(57)【要約】【課題】逆風時に過熱保護機能が働かない程度にファンモータの消費電力を落としつつ、できるだけ高い回転数を維持することのできるファンモータ制御装置およびそのファンモータ制御装置をヒートポンプユニットに備える貯湯式ヒートポンプ給湯システムを提供する。【解決手段】検出回転数が目標回転数となるようにＰＩ制御により算出されたデューティ比に基づいてファンモータ１９のＰＷＭ制御を行うファンモータ制御装置において、前記ＰＷＭ制御用のデューティ比の値を、ファンモータ１９の検出回転数に対応した上限値以下に制限するデューティ比制限手段を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
検出回転数が目標回転数となるようにＰＩ制御により算出されたデューティ比に基づいてファンモータのＰＷＭ制御を行うファンモータ制御装置において、前記ＰＷＭ制御用のデューティ比の値を、ファンモータの検出回転数に対応した上限値以下に制限するデューティ比制限手段を備えることを特徴とするファンモータ制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載のファンモータ制御装置において、前記デューティ比制限手段は、検出回転数が低下するにつれて前記デューティ比上限値を低下させるものであることを特徴とするファンモータ制御装置。
【請求項３】
直流電圧を入力し、前記デューティ比に比例する実効値の駆動電圧をファンモータに出力するインバータを備える請求項２に記載のファンモータ制御装置において、前記デューティ比上限値は、インバータの入力直流電圧に反比例し、かつ、検出回転数に所定の補正値を加算した値に比例することを特徴とするファンモータ制御装置。
【請求項４】
前記デューティ比に比例する実効値の駆動電圧をファンモータに出力するインバータを備える請求項１又は２に記載のファンモータ制御装置において、前記インバータは、所定温度以上になるとファンモータへの駆動電圧の出力を停止する過熱保護機能を有するＩＰＭを備えることを特徴とするファンモータ制御装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載のファンモータ制御装置をヒートポンプユニットに備える貯湯式ヒートポンプ給湯システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヒートポンプの蒸発器などに用いられるファンモータを駆動するためのファンモータ制御装置およびそのファンモータ制御装置をヒートポンプユニットに備える貯湯式ヒートポンプ給湯システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
貯湯システムに具備されるヒートポンプユニットは一般に室外に設置され、熱交換効率を安定させるために蒸発器用のファンモータの検出回転数が目標回転数となるようにＰＷＭ制御による定速回転数制御を行っており、例えば、そのようなモータ制御装置が下記の特許文献１に開示されている。
【０００３】
ところで、天候により室外に設置されたヒートポンプユニットが強風に煽られ、ファンモータに強い逆風が作用した場合、負荷トルクが上昇するために、モータへの印加電圧を上げて回転数を維持するように制御され、モータの消費電力及び電流が共に大幅に上昇する。このとき、モータの減磁開始電流を超えるとモータの性能が大きく低下するとともに、消費電力の上昇によりインバータ（モータ駆動回路）が過熱により熱破壊する虞があるため、ＩＧＢＴを中心に制御信号増幅回路や電流・電圧・温度といった保護回路、還流用ダイオードなどが1つのパッケージに収められたＩＰＭ（インテリジェントパワーモジュール）がインバータ回路の構成素子として近年採用され、該ＩＰＭの過熱保護機能により過熱時にはモータへの電圧出力が停止されるようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３６０３７４０号公報（段落番号００９１参照）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、ＩＰＭの過熱保護機能によりモータへの電圧出力が停止されると、温度が低下するまでの暫くの間ファンモータが停止してしまうため、ヒートポンプの沸き上げ動作を継続できなくなり、貯湯タンク内の湯水の沸き上げ時間が長くなってしまうという問題がある。
【０００６】
そこで、本発明は、逆風時に過熱保護機能が働かない程度にファンモータの消費電力を落としつつ、できるだけ高い回転数を維持することのできるファンモータ制御装置を提供し、これにより強い逆風時でも極力短時間で沸き上げ可能な貯湯式ヒートポンプ給湯システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明は、次の技術的手段を講じた。
【０００８】
すなわち、本発明は、検出回転数が目標回転数となるようにＰＩ制御により算出されたデューティ比に基づいてファンモータのＰＷＭ制御を行うファンモータ制御装置において、前記ＰＷＭ制御用のデューティ比の値を、ファンモータの検出回転数に対応した上限値以下に制限するデューティ比制限手段を備えることを特徴とするものである（請求項１）。
【０００９】
かかる本発明のファンモータ制御装置によれば、ＰＷＭ制御用のデューティ比の値が、デューティ比制限手段によってファンモータの検出回転数に対応した上限値以下に制限される。したがって、無風時においてはＰＩ制御による算出デューティ比が検出回転数に対応した上限値以下となるが、逆風時などにより一時的に大きな負荷トルクがファンモータに作用して検出回転数が低下したときはＰＩ制御による算出デューティ比がその時の検出回転数に対応した上限値を超えるように当該上限値を設定しておくことで、逆風時の大きな負荷トルクに応じてＰＩ制御による算出デューティ比が上限値よりも大きくなっても、この上限値をＰＷＭ制御用のデューティ比の値として用いることで、単にＰＩ制御のみを行う場合に比して高負荷時のファンモータの消費電力を低減しつつ、できるだけ高い回転数を維持することが可能となる。
【００１０】
なお、本発明において、「ＰＷＭ制御用のデューティ比」は、無風時などの通常時はＰＩ制御により算出されるデューティ比を用いることができる。また、逆風などの負荷トルクが作用することによりファンモータの回転数が低下したときは、ＰＩ制御による算出デューティ比は大きくなるが、低下した回転数に応じた上限値よりもＰＩ制御による算出デューティ比の方が大きくなったときは当該上限値をＰＷＭ制御用のデューティ比として用いることができる。また、上記本発明において、ＰＩ制御にはＰＩＤ制御を含むものとする。
【００１１】
上記本発明のファンモータ制御装置において、前記デューティ比制限手段は、検出回転数が低下するにつれて前記デューティ比上限値を低下させるものとすることができる（請求項２）。このような上限値の変更は、予め定められた演算式に基づいてリアルタイムに演算することにより行ってもよく、検出回転数と上限値との関係を予め定めたテーブル値に基づいて行ってもよい。かかる本発明によれば、ファンモータの検出回転数が低いときはデューティ比上限値も低くしておくことで、目標回転数との差分が大きいことによりＰＩ制御による算出デューティ比が大きくなってＰＷＭ制御用デューティ比が大きくなりすぎることを防止しつつ、検出回転数が上昇するにつれて上限値も高くなるので、ＰＩ制御により早期に目標回転数まで増速させることが可能となる。
【００１２】
さらに、本発明のファンモータ制御装置は、直流電圧を入力し、前記デューティ比に比例する実効値の駆動電圧をファンモータに出力するインバータを備えることができ、前記デューティ比上限値は、インバータの入力直流電圧に反比例し、かつ、検出回転数に所定の補正値を加算した値に比例するものとすることができる（請求項３）。これによれば、逆風時などに一時的にファンモータの回転が停止した場合でも、検出回転数に所定の補正値を加算した値に比例するように上限値が算出されるので、デューティ比上限値が０％となることがなく、ファンモータの駆動制御を継続してファンモータの回転を再開させることができるとともに、低速回転時に大きな過渡電流が生じることをも回避できる。また、デューティ比上限値をインバータの入力直流電圧に反比例する関係とすることにより、入力直流電圧が上昇したときはデューティ比上限値を減少させ、入力直流電圧が下降したときはデューティ比上限値を増大させることができる。
【００１３】
また、本発明のファンモータ制御装置は、前記デューティ比に比例する実効値の駆動電圧をファンモータに出力するインバータを備えることができ、前記インバータは、所定温度以上になるとファンモータへの駆動電圧の出力を停止する過熱保護機能を有するＩＰＭを備えることができる（請求項４）。このように、インバータが過熱保護機能を有するＩＰＭにより主構成される場合に、本発明は特に好適に実施することができ、ＰＷＭ制御用のデューティ比の上限値を検出回転数に応じて制限することによってＩＰＭの過熱保護機能が作動することを未然に回避し、ファンモータを継続的に回転駆動制御することが可能となる。
【００１４】
また、本発明は、上記ファンモータ制御装置をヒートポンプユニットに備える貯湯式ヒートポンプ給湯システムとして好適に実施することができ、特に、ヒートポンプユニットの蒸発器用のファンモータ制御装置として用いることができる（請求項５）。これによれば、過熱保護機能などの保護機能が働くことを未然に回避してファンモータを継続的に回転駆動制御することを可能とし、できるだけ短時間で貯湯運転制御を完了することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の請求項１に係るファンモータ制御装置によれば、無風時においてはＰＩ制御による算出デューティ比が検出回転数に対応した上限値以下となるが、逆風時などにより一時的に大きな負荷トルクがファンモータに作用して検出回転数が低下したときはＰＩ制御による算出デューティ比がその時の検出回転数に対応した上限値を超えるように当該上限値を設定しておくことで、逆風時の大きな負荷トルクに応じてＰＩ制御による算出デューティ比が上限値よりも大きくなっても、この上限値をＰＷＭ制御用のデューティ比の値として用いることで、単にＰＩ制御のみを行う場合に比して高負荷時のファンモータの消費電力を低減しつつ、できるだけ高い回転数を維持することが可能となる。
【００１６】
また、本発明の請求項２に係るファンモータ制御装置によれば、ファンモータの検出回転数が低いときはデューティ比上限値も低くしておくことで、目標回転数との差分が大きいことによりＰＩ制御による算出デューティ比が大きくなりすぎることを防止しつつ、検出回転数が上昇するにつれて上限値も高くなるので、ＰＩ制御により早期に目標回転数まで増速させることが可能となる。
【００１７】
また、本発明の請求項３に係るファンモータ制御装置によれば、逆風時などに一時的にファンモータの回転が停止した場合でも、検出回転数に所定の補正値を加算した値に比例するように上限値が算出されるので、デューティ比上限値が０％となることがなく、ファンモータの駆動制御を継続してファンモータの回転を再開させることができるとともに、低速回転時に大きな過渡電流が生じることをも回避できる。また、デューティ比上限値をインバータの入力直流電圧に反比例する関係とすることにより、入力直流電圧が上昇したときはデューティ比上限値を減少させ、入力直流電圧が下降したときはデューティ比上限値を増大させることができる。
【００１８】
また、本発明の請求項４に係るファンモータ制御装置によれば、インバータが過熱保護機能を有するＩＰＭにより主構成される場合に、本発明は特に好適に実施することができ、ＰＷＭ制御用のデューティ比の上限値を検出回転数に応じて制限することによってＩＰＭの過熱保護機能が作動することを未然に回避し、ファンモータを継続的に回転駆動制御することが可能となる。
【００１９】
また、本発明の請求項５に係る貯湯式ヒートポンプ給湯システムによれば、過熱保護機能などの保護機能が働くことを未然に回避してファンモータを継続的に回転駆動制御することを可能とし、できるだけ短時間で貯湯運転制御を完了することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施形態に係るファンモータ制御装置の概略回路図である。
【図２】同ファンモータ制御装置を備える貯湯式ヒートポンプ給湯システムの概略ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。
【００２２】
まず、本実施形態のファンモータ制御装置が適用される貯湯式ヒートポンプ給湯システムについて図２を参照しつつ説明すると、該システムは、貯湯タンク１を備える貯湯式給湯ユニット２と、ヒートポンプ回路３を備える室外機４とを備え、貯湯タンク１内の湯水をヒートポンプ回路３の凝縮器５に循環させて加熱した上で貯湯タンク１に戻すことによって、貯湯タンク１内の湯水を所定温度に沸き上げるとともに、貯湯タンク１の上部から湯水を取り出して給湯栓（図示せず）などを備える給湯回路６へ供給可能に構成されている。また、貯湯タンク１内の湯水の消費に伴い、上水道などの給水回路７から貯湯タンク１の底部へ水が補給されることにより、貯湯タンク１内の湯水の水位が一定に維持されるようになっている。
【００２３】
なお、図示していないが、瞬間式給湯器により構成されるバックアップ給湯器をさらに設けてもよく、その他給湯回路６や給水回路７などは従来公知の適宜の構成を採用することができる。
【００２４】
貯湯タンク１内に充填された湯水は、循環ポンプ８の作動により循環路９を通して上記ヒートポンプ回路３の凝縮器５に送られ、この凝縮器５で熱交換加熱された後の湯が給湯用湯として貯湯タンク１の頂部に戻されるようになっている。なお、図示実施例では、貯湯タンク１の底部近傍で循環路９に設けられた三方弁１０によって、凝縮器５で加熱された湯水を貯湯タンク１に戻す状態と、貯湯タンク１をバイパスして循環路９内で閉ループを構成する状態とに切替え可能に構成されており、循環路９内に残留する湯水の温度が低い場合には上記閉ループを構成する状態に切替えてヒートポンプ回路３を作動させることにより循環路９内の湯水を所定温度まで加熱した上で、その後三方弁１０を切替えることによって加熱された湯水を貯湯タンク１に戻すことができるようになっている。
【００２５】
上記ヒートポンプ回路３は、冷媒（例えばＣＯ２やＨＣ）の循環路１１に対し圧縮機１２と膨張弁１３とアキュムレータ１４とが介装されており、圧縮機１２により圧縮されて高温・高圧とされた冷媒が凝縮器５において貯湯タンク１から供給される湯水を熱交換加熱するようになっている。そして、膨張弁１３により膨張されて低温・低圧とされた冷媒が蒸発器１５において外気との熱交換により吸熱して蒸発した後に、アキュムレータ１４を通って圧縮機１２において再度圧縮されて高温・高圧となるようになっている。また、除霜運転時に高温の冷媒を蒸発器１５にバイパスするためのバイパス路１６及び除霜用電磁弁１７が設けられている。
【００２６】
蒸発器１５には外気を蒸発器１５へ送風するためのファン１８及びファンモータ１９が付設されており、このファンモータ１９の制御装置が本発明の対象となるものである。
【００２７】
図１は、本実施形態に係るファンモータ制御装置２０の回路ブロック図を示している。該ファンモータ制御装置２０は、ＡＣ電源２１から供給される交流電力をＡＣ／ＤＣコンバータ２２により直流電力に変換し、この直流電力をインバータ２３（駆動回路）により三相交流電力に変換して同期ＡＣモータ１９に供給することにより、モータ１９を回転駆動させる構成となっている。コンバータ２２の出力側には直流電力の電圧を計測するための電圧計２４が設けられている。なお、モータ１９としてブラシレスＤＣモータを用いることもでき、この場合、インバータ２３はモータ１９に内蔵されるものとなる。
【００２８】
インバータ２３は、６つのＩＧＢＴにより主構成されるスイッチング素子とＩＰＭにより主構成されるゲートドライブ回路（図示せず）とを備え、制御回路部２５から供給されるゲート信号に応じた波形の三相交流電力をＰＷＭ制御により生成してモータ１９に駆動電力として出力する。ＩＰＭは過電流保護機能及び過熱保護機能を内蔵するモータドライバとして近年広く用いられるものであり、過電流が生じないように電流制御を行うとともに、回路温度が所定温度を超えるとゲートブロック等の適宜の手段によってモータ１９への駆動電力の出力を停止するようになっている。
【００２９】
モータ１９には３つのホールセンサ（図示せず）が組み込まれており、該ホールセンサからの位置信号が制御回路部２５に出力されるようになっている。制御回路部２５は、ホールセンサから供給される位置信号の周期に基づいて現在の回転数を算出する回転数演算部２６と、現在回転数と予め設定された目標回転数との偏差に応じたデューティ比をＰＩ制御により演算するデューティ比演算部２７と、現在回転数とインバータ２３の入力直流電圧とを入力してデューティ比の上限値を演算する上限値演算部２８と、デューティ比演算部２７により算出されたデューティ比と上限値演算部２８により算出された上限値とを比較して小さい値の方をＰＷＭ制御用デューティ比として出力する比較部２９と、比較部２９から供給されるＰＷＭ制御用デューティ比とホールセンサから供給される位置信号とに基づいてベクトル制御によりインバータ２３へ出力するゲート信号を生成する駆動信号生成部３０とを備えている。なお、これら各構成要素は、専用ＩＣなどを用いた回路構成によって実現してもよく、マイコン制御によって構成されていてもよい。
【００３０】
而して、デューティ比演算部２７、上限値演算部２８及び比較部２９によって、ＰＷＭ制御用のデューティ比の値を、ファンモータ１９の検出回転数（実回転数）に対応した上限値以下に制限するデューティ比制限手段が構成されている。
【００３１】
上限値演算部２８による上限値の演算条件の一例について説明すると、まず、前提として、モータ駆動回路（インバータ２３）内の回路素子の発熱量はモータ１９の消費電力にほぼ比例する。また、モータ１９の消費電力は、（モータ実回転数）×（負荷トルク）に比例し、負荷トルクはモータ電流に比例する。さらに、負荷トルクが一定の場合、モータ実回転数はモータ印加電圧に比例し、モータ印加電圧は（インバータ入力直流電圧）×（ＰＷＭ制御用デューティ比）に比例することが分かっている。
【００３２】
以上より、定数Ｊ×（インバータ入力直流電圧）×（ＰＷＭ制御用デューティ比）×モータ電流＝消費電力に上限を設けることにより発熱量を抑えられることが分かる。ここで、インバータの入力直流電圧とモータ電流は制御できないため、本実施形態では、ＰＷＭ制御用デューティ比に上限値を設けて制御している。この上限値の算出式としては、モータ回転数が（インバータ入力直流電圧）×（ＰＷＭ制御用デューティ比）に比例するものであるから、デューティ比上限値＝定数Ｋ１×（モータ実回転数）／（インバータ入力直流電圧）の関係式に基づいて演算できる。しかし、モータが逆風などの負荷によって停止してしまったり、モータの初期起動時にはモータ実回転数が０であるからデューティ比も０となってしまうため、モータ実回転数に補正値として定数Ｋ２（０を超える正の値）を加算して、次式、デューティ比上限値Ｄmax＝Ｋ１×（モータ実回転数＋Ｋ２）／（インバータ入力直流電圧）、に基づいて上限値を算出することが好ましい。
【００３３】
より具体的な一例を挙げれば、モータ１９の目標回転数が１０００ｒｐｍの場合、Ｄmax＝７．２×（モータ実回転数＋６００）／（インバータ入力電圧）に基づいて上限値を演算できる。なお、インバータ入力電圧は約２８０Ｖであり、交流電圧の変動や、コンバータ２２から電力供給を受ける他の負荷（例えば、コンプレッサ１２用のインバータなど）によって多少電圧変動が生じるが、上記演算式によれば、インバータ入力電圧の変動に応じてデューティ比上限値をも的確に変動させることができ、できるだけファンモータ１９の回転数を高回転に維持することが可能となる。
【００３４】
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、適宜設計変更できる。例えば、デューティ比上限値は、演算式に基づいて演算するのではなく、予め収集した試験データに基づいて作成されたテーブル値によって求めてもよい。また、上記実施形態では、ＰＩ制御によるデューティ比と上限値とをそれぞれ求めた上で比較して小さい方を出力したが、デューティ比演算部２７におけるＰＩ制御プログラム内において上限値を算出して当該上限値以上のデューティ比を出力しないように構成しても良い。
【符号の説明】
【００３５】
１９  ファンモータ
２０  ファンモータ制御装置
２３  インバータ（モータ駆動回路）
２４  インバータ入力電圧計
２６  回転数演算部
２７  ＰＩ制御によるデューティ比演算部
２８  上限値演算部
２９  比較部
【図１】
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【図２】
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