JP2015087076A - 空気調和機 - Google Patents

Abstract

【課題】除霜運転時に直流電流の昇圧を行うことで、圧縮機の回転数を高めて、除霜運転時間を短縮する空気調和機を提供することを課題とする。【解決手段】室内熱交換器と室内ファンを有する室内機と、圧縮機と、室外熱交換器と、室外ファンとを有する室外機とを備え、圧縮機、四方弁、室外熱交換器、室内熱交換器が冷媒管によって接続され、四方弁の切り換えによって冷房運転、暖房運転、除霜運転の切り換えが可能な空気調和機であって、室外機には、入力交流電源を直流電圧に変換する整流回路２と、直流電圧を昇圧する昇圧部３と、昇圧部３からの直流電圧を交流電力に変換して圧縮機を駆動させるインバータ４と、昇圧部３とインバータ４とを制御する制御部１３とを有する駆動制御装置１８を備え、制御部１３は、除霜運転開始時に、空気調和機の負荷の大きさに関わらず直流電圧を昇圧する。【選択図】 図２

Description

本発明は、室外熱交換器に着霜した霜を除霜運転によって除霜する空気調和機に関する。

従来の空気調和機は、外気温が低い状態で暖房運転を継続して室外機の室外熱交換器に霜が着く（着霜）と、熱交換器の熱交換能力が低下し、暖房能力を低下させるため、冷凍サイクルを暖房運転から冷房運転に切り換えて除霜運転（リバース除霜）を行うことで室外熱交換器に着霜した霜を溶かしている。一般に除霜運転時は、除霜効果を上げるために室外機のファンを停止させると共に、室内機側は冷房運転となるために寒さを感じさせないよう室内機のファンも停止させ室内温度の低下を防いでいる。しかし、除霜運転が長くなると、その分冷房運転の時間が長くなって室温が低下し、快適性が損なわれてしまうことがあった。

そこで、従来の空気調和機では、除霜運転時に、圧縮機の回転数を高めて除霜運転時間を短縮するために圧縮機への印加電圧を上げることが従来から行われている。例えば、特許文献１には、交流電源電圧をコンバータで整流して得られる直流電圧をインバータで所定の周波数と電圧の交流電力に変換して圧縮機モータを駆動する空気調和機において、除霜運転時にインバータから圧縮機モータへ供給する駆動電圧を通常より高い電圧にすることで圧縮機の能力（回転数）を高め、除霜運転時間を短縮することが開示されている。

特開昭６２−２９８６９号公報

しかしながら、特許文献１の空気調和機は、インバータが圧縮機モータへ供給する駆動電圧を通常より高い電圧にするものであるが、インバータに供給される直流電圧以上に駆動電圧を高めることができないため、圧縮機の回転数を上げるには限界があった。

そこで、圧縮機を高回転数で駆動するために、インバータに供給する直流電圧を高める方式として、コンバータに昇圧チョッパを設け、交流電源電圧を整流して得られた直流電圧を昇圧チョッパのスイッチングにより昇圧してインバータに供給するものがある。例えば、圧縮機の運転効率を上げるため、圧縮機モータの巻線を増やすことが行われているが、巻線を増やすと圧縮機モータを回転させたときに発生する逆起電力が大きくなり、圧縮機を高回転で駆動するためにインバータから圧縮機モータに供給される駆動電圧を高める必要があり、このような場合には、昇圧チョッパを用いたコンバータが有効である。

このような昇圧チョッパを用いた空気調和機の通常の運転では、昇圧チョッパのスイッグロスよる効率の低下や高調波ノイズの発生を考えると、昇圧チョッパのスイッチングは極力行わない方が望ましい。このため空気調和機が低負荷で高い直流電圧が必要ない場合は昇圧チョッパによる直流電圧の昇圧は行わないようにしている。空気調和機の負荷の大きさは、空気調和機の入力電流を監視することで検出し、それが所定の値（例えば３Ａ）を超えたとき負荷が高くなったと判断して昇圧チョッパのスイッチングを開始して直流電圧を昇圧する。

一方、除霜運転を開始するため冷凍サイクルを暖房運転から冷房運転に切り換えた直後の空気調和機は、負荷がほぼゼロとなる。これは冷凍サイクルを切り換えるとき、冷凍サイクルに含まれる四方弁にかかる高圧側と低圧側の圧力差をほぼゼロにしてから四方弁を切り換えるためで、冷凍サイクルの切り換え直後は圧縮機の吸入側と吐出側の圧力差がほぼゼロとなり、結果として圧縮機の負荷がほぼゼロとなるからである。従って、負荷の大きさによって昇圧チョッパのスイッチングの動作／非動作を決定する従来の空気調和機では、負荷が小さい除霜運転開始時に圧縮機モータを高回転で駆動するため直流電圧を昇圧しようとしても、昇圧チョッパが動作しないため必要な回転数が得られず、除霜時間が長くかかるという問題があった。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、除霜運転時に空気調和機の負荷の大きさに関わらず、昇圧チョッパにより直流電圧の昇圧を行うことで圧縮機の回転数を高め、除霜運転時間を短縮する空気調和機を提供することを目的とする。

上記した課題を解決して、本発明の目的を達成するために、本発明は、室内熱交換器と室内ファンを有する室内機と、圧縮機と、室外熱交換器と、室外ファンとを有する室外機とを備え、前記圧縮機、四方弁、前記室外熱交換器、前記室内熱交換器が冷媒管によって接続され、前記四方弁の切り換えによって冷房運転、暖房運転、除霜運転の切り換えが可能な空気調和機であって、前記室外機には、入力交流電源を直流電圧に変換する整流部と、前記空気調和機の負荷を検出する負荷検出手段と、前記直流電圧を昇圧する昇圧部と、前記昇圧部からの直流電圧を交流電力に変換して前記圧縮機を駆動させるインバータと、前記昇圧部と前記インバータとを制御する制御部とを有する駆動制御装置を備え、前記制御部は、前記除霜運転開始時に、前記空気調和機の負荷の大きさに関わらず前記直流電圧を昇圧することを特徴とする。

本発明によれば、除霜運転時に負荷の大きさにかかわらず昇圧部で直流電圧を昇圧してインバータに供給するので、除霜運転開始時に圧縮機の回転数を上げることで、除霜運転時間を短縮することができるという効果を奏する。

図１は、本発明の一実施例に係る空気調和機の概略構成を示すブロック図である。 図２は、図１の室外機における駆動制御装置のブロック図である。 図３は、本発明の実施例に係る空気調和機の動作を説明するフローチャートである。 図４は、図２の昇圧部の他の実施例に係る構成例を示すブロック図である。

以下に、本発明にかかる空気調和機の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。

［空気調和機の構成］
図１は、本発明の一実施例に係る空気調和機の概略構成を示すブロック図である。本実施例にかかる空気調和機の室内機、室外機、およびリモコンは、図１に示すように構成されている。リモコン５０は、ユーザーが電源のオン、オフや運転モードの切り換えなどの操作を行うものである。室内機４０内には、室内熱交換器４２および室内ファン４２ａが組み込まれている。室内ファン４２ａは、ここではクロスフローファンが用いられ、これが回転することによって気流を生成する。室内機４０には、室内ファン４２ａの働きにより室内空気が吸い込まれ、吸い込まれた室内空気は室内熱交換器４２を通過することで冷媒と熱交換され、冷気または暖気が生成される。この室内熱交換器４２を通り抜けた後の冷気または暖気の気流は、不図示の吹出口から室内に吹き出される。

室外機３０は、図１に示すように、四方弁３４、圧縮機３２、室外熱交換器３６、室外ファン３６ａ、および膨張弁３８などが組み込まれ、四方弁３４、圧縮機３２、室外熱交換器３６、および膨張弁３８、室内熱交換器４２が冷媒管６０で順次接続され冷凍サイクル３９を構成している。冷媒管６０の中を流れる冷媒は、圧縮機３２によって圧縮された後、四方弁３４の切り換えによって室外熱交換器３６あるいは、室内熱交換器４２に流入し熱交換することにより、空気調和機２０を冷房運転あるいは暖房運転することができる。

空気調和機２０が暖房運転に設定されると、四方弁３４が実線で接続されるように切り換えられ、圧縮機３２によって生成された高温高圧の冷媒が圧縮機３２の吐出管３２ａから室内熱交換器４２に供給される。冷媒は、室内熱交換器４２、膨張弁３８および室外熱交換器３６を順番に流通する。室内熱交換器４２では、冷媒の熱エネルギーが周囲の空気に放出され、暖気が生成される。暖気は、室内ファン４２ａの働きで室内空間に吹き出される。冷媒は、膨張弁３８で低圧まで減圧され、室外熱交換器３６において室外の空気から吸熱する。その後、冷媒は、四方弁３４を介して圧縮機３２の吸入管３２ｂから圧縮機３２に戻される。この暖房運転中に外気の温度が下がると室外熱交換器に霜が付きやすくなり、霜が付くと熱交換効率（暖房効率）が著しく低下するため除霜する必要がある。

また、冷凍サイクル３９が冷房運転に設定されると、四方弁３４が図１の点線の如く切換わることにより、圧縮機３２によって生成された高温高圧の冷媒が圧縮機３２の吐出管３２ａから室外熱交換器３６に供給される。冷媒は、室外熱交換器３６、膨張弁３８および室内熱交換器４２を順番に流通する。室外熱交換器３６では、高温の冷媒によって温められる。冷媒は、膨張弁３８で低圧まで減圧され、室内熱交換器４２において周囲の空気から吸熱する。これにより生成された冷気は、室内ファン４２ａの働きで室内空間に吹き出される。室内熱交換器４２で吸熱した冷媒は、四方弁３４を介して圧縮機３２の吸入管３２ｂから圧縮機３２に戻される。この冷媒の流れは、本実施例の除霜運転時と同様である。つまり、暖房運転における冷媒の流れを逆にすることで、高温の冷媒によって室外交換器３６を温めることで室外熱交換器３６に着霜した霜を溶かすことができる。

［駆動制御装置の構成］
図２は、図１の室外機における駆動制御装置のブロック図である。本実施例に係る駆動制御装置１８は、図２に示すように、交流電源１と、交流電源１から供給される交流を整流する整流回路２と、リアクタ３ａと逆阻止ダイオード３ｂとスイッチング素子３ｃと平滑用コンデンサ３ｄからなる昇圧チョッパ回路を有する昇圧部３と、直流を交流に変換しＤＣブラシレスモータＭを駆動するインバータ４と、圧縮機３２を駆動するＤＣブラシレスモータＭと、交流電源１のゼロクロスを検出するゼロクロス検出部５と、昇圧部３の入力電流Ｉｉを検出するための検出部である電流センサ（例えば電流検出用トランス）６と、昇圧部３の入力電流Ｉｉを電流センサ６からの検出信号により検出する入力電流検出部１０と、昇圧部３の入力電圧Ｖｉを検出するための入力電圧検出部１１と、昇圧部３の出力電圧（母線電圧）Ｖｏを検出するための出力電圧検出部１２と、直流を交流に変換してＤＣブラシレスモータＭを駆動するインバータ４を制御するインバータ駆動部１４と、室外熱交換器３６の温度を検出する室外熱交換器温度センサ１５と、外気温度を検出する外気温度センサ１６と、各運転モードにおける電流指令値を事前に記憶している記憶部１７とを備えている。空気調和機２０の負荷を検出する負荷検出手段は、電流センサ６と入力電流検出部１０とで構成し、入力電流値の大きさで負荷の大きさを判断する。さらに、駆動制御装置１８は、除霜運転を開始する判断をするために室外熱交換器温度センサ１５や外気温度センサ１６が検出した室外熱交換器３６の温度および外気温度等に基づいて室外熱交換器３６が着霜したか否かを判断したり、また、昇圧部３のスイッチング素子３ｃをオン、オフする信号を出力する制御や、所定の駆動信号をインバータ駆動部１４を介してインバータ４のスイッチング素子ＢＵ、ＢＶ、ＢＷ、ＢＸ、ＢＹ、ＢＺに出力してインバータ４を制御するマイクロコンピュータなどからなる制御部１３とを備えている。

昇圧部３は、整流回路２の正端子（Ｐ）側に直列に接続したリアクタ３ａと、リアクタ３ａに直列に接続した逆阻止ダイオード３ｂと、このリアクタ３ａと逆阻止ダイオード３ｂの間と整流回路２の負端子（Ｎ）側に接続したスイッチング素子（例えばＩＧＢＴ；絶縁ゲート形トランジスタ）３ｃと、逆阻止ダイオード３ｂの出力（カソード）側と整流回路２の負端子（Ｎ）側に接続した平滑コンデンサ３ｄとを備えている。

この昇圧部３は、スイッチング素子３ｃのオン／オフにより、整流回路２の出力電圧を昇圧してインバータ４に供給する。なお、昇圧部３は電源の力率を改善する力率改善回路（ＰＦＣ）としても動作する。

［昇圧部の別構成例］
なお、図４は、図２の昇圧部３の他の実施例に係る構成例を示すブロック図である。図２では、昇圧チョッパ回路で構成された昇圧部３の例をあげて説明したが、これに限定されず、図４示すようなインターリーブ型の昇圧部７０を用いて構成しても良い。インターリーブ型の昇圧部７０は、整流回路２の正端子（Ｐ）側に、直列に接続されたリアクタ７０ａ１および逆阻止ダイオード７０ｂ１と、直列に接続されたリアクタ７０ａ２および逆阻止ダイオード７０ｂ２とが並列に接続され、リアクタ７０ａ１と逆阻止ダイオード７０ｂ１との間と整流回路２の負端子（Ｎ）側とにスイッチング素子（例えばＩＧＢＴ；絶縁ゲート形トランジスタ）７０ｃ１が接続され、リアクタ７０ａ２と逆阻止ダイオード７０ｂ２との間と整流回路２の負端子（Ｎ）側とにスイッチング素子（ＩＧＢＴ；絶縁ゲート形トランジスタ）７０ｃ２が接続されていて、出力側と負端子（Ｎ）側に接続した平滑コンデンサ７０ｄを備えて構成されている。

このインターリーブ型の昇圧部７０は、リアクタ７０ａ１と逆阻止ダイオード７０ｂ１、および、リアクタ７０ａ２と逆阻止ダイオード７０ｂ２を、スイッチング素子７０ｃ１とスイッチング素子７０ｃ２とで交互にオンとオフを切り換えることで、電流値と損失とを半減させることができる。

［除霜運転の開始・終了の条件］
制御部１３において、室外熱交換器３６が着霜が発生している虞があると判断し、除霜運転を開始する除霜運転開始条件は、例えば、暖房運転時間（空気調和機２０を暖房運転で起動した時点、あるいは、除霜運転から暖房運転に復帰した時点から暖房運転を継続している時間）が３０分経過したのち、室外熱交換器温度センサ１５で検出した冷媒温度が外気温度センサ１６で検出した外気温度よりも５℃以上低い状態が１０分以上継続した場合、または、前回の除霜運転が終了してから所定時間（例：１８０分）が経過した場合、等であり、その除霜運転開始条件が記憶部１７に予め記憶されている。

空気調和機２０が除霜運転を行っているときに、制御部１３において室外熱交換器３６で発生した霜が融解したと判断し、除霜運転を終了する除霜運転終了条件は、例えば、室外熱交換器温度センサ１５で検出した温度が５℃以上となったか否か、または、除霜運転を開始してから所定時間（例：１０分）が経過したか否か、等があり、その除霜運転終了条件が記憶部１７に予め記憶されている。

［空気調和機の動作］
図３は、本発明の実施例に係る空気調和機の動作を説明するフローチャートである。まず、空気調和機２０は、暖房運転または冷房運転で運転を行なっている（スタート）。次に駆動制御装置１８の制御部１３は、空気調和機２０を暖房運転で運転しているか否かを判断し（ステップＳ１００）、暖房運転でなければ冷房運転と判断する（ステップＳ１００でＮｏ）とステップＳ１１１の処理に進み、暖房運転で運転していると判断する（ステップＳ１００でＹｅｓ）と、ステップＳ１０１に進んで上記の除霜運転開始条件が成立しているか否かを判断する。除霜運転開始条件が成立したと判断する（ステップＳ１０１でＹｅｓ）と、ステップ１０２で除霜運転を開始させる。また、除霜運転開始条件が成立していないと判断する（ステップＳ１０１でＮｏ）と、ステップＳ１００に戻って暖房運転を継続する。

ステップＳ１０２で除霜運転を開始すると、冷凍サイクル３９を暖房運転から冷房運転モードに切り換えるために四方弁３４が切り換えられ、圧縮機３２の吐出管３２ａから高温高圧の冷媒が室外熱交換器３６に供給される。冷媒は、室外熱交換器３６、膨張弁３８および室内熱交換器４２を順番に流通する。室外熱交換器３６では、高温の冷媒によって温められる。冷媒は、膨張弁３８で低圧まで減圧され、室内熱交換器４２において周囲の空気から吸熱する。室内熱交換器４２で吸熱した冷媒は、四方弁３４を介して圧縮機３２に戻される。このように除霜運転では、暖房運転における冷媒の流れを逆にすることで、高温の冷媒によって室外交換器３６が温められ、室外熱交換器３６に着霜した霜を溶かすことができる。なお、除霜運転中は、室内ファン４２ａおよび室外ファン３６ａを停止させる。

制御部１３は、ステップＳ１０２で除霜運転を開始させると、昇圧部３を動作させて整流回路２で交流電源から変換された直流電圧を昇圧する（ステップＳ１０３）。このように、本実施例の空気調和機は、除霜運転開始直後の負荷の小さい状況下でも、負荷の大きさにかかわらず昇圧部で直流電圧を昇圧し、インバータに供給するため、従来のようにインバータのみで圧縮機モータに供給する電圧を高める場合に比べて圧縮機の回転数を高めることができ、除霜運転時間を短縮することができる。

制御部１３は、ステップＳ１０４で上記の除霜運転終了条件が成立しているか否かを判断する。除霜運転終了条件が成立していないと判断する（ステップＳ１０４でＮｏ）と除霜運転が継続され、除霜運転終了条件が成立したと判断する（ステップＳ１０４でＹｅｓ）と、昇圧部３の動作を終了させる（ステップＳ１０５）。

制御部１３は、ステップＳ１０５で昇圧部３の動作を終了させると、除霜運転から暖房運転に切り換え（ステップＳ１０６）、その後、制御部１３の処理はステップＳ１００に戻る。

また、制御部１３の処理は、ステップＳ１００において、暖房運転でなければ（ステップＳ１００でＮｏ）、冷房運転が継続される。冷房運転中に暖房の運転モードに切り換わった場合（ステップＳ１１１でＹｅｓ）、ステップＳ１００に戻る。また、ステップＳ１１１において、運転モードの切り換えが無ければ（ステップＳ１１１でＮｏ）、冷房運転が継続される。そして、運転終了の指示がなければ（ステップＳ１１２でＮｏ）、ステップＳ１１１に戻って冷房運転が継続されるが、運転終了の指示があれば、空気調和機２０の運転を停止させる（ステップＳ１１２でＹｅｓ）。

以上説明したように、本実施例にかかる空気調和機は、除霜運転開始直後の負荷の小さい状況下でも、負荷の大きさにかかわらず昇圧部で直流電圧を昇圧し、インバータに供給するため、従来のようにインバータのみで圧縮機モータに供給する電圧を高める場合に比べて圧縮機の回転数を高めることができ、除霜運転時間を短縮することができる。そのため、除霜運転中の冷気で室温が低下する前に除霜運転を解除して、暖房運転に復帰させることが可能となり、快適性が損なわれることを防ぐことができる。

１ 交流電源（入力交流電源）
２ 整流回路
３ 昇圧部
３ａ リアクタ（チョークコイル）
３ｂ 逆阻止ダイオード
３ｃ スイッチング素子
３ｄ 平滑コンデンサ
４ インバータ
５ ゼロクロス検出部
６ 電流センサ
１０ 入力電流検出部
１１ 入力電圧検出部
１２ 出力電圧検出部
１３ 制御部
１４ インバータ駆動部
１５ 室外熱交換器温度センサ
１６ 外気温度センサ
１７ 記憶部
１８ 駆動制御装置
２０ 空気調和機
３０ 室外機
３２ 圧縮機
３２ａ 吐出管
３２ｂ 吸入管
３４ 四方弁
３６ 室外熱交換器
３６ａ 室外ファン
３８ 膨張弁
３９ 冷凍サイクル
４０ 室内機
４２ 室内熱交換器
４２ａ 室内ファン
５０ リモコン
６０ 冷媒管
７０ 昇圧部
７０ａ１，７０ａ２ リアクタ（昇圧チョークコイル）
７０ｂ１，７０ｂ２ 逆阻止ダイオード
７０ｃ１，７０ｃ２ スイッチング素子
７０ｄ 平滑コンデンサ
Ｍ ＤＣブラシレスモータ

Claims (1)

1. 室内熱交換器と室内ファンを有する室内機と、圧縮機と、室外熱交換器と、室外ファンとを有する室外機とを備え、前記圧縮機、四方弁、前記室外熱交換器、前記室内熱交換器が冷媒管によって接続され、前記四方弁の切り換えによって冷房運転、暖房運転、除霜運転の切り換えが可能な空気調和機であって、
   前記室外機には、入力交流電源を直流電圧に変換する整流部と、前記空気調和機の負荷を検出する負荷検出手段と、前記直流電圧を昇圧する昇圧部と、前記昇圧部からの直流電圧を交流電力に変換して前記圧縮機を駆動させるインバータと、前記昇圧部と前記インバータとを制御する制御部とを有する駆動制御装置を備え、
   前記制御部は、前記除霜運転開始時に、前記空気調和機の負荷の大きさに関わらず前記直流電圧を昇圧することを特徴とする空気調和機。
   
   
   

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