JP2018125997A

JP2018125997A - 空気調和機

Info

Publication number: JP2018125997A
Application number: JP2017017486A
Authority: JP
Inventors: 将志大田; Masashi Ota; 直哉花野; Naoya Hanano; 孝大石; Takashi Oishi
Original assignee: Hitachi Johnson Controls Air Conditioning Inc
Current assignee: Hitachi Johnson Controls Air Conditioning Inc
Priority date: 2017-02-02
Filing date: 2017-02-02
Publication date: 2018-08-09
Also published as: WO2018142738A1

Abstract

【課題】空気調和機の性能の低下の防止、若しくは性能を向上させる。
【解決手段】交流電源から供給される交流電力を直流電力に変換するコンバータと、前記直流電力を平滑化する平滑部と、平滑化された直流電力を交流電力に変換し、圧縮機モータに供給する圧縮機用インバータと、平滑化された直流電力を交流電力に変換し、ファンモータに供給する、前記圧縮機用インバータよりも定格電流が小さいファン用インバータと、を備え、前記コンバータ、前記平滑部、前記圧縮機用インバータ、及び前記ファン用インバータは、同一の基板に搭載されている、ことを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、空気調和機に関する。

空気調和機の室外機には、交流電源から供給される交流電力を、圧縮機モータに供給し、該モータを駆動制御するインバータ制御回路が搭載される。

例えば、特許文献１には、パワートランジスタモジュール、ノイズフィルタ回路、ダイオードスタック、コンデンサを一枚の基板上に実装することで、接続電線数を減らし、材料費、組立費を低減させたインバータ制御回路が開示されている。

また、例えば、特許文献２には、インバータを構成する電気部品を多層構造に配置し、インバータの小形化、布線数の削減、等を図ることで、インバータを収納する室外機ユニットの小形化、原価低減を達成した空気調和機の室外ユニットが開示されている。

また、例えば、特許文献３には、機種ごとに固有の特性や機能に係る固有データを記憶させた記憶素子を、制御回路に組込み、共通基板化によりコスト低減を図った空気調和機の制御回路が開示されている。

特開Ｈ１０−２０５８３０号公報特開Ｈ６−１２３４４９号公報特開Ｈ５−１７２３９０号公報

空気調和機の室外機において、圧縮機モータを駆動制御する圧縮機用インバータと、ファンモータを駆動制御するファン用インバータとは、通常別の基板に搭載され、各基板は、ハーネス等によって電気的に接続される。

しかしながら、ファン用インバータは、圧縮機用インバータと比較して定格電流が小さいため、ハーネスに重畳するノイズの影響を受け易い。このため、圧縮機用インバータとファン用インバータとが、別の基板に搭載されると、ファンモータの駆動に不具合が発生し、空気調和機の性能が低下するという問題がある。

そこで、本発明は、空気調和機の性能の低下の防止、若しくは性能を向上させることを課題とする。

前記課題を解決するために、本発明は、交流電源から供給される交流電力を直流電力に変換するコンバータと、前記直流電力を平滑化する平滑部と、平滑化された直流電力を交流電力に変換し、圧縮機モータに供給する圧縮機用インバータと、平滑化された直流電力を交流電力に変換し、ファンモータに供給する、前記圧縮機用インバータよりも定格電流が小さいファン用インバータと、を備え、前記コンバータ、前記平滑部、前記圧縮機用インバータ、及び前記ファン用インバータは、同一の基板に搭載されている、ことを特徴とする。

本発明によれば、空気調和機の性能の低下の防止、若しくは性能を向上させることができる。

本発明の実施形態に係る空気調和機の構成を示す概略図である。本発明の実施形態に係る制御基板の構成を示す概略図である。

≪空気調和機の構成≫
まず、図１を参照して、本発明の実施形態に係る空気調和機１の構成について説明する。

図１に示すように、空気調和機１は、室内機１００と、室外機２００と、を備える。室内機１００は、室内熱交換器１１、室内膨張弁１２、等を備える。室外機２００は、圧縮機２１、四方弁２２、室外熱交換器２３、アキュムレータ２４、室外膨張弁２５、等を備える。

室内熱交換器１１の付近には、熱交換を促進するための室内ファン１３が設けられ、ファンモータ１３ａが室内ファン１３を駆動させる。また、室外熱交換器２３の付近には、熱交換を促進するための室外ファン２６が設けられ、ファンモータ２６ａが室外ファン２６を駆動させる。また、圧縮機モータ２１ａが圧縮機２１を駆動させる。なお、室外熱交換器２３の付近には、複数の室外ファンが設けられていても良い。

空気調和機１は、ヒートポンプサイクルで冷媒を循環させることによって空調（冷房運転、暖房運転、等）を行う機器である。空気調和機１は、圧縮機２１と、四方弁２２と、室外熱交換器２３と、室外膨張弁２５と、室内膨張弁１２と、室内熱交換器１１と、アキュムレータ２４とが環状に順次接続されてなる冷媒回路Ｑにおいて、周知のヒートポンプサイクルで冷媒を循環させる。実線矢印Ｘは、空気調和機１が冷房運転を行う場合における冷媒の循環方向を示し、破線矢印Ｙは、空気調和機１が暖房運転を行う場合における冷媒の循環方向を示している。

例えば、空気調和機１が冷房運転を行う場合、圧縮機２１によって圧縮された高温高圧の冷媒は、四方弁２２を通過して室外熱交換器２３へと流入し、空気との熱交換によって、凝縮され液化した後、室内膨張弁１２で減圧され、室内熱交換器１１へと流入する。室内熱交換器１１へと流入した冷媒は、空気からの吸熱作用によって蒸発した後、アキュムレータ２４を介して、圧縮機２１へと戻る。圧縮機２１に戻った冷媒は、再び高温高圧に圧縮され、四方弁２２、室外熱交換器２３、室外膨張弁２５、室内膨張弁１２、室内熱交換器１１、アキュムレータ２４を循環する。この循環が繰り返されることでヒートポンプサイクルが構成される。

≪制御基板の構成≫
次に、図２を参照して、本発明の実施形態に係る空気調和機１の室外機２００に搭載される制御基板２の構成について説明する。

制御基板２は、コンバータ２０１と、平滑部２０２と、圧縮機用インバータ２０３と、ファン用インバータ２０４と、制御部２０５と、電圧検出回路２０６と、電流検出回路２０７と、電源回路２０８と、ドライバ回路２０９と、電流センサ２１０と、吐出圧力センサ２１１と、吐出圧力検出回路２１２と、を備える。即ち、コンバータ２０１と、平滑部２０２と、圧縮機用インバータ２０３と、ファン用インバータ２０４と、制御部２０５と、電圧検出回路２０６と、電流検出回路２０７と、電源回路２０８と、ドライバ回路２０９と、電流センサ２１０と、吐出圧力センサ２１１と、吐出圧力検出回路２１２とは、同一の基板に搭載されている。直流部Ｉ_０における基準電圧ＶＦは、圧縮機用インバータ２０３と、ファン用インバータ２０４とで共通である。

図２では、２つのファン用インバータ２０４が、制御基板２に搭載される場合を、一例に挙げて説明するが、制御基板２に搭載されるファン用インバータ２０４の個数は、特に限定されるものではない。図２に示す直流部Ｉ_０に、ファン用インバータ２０４を追加接続することで、制御基板２に搭載されるファン用インバータ２０４の個数を増やすことが可能である。

コンバータ２０１は、複数の整流素子２５１を備え、該素子がブリッジ結線された回路である。コンバータ２０１は、ノイズフィルター２３０を介して、三相交流電源２２０から供給される交流電力を直流電力に変換し、変換した直流電力を平滑部２０２に供給する。

平滑部２０２は、コンバータ２０１によって変換された直流電圧を平滑化し、平滑化した直流電力を、圧縮機用インバータ２０３、及び２つのファン用インバータ２０４に供給する。平滑部２０２は、平滑コンデンサ２２１と、力率改善用リアクトル２２２と、電磁接触器２２３と、突入電流制限抵抗器２２４と、を備える。

平滑コンデンサ２２１、力率改善用リアクトル２２２、電磁接触器２２３、及び突入電流制限抵抗器２２４は、コンバータ２０１と、圧縮機用インバータ２０３又は２つのファン用インバータ２０４と、の間に設けられる。力率改善用リアクトル２２２は、一方の端子が平滑コンデンサ２２１と接続され、他方の端子が電磁接触器２２３及び突入電流制限抵抗器２２４と接続される。電源が投入される際に、閉路する電磁接触器２２３が、平滑コンデンサ２２１に流れる過大な突入電流によって溶着しないように、電磁接触器２２３と突入電流制限抵抗器２２４とは、並列に設けられる。

圧縮機用インバータ２０３は、コンバータ２０１及び圧縮機モータ２１ａと接続される。圧縮機用インバータ２０３は、平滑部２０２によって平滑化された直流電力を、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の三相交流電力に変換し、圧縮機モータ２１ａに供給する。また、圧縮機用インバータ２０３は、ドライバ回路２０９から入力される駆動信号に基づいて、圧縮機モータ２１ａの回転速度（運転周波数）を変化させて、圧縮機モータ２１ａを駆動制御する。

圧縮機用インバータ２０３は、複数のスイッチング素子２３１と、複数のフライホイール素子２３２とを備え、複数のスイッチング素子２３１が、三相ブリッジ結線された回路である。各スイッチング素子２３１と併設してフライホイール素子２３２が設けられる。フライホイール素子２３２は、スイッチング素子２３１のスイッチング動作により発生する逆起電力を回生する。圧縮機用インバータ２０３が、ドライバ回路２０９から入力される駆動信号に基づいて、各スイッチング素子２３１のスイッチング動作を制御することで、圧縮機用インバータ２０３において、交流電力が生成される。

圧縮機用インバータ２０３の定格電流は、２０[Ａ]以上である。該定格電流は、圧縮機用インバータが駆動することができる直流電流の最小値である。

ファン用インバータ２０４は、コンバータ２０１及びファンモータ２６ａと接続される。ファン用インバータ２０４は、平滑部２０２によって平滑化された直流電力を、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の三相交流電力に変換し、ファンモータ２６ａに供給する。また、ファン用インバータ２０４は、制御部２０５から入力される駆動信号に基づいて、ファンモータ２６ａの回転速度（運転周波数）を変化させて、ファンモータ２６ａを駆動制御する。

ファン用インバータ２０４は、複数のスイッチング素子２４１と、複数のフライホイール素子２４２とを備え、複数のスイッチング素子２４１が、三相ブリッジ結線された回路である。各スイッチング素子２４１と併設してフライホイール素子２４２が設けられる。フライホイール素子２４２は、スイッチング素子２４１のスイッチング動作により発生する逆起電力を回生する。また、ファン用インバータ２０４が、制御部２０５から入力される駆動信号に基づいて、各スイッチング素子２４１のスイッチング動作を制御することで、ファン用インバータ２０４において、交流電力が生成される。

ファン用インバータ２０４の定格電流は、圧縮機用インバータ２０３の定格電流の１／４以下である。該定格電流は、ファン用インバータが駆動することができる直流電流の最小値である。このように、ファン用インバータは、圧縮機用インバータと比較して、定格電流が小さい。このため、圧縮機用インバータ、ファン用インバータ、制御部、等が別の基板に搭載されてしまうと、ファン用インバータは、圧縮機用インバータと比較して、各基板を電気的に接続するために必要なハーネスに重畳するノイズの影響を受け易くなる。しかしながら、本実施形態では、圧縮機用インバータ、ファン用インバータ、制御部、等が全て同一の制御基板２に搭載されているため、各基板を電気的に接続するハーネスが不要となり、ノイズの影響を最小限に抑えることができる。

制御部２０５は、ドライバ回路２０９に制御信号を出力し、ドライバ回路２０９を介して、圧縮機用インバータ２０３を制御する。また、制御部２０５は、２つのファン用インバータ２０４に駆動信号を出力し、２つのファン用インバータ２０４を制御する。圧縮機用インバータ２０３、２つのファン用インバータ２０４をそれぞれ制御する制御部を、共通化することで、制御部の個数を減らし、安価且つ信頼性の高い制御基板２を提供することが可能になる。

また、制御部２０５は、室内膨張弁１２又は室外膨張弁２５の開度、室内ファン１３及び室外ファン２６の回転速度、冷房／暖房の運転モードを切り替える四方弁２２、等を制御する。

制御部２０５は、センサレスタイプのベクトル制御機能を有する。従って、制御部２０５は、圧縮機モータ２１ａ及びファンモータ２６ａの回転速度や位相（磁極位置）を推定することが可能である。また、制御部２０５は、電流検出回路２０７によって検出される電流（直流部Ｉ_０を流れる電流）に基づいて、圧縮機モータ２１ａ及びファンモータ２６ａの駆動電流を再現することが可能である。これにより、速度センサ、磁極位置センサ、交流電流を検出する電流センサ等を、制御基板２に搭載せずに済むため、制御基板２を簡易な構成とすることができる。

電圧検出回路２０６は、コンバータ２０１から出力される直流電圧を検出し、検出した直流電圧が不足電圧であるか否かを確認して、検出結果を制御部２０５へと出力する。

電流検出回路２０７は、電流センサ２１０を用いて、直流部Ｉ_０を流れる電流を検出し、検出結果を制御部２０５へと出力する。

電源回路２０８は、コンバータ２０１によって変換され、更に平滑部２０２によって平滑化された直流電圧（高電圧）を、例えば、５[Ｖ]、あるいは１５[Ｖ]程度の制御電圧（低電圧）に調整し、制御部２０５、ドライバ回路２０９、等に供給する。

ドライバ回路２０９は、制御部２０５と圧縮機用インバータ２０３との間に設けられる。ドライバ回路２０９は、制御部２０５から入力される微弱な信号（例えば、ＰＷＭ信号）を、圧縮機用インバータ２０３に備えられるスイッチング素子２３１が駆動できるレベルまで増幅し、駆動信号を圧縮機用インバータ２０３へと出力する。例えば、ドライバ回路２０９が、圧縮機用インバータ２０３へのＰＷＭ信号の出力を開始すると、圧縮機用インバータ２０３に備えられるスイッチング素子２３１がスイッチング動作を行い、圧縮機用インバータ２０３は駆動する。また、例えば、ドライバ回路２０９が、圧縮機用インバータ２０３へのＰＷＭ信号の出力を停止すると、圧縮機用インバータ２０３に備えられるスイッチング素子２３１がスイッチング動作を停止し、圧縮機用インバータ２０３は停止する。

電流センサ２１０は、コンバータ２０１と接続され、直流部Ｉ_０を流れる電流、即ち、圧縮機用インバータ２０３、及び２つのファン用インバータ２０４に入力される直流電流を検出し、検出した電流を、電流検出回路２０７へと出力する。なお、制御基板２には、過電流に対する保護機能や、制御電圧の低下に対する保護機能が備えられていても良い。各保護機能が作動したときには、各回路は、異常信号を制御部２０５へ出力し、圧縮機用インバータ２０３、及び２つのファン用インバータ２０４を停止させることも可能である。

吐出圧力センサ２１１は、吐出圧力検出回路２１２と接続され、圧縮機２１の吐出圧力を検出し、検出した圧力を、吐出圧力検出回路２１２へと出力する。吐出圧力センサ２１１は、吐出圧力が所定閾値以上であるか否かに基づいて、スイッチング動作を行う。

吐出圧力検出回路２１２は、吐出圧力センサ２１１を用いて、吐出圧力を検出し、検出結果を制御部２０５へと出力する。

上述のように、本実施形態に係る制御基板２には、圧縮機用インバータ、２つのファン用インバータ、平滑部、制御部、等が全て搭載されている。即ち、圧縮機用インバータ、２つのファン用インバータ、平滑部、制御部、等が別の基板に搭載されている場合に必要とされる、各基板を電気的に接続するハーネスが不要となる。これにより、圧縮機用インバータと比較して定格電流が小さいファン用インバータは、ハーネスに重畳するノイズの影響を受けることなく、正常に駆動することができる。従って、ファン用インバータが駆動停止してしまう、室外機における熱交換がスムーズに行えない、等、従来の空気調和機に生じていた不具合を回避し、空気調和機１の性能を向上させることができる。また、同一の制御部で、圧縮機用インバータ及び２つのファン用インバータを制御することで、安価且つ信頼性の高い制御基板２を提供することができるため、空気調和機１の性能の低下を防止するばかりか、性能を向上させることができる。

１００，２００無線給電装置
１空気調和機
２制御基板（基板）
２０１コンバータ
２０２平滑部
２０３圧縮機用インバータ
２０４ファン用インバータ
２０５制御部
２１ａ圧縮機モータ
２６ａファンモータ

Claims

交流電源から供給される交流電力を直流電力に変換するコンバータと、
前記直流電力を平滑化する平滑部と、
平滑化された直流電力を交流電力に変換し、圧縮機モータに供給する圧縮機用インバータと、
平滑化された直流電力を交流電力に変換し、ファンモータに供給する、前記圧縮機用インバータよりも定格電流が小さいファン用インバータと、
を備え、
前記コンバータ、前記平滑部、前記圧縮機用インバータ、及び前記ファン用インバータは、同一の基板に搭載されている、
ことを特徴とする空気調和機。
前記ファン用インバータは、複数である、
ことを特徴とする請求項１に記載の空気調和機。
前記基板に搭載される制御部を備え、
前記制御部は、前記圧縮機用インバータ及び前記ファン用インバータを制御する、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の空気調和機。
前記圧縮機用インバータの定格電流は、２０[Ａ]以上である、
ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の空気調和機。