KR100808759B1

KR100808759B1 - 컴프레서의 구동장치 및 이를 이용한 냉장고

Info

Publication number: KR100808759B1
Application number: KR1020057015490A
Authority: KR
Inventors: 유우키 마루타니; 고사쿠 아다치
Original assignee: 가부시끼가이샤 도시바; 도시바 콘슈머 마케팅 가부시끼 가이샤; 도시바 가덴세이조 가부시끼가이샤
Priority date: 2003-09-19
Filing date: 2004-03-12
Publication date: 2008-02-29
Also published as: WO2005029692A1; JP4509518B2; JP2005090466A; CN100353660C; CN1754306A; KR20060113365A

Abstract

기동실패가 없는 리시프로식 컴프레서의 구동장치를 제공한다. 리시프로식 컴프레서(15)의 피스톤(107)-압축상사점-하사점을 잇는 선을 기준으로 하여 θ init를 45° 정도 회전방향으로 이동한 위치를 최적한 기동초기위치로 하므로 상기 기동초기위치에 회전자(117)를 이동시키기 위한 기동모터정수로서 회전초기위치(θ init), 기동가속속도(ω init), 시동d축전류(I dinit), 시동q축전류(I qinit)를 설정하고, 기동 전에 컴프모터(28)에 기동모터정수에 기초하여 1상으로 구동전류를 흐르게 하고, 회전자(117)의 위치를 기동초기위치에 대기시켜, 그 후 상기 기동초기위치에서 기동을 개시함으로써 회전자(117)를 어느쪽의 시동위치에서도 정상으로 기동할 수 있다.

Description

컴프레서의 구동장치 및 이를 이용한 냉장고{COMPRESSOR DRIVING UNIT AND REFRIGERATOR USING THE SAME}

본 발명은 인버터회로에 의해 컴프레서의 모터를 구동하는 컴프레서의 구동장치에 관한 것이다.

종래, 냉장고의 컴프레서의 구동원으로서 리시프로식 컴프레서가 이용되고 있다.

상기 종류의 컴프레서로서는 모터의 회전축과 일체인 크랭크핀으로부터 크랭크를 연장시켜, 상기 크랭크와 실린더실에 수용되는 피스톤을 볼조인트기구부를 통해 연결시키고, 볼조인트기구부는 크랭크의 단부에 일체로 설치되는 볼과 피스톤에 설치되어 볼을 접동이 자유롭게 감싸 유지하는 볼받이로 이루어지고, 상기 모터를 회전시켜 피스톤을 실린더실에서 보복(報復)운동시켜 냉매를 압축한다(예를 들면, 일본 공개특허공보 2003-214343호 참조).

그런데, 이와 같은 컴프레서의 모터를 제어하는 경우에 모터의 회전자의 위치를 검출할 필요가 있다. 그러므로, 볼IC 등의 위치 검출 소자를 이용하면, 확실하게 회전자의 위치를 검출할 수 있지만, 비용이 들게 된다. 그러므로, 통상의 인버터제어에서는 2상통전에 의해 기동시키므로 통전하지 않는 다른 1상에 의해 발생 한 유기전력에 의해 위치 검출을 할 수 있는 센서리스 제어를 한다.

그러나, 벡터제어에 있어서는 3상을 동시에 통전시켜, 션트저항에 의해 회전자의 위치를 검출하고 있으므로 모터의 기동시에 소정 속도에 달할 때까지는 모터의 회전자의 위치가 정확히 잡히지 않으므로 기동시에는 회전자가 상기의 소정 속도에 달한 후에 속도제어를 개시하고 있다.

그러나, 6슬롯 4극의 브러쉬리스 DC 모터에는 모터(1) 회전 중에 전기적인 제어위치가 180°대칭으로 2 곳 존재하므로 회전자의 정지위치에 따라 다음 기동시에 회전자가 2 곳 중 어디에서 기동하는지 알 수 없다는 문제점이 있다.

또한, 상기 컴프레서는 1 회전함으로써 피스톤에 의한 압축동작을 실행하므로 회전중의 위치에 의해 회전자에 걸리는 토크가 항상 변동한다. 그러므로, 컴프레서의 흡입구와 토출구에 압력차가 있는 상태에서 컴프레서를 기동하는 경우에 드물게 기동에 실패하는 문제점이 있다.

그러므로, 본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 기동 실패가 없는 컴프레서의 구동장치를 제공한다.

청구항 1에 관한 발명은 3상의 브러쉬리스 DC 모터에서 회전하는 리시프로식 컴프레서와 응축기, 증발기를 적어도 갖춘 냉동사이클을 구비하고, 상기 컴프레서에 의해 냉매를 압축하여 상기 증발기를 냉각하는 컴프레서의 구동장치에서, 상기 브러쉬리스 DC 모터의 고정자 코일에 3상의 구동전류를 공급하는 인버터회로와 상기 인버터회로에 PWM신호를 공급하는 PWM회로, 상기 3상의 구동전류를 검지하는 구동전류 검지수단, 상기 검지한 3상의 구동전류에 기초하여 상기 브러쉬리스 DC 모터의 회전자의 자속에 대응한 전류성분인 d축전류, 상기 브러쉬리스 DC 모터의 토크에 대응한 전류성분인 q축전류로 변환하는 dq변환수단, 상기 변환한 d축전류와 q축전류, 외부로부터 입력되는 속도지령신호에 기초하여 기준q축전류와 기준d축전류를 출력하는 제어수단, 상기 기준q축전류와 기준d축전류를 기준q축전압과 기준d축전압으로 변환하는 전압변환수단, 상기 변환한 기준q축전압과 기준d축전압을 3상전압으로 변환하여 상기 PWM회로로 출력하는 3상변환수단, 상기 컴프레서의 피스톤의 위치와 압축상사점과 하사점을 잇는 선을 기준으로 하여 40°에서 50° 회전한 위치인 기동초기위치에 상기 브러쉬리스 DC 모터의 회전자를 회전이동시키는 초기패턴출력수단과 상기 기동초기위치에서 상기 컴프레서를 기동시키는 기동수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 컴프레서의 구동장치이다.

청구항 2에 관한 발명은 제 1 항에 있어서,

상기 브러쉬리스 DC 모터가 3상 4극인 것을 특징으로 하는 컴프레서의 구동장치이다.

청구항 3에 관한 발명은 제 1 항에 있어서,

상기 기동초기위치가 상기 피스톤의 위치와 압축상사점과 하사점을 잇는 선을 기준으로 하여 45°회전한 위치인 것을 특징으로 하는 컴프레서의 구동장치이다.

청구항 4에 관한 발명은 제 1 항 내지 제 3 항 중 적어도 어느 한 항에 있어서,

상기 냉동사이클은 냉장고의 냉동사이클인 것을 특징으로 하는 컴프레서의 구동장치이다.

본 발명이라면, 컴프레서의 기동시의 브러쉬리스 DC 모터의 회전자의 기동초기위치에 이동시킴으로써 정현파 인버터에 의한 기동에서 컴프레서의 흡입구와 토출구에 압력차가 있는 상태에서도 컴프레서가 기동할 수 있고, 최적인 냉동사이클 제어를 할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시형태의 리시프로식 밀폐형인 컴프레서의 종단 정면도,

도 2는 본 실시형태의 압축기구부의 상사점의 위치를 설명하기 위한 도면,

도 3은 본 실시형태의 압축기구부의 하사점의 위치를 설명하기 위한 도면,

도 4는 컴프모터의 설명도,

도 5는 본 실시형태에서 θ init에 대한 기동성공확률을 나타내는 그래프,

도 6은 본 실시형태를 나타내는 냉장고의 단면도,

도 7은 본 실시형태의 냉장고의 냉동사이클도,

도 8은 본 실시형태의 냉장고의 블럭도,

도 9는 3상에서 αβ변화를 실행하는 벡터도 및

도 10은 αβ에서 dq변화를 실행하는 벡터도이다.

이하, 본 발명의 일 실시형태의 냉장고(1)를 설명한다.

(1) 냉장고(1)의 구성

우선, 냉장고(1)의 구성에 대해 도 6과 도 7에 기초하여 설명한다.

도 6은 본 실시형태를 나타내는 냉장고(1)의 단면도이며, 도 7은 냉장고(1)의 냉동사이클이다.

냉장고(1)의 캐비넷은 단열상자체(9)와 내부상자(8)로 형성되고, 단열칸막이벽(2)에 의해 냉장온도대역(30)과 냉동온도대역(31)으로 구분되고, 양 온도대역(30, 31)의 냉기는 완전히 독립하여 각 냉기가 혼합되지 않는 구조로 되어 있다.

냉장온도대역(30)의 냉장고 안은 냉장칸막이판(3)에 의해 냉장저장실(4)과 야채실(5)로 구분되고, 냉동온도대역(31)의 냉동고 안은 제 1 냉동실(6)과 제 2 냉동실(7)로 이루어지며, 각 실은 각각 개폐문(4a, 5a, 6a, 7a)을 구비하고 있다. 또한, 냉장저장실(4)에는 냉장고 내부 온도를 검지하기 위한 온도센서(이하, R센서로 함)(34)와 탈취장치(35)가 배치되어 있다.

야채실(5)의 배면에는 냉장실 증발기(10)과 냉장실 냉각팬(11)이 배치되고, 냉장실 냉각팬(11)은 냉장고 내부 온도변동이나 문개폐로 인해 임의로 운전된다. 그리고, 냉장저장실(4)의 배면은 냉기를 냉장온도대역(30) 내로 공급하기 위한 냉기순환로(18)로 되어 있다. 냉동실 증발기(12)의 하부에는 서리 제거 히터(26)가 배치되어 있다.

냉동실 증발기(12)와 냉동실 냉각팬(13)은 제 1 및 제 2 냉동실(6, 7)의 배벽에 배치되고, 냉기를 순환시킴으로써 제 1 및 제 2 냉동실(6, 7)이 냉각된다.

냉장고(1)의 배벽 하부의 기계실(14)에는 도 7에 도시한 바와 같이 냉동사이 클을 구성하는 컴프레서(15), 응축기(21)가 각각 배치되고, 컴프레서(15)에서 토출된 가연성 냉매는 응축기(21)를 통과한 후, 전환밸브(22)의 냉매전환기구에 의해 냉매 유로(流路)가 서로 전환되어 냉동모드와 냉장모드를 서로 실현할 수 있다.

전환밸브(22)의 한쪽 출구에는 냉장 캐피러리 튜브(23)와 냉장실 증발기(10)가 차례로 접속되어 전환밸브(22)의 다른쪽 출구에는 냉동 캐피러리 튜브(24)와 냉동실 증발기(12)가 차례로 접속되며, 냉동실 증발기(12)에 어큐뮬레이터(16)가 접속되어 있다.

상기 구성의 냉장고(1)에 의하면, 전환밸브(22)에 의해 냉매 유로가 전환되고, 냉동온도대역(31) 냉각시의 냉동모드에서는 가연성 냉매가 냉동 캐피러리 튜브(24)에서 감압되어 냉동실 증발기(12)에 들어가 냉동온도대역(31)을 냉각시킨 후 다시 컴프레서(15)로 돌아간다.

한편, 냉장온도대역(30) 냉각시의 냉장모드에서는 가연성 냉매는 냉장 캐피러리 튜브(23)에서 감압되고, 냉장실 증발기(10)에 들어가 냉장온도대역(30)을 냉각시킨 후, 냉동실 증발기(12)를 통과하여 다시 컴프레서(15)로 돌아가는 냉동사이클을 구성한다.

냉동모드시의 가연성 냉매는 냉동 캐피러리 튜브(24), 냉동실 증발기(12), 어큐뮬레이터(16)의 순서로 흐르고, 냉동실 냉각팬(13)의 운전에 의해 냉기가 냉동고 내를 순환하여 제 1 및 제 2 냉동실(6, 7)의 냉각이 실행된다.

냉장모드시는 전환밸브(22)가 전환되고, 냉매 유로가 냉동온도대역(31) 측에서 냉장온도대역(30) 측으로 전환되면 가연성 냉매는 냉장실 증발기(10)로 흐르고, 냉장실팬(11)의 운전에 의해 냉장저장실(4)과 야채실(5)을 냉각한다.

(2) 냉장고(1)의 전기계통의 구조

냉장고(1)의 전기계통의 구조에 대해 도 8의 블럭도에 기초하여 설명한다.

도 8에 도시한 바와 같이, 컴프레서(15)를 구동하는 3상의 브러쉬리스 DC 모터(이하, 컴프모터라 함)(28)와 상기 컴프모터(28)를 구동하는 구동장치(이하, 컴프구동장치라 함)(32)와 상기 컴프구동장치(32)를 제어하는 냉장고(1)의 주제어부(33)로 구성되어 있다. 또한, 주제어부(33)에는 각 칸(4, 5, 6, 7)의 문(4a~7a)에 각각 설치된 문스위치(4b~7b)가 접속되어 있다. 또한, 주제어부(33)에는 탈취장치(35), 서리 제거 히터(26), R센서(34)가 접속되어 있다.

우선, 컴프구동장치(32)의 구조에 대해 설명한다.

컴프구동장치(32)는 인버터회로(42), 정류회로(44), 교류전원(46), PWM형성부(48), AD변환부(50), dq변환부(52), 속도검출부(54), 속도지령출력부(56), 속도PI제어부(58), q축전류PI제어부(60), d축전류PI제어부(62), 3상변환부(64), 초기패턴출력부(66)로 구성되어 있다.

컴프레서(15)를 회전시키는 컴프모터(28)는 상기한 바와 같이, 3상의 브러쉬리스 DC 모터이다. 상기 컴프모터(28)의 3상(u상, v상, w상)의 고정자 코일(40u, 40v, 40w)에 인버터회로(42)가 3상의 구동전류를 흐르게 한다.

상기 인버터회로(42)는 6개의 파워 스위칭 반도체인 트랜지스터(Tr1~Tr6)로 구성된 풀브릿지 인버터회로이다. 또한, 도면에서는 도시되지 않았지만, 상기 스위칭 트랜지스터(Tr1~Tr6)에 대해 병렬로 역방향에 다이오드가 접속되어 있다. 또 한, 스위칭 트랜지스터 Tr1과 Tr4에 직렬로 구동전류를 검지하기 위한 검지저항(R1)이 접속되고, 스위칭 트랜지스터 Tr2와 Tr5에 직렬로 검지저항(R2)이 접속되고, 스위칭 트랜지스터 Tr28과 Tr6에 직렬로 검지저항(R28)이 접속되어 있다.

정류회로(44)는 상용전원(AC100V)인 교류전원(46)에서 교류전압이 공급되고, 이를 정류하여 인버터회로(42)로 공급한다.

PWM형성부는 6개의 스위칭 트랜지스터(Tr1~Tr6)의 게이트 단자에 PWM신호를 공급한다. PWM형성부(48)는 나중에 설명하는 3상의 전압(Vu, Vv, Vw)에 기초하여 펄스폭변조를 실행하고, 소정의 타이밍으로 각 스위칭 트랜지스터(Tr1~Tr6)를 ON/OFF한다.

AD변환부(50)는 션트저항(R1, R2, R28)에서의 전압값을 검지하여 각 상의 전압값을 아날로그값에서 디지털값으로 변환하고, 3상의 구동전류(Iu, Iv, Iw)를 출력한다.

dq변환부(52)는 AD변환부(50)에서 출력된 구동전류(Iu, Iv, Iw)를 자속에 대응한 전류성분인 d축(direct-axis)의 전류(Id)와 컴프모터(28)의 토크에 대응한 전류성분인 q축(quadrature-axis)의 전류(Iq)로 변환한다.

상기 변환방법은 수학식 1에 도시한 바와 같이 3상의 Iu, Iv, Iw를 2상의 Iα, Iβ로 변환한다. 상기 3상의 전류와 2상의 전류와의 관계를 나타낸 벡터도가 도 9이다.

다음으로, 상기와 같이 변환한 2상의 전류 Iα, Iβ를 q축전류(Iq)와 d축전류(Id)에 수학식 2를 이용하여 변환한다. 상기 2상의 구동전류와 변환(검지)한 q축전류(Iq)와 d축전류(Id)와의 관계는 도 10에 도시한 벡터도와 같은 관계를 갖는다.

속도검출부(54)에서는 검지한 q축전류(Iq)와 d축전류(Id)에 기초하여 컴프모터(28)의 회전각(θ)과 회전속도(ω)를 검출한다. q축전류와 d축전류에 기초하여 컴프모터(28)의 회전자의 위치인 회전각(θ)을 구하고, 상기 θ를 미분함으로써 회전속도(ω)를 구한다.

냉장고(1)의 주제어부(33)에서는 dq변환부(52)에서 보내진 q축전류(Iq)에 기초하여 속도지령신호(S)를 출력한다.

속도지령출력부(56)는 주제어부(33)에서의 속도지령신호(S)와 속도검출부(54)에서의 회전속도(ω)에 기초하여 기준회전속도(ω ref)를 출력한다. 기준회전속도(ω ref)는 현재의 회전속도(ω)와 함께 속도PI제어부(58)로 입력된다.

속도PI제어부(58)에서는 기준회로속도(ω ref)와 현재의 회전속도(ω)와의 차이분량에 기초하여 PI제어를 하고, 기준q축전류(Iq ref)와 기준d축전류(Id ref)를 출력하고, 현재의 q축전류(Iq)와 현재의 d축전류(Id)와 함께 q축전류PI제어부(60)와 d축전류PI제어부(62)로 각각 출력된다.

q축전류PI제어부(60)에서는 PI제어를 실행하고, 또한 전류/전압변환을 실행하고, 기준q축전압(Vq)을 출력한다.

d축전류PI제어부(62)에서는 PI제어를 실행하고, 또한 전류/전압변환을 실행하고, 기준d축전압(Vd)을 출력한다.

3상변환부(64)에서는 기준d축전압(Vd)과 기준q축전압(Vq)을 우선 2상의 전압에 수학식 3에 기초하여 변환한다.

상기 변환된 2상의 전압(Vα, Vβ)을 3상의 전압(Vu, Vv, Vw)에 수학식 4에 기초하여 변환한다.

상기 변환된 3상의 전압(Vu, Vv, Vw)을 상기한 PWM형성부(48)로 출력한다.

본 실시의 컴프구동장치(32)에 의하면 검지된 d축전류(Id)와 q축전류(Iq)에 기초하여 회전속도를 검지하고, 상기 회전속도(ω)와 주제어부에서의 속도지령신호(S)에 기초하여 피드백제어를 실행하고, 속도지령신호(S)에 알맞는 회전속도(ω ref)로 컴프모터(28)가 회전하도록 PWM형성부(48)에서 PWM신호를 인버터회로(42)로 출력한다. 인버터회로(42)는 이에 기초하여 3상의 구동전류를 컴프모터(28)의 3상의 고정자 코일(40)로 출력한다.

그리고, 초기 패턴출력부(66)는 컴프레서(15)의 기동시의 기동모터정수가 설정되어 있으며, 기동시는 상기 설정된 기동모터정수에 의해 기동특성이 정해진다. 설정되어 있는 기동모터정수로서는 회전초기위치(θ init), 기동가속속도(ω init), 시동d축전류(I dinit), 시동q축전류(I qinit)이며, 기동가속속도(ω init)는 속도지령출력부(56)로 출력되고, 회전초기위치(θ init)는 dq변환부(52)로 출력되고, 시동d축전류(I dinit), 시동q축전류(I qinit)는 속도PI제어부(58)로 출력된다. 상기 기동시의 제어에 대해서는 나중에 설명한다.

(3) 컴프레서(15)의 구조와 동작상태

(3-1) 컴프레서(15)의 구조

다음으로, 리시프로식 밀폐형의 컴프레서(15)의 구조에 대해 도 1 ~ 도 4에 기초하여 설명한다.

도 1은 컴프레서(15)를 종단면으로 한 정면도이다.

압축유체인 냉매는 상기한 바와 같이 자연의 가연성 냉매인 이소부탄(R600a)이다.

컴프레서(15)의 종형의 밀폐상자(101) 내의 상하방향의 거의 중간부에는 프레임(102)이 스프링(102a)을 통해 탄성적으로 지지되어 있다. 프레임(102)의 상부측에는 압축기구부(103)가 설치되고, 하부측에는 컴프모터(28)가 설치되어 있다. 압축기구부(103)는 소위 리시프로식 압축기구가 채용되어 있다.

프레임(102)의 중심부를 따라 추지(樞支)용 구멍(102b)이 설치되고, 주축인 회전축(105)이 회전이 자유롭도록 서로 끼워져 있다. 회전축(105)의 상단부에는 프레임(102) 상면에 접동이 자유롭도록 놓여진 테두리부(鍔部)(105a)가 일체로 설치되고, 테두리부(105a)의 상부에는 회전축(105)의 중심축과는 소정량 편심하는 중심축을 가진 크랭크핀(105b)이 연속으로 설치되어 있다. 그러므로, 회전축(105)이 회전구동하면, 테두리부(105a)는 프레임(102) 상면에서 접접(摺接)상태로 회전하고, 또한 크랭크핀(105b)은 회전축(105) 중심의 주위를 따라 편심회전한다.

압축기구부(103)는 프레임(102) 상면에 설치되고, 축방향을 수평을 향한 실린더(106)를 구비하고 있다. 상기 실린더(106)의 내부는 피스톤(107)이 왕복운동이 자유롭도록 수용되는 실린더실(108)이다. 피스톤(107)에는 크랭크(109)의 한단이 볼조인트기구부(110)를 통해 연결되어 있다. 크랭크(109)의 타단에는 크랭크핀(105b)에 회전이 자유롭도록 서로 끼운 단부(111)가 설치되어 있다.

볼조인트기구부(110)에 대해 설명한다. 크랭크(109)의 한 단에는 볼(112)이 일체로 설치되어 있다. 한편, 피스톤(107) 내부에는 볼받이(113)가 설치되어 있다. 상기 볼받이(113)는 볼(112)을 회전운동이 자유롭도록 감싸 유지하고 있다. 이로 인해, 크랭크핀(105b)의 편심회전에 따라 크랭크(109)가 볼조인트기구부(110) 를 지점(支点)으로 유동운동을 할 수 있고, 피스톤(107)은 실린더(106) 내에서 왕복운동한다.

또한, 실린더(106)의 개구단은 밸브기구(115)에 의해 폐색되고, 또한 밸브커버(116)로 덮여있다. 밸브커버(116)에는 내부를 둘로 나누는 칸막이부가 설치되고, 그 한쪽 공간은 흡입실이 되며, 다른쪽 공간은 토출실이다.

밸브기구(115)는 흡입구와 토출구를 구비한 밸프판이 설치되고, 각각의 흡입구와 토출구는 흡입밸브와 토출밸브에 의해 개폐된다. 흡입구는 흡입실과 대향하고, 토출구는 토출실에 대향한다.

이와 같이 하여 구성되는 압축기구부(103)에 대해 컴프모터(28)는 회전축(105)의 프레임(102)에서 아래쪽으로 돌출하는 부위에 끼운 회전자(117)와 상기 회전자(117)의 둘레면과 협소한 틈을 갖는 내주면을 구비하고, 프레임(102)에서 적절한 수단으로 수직설치하여 고정되는 고정자(118)로 이루어진다.

(3-2) 컴프모터(28)의 구조

도 4에 도시한 바와 같이, 컴프모터(28)는 브러쉬리스 DC 모터로서 3상 6슬롯 4극 모터이다. 즉, 3상 6슬롯의 고정자(118)의 내주측에서 4극의 회전자(117)가 회전한다.

컴프구동장치(32)에 의해 컴프모터(28)의 각 상에 전압을 인가한 경우, 모터 내부에서는 180°대칭으로 동일한 제어를 실행한다. 또한, 도 2에 도시한 바와 같이, 크랭크(109)는 한 곳을 위해 기동시의 위치결정에서 3상에 있는 전류를 흐르게 한 경우, 크랭크(109)는 정지위치에 의해 180°대칭인 어느쪽인가(도 2, 도 3)로 이동한다.

(3-3) 컴프레서(15)의 동작상태

다음으로, 컴프레서(15)의 압축운전과 이에 따르는 냉동사이클 작용에 대해 설명한다.

컴프모터(28)에 통전하여 회전축(105)을 회전구동하면, 크랭크핀(105b)이 일체로 편심회전한다. 상기 편심회전에 따라 크랭크(109)와 볼조인트기구부(110)를 통해 피스톤(107)이 실린더실(108) 내를 왕복운동한다.

밀폐상자(101) 내에는 증발기에서 증발하여 저압화한 냉매가스가 안내되어 충만되어 있다. 상기 냉매가스는 밸브커버(116) 내의 흡입실로 안내되어, 또한 피스톤(107)의 이동(왕복운동)에 따라 실린더(106)의 실린더실(108)로 흡입된다.

피스톤(107)이 역방향으로 이동(복원운동)함으로써 냉매가스가 압축된다. 피스톤(107)이 소위 상사점 위치까지 이동하면, 토출밸브가 개방되고, 실린더실(108)에서 압축되어 고압화된 냉매가스가 밸브커버(116)의 토출실로 토출된다.

상기 고압화된 냉매가스는 상자 내 토출관을 통해 밀폐상자(101)에서 외부냉매관으로 도출되어 냉동사이클로 안내된다. 회전축(105)이 계속해서 회전하고 있는 동안 피스톤(107)이 복원운동하여 냉동사이클이 반복된다.

도 2와 도 3에 도시한 바와 같이, 회전축(105)의 회전과 함께 크랭크핀(105b)이 편심회전하고, 크랭크핀(105b)의 중심(P)은 편심량을 회전반경으로 하는 원형의 회전궤도(A)를 그린다. 크랭크(109)는 소정의 유동각도(α)를 갖는 유동운동을 이루고, 볼조인트기구부(110)에서는 볼(112)과 볼받이(113)가 서로 접동한다.

실린더실(108)에 도입된 냉매가스를 압축할 때, 피스톤(107)의 상부면에 하중(F)이 걸리고, 그 힘은 피스톤(107)을 통해 볼조인트기구부(110)에 작용한다.

(4) 기동시의 제어방법

컴프레서(15)의 기동은 소정 시간(예를 들면, 3초) 통전하여 회전자를 소정 위치로 이동시켜 기동을 개시한다. 이 경우, 4극의 회전자(117)를 위해 180°대칭인 어느쪽으로 이동할 것인가는 회전자(117)의 정지위치에 의해 변한다.

따라서, 회전자(117)가 어느쪽 시동위치에서도 정상으로 기동이 가능할 필요가 있다. 기동시에 소정의 가속도로 가속하는 경우, 시동위치에 의해 가장 토크가 걸리는 압축작업에 들어가는 위치에서의 속도가 변하므로 어느쪽이라도 토크가 최대의 포인트를 넘는 속도가 되도록 회전자(117)의 기동위치를 제어할 필요가 있다. 또한, 일반적으로 벡터제어에서는 컴프레서(15)의 흡입구와 토출구에 압력차가 없어진 다음 기동을 개시시키는 것이 좋지만, 압력차(예를 들면, 300Pa)가 기동을 실행할 필요가 있다. 즉, 컴프레서(15)의 흡입구와 토출구에 압력차가 있는 상태에서도 컴프레서(15)가 정상으로 기동할 수 있고, 최적의 냉동사이클 제어를 실행할 필요가 있다.

그러므로, 상기 기동에서의 최적의 위치로서 본 실시형태에서는 피스톤(107)-압축상사점-하사점을 잇는 선을 기준으로 하여 θ init를 45°회전한 위치로 한다. 이하, 상사점 또는 하사점의 위치에서 45°회전한 위치를 「기동초기위치」라 한다. 또한, 상기 위치가 최적인 이유는 도 5에 도시한 바와 같이 0°로 하면, 하사점에서는 토크는 최소가 되지만, 상사점에서는 토크가 최대가 되고, 회전자 (117)가 상사점에서 정지하고 있으면 기동에 실패할 가능성이 높고, 또한 30°나 60°에서도 토크가 여전히 크므로 45°의 위치가 가장 기동성공확률이 높기 때문이다.

상기 기동초기위치는 도 2와 도 3에 도시한 바와 같이 180°대칭에 2곳 존재한다. 즉, 도 2와 도 3은 압축기구부(103)의 일부를 횡단면으로 한 개략의 평면도이며, 크랭크핀(105b)의 편심회전운동과 이에 따른 크랭크(109)의 유동운동과 볼조인트기구부(110) 및 피스톤(107)과의 관계를 나타낸다. 그리고, 도 2와 도 3에서는 압축상사점은 0°의 위치이며, 하사점은 180°의 위치이다. 도 2가 크랭크(109)가 압축상사점에서 45°회전한 위치이며, 도 3이 크랭크(109)가 하사점에서 45°회전한 위치에 있다.

그리고, 크랭크(109)가 상사점에 있을 때 회전자(117)의 회전위치와 크랭크(109)가 하사점에 있을 때의 회전자(117)의 회전위치를 대응시켜 두고, 컴프구동장치(32)에 의해 컴프모터(28)의 각 상의 적어도 1상에 통전을 실행하여 회전자(117)의 회전위치가 상사점에서 45°의 회전한 위치(도 2 참조), 하사점에서 45°회전한 위치(도 3 참조)에 정지하도록 미리 상기의 기동모터정수를 설정해 둔다. 즉, 기동초기위치에 회전자(117)를 이동시키기 위한 기동모터정수로서 회전초기위치(θ init), 기동가속속도(ω init), 시동d축전류(I dinit), 시동q축전류(I qinit)를 미리 초기패턴출력부(66)에 설정해 둔다.

상기와 같이, 컴프구동장치(32)는 컴프레서(15)의 기동을 실행하기 전에 컴프모터(28)에 상기의 기동모터정수에 기초하여 적어도 1상에 구동전류를 흐르게 하 고, 회전자(117)의 위치를 기동초기위치에 대기시킨다. 그 후, 기동회전수(예를 들면, 40㎐)로 회전시켜 상기 기동초기위치에서 기동을 개시함으로써 기동토크가 작은 상태에서 개시할 수 있고, 회전자(117)가 어느쪽의 시동위치에서도 정상으로 기동할 수 있다.

또한, 컴프레서(15)의 흡입구와 토출구에 압력차가 없는 상태에서는 회전속도가 너무 빨라서 기동에 실패할 경우가 있으므로 기동회전속도를 내리거나(예를 들면, 40㎐를 10㎐ 내려 30㎐로 함), 또는 기동초기위치를 45°가 아닌 10° 또는 60°만 위치를 회전시켜 거의 토크가 무겁도록 하여 기동하면 회전속도가 너무 빠르지 않고 기동에 실패할 일이 없다.

(5) 변경예

상기 실시형태에서는 기동초기위치로서 회전자(117)의 회전위치가 상사점에서 45°의 회전한 위치(도 2 참조), 하사점에서 45°회전한 위치(도 3 참조)에 정지하도록 했지만, 이에 한정하지 않고 40°에서 50°의 범위이면, 확실히 기동할 수 있다.

또한, 상기 실시형태에서는 가연성 냉매로 설명했지만, 불연성냉매라도 좋다.

또한, 상기 실시형태의 컴프레서(15)에서는 볼조인트식으로 설명했지만, 이에 한정하지 않고, 피스톤이 이동하는 리시프로식이면 다른 구조라도 좋다.

본 발명의 컴프레서의 구동장치는 가정용 냉장고나 공기조화기의 컴프레서에 사용할 수 있다.

Claims

3상의 브러쉬리스 DC 모터에서 회전하는 리시프로식의 컴프레서, 응축기, 및 증발기를 적어도 갖춘 냉동사이클을 구비하고, 상기 컴프레서에 의해 냉매를 압축하여 상기 증발기를 냉각하는 컴프레서의 구동장치에 있어서,

상기 브러쉬리스 DC 모터의 고정자 코일에 3상의 구동전류를 공급하는 인버터회로와,

상기 인버터회로에 PWM신호를 공급하는 PWM회로와,

상기 3상의 구동전류를 검지하는 구동전류검지수단과,

상기 검지한 3상의 구동전류에 기초하여, 상기 브러쉬리스 DC 모터의 회전자의 자속에 대응한 전류성분인 d축전류와 상기 브러쉬리스 DC 모터의 토크에 대응한 전류성분인 q축전류로 변환하는 dq변환수단과,

상기 변환한 d축전류와 q축전류, 외부로부터 입력되는 속도지령신호에 기초하여 기준q축전류와 기준d축전류를 출력하는 제어수단과,

상기 기준q축전류와 기준d축전류를 기준q축전압과 기준d축전압으로 변환하는 전압변환수단과,

상기 변환한 기준q축전압과 기준d축전압을 3상전압으로 변환하여 상기 PWM회로로 출력하는 3상변환수단과,

상기 컴프레서의 피스톤의 위치와 압축상사점과 하사점을 잇는 선을 기준으로 하여 40°에서 50° 회전한 위치인 기동초기위치에 상기 브러쉬리스 DC 모터의 회전자를 회전이동시키는 초기패턴출력수단과,

상기 기동초기위치에서 상기 컴프레서를 기동시키는 기동수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 컴프레서의 구동장치.
제 1 항에 있어서,

상기 브러쉬리스 DC 모터가 3상 4극인 것을 특징으로 하는 컴프레서의 구동장치.
제 1 항에 있어서,

상기 기동초기위치가 상기 피스톤의 위치와 압축상사점과 하사점을 잇는 선을 기준으로 하여 45°회전한 위치인 것을 특징으로 하는 컴프레서의 구동장치.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 기재된 컴프레서의 구동장치를 이용한 것을 특징으로 하는 냉장고.