JP5378630B1 - 電動圧縮機の制御方法、制御装置、及び冷蔵庫 - Google Patents

Abstract

本発明に係る電動圧縮機の制御方法は、ＤＣモータ（１０３）の目標回転数（Ｒｔ）として、所定の一定回転数を設定するステップ（Ｓ１）と、ＤＣモータ（１０３）の回転数の測定値である実測回転数（Ｒｍ）を取得するステップ（Ｓ２）と、目標回転数（Ｒｔ）と前記実測回転数（Ｒｍ）とが一致するように、ＤＣモータ（１０３）の駆動電力のデューティ比を調整するステップ（Ｓ３）と、デューティ比の変化に基づいて目標回転数を再設定するステップ（Ｓ４）と、を備える。

Description

本発明は、冷凍サイクルを構成する電動圧縮機であって、特に、ＤＣモータを備えてＰＷＭ制御される電動圧縮機の制御方法、該電動圧縮機の制御装置、及びこの制御装置を搭載する冷蔵庫に関する。

従来、冷蔵庫の冷凍サイクルを構成する電動圧縮機として、ＤＣモータを備えるものがある。この電動圧縮機は、冷蔵庫に収容された食品を適温に維持するために、庫内温度に応じて冷媒を循環させるべく動作する。また、近年では、電動圧縮機のＤＣモータをＰＷＭ制御することによって、省エネルギー化を図る技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１には、設定温度を検知する設定温度検知手段、庫内温度を検知する庫内温度検知手段、及び、冷蔵庫の外周囲の温度を検知する外気温検知手段を備える冷蔵庫の運転制御装置が記載されている。この制御装置は、庫内温度と設定温度との差に応じて多段階に電動圧縮機の動作回転数を設定する。例えば、温度差が５℃以上であれば５４００回転、５〜２℃であれば３６００回転、２〜−２℃であれば１８００回転、−２℃以下であれば０回転に設定する、と記載されている。更に、外気温検知手段により取得した外気温に応じて、電動圧縮機の最低回転数を変更することが記載されている。

このように、特許文献１に記載の制御装置は、庫内温度及び外気温を取得することで、電動圧縮機の設定回転数を最適化しようとするものである。即ち、庫内温度と設定温度との差の大きさ、及び、外気温の高低は、電動圧縮機の負荷（冷却負荷）の大きさと相関関係がある。従って、庫内温度の詳細な変化状況と外気温とを取得できれば、冷却負荷の大きさを考慮しつつ、庫内温度を設定温度に近づけることができる適切な回転数を決定することができる。

特開昭６２−９１６５号公報

しかしながら、特許文献１に記載の制御態様は、庫内温度検知手段及び外気温検知手段を備えること、並びに、庫内温度検知手段については詳細な変化状況（少なくとも、複数の温度）を検知できること、が前提となる。即ち、これらの前提が全て満たされていなければ、特許文献１に記載の制御態様は実現することができない。例えば、外気温検知手段を備えない冷蔵庫、あるいは、庫内温度検知手段がサーモスタットのように１つの温度しか検知できない構成である場合には、電動圧縮機の負荷を考慮した特許文献１に記載されたような制御態様は実現できない。

ところが、庫内温度検知手段及び外気温検知手段という２つの温度検知手段を備える冷蔵庫はコスト高になってしまう。また、特許文献１が前提とする庫内温度検知手段は、複数の温度を検知できるものであり、これは実質的に１つの温度しか検知できないサーモスタットに比べるとやはり高価である。従って、特許文献１に記載の制御態様は、一部の高級モデルの冷蔵庫に装備する機能として有意義であるものの、他のモデルの冷蔵庫においてはコスト面において適当とは言い難い。しかしながら、庫内温度検知手段としてサーモスタットのみを備えるような冷蔵庫においても、省エネルギー化を図ることが望ましい。

本発明は、このような課題を解決するもので、庫内温度の詳細な変化状況、及び外気温に依らず、コスト高を抑制しつつ、冷却負荷に応じて電動圧縮機の回転数を設定することができる制御方法、電動圧縮機の制御装置、及び当該制御装置を備える冷蔵庫を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するために、本発明に係る電動圧縮機の制御方法は、冷凍サイクルを構成しＤＣモータを備える電動圧縮機の制御方法であって、前記ＤＣモータの目標回転数として、所定の一定回転数を設定するステップと、前記ＤＣモータの回転数の測定値である実測回転数を取得するステップと、前記目標回転数と前記実測回転数とが一致するように、前記ＤＣモータの駆動電力のデューティ（ｄｕｔｙ）比を調整するステップと、前記デューティ比の変化に基づいて前記目標回転数を再設定するステップと、を備える。

本願発明者は、電動圧縮機のＤＣモータを一定の目標回転数に維持しようとする際の、ＤＣモータの駆動電力のデューティ比の変化に、電動圧縮機の冷却負荷の変化との相関関係を見い出した。従って、このデューティ比に基づいてＤＣモータの目標回転数を設定することにより、庫内温度の詳細な変化状況及び外気温に依らず、ＤＣモータを適切な回転数で運転することができる。その結果、コスト高を抑制しながら、庫内の適切な冷却と省エネルギー化とを図ることができる。

本発明に係る電動圧縮機の運転方法は、コスト高を抑制しつつ、冷蔵庫の庫内を適切に冷却することができ、且つ、省エネルギー化を図ることができる。

本発明の実施の形態１に係る電動圧縮機の制御装置の構成を示すブロック図である。 実施の形態１に係る制御装置の動作手順を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態２に係る電動圧縮機の制御装置の構成を示すブロック図である。 実施の形態２に係る制御装置の動作手順を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態３に係る電動圧縮機の制御装置の構成を示すブロック図である。 実施の形態３に係る制御装置の動作手順を示すフローチャートである。 制御装置の動作手順のうちの時間設定処理の内容を示すフローチャートである。

第１の発明に係る電動圧縮機の制御方法は、冷凍サイクルを構成しＤＣモータを備える電動圧縮機の制御方法であって、前記ＤＣモータの目標回転数として、所定の一定回転数を設定するステップと、前記ＤＣモータの回転数の測定値である実測回転数を取得するステップと、前記目標回転数と前記実測回転数とが一致するように、前記ＤＣモータの駆動電力のデューティ比を調整するステップと、前記デューティ比の変化に基づいて前記目標回転数を再設定するステップと、を備える。

第２の発明に係る電動圧縮機の制御装置は、冷凍サイクルを構成する電動圧縮機が備えるＤＣモータに駆動電力を出力するインバータ回路と、該インバータ回路の駆動信号を出力するインバータ制御器と、を備え、前記インバータ制御器は、前記ＤＣモータの目標回転数として所定の一定回転数を設定する目標回転数設定手段と、前記ＤＣモータの回転数の測定値である実測回転数を経時的に取得する実測回転数取得手段と、前記目標回転数と前記実測回転数とが一致するように、前記インバータ回路が出力する駆動電力のデューティ比を調整するデューティ調整手段と、前記デューティ比の経時的変化を取得するデューティ変化取得手段と、を有し、前記目標回転数設定手段は、前記デューティ比の経時的変化に基づき、前記ＤＣモータの目標回転数を再設定するよう構成されている。

第３の発明に係る電動圧縮機の制御装置は、特に第２の発明において、前記デューティ変化取得手段は、前記デューティ調整手段により前後する各タイミングで設定されたデューティ比の差分値を取得し、前記目標回転数設定手段は、前記デューティ変化取得手段が取得したデューティ比の差分値に基づいて前記目標回転数を増加させるよう構成されていてもよい。

第４の発明に係る電動圧縮機の制御装置は、特に第３の発明において、前記デューティ変化取得手段は、第１のタイミングで前記デューティ調整手段から取得した第１デューティ比を記憶するデューティ記憶手段と、前記第１のタイミングからの経過時間を計測する計時手段と、前記第１のタイミングから所定時間を経過した第２のタイミングで前記デューティ調整手段から取得した第２デューティ比と、前記デューティ記憶手段に記憶された前記第１デューティ比とを比較するデューティ比較手段と、を有していてもよい。

第５の発明に係る電動圧縮機の制御装置は、特に第４の発明において、前記インバータ制御器は、前記実測回転数に基づいて前記駆動電力の転流周波数を設定する転流周波数設定手段と、前記デューティ調整手段により設定されたデューティ比、及び、前記転流周波数設定手段により設定された転流周波数を合成して前記駆動信号を生成する駆動信号合成手段と、を更に備えていてもよい。

第６の発明に係る電動圧縮機の制御装置は、特に第２〜第５の発明において、前記インバータ制御器は、前記デューティ比と、前記インバータ回路への入力電圧とに基づき、前記目標回転数を再設定するまでの時間を設定する切替時間設定手段を更に備えていてもよい。

第７の発明に係る冷蔵庫は、上記第２〜第６の発明の何れかに記載の制御装置と、ＤＣモータを有して冷凍サイクルを構成する電動圧縮機と、を備える。

第８の発明に係る冷蔵庫は、特に第７の発明において、庫内が所定温度以上か否かを判別可能な信号を出力するサーモスタットを更に備え、前記制御装置は、庫内が所定温度以上である場合に、前記駆動電力のデューティ比の経時的変化に基づいて前記ＤＣモータの目標回転数の再設定を行なうよう構成されていてもよい。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、本実施の形態の記載によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る電動圧縮機の制御装置の構成を示すブロック図である。図１に示すように、この制御装置１は、商用電源１００に接続されたＡＣ／ＤＣ変換器１０１と、冷蔵庫の冷凍サイクルを構成する電動圧縮機１０２との間に介装されている。ＡＣ／ＤＣ変換器１０１は、商用電源１００から供給される交流電力を直流電力に変換して出力する。また、電動圧縮機１０２は、電動要素とこれによって冷媒を吸入及び吐出する圧縮要素とを含み、このうち電動要素としてＤＣモータ１０３を有している。なお本実施の形態では、このＤＣモータ１０３として、三相（Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相）を有するブラシレスＤＣモータを採用している。

制御装置１は、インバータ回路２とインバータ制御器３とを備えている。インバータ回路２は、６つのスイッチング素子（例えば、ＩＧＢＴ；絶縁型バイポーラトランジスタなど）ＳＷ１〜ＳＷ６を三相ブリッジ接続した構成となっている。そして、ＡＣ／ＤＣ変換器１０１からインバータ回路２に入力した直流電力は、ＤＣモータ１０３を駆動する駆動電力として、ステータの各相に対して選択的に出力される。

一方、インバータ制御器３は、ＭＰＵ等の演算器によって構成され、インバータ回路２の各スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ６のオン／オフの切り換えを制御する。特に、インバータ制御器３は、ＤＣモータ１０３のステータの通電相を切り替える転流周波数と、ＤＣモータ１０３の運転負荷に応じたＰＷＭ信号のデューティ比とから駆動信号を生成し、これをインバータ回路２へ出力する。

より詳述すると、インバータ制御器３は、目標回転数設定手段１０、実測回転数取得手段２０、デューティ調整手段（回転数制御手段）３０、及びデューティ変化取得手段４０を備えている。

目標回転数設定手段１０は、冷蔵庫の庫内温度が高くて、電動圧縮機１０２を運転すべき状態にある場合に、ＤＣモータ１０３の目標回転数Ｒｔを適宜設定する。ここで、本実施の形態では、制御装置１を搭載する冷蔵庫に、庫内温度を検知するためにサーモスタット１０４が備えられている。該サーモスタット１０４は、庫内温度が所定の閾値Ｔｈ以上であればオン信号を出力し、閾値Ｔｈ未満であればオフ信号を出力する。従って目標回転数設定手段１０は、サーモスタットからの信号を取得し、これがオン信号であれば、庫内温度が閾値Ｔｈ以上であるので「電動圧縮機１０２を運転すべき状態」と判断する。一方、オフ信号であれば、庫内温度が閾値Ｔｈ未満であるので「電動圧縮機１０２を停止すべき状態」と判断する。なお、サーモスタット１０４の閾値Ｔｈは、冷蔵庫の庫内の設定温度であり、ユーザの操作によって変更設定できるものであってもよい。

実測回転数取得手段２０は、ＤＣモータ１０３の回転数の測定値である実測回転数Ｒｍを経時的に取得する。例えば、ＤＣモータ１０３の逆起電圧から、ロータが所定位置にあることを示す位置検出信号を、所定のサンプリング周期で取得する。そして、所定期間中における位置検出信号をカウントすることで、ＤＣモータ１０３の実測回転数を算出する。

デューティ調整手段３０は、ＤＣモータ１０３の目標回転数Ｒｔと実測回転数Ｒｍとが一致するように、インバータ回路２が出力する駆動電力のデューティ比を調整する。より具体的に説明する。ＤＣモータ１０３を、その回転数が目標回転数Ｒｔと一致する（Ｒｍ＝Ｒｔとなる）ように動作させる場合、ステータの通電相を切り替えるタイミング（転流周波数）は、ＤＣモータ１０３の現時点での回転数（実測回転数Ｒｍ）に基づいて定められる。しかしながら、ＤＣモータ１０３を一定回転数（一定の転流周波数）で動作させようとする場合であっても、ＤＣモータ１０３の回転のしやすさは冷却負荷によって異なる。そのため、通電相に印加する電圧値を、冷却負荷に応じた大きさとする必要がある。そこで、通電相へ供給する電力の電圧値をパルス幅変調（ＰＷＭ）し、そのキャリア周期内のオン時間の割合であるデューティ比を、冷却負荷に基づいて調整する。

ここで、冷却負荷は、直接的には庫内温度又は外気温に依存する。特に庫内温度は、電動圧縮機１０２の動作時間が経過するに従って低下し、これに伴って冷却負荷は低減する。そのため、ＤＣモータ１０３の回転数を一定値に維持しようとすると、冷却負荷の低減（即ち、庫内温度の低下）に応じて、デューティ比を小さくする必要がある。このように、デューティ調整手段３０は、ＤＣモータ１０３の回転数（実測回転数Ｒｍ）が目標回転数Ｒｔと一致するように動作制御されている間に、冷却負荷に応じて駆動電力のデューティ比を調整する。なお、より具体的には、転流周波数及びデューティ比を一定にしていると、冷却負荷の変化に伴ってＤＣモータ１０３の実測回転数Ｒｍが変化してしまう。そこで、デューティ調整手段３０は、この実測回転数Ｒｍの変化が所定範囲ΔＲ内に収まるようにデューティ比を調整することで、目標回転数Ｒｔと実測回転数Ｒｍとが実質的に一致するようにしている。

デューティ変化取得手段４０は、デューティ調整手段３０にて調整され設定されたデューティ比を経時的に取得することで、デューティ比の経時的変化を取得する。例えば、ＤＣモータ１０３を一定の回転数（一定の転流周波数）で運転している場合に、所定時間を経過する前後でのデューティ比の変化量を取得する。これにより、当該所定時間の経過によって冷却負荷がどの程度だけ変化したかを把握することができる。

［制御方法］
次に、上述した制御装置１により実現される、電動圧縮機１０２の制御方法について説明する。図２は、実施の形態１に係る制御装置１の動作手順を示すフローチャートである。

図２に示すように、制御装置１の目標回転数設定手段１０は、ＤＣモータ１０３の目標回転数Ｒｔを所定値に設定する（ステップＳ１）。また、実測回転数取得手段２０は、ＤＣモータ１０３の実測回転数Ｒｔを経時的に取得する（ステップＳ２）。そして、デューティ調整手段３０は、ステップＳ１で設定された目標回転数Ｒｔと、ステップＳ２で経時的に取得された実測回転数Ｒｍとから得られる、両者の差分値の変化（冷却負荷の変化）に基づき、デューティ比を調整する（ステップＳ３）。更に、目標回転数設定手段１０は、デューティ比の経時的な変化に基づき、目標回転数Ｒｔを適宜再設定する（ステップＳ４）。

ここで、ステップＳ４での「デューティ比の変化」は、デューティ調整手段３０で設定されたデューティ比に基づいてデューティ変化取得手段４０が取得し、これが目標回転数設定手段１０へ入力される。また、ステップＳ４での目標回転数Ｒｔの再設定は、例えば以下のような態様を採用することができる。即ち、所定時間の経過前後のデューティ比の差分値が相対的に大きい（デューティ比の変化が大きい）場合には、冷却が適度に進んでいるものの、まだ目標温度に到達していない状況と判断できる。従ってこの場合には、目標回転数Ｒｔを、現状値から小幅に増加させた値に更新し、より速やかに目標温度に到達するように電動圧縮機１０２を制御する。一方、所定時間の経過前後のデューティ比の差分値が相対的に小さい（デューティ比の変化が小さい）場合には、冷却が思うように進んでいないと判断できる。従ってこの場合には、目標回転数Ｒｔを、現状値から大幅に増加させた値に更新することで、庫内温度の低下をより促進させる。

なお、デューティ比の差分値を、上記よりも更に多段階（３段階以上）に設定し、各段階に応じて異なる目標回転数Ｒｔを再設定することとしてもよい。このようにすれば、ハードウェアの仕様変更を伴わず、現状の冷却負荷に応じて電動圧縮機１０２をより適切な回転数で運転することができる。

また、ステップＳ４以降は、更新後の目標回転数Ｒｔに基づき、ステップＳ２からの処理を行う。なお、ステップＳ１〜Ｓ４の処理の途中で、庫内温度が十分に低下して閾値Ｔｈ未満になった場合は、サーモスタット１０４の出力がオン信号からオフ信号に切り替わる。目標回転数設定手段１０は、サーモスタット１０４からオフ信号を受け付けると、目標回転数Ｒｔをゼロに設定する。その結果、ＤＣモータ１０３は回転数がゼロになるように制御され、最終的に停止状態となる。

以上に説明したような制御装置１及びその動作によれば、庫内温度の詳細及び外気温を検出せずとも、コスト高を抑制しつつ、負荷に応じた電動圧縮機の運転によって省エネルギー化を図ることができる。即ち、本実施の形態に係る制御装置１は、ＤＣモータ１０３の回転数を一定に維持している期間中のデューティ比の変化から、冷却負荷を読み取っている。従って、高価な庫内温度検知手段及び外気温検知手段を備えなくても、デューティ比の変化に基づき、ＤＣモータ１０３の目標回転数Ｒｔを適切に設定することができる。

（実施の形態２）
本実施の形態２では、上述した実施の形態１に係る電動圧縮機の制御装置及び制御方法に関し、より具体的な構成の適用例を説明する。図３は、実施の形態２に係る電動圧縮機の制御装置の構成を示すブロック図である。本実施の形態２に係る制御装置１は、実施の形態１と同様に、商用電源１００に接続されたＡＣ／ＤＣ変換器１０１と、冷蔵庫の冷凍サイクルを構成する電動圧縮機１０２との間に介装されている。また、制御装置１は、インバータ回路２と、目標回転数設定手段１０、実測回転数取得手段２０、デューティ調整手段３０、及びデューティ変化取得手段４０を有するインバータ制御器３とを備えている。

目標回転数設定手段１０は、運転状態判定手段（圧縮機運転検出手段）１１と回転数設定手段１２とを有している。このうち運転状態判定手段１１は、サーモスタット１０４からの信号を受け付け、この信号に基づいて電動圧縮機１０２の目標運転状態を判定する。例えば、サーモスタット１０４からオン信号（庫内温度≧Ｔｈ）を受け付けた場合は、電動圧縮機１０２を運転すべき状態にあると判定する。また、オフ信号（庫内温度＜Ｔｈ）を受け付けた場合は、電動圧縮機１０２を停止すべき状態にあると判定する。

回転数設定手段１２は、電動圧縮機１０２を運転すべき状態にある場合に、その目標回転数Ｒｔをゼロより大きい所定値に設定する。この所定値としては、例えば、電動圧縮機１０２のスペックから定まる、燃費面において最高効率を達成できる運転回数、あるいは、安定して動作することのできる最低回転数などを採用することができる。また、後述するように、デューティ比の変化に基づいて目標回転数Ｒｔを再設定する。一方、電動圧縮機１０２を停止すべき状態にある場合には、目標回転数Ｒｔをゼロ値に設定する。

実測回転数取得手段２０は、位置検出手段２１と回転数演算手段２２とを有している。このうち位置検出手段２１は、例えば、ＤＣモータ１０３の逆起電圧から、ロータが所定位置にあることを示す位置検出信号を、所定のサンプリング周期で取得する。また、回転数演算手段２２は、例えばこの位置検出信号を所定期間中にカウントすることにより、ＤＣモータ１０３の実測回転数Ｒｍを算出する。

インバータ制御器３は、転流周波数設定手段５０を備えている。この転流周波数設定手段５０は、上述した位置検出手段２１からの位置検出信号を取得する。そして、この位置検出信号を用いて、ステータの通電相の切り換え周波数（転流周波数）を定める転流パルス信号を生成する。

また、インバータ制御器３は、回転数比較手段５１を備えている。該回転数比較手段５１には、上述した回転数設定手段１２が設定した目標回転数Ｒｔと、回転数演算手段２２にて算出された実測回転数Ｒｍとが入力される。そして回転数比較手段５１は、これらの回転数の差分値（＝Ｒｍ−Ｒｔ）を取得し、これをデューティ調整手段３０へ出力する。

ここで、実測回転数Ｒｍが目標回転数Ｒｔより小さい場合（Ｒｍ−Ｒｔ＜０）、回転数比較手段５１からデューティ調整手段３０への出力は、デューティ比の増加指示を意味する。反対に、実測回転数Ｒｍが目標回転数Ｒｔより大きい場合（Ｒｍ−Ｒｔ＞０）、回転数比較手段５１からデューティ調整手段３０への出力は、デューティ比の減少指示を意味する。従って、デューティ調整手段３０は、回転数比較手段５１からの入力に基づき、デューティ比を調整（増加、減少、又は維持）して設定する。なお、デューティ調整手段３０がデューティ比を増加させると、ＤＣモータ１０３への駆動電力の電圧は高くなり、デューティ比を減少させると、駆動電力の電圧は低くなる。

インバータ制御器３は、更に駆動信号合成手段５２とインタフェース５３とを備えている。駆動信号合成手段５２は、上述した転流周波数設定手段５０が設定した転流周波数を有する転流パルス信号と、デューティ調整手段３０が設定したデューティ比を有するＰＷＭ信号とを合成し、インバータ回路２のスイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ６を駆動する駆動信号を生成する。この駆動信号は、フォトカプラ等から成るインタフェース５３を通じてインバータ回路２へ出力され、該インバータ回路２はこの駆動信号に基づいて動作する。その結果、ＡＣ／ＤＣ変換器１０１からＤＣモータ１０３へ供給される駆動電力は、上記転流周波数により特定される周期でＤＣモータ１０３の各相へ配分され、且つ、その電圧波形は上記デューティ比を有するものとなる。

一方、デューティ変化取得手段４０は、デューティ記憶手段４１と、計時手段４２と、デューティ比較手段４３とを有している。このうちデューティ記憶手段４１は、所定のタイミングで、デューティ調整手段３０により設定されたその時点でのデューティ比Ｄ１を記憶する。本実施の形態では、実測回転数Ｒｍと目標回転数Ｒｔとが一致した時点を前記タイミングとしている。このため、デューティ記憶手段４１には、実測回転数Ｒｍと目標回転数Ｒｔとの差分値を示す情報が上述した回転数比較手段５１から入力される。なお、「実測回転数Ｒｍと目標回転数Ｒｔとが一致する」とは、両者の完全一致のみを意味するのではなく、目標回転数Ｒｔを含む所定の範囲内（例えば、実施の形態１で説明した回転数の範囲ΔＲ内）に実測回転数Ｒｍが存在する場合、と定義してもよい。

計時手段４２は、運転状態判定手段１１が判定した目標運転状態が、「停止」から「運転」に切り替わったとき、あるいは、目標回転数Ｒｔがゼロから他の値に変化したとき、を基準時とし、その後の経過時間を計測する。なお、本実施の形態では、目標回転数Ｒｔの変化を基準としている。そのため、計時手段４２へは、回転数設定手段１２から目標回転数Ｒｔを示す信号が出力されている。計時手段４２は、この目標回転数Ｒｔがゼロから他の値に変化した時点を、上記基準時として検出する。

デューティ比較手段４３は、計時手段４２から入力された経過時間が所定の時間に達すると、その時点でのデューティ比Ｄ２をデューティ調整手段３０から取得する。また、既にデューティ記憶手段４１に記憶されているデューティ比Ｄ１も取得する。そして、これらのデューティ比Ｄ１，Ｄ２の差分値を算出し、この差分値を回転数設定手段１２へ出力する。回転数設定手段１２は、取得した差分値に応じて、目標回転数Ｒｔを再設定する。

［制御方法］
次に、上述した制御装置１により実現される、電動圧縮機１０２の制御方法について説明する。図４は、実施の形態２に係る制御装置１の動作手順を示すフローチャートである。

図４に示すように、制御装置１の運転状態判定手段１１は、サーモスタット１０４からの入力信号に基づき、電動圧縮機１０２の目標運転状態が「運転すべき状態」か「停止すべき状態」か、を判定する（ステップＳ１０）。判定結果が「停止すべき状態」であった場合（Ｓ１０：ＮＯ）は、電動圧縮機１０２を停止させる所定の処理（停止状態を維持する処理も含む）を行ない（ステップＳ１６）、ステップＳ１０の処理を再実行する。一方、判定結果が「運転すべき状態」であった場合（Ｓ１０：ＹＥＳ）は、所定の起動モードで動作する（ステップＳ１１）。

この起動モードは、停止状態にある電動圧縮機１０２を起動させる所定の動作シーケンスである。電動圧縮機１０２が停止していると、位置検出手段２１はＤＣモータ１０３の逆起電圧を検出できないため、ロータの位置を検出できない。また、当然ながら、冷却負荷の指標となるデューティ比の変化も検出できない。従って、起動モードでは、ロータの位置及び冷却負荷にかかわらず、転流周波数及びデューティ比として所定の初期値を採用して駆動信号を生成し、ＤＣモータ１０３を起動させる。そして、所定条件が満たされた時点で起動モードを終了する。この所定条件としては、少なくとも、位置検出手段２１が位置検出信号を取得でき、転流周波数及びデューティ比から駆動信号を生成できる状態になっていることが要求される。

起動モードを終了すると、目標回転数設定手段１０は、第１の目標回転数Ｒｔ１（例えば、１，６００ｒｐｍ）を設定する（ステップＳ１２）。この第１の目標回転数Ｒｔ１としては、既に説明したように、電動圧縮機１０２のスペックから定まる、燃費面において最高効率を達成できる運転回数を採用することができる。また、これと同時に計時手段４２は、その後の時間経過の計測を開始し（ステップＳ１３）、その時点でのデューティ比Ｄ１をデューティ記憶手段４１に記憶する（ステップＳ１４）。そして、計測開始から所定時間（例えば、５分又は１０分など）が経過したか否かを判定する（ステップＳ１５）。ここで、所定時間が経過していなければ、現状の目標回転数を維持したまま主にデューティ比を調整して駆動信号を生成する処理（ステップ２０以降の処理）を実行する。一方、所定時間が経過していれば、冷却負荷に応じて目標回転数を再設定する処理（ステップＳ３０以降の処理）を実行する。

ステップＳ２０以降の処理について説明する。まず、実測回転数取得手段２０は、ＤＣモータ１０３の逆起電圧に基づいて位置検出信号を生成し、この位置検出信号に基づいて実測回転数Ｒｍを取得する（ステップＳ２０）。ここで、位置検出信号は転流周波数設定手段５０へ出力され、実測回転数Ｒｍを示す信号は回転数比較手段５１へ出力される。次に、転流周波数設定手段５０は、取得した位置検出信号を用いて転流周波数を設定する（ステップＳ２１）。また、回転数比較手段５１は、実測回転数Ｒｍと目標回転数Ｒｔとの差分値を取得し、これをデューティ調整手段３０へ出力する。デューティ調整手段３０は、この差分値に基づいてデューティ比を調整して設定する（ステップＳ２１）。即ち、Ｒｍ−Ｒｔ＜０であればデューティ比を増加させ、Ｒｍ−Ｒｔ＞０であればデューティ比を減少させる。

このようにして設定された転流周波数とデューティ比とは、駆動信号合成手段５２へ入力される。駆動信号合成手段５２は、これら転流周波数及びデューティ比に基づいて駆動信号を生成する（ステップＳ２２）。即ち、上記転流周波数を有する信号と、上記デューティ比を有する信号との論理積をとった駆動信号を生成する。この駆動信号は、インタフェース５３を介してインバータ回路２へ出力され、各スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ６を動作させる。その結果、ＡＣ／ＤＣ変換器１０１からの直流電力は、ステップＳ２１で設定した転流周波数とデューティ比とを有する駆動電力となって、ＤＣモータ１０３のステータの各通電相へ送電される。従って、ＤＣモータ１０３は、実測回転数Ｒｍが目標回転数Ｒｔと一致するように制御される。

駆動信号の生成後、目標状態判定手段１１は、改めて現時点での目標運転状態を判定する（ステップＳ２３）。そして、判定結果が「運転すべき状態」であった場合（Ｓ２３：ＹＥＳ）は、庫内温度がサーモスタット１０４をオフにさせる閾値Ｔｈにまで低下していないことを意味するため、ステップＳ１５からの処理を繰り返す。また、判定結果が「停止すべき状態」であった場合（Ｓ２３：ＮＯ）は、庫内温度が閾値Ｔｈにまで低下したことを意味する。従って、計時手段４２での計時をクリア（ステップＳ２４）して、電動圧縮機１０２の運転を停止させる（ステップＳ２５）。

このように、目標回転数を設定（Ｓ１２）し、デューティ比を記憶（Ｓ１４）した後は、所定時間が経過するまではステップＳ２０以降の動作を繰り返す。そして、ステップＳ１２で設定した目標回転数を維持し、デューティ比を調整してＤＣモータ１０３の回転数を制御する。また、この間に実測回転数Ｒｍが目標回転数Ｒｔに到達すれば、サーモスタット１０４からのオフ信号に基づき、ＤＣモータ１０３を停止させる（Ｓ２５）。

次に、ステップＳ１５で所定時間が経過したと判定した場合の、ステップＳ３０以降の動作について説明する。この場合、デューティ比較手段４３は、デューティ調整手段３０から、現時点のデューティ比Ｄ２を取得する（ステップＳ３０）。そして、デューティ記憶手段４１に記憶されている、ステップＳ１５で記憶したデューティ比Ｄ１も取得し、両者の差分値（＝Ｄ１−Ｄ２）が所定値Ｘ％以上か否かを判定する（ステップＳ３１）。換言すれば、電動圧縮機１０２が所定時間継続して運転された場合に、その所定時間の経過前後のデューティ比の減少の程度から、冷却負荷の程度を判定する。

この結果、デューティ比の差分値が所定値Ｘ％以上であれば（Ｓ３１：ＹＥＳ）、目標回転数Ｒｔを小幅に増加させた第２の目標回転数Ｒｔ２（例えば、２，４００ｒｐｍ）に再設定する（ステップＳ３２）。即ち、デューティ比の差分値が所定値Ｘ％以上であるとは、所定時間の冷却によって庫内温度が比較的大きく低下したこと、但し、サーモスタット１０４がオフとなる閾値Ｔｈにまでは到達していないこと、を意味している。従って、ステップＳ３２の処理は、目標回転数Ｒｔを少しだけ増加させることにより、冷却能力をアップさせ、庫内温度をより早く閾値Ｔｈに到達させることを意図している。

デューティ比の差分値が所定値Ｘ％未満であれば（Ｓ３１：ＮＯ）、目標回転数Ｒｔを大幅に増加させた第３の目標回転数Ｒｔ３（例えば、３，０００ｒｐｍ）に再設定する（ステップＳ３３）。即ち、デューティ比の差分値が所定値Ｘ％未満であるとは、所定時間の冷却にもかかわらず、庫内温度が十分に低下していないことを意味している。例えば、このようなケースとしては、冷蔵庫に高温の食品が収容された結果、庫内温度が設定温度（閾値Ｔｈ）に比べて大幅に高くなり、冷却負荷が大きくなった場合が想定される。従って、ステップＳ３３の処理は、目標回転数Ｒｔを大きく増加させることにより、冷却能力を飛躍的にアップさせ、庫内温度をより早く閾値Ｔｈに到達させることを意図している。

このように、ステップＳ３２又はステップＳ３３にて目標回転数Ｒｔを再設定すると、計時手段４２での計時をクリア（リスタート）して（ステップＳ３４）、ステップＳ１４からの処理を繰り返す。

以上に説明したような制御を行なうことにより、デューティ比の変化に基づいてＤＣモータの目標回転数を適切に設定することができる。その結果、庫内温度の詳細な変化状況及び外気温を取得しなくとも、ＤＣモータを適切な回転数で運転することができる。従って、コスト高を抑制しながら、庫内を適切な温度に冷却でき、且つ、省エネルギー化を図ることができる。

なお、上述した例では、デューティ比の変化の程度を、Ｘ％以上とＸ％未満の２つに分類したが、これに限られない。例えば、デューティ比の変化の程度を３つ以上に分類し、各分類に対応するように、目標回転数Ｒｔの再設定値を定めておくこととしてもよい。また、目標回転数Ｒｔの再設定値の設定方法も特に限定されない。例えば、上述した第２の目標回転数Ｒｔ２のように、再設定後の目標回転数の値そのまま（２，４００ｒｐｍ）を設定してもよいし、目標回転数の増加分の値（８００ｒｐｍ）だけを設定してもよい。また、再設定の前後における目標回転数Ｒｔの割合（１５０％）や、再設定前の値に対する増加分の値の割合（５０％）を設定してもよい。

また、サーモスタット１０４が有する感温部及びスイッチ部のうち、感温部は庫内温度を検出できる箇所に配置し、スイッチ部は、商用電源１００から制御装置１（特に、インバータ制御器３）への給電線上に配置してもよい。これにより、庫内温度が十分に低下して感温部が閾値Ｔｈ未満を検出すると、スイッチ部が動作して商用電源１００から制御装置１への電力供給を遮断できる。従って、庫内温度が閾値Ｔｈ未満のときには、制御装置１へは給電されず、待機時の省エネルギー化を図ることができる。

（実施の形態３）
実施の形態３に係る制御装置１は、一定の回転数でＤＣモータ１０３を運転している間に、現時点でのデューティ比を取得し、これに基づいて設定した時間の経過後に目標回転数Ｒｔを増加させる制御を行う。また、制御装置１は、インバータ回路２へ入力されている電力の電圧値（以下、給電電圧）を取得する。そして、この給電電圧に応じて、上記デューティ比に基づく設定時間（目標回転数Ｒｔを増加させるまでの時間）を調整するものである。

より詳述すると、既に説明したように冷却負荷とデューティ比とは相関関係がある。即ち、ＤＣモータ１０３を一定回転数で運転しようとした場合、冷却負荷が大きくなるとデューティ比も大きくなる。従って、デューティ比が大きい場合には冷却負荷が大きいと判断できるため、冷凍サイクルの冷却能力をアップさせるべく、目標回転数Ｒｔを増加させるのが好ましい。

しかしながら、デューティ比は、冷却負荷だけではなく、給電電圧の大きさによっても影響される。例えば、ＤＣモータ１０３を一定回転数で運転する場合に、冷却負荷が一定であり、インバータ回路２へ入力される給電電圧が高くなったとする。この場合、ＤＣモータ１０３の回転数を一定に維持するためには、給電電圧が高くなっても駆動電力の電圧を一定に維持する必要がある。そのため、制御装置１は、デューティ比を小さくする。逆に、給電電圧が低くなった場合は、駆動電力の電圧を一定に維持するために、制御装置１はデューティ比を大きくする。

このように、ＤＣモータ１０３を一定回転数で運転しようとした場合、デューティ比と冷却負荷と給電電圧とは互いに相関関係がある。そして、デューティ比だけでなく給電電圧も考慮することで、冷却負荷をより正確に把握することができる。

そこで制御装置１は、基本動作として、デューティ比が所定の閾値以上である場合、冷却負荷が大きいとみなして短時間の経過後に目標回転数Ｒｔを増加させる。また、同様に基本動作として、デューティ比が閾値未満である場合には、冷却負荷が小さいとみなして長時間の経過後に目標回転数Ｒｔを増加させる。そして制御装置１は、このような基本動作に加えて、デューティ比の閾値に関し、給電電圧が高い場合にはより小さい値を用い、給電電圧が低い場合にはより大きい値を用いるような切り替えを行う。

これにより、冷却負荷が小さい場合に必要以上に高回転で運転することがなく、省エネルギー化を図ることができる。また、デューティ比に加えて給電電圧を考慮することにより、冷却負荷をより正確に把握し、ＤＣモータ１０３をより適切に運転制御することができる。

以下、このような制御態様を実現する制御装置１の構成例とその動作例とを、図面を参照しつつ具体的に説明する。

図５は、本発明の実施の形態３に係る電動圧縮機の制御装置の構成を示すブロック図である。図５の制御装置１は、実施の形態２の制御装置１（図３参照）と大部分において同じ構成を備えている。但し、デューティ変化取得手段４０は備えず、電圧検出手段６０及び切替時間設定手段６１を備えている。なお、デューティ変化取得手段４０を備える実施の形態２の制御装置１に対し、追加的に電圧検出手段６０及び切替時間設定手段６１を備えることとしてもよい。

電圧検出手段６０は、ＡＣ／ＤＣ変換器１０１から出力されてインバータ回路２へ入力される給電電圧（ＤＣ電圧）を検出し、該給電電圧を切替時間設定手段６１へ出力する。切替時間設定手段６１は、所定の一定回転数でＤＣモータ１０３を運転しているときのデューティ比をデューティ調整手段３０から取得し、入力された給電電圧に応じてデューティ比を閾値と比較し、目標回転数Ｒｔを増加させるまでの時間を設定する。また、時間の設定と共に、経過時間の計測を実行する。なお、図５の制御装置１のうち、実施の形態１，２にて既に説明した構成と同様のものには同一符号を付してその詳細な説明は省略する。

［制御方法］
次に、上述した制御装置により実現される電動圧縮機１０２の制御方法について説明する。図６は、実施の形態３に係る制御装置の動作手順を示すフローチャートであり、図７は、制御装置の動作手順のうちの時間設定処理の内容を示すフローチャートである。

図６に示すように、制御装置１はサーモスタット１０４からの入力信号に基づき、電動圧縮機１０２の目標運転状態が「運転すべき状態」か「停止すべき状態」か、を判定する（ステップＳ４０）。判定結果が「停止すべき状態」であった場合（Ｓ４０：ＮＯ）は、切替時間設定手段６１での計時をクリアし（ステップＳ５０）、所定の運転停止処理を行う（ステップＳ５１）。

一方、判定結果が「運転すべき状態」であった場合（Ｓ４０：ＹＥＳ）は、起動モードを経て所定の安定運転状態に至ると、給電電圧を検出する（ステップＳ４１）。また、目標回転数設定手段１０にて、目標回転数Ｒｔを設定する（ステップＳ４２）。この目標回転数Ｒｔとしては、安定的に動作できる最低回転数、あるいは高効率の回転数などを予め設定しておくことができる。

次に、目標回転数Ｒｔを増加させるまでの時間を設定する処理（ステップＳ４３）を実行する。この時間設定処理では、ステップＳ４１で取得した給電電圧と、別途、デューティ調整手段３０から取得したデューティ比とを用いて、時間を設定する。以下、具体的な動作例を、図７を参照して説明する。

図７に示すように、はじめに給電電圧が基準値以上であるか否かを判定する（ステップＳ１００）。この基準値としては、例えば２６０Ｖとすることができる。一般的に、ＡＣ／ＤＣ変換器１０１は、商用電源１００の交流電圧の実効値が１００Ｖの場合、倍電圧整流方式を使用した構成となっているため、通常時の給電電圧は約２８２Ｖとなる。また、商用電源１００の交流電圧の実効値が２００Ｖの場合、ＡＣ／ＤＣ変換器１０１は全電圧整流方式を使用した構成となっているため、通常時の給電電圧はやはり約２８２Ｖとなる。従って、通常時の給電電圧よりも若干低い値を、ステップＳ１００での判定基準値としておくことができる。

給電電圧が基準値以上である場合（Ｓ１００：ＹＥＳ）は、給電電圧が高い場合に対応して予め用意されたデューティ比の閾値（例：２０％，３０％）に基づき、時間設定を行う（ステップＳ１０１〜Ｓ１０５）。即ち、デューティ調整手段３０から取得した現時点のデューティ比が２０％（第１閾値）以下か否かを判定する（ステップＳ１０１）。２０％以下であれば（Ｓ１０１：ＹＥＳ）、高電圧時の低負荷に対応する第１時間（例：３０分）を、目標回転数Ｒｔを増加させるまでの経過時間として設定する（ステップＳ１０２）。２０％より大きい場合は（Ｓ１０１：ＮＯ）、３０％（第２閾値）以下か否かを判定する（ステップＳ１０３）。そして、３０％以下であれば（Ｓ１０３：ＹＥＳ）、高電圧時の中負荷に対応する第２時間（例：２０分）を経過時間として設定する（ステップＳ１０４）。また、３０％より大きい場合は（Ｓ１０３：ＮＯ）、高電圧時の高負荷に対応する第３時間（例：１０分）を経過時間として設定する（ステップＳ１０５）。

一方、給電電圧が基準値未満である場合（Ｓ１００：ＮＯ）は、給電電圧が低い場合に対応して予め用意されたデューティ比の閾値（例：２２％，３３％）に基づき、時間設定を行う（ステップＳ１０６〜Ｓ１１０）。即ち、デューティ調整手段３０から取得した現時点のデューティ比が２２％（第３閾値）以下か否かを判定する（ステップＳ１０６）。２２％以下であれば（Ｓ１０６：ＹＥＳ）、低電圧時の低負荷に対応する第４時間（例：３０分）を経過時間として設定する（ステップＳ１０７）。２２％より大きい場合は（Ｓ１０６：ＮＯ）、３３％（第４閾値）以下か否かを判定する（ステップＳ１０８）。そして、３３％以下であれば（Ｓ１０８：ＹＥＳ）、低電圧時の中負荷に対応する第５時間（例：２０分）を経過時間として設定する（ステップＳ１０９）。また、３３％より大きい場合は（Ｓ１０８：ＮＯ）、低電圧時の高負荷に対応する第６時間（例：１０分）を経過時間として設定する（ステップＳ１１０）。

上記において、デューティ比に関する第１〜第４の閾値については、第１閾値＜第３閾値、第２閾値＜第４閾値が成り立つように設定する。これは、冷却負荷が同一の場合であっても給電電圧の違いによってデューティ比が異なることを考慮したものである。また、設定する経過時間については、第１時間＞第２時間＞第３時間、第４時間＞第５時間＞第６時間が成り立つように設定する。これは、給電電圧が一定の場合であっても、冷却負荷に応じてデューティ比が異なることを考慮したものである。なお、上記のデューティ比の閾値は、ＤＣモータ１０３及び冷蔵庫の仕様によって適宜設定することができる。

以上に説明したような制御を行うことにより、デューティ比及び給電電圧に基づいて冷却負荷をより適切に把握し、電動圧縮機１０２を高効率で運転し、省エネルギー化を図ることができる。また、その際、高価なセンサ類を必要とせず、比較的安価なサーモスタット等を用いて実現することができる。

なお、実施の形態１又は２と実施の形態３とを組み合わせる場合には、実施の形態１又は２の制御方法と、実施の形態３の制御方法とのうち、何れか一方を選択的に実行可能な構成とすることができる。あるいは、実施の形態１又は２の制御方法と、実施の形態３の制御方法とを、有機的に組み合わせた制御方法を実行することとしてもよい。例えば、はじめに、実施の形態３の制御方法に従って、目標回転数Ｒｔを増加させるまでの時間を設定する（Ｓ４３）。次に、経過時間の計測を開始し（Ｓ４４，Ｓ１３）、設定時間が経過（Ｓ４６：ＹＥＳ，Ｓ１５：ＹＥＳ）すると、目標回転数Ｒｔを増加（再設定）する（Ｓ４７）。但し、この際に再設定する目標回転数Ｒｔは、実施の形態１又は２の制御方法（Ｓ３０〜Ｓ３３）に従って決定する。このような制御方法を採用することにより、センサ類の搭載数を減らした低コストの構成であっても、適切に冷却しつつ省エネルギー化を図った制御装置を実現することができる。

本発明は、コスト高を抑制しつつ、冷蔵庫の庫内を適切に冷却することができ、且つ、省エネルギー化を図ろうとする電動圧縮機の制御方法に適用することができる

１ 制御装置
２ インバータ回路
３ インバータ制御器
１０ 目標回転数設定手段
２０ 実測回転数取得手段
３０ デューティ調整手段
４０ デューティ変化取得手段
１００ 商用電源
１０１ ＡＣ／ＤＣ変換器
１０２ 電動圧縮機
１０３ ＤＣモータ
１０４ サーモスタット

Claims (8)

1. 冷凍サイクルを構成しＤＣモータを備える電動圧縮機の制御方法であって、
   前記ＤＣモータの目標回転数として、所定の一定回転数を設定するステップと、
   前記ＤＣモータの回転数の測定値である実測回転数を取得するステップと、
   前記目標回転数と前記実測回転数とが一致するように、前記ＤＣモータの駆動電力のデューティ比を調整するステップと、
   前記デューティ比の変化に基づいて前記目標回転数を再設定するステップと、
   を備える電動圧縮機の制御方法。
2. 冷凍サイクルを構成する電動圧縮機が備えるＤＣモータに駆動電力を出力するインバータ回路と、該インバータ回路の駆動信号を出力するインバータ制御器と、を備え、
   前記インバータ制御器は、
   前記ＤＣモータの目標回転数として所定の一定回転数を設定する目標回転数設定手段と、
   前記ＤＣモータの回転数の測定値である実測回転数を経時的に取得する実測回転数取得手段と、
   前記目標回転数と前記実測回転数とが一致するように、前記インバータ回路が出力する駆動電力のデューティ比を調整するデューティ調整手段と、
   前記デューティ比の経時的変化を取得するデューティ変化取得手段と、を有し、
   前記目標回転数設定手段は、前記デューティ比の経時的変化に基づき、前記ＤＣモータの目標回転数を再設定するよう構成されている、
   電動圧縮機の制御装置。
3. 前記デューティ変化取得手段は、前記デューティ調整手段により前後する各タイミングで設定されたデューティ比の差分値を取得し、
   前記目標回転数設定手段は、前記デューティ変化取得手段が取得したデューティ比の差分値に基づいて前記目標回転数を増加させる、
   請求項２に記載の電動圧縮機の制御装置。
4. 前記デューティ変化取得手段は、
   第１のタイミングで前記デューティ調整手段から取得した第１デューティ比を記憶するデューティ記憶手段と、
   前記第１のタイミングからの経過時間を計測する計時手段と、
   前記第１のタイミングから所定時間を経過した第２のタイミングで前記デューティ調整手段から取得した第２デューティ比と、前記デューティ記憶手段に記憶された前記第１デューティ比とを比較するデューティ比較手段と、
   を有する、請求項３に記載の電動圧縮機の制御装置。
5. 前記インバータ制御器は、
   前記実測回転数に基づいて前記駆動電力の転流周波数を設定する転流周波数設定手段と、
   前記デューティ調整手段により設定されたデューティ比、及び、前記転流周波数設定手段により設定された転流周波数を合成して前記駆動信号を生成する駆動信号合成手段と、
   を更に備える請求項４に記載の電動圧縮機の制御装置。
6. 前記インバータ制御器は、前記デューティ比と、前記インバータ回路への入力電圧とに基づき、前記目標回転数を再設定するまでの時間を設定する切替時間設定手段を更に備える、請求項２〜５の何れかに記載の電動圧縮機の制御装置。
7. 請求項２〜６の何れかに記載の制御装置と、
   ＤＣモータを有して冷凍サイクルを構成する電動圧縮機と、
   を備える冷蔵庫。
8. 庫内が所定温度以上か否かを判別可能な信号を出力するサーモスタットを更に備え、
   前記制御装置は、庫内が所定温度以上である場合に、前記駆動電力のデューティ比の経時的変化に基づいて前記ＤＣモータの目標回転数の再設定を行なう、
   請求項７に記載の冷蔵庫。

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