JP2020096424A - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】平滑用の電解コンデンサを設けることなく、ファン用のモータを安定して駆動できる冷凍サイクル装置を提供する。
【解決手段】実施形態の冷凍サイクル装置は、圧縮機から吐出される冷媒が流れる熱交換器，熱交換器に通風するファン，圧縮機を駆動する第１モータ，ファンを回転させるＤＣブラシレスモータからなる第２モータ，単相交流電源より供給される交流電圧を整流するダイオードブリッジ回路，ダイオードブリッジ回路に入力端子が接続されるバレーフィル回路，バレーフィル回路を介して供給される電圧により第１モータを駆動する第１インバータ回路，バレーフィル回路を介して供給される電圧により第２モータを駆動する第２インバータ回路を備え、第２モータは、最高回転数において固定子巻線に発生する誘起電圧がバレーフィル回路を介して供給される電圧の最小値よりも低くなるように設定する。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、インバータ回路によって駆動される圧縮機及びその圧縮機から吐出される冷媒が流れる熱交換器に通風するファンを備える冷凍サイクル装置に関する。

例えば特許文献１には、交流電源電圧を全波整流するコンバータ回路と、この回路の出力側に並列接続された平滑コンデンサとを備え、脈動する直流電圧をインバータ回路に供給している。そして、コンバータ回路における入力電流の導通時間を拡げて力率を改善するため、コンバータ回路の出力側のコンデンサの容量は非常に小さい値に設定されている。その結果、直流電圧の変動幅が大きく、最小値は０Ｖ付近となっている。

特開２０１２−１５１９６２号公報

ところで、冷凍サイクル装置は、熱交換器に通風するファンを備えるが、０Ｖ付近まで変動する直流電圧でファンモータを駆動すると、直流電源電圧の変動に起因して、安定性や効率，振動や騒音が何れも悪化することに繋がる。それらの悪化を回避するには、平滑用の電解コンデンサの容量を大きくする必要がある。
そこで、平滑用の電解コンデンサを設けることなく、ファン用のモータを安定して駆動できる冷凍サイクル装置を提供する。

実施形態の冷凍サイクル装置は、冷媒を圧縮する圧縮機と、この圧縮機と共に冷凍サイクルを構成し、前記圧縮機から吐出される冷媒が流れる熱交換器と、この熱交換器に通風するファンと、前記圧縮機を駆動する第１モータと、前記ファンを回転させるＤＣブラシレスモータからなる第２モータと、単相交流電源より供給される交流電圧を整流するダイオードブリッジ回路と、このダイオードブリッジ回路に入力端子が接続されるバレーフィル回路と、このバレーフィル回路を介して供給される電圧により、前記第１モータを駆動する第１インバータ回路と、前記バレーフィル回路を介して供給される電圧により、前記第２モータを駆動する第２インバータ回路とを備え、前記第２モータは、最高回転数において固定子巻線に発生する誘起電圧が、前記バレーフィル回路を介して供給される電圧の最小値よりも低くなるように設定されている。

一実施形態であり、第１及び第２モータを駆動制御する装置の構成を示す図 空気調和機の構成を示すブロック図 第２モータの回転速度と固定子巻線に発生する誘起電圧との関係を示す図 様々な電源回路の構成に応じた直流電圧の波形と、第２モータの誘起電圧の最大値との関係を示す図

以下、一実施形態について、図面を参照しながら説明する。図２は、冷凍サイクル装置に相当する空気調和機４０の構成を示すブロック図である。空気調和機４０中の冷凍サイクル４１を構成する圧縮機４２は、圧縮機構部４３とモータ１を同一の鉄製密閉容器４５内に収容して構成され、第１モータに相当するモータ１のロータシャフトが圧縮機構部４３に連結されている。そして、圧縮機４２、四方弁４６、室内側熱交換器４７、減圧装置４８、室外側熱交換器４９は、熱伝達媒体流路たる銅パイプにより閉ループを構成するように接続されている。尚、圧縮機４２は、例えばロータリ型の圧縮機である。

空気調和機４０はヒートポンプ式であり、その暖房時には、四方弁４６は実線で示す状態にあり、圧縮機４２の圧縮機構部４３で圧縮された高温冷媒は図２中実線矢印の方向に流れ、四方弁４６から室内側熱交換器４７に供給されて凝縮し、その後、減圧装置４８で減圧され、低温となって室外側熱交換器４９に流れ、ここで蒸発して圧縮機４２へと戻る。一方、冷房時には、四方弁４６は破線で示す状態に切り替えられる。このため、圧縮機４２の圧縮機構部４３で圧縮された高温冷媒は図２中破線矢印の方向に流れ、四方弁４６から室外側熱交換器４９に供給されて凝縮し、その後、減圧装置４８で減圧され、低温となって室内側熱交換器４７に流れ、ここで蒸発して圧縮機４２へと戻る。

そして、室内側、室外側の各熱交換器４７，４９には、それぞれファン５０，５１により送風が行われ、その送風によって各熱交換器４７，４９と室内空気、室外空気の熱交換が効率良く行われるように構成されている。尚、室内側のファン５０は、例えば横流ファンである。室外側の熱交換器４９に対向して設けられたファン５１は、例えばプロペラファンであり、第２モータに相当するモータ２によって駆動される。モータ１及び２は、例えば３相ＩＰＭ（Interior Permanent Magnet）型のブラシレスＤＣモータである。

一般的に、空気調和機４０は、室内に設置される室内機と屋外に設置される室外機とから構成され、室内機内には、室内側の熱交換器４７及びファン５０が収納され、室外機には、圧縮機４２，室外側の熱交換器４９，ファン５１及びモータ２が収納される。そして室内機と室外機間は、渡り配管と称される２本の銅パイプで接続される。

図１は、この室外機内に収納されるモータ１及び２を駆動制御する装置の構成を示す。単相の交流電源３は、装置全体に交流電力を供給するもので、１００Ｖ又は２００Ｖ系である。ダイオードブリッジ回路４は、一端にリアクトル５を介して交流電源３に接続されており、両極性の交流を整流して単極性の直流に変換する。

ダイオードブリッジ回路４の正極側端子，負極側端子にそれぞれ接続される正側電源線５ｐ，負側電源線５ｎ間には、小容量のフィルムコンデンサからなるノイズ除去用のコンデンサ６(以下、フィルムコンデンサ６とも称する)とバレーフィル回路７とが接続されている。負側電源線５ｎと正側電源線５ｐとの間には、順方向の第１ダイオードＤ１及び第１コンデンサＣ１からなる第１直列回路８と、第２コンデンサＣ２及び順方向の第２ダイオードＤ２からなる第２直列回路９とが接続されている。第１直列回路８，第２直列回路９それぞれの共通接続点間には、順方向の第３ダイオードＤ３及び抵抗Ｒ１からなる第３直列回路１０が接続されている。以上がバレーフィル回路７を構成している。尚、コンデンサＣ１及びＣ２は、何れも安価な小容量の電解コンデンサである。バレーフィル回路７は、直流部の平滑コンデンサである第１及び第２コンデンサＣ１及びＣ２の充電量を調整することで、ダイオードブリッジ回路３の導通角を調整し力率を改善する。

バレーフィル回路７の後段には、圧縮機用モータ１を駆動する第１インバータ回路１１及び室外側のファン５１用のモータ２を駆動する第２インバータ回路１２が接続されている。インバータ回路１１及び１２は、スイッチング素子である例えば６個のＮチャネルＭＯＳＦＥＴを３相ブリッジ接続して構成されている。インバータ回路１１の各相出力端子はモータ１の各相巻線の一端に接続されており、インバータ回路１２の各相出力端子はモータ２の各相巻線の一端に接続されている。

また、バレーフィル回路７の後段には、スイッチング電源回路１３が接続されている。スイッチング電源回路１３は、バレーフィル回路７より供給される直流電源を受けて例えば５Ｖの動作電力を生成し、制御回路１４に供給する。第１及び第２制御部に相当する制御回路１４は、インバータ回路１１及び１２を構成する各スイッチング素子に対し、スイッチング制御信号を生成して供給する。

ここで、室外側のファン５１を駆動するモータ２については、その仕様が以下のように設定されている。ＤＣブラシレスモータでは、図３に示すように、モータ２の回転速度が上昇するのに応じて、モータ２の固定子巻線に発生する誘起電圧も上昇する。適用されるシステムにおいて想定している最大速度Ｎｍａｘ（ｒ／ｓ）に対して、発生する最大誘起電圧をα（Ｖ）とする。

図４では、本実施形態との比較のために従来の大容量の平滑用電解コンデンサを全波整流回路の出力側に設けた一般回路と、平滑用の電解コンデンサを全く有さない電解コンデンサレス回路（以下、電解コンレス回路とも称する）の波形を併せて示している。この図４に示すように、本実施形態において極小容量のフィルムコンデンサ６及びバレーフィル回路７を介して出力される直流電源の最低電圧βは、図中に破線で示す電解コンレス回路の場合の０Ｖよりも高く、大容量の電解コンデンサを備える一般回路における最低電圧よりも低く、交流電源電圧のピーク値の略１／２となる。そして、本実施形態では、モータ２は、最高速度Ｎｍａｘにおいて固定子巻線に発生する誘起電圧α，すなわち運転中の誘起電圧の最大値が、前記最低電圧βよりも低くなるように設定されている。これにより、モータ２に対しては、インバータ回路１２を介して常に最大誘起電圧αを上回る駆動電圧を出力することができる。

電解コンレス回路の場合は、上述の通り、直流電源の最低電圧は０Ｖ付近にまで低下するため、モータ２がファン５１を駆動した際に安定性や効率，振動や騒音が悪化する。これを回避しつつ、モータ２の駆動用に安定的な直流電圧を確保するため、平滑用のコンデンサを別途設ける必要がある。この結果、折角モータ１の駆動において、平滑用の電解コンデンサを無くした回路構成を採用したにもかかわらず、ファン用のモータ２のために別途平滑用の電解コンデンサを設けることになり、コストが増加する。

これに対して、本実施形態の構成ではバレーフィル回路７を用い、最低でも交流電圧の略１／２を常に確保可能にすると共に、ファン駆動用のモータ２の最高速度Ｎｍａｘにおいて固定子巻線に発生する誘起電圧αを、最低電圧βよりも低くなるように設定した。これにより、モータ２に対しては、インバータ回路１２を介して常に最大誘起電圧αを上回る駆動電圧を出力できる。この結果、モータ２の駆動が安定し、モータ２及びファン５１における騒音や振動の発生を防止できる。

また、本実施形態では、バレーフィル回路７の出力側に、制御回路１４に供給する動作電源を生成するスイッチング電源回路１３を接続している。直流電圧出力として最低でも交流電圧の略１／２を確保できるバレーフィル回路７を用いることで、この直流出力にスイッチング電源回路１３を直接接続できる。これにより、スイッチング電源回路１３用に別途平滑用の電解コンデンサを挿入する必要がなくなり、結果的に高価な大容量の平滑用電解コンデンサを直流出力側に設けなくて済む。

以上のように本実施形態によれば、圧縮機４２と共に冷凍サイクル４１を構成し、圧縮機４２から吐出される冷媒が流れる室外側熱交換器４９と、この熱交換器４９に通風するファン５１と、圧縮機４２を駆動するモータ１と、ファン５１を回転させるモータ２と、単相交流電源３より供給される交流電圧を整流するダイオードブリッジ回路４と、ダイオードブリッジ回路４に入力端子が接続されるバレーフィル回路７とを備える。

そして、バレーフィル回路７を介して供給される電圧により、モータ１，２をそれぞれ駆動するインバータ回路１１，１２を備え、ファン５１用のモータ２は、最高回転数Ｎｍａｘにおいて固定子巻線に発生する誘起電圧αが、バレーフィル回路７を介して供給される電圧の最小値βよりも低くなるように設定した。これにより、モータ２にはインバータ回路１２を介して、常に最大誘起電圧αを上回る駆動電圧を出力できる。

尚、本実施形態の構成では、電源投入時にバレーフィル回路７を構成するコンデンサＣ１及びＣ２を介して突入電流が流れた際にリアクトル６が磁気飽和すると、突入電流を抑制する効果が得られず、ダイオードＤ２のサージ耐量を超える可能性がある。そこで、抵抗Ｒ１の抵抗値については、突入電流の抑制と抵抗Ｒ１における損失とのトレードオフを考慮して設定することが望ましい。また、抵抗Ｒ１における発熱が問題となる場合には、例えばリアクトル６に対して突入電流防止回路を直列に挿入し、電源投入時の一定期間は電源電流が突入電流防止回路を介して流れるようにすれば良い。

（その他の実施形態）
第１インバータ回路１１，第２インバータ回路１２をそれぞれ制御する第１，第２制御部を個別に設けても良い。
抵抗素子Ｒ１は、必要に応じて設ければ良い。
スイッチング素子はＭＯＳＦＥＴに限ることなく、その他ＩＧＢＴ，パワートランジスタ、ＳｉＣ，ＧａＮ等のワイドギャップ半導体等を使用しても良い。
冷凍サイクル装置の例として空気調和機４０を例にとって説明したが、これに限ることなく、ヒートポンプ式給湯装置、熱源機等のその他の冷凍サイクル装置を搭載する製品に適用しても良い。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

図面中、１は第１モータ、２は第２モータ、３は交流電源、４はダイオードブリッジ回路、６はフィルムコンデンサ、７はバレーフィル回路、１１は第１インバータ回路、１２は第２インバータ回路、１３はスイッチング電源回路、１４は制御回路、４０は空気調和機(冷凍サイクル装置)、４２は圧縮機、４９は熱交換器、５１はファンを示す。

Claims (3)

1. 冷媒を圧縮する圧縮機と、
   この圧縮機と共に冷凍サイクルを構成し、前記圧縮機から吐出される冷媒が流れる熱交換器と、
   この熱交換器に通風するファンと、
   前記圧縮機を駆動する第１モータと、
   前記ファンを回転させるＤＣブラシレスモータからなる第２モータと、
   単相交流電源より供給される交流電圧を整流するダイオードブリッジ回路と、
   このダイオードブリッジ回路に入力端子が接続されるバレーフィル回路と、
   このバレーフィル回路を介して供給される電圧により、前記第１モータを駆動する第１インバータ回路と、
   前記バレーフィル回路を介して供給される電圧により、前記第２モータを駆動する第２インバータ回路とを備え、
   前記第２モータは、最高回転数において固定子巻線に発生する誘起電圧が、前記バレーフィル回路を介して供給される電圧の最小値よりも低くなるように設定されている冷凍サイクル装置。
2. 前記ダイオードブリッジ回路の出力端子間に、ノイズ除去用のフィルムコンデンサを備える請求項１記載の冷凍サイクル装置。
3. 前記第１インバータ回路を制御する第１制御部と、
   前記第２インバータ回路を制御する第２制御部と、
   前記バレーフィル回路を介して供給される電圧より、前記第１及び第２制御部に動作電力を供給するスイッチング電源回路とを備える請求項１又は２記載の冷凍サイクル装置。

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