JPH0835711A

JPH0835711A - インバータ付き空気調和機およびその制御方法

Info

Publication number: JPH0835711A
Application number: JP6170671A
Authority: JP
Inventors: Masaya Taniguchi; 昌也谷口
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1994-07-22
Filing date: 1994-07-22
Publication date: 1996-02-06

Abstract

(57)【要約】【目的】空気調和機において、インバータ付き誘導電動
機に起因する騒音を低減し、かつ高効率な運転を実現す
る。【構成】空気調和機の圧縮機とこの圧縮機を駆動する有
度電動機をチャンバ内に密閉すると共に、この誘導電動
機を回転数制御するインバータ８のスイッチング素子１
１にＩＧＢＴを使用し、インバータをそのキャリア周波
数が４kHz以上１０kHz以下の低い周波数にする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は冷媒圧縮用にスクロール
型圧縮機を用いた少なくとも冷暖房のいずれかの機能を
有するインバータ付き空気調和機およびその制御方法に
係り、特にスクロール型圧縮機を駆動する電動機の制御
にＩＧＢＴインバータを使用したインバータ付き空気調
和機及びその制御方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】インバータで制御される電動機により駆
動される運転周波数可変の冷媒圧縮機を備えた空気調和
機では、空気調和機の要求能力に応じてインバータの運
転周波数を変化させ、これにより電動機の回転数が変化
し圧縮機の容量が制御される。インバータは交流電源を
整流および平滑して得た直流を、運転周波数に対応する
周波数で開閉する電力スイッチング素子によって運転周
波数の交流に変換し、電動機に出力する。同一のトルク
を達成するという条件で運転周波数を増加させ、これに
対応して電動機の回転数を増加させるために、インバー
タの出力電圧を運転周波数の増加に応じて高くする必要
がある。そこで、一般的には出力交流電圧を運転周波数
よりも高い周波数でチョッピングし、そのオン・デュー
ティー比、つまり時間的平均出力電圧ガ運転周波数が高
くなる程大きくする様に構成した電圧形ＰＷＭ方式のイ
ンバータを用いることが多い。

【０００３】従来この様な電圧形ＰＷＭ方式のインバー
タを用いた空気調和機においては、圧縮機を駆動するイ
ンバータの運転周波数を３０Hz〜１１５Hz、またインバ
ータのキャリア周波数を１kHz〜２kHzとしていた。若し
くは、可聴音帯域を外すためにキャリア周波数を２０kH
z以上としていた。なお、この種の装置として関連する
ものに、例えば、特開昭６２−１７８８３２号公報に記
載のものが挙げられる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術は、電動
機を駆動するインバータのキャリア周波数が１〜２kHz
と低いため、電動機からこのキャリア周波数に起因する
可聴域の電磁音が発生していた。そして、特に空気調和
機の圧縮機が低周波数で運転される場合には、この電磁
音がそのまま騒音となって周囲に放射され、快適性を損
なうという不具合があった。一方、インバータのキャリ
ア周波数を高めると、確かに騒音は低減するものの高速
のスイッチングを実現するために、装置が大型化若しく
は高価になるという不具合があった。

【０００５】本発明は、かかる従来の不具合を改良する
ために成されたものであって、その目的は耳障りな騒音
を低減し空気調和機の快適な運転を可能にすることにあ
る。◆本発明の他の目的は、圧縮機の高周波数運転時の
損失を低減した高性能な空気調和機を提供することにあ
る。◆本発明の更に他の目的は、小型で安価なインバー
タを備えた空気調和機を提供することにある。◆また、
本発明は空気調和機から発生する騒音に応じて、インバ
ータのキャリア周波数を変えることの出来る空気調和機
及びその制御方法を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、誘導電動機で駆動される容量制御可能なスクロール
型圧縮機を有し、この誘導電動機を電圧形ＰＷＭインバ
ータにより回転数制御するインバータ付き空気調和機に
おいて、前記誘導電動機と前記スクロール型圧縮機とを
密閉チャンバにより密閉し、前記インバータのキャリア
周波数を４kHz以上１０kHz以下としたものである。

【０００７】そして、好ましくは前記インバータのスイ
ッチング素子にＩＧＢＴを用いたものである。◆また、
好ましくは前記密閉チャンバの固有振動数（共振周波
数）を前記インバータのキャリア周波数およびその整数
倍とは異なる周波数としたしたものである。◆更に、好
ましくは前記インバータに交流を直流に変換する整流素
子と、直流を交流に変換するスイッチング素子と、前記
誘導電動機を流れる電流を検出する電流検出手段と、ス
イッチング素子を駆動する制御装置とを備え、スイッチ
ング素子のキャリア周波数を低周波数とすることによ
り、制御装置に設けたフォトカプラを低速型にしたもの
である。

【０００８】また、好ましくは前記空気調和機に該空気
調和機の騒音を検出する騒音検出手段を設け、この騒音
検出手段が検出した騒音値が基準値より大きくなったと
きには、前記インバータのキャリア周波数を上げるよう
に制御する制御手段をインバータに設けたものである。
◆更に、好ましくは前記スクロール型圧縮機の運転周波
数が基準値を越えたときには、前記インバータのキャリ
ア周波数を低下させる手段をインバータに設けたもので
ある。

【０００９】また、本発明はスクロール型圧縮機と、四
方弁と、室外熱交換器と、膨張手段と、室内熱交換器と
を順次配管接続して冷凍サイクルを形成したインバータ
付き空気調和機であって、前記スクロール型圧縮機を駆
動する誘導電動機の回転数を制御するインバータは、交
流を直流に変換する整流手段と、直流を交流に変換する
スイッチング素子と、該スイッチング素子のキャリア周
波数を４kHz以上１０kHz以下にしたものである。

【００１０】更に、本発明はスクロール型圧縮機と、四
方弁と、室外熱交換器と、膨張手段と、室内熱交換器と
を順次配管接続したインバータ付き空気調和機の制御方
法であって、前記スクロール型圧縮機を駆動する誘導電
動機の回転数を制御するインバータに設けられたスイッ
チング素子のキャリア周波数を４kHz以上１０kHz以下に
したものである。◆そして、好ましくは前記スクロール
型圧縮機の運転周波数が基準値より大のときは前記スイ
ッチング素子のキャリア周波数を低下させるものであ
る。

【００１１】また、好ましくは前記キャリア周波数を、
前記スクロール型圧縮機の運転周波数が基準値を超えた
ら漸減させるものである。◆更にまた、本発明はスクロ
ール型圧縮機と、四方弁と、室外熱交換器と、膨張手段
と、室内熱交換器とを順次配管接続したインバータ付き
空気調和機の制御方法であって、前記スクロール型圧縮
機を駆動する誘導電動機の回転数を制御するインバータ
に設けられたスイッチング素子のキャリア周波数を４kH
z以上１０kHz以下にし、前記空気調和機に設けた騒音検
出手段の出力が基準値を超えたら前記インバータのキャ
リア周波数を低下させるようにしたものである。

【００１２】

【作用】空気調和機の冷媒圧縮用の圧縮機にスクロール
型圧縮機を用いる。これにより、トルク変動を小さく抑
えることができ、トルク変動に起因する騒音を低減出来
る。次に、このスクロール型圧縮機を駆動する誘導電動
機の制御に運転周波数可変の電圧形ＰＷＭインバータを
用い、そのスイッチング素子にＩＧＢＴ（Insulated Ga
te Bipolar Transistor)を用いる。更に、このインバー
タのキャリア周波数を４kHzないし１０kHzに制御する。
これにより、電動機から発生する耳障りな電磁音を低減
することができるとともに、ＩＧＢＴの損失を低減でき
る。なお、このキャリア周波数は更に好ましくは５kHz
〜７kHzとするのがよい。キャリア周波数をこの範囲に
選べば、更に安価で低周波数の影響の少ないインバータ
制御の圧縮機が得られる。◆また、空気調和機が発生す
る騒音の大きさに応じてキャリア周波数を変化させれ
ば、圧縮機の駆動に起因する騒音を低減出来、快適な空
調環境が得られる。

【００１３】

【実施例】以下本発明の一実施例を図面を参照して説明
する。◆図１において、冷凍サイクルは室内機用熱交換
器１、室外機用熱交換器２、この室内機用熱交換器１と
室外機用熱交換器２との間に設けられた膨脹手段２０、
冷房と暖房で冷凍サイクル内の冷媒の流れ方向を変える
四方弁４、内部に誘導電動機６を有し誘導電動機６の回
転によって冷媒の吸入・圧縮・吐出を行なう機構を有す
るスクロール型圧縮機５、およびこれらを順次接続する
冷凍サイクル用配管３とを備えている。そして、スクロ
ール型圧縮機５内の誘導電動機６にはこの誘導電動機６
を回転数制御するインバータ８が、さらにこのインバー
タ８には供給電源８が夫々接続されている。

【００１４】また、誘導電動機とスクロール型圧縮機
に、またはその近傍に騒音を検出するための騒音検出手
段２１が設けられている。この騒音検出手段としては、
通常の騒音計でも良いが、簡便のために、各種の加速度
センサ、ＡＥセンサ等騒音や振動に関連した信号が得ら
れるものであれば良い。また、誘導電動機６またはスク
ロール型圧縮機５には回転数検出手段２２が取り付けら
れている。この検出手段としては、光学センサや静電容
量型、電磁式のギャップセンサ等がある。

【００１５】スクロール型圧縮機５は、例えば、図２の
断面図に示す構造を有している。回転軸に誘導電動機６
のロータが取り付けられ、この電動機ロータの反対端に
旋回スクロール１４が取り付けられている。そして、誘
導電動機６が回転するとスクロール型圧縮機５では固定
スクロール１４の外径側に形成された吸入口１６から低
圧ガスが吸込まれ、次いでこのガスは渦巻状ラップを有
する固定スクロール１４と旋回スクロール１５とで形成
される圧縮空間に封じ込められ、誘導電動機６に連結し
たクランク軸を介して駆動される旋回スクロール１５の
旋回運動によってスクロールの渦巻状ラップの中心に向
かうとともに、次第に圧縮されていく。圧縮空間は中心
部で最小であり、ガスは中心部において最高に圧縮さ
れ、固定スクロール１４の中心部に形成された吐出口１
４'から上部吐出室に吐出され、次いで電動機室を経て
吐出管１７から機外に吐出される。このようにして冷媒
ガスは吸入→圧縮→吐出が連続的に繰返され、吐出され
た冷媒は冷凍サイクル内を循環し冷房あるいは暖房作用
を行う。

【００１６】なお、誘導電動機６及びスクロール型圧縮
機５は、胴部を胴部側板２４、上部を頭部カバー２５、
底部を下部カバー２５でそれぞれ覆われ、密封容器が形
成されている。ここで、この各カバーは鋼や鋳鉄等の騒
音を遮断する材料でこうせいされている。

【００１７】誘導電動機６を制御するインバータ８は、
図３に示すように供給電源７からの交流を直流に変換す
る整流素子９、平滑コンデンサ１０，直流から新たに所
望の周波数の交流に変換するスイッチング素子１１，誘
導電動機６へ流れる電流を検出する電流センサ１２，電
流センサ１２の検出した電流値を取り込み、スイッチン
グ素子１１を駆動する制御装置１３等を備えている。一
方、ここでは図示していないが、図３の空気調和機の室
内側の運転状態、例えば室温等と、室外側の運転状態、
例えば室外熱交換器温度等を用いて、室外側に設けた空
気調和機の制御演算装置において圧縮機の運転状態を計
算し、その値を運転周波数指令として制御装置１３へ送
信する。この運転指令を受けて制御装置１３はスイッチ
ング素子１１をスイッチングする。これにより運転指令
に従った所望の運転周波数の交流を発生し、これを誘導
電動機６に供給し、誘導電動機６を回転させる。スイッ
チング素子１１には、本実施例では、ＩＧＢＴが用いら
れている。また、インバータ制御装置１３では、運転周
波数が高いほど誘導電動機６への出力電圧を高くするパ
ルス幅変調が行なわれている。したがって、電動機６の
運転周波数が高いほど高い回転数で回転し、スクロール
型圧縮機５の容量制御が可能となる。

【００１８】ここで、パルス幅変調の概要を図４に示
す。スクロール型圧縮機５の容量が指示されると、イン
バータはキャリア周波数を決定する。ここでは、キャリ
ア周波数が圧縮機の運転周波数に関わらず、一定、例え
ば５kHzとする（同図（ａ））。圧縮機の容量、すなわ
ち運転周波数として５０Hzが指定されると、電圧の１周
期間には１００個のキャリア信号が出力される。つま
り、１波長の間(20msec)を１００に等分割し、その等分
割のタイミング（０．２msec)における正弦波の値を演
算し、この演算結果から各区間毎におけるスイッチング
素子への印加時間を決める印加信号が付与される（同図
（ｂ））。この結果、同図（ｃ）におけるような電圧波
形が得られる。この例では、キャリア信号を一定にした
が、後述するように、運転周波数と共に、キャリア信号
を変化させても良い。

【００１９】この様なパルス幅変調においては、これま
でキャリア周波数を１０kHz以上にして、可聴周波数の
電磁音が電動機６から発生しない様に制御していたが、
本実施例ではスイッチング素子にＩＧＢＴを用い、キャ
リア周波数を１０kHz以下の比較的低い周波数に設定し
ている。この様にキャリア周波数を可聴域に設定し電動
機単体で運転した場合の騒音測定結果を図５に示す。こ
の図に示すように、キャリア周波数が１０kHz以下とな
ると、運転周波数が低下するにつれて騒音値が上昇す
る。しかしながら、本実施例の場合、インバータで駆動
されるモータを、図２に示す様に鉄製の容器内に収納
し、加えてスクロール型圧縮機の固有振動数を上記キャ
リア周波数及びその整数倍と一致しない様に設定して、
モータから発生するキャリア周波数と同一周波数成分の
電磁音がスクロール型圧縮機外部へ漏れるのを抑制して
いる。

【００２０】図６にスクロール型圧縮器を運転したとき
の騒音の測定結果を示す。キャリア周波数が５〜６kHz
である比較的低い周波数値で制御した場合においても、
キャリア周波数が１０kHz以上の場合と同様の騒音レベ
ルとなっている。そして、キャリア周波数が１〜２kHz
の場合と比較すると、騒音が大幅に低減している。この
騒音の低下は特に低速域で著しい。これより、圧縮機の
運転周波数が低いところでは、キャリア周波数を高めに
するのがよい。また本発明者等の実験によれば、キャリ
ア周波数をどんどん低下させると、耳障りな音が徐々に
増えてくる。これは、特に４kHz以下において顕著であ
り、５kHz以上にすると殆ど気にならなくなってくる。

【００２１】次に、上記構成の本実施例でキャリア周波
数を変化させた場合のインバータの損失を実験により求
めた結果を図７に示す。インバータ部のスイッチング素
子であるＩＧＢＴの損失を、キャリア周波数１０kHzの
値で正規化して示している。この図７から分かるよう
に、ＩＧＢＴの損失はキャリア周波数の低下と共に減少
している。そして、キャリア周波数が１０kHzの場合と
５kHzの場合を比較すると、キャリア周波数が５kHzの場
合には、この例では、ＩＧＢＴの損失が１８％も低減し
ている。これより、キャリア周波数を低くして運転すれ
ば効率の面では利点が多いが、一方、騒音はキャリア周
波数が低いほど大きくなるから、実際の運転では、これ
らを組み合わせて運転するのが望ましい。すなわち、出
来るだけ、キャリア周波数を低くして運転し、騒音レベ
ルが許容値を超えたら、キャリア周波数を上げるように
する。これにより、インバータの容量を小さくすること
ができ、小型化及び低廉化が可能になる。ここで、騒音
レベルの検出には、上述したセンサの出力を用いる。

【００２２】次に、図８に上記実施例の変形例を示す。
この実施例においては、運転周波数が高いときにキャリ
ア周波数を連続的に、または段階的に低下させている。
キャリア周波数をこのように選ぶことにより、ＩＧＢＴ
の損失が増大する高運転周波数域で高キャリア周波数に
なることを防止できる効果がある。

【００２３】

【発明の効果】以上述べたように、空気調和機のインバ
ータのスイッチング素子にＩＧＢＴを用い、容量制御可
能なスクロール型圧縮機と、誘導電動機を密閉容器内に
収納し、インバータのキャリア周波数を４kHz以上、１
０kHz以下としたので、騒音の低下とインバータの損失
の低減との双方を満足する空気調和器を実現できる。ま
た、キャリア周波数を低下させたので、装置の小型化を
実現でき、廉価となる。さらに、ＩＧＢＴの損失を低減
できるので、ＩＧＢＴからの発熱を低減でき、冷却系統
が簡単になる。さらに、インバータおよびモータ効率を
上げることが可能となり、圧縮機の作動範囲を広げるこ
とが可能となり、幅広い容量制御も実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の空気調和機の冷凍サイクル
を示す模式図。

【図２】本発明に用いるスクロール型圧縮機の一実施例
の縦断面図。

【図３】空気調和機に使用するインバータの構成ブロッ
ク図。

【図４】パルス幅変調を説明する図。

【図５】インバータのキャリア周波数を変化させたとき
のモータ単体騒音レベルの変化を示す図。

【図６】空気調和機の圧縮機各運転周波数における騒音
レベルのキャリア周波数による変化を示す図。

【図７】ＩＧＢＴにおける損失のキャリア周波数による
変化を示す図。

【図８】本発明の変形例のキャリア周波数の制御を示す
図。

【符号の説明】

１…室内機用熱交換器，２…室外機用熱交換器，３…冷
媒配管，４…四方弁，５…スクロール型圧縮機，６…誘
導電動機，７…供給電源，８…インバータ，９…整流素
子，１０…平滑コンデンサ，１１…スイッチング素子，
１２…電流センサ，１３…スイッチング素子駆動用制御
装置，１４…固定スクロール，１４'…固定スクロール
中心部の吐出口，１５…旋回スクロール，１６…吸入
口，１７…吐出口。２１…騒音検出手段，２２…回転数
検出手段。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】誘導電動機で駆動される容量制御可能なス
クロール型圧縮機を有し、この誘導電動機を電圧形ＰＷ
Ｍインバータにより回転数制御するインバータ付き空気
調和機において、前記誘導電動機と前記スクロール型圧縮機とを密閉チャ
ンバにより密閉し、前記インバータのキャリア周波数を
４kHz以上１０kHz以下としたことを特徴とするインバー
タ付き空気調和機。
【請求項２】前記インバータのスイッチング素子にＩＧ
ＢＴを用いたことを特徴とする請求項１に記載のインバ
ータ付き空気調和機。
【請求項３】前記密閉チャンバの固有振動数を前記イン
バータのキャリア周波数の整数倍とは異なる周波数とし
たことを特徴とする請求項１又は２に記載のインバータ
付き空気調和機。
【請求項４】前記インバータは交流を直流に変換する整
流素子と、直流を交流に変換するスイッチング素子と、
前記誘導電動機を流れる電流を検出する電流検出手段
と、スイッチング素子を駆動する制御装置とを備え、こ
の制御装置に低速型のフォトカプラを備えることを特徴
とする請求項１又は２に記載のインバータ付き空気調和
機。
【請求項５】前記空気調和機に該空気調和機の騒音を検
出する騒音検出手段を設け、該騒音検出手段が検出した
騒音値が基準値より大のときには、前記インバータのキ
ャリア周波数を上げる制御手段を該インバータに設けた
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のインバータ付
き空気調和機。
【請求項６】前記スクロール型圧縮機の運転周波数が基
準値を越えたときには、前記インバータのキャリア周波
数を低下させる手段を該インバータに設けたことを特徴
とする請求項１又は２に記載のインバータ付き空気調和
機。
【請求項７】スクロール型圧縮機と、四方弁と、室外熱
交換器と、膨張手段と、室内熱交換器とを順次配管接続
して冷凍サイクルを形成したインバータ付き空気調和機
であって、前記スクロール型圧縮機を駆動する誘導電動
機の回転数を制御するインバータは、交流を直流に変換
する整流手段と、直流を交流に変換するスイッチング素
子と、該スイッチング素子のキャリア周波数を４kHz以
上１０kHz以下にしたことを特徴とするインバータ付き
空気調和機。
【請求項８】スクロール型圧縮機と、四方弁と、室外熱
交換器と、膨張手段と、室内熱交換器とを順次配管接続
したインバータ付き空気調和機の制御方法であって、前
記スクロール型圧縮機を駆動する誘導電動機の回転数を
制御するインバータに設けられたスイッチング素子のキ
ャリア周波数を４kHz以上１０kHz以下にしたことを特徴
とするインバータ付き空気調和機の制御方法。
【請求項９】前記スクロール型圧縮機の運転周波数が基
準値より大のときは前記スイッチング素子のキャリア周
波数を低下させることを特徴とする請求項８に記載のイ
ンバータ付き空気調和機の制御方法。
【請求項１０】前記キャリア周波数を、前記スクロール
型圧縮機の運転周波数が基準値を超えたら漸減させるこ
とを特徴とする請求項９に記載のインバータ付き空気調
和機の制御方法。
【請求項１１】スクロール型圧縮機と、四方弁と、室外
熱交換器と、膨張手段と、室内熱交換器とを順次配管接
続したインバータ付き空気調和機の制御方法であって、
前記スクロール型圧縮機を駆動する誘導電動機の回転数
を制御するインバータに設けられたスイッチング素子の
キャリア周波数を４kHz以上１０kHz以下にし、前記空気
調和機に設けた騒音検出手段の出力が基準値を超えたら
前記インバータのキャリア周波数を低下させることを特
徴とするインバータ付き空気調和機の制御方法。