JP7380257B2 - 空気調和機 - Google Patents

Description

本発明は、空気調和機に係わり、より詳細には、室外機に備えられているヒーターの故障検知に関する。

従来、空気調和機における例えばベースヒーターの故障検知は、室外機の圧縮機とベースヒーターの合計電流の変化で検出している（例えば、特許文献１参照。）。なお、ベースヒーターとは、室外機の底板（ベース）に装着されており、暖房時の除霜運転により発生するドレン水の氷結を防止するために底板を加熱するものである。
この空気調和機の室外機は、冷媒を圧縮する圧縮機１０１と、圧縮機１０１を駆動する圧縮機駆動回路１０２と、通電により発熱するベースヒーター１０３と、ベースヒーター１０３へ交流電源１０６を印加／遮断するスイッチであるヒーター駆動回路１０４と、交流電源１０６から供給される電流を検出する電流検出回路１０７と、電流検出回路１０７の出力である電流信号が入力され、圧縮機駆動回路１０２を制御し、ヒーター駆動回路１０４を制御してベースヒーター１０３へ交流電源１０６を印加／遮断させるマイクロコンピュータ１０８を備えている。

マイクロコンピュータ１０８は、圧縮機駆動回路１０２が圧縮機１０１を駆動している状態において、ヒーター駆動回路１０４へ交流電源１０６を印加する制御前の電流信号と印加した制御後の電流信号を比較し、その差が一定値以上なければベースヒーター１０３が非通電であり、ベースヒーター１０３自体の断線もしくはヒーター駆動回路１０４の故障と判断する。

しかしながら、圧縮機に比較してベースヒーターの消費電流が小さいため、正確にベースヒーターにおける交流電源の通電／非通電を検知できない問題があった。例えば家庭用空気調和機において、圧縮機を最大能力で運転している場合の消費電流は１５アンペア以上である。一方、ベースヒーターの消費電流は０．４アンペア程度である。このため、圧縮機を最大負荷で運転中にベースヒーターへの交流電源の印加制御を行った場合、故障判断を行うために消費電流の増加を検出してベースヒーターの通電を確認する必要があるが、実際には圧縮機の負荷変動による電流変化と、ベースヒーターへの交流電源の通電による電流変化が混在するため、ベースヒーター又はその駆動回路の正確な故障判定ができなかった。

特開２００６－２９２２３９号公報（段落番号００１３～００１５）

本発明は以上述べた問題点を解決し、圧縮機を運転している時に、ヒーターに交流電源を印加させる制御を行った場合であっても、ヒーターの断線もしくはヒーターに交流電源を印加させる駆動回路（スイッチ）の故障を判断することを目的とする。

本発明は上述の課題を解決するため、本発明の請求項１に記載の発明は、
入力された交流電源を整流して直流電源に変換する整流器と、前記整流器から出力された直流電圧を昇圧して出力すると共に力率を改善する昇圧部と、前記昇圧部から出力された直流電圧を交流電圧に変換して出力するインバータ部と、前記インバータ部で駆動される圧縮機と、前記昇圧部へ電圧制御信号を出力すると共に、前記インバータ部へ前記圧縮機の回転数と前記交流電圧の大きさを指示する制御部と、前記交流電源が印加されるヒーターと、前記制御部から出力される駆動信号により前記ヒーターへ前記交流電源を印加／遮断するスイッチと、同スイッチを駆動する駆動回路とを有する室外機を備えた空気調和機であって、
前記室外機は、
前記交流電圧を検出する交流電圧検出部と、
前記ヒーターと前記整流器を流れる交流電流を検出する交流電流検出部と、
検出した前記交流電流及び前記交流電圧から力率を算出して出力する力率検出部と、
前記駆動信号と前記力率から、前記ヒーター又は前記スイッチ又は前記駆動回路のうち少なくとも一つが正常か異常かを判定する故障判定手段とを備えたことを特徴とする。

以上の手段を用いることにより、本発明による空気調和機によれば、圧縮機を運転している時に、ヒーターに交流電源を印加させる制御を行った場合であっても、ヒーターに交流電源が通電／非通電となる場合の力率の変化により、ヒーターの断線もしくはヒーター駆動回路の故障を判断することができる。

本発明による空気調和機の実施例を示すブロック図である。 本発明の動作を説明する説明図である。 入力電流とベースヒーターの状態による力率を示す表及び、正常／異常の判定条件を示す説明図である。 従来の空気調和機を示すブロック図である。

以下、本発明の実施の形態を、添付図面に基づいた実施例として詳細に説明する。

［空気調和機全体の説明］
図１は本発明による空気調和機１を示すブロック図である。
この空気調和機１は交流電源２が接続された室外機４０と、室外機４０と通信線で接続された室内機５０を備えている。

また、室外機４０は、交流電源２を整流して直流電源に変換する整流器３と、整流器３の正極出力端と負極出力端に接続され、入力された直流電源の電圧を昇圧して出力する昇圧部４と、昇圧部４から直流電圧が出力される正極出力端と負極出力端のそれぞれが入力端に接続され、入力された直流電圧を変換して三相交流を生成し、圧縮機７に供給するインバータ部５と、直流電源の出力である整流器３の正極出力端と負極出力端の間に接続され、整流器３から出力される直流電圧を検出して直流電圧信号として出力する直流電圧検出部６と、交流電源２の一方の電源線（Ｎ側）と整流器３の一方の交流入力端との間に直列に配置され、交流電流を検出して交流電流信号として出力する交流電流検出部８と、室外機４０の底面を温めるヒーターであるベースヒーター１０と、室外機４０を制御する室外機制御部２０を備えている。交流電流検出部８はベースヒーター１０と整流器３を流れる交流電流の合計の交流電流を検出する。

［室外機制御部の説明］
室外機制御部２０は、整流器３の２つの入力端とベースヒーター１０を接続する一対の電源線９と、一方の電源線９に直列に接続されたスイッチであるリレー２２と、リレー２２を駆動する駆動回路２４と、整流器３から出力される直流電源の電圧が目的とする電圧になるように昇圧部４を制御する電圧制御信号を出力し、また、インバータ部５へ圧縮機７の回転数と圧縮機７を駆動する三相交流の電圧の大きさを制御するインバータ制御信号を出力し、また、リレー２２の開閉を制御するヒーター駆動信号（駆動信号）を出力し、また、室外機４０の全体の制御を行う制御部２１と、力率を検出する力率検出部３０と、入力されたヒーター駆動信号と力率により、ベースヒーター１０とリレー２２と駆動回路２４のうち少なくとも１つの故障判定を行う故障判定部（故障判定手段）２３を備えている。なお、故障判定部２３については後で詳細に説明する。

［力率検出部の説明］
力率検出部３０は、交流電圧検出部３４と、有効電力を算出する有効電力算出部３１と、皮相電力を算出する皮相電力算出部３２と、力率を算出する力率算出部３３とを備えている。交流電圧検出部３４は、入力された直流電圧信号（整流器３で全波整流された電圧の検出信号）における瞬時値を検出し、この瞬時値を交流電圧信号として有効電力算出部３１と皮相電力算出部３２へ出力する。一方、有効電力算出部３１と皮相電力算出部３２は、交流電流検出部８から交流電流信号がそれぞれ入力されている。

有効電力算出部３１は入力された交流電圧信号と交流電流信号から室外機４０で消費される有効電力を算出する。具体的に有効電力算出部３１は、瞬時電流と瞬時電圧との積を1秒間積分して有効電力を算出して出力する。一方、皮相電力算出部３２は、入力された交流電圧信号と交流電流信号から室外機４０へ供給される皮相電力を算出する。具体的に皮相電力算出部３２は、交流電圧信号を用いて入力電圧のピーク電圧値から電圧の実効値を算出して保持する。さらに、瞬時電流を1秒間積分した値と、保持している電圧の実効値の積を皮相電力として出力する。力率算出部３３は、有効電力と皮相電力とが入力されており、有効電力を皮相電力で除算することで力率を算出して出力する。

［故障判定部の説明］
故障判定部２３は、力率算出部３３から力率が入力され、さらに制御部２１からヒーター駆動信号が入力されている。故障判定部２３は、常に力率の変化を監視しており、ヒーター駆動信号によりリレー２２が閉になっている間、予め記憶した判定閾値（例えば８３％）以上に力率がなった時、また、リレー２２が開になっている間、力率が判定閾値（８３％）未満なっている状態を正常と判定する。これ以外の状態の時、故障判定部２３はベースヒーター１０又はリレー２２又は駆動回路２４のいずれかの故障と判定して制御部へエラー信号を出力する。

本実施例では制御部２１が圧縮機７を運転している場合、力率を改善して目標となる力率（例えば９０％）に近づくように制御しているため、力率は一定の範囲に制御される。一方、ベースヒーター１０はニクロム線などを用いて発熱するため力率は１００％である。従って圧縮機７が運転されている時、同時にリレー２２を閉にしてベースヒーター１０に電流を流すと、ベースヒーター１０は有効電力のみを増加させるため、力率＝有効電力／皮相電力の式において力率は大きくなる。つまり、室外機２０における力率は圧縮機７のみが運転されている時に比較して、さらにベースヒーター１０に電流を流すことにより力率が改善される。故障判定部２３は、この状態をベースヒーター１０とリレー２２と駆動回路２４がすべて正常であると判断している。

図３（Ａ）は実験により測定した、圧縮機７が動作中における入力電流とベースヒーター１０への通電／非通電の状態による力率（％）を示す表の説明図である。この表の横方向は入力電流（実効値）を示しており、この入力電流が３アンペア、５アンペア、８アンペア、１３アンペアの場合を示している。一方、縦方向はベースヒーター１０の通電／非通電の状態と、この通電／非通電による力率の差分と、入力電流毎の判定閾値を表している。入力電流毎の判定閾値は各入力電流ごとに通電／非通電による各力率のほぼ中間の値としている。

図３（Ａ）に示すように入力電流が一定の場合、ベースヒーター１０に通電した場合が、非通電の場合に比較して力率が大きくなっている。また、差分の値は入力電流が大きくなるに従って小さくなるが、入力電流が最大（１３アンペア）の場合であっても故障か否かの判定が可能な５％の値である。このため、閾値をベースヒーター１０に通電した場合と非通電の場合の力率の間の値に設定することでベースヒーター１０に電流が流れているか否かを判定することができる。本実施例では各入力電流値で、故障か否かの判定が可能な力率８３％を判定閾値としているが、これに限るものでなく、図３（Ａ）の入力電流毎の判定閾値の欄に示すように、各入力電流毎の判定閾値を入力電流に応じて変更すればより正確な判定ができる。

［動作の説明］
図２は本発明の動作を説明する説明図である。図２において横軸は時間であり、縦軸は（１）圧縮機７の状態を、（２）昇圧部４の状態を、（３）ヒーター駆動信号を、（４）リレー２２の接点開閉状態を、（５）ベースヒーター１０の状態を、（６）力率の値を、（７）エラー信号を、それぞれ示している。また、図２の左側でベースヒーター１０の断線検出を、図２の右側でリレー２２又は駆動回路２４の故障検出をそれぞれ示している。なお、ｔ０～ｔ６は時刻である。

まず、図２の左側の図を用いてベースヒーター１０の断線検出の動作を説明する。
ｔ０の時点では空気調和機１がサーモオフ（運転停止）状態である。この場合、室外機４０の電源が投入されている状態で圧縮機７と昇圧部４が停止しており、また、リレー２２の接点が開でベースヒーター１０に電源が供給されていない状態となっている。この時、昇圧部４が動作停止状態であるため、力率の改善が行われないので力率は６０％程度になっている。

そして、ｔ１の時点で室内機５０から制御部２１へ圧縮機７の動作開始の指示が送信されると、制御部２１は昇圧部４による昇圧を開始し、圧縮機７の運転を開始する（圧縮機の運転状態）。制御部２１は、昇圧部４で昇圧を開始させると同時に力率の改善の動作も開始させる。この時の入力電流は約８アンペアであり、力率は圧縮機７の運転開始前の６０％程度から７９％に上昇する。故障判定部２３はリレー２２が「開」の状態で、かつ、現在の力率（７９％）が判定閾値（８３％）未満であるため「正常」と判定してエラー信号を出力しない。なお、この時の入力電流（実効値）は８アンペアである。

そして、ｔ２の時点で制御部２１がヒーター駆動信号で「閉」を指示するとリレー２２が「閉」となってベースヒーター１０に交流電源１が供給される。前述したようにベースヒーター１０に通電されると力率が改善され、力率（７９％）が力率（８５％）に変化する。故障判定部２３はヒーター駆動信号による「閉」指示がされた状態で、かつ、現在の力率（８５％）が判定閾値（８３％）以上であるため「正常」と判定するためエラー信号を出力しない。

この状態の時、ｔ３の時点でベースヒーター１０が故障により断線した場合、力率（８５％）が力率（７９％）に変化する。故障判定部２３は、ヒーター駆動信号による「閉」が指示された状態で、かつ、力率（７９％）が判定閾値（８３％）未満であるため「異常」と判定しエラー信号を出力する。このエラー信号が入力された制御部２１は室内機５０へこの「異常」状態を送信し、室内機５０はエラーメッセージをユーザーに報知する。

次に図２の右側の図を用いてリレー２２の故障検出の動作を説明する。
ｔ４の時点において空気調和機１はサーモオン状態である。制御部２１は昇圧部４で昇圧を行っており、圧縮機７も運転中である。制御部２１は昇圧部４で昇圧を行っている間、力率の改善の動作も実行しているため、力率は８５％になっている。故障判定部２３は、ヒーター駆動信号による「閉」が指示された状態で、かつ、現在の力率（８５％）が判定閾値（８３％）以上であるため「正常」と判定してエラー信号を出力しない。なお、この時の入力電流（実効値）は８アンペアである。

この状態の時、ｔ５の時点で制御部２１がヒーター駆動信号を「開」にしてベースヒーター１０への給電を停止しようする。この場合、例えばリレー２２の接点が溶着していた時、リレー２２が正常ならば接点が「開」となるべきであるが、接点が「開」とならずに「閉」のままである。従ってベースヒーター１０に電源が供給されたままとまり、力率は８５％のままで変化しない。

故障判定部２３は、ヒーター駆動信号による「開」が指示された状態で、かつ、現在の力率（８５％）が判定閾値（８３％）以上であるため「異常」と判定しエラー信号を出力する。このエラー信号が入力された制御部２１は室内機５０へこの「異常」状態を送信し、室内機５０はエラーメッセージをユーザーに報知する。

なお、リレー２２の接点が溶着した故障だけでなく、リレー２２が故障して接点が「閉」とならない場合も検出可能である。
故障判定部２３は、ヒーター駆動信号により「開」の指示から「閉」の指示になった時、現在の力率が判定閾値（８３％）未満の場合、「異常」と判定するためエラー信号を出力する。これはリレー２２の巻線の断線や、リレー２２の駆動用の素子が故障している場合である。

以上の判定条件を図３（Ｂ）を用いて説明する。図３（Ｂ）はリレー２２と駆動回路２４に関して正常／異常の判定条件を示す説明図である。図３（Ｂ）において左から右に、「ヒーター駆動信号が開指示」、「ヒーター駆動信号が閉指示」の状態を示している。また、上から下に、「力率が判定閾値未満」、「力率が判定閾値以上」の状態を示している。それぞれの状態で示される項目はベースヒーター１０又はリレー２２又は駆動回路２４のいずれか１つの部分の正常／異常を示している。

ヒーター駆動信号がリレー２２を閉にする指示になっている間、力率が判定閾値以上に、また、ヒーター駆動信号がリレー２２を開にする指示になっている間、力率が判定閾値未満になっている状態が正常である。また、ヒーター駆動信号がリレー２２を開にする指示になっている間、力率が判定閾値以上に、また、ヒーター駆動信号がリレー２２を閉にする指示になっている間、力率が判定閾値未満になっている状態が異常である。
つまり、ベースヒーター１０に電源が印加されていれば、印加されていない場合に比較して力率が改善されるものであり、そうでない場合はベースヒーター１０の断線、または、リレー２２の故障、もしくは駆動回路２４の故障と判定している。

[本発明の効果]
以上説明したように、圧縮機７を運転している場合であっても、ヒーター駆動信号の状態と力率の値により、ベースヒーター１０の断線、もしくは、駆動回路２４やリレー２２の故障を判断することができる。

１ 空気調和機
２ 交流電源
３ 整流器
４ 昇圧部
５ インバータ部
６ 直流電圧検出部
７ 圧縮機
８ 交流電流検出部
９ 電源線
１０ ベースヒーター（ヒーター）
２０ 室外機制御部
２１ 制御部
２２ リレー（スイッチ）
２３ 故障判定部（故障判定手段）
２４ 駆動回路
３０ 力率検出部
３１ 有効電力算出部
３２ 皮相電力算出部
３３ 力率算出部
３４ 交流電圧検出部
４０ 室外機
５０ 室内機

Claims (2)

1. 入力された交流電源を整流して直流電源に変換する整流器と、前記整流器から出力された直流電圧を昇圧して出力すると共に力率を改善する昇圧部と、前記昇圧部から出力された直流電圧を交流電圧に変換して出力するインバータ部と、前記インバータ部で駆動される圧縮機と、前記昇圧部へ電圧制御信号を出力すると共に、前記インバータ部へ前記圧縮機の回転数と前記交流電圧の大きさを指示する制御部と、前記交流電源が印加されるヒーターと、前記制御部から出力される駆動信号により前記ヒーターへ前記交流電源を印加／遮断するスイッチと、同スイッチを駆動する駆動回路とを有する室外機を備えた空気調和機であって、
   前記室外機は、
   前記交流電圧を検出する交流電圧検出部と、
   前記ヒーターと前記整流器を流れる交流電流を検出する交流電流検出部と、
   検出した前記交流電流及び前記交流電圧から力率を算出して出力する力率検出部と、
   前記駆動信号と前記力率から、前記ヒーター又は前記スイッチ又は前記駆動回路のうち少なくとも一つが正常か異常かを判定する故障判定手段とを備えたことを特徴とする空気調和機。
2. 前記故障判定手段は、
   前記圧縮機が運転状態であり、前記ヒーターへ前記交流電源が印加されていない時の前記力率と前記ヒーターへ前記交流電源が印加されている時の前記力率との間の値を判定閾値として予め記憶しており、
   前記駆動信号が前記スイッチを閉にする指示であり、かつ、前記力率が前記判定閾値以上の場合、または、前記駆動信号が前記スイッチを開にする指示であり、かつ、前記力率が前記判定閾値未満の場合を正常と判定し、
   前記駆動信号が前記スイッチを開にする指示であり、かつ、前記力率が前記判定閾値以上の場合、または、前記駆動信号が前記スイッチを閉にする指示であり、かつ、前記力率が前記判定閾値未満の場合を異常と判定することを特徴とする請求項１記載の空気調和機。
   

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