(57)【要約】【課題】消費エネルギー効率を向上することができる空気調和機および空気調和機の制御方法を得る。【解決手段】圧縮機４、凝縮器２、冷媒流量調整手段８、蒸発器６を順次配管で接続し冷媒を循環させる冷媒回路を備えた空気調和機において、冷媒回路の動作状態に基づき、蒸発器６出口の乾き度、および蒸発器６内部における気液二相領域の割合を求める気液二相領域演算手段と、圧縮機４、冷媒流量調整手段８、凝縮器２に対する送風量、および蒸発器６に対する送風量の少なくとも１つを制御して、蒸発器６出口の乾き度を所定値以上にしつつ、気液二相領域の割合を制御する制御手段とを備えた。【選択図】図１
2011196599.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機、凝縮器、冷媒流量調整手段、蒸発器を順次配管で接続し冷媒を循環させる冷媒回路を備えた空気調和機において、
前記冷媒回路の動作状態に基づき、前記蒸発器出口の乾き度、および前記蒸発器内部における気液二相領域の割合を求める気液二相領域演算手段と、
前記圧縮機、前記冷媒流量調整手段、前記凝縮器に対する送風量、および前記蒸発器に対する送風量の少なくとも１つを制御して、前記蒸発器出口の乾き度を所定値以上にしつつ、前記気液二相領域の割合を制御する制御手段と
を備えたことを特徴とする空気調和機。
【請求項２】
前記制御手段は、
少なくとも、前記圧縮機の回転数、前記冷媒流量調整手段の開度、前記凝縮器に対する送風量、および前記蒸発器に対する送風量の制御値の組合せのうち、前記蒸発器出口の乾き度が所定値以上となる制御値の組合せを求め、
該制御値の組合せのうち、前記蒸発器内部における気液二相領域の割合が最大となる制御値の組合せに基づき、前記圧縮機、前記冷媒流量調整手段、前記凝縮器に対する送風量、および前記蒸発器に対する送風量の少なくとも１つを制御する
ことを特徴とする請求項１記載の空気調和機。
【請求項３】
少なくとも、前記圧縮機、前記冷媒流量調整手段、前記凝縮器、および前記蒸発器の物理状態を模擬する物理モデル式の情報がそれぞれ記憶された記憶手段を備え、
前記気液二相領域演算手段は、
前記冷媒回路の運転データと前記各物理モデル式とに基づき、前記蒸発器出口の乾き度、および前記蒸発器内部における気液二相領域の割合を求める
ことを特徴とする請求項１または２記載の空気調和機。
【請求項４】
前記気液二相領域演算手段は、
前記圧縮機の吸入側の冷媒温度および圧力、並びに吐出側の冷媒温度および圧力と、前記圧縮機の回転数と、前記圧縮機の物理モデル式とに基づき、前記圧縮機を通過した冷媒の状態式を求め、
前記凝縮器の入口側の冷媒温度および圧力、並びに出口側の冷媒温度および圧力と、前記凝縮器に対する送風量と、前記凝縮器の物理モデル式とに基づき、前記凝縮器を通過した冷媒の状態式を求め、
前記冷媒流量調整手段の入口側の冷媒温度および圧力、並びに出口側の冷媒温度および圧力と、前記冷媒流量調整手段の開度と、前記冷媒流量調整手段の物理モデル式とに基づき、前記冷媒流量調整手段を通過した冷媒の状態式を求め、
前記蒸発器の入口側の冷媒温度および圧力、並びに出口側の冷媒温度および圧力と、前記蒸発器に対する送風量と、前記蒸発器の物理モデル式とに基づき、前記蒸発器を通過した冷媒の状態式を求め、
前記各状態式と、前記冷媒の質量保存則、運動量保存則およびエネルギー保存則とに基づき、前記蒸発器出口の乾き度、および前記蒸発器内部における気液二相領域の割合を求める
ことを特徴とする請求項３記載の空気調和機。
【請求項５】
前記冷媒回路の運転データの実績値の情報を記憶するデータ蓄積手段と、
前記データ蓄積手段に記憶された前記運転データの実績値を、前記記憶手段に記憶された各機器の物理モデル式に代入し、前記冷媒の質量保存則、運動量保存則およびエネルギー保存則の制約条件のもと、各機器の物理状態を模擬し、
模擬した物理状態と前記運転データの実績値との残差が小さくなるように、当該物理モデル式を更新する更新演算手段と
を備えたことを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の空気調和機。
【請求項６】
前記運転データは、
前記圧縮機、前記冷媒流量調整手段、前記凝縮器、および前記蒸発器の入口側並びに出口側の冷媒温度および圧力の情報と、
前記圧縮機の回転数、前記冷媒流量調整手段の開度、前記凝縮器に対する送風量、および前記蒸発器に対する送風量の情報とを有する
ことを特徴とする請求項３または５記載の空気調和機。
【請求項７】
圧縮機、凝縮器、冷媒流量調整手段、蒸発器を順次配管で接続し冷媒を循環させる冷媒回路を備えた空気調和機の制御方法であって、
前記冷媒回路の動作状態に基づき、前記蒸発器出口の乾き度、および前記蒸発器内部における気液二相領域の割合を求める気液二相領域演算ステップと、
前記圧縮機、前記冷媒流量調整手段、前記凝縮器に対する送風量、および前記蒸発器に対する送風量の少なくとも１つを制御して、前記蒸発器出口の乾き度を所定値以上にしつつ、前記気液二相領域の割合を制御する制御ステップと
を有することを特徴とする空気調和機の制御方法。
【請求項８】
前記制御ステップは、
少なくとも、前記圧縮機の回転数、前記冷媒流量調整手段の開度、前記凝縮器に対する送風量、および前記蒸発器に対する送風量の制御値の組合せのうち、前記蒸発器出口の乾き度が所定値以上となる制御値の組合せを求めるステップと、
前記蒸発器出口の乾き度が所定値以上となる制御値の組合せのうち、前記蒸発器内部における気液二相領域の割合が最大となる制御値の組合せを求めるステップと、
気液二相領域の割合が最大となる制御値の組合せに基づき、前記圧縮機、前記冷媒流量調整手段、前記凝縮器に対する送風量、および前記蒸発器に対する送風量の少なくとも１つを制御するステップと
を有することを特徴とする請求項７記載の空気調和機の制御方法。
【請求項９】
前記気液二相領域演算ステップは、
前記冷媒回路の運転データと、各機器の物理モデル式とに基づき、前記蒸発器出口の乾き度、および前記蒸発器内部における気液二相領域の割合を求める
ことを特徴とする請求項７または８記載の空気調和機の制御方法。
【請求項１０】
前記気液二相領域演算ステップは、
前記圧縮機の吸入側の冷媒温度および圧力、並びに吐出側の冷媒温度および圧力と、前記圧縮機の回転数と、前記圧縮機の物理モデル式とに基づき、前記圧縮機を通過した冷媒の状態式を求めるステップと、
前記凝縮器の入口側の冷媒温度および圧力、並びに出口側の冷媒温度および圧力と、前記凝縮器に対する送風量と、前記凝縮器の物理モデル式とに基づき、前記凝縮器を通過した冷媒の状態式を求めるステップと、
前記冷媒流量調整手段の入口側の冷媒温度および圧力、並びに出口側の冷媒温度および圧力と、前記冷媒流量調整手段の開度と、前記冷媒流量調整手段の物理モデル式とに基づき、前記冷媒流量調整手段を通過した冷媒の状態式を求めるステップと、
前記蒸発器の入口側の冷媒温度および圧力、並びに出口側の冷媒温度および圧力と、前記蒸発器に対する送風量と、前記蒸発器の物理モデル式とに基づき、前記蒸発器を通過した冷媒の状態式を求めるステップと、
前記各状態式と、前記冷媒の質量保存則、運動量保存則およびエネルギー保存則とに基づき、前記蒸発器出口の乾き度、および前記蒸発器内部における気液二相領域の割合を求めるステップと
を有することを特徴とする請求項９記載の空気調和機の制御方法。
【請求項１１】
前記冷媒回路の運転データの実績値の情報を記憶するデータ蓄積ステップと、
前記運転データの実績値を、各機器の物理モデル式に代入し、前記冷媒の質量保存則、運動量保存則およびエネルギー保存則の制約条件のもと、各機器の物理状態を模擬するステップと、
模擬した物理状態と前記運転データの実績値との残差が小さくなるように、当該物理モデル式を更新する更新演算ステップと
を有することを特徴とする請求項７〜１０の何れか１項に記載の空気調和機の制御方法。
【請求項１２】
前記運転データは、
前記圧縮機、前記冷媒流量調整手段、前記凝縮器、および前記蒸発器の入口側並びに出口側の冷媒温度および圧力の情報と、
前記圧縮機の回転数、前記冷媒流量調整手段の開度、前記凝縮器に対する送風量、および前記蒸発器に対する送風量の情報とを有する
ことを特徴とする請求項９または１１記載の空気調和機の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、空気調和機および空気調和機の制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、空気調和機の冷凍サイクルの制御方法として、熱交換器の出口部分の温度を計測することにより、湿り状態もしくは出口部分の過熱度をある範囲内へと制御するものがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、流速センサと圧力センサを設置して、熱交換器の出口部分の湿り度を直接計測するものがある（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特公昭６１−１６６３号公報（請求項１）
【特許文献２】特開２００２−２７６９０２号公報（要約）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、前記特許文献１に記載の技術は、熱負荷が大きく変動した場合や、起動時などの熱負荷が非常に大きい場合は、管内の冷媒流量が大きく変動するため、放熱係数が変化し、正確な湿り度を得ることができない。また、熱負荷は季節の変動や気象条件、使用者の運用の変化、設備状況の変化などによっても、大きく変動する。
また、蒸発器の出口だけの温度・圧力を検知して過熱度を制御する方式は、出口のみの状態を規定するのみであり、蒸発器の内部の状態がどのようになっているかまでは、考慮することができない。
このように、空調に係わる熱負荷は常に変動があるため、一般的な空気調和機においては、ある程度の尤度として、過熱度を２〜１０℃程度の余裕をもって制御を行っているが、これは熱交換器の熱交換面積の有効利用の観点からは好ましくなく、空気調和機の消費エネルギー効率が低下する、という問題点があった。
また、熱負荷の変動は、設置された場所や使用者の運用形態に大きく影響を受けるため、これらの尤度を事前に設定することは不可能である。
【０００６】
また、前記特許文献２に記載の技術では、追加のセンサが必要であり、また、このようなセンサを配管内に設置することは、圧力損失の増大を招き、エネルギー効率とコストの観点から好ましくない、という問題点があった。
【０００７】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、消費エネルギー効率を向上することができる空気調和機および空気調和機の制御方法を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明に係る空気調和機は、圧縮機、凝縮器、冷媒流量調整手段、蒸発器を順次配管で接続し冷媒を循環させる冷媒回路を備えた空気調和機において、前記冷媒回路の動作状態に基づき、前記蒸発器出口の乾き度、および前記蒸発器内部における気液二相領域の割合を求める気液二相領域演算手段と、前記圧縮機、前記冷媒流量調整手段、前記凝縮器に対する送風量、および前記蒸発器に対する送風量の少なくとも１つを制御して、前記蒸発器出口の乾き度を所定値以上にしつつ、前記気液二相領域の割合を制御する制御手段とを備えたものである。
【発明の効果】
【０００９】
この発明は、蒸発器出口の乾き度、および蒸発器内部における気液二相領域の割合を求め、蒸発器出口の乾き度を所定値以上にしつつ、気液二相領域の割合を制御する。このため、蒸発器内部の冷媒状態を検知する追加のセンサを設けることなく、蒸発器出口の乾き度を所定値以上にしつつ、気液二相領域の割合を制御することができ、消費エネルギー効率を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】この発明の実施の形態１における空気調和機の冷媒回路図である。
【図２】蒸発器６が過度に乾いている状態を説明する概念図である。
【図３】蒸発器６が過度に湿っている状態を説明する概念図である。
【図４】蒸発器６が好適に湿っている状態を説明する概念図である。
【図５】この発明の実施の形態１における制御動作を示すフローチャートである。
【図６】この発明の実施の形態２における演算動作を示すフローチャートである。
【図７】この発明の実施の形態３における物理パラメータの同定方法を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１について説明する。図１はこの発明の実施の形態１における空気調和機の冷媒回路図である。図１において、１は室外機送風機、２は凝縮器、３は開閉手段で例えば逆止弁、４は圧縮機、５は冷媒貯留手段で例えばアキュムレータ、６は蒸発器、７は室内機送風機、８は冷媒流量調整手段で例えば電子膨張弁、９−１、９−２、９−３、９−４、９−５は温度検知手段、１０−１、１０−２、１０−３は圧力検知手段、１１は制御コントローラ、１２は信号線、１４は液配管、１５はガス配管を示す。１６は室内機の構成を示し、１７は室外機の構成を示す。特に冷房時においては、温度検知手段９のうち、９−１、９−２は冷媒気相温度、９−３は冷媒液相温度、９−５は室内温度もしくは室内機１６の吸い込み温度、９−４は外気温度もしくは凝縮器２の周囲温度を計測する。
【００１２】
制御コントローラ１１には、データ蓄積装置および気液二相領域演算手段が設けられている。気液二相領域演算手段は、冷媒回路の動作状態に基づき、蒸発器６出口の乾き度および蒸発器６内部における気液二相領域の割合を求める。詳細は後述する。また、データ蓄積装置には、圧縮機４、冷媒流量調整手段８、凝縮器２、および蒸発器６の物理状態を模擬する物理モデル式の情報がそれぞれ記憶される。また、冷媒回路の運転データの実績値の情報が記憶される。なお、運転データは、例えば、圧縮機４、冷媒流量調整手段８、凝縮器２、および蒸発器６の入口側並びに出口側の冷媒温度および圧力の情報と、圧縮機４の回転数、冷媒流量調整手段８の開度、凝縮器２に対する送風量、および蒸発器６に対する送風量の情報とを有する。なお、この制御コントローラ１１は、空調機器の制御盤上に実装しても良いし、室内機１６のリモートコントローラに実装しても良い。
【００１３】
なお、制御コントローラ１１は、本発明における「制御手段」に相当し、データ蓄積装置は、本発明における「データ蓄積手段」および「記憶手段」に相当する。
【００１４】
温度検知手段９−１、９−２、９−３、９−４、９−５、圧力検知手段１０−１、１０−２、１０−３、圧縮機４、室外機送風機１、室内機送風機７、冷媒流量調整手段８は、それぞれ信号線１２で制御コントローラ１１へ接続されており、計測値および制御値などの運転データをデータ蓄積装置に逐次蓄積している。また、制御対象機器である圧縮機４、室外機送風機１、室内機送風機７、冷媒流量調整手段８は制御コントローラ１１からの制御信号により常時制御されている。なお、図中では１つの室外機１７に対して１つの室内機１６が対応しているが、複数の室内機１６に対応する構成でも同様に計測値を取得し、蓄積し、制御する機能は同じである。それぞれの機器は液配管１４もしくはガス配管１５によって接続され、冷媒はこの空気調和機を循環する。また、この図は主に冷房時の冷媒回路構成となっているが、冷媒切り替え装置例えば四方弁などを用いて、冷媒流れ方向を変えることにより暖房サイクルとして使用することも可能である。
【００１５】
図２は蒸発器６が過度に乾いている状態を説明する概念図である。図２では、蒸発器６において、内部の冷媒が過剰に気化している運転状態を示している。蒸発器６の入り口から気化が始まる箇所２０（液相と気液二相の境界面）までの液冷媒領域１９においては、乾き度０すなわち液体で流入してくる冷媒は、蒸発器６を通過する間に壁面と冷媒間において熱の交換が行われる。このとき、乾き度が０以上となる箇所２０から気化が始まり、乾き度が１となる箇所２１（気液二相と気相の境界面）までの領域２２では、気液二相状態となる。この図においては、蒸発器６の熱交換能力に比べて冷媒の温度が高いもしくは流速が小さいなどの理由で、熱交換が過剰に行われ、配管途中で冷媒が完全気化していることを示している。熱交換能力については、壁面と冷媒との相状態によって大きく変わることが知られており、特に壁面に冷媒の液相がある場合と無い場合では、液相がある場合の方が非常に大きい熱交換が可能である。従って、気液二相かつ壁面に液膜が発生している領域すなわち領域２２を最大化させることが熱交換効率の向上に有効である。また、この図のように蒸発器６出口側で完全に気化している状態は、冷媒のガス流速が非常に大きくなるため、蒸発器６出口に接続しているガス配管１５における圧力損失増大の問題がある。
【００１６】
一方、図３は蒸発器６が過度に湿っている状態を説明する概念図である。蒸発器６の入り口から乾き度０の液体が流入している。この図においては、蒸発器６の熱交換能力に比べて冷媒の温度が低いもしくは流速が速いなどの理由で、液冷媒領域１９が蒸発器６の大半を占める状態である。このとき、液面と管壁の接触面積は大きいため、熱交換効率は非常に高い状態にある。しかし、蒸発器６内のほとんどが液領域で覆われているため、蒸発器６内の圧力損失が非常に高い問題がある。また、蒸発器６から送出された気液二相冷媒は、ガス配管１５を通じて、冷媒貯留装置へと戻るが、このとき冷媒の液量が多い場合は、圧縮機４に液冷媒が混入する可能性がある。圧縮機４へ液状態の冷媒が混入すると、圧縮行程中に液圧縮が発生し、水撃作用によって圧縮機４の破損などの重大な故障へと繋がる可能性がある。また、水撃作用による騒音も問題となる。
【００１７】
図４は蒸発器６が好適に湿っている状態を説明する概念図である。この状態では、蒸発器６出口において冷媒が完全に気化しており、圧縮機４への液混入を防ぐ。さらに、液体領域と気液二相領域の組み合わせとして、気液領域の増大による熱交換能力の向上分と圧力損失の増減分を考慮し、消費エネルギー効率が最大となる組み合わせを選択したものである。このとき、消費エネルギー効率とは、投入エネルギーに対する空調機システムが行った仕事量である。
【００１８】
図５はこの発明の実施の形態１における制御動作を示すフローチャートである。通常の空気調和機においては、蒸発器６の出口部分における過熱度もしくは乾き度を検出および制御しているため、蒸発器６の内部の冷媒状態の詳細までは考慮されておらず、図３に示すように蒸発器６が有効に利用されていない可能性がある。このとき、蒸発器６を有効利用するためには、蒸発器６の管内の内壁に冷媒が液相状態で接触している必要がある。図５においては、この内壁に液相が存在している気液二相領域が最大限大きくなるように好適に制御された状態を示している。
【００１９】
以下、順を追って説明する。ＳＴ１のステップでは、制御コントローラ１１は、通常の空調制御シーケンスを行う。これは、空調機の通常の制御内容を意味する。通常の制御内容とは、例えば、リモートコントローラなどによるユーザーの設定温度指示値を用いて、現在の制御対象室内温度や室内機吸い込み温度（９−５）との温度差、および室外の温度（９−４）などから、熱負荷を計算し、その熱負荷に合うように圧縮機４の回転数、室外機送風機１の回転数、室内機送風機７の回転数、冷媒の流量などを決定する方式などを指す。これらの制御方式には種々の方法があり、任意の制御手法を適用することができる。つまり、本実施の形態における制御方式は、これらの通常の空調制御方式へ追加が可能な形態を想定している。
【００２０】
ＳＴ２のステップでは、制御コントローラ１１は、熱負荷が安定しているかどうかを判定する。これは、起動時や負荷の大きな変動時は、空調機においては、油戻しなどの特殊な制御が実施されるためであり、このような制御条件時は、以降の最適制御をスキップする。熱負荷が安定している条件とは、機器構成によって変動するが、例えば、一定時間の間、吸い込み温度（９−５）が変動しない場合をもって熱負荷が安定していると判断することができる。
【００２１】
ステップＳＴ３では、制御コントローラ１１の気液二相領域演算手段は、蒸発器６の出口乾き度を演算する。蒸発器６の出口乾き度の演算方法は実施の形態２にて説明する。
【００２２】
ＳＴ４のステップでは、制御コントローラ１１は、ＳＴ２において計算した蒸発器６の出口側の乾き度を用いて、出口側に液状態の冷媒が発生していないことを保証する。基準値以下の場合は、蒸発器６の出口側において気化が完了しておらず、圧縮機４への液混入の恐れがあるため、ＳＴ５にて乾き度を増加させる操作を実施する。基準値は通常０．９５〜１程度の乾き度が選ばれる。乾き度を低減させる方法としては例えば、冷媒流量を減少させる、蒸発器６に対する送風量、すなわち室内機送風機７の風量を減少させるなどの方法がある。
【００２３】
ＳＴ４にて乾き度が基準値以上であれば、圧縮機４への液混入の恐れが無いものとして次の制御ステップへ進む。
【００２４】
ＳＴ６では、制御コントローラ１１は、機器の制御組み合わせに用いられる制約条件をデータ蓄積装置などから読み込む。このときの制約条件とは、例えば、圧縮機４の最大および最小動作周波数であったり、冷媒流量調整手段８の弁開度の最大変化率や最大値や最小値であったり、室外機送風機１や室内機送風機７の回転数の最大変化率や最小値や最大値であったり、使用している冷媒の温度、圧力、エンタルピーなどの範囲であったり、消費エネルギーを最小化するための拘束式や評価関数などである。
【００２５】
ＳＴ７では、制御コントローラ１１は、乾き度が基準値以上となる機器制御組み合わせの中から、制約条件を満たす組み合わせを探索する。例えば、制約条件に「消費エネルギー効率最大化」が選ばれれば、乾き度が基準値以上となる機器制御値組み合わせの中から、消費エネルギーの効率が最大となるような気液二相領域と液相領域、完全気体領域の組み合わせを探索することになる。つまり、蒸発器６出口の乾き度が基準値以上となる制御値の組み合わせのうち、蒸発器６内部における気液二相領域の割合が最大となる制御値の組み合わせを探索する。ここで言う機器制御組み合わせとは、例えば、圧縮機４の回転数制御目標値、室外機送風機１の回転数制御目標値、室内機送風機７の回転数制御目標値、冷媒流量調整手段８の弁開度制御目標値などの制御値の組み合わせを言う。
【００２６】
解の探索方法は種々の方法があるが、機器の制御値が連続値であるか離散値であるか、機器の制御モデルが線形であるか非線形であるかなどを考慮して適宜選ばなければならない。例えば、制御値が連続値に表現可能であり、制御モデルが線形化可能であれば、線形計画法や二次計画法などの最適化手法が適用可能であるし、制御値が離散値で制御モデルが非線形であれば分岐限定法や整数計画法などの最適化手法が適用可能である。
【００２７】
ＳＴ８では、制御コントローラ１１は、ＳＴ７にて求められたそれぞれの機器、例えば、圧縮機４の回転数、室外機送風機１の回転数、室内機送風機７の回転数、冷媒流量調整手段８の弁開度、などの制御値の最適値をそれぞれの機器へ送信する。なお、この１サイクルの制御単位時間は、解探索にかかる時間や系の時定数を考慮して適宜決めなければならない。熱負荷の変動が少ない場合については、この時間単位を１〜数分程度としても良い。
【００２８】
以上のように本実施の形態においては、圧縮機４、冷媒流量調整手段８、凝縮器２に対する送風量、および蒸発器６に対する送風量の少なくとも１つを制御して、蒸発器６出口の乾き度を基準値以上にしつつ、気液二相領域の割合を制御する。このため、蒸発器６内部の冷媒状態を検知する追加のセンサを設けることなく、蒸発器６出口の乾き度を基準値以上に保証しつつ、気液二相領域の割合を制御することができ、消費エネルギー効率を向上することができる。
【００２９】
また、蒸発器６出口の乾き度が基準値以上となる制御値の組み合わせのうち、蒸発器６内部における気液二相領域の割合が最大となる制御値の組み合わせを探索して、各機器を制御する。このため、制約条件のもとで蒸発器６の熱交換能力を向上させる制御を行うことにより空気調和機の消費エネルギー効率を向上させることが可能となる。
【００３０】
実施の形態２．
本実施の形態２では、制御コントローラ１１の気液二相領域演算手段による、蒸発器６出口の乾き度、および蒸発器６内部における気液二相領域の割合を求める演算動作について説明する。
【００３１】
図６はこの発明の実施の形態２における演算動作を示すフローチャートである。
ＳＴ９のステップでは、制御コントローラ１１のデータ蓄積装置などから演算用の物理モデルの情報を読み込む。物理モデルの情報とは、機器の状態を記述する状態方程式や入出力の状態遷移を規定する伝達関数などであり、例えば、冷媒流量調整手段８の弁開度と、温度検知手段９−２から得られる通過前の冷媒温度、温度検知手段９−３から得られる通過後の冷媒の温度、圧力検知手段１０−２、１０−３から得られる圧力を元に、冷媒流量調整手段８を通過した冷媒の流量を計算する式などを指す。
【００３２】
ＳＴ１０のステップでは、制御コントローラ１１のデータ蓄積装置から各種のセンサデータを取得する。センサデータとは例えば、図１に記載の温度検知手段９−１、９−２、９−３、９−４、９−５から計測された温度、圧力検知手段１０−１、１０−２、１０−３によって計測された圧力、などを指す。制御コントローラ１１のデータ蓄積装置には、空調機システム内に設置されている上記のようなセンサから計測値がデータとして適宜蓄積されている。
【００３３】
ＳＴ１１のステップでは、制御コントローラ１１のデータ蓄積装置から、制御対象機器の制御値の現在値を取得する。制御対象機器とは、例えば圧縮機４や冷媒流量調整手段８や室外機送風機１、室内機送風機７などである。これらの機器の制御値としては、例えば、圧縮機４が回転型圧縮機であればその周波数、冷媒流量調整手段８が電子膨張弁であれば弁の開度、室外機送風機１、室内機送風機７であれば回転数などである。なお、これらのデータ形式は、電流値であったり、単位時間当たりのパルスカウントであったり印加電圧などの種々の形式があるが、それらは回転数や弁の開度などに一義的に関係づけられるため、どのような形式であっても良い。
【００３４】
ＳＴ１２のステップでは、制御コントローラ１１の気液二相領域演算手段は、温度検知手段９−１、９−２から得られる温度と、圧力検知手段１０−１、１０−２から得られる圧力と、冷媒質量流量の気相部分を求める式３と、冷媒質量流量の液相部分を求める式４と、圧縮機４の状態を表現する物理モデル式とから、圧縮機４を通過した冷媒の状態式を得る。同様に、温度検知手段９−２、９−３から得られる温度と、圧力検知手段１０−２、１０−３から得られる圧力と、冷媒質量流量の気相部分を求める式３と、冷媒質量流量の液相部分を求める式４と、冷媒流量調整手段８の状態を表現する物理モデル式とから、冷媒流量調整手段８を通過した冷媒の状態式を得る。また同様に、温度検知手段９−２、９−３、９−５から得られる温度と、圧力検知手段１０−２、１０−３から得られる圧力と、冷媒質量流量の気相部分を求める式３と、冷媒質量流量の液相部分を求める式４と、蒸発器６の状態を表現する物理モデル式とから、蒸発器６を通過した冷媒の状態式を得る。また同様に、温度検知手段９−１、９−３、９−４から得られる温度と、圧力検知手段１０−１、１０−３から得られる圧力と、冷媒質量流量の気相部分を求める式３と、冷媒質量流量の液相部分を求める式４と、凝縮器２の状態を表現する物理モデル式とから、凝縮器２を通過した冷媒の状態式を得る。
【００３５】
【数１】
2011196599.tif 000003
【００３６】
なお、添え字ｇは気相を示し、添え字ｌは液相を示す。
【００３７】
これらの機器は連結しているため、冷媒の質量流量と冷媒の運動量とのエネルギーは保存される。従って、上記で求められた冷媒の状態式に対して、質量保存の法則式である式１と、運動量保存の法則式である式２、およびエネルギー保存の法則式である式５が成り立つ。よって、制御コントローラ１１の気液二相領域演算手段は、各機器を通過した冷媒の状態式を、質量保存の法則式である式１、運動量保存の法則式である式２、エネルギー保存の法則式である式５に代入し、この代入した式が常に成り立つようにシステム同定による未知数の同定を行う。
【００３８】
このとき、最低限必要となる未知数は通常は乾き度であるが、同様に未知数となっている熱交換器（凝縮器２、蒸発器６）の入り口および出口のエンタルピーや温度、蒸発器６内の気液二層領域の長さ（冷媒流れ方向の長さ）なども同定可能である。
つまり、蒸発器６内の気液二層領域の冷媒流れ方向の長さを求めることで、蒸発器６の冷媒流れ方向の長さは既知であるので、蒸発器６内部における気液二相領域の割合を求めることができる。
【００３９】
未知数を同定する手法は種々の手法があるが、自己回帰移動平均の最小自乗法や予測誤差修正法などの方法を使っても良い。
【００４０】
機器の物理モデルにはそれぞれ、空調機システムで重要となる物理状態値の項目があり、例えば冷媒流量や圧力、温度、乾き度、圧縮機４の有効体積などが含まれている。
【００４１】
このように、空気調和機の各機器の状態を連結して、空気調和機全体の動作を模擬し、どの部分にどの程度の冷媒が偏っているかを把握することで、蒸発器６出口の乾き度、および蒸発器６内部における気液二相領域の割合を求めることが可能となる。
【００４２】
以上のように本実施の形態においては、冷媒回路の運転データと各物理モデル式とに基づき、蒸発器６出口の乾き度および蒸発器６内部における気液二相領域の割合を求める。このため、制御対象となる蒸発器６出口の乾き度および蒸発器６内部における気液二相領域の割合を、追加のセンサを必要とすることなく得ることができる。
【００４３】
また、気液二相領域演算手段は、各機器を通過した冷媒の状態式と、冷媒の質量保存則、運動量保存則およびエネルギー保存則とに基づき、蒸発器６出口の乾き度、および蒸発器６内部における気液二相領域の割合を求める。蒸発器６出口の乾き度および蒸発器６内部における気液二相領域の割合を、追加のセンサを必要とすることなく、精度良く、得ることができる。
【００４４】
実施の形態３．
本実施の形態３では、制御コントローラ１１により、物理モデル式をシステム同定し、随時そのパラメータ等を更新していくことにより、空調運転の最適化を図る動作について説明する。
【００４５】
なお、本実施の形態における制御コントローラ１１は、本発明における「更新演算手段」に相当する。
【００４６】
図７はこの発明の実施の形態３における物理パラメータの同定方法を示すフローチャートである。
ＳＴ１３のステップでは、制御コントローラ１１のデータ蓄積装置から過去の空調システムの運転データを取得する。運転データとは、空調システムの回路内における、設置されたセンサの計測値や制御機器の状態値である。この運転データは、例えば、圧縮機４、冷媒流量調整手段８、凝縮器２、および蒸発器６の入口側並びに出口側の冷媒温度および圧力の情報と、圧縮機４の回転数、冷媒流量調整手段８の開度、凝縮器２に対する送風量、および蒸発器６に対する送風量の情報とを有する。
【００４７】
例えば、圧縮機４の物理モデルを更新する場合は、温度検知手段９−１、９−２と、圧力検知手段１０−１、１０−２と、圧縮機４の制御値（回転数など）のデータとを用いる。また、冷媒流量調整手段８の物理モデルを更新する場合は、温度検知手段９−２、９−３と、圧力検知手段１０−２、１０−３と、冷媒流量調整手段８の制御値（弁開度など）のデータを用いる。また、蒸発器６のモデルを更新する場合は、温度検知手段９−２、９−３、９−５と、圧力検知手段１０−２、１０−３と、室内機送風機７の制御値（回転数など）を用いる。また、凝縮器２のモデルを更新する場合は、温度検知手段９−１、９−３、９−４と、圧力検知手段１０−１、１０−３と、室外機送風機１の制御値（回転数など）を用いる。
【００４８】
ＳＴ１４のステップでは、データ蓄積装置から現状の物理モデル式を取得する。現状の物理モデル式とは、システム同定された最新版の機器の物理モデル式を指す。
【００４９】
ＳＴ１５のステップでは、ＳＴ１４で取得した最新の物理モデル式に、適当な期間の過去の運用データを代入し、冷媒の質量保存則、運動量保存則およびエネルギー保存則の制約条件のもと、各機器の物理状態（運転状態）を模擬する。適当な期間とは、運転データが良く模擬できる期間であり、例えば過去１日〜７日程度を使用すると好適である。
【００５０】
ＳＴ１６では、過去データを用いて模擬された仮想空調運転データと、実際に計測された運転データとの残差が最小となるように、物理モデル式のパラメータを同定し、物理モデル式を更新する。なお、残差を最小とする方法は、最尤法や最小自乗法などの手法を用いても良い。
【００５１】
このように、物理モデルを最新版へと常に更新し続けることにより、空調システムの熱負荷として、季節変動や場所や使用者の変動があった場合にも、制御のパラメータを最適化することが可能となる。
【００５２】
以上のように本実施の形態においては、データ蓄積装置に記憶された運転データの実績値を、各機器の物理モデル式に代入し、冷媒の質量保存則、運動量保存則およびエネルギー保存則の制約条件のもと、各機器の物理状態を模擬し、模擬した物理状態と運転データの実績値との残差が小さくなるように、当該物理モデル式を更新する。このため、蒸発器６出口の乾き度、および蒸発器６内部における気液二相領域の割合を求める演算に用いるための各機器の物理状態モデルを、精度良く求めることができる。よって、蒸発器６内部の冷媒状態を検知する追加のセンサを設けることなく、蒸発器６出口の乾き度を基準値以上にしつつ、気液二相領域の割合を制御することができ、消費エネルギー効率を向上することができる。
【符号の説明】
【００５３】
１  室外機送風機、２  凝縮器、３  開閉手段、４  圧縮機、５  冷媒貯留手段、６  蒸発器、７  室内機送風機、８  冷媒流量調整手段、９  温度検知手段、１０  圧力検知手段、１１  制御コントローラ、１２  信号線、１３  計測信号搬送手段、１４  液配管、１５  ガス配管、１６  室内機、１７  室外機、１８  熱交換器電熱交換面、１９  液相領域、２０  箇所、２１  箇所、２２  領域。
【図１】
2011196599.tif 000004
【図２】
2011196599.tif 000005
【図３】
2011196599.tif 000006
【図４】
2011196599.tif 000007
【図５】
2011196599.tif 000008
【図６】
2011196599.tif 000009
【図７】
2011196599.tif 000010