JP2017072298A - 空気調和機 - Google Patents

Abstract

【課題】部屋の熱容量を含むいくつかの数値を空気調和機自身が推定することにより、よりよい制御を行うこと。
【解決手段】空気調和機１００は、室温制御機構４０と、温度取得部５３と、空間特性パラメータ推定部５４と、を備える。室温制御機構４０は、冷媒を循環させる管路を有し、部屋７０の室温Ｔinを制御する。温度取得部５３は、温度情報ｘ［ｎ］を繰り返し取得する。空間特性パラメータ推定部５４は、取得された複数の温度情報ｘ［ｎ］を用いて、部屋７０に関する空間特性パラメータを推定する。空間特性パラメータは、部屋の熱容量Ｃを含む。
【選択図】図２

Description

本発明は、空気調和機に関する。

空気調和機は、設定された目標温度に室温を近づける制御を行う。この制御のために、まず室温と目標温度の差分が算出される。次いで、その差分に基づいて、冷媒回路で実現すべき冷媒の蒸発温度または凝縮温度の目標値が算出される。最後に、その目標値に従って、この冷媒回路の空調能力が調節される。

特許文献１（特開２００２−１４７８２３号公報）が開示する空気調和機は、ユーザが入力した内部負荷および外部負荷に関連する数値を考慮することによって、蒸発温度または凝縮温度の目標値をある程度の範囲で増減する調節処理を行う。ここで、内部負荷とは、室内に設置されている電子機器などの発熱源が単位時間内に発する熱量を意味する。また、外部負荷とは、建物を構成する壁などの建築部材を貫通して室外から室内へ単位時間内に流入する熱量を意味する。この調節処理によって、この空気調和機は空調能力の最適化を行い、消費エネルギーの節約を図っている。

このように、従来の空気調和機の能力制御においては、外部負荷や内部負荷が考慮されることがある一方で、室内機が設置される部屋の熱容量の数値が考慮されることはあまりなかった。熱容量を用いれば、空気調和機の能力がもたらす室温の変動をより正確に予測できるので、空調能力の最適化を通じて消費エネルギーの節約などに寄与する余地がある。それにもかかわらず熱容量が利用されることが少なかった理由の一つは、熱容量が概念的な量であるため、センサなどによって直接的に測定できない点にある。

本発明は、部屋の熱容量を含むいくつかの数値を空気調和機自身が推定することにより、よりよい制御を行うことである。

本発明の第１観点に係る空気調和機は、室温制御機構と、温度取得部と、空間特性パラメータ推定部と、を備える。室温制御機構は、冷媒を循環させる管路を有し、部屋の室温を制御する。温度取得部は、温度情報を繰り返し取得する。空間特性パラメータ推定部は、取得された複数の温度情報を用いて、部屋に関する空間特性パラメータを推定する。空間特性パラメータは、部屋の熱容量を含む。

この構成によれば、空気調和機は、部屋の熱容量を含む空間特性パラメータを温度情報から推定する。したがって、空間特性パラメータを考慮することにより、室温の制御をより望ましいものにできる。

本発明の第２観点に係る空気調和機は、第１観点に係る空気調和機において、複数の温度情報のうちのｎ番目のものが、１つまたは複数の要素を有するベクトルである。前記要素は、室温Ｔin、室温変化率ｄＴin／ｄｔ、室外温度Ｔout、および室内冷媒相変化温度Ｔriのうちの一部を含む。
室内冷媒相変化温度は、冷房運転の場合には冷媒の蒸発温度であり、暖房運転の場合には冷媒の凝縮温度である。

この構成によれば、複数の温度情報が取得される。したがって、空間特性パラメータの推定において、精度が向上する。

本発明の第３観点に係る空気調和機は、第２観点に係る空気調和機において、複数の温度情報のうちのｎ番目のものは、室温、室温変化率、室外温度、および室内冷媒相変化温度の全部を含む要素を有することによって、

という数式でベクトルとして表される。

この構成によれば、４種類の要素の数値が利用される。したがって、空間特性パラメータの推定において、精度がより向上する。

本発明の第４観点に係る空気調和機は、第１観点から第３観点のいずれか１つに係る空気調和機において、空間特性パラメータが、熱容量のほか、さらに、内部負荷および外部負荷を含む。

この構成によれば、室温変化モデルは、熱容量、内部負荷、および外部負荷を含む。したがって、空間特性パラメータ推定部が、熱容量のみならず、内部負荷、および外部負荷をも推定するので、空気調和機の制御の精度が改善される。

本発明の第５観点に係る空気調和機は、第４観点に係る空気調和機において、外部負荷が、

の数式で表される。ここで、Ａwは部屋の壁面積であり、Ｋは部屋の熱貫流率である。空間特性パラメータは、さらに熱貫流率、または前記熱貫流率と前記壁面積の積を含む。

この構成によれば、空間特性パラメータ推定部が熱貫流率Ｋまたは積ＫＡwを推定する。したがって、熱貫流率Ｋまたは積ＫＡwの推定値の妥当性を、建築材料に関するデータなどと比較して検証しやすい。

本発明の第６観点に係る空気調和機は、第４観点または第５観点に係る空気調和機において、空調制御部、をさらに備える。空調制御部は、空調能力を変化させるように室温制御機構を制御する。室温制御機構は、圧縮機、電動弁、およびファンをさらに有する。空調能力は、

の数式で表される。ここで、γは風量指数であり、Ｔriは室内冷媒相変化温度である。室内冷媒相変化温度は、冷房運転の場合には冷媒の蒸発温度であり、暖房運転の場合には冷媒の凝縮温度である。空調制御部は、空調能力を生み出すような風量指数および室内冷媒相変化温度を算出する。空調制御部は、風量指数に従ってファンを制御するとともに、室内冷媒相変化温度に従って圧縮機または電動弁を制御する。

この構成によれば、室温軌道を実現するための空調能力Ｑを風量指数γに換算できる。したがって、行うべきファン制御を、風量指数γから知ることができる。

本発明の第７観点に係る空気調和機は、第６観点に係る空気調和機において、室温変化モデル保持部をさらに備える。室温変化モデル保持部は、室温変化モデルを保持する。室温変化モデルは次の数式で表される。

ここで、Ｔinは室温であり、ｄＴin／ｄｔは室温変化率である。空調制御部は、室温変化モデル保持部の出力に基づいて室温制御機構を制御する。

この構成によれば、望ましい過渡的推移を表現する室温軌道が、室温変化モデルおよび空間特性パラメータを考慮することによって実現される。したがって、室温の時間推移をより望ましいものにできる。

本発明の第８観点に係る空気調和機は、第５観点から第７観点のいずれか１つに係る空気調和機において、空間特性パラメータ推定部が、多変数最小二乗法によって空間特性パラメータを推定する。多変数最小二乗法では、１≦ｎ≦Ｍであるｎについて、

で表される値（ｆ（ｘ［ｎ］））を計算し、次いで、

の数式で表される二乗和（Ｓ）を計算する。二乗和を最小にするように空間特性パラメータが推定される。

この構成によれば、空間特性パラメータの推定には多変数最小二乗法が用いられる。したがって、適切な空間特性パラメータを効率よく算出できる。

本発明の第９観点に係る空気調和機は、第８観点に係る空気調和機において、空間特性パラメータ推定部が、空間特性パラメータに含まれる熱容量Ｃiおよび熱貫流率Ｋiを推定するｉ回目の推定を行う。空間特性パラメータ推定部は、それから所定期間の経過後、更新された熱容量Ｃi+1および更新された熱貫流率Ｋi+1を推定する（ｉ＋１）回目の推定を行う。（ｉ＋１）回目の推定においては、まず、空間特性パラメータ推定部は、多変数最小二乗法によって空間特性パラメータに含まれる熱容量Ｃapproxおよび熱貫流率Ｋapproxを算出する仮計算処理を行う。次いで、空間特性パラメータ推定部は、

および

の数式によって補正処理を行う。ここで、αCは熱容量補正係数であり、αKは熱貫流率補正係数である。

この構成によれば、毎回の推定における熱容量と熱貫流率の変動を緩慢にできる。したがって、本質的には不変であるはずの熱容量と熱貫流率の推定値が何らかの原因により急激に変動した場合、その推定値の変動に対して制御状態が過剰反応することを抑制できる。

本発明の第１０観点に係る空気調和機は、第１観点から第９観点のいずれか１つに係る空気調和機において、温度取得部が、室温制御機構の停止中に温度情報を取得する。

この構成によれば、温度取得部は、室温制御機構の停止中に温度情報を取得する。したがって、長らく空気調和動作を行っていない期間の後でも、空気調和機は適切な制御を行うことができる。

本発明の第１観点に係る空気調和機は、空間特性パラメータを考慮することにより、室温の制御をより望ましいものにできる。

本発明の第２観点および第３観点に係る空気調和機によれば、空間特性パラメータの推定において、精度が向上する
本発明の第４観点に係る空気調和機は、空気調和機の制御の精度を改善する。

本発明の第５観点に係る空気調和機によれば、熱貫流率の推定値の妥当性を、建築材料に関するデータなどと比較して検証しやすい。

本発明の第６観点に係る空気調和機は、行うべきファン制御を、風量指数から知ることができる。

本発明の第７観点に係る空気調和機は、室温の時間推移をより望ましいものにできる。

本発明の第８観点に係る空気調和機は、適切な空間特性パラメータを効率よく算出できる。

本発明の第９観点に係る空気調和機は、推定値の変動に対して制御状態が過剰反応することを抑制できる。

本発明の第１０観点に係る空気調和機は、長らく空気調和動作を行っていない期間の後でも、空気調和機は適切な制御を行うことができる。

本発明の第１実施形態に係る空気調和機１００の室温制御機構４０を示す模式図である。 本発明の第１実施形態に係る空気調和機１００の制御回路６０を示す模式図である。 本発明の第１実施形態に係る空気調和機１００が想定する室温変化モデルを示す模式図である。 冷房運転における室温軌道Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３を示すグラフである。 冷房運転における冷媒相変化温度軌道Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３を示すグラフである。 暖房運転における室温軌道Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３を示すグラフである。 暖房運転における冷媒相変化温度軌道Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３を示すグラフである。 空間特性パラメータ更新における、ＣおよびＫの連続更新処理を示すフローチャートである。 空間特性パラメータ更新における、温度情報の取得処理を示すフローチャートである。 空間特性パラメータ更新における、ＣおよびＫの仮計算処理を示すフローチャートである。 本発明の第２実施形態に係る空気調和機１００Ａの室温制御機構４０Ａを示す模式図である。

＜第１実施形態＞
（１）全体構成
本発明の第１実施形態に係る空気調和機１００は、図１に示す室温制御機構４０と、図２に示す制御回路６０とを有する。図１に示すように、室温制御機構４０は、室外機１０、室内機２０、連絡配管３０を有し、冷媒を循環させる冷媒回路である。図２に示すように、制御回路６０は、制御部５０および操作パネル５１を有する電気回路である。

（２）詳細構成
（２−１）室外機１０
図１に示す室外機１０は屋外に設置され、冷房運転時の冷熱源、または暖房運転時の温熱源として機能する。室外機１０は、圧縮機１１、四路切換弁１２、室外熱交換器１３、室外膨張弁１５、室外冷媒温度センサ１６、室外気温センサ１９を有する。

（２−１−１）圧縮機１１
圧縮機１１は、冷凍サイクルに必要な圧縮動作を行うためのものである。この圧縮動作において、圧縮機１１は吸入した低圧ガス冷媒を圧縮し、高圧ガス冷媒にして吐出する。

（２−１−２）四路切換弁１２
四路切換弁１２は、冷媒回路の接続を変更するものである。図１において、四路切換弁１２は、冷房運転の場合には実線で描かれた接続を行い、暖房運転の場合には破線で描かれた接続を行う。

（２−１−３）室外熱交換器１３
室外熱交換器１３は、空気と冷媒との熱交換を行うものである。室外熱交換器１３は、冷房運転の場合には凝縮機として機能する一方、暖房運転の場合には蒸発機として機能する。室外熱交換器１３には、熱交換の効率を向上させるために空気と室外熱交換器１３との接触を促す室外ファン１４が設けられている。

（２−１−４）室外膨張弁１５
室外膨張弁１５は開度調整が可能な電動弁であり、必要に応じて冷媒の減圧をする。

（２−１−５）室外冷媒温度センサ１６
室外冷媒温度センサ１６は室外熱交換器１３を流れる冷媒が相変化をする温度である室外冷媒相変化温度Ｔroを測定する。室外冷媒相変化温度Ｔroは、冷房運転の場合には冷媒の凝縮温度であり、暖房運転の場合には冷媒の蒸発温度である。

（２−１−６）室外気温センサ１９
室外気温センサ１９は、室外機１０が設置されている屋外の空気の温度、すなわち室外気温Ｔoutを測定する。

（２−２）室内機２０
室内機２０は屋内に設置され、冷熱または温熱をユーザに提供する。室内機２０は、室内膨張弁２１、室内熱交換器２２、室内冷媒温度センサ２６、室内気温センサ２９を有する。

（２−２−１）室内膨張弁２１
室内膨張弁２１は開度調整が可能な電動弁であり、必要に応じて冷媒の減圧をする。

（２−２−２）室内熱交換器２２
室内熱交換器２２は、空気と冷媒との熱交換を行うものである。室内熱交換器２２は、冷房運転の場合には蒸発機として機能する一方、暖房運転の場合には凝縮機として機能する。室内熱交換器２２には、熱交換の効率を向上させるために空気と室内熱交換器２２との接触を促す室内ファン２３が設けられている。

（２−２−３）室内冷媒温度センサ２６
室内冷媒温度センサ２６は室内熱交換器２２を流れる冷媒が相変化をする温度である室内冷媒相変化温度Ｔriを測定する。室内冷媒相変化温度Ｔriは、冷房運転の場合には冷媒の蒸発温度Ｔeであり、暖房運転の場合には冷媒の凝縮温度Ｔcである。

（２−２−４）室内気温センサ２９
室内気温センサ２９は、室内機２０が設置されている部屋の空気の温度、すなわち室温Ｔinを測定する。

（２−３）連絡配管３０
連絡配管３０は、室外機１０と室内機２０とを接続しており、液冷媒配管３１およびガス冷媒配管３２を有する。

（２−３−１）液冷媒配管３１
液冷媒配管３１は、室外機１０と室内機２０の間で液冷媒を移動させるための管路である。

（２−３−２）ガス冷媒配管３２
ガス冷媒配管３２は、室外機１０と室内機２０の間でガス冷媒を移動させるための管路である。

（２−４）操作パネル５１
図２に示す操作パネル５１は、ユーザによる運転設定の入力を受け取るためのものである。操作パネル５１は、室温Ｔinについて設定された目標温度Ｔin(target)、および配分値Ｐの設定値を受け取る。ここで、配分値Ｐとは、空気調和機１００のユーザにとっての、温度収束性と省エネルギー性の重要度の主観的または客観的な比率である。操作パネル５１は、典型的には室内機２０が設置される部屋の壁に設置されるが、代替的に、リモートコントローラ、室内機２０そのもの、またはその他の箇所に設置されてもよい。

（２−５）制御部５０
制御部５０は、室温制御機構４０の各種センサおよびアクチュエータを制御する。制御部５０は、温度取得部５３、空間特性パラメータ推定部５４、室温変化モデル保持部６２、室温軌道保持部６１、冷媒相変化温度計算部６３、制御計算部６４、エネルギー指数計算部６５、室温収束性指数計算部６６、室温軌道パラメータ計算部６７、空調制御部５８を有する。

（２−５−１）温度取得部５３
温度取得部５３は、各種温度センサの出力を含む信号を受け取り、ディジタルデータの温度情報として整える。それから、温度取得部５３は、温度情報を空間特性パラメータ推定部５４および室温軌道保持部６１へ送信する。

（２−５−２）空間特性パラメータ推定部５４
空間特性パラメータ推定部５４は、温度取得部５３から送られる温度情報を逐次、温度情報履歴として蓄積する。さらに、空間特性パラメータ推定部５４は、自身が保持する温度情報履歴の一部または全部に基づいて、後述する「空間特性パラメータ」を推定し、それらの推定値を室温変化モデル保持部６２へ送信する。

（２−５−３）室温変化モデル保持部６２
室温変化モデル保持部６２は、後述する「室温変化モデル」を保持している。また、室温変化モデル保持部６２は、空間特性パラメータ推定部５４より空間特性パラメータの値を受け取り、室温変化モデルの一部として保持する。

（２−５−４）室温軌道保持部６１
室温軌道保持部６１は、室温Ｔinについて設定された初期温度Ｔin(initial)および目標温度Ｔin(target)を受け取り、それらに基づいて形成した室温軌道Ｒ（ｔ、τ）保持する。室温軌道Ｒ（ｔ、τ）は、時間変数ｔと室温軌道パラメータτを有する関数である。ただし、室温軌道保持部６１は、室温軌道パラメータτについての情報を保持していない。

（２−５−５）冷媒相変化温度計算部６３
冷媒相変化温度計算部６３は、室温変化モデルに基づいて、室温制御機構４０において実現されるべき冷媒相変化温度軌道U（ｔ、τ）を算出する。冷媒相変化温度軌道U（ｔ、τ）とは、室内冷媒相変化温度Ｔriにおいて実現されるべき時間推移のことである。

（２−５−６）制御計算部６４
制御計算部６４は、冷媒相変化温度計算部６３が算出した冷媒相変化温度軌道U（ｔ、τ）を実現するような、各種アクチュエータの制御シーケンスを算出する。

（２−５−７）エネルギー指数計算部６５
エネルギー指数計算部６５は、制御計算部６４が算出した制御シーケンスに対応するエネルギー指数JE（ｔ、τ）を算出する。

（２−５−８）室温収束性指数計算部６６
室温収束性指数計算部６６は、室温軌道パラメータ計算部６７と情報を授受することにより室温収束性指数JD（ｔ、τ）を算出する。

（２−５−９）室温軌道パラメータ計算部６７
室温軌道パラメータ計算部６７は、エネルギー指数JE（ｔ、τ）と室温収束性指数JD（ｔ、τ）に基づいて、最適な室温軌道パラメータτを算出する。

（２−５−１０）空調制御部５８
空調制御部５８は、制御計算部６４の計算結果に基づいて、最適な室温軌道パラメータτを有する室温軌道Ｒ（ｔ、τ）を実現するように、室温制御機構４０の各種アクチュエータを制御する。空調制御部５８が制御するアクチュエータには、圧縮機１１、四路切換弁１２、室外ファン１４、室外膨張弁１５、室内膨張弁２１、室内ファン２３が含まれる。

（３）基本動作
（３−１）冷房運転
冷房運転の場合、図１に示す室温制御機構４０において、四路切換弁１２は実線で示す回路を構成する。

室外機１０において、圧縮機１１が矢印の方向に吐出した高圧ガス冷媒は、四路切換弁１２を経由して室外熱交換器１３へ進む。室外熱交換器１３において、高圧ガス冷媒は空気に熱を放出して凝縮し、高圧液冷媒となる。高圧液冷媒は室外膨張弁１５へ進む。室外膨張弁１５の開度は全開にされているので、高圧液冷媒はそのまま室外膨張弁１５を通過する。その後、高圧液冷媒は、室外機１０を出て、液冷媒配管３１を通過して室内機２０に入り、室内膨張弁２１へ進む。室内膨張弁２１の開度は適切に絞られているので、高圧液冷媒は室内膨張弁２１によって減圧されて、低圧気液二層冷媒になる。低圧気液二層冷媒は、室内熱交換器２２へ進む。室内熱交換器２２において、低圧気液二層冷媒は空気から熱を吸収し、室温Ｔinを低下させながら蒸発し、低圧ガス冷媒となる。低圧ガス冷媒は室内機２０を出て、ガス冷媒配管３２を通過して室外機１０に入る。その後、低圧ガス冷媒は、四路切換弁１２を経由して、圧縮機１１に吸入される。

（３−２）暖房運転
暖房運転の場合、図１に示す室温制御機構４０において、四路切換弁１２は破線で示す回路を構成する。

圧縮機１１が矢印の方向に吐出した高圧ガス冷媒は、四路切換弁１２を経由し、室外機１０から出て、ガス冷媒配管３２を通過して室内機２０に入り、室内熱交換器２２へ進む。室内熱交換器２２において、高圧ガス冷媒は空気へ熱を放出し、室温Ｔinを上昇させながら凝縮し、高圧液冷媒となる。高圧液冷媒は室内膨張弁２１へ進む。室内膨張弁２１の開度は全開にされているので、高圧液冷媒はそのまま室内膨張弁２１を通過する。その後、高圧液冷媒は、室内機２０を出て、液冷媒配管３１を通過して室外機１０に入り、室外膨張弁１５へ進む。室外膨張弁１５の開度は適切に絞られているので、高圧液冷媒は室外膨張弁１５によって減圧されて、低圧気液二層冷媒になる。低圧気液二層冷媒は、室外熱交換器１３へ進む。室外熱交換器１３において、低圧気液二層冷媒は空気から熱を吸収して蒸発し、低圧ガス冷媒となる。低圧ガス冷媒は、四路切換弁１２を経由して、圧縮機１１に吸入される。

（４）室温制御動作
（４−１）室温変化モデルおよび空間特性パラメータ
図３は、本発明に係る空気調和機１００の室温変化モデル保持部６２が想定する室温変化モデルを示す。部屋７０は壁７１によって外部空間と隔てられている。室外機１０は部屋７０の外に設置され、室内機２０は部屋７０の中に設置されている。部屋７０は熱容量Ｃ［Ｊ／Ｋ］を有している。室温はＴin［℃］であり、室外気温はＴout［℃］である。部屋７０の中には、家電製品、電子機器、または人間などの熱源７２が存在する。

室温Ｔinは、内部負荷Ｌin［Ｗ］、外部負荷Ｌout［Ｗ］、空調能力Ｑ［Ｗ］によって上昇させられる。内部負荷Ｌinとは、熱源７２が単位時間当たりに発する熱量を意味する。外部負荷Ｌoutとは、外部空間から部屋７０の中へ流入する単位時間当たりの熱量を意味する。空調能力Ｑとは、室内機２０が放出する単位時間当たりの熱量を意味する。空気調和機１００の冷房運転において空調能力Ｑは負数になり、暖房運転において空調能力Ｑは正数になる。この室温変化モデルは、室温変化率ｄＴin／ｄｔを用いて下記の数式で表される。

この室温変化モデルで用いられるパラメータ、すなわち熱容量Ｃ、内部負荷Ｌin、外部負荷Ｌoutを、本願では空間特性パラメータと総称する。

次に、外部負荷Ｌoutおよび空調能力Ｑを別の表現に書き換える。

外部負荷Ｌoutは、下記の数式で表すことができる。

ここで、Ｋ［Ｗ／ｍ2・Ｋ］は部屋の壁の熱貫流率である。Ａw［ｍ2］は部屋７０の壁面積である。

空調能力Ｑは、下記の数式で表すことができる。

ここで、γは室内機２０によって起こされる風量の強さを示す風量指数である。Ｔri［℃］は室内熱交換器２２における室内冷媒相変化温度である。

以上の書き換えにより、室温変化モデルは下記の数式で表すことができる。

すなわち、熱容量Ｃ、内部負荷Ｌin、熱貫流率Ｋ、壁面積Ａw、室外気温Ｔoutが把握できれば、採用できる室温Ｔinの推移と、それを実現する風量指数γ、室内冷媒相変化温度Ｔriの可能な組み合わせが得られる。

（４−２）室温軌道Ｒ（ｔ、τ）
制御回路６０の目的は、室内気温センサ２９によって検出される室温Tinの時間推移を、室温軌道Ｒ（ｔ、τ）に合致させることである。前述のとおり、室温軌道Ｒ（ｔ、τ）は、時間変数ｔと室温軌道パラメータτを有する関数である。関数はどのようなものであってもよい。室温軌道Ｒ（ｔ、τ）の一例は、下記の式で表される指数関数である。

ここで、Ｔin(initial)［℃］は初期室温であり、例えば、制御部５０が室温軌道Ｒを設定する時点における室温Ｔinである。Ｔin(target)［℃］はユーザによって設定された室温Ｔinの目標温度である。室温軌道パラメータτは時間推移の時定数［分］である。当然ながら、室温軌道Ｒ（ｔ、τ）として指数関数以外の関数を採用する場合には、室温軌道パラメータτは時定数以外のパラメータであってよい。

図４は、この数式で定義される室温軌道Ｒ（ｔ、τ）に基づく冷房運転時における、三種類の時定数τ１、τ２、τ３（τ１＜τ２＜τ３）に相当する室温軌道Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３を示す。室温軌道Ｒ１は、室温Ｔinが目標温度Ｔin(target)に近づくまでの時間が速いので、最も良好な温度収束性を示す。一方、室温軌道Ｒ３は、室温Ｔinが目標温度Ｔin(target)に近づくまでの時間が長いので、空気調和機１００の消費エネルギーの節約に最も寄与する。

図６は、この数式で定義される室温軌道Ｒ（ｔ、τ）に基づく暖房運転時における、三種類の時定数τ１、τ２、τ３（τ１＜τ２＜τ３）に相当する室温軌道Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３を示す。初期室温Ｔin(initial)［℃］が目標温度Ｔin(target)［℃］よりも低い点で冷房運転時と異なるが、室温Ｔinの時間推移は、冷房運転の場合について上述した数式と同一数式として表される。

（４−３）冷媒相変化温度軌道Ｕ（ｔ、τ）の算出
図２に示す冷媒相変化温度計算部６３は、室温変化モデルと室温軌道Ｒ（ｔ、τ）に基づいて、室温制御機構４０において実現されるべき冷媒相変化温度軌道U（ｔ、τ）を算出する。室温変化モデルと室温軌道Ｒ（ｔ、τ）から冷媒相変化温度軌道U（ｔ、τ）を算出する具体的な計算方法は、どのようなものであってもよい。

図５は、冷房運転時における三つの冷媒相変化温度軌道Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３を示している。冷媒相変化温度軌道Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３は、実現すべき室内冷媒相変化温度Ｔriの時間推移を意味する。冷房運転において、室内冷媒相変化温度Ｔriは、室内熱交換器２２における冷媒の蒸発温度Ｔeを意味する。

冷媒相変化温度軌道Ｕ１が用いられる場合、蒸発温度Ｔeは、蒸発温度目標値Ｔesに初めから達している。一方、冷媒相変化温度軌道Ｕ２、Ｕ３が用いられる場合、蒸発温度Ｔeは、より低い温度から蒸発温度目標値Ｔesへ漸近していく。空調開始時刻ｔ0からしばらくの間、冷媒相変化温度軌道Ｕ２、Ｕ３の蒸発温度Ｔeが蒸発温度目標値Ｔesよりも低く設定されることにより、冷媒相変化温度軌道Ｕ１が採用される場合と比較して消費エネルギーの節約を図ることができる。

図７は、暖房運転時における三つの冷媒相変化温度軌道Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３を示している。ここでも、冷媒相変化温度軌道Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３は、実現すべき室内冷媒相変化温度Ｔriの時間推移を意味する。暖房運転において、室内冷媒相変化温度Ｔriは、室内熱交換器２２における冷媒の凝縮温度Ｔcを意味する。暖房運転において冷媒相変化温度軌道Ｕ２、Ｕ３が用いられる場合、凝縮温度Ｔcは凝縮温度目標値Ｔcsに漸近するように制御される。

（４−４）室温軌道パラメータτの決定
最適な室温軌道パラメータτの決定は、図２に示すエネルギー指数計算部６５、室温収束性指数計算部６６、室温軌道パラメータ計算部６７によって行われる。

まず、エネルギー指数計算部６５が、次式にしたがってエネルギー指数ＪE（τ）を算出する。

ここで、E(ｔ、τ)は、特定の室温軌道パラメータτにおける、各種アクチュエータの消費電力の総和の時間関数である。エネルギー指数ＪEは値が大きいほど多くのエネルギーを消費することを意味する。

次に、室温収束性指数計算部６６が、次式にしたがって室温収束性指数ＪD（τ）を算出する。

室温収束性指数ＪDは値が大きいほど室温Tinの収束に時間を要することを意味する。

次に、室温軌道パラメータ計算部６７が、次式にしたがって評価関数Ｊ（τ、Ｐ）を算出する。

ここで、係数ｍは定数である。配分値Ｐは、ユーザが操作パネル５１を用いて設定する値であり、大きいほど室温収束性よりも省エネルギー性を重視することを意味する。

次いで、室温軌道パラメータ計算部６７は、設定された配分値Ｐについて、あらゆる室温軌道パラメータτの値に対する評価関数Ｊ（τ、Ｐ）の値を算出することによって、評価関数Ｊ（τ、Ｐ）の形状を調べる。次いで、評価関数Ｊ（τ、Ｐ）の値を最小にする室温軌道パラメータτが決定される。

この構成によれば、室温軌道Ｒの設定者は、室温収束性と省エネルギー性の配分値Ｐという直感的な量さえ決定すれば、室温軌道パラメータτという値を直接的に決定する必要がない。

（４−５）室温制御機構４０の制御
図２に示す空調制御部５８は、室温軌道パラメータ計算部６７によって決定された室温軌道パラメータτについての室温軌道Ｒ（ｔ、τ）に相当する冷媒相変化温度軌道Ｕが実現されるように、室温制御機構４０の各種アクチュエータを制御する。

例えば、空調制御部５８は、圧縮機１１のモータの回転速度の時間推移を制御してもよい。加えて、空調制御部５８は、室内ファン２３の回転速度の時間推移をも制御してもよい。さらに、空調制御部５８は、室内膨張弁２１および室外膨張弁１５の少なくとも一方の開度の時間推移をも制御してもよい。

（５）空間特性パラメータの推定
図２の空間特性パラメータ推定部５４は、図３の室温変化モデルで用いられる空間特性パラメータ、すなわち、熱容量Ｃ、内部負荷Ｌin、外部負荷Ｌoutを以下の要領で推定する。

（５−１）温度情報の取得
空間特性パラメータ推定部５４は、温度取得部５３を介して温度情報を繰り返し取得し、温度情報履歴として蓄積する。ｎ番目の温度情報ｘ［ｎ］は、例えば４つの要素を有する下記のベクトルで表すことができる。

ここで、Ｔinは室温であり、ｄＴin／ｄｔは室温変化率であり、Ｔoutは室外気温であり、Ｔriは内部冷媒相変化温度である。

（５−２）多変数最小二乗法の実行
次に、空間特性パラメータ推定部５４は、蓄積した温度情報履歴の中から引き出した直近のＭ個の温度情報ｘ［ｎ］（１≦ｎ≦Ｍ）につき、多変数最小二乗法を実行する。

具体的には、まず空間特性パラメータ推定部５４は、Ｍ個の温度情報ｘ［ｎ］について、下記の数式で表される値ｆ（ｘ［ｎ］）を計算する。

次いで、空間特性パラメータ推定部５４は、下記の数式で表される二乗和Ｓを計算する。

最後に、空間特性パラメータ推定部５４は、二乗和Ｓを最小にするような解を求めることにより、空間特性パラメータ、すなわち熱容量Ｃ、内部負荷Ｌin、外部負荷Ｌoutを推定する。当然ながら、推定された外部負荷Ｌoutの値を、設定者によってあらかじめ決定された壁面積Ａwの値を用いて、熱貫流率Ｋに換算することも可能である。推定した空間特性パラメータは室温変化モデル保持部６２に送られ、室温変化モデルの作成または更新に利用される。

（６）特徴
（６−１）
空気調和機１００は、熱容量Ｃを含む空間特性パラメータを、温度情報ｘ［ｎ］から推定する。したがって、空間特性パラメータを考慮することにより、室温Ｔinの制御をより望ましいものにできる。

（６−２）
空気調和機１００では、Ｍ個という複数の温度情報ｘ［ｎ］が取得される。したがって、空間特性パラメータの推定において、精度が向上する。

（６−３）
室温Ｔin、室温変化率ｄＴin／ｄｔ、室外温度Ｔout、および室内冷媒相変化温度Ｔriという４種類の要素の数値が利用される。したがって、空間特性パラメータの推定において、精度がより向上する。

（６−４）
室温変化モデルは、熱容量Ｃ、内部負荷Ｌin、および外部負荷Ｌoutを含む。したがって、空間特性パラメータ推定部５４が、熱容量Ｃのみならず、内部負荷Ｌin、および外部負荷Ｌoutをも推定するので、空気調和機１００の制御の精度が改善される。

（６−５）
空間特性パラメータ推定部５４は、熱貫流率Ｋを推定する。したがって、熱貫流率Ｋの推定値の妥当性を、建築材料に関するデータなどと比較して検証しやすい。

（６−６）
空気調和機１００は、室温軌道Ｒを実現するための空調能力Ｑを風量指数γに換算できる。したがって、行うべきファン制御を、風量指数γから知ることができる。

（６−７）
空気調和機１００では、望ましい過渡的推移を表現する室温軌道Ｒが、室温変化モデルおよび空間特性パラメータを考慮することによって実現される。したがって、室温Ｔinの時間推移をより望ましいものにできる。

（６−８）
空間特性パラメータの推定には多変数最小二乗法が用いられる。したがって、適切な空間特性パラメータを効率よく算出できる。

（７）変形例
（７−１）空間特性パラメータの更新処理
上述の実施形態では、室温変化モデル保持部６２が保持する室温変化モデルの中の空間特性パラメータを、空間特性パラメータ推定部５４が新たに推定した値で単に上書きすることにより、空間特性パラメータの更新が行われる。これに代えて、毎回の更新において、空間特性パラメータごとに個々に異なる変動感度を設定することによって、一部の空間特性パラメータの値の変動を緩慢にしてもよい。

この構成によれば、大きく変動しうる内部負荷Ｌinと比較してあまり変動しないはずの熱容量Ｃおよび外部負荷Ｌoutに関し、大きく変動した推定値が算出された場合に、その変動を抑制して制御を安定させることができる。

熱容量Ｃの変動、および、外部負荷Ｌoutに関連する熱貫流率Ｋの変動を緩慢にする制御の一例を、図８〜図１０のフローチャートを参照して以下に説明する。

図８は［Ｃ、Ｋの連続更新］メインルーチンである。ステップＳ１０において、メインルーチンが開始される。ステップＳ１１でカウンタ変数ｉが初期値を設定される。ステップＳ１２において（ｉ＋１）番目の推定が開始される時点では、温度取得部５３が保持する室温変化モデルには、前回のＣの推定値Ｃi、および前回のＫの推定値Ｋiが設定されている。ステップＳ１３で［温度情報の取得］サブルーチンが呼び出される。図９の［温度情報の取得］サブルーチンでは、「（５−１）温度情報の取得」で上述したように、Ｍ個の温度情報ｘ［ｎ］（１≦ｎ≦Ｍ）が取得される（ステップＳ２０〜Ｓ２５）。次いで、図８のステップＳ１４で［Ｃ、Ｋの仮計算］サブルーチンが呼び出される。図１０の［Ｃ、Ｋの仮計算］サブルーチンでは、「（５−２）多変数最小二乗法の実行」で上述したように、多変数最小二乗法を用いてＣの仮推定値Ｃapprox、およびＫの仮推定値Ｋapproxが算出される（ステップＳ３１〜Ｓ３４）。次いで、図８のステップＳ１５で、補正処理が行われる。この補正処理でおよび、前回の推定値Ｃi、Ｋiを用いて、以下の数式に従って仮推定値Ｃapprox、Ｋapproxの補正を行う。

ここで、αCは熱容量補正係数であり、αKは熱貫流率補正係数である、これらの補正係数を小さくするほど、変動は緩慢になる。ステップＳ１６において、補正後のＣi+1、Ｋi+1を（ｉ＋１）番目の正式な推定値とし、これらによって、室温変化モデルに組み込まれている前回の推定値Ｃi、Ｋiを上書き更新する。ステップＳ１７において、（ｉ＋１）番目の推定を終了する。ステップＳ１８でカウンタ変数ｉをインクリメントし、ステップＳ１２へ戻る。

（７−２）温度情報ｘ［ｎ］の取得の時期
上述の実施形態では、温度取得部５３は、室温制御機構４０の運転中に温度情報ｘ［ｎ］を取得することを想定している。これに代えて、温度取得部５３は、室温制御機構４０の停止中に温度情報ｘ［ｎ］を取得してもよい。この構成によれば、長らく空気調和動作を行っていない期間の後でも、空気調和機１００は適切な制御を行うことができる。

（７−３）推定される空間特性パラメータ
上述の実施形態によれば、空間特性パラメータ推定部５４が推定する空間特性パラメータは、熱容量Ｃ、内部負荷Ｌin、外部負荷Ｌoutの３つ、またはこれらに熱貫流率Ｋを加えた４つである。

熱貫流率Ｋに代えて、空間特性パラメータ推定部５４は、前記熱貫流率と前記壁面積の積ＫＡwを推定してもよい。このとき、設定者が壁面積Ａwの値をあらかじめ決定する必要はない。

さらに、空間特性パラメータ推定部５４は、これまでに述べたパラメータ以外のパラメータ、または、５以上の個数のパラメータを推定してもよい。

これらの構成によれば、空気調和の目的に応じて、より適した室温変化モデルに依拠した制御を行うことができる。

（７−４）配分値Ｐの設定者
配分値Ｐの設定は、ユーザではなく、空気調和機１００の施工者または製造者が行っても良い。そのような設定方法に合致させるため、操作パネル５１は、室内機２０の内部またはリモートコントローラの内部のように、ユーザの手が届かない領域に設置されてもよい。あるいは、配分値Ｐの設定は、ユーザが使用しないサービスマン・モードにおいて行われてもよい。

（７−５）制御部５０の構成
上述の実施形態では、制御部５０は図２に示す構造を有していたが、制御部５０の構成として、これ以外の様々な態様が採用可能である。例えば、室温変化モデルから冷媒相変化温度軌道Ｕを計算する工程を経ることなく、直接的に室温制御機構４０の各種アクチュエータの制御シーケンスが算出されてもよい。

さらに、例えば、温度取得部５３、空間特性パラメータ推定部５４、室温変化モデル保持部６２、室温軌道保持部６１、冷媒相変化温度計算部６３、制御計算部６４、エネルギー指数計算部６５、室温収束性指数計算部６６、室温軌道パラメータ計算部６７は、別個のハードウェアである必要はない。すなわち、プログラムを格納した共通のメモリと共通のＣＰＵとによって、これらの一部または全部を構成してもよい。
＜第２実施形態＞
（１）構成
本発明の第２実施形態に係る空気調和機１００Ａは、図１１に示す室温制御機構４０Ａを有する。室温制御機構４０Ａは、２台の室内機２０ａ、２０ｂを有する点で第１実施形態と異なる。

（２）特徴
この実施形態によれば、第１実施形態について説明した精度のよい制御を、２台の室内機のそれぞれについて別個に行うことができる。

（３）変形例
（３−１）
第１実施形態の各変形例を第２実施形態に適用してもよい。

（３−２）
上述の実施形態では、室温制御機構４０Ａは、２台の室内機２０ａ、２０ｂを有する。これに代えて、室温制御機構４０Ａは、３台以上の室内機を有してもよい。

１０ ：室外機
２０、２０ａ、２０ｂ ：室内機
３０ ：連絡配管
４０、４０Ａ ：室温制御機構
５０ ：制御部
６０ ：制御回路
７０ ：部屋
１００、１００Ａ：空気調和機
Ｃ ：熱容量
Ｊ ：評価関数
Ｋ ：熱貫流率
Ｌin ：内部負荷
Ｌout ：外部負荷
Ｐ ：配分値
Ｑ ：空調能力
Ｒ ：室温軌道
Ｓ ：二乗和
Ｔc ：凝縮温度
Ｔcs ：凝縮温度目標値
Ｔe ：蒸発温度
Ｔes ：蒸発温度目標値
Ｔin ：室温
Ｔout ：室外気温
Ｔri ：室内冷媒相変化温度
Ｔro ：室外冷媒相変化温度
Ｕ ：冷媒相変化温度軌道

特開２００２−１４７８２３号公報

Claims (10)

1. 冷媒を循環させる管路（３０）を有し、部屋（７０）の室温（Ｔin）を制御する室温制御機構（４０）と、
   温度情報（ｘ［ｎ］）を繰り返し取得する温度取得部（５３）と、
   取得された複数の前記温度情報を用いて、前記部屋に関する空間特性パラメータを推定する空間特性パラメータ推定部（５４）と、
   を備え、
   前記空間特性パラメータは、前記部屋の熱容量（Ｃ）を含む、
   空気調和機（１００）。
2. 複数の前記温度情報のうちのｎ番目のもの（ｘ［ｎ］）は、１つまたは複数の要素を有するベクトルであり、
   前記要素は、
   前記室温（Ｔin）、
   室温変化率（ｄＴin／ｄｔ）、
   室外温度（Ｔout）、および
   室内冷媒相変化温度（Ｔri）、
   のうちの一部を含み、
   前記室内冷媒相変化温度（Ｔri）は、冷房運転の場合には前記冷媒の蒸発温度（Ｔe）であり、暖房運転の場合には前記冷媒の凝縮温度（Ｔc）である、
   請求項１に記載の空気調和機。
3. 複数の前記温度情報のうちの前記ｎ番目のもの（ｘ［ｎ］）は、前記室温（Ｔin）、前記室温変化率（ｄＴin／ｄｔ）、前記室外温度（Ｔout）、および前記室内冷媒相変化温度（Ｔri）の全部を含む前記要素を有することによって、
   

   

   という数式でベクトルとして表される、
   請求項２に記載の空気調和機。
4. 前記空間特性パラメータは、前記熱容量（Ｃ）のほか、さらに、内部負荷（Ｌin）および外部負荷（Ｌout）を含む、
   請求項１から３のいずれか１つに記載の空気調和機。
5. 前記外部負荷（Ｌout）は、
   

   

   の数式で表され、ここで、Ａwは前記部屋の壁面積であり、Ｋは前記部屋の熱貫流率であり、
   前記空間特性パラメータは、さらに前記熱貫流率（Ｋ）、または前記熱貫流率と前記壁面積の積（ＫＡw）を含む、
   請求項４に記載の空気調和機。
6. 空調能力（Ｑ）を変化させるように前記室温制御機構を制御する空調制御部（５８）、
   をさらに備え、
   前記室温制御機構は、圧縮機（１１）、電動弁（１５、２１）、およびファン（２３）をさらに有し、
   前記空調能力（Ｑ）は、
   

   

   の数式で表され、ここで、γは風量指数であり、Ｔriは室内冷媒相変化温度であり、
   前記室内冷媒相変化温度（Ｔri）は、冷房運転の場合には前記冷媒の蒸発温度（Ｔe）であり、暖房運転の場合には前記冷媒の凝縮温度（Ｔc）であり、
   前記空調制御部は、前記空調能力（Ｑ）を生み出すような前記風量指数（γ）および前記室内冷媒相変化温度（Ｔri）を算出し、前記風量指数（γ）に従って前記ファンを制御するとともに、前記室内冷媒相変化温度（Ｔri）に従って前記圧縮機または前記電動弁を制御する、
   請求項４または請求項５に記載の空気調和機。
7. 室温変化モデルを保持する室温変化モデル保持部（６２）、
   をさらに備え、
   前記室温変化モデルは次の数式で表され、
   

   

   ここで、Ｔinは前記室温であり、ｄＴin／ｄｔは室温変化率であり、
   前記空調制御部は、前記室温変化モデル保持部の出力に基づいて前記室温制御機構を制御する、
   請求項６に記載の空気調和機。
8. 前記空間特性パラメータ推定部は、多変数最小二乗法によって前記空間特性パラメータを推定し、
   前記多変数最小二乗法では、１≦ｎ≦Ｍであるｎについて、
   

   

   で表される値（ｆ（ｘ［ｎ］））を計算し、
   次いで、
   

   

   の数式で表される二乗和（Ｓ）を計算し、
   前記二乗和を最小にするように前記空間特性パラメータが推定される、
   請求項５から７のいずれか１つに記載の空気調和機。
9. 前記空間特性パラメータ推定部は、前記空間特性パラメータに含まれる前記熱容量Ｃiおよび前記熱貫流率Ｋiを推定するｉ回目の推定を行い、それから所定期間の経過後、更新された熱容量Ｃi+1および更新された熱貫流率Ｋi+1を推定する（ｉ＋１）回目の推定を行い、
   前記（ｉ＋１）回目の推定においては、
   まず、前記空間特性パラメータ推定部は、前記多変数最小二乗法によって前記空間特性パラメータに含まれる前記熱容量Ｃapproxおよび前記熱貫流率Ｋapproxを算出する仮計算処理を行い、
   次いで、前記空間特性パラメータ推定部は、
   

   

   および
   

   

   の数式によって補正処理を行い、ここで、αCは熱容量補正係数であり、αKは熱貫流率補正係数である、
   請求項８に記載の空気調和機。
10. 前記温度取得部は、前記室温制御機構の停止中に前記温度情報を取得する、
    請求項１から９のいずれか１つに記載の空気調和機。

Images