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【環境試験(温度サイクル・温湿度・振動試験)】
ヒートポンプ機器は何に耐えている？寒暖差・結露・振動の再現方法を解説
はじめに──暖房の季節に、ヒートポンプ機器が受ける負荷
暖房を使い始める季節になりました。エアコンの暖房に使われているヒートポンプは、使った電力の3〜7倍の熱を得られる技術として、工場の排熱利用や電気自動車の暖房にも広がっています。こうした機器の多くは屋外や車両に置かれ、寒暖差や霜、圧縮機の振動にさらされながら動き続けます。本記事では、ヒートポンプの仕組みと、機器が受ける負荷、それを確かめる環境試験（温度サイクル試験・温湿度試験・振動試験）について解説します。
この記事でわかること
- ヒートポンプが、使った電力より多くの熱を得られる仕組み
- ヒートポンプ機器が受ける4つの負荷（寒暖差と霜、湿気と結露、圧縮機の振動、走行中の振動と低温）
- それぞれの負荷を確かめる試験と、その関係
ヒートポンプの仕組みと、広がる用途
ヒートポンプは、熱を「つくる」のではなく、ポンプのように「運んでくる」技術です。
外の熱を集めて、運んでくる
電気ストーブは電気を熱に変えるので、1の電力からは多くても1の熱しか得られません。ヒートポンプは、冷媒と呼ばれる液体と気体の間を行き来する物質を使って、外の空気などから熱を集め、温度を上げて室内へ運びます。
部屋に届く熱は、運転に使った電力と、外から集めた熱の合計です。そのため、ヒートポンプ・蓄熱センターは、1の電気で3〜7倍の熱エネルギーを得られると説明しています。
ただし、効率は外の温度で変わります。外が寒いほど、熱を高い温度まで運ぶのに電力が多く必要になり、効きが落ちます。家庭用エアコンの性能も、JIS C 9612で外気7℃（低温暖房は外気2℃）といった測定条件が決められています。
家庭から、工場や電気自動車へ
ヒートポンプは、家庭の暖房や給湯以外にも様々な場所で使われ始めました。
- 工場の排熱利用：NEDOのプロジェクトでは、工場で捨てられている80〜100℃程度の熱を集め、最高200℃の熱として供給するヒートポンプの開発が行われました。
- 電気自動車の暖房：電気自動車には暖房に使えるエンジンの熱がありません。NEDOが紹介した開発事例では、電気ヒーターで暖房すると冬の暖房エネルギーが全消費エネルギーの約50%に達し、ヒートポンプを使うと航続距離が7割程度まで回復するとされています。
使われる場所が広がるほど、機器が置かれる環境も厳しくなります。
ヒートポンプ機器が受ける4つの負荷
ヒートポンプ機器は、次の4つの負荷を受けながら動き続けます。
1. 寒暖差と霜
屋外に置かれる室外機は、昼と夜、季節ごとの寒暖差を受けます。
寒い日には、外の空気から熱を集める熱交換器に霜がつきやすくなります。霜を溶かすための除霜運転が入ると、機器は冷えた状態から急に温められ、また冷やされます。冬の間、この温度の上がり下がりが何度も繰り返されます。
2. 湿気と結露
湿度の高い季節や、温度が大きく変わる場面では、機器の内部や表面に結露が起きることがあります。電子部品や配線のまわりに水分が残ると、不具合の原因になることがあります。
3. 圧縮機の振動と配管の共振
ヒートポンプの中心にある圧縮機は、回転し続ける部品です。近年は、インバーターで回転数を細かく変えて能力を調整する方式が広く使われています。
回転数が変わると、機器に伝わる揺れの周波数も変わります。その周波数が、配管や筐体が揺れやすい周波数（固有振動数）と重なると、共振と呼ばれる大きな揺れが起きることがあります。共振が続くと、配管の疲労や接続部のゆるみにつながることがあるとされています。
4. 走行中の振動と低温
電気自動車に積まれるヒートポンプは、路面から伝わる振動を受けながら、低温から高温まで動きます。NEDOが紹介した開発事例でも、−20℃のような低い温度での能力の確保や、霜がつくのを抑えることが課題として挙げられていました。
負荷を確かめる環境試験
配管や熱交換器、制御基板、車載のヒートポンプユニットといった部品・ユニットの単位で、想定する環境の条件を設定して確かめるアプローチがあります。
温度サイクル試験──寒暖差と除霜の繰り返しを再現する
温度サイクル試験は、高い温度と低い温度を何度も繰り返して、製品への影響を確かめる試験です。昼と夜、季節ごとの寒暖差や、除霜運転による温度の上がり下がりのように、長い期間に何度も起きる温度の変化を、試験の中で繰り返して再現します。
温度サイクル試験で確かめる主なこと
- 熱交換器や配管の接合部に、ひびや変形、劣化が出ないか
- 樹脂部品やパッキンが、硬くなったり縮んだりしないか
- 電子部品のはんだ付け部分に、ひび割れが起きないか
温湿度試験──湿気と結露の影響を確かめる
温湿度試験は、温度と湿度を決まった条件に保った試験室に製品を置き、変化を確かめる試験です。高い湿度の中に置いたり、結露が起きやすい条件をつくったりして、電子部品や配線への影響を確かめます。
温度サイクル試験と温湿度試験の違いは、温度サイクル試験・湿度試験の解説で紹介しています。
振動試験──圧縮機の揺れと走行中の振動を再現する
振動試験は、試験機の上で揺れを再現し、製品が壊れたり、ゆるんだりしないかを確かめる試験です。
振動試験で確かめる主なこと
- 圧縮機の回転数に合わせて揺れの周波数を変えたとき、配管や筐体が大きく揺れる周波数（共振）がないか
- 共振が起きたとき、配管の接続部や固定部品がゆるまないか
- 車載の機器では、走行中の振動を受け続けても壊れないか
共振のしくみと対策は振動試験で起きる共振のしくみと対策で、エボルテックで受けられる振動試験の内容は振動試験の紹介ページで紹介しています。
車載の機器のように、寒さと揺れが同時に起きる環境では、温度と振動を同時に加える試験を使うこともあります。車載のヒートポンプユニットのように比較的小さな機器であれば、低い温度に保ったまま揺れを加え、寒さで硬くなった部品や配管の固定部が、走行中の振動に耐えられるかを確かめられます。どの試験をどの条件で行うかは、機器の種類や設置場所によって変わります。
ヒートポンプ機器の負荷と試験の相関図
ヒートポンプ機器が受ける負荷と、それを確かめる試験の関係を整理すると、次のようになります。
次のようなときは、あらためて試験で確かめておくと安心です。
- 圧縮機の回転数の範囲や、部品の材料・取り付け方を変えたとき
- 寒冷地など、これまでより厳しい環境に設置するとき
- 家庭用の機器を、車両や産業用の設備に応用するとき
まとめ
ヒートポンプは、外から集めた熱を運ぶことで、使った電力より多くの熱を得られる技術です。家庭から工場、電気自動車へと使われる場所が広がるにつれて、機器は寒暖差や霜、湿気、圧縮機や走行中の振動にさらされます。
こうした負荷の多くは、温度サイクル試験・温湿度試験・振動試験で、部品やユニットの段階で再現して確かめることができます。
参考情報
お問い合わせ
温度サイクル試験、温湿度試験、振動試験、温度と振動を組み合わせた試験についてのご相談は、お気軽にどうぞ。どの試験で確かめればよいかを整理したい段階でもご相談いただけます。
本コラムで取り上げた内容に関連する試験については、エボルテックの環境試験一覧もあわせてご覧ください。
