JP2007225158A - 除霜運転制御装置および除霜運転制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】複雑な計算を必要とすることなく、除霜運転開始時期の判定精度が高良く、実用的で、最適除霜時期の判定を確実に行い、最適な時期における除霜運転が可能な除霜運転制御装置を得る。
【解決手段】蒸発温度センサ１６、空気吸込側温度センサ１７、空気吹出側温度センサ１８は、それぞれ蒸発器１０の内部を流れる冷媒の蒸発温度、蒸発器１０の空気吸込側温度、蒸発器１０の空気吹出側温度を測定する。コントローラ４は、これらの温度情報を基に温度効率を算出し、算出した温度効率の着霜運転開始からの変化傾向に基づいて蒸発器１０のへの着霜量を予測し、この着霜量に基づいて最適除霜開始時期や終了時期を判定し、圧縮機モータのオンオフや回転数を制御するとともにヒーター１３をオンにする。
【選択図】図２

Description

本発明は冷凍、冷蔵、空気調和装置の除霜運転制御装置および除霜運転制御方法に関するものであり、特に熱交換器である蒸発器の除霜運転制御装置および除霜運転制御方法に関する。

従来の除霜運転制御装置の例として、熱交換器の蒸発能力Qeを凝縮能力Qc（＝空気質量流量×比熱×熱交換器出入口温度差）と圧縮機入力Wとの差、すなわちQe=Qc-Wから算出し、さらに、空気の乾球温度と湿球温度から空気のエンタルピHaを、さらに熱交換器の蒸発温度Teからその温度相当の飽和空気エンタルピHeを求め、これらに基づいて熱交換器の熱交換性能に関する指数 K＝Qe/（Ha-He）を算出して、Kの変化から着霜状態を判断し、除霜運転開始時期を判定する方法が知られている（特許文献１参照）。
特開平４−１３１６４５号公報（図３）

また、従来の除霜運転制御装置の別の例として、熱交換器の蒸発能力Qeと、外気温度Taと、蒸発温度Teから、熱交換器の熱通過率Kと伝熱面積Aとを乗じたAK値＝Qe/（Ta-Te）を算出し、その変化から除霜運転開始時期を判定する方法が知られている（特許文献２参照）。
特開２００２−１４７９０４号公報（図４）

従来の除霜運転制御装置による除霜時期判定方法では、冷凍能力やＡＫ値を算出する際に複雑な計算を必要とし、演算負荷が大きかった。また、近似式を多用していたため、近似式の誤差により演算精度が落ちる可能性があった。このため、これらのパラメータによる判定では判定精度が低くなる恐れがあった。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、複雑な計算を必要とすることなく、除霜運転開始時期の判定精度が高い除霜運転制御装置を得ることを目的としている。

本発明に関わる除霜運転制御装置は、熱交換器の内部を流れる冷媒の温度と、上記熱交換器の空気の吸込側温度および吹出側温度とに基づいて温度効率を演算手段によって算出し、上記算出された温度効率の着霜運転開始からの変化傾向に基づいて熱交換器への着霜量を予測し、この予測された着霜量を基に最適除霜開始時期を判定するようにしたものである。

この発明によれば、冷凍機もしくは空調機の蒸発器の熱交換特性を表す温度効率を演算し、この温度効率を用いて最適除霜開始時期を判定するようにしたので、複雑な計算を必要とすることなく、除霜運転開始時期の判定精度が高良く、実用的で、最適除霜時期の判定が確実に行われる。これにより、最適な時期における除霜運転が可能となり、省エネルギーを図ることができる。

実施の形態１．
はじめに本発明の実施の形態１の除霜開始時期判定手段５０の内容について説明し、後に本発明の特徴である外気温湿度と庫内の空気吸込側温度によって決定される蒸発器１０の着霜部位を着霜型として分類した場合の除霜制御対応方法について説明する。

除霜開始時期判定手段５０の構成について図１〜図４を用いて説明する。図１は本発明の実施の形態１における冷却システムの全体構成図であり、冷凍倉庫１および冷凍装置を含む。冷凍倉庫１は断熱壁にて構成されており、外からの熱の侵入を極力抑える構造となっている。また、冷凍倉庫１には扉６が設けられており、人の出入りや冷却対象物の搬入搬出が可能である。なお、扉は手でロックを解除して開閉するタイプのほか、自動開閉タイプなどもある。冷凍倉庫１の内部（以下、庫内という）には冷却装置２が、冷凍倉庫１の外部（以下、庫外という）には室外機３、そしてこれらを制御するコントローラ４が設けられている。冷却装置２と室外機３とは冷媒配管７で接続されており、冷却装置２は庫内の冷却を行い、室外機３は冷却装置２が熱交換により吸熱した庫内の熱を熱交換により外部に捨てるものである。上記冷却装置２と室外機３と冷媒配管７とから冷凍装置が構成されている。冷却装置２は天井から吊り下げるタイプでもよいし、天井、側壁などに埋め込んで固定するタイプなどでもよい。また室外機３は天井に据え付けるタイプや、屋外に設置するタイプでもよい。コントローラ４は庫内の温度を調整したり、除霜運転制御のタイミングを調整したりする制御装置であり、庫内温度などの設定が可能である。なお、コントローラ４の機能は冷却装置２や室外機３の内蔵されている図示しないマイコンなどに含ませる構成としてもよい。

冷却装置２を横方向から見た断面図を図２に示す。冷却装置２は空気を冷却する金属製のフィンおよびパイプからなる蒸発器１０と、蒸発器１０に送風する送風ファン１１と、送風ファン１１を駆動するモーター１２と、除霜運転時に蒸発器１０およびドレンパン１５を加熱するヒーター１３と、除霜運転時に除霜された水を排出するドレンパイプ１４とからなる。冷却装置２は、空気と熱交換を行う熱交換器である蒸発器１０の冷媒蒸発温度を測定する蒸発温度センサ１６と、空気の吸込側温度を測定する空気吸込側温度センサ１７と、空気の吹出側温度を測定する空気吹出側温度センサ１８とを備えており、各部の温度測定が可能である。なお、蒸発器１０に取り付けられているヒーター１３は蒸発器１０のフィンもしくはパイプに密着されており、蒸発器１０のフィンおよびパイプに着いている霜を効率よく溶かすことが可能な構成となっている。

図３は冷凍装置の冷凍サイクルを表す図である。冷凍装置内には冷媒が封入されており、圧縮機２０、凝縮器２１、膨張弁２２、蒸発器１０を順次配管で接続して構成されている。冷凍装置には前記蒸発温度センサ１６のほかに、冷媒の圧力を測定する膨張弁前圧力センサ３１、圧縮機吸入圧力センサ３４、温度を測定する蒸発器出口温度センサ３２、圧縮機吸入温度センサ３３の各センサが設けられ、冷凍サイクルの運転状態が把握可能な構成となっている。なお、冷凍装置に使用する冷媒はＲ２２などの単一冷媒や、Ｒ４０４Ａなどの複数冷媒からなる混合冷媒でもよい。

図４は、図１〜図３に示すコントローラ４の構成図である。次にコントローラ４について図４に基づき説明する。コントローラ４は、各温度センサおよび各圧力センサから得られる情報を演算処理する演算手段４１と、各種演算値や予め定められた値などを記憶する記憶手段４２と、これらの値の大小などを比較する比較手段４３と、除霜開始時期や終了時期を判断する判断手段４４と、ユーザーからの入力や演算結果などの画面表示出力や音声出力を行う入出力手段４５と、圧縮機モーターのオンオフや回転数を制御する制御手段４６とから構成される。また、最適な除霜時期を判定する除霜時期判定手段５０は、上記演算手段４１と記憶手段４２と比較手段４３と判断手段４４と入出力手段４５とによって構成されている。

コントローラ４は、具体的には冷凍装置の圧縮機２０などを統括制御するＣＰＵ（中央演算装置）と、プログラムやデータを記憶するメモリと、タッチパネルやキーボードなどの外部入出力装置と、ディスプレイ等の表示部とを備えたマイクロコンピュータ等であり。このうちのＣＰＵと所定のプログラムにより上記演算手段４１、比較手段４３、判断手段４４が構成されている。また、メモリにより記憶手段４２が構成され、キーボードやタッチパネル、ディスプレイ等の表示部により入出力手段４５が構成され、リレー、パワートランジスタなどにより制御手段４６が構成される。また、この入出力手段４５を利用して冷凍倉庫１の設定温度の変更等を容易に行なうことが可能である。また、除霜時期の判定結果や演算内容、各センサの値は、有線または無線の信号を介して上記設置機器から離れた場所、例えばサービスセンターなどの遠隔地に送受信される構成としてもよく、この場合には遠隔地から運転状態の監視や機器の操作、設定値の変更などが可能である。

次に、冷凍装置の冷凍サイクル動作について説明する。圧縮機２０から吐出された高温高圧の冷媒は、凝縮器２１にて室外空気と熱交換し、冷媒は凝縮液化する。膨張弁２２にて減圧されて低圧低温の二相状態となった冷媒は蒸発器１０にて冷凍倉庫１内の空気と熱交換し、冷媒は蒸発・ガス化し、庫内空気は冷却される。蒸発器１０を出た低圧ガス状の冷媒は、圧縮機２０に吸込まれて圧縮され、再び高温高圧の冷媒となって吐出されるというサイクルを繰り返す。これにより冷凍倉庫１内の空気が冷却され、庫内を低温状態に保つことが可能となる。

上記動作により冷凍倉庫１内では、冷却装置２による冷却が行われる。冷凍倉庫１内の温度は一定に保つ必要があり、その温度調節方法について説明する。圧縮機２０が固定周波数運転方式（ノンインバータ）の場合には、制御手段４６からの指令による圧縮機２０のオンオフ動作により温度を調整する。冷凍倉庫１の温度は庫内温度センサ５により監視されており、庫内温度が所定の温度より低下した場合には圧縮機２０をオフする。そして、庫内温度が上昇した場合には再び圧縮機２０をオンして冷却運転を開始する。なお、このオンとオフの温度差および庫内設定温度はコントローラ４の入出力手段４５から設定可能である。

また、圧縮機２０がインバータ方式の場合には、図４の制御手段４６からの指令により圧縮機２０の運転周波数を変更することが可能である。インバータ方式の場合には、蒸発温度が一定となるように圧縮機２０の運転周波数を制御し、圧縮機周波数を下限値で運転しても冷却能力が過剰で、冷凍倉庫１内の温度が設定温度よりも低下する場合には圧縮機２０をオフする。そして、庫内温度が上昇した場合には再び圧縮機２０をオンして冷却運転を開始することにより、冷凍倉庫１内温度を一定に保つことが可能となる。

次に、蒸発器１０に霜が多く付いた場合に行う除霜運転方法について説明する。蒸発器１０の温度が氷点下の条件で長時間冷却運転を行うと、蒸発器１０には空気中の水分が凍結して付着し、送風路を塞いで風路圧損の原因となったり、冷媒と空気が熱交換を行う際の熱抵抗となって、伝熱性能を低下させる。そして、着霜量が過度の場合には、冷却能力が不足して、冷凍倉庫１内を設定温度に保つことができない、という不都合に至る。そこで、蒸発器１０に付着した霜を溶かして除去する除霜運転を行い、冷却能力が本来の性能を発揮できる状態に戻す。冷却運転中の蒸発器１０への着霜状態は、除霜時期判定手段５０により監視され、エネルギー消費効率が最大で最も省エネとなる最適な除霜時期になった時点で除霜開始指令が制御手段４６に伝えられる。制御手段４６では、圧縮機２０と送風ファン１１の運転を停止し、除霜のための熱源であるヒーター１３をオンにする。ヒーター１３は蒸発器１０とドレンパン１５を加熱し、付着した霜を溶かして液体のドレン水の状態にし、ドレン水はドレンパイプ１４から、庫外へ排出される。そして、霜が解け終わる除霜完了時期を蒸発温度センサ１６が所定の温度に達したことにより判定し、ヒーター１３をオフにして、圧縮機２０および送風ファン１１の運転を再開し、再び冷却運転へ移行する。

なお、上記除霜運転は、ヒーター加熱方式の場合について説明したが、圧縮機２０の吐出ガスを直接蒸発器１０に戻すように冷媒配管７を接続してホットガスを流す、あるいは圧縮機２０の吐出と吸入配管に四方弁を設け、蒸発器１０と凝縮器２１の冷媒が流れる向きを逆転させて、すなわち、四方弁を切り替えることにより、圧縮機２０から出た吐出冷媒が蒸発器１０、膨張弁２２、凝縮器２１の順に循環し、再び圧縮機２０に戻る回路構成として除霜運転を行う、ホットガス方式で除霜を行う構成としてもかまわない。

次に、除霜時期判定手段５０の判定方法について図２と図５と図６に基づき説明する。図２に示すように冷却装置２では、蒸発器１０の冷媒蒸発温度を測定する蒸発温度センサ１６と、空気の吸込側温度を測定する空気吸込側温度センサ１７と、空気の吹出側温度を測定する空気吹出側温度センサ１８とを備えており、各部の温度測定が可能である。演算手段４１は、これらの温度情報を基に、下記式(1)により温度効率を算出する。
温度効率 =（空気吸込側温度−空気吹出側温度）／（空気吸込側温度−蒸発温度））
・・・式（1）
ここで、／は除算を表す。
温度効率は、蒸発器１０における冷媒と空気の熱交換の効率を表すパラメータであり、着霜時の蒸発器１０の伝熱面への霜付着による熱抵抗増加の影響、風路閉塞による風量変化の両面の影響を加味したパラメータである。空気吹出側温度が蒸発温度に等しい場合に温度効率＝１となり、最も効率がよくなる。空気線図上では空気吸込側温度をＡＴ、蒸発温度をＥＴ、空気吹出側温度をＴｏとすると、温度効率の概念は図６のように表せる。ＡＴからＥＴまでの乾球温度差を１（１００％）とすると温度効率はＺ（式(1)より）となる。

図５の上図は、冷却装置運転中の、着霜量と温度効率との関係を表したグラフであり、横軸は蒸発器１０の着霜量を表している。図中、矢印で示される範囲は温度効率の閾値の候補として適当なゾーンを示す。なお、図中、温度効率がゼロになる部分が多々あるが、これは対象とした冷凍装置の圧縮機２０が固定周波数運転方式のため、庫内温度が目標温度に達したときに圧縮機２０がオフするサーモオフと、庫内温度が設定値よりも上昇して再び圧縮機２０がオンする温度調整制御を繰り返しているためである。同図からわかるように、蒸発器１０の着霜量が増加するにしたがい、温度効率は徐々に低下する。

一方、図５の下図は、冷却装置２運転中の着霜量と温度効率との関係を表したグラフであり、横軸に着霜量をとり、縦軸に横軸の値のタイミングで除霜運転を開始した場合の平均入力（ここで、入力とは消費電力または消費エネルギーのことであり、平均入力とは、冷凍機の冷却除霜の１サイクル、すなわち「冷却運転中の合計入力＋除霜運転中の合計入力」の平均入力）の下限値（もっとも省エネの場合）を１００％として、何％増加したのかを表した図である。図からわかるように、着霜量が少ない段階で除霜運転を開始した場合には、除霜に関わるエネルギー、すなわち消費電力の大きいヒーター１３を無駄に多く使用するため平均入力が大きく、或るところで平均入力は下限のピークを迎える。そして、着霜量が過度に増大すると蒸発器１０の冷却効率が低下するために圧縮機入力を多く消費するために平均入力は増加する傾向となる。以上のことから、除霜運転を開始する時期には最適な着霜量が存在し、最適な着霜量のときに除霜運転を開始することによって冷凍機平均入力が少ない省エネ運転が可能になることがわかる。

図５にて、冷凍機平均入力が最も少ない着霜量のときの温度効率は約０．４であり、本冷凍機の場合には温度効率＝０．４になった時点で除霜運転を開始すればもっとも省エネな状態で冷凍機を運転することが可能となる。このように温度効率をパラメータとして、適切な閾値を設定し、温度効率が閾値に達した時点で除霜運転を開始するようにすれば、省エネに最適な除霜開始時期を判定することが可能となり、冷凍機を省エネ運転することができる。なお、図５の下図中、矢印で示される範囲は平均入力上昇率が少ない適当なゾーンであることを示す。

図７は最適温度効率を用いた場合のコントローラ４による除霜時期判定処理を示すフローチャートである。上記温度効率による除霜開始時期判定の流れを図７のフローチャートを参照して説明する。
まず、ステップＳＴ１にて、初期据付後もしくは除霜運転後の冷却運転が開始されたか否かの判定を行う。この判定はコントローラ４にて把握されている圧縮機２０およびヒーター１３のオンオフ状態から判定され、ヒーター１３がオフの状態で圧縮機２０がオンの状態になれば冷却運転が開始されたと判定できる。冷却運転が開始された場合はステップＳＴ２に移り、コントローラ４は運転データの測定と温度効率の演算を行う。ステップＳＴ３では温度効率が閾値以上か否かを判定し、閾値以上の場合にはステップＳＴ４へ移り、コントローラ４は除霜運転開始を指示する。

上記の省エネ除霜時期判定の動作は、コントローラ４の除霜時期判定手段５０にて行われる。即ち、演算手段４１にて各温度センサの情報から温度効率を演算し、比較手段４３にて演算結果と、記憶手段４２に予め記憶された、もしくは実機の実運転特性に基づき適宜修正記憶された温度効率の閾値とを比較し、判断手段４４にて除霜を開始するか否かを判断し、入出力手段４５にて判定結果を制御手段４６に出力する。そして制御手段４６の制御の下に圧縮機２０、ヒーター１３、送風ファン１１のモーター１２などの制御操作が行われる。

なお、温度効率の閾値は、送風ファン１１の回転数（以下、ファン回転数という）や圧縮機２０の運転周波数が変更可能な場合には、温度効率をファン回転数や圧縮機運転周波数に関する関数として設定値を変更してもよいし、冷凍機の機種に応じて閾値を変更するようにしてもよい。また、これらの閾値変更は、予めメモリなどの記憶手段４２に変更されたデータを記憶しておいてもよいし、冷凍機設置後にサービスマンが必要に応じて入出力手段４５から変更するようにしてもよいし、遠隔地から有線もしくは無線などの通信手段を介して変更できる構成としてもよい。

また、除霜運転開始タイミングの検出の方法として、温度効率の初期状態からの偏差が閾値以上となった場合に除霜運転を開始する方式としてもよい。この場合には機器据付後に無着霜状態の初期の温度効率を初期学習しておき、初期温度効率と現在の温度効率の差が設定閾値以上となった時点で除霜運転開始とする。このように対象機器に合わせて初期学習を行うことにより、蒸発器１０の個々の個体差に合わせた最適な除霜時期判定が可能となる。

初期学習を行う場合のコントローラ４による除霜開始時期判定の流れを図８のフローチャートに示す。
ステップＳＴ１において、コントローラ４の判断手段４４は初期据付後もしくは除霜運転後の冷却運転が開始されたか否かの判定を行う。冷却運転が開始された場合はステップＳＴ２に移り、演算手段４１は運転データの測定と温度効率の演算を行う。ステップＳＴ３において、判断手段４４は学習済みか否かの判定を行い、学習済みでない場合にはステップＳＴ４へ移り、蒸発器１０に着霜していない冷却運転初期段階の正常安定運転中の運転データを基準データとして基準状態を学習する。ステップＳＴ４で学習が完了した場合には、以降ステップＳＴ３の判定ではyesのループ、すなわちステップＳＴ５以降のループに入る。ステップＳＴ５において、演算手段４１は現在の温度効率演算値Ｚと初期学習値Ｚ0との差ｄＺを計算する。そしてステップＳＴ６において、判断手段４４はｄＺが設定閾値以上か否かを判定し、閾値より大きい場合には、ステップＳＴ７へ移り除霜時期判定手段５０は制御手段４６に除霜運転を開始を指令する。制御手段４６は、除霜時期判定手段５０からの除霜運転開始指令により圧縮機２０、ヒーター１３、送風ファン１１のモーター１２などの制御操作を行う。

以上のように、この実施の形態１によれば、温度効率を演算し、この温度効率を用いて最適除霜開始時期を判定するようにしたので、複雑な計算を必要とすることなく、除霜運転開始時期の判定精度が高く、実用的で、最適除霜時期の判定が確実に行われる。これにより、最適な時期における除霜運転が可能となり、省エネルギーを図ることができる。

実施の形態２．
実施の形態１の除霜時期判定方法では、単一のパラメータのみにより判定を行っているが、単一のパラメータのみでは、実機の時々刻々変化する複雑な動作に追従できず、場合によっては誤判定を招く恐れがある。この実施の形態２では、このような場合に対処できるように複数のパラメータで判定するものである。
次に、温度効率に他のパラメータを加えた複数のパラメータにより除霜開始時期を判定する方法について説明する。図９は図２の冷却装置２に、ファン回転センサ６１、ファン電流センサ６２を追加した図である。ファン回転センサ６１は、送風ファン１１のファン回転数を検知するセンサであり、送風ファン１１の一部に設けた反射面に照射した赤外線などの光が送風ファン１１が１回転する毎に１回反射するので反射光の回数をカウントすることで送風ファン１１のファン回転数を検知する方式や、ホール素子などを用いてモーター１２の回転子の位置を検出して回転数を検知する方式、このほか磁束を利用する方式などでもよい。ファン電流センサ６２は送風ファン１１の電流（以下、ファン電流という）を検出するものであり、ＣＴ（コイル式）などを用いて電流値を測定するものである。これらファン回転センサ６１、ファン電流センサ６２により送風ファン１１のファン回転数やファン電流の運転状態を把握することができる。送風ファン１１のファン回転数やファン電流は蒸発器１０が霜により閉塞してくると、風路圧損が増加することにより変化するパラメータであり、これらのパラメータを利用することにより着霜による蒸発器１０の閉塞状態を把握することが可能になる。なお、着霜時の蒸発器１０の変化として風路圧損変化と伝熱特性の変化がある。送風ファン１１のファン回転数もしくはファン電流では伝熱特性の変化を検知することはできないが、この伝熱特性の変化は着霜時の変化を把握するパラメータのひとつにはなりうる。

複数のパラメータを処理する方法の一例として、一般周知である"マハラノビスの距離"が挙げられる。"マハラノビスの距離"とは、例えば、１９９２年１０月２６日に東京図書株式会社から発行された「すぐわかる多変量解析」（非特許文献１）に記載があり、多変量解析の分野で使われている手法である。マハラノビスの距離は正常状態を複数のパラメータの集合体としてとらえ、正常なパラメータの集合体からの距離を表しており、マハラノビスの距離が大きいと正常状態から離れているということを表す。

先に温度効率を初期学習する説明を行ったが、温度効率を他のパラメータ、例えば空気吸込側温度、送風ファン１１のファン回転数なども合わせて正常状態の集合体として初期学習させればマハラノビスの距離を使って除霜時期を判定することも可能となる。

マハラノビスの距離を利用して最適な除霜開始時期判定を行う流れを図１０のフローチャートにて説明する。なお、図１０のフローチャートでは、冷却運転が開始される度に、運転初期段階の蒸発器１０が無着霜の状態を基準状態として学習し、以降は運転中の蒸発器１０の着霜状態をマハラノビスの距離の変化で監視し、マハラノビスの距離が閾値を超えた時点で除霜を開始するという制御内容に基づいている。
ステップＳＴ１にて、初期据付後もしくは除霜運転後の冷却運転が開始されたか否かの判定を行う。この判定はコントローラ４にて把握されている圧縮機２０およびヒーター１３のオンオフ状態から判定され、ヒーター１３がオフの状態で圧縮機２０がオンの状態になれば冷却運転が開始されたと判定できる。冷却運転が開始された場合はステップＳＴ２に移り、温度効率、ファン回転数、ファン電流、空気吸込側温度などの運転データ、を測定演算する。ステップＳＴ３では学習済みか否かの判定を行い、学習済みでない場合にはステップＳＴ４へ移り、蒸発器１０に着霜していない冷却運転初期段階の正常安定運転中の運転データを基に平均値ｍｉ、分散σｉおよび相関行列の逆行列Ａｉｊを基に基準状態におけるマハラノビスの距離を演算し、演算結果の学習値を基準データとして設定する。ステップＳＴ４で学習が完了した場合には、以降ステップＳＴ３の判定ではyesのループ、すなわちステップＳＴ５以降のループに入る。ステップＳＴ５では平均値ｍｉおよび分散σｉを基にステップＳＴ２で測定したデータの基準化を行う。そしてステップＳＴ６にて基準化されたデータとステップＳＴ４で用いた相関行列の逆行列Ａｉｊを基にマハラノビスの距離を演算し、ステップＳＴ７にてマハラノビスの距離の演算値と上記マハラノビスの距離の学習値（基準データ）との偏差を記憶手段４２に記憶させた閾値と大小比較して、マハラノビスの距離の偏差が閾値より大きい場合には、ステップＳＴ８へ移り除霜運転を開始する。ここで、閾値は例えば４程度に設定する。
なお、上記の例では、マハラノビスの距離を相関行列の逆行列を用いて演算したが、分散共分散行列の逆行列を用いて演算してもよい。この場合には、基準化されたデータを使用せず元のデータを使用するため、ステップＳＴ５の処理は不要になる。また、ステップＳＴ４では相関行列の逆行列の代わりに分散共分散行列の逆行列を用いる。詳細については上記非特許文献１に記載されている。
また、上記の例では複数のパラメータを処理する方法の一例としてマハラノビスの距離を用いたが、これに限らない。例えば、線型判別関数を用いてもよい。この詳細については上記非特許文献１に記載されている。

以上のように、冷却運転開始時の無着霜状態を基準として、複数のパラメータを利用したマハラノビスの距離の増加により着霜状態を把握して、除霜運転開始時期を検知するようにしたので、対象とする機器の個体差および設置条件を考慮した除霜時期の判定が可能となり、実施の形態１より精度の良い除霜時期判定が可能となる。

なお、図１０では冷却運転が開始される度に、運転初期段階の蒸発器１０に無着霜の状態を基準状態として学習する方法としたが、このほか、据付後から数回の冷却運転データから平均的な基準状態を学習し、以降はこの基準状態をベースとする方式や、機種ごとに予め試験を行い、基準状態をコントローラ４に記憶させた状態で出荷する方式などとしてもよい。

また、上記説明のマハラノビスの距離を用いた除霜運転開始時期検知方法では、複合変数として温度効率、ファン回転数、ファン電流、空気吸込側温度の４つのパラメータを利用したが、パラメータはこれに限るものではなく、蒸発器１０の冷凍能力や、蒸発器１０の熱交換性能を表すＡＫ値など着霜時に変化するその他パラメータを加えても用いてもよい。例えば、冷凍能力と、ファン回転数と、空気吸込側温度の組合せや、ＡＫ値と、ファン電流と、空気吸込側温度の組合せなどでもよく、これらパラメータは除霜運転開始時期の検出特性に合せて全てのパラメータを用いてもよいし、一部を用いた組合せでも、また、このほか蒸発器１０の着霜時に変化するパラメータをさらに追加しても良い。
この場合も複数のパラメータを利用したマハラノビスの距離の増加により着霜状態を把握して、除霜運転開始時期を検知するようにしたので、上記と同様またはパラメータの数が多いほどより精度の良い除霜時期判定が可能となる。

以下、上記説明した冷凍能力とＡＫ値の算出方法について説明する。まず、冷凍能力の算出方法について説明する。冷凍能力は蒸発器１０における能力であり、空気側から算出する方法と冷媒側から算出する方法があるが、空気側は冷凍能力算出に風量が必要である。着霜時は風量の変化が大きく、正確な予測や低温条件での測定が困難であるため、冷媒側の計算方法について説明する。

冷凍能力Qe[kcal/h]は、
冷凍能力Qe＝冷媒流量Gr×（蒸発器入口冷媒エンタルピHein−蒸発器出口冷媒エンタルピHeout） ・・・式（2）
から求めることができる。冷媒流量Gr[kg/h]は圧縮機２０の特性に合せて、次式にて求められる。
Gr=冷媒ガス密度ρ×圧縮機回転数×圧縮機押しのけ容積[m3]×体積効率ηv
・・・式（3）
ここで、×は乗算を示している。また、冷媒ガス密度ρ[kg/m3]は使用する冷媒の物性値から蒸発温度Teと圧縮機入口温度Tsの関数（近似式）として表すことができ、ρ＝ｆ(Te,Tsuc)となる。圧縮機回転数[1/h]は圧縮機２０の運転周波数[Hz=1/sec]（1秒あたりの回転数）を３６００倍して時間当たりの回転数にて表したものである。圧縮機押しのけ容積[ｍ３]は圧縮機２０の１回転あたりの排除体積である。体積効率ηvは圧縮機２０の流量を補正する係数であり、使用する圧縮機２０の特性に合わせて値を決定する。また、入口冷媒エンタルピHein[kcal/kg]と出口冷媒エンタルピHeout[kcal/kg]は、それぞれ冷媒物性から決定する値であり、物性値の近似式を用いて冷媒の飽和圧力と温度の関数として、冷媒エンタルピＨ＝ｆ(飽和圧力Ｐ,冷媒温度Ｔ)にて表される。Heinは図３の膨張弁前圧力センサ３１によって測定される飽和圧力と、膨張弁前温度センサ３０の温度から求めることができ、Heoutは、圧縮機吸入圧力センサ３４と、蒸発器出口温度センサ３２から求めることができる。

次に、ＡＫ値の算出方法について説明する。ＡＫ値は、
ＡＫ値[kcal/(h・℃)]＝冷凍能力Qe／（空気吸込側温度Tae−蒸発温度Te）
から算出される。ＡＫ値は蒸発器１０における熱通過率Ｋと伝熱面積Ａとを乗じた値であり、蒸発器１０の伝熱特性を表すものである。なお、／は除算を示す。

以上説明したように冷凍能力Qeや、ＡＫ値をマハラノビスの距離を用いた複合変数による除霜運転開始時期判定の項目に加えることにより、複数のパラメータを用いた総合的な判断が可能となり、判定精度をより向上させることが可能となる。

また、冷凍能力QeやＡＫ値などの単独パラメータのみを判定閾値として、除霜運転開始時期の判定を行うことも可能であり、その方法は上述した温度効率による方法と同様である。

本発明の実施の形態１における冷却システムの全体構成図である。 本発明の実施の形態１の冷却装置の断面図である。 本発明の実施の形態１における冷凍装置の冷凍サイクルを表す図である。 本発明の実施の形態１におけるコントローラの構成図である。 本発明の実施の形態１および３における着霜量と温度効率、冷凍機平均入力上昇率の関係を示す図である。 本発明の実施の形態１の温度効率を空気線図上に表した図である。 本発明の実施の形態１の温度効率を用いた場合の除霜時期判定処理を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態１の温度効率を用いた場合で、かつ初期学習を行う場合の除霜時期判定処理を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態２の冷却装置の断面図である。 本発明の実施の形態２の複合変数を用いた場合の除霜時期判定方法を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 冷凍倉庫、２ 冷却装置、３ 室外機、４ コントローラ、５ 庫内温度センサ、６ 扉、７ 冷媒配管、１０ 蒸発器、１１ 送風ファン、１２ モーター、１３ ヒーター、１４ ドレンパイプ、１５ ドレンパン、１６ 蒸発温度センサ、１７ 空気吸込側温度センサ、１８ 空気吹出側温度センサ、２０ 圧縮機、２１ 凝縮器、２２ 膨張弁、３０ 膨張弁前温度センサ、３１ 膨張弁前圧力センサ、３２ 蒸発器出口温度センサ、３３ 圧縮機吸入温度センサ、３４ 圧縮機吸入圧力センサ、４１ 演算手段、４２ 記憶手段、４３ 比較手段、４４ 判断手段、４５ 入出力手段、４６ 制御手段、５０ 除霜時期判定手段、６１ ファン回転センサ、６２ ファン電流センサ。

Claims (15)

1. 冷凍機または空調機の冷凍サイクルの一部を構成する熱交換器の内部を流れる冷媒の温度と前記熱交換器の空気の吸込側温度と吹出側温度とを測定する手段（以下、測定手段という）と、
   この測定手段の測定結果に基づいて冷媒と空気の熱交換の効率を表す温度効率を算出する手段（以下、演算手段という）と、
   この演算手段によって算出された前記温度効率の着霜運転開始からの変化傾向に基づいて前記熱交換器への着霜量を予測し、この着霜量に基づいて最適除霜開始時期を判定する手段（以下、判断手段という）と、
   を備えたことを特徴とする除霜運転制御装置。
2. 前記熱交換器に着霜がない、あるいは着霜量が少ない状態における前記温度効率の値を予め前記演算手段によって初期学習し、前記温度効率の初期学習値を記憶する手段（以下、記憶手段という）と、
   この記憶手段に記憶された温度効率の初期学習値と前記演算手段によって得られた温度効率の現在値とを比較する手段（以下、比較手段という）と、を備え、
   前記判断手段は、前記温度効率の変化傾向の代わりに前記比較手段による比較結果に基づき、除霜開始時期を判定することを特徴とする請求項１に記載の除霜運転制御装置。
3. 前記測定手段は、さらに前記冷凍機または空調機の熱交換器用ファンモータの電流もしくは回転数を測定し、
   前記演算手段は、無着霜状態における前記測定手段によって測定された前記ファンモータの電流と回転数と前記熱交換器の空気吸込側温度の少なくともいずれかと前記温度効率の演算値とに基づいて無着霜状態の複合変数を算出して前記記憶手段に記憶し、
   前記比較手段は、前記記憶手段に記憶された無着霜状態の複合変数と、前記測定手段によって新たに測定された前記ファンモータの電流測定値と回転数と前記熱交換器の空気吸込側温度の少なくともいずれかと前記温度効率とに基づいて前記演算手段により算出される現在の複合変数と、を比較し、
   前記判断手段は、前記温度効率の変化傾向の代わりに前記比較手段による比較結果が前記記憶手段に予め記憶された閾値を超えるか否かの情報に基づき、前記熱交換器が着霜しているか否かの判定と着霜量の予測を行うことを特徴とする請求項２に記載の除霜運転制御装置。
4. 前記温度効率演算手段は、機器設置初期における状態を無着霜状態として初期学習して前記記憶手段に記憶することを特徴とする請求項３に記載の除霜運転制御装置。
5. 圧縮機と凝縮器と膨張弁と空冷蒸発器とから構成される冷凍機もしくは空調機で用いられる除霜運転制御装置であって、
   前記圧縮機への冷媒吸入ガスの圧力と温度と、前記圧縮機から吐出される冷媒の圧力もしくは膨張弁手前の冷媒圧力と膨張弁手前冷媒温度と蒸発器出口冷媒温度を測定する手段（以下、測定手段という）と、
   この測定手段が測定した結果に基づいて前記空冷蒸発器の冷凍能力を算出する手段（以下、演算手段という）と、
   この演算手段によって算出された前記冷凍能力の着霜運転開始からの変化傾向より前記空冷蒸発器への着霜量を予測し、この着霜量情報に基づき除霜開始時期を判定する手段（以下、判断手段という）と、
   を備え、
   前記測定手段は、さらに前記冷凍機または空調機の熱交換器用ファンモータの電流もしくは回転数を測定し、
   前記演算手段は、無着霜状態における前記測定手段によって測定された前記ファンモータの電流と回転数と前記熱交換器の空気吸込側温度の少なくともいずれかと前記冷凍能力の演算値とに基づいて無着霜状態の複合変数を算出し、
   この無着霜状態の複合変数を記憶する手段（以下、記憶手段という）と、
   この記憶手段に記憶された無着霜状態の複合変数と、前記測定手段によって新たに測定された前記ファンモータの電流測定値と回転数と前記熱交換器の空気吸込側温度の少なくともいずれかと前記冷凍能力とに基づいて前記演算手段により算出される現在の複合変数と、を比較する手段（以下、比較手段という）とを備え、
   前記判断手段は、前記冷凍能力の変化傾向の代わりに前記比較手段による比較結果が前記記憶手段に予め記憶された閾値を超えるか否かの情報に基づき、前記熱交換器が着霜しているか否かの判定と着霜量の予測を行うことを特徴とする除霜運転制御装置。
6. 前記演算手段は、機器設置初期における状態を無着霜状態として初期学習して前記記憶手段に記憶することを特徴とする請求項５に記載の除霜運転制御装置。
7. 圧縮機と凝縮器と膨張弁と空冷蒸発器とから構成される冷凍機もしくは空調機で用いられる除霜運転制御装置であって、
   前記空冷蒸発器と熱交換する空気温度と蒸発熱交換器の蒸発温度と、圧縮機への冷媒吸入ガスの圧力と温度と、圧縮機吐出冷媒の圧力もしくは膨張弁手前の冷媒圧力と膨張弁手前冷媒温度と蒸発器出口冷媒温度を測定する手段（以下、測定手段という）と、
   前記測定手段が測定した結果に基づいて前記空冷蒸発器の冷凍能力を算出し、前記冷凍能力と前記空冷蒸発器の伝熱面積と熱通過率とに基づいてＡＫ値を算出する手段（以下、演算手段という）と、
   この演算手段によって算出された前記ＡＫ値の着霜運転開始からの変化傾向より前記空冷蒸発器への着霜量を予測し、この着霜量情報に基づき除霜開始時期を判定する手段（以下、判断手段という）と、
   を備え、
   前記測定手段は、さらに前記冷凍機または空調機の空気熱交換器用ファンモータの電流もしくは回転数を測定し、
   前記演算手段は、無着霜状態における前記測定手段によって測定された前記ファンモータの電流と回転数と前記熱交換器の空気吸込側温度の少なくともいずれかと前記ＡＫ値の演算値とに基づいて無着霜状態の複合変数を算出し、
   この無着霜状態の複合変数を記憶する手段（以下、記憶手段という）と、
   この記憶手段に記憶された無着霜状態の複合変数と、測定手段によって新たに測定された前記ファンモータの電流測定値と回転数と前記熱交換器の空気吸込側温度の少なくともいずれかと前記ＡＫ値とに基づいて前記演算手段により算出される現在の複合変数と、を比較する手段（以下、比較手段という）とを備え、
   前記判断手段は、前記ＡＫ値の変化傾向の代わりに前記比較手段による比較結果が前記記憶手段に予め記憶された閾値を超えるか否かの情報に基づき、前記熱交換器が着霜しているか否かの判定と着霜量の予測を行うことを特徴とする除霜運転制御装置。
8. 前記演算手段は、機器設置初期における状態を無着霜状態として初期学習して前記記憶手段に記憶することを特徴とする請求項７に記載の除霜運転制御装置。
9. 前記現在の複合変数および前記無着霜状態の複合変数は、マハラノビスの距離であることを特徴とする請求項３から８のいずれかに記載の除霜運転制御装置。
10. 前記現在の複合変数および前記無着霜状態の複合変数は、線型判別関数であることを特徴とする請求項３から８のいずれかに記載の除霜運転制御装置。
11. 前記判断手段によって判定された除霜開始時期に基づいて除霜運転を制御する手段を備えたことを特徴とする請求項１から１０のいずれかに記載の除霜運転制御装置。
12. 冷凍機または空調機の冷凍サイクルの一部を構成する熱交換器の内部を流れる冷媒の温度と前記熱交換器の空気の吸込側温度と吹出側温度とを測定するステップ（以下、測定ステップという）と、
    この測定ステップによる測定結果に基づいて冷媒と空気の熱交換の効率を表す温度効率を算出するステップ（以下、演算ステップという）と、
    この演算ステップによって算出された前記温度効率の着霜運転開始からの変化傾向に基づいて前記熱交換器への着霜量を予測し、この着霜量に基づいて最適除霜開始時期を判定するステップ（以下、判断ステップという）と、
    を備えたことを特徴とする除霜運転制御方法。
13. 前記測定ステップでは、さらに前記冷凍機もしくは空調機の熱交換器用ファンモータの電流もしくは回転数を測定し、
    前記演算ステップでは、無着霜状態における前記ファンモータの電流と回転数と前記熱交換器の空気吸込側温度の少なくともいずれかと前記温度効率の演算値とに基づいて無着霜状態の複合変数を算出して保存し、
    前記保存された無着霜状態複合変数と、前記測定ステップにより新たに測定された前記ファンモータの電流測定値と回転数と前記熱交換器の空気吸込側温度の少なくともいずれかと前記温度効率とに基づいて前記演算ステップにより算出される現在の複合変数と、を比較するステップ（以下、比較ステップという）を備え、
    前記判断ステップでは、前記温度効率の変化傾向の代わりに前記比較ステップにおける比較結果が予め保存された閾値を超えるか否かの情報に基づき、前記熱交換器が着霜しているか否かの判定と着霜量の予測を行うことを特徴とする請求項１２に記載の除霜運転制御方法。
14. 圧縮機と凝縮器と膨張弁と空冷蒸発器とから構成される冷凍機もしくは空調機で用いられる除霜運転制御方法であって、
    前記圧縮機への冷媒吸入ガスの圧力と温度と、前記圧縮機から吐出される冷媒の圧力もしくは膨張弁手前の冷媒圧力と膨張弁手前冷媒温度と蒸発器出口冷媒温度を測定するステップ（以下、測定ステップという）と、
    この測定ステップにより測定された結果に基づいて前記空冷蒸発器の冷凍能力を算出するステップ（以下、演算ステップという）と、
    この演算ステップによって算出された冷凍能力の着霜運転開始からの変化傾向より前記空冷蒸発器への着霜量を予測し、この着霜量情報に基づき除霜開始時期を判定するステップ（以下、判断ステップという）と、
    を備え、
    前記測定ステップでは、さらに前記冷凍機もしくは空調機の空気熱交換器用ファンモータの電流もしくは回転数を測定し、
    前記演算ステップでは、無着霜状態における前記ファンモータの電流と回転数と前記熱交換器の空気吸込側温度の少なくともいずれかの測定値と前記冷凍能力の演算値とに基づいて無着霜状態の複合変数を算出して保存し、
    前記保存された無着霜状態の複合変数と、前記測定ステップにより新たに測定された前記ファンモータの電流測定値と回転数と前記熱交換器の空気吸込側温度の少なくともいずれかと前記冷凍能力とに基づいて前記演算ステップにより算出される現在の複合変数と、を比較するステップ（以下、比較ステップという）をさらに備え、
    前記判断ステップでは、前記冷凍能力の変化傾向の代わりに前記比較ステップによる比較結果が予め保存された閾値を超えるか否かの情報に基づき、前記熱交換器が着霜しているか否かの判定と着霜量の予測を行うことを特徴とする除霜運転制御方法。
15. 圧縮機と凝縮器と膨張弁と空冷蒸発器とから構成される冷凍機もしくは空調機で用いられる除霜運転制御方法であって、
    前記空冷蒸発器と熱交換する空気温度と蒸発熱交換器の蒸発温度と、圧縮機への冷媒吸入ガスの圧力と温度と、圧縮機吐出冷媒の圧力もしくは膨張弁手前の冷媒圧力と膨張弁手前冷媒温度と蒸発器出口冷媒温度を測定するステップ（以下、測定ステップという）と、
    前記測定ステップにより測定された結果に基づいて前記空冷蒸発器の冷凍能力を算出し、前記冷凍能力と前記空冷蒸発器の伝熱面積と熱通過率とに基づいてＡＫ値を算出するステップ（以下、演算ステップという）と、
    この演算ステップによって算出された前記ＡＫ値の着霜運転開始からの変化傾向より前記空冷蒸発器への着霜量を予測し、この着霜量情報に基づき除霜開始時期を判定するステップ（以下、判断ステップという）と、
    を備え、
    前記測定ステップでは、さらに前記冷凍機もしくは空調機の空気熱交換器用ファンモータの電流もしくは回転数を測定し、
    前記演算ステップでは、無着霜状態における前記ファンモータの電流と回転数と前記熱交換器の空気吸込側温度の少なくともいずれかと前記ＡＫ値の演算値とに基づいて無着霜状態の複合変数を算出して保存し、
    前記保存された無着霜状態の複合変数と、前記測定ステップにより新たに測定された前記ファンモータの電流測定値と回転数と前記熱交換器の空気吸込側温度の少なくともいずれかと前記ＡＫ値とに基づいて前記演算ステップにより算出される現在の複合変数と、を比較するステップ（以下、比較ステップという）をさらに備え、
    前記判断ステップでは、前記ＡＫ値の変化傾向の代わりに前記比較ステップによる比較結果が予め保存された閾値を超えるか否かの情報に基づき、前記熱交換器が着霜しているか否かの判定と着霜量の予測を行うことを特徴とする除霜運転制御方法。
    

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