JPWO2014192052A1 - 空気調和装置 - Google Patents

Abstract

圧縮機３、室外熱交換器５、膨張弁７、蒸発器９を有し、冷媒が循環する冷媒回路と、室外ファン６と、室内ファン１０と、冷媒回路の運転状態量を計測する計測部４１ａと、計測部４１ａで計測された計測値の一つである制御対象の現在値が、それ以外の計測値に基づいて決定した制御対象の目標値となるように、圧縮機３の周波数、膨張弁７の開度、室外ファン６の回転数と、室内ファン１０の回転数の少なくとも一つである操作対象の操作量を制御する制御部４１ｂとを備え、制御部４１ｂは、現在値が目標値を中心として設定された整定範囲の上限値と下限値のうちの下限値より低い間は、上限値を目標値として操作量を決定し、現在値が、上限値より高い間は、下限値を目標値として操作量を決定し、現在値が整定範囲内に入って以降は、予め設定されたオーバーシュート比率である基準許容行過ぎ率Ｘｂに基づいて操作量を決定する。

Description

本発明は、空気調和装置に関するものである。

従来、膨張弁の開度や、圧縮機運転容量や、制御対象（例えば、圧縮機吐出温度）の現在値と目標値との偏差に応じて、ＰＩＤ制御の制御ゲインを決定し、ＰＩＤ制御により膨張弁の開度を駆動して、冷媒流量を制御する方法が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。

また、制御対象の現在値と目標値との偏差に応じて膨張弁の開度を変更する制御方法において、以下の方法も提案されている。制御対象の目標値が増加した場合、一時的に制御対象の目標値を新しい目標値よりも大きい仮目標値に設定し、現在値と制御対象の新しい目標値との偏差が所定値以下になると、仮目標値を制御対象の新しい目標値に変更することで現在値の制御対象の目標値への即応性を良くする方法が提案されている（たとえば、特許文献２参照）。

特開２００１―０１２８０８号公報（第７頁、第２図） 特開２００９―００８３４６号公報（要約、第３図）

しかし、従来の空気調和装置には以下のような問題があった。まず、特許文献１記載の制御においては、ＰＩＤ制御の制御ゲインは該空気調和装置のシステム固有の値である。すなわち、室内外の環境条件や冷媒循環量などの運転状態が変わった場合でも一定値（固定値）となっており、冷凍サイクルの高圧、低圧などの運転状態が変わった場合の影響が考慮されていない。従って、環境条件や運転状態に応じて常に最適な状態で制御することが困難である。このため、空気調和装置の運転状態によっては、膨張弁の操作量である開度変更量が小さく、制御対象の目標値への到達に長時間を要し、快適空間の実現に時間がかかるといった課題があった。

また、特許文献２記載の制御においては、制御対象である過冷却度の現在値と過冷却度の目標値との偏差が所定値以下になると、オーバーシュートを防止するため、膨張弁の操作量を小さくする必要があった。このように操作量を小さくすることで、制御対象の現在値を制御対象の目標値へ到達させるのに時間を要するといった課題があった。

なお、空気調和装置において、制御対象となる冷媒の温度や圧力などの冷凍サイクルの状態量を目標値に到達させるために操作される操作対象は膨張弁に限らず、圧縮機、凝縮器ファン、蒸発器ファンも操作対象とされ、操作量の制御にあたり同様の課題がある。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、空気調和装置の運転状態を考慮してオーバーシュートを抑制しつつ、制御対象の現在値が迅速に制御対象の目標値となるように操作対象の操作量を制御する空気調和装置を提供するものである。

本発明に係る空気調和装置は、圧縮機、凝縮器、膨張弁、蒸発器を有し、冷媒が循環する冷媒回路と、凝縮器ファンと、蒸発器ファンと、冷媒回路の運転状態量を計測する計測部と、計測部で計測された計測値の一つである制御対象の現在値が、それ以外の計測値に基づいて決定した制御対象の目標値となるように、圧縮機の周波数、膨張弁の開度、凝縮器ファンの回転数、蒸発器のファンの回転数の少なくとも一つである操作対象の操作量を制御する制御部とを備え、制御部は、現在値が目標値を中心として設定された整定範囲の上限値と下限値のうちの下限値より低い間は、上限値を目標値として操作量を決定し、現在値が、上限値より高い間は、下限値を目標値として操作量を決定し、現在値が整定範囲内に入って以降は、予め設定されたオーバーシュート比率である基準許容行過ぎ率に基づいて操作量を決定するものである。

本発明によれば、空気調和装置の運転状態を考慮してオーバーシュートを抑制しつつ、制御対象の現在値が迅速に制御対象の目標値となるように操作対象の操作量を制御することができる。

本発明に係る実施の形態１の空気調和装置の冷媒回路図である。 本発明の実施の形態１に係る空気調和装置における、使用者によるリモコン操作時の動作フローを示す図である。 操作対象の制御原理の説明図である。 制御ゲインＫと許容行過ぎ率の関係を示す図である。 設定許容行過ぎ率Ｙを可変許容行過ぎ率Ｘａとした場合と可変許容行過ぎ率Ｘａよりも小さい値とした場合の整定時間の違いの説明図である。 現在値が整定範囲の下限値より低い場合に可変許容行過ぎ率Ｘａを設定許容行過ぎ率Ｙに設定した場合の制御間隔毎の許容値（目標値）Ｔａの変化を示した図である。 現在値が整定範囲の下限値より低い場合に、基準許容行過ぎ率Ｘｂを設定許容行過ぎ率Ｙに設定した場合の制御間隔毎の許容値（目標値）Ｔａの変化を示した図である。 図２に記載のＳ４の膨張弁７の操作についての詳細を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態２に係る空気調和装置における操作対象の操作量の制御フローチャートである。 本発明の実施の形態２に係る空気調和装置において整定範囲ΔＴを途中で変化させる場合の現在値の時間変化を示す図である。 制御対象の現在値、前回値、前々回値から次回値を予測する次回値予測方法を示す図である。 本発明の各実施の形態の空気調和装置の冷凍サイクルに使用する冷媒の比熱比を示す図である。

以下、本発明の冷凍サイクル装置の一例として空気調和装置の構成について説明する。

実施の形態１．
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明に係る実施の形態１の空気調和装置の冷媒回路図である。
空気調和装置は、室外機１と室内機２とを備えている。室外機１内には圧縮機３、冷房と暖房の運転切換を行う四方弁４、室外熱交換器５、室外ファン（蒸発器ファン又は凝縮器ファン）６、膨張弁７が搭載されている。また、室内機２内には室内熱交換器９、室内ファン（凝縮器ファン又は蒸発器ファン）１０が搭載されている。また、本空気調和装置の冷媒回路内には熱輸送媒体として冷媒を使用している。なお、図１では四方弁４の切換えにより冷暖房を切換え可能な構成としたが、四方弁４は必ずしも必須の構成ではなく、省略可能である。

圧縮機３はインバータにより回転数が制御され容量制御されるタイプである。圧縮機には回転数が一定のタイプもあるが、本発明では、回転数が容量制御されるタイプと同様の効果を奏する。

また、膨張弁７は開度を可変に制御することができる。また、室外熱交換器５は室外ファン６で送風される室外空気と冷媒を熱交換する。また、室内熱交換器９は室内ファン１０で送風される室内空気と冷媒を熱交換する。液配管８、ガス配管１１は室外機１と室内機２を接続する接続配管である。

室外機１内には複数の温度センサと制御装置４１とが設置されている。温度センサ２１が圧縮機３の吐出側、温度センサ２２が室外熱交換器５と膨張弁７の間、温度センサ２５が圧縮機３の吸入側、のそれぞれ設置場所の配管温度を計測し、冷媒温度を推測する。

室内機２内には温度センサ２３、２４が設置されており、温度センサ２３は室内熱交換器９の液配管８側、温度センサ２４は室内熱交換器９のガス配管１１側、のそれぞれ設置場所の配管温度を計測し、冷媒温度を推測する。

また、室外機１内には圧力センサ３１、３２が設置されており、圧力センサ３１は圧縮機３の吐出冷媒の圧力、圧力センサ３２は圧縮機３の吸入冷媒の圧力をそれぞれ計測する。また、室外機１内の制御装置４１は、各センサや空気調和装置の使用者から指示される運転情報を計測する計測部４１ａと、計測された情報元に、圧縮機３の周波数、室外ファン６の回転数、膨張弁７の開度などを演算して、圧縮機３の周波数、四方弁４の流路切換、室外ファン６の回転数、膨張弁７の開度などを制御する制御部４１ｂとを備えている。なお、図１では、操作対象が膨張弁７の場合を図示しており、他に、点線は圧縮機３や室外ファン６、室内ファン１０とも繋がっている。

次に、この空気調和装置の運転動作について、図１をもとに説明する。
冷房運転時には、四方弁４の流路は図１の実線方向に設定される。そして圧縮機３から吐出された高温高圧のガス冷媒は、四方弁４を経て凝縮器となる室外熱交換器５で放熱しながら凝縮液化し高圧の液冷媒となる。室外熱交換器５を出た高圧の冷媒は、膨張弁７で減圧された後、液配管８を経由して、室内機２に流入し、蒸発器となる室内熱交換器９に流入し、そこで吸熱し、蒸発ガス化される。室内機２側の空気や水などの負荷側媒体の熱を吸熱することで冷房を行う。その後、ガス配管１１を経て室外機１に流入する。そして、四方弁４を経て、圧縮機３に吸入される。

暖房運転時には、四方弁４の流路は図１の破線方向に設定される。そして圧縮機３から吐出された高温高圧のガス冷媒は、四方弁４を経て室外機１を流出し、ガス配管１１を経て室内機２に流入する。室内機２に流入した冷媒は、凝縮器となる室内熱交換器９で放熱しながら凝縮液化し高圧の液冷媒となる。室内機２側の空気や水などの負荷側媒体の熱に放熱することで暖房を行う。室内熱交換器９を出た高圧の冷媒は、液配管８を経由して、室外機１に流入する。室外機１に流入した冷媒は、膨張弁７で減圧された後、蒸発器となる室外熱交換器５に流入し、そこで吸熱し、蒸発ガス化される。そして、四方弁４を経て、圧縮機３に吸入される。

図２は、本発明の実施の形態１に係る空気調和装置における、使用者によるリモコン操作時の動作フローを示す図である。なお、図２は、制御対象が圧縮機吐出温度、操作対象が膨張弁７である場合の動作フローである。
Ｓ１では、制御装置４１がリモコンから使用者により設定された室内温度、室内風量の信号を受け取る。Ｓ２では、制御装置４１は膨張弁７を決められた初期開度にして、圧縮機３、室内ファン１０、室外ファン６を起動する。Ｓ３では、制御装置４１は室内設定温度と室内現在温度との偏差に応じて圧縮機周波数を決定する。ここで決定された圧縮機周波数は、後述の制御ゲインＫの算出時に使用される。

Ｓ４では、制御装置４１は、圧力センサ３１より計測した圧縮機吐出冷媒圧力と圧力センサ３２より計測した圧縮機吸入冷媒圧力と、あらかじめ設定された関係式又は表とに基づいて圧縮機吐出温度の目標値を決定する。そして、制御装置４１は温度センサ２１により検出された圧縮機吐出温度（現在値）と目標値との偏差に応じて後述のようにして膨張弁開度を決定する。以降は、制御間隔ごとにＳ３〜Ｓ４の操作を繰り返す。使用者よりリモコンから運転停止の信号を受けた場合は、図２の動作フローを終了する。

次に、制御対象（ここでは圧縮機吐出温度）を目標値に短時間で到達させるにあたっての本発明における操作対象（ここでは膨張弁７）の制御の考え方について説明する。

図３は、操作対象の制御原理の説明図である。図３には、操作対象の操作量を変更したときの制御値（ここでは、圧縮機吐出温度）の応答特性を（１）〜（３）の複数パターンについて示している。
制御値が目標値Ｔｍを超えた最大値は、行過ぎ量あるいはオーバーシュートと一般的に言われている。また、制御値が目標値を中心として、所望の許容範囲である整定範囲（ここでは目標値Ｔｍの±ΔＴ）内に収まるまでの時間は、整定時間と言われている。目標値と現在値Ｔとの偏差を｜Ｔ−Ｔｍ｜、オーバーシュート量ａ（図３では、線（３）のオーバーシュート量のみを図示）とし、ａ／｜Ｔ−Ｔｍ｜を許容行過ぎ率として定義する。

図３において点Ａを通る線（１）は、許容行過ぎ率が最も小さく、制御値が整定範囲の上限値まで到達せずに目標値に収束している。点Ｂを通る線（２）は、線（１）よりも許容行過ぎ率が大きく、制御値がちょうど整定範囲の上限値に到達した後、目標値に収束している。点Ｃを通る線（３）は、許容行過ぎ率が大きすぎるため、制御値が整定範囲の上限値を超えてから目標値に収束している。整定時間は制御値が目標値の整定範囲内に収まった最後の時間を指すことになるため、点Ａ、点Ｂ、点Ｃが各条件それぞれにおける整定時間の位置になり、線（２）の場合が最も整定時間が短いことが分かる。よって、本実施の形態１では、線（２）のように、制御値がちょうど整定範囲の上限値に到達する許容行過ぎ率を設定し、その許容行過ぎ率に基づいて制御ゲインＫを演算し、その制御ゲインＫに基づいて操作対象の操作量を決定する。

次に、許容行過ぎ率と操作対象の操作量を決定するための制御ゲインＫとの関係について説明する。

図４は、制御ゲインＫと許容行過ぎ率との関係を示す図である。図４の横軸は制御ゲインＫ、縦軸は許容行過ぎ率を指す。許容行過ぎ率は上述したように圧縮機吐出温度が目標値に対して、オーバーシュートした比率を表す。図４は制御ゲインＫと許容行過ぎ率を、制御間隔と膨張弁開度と圧縮機周波数とをそれぞれ固定値として用いてシミュレーションした結果から得た図である。

制御ゲインＫを小さくとると、圧縮機吐出温度の変化は緩やかになり、目標値に対してオーバーシュートすることなく目標値へ収束するため、許容行過ぎ率は１％以下の微小な値となる。制御ゲインＫが所定値Ｋ_Ａ未満においては、許容行過ぎ率は微小な値のままである。制御ゲインＫが所定値Ｋ_Ａ以上においては、制御ゲインＫと許容行過ぎ率は比例関係を持ち、制御ゲインＫが大きくなるにつれて圧縮機吐出温度の変化は急になり、目標値に対してオーバーシュートした後、目標値へ収束する。

このように制御ゲインＫと許容行過ぎ率とには相関関係があり、許容行過ぎ率が決まると、予め取得した、制御ゲインＫと許容行過ぎ率との関係式に基づいて制御ゲインＫを決定することができる。この関係式は、制御間隔、膨張弁開度、圧縮機周波数、許容行過ぎ率を変数に持つ関係式である。

よって、許容行過ぎ率が図４の点Ｂの比率となる場合、関係式（比例関係式）から制御ゲインＫはＫ_Ｂとなる。また、許容行過ぎ率が図４の点Ａの比率以下となる場合、制御ゲインＫはＫ_Ａとする。

なお、制御値がちょうど整定範囲の上限値に到達する、操作対象の操作量を決定するための制御ゲインＫは、運転状態によって異なる。本実施の形態１では、運転状態に応じて制御ゲインＫを変更し、変更後の制御ゲインＫを用いて操作対象の操作量を決定することで、制御値がちょうど整定範囲の上限値に到達する応答を得て、整定時間を短くするものである。この制御を可能とするため、本実施の形態１では、以下に説明するが許容行過ぎ率を算出するための上記（１）式の分子の「オーバーシュート量ａ」を「整定範囲ΔＴ」に代えた可変許容行過ぎ率Ｘａ［％］と、あらかじめ設定した後述の基準許容行過ぎ率Ｘｂ［％］という指標を導入し、運転状態に応じてどちらかを選択し、選択された許容行過ぎ率を用いて制御ゲインＫを算出して操作量を求める。以下では、可変許容行過ぎ率Ｘａと基準許容行過ぎ率Ｘｂのうち、選択された許容行過ぎ率を設定許容行過ぎ率Ｙという。

可変許容行過ぎ率Ｘａは以下の（１）式のようにして算出する。

［数１］
可変許容行過ぎ率Ｘａ[％]=｜(整定範囲ΔＴ)／(現在値Ｔ−目標値Ｔｍ)｜×１００
・・・（１）
但し、Ｔ=ＴｍのときはＸａ=０％とする。

基準許容行過ぎ率Ｘｂは予め設定された固定値であり、制御対象の現在値が目標値に対して許されるオーバーシュート比率である。基準許容行過ぎ率Ｘｂは空気調和装置の利用に合わせて例えば５０％に設定されたり、３０％に設定されたり任意であるが、１００％未満の値が設定される。基準許容行過ぎ率Ｘｂが１００％であると、制御値は収束せずに発散して目標値に到達しなくなるため、１００％未満の値に設定される。

次に、設定許容行過ぎ率Ｙを可変許容行過ぎ率Ｘａとした場合と、基準許容行過ぎ率Ｘｂとした場合の違いについて説明する。

図５は、設定許容行過ぎ率Ｙを可変許容行過ぎ率Ｘａとした場合と可変許容行過ぎ率Ｘａよりも小さい値とした場合の整定時間の違いの説明図である。図５において（ａ）は、設定許容行過ぎ率Ｙを可変許容行過ぎ率Ｘａとした場合、（ｂ）は、設定許容行過ぎ率Ｙを可変許容行過ぎ率Ｘａよりも小さい値とした場合を示している。
空気調和装置の制御は、ある制御間隔で制御される。その制御間隔毎の目標値を以下では許容値という。許容値は、設定許容行過ぎ率Ｙとして可変許容行過ぎ率Ｘａが設定される場合と、基準許容行過ぎ率Ｘｂが設定される場合とで値が異なる。許容値は、設定許容行過ぎ率Ｙを用いて以下の（２）式で算出される。

［数２］
Ｔａ=Ｔｍ − Ｙ(Ｔ−Ｔｍ) ・・・（２）

制御値（現在値）が目標値の整定範囲の下限値より低く、設定許容行過ぎ率Ｙ＝可変許容行過ぎ率Ｘａの場合、許容値は（１）式と（２）式とにより以下のようになる。
許容値＝Ｔｍ−Ｙ（Ｔ−Ｔｍ）
＝Ｔｍ−｜ΔＴ／（Ｔ−Ｔｍ））｜×（Ｔ−Ｔｍ）
＝Ｔｍ−（−ΔＴ）＝Ｔｍ＋ΔＴ＝整定範囲の上限値

つまり、現在の圧縮機吐出温度が目標値の整定範囲より低く、且つ、設定許容行過ぎ率Ｙ＝可変算出許容行過ぎ率Ｘａの場合、図５の（ａ）に示すように、許容値は整定範囲の上限値となる。よって、現在値が整定範囲の下限値より低い場合は、可変許容行過ぎ率Ｘａを設定許容行過ぎ率Ｙに設定することで、図５の（ａ）に示したように許容値を整定範囲の上限値とすることができることがわかる。

一方、基準許容行過ぎ率Ｘｂを設定許容行過ぎ率Ｙに設定すると、基準許容行過ぎ率Ｘｂが何％に設定されるかに応じて許容値と整定範囲との関係は異なる。

以下、具体例で説明する。例えば、目標値Ｔｍ＝５０℃、現在値Ｔ＝３０℃、整定範囲ΔＴ＝５℃（固定値）を共通条件とし、基準許容行過ぎ率Ｘｂが１０％の場合と、基準許容行過ぎ率Ｘｂが５０％の場合とでは、許容値Ｔａは以下のようになる。

基準許容行過ぎ率Ｘｂが１０％の場合
許容値＝５０−０．１（３０−５０）＝５２℃
この場合、許容値が整定範囲の上限値５５℃よりも低くなってしまう。

基準許容行過ぎ率Ｘｂが５０％の場合
許容値＝５０−０．５（３０−５０）＝６０℃
この場合、許容値が整定範囲の上限値を超えてしまう。

また、同条件で可変許容行過ぎ率Ｘａは
Ｘａ＝｜５／（３０−５０）｜×１００＝２５％
許容値＝５５℃＝整定範囲の上限値

図５の（ａ）は、いわば、上記条件における可変許容行過ぎ率Ｘａ＝２５％の場合に相当し、図５（ｂ）は、上記条件における基準許容行過ぎ率Ｘｂ＝１０％の場合に相当し、可変許容行過ぎ率Ｘａ＝２５％の場合のほうが、整定時間が短い。

次に、現在値が整定範囲の下限値より低い場合に設定許容行過ぎ率Ｙに可変許容行過ぎ率Ｘａを設定した場合と、基準許容行過ぎ率Ｘｂを設定した場合の、制御間隔毎の許容値の変化について説明する。

図６は、現在値が整定範囲の下限値より低い場合に、可変許容行過ぎ率Ｘａを設定許容行過ぎ率Ｙに設定した場合の制御間隔毎の許容値（目標値）Ｔａの変化を示した図である。図６においてプロット点の間隔が制御間隔である。
図６に示すように、現在値Ｔが時間ｔ１のとき、現在値Ｔは整定範囲の下限値より低いため、可変許容行過ぎ率Ｘａが設定許容行過ぎ率Ｙに設定され、許容値Ｔａは（２）式より整定範囲の上限値となる。よって、可変許容行過ぎ率Ｘａに基づいて算出される操作対象の操作量は、具体的には制御値を許容値Ｔａとするための操作量が決定されることになる。

ところで、設定許容行過ぎ率Ｙ＝可変許容行過ぎ率Ｘａとした場合、現在値が整定範囲の下限値よりも低いとき、及び、現在値が整定範囲内であって目標値より小さいときは、許容値Ｔａは整定範囲の上限値となる。一方、現在値が整定範囲内であって目標値より高いときに、設定許容行過ぎ率Ｙ＝可変許容行過ぎ率Ｘａとすると、許容値は整定範囲の下限値となる。このように可変許容行過ぎ率Ｘａを設定許容行過ぎ率Ｙに設定した場合は、現在値と目標値との大小関係に応じて整定範囲の上限値又は下限値が次の許容値として設定されることとなる。

これを踏まえ、時間ｔ２における設定許容行過ぎ率Ｙを可変許容行過ぎ率Ｘａとするか、基準許容行過ぎ率Ｘｂとするかについて考える。時間ｔ２では制御値が整定範囲内であるため、可変許容行過ぎ率Ｘａを設定許容行過ぎ率Ｙに設定した場合、現在値が目標値を超えているため、整定範囲の下限値が次の許容値Ｔａとされ、圧縮機吐出温度が許容値Ｔａとなるように次の操作量が決定されてしまう。つまり、現在値が整定範囲内に入ったｔ２以降で可変許容行過ぎ率Ｘａを設定許容行過ぎ率Ｙに設定すると、整定範囲の上限値と下限値が交互に許容値となる制御となり、圧縮機吐出温度が目標値に収束せずに発散してしまう。

よって、制御値が整定範囲内に入った時間ｔ２以降では、基準許容行過ぎ率Ｘｂを、設定許容行過ぎ率Ｙに設定する。これにより、許容値Ｔａは制御間隔毎に目標値Ｔｍを通過して上下しながら徐々に目標値Ｔｍに近い値となっていき、圧縮機吐出温度も同様に目標値Ｔｍを通過して上下しながら、徐々に目標値Ｔｍに収束する。

図７は、現在値が整定範囲の下限値より低い場合に、基準許容行過ぎ率Ｘｂを設定許容行過ぎ率Ｙに設定した場合の制御間隔毎の許容値（目標値）Ｔａの変化を示した図である。図７においてプロット点が制御間隔である。
現在値Ｔが時間ｔ１で、例えば基準許容行過ぎ率Ｘｂ（＜可変許容行過ぎ率Ｘａ）を設定許容行過ぎ率Ｙに設定した場合、許容値Ｔａは目標値より高く、整定範囲の上限値より低い値となる。そして、制御値が許容値Ｔａとなるように次の操作量を決定する。ｔ２以降においては図６と同様である。

図８は、本発明の実施の形態１に係る空気調和装置の膨張弁の制御フローチャートである。図８は、図２に記載のＳ４の膨張弁７の操作についての詳細に相当する。ここでは、現在値が整定範囲の下限値より低いものとして説明する。
まずＳ４−１では、制御装置４１が、あらかじめ設定した圧縮機吐出温度の限界値Ｔｂを読み込む。限界値Ｔｂは制御対象の機器（ここでは圧縮機３）の損傷を回避するための保護制御に入らず、機器の安全運転継続可能な上限値として定める。また、現在値の安定を示す指標としてあらかじめ設定した整定範囲ΔＴも同様に読み込む。また、あらかじめ設定した基準許容行過ぎ率Ｘｂも同様に読み込む。

次に、Ｓ４−２では、制御装置４１は圧縮機吐出温度の目標値の上限値Ｔｍｍａｘを算出する。目標値の上限値Ｔｍｍａｘは限界値Ｔｂと整定範囲ΔＴとにより下記（３）式で表される。このため、次のＳ４−３で目標値として算出された値が仮に上限値Ｔｍｍａｘと等しくなっても、その目標値を中心として設定される整定範囲の上限値が限界値Ｔｂより大きくなることはない。

［数３］
Ｔｍｍａｘ=Ｔｂ−ΔＴ ・・・（３）

次に、Ｓ４−３では、制御装置４１が圧力センサ３１より計測した圧縮機吐出冷媒圧力と圧力センサ３２より計測した圧縮機吸入冷媒圧力をもとに、圧縮機吐出温度の目標値Ｔｍを算出する。目標値Ｔｍが目標値Ｔｍの上限値Ｔｍｍａｘより大きくなるときは、目標値の上限値Ｔｍｍａｘを目標値Ｔｍとする。Ｓ４−４では、計測部４１ａにて、温度センサ２１より現在値（圧縮機吐出温度Ｔ）を計測する。

次に、Ｓ４−５では制御装置４１が、整定範囲ΔＴ、圧縮機吐出温度の目標値Ｔｍ、圧縮機吐出温度の現在値Ｔより上記（１）式より可変許容行過ぎ率Ｘａを算出する。

Ｓ４−６では、制御装置４１は、設定許容行過ぎ率Ｙを設定する。制御装置４１は、現在値が整定範囲の下限値よりも小さい場合は可変算出許容行過ぎ率Ｘａを設定許容行過ぎ率Ｙに設定し、現在値が整定範囲の下限値以上の場合は基準許容行過ぎ率Ｘｂを設定許容行過ぎ率Ｙに設定する。

Ｓ４−８では、制御装置４１が、設定許容行過ぎ率Ｙと、冷凍サイクルの運転状態から得た各値と、あらかじめ得られた関係式（図４の関係式であり、制御間隔、膨張弁開度、圧縮機周波数、許容行過ぎ率（設定許容行過ぎ率Ｙ）を変数に持つ関数）とに基づいて制御ゲインＫを算出する。

Ｓ４−９では、制御装置４１が、圧縮機吐出温度の目標値Ｔｍと現在値Ｔとの偏差と、制御ゲインＫとに基づき膨張弁操作量ΔＬＰを演算する。Ｓ４−１０では、制御装置４１が現在の膨張弁開度ＬＰｎｏｗにＳ４−８で演算された操作量ΔＬＰを加えて、膨張弁開度ＬＰを演算する。そして、制御装置４１は、制御部４１ｂにて膨張弁７の開度を、演算した膨張弁開度ＬＰに設定する。

ここで、圧縮機吐出温度は室外温度が低いほど低くなる傾向があるため、室外温度が低いほど現在値Ｔと目標値Ｔｍとの差が大きくなり、前記（１）式より初期の可変許容行過ぎ率Ｘａは小さくなる傾向にある。また、現在値Ｔが整定範囲の下限値より小さい間は可変許容行過ぎ率Ｘａが設定許容行過ぎ率Ｙに設定されるため、可変許容行過ぎ率Ｘａが小さい場合、設定許容行過ぎ率Ｙと比例関係にある制御ゲインＫも同様に小さくなる。また、現在値Ｔが整定範囲の下限値より小さい間、前記（１）式より可変容行過ぎ率Ｘａは、現在値が整定範囲の下限値に近づくにつれて大きくなる。よって、現在値が整定範囲の下限値より小さい間は、設定許容行過ぎ率Ｙと比例関係にある制御ゲインＫも同様に大きくなる。このため、制御ゲインを固定値とする従来に比べて操作対象の操作量ΔＬＰも大きくなり、現在値を迅速に目標値に到達させることができる。

また、以上のように制御ゲインＫを制御間隔、膨張弁開度、圧縮機周波数、許容行過ぎ率Ｙを変数に持つ関数で算出するようにしたので、運転状態量を反映した制御ゲインＫとすることができる。つまり、設定温度が室内温度に近い低負荷運転において膨張弁操作量が小さくなりすぎないため、制御対象の目標値への到達に時間を要する問題を解決できる。

すなわち、以上のように制御することで、空気調和装置のシステム構成や運転状態に応じて、許容行過ぎ率の範囲内において、目標値Ｔｍへ迅速に近づけることができると共に、許容行過ぎ率の範囲内で整定時間を最小化する最適な運転を実現できる。よって、快適空間の早期実現、省エネ性の改善を達成する。

また、以上のように制御することで、制御装置４１は圧縮機吐出温度の現在値と目標値の偏差に応じて膨張弁操作量を決定するため、前記特許文献１と比べ、操作量を確保でき、省エネ運転を早期に実現可能である。また、制御装置４１は圧縮機吐出温度の現在値と目標値の偏差が所定値以下であっても、許容値を超えない範囲で操作量を大きくするため、前記特許文献２と比べ、省エネ運転を早期に実現可能である。また、所望の冷凍サイクルに迅速に到達するように膨張弁７を制御するため、膨張弁７の操作回数短縮による膨張弁７の機器信頼性の向上を達成する。

また、本実施の形態１では、圧縮機吐出温度の時間変化において、圧縮機吐出温度の初期値が目標値Ｔｍよりも低く、限界値として上限値を設ける場合について説明したが、圧縮機吐出温度の初期値が目標値Ｔｍよりも高く、限界値として下限値を設ける場合についても同様に実施できる。すなわち、現在値が、整定範囲の上限値より高い間は、整定範囲の下限値を目標値として可変許容行過ぎ率Ｘａを演算し、可変許容行過ぎ率Ｘａに基づいて制御ゲインＫを演算し、操作量を決定すればよい。

実施の形態２．
実施の形態１では、図８のＳ４−３で算出した目標値Ｔｍが目標値Ｔｍの上限値Ｔｍｍａｘより大きくなるときは、目標値Ｔｍを目標値の上限値Ｔｍｍａｘに規制している。これは、予め設定した固定値を整定範囲としており、上限値Ｔｍｍａｘを前記（３）式で求めているためである。そこで、本実施の形態２は、現在値Ｔが目標値Ｔｍに近づいたときに整定範囲を小さくすることで、目標値の上限値Ｔｍｍａｘを上げて現在値Ｔを迅速に本来の目標値に近づけるようにし、更なる省エネ運転を図ったものである。

実施の形態２の空気調和装置の構成は図１に示した実施の形態１と同様である。以下、実施の形態２が実施の形態１と異なる部分を中心に説明する。

図９は、本発明の実施の形態２に係る空気調和装置における操作対象の操作量の制御フローチャートである。
図９においてＳ４−１〜Ｓ４−４は図８のフローチャートと同一である。Ｓ４−ａでは制御装置４１は、圧縮機吐出温度が目標値の上限値Ｔｍｍａｘから整定範囲ΔＴを減算した値より低いと判定した場合はＳ４−５へ進み、以降は図８のフローチャートと同一である。

一方、制御装置４１は、圧縮機吐出温度が目標値の上限値Ｔｍｍａｘから整定範囲ΔＴを減算した値以上と判定した場合、Ｓ４−ｂへ進み、整定範囲ΔＴを（４）式で算出したΔＴ２に変更する。

［数４］
ΔＴ２＝ΔＴ×Ｘｂ（Ｘｂ＜１００％） ・・・ （４）

Ｓ４−ｃでは、目標値の上限値Ｔｍｍａｘ２（＝Ｔｂ−ΔＴ２）を算出する。Ｓ４−ｄでは、制御装置４１が圧力センサ３１より計測した圧縮機吐出冷媒圧力と圧力センサ３２より計測した圧縮機吸入冷媒圧力をもとに、圧縮機吐出温度の目標値Ｔｍ２を新たに算出する。Ｓ４−ｅでは、変更後の整定範囲ΔＴ２及び目標値Ｔｍ２と、Ｓ４−４で計測した現在値Ｔ（圧縮機吐出温度）とにより可変許容行過ぎ率Ｘａ２を算出する。その後、Ｓ４−６へ進み、以降は前記図８のフローチャートと同一である。

図１０は、本発明の実施の形態２に係る空気調和装置において整定範囲ΔＴを途中で変化させる場合の制御値の時間変化を示す図である。なお、図１０は圧縮機周波数が比較的高く、目標値Ｔｍが目標値の上限値Ｔｍｍａｘと等しい場合の制御値の時間変化を示す。
制御値（圧縮機吐出温度）の現在値Ｔが点Ａの場合、前記図９のフローチャートのＳ４−ａの関係を満たすため、整定範囲ΔＴは前記図９のフローチャートのＳ４−１と同一である。また、目標値Ｔｍは前記Ｓ４−１の整定範囲ΔＴより得られる目標値の上限値Ｔｍｍａｘと同一である。

現在値Ｔが点Ｂ（整定範囲ΔＴ内の点）の場合、前記図９のフローチャートのＳ４−ａの関係を満たさないため、Ｓ４−ｂに進み、整定範囲ΔＴをΔＴ２へ変更する。整定範囲ΔＴをΔＴ２へ変更すると、整定範囲が小さくなるため、目標値の上限値Ｔｍｍａｘ２（＝Ｔｍ２）はＴｂ−ΔＴ２となり、元の目標値の上限値Ｔｍｍａｘ（＝Ｔｍ）より大きくなる。目標値の上限値Ｔｍｍａｘが元の目標値の上限値Ｔｍｍａｘより大きくなるため、可変許容点Ｂ以降の現在値Ｔの時間変化は、前記図６、図７において、目標値Ｔｍが変更後の目標値の上限値Ｔｍｍａｘ２と等しい場合を示す。

以上のように制御することで、省エネ運転の早期実現が可能である。

なお、本実施の形態２では、制御対象の現在値が目標値よりも低い側から目標値に近づいたときに、制御対象の目標値の上限値を高くする場合について説明したが、制御対象の現在値が目標値よりも高い側から目標値に近づく場合には、制御対象の目標値の下限値を低くすればよい。

また、本実施の形態１、２では、許容値Ｔａ、目標値Ｔｍ、現在値Ｔとして、圧縮機吐出温度を例に挙げたが、凝縮器過冷却度、蒸発器過熱度、圧縮機吸入過熱度、圧縮機吐出過熱度、高圧、低圧、圧縮比、圧縮機電流値についても、制御装置４１に限界値、整定範囲ΔＴを与えることで同様に実施でき、本発明の域を脱するものではない。

（変形例）
上記実施の形態１、２では、整定範囲内において、制御対象の現在値の代わりに、制御対象の過去の値と制御対象の現在値より予測した次回値を用いてもよい。この場合、より収束性を高めることができる。次回値の予測方法として、例えば、３点予測を用いた場合について以下に説明する。

図１１は、制御対象の現在値、前回値、前々回値から次回値を予測する次回値予測方法を示す図である。
３点予測とは、一定の制御間隔ごとに収集される現在値の前々回値Ｔｏｌｄ２、前回値Ｔｏｌｄ１、現在値Ｔｎｏｗの３点を用いて、前々回値Ｔｏｌｄ２と前回値Ｔｏｌｄ１の偏差より、前回値Ｔｏｌｄ１と現在値Ｔｎｏｗの偏差が小さい場合に、偏差の比に応じて下記の（５）式のように次回値Ｔｎｅｗを予測する方法である。

［数５］
Ｔｎｅｗ = Ｔｎｏｗ ＋ (Ｔｎｏｗ −Ｔｏｌｄ１)^２／(Ｔｏｌｄ１ −Ｔｏｌｄ２)
・・・ （５）

制御装置４１は、次回値Ｔｎｅｗが許容オーバーシュート量を超える場合、制御ゲインＫを小さくする。

（使用冷媒）
図１２は、本発明の各実施の形態の空気調和装置の冷凍サイクルに使用する冷媒の比熱比を示す図表である。
空気調和装置の冷凍サイクルに使用する冷媒として、図１２に示すように、例えばＲ３２冷媒のように、現在海外機種で使用されているＲ２２冷媒よりも比熱比が大きく、圧縮機吐出温度が高くなりやすい冷媒において以下の利点がある。それは、圧縮機吐出温度を制御対象とする場合、許容行過ぎ率の設定により、圧縮機吐出温度の異常な過昇を防ぐことができる点と、圧縮機吐出温度が高くならない運転状態において、圧縮機吐出温度を迅速に圧縮機吐出温度の目標値Ｔｍに到達させることで快適性を向上させることができる点の２点である。

１ 室外機、２ 室内機、３ 圧縮機、４ 四方弁、５ 室外熱交換器、６ 室外ファン、７ 膨張弁、８ 液配管、９ 室内熱交換器、１０ 室内ファン、１１ ガス配管、２１ 温度センサ、２２ 温度センサ、２３ 温度センサ、２４ 温度センサ、２５ 温度センサ、３１ 圧力センサ、３２ 圧力センサ、４１ 制御装置、４１ａ 計測部、４１ｂ 制御部。

本発明に係る空気調和装置は、圧縮機、凝縮器、膨張弁、蒸発器を有し、冷媒が循環する冷媒回路と、凝縮器ファンと、蒸発器ファンと、冷媒回路の運転状態量を計測する計測部と、計測部で計測された計測値の一つである制御対象の現在値が、それ以外の計測値に基づいて決定した制御対象の目標値となるように、圧縮機の周波数、膨張弁の開度、凝縮器ファンの回転数、蒸発器ファンの回転数の少なくとも一つである操作対象の操作量を制御する制御部とを備え、制御部は、制御ゲインを変化させて操作対象の操作量を制御するものである。

本発明に係る空気調和装置は、圧縮機、凝縮器、膨張弁、蒸発器を有し、冷媒が循環する冷媒回路と、凝縮器ファンと、蒸発器ファンと、冷媒回路の運転状態量を計測する計測部と、計測部で計測された計測値の一つである制御対象の現在値が、それ以外の計測値に基づいて決定した制御対象の目標値となるように、圧縮機の周波数、膨張弁の開度、凝縮器ファンの回転数、蒸発器ファンの回転数の少なくとも一つである操作対象の操作量を制御する制御部とを備え、制御部は、制御ゲインに基づいて操作対象の操作量を制御するようにしており、現在値が目標値を中心として設定された整定範囲外の場合、制御ゲインを可変とし、現在値が整定範囲内の場合、制御ゲインを固定とし、現在値が整定範囲の上限値と下限値のうちの下限値より低い間は、上限値を目標値として操作量を決定し、現在値が、上限値より高い間は、下限値を目標値として操作量を決定し、現在値が整定範囲内に入って以降は、予め設定されたオーバーシュート比率である基準許容行過ぎ率に基づいて操作量を決定するものである。

暖房運転時には、四方弁４の流路は図１の破線方向に設定される。そして圧縮機３から吐出された高温高圧のガス冷媒は、四方弁４を経て室外機１を流出し、ガス配管１１を経て室内機２に流入する。室内機２に流入した冷媒は、凝縮器となる室内熱交換器９で放熱しながら凝縮液化し高圧の液冷媒となる。室内機２側の空気や水などの負荷側媒体に放熱することで暖房を行う。室内熱交換器９を出た高圧の冷媒は、液配管８を経由して、室外機１に流入する。室外機１に流入した冷媒は、膨張弁７で減圧された後、蒸発器となる室外熱交換器５に流入し、そこで吸熱し、蒸発ガス化される。そして、四方弁４を経て、圧縮機３に吸入される。

なお、制御値がちょうど整定範囲の上限値に到達する、操作対象の操作量を決定するための制御ゲインＫは、運転状態によって異なる。本実施の形態１では、運転状態に応じて制御ゲインＫを変更し、変更後の制御ゲインＫを用いて操作対象の操作量を決定することで、制御値がちょうど整定範囲の上限値に到達する応答を得て、整定時間を短くするものである。この制御を可能とするため、本実施の形態１では、以下に説明するが許容行過ぎ率を算出するためのａ／｜Ｔ−Ｔｍ｜の分子の「オーバーシュート量ａ」を「整定範囲ΔＴ」に代えた可変許容行過ぎ率Ｘａ［％］と、あらかじめ設定した後述の基準許容行過ぎ率Ｘｂ［％］という指標を導入し、運転状態に応じてどちらかを選択し、選択された許容行過ぎ率を用いて制御ゲインＫを算出して操作量を求める。以下では、可変許容行過ぎ率Ｘａと基準許容行過ぎ率Ｘｂのうち、選択された許容行過ぎ率を設定許容行過ぎ率Ｙという。

制御値（現在値）が目標値の整定範囲の下限値より低く、設定許容行過ぎ率Ｙ＝可変許容行過ぎ率Ｘａの場合、許容値は（１）式と（２）式とにより以下のようになる。
許容値＝Ｔｍ−Ｙ（Ｔ−Ｔｍ）
＝Ｔｍ−｜ΔＴ／（Ｔ−Ｔｍ）｜×（Ｔ−Ｔｍ）
＝Ｔｍ−（−ΔＴ）＝Ｔｍ＋ΔＴ＝整定範囲の上限値

つまり、現在の圧縮機吐出温度が目標値の整定範囲より低く、且つ、設定許容行過ぎ率Ｙ＝可変許容行過ぎ率Ｘａの場合、図５の（ａ）に示すように、許容値は整定範囲の上限値となる。よって、現在値が整定範囲の下限値より低い場合は、可変許容行過ぎ率Ｘａを設定許容行過ぎ率Ｙに設定することで、図５の（ａ）に示したように許容値を整定範囲の上限値とすることができることがわかる。

Ｓ４−６では、制御装置４１は、設定許容行過ぎ率Ｙを設定する。制御装置４１は、現在値が整定範囲の下限値よりも小さい場合は可変許容行過ぎ率Ｘａを設定許容行過ぎ率Ｙに設定し、現在値が整定範囲の下限値以上の場合は基準許容行過ぎ率Ｘｂを設定許容行過ぎ率Ｙに設定する。

Ｓ４−７では、制御装置４１が、設定許容行過ぎ率Ｙと、冷凍サイクルの運転状態から得た各値と、あらかじめ得られた関係式（図４の関係式であり、制御間隔、膨張弁開度、圧縮機周波数、許容行過ぎ率（設定許容行過ぎ率Ｙ）を変数に持つ関数）とに基づいて制御ゲインＫを算出する。

Ｓ４−８では、制御装置４１が、圧縮機吐出温度の目標値Ｔｍと現在値Ｔとの偏差と、制御ゲインＫとに基づき膨張弁操作量ΔＬＰを演算する。Ｓ４−９では、制御装置４１が現在の膨張弁開度ＬＰｎｏｗにＳ４−８で演算された操作量ΔＬＰを加えて、膨張弁開度ＬＰを演算する。そして、制御装置４１は、制御部４１ｂにて膨張弁７の開度を、演算した膨張弁開度ＬＰに設定する。

現在値Ｔが点Ｂ（整定範囲ΔＴ内の点）の場合、前記図９のフローチャートのＳ４−ａの関係を満たさないため、Ｓ４−ｂに進み、整定範囲ΔＴをΔＴ２へ変更する。整定範囲ΔＴをΔＴ２へ変更すると、整定範囲が小さくなるため、目標値の上限値Ｔｍｍａｘ２（＝Ｔｍ２）はＴｂ−ΔＴ２となり、元の目標値の上限値Ｔｍｍａｘ（＝Ｔｍ）より大きくなる。目標値の上限値Ｔｍｍａｘ２が元の目標値の上限値Ｔｍｍａｘより大きくなるため、可変許容点Ｂ以降の現在値Ｔの時間変化は、前記図６、図７において、目標値Ｔｍが変更後の目標値の上限値Ｔｍｍａｘ２と等しい場合を示す。

Claims (5)

1. 圧縮機、凝縮器、膨張弁、蒸発器を有し、冷媒が循環する冷媒回路と、
   凝縮器ファンと、
   蒸発器ファンと、
   前記冷媒回路の運転状態量を計測する計測部と、
   前記計測部で計測された計測値の一つである制御対象の現在値が、それ以外の計測値に基づいて決定した前記制御対象の目標値となるように、前記圧縮機の周波数、前記膨張弁の開度、前記凝縮器ファンの回転数、前記蒸発器ファンの回転数の少なくとも一つである操作対象の操作量を制御する制御部とを備え、
   前記制御部は、
   前記現在値が前記目標値を中心として設定された整定範囲の上限値と下限値のうちの前記下限値より低い間は、前記上限値を目標値として前記操作量を決定し、
   前記現在値が、前記上限値より高い間は、前記下限値を目標値として前記操作量を決定し、
   前記現在値が前記整定範囲内に入って以降は、予め設定されたオーバーシュート比率である基準許容行過ぎ率に基づいて前記操作量を決定する
   ことを特徴とする空気調和装置。
2. 前記制御部は、
   前記現在値が前記整定範囲から外れている間の前記操作量の決定に際しては、前記整定範囲を前記現在値と前記目標値との差分で除算した可変許容行過ぎ率を演算し、前記可変許容行過ぎ率に基づいて、前記操作量を決定するための制御ゲインを演算し、前記制御ゲインに基づいて前記操作量を決定し、
   前記現在値が、前記整定範囲内に入って以降の前記操作量の決定に際しては、前記基準許容行き過ぎ率に基づいて、前記操作量を決定するための制御ゲインを演算し、前記制御ゲインに基づいて前記操作量を決定する
   ことを特徴とする請求項１記載の空気調和装置。
3. 前記制御部は、
   前記制御対象の現在値が前記目標値に近づいたときに、前記制御対象の目標値の上限値を現在よりも高く、又は前記制御対象の目標値の下限値を現在よりも低くする
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の空気調和装置。
4. 前記制御部は、
   制御間隔毎に、現在値の過去の値と現在値とより次回値を予測して、前記次回値が許容オーバーシュート量を超える場合、前記制御ゲインを小さくすることを特徴とする請求項２、請求項２に従属する請求項３記載の空気調和装置。
5. 前記制御部は、前記制御ゲインを演算する際に、更に、制御間隔と、膨張弁開度と、圧縮機周波数とを用いる
   ことを特徴とする請求項２又は請求項４記載の空気調和装置。

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