CN1764812A - 制冷剂泄漏检测装置及使用其的冰箱 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种在使用可燃性制冷剂的冰箱中可确实应对压缩机的输入变动、提高制冷剂泄漏的检测精度的制冷剂泄漏检测装置。当在制冷循环中的低压侧出现制冷剂泄漏时，运转中的循环内压力因为负压而吸入空气，电功率上升。当该判定用瞬时电功率值Wi(t)的增加值超过增加基准值G1时，判定为低压侧泄漏。另外，当在制冷循环中的高压侧出现制冷剂泄漏时，随着运转中的循环内压力减少，电功率减少。当该判定用瞬时电功率值Wi(t)的减少值超过减少基准值G2时，判定为高压泄漏。

Description

制冷剂泄漏检测装置及使用其的冰箱

技术领域

本发明涉及一种使用可燃性制冷剂的冰箱。

背景技术

近年来，由于冰箱中使用的烃等制冷剂具有可燃性，所以在产生制冷剂泄漏时很可能会引发火灾等灾害，所以有必要在这种情况下也充分确保安全。

现有技术中，在变频(日文：インバ一タ)控制的冰箱中是如此对可燃性制冷剂进行制冷剂泄漏检测的：将压缩机的输入变化作为PWM驱动的占空(日文：デユ一テイ)变化进行监控，在压缩机转速为一定期问内，在占空相对于初始值超过某比率的阶段判断为从制冷循环的低压侧泄漏，在低于某比率的阶段判定为从制冷循环的高压侧泄漏(例如，参照日本专利特开2003-139446号公报)。

但是，如上所述用PWM驱动的占空值进行判定时，存在以下问题：

首先，因为AC输入电压变动时，占空会变化，所以存在正常时却可能出现错误检测的问题。

其次，如图9所示，相对于压缩机的输入变动，占空值的变化量较小，当增大用于判定的临界值时，存在错误检测为制冷剂泄露的可能性增高的问题，相反减小时则存在不能检测到制冷剂泄漏的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在使用可燃性制冷剂的冰箱中可确实应对压缩机的输入变动、提高制冷剂泄漏的检测精度的制冷剂泄漏检测装置。

技术方案1的制冷剂泄漏检测装置，特征在于包括：制冷循环，其至少具有由三相无刷DC电机驱动旋转的压缩机、冷凝器、蒸发器；变频电路，向所述无刷DC电机的定子线圈供给三相驱动电流；PWM电路，向所述变频电路供给PWM信号；驱动电流检测装置，检测所述三相驱动电流；dq转换装置，根据所述检测到的三相驱动电流，转换为作为对应于所述无刷DC电机的转子的磁通的电流成分的d轴电流和作为对应于所述无刷DC电机的转矩的电流成分的q轴电流；控制装置，根据所述转换后的d轴电流、q轴电流及从外部输入的速度指令信号，输出基准q轴电流和基准d轴电流；电压转换装置，将所述基准q轴电流和基准d轴电流转换为基准q轴电压和基准d轴电压；三相转换装置，将所述转换后的基准q轴电压和基准d轴电压转换为三相电压并输出至所述PWM电路；电功率值算出装置，从所述检测到的q轴电流和所述基准q轴电压的乘积算出电功率值；以及判定装置，从由所述电功率算出装置算出的电功率值中抽出基准电功率值，在该抽出经过规定时间后再抽出判定用电功率值，当所述基准电功率值与所述判定用电功率值的差超过规定值时，判定为制冷剂泄漏。

技术方案2的制冷剂泄漏检测装置，在技术方案1的制冷剂泄漏检测装置的基础上，特征在于所述无刷DC电机的转子的旋转是并用磁铁转矩和磁阻转矩的结构，是流过负的d轴电流的构成以得到最大转矩，所述电功率算出装置从所述检测到的d轴电流和基准d轴电压的乘积与所述检测q轴电流和基准q轴电压的乘积的和值算出电功率值。

技术方案3的制冷剂泄漏检测装置，在技术方案1的制冷剂泄漏检测装置的基础上，特征在于所述判定装置抽出所述基准电功率值后，每隔一定时间就抽出多个电功率值，将该多个抽出的电功率值取平均值，求得所述判定用电功率值。

技术方案4的冰箱，特征在于使用技术方案1至技术方案3中任一项所述的制冷剂泄漏检测装置。

技术方案5的冰箱，在技术方案4的冰箱的基础上，特征在于所述判定装置在判定为所述制冷剂泄漏时，一边继续冷却，一边临时停止设置在所述冰箱上的高电压元件，判定为所述制冷剂泄漏后，经过规定时间后，根据设置于所述冰箱上的温度传感器的检测温度，解除所述高电压元件的停止。

技术方案6的冰箱，在技术方案5的冰箱的基础上，特征在于根据所述冰箱的门开关的次数变更所述规定时间。

在技术方案1的制冷剂泄漏检测装置中，因为从检测到的q轴电流和基准q轴电压的乘积算出电功率值，从所述算出的电功率值抽出基准电功率值，并从该抽出经过规定时间后再抽出判定用电功率值，当所述基准电功率值和所述判定用电功率值的差超过规定值时，判定为制冷剂泄漏，所以可确实地判定制冷剂泄漏。

在技术方案2的制冷剂泄漏检测装置中，在转子为永久磁铁埋入型时，除磁铁转矩外，还产生由q轴方向的电感和d轴方向的电感的差引起的磁阻转矩，两者的合成转矩超过磁铁转矩。采用使电流相位相对于感应电压(q轴方向)超前的方法，以用该合成转矩最大的点进行驱动。由于此时流过负的Id，从而使电流相位前进，利用最大转矩，因此d轴也产生电功率。因此，电功率算出装置从检测到的d轴电流和基准d轴电压的乘积与检测q轴电流和基准q轴电压的乘积的和值算出电功率值。

在技术方案3的制冷剂泄漏检测装置中，在压缩机一周旋转中算出瞬时电功率值时会产生偏差。为防止该偏差，算出一周旋转中或多周旋转的瞬时电功率值的平均值。

在技术方案4的冰箱中，可适用于使用可燃性制冷剂的冰箱的制冷剂泄漏检测装置。

在技术方案5的冰箱中，因为在较早阶段判断为有制冷剂泄漏的可能性，停止周围气体浓度达到可燃范围、与元件不良重叠时可能着火的高压电气元件，所以通常可一边继续冷却，一边确保发生万一时候的安全，且在错误地检测到制冷剂泄漏时，也可迅速且确实地恢复正常运转。

技术方案6的冰箱可根据利用温度判断冰箱状态前的门开关次数，变更利用温度传感器进行判定前的时间，可确实地判断冷却性能的状况。

附图说明

图1是表示本发明一个实施例的冰箱的剖视图。

图2是本实施例的冰箱的制冷循环图。

图3是低压泄漏时的电功率变化。

图4是高压泄漏时的电功率变化。

图5是本实施例的冰箱的方框图。

图6是从三相进行αβ变化的矢量图。

图7是从αβ进行dq变化的矢量图。

图8是表示压缩机输入实测值和电功率值Wi的关系的图。

图9是表示传统的压缩机输入实测值和占空值的关系的图。

具体实施方式

下面说明本发明的一个实施例的冰箱1。

(1)冰箱1的构成

首先，参照图1和图2对冰箱1的构成进行说明。

图1是表示本实施例的冰箱1的剖视图，图2是冰箱1的制冷循环。

冷藏室1的壳体由绝热箱体9和内箱8形成，由绝热隔壁2划分为冷藏温度带30和冷冻温度带31，两温度带30、31的冷气完全独立，各冷气没有混合。

冷藏温度带30的箱内由冷藏隔板3划分为冷藏储藏室4和蔬菜室5，冷冻温度带31的箱内由第一冷冻室6和第二冷冻室7构成，各室分别具有开关门4a、5a、6a、7a。另外，在冷藏储藏室4内配置有用于检测箱内温度的温度传感器(以下称作R传感器)34以及除臭装置35。作为该除臭装置35使用高电压元件，例如，可采用在一对电极间配置光触媒，在该电极间进行放电，从而产生臭氧进行除臭的方式。

在蔬菜室5的背面配置有冷藏室用蒸发器10和冷藏室用冷却风扇11，冷藏室冷却用风扇11由于箱内温度变动、或门的开关而任意进行运转。并且，冷藏储藏室4的背面是用于将冷气向冷藏温度带30内供给的冷气循环路18。在冷冻室用蒸发器12的下部配置有除霜加热器26。

冷冻室用蒸发器12和冷冻室用冷却风扇13配置于第一冷冻室6和第二冷冻室7的后壁上，通过冷气循环冷却第一冷冻室6和第二冷冻室7。

冰箱1的后壁下部的机械室14内分别配置有构成如图2所示的制冷循环的压缩机15、冷凝器21，从压缩机15排出的可燃性制冷剂通过冷凝器21后，由切换阀22的可燃性制冷剂切换机构交替地切换可燃性制冷剂流路，从而可交替实现冷冻模式和冷藏模式。

在切换阀22的一个出口依次连接有冷藏毛细管23和冷藏室用蒸发器10，在切换阀22的另一个出口依次连接有冷冻毛细管24和冷冻室用蒸发器12，在冷冻室用蒸发器12连接有蓄能器16。

采用上述构成的冰箱1的话，由切换阀22切换可燃性制冷剂流路，在对冷冻温度带31进行冷却时的冷冻模式下，可燃性制冷剂由冷冻毛细管24减压，进入冷冻室用蒸发器12，冷却冷冻温度带31后，重新返回压缩机15。

另一方面，在对冷藏温度带30进行冷却时的冷藏模式下，可燃性制冷剂由冷藏毛细管23减压，进入冷藏室用蒸发器10，冷却冷藏温度带30后，通过冷冻室用蒸发器12重新返回压缩机15，从而构成制冷循环。

冷冻模式(在图3、图4称作F冷却)时的可燃性制冷剂，依次流过冷冻毛细管24、冷冻室用蒸发器12、蓄能器16，通过冷冻室用冷却风扇13的运转，使冷气在箱内循环，对第一冷冻室6和第二冷冻室7进行冷却。

冷藏模式(在图3、图4称作R冷却)时，切换阀22进行切换，可燃性制冷剂流路从冷冻温度带31侧向冷藏温度带30侧切换，可燃性制冷剂流至冷藏室用蒸发器10，通过冷藏室用风扇11的运转，对冷藏储藏室4和蔬菜室5进行冷却。

(2)冰箱1的电气系统的结构

参照图5的方框图，说明冰箱1的电气系统的结构。

如图5所示，包括：驱动压缩机15的三相无刷DC电机(以下称作压缩机电机)28、驱动该压缩机电机28的驱动装置(以下称作压缩机驱动装置)32、以及控制该压缩机驱动装置32的冰箱1的主控制部33。并且，在主控制部33连接有分别设置于各室4、5、6、7的门4a～7a上的门开关4b～7b。并且，在主控制部33还连接有除臭装置35、除霜加热器26、R传感器34。

首先，说明压缩机驱动装置32的结构。

压缩机驱动装置32由变频电路42、整流电路44、交流电源46、PWM形成部48、AD转换部50、dq转换部52、速度检测部54、速度指令输出部56、速度PI控制部58、q轴电流PI控制部60、d轴电流PI控制部62、三相转换部64构成。

使压缩机15旋转的压缩机电机28如上所述是三相无刷DC电机。变频电路42向该压缩机电机28的三相(u相、v相、w相)定子线圈40u、40v、40w流入三相的驱动电流。

该变频电路42是由6个作为电源转换半导体的晶体管Tr1～Tr6构成的全桥接变频电路。另外，虽在图中没有表示，但相对该转换晶体管Tr1～Tr6反向并联有二极管。并且，与转换晶体管Tr1和Tr4串联有用于检测驱动电流的检测电阻R1，与转换晶体管Tr2和Tr5串联有检测电阻R2，与转换晶体管Tr28和Tr6串联有检测电阻R28。

整流电路44从作为商用电源(AC100V)的交流电源46得到供给的交流电压，并将其整流供给至变频电路42。

PWM形成部向6个转换晶体管Tr1～Tr6的栅极端子供给PWM信号。PWM形成部48根据后面说明的三相电压Vu、Vv、Vw进行脉宽调制，在规定的时间使各转换晶体管Tr1～Tr6打开/关闭(ON/OFF)。

AD转换部50检测检测电阻R1、R2、R28的电压值，将各相的电压值从模拟值转换为数字值，输出三相驱动电流Iu、IV、Iw。

dq转换部52将从AD转换部50输出的驱动电流Iu、Iv、Iw转换为作为对应于磁通的电流成分的d轴(direct-axis)电流Id和作为对应于压缩机电机28的转矩的电流成分的q轴(quadrature-axis)电流Iq。

如式(1)所示，该转换方法将三相的Iu、Iv、Iw转换为二相的Iα、Iβ。图6是表示该三相电流与二相电流的关系的矢量图。

                             (1)

接着，将如此转换的二相电流Iα、Iβ使用式(2)转换为q轴电流Iq和d轴电流Id。该二相驱动电流与转换(检测)的q轴电流Iq及d轴电流Id具有图7的矢量图所示的关系。

                              (2)

在速度检测部54根据检测到的q轴电流Iq和d轴电流Id检测压缩机电机28的旋转角θ和旋转速度ω。根据q轴电流和d轴电流求出作为压缩机电机28的转子的位置的旋转角θ，对该θ进行微分从而求得旋转速度ω。

在冰箱1的主控制部33，根据从dq转换部52送来的q轴电流Iq输出速度指令信号S。

速度指令输出部56根据来自主控制部33的速度指令信号S和来自速度检测部54的旋转速度ω输出基准旋转速度ωref。基准旋转速度ωref与现在的旋转速度ω一起输入至速度PI控制部58。

在速度PI控制部58根据基准旋转速度ωref和现在的旋转速度ω的差分量进行PI控制，输出基准q轴电流Iqref和基准d轴电流Idref，与现在的q轴电流Iq和现在的d轴电流Id一起分别输出至q轴电流PI控制部60和d轴电流PI控制部62。

在q轴电流PI控制部60，进行PI控制的同时进行电流/电压转换，输出基准q轴电压Vq。

在d轴电流PI控制部62，进行PI控制的同时进行电流/电压转换，输出基准d轴电压Vd。

在三相转换部64，首先根据式(3)将基准d轴电压Vd和基准q轴电压Vq转换为二相电压。

                           (3)

根据式(4)将该转换的二相电压Vα、Vβ转换为三相电压Vu、Vv、Vw。

                           (4)

将该转换的三相电压Vu、Vv、Vw输出至前面所述的PWM形成部48。

利用上面的压缩机驱动装置32，根据检测到的d轴电流Id和q轴电流Iq检测旋转速度，根据该旋转速度ω和来自主控制部的速度指令信号S进行反馈控制，从PWM形成部48将PWM信号输出至变频电路42，以使压缩机电机28以与速度指令信号S一致的旋转速度ωref进行旋转。变频电路42据此将三相驱动电流输出至压缩机电机28的三相定子线圈40。

(3)电功率算出方法

下面对电功率的算出方法进行叙述。

电功率由dq轴算出。当转子的永久磁铁为表面型时，因为控制Id＝0时效率最大，所以仅在q轴方向产生电功率。因此，压缩机电机28的瞬时电功率Wi从检测到的q轴电流Iq(t)和基准q轴电压Vq(t)的乘积求得。即，可用式(5)算出。

Wi(t)＝Iq(t)×Vq(t)         (5)

并且，将瞬时电功率Wi(t)发送至主控制部33。如图8所示，瞬时电功率Wi(t)与压缩机电机28的输入实测值一致。

另外，因为压缩机输入由制冷循环的负载决定，所以AC电压不会产生影响。

(4)可燃性制冷剂泄漏时的变动

在此，对在使用可燃性制冷剂的制冷循环运转中可燃性制冷剂泄漏时的瞬时电功率值Wi(t)的变动进行说明。

图3表示可燃性制冷剂从制冷循环中的低压侧泄漏时的电功率变化。

当在制冷循环中的低压侧出现制冷剂泄漏时(图3的F冷却②)，运转中的循环内压力为负压而吸入空气，电功率上升。当该判定用瞬时电功率值Wi(t)的增加值超过规定值(以下称作增加基准值G2)时，判定为低压侧泄漏。

当在制冷循环中的高压侧产生制冷剂泄漏时(图4的R冷却②)，随着运转中的循环内压力减少，电功率也减少。当该判定用瞬时电功率值Wi(t)的减少值超过规定值(以下称作减少基准值G1)时，判定为高压泄漏。

(5)第1制冷剂泄漏判定方法

下面对制冷剂泄漏的判定方法进行说明。

主控制部33监控送来的瞬时电功率值Wi(t)，进行制冷剂泄漏的判定。

(5-1)高压侧的制冷剂泄漏

压缩机15起动后经过数分钟，存储基准电功率值Wi(t0)。其后隔一定间隔比较实际电功率值Wi(t)和基准电功率值Wi(t0)。并且，当判定用电功率值Wi(t)相对于基准电功率值Wi(t0)超过减少基准值G1时，进行高压泄漏判定。即，为式(6)。

Wi(t0)-Wi(t)＞G1        (6)

高压泄漏时，因为可燃性制冷剂逐渐泄漏，所以压缩机15的负载降低，电功率极其低。判定为高压泄漏后，例如停止压缩机15。

相对于所述基准电功率值的减少基准值根据实验设定为：正常时不会下降该减少基准值，而制冷剂泄漏时可进行判定。

(5-2)低压侧的制冷剂泄漏

压缩机15的转速达到指定的转速后经过数分钟，存储基准电功率值Wi(t0)。例如，制冷循环从冷冻温度带31切换到冷藏温度带30后，再次设定基准电功率值Wi(t0)。

其后，隔一定间隔比较判定用电功率值Wi(t)和基准电功率值Wi(t0)。并且当判定用电功率值Wi(t)相对于基准电功率值Wi(t0)超过增加基准值G2时进行低压泄漏判定。即，为式(7)。

Wi(t)-Wi(t0)＞G2        (7)

低压泄漏判定时，因吸入空气所以输入剧增。相对于基准电功率值Wi(t0)的比率根据实验设定为：正常时不会上升到该比率，制冷剂泄漏时可确实地进行判定。高压泄漏判定后例如停止高电压元件的驱动。

(6)第2制冷剂泄漏判定方法

当转子为永久磁铁埋入型时，除磁铁转矩外，还产生由q轴方向的电感和d轴方向的电感的差引起的磁阻转矩，两者的合成转矩超过磁铁转矩。

采用使电流相位相对于感应电压(q轴方向)超前的方法，以用该合成转矩最大的点进行驱动。由于此时流过负的Id，从而使电流相位前进，活用最大转矩，因此d轴也产生电功率。

此时压缩机电机28的瞬时电功率值Wi(t)的计算方法如下：

Wi(t)＝Iq(t)×Vq(t)+Id(t)×Vq(t)        (8)

使用上述瞬时电功率值Wi(t)，与第一制冷剂泄漏判定方法相同地进行判定。

(7)第3制冷剂泄漏判定方法

在第1制冷剂泄漏判定方法和第2制冷剂泄漏判定方法中，因为电功率为瞬时电功率值Wi(t)，所以在压缩机15的一次旋转中会产生误差。

因此，算出一次旋转中或多次旋转的瞬时电功率值Wi(t)的平均值，并与基准电功率值Wi(t0)进行比较，与第1制冷剂泄漏判定方法相同地进行判定。

(8)判定为制冷剂泄漏后的控制方法

(8-1)第1控制方法

如上所述，判定为制冷剂泄漏时(以下称作第1阶段的判定)，主控制部33强制停止除臭装置35、除霜加热器36等高电压元件的驱动，确保安全。

并且，当在第1阶段的判定中判定为制冷剂泄漏后，主控制部33进行第2阶段的判定。该第2阶段的判定在第1阶段的判定后，经过一定的时间(例如12个小时)或设定的交替冷却次数(例如3次)后，当R传感器34检测到冷冻室温度在设定温度以下时，判断没有制冷剂泄漏，主控制部33解除所述高电压元件的停止，如果在设定温度以上时，判断存在制冷剂泄漏。

进行该第2阶段的判定的理由是：当冰箱内部收纳有很多食品或热容量较大的食品时，箱内温度上升，压缩机15的负载变大，此时即使在第1阶段将该状态错误地检测为制冷剂泄漏，在第二阶段如果箱内温度下降也可判定为制冷剂没有泄漏，可稳定地进行制冷剂泄漏的检测。

(8-2)第2控制方法

主控制部33判定为制冷剂泄漏后，当门开关4b～7b检测到门开关次数超过规定次数(例如3次)或开门时间超过规定时间(例如3分钟)时，判断为即使万一可燃性制冷剂泄漏向外部流出浓度也十分稀薄，可缩短利用R传感器34进行判定前的时间，此时，可缩短恢复冰箱的正常运转前的时间。

(8-3)第3控制方法

与第2控制方法相反，当门开关4b～7b检测到门开关次数超过规定次数时，因为打开门使箱内冷却性能恶化，所以可延长利用R传感器进行判定前的时间(例如延长一个小时)，此时，可防止由开门温度上升引起的错误检测，可更加确实地进行制冷剂泄漏检测。

(8-4)第4控制方法

当除霜加热器26为管加热器或发热温度较低的防爆结构时，即使判定为制冷剂泄漏，也不会停止控制，通过在利用R传感器34进行判定之前对冷冻室用蒸发器12进行除霜，从而不会受到因蒸发器的着霜恶化而引起的箱内冷却性能恶化的影响，可更加确实地进行制冷剂泄漏检测。此时，在利用R传感器34进行温度检测时，为防止因除霜后的温度上升而引起的错误检测，而可在除霜结束后经过规定时间后(例如6个小时后)进行检测。

(9)变形例

另外，由温度传感器检测的温度除由R传感器34检测的冷冻室温度外，也可为冷藏室温度、冷冻室用蒸发器温度、冷藏室用蒸发器温度、切换室温度、制冰室温度等，主要是可判断冰箱1的冷却性能的部位即可。

[产业上的可利用性]

本发明的制冷剂泄漏检测装置可在家庭用冰箱或空调机的压缩机上使用。

Claims (6)

1、一种制冷剂泄漏检测装置，其特征在于包括：

制冷循环，其至少具有由三相无刷DC电机驱动旋转的压缩机、冷凝器、蒸发器；

变频电路，向所述无刷DC电机的定子线圈供给三相驱动电流；

PWM电路，向所述变频电路供给PWM信号；

驱动电流检测装置，检测所述三相驱动电流；

dq转换装置，根据所述检测到的三相驱动电流，转换为作为对应于所述无刷DC电机的转子的磁通的电流成分的d轴电流和作为对应于所述无刷DC电机的转矩的电流成分的q轴电流；

控制装置，根据所述转换后的d轴电流、q轴电流及从外部输入的速度指令信号，输出基准q轴电流和基准d轴电流；

电压转换装置，将所述基准q轴电流和基准d轴电流转换为基准q轴电压和基准d轴电压；

三相转换装置，将所述转换后的基准q轴电压和基准d轴电压转换为三相电压并输出至所述PWM电路；

电功率值算出装置，从所述检测到的q轴电流和所述基准q轴电压的乘积算出电功率值；以及

判定装置，从由所述电功率算出装置算出的电功率值中抽出基准电功率值，在该抽出经过规定时间后再抽出判定用电功率值，当所述基准电功率值与所述判定用电功率值的差超过规定值时，判定为制冷剂泄漏。

2、如权利要求1所述的制冷剂泄漏检测装置，其特征在于，所述无刷DC电机的转子的旋转是并用磁铁转矩和磁阻转矩的结构，为流过负的d轴电流的构成以得到最大转矩，

所述电功率算出装置从所述检测到的d轴电流和基准d轴电压的乘积与所述检测q轴电流和基准q轴电压的乘积的和值算出电功率值。

3、如权利要求1所述的制冷剂泄漏检测装置，其特征在于，所述判定装置抽出所述基准电功率值后，每隔一定时间就抽出多个电功率值，将该多个抽出的电功率值取平均值，求得所述判定用电功率值。

4、一种使用权利要求1至3中任一项所述的制冷剂泄漏检测装置的冰箱。

5、如权利要求4所述的冰箱，其特征在于，所述判定装置在判定为所述制冷剂泄漏时，一边继续冷却，一边临时停止设置在所述冰箱上的高电压元件，

判定为所述制冷剂泄漏后，经过规定时间后，根据设置于所述冰箱上的温度传感器的检测温度，解除所述高电压元件的停止。

6、如权利要求5所述的冰箱，其特征在于，根据所述冰箱的门开关的次数变更所述规定时间。

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