(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機用電動機と、その圧縮機用電動機の回転数を制御する圧縮機用インバータと、前記圧縮機用電動機と入力直流電源を共用する送風機用電動機と、その送風機用電動機に内蔵された送風機用インバータ及び駆動回路とを備え、前記各電動機及び各インバータには、前記直流電源に接続する昇圧回路によって前記圧縮機用電動機の回転数制御に応じて変化した入力直流電圧が供給され、その入力直流電圧と前記送風機用電動機に流れる直流電流とによる前記送風機用電動機における入力電力が所定の電力になると、前記送風機用電動機の回転数を制限する空気調和機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、空気調和機の送風機用電動機および制御方法に係り、特に、インバータ及び駆動回路を内蔵した送風機用電動機を備えた空気調和機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図１に従来の空気調和機の構成を示す。１は室内機、５は室外機であり、それぞれ送風用ファン３，６を備えている。各送風用ファン３，６の回転には、２，７の送風機用電動機が使用されている。
【０００３】
従来の送風機用電動機１３は、例えば室外機の場合、図２に示すように、商用交流電源８を整流・平滑して得た直流電源を圧縮機用電動機１２への供給電源と共用し、各々インバータ１０，１１を配置してこれを調整することで回転数制御を行っている。
【０００４】
この場合、圧縮機や送風機用電動機で使用する電動機は直流電動機であり、一般的に回転数は、電動機巻線に供給する電圧に比例する。
【０００５】
従って、供給する直流電圧は一定であるので、インバータを構成するスイッチング素子、例えばパワートランジスタやＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｂｉｐｏｌａ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）のＰＷＭチョッパ（スイッチング素子のオン・オフを所定の時間，周波数で繰り返す方法）によって、巻線に供給する平均電圧を調整して回転数制御を行うのが一般的である。
【０００６】
図３はインバータを構成するスイッチング素子のチョッパデューティ（スイッチング周波数に対するオン時間の比率）と入力直流電圧（回転数）との関係を示す原理図である。
【０００７】
（ａ）は、チョッパデューティが小さい場合のイメージ図であり、オン時間
１５が小さいほど平均入力電圧１７は低くなるので電動機回転数も低くなる。逆に（ｂ）は、オン時間１５が大きい場合のイメージ図であり、（ａ）に比べて平均入力電圧１７は高くなるので回転数は増加する。
【０００８】
尚、インバータのＰＷＭチョッパ回数が多い程、インバータ損失が増加する為、近年の空気調和機ではチョッパデューティを１００％にし、入力電圧を直接可変して回転数制御する傾向である。
【０００９】
図４は、特開平６−１１１７１号公報に挙げられている送風機用電動機の回転数を任意に制御する場合のシステム構成例である。ＩＧＢＴ３０（Ｑ１〜Ｑ６）と環流ダイオード３１（Ｄ１〜Ｄ６）で構成するインバータ，ホール素子センサ２２を使って、回転信号を読みとって実回転数を検出し、これを指令回転数３３と比較してＰＷＭ信号を形成し、ドライブ回路によりＩＧＢＴのオン／オフを調整して所定の回転数になるよう制御する方法で、入力直流電圧３２は一定である。
【００１０】
これらの制御構成は、マイコンや電子回路を駆使して実現可能であり、近年ではインバータを構成するスイッチング素子の他、インバータ駆動ロジックや短絡・過電流保護など各種保護機能ロジックを内蔵してモノシリックＩＣによりワンチップ化，製品シリーズ化され、夫々の用途に応じ各種機能を揃えたＩＣが市販されている。
【００１１】
これにより、送風機用電動機のインバータなど電動機外部で構成していた制御回路部の実装面積が大幅に縮小され、送風機用電動機内に実装が可能となっている。
【００１２】
尚、前記特開平６−１１１７１号公報によれば、前記モノシリックＩＣを内蔵した送風機用電動機を搭載し、更に圧縮機電動機への供給直流電源と共用して送風機の回転数制御する例も挙げられている。
【００１３】
また最近では圧縮機回転数の制御として、これまでのインバータのチョッパ  （ＰＷＭ制御）に依らず、昇圧回路を設けて入力の直流電圧（巻線電圧）を可変にして回転数制御するＰＡＭ制御（Ｐｕｌｓｅ  Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）が採用されはじめている。
【００１４】
前記昇圧回路によって得られる圧縮機回転数制御用の可変入力直流電源を送風機用電動機用電源を共用することに関しては、本発明の論ずるところであり、
ＰＡＭ制御及び昇圧回路については後述する。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
ヒートポンプ方式の空気調和機において、室内機・室外機に設ける送風機の主な要求としては、省スペース、広範囲な風量調整可能なこと、効率アップ，低騒音化などが挙げられる。
【００１６】
これらの要求の内、広範囲な風量調整，効率アップに応えるには、送風機を駆動する電動機の回転数を広範囲に制御する必要があり、インバータの導入によりこれを実現しようとしているのは、前述の通りである。
【００１７】
しかし、インバータ及び駆動回路を備えれば、省スペース化要求に応えるには絶縁距離確保や部品点数増により実現困難である。
【００１８】
省スペース，効率アップを図る為、前述のインバータ及び周辺回路がワンチップ化されたモノシリックＩＣを用いて実現可能であるが、ＩＣの放熱処理困難な為、ＩＣの熱破壊といった点で問題が残り、発熱を抑えるため低い回転数で使用せざるを得ない。
【００１９】
特に、室外機に設ける送風機用電動機においては、室内設定温度に早期に達するように立ち上がり時間の短縮が要求され、冷房運転では、周囲温度（外気温度）の高い状態で高回転運転を行う必要があるので、ＩＣの放熱処理は重要課題である。
【００２０】
ＩＣを電動機外部に設け、送風機ファンによる風を利用してＩＣを冷却する方法があるが、他の制御部品との絶縁距離を確保する必要があり、省スペース化に反する。
【００２１】
逆に先述の特開平６−１１１７１号公報のように、送風機用電動機内部に実装すれば、ファンによる放熱処理には頼れず、自然放熱する他はない。
【００２２】
この場合、室外側送風機用電動機は、熱交換器近傍に設ける為、熱交換器の放熱によりＩＣの周囲温度は、外気温度よりも高くなって、やはり放熱面で厳しくなる傾向にある。
【００２３】
ＩＣの熱破壊対策としては、送風機用電動機駆動電圧を低電圧化やインバータ構成素子の高効率化が考えられるが、送風機駆動用として専用に回路（整流回路やＤＣ／ＤＣコンバータ等）を設けなくてはならず、省スペース化や原価低減という観点から得策ではない。
【００２４】
事実、先述のように室外機では圧縮機駆動用直流電源を送風機駆動用として共用しているのが現状である。
【００２５】
特に、室外機においては逆風や雨，露付き等、設置環境の変化によって送風機用電動機の負荷が変化するため、夫々の運転状態，運転条件を想定して巻線や
ＩＣの熱破壊対策は解決すべき問題である。
【００２６】
また、原価低減や基板実装面積を小さくすることを目的として、圧縮機用電動機の入力直流電源を共用して送風機用電動機を駆動する方法がよく採られるが、同じ様に入力直流電圧を昇圧回路によって直流電圧を変化させた直流電源を共用すれば、直流電圧が上昇した分インバータのスイッチング損失が増加し、効率低下やＩＣの発熱量が更に増える結果となる。
【００２７】
この様に送風機用電動機の省スペース化と高効率化、風量調整幅の拡大を図る上で、構成する制御部品の放熱処理の面で課題が残り、特に昇圧回路によって供給電圧が高電圧の状態で使用する場合においてもこれら課題を克服するような制御システムが必要であるが、現在有効な方法は確立されていない。
【００２８】
本発明の目的は、上記課題に着目してなされたものであり、送風機用電動機や構成部品の熱破壊に対する保護機能を有した制御システムを備えた空気調和機を提供するものである。
【００２９】
【課題を解決するための手段】
本発明は送風機用電動機のインバータ入力電圧が昇圧回路によって高電圧な状態にあっても、上記目的を実現することが可能である。
【００３０】
省スペース化に対しては、インバータ及び周辺駆動回路，過電流防止回路機能を備えたワンチップモノシリックＩＣを採用することにより、これを送風機用電動機に内蔵することで省スペース化を実現している。
【００３１】
更に昇圧回路の入力直流電圧の調整と、モノシリックＩＣへの回転数指令信号調整の両方によって回転数制御を行うものであるので、従来よりも送風機回転数をより広範囲かつ高精度に制御を行うことができる。即ち、広範囲かつ正確な風量を確保できる。
【００３２】
更に、調整する入力直流電圧と送風機用電動機の入力直流電流を検出して、所定の入力電力になると直流電圧またはインバータ回転数指令信号に制限を加える制御をシステムに加えることで前記モノシリックＩＣなどの制御部品や電動機巻線の熱破壊保護を防ぐことができ、回転数制御領域の拡大や送風機用の信頼性確保が実現できる。
【００３３】
【発明の実施の形態】
本発明の詳細を図に示す一実施例で説明する。図５は室外機の圧縮機駆動用直流電源と送風機用電動機の入力電源を共用した場合のシステム構成図、図６は本発明の実施例を示す送風機用電動機内のシステム構成図、図７は図６のロジックを備えたモノシリックワンチップＩＣを送風機用電動機内部に実装した実施例を示す電動機側面図、図８は送風機用電動機に供給する直流電圧によって電流制限を行うしきい値を示す図である。
【００３４】
先ず、図５において、４７は圧縮機、３５は送風機用電動機である。空気調和機の高効率化を図るため、圧縮機４７と送風機用電動機３５にはブラシレス直流電動機を採用しており、これを駆動する為、各々の電動機にインバータを搭載している。この時、送風機用電動機３５はインバータと駆動回路を一体化したモノシリックＩＣ４６を内蔵して省スペース化を実現している。
【００３５】
また、共用する圧縮機および送風機の入力電圧値Ｖｄを運転状態に応じて可変にする為、マイコン指令３７により昇圧回路３４を駆動して圧縮機と送風機の回転数を制御している。
【００３６】
本実施例で採用する昇圧回路３４は、昇圧用スイッチング素子３９とダイオード４１，リアクタ４０，平滑用キャパシタ１４によって構成されており、スイッチング素子３７のオン／オフの周波数とデューティの調整によって平滑キャパシタ１４端子間の直流電圧を変化させている。
【００３７】
これにより、例えば商用交流電源ＡＣ１００Ｖの場合、全波整流して平滑した直流電圧以上の範囲、即ちＤＣ１４０Ｖ以上の領域において電圧を変化させることができるので、その結果、電圧上昇に従って各電動機の回転数も高速回転になるので昇圧回路が無い場合に比べて制御可能な回転数領域を拡大できるようになっている。
【００３８】
本実施例においては省スペース化の為、圧縮機と送風機の入力直流電源を共用としているので、直流電圧の調整は消費電力が大きい圧縮機の効率を優先させて行うことにしている。
【００３９】
通常、圧縮機回転数を高回転で制御するときは、送風機回転数も高回転になる場合が多く、それ故、本実施例の場合においても、送風量制御範囲の拡大は実現できている。
【００４０】
また、送風機回転数の微調整は入力直流電圧のみによって行うことが困難であるが、送風機用電動機インバータのＰＷＭチョッパ、つまりモノシリックＩＣへの回転数指令信号の微調整によって所望の回転数を得ている。
【００４１】
本実施例で採用したモノシリックＩＣの構成は、おおよそ図６で示す構成となっていて、ＩＧＢＴで構成するインバータ回路やＩＧＢＴ駆動回路の他、過電流保護機能も内蔵している。
【００４２】
抵抗４８の抵抗は、過電流保護機能が作動する電流のしきい値を決定する要素であり、ノイズ等により同相のＩＧＢＴ（例えばＱ１とＱ４）が同時にオンすることによる短絡や電動機２９の巻線短絡によるＩＣ破壊を防止している。
【００４３】
本実施例では前述の通り送風機用電動機の回転数制御をモノシリックＩＣ５１に入力する入力直流電圧Ｖｄの調整の他、回転数微調整をホール素子センサ２２から得た実回転数パルス信号を読み取ってモノシリックＩＣ５１に入力する回転数指令信号に反映するフィードバック制御を行っている。
【００４４】
回転数指令信号は予め設定したモノシリックＩＣ５１の三角波周波数との比較によってインバータＰＷＭチョッパのデューティを決定する動作をするので、指令信号電圧値の増減によって送風機用電動機の回転数が変化するようになっている。
【００４５】
ここで、前記課題に出ていたモノシリックＩＣの熱破壊対策が問題となるが、本実施例においてはＩＣ冷却（熱破壊保護）を促す為、図７に示したように基板５２にモノシリックＩＣ５１を搭載し、ＩＣの放熱面とブラッケット５０Ａを密着させ、ＩＣから発生した熱をブラケット５０Ａを伝って放熱するような構造としている。
【００４６】
しかし、前記放熱対策によっても放熱量に限界があり、入力直流電圧Ｖｄ増加によるＩＣからの発熱量増大、調和機外部からの逆風などによる送風機負荷上昇によって、モノシリックＩＣの破壊温度に達してしまう。
【００４７】
そこで、図５で示した電流検出回路４２によって送風機用電動機３５に流れる電流を検出して所定の電流になると、現状の回転数を維持するように回転数指令信号を出力する制御を行うことにしている。
【００４８】
例えば、実回転数が設定回転数以下の場合、回転数指令信号の電圧は徐々に増加させていくのであるが、設定回転数に達する前に送風機負荷が増加して所定の電流に達した場合、回転数指令信号の電圧は達した時の電圧を維持するようにする。
【００４９】
また、回転数を維持した状態でも更に電流値が増加する場合には、回転数指令信号の電圧値を徐々に小さくして、所定の電流値以下になるよう制御を行う。
【００５０】
本実施例では、設定する電流は電動機特性，送風機負荷特性の検討により予め設定しており、また電流検出４２は抵抗を挿入することで、抵抗の端子間電圧を取り込むことで端子間電圧と比例関係にある電流を検出している。
【００５１】
また、電流検出４２は送風機用電動機内部に配置した過電流防止用として設定した過電流防止用抵抗（図６，４８）と共用してもよい。
【００５２】
尚、モノシリックＩＣ及び電動機巻線の温度上昇値は電動機が消費する電力によって決まる為、前記設定する電動機の電流値は入力直流電圧Ｖｄとの関係によって変化させるものとする。
【００５３】
従って設定電力以下になるよう回転数指令信号による制限の他、入力直流電圧Ｖｄを徐々に下げて温度上昇値を抑制することもできる。
【００５４】
図８は本実施例における制限を行う入力直流電圧Ｖｄと送風機用電動機電流の関係を示した図である。
【００５５】
（ａ）は制限する電動機消費電力を一定とした場合の図であり、それぞれの回転数における負荷曲線５６に対し、送風機負荷が上昇しても電動機温度上昇破壊（ＩＣ熱破壊）しない直線５５を設定した例である。
【００５６】
（ｂ）は比較的、温度上昇幅の少ない低電圧領域では制限電流を大きくし、温度上昇幅が大きい高電圧領域では制限電流値を小さくした例であり、電動機，
ＩＣの持つ温度上昇特性によって柔軟に制限電力を設定している。
【００５７】
これにより、本発明における目的を損なわず、前記モノシリックＩＣや電動機巻線の温度上昇による電動機破壊は予防できるので高い信頼性と性能を確保できている。
【００５８】
尚、運転中、常に電動機電流・入力直流電圧を管理しているので、製品外部からの逆風によるファンの逆転現象など電動機負荷の変動する推移を監視することで、ＩＣからの逆転信号を受け取らずともファンの逆転検出が可能である。
【００５９】
【発明の効果】
以上説明した通り本発明においては、インバータと駆動周辺回路をモノシリックＩＣに一体化し、これを送風機用電動機に内蔵したものであり、省スペース化に柔軟に対応できる。
【００６０】
更にインバータＰＷＭチョッパ制御の他、入力直流電圧によっても送風機の回転数制御を行うものであるので、制御可能な回転数範囲をより広範囲にかつ高精度に回転数制御ができる。
【００６１】
更に電流検出回路を送風機外部に別途設けて所定の電力以下になるよう直流電圧と回転数指令信号を調整するものであるので、空気調和機外部からの逆風や送風機の結露等によって、送風機用電動機負荷が上昇した場合においても、モノシリックＩＣや電動機巻線の温度上昇による電動機破壊を防いで信頼性を確保できる。
【００６２】
また、前記電流検出による電流監視を回転数制御に加えて、送風機に加わる負荷状態を把握できるので、空気調和機外部からの逆風等によって送風機が逆転した場合でも、内蔵したモノシリックＩＣからの逆転信号等、送風機用電動機から別途逆転信号を取り込まなくとも逆転検出ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明で説明する一般的な空気調和機の室内機・室外機構成を示す斜視図。
【図２】室外機の圧縮機および送風機の制御システム構成を示す回路図。
【図３】（ａ）及び（ｂ）はチョッパ周波数が高い場合及び低い場合の入力直流電圧のイメージ図。
【図４】送風機用電動機の制御システム構成を示すロジック図。
【図５】本発明の実施例を示すシステム構成を示す回路図。
【図６】本発明の実施例を示す電動機内部のシステム構成を示すロジック図。
【図７】本発明に係るワンチップＩＣを送風機用電動機内部に実装した様子を示す電動機側面を示す側断面図。
【図８】送風機用電動機に供給する直流電圧によって電流制限を行う為のしきい値を示す特性図。
【符号の説明】
１…室内機、２…室内側送風機用電動機、３…室内側送風機ファン、４…配管銅パイプ、５…室外機、６…室外側送風機ファン、７…室外側送風機用電動機、８…商用交流電源、９…整流器、１０…圧縮機用インバータ、１１…送風機用インバータ、１２…圧縮機電動機、１３…送風機用電動機、１４…平滑用キャパシタ、１５…チョッパオン時間、１６…チョッパ周期、１７…平均入力直流電圧値、１８…入力直流電圧、２２…磁極位置検出ホール素子、３２…入力直流電圧、３４…昇圧回路部、３５…モノシリックＩＣ内蔵送風機用電動機、３６…マイコン制御部、３７…直流電圧制御信号、３８…インバータ転流指令信号、３９…昇圧回路部スイッチング素子、４０…リアクタ、４１…ダイオード、４２…電流検出回路、４３…検出電流値入力信号、４４…実回転数信号、４５…回転数指令信号、４６…ワンチップＩＣ、４７…圧縮機電動機、４８…過電流検出用抵抗、
４９…シャフト、５０Ａ…ＩＣ側ブラケット、５０Ｂ…ファン側ブラケット、
５１…モノシリックＩＣ、５２…内蔵基板、５３…ケーブル、５４…電動機巻線、５５…入力電力制限しきい値線、５６…定格回転時の負荷曲線。
【図１】
0003546786.tif 000002
【図２】
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【図３】
0003546786.tif 000004
【図４】
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【図５】
0003546786.tif 000006
【図６】
0003546786.tif 000007
【図７】
0003546786.tif 000008
【図８】
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