JPS63297975A

JPS63297975A - 熱ポンプの異常検出方法及び異常検出装置

Info

Publication number: JPS63297975A
Application number: JP13367587A
Authority: JP
Inventors: 正近藤
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1987-05-29
Filing date: 1987-05-29
Publication date: 1988-12-05

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の目的〕（産業上の利用分野）本発明は、膨張弁、蒸発器、圧縮機、凝縮器および蓄熱
槽から構成される熱ポンプの異常検出方法および異常検
出装置に関するものである。

（従来の技術）熱ポンプは、圧縮機を動力源として、フロンガス等の冷
媒を圧縮−凝縮−膨張１蒸発のサイクルで順回させてお
り、蒸発器では周囲の水または空気から気化熱を奪って
冷却し、逆に凝縮器では周囲の水または空気に潜熱を放
出して加熱する。このような作用を利用して冷暖房装置
や給湯装置などとして広い分野で使用されている。前述
した熱サイクルにおいては、圧縮機では冷媒の圧力の急
激な増加を伴い、逆に膨張弁では冷媒の圧力の急激な減
少を伴う。このため、熱ポンプを長期間にわたり連続し
て使用する場合には、熱ポンプを構成する各機器の機能
の劣化に伴う運転状態の変化を監視する必要がある。そ
して、熱ポンプを構成する機器の機能が劣化しているこ
とが判明した時には、その影響が他の機器に波及する前
に故障部分を保守点検により発見し、修理、交換をすみ
やかに行う必要がある。

通常、熱ポンプにおいては構成機器の異常を検出するた
めのセンサとして、例えば、冷媒の異常圧力を検出する
圧力計、冷媒の異常温度を検出する温度計、圧縮機の異
常回転を検出する回転計、圧縮機の異常振動を検出する
振動計、冷媒の異常流量を検出する流量計、冷媒の異常
液面を検出する液面計、熱源水や冷温水の異常液面を検
出する液面計、熱源水や冷温水の異常温度を検出する温
度計などが通常設けられている。熱ポンプが異常運転状
態になった場合には、これらのセンサの一部または全部
に異常な測定データが記録されるため、これらのデータ
を総合的に判断して熱ポンプの異常個所を見つけ出し保
守点検を速かに行う必要がある。

しかしながら、熱ポンプでは、圧縮−凝縮一膨張一蒸発
の熱サイクルが密閉配管方式になっているものが多く、
このような熱ポンプにおいては、熱ポンプの中にセンサ
を多数放置することが困難であることから、熱ポンプで
の異常は早期に正確に検出されにくい。したがって、異
常が発生して熱ポンプの運転が困難な状態になった場合
の修理期間が長期化しやすい。

また、比較的規模の大きい熱ポンプでは昼間と夜間の熱
負荷の変動の影響を受けることなく一定の安定した運転
を行うために、蓄熱槽を設置して夜間の蓄熱運転や昼間
のピークカット運転を実施しているものが多い。このよ
うな熱ポンプにおいては、蓄熱槽に貯えられた熱源水の
温度分布を測定して熱源水の温度むらをできる限り少な
くして、効率のよい蓄熱運転を行う必要がある。しかし
、コンクリート建築では蓄熱槽を、建築物の最下段の床
と耐圧スラブとの間のスペースを利用して設置している
ものが多く、そこに設置されている温度センサは一般的
に保守作業が困難である。このため、温度センサが故障
したり異常を示した場合に迅速な保守点検ができにくい
ため、蓄熱槽の運転や蓄熱計画などに支障を来すことに
になる。

この結果、熱ポンプの構成機器の機能の劣化などにより
重大な故障が発生して熱ポンプが正常に運転できなくな
った場合に、夏期には冷房の停止、冬期には暖房の停止
さらには給湯機能の停止などの状態に陥るため、熱ポン
プから各種のサービスを受けているビルおよびその他の
施設においては日常業務に長時間にわたって重大な支障
を来すことになる。

（発明が解決しようとする問題点）このように、従来の熱ポンプにおいては、異常を早期に
正確に検出するために十分な数の異常検出用センサを設
置する必要があるにもかかわらず、熱ポンプの構造上、
センサを十分に設置しにくいため異常検出が十分になさ
れず、重大な故障に至る場合が多い。さらに、蓄熱槽内
の温度センサに対しても十分な保守点検作業ができにく
いという聞届がある。

本発明は、このような問題点を解決するためなされたも
ので、異常検出用センサが十分な数だけ設置されていな
い熱ポンプに対しても、少数のセンサから測定されたデ
ータを基にして、熱ポンプの現在の状態を推定すること
により、熱ポンプの異常を早期に正確に検出する熱ポン
プの異常検出方法および異常検出装置を提供することを
目的とする。

〔発明の構成〕

（問題点を解決するための手段）本発明にかかる熱ポンプの異常検出方法よれば、冷媒を
圧縮させて凝縮し、これを膨張させて蒸発させるサイク
ルで順回させ、気化熱および潜熱を利用して水又は空気
を冷却、加熱する熱ポンプの運転状態を表わす状態変数
についての複数個の測定データをもとに欠落した他の状
態変数を推定し、予め記憶した前記熱ポンプの正常な運
転状態における状態変数の値またはこの状態変数により
得られる評価関数値と、測定した状態変数および推定し
た状態変数の値またはこの状態変数により得られる評価
関数値とを比較することにより、熱ポンプの異常状態を
検出することを特徴としている。

また、本発明にかかる熱ポンプの異常検出装置によれば
、膨張弁、蒸発器、圧縮機、凝縮器および蓄熱槽を備え
た熱ポンプの現在状態を測定するセンサと、このセンサ
によって得られた測定データから膨張弁の現在状態を推
定する膨張弁状態推定装置と、測定データから蒸発器の
現在状態を推定する蒸発器状態推定装置と、測定データ
から圧縮機の現在状態を推定する圧縮機状態推定装置と
、測定データから凝縮器の現在状態を推定する凝縮器状
態推定装置と、測定データから蓄熱槽の現在状態を推定
する蓄熱槽状態推定装置と、これらの各推定装置から得
られた熱ポンプの現在の状態推定値から熱ポンプの異常
を検出する異常検出装置と、異常検出装置による検出結
果に基づいて予め熱ポンプの異常処理方法情報を記憶し
た異常処理方法記憶装置と、この異常処理方法記憶装置
から異常処理方法を索引する異常処理方法索引装置と、
この異常処理方法索引装置で索引された異常処理方法情
報を表示する異常処理方法表示装置とを具備することを
特徴としている。

（作　用）本発明の方法では、熱ポンプに設置されている数少ない
異常検出用センサから得られる測定データを基にして、
熱ポンプの現在の状態を推定することにより欠落した測
定データを補充することができ、このようにして得られ
た状態変数値あるいはこの状態変数から得られる評価関
数値から熱ポンプの異常を早期に正確に検出できる。

また、本発明の装置では熱ポンプの各サイクル部分に対
応して測定データからその部分の状態変数を推定する推
定装置を設け、この推定装置の出力から異常検出装置で
異常を検出し、予め記憶された異常処理方法情報を記憶
装置から索引装置で引き出すようにしている。このため
、的確な異常対処が可能となる。

（実施例）第１図は、本発明の一実施例にかかる異常検出装置の構
成を示すブロック図である。

この実施例では、圧縮機１０、凝縮器１１、膨張弁１２
、蒸発器１３よりなる冷凍サイクルと蓄熱槽１４とを備
えている熱ポンプに熱ポンプの異常状態を検出するセン
サ１５が設けられている。

そして、センサ１５の出力である測定データは熱ポンプ
の圧縮機１０の現在状態を推定する圧縮機状態推定装置
１６、熱ポンプの凝縮器１１の現在状態を推定する凝縮
器状態推定装置１７、熱ポンプの膨張弁１２の現在状態
を推定する膨張弁状態推定装置１８、蒸発器１３の現在
状態を推定する蒸発器状態推定装置１つ、熱ポンプの蓄
熱槽１４の現在状態を推定する蓄熱槽状態推定装置２０
にそれぞれ入力されており、これらの出力はセンサ１５
の出力と共に異常検出装置２１に入力されている。この
異常状態検出装置２１には熱ポンプの各種の異常状態と
その異常処理方法についての情報を予め記憶した異常処
理方法記憶装置２２、異常処理索引装置２３および異常
処理方法表示装置２４が接続されており、異常処理方法
索引装置２３は熱ポンプの異常状態が検出された場合に
異常処理方法記憶装置２２から熱ポンプの異常処理方法
情報を索引し、索引された異常処理方法情報を異常処理
方法表示装置２４に表示させる働きをする。

つぎに、本発明にかかる熱ポンプの異常検出方法におけ
る検出手順を第２図のフローチャートを参照して述べる
。ド刀めに熱ポンプの圧縮機１０の異常検出手順につい
て述べる。熱ポンプの圧縮機１０の異常を検出するため
に必要なデータをＸ１□。

Ｘ１２．・・・’　　ＸＩＮにより表わす。Ｘ１１’　
　Ｘ１２’　・・・。

Ｘ１Ｎとしては、圧縮機１０の入口及び出口の冷媒の圧
力、流量、温度さらに蒸発器１３の出口の冷媒の圧力、
流量、温度さらに凝縮器１１の入口の冷媒の圧力、流量
、温度などがある。このＮ種類のデータの中で、センサ
５により熱ポンプの運転中に常に測定できるデータをＸ
１１’　Ｘｌ。、・・・。

ｘｌｌで表わす。残りのＮ−ｉ個のデータは、熱ポンプ
の運転中にＣｊ定することができないため、７１Ｉｊ定
データＸ１１’　Ｘ１２’　・・・Ｘ１１を取込み（ス
テップ１０１）、現在の値Ｘ１１’　Ｘ１２’　・・・
”ＩＮのすべてを圧縮機状態推定装置１６により推定す
る（ステップ１０２）。

Ｘ　　　Ｘ　　　・・・’　Ｘ１Ｎの推定モデルを次に
示１１＋１’　　　１１４２’ す。

ここで、Ｊｔｊ；ｊ−ｉ＋ｌ、ｉ＋２．・・・、Ｎは、
Ｘ　ＩＪ　；　ｊ−１”　１　、ｌ　”　２　、・・・
、Ｎの値を推定するための推定モデルである。このＪｌ
ｊ；ｌ−１＋１、ｆ＋２．・・・、Ｎは物理的な理論式
から決めることが望ましいが理論式から求まらない場合
には、実験的にセンサーを設置して測定したデータを最
小自乗法あるいはＣＭＤ　Ｈ（Ｇｒｏｕｐ　Ｍｅｔｈｏ
ｄ　ｏｆ’Ｄａｔａ　Ｉｌａｎｄｌｉｎｇ　）法などを
用いて統計的に解析することにより求めることができる
。このようにして、熱ポンプの運転中に、センサ１５に
よりデータＸ１０．Ｘ１２．・・・、Ｘ１１を測定する
ことにより、圧縮機１０の異常検出に必要なデータＸ１
０．Ｘ１□。

・・・、Ｘ１Ｎを全て得ることができる。

次に、このようにして得られたデータＸ１□。

Ｘｌ。、・・・Ｘ１Ｎを用いて圧縮機１０の異常を検出
する方法を述べる。圧縮機１０の異常検出方法としては
、判別分析、時系列分析、数量化二類などの手法を適用
することができる。ここでは、−例として判別分析法を
用いた異常検出方法を示す。判別分析法はデータＸ　、
Ｘ　　・・・、Ｘ１Ｎ（Ｎ次元１１　　　１２’ データ）カら、３本の軸（Ｚｔ　、Ｚ２　、Ｚｓ　）を
抽出して次元の減少を伴い、この３本の軸上にデータを
プロットすることにより、圧縮機１０の現在の状態が正
常なのか異常なのかを判別するものである。

として表わされる。

ここで、ｘ−（Ｘｌ、Ｘ２．−ＸＮ）ｘ：ｘの平均値を表わすベクトルである。この係数ベクトルａＴは、２の正常データと異
常データの群間分散の群内性故に対する比である評価関
数θ を最大にするという条件により求まる。

この解ａは周知のように連立方程式１式％（４）を解くことにより求まる。

なお、Ｂ：正常データと異常データの群間分散・共分散
行列Ｗ：正常データと異常データの群内分散・共分散行列である。

なお、正常データは予め理論値または実測正常値が異常
状態検出装置２１内のメモリ（図示せず）に蓄積されて
いる。

第３図に、３本の軸Ｚ１．Ｚ２．Ｚ３を用いて、圧縮機
１０の状態を示した状態図を示す。圧縮機１０の状態は
正常状態（ＡおよびＢ）から圧力異常状態（Ｃ）へ変化
していることがわかる。このように、３本の軸Ｚ１．Ｚ
２．Ｚ３を用いて圧縮機１０の現在の状態°を図示する
ことにより、圧縮機１０の現在の状態が正常なのかある
いは異常なのかを判別することができ、異常であるとき
はどのような異常グループにデータが属するかを判定す
ることによって圧縮機１０の異常検出ができる（ステッ
プ１０３）。

次に、熱ポンプの凝縮器１１の異常検出手順について述
べる。熱ポンプの凝縮器１１の異常を検出するために必
要なデータをＸ２０．Ｘ２゜、・・・。

Ｘ　で表わす。Ｘ２１’　　Ｘ２２’　・・・”２Ｎと
しては、Ｎ凝縮器１１の入口及び出口の冷媒の圧力、流量、温度さ
らに圧縮機１０の出口の冷媒の圧力、流量、温度さらに
膨張弁１２の入口の冷媒の圧力、流量、温度などがある
。このＮ種類のデータの中で、センサ１５により熱ポン
プの運転中に常に測定できるデータをＸ２１’　Ｘ２２
’　・・・Ｘ２１で表わす。残りＮ−ｉ個のデータは、
熱ポンプを運転中に測定することができないため、Ｃｊ
定データＸ２１’　Ｘ２２’・・・、Ｘ２．を用いて現
在の値を凝縮器状態推定装置１７により推定する。ここ
で使用する推定モデルは第（１）式と同じ形に表わすこ
とができる。このようにして得られたＸ２１’　Ｘ２゜
、・・・、Ｘ２Ｎのデータを用いて前述した圧縮機１０
の異常検出の場合と同様に式（２）〜（４）を用いた判
別分別法により熱ポンプの凝縮器１２の異常が検出され
る。

この判別も前述したように３本の軸２．，２２゜Ｚ３を
用いて凝縮器１１の現在状態を図示することにより、正
常／異常の区別、異常であるときはどのような異常グル
ープにデータが属するかが判別されることになる。

次に熱ポンプの膨張弁１２の異常検出の場合には膨張弁
１２の入口及び出口の冷媒の圧力、流量、温度さらに凝
縮器１１の出口の冷媒の圧力、流量、温度さらに蒸発器
１３の入口の冷媒の圧力、流量、温度などの膨張弁１２
の異常を検出するために必要なデータＸ　　Ｘ　　・・
・’　Ｘ３Ｎのうち熱ポンプ３１’　　　３２゜を運転中に測定することができないデータについては測
定データＸ　　Ｘ　　・・・、Ｘ３．を用いて現３Ｐ　
　３２″ 在の値を膨張弁状態推定装置１８により推定するように
する。

このようにして得られたＸ３１’　　Ｘ３２’　・・・
Ｘ３Ｎのデータを用いて前述した圧縮機１０の異常検出
の場合と同様に式（２）〜（４）および現在状態の図示
による判別分析法を用い、現在状態の正常／異常、およ
び異常グループの判定がなされることになる。

以下同様に蒸発器１３については異常を検出するために
必要なデータである蒸発器１３の入口及び出口の冷媒の
圧力、流量、温度、膨張弁１２の出口の冷媒の圧力、流
量、温度、さらに圧縮機１０の入口の冷媒の圧力、流量
、温度などのデータＸ　　Ｘ　　・・・”４Ｎの一部を
蒸発器状態推定４１’　　　４２′ 装置１９により蒸発器運転中の測定データＸ４、。

Ｘ　　・・・、Ｘ４１をもとに推定し、蓄熱槽１４につ
４２゛いては異常を検出するために必要なデータＸ５１゜Ｘ５
゜、・・・、Ｘ５Ｎの一部を蓄熱槽状態推定装置２０に
より蓄熱槽運転中の測定データＸ５□、Ｘ５゜、・・・
。

Ｘ５１をもとに推定する。

このようにして推定された必要な全データをもとに前述
した第（２）〜第（４）式を用いて判別分析法により各
部の現在状態の正常／異常および属する異常グループが
決定される。

異常の内容が決定されたときは、異常検出装置２１は異
常処理方法索引装置２３を駆動させて異常処理方法記憶
装置から最適な処理方法情報を取出しくステップ１０４
）、異常検出処理方法表示装置上に表示させる（ステッ
プ１０５）ことになる。

以上の実施例では異常検出にあたって現在状態の評価関
数を求めて判断するようにしているが、補充された現在
状態データの値を予め記憶されている正常状態データと
そのまま比較するようにしてもよい。

〔発明の効果〕

以上のように、本発明によれば少数の異常検出用センサ
により測定したデータから、熱ポンプの現在状態を推定
することにより熱ポンプの異常検出を装置に正確に行う
ことができる。このため、密閉配管方式を採用している
熱ポンプのように取り付は上の制約から少数のセンサの
みしか設置できない熱ポンプに対しても異常検出を迅速
に正確に行うことができる。

さらに、蓄熱槽のように、センサの保守点検が困難な機
器に対しても、センサの数を大幅に削減できるために熱
ポンプの保守点検が容易になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の回路構成を示すブロック図
、第２図は異常検出とその対処の手順を示すフローチャ
ート、第３図は熱ポンプの圧縮機の状態を示す状態図で
ある。１０・・・圧縮機、１１・・・凝縮器、１２・・・膨張
弁、１３・・・蒸発器、１４・・・蓄熱槽、１５・・・
センサ、１６・・・圧縮機状態推定装置、１７・・・凝
縮器状態推定装置、１８・・・膨張弁状態推定装置、１
９・・・蒸発器状態推定装置、２０・・・蓄熱槽状態推
定装置、２１・・・異常検出装置、２２・・・異常処理
方法記憶装置、２３・・・異常処理方法索引装置、２４
・・・異常処理方法表示装置。出願人代理人　　佐　　藤　　−雄竺１　図粥２図

Claims

【特許請求の範囲】１、冷媒を圧縮させて凝縮し、これを膨張させて蒸発さ
せるサイクルで順回させ、気化熱および潜熱を利用して
水又は空気を冷却、加熱する熱ポンプの運転状態を表わ
す状態変数についての複数個の測定データをもとに欠落
した他の状態変数を推定し、予め記憶した前記熱ポンプ
の正常な運転状態における状態変数の値またはこの状態
変数により得られる評価関数値と、前記測定した状態変
数および推定した状態変数の値またはこの状態変数によ
り得られる評価関数値とを比較することにより、前記熱
ポンプの異常状態を検出することを特徴とする熱ポンプ
の異常検出方法。２、欠落した状態変数の推定が統計的解析により行われ
ることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の熱ポン
プの異常検出方法。３、膨張弁、蒸発器、圧縮機、凝縮器および蓄熱槽を備
えた熱ポンプの現在状態を測定するセンサと、このセン
サによって得られた測定データから前記膨張弁の現在状
態を推定する膨張弁状態推定装置と、前記測定データか
ら前記蒸発器の現在状態を推定する蒸発器状態推定装置
と、前記測定データから前記圧縮機の現在状態を推定す
る圧縮機状態推定装置と、前記測定データから前記凝縮
器の現在状態を推定する凝縮器状態推定装置と、前記測
定データから前記蓄熱槽の現在状態を推定する蓄熱槽状
態推定装置と、これらの各推定装置から得られた前記熱
ポンプの現在の状態推定値から前記熱ポンプの異常を検
出する異常検出装置と、前記異常検出装置による検出結
果に基づいて予め熱ポンプの異常処理方法情報を記憶し
た異常処理方法記憶装置と、この異常処理方法記憶装置
から異常処理方法を索引する異常処理方法索引装置と、
この異常処理方法索引装置で索引された異常処理方法情
報を表示する異常処理方法表示装置とを具備することを
特徴とする熱ポンプの異常検出装置。