JP2012047364A - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】通常運転中に精度よく冷媒量を判定することにある。
【解決手段】圧縮機２２１，室外熱交換器２３１，過冷却熱交換器３０１を配管接続した空気調和機において、室外熱交換器と過冷却熱交換器との間の配管から圧縮機の吸入側の配管に接続されたバイパス配管２９２に設けられた室外バイパス膨張弁２９１と、過冷却熱交換器の出口における過冷却熱交換器出口過冷却度を測定する過冷却熱交換器出口温度検知器５４１と、室外バイパス膨張弁の操作量，室外バイパス膨張弁の操作量に基づいて得られる過冷却熱交換器出口過冷却度，室外バイパス膨張弁の操作量に基づいて得られる理論上の過冷却熱交換器出口過冷却度から通常運転中に過冷却熱交換器出口過冷却度の推定値を同定する制御演算装置６２とを備え、制御演算装置は、過冷却熱交換器出口過冷却度の推定値を用いて冷媒量判定する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、冷媒量判定機能を有する冷凍サイクル装置に関する。

冷媒量判定機能は、主にハードウェアを用いて判定するもの、特別なセンサを用いずに運転状態のデータのみを用いてソフトウェアにより判定するものに大別される。ハードウェアを用いて判定する方法は、精度は高いものの、タンクや測定装置などのコストが掛かるため、近年ではソフトウェアによる方法が多く使用されている。

ソフトウェアによる冷媒量判定装置としては、特許文献１に示すものがある。特許文献１では、熱源側熱交換器出口の過冷却度又は過冷却度の変動に応じて変動する運転状態量を検出し、目標過冷却度値と比較することで冷媒量の適否を判定している。

特開２００６−２３０７２号公報

しかし、上記特許文献１のものは、ある時点で測定された過冷却度と、運転に必要な冷媒量に対応する過冷却度とを比較するものなので、通常運転モードから冷媒量判定モードなどの特別な運転状態に切替えて、過冷却度の測定時に冷凍サイクルが安定な状態でなければならない。そのため、冷凍サイクルが不安定になりやすい通常運転時には、冷媒量判定が困難だという課題がある。

本発明の目的は、通常運転中に精度よく冷媒量を判定することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、圧縮機，室外熱交換器，過冷却熱交換器を配管接続した冷凍サイクル装置において、前記室外熱交換器と過冷却熱交換器との間の配管から前記圧縮機の吸入側の配管に接続されたバイパス配管に設けられた室外バイパス膨張弁と、前記過冷却熱交換器の出口における過冷却熱交換器出口過冷却度を測定する過冷却熱交換器出口温度検知器と、前記室外バイパス膨張弁の操作量、前記室外バイパス膨張弁の操作量に基づいて得られる前記過冷却熱交換器出口過冷却度、前記室外バイパス膨張弁の操作量に基づいて得られる理論上の前記過冷却熱交換器出口過冷却度から通常運転中に前記過冷却熱交換器出口過冷却度の推定値を同定する制御演算装置とを備え、前記制御演算装置は、前記過冷却熱交換器出口過冷却度の推定値を用いて冷媒量判定することを特徴とする。
また、本発明は、圧縮機，室外熱交換器，室外膨張弁を配管接続した冷凍サイクル装置において、前記室外熱交換器の出口における室外熱交換器出口過冷却度を測定する室外熱交換器出口温度検知器と、前記室外膨張弁の操作量，前記室外膨張弁の操作量に基づいて得られる前記室外熱交換器出口過冷却度、前記室外膨張弁の操作量に基づいて得られる前記室外熱交換器出口過冷却度、前記室外膨張弁の操作量に基づいて得られる理論上の前記室外熱交換器出口過冷却度から通常運転中に前記室外熱交換器出口過冷却度の推定値を同定する制御演算装置とを備え、前記制御演算装置は、前記室外熱交換器出口過冷却度の推定値を用いて冷媒量判定することを特徴とする。

本発明によれば、通常運転中に精度よく冷媒量を判定することができる。

本発明の実施例１における冷媒量判定のフローチャートである。 本発明の実施例１における冷凍サイクル系統図である。 冷媒が漏洩した時に、室外バイパス膨張弁開度に対する過冷却熱交換器出口過冷却度の動特性係数が、時間ステップに対して変化する様子を表すグラフである。 室外バイパス膨張弁を流れる冷媒流量の全冷媒流量に対する比率を一定にした際に、封入冷媒量に対する過冷却熱交換器出口過冷却度の変化を表すグラフである。 室外バイパス膨張弁を流れる冷媒流量の全冷媒流量に対する比率に対し、過冷却熱交換器出口過冷却度を封入冷媒量毎に表したグラフである。 本発明の実施例１における冷媒量判定のフローチャートである。 横軸に検定信号、縦軸に確率密度関数をとり、正常判定領域と異常判定領域、また第一種過誤確率と第二種過誤確率の大きさを表すグラフである。 本発明の実施例１における検定を用いた冷媒量判定のフローチャートである。 本発明の実施例２における冷媒量判定のフローチャートである。 本発明の実施例３及び４における冷凍サイクル系統図である。

以下、本発明の実施の形態を説明する。

図１は、本実施例における冷媒量判定のフローチャートである。図２は、空気調和機と冷媒量判定装置の構成を示すブロック線図であり、１台或いは複数台の室外機と、１台或いは複数台の室内機を有し、室外機と室内機を配管接続して閉回路をなし、その閉回路の中に冷媒を封入している。

室外機２１１，２１Ｎは、１台或いは複数台の、運転回転数（以下周波数という）可変或いは固定の圧縮機２２１，２２Ｎと室外熱交換器２３１，２３Ｎとその室外熱交換器２３１，２３Ｎの冷媒流量を調整する室外膨張弁２８１，２８Ｎを配管すると共に、室外熱交換器２３１，２３Ｎに送風する室外ファン２４１，２４Ｎを備えている。

室内機４１１，４１Ｍは、室内空気と熱交換を行う室内熱交換器４２１，４２Ｍとその室内熱交換器の冷媒流量を調整する室内膨張弁４４１，４４Ｍを順次配管すると共に、室内熱交換器４２１，４２Ｍに送風する室内ファン４３１，４３Ｍが設けられている。

室外機２１１，２１Ｎは、アキュムレータ２５１，２５Ｎ、四方弁２６１，２６Ｎ、を有し、液受容器２７１，２７Ｎは無くても使用可能である。また室外機２１１，２１Ｎ及び室内機４１１，４１Ｍの各ガス側及び液側を、各ガス側管路３２１，３２Ｎ，３６，４０１，４０Ｍ、液側管路３１１，３１Ｎ，３５，３９１，３９Ｍ及び分岐管３３，３４，３７，３８で接続して閉回路となし、その閉回路の中に冷媒が封入してある。また室内機４１１，４１Ｍは空気調和の対象となる利用部６１１，６１Ｍにそれぞれ配置してある。

さらに、室外機には、室外温度を検知する室外温度検知器５５１，５５Ｎ、圧縮機冷媒吐出温度検知器５３１，５３Ｎ、圧縮機冷媒吸入圧力を検知する圧縮機吸入圧力検知器５６１，５６Ｎ、圧縮機冷媒吐出圧力を検知する圧縮機吐出圧力検知器５７１，５７Ｎ、圧縮機の周波数を操作するインバータ圧縮機周波数操作器４５１，４５Ｎ、室外ファンの送風能力を操作する室外ファン送風能力操作器４６１，４６Ｎ、室外膨張弁開度を操作する室外膨張弁開度操作器４７１，４７Ｎ、室外バイパス膨張弁開度を操作する室外バイパス膨張弁開度操作器４８１，４８Ｎがそれぞれ設けられている。

さらに、室内側となる利用部には、利用部室内温度を検知する室内機吸込温度検知器５８１，５８Ｍ、その利用部への吹出空気温度を検知する室内機吹出温度検知器５９１，５９Ｍ、室内ファンの送風能力を操作する室内ファン送風能力操作器５０１，５０Ｍ、室内膨張弁開度を操作する室内膨張弁開度操作器５１１，５１Ｍ、予め与えられた設定値を記憶或いは使用者が好みの熱環境を設定するための利用部温度設定器６０１，６０Ｍを有している。

さらに、通常の制御及びその他の演算、冷媒量判定を行う制御演算装置６２，情報保管装置６３，使用元表示装置６４，情報入力装置６５，サービスマン或いは運転監視者、設計者への製品供給元表示装置６６，通信手段６７が接続されている。

以上の冷媒量判定装置は、空気調和機に付属させても良いし、取り外し可能としても良い。次に、本実施例による空気調和機の動作について説明する。

＜試運転時の冷媒封入＞
初めに、空気調和機には、設置，試運転時に適正冷媒量が封入されているとする。初期の試運転時は、施工者或いはサービスマンがそのために時間をとって実施しているため、従来の冷媒量判定方法を用いても良い。ここで適正冷媒量とは、空気調和機が運転して、冷凍サイクルを形成するに当たり、例えば冷房運転の場合は、室外熱交換器出口過冷却度、過冷却熱交換器出口過冷却度などの冷媒漏洩の判定に用いられる量が予め設定された範囲内に納まる量である。実際の作業では、施工配管長さを基準に予め封入しておく。実施工では、施工配管長が正確に掴めていない場合がある事、及び室内機の種類によって室内熱交換器の容積が異なるため、試運転時に冷媒を追加封入する。

＜通常制御＞
次に、空気調和機の一般的な通常制御について説明する。冷房運転では、特に室外機が複数接続される場合、冷媒乾き度を各室外機で均等にするため、室外機側ガス側分岐部３４において、乾き度が１.０、或いは過熱度が０以上ある事が望ましい。もし冷媒乾き度が１.０未満の場合、各室外機に分配される冷媒乾き度が異なってしまう場合があるので、一方の室外機は圧縮機吐出温度が非常に高く、他方の室外機は圧縮機吐出温度が非常に低くなる様な、冷凍サイクルとして望ましく無い状態が発生するためである。そのため、蒸発器である室内熱交換器４２１，４２Ｎの出口にて過熱度が確保される様、室内膨張弁４４１，４４Ｍの開度を制御する様に設計されている場合が多い。

室内熱交換器出口過熱度が確保されていると、今度は圧縮機吸入部では、更に大きな冷媒過熱度となるため、圧縮機吐出温度が高めになる。圧縮機の種類によって異なるが、圧縮機吐出温度が高くなり過ぎると、圧縮機内のモータコイルが劣化し、絶縁不良に陥ったり、内部冷凍機油の劣化が発生したりするため、許容以内の温度にする必要がある。そのため、例えば図２に示すように、室外膨張弁と過冷却熱交換器との間の配管から圧縮機吸入側の配管にバイパス配管２９２，２９２Ｎを接続し、バイパス配管を流れる冷媒量を調節する室外バイパス膨張弁をバイパス配管に設け、圧縮機吸入部へ乾き度の低い冷媒を注入し、圧縮機吸入乾き度と圧縮機吐出温度を抑えている。本実施例ではアキュムレータと四方弁との間の配管にバイパス配管の一端を接続している。これら圧縮機吐出温度や過熱度などの状態量は、一般的にＰＩＤ制御や、モデル予測制御などによって設定値に制御されている。

また室内機側へ安定した液冷媒を供給するため、過冷却熱交換器３０１，３０Ｎを搭載している機種もある。室内機へ流れる冷媒は室外バイパス膨張弁を通った低温冷媒と過冷却熱交換器で熱交換し、過冷却がついた状態で室内機へ供給される。過冷却度は、過冷却熱交換器出口温度検知器５４１，５４Ｎにより検知される。

暖房運転では、各室外機に戻って来る冷媒が液単相である場合が多いため、室外機側液側分岐部３３での分配は比較的容易であり、冷房時程の配慮は不要な場合が多い。冷媒が二相で戻ってきた場合も、室外膨張弁２８１，２８Ｎを個別に制御する事で各室外機の圧縮機吐出温度を制御できる。或いは冷房時と同じ様に、蒸発器である室外熱交換器２３１，２３Ｎの出口過熱度を設定値にし、室外バイパス膨張弁にて圧縮機吐出温度を制御する場合もある。

また冷凍サイクルとしての安定性、能力維持のために、冷房運転時、高圧圧力Ｐｄは、室外ファン操作量により設定値に制御され、低圧圧力Ｐｓ或いは蒸発器温度Ｔｅは、圧縮機周波数により設定値に制御されている場合が多い。暖房運転時では高圧圧力Ｐｄは圧縮機周波数により、低圧圧力Ｐｓ或いは蒸発器温度は室外ファン操作量により制御されている場合が多い。

＜冷媒量判定＞
今回は、冷凍サイクルの安定な状態に限らず、ある時点での冷媒の状態量と、その状態量にある操作量を作用させた後の状態量とを通常運転中に測定する。この操作量に応じた変化が状態量に反映されるかどうかで冷媒量を判定する。これにより、従来技術と比較して冷凍サイクルがそれほど安定していない状態でも判定することができる。

運転開始部１から運転開始の指示が出され、空気調和機起動部２から起動指示が出され、通常制御部３の指示に従って冷暖房等の通常運転がなされる。制御演算装置６２にはオンラインシステム同定処理部５による演算の実行を含んでもよい。同定処理において、同定された値が判定に利用できる程度の正常範囲内にあるかどうかを係数パラメータ判定部６で判定し、範囲外であればデータ初期化部７によりデータは初期化され、正常範囲内であれば冷媒量を判定する。例えば、冷媒漏洩している条件を満たすと判定された場合は、その旨が冷媒量減少認識部２２で認識され、表示指令部１７により使用元表示装置６４（表示手段１）に表示される。また通信処理部１８により、サービスマン等のもとに冷媒漏洩の情報を送信し、表示指令部１９により製品供給元表示装置６６（表示手段２）に表示する。これら情報送信や表示が終わったら、アラーム等を発令していた場合はアラーム停止処理部２０によりアラーム停止するようにしてもよい。

圧縮機吐出温度を室外バイパス膨張弁２９１，２９Ｎによって制御し、過冷却熱交換器３０１，３０Ｎを搭載している場合を例として説明する。

過冷却熱交換器出口過冷却度をＳ_Cとし、室外バイパス膨張弁開度操作器４８１により指令する操作量（室外バイパス膨張弁操作量）をｅ_Bと表す。これらは室内を空気調和させる冷房や暖房運転等の通常運転中に時々刻々変動しており、動特性の表現方法の一つとしてＡＲＸモデルで表すと、下記の通りとなる。

ここで、ａ₁〜ａ_n，ｂ₁〜ｂ_m、ｎ，ｍは定数である。これは、ｋ時刻ステップでのＳ_C（ｋ）の値は、それよりｎステップ前のＳ_C（ｋ−ｎ）から直前のＳ_C（ｋ−１）までの値と、ｍステップ前の操作量ｅ_B（ｋ−ｍ）から直前のｅ_B（ｋ−１）までの影響を受ける、というモデルである。制御演算装置６２は、この係数ａ₁〜ａ_n，ｂ₁〜ｂ_mを運転中に同定し、常時その値を監視する。この同定の方法は、ある程度データを溜めて一度に実施する方法や、オンラインで時々刻々実施する方法があるが、記憶容量が少なくて済むため、オンラインシステム同定の方法を記述する。上記同定により求められた係数の推定値を

とし、以下、それぞれを推定値ａ，推定値ｂと呼ぶ事とする。また、推定ベクトル，観測ベクトルを下記の通り定義する。

ここで（・）′は転置を表し、推定ベクトルの初期値は既知、或いは０とする。この推定ベクトルは、下記数式に示す値

を最小にする様に設計すれば、下記数式に示す逐次計算の形で求められる。

ここで上記数式（４）を最小にする意味合いは、得られたデータが最も上記数式（１）に合致する様にパラメータを見出す事である。操作量ｅ_B（ｋ−１）〜ｅ_B（ｋ−ｍ）と、変化前の状態量Ｓ_C（ｋ−１）〜Ｓ_C（ｋ−ｎ）、これらに基づく変化後の状態量Ｓ_C（ｋ）を入手する事によって、空気調和機の冷暖房運転中に、未知パラメータａ₁〜ａ_n，ｂ₁〜ｂ_mの推定値ａ及びｂを同定する事ができる。以上の説明においては、一入力一出力系、むだ時間無し、オンラインシステム同定は逐次最小二乗法という簡単な例としたが、多入力多出力系やむだ時間有り、他同定法、室外機が複数台接続される場合でも、同じ様に適用できる。例えば実際には圧縮機吐出過熱度が室外バイパス膨張弁だけではなく、圧縮機周波数の影響も大きく受ける場合は、ＡＲＸモデルを

とすればよい。但しＦ_Cは圧縮機周波数の値である。モデルに関係無く、検知器に混入する観測雑音が大きい場合など、オンラインシステム同定が成功せず、有り得ない値となる場合がある。その場合は一度データを消去して、再度同定をやり直す。

上記数式（１）の意味合いは、時間をパラメータとした動特性を表し、現在の状態量（過冷却熱交換器出口過冷却度）が過去の状態量と過去の操作量に依存する、という事である。また、時間が十分経って冷凍サイクルが安定平衡になった際の、操作量に対する状態量の感度を表すものでもある。そのため、ある操作量に基づいて得られた実際の状態量と、得られるはずの状態量（理論状態量）とが異なる場合は、同じ操作を行っているにも拘らず、状態量がどれだけ変化するかが異なっていることになる。なお、この係数ａ₁〜ａ_n，ｂ₁〜ｂ_mは、観測値として真値は検知できないので、推定値ａ及びｂで判断する。

ここで簡単な例を示す。このシステムにおいて（１）の式を最も簡略化して、係数ａ，ｂはａ₁，ｂ₁だけとする。また一定の操作量を加えた時を考え、状態量が無限大に発散したり、ハンチングしたりしない事とする。ｅ_B（ｋ−１）＝ｅ_B＝一定値、時間が十分（理論的には無限時間）経ったとすると、無限時間ではＳ_C（ｋ）＝Ｓ_C（ｋ−１）＝Ｓ_Cであるため、

となり、操作量ｅ_Bに対する状態量Ｓ_Cの感度Ｓ_C／ｅ_Bは、この様に係数ａ₁，ｂ₁によって表されると言える。この考え方は、モデルが複雑で未知パラメータの数がａ₁〜ａ_n，ｂ₁〜ｂ_mと多い場合でも同じである。その場合は、数式（８）に準ずる様な、多数の数値を一つの数値に変換する関数（ベクトルをスカラーに変換する関数）を用いても良い。

具体的には、冷媒量が変化すると同定により求められた係数の推定値ｂの値が変化していく。実際の状態量と得られるはずの状態量との変化量（差分）がどのように変動するかは、操作量に基づく状態量と相関性を有する推定値ｂの変化を観測することで求められる。つまり、状態量の感度とも言う事ができるので、推定値ｂを観測する事で、冷媒量の変化を推定できる。

例えば封入冷媒が漏洩して冷媒量が少なくなってくると、室外バイパス膨張弁を開いているにも拘らず、十分な冷媒量を過冷却熱交換器に流せず、Ｓ_Cが十分にとれなくなる（値が小さくなる）。その場合、推定値ａ及び推定値ｂの値自体が変化していき、冷媒が漏洩すると推定値ｂは小さくなっていく。極端な場合、推定値ｂが０の場合は、室外バイパス膨張弁を如何に操作しても、過冷却熱交換器出口過冷却度Ｓ_Cには、全く影響を与える事ができない状態となる。図３に、冷媒漏洩して相関値が徐々に低下し、所定の値以下になった推定値ｂの例を示す。この所定の値は真値６９からある程度の尤度として正常範囲７０を持たせて定めたものである。推定値ｂが所定の値以下となると冷媒漏洩と判定する。もちろん尤度は０であってもよい。図４に、室外バイパス膨張弁を通過する冷媒流量と全冷媒流量の流量比（室外バイパス膨張弁流量比）を０.２０と一定に固定した場合の、封入冷媒量に対するＳ_Cの変化を示す。但し、図４は静特性を表しており、時間的に十分時間を掛けて安定した際の特性である。図４に示すように、封入冷媒量が少ないと過冷却熱交換器で熱交換する冷媒が減るのでＳ_Cの値が小さくなる。これより、冷媒が漏洩すると同じ開度でもＳ_Cの値が小さくなるため、同定された推定値ｂも小さくなり、この推定値ｂの変化を観測することで冷媒漏洩を判定できる。従って、配管長や室内外温度の様な条件毎に、適正冷媒量における推定値ｂに対して、どの程度まで低下しても正常運転ができるか所定の値を予め設定できれば、つまり正常な場合の感度の値が既知ならば、その値に応じた値を閾値として、閾値以下となった場合、冷媒漏洩と判定することができる。

近年、特にＨＦＣ等の冷媒は、温暖化係数が高いなどの理由から、欧州のＦガス規制など、冷媒漏洩に対して規制が設けられるなど、厳しい姿勢がとられつつある。またＣＯ₂やその他低ＧＷＰ冷媒などの温暖化係数が高くない冷媒でも、冷媒が漏洩する事により、冷房・暖房不良になる場合があるので、冷媒が漏洩しているか否かを判定する冷媒量判定は重要な機能と言える。

近年の大型の空気調和機では、一つの冷凍サイクル内に１００kg以上の冷媒を封入している施工例もあり、１０％の冷媒漏洩で、１０kgもの冷媒が大気放出される。しかし冷媒量に対する設計尤度は１０％以上ある製品が多いので、１０kg漏れた時点でも、空気調和機は、冷房，暖房能力が低下しつつも運転し続ける。また、室外機同士、室外機と室内機を結ぶ配管のロー付け部や、フレアナット締結部より冷媒が漏洩すると、徐々に冷凍サイクル内の冷媒量が少なくなっていく。微少な冷媒漏洩は試運転時には検出されにくく、長時間運転された場合の経年変化として冷媒が漏洩していないかを判定するので、定期点検時に初めて冷媒が漏洩していたことがわかる場合がある。

本実施例によれば、室外バイパス膨張弁操作量ｅ_B（ｋ−１）〜ｅ_B（ｋ−ｍ）と、変化前の状態量（過冷却熱交換器出口過冷却度）Ｓ_C（ｋ−１）〜Ｓ_C（ｋ−ｎ）、これらに基づく変化後の状態量Ｓ_C（ｋ）を入手する事によって、空気調和機の冷暖房運転中に未知パラメータａ₁〜ａ_n，ｂ₁〜ｂ_mを同定し、推定値ａ及び推定値ｂを求めて、操作量に対する状態量（過冷却熱交換器出口過冷却度）の感度である推定値ｂの変化分を判定に利用することになる。このため従来技術と比べて判定時の冷凍サイクルの安定状態は不要であり、通常運転中にも精度よく判定できる。また、頻繁に判定することで、冷媒が漏洩している場合でも大量の漏洩を防止できる。更に、冷媒漏洩をいち早く検知できるので冷房，暖房能力が低下していくことがない。従って、使用者の不快感が増大することもなく、能力低下を補うために消費電力が多くなることもない。

上述したのは冷媒漏洩の判定だけであったが、空調設置当初等は冷媒を過剰に追加してしまうことで冷媒過多となる場合があり、推定値ｂがどれだけ時間経過により変化したかを表すΔＢを以下のように判定することで、そのような冷媒増加も判定することができる。ΔＢが負であれば冷媒量は増加し、ΔＢが０に近い値ならば冷媒量も変化せず、ΔＢが正であれば冷媒量は減少したと判定する。更に、判断を明確にするため閾値δ₁，δ₂を設け、所定値以上に大きく変化した場合に、冷媒量増加又は減少としたと判定するのがよい。
［冷媒量増加］ ：推定値ｂの変化量ΔＢが負（ΔＢ≦−δ₁）
［冷媒量変化無し］：推定値ｂの変化量ΔＢが０（−δ₁＜ΔＢ≦δ₂）
［冷媒量減少］ ：推定値ｂの変化量ΔＢが正（ΔＢ＞δ₂） （δ₁，δ₂は正）
本実施例では空気調和機で説明したが、利用側の環境は空気等の気体や水等の液体と熱交換するものであればよく、冷凍機等の冷凍サイクルを構成するものに利用できる。以下の実施例についても同様である。

図５は、室外バイパス膨張弁流量比に対して、ある施工の冷凍サイクルにて、Ｓ_Cがどのようになるかを示した図である。この図も冷凍サイクルが安定した状態の静特性を表し、例えば流量比０.１５以上の範囲では、冷媒過多の場合は室外バイパス膨張弁流量比に対して負の勾配、適正量では穏やかな正の勾配、過少では０で、Ｓ_Cそのものの値も０となる。

封入冷媒量が過多の時、流量比が小さいと冷凍サイクル内の冷媒は主に室外熱交換器内に貯留され、室外熱交換器出口過冷却度，過冷却熱交換器入口過冷却度が大きくなり、過冷却熱交換器出口過冷却度も大きくなる。そのため、ある程度の室外バイパス膨張弁流量比までは勾配が正になる。しかし流量比が大きくなると、冷媒はアキュムレータ側に移動、貯留され易くなるので室外熱交換器内には貯留されにくくなり、室外熱交換器出口過冷却度，過冷却熱交換器入口過冷却度は小さくなり、過冷却熱交換器出口過冷却度も小さくなる。そのため、室外バイパス膨張弁流量比に対して勾配が負になる。過冷却熱交換器３０１での熱の授受が少なくなるためではない。

図６に動特性を利用して冷媒量判定するフローチャートを示す。この「室外バイパス膨張弁をある領域（ここでは流量比０.１５以上）で動作させた場合、冷媒過多時は室外バイパス膨張弁流量比に対して負の勾配、冷媒量適正時は正、冷媒過少時は係数が０」という特性を利用する。つまり推定値ｂの値そのもので判断する。この際、以下のように判定すれば、適切な冷媒量判定を行うこともできる。なお、閾値Ｂ₁，Ｂ₂は、実際の顧客先の配管長や高低差，室外機，室内機のバリエーション，空気温度条件等により求められる。この冷媒量判定は、以下の実施例にも用いることができる。
［冷媒量過多］：推定値ｂ＜−Ｂ₁＜０
［冷媒量適正］：推定値ｂ＞Ｂ₂≧０
［冷媒量過少］：推定値ｂが０かつＳ_C自体が０ （Ｂ₁は正、Ｂ₂は０又は正）

＜検定処理＞
上記でも冷媒量判定が行えるが、統計的に処理する検定処理と組合わせる事で、より確実に判定することができる。検定とは、「（１）ある基準を定めて、（２）検査し、（３）合否，等級などを決定する時に統計的な処理をする」事である。例として（１）過冷却熱交換器出口過冷却度の動特性係数ａ₁〜ａ_n，ｂ₁〜ｂ_mが、（２）システム同定結果に対して、（３）それが正常か異常かを判定する検定法を説明する。

図７は、横軸に検定信号、縦軸に確率密度関数をとり、正常判定領域７１と異常判定領域７２、また第一種の過誤と第二種の過誤の大きさを表すグラフである。図８は、本実施例における検定を用いた冷媒量判定のフローチャートである。本実施例では、図８の検定処理部８６で行われる検定処理について詳細説明する。この検定処理は制御演算装置６２によって行われる。

係数がそれぞれｎ個，ｍ個あるので、一つ一つに対して検定を行うとなると結果が異なった時の処理が難しくなる。そこで下に示す重み付きノルムによって、一つの値にて評価する事とする。

過冷却熱交換器出口過冷却度の動特性係数ａ₁〜ａ_n，ｂ₁〜ｂ_mの推定値ａ及び推定値ｂを求めた時、元々これらは（４）式を最小にする時、白色観測雑音を最小にするという意味で既に統計的な処理を実施している。しかし複雑な冷凍サイクルの過冷却熱交換器出口過冷却度の動特性を（１）式に近似している低次元化による誤差、検知器誤差や電気ノイズなどの観測雑音があり、また無限サンプルを観測した訳ではないので、確率的な値と考えられる。よって、求められた係数をそのまま１００％信頼できるものとして扱う事を避け次の仮説を定める。

仮説Ｈ₀：過冷却熱交換器出口過冷却度の動特性係数が示す状態は
正常（適正冷媒量）である。

仮説Ｈ₁：過冷却熱交換器出口過冷却度の動特性係数が示す状態は
異常（冷媒量過多・不足）である。

図７において、係数Ａが境界線Ａ_Bを境に、領域Ｒ₀に入った際には、仮説Ｈ₀を受容し、領域Ｒ₁に入った際に、仮説Ｈ₁を受容する。

７３は「過冷却熱交換器出口過冷却度動特性係数の値がＡ₀であると検知された場合、空気調和機は正常である。」という正常条件付き確率密度関数７３であり、ｐ（Ａ｜Ａ₀）で表す。また７４は「過冷却熱交換器出口過冷却度動特性係数の値がＡ₁であると検知された場合、空気調和機は異常である。」という異常条件付き確率密度関数７４であり、ｐ（Ａ｜Ａ₁）で表す事とする。

ここでＡ₀，Ａ₁は確定された、既知の値とする。実際には、空気調和機を開発する際、予めデータを取っておき、値を得ておく。

上記の定義に従えば、面積Ｅ₀は、空気調和機は正常（適正冷媒量）であるにも拘らず、仮説Ｈ₁を受容し、異常であるという結果を下す確率であり、第一種過誤確率７６である。また面積Ｅ₁は、空気調和機が異常（冷媒量過多・不足）であるにも拘らず、仮説Ｈ₀を受容し、正常であると決定を下す確率であり、第二種過誤確率７５である。さらに、これら二つの確率密度関数は既知とし、一般的には正規分布と考えて差し障り無い。よって検定する事は、図６における境界線Ａ_Bを求める事に帰着される。

上記の二種類の過誤判定をした時に、それぞれの損害高を決めておく。Ｅ₀を犯したときの損害をＣ₀，Ｅ₁を犯した時の損害をＣ₁とする。またもし冷媒漏洩が発生する確率Ｐが先験的に分かっていれば、それも利用し、損害高の総和である全平均危険高を下記数式の様に定義してもよい。Ｐは先験的な確率と言え、先の確率密度関数と共に、予め値を得ておく。

上記数式を最小にする様に境界値Ａ_Bを定める。それは、ｄＣ（Ａ_B）／ｄＡ_B＝０を求めれば良く、具体的にこれを満足する式は

で与えられる。上記数式（１０）の左辺の比は尤度比であり、右辺の値は閾値である。尤度比が閾値を超えた時、仮説Ｈ₁を受容して、空気調和機は異常、つまり冷媒量過多・不足と決定し、閾値以下ならば、正常と決定する。

先に、確率密度関数は一般的に正規分布と考えて差し障り無いと仮定したので、確率密度関数を

とする。この場合、（９）式を最小にするＡ_B、つまり（１０）式を満たすＡ_Bは

となる。冷媒漏洩の確率や、損害の大きさＣ₀，Ｃ₁を求める場合が難しい場合は、特別な場合として、Ｐ＝１／２，Ｃ₀＝Ｃ₁とすると、Ａ_B＝（Ａ₀＋Ａ₁）／２となる。すると、ちょうど算術平均となる値にＡ_Bをおけばよい事になる。

以上述べた様に、空気調和機の通常の運転状態の検知信号から、空気調和機の動特性係数を推定し、検定処理する事によって、より確度の高い冷媒量判定を実施する事ができる。この検定処理は、以下の実施例にも用いることができる。

＜冷媒量判定の事後処理＞
この冷媒量判定を実施した後、機器の使用者名，設置地域や場所，冷媒状態などの内容を、通信手段６７を介して使用元表示装置６４や製品供給元表示装置６６に表示する。表示装置は空気調和機自体に設置したり、使用元ないしはサービスセンタ，製造工場に設置して各所に情報を送信する事が望ましい。冷媒漏洩により冷房能力低下や空調機のダメージが予想される場合は、サービスマンが早急に現場に駆け付け、冷媒漏洩場所の特定と冷媒再充填などの最善の処置をとる事ができる。この事後処理は、以下の実施例にも用いることができる。

図９は、本実施例における冷媒量判定のフローチャートである。動特性の測定を冷媒量の判定に用いる場合、過去の状態量に操作を加えても、予想される状態量と現実の状態量とに差があり、見掛け上、例えば推定値ｂが小さく求められ、冷媒漏洩していると判定される場合がある。しかし、室外バイパス膨張弁２９１，２９Ｎが固渋等で動かなくなった場合は、室外バイパス膨張弁の開度を大きくするよう制御しても流路を流れる冷媒量が増えないので、操作量に応じた状態量Ｓ_Cが得られず冷媒漏洩していると誤判定される場合がある。つまり、冷媒漏洩か、室外バイパス膨張弁の故障かが判定できない。

そこで、圧縮機吐出温度検知器５３１，５３Ｎと圧縮機吐出圧力検知器５７１，５７Ｎにより演算される圧縮機吐出過熱度をＴ_dSHとし、これを室外バイパス膨張弁が影響を与える状態量として、（１）と同様に表すと下記の通りとなる。

ここで、ｄ₁〜ｄ_p，ｆ₁〜ｆ_q、ｐ，ｑは定数である。制御演算装置６２は、この係数ｄ₁〜ｄ_p，ｆ₁〜ｆ_qを運転中に同定し、常時その値を監視する。冷媒量判定の際、まず（１３）式の圧縮機吐出過熱度Ｔ_dSHに注目する。ｄ₁〜ｄ_p，ｆ₁〜ｆ_qに対して同定した係数の推定値を

とし、以下、それぞれを推定値ｄ，推定値ｆと呼ぶ事とする。

推定値ｆは室外バイパス膨張弁操作量に基づく状態量（圧縮機吐出過熱度）と相関性を有する相関値であり、状態量の感度とも言う事ができる。冷媒漏洩すると、この推定値ｆの低下がＴ_dSHの値に反映されるが、完全に感度が無くなる事はない点がＳ_Cの場合と異なる。そこで室外バイパス膨張弁が固渋しているかどうかを確認するために、制御演算装置６２は圧縮機の吸入部及び吐出部の温度が変動しないように室内膨張弁４４１，４４Ｎの開度を固定した上で、新たにｄ₁〜ｄ_p，ｆ₁〜ｆ_qに対するシステム同定を行って、推定値ｄ及び推定値ｆを求め、推定値ｆが０であれば膨張弁故障、推定値ｆが０以外となる場合は膨張弁自体の故障は無いと判定する。

室外バイパス膨張弁が故障していないと確認した上で、次は再度Ｓ_Cに注目する。以降の冷媒量判定は実施例１と同様なので割愛する。図９には冷媒漏洩の場合のみ図示してある。

本実施例によれば、まず圧縮機吐出過熱度Ｔ_dSHについての係数ｄ₁〜ｄ_p，ｆ₁〜ｆ_qを同定し、操作量ｅ_B（ｋ−１）〜ｅ_B（ｋ−ｑ）に対する状態量の感度である推定値ｆを用いて膨張弁が故障しているかどうかを判定してから、過冷却熱交換器出口過冷却度Ｓ_Cについての推定値ｂを用いて冷媒量を判定する。これにより、不具合の原因が故障なのか冷媒漏洩なのかをまず特定することができると共に、判定時の冷凍サイクルの安定状態は不要であり、通常運転中にも判定できる。

事後処理として、冷媒漏洩の情報だけでなく室外バイパス膨張弁が故障した情報についても、通信手段６７を介して表示装置６４，６６に表示するようにしてもよい。また、サービスセンタ等に情報を送信するようにしてもよい。これにより、使用者やサービスマンが故障をいち早く知り、早急に処置することができる。故障についての事後処理は、以下の実施例にも用いることができる。

図１０は、本実施例における冷凍サイクル系統図である。実施例１では、過冷却熱交換器出口過冷却度Ｓ_Cと室外バイパス膨張弁開度との関係を元に説明を行ったが、室外バイパス膨張弁２９１，２９Ｎや過冷却熱交換器３０１，３０Ｎが無い場合でもよい。実施例１におけるＳ_Cを室外熱交換器出口における過冷却度として、室外熱交換器出口過冷却度Ｓ_Cと室外膨張弁２８１，２８Ｎの開度との関係に置き換えても同様に冷媒量の判定を行う事ができる。但しこの場合は、室内膨張弁４４１，４４Ｎは固定開度とする。室外熱交換器出口過冷却度Ｓ_Cは、室外熱交換器出口温度検知器５４２，５４２Ｎにより検知される。

実施例１で用いる室外バイパス膨張弁は、開度を大きくして流量を多くすればそれだけ過冷却熱交換器で熱交換することになるのでＳ_Cが大きくなる。これに対して、本実施例で用いる室外膨張弁は開度を小さくすると、冷媒循環流量が低下して冷媒が十分外気と熱交換することになるのでＳ_Cが大きくなるという点が異なる。しかし、本実施例でも、室外膨張弁開度が一定であれば図４と同様の傾向を示すので、封入冷媒量が少ないと熱交換する冷媒量が不十分なので、Ｓ_Cの値が小さくなることは同じである。図５を本実施例に置き換えると、「流量比を小さくする」とは「室外膨張弁の開度を大きくする」ということに対応する。これにより、例えば冷媒が漏洩すると、同じ開度でもＳ_Cの値が小さくなるため、操作量に基づく状態量の推定値ｂも小さくなり、この推定値ｂの変化量ΔＢを観測することで冷媒漏洩を判定できる。つまり、実施例１と同様に冷媒量の増加や減少も判定できるが、室外膨張弁を用いる本実施例ではΔＢが増加すれば冷媒量増加と判定され、ΔＢが減少すれば冷媒量減少と判定される。推定値ｂの値自体を求めることで冷媒量が過多かどうか等も判定できるのは実施例１と同様である。

冷媒量の判定を室外バイパス膨張弁２９１，２９Ｎでなく、室外膨張弁２８１，２８Ｎの開度操作によって行う場合でも、冷媒漏洩の誤判定が生じ得る。つまり、冷媒漏洩しておらず、室外膨張弁自身が固渋して指令に対して動いていない場合でも、操作量から予想される状態量と現実の状態量とに差があり、見掛け上、例えば推定値ｂが小さく求められ、冷媒が漏洩していると誤判定される場合がある。

そこで、室外膨張弁が影響を与える状態量として、（１３）式の圧縮機吐出過熱度Ｔ_dSHに注目する。制御演算装置６２は、この係数ｄ₁〜ｄ_p，ｆ₁〜ｆ_qを運転中に同定し、常時その値を監視する。冷媒量判定の際、まず（１３）式の圧縮機吐出過熱度Ｔ_dSHに注目する。Ｓ_Cの場合と同様に係数の推定値ｆは室外膨張弁操作量に基づく状態量（圧縮機吐出過熱度）と相関性を有し、状態量の感度とも言う事ができる。封入冷媒量が少なくなると、この推定値の低下がＴ_dSHの値に反映されるが、完全に感度が無くなる事はない点がＳ_Cの場合と異なる。そこで室外膨張弁が固渋しているかどうかを確認するために、制御演算装置６２は圧縮機の吸入部及び吐出部の温度が変動しないように室内膨張弁４４１，４４Ｎの開度を固定した上で、新たにｄ₁〜ｄ_p，ｆ₁〜ｆ_qに対するシステム同定を行って、推定値ｄ及び推定値ｆを求め、推定値ｆが０であれば膨張弁故障、推定値ｆが０以外となる場合は膨張弁自体の故障は無いと判定する。

室外膨張弁が故障していないと確認した上で、次は再度Ｓ_Cに注目する。以降の冷媒量判定は実施例３と同様なので割愛する。

本実施例によれば、まず圧縮機吐出過熱度Ｔ_dSHについての係数ｄ₁〜ｄ_p，ｆ₁〜ｆ_qを同定し、操作量に対する状態量の感度である推定値ｆを用いて膨張弁が故障しているかどうかを判定してから、Ｓ_Cについての係数ａ₁〜ａ_n，ｂ₁〜ｂ_mを同定する。これにより、不具合の原因が故障なのか冷媒漏洩なのかをまず特定することができると共に、判定時の冷凍サイクルの安定状態は不要であり、通常運転中にも判定できる。

１ 運転開始部
２ 空気調和機起動部
３ 通常制御部
５ オンラインシステム同定処理部
６ 係数パラメータ判定部
７ データ初期化部
８ 膨張弁固渋判定部
９ 膨張弁固渋認識部
１０ 冷媒量判定部
１１ 冷媒量過多認識部
１３ 冷媒量適正認識部
１６ 冷媒量過少認識部
１７，１９ 表示指令部
１８ 通信処理部
２０ アラーム停止処理部
２１ 冷媒量増加認識部
２２ 冷媒量減少認識部
２３ 冷媒量維持認識部
３３ 室外機側液側分岐部
３４ 室外機側ガス側分岐部
３５ 液側配管
３６ ガス側配管
３７ 室内機側液側分岐部
３８ 室内機側ガス側分岐部
６２ 制御演算装置
６３ 情報保管装置
６４ 使用元表示装置
６５ 情報入力装置
６６ 製品供給元表示装置
６７ 通信手段
６８ オンラインシステム同定による係数同定値
６９ 真値
７０ 正常範囲
７１ 正常判定領域
７２ 異常判定領域
７３ 正常条件付き確率密度関数
７４ 異常条件付き確率密度関数
７５ 第二種過誤確率
７６ 第一種過誤確率
８６ 検定処理部
８７ 検定冷媒量判定部
２１１，２１Ｎ 室外機
２２１，２２Ｎ 圧縮機
２３１，２３Ｎ 室外熱交換器
２４１，２４Ｎ 室外ファン
２５１，２５Ｎ アキュムレータ
２６１，２６Ｎ 四方弁
２７１，２７Ｎ 受容器
２８１，２８Ｎ 室外膨張弁
２９１，２９Ｎ 室外バイパス膨張弁
２９２、２９２Ｎ バイパス配管
３０１，３０Ｎ 過冷却熱交換器
３１１，３１Ｎ 室外機側液側配管
３２１，３２Ｎ 室外機側ガス側配管
３９１，３９Ｍ 室内機側液側配管
４０１，４０Ｍ 室内機側ガス側配管
４１１，４１Ｍ 室内機
４２１，４２Ｍ 室内熱交換器
４３１，４３Ｍ 室内ファン
４４１，４４Ｍ 室内膨張弁
４５１，４５Ｎ インバータ圧縮機周波数操作器
４６１，４６Ｎ 室外ファン送風能力操作器
４７１，４７Ｎ 室外膨張弁開度操作器
４８１，４８Ｎ 室外バイパス膨張弁開度操作器
４９１，４９Ｎ 四方弁操作器
５０１，５０Ｍ 室内ファン送風能力操作器
５１１，５１Ｍ 室内膨張弁開度操作器
５２１，５２Ｎ 圧縮機吸入温度検知器
５３１，５３Ｎ 圧縮機冷媒吐出温度検知器
５４１，５４Ｎ 過冷却熱交換器出口温度検知器
５４２，５４２Ｎ 室外熱交換器出口温度検知器
５５１，５５Ｎ 室外温度検知器
５６１，５６Ｎ 圧縮機吸入圧力検知器
５７１，５７Ｎ 圧縮機吐出圧力検知器
５８１，５８Ｍ 室内機吸込温度検知器
５９１，５９Ｍ 室内機吹出温度検知器
６０１，６０Ｍ 利用部温度設定器
６１１，６１Ｍ 利用部

Claims (14)

1. 圧縮機，室外熱交換器，過冷却熱交換器を配管接続した冷凍サイクル装置において、
   前記室外熱交換器と過冷却熱交換器との間の配管から前記圧縮機の吸入側の配管に接続されたバイパス配管に設けられた室外バイパス膨張弁と、
   前記過冷却熱交換器の出口における過冷却熱交換器出口過冷却度を測定する過冷却熱交換器出口温度検知器と、
   前記室外バイパス膨張弁の操作量，前記室外バイパス膨張弁の操作量に基づいて得られる前記過冷却熱交換器出口過冷却度，前記室外バイパス膨張弁の操作量に基づいて得られる理論上の前記過冷却熱交換器出口過冷却度から通常運転中に前記過冷却熱交換器出口過冷却度の推定値を同定する制御演算装置とを備え、
   前記制御演算装置は、前記過冷却熱交換器出口過冷却度の推定値を用いて冷媒量判定することを特徴とする冷凍サイクル装置。
2. 請求項１において、前記過冷却熱交換器出口過冷却度の推定値の変化量が正となる場合に冷媒漏洩していると判定することを特徴とする冷凍サイクル装置。
3. 請求項１又は２において、前記制御演算装置は、
   前記圧縮機の吐出温度と吐出圧力とから圧縮機吐出過熱度を求め、
   前記室外バイパス膨張弁の操作量とこの室外バイパス膨張弁の操作量に基づいて変化する前記圧縮機吐出過熱度とから、通常運転中に前記圧縮機吐出過熱度の推定値を同定し、
   前記圧縮機吐出過熱度の推定値が０以外となる場合であって、前記過冷却熱交換器出口過冷却度の推定値の変化量が正となる場合に冷媒漏洩していると判定することを特徴とする冷凍サイクル装置。
4. 請求項３において、前記圧縮機吐出過熱度の推定値が０となる場合に前記室外バイパス膨張弁が故障していると判定することを特徴とする冷凍サイクル装置。
5. 請求項１乃至４の何れかにおいて、前記過冷却熱交換器出口過冷却度の推定値の変化量が負となる場合に冷媒増加していると判定することを特徴とする冷凍サイクル装置。
6. 請求項１乃至５の何れかにおいて、前記過冷却熱交換器出口過冷却度の推定値が所定値以上となる場合に冷媒漏洩していると判定することを特徴とする冷凍サイクル装置。
7. 圧縮機，室外熱交換器，室外膨張弁を配管接続した冷凍サイクル装置において、
   前記室外熱交換器の出口における室外熱交換器出口過冷却度を測定する室外熱交換器出口温度検知器と、
   前記室外膨張弁の操作量，前記室外膨張弁の操作量に基づいて得られる前記室外熱交換器出口過冷却度，前記室外膨張弁の操作量に基づいて得られる理論上の前記室外熱交換器出口過冷却度から通常運転中に前記室外熱交換器出口過冷却度の推定値を同定する制御演算装置とを備え、
   前記制御演算装置は、前記室外熱交換器出口過冷却度の推定値を用いて冷媒量判定することを特徴とする冷凍サイクル装置。
8. 請求項７において、前記室外熱交換器出口過冷却度の推定値の変化量が負となる場合に冷媒漏洩していると判定することを特徴とする冷凍サイクル装置。
9. 請求項７又は８において、前記制御演算装置は、
   前記圧縮機の吐出温度と吐出圧力とから圧縮機吐出過熱度を求め、
   前記室外膨張弁の操作量とこの室外膨張弁の操作量に基づいて変化する前記圧縮機吐出過熱度とから、通常運転中に前記圧縮機吐出過熱度の推定値を同定し、
   前記圧縮機吐出過熱度の推定値が０以外となる場合であって、前記室外熱交換器出口過冷却度の推定値の変化量が負となる場合に冷媒漏洩していると判定することを特徴とする冷凍サイクル装置。
10. 請求項９において、前記圧縮機吐出過熱度の推定値が０となる場合に前記室外膨張弁が故障していると判定することを特徴とする冷凍サイクル装置。
11. 請求項７乃至１０の何れかにおいて、前記室外熱交換器出口過冷却度の推定値の変化量が正となる場合に冷媒増加していると判定することを特徴とする冷凍サイクル装置。
12. 請求項７乃至１１の何れかにおいて、前記室外熱交換器出口過冷却度の推定値が所定値以上となる場合に冷媒漏洩していると判定することを特徴とする冷凍サイクル装置。
13. 請求項１乃至１２の何れかにおいて、
    判定結果を表示する表示装置を備えることを特徴とする冷凍サイクル装置。
14. 請求項１乃至１３の何れかにおいて、
    冷媒漏洩又は故障と判定された場合に判定結果をサービスセンタへ通信する通信手段を備えることを特徴とする冷凍サイクル装置。

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