CN107107920A - 车用空调装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的车用空调装置包括：温水加热器核心，该温水加热器核心设置于使冷却水循环至热源并来对热源的废热进行回收的温水回路，并对由热源的废热加热后的冷却水和空气进行热交换以加热空气，从而利用加热后的空气对车内进行制热；热泵，该热泵利用室内热交换器使从制冷剂压缩机排出的制冷剂与空气进行热交换以加热空气，从而利用加热后的空气对车内进行制热；电热器，该电热器加热空气来对车内进行制热；以及控制装置，该控制装置选择温水加热器核心、热泵及电热器的一部分或全部来进行制热。

Description

车用空调装置
技术领域
本发明涉及将热源的废热进行回收并利用于空调的车用空调装置。
背景技术
以往，为了削减车用空调装置中的能耗，具有如下情况：使冷却水在铁路车辆的发动机及发电机中循环，来回收发动机及发电机的废热，将由废热加热后的温水作为车用空调装置的制热热源。通常，温水的温度较大程度地受发动机的使用状态所左右，大多情况下处于不稳定的状态，在温水是低温的情况下无法用于制热。因此，存在如下空调装置：同时采用由热泵进行的制热，从而通过使用温水来达成节能，并且在无法获得温水的情况下也能提供高品质的制热(例如参照专利文献1)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开2006-248275号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
在上述专利文献1中，在温水的温度未达到规定温度从而无法利用温水进行制热的情况下，使热泵进行动作，利用由热泵的室内热交换器加热后的空气来进行制热。然而，由于仅使用热泵作为温水以外的热源，因此存在以下的问题。即，在温水的温度较低，无法将温水作为制热用的热源来利用的情况下，有时仅仅依靠热泵难以获得所需的制热能力。此外，例如在热泵的室外热交换器上结有霜，为了去除霜而进行所谓的反循环方式的除霜运行的情况下，存在如下问题：在该除霜运行的期间，无法利用热泵进行制热。
本发明是鉴于上述问题而完成的，其目的在于提供一种即使在无法将温水用作为制热用的热源的状况下，也能获得所需的制热能力的车用空调装置。
解决技术问题所采用的技术方案
本发明所涉及的车用空调装置包括：温水加热器核心，该温水加热器核心设置于使冷却水循环至热源来对热源的废热进行回收的温水回路，并对由热源的废热加热后的冷却水和空气进行热交换以加热空气，从而利用加热后的空气对车内进行制热；热泵，该热泵利用室内热交换器使从制冷剂压缩机排出的制冷剂与空气进行热交换以加热空气，从而利用加热后的空气对车内进行制热；电热器，该电热器加热空气来对车内进行制热；以及控制装置，该控制装置选择温水加热器核心、热泵及电热器的一部分或全部来进行制热。
发明效果
根据本发明，即使在无法将温水用作为制热用的热源的状况下，也能获得所需的制热能力。
附图说明
图1是应用了本发明的实施方式1所涉及的车用空调装置的铁路车辆的整体示意图。
图2是表示本发明的实施方式1所涉及的车用空调装置的结构的框图。
图3是本发明的实施方式1所涉及的车用空调装置的控制流程图。
具体实施方式
实施方式1.
图1是应用了本发明的实施方式1所涉及的车用空调装置的铁路车辆的整体示意图。
铁路车辆1包括：经由配设在车体的前方及后方的车轴2a而设置的轨道行驶用的车轮2；经由齿轮装置3a及车轴2a对设置于前方的车轮2进行旋转驱动的电动机3；经由功率转换装置4a向电动机3进行供电的发电机4；及驱动发电机4的发动机5。铁路车辆1还包括：功率转换装置4a、储存提供给发动机5的燃料的燃料罐6、回收再生电力并经由功率转换装置4a向电动机3进行供电的蓄电装置7、及车用空调装置8等。然后，由发电机4产生的驱动电力及来自蓄电装置7的电力经由功率转换装置4a被提供给电动机3，以使车轮2旋转。
车用空调装置8利用后述的热泵式冷冻循环(以下称为“热泵”)来进行制冷，另一方面，回收由具备发电机4及发动机5的动力产生单元9产生的废热，并利用该废热来进行制热。动力产生单元9构成本发明所涉及的热源。另外，该热源并不限于作为用于驱动车轮2的动力源的发电机4及发动机5，也可以是用于向各车辆的服务设备(电灯、空调装置等)进行供电的供电单元。
图2是表示本发明的实施方式1所涉及的车用空调装置的结构的框图。下面，参照图2对本实施方式1所涉及的车用空调装置8的结构进行说明。
如图2所示，车用空调装置8构成为包括温水回路10、热泵20、及控制装置30等。
温水回路10构成为包括温水加热器核心12、水热交换器13、温水控制阀14、温水旁通回路15、及散热器16等，它们通过配管相连接，供对动力产生单元9进行冷却的冷却水(温水)流通。
温水加热器核心12是对温水和空气进行热交换的热交换器，利用该热交换加热后的空气被用于车内空调。水热交换器13是在温水和热泵20的制冷剂之间进行热交换的热交换器。温水控制阀14切断温水，以阻止该温水抵达温水加热器核心12及水热交换器13。此外，温水控制阀14阻止来自动力产生单元9的温水抵达水热交换器13，从而防止热泵20内的制冷剂被由动力产生单元9产生的废热加热的情况。温水旁通回路15使被温水控制阀14切断的温水返回至动力产生单元9侧。散热器16对通过了水热交换器13的温水及被温水控制阀14切断的温水进行冷却。散热器16采用能容易地将温水的热量释放到车外的配置结构。
此外，温水回路10如图2所示设有恒温阀17。恒温阀17根据通过阻塞温水控制阀14而流至温水旁通回路15侧的温水的温度、或通过水热交换器13并返回至动力产生单元9侧的温水的温度，来控制温水的流路。在流入的温水是规定阈值(例如70℃)以上的高温的情况下，恒温阀17通过使温水全部流至散热器16侧、并在冷却后返回至动力产生单元9，从而预先防止动力产生单元9的过热。另一方面，在流入的温水是规定阈值(例如65℃)以下的低温的情况下，恒温阀17通过使温水全部流至温水旁通回路15，从而预先防止动力产生单元9的过度冷却。
此外，温水回路10中，在动力产生单元9与温水加热器核心12之间的配管中配置有温度传感器18，该温度传感器18对由动力产生单元9产生的废热来进行加热、并提供给温水加热器核心12的温水的温度进行检测。
如图2所示，热泵20构成为包括水热交换器13、室外热交换器22、室内热交换器23、对制冷剂进行压缩的制冷剂压缩机24、在制冷时与制热时对制冷剂的流路进行变更的电动四通阀25、及膨胀阀26等，它们利用制冷剂配管相连接并供制冷剂循环。
水热交换器13在温水回路10的温水和热泵20的制冷剂之间进行热交换。室外热交换器22在热泵20的制冷剂与外部气体之间进行热交换来对制冷剂进行冷却。室内热交换器23进行热泵20的制冷剂与空气之间的热交换，是制冷制热两用的热交换器。室内热交换器23在制冷时进行由膨胀阀26减压后的制冷剂与空气之间的热交换，来对空气进行冷却。此外，室内热交换器23在制热时进行由水热交换器13加热后的制冷剂与空气之间的热交换，来对空气进行加热。电动四通阀25在制冷时与制热时对制冷剂的流路进行变更。能通过上述热泵20来实现制冷与制热双方。
车用空调装置8还设有对提供给车内的空气进行加热的电热器27。
另外，由温水加热器核心12、室内热交换器23及电热器27加热后的空气被未图示的送风风扇提供给车内，来对车内进行制热。本实施方式1中，对于制热用的热源，根据所需的制热能力适当选择使用通过温水加热器核心12的温水、和作为温水以外的热源的其他热源(热泵20的室内热交换器23与电热器27的其中一方或双方)。
控制装置30是基于温度传感器18检测到的温水的温度自动地对车用空调装置8的动作进行控制的装置。具体而言，控制装置30进行如下控制：在温水的温度低于能进行空调制热的规定阈值(25℃)的情况下，不使用温水作为制热用的热源，而使用其他热源来进行制热。另一方面，在温水的温度在规定阈值(25℃)以上的情况下，控制装置30使用温水作为制热用的主热源。另外，控制装置30进行制热所需能力的运算，在仅仅通过温水来供给所需的制热能力存在不足的情况下，利用其他热源进行补充。
此外，在热泵20的室外热交换器22结有霜的情况下，进行用于去除该霜的除霜运行。控制装置30在除霜运行时将电动四通阀25切换至图2的虚线侧，通过将由制冷剂压缩机24排出的高温制冷剂气体提供给室外热交换器22来进行除霜。
控制装置30能够由实现该功能的电路器件那样的硬件来构成，也能够由微机、CPU那样的运算装置及在该运算装置上执行的软件来构成。此外，控制装置30具备对时间进行计时的计时器。
图3是本发明的实施方式1所涉及的车用空调装置的控制流程图。下面，使用图3对本实施方式1所涉及的车用空调装置8的动作进行说明。另外，此处，首先将温水利用不可计时器T1及其他热源利用不可计时器T2分别设定为初始值“0”。
在用户要求的运行模式是制热模式的情况下(S1)，控制装置30监视由温度传感器18检测到的水温TWT(S2)，并将水温TWT与能利用温水进行空调制热的阈值(25℃)进行比较。在水温TWT小于阈值的情况下，控制装置30判断为无法利用温水进行制热，并判断为利用其他热源进行制热。
接着，控制装置30进行制热能力判定1(S3)。制热能力判定1中，控制装置30基于外部气体温度与室内温度来求出所需的制热能力，计算分担比例模式，该分担比例模式用于将上述制热能力分别分担到作为其他热源的热泵20及电热器27来运行。若比较热泵20与电热器27，则在获得相同的制热能力时，热泵20的功耗较低，较为节能。因此，在热泵20及电热器27中，将热泵20用作为制热用的主热源，并在制热能力存在不足的情况下利用电热器27进行补充。
具体而言，在能仅利用热泵20来供给制热能力的情况下，仅运行热泵20，而使电热器27停止。在外部气体温度与室内温度的温度差较大，所需的制热能力超过仅利用热泵20所能供给的制热能力的情况下，利用电热器27对不足部分的制热能力进行补充。另外，在热泵20处于除霜运行中的情况下及故障等的情况下，无法使用热泵20，无法供给制热能力，因此将电热器27用作为制热用的主热源。也就是说，制热能力判定1中，根据所需的制热能力与热泵20的运行状态来使用热泵20与电热器27的其中一方或双方进行制热运行。基于以上的思考方式来计算制热能力的分担比例模式。
然后，控制装置30关闭温水回路10的温水控制阀(WSV)14(S4)。由此，温水不会流至温水加热器核心12，不进行利用温水的制热。另一方面，在温水回路10中对动力产生单元9的废热进行回收后的温水利用恒温阀17的功能，根据温度来切换流路。即，高温的温水全部流至散热器16侧，热量被释放到车外，并在冷却后返回至动力产生单元9。另一方面，低温的温水全部流至温水旁通回路15，并返回至动力产生单元9。
然后，控制装置30在将其他热源用作为制热用的热源前，先检查其他热源利用不可计时器(S5)。若其他热源利用不可计时器大于0，则距上一次停止其他热源的运行后的时间较短，因此为了防止短时间后再次运行其他热源，将其他热源的再运行设为保留。此处，设定为初始值“0”，因此利用S3的制热能力判定1中计算得到的模式所对应的分担比例来实施其他热源(热泵(H/P)20、电热器(OH)27)的运行(S6)，以进行制热。
即，在利用热泵20进行制热的情况下，将电动四通阀25切换至图2的实线侧，起动制冷剂压缩机24使制冷剂循环，利用水热交换器13在温水与制冷剂之间进行热交换，来对制冷剂进行加热。然后，利用制冷剂压缩机24对加热后的制冷剂进行压缩，使该高压的制冷剂通过室内热交换器23，与空气进行热交换从而对空气进行加热，并将加热后的空气送风到车内来进行制热。此外，在利用电热器27进行制热的情况下，使电热器27开启，将由电热器27加热后的空气送风到车内来进行制热。
然后，控制装置30将禁止时间(例如10分钟)设定于温水利用不可计时器T1(S7)，并开始温水利用不可计时器T1的倒计时。该第1利用不可计时器在经过了禁止时间为止的期间，即使由温度传感器18检测到的水温TWT上升至阈值以上，也不开始利用温水的制热，而继续进行利用其他热源的制热，若经过了禁止时间，则切换为利用温水的制热。由此，防止了高频度地切换热源的情况。
然后，若由动力产生单元9产生的废热而导致温水回路10的水温上升，且由温度传感器18检测到的水温TWT在阈值(25℃)以上(S2)，则控制装置30对温水利用不可计时器T1进行检查(S8)。控制装置30在判断为温水利用不可计时器T1大于0的情况下，也就是说，在还未经过禁止时间的情况下，设为不能进行利用温水的制热，转移至S3，进行利用其他热源的制热。另一方面，控制装置30在判断为温水利用不可计时器T1为0的情况下，也就是说，在经过了禁止时间的情况下，检查温水回路10的温水控制阀(WSV)14是打开的还是关闭的(S9)。此处，温水控制阀14被关闭，正在进行利用其他热源(室内热交换器23与电热器27的其中一方或双方)的制热，因此控制装置30结束利用热泵(H/P)20及电热器(OH)27的制热运行(S10)，并将其他热源利用不可计时器设定为2分钟(S11)。
然后，控制装置30进行制热能力判定2(S12)。制热能力判定2基于外部气体温度与室内温度求出所需制热能力，计算分担比例模式，该分担比例模式用于将上述制热能力分别分担到温水与其他热源并使其运行。温水、热泵20及电热器27中节能性从高到低依次为温水、热泵20、电热器27，因此将温水用作为制热用的主热源，在存在不足部分的情况下，与上述制热能力判定2同样地，以热泵20及电热器27的顺序来进行使用的方式计算分担比例模式。
然后，控制装置30打开温水控制阀(WSV)14(S13)。由此，温水被提供给温水加热器核心12，由温水加热器核心12加热后的空气被提供给车内，来进行利用温水的制热。此外，通过打开温水控制阀(WSV)14，将通过了温水加热器核心12的温水提供给水热交换器13。
然后，控制装置30检查其他热源利用不可计时器T2(S14)，在判断为其他热源利用不可计时器T2大于0的情况下，也就是说，在距上一次的其他热源的运行停止起未经过2分钟的情况下，不进行热泵20与电热器27的运行，而进行仅利用温水的制热。
另一方面，在其他热源利用不可计时器T2为0的情况下，也就是说，在距上一次的其他热源的运行停止起经过了2分钟的情况下，基于S10的制热能力判定2中计算得到的分担比例模式，在利用温水的制热的基础上还使用其他热源(H/P、OH)的情况下，实施其他热源的运行(S15)。另一方面，若不需要其他热源的运行，则不进行其他热源的运行。
以上的处理在室内温度与车内的设定温度之间的温度差在1℃以上、且需要进行制热的情况下进行，在室内温度与车内的设定温度之间的温度差小于1℃的情况下，停止所有热源的运行，成为热关闭(thermo-off)状态。
此外，在用户要求的运行模式是制冷模式的情况下(S1)，控制装置30首先关闭温水回路10的温水控制阀14(S16)。由此，通过了动力产生单元9的温水利用恒温阀17的功能，根据温度来切换流路。即，高温的温水全部流至散热器16侧，热量被释放到车外，并在冷却后返回至动力产生单元9。另一方面，低温的温水全部流至温水旁通回路15，并返回至动力产生单元9。
然后，控制装置30开始利用热泵(H/P)20的制冷运行(S17)。即，将电动四通阀25切换至图2的虚线侧，来驱动制冷剂压缩机24。由此，由制冷剂压缩机24压缩后的制冷剂流入室外热交换器22，与空气进行热交换从而冷凝液化。冷凝液化后的制冷剂在通过了水热交换器13后，被膨胀阀26减压，之后流入室内热交换器23。流入了室内热交换器23的制冷剂接受来自空气的热量而蒸发，之后，通过电动四通阀25，被再次被吸入制冷剂压缩机24。如上所述，通过使制冷剂在制冷剂回路中循环，从而对车内进行制冷。然后，控制装置30将温水利用不可计时器设定为0(S18)，并将其他热源利用不可计时器设定为0(S19)。
如上所述，根据本实施方式1，采用除了温水以外、也使用热泵20与电热器27作为制热用的热源的结构，因此即使在无法利用温水的状况下，也能继续进行制热运行。此外，在无法使用热泵20的情况下，也能使用电热器27。
此外，在仅将温水作为热源进行制热时所得的制热能力不足、并进一步将热泵20及电热器27用作为热源的情况下，考虑热泵20及电热器27的功耗来决定制热能力的分担，因此能有助于节能。
此外，本实施方式1的车用空调装置8具有：在由动力产生单元9产生的废热进行加热后的冷却水(温水)与制冷剂之间进行热交换的水热交换器13；以及与由水热交换器13加热后的制冷剂进行热交换以加热空气的室内热交换器23，能利用由该室内热交换器23加热后空气来进行制热。即，能将由动力产生单元9产生的废热的能量经由水热交换器13储存于室内热交换器23，并能利用该室内热交换器23实现稳定且舒适的暖风制热。
另外，本实施方式1中，采用了热泵20具备水热交换器13的结构，但也可以采用省略水热交换器13，而依次连接制冷剂压缩机24、电动四通阀25、室内热交换器23、膨胀阀26、及室外热交换器22来供制冷剂循环的结构。该情况下，由制冷剂压缩机24排出的高温制冷剂气体流入室内热交换器23，与空气进行热交换以加热空气，并将加热后的空气提供给车内，来进行制热。
另外，上述实施方式1中的各温度、时间等具体的数值仅表示一个示例，可以根据实际使用条件等适当进行设定。
标号说明
1铁路车辆、2车轮、2a车轴、3电动机、3a齿轮装置、4发电机、4a功率转换装置、5发动机、6燃料罐、7蓄电装置、8车用空调装置、9动力产生单元、10温水回路、12温水加热器核心、13水热交换器、14温水控制阀、15温水旁通回路、16散热器、17恒温阀、18温度传感器、20热泵、22室外热交换器、23室内热交换器、24制冷剂压缩机、25电动四通阀、26膨胀阀、27电热器、30控制装置。

Claims (5)

1.一种车用空调装置，其特征在于，包括：
温水加热器核心，该温水加热器核心设置于使冷却水循环至热源来对所述热源的废热进行回收的温水回路，并对由所述热源的废热加热后的所述冷却水和空气进行热交换以加热空气，从而利用加热后的空气对车内进行制热；
热泵，该热泵利用室内热交换器使从制冷剂压缩机排出的制冷剂与空气进行热交换以加热空气，从而利用加热后的空气对车内进行制热；
电热器，该电热器加热空气来对车内进行制热；以及
控制装置，该控制装置选择所述温水加热器核心、所述热泵及所述电热器的一部分或全部来进行制热。
2.如权利要求1所述的车用空调装置，其特征在于，
在由所述热源的废热加热后的所述冷却水的温度在预先设定的阈值以上的情况下，所述控制装置将所述温水加热器核心用作为制热用的主热源。
3.如权利要求2所述的车用空调装置，其特征在于，
所述控制装置在将所述温水加热器核心作为制热用的主热源使用时，在利用所述温水加热器核心可供给所需的制热能力的情况下，仅利用所述温水加热器核心进行供给，在无法供给所需的制热能力的情况下，利用所述热泵来供给不足部分，在即使利用所述热泵也无法供给所需的制热能力的情况下，以利用所述电热器来供给该不足部分的方式按所述温水加热器核心、所述热泵及所述电热器的顺序分担所述所需的制热能力来运行。
4.如权利要求1至3的任一项所述的车用空调装置，其特征在于，
在由所述热源的废热加热后的所述冷却水的温度小于预先设定的阈值的情况下，所述控制装置将所述热泵用作为制热用的主热源。
5.如权利要求4所述的车用空调装置，其特征在于，
所述控制装置在将所述热泵作为制热用的主热源使用时，在利用所述热泵可供给所需的制热能力的情况下，仅利用所述热泵进行供给，在无法供给所需的制热能力的情况下，以利用所述电热器来供给不足部分的方式按所述热泵及所述电热器的顺序分担所述所需的制热能力来运行。
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