JP2020034266A - 冷凍サイクル制御装置、冷凍サイクル装置、冷蔵庫及び冷凍サイクル装置の制御方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】冷凍サイクルが特定の貯蔵室を冷却する状態と冷却しない状態とが切り替わる前に、その時の状態に応じて、冷凍サイクルを構成する部品を駆動する。【解決手段】 冷凍サイクルが組み込まれた冷蔵庫の貯蔵室の負荷変動を取得する取得部と、負荷変動に応じて、冷凍サイクルを構成する部品を駆動する駆動値を決定する決定部と、駆動値に基づき部品を駆動する駆動部とを備え、取得部は、冷凍サイクルが特定の貯蔵室を冷却する状態と冷却しない状態とが切り替わる周期内で、負荷変動を、時間の経過に伴い常態的に監視する。【選択図】図1
Description
本発明は、冷凍サイクル制御装置、冷凍サイクル装置、冷蔵庫及び冷凍サイクル装置の制御方法に関する。
内部に貯蔵室が形成された本体と、本体の断熱壁内に配設された真空断熱材と、冷凍サイクルの一部を構成し、回転速度が可変の圧縮機と、圧縮機を制御する制御装置とを備ええた冷凍冷蔵庫において、制御装置が、冷凍冷蔵庫に電源投入されてから期間TLの間は、圧縮機の回転速度の上限値を第一速度とし、期間TLが経過した後は、圧縮機の回転速度の上限値を、第一速度よりも大きい第二速度に引き上げる技術は、知られている(例えば、特許文献1参照)。
ここで、電源が投入されてからの時間に応じて、冷凍サイクルを構成する部品の設定の値の範囲を決定するに過ぎない構成を採用した場合には、冷凍サイクルが特定の貯蔵室を冷却する状態と冷却しない状態とが切り替わる前に、その時の状態に応じて、冷凍サイクルを構成する部品を駆動することはできない。
本発明の目的は、冷凍サイクルが特定の貯蔵室を冷却する状態と冷却しない状態とが切り替わる前に、その時の状態に応じて、冷凍サイクルを構成する部品を駆動することにある。
かかる目的のもと、本発明は、冷凍サイクルが組み込まれた冷蔵庫の貯蔵室の負荷変動を取得する取得部と、負荷変動に応じて、冷凍サイクルを構成する部品を駆動する駆動値を決定する決定部と、駆動値に基づき部品を駆動する駆動部とを備え、取得部は、冷凍サイクルが特定の貯蔵室を冷却する状態と冷却しない状態とが切り替わる周期内で、負荷変動を、時間の経過に伴い常態的に監視する冷凍サイクル制御装置を提供する。
ここで、取得部は、時間の経過に伴って変化する状態である第1状態の特定の値を、冷凍サイクルが特定の貯蔵室を冷却する状態と冷却しない状態とが切り替わる周期よりも短い予め定められた周期で、負荷変動として取得する、ものであってよい。その場合、決定部は、第1状態の特定の値に基づいて、部品の状態である第2状態の現在の値とは異なる第2状態の特定の値を、駆動値として決定する、ものであってよい。更に、その場合、駆動部は、駆動値として第2状態の特定の値を用いて、部品を駆動する、ものであってよい。
また、第1状態は、冷蔵庫の庫内温度及び外気温度の少なくとも何れか一方であってよく、第2状態は、部品の設定であってよい。その場合、部品は、冷蔵庫内の少なくとも1つの貯蔵室を冷却するための冷却用部品であってよく、設定は、冷却用部品を用いた冷却の度合いに関する冷却度合い設定であってよい。ここで、冷却用部品は、圧縮機であってよく、冷却度合い設定は、圧縮機の回転数であってよい。また、冷却用部品は、膨張弁であってよく、冷却度合い設定は、膨張弁の開度であってよい。更に、冷却用部品は、ファンであってよく、冷却度合い設定は、ファンの回転数であってよい。
また、決定部は、制約条件を満たすように第2状態の特定の値を決定する、ものであってよい。
その場合、決定部は、第1状態の特定の値に基づいて、第2状態の複数の値ごとの第1状態の値の変化を予測し、第1状態の値の変化に基づいて、第2状態の複数の値から、制約条件を満たすように第2状態の少なくとも2つの値を特定し、第2状態の少なくとも2つの値から第2状態の特定の値を決定する、ものであってよい。そして、決定部は、第2状態の複数の値ごとの第1状態の値の変化を予測モデルで予測するものであり、第1状態の特定の値と、第1状態の過去の値からの第1状態の値の変化を第1状態の過去の値に基づいて予測したときの予測モデルの状態とに基づいて、第1状態の特定の値からの第1状態の値の変化を予測する、ものであってよい。また、決定部は、第1状態の特定の値に基づいて、第2状態の少なくとも2つの値ごとの指標を予測し、指標に基づいて、第2状態の少なくとも2つの値から第2状態の特定の値を決定する、ものであってよい。ここで、指標は、冷蔵庫の消費電力であってよく、第2状態の特定の値は、消費電力を最小とする部品の設定の値であってよい。
また、決定部は、冷凍サイクルが第1の貯蔵室及び第2の貯蔵室を交互に冷却可能な場合に、制約条件として、第1の貯蔵室及び第2の貯蔵室の一方の温度が上昇して予め定められた温度に達するまでに、第1の貯蔵室及び第2の貯蔵室の他方の温度が下降して予め定められた温度に達する、という条件を用いる、ものであってよい。
更に、決定部は、冷凍サイクルが第1の貯蔵室及び第2の貯蔵室を同時に冷却可能な場合に、制約条件として、第1の貯蔵室及び第2の貯蔵室の一方の温度が上昇して予め定められた温度に達するまでに、第1の貯蔵室及び第2の貯蔵室の他方の温度も上昇して予め定められた温度に達する、という条件を用いる、ものであってよい。
また、決定部は、周期の終点で制約条件が満たされることが予定される周期内で、第1状態の特定の値に基づいて、周期の終点で制約条件が満たされるかどうかを複数回推定し、第2状態の特定の値を決定する、ものであってよい。
更に、決定部は、周期の終点で制約条件が満たされることが予定される周期内で、第1状態の特定の値に基づいて、第2状態の複数の値ごとの第1状態の値の変化を予測することにより、周期の終点で制約条件が満たされるかどうかを複数回推定し、第1状態の値の変化に基づいて、第2状態の複数の値から、周期の終点で制約条件が満たされるように第2状態の少なくとも2つの値を特定し、第2状態の少なくとも2つの値から第2状態の特定の値を決定する、ものであってよい。
更にまた、決定部は、過去の負荷変動と過去の負荷変動に応じて決定された過去の駆動値とを時系列に蓄積した時系列データを学習し部品の停止条件又は駆動値を生起する予測モデルに基づき、負荷変動に応じて停止条件又は駆動値を可変にする、ものであってよい。
また、本発明は、冷媒を循環させる圧縮機と、圧縮機により循環された冷媒を凝縮する凝縮器と、凝縮器により凝縮された冷媒により貯蔵室を冷却するための冷却用部品と、冷却用部品の駆動を制御する制御装置とを備え、制御装置は、冷凍サイクルが組み込まれた冷蔵庫の貯蔵室の負荷変動を取得する取得部と、負荷変動に応じて、冷凍サイクルを構成する部品を駆動する駆動値を決定する決定部と、駆動値に基づき部品を駆動する駆動部とを備え、取得部は、冷凍サイクルが特定の貯蔵室を冷却する状態と冷却しない状態とが切り替わる周期内で、負荷変動を、時間の経過に伴い常態的に監視する冷凍サイクル装置も提供する。
更に、本発明は、この冷凍サイクル装置を備えた冷蔵庫も提供する。
更にまた、本発明は、冷媒を循環させる圧縮機と、圧縮機により循環された冷媒を凝縮する凝縮器と、凝縮器により凝縮された冷媒により貯蔵室を冷却するための冷却用部品とを含む冷凍サイクル装置において、冷凍サイクルが組み込まれた冷蔵庫の貯蔵室の負荷変動を取得する取得ステップと、負荷変動に応じて、冷凍サイクルを構成する部品を駆動する駆動値を決定する決定ステップと、駆動値に基づき部品を駆動する駆動ステップとを含み、取得ステップでは、冷凍サイクルが特定の貯蔵室を冷却する状態と冷却しない状態とが切り替わる周期内で、負荷変動を、時間の経過に伴い常態的に監視する冷凍サイクル装置の制御方法も提供する。
本発明によれば、冷凍サイクルが特定の貯蔵室を冷却する状態と冷却しない状態とが切り替わる前に、その時の状態に応じて、冷凍サイクルを構成する部品を駆動することができる。
以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
[概要]
本実施の形態は、時間の経過に伴って変化する状態である第1状態の特定の値を取得し、予め定められた周期で、この第1状態の特定の値に基づいて、部品の状態である第2状態の特定の値を決定し、この第2状態の特定の値を用いて、部品を駆動する制御装置である。以下では、制御装置として、冷凍サイクルを制御する冷凍サイクル制御装置を例にとり、第1状態として、冷凍サイクルが組み込まれた冷蔵庫の庫内又は庫外の温度を例にとり、第2状態として、冷凍サイクルを構成する部品の設定を例にとって、詳細に説明する。その際、予め定められた周期は、特に、冷凍サイクルが特定の貯蔵室を冷却する状態と冷却しない状態とが切り替わる周期よりも短い周期であるものとして、説明する。ここで、冷凍サイクルが特定の貯蔵室を冷却する状態と冷却しない状態とが切り替わる周期は、圧縮機がONになることにより例えば冷蔵室や冷凍室に冷媒を流す状態と圧縮機がOFFになることにより例えば冷蔵室や冷凍室に冷媒を流さない状態とが切り替わる周期であってよい。或いは、圧縮機がONになっている場合において、例えば冷蔵室に冷媒を流す状態と冷媒を流さない状態とが切り替わる周期や、例えば冷凍室に冷媒を流す状態と冷媒を流さない状態とが切り替わる周期であってもよい。このような周期の典型例としては、冷凍サイクルが冷却する貯蔵室が冷蔵室と冷凍室との間で切り替わる周期がある。
本実施の形態は、時間の経過に伴って変化する状態である第1状態の特定の値を取得し、予め定められた周期で、この第1状態の特定の値に基づいて、部品の状態である第2状態の特定の値を決定し、この第2状態の特定の値を用いて、部品を駆動する制御装置である。以下では、制御装置として、冷凍サイクルを制御する冷凍サイクル制御装置を例にとり、第1状態として、冷凍サイクルが組み込まれた冷蔵庫の庫内又は庫外の温度を例にとり、第2状態として、冷凍サイクルを構成する部品の設定を例にとって、詳細に説明する。その際、予め定められた周期は、特に、冷凍サイクルが特定の貯蔵室を冷却する状態と冷却しない状態とが切り替わる周期よりも短い周期であるものとして、説明する。ここで、冷凍サイクルが特定の貯蔵室を冷却する状態と冷却しない状態とが切り替わる周期は、圧縮機がONになることにより例えば冷蔵室や冷凍室に冷媒を流す状態と圧縮機がOFFになることにより例えば冷蔵室や冷凍室に冷媒を流さない状態とが切り替わる周期であってよい。或いは、圧縮機がONになっている場合において、例えば冷蔵室に冷媒を流す状態と冷媒を流さない状態とが切り替わる周期や、例えば冷凍室に冷媒を流す状態と冷媒を流さない状態とが切り替わる周期であってもよい。このような周期の典型例としては、冷凍サイクルが冷却する貯蔵室が冷蔵室と冷凍室との間で切り替わる周期がある。
[制御装置]
図1は、本実施の形態における制御装置1の機能構成例を示したブロック図である。図示するように、制御装置1は、取得部2と、制御部3と、駆動部4とを備える。
図1は、本実施の形態における制御装置1の機能構成例を示したブロック図である。図示するように、制御装置1は、取得部2と、制御部3と、駆動部4とを備える。
取得部2は、一定の周期で、庫内温度及び外気温度の現在の値、圧縮機の全回転数等の情報を取得し、これらを制御部3に入力する。ここで、取得部2は、取得する情報が庫内温度の現在の値である場合は、例えば、冷蔵庫の庫内に設置された温度センサであり、取得する情報が外気温度の現在の値である場合は、例えば、冷蔵庫の外部に設置された温度センサである。また、圧縮機の全回転数とは、圧縮機のとり得る全ての回転数である。例えば、共振が起こる等の理由によりとり得ない回転数が除かれているものとする。但し、この圧縮機の全回転数は、取得部2が取得するのではなく、制御部3が予め記憶しておくようにしてもよい。本実施の形態では、第1状態の一例として、庫内温度及び外気温度を用いており、第1状態の特定の値の一例として、庫内温度及び外気温度の現在の値を用いている。また、冷蔵庫の貯蔵室の負荷変動を取得する取得部及び第1状態の特定の値を取得する取得部の一例として、取得部2を設けている。
制御部3は、一定の周期で、取得部2から入力された庫内温度及び外気温度の現在の値、圧縮機の全回転数等の情報に基づいて、温度の制約条件(以下、単に「制約条件」という)を満たし、消費電力が最小となる圧縮機の回転数を自律的に決定し、この回転数の指示値を駆動部4に出力する。庫内温度及び外気温度の現在の値が変動すると、つまり、熱負荷がかかると、圧縮機の回転数ごとの未来の温度変化の波形も変動するからである。ここで、決定される圧縮機の回転数の指示値は、現在の値とは異なる値であってもよいし、現在の値と同じ値であってもよい。つまりは、指示値は周期に応じ、その値は組み替えられた指示値となるものであり、現在値と同じ値であっても、現在値と異なる圧縮機の回転数の値を指示しているということである。本実施の形態では、冷凍サイクルを構成する部品及び冷蔵庫内の少なくとも1つの貯蔵室を冷却するための冷却用部品の一例として、圧縮機を用いており、部品の設定である第2状態及び冷却用部品を用いた冷却の度合いに関する冷却度合い設定の一例として、圧縮機の回転数を用いており、部品を駆動する駆動値及び第2状態の特定の値の一例として、圧縮機の回転数の指示値を用いている。或いは、第2状態の特定の値として、庫内湿度を最大とする部品の設定値を用いてもよい。また、駆動値を決定する決定部及び第2状態の特定の値を決定する決定部の一例として、制御部3を設けている。
駆動部4は、一定の周期で、制御部3から出力された指示値に基づいて、圧縮機を駆動する。本実施の形態では、部品を駆動する駆動部の一例として、駆動部4を設けている。
ここで、制御部3について更に詳しく説明する。制御部3は、温度予測器5と、電力予測器6と、制御器7とを備える。
温度予測器5は、取得部2から入力された庫内温度及び外気温度の現在の値、圧縮機の全回転数等から、予測モデルを使って周期的に、圧縮機の回転数ごとの温度変化を予測し、これを制御器7に入力する。ここで、予測モデルは、周期的に(例えば、半年ごとに)学習し直すことで、断熱性能の劣化に追従することができるようになる。また、予測モデルとしては、伝達関数モデル、ニューラルネットワークモデル等を用いるとよい。
電力予測器6は、取得部2から入力された外気温度の現在の値、圧縮機の全回転数等から、予測モデルを使って周期的に、圧縮機の回転数ごとの消費電力を予測し、これを制御器7に入力する。ここで、予測モデルは、周期的に(例えば、半年ごとに)学習し直すことで、断熱性能の劣化に追従することができるようになる。また、予測モデルとしては、伝達関数モデル、ニューラルネットワークモデル等を用いるとよい。尚、電力予測器6が庫内温度の現在の値を用いなかったのは、この値はある程度限られた狭い範囲内にあり、予測に用いるまでもないと考えたためである。しかしながら、庫内温度の現在の値を用いるようにしてもよい。
制御器7は、温度予測器5から入力された圧縮機の回転数ごとの温度変化に基づいて、制約条件を満たす複数の回転数を特定する。また、電力予測器6から入力された圧縮機の回転数ごとの消費電力に基づいて、特定した複数の回転数のうち、消費電力が最小となる圧縮機の回転数を自律的に決定する。そして、決定した圧縮機の回転数を指示する指示値を出力する。この場合、圧縮機の回転数は、前回の回転数から変わることもあれば、前回の回転数と同じままのこともある。
尚、制御部3は、人工知能(AI)を用いて、圧縮機の回転数の指示値を決定してもよい。この場合、制御部3は、庫内温度及び外気温度の現在の値、圧縮機の全回転数等から、予測モデルを使って周期的に学習し直すのではなく、人工知能で圧縮機の回転数の指示値が決定された予測モデルに基づき、負荷変動に応じて圧縮機の回転数の指示値を可変にするようにしてもよい。また、複数のモータ間(圧縮機やファン)でデータをやり取りするデータ交換部を更に有し、他のモータの駆動値を自己の予測モデルでの学習に活用するようにしてもよい。
具体的には、予測モデルを作る際、人工知能は、過去の庫内温度及び外気温度の値とこの過去の庫内温度及び外気温度の値に基づいて決定された過去の圧縮機の回転数の指示値とを時系列に蓄積した時系列データに基づいて、圧縮機の回転数の指示値を自律的に決定する。例えば、人工知能は、庫内の負荷変動と圧縮機の回転数の時間経過に基づく相関動作の価値を判断する。制御部3が、圧縮機の回転数以外の部品の駆動値も加えて観測する場合には、人工知能は圧縮機の回転数に加え、ファンモータの回転数、また時間経過に伴う圧縮機の停止条件も考慮に入れて動作の価値を自律的に判断するようにしてもよい。また、制御部3が、圧縮機の回転数のみならず、圧縮機やファンモータの消費電流も観測する場合には、人工知能は圧縮機やファンモータの回転数に加えて、消費電流も考慮に入れて動作価値を判断するようにしてもよい。また、制御部3が、ファンモータの電源オン時及び電源オフ時のファンモータの回転数の変化も観測する場合には、人工知能はファンモータの回転数に加えて、回転数の変化も考慮に入れて動作価値を判断するようにしてもよい。
その他パラメータとして、庫内湿度、外気湿度、蒸発器の温度(蒸発器の入口温度、蒸発器の出口温度等)、圧縮機又は冷媒の圧力(高圧、低圧)、冷媒流量等の変化値を用いてもよい。
図2は、温度予測器5から制御器7へ入力される圧縮機の回転数ごとの温度変化を示したグラフである。このグラフ中、太い縦線が制約条件を示している。つまり、時刻tまでに温度を−18℃以下に冷やすことを制約条件としている。グラフに示した圧縮機の回転数のうち、「×」を付した1100RPM〜2050RPMは、制約条件を満たしておらず、「〇」を付した2100RPM〜3700RPMは、制約条件を満たしている。従って、制御器7は、制約条件を満たす圧縮機の回転数として、2100RPM〜3700RPMを特定する。即ち、選択可能な圧縮機の回転数が、制約条件によって絞られる。本実施の形態では、第2状態の複数の値ごとの第1状態の値の変化の一例として、この圧縮機の回転数ごとの温度変化を示したグラフを用いている。
図3は、電力予測器6から制御器7へ入力される圧縮機の回転数ごとの消費電力を示した図である。制御器7は、圧縮機の回転数ごとの消費電力に基づいて、特定した複数の回転数の中で消費電力が最小となる圧縮機の回転数を選択して出力する。具体的には、太枠で囲んだように、「〇」を付した2100RPM〜3700RPMのうち、消費電力が最小となる2100RPMを選択している。尚、ここでは、圧縮機の回転数が多いほど消費電力も大きくなるという規則性が、モータ効率の特性等により、必ずしも保証されないことが考えられるので、このようにして消費電力が最小となる圧縮機の回転数を決定している。しかしながら、圧縮機の回転数が多いほど消費電力も大きくなるという規則性が保証される場合は、つまり、圧縮機の回転数は多くなったにも関わらず消費電力は小さくなるといった順番の入れ替えが生じない場合は、この限りではない。この場合は、圧縮機の回転数ごとの消費電力に基づいて、特定した複数の回転数の中で消費電力が最小となる圧縮機の回転数を選択する処理を行う必要はなく、特定した複数の回転数の中で最も少ない回転数を選択する処理を行えばよい。また、ここでは、省エネルギーを目的としているので、消費電力が最小となる圧縮機の回転数を選択したが、消費電力以外の指標を用いて圧縮機の回転数を選択してもよい。例えば、指標として、冷蔵庫の庫内湿度を用いてもよい。本実施の形態では、第2状態の少なくとも2つの値ごとの指標の一例として、この圧縮機の回転数ごとの消費電力を用いている。
図4は、制御器7が出力する圧縮機の回転数の推移を示したグラフである。このグラフ中、破線は、一般的な冷蔵庫における圧縮機の回転数の推移を示し、実線は、本実施の形態が適用された冷蔵庫における圧縮機の回転数の推移を示す。一般的な冷蔵庫では、時刻t0で例えば扉が開かれることによる熱負荷の変動があった場合、圧縮機は、十分に冷える回転数で一定時間(グラフでは時刻t8まで)動作する。これに対し、本実施の形態が適用された冷蔵庫では、制御器7が、予測周期ごとに消費電力が最小となる回転数を指示値として出力する。従って、時刻t0で例えば扉が開かれることによる熱負荷の変動があった場合、圧縮機は、必要最小限の回転数で時刻t1まで動作し、食品の負荷が予測より大きければ、時刻t3まで回転数を小刻みに上げながら動作する。その後、食品が冷え負荷が下がってくると、時刻t8まで回転数を小刻みに下げながら動作する。
尚、ここでは、時刻t8に制約条件が満たされることが予定されることを前提としているので、時刻t6、t7で圧縮機の回転数を変えていないが、時刻t5から時刻t6の間に例えば扉が開かれることによる熱負荷の変動があった場合、時刻t6、t7で圧縮機の回転数を変えてもよい。これにより、時刻t8に制約条件が満たされることが再び予定されることもあるが、時刻t8に制約条件が満たされず、時刻t8以降に制約条件が満たされることが予定されることもある。この場合、時刻t8は、周期の終点の一例であり、時刻t0から時刻t8までの期間は、周期の終点で制約条件が満たされることが予定される周期の一例であり、時刻t6、t7で圧縮機の回転数を推定することは、周期の終点で制約条件が満たされるかどうかを複数回推定することの一例である。
ところで、一般的な冷蔵庫における圧縮機の回転数の推移と、本実施の形態が適用された冷蔵庫における圧縮機の回転数の推移とは、特に、庫内温度よりも著しく温度が低い食品を入れて著しく熱負荷が小さくなる場合に差異が出る。
図5(a)は、このような場合の一般的な冷蔵庫における温度及び圧縮機の回転数の推移を示したグラフである。このうち、圧縮機の回転数の推移を示したグラフは、冷蔵庫が扉の開閉を検知して一定期間圧縮機の回転数を上げていることを示す。また、温度の推移を示したグラフは、扉が開閉されて一瞬温度が上がり、その後、圧縮機の回転数を上げた状態が一定期間続くことにより急激に温度が下がることを示している。
図5(b)は、このような場合の本実施の形態が適用された冷蔵庫における温度及び圧縮機の回転数の推移を示したグラフである。本実施の形態が適用された冷蔵庫では、内部の温度変化を周期的に予測しているため、熱負荷の変化により、予測した温度変化と実際の温度変化とに差異が生じた場合に、その差異に応じて圧縮機の回転数を変更する。つまり、周期的に予測し、消費電力が最小となる圧縮機の回転数を決定することが、結果的に予測が外れた場合でも差異に応じてフィードバックすることと等価となる。即ち、圧縮機の回転数の推移を示したグラフは、冷蔵庫が扉の開閉を検知して一瞬圧縮機の回転数を上げるかもしれないが、その後は、食品を入れていない状態での温度変化の予測からの温度変化のずれにより、間接的に熱負荷を定量的に検知して、圧縮機の回転数を下げていることを示す。また、温度の推移を示したグラフは、扉が開閉されて一瞬温度が上がり、その後、圧縮機の回転数が下がることにより、一般的な冷蔵庫の場合よりも緩やかに温度が下がることを示している。
図6は、制御器7の動作例を示したフローチャートである。尚、この動作例は、一定の周期で繰り返し実行される。
図示するように、制御器7は、まず、温度予測器5から、圧縮機の回転数ごとの温度変化の入力を受け付ける(ステップ101)。また、電力予測器6から、圧縮機の回転数ごとの消費電力の入力を受け付ける(ステップ102)。尚、ここでは、ステップ101を実行した後にステップ102を実行することとしたが、これには限らない。ステップ102を実行した後にステップ101を実行してもよいし、ステップ101とステップ102とを並列に実行してもよい。
次に、制御器7は、ステップ101で入力を受け付けた圧縮機の回転数ごとの温度変化に基づいて、制約条件を満たす複数の回転数を特定する(ステップ103)。
次いで、制御器7は、ステップ102で入力を受け付けた圧縮機の回転数ごとの消費電力に基づいて、ステップ103で特定した複数の回転数のうち、消費電力が最小となる圧縮機の回転数を決定する(ステップ104)。
最後に、制御器7は、ステップ104で決定した圧縮機の回転数を指示する指示値を出力する(ステップ105)。
尚、上記説明では、制御部3が、圧縮機の回転数ごとの温度変化及び消費電力を予測して、制約条件を満たし、消費電力が最小となる圧縮機の回転数の指示値を出力し、駆動部4が、この指示値に基づいて圧縮機を駆動するようにしたが、この限りではない。例えば、制御部3が、膨張弁の開度ごとの温度変化及び消費電力を予測して、制約条件を満たし、消費電力が最小となる膨張弁の開度の指示値を出力し、駆動部4が、この指示値に基づいて膨張弁を駆動するようにしてもよい。或いは、制御部3が、ファンの回転数ごとの温度変化及び消費電力を予測して、制約条件を満たし、消費電力が最小となるファンの回転数の指示値を出力し、駆動部4が、この指示値に基づいてファンを駆動するようにしてもよい。
[冷蔵庫への第1の適用例]
図7は、本実施の形態が適用される冷蔵庫10の全体構成の一例を示した図である。図示するように、冷蔵庫10は、庫内の上部に形成された貯蔵室及び第1の貯蔵室の一例としての冷蔵室41と、庫内の下部に形成された貯蔵室及び第2の貯蔵室の一例としての冷凍室42とを含む。そして、冷蔵庫10は、冷媒を圧縮して循環させる圧縮機60と、圧縮機60により循環された冷媒を蒸発させる蒸発器11と、蒸発器11で冷却された空気を送風するファン14と、ファン14により送風された空気を冷蔵室41へ通過させるダンパ47と、ファン14により送風された空気を冷凍室42へ通過させるダンパ48とを備える。また、冷蔵庫10は、冷蔵室41への食品の収納等のために開閉される冷蔵室ドア44と、冷凍室42への食品の収納等のために開閉される冷凍室ドア45と、冷蔵室41と冷凍室42とを仕切る中間隔壁51と、冷蔵室41から冷凍室42にかけての後部に共通に設けられた後壁54とを備える。
図7は、本実施の形態が適用される冷蔵庫10の全体構成の一例を示した図である。図示するように、冷蔵庫10は、庫内の上部に形成された貯蔵室及び第1の貯蔵室の一例としての冷蔵室41と、庫内の下部に形成された貯蔵室及び第2の貯蔵室の一例としての冷凍室42とを含む。そして、冷蔵庫10は、冷媒を圧縮して循環させる圧縮機60と、圧縮機60により循環された冷媒を蒸発させる蒸発器11と、蒸発器11で冷却された空気を送風するファン14と、ファン14により送風された空気を冷蔵室41へ通過させるダンパ47と、ファン14により送風された空気を冷凍室42へ通過させるダンパ48とを備える。また、冷蔵庫10は、冷蔵室41への食品の収納等のために開閉される冷蔵室ドア44と、冷凍室42への食品の収納等のために開閉される冷凍室ドア45と、冷蔵室41と冷凍室42とを仕切る中間隔壁51と、冷蔵室41から冷凍室42にかけての後部に共通に設けられた後壁54とを備える。
図8は、冷蔵庫10に組み込まれた冷凍サイクル装置の一例である冷凍サイクル100の構成を示した図である。図示するように、この冷凍サイクル100は、冷媒を循環させる圧縮機60と、圧縮機60により循環された冷媒を凝縮する凝縮器70とを備える。また、凝縮器70には、凝縮器70により凝縮された冷媒を蒸発させて冷蔵室41及び冷凍室42の少なくとも一方を冷却する蒸発器11が接続される。
また、蒸発器11の入口側には、蒸発器11に流入する冷媒を膨張させる膨張弁81及びキャピラリーチューブ17が接続される。
また、冷凍サイクル100は、図1〜図6を参照して説明した制御装置1を備えている。この場合、制御装置1は、一定の周期で、庫内温度及び外気温度の現在の値等に基づいて、制約条件を満たし、消費電力が最小となる圧縮機60の回転数、膨張弁81の開度、ファン14の回転数の少なくとも1つの部品の指示値を決定し、この指示値を用いて、その部品を駆動する。
図9は、冷凍サイクル100を用いて冷蔵室41及び冷凍室42を交互に冷却した場合の温度変化を示したグラフである。グラフ中、縦軸は温度を示し、「R」は冷蔵室41の温度変化を示し、「F」は冷凍室42の温度変化を示す。この場合、制御装置1は、冷蔵室41及び冷凍室42のうち、温度が上昇する方に、冷却している方のタイミングを合わせるように、冷却能力を調整する。具体的には、時刻t11以降、冷凍室42の温度が上昇しているので、制御装置1は、冷凍室42の温度が上限温度(ON点)に達する時刻を予測する。ここで、その予測された時刻を時刻t12とすると、制御装置1は、冷蔵室41の温度が時刻t12までに下限温度(OFF点)に達することを制約条件として、圧縮機60の回転数を調整する。また、時刻t12以降、冷蔵室41の温度が上昇しているので、制御装置1は、冷蔵室41の温度が上限温度(ON点)に達する時刻を予測する。ここで、その予測された時刻を時刻t14とすると、制御装置1は、冷凍室42の温度が時刻t14までに下限温度(OFF点)に達することを制約条件として、圧縮機60の回転数を調整する。但し、ここでは、冷凍室42の温度が、目標とした時刻t14よりも早い時刻t13にOFF点に達したものとし、時刻t13〜時刻t14は、圧縮機60の運転を停止している。また、冷蔵室41及び冷凍室42の負荷バランスが大きく異なる場合には、冷蔵室41及び冷凍室42のうち、温度が上昇する方が上限温度(ON点)に達する時刻までに、冷却する方の整数回の冷却サイクルを実施してタイミングを合わせるようにしてもよい。尚、図9の例は、冷凍サイクルが第1の貯蔵室及び第2の貯蔵室を交互に冷却可能な場合に、制約条件として、第1の貯蔵室及び第2の貯蔵室の一方の温度が上昇して予め定められた温度に達するまでに、第1の貯蔵室及び第2の貯蔵室の他方の温度が下降して予め定められた温度に達する、という条件を用いたものと捉えることができる。このように冷蔵室41及び冷凍室42を冷却することにより、冷蔵庫10は、蒸発温度を最適化し、その結果、冷蔵室41を高湿化すると共に、省エネルギーを実現することができる。
図10は、冷凍サイクル100を用いて冷蔵室41及び冷凍室42を同時に冷却した場合の温度変化を示したグラフである。グラフ中、縦軸は温度を示し、「R」は冷蔵室41の温度変化を示し、「F」は冷凍室42の温度変化を示す。この場合、制御装置1は、冷蔵室41及び冷凍室42の冷却を同時に開始し、同時に温度上昇が終了するように、冷却能力を調整する。具体的には、制御装置1は、時刻t16で冷蔵室41及び冷凍室42の同時冷却を開始し、時刻t17で冷蔵室41の温度が下限温度(OFF点)に達したとすると、そこからは冷凍室42のみの冷却を行う。その際、制御装置1は、冷蔵室41の温度が上限温度(ON点)に達する時刻を予測する。ここで、その予測された時刻を時刻t19とすると、制御装置1は、冷凍室42の温度が時刻t19までに上限温度(ON点)に達することを制約条件として、圧縮機60の回転数を調整する。即ち、時刻t18に冷凍室42の温度が下限温度(OFF点)に達すれば、その後、温度が上昇して時刻t19にON点に達することを予測して、圧縮機60の回転数を調整する。また、冷蔵室41及び冷凍室42の負荷バランスが大きく異なる場合には、冷蔵室41及び冷凍室42のうち、一方が下限温度(OFF点)に達する時刻までに、他方の整数回の冷却サイクルを実施してタイミングを合わせるようにしてもよい。尚、図10の例は、冷凍サイクルが第1の貯蔵室及び第2の貯蔵室を同時に冷却可能な場合に、制約条件として、第1の貯蔵室及び第2の貯蔵室の一方の温度が上昇して予め定められた温度に達するまでに、第1の貯蔵室及び第2の貯蔵室の他方の温度も上昇して予め定められた温度に達する、という条件を用いたものと捉えることができる。このように冷蔵室41及び冷凍室42を冷却することにより、冷蔵庫10は、圧縮機60の回転数等を低めに設定することによる省エネルギーを実現することができる。
[冷蔵庫への第2の適用例]
図11は、本実施の形態が適用される冷蔵庫20の全体構成の一例を示した図である。図示するように、冷蔵庫20は、庫内の上部に形成された貯蔵室及び第1の貯蔵室の一例としての冷蔵室41と、庫内の下部に形成された貯蔵室及び第2の貯蔵室の一例としての冷凍室42とを含む。そして、冷蔵庫20は、冷媒を圧縮して循環させる圧縮機60を備え、冷蔵室41には、圧縮機60により循環された冷媒を蒸発させて冷蔵室41を冷却する冷蔵用蒸発器21と、冷蔵用蒸発器21で冷却された空気を冷蔵室41へ送風する冷蔵用ファン24とを備え、冷凍室42には、圧縮機60により循環された冷媒を蒸発させて冷凍室42を冷却する冷凍用蒸発器22と、冷凍用蒸発器22で冷却された空気を冷凍室42へ送風する冷凍用ファン25とを備える。また、冷蔵庫20は、冷蔵室41への食品の収納等のために開閉される冷蔵室ドア44と、冷凍室42への食品の収納等のために開閉される冷凍室ドア45と、冷蔵室41と冷凍室42とを仕切る中間隔壁51と、冷蔵室41から冷凍室42にかけての後部に共通に設けられた後壁54とを備える。
図11は、本実施の形態が適用される冷蔵庫20の全体構成の一例を示した図である。図示するように、冷蔵庫20は、庫内の上部に形成された貯蔵室及び第1の貯蔵室の一例としての冷蔵室41と、庫内の下部に形成された貯蔵室及び第2の貯蔵室の一例としての冷凍室42とを含む。そして、冷蔵庫20は、冷媒を圧縮して循環させる圧縮機60を備え、冷蔵室41には、圧縮機60により循環された冷媒を蒸発させて冷蔵室41を冷却する冷蔵用蒸発器21と、冷蔵用蒸発器21で冷却された空気を冷蔵室41へ送風する冷蔵用ファン24とを備え、冷凍室42には、圧縮機60により循環された冷媒を蒸発させて冷凍室42を冷却する冷凍用蒸発器22と、冷凍用蒸発器22で冷却された空気を冷凍室42へ送風する冷凍用ファン25とを備える。また、冷蔵庫20は、冷蔵室41への食品の収納等のために開閉される冷蔵室ドア44と、冷凍室42への食品の収納等のために開閉される冷凍室ドア45と、冷蔵室41と冷凍室42とを仕切る中間隔壁51と、冷蔵室41から冷凍室42にかけての後部に共通に設けられた後壁54とを備える。
図12は、冷蔵庫20に組み込まれた冷凍サイクル装置の一例である冷凍サイクル201の構成を示した図である。図示するように、この冷凍サイクル201は、冷媒を循環させる圧縮機60と、圧縮機60により循環された冷媒を凝縮する凝縮器70とを備える。また、凝縮器70には、凝縮器70により凝縮された冷媒を蒸発させて冷蔵室41を冷却する冷蔵用蒸発器21と、凝縮器70により凝縮された冷媒を蒸発させて冷凍室42を冷却する冷凍用蒸発器22とが並列に接続される。即ち、凝縮器70により凝縮された冷媒を送る蒸発器を冷蔵用蒸発器21と冷凍用蒸発器22との間で切り換えるための膨張弁82が設けられている。そして、冷蔵用蒸発器21の出口側及び冷凍用蒸発器22の出口側は何れも圧縮機60に接続されている。
また、冷蔵用蒸発器21の入口側には、冷蔵用蒸発器21に流入する冷媒を膨張させる冷蔵用キャピラリーチューブ27が接続され、冷凍用蒸発器22の入口側には、冷凍用蒸発器22に流入する冷媒を膨張させる冷凍用キャピラリーチューブ28が接続される。
更に、冷凍用蒸発器22と圧縮機60の間には、冷凍サイクル201の高圧側から冷凍用蒸発器22に冷媒が逆流しないように、圧縮機60側を順方向とする逆止弁90が設けられている。
更にまた、冷凍サイクル201は、図1〜図6を参照して説明した制御装置1を備えている。この場合、制御装置1は、一定の周期で、庫内温度及び外気温度の現在の値等に基づいて、制約条件を満たし、消費電力が最小となる圧縮機60の回転数、膨張弁82の開度、ファン14の回転数の少なくとも1つの部品の指示値を決定し、この指示値を用いて、その部品を駆動する。
尚、上記では、凝縮器70により凝縮された冷媒を送る蒸発器を切り換えるために膨張弁82を設けたが、これに代えて、切換え弁を設けてもよい。
図13は、冷凍サイクル201を用いて冷蔵室41及び冷凍室42を冷却した場合の温度変化を示したグラフである。グラフ中、縦軸は温度を示し、「R」は冷蔵室41の温度変化を示し、「F」は冷凍室42の温度変化を示す。この場合、制御装置1は、冷蔵室41及び冷凍室42のうち、温度が上昇する方に、冷却している方のタイミングを合わせるように、冷却能力を調整する。具体的には、時刻t21以降、冷凍室42の温度が上昇しているので、制御装置1は、冷凍室42の温度が上限温度(ON点)に達する時刻を予測する。ここで、その予測された時刻を時刻t22とすると、制御装置1は、冷蔵室41の温度が時刻t22までに下限温度(OFF点)に達することを制約条件として、圧縮機60の回転数を調整する。また、時刻t22以降、冷蔵室41の温度が上昇しているので、制御装置1は、冷蔵室41の温度が上限温度(ON点)に達する時刻を予測する。ここで、その予測された時刻を時刻t25とすると、制御装置1は、冷凍室42の温度が時刻t25までに下限温度(OFF点)に達することを制約条件として、圧縮機60の回転数を調整する。但し、ここでは、冷凍室42の温度が、目標とした時刻t25よりも早い時刻t24にOFF点に達したものとし、時刻t24〜時刻t25は、圧縮機60の運転を停止している。また、冷蔵庫20は、時刻t23〜時刻t24は、冷媒を送る蒸発器が冷凍用蒸発器22から冷蔵用蒸発器21へ切り換わることによる冷媒回収運転を行っている。また、冷蔵室41及び冷凍室42の負荷バランスが大きく異なる場合には、冷蔵室41及び冷凍室42のうち、温度が上昇する方が上限温度(ON点)に達する時刻までに、冷却する方の整数回の冷却サイクルを実施してタイミングを合わせるようにしてもよい。尚、図13の例は、冷凍サイクルが第1の貯蔵室及び第2の貯蔵室を交互に冷却可能な場合に、制約条件として、第1の貯蔵室及び第2の貯蔵室の一方の温度が上昇して予め定められた温度に達するまでに、第1の貯蔵室及び第2の貯蔵室の他方の温度が下降して予め定められた温度に達する、という条件を用いたものと捉えることができる。このように冷蔵室41及び冷凍室42を冷却することにより、冷媒回収運転及び温まった蒸発器を冷却することが必要な分、エネルギーの損失を大きくする蒸発器の切り換えを最小化することによる省エネルギーを実現することができる。
図14は、冷蔵庫20に組み込まれた冷凍サイクル装置の他の例である冷凍サイクル202の構成を示した図である。図示するように、この冷凍サイクル202も、冷媒を循環させる圧縮機60と、圧縮機60により循環された冷媒を凝縮する凝縮器70とを備える。また、凝縮器70には、凝縮器70により凝縮された冷媒を蒸発させて冷蔵室41を冷却する冷蔵用蒸発器21と、凝縮器70により凝縮された冷媒を蒸発させて冷凍室42を冷却する冷凍用蒸発器22とが直列に接続される。即ち、凝縮器70により凝縮された冷媒を送る蒸発器を冷蔵用蒸発器21及び冷凍用蒸発器22の両方と冷凍用蒸発器22のみとの間で切り換えるための膨張弁82が設けられている。そして、冷蔵用蒸発器21の出口側は冷凍用蒸発器22の入口側に接続され、冷凍用蒸発器22の出口側は圧縮機60に接続されている。
また、冷蔵用蒸発器21の入口側には、冷蔵用蒸発器21に流入する冷媒を膨張させる冷蔵用キャピラリーチューブ27が接続され、冷凍用蒸発器22の入口側には、冷凍用蒸発器22に流入する冷媒を膨張させる冷凍用キャピラリーチューブ28が接続される。
更に、冷凍サイクル201は、図1〜図6を参照して説明した制御装置1を備えている。この場合、制御装置1は、一定の周期で、庫内温度及び外気温度の現在の値等に基づいて、制約条件を満たし、消費電力が最小となる圧縮機60の回転数、膨張弁82の開度、ファン14の回転数の少なくとも1つの部品の指示値を決定し、この指示値を用いて、その部品を駆動する。
尚、上記では、凝縮器70により凝縮された冷媒を送る蒸発器を切り換えるために膨張弁82を設けたが、これに代えて、切換え弁を設けてもよい。
図15は、冷凍サイクル202を用いて冷蔵室41及び冷凍室42を冷却した場合の温度変化を示したグラフである。グラフ中、縦軸は温度を示し、「R」は冷蔵室41の温度変化を示し、「F」は冷凍室42の温度変化を示す。この場合、制御装置1は、冷蔵室41及び冷凍室42の冷却を同時に開始し、同時に温度上昇が終了するように、冷却能力を調整する。具体的には、制御装置1は、時刻t26で冷蔵室41及び冷凍室42の同時冷却を開始し、時刻t27で冷蔵室41の温度が下限温度(OFF点)に達したとすると、そこからは冷凍室42のみの冷却を行う。その際、制御装置1は、冷蔵室41の温度が上限温度(ON点)に達する時刻を予測する。ここで、その予測された時刻を時刻t29とすると、制御装置1は、冷凍室42の温度が時刻t29までに上限温度(ON点)に達することを制約条件として、圧縮機60の回転数を調整する。即ち、時刻t28に冷凍室42の温度が下限温度(OFF点)に達すれば、その後、温度が上昇して時刻t29にON点に達することを予測して、圧縮機60の回転数を調整する。また、冷蔵室41及び冷凍室42の負荷バランスが大きく異なる場合には、冷蔵室41及び冷凍室42のうち、一方が下限温度(OFF点)に達する時刻までに、他方の整数回の冷却サイクルを実施してタイミングを合わせるようにしてもよい。尚、図15の例は、冷凍サイクルが第1の貯蔵室及び第2の貯蔵室を同時に冷却可能な場合に、制約条件として、第1の貯蔵室及び第2の貯蔵室の一方の温度が上昇して予め定められた温度に達するまでに、第1の貯蔵室及び第2の貯蔵室の他方の温度も上昇して予め定められた温度に達する、という条件を用いたものと捉えることができる。
[冷蔵庫への第3の適用例]
図16は、本実施の形態が適用される冷蔵庫30の全体構成の一例を示した図である。図示するように、冷蔵庫30は、庫内の上部に形成された貯蔵室及び第1の貯蔵室の一例としての冷蔵室41と、庫内の下部に形成された貯蔵室及び第2の貯蔵室の一例としての冷凍室42と、庫内の中央部に形成された貯蔵室及び第2の貯蔵室の一例としての変温室43とを含む。そして、冷蔵庫30は、冷媒を圧縮して循環させる圧縮機60を備え、冷蔵室41には、圧縮機60により循環された冷媒を蒸発させて冷蔵室41を冷却する冷蔵用蒸発器31と、冷蔵用蒸発器31で冷却された空気を冷蔵室41へ送風する冷蔵用ファン34とを備え、冷凍室42には、圧縮機60により循環された冷媒を蒸発させて冷凍室42を冷却する冷凍用蒸発器32と、冷凍用蒸発器32で冷却された空気を冷凍室42へ送風する冷凍用ファン35とを備え、変温室43には、圧縮機60により循環された冷媒を蒸発させて変温室43を冷却する変温室用蒸発器33と、変温室用蒸発器33で冷却された空気を変温室43へ送風する変温室用ファン36とを備える。また、冷蔵庫30は、冷蔵室41への食品の収納等のために開閉される冷蔵室ドア44と、冷凍室42への食品の収納等のために開閉される冷凍室ドア45と、変温室43への食品の収納等のために開閉される変温室ドア46と、冷蔵室41と変温室43とを仕切る中間隔壁52と、変温室43と冷凍室42とを仕切る中間隔壁53と、冷蔵室41から冷凍室42にかけての後部に共通に設けられた後壁54とを備える。
図16は、本実施の形態が適用される冷蔵庫30の全体構成の一例を示した図である。図示するように、冷蔵庫30は、庫内の上部に形成された貯蔵室及び第1の貯蔵室の一例としての冷蔵室41と、庫内の下部に形成された貯蔵室及び第2の貯蔵室の一例としての冷凍室42と、庫内の中央部に形成された貯蔵室及び第2の貯蔵室の一例としての変温室43とを含む。そして、冷蔵庫30は、冷媒を圧縮して循環させる圧縮機60を備え、冷蔵室41には、圧縮機60により循環された冷媒を蒸発させて冷蔵室41を冷却する冷蔵用蒸発器31と、冷蔵用蒸発器31で冷却された空気を冷蔵室41へ送風する冷蔵用ファン34とを備え、冷凍室42には、圧縮機60により循環された冷媒を蒸発させて冷凍室42を冷却する冷凍用蒸発器32と、冷凍用蒸発器32で冷却された空気を冷凍室42へ送風する冷凍用ファン35とを備え、変温室43には、圧縮機60により循環された冷媒を蒸発させて変温室43を冷却する変温室用蒸発器33と、変温室用蒸発器33で冷却された空気を変温室43へ送風する変温室用ファン36とを備える。また、冷蔵庫30は、冷蔵室41への食品の収納等のために開閉される冷蔵室ドア44と、冷凍室42への食品の収納等のために開閉される冷凍室ドア45と、変温室43への食品の収納等のために開閉される変温室ドア46と、冷蔵室41と変温室43とを仕切る中間隔壁52と、変温室43と冷凍室42とを仕切る中間隔壁53と、冷蔵室41から冷凍室42にかけての後部に共通に設けられた後壁54とを備える。
図17は、冷蔵庫30に組み込まれた冷凍サイクル装置の一例である冷凍サイクル300の構成を示した図である。図示するように、この冷凍サイクル300は、冷媒を循環させる圧縮機60と、圧縮機60により循環された冷媒を凝縮する凝縮器70とを備える。また、凝縮器70には、凝縮器70により凝縮された冷媒を蒸発させて冷蔵室41を冷却する冷蔵用蒸発器31と、凝縮器70により凝縮された冷媒を蒸発させて冷凍室42を冷却する冷凍用蒸発器32と、凝縮器70により凝縮された冷媒を蒸発させて変温室43を冷却する第3の冷却器の一例としての変温室用蒸発器33とが並列に接続される。即ち、凝縮器70により凝縮された冷媒を送る蒸発器を冷蔵用蒸発器31と冷凍用蒸発器32と変温室用蒸発器33との間で切り換えるための膨張弁83が設けられている。そして、冷蔵用蒸発器31の出口側及び冷凍用蒸発器32の出口側は何れも圧縮機60に接続され、変温室用蒸発器33の出口側は冷凍用蒸発器32の入口側に接続されている。
また、冷蔵用蒸発器31の入口側には、冷蔵用蒸発器31に流入する冷媒を膨張させる冷蔵用キャピラリーチューブ37が接続され、冷凍用蒸発器32の入口側には、冷凍用蒸発器32に流入する冷媒を膨張させる冷凍用キャピラリーチューブ38が接続され、変温室用蒸発器33の入口側には、変温室用蒸発器33に流入する冷媒を膨張させる変温室用キャピラリーチューブ39が接続される。
更に、冷凍用蒸発器32と圧縮機60の間には、冷凍サイクル300の高圧側から冷凍用蒸発器32に冷媒が逆流しないように、圧縮機60側を順方向とする逆止弁90が設けられている。
更にまた、冷凍サイクル300は、図1〜図6を参照して説明した制御装置1を備えている。この場合、制御装置1は、一定の周期で、庫内温度及び外気温度の現在の値等に基づいて、制約条件を満たし、消費電力が最小となる圧縮機60の回転数、膨張弁83の開度、ファン14の回転数の少なくとも1つの部品の指示値を決定し、この指示値を用いて、その部品を駆動する。
尚、上記では、凝縮器70により凝縮された冷媒を送る蒸発器を切り換えるために膨張弁83を設けたが、これに代えて、切換え弁を設けてもよい。
図18は、冷凍サイクル300を用いて冷蔵室41と、冷凍室42及び変温室43(以下、「冷凍/変温室」という)とを冷却した場合の温度変化を示したグラフである。グラフ中、縦軸は温度を示し、「R」は冷蔵室41の温度変化を示し、「F」は冷凍室42の温度変化を示し、「CV」は変温室43の温度変化を示す。この場合、制御装置1は、冷蔵室41及び冷凍/変温室のうち、温度が上昇する方に、冷却している方のタイミングを合わせるように、冷却能力を調整する。具体的には、時刻t31以降、冷凍/変温室の温度が上昇しているので、制御装置1は、冷凍/変温室の温度が上限温度(ON点)に達する時刻を予測する。ここで、その予測された時刻を時刻t32とすると、制御装置1は、冷蔵室41の温度が時刻t32までに下限温度(OFF点)に達することを制約条件として、圧縮機60の回転数を調整する。また、時刻t32以降、冷蔵室41の温度が上昇しているので、制御装置1は、冷蔵室41の温度が上限温度(ON点)に達する時刻を予測する。ここで、その予測された時刻を時刻t34とすると、制御装置1は、冷凍/変温室の温度が時刻t34までに下限温度(OFF点)に達することを制約条件として、圧縮機60の回転数を調整する。但し、ここでは、冷凍/変温室の温度が、目標とした時刻t34よりも早い時刻t33にOFF点に達したものとし、時刻t33〜時刻t34は、圧縮機60の運転を停止している。また、冷蔵室41及び冷凍/変温室の負荷バランスが大きく異なる場合には、冷蔵室41及び冷凍/変温室のうち、温度が上昇する方が上限温度(ON点)に達する時刻までに、冷却する方の整数回の冷却サイクルを実施してタイミングを合わせるようにしてもよい。尚、図18の例は、冷凍サイクルが第1の貯蔵室及び第2の貯蔵室を交互に冷却可能な場合に、制約条件として、第1の貯蔵室及び第2の貯蔵室の一方の温度が上昇して予め定められた温度に達するまでに、第1の貯蔵室及び第2の貯蔵室の他方の温度が下降して予め定められた温度に達する、という条件を用いたものと捉えることができる。
ところで、上述したように、本実施の形態において、温度予測器5は、取得部2から入力された庫内温度及び外気温度の現在の値、圧縮機の全回転数等から、予測モデルを使って周期的に、圧縮機の回転数ごとの温度変化を予測し、これを制御器7に入力する。以下、温度予測器5における温度変化の予測の詳細について説明する。
ここでは、予測モデルとして伝達関数モデルを用いるものとして説明する。即ち、圧縮機60の回転数(以下、単に「圧縮機回転数」という)又は外気温度を入力U(s)とし、冷蔵室41の庫内温度(以下、単に「冷蔵室内温度」という)又は冷凍室42庫内温度(以下、単に「冷凍室内温度」という)を出力Y(s)とし、予測モデルを伝達関数G(s)とすると、出力Y(s)は、次式で示すように、入力U(s)から伝達関数G(s)を用いて導出される。
また、ここでは、予測モデルを4つのモデル(モデル#1〜モデル#4とする)に分ける。
図19は、冷蔵庫への第2の適用例における冷蔵室41及び冷凍室42の温度変化を示したグラフに対し、どの区間でどのモデルを用いて温度変化を予測するかを示したものである。グラフ中、「R」は冷蔵室41の温度変化を示し、「F」は冷凍室42の温度変化を示す。尚、制約条件の決定及び制約条件に基づく温度の制御については、図13を参照して既に説明したので、ここでの説明は省略する。
図示するように、時刻t21〜時刻t22の区間で冷蔵室41の温度変化を予測するには、モデル#1が用いられる。この区間は、圧縮機60の動作により冷蔵室41が冷却される区間である。従って、この区間では、伝達関数G(s)をモデル#1とし、入力U(s)を圧縮機回転数とし、出力Y(s)を冷蔵室内温度とする。
時刻t22〜時刻t25の区間で冷蔵室41の温度変化を予測するには、モデル#2が用いられる。この区間は、冷蔵室41が冷却されない区間である。従って、この区間では、伝達関数G(s)をモデル#2とし、入力U(s)を外気温度とし、出力Y(s)を冷蔵室内温度とする。
時刻t20〜時刻t22の区間で冷凍室42の温度変化を予測するには、モデル#3が用いられる。この区間は、冷凍室42が冷却されない区間である。従って、この区間では、伝達関数G(s)をモデル#3とし、入力U(s)を外気温度とし、出力Y(s)を冷凍室内温度とする。
時刻t22〜時刻t24の区間で冷凍室42の温度変化を予測するには、モデル#4が用いられる。この区間は、圧縮機60の動作により冷凍室42が冷却される区間である。従って、この区間では、伝達関数G(s)をモデル#4とし、入力U(s)を圧縮機回転数とし、出力Y(s)を冷凍室内温度とする。
一般的には、伝達関数は、庫内から庫外への熱伝導、冷蔵室41と冷凍室42の間の熱伝導、各庫内と機械室の間の熱伝導、蒸発器と庫内の熱伝導等の複数の熱伝導の重ね合わせとして表現される。また、そこに冷媒が配管を通って蒸発器で蒸発するまでのむだ時間、蒸発器からの冷気がファンによって送風されて庫内を冷却するまでのむだ時間等が加わる。但し、ここでは、伝達関数G(s)を一次遅れプラスむだ時間の伝達関数とし、各モデルはこの伝達関数で近似するものとする。例えば、伝達関数G(s)としては、次式で示すものを用いる。
次に、伝達関数G(s)を用いた温度予測について更に詳細に説明する。
図20は、図19の時刻t21〜時刻t22の区間における冷蔵室41の温度変化の予測について具体的に示したグラフである。この区間では、上述したように、モデル#1が用いられる。
図示するように、まず、時刻t21で、取得部2からの冷蔵室内温度を確認する。この場合、冷蔵室内温度が5℃であったとする。すると、温度予測器5は、この冷蔵室内温度に基づいて、温度変化の予測曲線C0を求める。尚、温度変化の予測曲線は、実際には、複数の圧縮機回転数のそれぞれについて求められるが、ここでは、グラフの煩雑さを避けるため、時刻t22で制約条件を満たす温度に達するための圧縮機回転数のうち消費電力が最も少ない圧縮機回転数について求められたもののみを示している。
その後、予測曲線C0の通りに冷蔵室内温度が推移すれば問題はないが、熱負荷の増加等が発生すると、冷蔵室内温度は必ずしもこの予測曲線の通りに推移しない。そこで、短い周期が経過した後の時刻t211で、再度、取得部2からの冷蔵室内温度を確認する。この場合、冷蔵室内温度が3.5℃であったとする。すると、温度予測器5は、この冷蔵室内温度に基づいて、温度変化の予測曲線C1を求める。尚、温度変化の予測曲線は、実際には、複数の圧縮機回転数のそれぞれについて求められるが、ここでも、グラフの煩雑さを避けるため、時刻t22で制約条件を満たす温度に達するための圧縮機回転数のうち消費電力が最も少ない圧縮機回転数について求められたもののみを示している。
その後、同様に、短い周期が経過した後の時刻t212で、再度、取得部2からの冷蔵室内温度を確認する。この場合、冷蔵室内温度が2.5℃であったとする。すると、温度予測器5は、この冷蔵室内温度に基づいて、温度変化の予測曲線C2を求める。尚、温度変化の予測曲線は、実際には、複数の圧縮機回転数のそれぞれについて求められるが、ここでも、グラフの煩雑さを避けるため、時刻t22で制約条件を満たす温度に達するための圧縮機回転数のうち消費電力が最も少ない圧縮機回転数について求められたもののみを示している。
このように、温度予測器5は、短い周期ごとに、温度変化の予測を繰り返す。そして、制御器7は、時刻t22で制約条件を満たす温度に到達しかつ消費電力が最小となるように、圧縮機回転数を制御する。この場合、冷蔵室内温度は、時刻t21から時刻t22まで、図20に示すように周期ごとに異なる傾きを持つ折れ線状に推移していくことが考えられる。即ち、冷蔵室内温度を、図19では、図面作成の都合上、直線状に推移するものとしたが、必ずしも直線状に推移するのではなく、図20のように、折れ線状に推移するものとしてもよい。
ここで、例えば、時刻t212で温度変化を予測する際には、時刻t212で取得部2から取得した冷蔵室内温度(2.5℃)に加えて、時刻t21で取得部2から取得した冷蔵室内温度(5℃)及び時刻t211で取得部2から取得した冷蔵室内温度(3.5℃)に基づいて温度変化を予測したときの予測モデルの状態を用いる。これを一般化すると、現在の実際の温度と、過去の実際の温度からの温度変化を過去の実際の温度に基づいて予測した際の予測モデルの状態とに基づいて、現在の実際の温度からの温度変化を予測する、ということができる。
この場合の予測モデルの状態について説明するために、伝達関数G(s)に対応する状態方程式及び出力方程式を示す。
状態方程式は、入力u(t)と状態ベクトルx(t)との関係を表すものであり、次式で示される。
出力方程式は、状態ベクトルx(t)と出力y(t)との関係を表すものであり、次式で示される。
このような状態方程式及び出力方程式において、状態ベクトルx(t)が、過去の実際の温度からの温度変化を過去の実際の温度に基づいて予測した際の予測モデルの状態に相当する。例えば、状態ベクトルx(t)の初期値x(0)に、過去の実際の温度に基づいて予測した結果である過去の実際の温度からの温度変化の情報が反映される。
次いで、伝達関数G(s)におけるパラメータの決定方法について説明する。
モデル#2、#3を用いる場合、伝達関数G(s)のパラメータK,T,Lは、それぞれ、外気温度xの関数FK(x),FT(x),FL(x)により得られるものとする。この場合、関数FK(x),FT(x),FL(x)を関数F(x)で代表させると、関数F(x)は一般的な二次曲線の式となる。例えば、関数F(x)としては、次式で示すものを用いるとよい。
ここで、係数a〜cは、外気温度xを与えたときの関数FK(x),FT(x),FL(x)の値、つまり、パラメータK,T,Lが設定された状態方程式から得られる温度変化と、実際に観測される温度変化とを比較し、最小二乗法等により決定するとよい。
モデル#1、#4を用いる場合、伝達関数G(s)のパラメータK,T,Lは、それぞれ、外気温度x及び圧縮機回転数yの関数FK(x,y),FT(x,y),FL(x,y)により得られるものとする。この場合、関数FK(x,y),FT(x,y),FL(x,y)を関数F(x,y)で代表させると、関数F(x,y)は一般的な二次曲面の式となる。例えば、関数F(x,y)としては、次式で示すものを用いるとよい。
ここで、係数a〜fは、外気温度x及び圧縮機回転数yを与えたときの関数FK(x,y),FT(x,y),FL(x,y)の値、つまり、パラメータK,T,Lが設定された状態方程式から得られる温度変化と、実際に観測される温度変化とを比較し、最小二乗法等により決定するとよい。
尚、上記の関数F(x)及び関数F(x,y)の式はあくまで一例であり、これには限らない。例えば、実際に観測される温度変化との近似度をより高くする曲線や曲面の式があれば、そのような曲線や曲面の式を用いてもよい。また、部分ごとに異なる式を用いてもよいし、曲線や曲面の式ではなく観測された点の間を単に補間する直線や平面の式を用いてもよい。
図21は、関数F(x,y)の二次曲面の一例を示した図である。尚、ここでは、関数FK(x,y),FT(x,y),FL(x,y)を代表する関数F(x,y)の二次曲面として、1つの形状の二次曲面を示しているが、実際には、関数FK(x,y)の二次曲面と、関数FT(x,y)の二次曲面と、関数FL(x,y)の二次曲面とで、形状は異なる。上述したように、学習時に、外気温度x及び圧縮機回転数yとして幾つかのデータを与えることで、関数FK(x,y),FT(x,y),FL(x,y)の二次曲面の形状が決められる。そして、温度変化の予測時に、外気温度x及び圧縮機回転数yとしてその時点の外気温度及び設定する圧縮機回転数を与えることで、関数FK(x,y),FT(x,y),FL(x,y)の値、つまり、パラメータK,T,Lが求められる。
尚、ここでは、関数F(x)の二次曲線については図示を省略するが、これについても、学習時に、外気温度xとして幾つかのデータを与えることで、関数FK(x),FT(x),FL(x)の二次曲線の形状が決められる。
また、上記では、温度予測器5が予測モデルを使って周期的に温度変化を予測する場合について説明したが、電力予測器6が予測モデルを使って周期的に消費電力を予測する場合についても同様に考えればよい。
[効果]
本実施の形態では、事前に予測できない外乱(例えば、扉の開閉、食品入庫)があった場合でも、その外乱による温度変化に合わせて、消費電力を低減させる圧縮機60の回転数等を自律的に設定することできる。つまり、予測した温度変化と実際の温度変化との差異に合わせて、圧縮機60の回転数等を自律的に変化させることができる。
本実施の形態では、事前に予測できない外乱(例えば、扉の開閉、食品入庫)があった場合でも、その外乱による温度変化に合わせて、消費電力を低減させる圧縮機60の回転数等を自律的に設定することできる。つまり、予測した温度変化と実際の温度変化との差異に合わせて、圧縮機60の回転数等を自律的に変化させることができる。
また、予測周期ごとに圧縮機60の回転数等を予測することにより、使い方(入れる食品等)を考慮した運転を自律的に実現し、消費電力を低減させることができる。
このような効果について、更に具体的に説明する。
図22(a)は、冷蔵室内温度の推移を示したグラフであり、図22(b)は、冷凍室内温度の推移を示したグラフであり、図22(c)は、圧縮機回転数の推移を示したグラフである。図22(b)に白抜き矢印で示すように、例えば、時刻t51の直前に、冷凍室ドア45が開かれ、冷凍室42に食品が投入されたとする。つまり、冷凍室42に対する熱負荷が増加したとする。すると、冷凍室内温度が一瞬上昇するので、圧縮機60の回転数を上げることにより、冷凍室内温度を低下させる必要が出て来る。
しかしながら、これまでの一般的な技術では、図22(c)に破線で示すように、熱負荷として想定される最大値に合わせて圧縮機60の回転数を決定する。従って、図22(a)に示すように、時刻t53に冷蔵室内温度が冷蔵室41で許容している温度範囲の上限に達する場合であっても、図22(b)に破線で示すように、時刻t53よりも早い時刻t52に冷凍室内温度が冷凍室42で許容している温度範囲の下限に達してしまい、省エネルギーにならない。
これに対し、本実施の形態では、図22(c)に実線で示すように、短期間に熱負荷を予測してその予測された負荷に合わせて圧縮機60の回転数を決定する。従って、図22(a)に示すように、時刻t53に冷蔵室内温度が冷蔵室41で許容している温度範囲の上限に達する場合には、図22(b)に実線で示すように、時刻t53に冷凍室内温度が冷凍室42で許容している温度範囲の下限に達するようにすることができ、省エネルギーになる。
また、冷蔵庫には個体差があるため、現状では、冷蔵庫のカタログに載せる消費電力に例えば3%程度の余裕を持たせている。これに対し、本実施の形態では、断熱性能の個体差は除かれるものの、冷媒の流れ易さの違い等のサイクル部品のばらつきによる個体差は低減することができる。即ち、全ての個体で最大性能を出すことができる。従って、冷蔵庫のカタログに載せる消費電力について、余裕をなくした表記をすることができる。
[変形例]
本実施の形態は、冷蔵庫に適用されるものとして説明したが、この限りでない。例えば、冷凍コンテナ、冷凍トラック等、複数の温度帯で食品等を冷やす様々な製品に適用可能である。また、冷凍サイクルが組み込まれた他の製品、例えば、空気調和機等にも適用可能である。
本実施の形態は、冷蔵庫に適用されるものとして説明したが、この限りでない。例えば、冷凍コンテナ、冷凍トラック等、複数の温度帯で食品等を冷やす様々な製品に適用可能である。また、冷凍サイクルが組み込まれた他の製品、例えば、空気調和機等にも適用可能である。
1…制御装置、2…取得部、3…制御部、4…駆動部、5…温度予測器、6…電力予測器、7…制御器、10,20,30…冷蔵庫、11…蒸発器、14…ファン、17…キャピラリーチューブ、21,31…冷蔵用蒸発器、22,32…冷凍用蒸発器、24,34…冷蔵用ファン、25,35…冷凍用ファン、27,37…冷蔵用キャピラリーチューブ、28,38…冷凍用キャピラリーチューブ、33…変温室用蒸発器、36…変温室用ファン、39…変温室用キャピラリーチューブ、41…冷蔵室、42…冷凍室、43…変温室、44…冷蔵室ドア、45…冷凍室ドア、46…変温室ドア、60…圧縮機、70…凝縮器、81,82,83…膨張弁、90…逆止弁
Claims (22)
- 冷凍サイクルが組み込まれた冷蔵庫の貯蔵室の負荷変動を取得する取得部と、
前記負荷変動に応じて、前記冷凍サイクルを構成する部品を駆動する駆動値を決定する決定部と、
前記駆動値に基づき前記部品を駆動する駆動部と
を備え、
前記取得部は、前記冷凍サイクルが特定の貯蔵室を冷却する状態と冷却しない状態とが切り替わる周期内で、前記負荷変動を、時間の経過に伴い常態的に監視することを特徴とする冷凍サイクル制御装置。 - 前記取得部は、時間の経過に伴って変化する状態である第1状態の特定の値を、前記冷凍サイクルが前記特定の貯蔵室を冷却する状態と冷却しない状態とが切り替わる周期よりも短い予め定められた周期で、前記負荷変動として取得することを特徴とする請求項1に記載の冷凍サイクル制御装置。
- 前記決定部は、前記第1状態の特定の値に基づいて、前記部品の状態である第2状態の現在の値とは異なる当該第2状態の特定の値を、前記駆動値として決定することを特徴とする請求項2に記載の冷凍サイクル制御装置。
- 前記駆動部は、前記駆動値として前記第2状態の特定の値を用いて、前記部品を駆動することを特徴とする請求項3に記載の冷凍サイクル制御装置。
- 前記第1状態は、前記冷蔵庫の庫内温度及び外気温度の少なくとも何れか一方であり、
前記第2状態は、前記部品の設定であることを特徴とする請求項3に記載の冷凍サイクル制御装置。 - 前記部品は、前記冷蔵庫内の少なくとも1つの貯蔵室を冷却するための冷却用部品であり、
前記設定は、前記冷却用部品を用いた冷却の度合いに関する冷却度合い設定であることを特徴とする請求項5に記載の冷凍サイクル制御装置。 - 前記冷却用部品は、圧縮機であり、
前記冷却度合い設定は、前記圧縮機の回転数であることを特徴とする請求項6に記載の冷凍サイクル制御装置。 - 前記冷却用部品は、膨張弁であり、
前記冷却度合い設定は、前記膨張弁の開度であることを特徴とする請求項6に記載の冷凍サイクル制御装置。 - 前記冷却用部品は、ファンであり、
前記冷却度合い設定は、前記ファンの回転数であることを特徴とする請求項6に記載の冷凍サイクル制御装置。 - 前記決定部は、制約条件を満たすように前記第2状態の特定の値を決定することを特徴とする請求項3に記載の冷凍サイクル制御装置。
- 前記決定部は、前記第1状態の特定の値に基づいて、前記第2状態の複数の値ごとの前記第1状態の値の変化を予測し、当該第1状態の値の変化に基づいて、当該第2状態の複数の値から、前記制約条件を満たすように前記第2状態の少なくとも2つの値を特定し、当該第2状態の少なくとも2つの値から前記第2状態の特定の値を決定することを特徴とする請求項10に記載の冷凍サイクル制御装置。
- 前記決定部は、前記第2状態の複数の値ごとの前記第1状態の値の変化を予測モデルで予測するものであり、前記第1状態の特定の値と、前記第1状態の過去の値からの当該第1状態の値の変化を当該第1状態の過去の値に基づいて予測したときの当該予測モデルの状態とに基づいて、当該第1状態の特定の値からの当該第1状態の値の変化を予測することを特徴とする請求項11に記載の冷凍サイクル制御装置。
- 前記決定部は、前記第1状態の特定の値に基づいて、前記第2状態の少なくとも2つの値ごとの指標を予測し、当該指標に基づいて、当該第2状態の少なくとも2つの値から前記第2状態の特定の値を決定することを特徴とする請求項11に記載の冷凍サイクル制御装置。
- 前記指標は、前記冷蔵庫の消費電力であり、
前記第2状態の特定の値は、前記消費電力を最小とする前記部品の設定の値であることを特徴とする請求項13に記載の冷凍サイクル制御装置。 - 前記決定部は、前記冷凍サイクルが第1の貯蔵室及び第2の貯蔵室を交互に冷却可能な場合に、前記制約条件として、当該第1の貯蔵室及び当該第2の貯蔵室の一方の温度が上昇して予め定められた温度に達するまでに、当該第1の貯蔵室及び当該第2の貯蔵室の他方の温度が下降して予め定められた温度に達する、という条件を用いることを特徴とする請求項10に記載の冷凍サイクル制御装置。
- 前記決定部は、前記冷凍サイクルが第1の貯蔵室及び第2の貯蔵室を同時に冷却可能な場合に、前記制約条件として、当該第1の貯蔵室及び当該第2の貯蔵室の一方の温度が上昇して予め定められた温度に達するまでに、当該第1の貯蔵室及び当該第2の貯蔵室の他方の温度も上昇して予め定められた温度に達する、という条件を用いることを特徴とする請求項10に記載の冷凍サイクル制御装置。
- 前記決定部は、周期の終点で前記制約条件が満たされることが予定される当該周期内で、前記第1状態の特定の値に基づいて、当該周期の終点で当該制約条件が満たされるかどうかを複数回推定し、前記第2状態の特定の値を決定することを特徴とする請求項10に記載の冷凍サイクル制御装置。
- 前記決定部は、周期の終点で前記制約条件が満たされることが予定される当該周期内で、前記第1状態の特定の値に基づいて、前記第2状態の複数の値ごとの前記第1状態の値の変化を予測することにより、当該周期の終点で当該制約条件が満たされるかどうかを複数回推定し、当該第1状態の値の変化に基づいて、当該第2状態の複数の値から、当該周期の終点で当該制約条件が満たされるように前記第2状態の少なくとも2つの値を特定し、当該第2状態の少なくとも2つの値から前記第2状態の特定の値を決定することを特徴とする請求項10に記載の冷凍サイクル制御装置。
- 前記決定部は、過去の負荷変動と当該過去の負荷変動に応じて決定された過去の駆動値とを時系列に蓄積した時系列データを学習し前記部品の停止条件又は前記駆動値を生起する予測モデルに基づき、前記負荷変動に応じて当該停止条件又は当該駆動値を可変にすることを特徴とする請求項1に記載の冷凍サイクル制御装置。
- 冷媒を循環させる圧縮機と、
前記圧縮機により循環された冷媒を凝縮する凝縮器と、
前記凝縮器により凝縮された冷媒により貯蔵室を冷却するための冷却用部品と、
前記冷却用部品の駆動を制御する制御装置と
を備え、
前記制御装置は、
冷凍サイクルが組み込まれた冷蔵庫の貯蔵室の負荷変動を取得する取得部と、
前記負荷変動に応じて、前記冷凍サイクルを構成する部品を駆動する駆動値を決定する決定部と、
前記駆動値に基づき前記部品を駆動する駆動部と
を備え、
前記取得部は、前記冷凍サイクルが特定の貯蔵室を冷却する状態と冷却しない状態とが切り替わる周期内で、前記負荷変動を、時間の経過に伴い常態的に監視することを特徴とする冷凍サイクル装置。 - 請求項20に記載の冷凍サイクル装置を備えたことを特徴とする冷蔵庫。
- 冷媒を循環させる圧縮機と、
前記圧縮機により循環された冷媒を凝縮する凝縮器と、
前記凝縮器により凝縮された冷媒により貯蔵室を冷却するための冷却用部品と
を含む冷凍サイクル装置において、
冷凍サイクルが組み込まれた冷蔵庫の貯蔵室の負荷変動を取得する取得ステップと、
前記負荷変動に応じて、前記冷凍サイクルを構成する部品を駆動する駆動値を決定する決定ステップと、
前記駆動値に基づき前記部品を駆動する駆動ステップと
を含み、
前記取得ステップでは、前記冷凍サイクルが特定の貯蔵室を冷却する状態と冷却しない状態とが切り替わる周期内で、前記負荷変動を、時間の経過に伴い常態的に監視することを特徴とする冷凍サイクル装置の制御方法。
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