(57)【要約】ヒートポンプ水加熱システムの動作状態を検出、診断する方法は、システムの動作状態を監視するステップと、実際の動作状態と予測された動作状態とを比較するステップと、を含む。予測される動作状態は、所与の現在のシステム入力による期待された圧力および温度に基づく。冷媒の圧力ならびに温度の所望の範囲外となる実際値と期待値との間の差異により、システム内の欠陥が示される。システムの制御器は、整備の必要性を警告し、潜在的な原因に対応するようにプロンプトを開始する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヒートポンプの動作状態を検出する方法であって
（ａ）圧縮装置を用いて冷媒を圧縮するステップと、
（ｂ）流動媒体を用いる熱交換によって前記冷媒を冷却するステップと、
（ｃ）膨張装置において前記冷媒を低圧に膨張させるステップと、
（ｄ）熱交換器内において前記冷媒を蒸発させるステップと、
（ｅ）動作状態を監視するステップと、
（ｆ）前記監視された動作状態と、予測された動作状態とを比較するステップと、
（ｇ）前記監視された動作状態と、前記予測された動作状態との間における差異の大きさに応じて欠陥状態を判断するステップと、
を含むヒートポンプ動作状態検出方法。
【請求項２】
前記冷媒が、二酸化炭素であることを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ動作状態検出方法。
【請求項３】
前記ヒートポンプが、水加熱器と熱交換することを特徴とする請求項１に記載のヒーポンプ動作状態検出方法。
【請求項４】
前記圧縮器と前記熱交換器との間において、第１の圧力が監視されることを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ動作状態検出方法。
【請求項５】
前記ステップ（ｇ）は、対応する前記第１の圧力の変化が後に生じない前記膨張装置の動作により欠陥状態を判断することを含むことを特徴とする請求項４に記載のヒートポンプ動作状態検出方法。
【請求項６】
前記蒸発器と前記圧縮器との間において第２の圧力が監視され、
前記圧縮器と前記蒸発器との間において前記冷媒の温度が監視されることを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ動作状態検出方法。
【請求項７】
前記冷媒の損失は、前記第２の圧力に基づいて予測された温度が実際に監視された温度から外れていることに応じて判断されることを特徴とする請求項６に記載のヒートポンプ動作状態検出方法。
【請求項８】
前記蒸発器が、前記蒸発器にわたって空気を吹き付けるファンを含み、
前記ファンに伴う欠陥が、予測された温度と異なる実際の温度に応じて判断されることを特徴とする請求項６に記載のヒートポンプ動作状態検出方法。
【請求項９】
前記水回路内に配置されるとともに、前記蒸発器に流入する水温を測定する第２の温度センサを含む請求項１に記載のヒートポンプ動作状態検出方法。
【請求項１０】
予測された温度より低い前記温度に応じて、前記水ポンプに伴う欠陥が検出されることを特徴とする請求項９に記載のヒートポンプ動作状態検出方法。
【請求項１１】
ポンプ速度を監視するセンサを含み、
前記熱交換器のカルシウム沈着が、ポンプ流に基づいて予測された水温と実際の水温との間における予め設定された差異に応じて判断されることを特徴とする請求項９に記載のヒートポンプ動作状態検出方法。
【請求項１２】
冷媒の損失が、検出された過熱状態に応じて判断され、
前記過熱状態は、圧力に対応する予測された温度と実際の温度との間の差異であることを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ動作状態検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、全般的にヒートポンプ水加熱システムを動作させる方法に関し、特に、ヒートポンプ水加熱システムの動作状態を検出、診断する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
塩素含有冷媒は、環境上の配慮から徐々に廃止されている。塩素含有冷媒に代わる二酸化炭素などの多くの代替物が提案されている。二酸化炭素は低い臨界点を有しており、これにより、二酸化炭素を使用するほとんどの空気調和システムが、部分的に臨界点を超えて動作するか、あるいはほとんどの条件下において遷臨界（トランスクリティカル）で動作する。臨界未満の流体の圧力は、飽和条件下（液体および蒸気両方が存在する）における温度の関数になる。しかし、流体の温度が臨界温度より高いときには、圧力は流体濃度の関数になる。
【０００３】
遷臨界冷却システムは、圧縮器内において高温、高圧に圧縮された冷媒を使用する。冷媒がガス冷却器に入ると、熱が冷媒から放出されて、水などの流動媒体に移動する。ヒートポンプ水加熱器内において、ガス冷却器内で加熱された水は、温水タンク内における水の加熱に使用される。冷媒は、ガス冷却器から膨張弁に流れる。膨張弁により、高圧と低圧との間の冷媒の流れが規制される。膨張弁を通る冷媒の制御により、冷媒回路の流れ、および効率が制御される。冷媒は、膨張弁から蒸発器（エバポレータ）に流れる。
【０００４】
蒸発器内においては、低圧の冷媒は、空気から熱を受けて、過熱される。蒸発器からの過熱された冷媒は、このサイクルを繰り返すように圧縮器に流入する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このシステムは、現在の動作状態に応じて冷媒および水の流れを変更するように制御される。システム装置が劣化すると、システムの性能および動作コストに悪影響が及んでしまう。さらに、いくつかの場合においては、システム性能の変化が容易に判断できないため、未検出のままになり得る。最適の状態でシステムを動作させることにより、動作コストを大幅に削減することができる。さらに、システムの動作中断時間を短縮させることにより、動作コストを大幅に削減することができる。
【０００６】
したがって、システムの動作中断時間を短縮して、動作効率を向上させるように、システムの欠陥や障害を検出するとともに、システムの問題を診断する方法を開発することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、動作変量、およびシステム入力に対する応答を監視することによって、ヒートポンプ水加熱システムの動作状態を検出、診断する方法に関する。
【０００８】
ヒートポンプ水加熱システムは、遷臨界の蒸気圧縮回路を含む。蒸気圧縮回路は、圧縮器、ガス冷却器および蒸発器を含む。ガス冷却器は、水回路に熱を伝達し、これにより、温水槽内の水が加熱される。水温は、ガス冷却器内を通る水の流れを変化させることによって調整される。水流が遅い場合には、より多くの熱が吸収され、その結果、水温がより高くなる。水流が増すと、熱吸収が減少し、水温が低下する。
【０００９】
制御器は、水槽内に所望の水温を提供し、かつ維持するようにヒートポンプ水加熱システムを制御する。システム全体に設けられたセンサは絶えずモニターされ、パラメータが最適動作のために調整される。システムは、実測された状態を監視し、この実測された状態と、システム入力に基づいて予測された状態とを比較して、システムに伴う問題を検出、診断する。問題の検出および診断は、システム整備および動作の中断時間を減らすことによってシステムの効率を向上させる。
【００１０】
したがって、本発明のシステムの動作状態を検出、診断する方法により、システム動作の中断が短縮され、動作効率が向上する。
【００１１】
本発明の種々の特徴ならびに利点については、現在の好ましい実施態様の詳細な説明により当業者に明らかになるであろう。この詳細な説明に付随する図面の簡単な説明については後述する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１を参照すると、概略的に図示されたヒートポンプシステム１０は、蒸気圧縮回路１２を通して冷媒を流す冷媒圧縮器１４を含む。好ましくは、このシステムで使用される冷媒は、二酸化炭素である。二酸化炭素は低い臨界点を有するため、二酸化炭素冷媒を用いる蒸気圧縮回路は、通常、遷臨界で動作する。二酸化炭素を使用することが好ましいが、当業者に周知の他の冷媒を使用することも本発明の範囲内である。蒸気圧縮回路１２は、圧縮器１４と、熱交換器１６と、膨張弁２０と、蒸発器１８と、を含む。蒸発器１８は、蒸発器１８にわたって空気を吹き付けるように選択的に駆動されるファン３０を含む。
【００１３】
水回路１３は、熱交換器１６において蒸気圧縮回路１２と熱接触する。ポンプ３４は、水回路１３を通流する水を押し流す。水回路１３を通流する水は、熱交換器１６内で冷媒からの熱を吸収する。次いで、水回路１３内の水は、水槽３８内の水に熱を伝達する。
【００１４】
蒸気圧縮回路１２は、冷媒を交互に圧縮、膨張することによって作動し、水回路１３内の水に対して熱の吸収や伝達を行う。圧縮器１４から流出する冷媒は、高温高圧である。この高温高圧の冷媒は、熱交換器１６を通って流れる。熱交換器１６内において、冷媒は、水回路１３に熱を放出する。熱交換器１６から流出した冷媒は、膨張弁２０に向かって流れる。膨張弁２０は、冷媒の流れを高圧から低圧へと制御する。好ましくは、この膨張弁２０は、変化する動作状態に対して冷媒流を適応させるように可変である。膨張弁２０は、当業者に周知である任意の構成を備えることができる。
【００１５】
システムの効率は、多くの異なるパラメータおよび環境状態によって影響を受ける。例えば、漏出や蒸発による冷媒の損失により、吸収または放出され得る熱量が減少する。本発明の方法は、システムのパラメータを監視し、実測されたパラメータと、現在のシステム状態および入力に基づいて予測されたパラメータとを比較することによって、ヒートポンプ水加熱システムのシステム動作状態を検出、診断する。
【００１６】
この方法は、所望の量を下回る冷媒の減少を検出するようにシステム１０内の冷媒の量を監視する。冷媒の量または充填は、蒸発器１８と圧縮器１４との間の冷媒の圧力および温度を測定することによって監視される。蒸気圧縮回路１２において圧縮器１４と蒸発器１８との間に、温度センサ２８および圧力センサ２６が配設される。圧力センサ２６および温度センサ２８を蒸発器１８と圧縮器との間に配設しているが、本発明の恩恵を受ける当業者であれば、蒸気圧縮回路１２内の他の場所において冷媒の温度および圧力を監視しよもよいことを理解されるであろう。
【００１７】
冷媒が飽和状態にあれば、冷媒の圧力と温度は直接的に関係する。したがって、飽和状態における冷媒の圧力を測定、監視することにより、冷媒温度の情報が提供される。しかし、冷媒が飽和状態でない場合には、前記の関係は維持されず、温度を直接測定する必要がある。
【００１８】
いくつかの場合においては、冷媒の圧力に対応する飽和温度が、冷媒の実際の温度と大きく異なることがある。このような現象は、当業界では過熱状態として知られている。過熱状態は、所与の冷媒圧力に対応する飽和温度に比べて、実際の温度が高い場合に生じる。過熱状態は、システム内における冷媒の損失の証拠となる。
【００１９】
システムは、温度センサ２８によって提供される実際の温度と、圧力センサ２６によって提供される冷媒の圧力に対応する予測温度とを比較する。予測温度は、周囲状態（通常は空気および水の温度）の関数として、例えば、実験的に決定されたルックアップテーブルを使用することによって計算される。周囲状態は、適切なセンサによって検知されなければならない。実際の温度と予測温度との差異が予め設定された範囲外となる場合に、冷媒の損失が示される。検出された低い冷媒状態に応じて、制御器４６は、問題を警告するようにプロンプト４７を開始する。さらに、制御器４６は、整備を促すようにシステム１０をシャットダウンする。
【００２０】
圧縮器１４と蒸発器１８との間における温度センサ２８および圧力センサ２６は、ファン３０の欠陥（障害）を判断することにも使用される。ファン３０が適切に動作していれば、予測通りに、蒸発器１８内の雰囲気から熱が吸収される。冷媒の温度は、ファン３０の起動および蒸発器１８に亘る対応する空気流に応じて予測されるように反応するはずである。
【００２１】
ファン３０に伴う問題は、予測された冷媒温度と、温度センサ２８によって測定、監視された実際の温度との間の差異が所望の量より大きい場合に示される。冷媒の温度および圧力は、対応しているが、所与のファン３０の動作により予測されたレベルを反映しない場合に、ファン３０に伴う問題が示される。ファン３０の欠陥が示されると、制御器４６は、警告するようにプロンプトを提供し、問題発生源の整備を指示する。
【００２２】
システム１０によって監視される状態の他の例として、膨張弁２０の監視が挙げられる。膨張弁２０は、蒸気圧縮回路１２を通る冷媒の流れを変化させるように動作する。膨張弁２０が適切に動作していない場合には、冷媒の流れは所望のように反応しない。膨張弁２０の誤動作によって、蒸気圧縮回路１２内の高圧力と低圧力との間の差異が所望とする範囲外となる。この場合においても、所望の範囲が実験的に決定され、環境状態の関数になる。圧縮器１４と熱交換器１６との間に配設された圧力センサ２２は、冷媒の圧力を監視する。圧縮器１４と熱交換器１６との間における冷媒の圧力は、膨張弁２０の設定に対応する。
【００２３】
圧力膨張弁２０に対する所与の入力による圧縮器１４と熱交換器１６との間における期待された圧力の差異が所望の範囲外となることにより、膨張弁２０の潜在的な問題が示される。膨張弁２０の作動により、圧縮器１４と熱交換器１６との間における冷媒に期待された圧力が生じる。期待された冷媒圧力と実際の冷媒圧力との間における所望の範囲外の差異により、欠陥が示される。膨張弁の欠陥の表示に応じて、制御器４６は、欠陥に対する警告および注意を与えるように、プロンプトを開始する。
【００２４】
このシステムによって監視される他の状態は、水ポンプの速度である。水ポンプ３４は、水槽３８内の水温を維持するように、水回路１３を通る水の流れを規制する。水ポンプ３４の欠陥または熱交換器１６の劣化により、システム１０の効率が低下する。温度センサ３２により、水回路１３内の水温が監視される。水ポンプ３４の速度は、予測された水温の上昇に対応する。所与の水ポンプの速度により予測された温度は、温度センサ３２によって測定された実際の温度値と比較される。速度センサ３６により、ポンプ速度が監視される。速度センサ３６は、期待される水温範囲の予測に使用されるポンプ速度に関する情報を提供する。センサ３６は、当業者に周知の任意タイプのものとすることができる。水温の実際値と予測値との間の差異が、予め設定された範囲より大きい場合には、欠陥が検出され、システムがシャットダウンされるか、欠陥状態が示される。前述したように、予め設定された範囲は、環境状態に基づいている。
【００２５】
実際の水温と予測された水温との差異の原因にはいくつかの可能性がある。１つの潜在的な原因としては、所与のポンプ３４への入力によってポンプ３４が十分な速度で回転しない場合がある。ポンプ３４は、周知のように電気モータにより好ましく駆動される。電気モータに対する電流供給により、ポンプ３４の速度が調節される。速度センサ３６によって測定された実際のポンプ速度と比較される予測ポンプ速度を示すように、電気モータに供給される電流が測定される。さらに、電気モータが受ける電流は、所与のポンプ速度に相関する。速度センサ３６によって測定されたポンプ速度は、予測された水温と相関する。予測された水温と実際の水温との間における差異により、制御器４６はシステム１０内の欠陥を示す。
【００２６】
予測された水温と実際の水温との差異の他の原因としては、熱交換器１６に付着するカルシウムが挙げられる。熱交換器１６内における凝結により、蒸気圧縮回路１２と水回路１３との間の熱伝達を低下させるカルシウムの付着が生じる場合がある。カルシウムにより、熱伝達が低下し、実際の水温は、ポンプ速度の変化に応じて期待されるほど変化しない。この場合も、制御器４６が、システム１０の保守を促すように警告を開始する。
【００２７】
本発明のヒートポンプ水加熱システムは、信頼性を向上させ、システムの低下を検出し、システムの整備を減らし、全体的なシステムの効率を向上させるように、動作状態を検出、診断する。
【００２８】
以上の説明は、例示であって実質的な仕様書ではない。本発明は、例示的に説明されており、使用されている用語法は、限定するものではなく、説明することを意図していることを理解されたい。上記の教示に照らせば、本発明の多くの修正ならびに変形が可能である。本発明の好ましい実施態様を示してきたが、当業者であれば、特定の修正形態が本発明の範囲内にあると認識されるであろう。付随する特許請求の範囲内において、特に説明した以外に本発明が実施されることを理解されよう。そのため、本発明の真の範囲ならびに内容を決定するために、付随する特許請求の範囲を検討されたい。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】ＣＯ2ヒートポンプ水加熱器の概略図。
【図１】
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【国際調査報告】
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