JP2014066471A - 空気調和装置 - Google Patents

Abstract

【課題】蒸気圧縮式の冷媒回路を備えた空気調和装置において、圧縮機に吸入される冷媒の吸入乾き度を精度良く制御できるようにして、圧縮機の信頼性の低下や故障の発生を抑える。
【解決手段】空気調和装置（１）は、冷媒温度検出手段（７）と、空調機オブザーバ（８）と、制御手段（９）とを有する。冷媒温度検出手段（７）は、冷媒回路（１０）の複数箇所の温度を検出する。空調機オブザーバ（８）は、冷媒回路（１０）の全体をモデル化した推定モデル（８１）を使用して冷媒温度検出手段（７）によって検出される温度を推定するとともに、推定誤差を推定モデル（８１）にフィードバックして補償しつつ、吸入乾き度を推定する。制御手段（９）は、推定される吸入乾き度が目標吸入乾き度になるように、構成機器を制御する。
【選択図】図２

Description

本発明は、空気調和装置、特に、圧縮機と放熱器と膨張機構と蒸発器とが接続されることによって構成される蒸気圧縮式の冷媒回路を備えた空気調和装置に関する。

圧縮、放熱、膨張及び蒸発の冷媒の状態変化が連続的に行われる蒸気圧縮式の冷媒回路を有する空気調和装置においては、冷媒の物性が空気調和装置の特性を大きく影響する。例えば、特許文献１（特許第３９５６５８９号公報）のように、Ｒ３２を冷媒として使用する場合には、Ｒ４０７ＣやＲ４１０Ａを使用する場合に比べて、ＣＯＰ（成績係数）の向上を図ることができるが、その一方で、圧縮機から吐出される冷媒の温度が１５℃〜２０℃程度上昇してしまう。圧縮機から吐出される冷媒の温度が上昇すると、圧縮機の信頼性の低下や故障が発生するおそれがある。

これに対して、特許文献１のように、圧縮機に吸入される冷媒を湿り状態にする制御（以下、「吸入湿り制御」とする）を行って、圧縮機から吐出される冷媒の温度を低下させて、圧縮機の信頼性の低下や故障の発生を抑えることが考えられる。しかし、このとき、圧縮機に吸入される冷媒の乾き度が小さくなりすぎると、圧縮機において液圧縮が発生してしまい、液圧縮による圧縮機の信頼性の低下や故障が発生するおそれがある。このため、吸入湿り制御を行う場合には、圧縮機に吸入される冷媒の乾き度を精度良く制御することが要求される。

ここで、圧縮機に吸入される冷媒の温度を検出するだけでは、圧縮機に吸入される冷媒の乾き度を把握することができない。これに対して、特許文献１では、吸入湿り制御として、圧縮機から吐出される冷媒の温度に基づいて、圧縮機に吸入される冷媒の乾き度を制御する方式が採用されている。しかし、このような制御方式では、圧縮機から吐出される冷媒の温度と圧縮機に吸入される冷媒の乾き度との相関関係を得る必要があるため、この相関関係を得るための試験を種々の運転条件で予め行っておく必要がある。また、空気調和装置を長期間にわたって運転すると、圧縮機を含む各種機器の経年変化によって、試験で得られた相関関係とのずれが発生するおそれがある。このように、特許文献１の吸入湿り制御では、圧縮機から吐出される冷媒の温度と圧縮機に吸入される冷媒の乾き度との相関関係を得るための煩雑な試験が必要になり、また、圧縮機を含む各種機器の経年変化による相関関係のずれの発生を避けることが難しい。すなわち、特許文献１の制御方式では、圧縮機に吸入される冷媒の乾き度を精度良く制御できないおそれがある。

本発明の課題は、圧縮機と放熱器と膨張機構と蒸発器とが接続されることによって構成される蒸気圧縮式の冷媒回路を備えた空気調和装置において、圧縮機に吸入される冷媒の吸入乾き度を精度良く制御できるようにして、圧縮機の信頼性の低下や故障の発生を抑えることにある。

第１の観点にかかる空気調和装置は、圧縮機と放熱器と膨張機構と蒸発器とが接続されることによって構成される空気調和装置であり、冷媒温度検出手段と、空調機オブザーバと、制御手段とを有している。冷媒温度検出手段は、冷媒回路の複数箇所の温度を検出する手段である。空調機オブザーバは、冷媒回路の全体をモデル化した推定モデルを使用して冷媒温度検出手段によって検出される温度を推定するとともに、推定モデルによって推定される温度と冷媒温度検出手段によって検出される温度との誤差である推定誤差を推定モデルにフィードバックして補償しつつ、圧縮機に吸入される冷媒の乾き度である吸入乾き度又は吸入乾き度に等価な吸入状態量を推定する手段である。ここで、吸入状態量としては、圧縮機に吸入される冷媒の湿り度（＝１−乾き度）や圧縮機に吸入される冷媒のエンタルピ等がある。制御手段は、空調機オブザーバによって推定される吸入乾き度又は吸入状態量が目標吸入乾き度又は目標吸入状態量になるように、構成機器を制御（吸入湿り制御）する手段である。ここで、吸入湿り制御に使用される構成機器としては、圧縮機や膨張機構、蒸発器に冷却源（水や空気）を供給する機器等がある。

ここでは、吸入湿り制御を行うに当たり、特許文献１のような圧縮機から吐出される冷媒の温度に基づく方式ではなく、冷媒回路の全体をモデル化した推定モデルを使用して、吸入乾き度又は吸入状態量を推定し、推定された吸入乾き度又は吸入状態量を使用して吸入湿り制御を行うようにしている。しかも、ここでは、推定モデルによって冷媒回路の複数箇所の温度を推定し、これらの推定された冷媒の温度と冷媒温度検出手段によって検出された冷媒回路の複数箇所の温度との誤差（推定誤差）を推定モデルにフィードバックして補償している。

すなわち、ここでは、吸入乾き度又は吸入状態量の推定手段として、冷媒回路の全体をモデル化した推定モデルを使用し、かつ、常に検出可能な冷媒回路の複数箇所の温度の推定誤差のフィードバックを行うように構成した空調機オブザーバを採用することによって、吸入乾き度又は吸入状態量を精度良く推定することができる。

これにより、ここでは、精度の高い吸入湿り制御が可能になり、圧縮機の信頼性の低下や故障の発生を抑えることができる。

第２の観点にかかる空気調和装置は、第１の観点にかかる空気調和装置において、推定モデルの各種パラメータが、推定誤差が最小になるように補正される。

推定モデルには、状態変数を演算するために必要な熱交換係数や流量係数、容積効率等の各種パラメータが含まれている。そして、空調機オブザーバの推定精度を高めるためには、これらのパラメータについても、補正を行う必要がある。

そこで、ここでは、冷媒回路の複数箇所の温度の推定誤差が最小になるように、推定モデルの各種パラメータを補正するようにしている。

これにより、ここでは、空調機オブザーバによる推定精度をさらに向上させることができる。

第３の観点にかかる空気調和装置は、第２の観点にかかる空気調和装置において、推定モデルとして、冷媒回路を複数の集中定数系のモジュールとしてモデル化した推定モデルが採用されている。

冷媒回路は、種々の構成機器（少なくとも圧縮機、放熱器、膨張機構及び蒸発器）が冷媒管等によって接続されており、これらの構成機器を順に冷媒が流れるように構成されている。このため、冷媒回路の全体をモデル化するにあたり、このような冷媒回路の構成上の特性を考慮したモデル化が好ましい。

そこで、ここでは、冷媒回路を複数の集中定数系のモジュールとしてモデル化した推定モデルを採用するようにしている。ここで、「集中定数系」とは、モデル化対象の領域のうち特定の領域を切り出して、その中の状態量を代表点の状態量で表すモデル構成である。

これにより、冷媒回路内の冷媒の流れに沿って、構成機器ごとや構成機器の部分ごとにモジュールを容易に作成することができる。

第４の観点にかかる空気調和装置は、第１〜第３の観点のいずれかにかかる空気調和装置において、冷媒回路には、冷媒としてＲ３２が封入されている。

以上の説明に述べたように、本発明によれば、以下の効果が得られる。

第１及び第４の観点にかかる空気調和装置では、精度の高い吸入湿り制御が可能になり、圧縮機の信頼性の低下や故障の発生を抑えることができる。

第２の観点にかかる空気調和装置では、空調機オブザーバによる推定精度をさらに向上させることができる。

第３の観点にかかる空気調和装置では、冷媒回路内の冷媒の流れに沿って、構成機器ごとや構成機器の部分ごとにモジュールを容易に作成することができる。

本発明の一実施形態にかかる空気調和装置の概略構成図である。 空調機オブザーバの動作を示すブロック図である。 吸入湿り制御の動作を示すブロック図である。

以下、本発明にかかる空気調和装置の実施形態について、図面に基づいて説明する。尚、本発明にかかる空気調和装置の具体的な構成は、下記の実施形態に限られるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で変更可能である。

（１）空気調和装置の構成
図１は、本発明の一実施形態にかかる空気調和装置１の概略構成図である。

空気調和装置１は、蒸気圧縮式の冷凍サイクルを行うことによって、冷房運転を行うことが可能な空気調和装置である。空気調和装置１は、主として、室外ユニット２と、室内ユニット３とが接続されることによって構成されている。ここで、室外ユニット２と室内ユニット３とは、液冷媒連絡管４及びガス冷媒連絡管５を介して接続されている。すなわち、空気調和装置１の蒸気圧縮式の冷媒回路１０は、室外ユニット２と、室内ユニット３とが冷媒連絡管４、５を介して接続されることによって構成されている。この冷媒回路１０には、ＨＦＣ系冷媒の一種であるＲ３２が封入されている。

＜室内ユニット＞
室内ユニット３は、室内に設置されており、冷媒回路１０の一部を構成している。室内ユニット３は、主として、室内熱交換器３１を有している。

室内熱交換器３１は、冷媒の蒸発器として機能して室内空気を冷却する熱交換器である。室内熱交換器３１の液側は液冷媒連絡管４に接続されており、室内熱交換器３１のガス側はガス冷媒連絡管５に接続されている。

また、室内ユニット３は、室内ユニット３内に室内空気を吸入して、室内熱交換器３１において冷媒と熱交換させた後に、供給空気として室内に供給するための室内ファン３２を有している。ここでは、室内ファン３２として、室内ファンモータ３３によって駆動される遠心ファンや多翼ファン等が使用されている。

また、室内ユニット３には、各種のセンサが設けられている。ここでは、室内熱交換器３１に、室内熱交換器３１における冷媒の温度Ｔｒｒを検出する室内熱交温度センサ７１が設けられている。また、室内ユニット３の室内空気の吸入口側には、室内ユニット３における室内空気の温度Ｔｒａを検出する室内温度センサ７２が設けられている。

＜室外ユニット＞
室外ユニット２は、室外に設置されており、冷媒回路１０の一部を構成している。室外ユニット２は、主として、圧縮機２１と、室外熱交換器２３と、膨張機構２４とを有している。

圧縮機２１は、冷凍サイクルにおける低圧の冷媒を高圧になるまで圧縮する機器である。圧縮機２１は、ロータリ式やスクロール式等の容積式の圧縮要素（図示せず）をインバータにより制御される圧縮機モータ２２によって回転駆動する密閉式構造となっている。圧縮機２１の吸入側はガス冷媒連絡管４に接続されており、圧縮機２１の吐出側は室外熱交換器２３のガス側に接続されている。

室外熱交換器２３は、室外空気を冷却源とする冷媒の放熱器として機能する熱交換器である。室外熱交換器２３の液側は、膨張機構２４の入口側に接続されている。

膨張機構２４は、冷凍サイクルにおける高圧の冷媒を冷凍サイクルにおける低圧まで減圧する機器である。ここでは、膨張機構２４として、電動膨張弁が使用されている。膨張機構２４の出口側は、液冷媒連絡管４に接続されている。

また、室外ユニット２は、室外ユニット２内に室外空気を吸入して、室外熱交換器２３において冷媒と熱交換させた後に、外部に排出するための室外ファン２５を有している。ここでは、室外ファン２５として、室外ファンモータ２６によって駆動されるプロペラファン等が使用されている。

また、室外ユニット２には、各種のセンサが設けられている。ここでは、圧縮機２１の吸入側に、圧縮機２１に吸入される冷媒の圧力Ｐｓを検出する吸入圧力センサ７３と、圧縮機２１に吸入される冷媒の温度Ｔｓを検出する吸入温度センサ７４とが設けられている。また、圧縮機２１の吐出側には、圧縮機２１から吐出される冷媒の圧力Ｐｄを検出する吐出圧力センサ７５と、圧縮機２１から吐出される冷媒の温度Ｔｄを検出する吐出温度センサ７６とが設けられている。また、室外熱交換器２３には、室外熱交換器２３における冷媒の温度Ｔｏｒを検出する室外熱交温度センサ７７が設けられている。また、室外ユニット２の室外空気の吸入口側には、室外ユニット２における室外空気の温度Ｔｏａを検出する室外温度センサ７８が設けられている。また、膨張機構２４の出口側には、膨張機構２４の出口における冷媒の温度Ｔｅｘｐを検出する膨張機構出口温度センサ７９が設けられている。尚、圧力センサ７３、７５については、設けられていなくてもよい。

＜冷媒連絡管＞
冷媒連絡管４、５は、空気調和装置１を建物等の設置場所に設置する際に、現地にて施工される冷媒管であり、設置場所や室外ユニットと室内ユニットとの組み合わせ等の設置条件に応じて種々の長さや管径を有するものが使用される。

＜制御部＞
空気調和装置１は、各種センサの検出値等に基づいて、各種機器２１、２４、２５、３２等の動作を制御する制御部６を有している。制御部６の構成及び動作については、後述するものとする。

以上のように、室外ユニット２と、室内ユニット３と、冷媒連絡管４、５とが接続されることによって、空気調和装置１の冷媒回路１０が構成されている。冷媒回路１０は、圧縮機２１、冷媒の放熱器としての室外熱交換器２３、膨張機構２４、及び、冷媒の蒸発器としての室内熱交換器３１が接続されることによって構成されており、Ｒ３２が冷媒として封入されている。

（２）制御部の構成及び動作
ここでは、冷媒としてＲ３２が冷媒回路１０に封入されており、圧縮機２１から吐出される冷媒の温度Ｔｄが１５℃〜２０℃程度上昇する傾向にあるため、圧縮機２１の信頼性の低下や故障が発生するおそれがある。

そこで、ここでは、制御部６が、圧縮機２１に吸入される冷媒を湿り状態にする制御（以下、「吸入湿り制御」とする）を行って、圧縮機２１から吐出される冷媒の温度Ｔｄを低下させて、圧縮機２１の信頼性の低下や故障の発生を抑えるようにしている。

以下、この吸入湿り制御を行う制御部６の構成及び動作について、図１〜図３を用いて説明する。ここで、図２は、空調機オブザーバ８の動作を示すブロック図である。図３は、吸入湿り制御の動作を示すブロック図である。

＜構成＞
制御部６は、主として、空調機オブザーバ８と、制御手段９とを有している。

空調機オブザーバ８は、圧縮機２１に吸入される冷媒の乾き度である吸入乾き度Ｘｓ又は吸入乾き度Ｘｓに等価な吸入状態量Ｙｓを推定する手段である。ここで、吸入状態量Ｙｓとしては、圧縮機２１に吸入される冷媒の湿り度（＝１−乾き度Ｘｓ）や圧縮機２１に吸入される冷媒のエンタルピｈｓ等がある。空調機オブザーバ８は、推定モデル８１を有している。推定モデル８１は、冷媒回路１０の全体をモデル化した状態方程式から構成されている。推定モデル８１は、空気調和装置１に設けられた各種センサ等から得られる検出値や指令値を使用して、吸入乾き度Ｘｓ（又は吸入状態量Ｙｓ）や冷媒温度検出手段７によって検出される温度のような冷媒回路１０の各所における状態量を推定する状態観測手段として機能する。すなわち、空調機オブザーバ８は、推定モデル８１を使用して、吸入乾き度Ｘｓ（又は吸入状態量Ｙｓ）や冷媒温度検出手段７によって検出される温度を推定する。ここで、冷媒温度検出手段７とは、冷媒回路１０の複数箇所の温度を検出する手段である。ここでは、室内熱交温度センサ７１、吸入温度センサ７４、吐出温度センサ７６、室外熱交温度センサ７７、及び、膨張機構出口温度センサ７９が冷媒温度検出手段７を構成している。そして、空調機オブザーバ８は、推定モデル８１によって冷媒回路１０の各所における状態量を推定するにあたり、推定誤差Ｅを推定モデル８１にフィードバックして補償するようにしている。また、空調機オブザーバ８は、推定誤差Ｅを使用して推定モデル８１に含まれる各種パラメータを補正するようにしている。ここで、推定誤差Ｅは、推定モデル８１によって推定される温度Ｔ’と冷媒温度検出手段７によって検出される温度Ｔとの誤差である（Ｔ、Ｔ’については、冷媒回路１０における各所を示す添字を省略）。尚、上記の推定誤差Ｅによる誤差補償及びパラメータ補正は、空調機オブザーバ８が有するフィードバック手段８２によって行われる。すなわち、推定誤差Ｅによる誤差補償については、フィードバック手段８２が誤差補償手段として機能し、推定誤差Ｅによるパラメータ補正については、フィードバック手段８２が誤差補償手段として機能するようになっている。

制御手段９は、空調機オブザーバ８によって推定される吸入乾き度Ｘｓ又は吸入状態量Ｙｓが目標吸入乾き度Ｘｓｓ又は目標吸入状態量Ｙｓｓになるように、構成機器を制御（すなわち、吸入湿り制御）する手段である。ここで、吸入湿り制御に使用される構成機器としては、圧縮機２１や膨張機構２４、蒸発器に冷却源（水や空気）を供給する機器（ここでは、室内熱交換器３１に冷却源としての室内空気を供給する室内ファン３２）等がある。

＜動作（空調機オブザーバを使用した吸入湿り制御）＞
制御部６は、室外ファン２５、室内ファン３２、圧縮機２１及び膨張機構２４を駆動して、冷媒を圧縮機２１、放熱器２３、膨張機構２４及び蒸発器３１の順に循環させる冷房運転を行う。

そして、空調機オブザーバ８は、冷房運転時における各種センサ等の検出値や指令値を取り込む。ここでは、冷媒温度検出手段７（温度センサ７１、７４、７６、７７、７９）の他、室内温度センサ７２、室外温度センサ７８の検出温度、圧縮機２１の指令回転数（圧縮機２１における冷媒の流量に相当）、室外ファン２５の指令回転数（室外ファン２５によって供給される室外空気の風量に相当）、室内ファン３２の指令回転数（室内ファン３２によって供給される室内空気の風量に相当）、膨張機構２４の指令開度（膨張機構２４の流量係数に相当）等が空調機オブザーバ８に取り込まれる。尚、必要に応じて、圧力センサ７３、７５の検出圧力も取り込むようにしてもよい。

次に、空調機オブザーバ８は、推定モデル８１を使用して、冷媒回路１０の各所における冷媒の温度を推定する。ここでは、冷媒温度検出手段７（温度センサ７１、７４、７６、７７、７９）によって検出される温度Ｔｒｒ、Ｔｓ、Ｔｄ、Ｔｏｒ、Ｔｅｘｐを推定する。すなわち、冷媒の温度Ｔｒｒ、Ｔｓ、Ｔｄ、Ｔｏｒ、Ｔｅｘｐの推定値である冷媒の温度Ｔｒｒ’、Ｔｓ’、Ｔｄ’、Ｔｏｒ’、Ｔｅｘｐ’を推定する。

ここで、推定モデル８１は、以下の微分方程式と拘束条件とからなる状態遷移モデルによって構成されている。

まず、式１の微分方程式は、質量保存則の観点から得られ、式２の微分方程式は、エネルギー保存則の観点から得られる。

式１ ： ｄρ／ｄｔ＝Σｍ
式２ ： ｄ（ρｈ）／ｄｔ＝Σｍｈ／Ｖ＋Ｑ
式１、２は、冷媒回路１０を複数のモジュールとしてモデル化したものである。例えば、冷媒回路１０を圧縮機２１のモジュール、放熱器２３のモジュール、膨張機構２４のモジュール、及び、蒸発器３１のモジュールとしてモデル化したものである。また、推定モデル８１の各モジュールについて、モデル化対象の冷媒回路１０の領域のうち特定の領域を切り出して、その中の状態量を代表点の状態量で表すモデル構成を採用している。そして、ここでは、式１、２の状態変数として、冷媒の密度ρとエンタルピｈを使用している。また、ｍは、モジュールに流入出する冷媒の流量であり、Ｖは、モジュールの体積であり、Ｑは、モジュールに流入出する熱量である。ここで、例えば、膨張機構２４のモジュールにおいて、膨張機構２４の開度から決定される流量係数Ｃｍに膨張機構２４の流入出する冷媒の圧力差（例えば、Ｐｄ−Ｐｓ）の０．５乗を乗算することによって、膨張機構２４における冷媒の流量ｍを得ることができる（ｍ＝Ｃｍ×圧力差^0.5）。また、蒸発器３１のモジュールにおいて、蒸発器３１の熱交換係数をＣｑとする。すると、この熱交換係数Ｃｑに室内熱交換器３１における冷媒の温度Ｔｒｒと室内温度Ｔｒａとの温度差及び室内ファン３２の指令回転数を乗算することによって、蒸発器３１のモジュールにおける熱量Ｑを得ることができる（Ｑ＝Ｃｑ×温度差×指令回転数）。尚、流量係数Ｃｍや熱交換係数Ｃｑのような推定モデル８１のモジュールにおける状態変数を推定するために必要な各種パラメータは、後述のように、推定誤差Ｅによって自動的に補正されるようになっている。

また、式３〜式５の拘束条件は、密度ρ及びエンタルピｈによって一意的に物性値、すなわち、テーブルや関数によって定まる物性値を規定している。すなわち、式１、２によって、状態変数である冷媒の密度ρ及びエンタルピｈを推定することができれば、式３〜５によって、補助変数である冷媒の圧力Ｐ、温度Ｔ及び乾き度Ｘを推定することができる。ここで、冷媒回路１０の各所における冷媒の密度、エンタルピ、圧力、温度、乾き度の推定値をそれぞれ、推定密度ρ’、推定エンタルピｈ’、推定圧力Ｐ’、推定温度Ｔ’、推定乾き度Ｘ’である。

式３ ：Ｐ＝Ｆ_P（ρ、ｈ）
式４ ：Ｔ＝Ｆ_T（ρ、ｈ）
式５ ：Ｘ＝Ｆ_X（ρ、ｈ）
ここで、式３は、冷媒の圧力Ｐを密度ρとエンタルピｈの関数Ｆ_P（ρ、ｈ）として表したものである。式４は、冷媒の温度Ｔを密度ρとエンタルピｈの関数Ｆ_T（ρ、ｈ）として表したものである。式５は、冷媒の乾き度Ｘを密度ρとエンタルピｈの関数Ｆ_X（ρ、ｈ）として表したものである。

尚、ここでは、式１、２の状態変数として、密度ρ及びエンタルピｈを使用し、かつ、式３〜５の補助変数として流量ｍ、圧力Ｐ、温度Ｔ、乾き度Ｔを使用しているが、これに限定されるものではない。例えば、流量ｍ及び圧力Ｐを状態変数として、密度ρ、エンタルピｈ、温度Ｔ及び乾き度Ｘを補助変数とする等のように、種々の変数の選択や組み合わせが可能である。

このように、上記のような推定モデル８１において、冷媒回路１０の各所における冷媒の密度、エンタルピ、圧力、温度、乾き度の推定値をそれぞれ、推定密度ρ’、推定エンタルピｈ’、推定圧力Ｐ’、推定温度Ｔ’、推定乾き度Ｘ’とすると、取り込んだ各種センサ等の検出値や指令値から、これらの推定密度ρ’、推定エンタルピｈ’、推定圧力Ｐ’、推定温度Ｔ’、推定乾き度Ｘ’を得ることができる。

そして、ここでは、上記のような推定モデル８１による状態変数及び補助変数の推定時において、フィードバック手段８２が、パラメータ補正手段として機能しており、流量係数Ｃｍや熱交換係数Ｃｑのような推定モデル８１の各種パラメータを自動的に補正している。ここでは、フィードバック手段８２が、冷媒の温度Ｔｒｒ、Ｔｓ、Ｔｄ、Ｔｏｒ、Ｔｅｘｐの推定モデル８１による推定値である温度Ｔｒｒ’、Ｔｓ’、Ｔｄ’、Ｔｏｒ’、Ｔｅｘｐ’の推定誤差Ｅ（＝Ｔ’−Ｔ）が最小になるように推定モデル８１の各種パラメータを補正している。例えば、逐次更新型の最小二乗法が使用される。すなわち、推定誤差Ｅの二乗の累積値が最小になるように、各種パラメータが補正されるようになっている。尚、パラメータ補正の具体的な手法は、これに限定されるものではなく、以下の式６に示すような一般的な学習方法であってもよい。

式６ ： Ｃ＝Ｃ＋α×（Ｔ’−Ｔ）
ここで、Ｃは、各種パラメータであり、αは、学習係数である（Ｃ、α、Ｔ、Ｔ’については、冷媒回路１０における各所を示す添字を省略）。

尚、各種パラメータが、冷媒回路１０のサイクル特性に応じて適切に設定することができる場合には、上記のような各種パラメータの補正を行わなくてもよい。

また、ここでは、上記のような推定モデル８１による状態変数及び補助変数の推定時において、フィードバック手段８２が、誤差補償手段として機能しており、推定誤差Ｅを推定モデル８１にフィードバックするようにしている。ここでは、フィードバック手段８２が、推定誤差Ｅが可及的速やかに減少するように、推定モデル８１の入力にフィードバックする。そして、推定モデル８１を使用して推定される状態変数から圧縮機２１に吸入される冷媒の乾き度である吸入乾き度Ｘｓ又は吸入乾き度Ｘｓに等価な吸入状態量Ｙｓ（例えば、湿り度１−Ｘｓや吸入エンタルピｈｓ）を推定する。

次に、制御手段９は、空調機オブザーバ８によって推定される吸入乾き度Ｘｓ又は吸入状態量Ｙｓが目標吸入乾き度Ｘｓｓ又は目標吸入状態量Ｙｓｓになるように、構成機器を制御する吸入湿り制御を行う。ここで、吸入湿り制御で制御される構成機器として膨張機構２４を使用する場合には、吸入乾き度Ｘｓが目標吸入乾き度Ｘｓｓよりも大きい場合には、膨張機構２４の開度が大きくなるように制御し、吸入乾き度Ｘｓが目標吸入乾き度Ｘｓｓよりも小さい場合には、膨張機構２４の開度が小さくなるように制御すればよい。また、吸入湿り制御で制御される構成機器として圧縮機２１（室内ファン３２）を使用する場合には、吸入乾き度Ｘｓが目標吸入乾き度Ｘｓｓよりも大きい場合には、圧縮機２１（室内ファン３２）の回転数が小さくなるように制御し、吸入乾き度Ｘｓが目標吸入乾き度Ｘｓｓよりも小さい場合には、圧縮機２１（室内ファン３２）の回転数が大きくなるように制御すればよい。さらに、吸入湿り制御で制御される状態量として、吸入乾き度Ｘｓに代えて吸入状態量Ｙｓを使用する場合には、吸入乾き度Ｘｓを使用する場合と同様の動作が得られるように、膨張機構２４や圧縮機２１、室内ファン３２を制御すればよい。尚、吸入湿り制御においては、ＰＩＤ制御やＭＩＭＯ制御のような制御ロジックを使用することができる。

以上のようにして、ここでは、空調機オブザーバ８を使用して、圧縮機２１に吸入される冷媒を湿り状態にする吸入湿り制御を行うことができるようになっている。

（３）空気調和装置の特徴
本実施形態の空気調和装置１には、以下のような特徴がある。

＜Ａ＞
ここでは、吸入湿り制御を行うに当たり、特許文献１のような圧縮機２１から吐出される冷媒の温度Ｔｄに基づく方式ではなく、上記のように、冷媒回路１０の全体をモデル化した推定モデル８１を使用して、吸入乾き度Ｘｓ又は吸入状態量Ｙｓを推定し、推定された吸入乾き度Ｘｓ又は吸入状態量Ｙｓを使用して吸入湿り制御を行うようにしている。しかも、ここでは、推定モデル８１によって冷媒回路１０の複数箇所の温度（ここでは、温度Ｔｒｒ、Ｔｓ、Ｔｄ、Ｔｏｒ、Ｔｅｘｐ）を推定し、これらの推定された冷媒の温度と冷媒温度検出手段７（ここでは、温度センサ７１、７４、７６、７７、７９）によって検出された冷媒回路１０の複数箇所の温度との誤差（推定誤差Ｅ）を推定モデル８１にフィードバックして補償している。

すなわち、ここでは、吸入乾き度Ｘｓ又は吸入状態量Ｙｓの推定手段として、冷媒回路１０の全体をモデル化した推定モデル８１を使用し、かつ、常に検出可能な冷媒回路１０の複数箇所の温度の推定誤差Ｅのフィードバックを行うように構成した空調機オブザーバ８を採用することによって、吸入乾き度Ｘｓ又は吸入状態量Ｙｓを精度良く推定することができる。

これにより、ここでは、精度の高い吸入湿り制御が可能になり、圧縮機２１の信頼性の低下や故障の発生を抑えることができる。また、室内熱交換器３１の出入口における冷媒のエンタルピや乾き度を空調機オブザーバ８によって推定することによって、空気調和装置１の効率的な運転も可能になっている。

＜Ｂ＞
また、推定モデル８１には、状態変数（ここでは、冷媒の密度ρ’やエンタルピｈ’）を演算するために必要な熱交換係数Ｃｑや流量係数Ｃｍ、容積効率等の各種パラメータが含まれている。そして、空調機オブザーバ８の推定精度を高めるためには、これらのパラメータについても、補正を行う必要がある。

そこで、ここでは、上記のように、冷媒回路１０の複数箇所の温度の推定誤差Ｅが最小になるように、推定モデル８１の各種パラメータを補正するようにしている。

これにより、ここでは、推定モデル８１の各種パラメータが、常に検出可能な複数箇所の温度の推定誤差Ｅによって自動的に補正され、実際の冷媒回路１０の動作状態を追尾・再現するため、最適な推定を行うことができる。したがって、空調機オブザーバ８による推定精度をさらに向上させることができ、より効率的な運転が可能になるともに、より精度の高い吸入湿り制御が可能になっている。

＜Ｃ＞
冷媒回路１０は、種々の構成機器（少なくとも圧縮機２１、放熱器としての室外熱交換器２３、膨張機構２４及び蒸発器としての室内熱交換器３１）が冷媒管等によって接続されており、これらの構成機器を順に冷媒が流れるように構成されている。このため、冷媒回路１０の全体をモデル化するにあたり、このような冷媒回路１０の構成上の特性を考慮したモデル化が好ましい。

そこで、ここでは、上記のように、冷媒回路１０を複数の集中定数系のモジュールとしてモデル化した推定モデル８１を採用するようにしている。ここで、「集中定数系」とは、モデル化対象の領域のうち特定の領域を切り出して、その中の状態量を代表点の状態量で表すモデル構成である。

これにより、冷媒回路１０内の冷媒の流れに沿って、構成機器ごとや構成機器の部分ごとにモジュールを容易に作成することができる。また、このようにして作成された各モジュールが、密度ρやエンタルピｈを状態変数とする微分方程式及び拘束条件から構成されているため、冷媒回路１０の複数箇所の温度の推定誤差Ｅをフィードバックすることによって、吸入乾き度Ｘ又は吸入状態量Ｙｓを正確に推定することができる。

（４）他の実施形態
上記実施形態では、冷房専用の冷媒回路１０を有する空気調和装置１に本発明を適用した例を説明したが、これに限定されるものではない。例えば、四路切換弁によって冷房運転と暖房運転とを切り換えて行う冷媒回路を有する空気調和装置等のような種々の冷媒回路を有する空気調和装置に対しても本発明を適用することが可能である。

また、上記実施形態の冷媒回路１０では、圧縮機、放熱器、膨張機構、蒸発器が各１つずつ接続された構成を例にしているが、これに限定されるものではない。例えば、複数の圧縮機が並列に、複数の放熱器が並列に、複数の蒸発器が並列に接続されていてもよいし、複数の蒸発器ごとに膨張機構が接続されていてもよい。また、圧縮機の吸入側にアキュムレータが接続されたり、放熱器と蒸発器との間にレシーバが接続されていてもよい。さらに、放熱器や蒸発器以外の熱交換器が接続されていてもよい。尚、機器を並列に接続する場合には、分流器や合流器が接続される。このような冷媒回路を有する空気調和装置であっても、複数のモジュールからなる推定モデルを作成することによって、本発明を適用することが可能である。

本発明は、圧縮機と放熱器と膨張機構と蒸発器とが接続されることによって構成される蒸気圧縮式の冷媒回路を備えた空気調和装置に対して、広く適用可能である。

１ 空気調和装置
７ 冷媒温度検出手段
８ 空調機オブザーバ
９ 制御手段
１０ 冷媒回路
２１ 圧縮機
２３ 室外熱交換器（放熱器）
２４ 膨張機構
３１ 室内熱交換器（蒸発器）
８１ 推定モデル

特許第３９５６５８９号公報

Claims (4)

1. 圧縮機（２１）と放熱器（２３）と膨張機構（２４）と蒸発器（３１）とが接続されることによって構成される蒸気圧縮式の冷媒回路（１０）を備えた空気調和装置において、
   前記冷媒回路の複数箇所の温度を検出する冷媒温度検出手段（７）と、
   前記冷媒回路の全体をモデル化した推定モデル（８１）を使用して前記冷媒温度検出手段によって検出される温度を推定するとともに、前記推定モデルによって推定される温度と前記冷媒温度検出手段によって検出される温度との誤差である推定誤差を前記推定モデルにフィードバックして補償しつつ、前記圧縮機に吸入される冷媒の乾き度である吸入乾き度又は前記吸入乾き度に等価な吸入状態量を推定する空調機オブザーバ（８）と、
   前記空調機オブザーバによって推定される前記吸入乾き度又は前記吸入状態量が目標吸入乾き度又は目標吸入状態量になるように、構成機器を制御する制御手段（９）と、
   を備えた空気調和装置（１）。
2. 前記推定モデル（８１）の各種パラメータは、前記推定誤差が最小になるように補正される、
   請求項１に記載の空気調和装置（１）。
3. 前記推定モデル（８１）として、前記冷媒回路を複数の集中定数系のモジュールとしてモデル化した推定モデルが採用されている、
   請求項２に記載の空気調和装置（１）。
4. 前記冷媒回路（１０）には、冷媒としてＲ３２が封入されている、
   請求項１〜３のいずれか１項に記載の空気調和装置（１）。