特許 7573152 モータ駆動装置及びこれを用いた冷蔵庫

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-10-17

(45)【発行日】2024-10-25

(54)【発明の名称】モータ駆動装置及びこれを用いた冷蔵庫

(51)【国際特許分類】

   F04B 49/02 20060101AFI20241018BHJP

【ＦＩ】

F04B49/02 331D

【請求項の数】 2

(21)【出願番号】P 2021558178

(86)(22)【出願日】2020-09-01

(86)【国際出願番号】 JP2020032981

(87)【国際公開番号】W WO2021100279

(87)【国際公開日】2021-05-27

【審査請求日】2023-07-03

(31)【優先権主張番号】P 2019210968

(32)【優先日】2019-11-22

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】314012076

【氏名又は名称】パナソニックＩＰマネジメント株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100106116

【弁理士】

【氏名又は名称】鎌田 健司

(74)【代理人】

【識別番号】100131495

【弁理士】

【氏名又は名称】前田 健児

(72)【発明者】

【氏名】竹岡 義典

(72)【発明者】

【氏名】堀尾 好正

【審査官】中村 大輔

(56)【参考文献】

【文献】特開２００５－２１４４８６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－２６７４５１（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１７／０２５７０４４（ＵＳ，Ａ１）

【文献】韓国公開特許第１０－２０１８－００８６０８０（ＫＲ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ０４Ｂ ４９／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

レシプロ型の圧縮機が有するピストンを駆動するブラシレスＤＣモータと、
前記圧縮機の駆動停止中に前記ピストンを上死点からずらすよう前記ブラシレスＤＣモータを回転させるピストン位置変更部と、を備え、
前記ピストン位置変更部は、前記ブラシレスＤＣモータを回転させる際、前記ブラシレスＤＣモータに通電し、
前記ピストン位置変更部が前記ブラシレスＤＣモータに通電する位相は、上死点を含み、出力が周期的に変更するように設定される、
モータ駆動装置。

【請求項2】

請求項１に記載のモータ駆動装置が駆動する前記圧縮機を筐体上部に備える、
冷蔵庫。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、圧縮機のブラシレスＤＣモータを駆動するモータ駆動装置及びこれを用いた冷蔵庫に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１は、従来の圧縮機のブラシレスＤＣモータを駆動する冷蔵庫用のモータ駆動装置を開示する。このモータ駆動装置で駆動する圧縮機を搭載した冷蔵庫等の冷凍装置は、冷却運転の停止時、冷凍サイクルを高圧側と低圧側とにサイクル上分離して、冷媒の流れ込みを防ぐことにより、省エネルギ化を図る。しかし、そのように構成した場合、圧縮機の内部において、吸入圧力と吐出圧力とに大きな差が残る、すなわち吸入部と吐出部とに大きな圧力差が生じる。したがって、圧縮機の起動時、圧縮工程を乗り越える、すなわち圧縮工程を達成するために、大きなエネルギが必要となる。

【0003】

そこで、従来の圧縮機駆動用のモータ駆動装置では、起動前の圧縮機のピストンの位置を、上死点および下死点の間における上死点隣まで移動させる。ピストンを上死点隣まで移動させた後、圧縮機を起動させることにより、大きな加速が行われ、エネルギが蓄えられる。これにより、圧縮工程を乗り越える、すなわち圧縮工程が達成され、圧縮機が起動する。

【0004】

図６は、特許文献１に記載された従来のモータ駆動装置を示す。このモータ駆動装置は、ブラシレスＤＣモータ２０１およびブラシレスＤＣモータ２０１のロータに連結されたピストン２０２を有する圧縮機２０３と、モータを下死点に移動させる初期整列段階、吸入工程内の上死点隣に起動位置を移動させる強制整列段階およびブラシレスＤＣモータ２０１の回転子を加速させる加速段階を含む制御部２０４と、制御部２０４での駆動信号からモータに電力を供給するインバータ２０５とから構成されている。

【0005】

上記のように構成されたモータ駆動装置は、圧縮機２０３の停止時に、ピストン２０２が圧縮工程の手前で停止する確率が高く、ピストン２０２が下死点付近に停止しやすい。したがって、制御部２０４は、初期整列段階において、ピストン２０２が下死点の位相となる信号をインバータ２０５に送る。その後、インバータ２０５が電流をブラシレスＤＣモータ２０１のステータに流すことにより、ブラシレスＤＣモータ２０１のロータが回転し、ピストン２０２は下死点に移動する。

【0006】

次に、制御部２０４は、強制整列段階において、ピストン２０２が下死点の位相から逆転方向に順次切替わる信号をインバータ２０５に送る。これにより、ピストン２０２の位置は、吸入工程における上死点隣まで移動させる。

【0007】

そして、制御部２０４は、加速段階において、ブラシレスＤＣモータ２０１を起動し加速させる信号をインバータ２０５に送る。これにより、ブラシレスＤＣモータ２０１は回転する。ピストン２０２は、上死点近傍から加速しているため、圧縮工程における速度が大きくなり、圧縮工程を乗り越える、すなわち圧縮工程が達成され、起動が可能となる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【文献】特開２００７－１０７５２３号公報

【発明の概要】

【0009】

本開示は、圧縮機の吸入圧力と吐出圧力とに差があるような負荷トルク変動が大きな状態であっても、安価であり、振動を抑制しかつ安定して起動できるモータ駆動装置を提供する。

【0010】

本開示におけるモータ駆動装置は、レシプロ型の圧縮機が有するピストンを駆動するブラシレスＤＣモータと、前記圧縮機の駆動停止中に前記ピストンを上死点からずらすよう前記ブラシレスＤＣモータを回転させるピストン位置変更部とを備える。

【0011】

本開示のモータ駆動装置は、圧縮機の駆動停止中に前記ピストンを上死点からずらすので、トルク不足を解消できる。したがって、高トルク駆動時および高負荷駆動時の駆動性能が向上する。このため、負荷トルク変動が大きな状態であっても、安定して起動できる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】実施の形態１におけるモータ駆動装置のブロック図

【図2】実施の形態１における圧縮機を構成する部品の模式図

【図3A】実施の形態１における圧縮機のピストンにかかる圧力と回転子の回転角度との関係を示す波形図

【図3B】実施の形態１におけるブラシレスＤＣモータが正転方向での運転中に必要なトルクと回転子の回転角度との関係を示す波形図

【図3C】実施の形態１におけるブラシレスＤＣモータが逆転方向での運転中に必要なトルクと回転子の回転角度との関係を示す波形図

【図4A】従来の構成における上死点から起動させるために必要なトルクを表した波形図

【図4B】従来の構成における上死点からピストンを移動させるために出力するトルクを表した波形図

【図4C】従来の構成における上死点から起動したときの回転子の速度を表した波形図

【図5A】実施の形態１における上死点から起動させるために必要なトルクを表した波形図

【図5B】実施の形態１における上死点からピストンを移動させるために出力するトルクを表した波形図

【図5C】実施の形態１における上死点から起動したときの回転子の速度を表した波形図

【図6】従来のモータ駆動装置のブロック図

【発明を実施するための形態】

【0013】

（本開示の基礎となった知見等）
発明者らが本開示に想到するに至った当時、特許文献１に記載されたモータ駆動装置が提供されていた。従来のモータ駆動装置は、圧縮機の吸入圧力と吐出圧力とに差があるため、負荷トルク変動が大きく、振動を抑制しつつ安定して起動することが困難であった。

【0014】

特許文献１の構成では、ピストンが下死点付近に停止していることが想定されている。したがって、クランクシャフトの連結部およびピストンとシリンダ等との間において、冷媒に含まれるオイルが周囲に押しのけられることにより金属接触となる。このため、摩擦力が大きくなる上死点付近にピストンが停止した場合、ピストンを上死点から動かすために必要なトルクは、運転中よりも大きくなる。そのため、トルクが不足し、ピストンを正しい位置に移動させることができない。したがって、モータ駆動装置の起動不良などが発生するという課題を有している。

【0015】

また、ピストンが上死点に停止した際に、ピストンを動かすために必要なトルクを印加すると、ピストンが動き出した際にオイルが回り、摩擦力が低下する。これにより、急激な加速が発生し、振動となって表れるという課題を有している。つまり、差圧起動を行う際に上死点付近にピストンが停止すると、モータ駆動装置の起動不良または振動が発生するという課題を有している。発明者らはこのような課題を見出し、その課題を解決するために、本開示の主題を構成するに至った。

【0016】

本開示は、圧縮機の吸入圧力と吐出圧力とに差があるような負荷トルク変動が大きな状態であっても、安価に振動を抑制しつつ安定して起動するモータ駆動装置を提供する。

【0017】

以下、図面を参照しながら、実施の形態、すなわち冷蔵庫に搭載した圧縮機のモータ駆動装置を例にして説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明、または、実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が必要以上に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。

【0018】

なお、添付図面および以下の説明は、当業者が本開示を十分に理解するために提供されるのであって、これらにより特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図していない。

【0019】

（実施の形態１）
以下、図１～図５Ｃを用いて、実施の形態１を説明する。

【0020】

［１－１．構成］
図１は、本開示の実施の形態１におけるモータ駆動装置のブロック図である。図２は同実施の形態１における圧縮機１７を構成する部品の模式図である。

【0021】

図１に示すように、モータ駆動装置３０は、交流電源１に接続され、ブラシレスＤＣモータ５を駆動する。図２に示すように、ブラシレスＤＣモータ５の回転子５ａ、クランクシャフト１７ａ、ピストン１７ｂおよびシリンダ１７ｃにより、レシプロ型の圧縮機１７が構成されている。圧縮機１７は、冷蔵庫２２に搭載され、冷凍サイクルの一部を構成する。

【0022】

交流電源１は、一般的な商用電源である。交流電源１は、例えば、実効値１００Ｖの５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの電源である。

【0023】

以下、モータ駆動装置３０の構成について説明する。

【0024】

整流回路２は、交流電源１を入力として、交流電力を直流電力に整流する。整流回路２は、ブリッジ接続された４個の整流ダイオード２ａ～２ｄにより構成される。

【0025】

平滑部３は、整流回路２の出力側に接続され、整流回路２の出力を平滑する。平滑部３は、平滑コンデンサ３ｅと、リアクタ３ｆとを有する。平滑部３からの出力は、インバータ４に入力される。

【0026】

リアクタ３ｆは、交流電源１と平滑コンデンサ３ｅとの間に挿入される。リアクタ３ｆは、整流ダイオード２ａ～２ｄの前後いずれに設けられてもよい。リアクタ３ｆは、高周波除去部を構成するコモンモードフィルタが回路に設けられた場合、高周波除去部のリアクタンス成分との合成成分が考慮されて構成される。

【0027】

インバータ４は、平滑部３からの電圧に交流電源１の電源周期の２倍周期の大きなリプル成分を含んだ直流電力を、交流電力に変換する。インバータ４は、６個のスイッチング素子４ａ～４ｆが３相ブリッジ接続されて構成される。また、６個の還流電流用ダイオード４ｇ～４ｌは、各スイッチング素子４ａ～４ｆに、逆方向に接続される。

【0028】

ブラシレスＤＣモータ５は、永久磁石を有する回転子５ａと、３相巻線を有する固定子５ｂとを有する。インバータ４により生成される３相交流電流が固定子５ｂの３相巻線に流れることにより、回転子５ａが回転する。

【0029】

位置検出部６は、固定子５ｂの３相巻線に発生する誘起電圧、ならびに、固定子５ｂの３相巻線に流れる電流および印加電圧などに基づいて、固定子５ｂの磁極位置を検出する。

【0030】

本実施の形態において、位置検出部６は、ブラシレスＤＣモータ５の端子電圧を取得し、ブラシレスＤＣモータ５の回転子５ａの磁極相対位置を検出する。具体的には、位置検出部６は、固定子５ｂの３相巻線に発生する誘起電圧に基づいて、回転子５ａの相対的な回転位置を検出している。また、位置検出部６は、誘起電圧および基準となる電圧を比較し、ゼロクロスを検出する。なお、誘起電圧のゼロクロスの基準となる電圧は、３相分の端子電圧から仮想中点が作られた際の電圧であってもよく、直流母線電圧が取得された際の電圧であってもよい。本実施の形態では、誘起電圧のゼロクロスの基準となる電圧は、仮想中点の電圧である。

【0031】

本実施の形態において、位置検出部６は、誘起電圧を検出する方式である。しかし、位置検出部６は、ブラシレスＤＣモータ５に流れる電流から位置を検出しても良い。位置検出部６は、インバータ４の直流母線に流れる電流をシャント電圧により検出し、通電状態および電流値から各相に流れる電流を検出する方式であってもよい。また、位置検出部６は、３相それぞれに流れる電流をセンサーおよびシャント抵抗などを用いて堅守する方式であってもよい。

【0032】

電流を検出する手段として比較した場合、直流母線の電流値から検出する方式は安価な構成となるが、各相の電流を分離するために波形にひずみが生じる場合がある。電流から位置を推定する場合および誘起電圧の場合において、誘起電圧から行う方式は、電流から位置を推定する場合よりも相対的に計算量が少なく、簡単な構成かつ安価に実現することができる。

【0033】

速度検出部７は、位置検出部６が検出する位置情報からブラシレスＤＣモータ５の現在の駆動速度を計算する。本実施の形態では、速度検出部７は、誘起電圧のゼロクロス検出からの時間を測定し、測定した時間から現在の速度として計算する。

【0034】

電圧検出部８は、インバータ４の直流母線間の電圧を検出する。一般的には、抵抗において分圧し、電圧をマイコンで扱える範囲に減圧、すなわち１４０Ｖ程度から５Ｖ以下に減圧した後、マイコンで逆算することにより、元の電圧を算出する。本実施の形態では、電圧を１００分の１に分圧した値が用いられる。

【0035】

ピストン位置変更部１１は、外部から入力される目標速度が０から０と異なる値に変化した時に、ブラシレスＤＣモータ５を駆動させ、圧縮機１７のピストン１７ｂの位置を動かす。

【0036】

一般的に、圧縮機１７が停止した際のピストン１７ｂの停止位置は管理されていない。したがって、ピストン１７ｂは、ランダムな場所に停止する。その際、圧縮機１７のピストン１７ｂが上死点付近に停止した際は、ピストン１７ｂに大きな摩擦力が働く。そのため、ピストン１７ｂが通常動作するよりも大きなトルクが必要となり、ピストン１７ｂを動かすことが困難な状態となる。したがって、圧縮機１７の起動には、上死点付近からピストン１７ｂを動かす特別な動作が必要となる。

【0037】

ピストン位置変更部１１は、上死点付近からピストン１７ｂを動かす特別な動作として、上死点から回転子５ａを１５度逆転した位相を中心に出力位相を変化させる。出力が変化する周期において、出力した位相に対し、回転子５ａは完全には追従しない。ピストン位置変更部１１による出力位相の変化は、あらかじめ決定された所定時間が経過することにより終了する。なお、あらかじめ決定された所定時間は、回転子５ａを実際に動作させ、最大負荷にて移動できる期間より長く設定されてもよい。また、あらかじめ決定された所定期間は、圧力、各部位の摩擦係数およびイナーシャなどから計算によって求めても良い。

【0038】

トルク決定部１２は、外部から入力される目標速度が０から０と異なる値に変化した際に、ピストン位置変更部１１によりピストン１７ｂの位置を上死点付近から移動させる動作に必要なトルクを出力する。トルク決定部１２は、ピストン位置変更部１１からの出力がある期間において、徐々にトルクを増加させる。トルク決定部１２は、ピストン位置変更部１１が動作していない時、速度検出部７から入力されるブラシレスＤＣモータ５の現在の速度と目標速度との差に基づいて必要なトルクを決定し、出力する。目標速度に対して、現在の速度が不足している場合には、トルク決定部１２は、トルクを上昇させる。目標速度に対して、現在の速度が上回っている場合には、トルク決定部１２は、トルクを減少させることにより、回転子５ａの速度を目標速度に到達させる。

【0039】

出力決定部１０は、トルク決定部１２により決定されたトルクに基づくブラシレスＤＣモータ５のトルク定数、誘起電圧定数および抵抗値等から印加電圧を決定する。出力決定部１０は、決定した印加電圧と電圧検出部８で検出された直流母線間の電圧とに基づき、ＰＷＭデューティ幅を計算する。

【0040】

また、出力決定部１０は、位置検出部６および速度検出部７から受け取った情報、または、ピストン位置変更部１１の出力を基に、出力、すなわちどの相に通電するかを決定する。ピストン位置変更部１１からの入力信号がある場合、出力決定部１０は、ピストン位置変更部１１からの入力信号に基づき、出力する信号を決定する。ピストン位置変更部１１からの入力信号がない場合、出力決定部１０は、位置検出部６の位置情報と速度検出部７の速度情報とに基づき、出力する信号を決定する。

【0041】

通常、駆動波形には、矩形波および正弦波などがある。しかし、本実施の形態において、駆動波形は特に限定されない。例えば、矩形波の場合、矩形波は単純な構成かつ計算が簡易であるため、安価なマイコンで対応でき、低コストで実現が可能である。また、複雑な計算および電流検出などが必要となるが、より細かくモータの位置を検出することが可能となる。本実施の形態においては、より低コストで実現可能な矩形波駆動を採用している。

【0042】

本実施の形態では、モータ駆動装置３０の駆動は、１２０度矩形波で行われる。したがって、上側アームのスイッチング素子４ａ，４ｃ，４ｅをそれぞれ１２０度ずつずらして通電している。下側アームのスイッチング素子４ｂ，４ｄ，４ｆも同様に、１２０度ずつずらして通電している。スイッチング素子４ａと４ｂ、４ｃと４ｄ、および、４ｅと４ｆは、それぞれ、お互いの通電期間の間に６０度ずつのオフ期間が存在する。

【0043】

ドライブ部９は、出力決定部１０で決定されるオン比率と、ブラシレスＤＣモータ５の電力供給タイミングと、あらかじめ決定されているＰＷＭ周期とに基づき、ドライブ信号を出力する。

【0044】

具体的には、ドライブ信号は、インバータ４のスイッチング素子４ａ～４ｆをオンまたはオフに切り換える。これにより、固定子５ｂには最適な交流電力が印加される。したがって、回転子５ａが回転し、ブラシレスＤＣモータ５が駆動する。

【0045】

次に、本実施の形態におけるモータ駆動装置３０を用いた冷蔵庫について説明する。以下の説明では、冷蔵庫を例にして説明するが、冷凍装置でも同じである。

【0046】

冷蔵庫２２には、圧縮機１７が搭載されている。圧縮機１７は、例えば、レシプロ型である。圧縮機１７は、ブラシレスＤＣモータ５、クランクシャフト１７ａ、ピストン１７ｂおよびシリンダ１７ｃを有する圧縮機構により構成される。

【0047】

ブラシレスＤＣモータ５の回転子５ａの回転運動は、クランクシャフト１７ａにより、往復運動に変換される。クランクシャフト１７ａに接続されたピストン１７ｂは、シリンダ１７ｃ内を往復運動することにより、シリンダ１７ｃ内に冷媒を吸い込み、吸い込んだ冷媒を圧縮する。レシプロ型の圧縮機１７は、吸入および圧縮の工程におけるトルク変動が大きく、速度および電流値が大きく変動する。

【0048】

圧縮機１７により圧縮された冷媒は、凝縮器１９、二方弁１８、減圧器２０および蒸発器２１を順に通り、再び圧縮機１７に戻る冷凍サイクルを流れる。このとき、凝縮器１９では放熱され、蒸発器２１では吸熱される。したがって、冷凍サイクルでは、冷却および加熱が行われる。冷蔵庫２２は、このような冷凍サイクルを搭載する。

【0049】

二方弁１８は、例えば、通電によって開閉動作が可能な電磁弁などである。二方弁１８は、圧縮機１７の運転中は開状態であり、凝縮器１９と減圧器２０とを連通させ、冷媒を流す。一方、圧縮機１７の停止中は、二方弁１８は閉状態であり、凝縮器１９と減圧器２０の間を閉塞し、冷媒の流れを抑制する。

【0050】

［１－２．動作］
以上のように構成された冷蔵庫２２に搭載されたモータ駆動装置３０について、図３Ａ～図５Ｃを用いて説明する。

【0051】

図３Ａは、ピストン１７ｂにかかる圧力と、回転子５ａの回転角度との関係を示す図である。縦軸は圧力を示し、横軸は上死点を０度とした回転子５ａの回転角度を示す。

【0052】

図３Ｂは、ブラシレスＤＣモータ５が正転方向での運転中に必要なトルクと、回転子５ａの回転角度との関係を示す図である。縦軸はトルクを示し、横軸は上死点を０度とした回転子５ａの回転角度を示す。

【0053】

図３Ｃは、ブラシレスＤＣモータ５が逆転方向での運転中に必要なトルクと、回転子５ａの回転角度との関係を示す図である。縦軸はトルクを示し、横軸は上死点を０度とした回転子５ａの回転角度を示す。

【0054】

図４Ａ～図４Ｃは、従来の構成における上死点からのピストン１７ｂを移動させるための波形を示す。

【0055】

図５Ａ～図５Ｃは、本実施の形態における上死点からのピストン１７ｂを移動させるための波形を示す。

【0056】

図４Ａと図５Ａとは、それぞれ上死点から起動させるために必要なトルクを示しており、縦軸は上方向に正転方向のトルクおよび下方向に逆転方向のトルクを示し、横軸は時間を示す。

【0057】

図４Ｂと図５Ｂとは、ピストン１７ｂを移動させるために出力するトルクを示しており、縦軸は上方向に正転方向のトルクおよび下方向に逆転方向のトルクを示し、横軸は時間を示す。

【0058】

図４Ｃと図５Ｃとは、回転子５ａの速度を示しており、縦軸は正転方向を正とした速度を示し、横軸は時間を表している。

【0059】

圧縮機１７の停止中において、ピストン１７ｂとシリンダ１７ｃ、クランクシャフト１７ａとシリンダ１７ｃ、および、クランクシャフト１７ａと回転子５ａの間の接触部分は、運転中の冷媒に含まれたオイルが潤滑油として表面を覆った状態とは異なり、金属接触となる。金属接触は、オイルと比較すると摩擦係数が１０倍程度に大きくなる。圧縮機１７の停止中の接触部分の摩擦力は、ピストン１７ｂの圧力に比例する。

【0060】

ピストン１７ｂの圧力は、図３Ａに示すように、角度（Ａ）で示される下死点から、角度（Ｃ）で示される上死点の間で大きくなる。角度（Ａ）より角度が小さい領域においては、ピストン１７ｂにはほとんど圧力がかかっていない状態となる。特に、ピストン１７ｂからの吐出が始まる角度（Ｂ）から角度（Ｃ）の間において、ピストン１７ｂの圧力は最大となる。ピストン１７ｂの下死点である角度（Ａ）と上死点である角度（Ｃ）とにおいて、ピストン１７ｂの圧力はほとんど変わらない。しかし、ピストン１７ｂからの吐出が始まる角度は一定とはならず、圧縮機１７の吸入と吐出の圧力および冷媒の温度等の条件によって変化する。ここで、一般的な冷蔵庫の運転条件において、ピストン１７ｂの吐出が始まる角度は、３００度前後となる。このため、停止中の摩擦力は、上死点手前において、非常に大きくなる。

【0061】

また、通常の正転方向への回転において、ブラシレスＤＣモータ５が出力する必要のあるトルクは、図３Ｂのようになる。上死点付近では、回転子５ａの１度あたりの回転に対して、ピストン１７ｂの移動量は小さくなる。このため、回転子５ａにかかるトルクは小さくなる。そのため、角度（Ｂ）付近において、ピストン１７ｂの停止状態から回転子５ａを正転方向へ回転させようとした場合、静止摩擦力と回転に必要なトルクとを合成した結果、ピストン１７ｂを動かすためには、非常に大きなトルクが必要となる。

【0062】

一方、逆転方向への回転において、ブラシレスＤＣモータ５が出力する必要のあるトルクは、図３Ｃのようになる。上死点付近から、逆転方向へ動かした場合、ピストン１７ｂは圧縮ではなく吸入の動作をする。そのため、角度（Ｂ）付近でも非常に小さなトルクにより、逆転方向にて下死点まで回転させることができる。その結果、ピストン１７ｂの停止中から回転子５ａを逆転方向へ回転させようとした場合、摩擦力を少し上回る程度のトルクを出力することにより、ピストン１７ｂを移動させることができる。

【0063】

一般的には、図４Ｂのように、徐々に出力トルクを大きくし、図４Ａに示す必要トルクを出力トルクが上回るタイミング（Ｄ）にてピストン１７ｂが動き始める。

【0064】

しかしながら、一旦、ピストン１７ｂが動き出すと、金属接触が解消される。したがって、摩擦係数は１０分の１となる。このため、図４Ａのタイミング（Ｄ）に示すように、摩擦力は急減し、出力したトルクは必要なトルクに対して非常に大きな値となる。その結果、図４Ｃのタイミング（Ｄ）以降に示すように、回転子５ａは急激に加速する。したがって、回転子５ａは、電流を印加した初期の位置決めの位相に到達したときの速度が大きいため、位置決め位置に停止する際の速度変化は大きくなる。そのため、圧縮機は大きく揺れる。

【0065】

そこで、本実施の形態では、通電位相を上死点から正転方向に３３０度の角度を中心とした±３０度の範囲において回転子５ａを振動させ、かつ、出力を徐々に上昇させる。３３０度に印加される、すなわち３３０度に対して出力しているトルクとしてみると、図５Ｂに示すように、正転方向と逆転方向とは周期的に変化する。これにより、出力トルクが逆転方向のトルクを上回るタイミング（Ｅ）から、回転子５ａは逆転方向に回転する。この時点で、金属接触が解消され、必要なトルクが減少する。しかし、一般的な方法とは異なり、逆転方向のトルクは徐々に減少し、０に近づいた後、正転方向のトルクが徐々に上昇し、０に向かって減少する。

【0066】

これにより、逆転方向にトルクが印加されている間、逆転方向に速度が上昇する。正転方向にトルクが上昇し、必要なトルクを上回っている間、正転方向に速度が上昇する。その結果、ピストン１７ｂがタイミング（Ｅ）で動き始め、必要なトルクが急激に減少しても、ピストン１７ｂの速度はあまり上昇しない。

【0067】

このような周期的な変化を伴うトルクが印加され、金属接触が解消された状態において、初期の起動位置まで、逆転方向に回転子５ａを回転させる。これにより、大きなトルクを印加することなく、回転子５ａを初期位置まで移動させることができる。したがって、ピストン１７ｂを初期位置まで移動した際の速度上昇による振動が抑制される。

【0068】

また、ピストン１７ｂの停止位置が上死点付近以外、例えば下死点付近に停止した場合であっても、図５Ｂに示すようなトルクを出力することにより、ピストン１７ｂは、中心となる位相に緩やかに移動する。したがって、ピストン１７ｂは、大きな振動となるような速度まで加速することはない。さらに、その後の初期位置への移動においても、通常の下死点付近での停止からの位置決めと同様に、振動は問題とならない。

【0069】

初期の起動位置は、図３Ｂの角度（Ｂ）に示す、必要なトルクのピークが表れやすい３００度±３０付近でない場合であれば、圧縮機１７の吸入と吐出との間に圧力差がある差圧条件であっても、回転子５ａを加速させ、上死点を乗り越えて、圧縮機１７を起動することは可能である。

【0070】

本実施の形態のブラシレスＤＣモータ５は４極である。上死点および下死点に移動するブラシレスＤＣモータ５への通電は同じパターンとなる。したがって、上死点および下死点の中間となる２７０度に相当する通電パターンを出力し、その後、２１０度に相当する通電パターンを出力することにより、３００度±３０度の位相を回避することができる。

【0071】

同じ通電パターンにおいて、ピストン１７ｂが下死点付近にあった場合には２７０度に相当する通電を行うと、ピストン１７ｂは、２７０度もしくは９０度へと移動する。その後、２１０度に相当する通電を行うと、ピストン１７ｂは、３０度もしくは２１０度へと移動する。このように、どのような場合であっても、ピストン１７ｂは、３００度±３０度から起動することはない。そのため、差圧条件でも圧縮機１７を運転させることができる。

【0072】

また、ブラシレスＤＣモータの極数を６極とした場合、下死点と３００度とは同一の通電パターンとなる。このため、３００度相当の通電を行った後、さらに２６０度相当の通電を行うことにより、初期位置の位置決めを３００度±３０度を回避、すなわち３００度±３０度の範囲からずらすことができる。例えば上死点付近に停止していた場合、ピストン１７ｂは、３００度へ移動し、その後２６０度へと移動する。一方、ピストン１７ｂが下死点付近に停止していた場合、ピストン１７ｂは、まず３００度の通電と同じ位相である下死点へと移動し、その後、下死点から４０度逆転方向へ回転した１４０度へと移動する。ピストン１７ｂが６０度付近に停止していた場合は、ピストン１７ｂは、３００度と同じ通電位相である６０度へと移動し、４０度逆回転した２０度へと移動する。

【0073】

このように、冷蔵庫で一般的に使用されている４極または６極のいずれであっても、上死点付近のピストン１７ｂを、上死点を含み周期的に変化するトルクを出力することにより、圧縮機１７を安定して起動させ、かつ、ピストン１７ｂが初期位置へ移動する位置決めにおける振動を抑制することができる。

【0074】

次に、本実施の形態のモータ駆動装置３０が圧縮機１７に用いられ、冷蔵庫２２に搭載された場合について説明する。

【0075】

圧縮機１７の起動と同時に、二方弁１８を開の状態とし、減圧器２０と凝縮器１９とを連通させる。本実施の形態において、二方弁１８は、圧縮機１７の起動と同時に開の状態にするとしたが、同時には限定されず、時間的に多少前後してもよい。圧縮機１７の駆動が継続されると、凝縮器１９は高圧となり、減圧器２０において減圧され、蒸発器２１は低圧となる。

【0076】

このとき、圧縮機１７において凝縮器１９につながる吐出側は高圧となり、蒸発器２１につながる吸入側は低圧となる。ここで、冷蔵庫２２の庫内温度が低下し、圧縮機１７を停止させたとする。この場合、二方弁１８が開の状態のままでは、凝縮器１９と蒸発器２１との圧力が徐々にバランス、すなわち近い値となるよう変化する。圧縮機１７の吸入側と吐出側との間の圧力差が０．０５ＭＰａ以下の状態、すなわちバランスしたといえる状態になるまで、冷蔵庫２２のシステム構成にもよるが、通常、１０分程度かかる。

【0077】

圧縮機１７の停止と同時に二方弁１８を開状態から閉状態に移行させると、凝縮器１９と蒸発器２１との圧力差はほぼ維持される。このとき、圧縮機１７の吸入側と吐出側とに圧力差が残る。冷蔵庫２２の庫内温度が上昇した後圧縮機１７を起動させる際に、圧縮機１７の停止中に二方弁１８を閉状態とし圧力差が保持された状態、および、圧力がバランスした状態とを比較すると、二方弁１８を閉状態とし圧力差が保持された状態の方が、凝縮器１９と蒸発器２１との間に再び圧力差を設けるための電力が小さくすむため、省エネルギ化を実現できる。

【0078】

また、圧縮機１７の停止中においても二方弁１８を開状態のままにする場合、および、二方弁１８が設けられない場合であっても、圧縮機１７の停止から圧力がバランスするまでの１０分程度が経過する前に庫内温度が上昇した場合においては、１０分経過することを待つ必要がある。従来、圧縮機１７の吸入側と吐出側との圧力差が０．０５ＭＰａ以下の場合に限り、モータ駆動装置３０を起動させることができるためである。

【0079】

これに対し、本実施の形態では、０．０５ＭＰａより大きな差圧でも起動させることが可能である。したがって、庫内温度が上昇した場合であっても、圧縮機１７の運転が必要なタイミングでモータ駆動装置３０を起動させることが可能となる。したがって、圧縮機１７の吸入側と吐出側との圧力がバランスした状態で起動させる場合に比べ、凝縮器１９と蒸発器２１との間に圧力差を設けるための電力が減少する。よって、省エネルギ化が可能となる。

【0080】

なお、二方弁１８は、三方弁または四方弁に比べ、冷蔵庫等のシステムを単純に構成することができる。したがって、圧縮機１７の吸入側と吐出側との圧力差を単純な構成にて維持することができる。

【0081】

また、圧縮機１７を冷蔵庫２２の上部に設けた場合、冷蔵庫２２において、使用者の手が届きにくいデッドスペースが小さくなり、使いやすい、すなわち利便性が向上する。一方、冷蔵庫２２においては、床を支点として過震源である圧縮機１７が最も遠い位置となる。このため、てこの原理により、圧縮機１７の振動が冷蔵庫２２に伝わりやすい。しかし、本実施の形態において、圧縮機１７の起動前の初期位置への移動による圧縮機１７の振動は抑制される。したがって、冷蔵庫２２から発生する振動および騒音などは小さくなる。

【0082】

［１－３．効果等］
以上述べたように、本実施の形態のモータ駆動装置３０は、レシプロ型の圧縮機１７が有するピストン１７ｂを駆動するブラシレスＤＣモータ５と、圧縮機１７の駆動停止中に前記ピストン１７ｂを上死点からずらすようブラシレスＤＣモータ５を回転させるピストン位置変更部１１とを備える。

【0083】

このような構成により、モータ駆動装置３０は、ピストン１７ｂが上死点付近で停止した際に、ピストン１７ｂがピストン１７ｂを覆うシリンダ１７ｃなどと金属接触となり静止摩擦力が運転中よりも大きな状態であっても、最も起動しにくい上死点付近からピストン１７ｂを移動させることができる。したがって、差圧のかかっていない時と同程度のトルクにより、ブラシレスＤＣモータの起動処理が行われる。

【0084】

また、本発明の実施の形態のモータ駆動装置３０は、ピストン位置変更部１１がブラシレスＤＣモータ５を回転させる際、ブラシレスＤＣモータ５に通電する。ピストン位置変更部１１がブラシレスＤＣモータ５に通電する位相は、上死点を含み、出力を周期的に変更するように設定される。

【0085】

このような構成により、モータ駆動装置は、上死点から動き出したとしても、逆方向の位相に通電される。したがって、ピストン１７ｂの速度は大きく上昇せず、かつ、オイルが圧縮機を構成するピストンなどに回り摩擦力が減少する。したがって、ピストン１７ｂによる振動を抑制しながら、上死点からの圧縮機１７の起動処理が可能となる。

【0086】

また、本開示の実施の形態の冷蔵庫は、圧縮機１７を筐体上部に備える。

【0087】

このような構成により、冷蔵庫２２は、上部に設置された圧縮機１７において、てこの原理により振動の影響が大きくなった圧縮機１７の運転開始時であっても、筐体の振動が抑制される。したがって、静粛性の高い冷蔵庫を提供することができる。また、上部のデッドスペースとなりやすい部分に圧縮機１７が設置されているため、使用者が実際に使用できる庫内収納容積を広げられ、利便性の高い冷蔵庫２２を提供することができる。

【0088】

以上、本開示の技術を前記実施の形態を用いて説明したが、上述の実施の形態は、本開示における技術を例示するためのものであるから、特許請求の範囲またはその均等の範囲において種々の変更、置き換え、付加、省略などを行うことができる。

【産業上の利用可能性】

【0089】

本開示は、負荷トルク変動が大きな圧縮機を起動するためのモータ駆動装置に使用でき、圧縮機を用いた冷蔵庫、冷凍庫、ショーケース、その他の各種冷凍装置に好適に適用できる。

【符号の説明】

【0090】

１ 交流電源（電源）
２ 整流回路
２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ 整流ダイオード
３ 平滑部
３ｅ 平滑コンデンサ
３ｆ リアクタ
４ インバータ
４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ，４ｅ，４ｆ スイッチング素子
４ｇ，４ｈ，４ｉ，４ｊ，４ｋ，４ｌ 還流電流用ダイオード
５ ブラシレスＤＣモータ
５ａ 回転子
５ｂ 固定子
６ 位置検出部
７ 速度検出部
８ 電圧検出部
９ ドライブ部
１０ 出力決定部
１１ ピストン位置変更部
１２ トルク決定部
１７ 圧縮機
１７ａ クランクシャフト
１７ｂ ピストン
１７ｃ シリンダ
１８ 二方弁
１９ 凝縮器
２０ 減圧器
２１ 蒸発器
２２ 冷蔵庫
３０ モータ駆動装置
２０１ ブラシレスＤＣモータ
２０２ ピストン
２０３ 圧縮機
２０４ 制御部
２０５ インバータ

【図1】

【図2】

【図3A】

【図3B】

【図3C】

【図4A】

【図4B】

【図4C】

【図5A】

【図5B】

【図5C】

【図6】