JP2017072299A - 空気調和機 - Google Patents

Abstract

【課題】ユーザが把握しやすい数値に基づいて、部屋の熱容量を含むいくつかの数値を概算し、それを用いてよりよい制御を行うこと。【解決手段】空気調和機１００は、室温制御機構と、第１室内機２０ａと、入力手段５１ａと、空間特性パラメータ推定部５４と、を備える。室温制御機構は、冷媒を循環させる管路を有し、部屋の室温Ｔinを制御する。第１室内機２０ａは、室温制御機構の一部を含み、部屋に設置される。入力手段５１ａは、外部から入力情報を受け取る。空間特性パラメータ推定部５４は、入力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。【選択図】図３

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、ユーザが把握しやすい数値に基づいて、部屋の熱容量を含むいくつかの数値を概算し、それを用いて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、第１室内機と、入力手段と、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。第１室内機は、室温制御機構の一部を含み、部屋に設置される。入力手段は、外部から入力情報を受け取る。空間特性パラメータ推定部は、入力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入力情報から推定する。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、熱容量が、

の数式で表される。Ｃuは空気の単位体積あたりの熱容量である。Ｖは部屋の容積である。

この構成によれば、熱容量の推定値は空気の単位体積あたりの熱容量を用いて算出される。したがって、空気の単位体積あたりの熱容量を記憶しておくことにより、部屋の容積に応じた熱容量の推定値を算出できる。

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、容積が、

の数式で表される。Ａfは部屋の床面積である。Ｈは部屋の壁の高さである。入力情報は、床面積および高さを含む。

この構成によれば、床面積および高さの値が入力される。したがって、入力されたこれらの値に応じた熱容量の値が推定できる。

本発明の第４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、室温制御機構が、さらに第１室内機に隣接して部屋に設置される第２室内機を有する。容積は、

の数式で表さる。Ｈは部屋の壁の高さである。Ｌ1、Ｌ2、Ｌ3、Ｌ4はいずれも、直交する四方向のそれぞれにおける第１室内機の担当距離である。第１室内機の担当距離とは、第１室内機から部屋の壁までの距離、および、第１室内機から第２室内機までの間隔の半分の距離のうち、短いものを意味する。入力情報は、四方向のそれぞれにおける第１室内機の担当距離、および高さを含む。

この構成によれば、第１室内機が空気調和を担当する空間の大きさが入力される。したがって、当該担当空間の大きさを考慮した熱容量Ｃの値が推定できる。

本発明の第５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、第２室内機をさらに備える。第２室内機は、室温制御機構の一部を含み、第１室内機に隣接して部屋に設置される。容積は、

の数式で表される。πは円周率である。Ｉは第１室内機と第２室内機との間隔である。αは補正係数である。Ｈは部屋の壁の高さである。入力情報は、間隔および高さを含む。

この構成によれば、熱容量の推定に用いる入力すべき数値の数が少ない。したがって、部屋に関する数値の入力作業が容易になる。

本発明の第６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、入力情報が、３次元ＣＡＤのデータまたはＢＩＭデータを含む建物構造データを含んでいる。容積は、建物構造データから算出される。

この構成によれば、入力手段は、建物構造データを受け取る。したがって、熱容量Ｃの推定のために、建物の設計に用いたデータを利用できる。

本発明の第７観点に係る空気調和機は、第１観点から第６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、熱容量に加えて、内部負荷および外部負荷が推定される。したがって、室温の制御をより精度よく実施できる。

本発明の第８観点に係る空気調和機は、第７観点に係る空気調和機において、内部負荷が、

の数式で表される。Ｎpは部屋の中にいる人間の人数である。Ｑpは部屋の中にいる人間の１人あたりかつ単位時間あたりの発熱量である。Ｎeは部屋の中にある電子機器の台数である。Ｑeは部屋の中にある電子機器の１台あたりかつ単位時間あたりの発熱量である。入力情報は、人数および台数を含む。

この構成によれば、入力した情報に基づいて内部負荷Ｌinが決定される。したがって、空気調和機は、内部負荷を考慮した制御を行うことができる。

本発明の第９観点に係る空気調和機は、第７観点または第８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。Ａwは部屋の壁面積である。Ｋは部屋の壁の熱貫流率である。入力情報は、部屋の建物種類の指定および壁面積を含む。熱貫流率は、指定に係る建物種類に従って決定される定数である。

この構成によれば、入力した情報に基づいて外部負荷が決定される。したがって、空気調和機は、外部負荷を考慮した制御を行うことができる。

本発明の第１０観点に係る空気調和機は、第７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、室温変化モデル保持部と、空調制御部と、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。空調制御部は、室温軌道を実現するように空調能力を変化させるために、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。室温変化モデルは次の式で表される。

Ｔinは室温である。ｄＴin／ｄｔは室温変化率である。

この構成によれば、室温軌道を実現するのに適した室温変化モデルの具体例が示される。

本発明の第１１観点に係る空気調和機は、第１０観点に係る空気調和機において、室温制御機構が、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。γは風量指数である。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し、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を風量指数および室内冷媒相変化温度に換算できる。したがって、ファンの制御の内容を風量指数から決定し、圧縮機または電動弁の制御の内容を、室内冷媒相変化温度から決定できる。

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観点に係る空気調和機は、部屋の容積Ｖに応じた熱容量Ｃの推定値を算出できる。

本発明の第３観点に係る空気調和機は、入力された値に応じた熱容量Ｃの値が推定できる。

本発明の第４観点に係る空気調和機は、担当空間の大きさを考慮した熱容量Ｃの値が推定できる。

本発明の第５観点に係る空気調和機は、部屋に関する数値の入力作業が容易になる。

本発明の第６観点に係る空気調和機は、熱容量の推定のために、建物の設計に用いたデータを利用できる。

本発明の第７観点に係る空気調和機は、室温の制御をより精度よく実施できる。

本発明の第８観点に係る空気調和機は、内部負荷を考慮した制御を行うことができる。

本発明の第９観点に係る空気調和機は、外部負荷を考慮した制御を行うことができる。

本発明の第１０観点に係る空気調和機は、室温軌道を実現するのに適した室温変化モデルの具体例を示す。

本発明の第１１観点に係る空気調和機は、ファンの制御の内容を風量指数から決定し、圧縮機または電動弁の制御の内容を、室内冷媒相変化温度から決定できる。

本発明の一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。 本発明の一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。 制御回路６０のうち、第１室内機２０ａの制御に関連する箇所を示す模式図である。 本発明の一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。 変形例Ａに係る熱貫流率Ｋのテーブルである。 変形例Ｂに係る第１室内機２０ａおよび第２室内機２０ｂの配置を示す模式図である。 変形例Ｃに係る複数の室内機の模式図である。

（１）全体構成
本発明に係る空気調和機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、第１室内機２０ａ、第２室内機２０ｂ、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、第１室内機制御部５０ａ、第２室内機制御部５０ｂ、および第１操作パネル５１ａ、第２操作パネル５１ｂ、室外機制御部５９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）第１室内機２０ａ
第１室内機２０ａは屋内に設置され、冷熱または温熱をユーザに提供する。第１室内機２０ａ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、第１室内機２０ａ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）第２室内機２０ｂ
第２室内機２０ｂは、第１室内機２０ａに隣接して同じ部屋に設置されるか、または、第１室内機２０ａと同一の建築物の別の部屋に設置される。第２室内機２０ｂは、第１室内機２０ａと同様の内部構成を有する。

（２−４）連絡配管３０
連絡配管３０は、室外機１０、第１室内機２０ａ、および第２室内機２０ｂ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。

（２−４−１）液冷媒配管３１
液冷媒配管３１は、室外機１０と第１室内機２０ａの間、および室外機１０と第２室内機２０ｂの間で液冷媒を移動させるための管路である。

（２−４−２）ガス冷媒配管３２
ガス冷媒配管３２は、室外機１０と第１室内機２０ａの間、および室外機１０と第２室内機２０ｂの間でガス冷媒を移動させるための管路である。

（２−５）第１操作パネル５１ａ
図２に示す第１操作パネル５１ａは、第１室内機２０ａの運転に関する設定の入力を受け取るためのものである。第１操作パネル５１ａ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。第１操作パネル５１ａは、典型的には第１室内機２０ａ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、第１室内機２０ａそのもの、またはその他の箇所に設置されてもよい。

（２−６）第２操作パネル５１ｂ
第２操作パネル５１ｂは、第２室内機２０ｂの運転に関する設定の入力を受け取るためのものである。第２操作パネル５１ｂは、第１操作パネル５１ａと同様の内部構成を有する。

（２−７）第１室内機制御部５０ａ
図２に示す第１室内機制御部５０ａは、室温制御機構４０のうち、第１室内機２０ａに関する各種センサおよびアクチュエータを制御する。図３に示すように、第１室内機制御部５０ａ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。

（２−７−１）温度取得部５３
温度取得部５３は、第１室内機２０ａの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、温度情報を室温軌道保持部６１へ送信する。

（２−７−２）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、第１操作パネル５１ａから受け取った入力情報に基づいて、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。

（２−７−３）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。

（２−７−４）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。

（２−７−５）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。

（２−７−６）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。

（２−７−７）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。

（２−７−８）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。

（２−７−９）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。

（２−７−１０）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、室内膨張弁２１、室内ファン２３が含まれる。空調制御部５８からは、室外機制御部５９とデータを授受するためのデータ線ＤＬａが延びている。

（２−８）第２室内機制御部５０ｂ
図２に戻り、第２室内機制御部５０ｂは、室温制御機構４０のうち、第２室内機２０ｂに関する各種センサおよびアクチュエータを制御する。第２室内機制御部５０ｂは、第１室内機制御部５０ａと同様の内部構成を有する。第２室内機制御部５０ｂからは、室外機制御部５９とデータを授受するためのデータ線ＤＬｂが延びている。

（２−９）室外機制御部５９
室外機制御部５９は、第１室内機２０ａおよび第２室内機２０ｂの両方の制御が総合的に適切になるように、室温制御機構４０のうち、室外機１０に関する各種センサおよびアクチュエータを制御する。室外機制御部５９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。以下の説明において、第１室内機２０ａの動作のみを説明し、第２室内機２０ｂの動作についての説明は省略する。

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を通過して第１室内機２０ａ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。低圧ガス冷媒は第１室内機２０ａ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。以下の説明において、第１室内機２０ａの動作のみを説明し、第２室内機２０ｂの動作についての説明は省略する。

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を通過して第１室内機２０ａ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、第１室内機２０ａ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
以下、第１室内機制御部５０ａによる室温制御の詳細について説明する。第２室内機制御部５０ｂもまた、第１室内機制御部５０ａと同様の室温制御を行う。以下の説明では、第２室内機制御部５０ｂに関する事項は省略する。

（４−１）室温変化モデルおよび空間特性パラメータ
図４は、第１室内機制御部５０ａ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、第１室内機２０ａ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、第１室内機２０ａ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は第１室内機２０ａ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、第１室内機制御部５０ａまたは第２室内機制御部５０ｂ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５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５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３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６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８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。

（４−３）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３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。

（４−４）室温制御機構４０の制御
図３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、室内ファン２３の回転速度の時間推移、または、室内膨張弁２１の開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、データ線ＤＬａを経由して、圧縮機１１のモータの回転速度の時間推移、または、室外膨張弁１５の開度の時間推移を制御してもよい。

（５）空間特性パラメータの推定
図３の空間特性パラメータ推定部５４は、図４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）熱容量Ｃの推定
熱容量Ｃは、下記の数式で算出される。

ここで、Ｃuは空気の単位体積あたりの熱容量であり、Ｃu＝１．２３５［ｋＪ／ｍ3・Ｋ］である。また、Ｖ［ｍ3］は第１室内機２０ａが空気調和を担当する空間の容積であり、典型的には部屋の容積である。

容積Ｖは、下記の数式で表される。

ここで、Ａf［ｍ2］は部屋７０の床面積である。また、Ｈ［ｍ］は部屋７０の壁の高さである。

空間特性パラメータ推定部５４は、空気の単位体積あたりの熱容量Ｃuの値を予め記憶する。床面積Ａfおよび壁の高さＨは、ユーザが第１操作パネル５１ａから入力する。これにより、空間特性パラメータ推定部５４は熱容量Ｃを上述の２つの数式から推定できる。

（５−２）内部負荷Ｌinの推定
図４に示す熱源７２がＮp［人］の人間およびＮe［台］の電子機器から構成される場合、内部負荷Ｌinは、下記の数式で算出される。

ここで、Ｑp［Ｊ／分・人］は部屋の中にいる人間の１人あたりかつ単位時間あたりの発熱量である。Ｑe［Ｊ／分・台］は部屋の中にある電子機器の１台あたりかつ単位時間あたりの発熱量である。

空間特性パラメータ推定部５４は、ＱpおよびＱeの値を予め記憶する。これらの値は、例えば実験により経験的に得られてもよい。人数Ｎpおよび台数Ｎeは、ユーザが第１操作パネル５１ａから入力する。これにより、空間特性パラメータ推定部５４は内部負荷Ｌinを上述の数式から推定できる。

（５−３）外部負荷Ｌoutの推定
外部負荷Ｌoutは、下記の数式で算出される。

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

壁面積Ａwは、ユーザが第１操作パネル５１ａから入力する。

空間特性パラメータ推定部５４は、図９に示す熱貫流率の値のテーブルを保持している。ユーザが第１操作パネル５１ａから建物種類ＴＢを指定することにより、その指定に係る建物種類ＴＢに対応する熱貫流率Ｋの値が得られる。これにより、空間特性パラメータ推定部５４は内部負荷Ｌinを上述の数式から推定できる。

（６）特徴
（６−１）
空気調和機１００は、部屋７０の熱容量Ｃを含む空間特性パラメータを入力情報から推定する。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、熱容量Ｃの推定値は空気の単位体積あたりの熱容量Ｃuを用いて算出される。したがって、空気の単位体積あたりの熱容量Ｃuを記憶しておくことにより、部屋７０の容積Ｖに応じた熱容量Ｃの推定値を算出できる。

（６−３）
空気調和機１００では、床面積Ａfおよび高さＨの値が入力される。したがって、入力されたこれらの値に応じた熱容量Ｃの値が推定できる。

（６−４）
空気調和機１００では、熱容量Ｃに加えて、内部負荷Ｌinおよび外部負荷Ｌoutが推定される。したがって、室温Ｔinの制御をより精度よく実施できる。

（６−５）
空気調和機１００では、入力した情報に基づいて内部負荷Ｌinが決定される。したがって、空気調和機１００は、内部負荷Ｌinを考慮した制御を行うことができる。

（６−６）
空気調和機１００では、入力した情報に基づいて外部負荷Ｌoutが決定される。したがって、空気調和機１００は、外部負荷Ｌoutを考慮した制御を行うことができる。

（６−７）
空気調和機１００は、室温軌道Ｒを実現するのに適した室温変化モデルの具体例を示している。

（６−８）
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および室内冷媒相変化温度Ｔriに換算できる。したがって、室内ファン２３の制御の内容を風量指数γから決定し、圧縮機１１、室外膨張弁１５、または室内膨張弁２１の制御の内容を、室内冷媒相変化温度Ｔriから決定できる。

（７）変形例
（７−１）熱容量Ｃの推定（その２）
上述の実施形態では、第１室内機２０ａが空気調和を担当する空間の容積Ｖ［ｍ3］を、床面積Ａf［ｍ2］を用いて算出した。これに代えて、下記の数式により容積Ｖを算出してもよい。

図１０は、この数式が想定している室内機の配置の一例である。同一の部屋７０の中で、第２室内機２０ｂは第１室内機２０ａに隣接して配置されている。Ｌ1、Ｌ2、Ｌ3、Ｌ4［ｍ］はいずれも、直交する四方向のそれぞれにおける第１室内機２０ａの担当距離である。ここで、第１室内機の担当距離とは、（Ａ）第１室内機２０ａから壁７１までの距離、および、（Ｂ）第１室内機２０ａから第２室内機２０ｂまでの間隔の半分の距離、のうち短いものを意味する。本図では、Ｌ1、Ｌ2、Ｌ3は前者（Ａ）に該当し、Ｌ4は後者（Ｂ）に該当する。

上述の数式におけるＨ［ｍ］は部屋の壁の高さである。

空間特性パラメータ推定部５４は、空気の単位体積あたりの熱容量Ｃuの値を予め記憶する。４つの担当距離Ｌ1、Ｌ2、Ｌ3、Ｌ4および壁の高さＨは、ユーザが第１操作パネル５１ａから入力する。これにより、空間特性パラメータ推定部５４は熱容量Ｃを推定できる。

この構成によれば、第１室内機が空気調和を担当する空間の大きさが入力される。したがって、当該担当空間の大きさを考慮した熱容量Ｃの値が推定できる。

（７−２）熱容量Ｃの推定（その３）
あるいは、容積Ｖを下記の数式により算出してもよい。

図１１は、この数式が想定している室内機の配置の一例である。同一の部屋７０の中で、第２室内機２０ｂは第１室内機２０ａに隣接して配置されている。さらに、部屋７０には第３室内機２０ｃおよび第４室内機２０ｄも設置されている。

Ｉ［ｍ］は第１室内機２０ａと第２室内機２０ｂとの間隔である。αは補正係数であり、例えばα＝０．５６６である。補正係数αの値は、各室内機が空気調和を担当する空間の床面積を、近似する面積を持つ円に換算するために設定される。πは円周率である。また、Ｈ［ｍ］は部屋の壁の高さである。

空間特性パラメータ推定部５４は、空気の単位体積あたりの熱容量Ｃuの値、および補正係数αの値を予め記憶する。間隔Ｉおよび壁の高さＨは、ユーザが第１操作パネル５１ａから入力する。これにより、空間特性パラメータ推定部５４は熱容量Ｃを推定できる。

この構成によれば、熱容量Ｃの推定に用いる入力すべき数値の数が少ない。したがって、部屋に関する数値の入力作業が容易になる。

（７−３）熱容量Ｃの推定（その４）
熱容量Ｃは、部屋７０を有する建物の設計に用いられた建物構造データから推定されてもよい。建物構造データの例としては、３次元ＣＡＤのデータ、またはＢＩＭデータが挙げられる。

この構成によれば、入力手段は、建物構造データを受け取る。したがって、熱容量Ｃの推定のために、建物の設計に用いたデータを利用できる。

（７−４）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。これに代えて、空間特性パラメータ推定部５４は、これら以外のパラメータ、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。

（７−５）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、第１操作パネル５１ａおよび第２操作パネル５１ｂは、第１室内機２０ａおよび第２室内機２０ｂ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。

（７−６）制御回路６０の構成
上述の実施形態では、制御回路６０は図２および図３に示す構造を有していたが、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に変換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温は、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１室内機制御部５０ａ、第２室内機制御部５０ｂ、室外機制御部５９の一部または全部が統合されたハードウェアであってもよい。

（７−８）室内機の台数
上述の実施形態では、室温制御機構４０は、第１室内機２０ａおよび第２室内機２０ｂという２台の室内機を有する。これに代えて、室温制御機構４０が有する室内機の台数は、これ以外の数、例えば１台、３台、または４台以上であってよい。

１０ ：室外機
２０ａ〜２０ｄ：第１〜第４室内機
３０ ：連絡配管
４０ ：室温制御機構
５０ａ ：第１室内機制御部
５０ｂ ：第２室内機制御部
５１ａ ：第１操作パネル（入力手段）
５１ｂ ：第２操作パネル（入力手段）
６０ ：制御回路
７０ ：部屋
１００ ：空気調和機
Ａf ：床面積
Ａw ：壁面積
Ｃ ：熱容量
Ｃu ：空気の単位体積あたりの熱容量
ＤＬａ、ＤＬｂ ：データ線
Ｈ ：部屋の壁の高さ
Ｋ ：部屋の壁の熱貫流率
Ｌ1〜Ｌ4 ：担当距離
Ｌin ：内部負荷
Ｌout ：外部負荷
Ｐ ：配分値
Ｑ ：空調能力
Ｒ ：室温軌道
ＴＢ ：建物種類
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(initial) ：初期室温
Ｔin(target) ：目標温度
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
α ：補正係数
γ ：風量指数
τ ：時定数

特開２００２−１４７８２３号公報

Claims (11)

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、
   前記室温制御機構の一部を含み、前記部屋に設置される第１室内機（２０ａ）と、
   外部から入力情報を受け取る入力手段（５１ａ）と、
   前記入力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. 前記熱容量（Ｃ）は、
   

   

   の数式で表され、ここで、Ｃuは空気の単位体積あたりの熱容量であり、Ｖは前記部屋の容積である、
   請求項１に記載の空気調和機。
3. 前記容積（Ｖ）は、
   

   

   の数式で表され、ここで、Ａfは前記部屋の床面積であり、Ｈは前記部屋の壁の高さであり、
   前記入力情報は、前記床面積（Ａf）および前記高さ（Ｈ）を含む、
   請求項２に記載の空気調和機。
4. 前記室温制御機構は、さらに前記第１室内機に隣接して前記部屋に設置される第２室内機（２０ｂ）を有し、
   前記容積（Ｖ）は、
   

   

   の数式で表され、ここで、Ｈは前記部屋の壁の高さであり、Ｌ1、Ｌ2、Ｌ3、Ｌ4はいずれも、直交する四方向のそれぞれにおける前記第１室内機の担当距離であり、
   前記第１室内機の前記担当距離とは、前記第１室内機から前記部屋の壁までの距離、および、前記第１室内機から前記第２室内機までの間隔の半分の距離のうち、短いものを意味し、
   前記入力情報は、前記四方向のそれぞれにおける前記第１室内機の前記担当距離（Ｌ1、Ｌ2、Ｌ3、Ｌ4）、および前記高さ（Ｈ）を含む、
   請求項２に記載の空気調和機。
5. 前記室温制御機構の一部を含み、前記第１室内機に隣接して前記部屋に設置される第２室内機（２０ｂ）、
   をさらに備え、
   前記容積（Ｖ）は、
   

   

   の数式で表され、ここで、πは円周率であり、Ｉは前記第１室内機と前記第２室内機との間隔であり、αは補正係数であり、Ｈは前記部屋の壁の高さであり、
   前記入力情報は、前記間隔（Ｉ）および前記高さ（Ｈ）を含む、
   請求項２に記載の空気調和機。
6. 前記入力情報は、３次元ＣＡＤのデータまたはＢＩＭデータを含む建物構造データを含んでおり、
   前記容積（Ｖ）は、前記建物構造データから算出される、
   請求項２に記載の空気調和機。
7. 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６のいずれか１項に記載の空気調和機。
8. 前記内部負荷（Ｌin）は、
   

   

   の数式で表され、ここで、Ｎpは前記部屋の中にいる人間の人数であり、Ｑpは前記部屋の中にいる前記人間の１人あたりかつ単位時間あたりの発熱量であり、Ｎeは前記部屋の中にある電子機器の台数であり、Ｑeは前記部屋の中にある前記電子機器の１台あたりかつ単位時間あたりの発熱量であり、
   前記入力情報は、前記人数（Ｎp）および前記台数（Ｎe）を含む、
   請求項７に記載の空気調和機。
9. 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は前記部屋の壁の熱貫流率であり、
   前記入力情報は、前記部屋の建物種類（ＴＢ）の指定および前記壁面積（Ａw）を含み、
   前記熱貫流率（Ｋ）は、前記指定に係る前記建物種類に従って決定される定数である、
   請求項７または請求項８に記載の空気調和機。
10. 室温変化モデルを保持する室温変化モデル保持部（６２）と、
    前記室温軌道を実現するように空調能力（Ｑ）を変化させるために、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空調制御部（５８）と、
    をさらに備え、
    前記室温変化モデルは次の式で表され、
    

    

    ここで、Ｔinは前記室温であり、ｄＴin／ｄｔは室温変化率である、
    請求項７から９のいずれか１項に記載の空気調和機。
11. 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１０に記載の空気調和機。

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