JP3491449B2 - 故障診断付き空気調和装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、空気調和機におい
て運転状況を監視する装置に関し、特に故障診断などを
行う装置に好適である。

【０００２】

【従来の技術】故障診断装置としては、特開平７−７１
８０３号公報に記載のものが知られ、特開平７−１０３
５３９号公報には自己診断モードを設けることが述べら
れている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記の自己診断方法
は、空気調和装置の運転を行いながらできるものでもな
く、操作不良であるのか、機械的故障（ハードウエア的
故障）であるかを判断していない。よって、診断自体に
曖昧さがあると共に、修理に要する時間、つまり使用者
に対して被害を最小限にすることが充分考慮されていな
い。

【０００４】本発明の目的は、空気調和装置の故障に際
して原因を明確にし、運転持続可能な場合には運転を止
めないなどの、融通性の高い故障診断付き空気調和装置
を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、圧縮機、室外
熱交換器、室外膨張弁、室外ファンを有する室外機、室
内熱交換器、室内膨張弁、室内ファンを有する室内機を
配管接続する空気調和装置において、前記空気調和装置
の運転状態を表す前記圧縮機冷媒吐出過熱度を監視する
手段と、前記室外膨張弁の開度に対する前記圧縮機の冷
媒吐出過熱度の感度を表す係数が予め求められた正常範
囲以下に低下したとき、機械的故障と判断する手段と、
前記圧縮機の冷媒吐出過熱度を正規分布を成す確率密度
関数として捉え、予め定めた診断基準に対する確率密度
関数から診断時点の冷媒吐出過熱度の状態が異常である
か正常であるか検定を行い、異常と検定されたとき操作
不良と判断する手段と、を備え、前記機械的故障と判断
された場合には停止処置動作を行い、前記操作不良と判
断された場合には前記室外膨張弁を圧縮機吐出過熱度の
許容範囲内で全開し、前記室内膨張弁開度も全開、前記
圧縮機の駆動周波数は最低回転数とするものである。

【０００６】これにより故障が発生した際に、操作不良
であるか、ハードウェア故障であるかを自己診断し、さ
らに操作不良の場合には正規の状態と性能を発揮するよ
う自己治療し、故障による使用者への不快感を最低限に
し、常に安定で快適な多室空気調和機の運転を保証する
ことができる。また、万が一ハードウェア故障が発生し
ても、どこが悪いのかを的確に指摘し、修理時間を短縮
して使用者の不快感を少なくし、サービスマンへの負担
を低減することができる。

【０００７】以上により空気調和装置の運転を行いなが
ら、操作不良あるいは機械的故障であるかが即座に使用
者、サービスマンあるいは設計者へ明確に伝えることが
できる。したがって、空気調和装置の故障に際し、使用
者への被害を最小限にすることができる。

【０００８】

【０００９】さらに、本発明による故障診断付き空気調
和装置は、操作不良あるいは機械的故障と判断されたこ
とを空気調和装置の設置された場所に対して遠隔地にあ
るサービスセンタへ通信する手段を備えている。

【００１０】

【００１１】

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施の形態を、
故障診断法、通信方法、表示方法、情報入力方法、情報
保管方法の順で、図１ないし図５を参照して説明する。

【００１３】図２は、多室空気調和機と故障診断装置構
成を示すブロック図であり、室外機１７と、複数台の室
内機２５１、２５Ｎを有し、室外機１７と１台あるいは
複数台からなる室内機２５１、２５Ｎとを配管接続して
閉回路をなし、その閉回路の中に冷媒を封入している。

【００１４】室外機１７は、１台あるいは複数台の、周
波数可変あるいは固定の圧縮機１８と室外熱交換器１９
及び室外膨張弁２４を配管するとともに室外熱交換器１
９に送風する室外ファン２０を備えている。また、室内
機２５１、２５Ｎにおいては、室内空気と熱交換を行う
室内熱交換器２６１、２６Ｎとその室内熱交換器２５
１、２５Ｎの冷媒の流量を調節する室内膨張弁２８１、
２８Ｎを順次配管するとともに室内熱交換器２６１、２
６Ｎに送風する室内ファン２７１、２７Ｎが設けられて
いる。

【００１５】室外機１７は、アキュムレータ２１、四方
弁２２及びレシーバ２３を有し、室外機１７及び室内機
２５１、２５Ｎの各ガス側及び液側を、各々ガス側管路
２９、液側管路３０及び分岐管３１１、３１Ｎ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２５１、２５Ｎは、空気調和の対象
となる部屋などの内部である利用部３２１、３２Ｎに、
それぞれ配置してある。

【００１６】さらに、室外機１７には、室外温度を検知
する室外温度検知器３３、圧縮機冷媒吐出温度検知器及
び冷媒過熱度演算器からなる圧縮機冷媒吐出過熱度検知
器３４、圧縮機冷媒吸入圧力を検知する圧縮機冷媒吸入
圧力検知器３５、圧縮機冷媒吐出圧力を検知する圧縮機
冷媒吐出圧力検知器３６、圧縮機１８の消費電力を検知
する圧縮機電力検知器３７、圧縮機１８の周波数を操作
するインバータ圧縮機周波数操作器３８、室外ファン２
０の送風能力を操作する室外側送風能力操作器３９、室
外ファン２０の消費電力を検知する室外ファン電力検知
器４０、室外膨張弁２４の開度を操作する室外膨張弁開
度操作器４１がそれぞれ設けられている。 さらに、室
内側となる利用部３２１、３２Ｎには、利用部室内温度
を検知する利用部室内温度検知器４２１、４２Ｎ、その
利用部への吹き出し空気温度を検知する利用部吹き出し
空気温度検知器４３１、４３Ｎ、室内ファン２７１、２
７Ｎの送風能力を操作する室内側送風能力操作器４４
１、４４Ｎ、室内ファン２７１、２７Ｎの電力を検知す
る室内ファン電力検知器４５１、４５Ｎ、室内膨張弁２
８１、２８Ｎの冷媒循環量を操作する室内膨張弁開度操
作器４６１、４６Ｎ、予め与えられた設定値を記憶ある
いは使用者が好みの熱環境を設定するための設定器４７
１、４７Ｎを有している。

【００１７】さらに、通常の制御及びその他の演算を行
う制御演算装置４８、及び診断治療装置４９、使用者へ
の表示装置５０、情報保管装置５１、情報入力装置５
２、サービスマンあるいは設計者への表示装置５３、通
信手段５４がそれぞれ接続されている。以上で故障診断
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。

【００１８】次に、本発明による多室空気調和機の動作
について説明する。◆初めに、室外膨張弁２４が、固渋
や駆動モータの空回りなどでハードウェアに支障をきた
したとする。◆このとき、圧縮機駆動周波数に対して室
外膨張弁開度が大きい場合、圧縮機冷媒吐出圧力Ｐｄが
やや小さくなり、圧縮機冷媒吐出温度Ｔｄは下降する。
逆に、圧縮機駆動周波数に対して室外膨張弁開度が小さ
い場合、圧縮機冷媒吐出圧力Ｐｄは大きくなるが、室外
膨張弁開度がさらに小さくなった場合、Ｐｄは低下し、
圧縮機冷媒吐出温度Ｔｄは上昇する。したがって、ハー
ドウェアの故障に関しては、単に、圧縮機冷媒吐出圧
力、圧縮機冷媒吐出温度などの状態量を観測しただけで
は、一定の傾向を見いだすことは困難となる。◆そこ
で、ハードウェアの故障に対しては、図１のフローチャ
ートでステップ４で示したシステム同定を用いる。シス
テム同定とは、ある状態変数と、他の状態変数の関係
を、動的挙動を観測することで、統計的に求める手法で
あり、以下に具体的に説明する。

【００１９】圧縮機冷媒吐出圧力検知器３６の検知信号
や、圧縮機冷媒吐出過熱度検知器３４の検知信号など
の、状態量の観測値を代表してｙ（ｋ）とする。ここで
ｋは、観測のステップ数である。また、室外膨張弁開度
操作器４１の操作信号などの、操作量を代表して、ｕ
（ｋ）とすると、これらの関係は、ＡＲＸモデルなどで
表すことができる。簡単のため、ここでは次数を１とす
ると下記数式で表される。

【００２０】 ｙ（ｋ＋１）＝−Ａ１・ｙ（ｋ）＋Ｂ１・ｕ（ｋ） …（１）◆ 式（１）の係数の中で、Ａ１は、検知信号ｙ（ｋ）に対
する次のステップの検知信号ｙ（ｋ＋１）の係数であ
り、多室空気調和機自身の慣性の大きさを表す。係数パ
ラメータＢ１は、操作信号ｕ（ｋ）が多室空気調和機制
御演算装置４８から室外膨張弁開度操作器４１に送られ
た際に、圧縮機冷媒吐出過熱度検知器３４の検知信号ｙ
（ｋ）が如何に変化するかという、操作信号と検知信号
間の感度を表す。この係数パラメータを、多室空気調和
機を運転しながら同定することによって求める。

【００２１】以上で得られた係数Ｂ１は、室外膨張弁の
固渋や駆動モータ空回りなどのハードウェア故障の際に
は、その値が減少する。つまり、操作信号を送ったにも
係わらず、実際には室外膨張弁が作動していないので、
操作信号の大きさに対して、検知信号が殆ど変化せず、
操作信号と検知信号の感度があたかも減少したように計
算されるからである。◆ここで、係数の正常な値、ある
いは正常な値の範囲が既知であれば、その範囲から逸脱
した時点で、ハードウェアに支障をきたしたと判断でき
る。

【００２２】図４は、上記の説明によるハードウェアの
診断を行うシミュレーションを表し、係数の同定の様子
を示している。◆観測している同定ステップｎＢにおい
て、室外膨張弁などのアクチュエータが働かなくなった
とする。そのとき、ステップｎＤ以上においては、係数
パラメータＢ１が正常範囲（７２）以下に低下し、ハー
ドウェアが故障したことが分かり、さらには、圧縮機冷
媒吐出過熱度と室外膨張弁開度間の係数パラメータの値
が異常であることから、室外膨張弁の故障と的確に診断
して決定できる。◆このとき、故障が生じてからそれを
診断するまでに、（ｎＤ−ｎＢ）ステップの時間差を生
じるが、これはステップ４の同定アルゴリズムに、忘却
係数などとして重み係数を付加することによって等価的
に小さくすることができる。

【００２３】次に、操作不良の故障診断についての例を
挙げて説明する。上述と同様に室外膨張弁を例として述
べる。

【００２４】今、制御アルゴリズムの不備によって、あ
るいは予想外の大きな外乱が多室空気調和機制御システ
ムに付加され、室外膨張弁が不適切な動作を行ったと仮
定する。この場合、圧縮機駆動周波数に対して室外膨張
弁開度が小さすぎると、圧縮機冷媒吐出過熱度が上昇す
る。このとき、従来は過上昇アラームの表示と共に運転
を中止することになる。

【００２５】本発明による診断は、図１のステップ６に
示すように検定を利用する。検定とは、（Ａ）ある基準
を定めて（Ｂ）検査し、（Ｃ）合否、等級などを決定す
るときに、統計的な処理より決定することであり、以下
に具体的に説明する。◆いま、（Ａ）圧縮冷媒吐出過熱
度の制御目標値が３０Ｋ、異常の診断基準が４５Ｋのと
き、（Ｂ）検知信号に対して（Ｃ）それが正常か異常か
を判断することとして説明する。

【００２６】圧縮機冷媒吐出過熱度検知器３４の検知信
号を受け取ったとき、その検知信号は、圧縮機冷媒吐出
過熱度と室外膨張弁開度を（１）式に近似化したときの
近似誤差、測定誤差や電気ノイズなどの観測雑音によ
り、不規則変動をする確率的なものと考えられる。よっ
て、検知信号を確定的なものとして、１００％信頼でき
るものではない。そこで、この確率変数といえる検知信
号を検定するための処理として、次の仮説を定める。◆ 仮説Ｈ０：圧縮機冷媒吐出過熱度は正常である。◆ 仮説Ｈ１：圧縮機冷媒吐出過熱度は異常である。◆ 図５において、検知信号が境界値ｙＢ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。

【００２７】７５は、圧縮機冷媒吐出過熱度が正常値で
あるという条件のもとでの検知信号の条件付確率密度関
数でありｐ（ｙ｜３０）、７６は圧縮機冷媒吐出過熱度
が異常値であるという条件のもとでの検知信号の条件付
確率密度関数でありｐ（ｙ｜４５）で表すこととする。
◆従って面積Ｅ０は、圧縮機冷媒吐出過熱度が３０Ｋで
あるにもかかわらず、仮説Ｈ１を受容し、圧縮機吐出過
熱度は異常であるという決定を下す確率であり、第１種
の過誤である。

【００２８】また、面積Ｅ１は、圧縮機吐出過熱度が４
５Ｋであるにもかかわらず、仮説Ｈ０を受容し、圧縮機
冷媒吐出過熱度は正常であるという決定を下す確率であ
り、第２種の過誤となる。◆さらに、これら２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
支えない。よって、検定することは境界値ｙＢを求める
ことに帰着される。

【００２９】上記の２種類の過ちを犯したときに、それ
ぞれ損害高を決めておく。Ｅ０を犯したときの損害をＣ
０、Ｅ１を犯したときの損害をＣ１とする。また、もし
圧縮機冷媒吐出過熱度が異常となる確率β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
均危険高を下式（２）のように定義する。◆ Ｃ（ｙＢ）＝（１−β）・Ｃ０・Ｅ０＋β・Ｃ１・Ｅ１ …（２）◆ 上記数式を最小にするように境界値ｙＢを定める。それ
はｄＣ（ｙＢ）／ｄｙＢ＝０を計算すれば良く、具体的
にｄＣ（ｙＢ）／ｄｙＢ＝０を満足する条件は下式
（３）で与えられる。

【００３０】 ｐ（ｙ｜４５）／ｐ（ｙ｜３０）＝β・Ｃ１／（１−β）Ｃ０ …（３）◆ 上式（３）で左辺の条件付確率密度関数の比は尤度比で
あり、右辺の値は閾値である。尤度比が閾値を超えたと
き仮説Ｈ１を受容して、圧縮機吐出過熱度は異常である
と決定し、閾値以下であるならば、圧縮機吐出過熱度は
正常と決定する。 実際には、圧縮機冷媒吐出過熱度は
動特性を持ち、検知信号ｙ（ｋ）は、時刻と共に変動
し、正常、異常状態も３０Ｋ、４５Ｋとなるような単純
な事態ではない。しかし、確率微分、確率積分、伊藤の
微分則を用いれば上記と同様に決定することができる。
◆以上述べたように現在の検知信号からの状態を正常値
に対して検定することによって、操作不良の故障診断を
行うことができる。

【００３１】つぎに、操作不良と診断した後、その原因
を決定することを説明する。原因を明らかにするにはハ
ードウェアの故障の場合と異なり、係数パラメータの低
下のように明確に箇所を決定できないので、図１の手続
き１３、１４に示したように過去故障事例を参照する。

【００３２】まず、情報保管装置５１より、診断治療装
置４９に過去故障事例をダウンロードし、事例を一つ一
つ参照していく。過去故障事例には検知手段毎に過去の
故障事例の原因をまとめてあり、Ｔｒｕｅ、Ｆａｌｓｅ
判断により、原因を決定することができる。図３は、図
１におけるステップ１４の具体例であり、圧縮機冷媒吐
出過熱度異常時の原因決定フローである。詳細な説明は
図示の通りであるが、ステップ５５からスッテプ６８の
ように順次判定していくことにより、原因を確定するこ
とができる。◆原因を確定した後は、自己治療が可能な
場合にはアラームを表示し、停止する従来の制御に代わ
って治療制御に移行する。

【００３３】治療制御とは、多室空気調和機の負荷が小
さくなる方向に操作手段を操作して、一時的に性能、能
力を犠牲にし、その後正常状態に復帰させることを意味
している。例えば、室外膨張弁を圧縮機吐出過熱度の許
容範囲内で全開し、室内膨張弁開度も同様に全開、圧縮
機駆動周波数は最低回転数として負荷を小さくしてい
く。但し、これはどの操作器が操作不良となっているか
で、その内容は当然異なる。

【００３４】以上の故障診断を行なった後、故障機の使
用者名、設置地域、設置場所、ハードウェア故障、操作
不良による異常状態などの故障状態、故障部品、故障回
数などの内容を、通信手段５４を介して表示装置５０、
５３に表示する。

【００３５】表示装置は使用者元ないしはサービスセン
タ、製造工場に設置することが望ましく、ハードウェア
故障など自己治療できない場合、治療制御では完治しな
かった際には、サービスマンが早急に現場へ駆け付け、
最善の処置をとることができる。さらに、情報入力装置
５２を用いて情報保管装置５１に原因、異常状態、対策
法などを入力することによって、これらの情報はその後
の故障診断に用いることができる。

【００３６】以上の例では、圧縮機冷媒吐出過熱度につ
いて説明を行ったが、その他冷媒封入量過多、過小、圧
縮機軸受け磨耗などの様々な故障条件にも同様のことを
行うことができる。

【００３７】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、空気
調和装置の故障に際して故障診断を行い原因を明確に
し、運転持続可能な場合には運転を止めないなどの、融
通性の高い故障診断付き空気調和装置を得ることができ
る。

【００３８】さらに、多室空気調和機がハードウェアに
支障をきたした際には、その箇所を明確に指摘し、サー
ビスマンに早急に伝えることにより、修理までの時間を
最短にできる。さらに、不良操作に対しては、原因の明
確化と共に自己治療できるものに対しては治療制御を行
うことにより、使用者の不快感を最低限にし、サービス
マンへの負担を軽減することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 一実施の形態による主要部のフローチャート
図である。

【図２】 一実施の形態の構成を表すブロック図であ
る。

【図３】 図１におけるステップ１４の詳細な判定方法
を示すフローチャート図である。

【図４】 室外膨張弁が故障した際の、圧縮機冷媒吐出
過熱度と室外膨張弁間の係数パラメータの時間（ステッ
プ）に対する変化を示すグラフ線図である。

【図５】 横軸に検知信号の大きさ、縦軸にその度数で
ある確率密度関数を表すグラフ線図である。

【符号の説明】

１…運転開始信号入力部、２…多室空気調和機運転開始
部、３…観測部、４…システム同定部、５…係数パラメ
ータ判定部、６…検定部、７…状態判定部、８…通常制
御部、９…表示部１、１０…通信部、１１…表示部２、
１２…アラーム停止部、１３…過去故障事例ダウンロー
ド部、１４…操作不良原因判定部、１５…自己治療可不
可判定部、１６…治療制御部、１７…室外機、１８…圧
縮機、１９…室外熱交換器、２０…室外ファン、２１…
アキュムレータ、２２…四方弁、２３…レシーバ、２４
…室外膨張弁、２５１…室内機、２５Ｎ…室内機、２６
１…室内熱交換器、２６Ｎ…室内熱交換器、２７１…室
内ファン、２７Ｎ…室内ファン、２８１…室内膨張弁、
２８Ｎ…室内膨張弁、２９…ガス管、３０…液管、３１
１…分岐管、３１Ｎ…分岐管、３２１…利用部、３２Ｎ
…利用部、３３…室外温度検知器、３４…圧縮機冷媒吐
出過熱度検知器、３５…圧縮機冷媒吸入圧力検知器、３
６…圧縮機冷媒吐出圧力検知器、３７…圧縮起電力検知
器、３８…インバータ圧縮機操作器、３９…室外側送風
能力操作器、４０…室外ファン電力検知器、４１…室外
膨張弁開度操作器、４２１…室内温度検知器、４２Ｎ…
室内温度検知器、４３１…吹き出し空気温度検知器、４
３Ｎ…吹き出し空気温度検知器、４４１…室内側送風能
力操作器、４４Ｎ…室内側送風能力操作器、４５１…室
内ファン電力検知器、４５Ｎ…室内ファン電力検知器、
４６１…室内膨張弁開度操作器、４６Ｎ…室内膨張弁開
度操作器、４７１…設定器、４７Ｎ…設定器、４８…制
御演算装置、４９…診断治療装置、５０…使用者側表示
装置、５１…情報保管装置、５２…情報入力装置、５３
…表示装置、５４…通信手段、５５…サーミスタ故障判
定部、５６…サーミスタ故障決定部、５７…冷房暖房判
定部、５８…プリント板判定部、５９…プリント板異常
決定部、６０…プリント板判定部、６１…プリント板異
常決定部、６２…室内膨張弁開度判定部、６３…空調負
荷異常決定部、６４…室外膨張弁開度判定部、６５…室
外空調負荷異常決定部、６６…冷媒量判定部、６７…封
入冷媒量異常決定部、６８…膨張弁故障決定部、６９…
自己治療可能決定部、７０…自己治療不可能決定部、７
１…パラメータ同定値、７２…パラメータ正常範囲部、
７３…正常判定領域、７４…異常判定領域、７５…圧縮
機冷媒吐出過熱度正常条件付確率密度関数、７６…圧縮
機冷媒吐出過熱度異常条件付確率密度関数、７７…第２
種過誤確率、７８…第１種過誤確率。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平３−247960（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−103539（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−222349（ＪＰ，Ａ) 実開 平３−118481（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F25B 49/02 F24F 11/02

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】圧縮機、室外熱交換器、室外膨張弁、室外
   ファンを有する室外機、室内熱交換器、室内膨張弁、室
   内ファンを有する室内機を配管接続する空気調和装置に
   おいて、 前記空気調和装置の運転状態を表す前記圧縮機冷媒吐出
   過熱度を監視する手段と、 前記室外膨張弁の開度に対する前記圧縮機の冷媒吐出過
   熱度の感度を表す係数が予め求められた正常範囲以下に
   低下したとき、機械的故障と判断する手段と、 前記圧縮機の冷媒吐出過熱度を正規分布を成す確率密度
   関数として捉え、予め定めた診断基準に対する確率密度
   関数から診断時点の冷媒吐出過熱度の状態が異常である
   か正常であるか検定を行い、異常と検定されたとき操作
   不良と判断する手段と、 を備え、前記機械的故障と判断された場合には停止処置
   動作を行い、前記操作不良と判断された場合には前記室
   外膨張弁を圧縮機吐出過熱度の許容範囲内で全開し、前
   記室内膨張弁開度も全開、前記圧縮機の駆動周波数は最
   低回転数とすることを特徴とする故障診断付き空気調和
   装置。
2. 【請求項２】請求項１記載のものにおいて、操作不良あ
   るいは機械的故障と判断されたことを表示する表示手段
   とを備えたことを特徴とする故障診断付き空気調和装
   置。
3. 【請求項３】請求項１記載のものにおいて、操作不良あ
   るいは機械的故障と判断されたことを空気調和装置の設
   置された場所に対して遠隔地にあるサービスセンタへ通
   信する手段を備えたことを特徴とする故障診断付き空気
   調和装置。