JP2015158289A - 冷却機用コンプレッサモータ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却期間の情報取得が不要でありながらヒステリシス制御における冷却期間の比率調整を行い得る冷却機用コンプレッサモータ制御装置を提供する。【解決手段】上限値温度情報及び下限値温度情報の二値情報に基づいて、放熱期間での停止動作と冷却期間での運転動作とを混成させ庫内温度をヒステリシス制御させる冷却機用コンプレッサモータ制御装置において、放熱期間を算出する放熱期間算出処理と、温度変化速度に関するパラメータを放熱期間に基づいて算出する温度変化速度算出処理と、パラメータに基づいてコンプレッサモータの設定回転数に関する情報を特定する回転数設定処理とが機能する。【選択図】図３

Description

本発明は、冷却機用コンプレッサモータ制御装置に関し、特に、コンプレッサモータの回転数を設定する際に用いて好適のものである。

例えば、特開２０１３−１８１７０２号公報（特許文献１）では、冷却期間（モータ運転期間）と放熱期間（モータ停止期間）との比率を調整させる技術が紹介されている。かかる技術は、ヒステリシス制御の一周期である冷却期間及び放熱期間を算出し、この算出結果を用いて冷却期間の比率を算出し、この比率が理想状態となるようコンプレッサモータの設定回転数を調整させている。かかる制御装置では、ヒステリシス制御の一周期に対する冷却期間を適宜に設定することで、消費電力の上昇を抑え、また、デフロスト効果を維持させる効果も齎される。

特開２０１３−１８１７０２号公報

しかしながら、特許文献１に係る技術では、冷却期間（モータ運転期間）と放熱期間（モータ停止期間）の双方を算出しなければ「冷却期間の比率」を算出することが出来ない。即ち、何らかの理由によって放熱期間の算出結果が不適切なものであれば、冷却期間の算出結果が得られていても、これによって算出された「冷却期間の比率」を回転数の設定制御に用いることは好ましくない。例えば、冷凍冷蔵庫を電源投入した直後について、常温から目標温度へ急冷させる冷却期間（ＩＰＤ冷却期間）は、ヒステリシス制御へ移行した定常運転時の冷却期間とは異なる。従って、ＩＰＤ冷却期間とその後の放熱期間によって算出された「冷却期間の比率」は、定常運転時の其れと比べて大きくなり、定常運転でのヒステリシス制御を念頭においた双方期間の比率調整に資さないことが解る。

本発明は上記課題に鑑み、冷却期間の情報取得が不要でありながらヒステリシス制御における冷却期間の比率調整を行い得る冷却機用コンプレッサモータ制御装置の提供を目的とする。

上記課題を解決するため、本発明では次のような冷却機用コンプレッサモータ制御装置の構成とする。即ち、上限値温度情報及び下限値温度情報の二値情報に基づいて、放熱期間での停止動作と冷却期間での運転動作とを混成させ庫内温度をヒステリシス制御させる冷却機用コンプレッサモータ制御装置において、
前記放熱期間を算出する放熱期間算出処理と、温度変化速度に関するパラメータを前記放熱期間に基づいて算出する温度変化速度算出処理と、前記パラメータに基づいてコンプレッサモータの設定回転数に関する情報を特定する回転数設定処理と、が機能することとする。

好ましくは、前記設定回転数に関する情報は、当該情報が適用される運転動作の直前の放熱期間に基づいて特定されることとする。

好ましくは、前記設定回転数に関する情報は、前記パラメータの変化に応じて設定変更されることとする。

好ましくは、前記回転数設定処理は、前記設定回転数に関する情報と前記パラメータとの対応関係が記述された情報群を参照して、前記設定回転数に関する情報を特定することとする。

好ましくは、前記放熱期間の庫内条件と同一条件でコンプレッサモータを運転させた際、当該放熱期間に一致する前記冷却期間を実現させる温度変化速度を特定冷却速度とすると、
前記設定回転数に関する情報は、前記特定冷却速度と同一の冷却速度とさせる情報である、又は、前記特定冷却速度よりも高い冷却速度とさせる情報であることとする。

本発明に係る冷却機用コンプレッサモータ制御装置によると、予めデータ取得された温度変化速度なる情報を頼りに設定回転数を特定することができるので、「冷却期間の比率調整」に関するアルゴリズムの簡素化が図られ、冷却期間についての情報取得が不要となる。

実施の形態に係る冷却機用コンプレッサモータ制御装置の回路構成を示す図。 実施の形態に係る各種状態のタイムチャートを示す図。 実施の形態に係る回転数設定に関するフローチャート。 実施の形態に係る冷却速度と回転数との関係を示す図。

以下、本発明に係る実施の形態につき図面を参照して具体的に説明する。図１は、本実施の形態に係る冷却機用コンプレッサモータ制御装置の回路構成が示されている。冷却機用コンプレッサモータ制御装置１００（以下、モータ制御装置と呼ぶ）は、電力変換回路１２０と制御回路１５０とから構成される。

このうち、電力変換回路１２０は、ＡＣ電力が一方から入力され、これを変換した３相電流を他方側の直流ブラシレスモータ１４０（以下、コンプレッサモータと呼ぶ）へ供給している。電力変換回路１２０は、整流回路，ＰＦＣ回路，インバータ回路が内蔵されており、インバータ回路によってコンプレッサモータ１４０に流れる電流パターンが決定され、この電流パターンによって回転子が駆動される。

コンプレッサモータ１４０は、室外機，キャピラリチューブ，エバポレータと供に冷媒回路を形成するものであって（図示なし）、当該コンプレッサモータ１４０の回転数を増減させることで、庫内熱負荷に対する吸熱作用を調整させる。以下、制御回路１５０によって指令される回転数を、設定回転数と呼ぶこととする。

制御回路１５０は、信号ライン１８０を介して機械式サーモスタット１７０に接続される。また、複数の信号ライン１６０を介して電力変換回路１２０のパワートランジスタへ接続される。この制御回路は、ＣＰＵ，ＡＤ変換回路，メモリ回路，クロック回路等が内蔵されており、所定の情報に基づき適宜の演算を実施し、其の結果情報・信号をメモリ回路又は外部へと出力させる。

特に、メモリ回路は、制御プログラム、パラメータ情報等が適宜の記憶領域に記録されており、ＣＰＵは、この情報を適宜取得して、プログラムのシーケンス順に処理演算を実行していく。本実施の形態に係るメモリ回路には、ＰＷＭ信号の生成処理，モータオン／オフ判定処理，回転数設定に関する処理ルーチンＲ１，設定回転数と温度変化速度との対応関係を記述したマップ情報等が記録されている。そして、制御回路１５０では、これらプログラムと協働して機能構築が行われ、例えば、放熱期間算出処理Ｓ０１，温度変化速度算出処理Ｓ０２，回転数設定処理Ｓ０３といった処理を実現させる。

機械式サーモスタット１７０は、検査対象の上限温度Ｔｈ１と下限温度Ｔｈ２を検出し、これを電気的な信号に変換して出力する。この機械式サーモスタット１７０は、冷凍冷蔵庫内に設置されており、庫内温度を検出対象としている。本実施の形態で用いられる機械式サーモスタット１７０は、ＡＣモータを固定的な回転数で運転させる非可変速式装置に広く用いられるサーモスタットであって、上限温度Ｔｈ１から下限温度Ｔｈ２に至る途中の温度検出が可能な電子式サーモスタットとは区別される。即ち、この機械式サーモスタット１７０は、２点のみの温度情報（二値情報）を報知する簡素な温度センサである。

図２は、コンプレッサモータの運転に関係する各種状態が示されている。先ず、コンプレッサモータの運転状態とは、コンプレッサモータ１４０を駆動させる電流が流れているか否かで定まるものであって、これは、機械式サーモスタット１７０の出力信号に関係する。

即ち、機械式サーモスタット１７０が上限温度Ｔｈ１に達した旨の信号（以下、上限信号）を出力させると、制御装置１５０は、この信号に基づいてコンプレッサモータ１４０をオン（運転動作）させ、庫内の冷却を開始させる。一方、機械式サーモスタット１７０が下限温度Ｔｈ２に達した旨の信号（以下、下限信号）を出力させると、制御装置１５０は、この信号に基づいてコンプレッサモータ１４０をオフ（停止動作）させる。このように、制御装置１５０は、停止動作（放熱期間の動作）と運転動作（冷却期間の動作）とを混成させ、庫内温度をヒステリシス制御させる。

よって、「Ｔｈ１→Ｔｈ２」へ変化する場面では、コンプレッサモータ１４０が駆動状態となり、これを「オン動作期間（放熱期間）」と呼ぶ。また、「Ｔｈ２→Ｔｈ１」へ変化する場面では、コンプレッサモータ１４０が停止状態となり、これを「オフ動作期間（冷却期間）」と呼ぶ。また、第１回目のオン動作期間とオフ動作期間の一組（ヒステリシス周期）をＳＴＥＰ（１）と呼び、その次に現れるヒステリシス周期を、順次、ＳＴＥＰ（２），ＳＴＥＰ（３），ＳＴＥＰ（４）と呼ぶこととする。

本実施の形態に係る設定回転数ωは、１５００〔rpm〕〜４５００〔rpm〕の範囲で選択されるものであって、後述する回転数設定処理Ｓ０３によって設定される。但し、冷凍冷蔵庫への電源投入直後の動作（Initial Pull Down Action／以下、ＩＰＤ動作と呼ぶ）に限っては、下限温度Ｔｈ２に至るまでに自動的に回転数を上昇方向へ切換えることができるよう、時間閾値等を用いた適宜のロジックが構築されている。ＩＰＤ動作に係る自動切換制御は、冷凍冷蔵庫に対する電源投入直後の冷却期間に限り実施される。一方、定常運転におけるコンプレッサモータの回転数制御は、以下のロジックによって制御されることとなる。

制御回路１５０は、冷凍冷蔵庫に電源投入してから最初の下限値温度情報を検出すると、ＩＰＤ動作に係る冷却期間が終了したとして、回転数設定に関する処理ルーチンＲ１を起動させる。当該ルーチンＲ１は、以後、下限温度情報の検出毎に起動することとなる。尚、庫内温度の推移については、図２の下段にてＴｗとして示されている。

図３に示す如く、ルーチンＲ１のうち放熱期間算出処理Ｓ０１は、下限値温度情報の検出時（ｔ１ｅ，ｔ２ｂ，ｔ３ｂ，・・・）を起算時として、次に到来する上限値温度情報の検出時（ｔ２ａ，ｔ３ａ，ｔ４ａ，・・・）に至る迄の期間（放熱期間Δｔｑ）を計数する。当然の如く、放熱期間Δｔｑは、庫内熱負荷及びリーク熱量に応じて増減することとなる。同図では、ＳＴＥＰ（１）について取得された吸熱期間をΔｔｑ１とし、ＳＴＥＰ（２）に対応する吸熱期間をΔｔｑ２とし、ＳＴＥＰ（３）に対応する吸熱期間をΔｔｑ３として示している。

制御回路１５０は、処理Ｓ０１の完了後、温度変化速度算出処理Ｓ０２を機能させる。当該処理Ｓ０２では、先に算出した放熱期間Δｔｑ１に基づいて、温度変化速度に関するパラメータを算出する。本実施の形態では、かかるパラメータｍが以下の式１によって算出される。
ｍ＝ΔＴ／Δｔｑ ・・・式１
ｍ ：温度変化速度に関するパラメータ
ΔＴ ：上限温度と下限温度との差（許容温度幅）
Δｔｑ：放熱期間

ここで、許容温度幅ΔＴは、予め測定すれば特定可能であるところ、既知の値であると理解されるものである。また、冷凍室内温度の通例として、下限温度は「−２０℃」程度に設定され且つ上限温度は「−１０℃」程度に設定されるので、これを頼りに許容温度幅ΔＴを想定することも可能である。何れにしても、許容温度幅ΔＴは既知の値である。従って、式１における右辺の全ての値が既知であるので、温度変化速度に関するパラメータｍが算出されることとなる。尚、特許請求の範囲における「温度変化速度に関するパラメータ」との意義は、本実施の形態で算出されるものに限らず、パラメータｍのディメンションを変える係数を与えたもの、又は、パラメータｍに補正値を与えたものも含まれる。

制御回路１５０は、処理Ｓ０２が完了すると、回転数設定処理Ｓ０３を実行させる。当該処理Ｓ０３では、先に算出したパラメータｍに基づいてコンプレッサモータの設定回転数に関する情報を特定する。以下、この具体例を説明する。

回転数設定処理Ｓ０３では、「設定回転数Ｎに関する情報」と「パラメータｍに関する情報」との対応関係が記述された情報群（以下、マップ情報と呼ぶ）を参照する。かかるマップ情報は、設定回転数Ｎ〔rpm〕とパラメータｍとの対応関係が、１００〔rpm〕の変化毎に記述されている。即ち、当該マップ情報は、図４に示す如く、設定回転数の特性線「Ｎ＝ｇ（ｍ）」を表すものであって、量子化誤差がＮ＝１００〔rpm〕の範囲に収まる解像度にて表現されていることを意味する。これによれば、パラメータｍが変化すると、これに応じて「設定回転数Ｎに関する情報」が変更され、実際に駆動されるコンプレッサモータの回転数が調整されることが解る。

そして、当該処理Ｓ０３では、このマップ情報の中からパラメータｍに対応する設定回転数情報を特定し、この情報をＣＰＵのデータレジスタへフェッチさせる。その後、後段処理におけるインバータの制御処理では、この設定回転数情報に基づいて、ＰＷＭ信号のＤＵＴＹ比を適宜に設定することとなる。

図４では、設定回転数Ｎと放熱速度ｍとの関係が示されている。ここで、放熱速度ｍとは、温度変化速度のうち負の領域に属するものであり、具体的には、放熱期間にて観測される実際の温度変化のスピードを意味する。即ち、温度変化速度が負のとき、其の観測対象は放熱期間であって、設定回転数に係る特性線は「Ｎ＝ｆ（ｍ）」を指す。一方、温度変化速度が正のとき、其の観測対象は冷却期間であって、設定回転数に係る特性線は「Ｎ＝ｇ（ｍ）」を指す。以下、温度変化速度が正の場合、これを冷却速度と呼び、これを表す特性線を冷却特性線「Ｎ＝ｇ（ｍ）」と呼ぶ。また、温度変化速度が負の場合、これを放熱速度と呼び、これを表す特性線を放熱特性線「Ｎ＝ｆ（ｍ）」と呼ぶこととする。

放熱速度ｍは、放熱期間Δｔｑに基づいて算出されるところ、実際に観測されているパラメータと言える。一方、冷却速度ｍは、予め実験等によって得られたデータであるので、その意味で、制御中に冷却速度ｍの其れ自身が算出されるのではなく、放熱期間における放熱速度ｍを、冷却期間における冷却速度ｍとして推定する情報として機能する。

これまでの処理を具体的に説明すると、処理Ｓ０１によって放熱期間Δｔｑが算出される。その後、図４に示す如く、処理Ｓ０２によって放熱速度ｍが「−０．４〔deg/min〕」との結果を得ると、これを冷却速度ｍに換算し、必要な冷却速度ｍとして「０．４〔deg/min〕」を得る。かかる後、処理Ｓ０３によって、マップ情報を参照して冷却速度「０．４〔deg/min〕」に対応する設定回転数情報「Ｎ＝３０００〔rpm〕」が特定される。これを見るに、本実施の形態にかかる回転数制御では、冷却期間の演算が排除されている点で、先に挙げた特許文献１の回転数制御と比べて、制御処理上のアルゴリズムが簡素化されていることが解る。

上述の如く、本実施の形態によると、予めデータ取得された温度変化速度なる情報を頼りに設定回転数を特定することができるので、「冷却期間の比率調整」に関するアルゴリズムの簡素化が図られ、冷却期間についての情報取得が不要となる。

また、このように特定された「設定回転数に関する情報」は、直後の冷却期間で反映されるよう、当該情報の算出後速やかにＰＷＭ信号の生成処理へ投じられるのが好ましい。これにより、コンプレッサモータの設定回転数は、直近の庫内熱負荷の状態が反映されるからである。

特に、本実施の形態によると、冷却特性線「Ｎ＝ｇ（ｍ）」の各パラメータｍは、放熱特性線「Ｎ＝ｆ（ｍ）」の各パラメータｍが「ｍ＝０」を対称線としてプロットされたものである。かかる場合の冷却速度ｍは、放熱期間の庫内条件と同一条件下にてコンプレッサモータを運転させた場合、冷却期間にあっても、放熱期間に一致する制御を実現させる冷却速度である旨を意味する。以下、放熱速度ｍが「ｍ＝０」を対称線としてプロットされた冷却速度ｍを、特定冷却速度と呼ぶこととする。

尚、庫内温度の条件とは、庫内の熱負荷の状態、気密性に関係する熱リークの状態、外気温度環境、といった条件を指す。これらの条件が等しければ、放熱期間の庫内条件と冷却期間の庫内温度とが同一条件である。従って、この条件が等しければ、放熱速度ｍの絶対値と等しい冷却速度ｍを選定すれば、放熱期間と同一の期間で冷却期間を満了させ得ることが想定できる。即ち、かかる冷却速度を実施できれば、放熱期間における温度変化の推移を時間的逆方向へ再現することが可能となる。

このため、本実施の形態に係る「設定回転数に関する情報」は、特定冷却速度と同一の冷却速度とさせるマップ情報に基づいて特定されている。これにより、ヒステリシス周期は、放熱期間と冷却期間とを「１：１」の割合に設定することが可能となる。また、この比率を変化させたい場合には、所望の期間割合を再現させ得るマップ情報を利用すると良い。

尚、上述した冷却特性線「Ｎ＝ｇ（ｍ）」の設定は、熱負荷が高くなると、これに応じて冷却期間も冗長化される惧れがある。このため、「設定回転数に関する情報」は、庫内条件が同一とした場合、特定冷却速度よりも幾分高い冷却速度を実現させる冷却特性線によって特定すると良い。これによれば、冷却期間の冗長化が抑えられ、ヒステリシス周期における冷却期間の割合増加が避けられる。

但し、庫内に想定外の熱負荷が投入される場合もある。この対策として、定常運転であっても、予定される冷却期間を超えた場合、順次、冷却回転数を増加させ、庫内温度を一定に保つようにすると良い。また、かかる処理で熱負荷が十分冷却されない場合、冷媒回路等の装置の故障も考えられるので、コンプレッサモータを停止させる処理や、アラート表示等の機能を与えても良いであろう。

補足として、本実施の形態に係る制御装置１００は、放熱期間の満了毎にルーチンＲ１が起動され、このルーチンＲ１によって直後の設定回転数Ｎが設定される。このとき、庫内への熱負荷投入当初、庫内の温度分布が一様とならない為、放熱期間と冷却期間との比率が幾分乱れることがある。しかし、かかる現象は一時的なものであって、ヒステリシス制御が進むにつれ、庫内の温度分布が均一化され、放熱期間と冷却期間との比率が理想状態へとサーチュレートすることとなる。

１００ コンプレッサモータ制御装置， １２０ 電力変換回路， １６０ 制御回路， １７０ 機械式サーモスタット， Ｓ０１ 放熱期間算出処理， Ｓ０２ 温度変化速度算出処理， Ｓ０３ 回転数設定処理。

Claims (6)

1. 上限値温度情報及び下限値温度情報の二値情報に基づいて、放熱期間での停止動作と冷却期間での運転動作とを混成させ庫内温度をヒステリシス制御させる冷却機用コンプレッサモータ制御装置において、
   前記放熱期間を算出する放熱期間算出処理と、温度変化速度に関するパラメータを前記放熱期間に基づいて算出する温度変化速度算出処理と、前記パラメータに基づいてコンプレッサモータの設定回転数に関する情報を特定する回転数設定処理と、が機能することを特徴とする冷却機用コンプレッサモータ制御装置。
2. 前記設定回転数に関する情報は、当該情報が適用される運転動作の直前の放熱期間に基づいて特定されることを特徴とする請求項１に記載の冷却機用コンプレッサモータ制御装置。
3. 前記設定回転数に関する情報は、前記パラメータの変化に応じて設定変更されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の冷却機用コンプレッサモータ制御装置。
4. 前記回転数設定処理は、前記設定回転数に関する情報と前記パラメータとの対応関係が記述された情報群を参照して、前記設定回転数に関する情報を特定することを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載の冷却機用コンプレッサモータ制御装置。
5. 前記放熱期間の庫内条件と同一条件でコンプレッサモータを運転させた際、当該放熱期間に一致する前記冷却期間を実現させる温度変化速度を特定冷却速度とすると、
   前記設定回転数に関する情報は、前記特定冷却速度と同一の冷却速度とさせる情報であることを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか一項に記載の冷却機用コンプレッサモータ制御装置。
6. 前記放熱期間の庫内条件と同一条件でコンプレッサモータを運転させた際、当該放熱期間に一致する前記冷却期間を実現させる温度変化速度を特定冷却速度とすると、
   前記設定回転数に関する情報は、前記特定冷却速度よりも高い冷却速度とさせる情報であることを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか一項に記載の冷却機用コンプレッサモータ制御装置。

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