JP2002323252A - 空調機制御用の温度変化量算出方法、および空調機のフィードフォワード制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 空調機のフィードバック制御では、設定温湿
度との偏差にしたがって制御入力を決定するために、設
定値、あるいは外気条件が違うとそれによって応答性が
異なる。 【解決手段】 加湿器による温度変化量を算出する方法
であって、空気線上における飽和蒸気線の任意の点と、
加湿を始める前の点との距離を算出する距離算出ステッ
プと、距離算出ステップによって算出された距離に基づ
いて、加湿前後の温度変化量を算出する温度変化量算出
ステップと、を備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、加湿器による温度
変化量算出方法に関する。特に本発明は、空調機の制御
に用いられる加湿器のモデル構築に関する。

【０００２】

【従来の技術】車両生産用の塗装ブースは、ブース内の
空気の温度を塗装に適した温湿度に維持する必要があ
る。ブース内の温湿度の調節は、空調機によって行われ
ている。従来の空調機の温湿度制御では、ＰＩＤ（Prop
ortion Integration Differential）制御などによるフ
ィードバック制御が行われている。空調機の特性（モデ
ル）を加味した制御系（モデルベース制御、またはフィ
ードフォワード制御）は行われていない。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】フィードバック制御で
は、設定温湿度との偏差にしたがって制御入力を決定す
るために、設定値、あるいは外気条件が違うとそれによ
って応答性が異なる。特に偏差が大きいときは、フィー
ドバック制御は、オーバーシュートやハンチングを起こ
しやすい。したがって、オーバーシュート等を起こさな
いようにするにはＰＩＤフィードバックのゲインを小さ
くするしかない。その結果、応答（設定温湿度に達する
までの時間）が遅くなる。このためフィードバック制御
では、設定温湿度に達するまでの時間（条件を満たして
いないので塗装できない時間、すなわち、非稼働時間）
が長いために、エネルギーロスが大きい。また、ＰＩＤ
フィードバックゲインを大きくできないことから、設定
温湿度に対し定常偏差が残る場合があり、制御の精度が
悪く、場合によっては設定温湿度を外れることがある。
すなわち、温湿度制御の高精度化の要求に対してはＰＩ
Ｄフィードバック制御では対応に限界がある。

【０００４】一方、フィードフォワード制御が行われて
いない背景には、断熱加湿器のモデル化が容易ではない
こと、および、理論式に基づいて数理モデルを立てると
非常に複雑なモデルになり、数理モデルを制御系に組み
込むのが困難であることが挙げられる。断熱加湿器のモ
デル化が難しい理由は、加湿器での加湿、温度変化のメ
カニズムが複雑で、かつその変化量は、加湿器前段の温
湿度やそのバラツキ、加湿効率など、様々な要因の影響
を受け、それらが複雑に絡み合っているためであると考
えられる。また、数理モデルが複雑な理由は、空気線図
上の状態の推移を数式で表すと、非常に複雑になるた
め、また、個々のパラメータの同定が不可能に近いため
であると考えられる。

【０００５】そこで本発明は、上記の課題を解決するこ
とのできる加湿器による温度変化量算出方法、および空
調機のフィードフォワード制御方法を提供することを目
的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、加湿器による
温度変化量を算出する方法であって、空気線上における
飽和蒸気線の任意の点と、加湿を始める前の点との距離
を算出する距離算出ステップと、距離算出ステップによ
って算出された距離に基づいて、加湿前後の温度変化量
を算出する温度変化量算出ステップと、を備える。

【０００７】本発明の距離算出ステップは、加湿を始め
る前の点を含む等エンタルピ線と飽和蒸気線との交点か
ら、加湿を始める前の点までの距離を算出する。

【０００８】本発明の温度変化量算出ステップは、距離
算出ステップによって算出された距離を変数とする関数
によって温度変化量を算出する。

【０００９】本発明は、加熱器と加湿器とを含む空調機
をフィードフォワード制御する方法であって、空気線上
における飽和蒸気線の任意の点と、加湿を始める前の点
との距離に基づいて算出された温度変化量に基づいて、
加熱器による加熱量を制御する。

【００１０】本発明は、分割された領域ごとに加湿量が
制御される加湿器による温度変化量を算出する方法であ
って、分割領域ごとに、空気線上における飽和蒸気線の
任意の点と、分割領域における加湿を始める前の点との
距離を算出するステップと、分割領域ごとに、算出され
た距離に基づいて、加湿前後の温度変化量を算出する温
度変化量算出ステップと、を備える。

【００１１】ここで、加湿の前後で断熱変化を生じる加
湿器のモデル化について、以下に説明する。加湿器の典
型例は、水を含む濡れ壁である。濡れ壁中の水の量はバ
ルブ開度により調節することができる。

【００１２】図１は、加湿器のバルブ開度を変えたとき
の温度変化を表わすグラフである。このグラフにおい
て、同じバルブ開度におけるプロットは、異なる温湿度
条件における結果を表わす。このグラフ中、実線はバル
ブ開度と温度変化との関係を、２次関数でフィッテング
したものである。２次関数によるモデルと、実際のデー
タとの相関係数は０．４７である。このように、バルブ
開度をパラメータとして温湿度変化を制御するモデル
は、加湿前の温湿度条件によってバラツキが大きく、精
度が十分得られない。したがって、加湿器をモデル化す
るには、バルブ開度以外のパラメータが必要であること
がわかる。しかし、モデルを理論式により求めようとす
ると、加湿器前段の空気温湿度、または、加湿器固有の
形状、もしくは特性など様々な条件が入り込むため、非
常に複雑になり、非現実的である。そこで、空気線図上
のあるパラメータに着目し、簡潔かつ精度の良いモデル
を得る方法を提案する。

【００１３】図２は、加湿器のバルブ開度を所定の値に
したときに、加湿前の空気の温湿度を様々な条件にした
場合の温度変化量を表わす３次元グラフである。このグ
ラフの底面の２軸は、それぞれ、加湿を開始する前の空
気の温度、絶対水分量を示す。各外気条件（温度、絶対
水分量）において、加湿を行った場合の温度変化量ΔＴ
が、上記温度を示す軸、および絶対水分量を示す軸と直
交する軸に示されている。このグラフから、各外気条件
における温度変化量を示す点がほぼ同一平面上に乗って
いることがわかる。そして、この平面と３次元グラフの
底面とが交差する線は、飽和蒸気線とほぼ一致すること
が見出された。さらに、各温度変化量ΔＴは、加湿をす
る前の外気の温度、および絶対水分量を示す点が、飽和
蒸気線より遠いほど大きくなる傾向があることがわか
る。すなわち、温度低下量ΔＴは、加湿前の空気温湿度
と飽和蒸気線との距離に依存することが明らかになっ
た。以下では、加湿前の空気温湿度と飽和蒸気線との距
離を、パラメータｄと呼ぶ。パラメータｄによって、加
湿器の温度低下モデルが表わされる。

【００１４】[加湿器の温度低下モデル]図３は、パラメ
ータｄを空気線図上で表わしたグラフである。パラメー
タｄは、理論式で表わす場合には、温度Ｔのみに着目し
た一例として、Ｗｅｘｌｅｒ−Ｈｙｌａｎｄの式などを
用いて記述できる。しかし、この式は非常に複雑である
ので、以下の式のようにｂの２次関数で近似した。ここ
で、ｂは加湿前の空気の状態を含む等エンタルピ線の切
片に相当する。

【００１５】ｄ≒Ｔ−（−１３８８９ｂ²＋１４１８．
８ｂ−４．９２８３）

【００１６】加湿器の温度変化量ΔＴは、パラメータｄ
を用いて、次式のように表わす。

【００１７】ΔＴ＝Ａ・ｄ＋Ｂ

【００１８】ここで、係数Ａおよび定数Ｂは、たとえ
ば、算出したパラメータｄと実測したΔＴについて最小
二乗法により求める。

【００１９】このように、加湿器での温度変化量を、空
気線図上のパラメータｄに依存するとしたことにより、
加湿器前段の温度、湿度など、様々な要因に依存する加
湿器での温度変化量を一つのパラメータだけで表現で
き、モデルが非常に簡潔化できる。また、モデルが簡潔
なため、加湿器を含む空調機の制御系にモデルを組み込
むことが容易になる。また、加湿器の高精度かつ簡潔な
モデルにより、ブース空調の制御の高性能化（応答性、
追従性）が可能となり、空調に要する無駄なエネルギー
を削減することができる。

【００２０】なお、パラメータｄの経路としては、加湿
器による状態変化が断熱変化の場合には、加湿前の点を
通る等エンタルピ線上が好適な例である。また、断熱変
化を伴わない加湿器については、パラメータｄの経路と
して、加湿器の温水の温度等で決まる線上を用いてもよ
い。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、発明の実施の形態を通じて
本発明を説明する。

【００２２】[実施形態１]図４は、本実施形態が実施さ
れる空調システムの概略を示す図である。本実施形態に
おいては、ブース２００内に空調機１０によって調節さ
れた空気が送られる。空調が必要とされる設備の好適な
例として、車両の塗装作業が行われる塗装ブースがあ
る。塗装ブースにおいては、ブース２００内の空気は、
塗装工程に適した所定の温湿度に維持される必要があ
る。

【００２３】空調機１０は、外気を取り入れ、取り入れ
た外気を所定の温湿度に調節する。所定の温湿度に調節
された空気は、ファン３００によりブース２００内に送
られる。ブース２００には、別のファン３１０が設置さ
れており、ファン３１０によりブース２００内の空気が
排気される。

【００２４】空調機１０は、加熱器２０、第１の加湿器
３０、第２の加湿器４０を有する。加熱器２０、第１の
加湿器３０、および第２の加湿器４０の具体例を図５に
示す。加熱器２０は、加熱器２０を通過する空気の温度
を所定の温度まで上昇させる。加熱器２０の典型例はス
チームヒータである。加熱器２０は加温のみを行い、湿
度への影響は無視できる。第１の加湿器３０は、第１の
加湿器３０を通過する空気の湿度を所定の湿度まで上昇
させる。第１の加湿器３０の典型例は、水を含む濡れ壁
（ワッシャ）である。濡れ壁中の水の量はバルブ開度に
より調節することができる。空気は、濡れ壁を通過する
ことにより加湿される。加湿量はバルブ開度により調節
可能である。なお、加湿がされると空気の温度低下も同
時に起きる。このときの状態変化は、断熱変化である。
第２の加湿器４０は、第２の加湿器４０を通過する空気
の湿度を微調整する。第２の加湿器４０を通過する空気
の温度はほぼ一定である。第２の加湿器４０の典型例
は、スチーム噴霧装置である。

【００２５】図６は、空調制御装置５０の概略を示すブ
ロック図である。空調制御装置５０は、温湿度設定部１
１０、ＦＦ（フィードフォワード）制御部６０、および
ＦＢ（フィードバック）制御部１００を備える。温湿度
設定部１１０は、外気温度および外気湿度、並びにブー
ス２００内の空気の設定温度、および設定湿度について
の入力を受け付ける。また、温湿度設定部１１０は、受
け付けた設定温湿度等の情報を、ＦＦ制御部６０および
ＦＢ制御部１００に送信する。ＦＦ制御部６０は、ブー
ス２００に供給される空気が所定の設定温湿度になるよ
うに、空調機１０の制御量を調節する。

【００２６】ＦＦ制御部６０は、加熱制御部７０、第１
の加湿制御部８０、および第２の加湿制御部９０を含
む。加熱制御部７０は、加熱器２０の動作を制御する。
スチームヒータの例では、スチームの温度、または流量
が制御される。第１の加湿制御部８０は、第１の加湿器
３０の動作を制御する。ワッシャの例では、バルブ開度
が制御される。第２の加湿制御部９０は、第２の加湿器
４０の動作を制御する。スチーム噴霧装置の例では、ス
チームの噴霧量が制御される。

【００２７】ＦＦ制御は、空気を所定の設定温湿度にす
るために、加熱器２０、第１の加湿器３０、および第２
の加湿器４０の動作特性（モデル）に基づいて行われ
る。加熱器２０、第１の加湿器３０、および第２の加湿
器４０の動作特性は、それらを通過する空気の状態変化
を予め調べることにより求められる。ＦＦ制御に用いる
モデルの算出方法、およびモデルに基づいたＦＦ制御に
ついては後述する。

【００２８】ＦＢ制御部１００は、ブース２００内に設
けられた温湿度センサ２１０から、ブース２００内の温
湿度に関する情報を受け取り、ブース２００内の設定温
湿度と偏差がある場合には、その偏差を打ち消すように
空調機１０の制御量を調節する。なお、ＦＢ制御は、Ｆ
Ｆ制御を補佐するためのものであり、本実施形態におい
ては、必ずしも必須ではないが、ＦＢ制御により、設定
温湿度に達した後の、空調機１０の制御をよりきめ細か
く行うことができる。

【００２９】[ＦＦ制御用の温度変化モデルの算出のフ
ロー]図７は、第１の加湿器３０の温度変化モデルを算
出するフローチャートである。第１の加湿器３０には、
加湿前後の空気の温湿度を測定する温湿度センサが設け
られている。まず、第１の加湿器３０による加湿前の空
気の温度および湿度が測定される（Ｓ１０）。次に、加
湿前の空気の温度および湿度からそれに対応するパラメ
ータｄが求めらる（Ｓ２０）。続いて、第１の加湿器３
０による空気の加湿が行われる（Ｓ３０）。加湿後の空
気の温度と、加湿前の空気の温度との差ΔTが測定され
る（Ｓ４０）。パラメータｄに対して温度変化量ΔTが
グラフ上にプロットされる（Ｓ５０）。プロットされた
点について、たとえば最小二乗法により一次近似式が算
出され、算出された一次近似式と、実際の点との相関係
数が計算される（Ｓ６０）。相関係数が所定の条件（た
とえば「相関係数≧0.9」）を満たすか否かが判定され
る（Ｓ７０）。相関係数が所定の条件を満たす場合に
は、高相関とみなされ、一次近似式で求まった係数をＦ
Ｆ制御に用いる。相関係数が所定の条件を満たさない場
合には、加湿前の空気温湿度を変化させた後（Ｓ８
０）、再度、加湿前空気温湿度測定（Ｓ１０）に続く処
理が行われる。

【００３０】[ｄの算出方法]パラメータｄは、次式を用
いて算出することができる。

【００３１】ｄ≒Ｔ−（−１３８８９ｂ²＋１４１８．
８ｂ−４．９２８３）

【００３２】なお、このパラメータｄは、加湿前の空気
温湿度からその温湿度の等エンタルピ線を求め、その直
線の切片から直線と飽和蒸気線の交点を２次式を解いて
求め、加湿前空気温湿度の点との差を取ることによって
近似的に得た式である。

【００３３】[温度変化量ΔＴの予測]図８は、算出され
たパラメータｄとそれに対応する温度変化量ΔＴの実測
値をプロットしたグラフである。このグラフ中の実線
は、ｄとΔＴとの関係を最小二乗法によりフィッティン
グした線を表わす。これにより、ΔＴがｄの一次式で近
似することができる。

【００３４】[ＦＦ制御]まず、外気の湿度と、設定湿度
との差に基づいて、第１の加湿器３０のバルブ開度が設
定される。第１の加湿器３０による加湿量は、設定湿度
を越えない範囲で、なるべく設定湿度に近づくような量
である。次に、第１の加湿器３０による加湿の際に生じ
る温度低下量ΔＴが予測される。ΔＴは上記のようにし
て求めたｄの一次式を使って予測される。

【００３５】加熱器２０の加熱量は、設定温度と空調前
の空気の温度との差に、温度低下量ΔＴを加えた量であ
る。すなわち、第１の加湿器３０による温度低下量ΔＴ
が予測されることにより、加熱器２０による温度上昇を
適切に設定することができる。

【００３６】第２の加湿器４０による加湿量は、第１の
加湿器３０による加湿、冷却後の空気の湿度と、設定湿
度との差に相当する量である。

【００３７】ＦＦ制御部６０は、加熱器２０、第１の加
湿器３０、および第２の加湿器４０を上記の条件を満た
すように制御する。

【００３８】図９の空気線図を用いて、外気が設定温湿
度に調整されるときの状態変化を説明する。図９の例
は、外気（空調機に取り込まれた空気、または初期状態
の空気）が、設定温湿度に比べて、温度、湿度ともに低
い場合に該当する。具体的には、冬季における空調の例
である。まず加熱器２０により、空気の温度が点Ａまで
上げられる。次に、第１の加湿器３０により、空気の温
湿度が点Ｂに変えられる。最後に、第２の加湿器４０に
より、空気温湿度が設定温湿度に微調整される。このよ
うに、空調前の空気の温湿度と、設定温湿度に基づい
て、空調機の動作を決める制御量が調節される。

【００３９】[効果の確認]図１０は、本実施形態にかか
る第１の加湿器３０のモデルを用いたＦＦ制御の効果を
示すグラフである。ＦＦ制御によれば、設定温度に到達
する時間は約５分であるのに対して、ＦＢ制御では、設
定温度に達するのに約１５分を要する。このように、Ｆ
Ｆ制御を用いることにより、設定温度に到達するまでの
時間（不稼働時間）を従来に比べて大幅に短縮すること
ができた。不稼働時間の短縮により、無駄なエネルギー
の消費を抑制することができ、ひいては、ＣＯ２排出量
の軽減に寄与することが可能となる。

【００４０】[実施形態２]図１１は、実施形態２にかか
る第１の加湿器３０の構成を示す図である。この場合、
第１の加湿器３０は、複数の部分に分割され、それぞれ
部分のバルブ開度が制御可能である。分割された各部分
のバルブ開度は、第１の加湿制御部８０によって制御さ
れる。第１の加湿器３０の前段の空気温度に分布がある
場合を考える。実際のケースとしては、第１の加湿器３
０の前段にある加熱器２０の温度分布が一様でない場合
が挙げられる。この場合には、第１の加湿器３０を単一
のモデルで表わそうとすると、加湿される空気温度のバ
ラツキが考慮されないため、加湿前後の温度変化量を正
しく見積もることができない場合がある。

【００４１】そこで、第１の加湿器３０の部分（制御入
力（たとえば、加湿器への水供給量調整バルブの開度な
ど）の区切り）ごとに、異なるモデル式を構築する。

【００４２】これにより、制御入力や第１の加湿器３０
前段の温湿度分布に起因する、単一モデルでは表しきれ
ない温度変化量のばらつき、第１の加湿器３０による加
湿を個々のモデルで吸収でき、ばらつきに影響されない
精度の良いモデルとして表現できる。

【００４３】以上、本発明を実施の形態に沿って説明し
たが、本発明の変形例として、断熱変化を伴なう加湿器
が複数段ある場合にも、上記手法の組み合わせにより実
施できることはもちろんである。

【００４４】なお、本実施形態において、パラメータｄ
に基づいて温度変化量を算出する方法を開示したが、こ
の算出方法を加湿器による加湿前後の湿度変化量の算出
に応用することが可能であることは言うまでもない。

【００４５】

【発明の効果】上記説明から明らかなように、本発明に
よれば加湿器についての簡潔なモデルを提供することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 加湿器のバルブ開度と温度変化との関係を示
すグラフである。

【図２】 加湿前温湿度と、加湿後の温度変化量との関
係を示すグラフである。

【図３】 パラメータｄを空気線図上で表したグラフで
ある。

【図４】 本実施形態が実施される空調システムの概略
を示す図である。

【図５】 加熱器２０、第１の加湿器３０、および第２
の加湿器４０の具体例を示す図である。

【図６】 空調制御装置５０の概略を示すブロック図で
ある。

【図７】 第１の加湿器３０の温度変化モデルを算出す
るフローチャートである。

【図８】 算出されたパラメータｄとそれに対応する温
度変化量ΔＴの実測値をプロットしたグラフである

【図９】 外気が設定温湿度に調整されるときの状態変
化を表わす空気線図である。

【図１０】 実施形態１にかかる第１の加湿器３０のモ
デルを用いたＦＦ制御の効果を示すグラフである。

【図１１】 実施形態２にかかる第１の加湿器３０の構
成を示す図である。

【符号の説明】

１０ 空調機、２０ 加熱器、３０ 第１の加湿器、４
０ 第２の加湿器、５０ 空調制御装置、６０ ＦＦ制
御部、７０ 加熱制御部、８０ 第１の加湿制御部、９
０ 第２の加湿制御部、１００ ＦＢ制御部、１１０
温湿度設定部、２００ ブース、２１０ 温湿度セン
サ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山本 貴史 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 成田 年男 愛知県豊田市柿本町１丁目９番地 トリニ ティ工業株式会社内 (72)発明者 高橋 勇 愛知県豊田市柿本町１丁目９番地 トリニ ティ工業株式会社内 Ｆターム(参考） 3L055 AA10 BA01 BC03 3L060 AA06 AA07 CC01 CC06 DD08 5H004 GA03 GA08 GA30 GB09 HA01 HB01 JA02 KB32 KC24

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 加湿器による温度変化量を算出する方法
   であって、 空気線上における飽和蒸気線の任意の点と、加湿を始め
   る前の点との距離を算出する距離算出ステップと、 距離算出ステップによって算出された距離に基づいて、
   加湿前後の温度変化量を算出する温度変化量算出ステッ
   プと、を備えることを特徴とする加湿器による温度変化
   量算出方法。
2. 【請求項２】 前記距離算出ステップは、加湿を始める
   前の点を含む等エンタルピ線と飽和蒸気線との交点か
   ら、加湿を始める前の点までの距離を算出することを特
   徴とする請求項１に記載の加湿器による温度変化量算出
   方法。
3. 【請求項３】 前記温度変化量算出ステップは、距離算
   出ステップによって算出された距離を変数とする関数に
   よって温度変化量を算出することを特徴とする請求項１
   または２に記載の加湿器による温度変化量算出方法。
4. 【請求項４】 加熱器と加湿器とを含む空調機をフィー
   ドフォワード制御する方法であって、 空気線上における飽和蒸気線の任意の点と、加湿を始め
   る前の点との距離に基づいて算出された温度変化量に基
   づいて、加熱器による加熱量を制御することを特徴とす
   る空調機のフィードフォワード制御方法。
5. 【請求項５】 分割された領域ごとに加湿量が制御され
   る加湿器による温度変化量を算出する方法であって、 分割領域ごとに、空気線上における飽和蒸気線の任意の
   点と、分割領域における加湿を始める前の点との距離を
   算出するステップと、 分割領域ごとに、算出された距離に基づいて、加湿前後
   の温度変化量を算出する温度変化量算出ステップと、を
   備えることを特徴とする加湿器による温度変化量算出方
   法。