JP2005214486A

JP2005214486A - 冷蔵庫

Info

Publication number: JP2005214486A
Application number: JP2004020909A
Authority: JP
Inventors: Hiroki Marutani; 裕樹丸谷; Kosaku Adachi; 幸作足立
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Consumer Marketing Corp; Toshiba Home Appliances Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Consumer Marketing Corp; Toshiba Lifestyle Products and Services Corp
Priority date: 2004-01-29
Filing date: 2004-01-29
Publication date: 2005-08-11

Abstract

【課題】本発明は、確実に圧縮機の起動を行うことができるとともに、起動時の騒音を防止する冷蔵庫を提供することを目的とする。
【解決手段】ブラシレスモータ１７で回転するレシプロ式の圧縮機１６と、この圧縮機１６を回転制御する駆動装置３２とを有し、この駆動装置３２は前記初期位置移動手段６６により圧縮機１７のピストン１０７を初期位置に移動させた後に、前記強制転流手段６６によりモータ１６を高速回転させ、ピストン１０７が上死点に至るまでに、強制転流から前記速度制御手段５６による速度制御に切り替えて駆動させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ブラシレスモータで回転するレシプロ式の圧縮機を備えた冷蔵庫に関係し、特に圧縮機の起動制御に関する。

従来より、レシプロ式の圧縮機は冷蔵庫などの冷凍サイクルに採用されている。この種の圧縮機は、モータの回転軸に対し偏心形成されたクランクピンにクランクが接続されており、シリンダ内を摺動するピストンが、このクランクとボールジョイント機構により連結され、モータの回転によりこのピストンがシリンダ内を往復し、冷媒の圧縮と吸込が繰り返されて、冷凍サイクル内の冷媒が循環されるようになっている（例えば、特許文献１）。

一方、このような圧縮機のモータを制御する方法としてベクトル制御が採用されている。このベクトル制御は、三相通電により回転子を回転させているため、誘起電力による位置検出を行うことができず、各相に設けたシャント抵抗間に流れる電流値により位置検出してモータを速度制御している。

一般的に、１０Ｈｚ／ｓ以上の回転速度に達しないと、正確に回転子の位置を検出できないことから、モータの起動時は、回転子が正常に回転しているものと見做して回転させる強制転流によって４０Ｈｚ／ｓ^２程度の加速度で回転させ、一定の回転速度に達した後に速度制御に切り替えるようになっている。なお、先行技術文献ではないが関連する先行出願としては、特願２００３−３２９１５２号が挙げられる。
特開２００３−２１４３４３号公報

しかしながら、ピストンが上死点に達するときには、特に回転子にかかる負荷が大きくなるため、位置検出をしない強制転流により回転させると、実際の回転子には遅れが発生し、この結果、回転子のトルクが弱まり、上死点を越えることができず脱調することがあった。

また、一般的に、回転子の速度変化が大きいと振動が発生し、この振動により回転子を固定するフレームがケース本体に衝突してコツコツ音が発生する。この場合、回転子が上死点を越えたとしても、上死点に達する直前と直後では回転子にかかる負荷が大きく相違するため、上死点の前後で回転子に速度変化が生じて、コツコツ音が発生することがあった。

本発明はこの点に着目してなされたもので、確実に圧縮機の起動を行うことができるとともに、起動時の騒音を防止する冷蔵庫を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の冷蔵庫は、ブラシレスモータで回転するレシプロ式の圧縮機と、この圧縮機を回転制御する駆動装置とを有し、この駆動装置は、交流電源を直流電力に変換する整流回路と、この整流回路からの電力を交流電力に変換しモータに電流を供給するインバータ回路と、このインバータ回路を介してモータを初期位置に回転移動させる初期位置移動手段と、前記インバータ回路を介して強制転流によりモータを高速回転させる強制転流手段と、前記モータに流れる電流を検出する電流検出手段と、検出された電流に基づいて前記インバータ回路を制御してモータを速度制御する速度制御手段とを備え、前記圧縮機の起動時は、前記初期位置移動手段により圧縮機のピストンを初期位置に移動させた後に、前記強制転流手段によりモータを高速回転させ、ピストンが上死点に至るまでに、強制転流から前記速度制御手段による速度制御に切り替えて駆動させることを特徴とする。

上記発明によれば、確実に圧縮機の起動を行うことができるとともに、起動時の騒音を防止する冷蔵庫を提供することができる。

以下、図面に基づき本発明の１実施例について説明する。本発明に係る冷蔵庫の縦断面図である図２に示すように、冷蔵庫本体１は断熱箱体２内に、上段から順に、冷蔵室３、野菜室４、切替室５、冷凍室６を有して構成されており、本体１の前面開口部には、上段から順に、各貯蔵室３〜６をそれぞれ開閉自在に閉塞する扉７〜１０を設けている。なお、特に図示しないが製氷室を切替室５と併設させている。

冷蔵室３の背面および冷凍室６の背面には、それぞれ冷凍サイクルを構成する冷蔵室用冷却器１２（以下、Ｒエバと称する。）、冷凍室用冷却器１４（以下、Ｆエバと称する。

）を設けており、その上部には、それぞれ冷蔵室用ファン１１（以下、Ｒファンと称する。）、冷凍室用ファン１３（以下、Ｆファンと称する。）を設けている。各ファン１１，１３が運転されると、Ｒエバ１２およびＦエバ１４により生成された冷気が各室に供給され、各室の設定温度に応じて冷却を行っている。

本体１の背面底部には機械室１５を設けており、内部には圧縮機１６および、後述する圧縮機１６のモータを制御する駆動装置３２などを設けている。図３は、圧縮機１６示す縦断面図であり、以下、圧縮機１６の構造について説明する。

圧縮機１６の密閉ケース１０１内の上下方向ほぼ中間部には、フレーム１０２をスプリング１０２ａを介して弾性的に支持しており、このフレーム１０２の上部側には圧縮機構部１０３と、下部側にはモータ１７とを設けている。また、フレーム１０２の中心部には枢支用孔１０２ｂを設け、主軸である回転軸１０５を回転自在に嵌め込んでいる。

この回転軸１０５の上端部には、フレーム１０２上面に摺動自在に載る鍔部１０５ａを一体に形成し、この鍔部１０５ａの上部には、回転軸１０５の中心軸に対して偏心させたクランクピン１０５ｂを連設している。このため、回転軸１０５が回転駆動すると、鍔部１０５ａはフレーム１０２上面に摺接した状態で回転し、クランクピン１０５ｂは回転軸１０５の回転に対して偏心回転するようになっている。

１０６は、上記圧縮機構部１０３を構成するシリンダであり、内部をピストン１０７が摺動自在に往復運動できるようにシリンダ室１０８を形成している。ピストン１０７は、クランク１０９の一端とボールジョイント機構部１１０を介して連結されており、クランク１０９の他端１１１は、クランクピン１０５ｂと回転自在に嵌め込まれている。このため、クランクピン１０５ｂの偏心回転に伴い、クランク１０９がボールジョイント機構部１１０を支点として揺動運動をなすことができ、ピストン１０７はシリンダ室１０８において往復運動する。

また、シリンダ１０６の左端には、弁機構１１５を設けており、図示しない吸込室と吐出室を介して冷媒ガスを吸い込み、シリンダ室１０８で圧縮された高圧ガスを冷凍サイクル内に吐出するようになっている。

前記モータ１７は、フレーム１０２から下方に突出する回転軸１０５に嵌着させた回転子１１７と、この回転子１１７の周面と狭小の隙間を介在させ、フレーム１０２に固定された固定子１１８とから構成されている。

また、モータ１７の説明図である図４に示すように、モータ１７は、ブラシレスＤＣモータであり、三相６スロット４極モータであり、三相６スロットの固定子１１８の内周側で、４極の回転子１１７が回転するようになっている。

次に、圧縮機１６の動作について説明する。モータ１７に通電して回転軸１０５を回転駆動させると、クランクピン１０５ｂが一体に偏心回転する。この偏心回転に応じて、ピストン１０７がクランク１０９とボールジョイント機構部１１０を介して、シリンダ室１０８内を往復運動する。

また、密閉ケース１０１内には各エバ１２、１４で蒸発した冷媒ガスが導かれ、この冷媒ガスは、ピストン１０７が下死点に向けて移動（吸込工程）すると、弁機構１１５を介してシリンダ室１０８に吸い込まれる。

逆にピストン１０７が上死点に向けて移動（圧縮工程）すると、冷媒ガスは圧縮され、弁機構１１５を介して吐出管から冷凍サイクルに導かれるようになっている。こうして、モータ１７の回転により圧縮工程と吸込工程が繰り返されることによって、冷凍サイクル内の冷媒が循環され、室内を冷却するようになっている。

次に、モータ１７を回転制御する駆動装置３２について説明する。制御ブロック図を示す図１に示すように、インバータ回路４２と、整流回路４４と、交流電源４６と、ＰＷＭ形成部４８と、ＡＤ変換部５０と、ｄｑ変換部５２と、速度検出部５４と、速度指令出力部５６と、速度ＰＩ制御部５８と、ｑ軸電流ＰＩ制御部６０と、ｄ軸電流ＰＩ制御部６２と、三相変換部６４と、初期パターン出力部６６より構成されている。

モータ１７を回転させる場合には、モータ１７の三相（ｕ相、ｖ相、ｗ相）の固定子巻線４０ｕ、４０ｖ、４０ｗにインバータ回路４２が三相の駆動電流を流す。このインバータ回路４２は、６個のパワースイッチング半導体であるスイッチングトランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６より構成されたフルブリッジインバータ回路であり、スイッチングトランジスタＴｒ１とＴｒ４、Ｔｒ２とＴｒ５、Ｔｒ３とＴｒ６にはそれぞれ直列に駆動電流を検知するための検知抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３が接続されている。

整流回路４４は商用電源（ＡＣ１００Ｖ）である交流電源４６からの交流電圧を整流してインバータ回路４２に供給する。

ＰＷＭ形成部４８は、６個のスイッチングトランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６のゲート端子にＰＷＭ信号を出力し、後述する三相の電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗに基づいてパルス幅変調を行い、所定のタイミングで各スイッチングトトランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６をＯＮ／ＯＦＦする。

ＡＤ変換部５０は、シャント抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３における電圧値を検知して、各相の電圧値をアナログ値からデジタル値に変換し、三相の駆動電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを出力する。

ｄｑ変換部５２は、ＡＤ変換部５０から出力された駆動電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを、磁束に対応した電流成分であるｄ軸（direct-axis）の電流Ｉｄと、モータ１７のトルクに対
応した電流成分であるｑ軸（quadrature-axis）の電流Ｉｑに変換する。この変換方法は
、（１）式に示すように、三相のＩｕ、Ｉｖ、Ｉｗを２相のＩα、Ｉβに変換する。この三相の電流と二相の電流との関係を表したベクトル図が図５である。

次に、このように変換した二相の電流Ｉα、Ｉβをｑ軸電流Ｉｑとｄ軸電流Ｉｄに（２）式を用いて変換する。この二相の駆動電流と変換したｑ軸電流Ｉｑとｄ軸電流Ｉｄとの関係は図６に示すベクトル図のような関係を有する。

速度検出部５４では、検知したｑ軸電流Ｉｑとｄ軸電流Ｉｄに基づいて、モータ１７の回転角θと回転速度ωを検出する。ｑ軸電流とｄ軸電流に基づいてモータ１７の回転子１１７の位置である回転角θを求め、このθを微分することにより回転速度ωを求める。

冷蔵庫１の主制御部３３では、ｄｑ変換部５２から送られてきたｑ軸電流Ｉｑに基づいて速度指令信号Ｓを出力する。

速度指令出力部５６は、主制御部３３からの速度指令信号Ｓと、速度検出部５４からの回転速度ωに基づいて基準回転速度ωｒｅｆを出力する。基準回転速度ωｒｅｆは、現在の回転速度ωと共に速度ＰＩ制御部５８に入力される。

速度ＰＩ制御部５８では、基準回転速度ωｒｅｆと現在の回転速度ωとの差分量に基づいてＰＩ制御を行い、基準ｑ軸電流Ｉｒｅｆと基準ｄ軸電流Ｉｄｒｅｆを出力し、現在のｑ軸電流Ｉｑと現在のｄ軸電流Ｉｄと共にｑ軸電流ＰＩ制御部６０とｄ軸電流ＰＩ制御部６２にそれぞれ出力する。

ｑ軸電流ＰＩ制御部６０およびｄ軸電流ＰＩ制御部６２では、それぞれＰＩ制御を行うと共に電流／電圧変換を行い、基準ｑ軸電圧Ｖｑおよび基準ｄ軸電圧Ｖｄを出力する。

三相変換部６４では、基準ｄ軸電圧Ｖｄと基準ｑ電圧Ｖｑを、まず二相の電圧に（３）式に基づいて変換する。

この変換された二相の電圧Ｖα、Ｖβを、三相の電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗに（４）式に基づいて変換する。

この変換された三相の電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗを前記したＰＷＭ形成部４８に出力する。

このような駆動装置３２によれば、検知したｄ軸電流Ｉｄとｑ軸電流Ｉｑに基づいて回転速度を検知し、この回転速度ωと、主制御部からの速度指令信号Ｓに基づいて速度制御（フィードバック制御）を行い、速度指令信号Ｓに合わせた回転速度ωｒｅｆでモータ１７が回転するようにＰＷＭ形成部４８からのＰＷＭ信号をインバータ回路４２に出力する。インバータ回路４２は、この信号に基づいて、三相の駆動電流をモータ１７の三相の固定子巻線４０に出力して回転子１１７の回転を制御している。

そして、初期パターン出力部６６には、圧縮機１６を起動させる際の回転パターンが設定されており、起動時には、この設定されたパターンに応じて運転を開始するようになっており、定数としては、回転初期位置電流Ｉｄinit、Ｉｑinit、始動ｄ軸電流Ｉｄinit、始動ｑ軸電流Ｉｑinitが予め設定されている。

次に、圧縮機１６の停止状態から運転を開始させる際の起動制御（初期パターン）について、図７〜９を参照して説明する。

圧縮機１６を停止状態から通常の速度制御で回転制御するためには、初期位置移動ステップ（初期位置移動手段）と、強制転流ステップ（強制転流手段）と、速度制御ステップ（速度制御手段）とを順次切り替えて行うようになっている。

初期位置移動ステップでは、主制御部３３から圧縮機１６の駆動指令が初期パターン出力部６６に出力されると、この初期パターン出力部６６が速度ＰＩ出力部に所定時間、例えば３秒間に亙って回転初期位置電流Ｉｄinit、Ｉｑinitを徐々に増加させて、回転子１１７を初期位置に回転移動させる。

この場合、回転子１１７を初期位置に停止させておく必要があるため、回転初期位置電流Ｉｑinitはゼロとしている。

また、初期位置は、図８に示すようにピストン１０７の圧縮上死点−下死点を結ぶ線を基準としてθinitをほぼ４５°回転させた位置としていることが好ましい。これは、例えば、本実施例のように三相４極のモータ１７であると、圧縮機１６を停止させた時の回転子１１７の停止位置によって初期位置が１８０°変わるため、どちら側からでも確実に始動できるようにするためである。すなわち、例えば、θinitをほぼ０°とすると上死点の直前からモータ１７を開始させることがあり、起動を開始して回転子１１７のトルクが十分に得られる前に上死点の直前から回転させると、この上死点では回転子１１７にかかるトルクが大きいことから、上死点を乗り越えることができず、脱調する恐れがあるからである。

なお、２極３スロットのように、初期位置を確実に特定できる場合には、θinitを０°として、図７に示すように下死点の近傍に初期位置を設定してもよい。

次に強制転流ステップでは、初期位置移動ステップ後に、予め設定した速度、ここでは１５０Ｈｚ／ｓ^２となるように加速回転させる。具体的には、固定した始動ｄ軸電流を出力し、位置検出ができないことから回転子１１７が正常に回転しているものと見做して加速回転させる。したがって、速度制御、すなわちｑ軸方向の制御は行っておらず、始動ｑ電流Ｉｑinitはゼロとしている。そして、回転子１１７が、予め設定されているパターン上、速度制御への切替速度、ここでは１０Ｈｚ／ｓに到達するまで強制転流を行う。

次に速度制御ステップでは、強制転流ステップにおいて、予め設定されている切替速度、ここでは回転子１１７を回転させたと見做して、上述したように検知したｄ軸電流Ｉｄとｑ軸電流Ｉｑに基づいて回転速度（回転子１１７の回転位置）を検知し、この回転速度ωと、主制御部からの速度指令信号Ｓに基づいて速度制御（フィードバック制御）を行い、速度指令信号Ｓに合わせた回転速度ωｒｅｆでモータ１７が回転するようにＰＷＭ形成部４８からのＰＷＭ信号をインバータ回路４２に出力する。インバータ回路４２は、この信号に基づいて、三相の駆動電流をモータ１７の三相の固定子巻線４０に出力して、回転子１１７の回転制御を行うようになっている。

ここで、従来と本発明の強制転流の相違点について説明する。従来の強制転流では、４０Ｈｚ／ｓ^２程度の加速度になるように回転子を低速で加速させていた。これは、一般的に商用電源の周波数が５０Ｈｚ又は６０Ｈｚであることから、回転子の速度もほぼこれに順ずることが適当とされ、また、一般常識として、加速度を高くするほど回転子に遅れが発生し、起動失敗する確率が高くなるという観念があったからである。

さて、回転子の速度が切替速度に到達したものと見做すときには、上記したように低速で加速させると、回転子はほぼ２回転する。この場合、回転子が１回転目の上死点を越えたとしても、圧縮工程を経ているため圧縮機の吸込側と吐出側との配管内で圧力差が生じ、２回転目の上死点では、回転子に掛かる負荷が１回転目よりも大きくなるため、回転子のトルクが及ばず、脱調することがある。もちろん、圧縮機の吸込側と吐出側との配管内で圧力差が生じている場合には、１回転目の上死点において脱調することもある。

また、一般に、回転子の速度変化量が大きいと振動が発生し易くなるため、回転子を保持するフレームが本体と衝突してコツコツ音が生じることが知られているが、上死点の前後、すなわち圧縮工程と吸込工程とではピストンにかかる負荷が異なるにも拘わらず、強制転流では一律に回転子を回転させようとするため、回転子に大きな速度変化が生じ、上記した騒音が生じる。

そこで、強制転流においては脱調の生じやすい上死点、本発明では、一回目の上死点を越えるまでに、強制転流から速度制御に切り替えることにより、回転子の脱調や騒音を防止することができる。

具体的には、上記した初期位置からでは、実験により約１５０Ｈｚ／ｓ^２以上の加速度であれば、図９に示すように上死点に達するまでに、回転子１１７を切替速度まで到達させることができることを確認した。しかしながら、単に回転速度を速くしても、指令速度に対して回転子１１７の回転に遅れが発生して脱調する恐れがあるため、出願人は、一般の冷蔵庫の冷凍サイクルに接続した東芝キヤリア社製の圧縮機（ＤＺ９９ＹＥ）を用いて、圧力差があって外気温が高く起動失敗が起こりやすい条件（低圧側と高圧側との圧力差を０．３ＭＰａ、外気温を３５℃）で、適宜選択した強制転流時初期速度における起動失敗回数を計測した。

この結果、図１０に示すように、４０Ｈｚ／ｓ^２の加速度から６０Ｈｚ／ｓ^２にかけて起動成功の確率は低くなっていくが、９０Ｈｚ／ｓ^２あたりから急激に起動成功確率が高くなり、１２０Ｈｚ／ｓ^２から１７０Ｈｚ／ｓ^２にかけてはほぼ成功確率が１００％となった。また、１７０Ｈｚ／ｓ２からは成功確率が低下していることが分かる。

このため、１５０Ｈｚ／ｓ^２前後の加速度で回転子１１７を回転させると、成功確率が極めて高く、本実施例の初期位置から強制転流を開始させても、１回目の上死点に到達するまでに、速度制御に切り替えることができるため、確実に圧縮機１６の起動時における脱調や騒音を防止することができる。

さらに、上死点と下死点を結ぶ線を基準として４０°から５０°回転した位置を初期位置とすれば、３相６スロット４極モータのように初期位置を一箇所に特定できない場合であっても、初期位置から上死点までに一定距離を確保することができ、もって、上死点に到達するまでに確実に強制転流から速度制御に切り替えることができる。

なお、上述した構成は、本発明の一実施例であり種々の変更が可能である。例えば、本実施例では、１シリンダの圧縮機について説明したが、低段側と高段側の圧縮部を有するいわゆる２段圧縮機においても適用可能である。２段圧縮機においては、低段側と高段側の圧縮部をそれぞれ交互に圧縮工程と吸込工程を行うが、低段側の圧縮よりも高段側の圧縮の方がピストンにかかる負荷が大きいため、高段側の圧縮時を上死点とすることにより、起動時の脱調や騒音を防止することができる。

また、本実施例では、初期位置を上死点と下死点を結ぶ線を基準として４０°から５０°回転した位置としているが、下死点など適宜変更してもよく、この場合、１２０Ｈｚ／ｓ^２〜１７０Ｈｚ／ｓ^２の範囲内であれば、強制転流の速度も変更することが好ましい。

さらに、本実施例では、ベクトル制御を用いて説明したが、言うまでもなく通常のインバータ制御でも、同様の効果を奏することができる。

本発明は、確実に圧縮機の起動を行うことができるとともに、起動時の騒音を防止する冷蔵庫を提供ができ、様々な冷蔵庫に適応可能である。

本発明の制御ブロック図である。本発明の冷蔵庫を示す縦断面図である。本発明の圧縮機を示す縦断面図である。図３の圧縮機のモータを示す説明図である。三相からαβ変化を行うベクトル図である。 αβからｄｑ変化を行うベクトル図である。図３の圧縮機の回転子が下死点にいる位置を示す説明図である。図３の圧縮機の回転子が初期位置にいる位置を示す説明図である。図３の圧縮機の回転子が速度制御に切り替わる位置を示す説明図である。強制転流時の回転子速度と起動の成功確率を示すグラフである。

符号の説明

１…冷蔵庫本体１６…圧縮機１７…モータ
３２…駆動装置３３…主制御部４２…インバータ回路
４８…ＰＷＭ形成部５２…ｄｑ変換部６４…三相変換部
６６…初期パターン出力部１０７…ピストン

Claims

ブラシレスモータで回転するレシプロ式の圧縮機と、この圧縮機を回転制御する駆動装置とを有し、この駆動装置は、交流電源からの交流電源を整流する整流回路と、この整流回路からの交流電力を直流電力に変換しモータに電流を供給するインバータ回路と、このインバータ回路を介してモータを初期位置に回転移動させる初期位置移動手段と、前記インバータ回路を介して強制転流によりモータを高速回転させる強制転流手段と、前記モータに流れる電流を検出する電流検出手段と、検出された電流に基づいて前記インバータ回路を制御してモータを速度制御する速度制御手段とを備え、前記圧縮機の起動時は、前記初期位置移動手段により圧縮機のピストンを初期位置に移動させた後に、前記強制転流手段によりモータを高速回転させ、ピストンが上死点に至るまでに、強制転流から前記速度制御手段による速度制御に切り替えて駆動させることを特徴とする冷蔵庫。
強制転流手段は、モータを１５０〜１７０Ｈｚ／ｓ^２の加速度で回転させることを特徴とする請求項１に記載の冷蔵庫。
初期位置は、上死点と下死点を結ぶ線を基準として４０〜５０°回転した位置であることを特徴とする請求項１または２に記載の冷蔵庫。