧縮機用電動機を負荷の変
動に左右されず常に高効率で運転するようにした高効率
運転装置に関する。

（従来技術） エネルギ有効比（ＥＥＲ）が高い空気調和機は電力消費
面での節減効果が大であるところから省エネルギ形機械
として実状勢に即するものであるが、現状ではＥＥＲ値
は夏期の標準的な温度条件に準じて規定されているので
、高ＥＥＲ機と評価されたものであっても、必らずしも
１年間を通じて最善の省エネルギ効果が期待されるとは
限らない。

それは、空気調和機が凝縮温度、蒸発温度の変化によっ
て、圧縮機用電動機に加わる負荷は太きく変動すること
から、年間を平均して室内・外温度の変動が可成り大き
い状況の下で常に最高のＥＥＲを示すものではないから
であって、ＥＥＲ値を左右する各種要因のうちで電動機
の性能、こよる変化は影響が大きい要素の一つであるこ
とが判っている。

特に、ＥＥＲに影響を与えるといわれる電動機の効率は
、印加電圧を変えない場合は軽負荷になる程悪くなり、
また５０ヘルツ、６０ヘルツの交流電源を共用する汎用
の電動機を５０ヘルツ地帯で運転するときには、電動機
の効率が最高値を示すときの負荷値よりも軽い状態で運
転されることが多くなり、ＥＥＲ低下の影響は一層顕著
となる。

従って圧縮機の容量制御を行なうものは運転効率の面で
問題があるところから、インバータを用いて連続的に周
波数変換を行なわせ、電動機の回転を制御するものが最
近になって多用されてきているが、これは電動機を効率
よく運転することが可能であるが、インバータの装置費
が嵩んで汎用品としては今なお不適通であり、普及され
るには至っていない。

（発明の目的） かかる実状に対処して本発明は従来の問題点を解消する
ことを技術的課題として成されたものであって、電子回
路化された簡単かつ低コストの制御装置によって、圧縮
機の原動機である単相誘導電動機を負荷変動に対し常に
最高効率のもとて運転可能となすことにより、全年間を
通じ高ＥＥＲを維持し得て運転経済性の向上を果させる
点を本発明は目的とする。

（発明の構成） しかして本発明は、圧縮機、熱源側コイル、減圧器及び
利用側コイルを備えた空気調和機において、交流用断続
器と、写角波発振回路と、電圧発生回路と、比較回路と
、増巾回路と、アイソレータとの６個の要素により高効
率運転装置を構成したものであって、前記交流用断続器
は、半導体スイッチング素子を要素となして圧縮機用単
相誘導電動機の主固定子巻線に対し直列に接続して交流
電圧の供給を断続せしめる電子回路であり、前記三角波
発振回路は、正電圧でかつ高周波数の連続する三角波を
発振する電子回路であり、前記電圧発生回路は、前述の
三角波のピーク電圧値以下の正電圧域で空調負荷が増大
するときは減じ、逆に減少するときは増す電圧を連続的
に出力する電子回路であり、前記比較回路は、三角波発
振回路が発振した三角波と電圧発生回路が出力した電圧
とを比較して、三角波の方が高いときと低いときとで極
性の異なる交番的な方形波パルスに変換し出力する電子
回路であり、前記増巾回路は、比較回路が出力した方形
波パルスのうちで三角波の方が高いときに出力した一方
の方形波パルスのみを増巾し出力する電子回路であり、
前記アイソレータは、前記増巾回路の出力に応じたゲー
ト信号を交流用断続器に出力する電子回路であり、電動
機に印加する交流電圧の正弦波形をオン、オフの交互に
細分割することによって、電圧（電流）の実効値を変え
、これが軽空調負荷のときに定格値よりも下げて該電′
動機が最高効率で運転される如き所定値に制御する如く
なしたものであって、かくして所期の目的はここに達成
される。

（実施例） 本発明の実施例を添付図面にもとづいて詳しく説明する
。

第１図は本発明の実施例に係る空気調和機の冷凍回路図
であって、この空気調和機は圧縮機（１）、熱源側コイ
ル（２）、減圧器（３）及び利用側コイル（４）を冷房
サイクルに接続して、利用側コイル（４）を蒸発器とし
て林用させることにより冷房運転が成される。

上記圧縮機（１）には、主固定子巻線（５Ａ）及び補助
固定子巻線（５Ｂ）を有する単相誘導電導機　（コンデ
ンサ起動運転形）（５）を軸直結せしめている。

この眼相誘導電動機（以下モータと略称する）（５）に
は第２図に示す如く、固定子巻線が巻装されてなる鉄心
の適当個所に、巻線温度を検出する温度検出器０９例え
ば正特性サーミスタを埋設させているが、このモータ（
５）の運転制御、特に本発明の特徴である、高効率運転
制御を主として行なわせる電気回路は第２図に示される
通りであって、交流用断続器（６）と、三角波発振回路
（７）と、電圧発生回路（８）と、比較回路（９）と、
増１を回路α印と、アイソレータＱｌｌとの６つの要素
からなっている。

それら各要素の内容説明に先立って単相誘導電動機にお
ける効率運転特性について触れるが、電動機効率と電動
機負荷との関係は第３図にグラフ示される通り、定格電
源電圧を印加した電圧一定の条件では曲線（Ｉ）に示す
ように１００％負荷で効−タ（５）が、５０％負荷にな
ると７１％と１２％程度も低下するものである。

そこで曲線（Ｉ）の特性を有するモータ（５）ｉこ対し
供給する電源電圧を下げてゆくと、曲線（ＩＩ）、ＧＶ
）に示す特性のように、効率の最高値が軽負荷の域に順
次移動し、従って曲線（２）の特性になるまで電圧を下
げると５０％負荷時でも効率が８３％と変らないように
なり、結果として効率が１２％高くなったことになる。

空気調和機において実際に使用されている状態は、シー
ズン中を通じ、さらにそのうちの−日だけをみても、最
高負荷域で使用する機会は極めて僅かで殆どの場合最高
効率を示す負荷より軽い負荷になる状態で使用されてい
るので、常に最高効率で運転されるよう調整できれば省
エネルギの効果は大である。

かかる供給電圧変化の手段として、普通には変圧器特に
スライダック等の電圧調整器を使用して行なうことが考
えられるが、スライダック等巻線変圧器は鉄と銅が主要
な材料であって重く、かつ大形でしかもコスト高になる
のが難点である。

ところで実質的に入力の大きさに関係するのは電流の実
効値であるから、モータに供給される電圧波形の積分値
が、正弦波電圧で供給される実効値電圧と等しくなれば
良い。

従って、正弦波形を細か＜ＯＮ、ＯＦＦに分割し、通電
されている積分値（時間を横軸にしたときの面積）を各
半サイクルについて等しくできる装置によって電圧変化
が行なえるものである。

すなわち、ＯＮ、ＯＦＦに分割される波形（一般にパル
スと呼ばれる）の巾を制御して、供給電圧を変ｆヒした
のと同じ効果を得るには、電子回路で構成される装置に
よって可能であり、これが以下述べる電気回路の基本と
なるところである。

しかして前記交流用断続器（６）は、２個の半導体スイ
ッチング素子例えばパワートランジスタ（１２−１）　
、　（１２−２）を整流用ダイオード（１３−１）　、
’（１３−２）と夫々直列接続した状態で互いに電流々
流方向を逆にさせて並列に接続して形成していて、パワ
ートランジスタ（１２−１）が交流の半波に対して、　
またパワートランジスタ（１２−２）が他の半波に対し
て夫々断続用スイッチとして機能するように、前記モー
タ（５）の主固定巻線（５Ａ）に対し直列に接続せしめ
ている。

次に、三角波発振回路（７）は例えば無安定マルチバイ
ブレークを要素とした電子回路であって、基本的構成は
時間に対し電圧、電流の１直を直線的に変化させる傾斜
波発生回路と、この出力がしきい値に達したことを検出
する比較回路と、該比較回路の出力に応じて同期をとり
波形の繰返し周期を決めるべく前記両回路を制御する制
御回路の三つの要素からなり、第４図（イ）に示す如く
、商用周波数に比し可成り高い高周波数の正電圧で連続
する三角波を発振せしめる回路に構成している。

前記電圧発生回路（８）は、制御回路の直流電圧（Ｅｌ
）が印加される抵抗回路から中間点（ａ）の分圧を取り
出してこれを指令信号とする回路であって、例えば正電
位側から抵抗（Ｒ２）、凝縮器として作用する熱源側コ
イル（２）のコイル温度を検出する温度検出素子０４）
、前記正特性サーミスタ０５）、抵抗（Ｒ１）及び容量
制御検出リレー（１７）の常閉接点を直列に接続して有
しており、正特性サーミスタ００抵抗（Ｒ１）からなる
直列回路の分電圧（Ｒ４）を取り出すようになっている
。

なお、前記温度検出素子０４Ｊは負特性サーミスタが用
いられていて、熱源側コイル（２）のコイル温度が高い
ときは圧縮機（１）に加わる負荷が大きいことからこれ
を抵抗減少変化として電気的に検出することが可能であ
って、前記電圧発生回路（８）における分電圧（Ｒ４）
を高負荷のときは高く、低負荷のときは低くするように
機能するものである。

しかして、この電圧発生回路（８）は各抵抗（Ｒｔ）。

（Ｒ２）を適当な値に選定することによって、　前記三
角波のピーク電圧値以下の正電圧域で空調（冷房）負荷
が増大するときは減じ、通に減少するときは増す電圧を
連続的に出力するようシこ形成している。

ところで、第２図々示例は抵抗（Ｒ１）　ｌこ対して始
動リレーα０の常開接点を並列に接続し、一方、前記容
量制御検出リレーαηの常閉接点に対して抵抗（Ｒ６）
を並列に接続しており、モータ（５）が始動完了後は抵
抗（Ｒ１）は短絡されるので、分電圧（Ｒ４）は負特性
サーミスタ０４）、正特性サーミスタＱ５１の抵抗値に
よって決定され、また軽負荷時で圧縮機（１）が容量制
御される場合には前記リレー（ｌηの常閉接点が開放す
ることによって抵抗（Ｒ６）の影響を受けるようになる
。

次に比較回路（９）はコンパレータから形成した電気回
路であって、三角波発振回路（７）が発振した三角波と
、電圧発生回路（８）が出力した分電圧（Ｒ４）とを比
較して、いずれが大きいかによって極性が異なるが一定
レベルの出力を出力端子（ｂ）から発するようになって
いる。

一方、増巾回路（１０）はインバータ０８）と、ドライ
バーＩｃＱＧを直列的に接続してなる電子回路であって
、比較回路（９）の出力が負のとき（三角波の電圧の方
が高いとき）にインバータ０８）が正出力を発して、Ｉ
ＣＱ９の出力がＬ（接地）となり、後述するフォトカプ
ラ（２０−１）　、　（２０−２）からの電流をアース
線に引き込み、フォトカプラ（２０−１）、（２０−２
）をＯＮ状態にするものである。

最後にアイソレータ（１旧まパルス変換回路（１０）の
出力を絶縁的に増幅し得る２個のフォトカプラ（２０・
−１）　、　（２０−２）を要素としていて、両フォト
カプラ（２０−１）　、　（２０−２）の入力側ダイオ
ードを直列に接続して前記ＩＣＨの出力端に連絡せしめ
ていて、ＩＣＱＩの出力がＬ状態になると、各フォトカ
プラ（２０−１）　、　（２０−２）の出力はパワート
ランジスタ（１２−１）、（１２−２）をＯＮ状態にて
きるベース電流を流し得るよう増巾されて、ベースに加
えるように設けてなる前記パワートランジスタ（１２−
１）　、　（１２−２）は正出力が出されている間導通
作動せしめられる。

以上、第２図々示回路の構成を説明したが、次にその作
動態様を説明すると、比較回路（９）のＯ入力端子ｌこ
は三角波発振回路（７）の連続三角波（第４図（イ）参
照）が入力され、一方■入力端子には電圧発生回路（８
）の分電圧（Ｒ４）が入力されるが、　この状態におい
て分電圧（Ｒ４）がＥ′４（第４図（イ）参照）である
と、両電圧の比較結果から、比較回路（９）の出力端に
は電圧Ｅ４のレベルよりも三角波パルスが高いか低いか
で極性の異なる方形波パルスが出力されるので、これを
増巾回路（１■によって三角波の方が高いときに出力し
た一方の極性のパルスを増巾して、アイソレータ０１）
を介し絶縁的に前記交流用断続器（６）のパワートラン
ジスタ（１２−１）　、　（Ｒ２−２）にゲート信号を
送り導電作動せしめる。

同様に分電圧（Ｒ４）がＥ′４より高いｉ′４であると
、パルス間隔は同じであるが、パルス中が狭いケート信
号が前記トランジスタ（１２−１）　、　（１２−２）
に送られる。

以上のことから明らかな如く、電圧発生回路（８）が出
力する分電圧（Ｒ４）が高くなる程、増巾回路１［１１
から出力される方形波パルスはパルス間隔は不変である
がパルス中が短かく換言するならばパルスが出ない零レ
ベルの巾が長い状態となるのであって、この方形波パル
スによって導通作動するパワートランジスタ（１２−１
）、（１２−２）によりモータ（５）に印加する電圧は
分電圧（Ｒ４）がＥ′４のときは第６図のように断続し
た正弦波電圧となり、Ｒ４のときは第７図のように断続
した正弦波電圧となって、電圧実効値（積分値）は前者
の方が後者よりも大きくなることが明らかであり、この
ようにして供給電圧の実効値を容易に制御することが可
能である。

従って第２図々示の回路では、圧縮ｍ（１）が容量制御
されていなくて全運転されているときは、抵抗（Ｒ６）
が短絡されており、さらにモータ（５）が異常過熱して
いなければ正特性サーミスタＱ５１の抵抗も非常に低い
ので、前記分電圧（Ｒ４）は０に近く、かくしてモータ
（５）に供給される電圧は第５図に示すように電源波形
のままの連続した正弦波形の全電圧となり、最高効率の
運転が成される。

一方、熱源側コイル（２）のコイル温度が高くて、圧縮
機（１）に加わる負荷が大きいときには負特性サーミス
タ０滲の抵抗値が小さくなり、分電圧（Ｒ４）の電圧値
が上がって実効電圧を下げることにより、モータ（５）
電流を制限し得る。

冷房負荷が低下してきて圧縮機（１）に対し容量制御指
令が発せられると前記リレーαηの常閉接点が開いて抵
抗（Ｒ６）が作用するために分電圧（Ｒ４）が上昇して
第４図（ロ）の出力が増巾回路＋１０１から出されるこ
ととなり、その結果、実効電圧が下ってモータ（５）は
その負荷に対して最高効率で運転する。

なお、第２図々示例は始動時において、電流を抑える働
きを有するものであって、コンデンサ始動のモータ（５
）は始動時に主巻線に高電流が流れて供給されている電
力ラインに電圧降下などの悪影響を与えるおそれがある
ところから、補助巻線（５Ｂ）の両端に現れ、る電圧が
回転数の上昇によって高くなる特性を利用して、始動完
了まで消勢させ、かつ始動完了によって付勢する始動リ
レー００の常閉接点で、始動中は抵抗（Ｒ工）を回路中
に活かせて分電圧（Ｒ４）を高くさせることにより、第
４図（ハ）の出力を増巾回路０口）から出力してモータ
（５）に加える電圧を下げて始動電流の制限を行なわせ
ることが可能であって、始動完了後は抵抗（Ｒ工）　を
短絡して分電圧（Ｒ４）を零近くまで下げ高出力に対処
させることができる。

一方、キュリ一点を有する正特性サーミスタ（ＩＦＤは
第８図々示の如き温度−抵抗特性を有するので、モータ
（５）が過熱することなく正常に運転している場合には
例えば２０Ω以下で数にΩ〜数十にΩの負特性サーミス
タα４）に比し極めて小さく、比較回路（９）に影響を
もたらさない。

ところがモータ（５）が異常過熱状態になり、コイル温
度が１５０℃以上になるとサーミスタ０９は１００にΩ
以上と抵抗値が急増するので、分電圧（Ｒ４）は急上昇
して、三角波パルスのピーク電圧値よりも高くなる結果
、比較回路（９）からは正出力が出されて、増巾回路（
］０）の出力が零となり、従ってモータ（５１には電圧
が印加されず、圧縮機（１）は停止することとなり、モ
ータ（５）損傷保護が万全に成される。

（発明の効果） 本発明は以上述べたように負荷状態に応じて常に最高効
率でモータ（５）を運転し得るよう、モータ（５）に加
えられる実効電圧を制御するようにしたことによって、
エネルギー有効比（ＥＥＲ）が常時高い状態で年間を通
じ運転することが可能となり、省エネルギーの効果は頗
る大である。

また、本発明はモータ（５）に加える電圧を、高周波数
でパルス間隔が不変、パルス中が拡狭制御されるパルス
によってオン・オフされる交流用断続器（６）の作用に
より断続させて、実効電圧を変ｆヒし得る如くしたもの
であって、全電子化された装置で低コスト高信頼性のも
のを提供し得ると共に、装置内における電気ロスは殆ど
なく、経済的にすぐれており、制御の容易、確実な点と
相俟って斯界に益するところ正に多大である。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は本発明の１実施例に係る冷凍回路
図および電気回路図、第３図乃至第８図は本発明装置例
に係る理論説明図で：第３図は単相誘導電動機の負荷−
効率特性線図、第４図（イ）〜（ハ）は三角波によるパ
ルス巾制御の説明図、第５図は印加電源電圧波形図、第
６図および第７図は電圧制御後の印加電圧波形図、第８
図は電動機巻線保護用サーミスタの温度抵抗特性線図で
ある。 （１）・・・圧縮機、　（２）・・・熱源側コイル、（
３）・・・減圧器、　（４）・・・利用側コイル、（５
）・・・単相誘導電動機、　（６）・・・交流用断続器
、（７）・・・三角波発振回路、　（８）・・・電圧発
生回路、（９）・・・比較回路、　（１ト・・増巾回路
、０１１・・・アイソレータ。 特許出願人　ダイキン工業株式会社 ｔｓ１図 第２図 第３図 第４図 （ロ）　（ハ） 第７図 第８図 遍嵐（０Ｃ）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、圧縮機（１）、熱源側コイル（２）、減圧器（３）
   及び利用側コイル（４）を備えた空気調和機において、
   半導体スイッチング素子を要素となし、前記圧縮機（１
   ）用の単相誘導電動機（５）の主固定子巻線（５Ａ）に
   対し直列に接続した交流用断続器（６）と、高周波数正
   電圧の連続する三角波を発振する三角波発振回路（７）
   と、前記三角波のピーク電圧値以下の正電圧域で空調負
   荷が増大するときは減じ、逆に減少するときは増す電圧
   を連続的に出力する電圧発生回路（８）と、前記三角波
   発振回路（７）が発振した三角波と前記電圧発生回路（
   ８）が出力した電圧とを比較して三角波の方が高いとき
   と低いときとで極性の異なる交番的な方形波パルスに変
   換し出力する比較回路（９）と、この比較回路が出力し
   た方形波パルスのうち三角波の方が高いときに出力した
   一方の極性の方形波パルスのみを増巾して出力する増巾
   回路（１０１と、該増巾回路（１０）の出力に応じたゲ
   ート信号を前記交流用断続器（６）に出力するアイソレ
   ータ（ｌ］）とからなり、空調負荷が軽負荷のときに、
   前記電動機（５）に供給する電圧の実効値を該電動機（
   ５）が高効率となる所定の値に制御する如くなしたこと
   を特徴とする空気調和機の高効率運転装置。