(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
機関始動用のスタータモータを有する内燃機関を用いた空気調和機であって、機関始動後における前記スタータモータの連れ回りを検出する連れ回り検出手段と、この連れ回り検出手段により前記スタータモータの連れ回りが検出された場合、当該スタータモータへの電力供給を停止する電力供給停止手段とを備え、前記連れ回り検出手段は、連れ回りの検出を機関負荷に基づいて行うことを特徴とする内燃機関を用いた空気調和機。
【請求項２】
機関始動用のスタータモータを有する内燃機関を用いた空気調和機であって、機関始動後における前記スタータモータの連れ回りを検出する連れ回り検出手段と、この連れ回り検出手段により前記スタータモータの連れ回りが検出された場合、当該スタータモータへの電力供給を停止する電力供給停止手段とを備え、前記連れ回り検出手段は、連れ回りの検出を機関始動後に所定時間経過した後の機関負荷に基づいて行うことを特徴とする内燃機関を用いた空気調和機。
【請求項３】
前記連れ回り検出手段は、前記機関負荷を吸入空気量から推定することを特徴とする、請求項１または２記載の内燃機関を用いた空気調和機。
【請求項４】
前記連れ回り検出手段は、前記機関負荷をスロットル便の開弁量から推定することを特徴とする、請求項１または２記載の内燃機関を用いた空気調和機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関とその内燃機関を用いた空気調和機とに係り、詳しくは、機関始動後の連れ回りによるスタータモータの破損等を防止する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、パッケージエアコン等に用いられる大型空気調和機では、内燃機関であるガスエンジン（以下、単にエンジンと記す）をコンプレッサの駆動源とした、ガスヒートポンプ型が採用されることが多くなっている。
【０００３】
ガスヒートポンプ型空気調和機では、エンジンにより圧縮機を駆動して冷媒を圧縮・循環させ、四方弁の切換えにより冷暖房を行う他、エンジンの冷却水や排気ガスの熱エネルギーが暖房に利用できるため、外気温が零度以下になるような厳冬期等にも十分な暖房が可能となる。エンジンとしては、一般に自動車用の４サイクルエンジンが流用されており、その始動には直流１２Ｖで駆動されるスタータモータが用いられている。したがって、室外ユニット内には、空気調和機の主電源（三相交流２００Ｖ等）を直流１２Ｖに変圧・整流するべく、トランスと整流器等からなる電源装置が配設されている。また、スタータモータと電源装置との間にスタータリレーが介装されており、制御装置によりスタータリレーが駆動されることで、スタータモータが回転してエンジンが始動する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述したガスヒートポンプ型空気調和機では、過電流によるスタータリレーの接点溶着等により、エンジン始動後にスタータモータが連れ回わることがある。通常、自動車用エンジン等では、その起動時にピニオンギヤが飛び出す飛込み式スタータモータが用いられており、接点溶着等によりスタータリレーの回路が開成不能になると、スタータモータ側のピニオンギヤとエンジン側のリングギヤとが噛み合い続けることになる。この場合、スタータモータは、定格運転時間（一般には、数十秒）を超えて運転されることでコイル等の焼損等を起こしたり、エンジン回転数の上昇により過回転状態となってピニオンギヤやベアリング等が破損する虞がある。そして、スタータモータが破損した場合、エンジン停止後の再起動ができなくなり、修理（スタータモータの交換）を行うまで空気調和機が運転不能となる他、修理に要する部品コストや人工も多大となる問題があった。
【０００５】
そこで、発明者等は、スタータモータへの過電流（例えば、３０〜５０Ａ）を検出する既設の検出システムを流用し、エンジン完爆後にもスタータモータへの通電が行われていることを判定して、主電源供給回路と電源装置とを切断する方法を試みた。ところが、この検出システムは比較的大電流の検出を前提としているため、そのままのシステム構成では、連れ回り時の小電流（例えば、数Ａ）を検出することができなかった。
【０００６】
本発明は上記状況に鑑みなされたもので、機関始動後の連れ回りによるスタータモータの破損等を防止した内燃機関とその内燃機関を用いた空気調和機とを提供することを目的とする。
【０００８】
この発明では、例えば、連れ回り検出手段がエンジン始動後にもスタータモータのピニオンギヤとエンジンのリングギヤとが噛み合い状態にあることを検出すると、電力供給停止手段が主電源供給回路と電源装置との間に介装されたマグネットスイッチを切断し、ピニオンギヤとリングギヤとの噛み合いを解除する。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１の発明では、機関始動用のスタータモータを有する内燃機関を用いた空気調和機であって、機関始動後における前記スタータモータの連れ回りを検出する連れ回り検出手段と、この連れ回り検出手段により前記スタータモータの連れ回りが検出された場合、当該スタータモータへの電力供給を停止する電力供給停止手段とを備え、前記連れ回り検出手段は、連れ回りの検出を機関負荷に基づいて行うものを提案する。
【００１０】
一般に、スタータモータの定格回転数は始動後におけるエンジンの回転数より低いため、この発明では、連れ回り検出手段は、機関負荷が通常運転時に対して所定量以上増大することをもってスタータモータの連れ回りを検出する。
【００１１】
また、請求項２の発明では、機関始動用のスタータモータを有する内燃機関を用いた空気調和機であって、機関始動後における前記スタータモータの連れ回りを検出する連れ回り検出手段と、この連れ回り検出手段により前記スタータモータの連れ回りが検出された場合、当該スタータモータへの電力供給を停止する電力供給停止手段とを備え、前記連れ回り検出手段は、連れ回りの検出を機関始動後に所定時間経過した後の機関負荷に基づいて行うものを提案する。
【００１２】
この発明では、機関始動直後の負荷変動の影響が排除され、スタータモータの連れ回りの検出が高い精度で行われる。
【００１３】
また、請求項３の発明では、請求項１または２の内燃機関を用いた空気調和機において、前記連れ回り検出手段は、前記機関負荷を吸入空気量から推定するものを提案する。
【００１４】
この発明では、例えば、連れ回り検出手段は、エアフローセンサ等により検出された吸入空気量と通常運転時の吸入空気量との偏差を算出し、これが所定の閾値を超えていた場合にスタータモータが連れ回りしていると推定する。
【００１５】
また、請求項４の発明では、請求項１または２の内燃機関を用いた空気調和機において、前記連れ回り検出手段は、前記機関負荷をスロットル弁の開弁量から推定するものを提案する。
【００１６】
この発明では、例えば、連れ回り検出手段は、スロットル弁駆動用ステップモータのステップ量とその前回値との偏差を算出し、これが所定の閾値を超えていた場合にスタータモータが連れ回りしていると推定する。
【００１８】
この発明によれば、機関始動後にスタータモータの連れ回りが生じても、スタータモータへの電力供給を停止することでこれが速やかに解消され、スタータモータの破損に至らなくなると共に、スタータリレー等を交換するまでの間も空気調和機の運転を行うことが可能となる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づき詳細に説明する。
【００２０】
図１はガスヒートポンプ型空気調和機の概略構成図であり、同図中には、実線で冷媒回路を示し、一点鎖線で電気回路を示してある。本実施形態の空気調和機は、いわゆるマルチタイプパッケージエアコンであり、複数の室内ユニット１と一つの室外ユニット３とから構成されている。室内ユニット１側には、分流器５が付設された室内熱交換器７、電動ファン９、電動膨張弁１１等が設置されている。また、室外ユニット３側には、圧縮機１３、電磁式の四方弁１５、分流器１７が付設された室外熱交換器１９、電動ファン２１、アキュムレータ２３等が設置されている。冷媒回路を構成する機器は、ガス冷媒あるいは液冷媒の流通に供される冷媒配管３１〜４５により接続されている。図中、２５は、フレキシブルカップリング２７を介して圧縮機１３を駆動するガスエンジンであり、吸気系に設けられたスロットル弁駆動用のステップモータ２９によってその出力が制御される。また、４７は圧縮機１３の下流側冷媒配管３１とアキュムレータ２３の上流側冷媒配管３８とをバイパスさせるバイパス配管であり、４９はバイパス配管４７の管路に介装された電磁遮断弁である。
【００２１】
室内ユニット１内には、電動ファン９や電動膨張弁１１を駆動する室内側コントロールユニット（以下、ＥＣＵと記す）５１が設置されている。室内側ＥＣＵ５１は、ＣＰＵを始め、入出力インタフェースやＲＯＭ，ＲＡＭ，タイマカウンタ等から構成されており、その入力インタフェースには、室温Ｔrを検出する室温センサ５３と、室内熱交換器７の入口側および出口側の冷媒温度Ｔfi，Ｔfoを検出する第１，第２冷媒温センサ５５，５７等が接続している。
【００２２】
一方、室外ユニット３の内部には、四方弁１５や電動ファン２１、電磁遮断弁４９の他、ステップモータ２９を始めとするガスエンジン２５関連の機器等も集中制御する室外側ＥＣＵ６１が設置されている。室外側ＥＣＵ６１は、ＣＰＵを始め、入出力インタフェースやＲＯＭ，ＲＡＭ，タイマカウンタ等から構成されており、その入力インタフェースには、圧縮機１３の吐出側冷媒圧力Ｐdを検出する圧力センサ６３、ガスエンジン２５のエンジン回転数ＮEを検出するＮEセンサ６５、外気温Ｔaを検出する外気温センサ６７等が接続している。また、室外側ＥＣＵ６１は、各室内ユニット１の室内側ＥＣＵ５１と接続されており、相互に信号の授受を行う。
【００２３】
図２はガスエンジン２５の始動用電気回路図であり、同図中には、実線で電源回路を示し、一点鎖線で制御回路を示してある。電源回路には、マグネットスイッチ（電磁式回路開閉器）７１，トランス７３，ダイオード式の整流器７５が介装されており、空気調和機の主電源（三相交流２００Ｖ）がスタータ電源（直流１２Ｖ）として降圧・整流された後、スタータモータ７７の電源ケーブル７９，８１に供給される。
【００２４】
マグネットスイッチ７１は、室外側ＥＣＵ６１からの励磁電流により作動し、主電源回路を開閉する。また、スタータモータ７７は、スタータリレー８３により起動されるが、スタータリレー８３も室外側ＥＣＵ６１からの励磁電流により作動する。図中、８７〜９０は室外側ＥＣＵ６１内の図示しないドライバに接続した励磁電源コード、９１，９２はスタータ起動用電源コードである。
【００２５】
次に、冷房運転時における冷媒の流れを説明する。
【００２６】
冷媒配管３９から圧縮機１３に吸引されたガス冷媒は、断熱圧縮により高温高圧となって圧縮機１３から吐出され、冷媒配管３１、四方弁１５、冷媒配管３２を経由して室外熱交換器１９に流入する。高温高圧のガス冷媒は、室外熱交換器１９内を通過する間に外気により冷却され、凝縮することにより液冷媒となった後、冷媒配管３３，３４を経由して電動膨張弁１１に流入する。
【００２７】
液冷媒は、電動膨張弁１１で流量を調整された後、冷媒配管３５、分流器５を経由して室内熱交換器７に流入する。液冷媒は、室内熱交換器７内を通過する間に気化してガス冷媒となり、その際の気化潜熱により電動ファン９が送風した室内空気を冷却する。この際、室内側ＥＣＵ５１は、設定温度Ｔsと室温Ｔrとの偏差に基づき電動ファン９の回転数（rpm）を制御すると共に、室内熱交換器７の入口側冷媒温度Ｔfiと出口側冷媒温度Ｔfoとの偏差が所定値（例えば、０〜１℃）となるように電動膨張弁１１の開弁量を制御する。
【００２８】
室内熱交換器７内で気化したガス冷媒は、冷媒配管３６，３７、四方弁１５、冷媒配管３８を経由してアキュムレータ２３に流入し、冷媒配管３９から再び圧縮機１３に吸引される。
【００２９】
以下、図３および図４のフローチャートと図５のタイムチャートとに基づき、本実施形態におけるスタータ駆動制御の手順を説明する。
【００３０】
空気調和機の運転が開始された後、ガスエンジン２５の始動（圧縮機１３の起動）が必要になると、室外側ＥＣＵ６１は、所定の制御インターバルで、図３に示したスタータ駆動制御を繰り返し実行する。この制御を開始すると、室外側ＥＣＵ６１は、先ず図３のステップＳ１で各種センサからの運転情報を読み込んだ後、ステップＳ３で初期値０のエンジン起動フラグＦESが１であるか否かを判定する。ステップＳ３の初回の判定はＮoとなるため、室外側ＥＣＵ６１は、ステップＳ５でマグネットスイッチ７１をＯＮ状態（閉）にし、ステップＳ７で電磁遮断弁４９を開放させる。
【００３１】
次に、室外側ＥＣＵ６１は、ステップＳ９でスタータリレー８３をＯＮ状態にした後、ステップＳ１１でエンジン起動フラグＦESを１とする。これにより、電源ケーブル７９，８１を介してスタータモータ７７にスタータ電力が供給され、スタータモータ７７によりガスエンジン２５および圧縮機１３が駆動され始める。この際、電磁遮断弁４９が開放されているため、圧縮機１３により吐出されたガス冷媒はバイパス配管４７を介してアキュムレータ２３に環流し、圧縮機１３の圧縮仕事（すなわち、ガスエンジン２５の始動抵抗）が大幅に低減される。
【００３２】
次回の処理ではステップＳ３の判定がＹesとなるため、室外側ＥＣＵ６１は、ステップＳ１３でＮEセンサ６５により検出されたエンジン回転数ＮEが完爆判定閾値ＮEstを上回ったか否かを判定し、この判定がＮo（否定）である間はスタートに戻って制御を繰り返す。通常、ガスエンジン２５は、冷機時においても１〜２秒で完爆状態となる。そのため、本実施形態では所定の最大連続時間Ｔmax（例えば、７秒）内に完爆に至らない場合には、何らかの異常があるとして、スタータ駆動制御の一旦中止や警報等を行うが、それらの処理手順については説明を省略する。
【００３３】
ガスエンジン２５が完爆してステップＳ１３の判定がＹes（肯定）になると、室外側ＥＣＵ６１は、ステップＳ１５でスタータリレー８３をＯＦＦ状態にした後、ステップＳ１７で初期値０の第１タイマフラグＦT1が１であるか否かを判定する。初回はこの判定がＮoとなるため、室外側ＥＣＵ６１は、ステップＳ１９で第１タイマＴ1を起動させた後、ステップＳ２１で第１タイマフラグＦT1を１として、スタートに戻る。
【００３４】
次回の処理ではステップＳ１７の判定がＹesとなるため、室外側ＥＣＵ６１は、ステップＳ２３で第１タイマＴ1の値が所定の待ち時間Ｔ1A（例えば、１０秒）に達したか否かを判定し、この判定がＮoである間はスタートに戻って処理を繰り返す。待ち時間Ｔ1Aは、ガスエンジン２５の始動後にエンジン回転数ＮEの振れ（ハンチング）が収まるのに要する時間である。
【００３５】
ガスエンジン２５の完爆後に待ち時間Ｔ1Aが経過し、ステップＳ２３の判定がＹesになると、室外側ＥＣＵ６１は、ステップＳ２５で初期値０の第２タイマフラグＦT2が１であるか否かを判定する。初回はこの判定がＮoとなるため、室外側ＥＣＵ６１は、ステップＳ２７で第２タイマＴ2を起動させた後、ステップＳ２９で第２タイマフラグＦT2を１として、スタートに戻る。
【００３６】
次回の処理ではステップＳ２５の判定がＹesとなるため、室外側ＥＣＵ６１は、図４のステップＳ３１でステップモータ２９の開度（駆動ステップ数）ＮSTをＲＡＭに記憶した後、ステップＳ３３で第２タイマＴ2の値が所定のサンプリング時間Ｔ2S（例えば、１０秒）に達したか否かを判定し、この判定がＮoである間はスタートに戻って処理を繰り返す。尚、本実施形態の場合、スタータモータ７７起動時点からステップＳ３３の判定が行われるまでに要する時間の最大値（すなわち、最大通電時間Ｔmaxと待ち時間Ｔ1Aとサンプリング時間Ｔ2Sとの和）は、スタータモータ７７の破損を防止するべく、その通電定格時間（例えば、３０秒）を超えないように設定されている。
【００３７】
第２タイマＴ2の値がサンプリング時間Ｔ2Sに達し、ステップＳ３３の判定がＹesになると、室外側ＥＣＵ６１は、ステップＳ３５でサンプリング時間Ｔ2S内におけるステップモータ２９の開度ＮSTの平均値Ｎaveを算出し、ステップＳ３７でこれを不揮発性ＲＡＭに記憶する。次に、室外側ＥＣＵ６１は、ステップＳ３９で平均値Ｎaveを不揮発性ＲＡＭに記憶された前回値Ｎave’で除すことにより開度増減率Ｎqを得た後、ステップＳ４１で開度増減率Ｎqが所定の異常判定閾値Ｎqth（例えば、１．２）を超えたか否かを判定する。尚、本実施形態の場合、前回値Ｎave’は、過去５回の始動時に得られたステップモータ２９の開度ＮSTの平均値Ｎaveを更に平均したものであり、空気調和機の製造時に５回分のデフォルト値が不揮発性ＲＡＭに記憶されている。
【００３８】
ステップＳ４１の判定がＮoであれば、室外側ＥＣＵ６１は、スタータモータ７７の連れ回りが生じていないと判断し、ステップＳ４３で第１タイマＴ1の値が所定のバイパス時間Ｔ1B（例えば、２５秒）に達したか否かを判定し、この判定がＮoである間はスタートに戻って処理を繰り返す。そして、第１タイマＴ1の値がバイパス時間Ｔ1Bに達してステップＳ４３の判定がＹesになると、室外側ＥＣＵ６１は、ステップＳ４５で電磁遮断弁４９を閉鎖した後、ステップＳ４７で各フラグＦES，ＦT1，ＦT2やタイマＴ1，Ｔ2のリセットを行う。これにより、スタータ駆動制御が終了し、圧縮機１３から吐出されたガス冷媒が冷媒回路に供給されて、空気調和機による冷房や暖房が開始される。
【００３９】
さて、スタータリレー８３の接点溶着等により、室外側ＥＣＵ６１からの指令に拘わらずスタータモータ７７が連れ回りすると、図４に示した如く、これによるガスエンジン２５の負荷の増大を相殺するように、ステップモータ２９の開度ＮSTが増加する。これは、室外側ＥＣＵ６１が、エンジン回転数ＮEを一定に保つべく、ＮEセンサ６５の検出信号に基づきステップモータ２９の開度ＮSTをフィードバック制御しているためである。
【００４０】
この場合、前述した平均値Ｎaveが増大してステップＳ４１の判定がＹesになるため、室外側ＥＣＵ６１は、ステップＳ４９でマグネットスイッチ７１をＯＦＦ状態にし、ステップＳ５１でアラーム出力（警告ブザーの吹鳴や警告ランプの点灯等）を行う。
【００４１】
これにより、スタータモータ７７への電力供給が停止されるため、ピニオンギヤとリングギヤとの噛み合いが解除されて、連れ回りが直ちに解消される。また、ユーザは、アラーム出力によって不具合が生じたことを認識し、保守・点検作業（スタータリレーの交換等）を速やかに行うことができる。
【００４２】
ステップＳ５１でのアラーム出力を行った後、室外側ＥＣＵ６１は、ステップＳ４３に移行して、電磁遮断弁４９の閉鎖やフラグＦT1，ＦT2およびタイマＴ1，Ｔ2のリセットを行う。すなわち、本実施形態では、スタータモータ７７の連れ回りが生じ、その原因となった故障が解消されるまでの間も、マグネットスイッチ７１がＯＮ／ＯＦＦされることにより、空気調和機の運転は通常時と同様に行われる。尚、アラーム出力は、サービス作業員等により故障が解消された後、空気調和機をリセットすることで解除される。
【００４３】
以上で具体的実施形態の説明を終えるが、本発明はこの実施形態に限定されるものではなく、例えば、ガソリンエンジンやディーゼルエンジン等に適用してもよい。また、連れ回りの検出については、燃料供給量や吸入空気量から得られた機関負荷に基づいて行ってもよいし、スタータモータのピニオンギヤの位置検出する近接センサの出力信号等に基づいて行ってもよい。更に、各機器類の具体的構成や制御の具体的手順等についても、本発明の趣旨を逸脱しない範囲であれば、適宜変更可能である。
【００４５】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の請求項１によれば、機関始動用のスタータモータを有する内燃機関を用いた空気調和機であって、機関始動後における前記スタータモータの連れ回りを検出する連れ回り検出手段と、この連れ回り検出手段により前記スタータモータの連れ回りが検出された場合、当該スタータモータへの電力供給を停止する電力供給停止手段とを備えて、前記連れ回り検出手段は、連れ回りの検出を機関負荷に基づいて行うようにしたため、既設の機器やセンサを用いて比較的容易に連れ回りの検出が行えるようになる。
【００４６】
また、請求項２の発明によれば、機関始動用のスタータモータを有する内燃機関を用いた空気調和機であって、機関始動後における前記スタータモータの連れ回りを検出する連れ回り検出手段と、この連れ回り検出手段により前記スタータモータの連れ回りが検出された場合、当該スタータモータへの電力供給を停止する電力供給停止手段とを備えて、前記連れ回り検出手段は、連れ回りの検出を機関始動後に所定時間経過した後の機関負荷に基づいて行うようにしたため、機関始動直後の負荷変動の影響が排除され、スタータモータの連れ回りの検出が高い精度で行えるようになる。
【００４７】
また、請求項３の発明によれば、請求項１または２の内燃機関を用いた空気調和機において、前記連れ回り検出手段は、前記機関負荷を吸入空気量から推定するようにしたため、検出精度が向上する。
【００４８】
また、請求項４の発明によれば、請求項１または２の内燃機関を用いた空気調和機において、前記連れ回り検出手段は、前記機関負荷をスロットル弁の開弁量から推定するようにしたため、検出制度が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る空気調和機の一実施形態を示した概略構成図である。
【図２】実施形態に係るガスエンジンの始動用電気回路図である。
【図３】スタータ駆動制御の手順を示すフローチャートである。
【図４】スタータ駆動制御の手順を示すフローチャートである。
【図５】エンジン始動時における各パラメータの変化を示すタイムチャートである。
【符号の説明】
３  室外ユニット
１３  圧縮機
２５  ガスエンジン
２９  スロットル弁駆動用ステップモータ
６１  室外側ＥＣＵ
６５  ＮEセンサ
７１  マグネットスイッチ
７３  トランス
７５  整流器
７７  スタータモータ
７９，８１  電源ケーブル
８３  スタータリレー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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