JP2004037078A - 冷凍冷蔵庫 - Google Patents

Abstract

【目的】消費電力量が少なく、電源の小型化に効果のある冷蔵庫を提供する。
【構成】圧縮機５を含む冷凍サイクルと、直流モータを含む複数の機器と、前記複数の機器を調節する制御回路１４と前記複数の機器と制御回路１４とに電力を供給するスイッチングレギュレータ１３とを備えた冷蔵庫であって、スイッチングレギュレータ１３の容量が、前記機器の全てと制御回路１４との電力の総量よりも小さく、かつ、前記複数の機器のうちスイッチングレギュレータ１３から電力が供給され、動作中の機器の容量と制御回路１４との電力の和よりも大きいものとした。
【効果】本発明によれば省電力化及び電源の小型化に効果のある冷蔵庫を提供することができる。
【選択図】　図１

Description

　本発明は電動送風機によって冷凍室、冷蔵室などの庫内に冷気を循環させる強制通風方式の冷凍冷蔵庫に於いて、特に省電力化を図ることに好適な冷蔵庫に関する。

　家庭内での冷蔵庫の占める電力使用率は一般的に約２０％といわれており、最も大きな消費量を持つ機器の１つである。近年省エネルギーが社会的に求められてきており、冷蔵庫についても省電力化の要求が強いにもかかわらず、内容積の増大に伴う消費電力量の増大がおこっている。従って、消費電力の増大を抑えるために、冷蔵庫の電力消費の大部分を占める、圧縮機を含めた冷凍サイクル、マイコンやその電源などの制御回路、ファンなどの低消費電力化を図ってきていた。これらの従来技術例には特公平２−５５７０１号公報記載の発明がある。前記発明は急冷却時に庫内に冷気を循環させる電動ファンと圧縮機について、それらを駆動する時間を外気温が低い時は短く、外気温が高い時には長くして、冷却性能には影響を与えず省電力化を達成できるものである。

　しかしながら、前記発明では、冷気循環用ファンモータには交流電動機が用いられており、しかも必要な出力が数Ｗ以下と小さくてすむために通常クマトリモータやコンデンサランモータ等のモータが用いられている。そのためモータの効率иは２０％内外と極端に低くなっており、消費電力が増大していた。また、このようなモータでは回転数を任意に変化させることは非常に困難であり、オンかオフしか出来ないために、庫内の温度ムラや消費電力量増大につながるといった問題があった。本発明は、このような問題を解決して冷蔵庫全体の省電力化を図ることを目的とするものである。

　本発明は、前記の目的を達成するために、圧縮機を含む冷凍サイクルと、直流モータを含む複数の機器と、前記複数の機器を調節する制御回路と前記複数の機器と前記制御回路とに電力を供給するスイッチングレギュレータとを備えた冷蔵庫であって、
前記スイッチングレギュレータの容量が、前記機器の全てと前記制御回路との電力の総量よりも小さく、かつ、前記複数の機器のうち前記スイッチングレギュレータから電力が供給され、動作中の機器の容量と前記制御回路との電力の和よりも大きいことを特徴とするものである。

　また、圧縮機、凝縮器及び蒸発器を含む冷凍サイクルと、
庫内に設置されこの蒸発器と熱交換された冷気をこの庫内に循環させる無整流子直流モータにより駆動される庫内ファンと、
無整流子モータにより駆動され前記圧縮機及び凝縮器を冷却する冷却ファンと、
前記圧縮機、前記庫内ファン、前記冷却ファン及びその他のモータを用いた機器を制御する電子制御回路とを備えた冷蔵庫において、
前記庫内ファン駆動用無整流子モータ、前記冷却ファン駆動用無整流子モータ、前記電子制御回路及び前記その他のモータを用いた機器に電力を供給するスイッチングレギュレータと、前記スイッチングレギュレータの電力供給能力を、前記庫内ファン駆動用無整流子モータ、前記冷却ファン駆動用無整流子モータ、前記電子制御回路及び前記その他のモータを用いた機器の消費電力の総計よりも小さくし、これらの機器の中で同時運転可能な機器を選択し選択された機器に対してオン指令を出力する手段を前記電子制御回路に備えたものである。

　前記発明の構成によれば、直流モータを使用することによって効率を向上させることができ、例えば、従来のファンモータに用いられているクマトリモータ等に比べはるかに効率の向上が図れる。また、この直流モータの電源にはスイッチングレギュレータを用いており、ファンモータのように消費電力が数Ｗ以上にも及ぶ可能性のある機器についてのＡＣ電源からＤＣ電源への変換ロスを低減している。

　また、スイッチングレギュレータにより電力が供給される全ての機器を駆動するに足る容量を備えた電源を用意すると電源が大型化するが、本発明の構成とすることによって電源の大型化を抑えることができる。

　本発明によれば冷蔵庫の省電力化を図ることができ、また、電源の小型化に効果を有するものである。

　以下、本発明の一実施例について図１〜図１１を用いて説明する。図２は本発明の一実施例である冷凍冷蔵庫の縦断面図である。圧縮機５によって圧縮された冷媒は凝縮器７で放熱し、キャピラリチューブ（図示せず）を通り、蒸発器９で蒸発し、低温になる。その低温の蒸発器９を通過する様な空気の流れを庫内用ＤＣファン（Ｒファン）１０で作り、冷気を冷気ダクト１１で庫内に循環させることで冷蔵庫１の庫内を所定の温度に保つものである。尚、凝縮器７の放熱を向上させるために、冷却用ＤＣファン（Ｃファン）８によって冷却空気を外部より取り込む構造となっている。

　次に図１を用いて、本発明の一実施例である冷凍冷蔵庫の制御部について説明する。電子制御回路１２は交流商用電源より直流を作るスイッチングレギュレータ１３、冷蔵庫の温度制御を行うＣＰＵ１４、などから構成され、以下のように庫内の温度調整を行う。すなわち、冷凍室（Ｆ室）についてはＣＰＵ１４が、Ｆ室内に設けられたＦ室センサ１６によって得た現在温度データと温調回路１５によって設定されている指令温度を比較し、現在温度が高い場合にはＣＰＵ１６内のリレーをオンして圧縮機５を起動させる。指令温度が高い場合には圧縮機５を停止させる。ここで冷却用ＤＣファン８と庫内用ＤＣファン１０については圧縮機５の運転とほぼ同期してＣＰＵ１４よりの指令で運転されるが、その詳細は後で記述する。次に冷蔵庫（Ｒ室）の温度調節について述べると、図２に示す冷気ダクト１１を開閉するＲ室ダンパー２１が冷気ダクト１１部に設けられており、Ｒ室センサ１７によって得られたＲ室温度データと温調回路１５によって指定された庫内温度とをＣＰＵ１４が比較し、Ｒ室センサ１７の温度が高ければＲ室ダンパー２１を開け、低ければ閉じることで冷気の量を調整して、温度を一定に保つものである。

　次に、冷却用ＤＣファン８と庫内用ＤＣファン１０については、その名のとおり無整流子直流モータを用いて省電力化などの改善を図ったもので、その内容について説明する。従来の冷蔵庫では、ＡＣ電源を直接使えるので構成が簡潔になることと、安価で信頼性が高いことからＡＣモータ、特にクマトリモータを用いていたが、表１に示すように、効率が低く省エネの障害となること、ＡＣ１００Ｖを使うために危険等の欠点があった。

そこで、本発明の一実施例では整流子のない直流モータを使用した。これは通常の直流モータにあるブラシを半導体回路により実現してブラシ交換を不要にしたＤＣモータである。これにより、効率は２倍以上にも向上し、安定で安全なファンを実現できた。ＤＣモータのトルクー回転数特性は図３に、クマトリモータの特性は図４に示す様なもので、ＤＣモータには回転数小で大トルクの特性によりロックしにくい、電圧を変化させることで回転数を任意に変化させられる特長もある。しかしがら、効率が高いといっても直流電源が余分に必要となることになり、本発明の一実施例では、図１に示す様にＣＰＵ１４やモータ用の電源にスイッチングレギュレータ１３を用いることとした。
スイッチングレギュレータとはＡＣ電源をそのまま整流した直流をトランジスタで発振させて、高周波トランスの２次側に誘導した交流を平滑して所定の直流を得るものであり、その電圧、電流制御はトランジスタの発振を制御して行う。その特徴を従来のトランスとシリーズレギュレータを用いたシリーズ電源との比較で示したものが表２である。

スイッチングレギュレータ１３を用いることで効率が向上し、さらに小形軽量の電源が得られるので、ＤＣモータによる電源容量アップによる大形化と消費電力増を吸収して、従来よりはるかに消費電力を低下させることができる。以上の他にも図１に示すように直流電源を用いるモータ素子として、Ｒ室ダンパー２１、及びアイスメーカ２２が存在している。ここでＲ室ダンパー２１についてはモータの正逆回転が簡単に行えることにより、ダンパーの開閉が早く行えることと、低速回転で高トルクが出るので、万一の結氷時にバッフルの開閉が出来なくなることが少ない理由によって直流モータを採用しているが、開閉の頻度は多くないので、ブラシ付でも無整流子形（ブラシレス）でも使用可能であることは言うまでもない。また、アイスメーカ２２については、製氷した氷を、皿を反転ひねることによって離氷するためにモータを利用するが、ひねり動作には低速でも大トルクが必要なので、直流モータを採用している。この場合も、モータ使用頻度はさらに少ないのでブラシ付でも利用できる。

　このような電子制御回路１２はスイッチングレギュレータ１３を用いたことにより、新たな問題が生じた。それは、スイッチングレギュレータ１３自身が高い周波数で発振するので、自己ノイズを放射すること、外部からのノイズを拾いやすいこと、激しいリップル電流で電源ラインのキャパシタの寿命が短くなりやすいことである。これらを解決するために、本発明の一実施例では、スイッチングレギユレータ１３を含む電子制御回路１２を図２に示す様に冷蔵室２の内部に設置した。これは庫内は外側を鉄板で囲まれ、ノイズの遮断に有効なこと。また冷蔵室２は常に５℃内外に温度制御されており、温度が低いためにキャパシタの寿命がはるかに長くなることを利用している。この結果、本発明の一実施例である冷凍冷蔵庫は１０年以上も安定した動作を持続できる。

　以上のように直流電源を用いる素子（モータ等）とその容量を全て記したのが表３である。

表３を見ると全ての素子を駆動するに足る電源を用意すると、１２Ｖ１．３Ａも必要となり、電源が大形化するが、その全てが常時動作するわけではない。そこで本発明の一実施例ではスイッチングレギュレータ１３の容量は同時に動作しなければならない最低限の容量、すなわちＣＰＵ１４，庫内用ＤＣファン１０，冷却用ＤＣファン８の容量の和、１２Ｖ０．７Ａとした。そして表３に示す優先順位をつけ、容量オーバーする時は優先度の低い素子を一時停止させる機能を付加し、電源の小形化と省電力化を目指した。

　次にこの機能について詳細に説明する。図１に示す様にスイッチングレギュレータ１３は１２Ｖ０．７Ａの容量しか持たない。また直流電源を要する素子は表３のように５種存在している。従って全てをオンすると容量がオーバーするのでオンする素子を選択する選択的運転制御手段１９を各素子のオン／オフ指令を行うＣＰＵ１４と各素子を駆動するモータ駆動手段２０の間に備えた。この選択的運転制御手段１９は、表３に示す優先順位の順でＣＰＵ１４がオンの指令を出しているものを０．７Ａの容量をオーバーしない範囲でオンする様に選択決定して、オン信号をモータ駆動手段２０に伝達、当該モータを駆動するものである。この選択的運転制御手段１９の動作をフローチャートに示したものが図５である。なお、ＣＰＵ１４は冷蔵庫の運転中は常時通電されていることは言うまでもない。

　次にモータ駆動手段２０について説明する。駆動する各モータは直流モータとなったのは既に述べた通りであるが、その特牲は図３に示す通りである。印加電圧ＶとトルクＴの関係は、次に示す（１）式のような形で表される。ここでＫｔはモ−タのトルク定数、Ｋ_Rはモータの誘起電圧定数、Ｒはモータの抵抗値であり、ωはモータの回転数である。

　　　　　Ｔ＝Ｋｔｘ（Ｖ−Ｋ_R・ω）／Ｒ　・・・（１）
従ってω＝０の時に最大トルクＴ＝ＫｔｘＶ／Ｒが発生するので、例えば、ＣＰＵ１４が庫内用ＤＣフアン１０をオン指令すると、図７に示すような突入電流Ｉがモータに流れることになる。この突入電流は所定の回転での電流の数倍以上にもなり、これだけでスイッチングレギュレータ１３の容量をオーバーしてしまう。また何かの要因でモータがロック状態となった時には突入電流と同一の電流が継続して流れ、モータの発熱などの恐れが有る。従って本発明の一実施例においては図６に示すようなモータ駆動回路をモータ駆動手段２０に採用した。図６の回路ではＣＰＵ１４がモータをオンする時にはＯｕｔ１をＨレベルにする。するとＴｒ１のベースに電流が流れＴｒ１はオンとなる。ここで電流Ｉはモータの抵抗とＲ₁との和の抵抗で抑制されて突入電流は抑えられる。次に所定の時間が経過してモータの回転が安定したらＣＰＵ１４はＯｕｔ２をＨレベルにすると共にＯｕｔ１をＬレベルにする。それによりモータへは１２Ｖの電圧がかかり、モータの回転が１２Ｖの所定の回転数まで上昇する。この状態を示したものが図８である。
また、さらにモータ駆動回路には図６のように過電流検出回路を付加して安全性を向上させている。その動作は、モータに電流が流れると抵抗Ｒ₂の両端にはＶ＝Ｉ・Ｒ₂の電圧が発生し、＋５Ｖの電圧をＲ₃とＲ₄の抵抗で分圧した電圧とをコンパレータＣＯＭＰ１で比較し、Ｒ₂の電圧が高いとＬレベルの出力をＣＰＵ１４に、もしＲ₂の電圧が低いとＨレベルの出力を伝達する。従って万一モータがロックをおこして過電流が流れるとＲ₂の電圧が上昇し、ＣＰＵ１４へＬレベルの信号が伝えられて、ＣＰＵ１４はＯｕｔ１あるいはＯｕｔ２の出力をオフしてモータへの通電を中断する。上記の動作により、モータの過熱などの問題を起さず、安全なファン動作を提供できるものである。

　なお、図６ではＴｒ１，Ｔｒ２にバイポ−ラトランジスタを使っている。通常ＣＰＵ１４の流せるドライブ電流は数ｍＡ程度なので、トランジスタにはＨＦＥの大きなダ−リントン形を用いなければならず、コレクタエミッタ間で１Ｖ程度の電圧降下が発生する。更に効率を向上するためには、Ｔｒ１，Ｔｒ２にＭＯＳ−ＦＥＴを用いれば良い。この場合、オン抵抗を１Ωの素子を使って、ロスは、Ｗ＝１Ｘ０．２５Ｘ０．２５＝０．０６２５（Ｗ）となり、上記の１／４程度に減少する。

　本発明の一実施例である冷凍冷蔵庫ではさらに前記モータ駆動回路を用いて以下に示す制御を行い、低消費電力化しているのでその内容について説明する。まず図１に示す冷蔵庫の制御ブロック図においてＣＰＵ１４はＦ室センサ１６と温調回路１５との温度比較によって圧縮機５をオン／オフすることは先に述べたとおりである。さらに庫内用ＤＣファン１０についても図９に示す制御を行っている。即ちＦ室センサ１６の示すＦ室庫内温度と温調回路１５との差分をΔＴとしてＣＰＵ１４は計算し、ΔＴ≦０の時はＲファンを停止するようにモータ駆動手段２１の図６に示すＯｕｔ１及びＯｕｔ２をオフする。もし、０＜ΔＴ＜Ｔ₁の時はＯｕｔ１をオンし、Ｔ₁≦ΔＴの時はＯｕｔ２をオンする。これにより温度差が付かないときにはファンは低回転Ｎ₁で回転し、温度差が大きい時には高回転Ｎ₂で回転するので、余分な電力を消費せず効率よくまた速やかに冷凍室の温度調節を行える。

　また図２における機械室６に設置された冷却用ＤＣファン８についても、ＣＰＵ１４が冷蔵庫箱体外側に設けられた外気温センサ１８の温度を検出し、図１０に示す制御を行っている。即ち、外気温Ｔａが　Ｔａ≦Ｔ₁の時はモータ駆動手段２０への信号をオフして冷却用ＤＣモータ８を停止させる。なぜなら外気温が充分に低いときにはファンを停止しても圧縮機５と凝縮器７の放熱は充分行えるからである。またＴ₁＜Ｔａ≦Ｔ₂の時にはモータ駆動手段２０の中の図６に示す回路でＯｕｔ１をオンすることでモータを低速Ｎ₁で回転させ、外気温の高い状態であるＴ₂＜Ｔａの時には放熱促進するためＯｕｔ２をオンしてモータをＮ₂で回転させるものである。冷却用ＤＣファン８を上記のように運転することによって、必要な時に必要な回転でファンを回転させるので、消費電力の低減に大きな効果が有る。前記２例のファン制御で、本実施例では２段階の電圧制御を行っているが、多段にすることは全く問題がなく、また電源の電圧を連続で変化させることでも同等以上の機能を実現できることは言うまでもない。

　また図１において、圧縮機５のモータとしては単相の交流電動機を用いているが、図１１のようにモータとして直流の無整流子電動機を用い、転流制御手段２４によって電子的なブラシの役割、すなわちモータの回転角によって適切なモータへの通電信号を出力させ、その出力により、圧縮機ＤＣモータ駆動回路２３が適切な電流をモータに流すこともできる。このようにすることで、ＤＣモータのためにモータ効率を８０％程度から９２％まで向上させることが可能となり、圧縮機ＤＣモータ駆動回路２３などの半導体による通電損失を含めても、約５％以上の省電力効果が得られる。また、この場合、転流制御手段２４の出力周波数を早くしたり遅くしたりすることで、モータの回転数が変化でき、その効率は冷凍サイクルの効率向上を含め、より改善されるが、上記改善値は従来の６０ＨＺあるいは５０ＨＺ相当の回転数での比較値（一定回転）である。

　以上本発明の一実施例である冷凍冷蔵庫によれば、低消費電力で耐ノイズ性が高く，ノイズ放射，発熱による火災などの危険が無い、安全性が高い冷蔵庫を提供することが出来る。

　本実施例によれば、ファンモータは直流電動機であるので、その効率はи＝５０％以上が得られ、従来のクマトリモータ等に比べはるかに省電力化が図れる。しかもそのモータの電源にはスイッチングレギュレータを用いており、ファンモータのように消費電力が数Ｗ以上にも及ぶ可能性の有る機器についてのＡＣ電源からＤＣ電源への変換ロスを低減している。さらにスイッチングレギュレータを用いて電圧可変手段を設けることで、外気温が低い時や、庫内温度が低い時にはファンへの印加電圧を低下させることでファンの回転数を低下させ、不必要な冷しすぎによる温度ムラと電力消費を抑制できる。尚、上記電源や制御部は低消費電力化されているので、冷蔵庫の庫内に設置できるため、外気温の上昇や冷凍サイクルの放熱の影響を受けず、常に一定の低温を保てるために、キャパシタ等の電子部品の寿命を延長できる。さらに冷蔵庫は金属箱体でできているためにシールド効果を有し、耐ノイズ性を向上させることができる。

　また、モータ類を直流化することによって、例えばファンモータの効率を２倍以上に向上し、また電源の効率も大幅な向上が見込めるために、冷蔵庫として大幅な省電力効果を期待できる。また、直流化に伴う電源の大形化を防止するためにモータの選択的駆動を行えるようにしたので、従来よりトランスなどが小形化されたこともあわせて電子制御回路がコンパクトになり、電子制御回路部の庫内設置を可能にしている。そのため、耐ノイズ性、ノイズ放射、寿命などの点で大幅な信頼性の向上が見込まれる。さらに、前記モ−タは必要な時に必要な回転で運転されるので、より効率の良い冷蔵庫を提供することが可能となる。

本発明の一実施例である冷蔵庫における制御ブロック図 本発明の一実施例である冷蔵庫の縦断面図 直流モ−タのＴ−Ｎ特性 クマトリモ−タのＴ−Ｎ特性 選択的運転制御手段の動作フロ−チャ−ト 直流モ−タ駆動回路 従来の方式による直流モ−タの始動特性 本発明の一実施例における直流モ−タの始動特性 本発明の一実施例における庫内温度偏差と庫内ファン回転数仕様 本発明の一実施例における外気温度と冷却ファンの回転数仕様 圧縮機に直流モ−タを用いた場合の制御ブロック図

符号の説明

１…冷蔵庫、２…冷蔵（Ｒ）室、３…野菜（Ｖ）室、４…冷凍（Ｆ）室、５…圧縮機、６…機械室、７…凝縮器（コンデンサ）、８…冷却用ＤＣファン（Ｃファン）、９…蒸発器（エバポレ−タ）、１０…庫内用ＤＣファン（Ｒファン）、１１…冷気ダクト、１２…電子制御回路、１３…スイッチングレギュレ−タ、１４…ＣＰＵ、１５…温調回路、１６…Ｆ室センサ、１７…Ｒ室センサ、１８…外気温センサ、１９…選択的運転制御手段、２０…モ−タ駆動手段、２１…Ｒ室ダンパ−、２２…アイスメ−カ、２３…圧縮機ＤＣモ−タ駆動手段、２４…転流制御手段。

Claims (6)

1. 　圧縮機を含む冷凍サイクルと、直流モータを含む複数の機器と、前記複数の機器を調節する制御回路と前記複数の機器と前記制御回路とに電力を供給するスイッチングレギュレータとを備えた冷蔵庫であって、
   　前記スイッチングレギュレータの容量が、前記機器の全てと前記制御回路との電力の総量よりも小さく、かつ、前記複数の機器のうち前記スイッチングレギュレータから電力が供給され、動作中の機器の容量と前記制御回路との電力の和よりも大きい冷蔵庫。
2. 　前記圧縮機を駆動する電力は、前記スイッチングレギュレータの交流入力側から供給される請求項１に記載の冷蔵庫。
3. 　前記スイッチングレギュレータの交流入力側から供給された交流が整流された電流が入力された前記圧縮機を駆動するインバータを備えた請求項２に記載の冷蔵庫。
4. 　圧縮機、凝縮器及び蒸発器を含む冷凍サイクルと、
   　庫内に設置されこの蒸発器と熱交換された冷気をこの庫内に循環させる無整流子直流モータにより駆動される庫内ファンと、
   　無整流子モータにより駆動され前記圧縮機及び凝縮器を冷却する冷却ファンと、
   　前記圧縮機、前記庫内ファン、前記冷却ファン及びその他のモータを用いた機器を制御する電子制御回路とを備えた冷蔵庫において、
   　前記庫内ファン駆動用無整流子モータ、前記冷却ファン駆動用無整流子モータ、前記電子制御回路及び前記その他のモータを用いた機器に電力を供給するスイッチングレギュレータと、前記スイッチングレギュレータの電力供給能力を、前記庫内ファン駆動用無整流子モータ、前記冷却ファン駆動用無整流子モータ、前記電子制御回路及び前記その他のモータを用いた機器の消費電力の総計よりも小さくし、これらの機器の中で同時運転可能な機器を選択し選択された機器に対してオン指令を出力する手段を前記電子制御回路に備えた冷凍冷蔵庫。
5. 　前記圧縮機を駆動する電力は、前記スイッチングレギュレータの交流入力側から供給される請求項４に記載の冷凍冷蔵庫。
6. 　前記スイッチングレギュレータの交流入力側から供給された交流を整流し、インバータにより交流に変換して前記圧縮機を駆動する請求項５に記載の冷凍冷蔵庫。
   

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