JP2010234945A - 鉄道車両用ヒートポンプ空調装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低外気温度でのヒートポンプ暖房運転において、室外熱交換器の着霜による蒸発圧力の異常低下と圧縮機の吸入圧力低下による故障を防止し、ヒートポンプ式冷凍サイクルの暖房連続運転を実現する鉄道車両用ヒートポンプ空調装置を提供する。
【解決手段】ヒートポンプ冷凍サイクルにおいて室外熱交換器（蒸発器）４の入口側を分流した入口配管１３，１４に第１電磁弁７，８が設けられる。第１電磁弁７，８の出口と圧縮機１の出口を接続するバイパス配管１５，１６に電磁弁９，１０が設けられている。室外熱交換器４の半分のパスに圧縮機１出口のホットガスを流して伝熱管等に堆積した霜を除霜させ、一定時間経過後は残りのパスにホットガスを流すように切換えることにより蒸発温度の低下を防止して室外熱交換器（蒸発器）への着霜を抑止しながら、ヒートポンプ暖房運転を継続しながら除霜して、車内の快適性を保持することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、鉄道車両用として適用されヒートポンプによって冷暖房運転を行う鉄道車両用ヒートポンプ空調装置に関する。

従来、鉄道車両用の冷暖房装置として冷・暖房両用のヒートポンプ式冷凍サイクルを備えたヒートポンプ空調装置が用いられている。ヒートポンプ式冷凍サイクルを備えた鉄道車両用空調装置（暖房運転時）は、圧縮機の吐き出し口、四方切換弁の一方の流路、室内熱交換器（凝縮器）、膨張弁（減圧装置）、室外熱交換器（蒸発器）、四方切換弁の他方の流路、圧縮機の吸い込み口の順番に接続され、冷凍サイクルを構成している。室内熱交換器、および、室外熱交換器は、冷媒の圧力損失を低減するために、複数の冷媒流路（パス）が備えられている。ヒートポンプ式冷凍サイクルを備えた鉄道車両用空調装置は、上記の他に、圧縮機を制御するインバータ装置、制御装置、制御盤、各種センサ（室内温度センサ、室内湿度センサ、外気温度センサ、外気湿度センサ、乗車率を検知するセンサ等）、及びコンソールを含んで構成されている。

このように構成されたヒートポンプ式冷凍サイクルを備えた鉄道車両用空調装置は、暖房運転時には、圧縮機により圧縮された高圧の冷媒を室内熱交換器（凝縮器）に送り減圧し、室内熱交換器（凝縮器）との間で熱交換した温風を室内送風機で車内に送風し、凝縮した冷媒を膨張弁によって膨張させて室外熱交換器（蒸発器）に送り、室外送風機を用いて室外熱交換器（蒸発器）と空気流との間で熱交換するヒートポンプサイクルとして運転される。冷房時はその逆で、圧縮機により圧縮された高圧の冷媒を室外熱交換器（凝縮器）に送り減圧し、室外熱交換器（凝縮器）と室外送風機で送られる空気流との間で熱交換することで冷媒を冷却し、凝縮した冷媒を膨張弁にて膨張させて室内熱交換器（蒸発器）に送り、室内送風機で送られ且つ室内熱交換器（蒸発器）との間で熱交換した冷風を車内に送風するように運転される。

かかるヒートポンプ式冷凍サイクルを備えた鉄道車両用空調装置においては、冬季に空調装置を暖房運転させる場合には、室外熱交換器は外気から熱を奪って低温冷媒を気化させるために、室外熱交換器を流れる冷媒の温度は外気よりも低温とされる。室外熱交換器を通過する外気が露点以下に冷却されると、室外熱交換器には着霜が発生しやすい。特に、冬季に寒冷地を走行する鉄道車両においては、室外熱交換器が車外に設置されていて過酷な気象状況に曝されているので、そうした着霜現象が顕著である。

室外熱交換器に着霜が生じる場合には、一定周期毎に圧縮機を停止させて除霜する、或いは室外熱交換器の着霜を検知することに応じて空調装置を冷房運転に切り替えて、室外熱交換器を凝縮器として作用させることにより除霜していた。しかしながら、このような対処では、短時間であっても除霜期間中には空調装置の暖房運転が停止する。

このように、ヒートポンプ式冷凍サイクルを備えた鉄道車両用空調装置を氷点下の条件でヒートポンプ暖房運転させると、室外熱交換器が着霜して風量が減少することにより外気からの吸熱量が不足して蒸発温度が異常低下する。こうした状況に対応するために、ヒートポンプ暖房運転を停止して冷房サイクルに切換えて室外熱交換器にホットガスを流すことにより除霜していたが、この除霜時間は暖房運転が停止するため、車内温度が低下して乗客は肌寒さを感じるという問題があった。

特開２００２−３６２３５９号公報

そこで、ヒートポンプ式冷凍サイクルを備えた鉄道車両用空調装置を氷点下等の低外気温度でヒートポンプ暖房運転させる場合において、圧縮機から吐出される高温冷媒ガスの流れに着目し当該流れに工夫を凝らすことで、暖房運転を完全には停止することなく除霜を行う点で解決すべき課題がある。
本発明の目的は、氷点下等の低外気温度でのヒートポンプ暖房運転において、室外熱交換器の着霜による蒸発圧力の異常低下を防止して、圧縮機の吸入圧力低下による故障を防止し、ヒートポンプ式冷凍サイクルの暖房連続運転を実現することができる鉄道車両用ヒートポンプ空調装置を提供することである。

この発明による鉄道車両用ヒートポンプ空調装置は、圧縮機、室内熱交換器、膨張弁、および室外熱交換器がこの順で配管接続されているヒートポンプ式冷凍サイクルにおいて、前記膨張弁の出口に、分岐管の入口を接続するとともに、前記分岐管の複数の出口と、前記室外熱交換器内に設けられる複数の冷媒流路（パス）の入口とが複数の入口配管によって接続されており、前記入口配管には冷媒の流量を制御するため複数の第１電磁弁が備えられており、前記圧縮機の吐き出し口に分岐管の入口が接続されるとともに、前記分岐管の複数の出口と複数の前記第１電磁弁の出口側の複数の前記入口配管とが複数のバイパス配管によって接続されており、複数の前記バイパス配管には冷媒の流量を制御する複数の第２電磁弁が備えられることを特徴としている。

この鉄道車両用ヒートポンプ空調装置によれば、室内熱交換器から膨張弁を経て室外熱交換器に至る管路を分岐管で分岐した複数の入口配管を室外熱交換器内の各流路に接続するとともに、圧縮機の吐き出し口に接続される分岐管の出口と複数の前記入口配管とがをバイパス配管によって、接続されており、各々の入口配管と各々のバイパス配管のそれぞれに第１及び第２電磁弁が設けられた配管構成とされている。したがって、分流された各入口配管に設けた第１電磁弁を閉じて、対応する系統のバイパス配管に設けられている第２電磁弁を開くことで、圧縮機から吐出されるホットガスの一部を、室内熱交換器に送ることなく当該入口配管に繋がる室外熱交換器の一部のパスに直接に流すことができる。そして、室外熱交換器の当該ホットガスが流されるパスに対応した伝熱管とフィンに堆積した霜が除霜される。圧縮機からは室内熱交換器に流れるホットガスも確保されるので室内熱交換器は凝縮器としての機能を維持し、また、残りのパスには暖房運転時と同様の冷媒が流れるので室外熱交換器は部分的に蒸発器としての機能を果たし、暖房運転が継続される。パスを順次切換えることにより、室外熱交換器の徐霜が実行され、蒸発器における蒸発温度の低下を防止して、暖房能力の低下を防止することができる。このように、ヒートポンプ暖房運転を継続しながら除霜することができる。

以上説明したように、本発明である鉄道車両用ヒートポンプ空調装置によれば、室外熱交換器の一部の冷媒流路（パス）に圧縮機から吐き出されるホットガスの一部を、室内熱交換器を経由することなくバイパスさせて流すことで、当該冷媒流路（パス）に対応した伝熱管とフィンの表面に堆積した霜を融解することができる。一方、バイパスされない残りのホットガスは室内熱交換器に供給されるので、暖房運転を全面的に停止することなく継続することができる。また、ホットガスが流入しない室外熱交換器の冷媒流路（パス）に対応する伝熱管とフィンの表面には時間の経過と共に着霜していくが、ホットガスが流される冷媒流路（パス）を順次適宜に切り換えることによって、室外熱交換器のすべてのパスにホットガスが流れるので、室外熱交換器を構成する伝熱管（冷媒流路の一部）と伝熱管に備えられるフィンの表面にへの着霜の進行を防止し、或いは徐霜することができる。このように、室外熱交換器（蒸発器）への着霜を抑止できるので、氷点下等の低温環境下でのヒートポンプ暖房運転において、室外熱交換器の着霜による蒸発圧力の異常低下と圧縮機の吸入圧力低下による故障とを防止し、ヒートポンプ式冷凍サイクルの暖房連続運転を実現し、車内温度の低下を防止して車内快適性を保持することができる。

本発明による鉄道車両用ヒートポンプ空調装置に用いられる冷凍サイクルの一例を示す構成図で、暖房運転時の冷媒流れを示した図である。 図１に示す冷凍サイクルに用いられている室外熱交換器のパス構成と入口配管の電磁弁の配置を示した図である。 本発明による鉄道車両用ヒートポンプ空調装置における外気温度による運転モ−ドと電磁弁の制御パターンを示した図である。 図１に示す冷凍サイクルに用いられる電磁弁のタイミングチャートを示した図である。 図１に示す冷凍サイクルにおける制御装置の構成を示したブロック図である。 本発明による鉄道車両用ヒートポンプ空調装置の別の実施例における電磁弁のタイミングチャートを示す図である。

以下、図面を参照して、本発明による鉄道車両用ヒートポンプ空調装置の実施例を説明する。

図１に示す冷凍サイクル構成図において、圧縮機１から吐出された高温・高圧のガス冷媒は、四方切換弁５を通って室内熱交換器２（凝縮器）で客室の循環空気により冷却されて（循環空気は暖房される）高圧の液冷媒となる。高圧の液冷媒は、電動膨張弁３で減圧された後、室外熱交換器４（蒸発器）で外気から熱を奪って低圧のガス冷媒となり、四方切替弁５、アキュムレータ６を通って圧縮機１に戻る。

ここで、室外熱交換器４には外気を室外熱交換器４に通過させて熱交換させるために室外送風機１１が付設されており、室内熱交換器２には客室の空気を室内熱交換器２に通過させて熱交換させるために室内送風機１２が付設されている。電動膨張弁３から室外熱交換器４に至る入口配管は、分岐管１８によって、２系統に分流された入口配管１３，１４とされており、分流された各入口配管１３，１４には、それぞれ主回路の冷媒流路を開閉する第１電磁弁７，８が設けられている。また、圧縮機１の出口側においては、圧縮機１から室内熱交換器２に至る配管に備えられる分岐管１８によって、室内熱交換器２への配管と、室外熱交換器４の入口配管１３，１４のそれぞれに接続されるバイパス配管１５，１６へ接続される配管とに分流されている。そして、これらバイパス配管１５，１６には、当該バイパス配管１５，１６の冷媒流路をそれぞれ開閉する第２電磁弁９，１０が設けられている。

また、室内熱交換器２の入口と出口には温度センサ２０，２１（冷房運転時）が取り付けられており、室外熱交換器４の入口と出口には温度センサ２２，２３（暖房運転時）が取り付けられている。これらの温度センサ２０，２１又は２２，２３によって冷媒の温度差が検出され、電動膨張弁３の弁動作を制御することにより、その冷媒温度偏差を一定に保持するように冷媒流量が制御される。

本実施例では、第１電磁弁７，８及び第２電磁弁９，１０の開閉のみにより圧縮機１の出口のホットガスの一部を室内熱交換器２に送ることなく室外熱交換器４にバイパスさせる手法について開示しているが、本発明は本実施例に限定されるものではなく、第２電磁弁９，１０を電動弁として弁開度を制御することによりバイパス流量を適宜調整可能とした冷凍サイクル構成も含まれる。

図２に示すように、室外熱交換器４は２系統に分流（Ｘ，Ｙ系統）するようにパス構成されている。即ち、室外熱交換器４において、２系統の各パスは段方向（熱交換器の高さ方向）を冷媒が交互に流れるように配置している。第２電磁弁９，１０を交互に開いて圧縮機１から吐出された高温のガス冷媒を直接、室外熱交換器４の半分のパスにバイパスさせる。

室外熱交換器４の半分のパスを流れるガス冷媒は、伝熱管とフィンの霜を融解して出口で室外熱交換器４で外気から吸熱して蒸発したガス冷媒と合流して四方切換弁５とアキュムレータ６を通って圧縮機１に戻る。そして、圧縮機に戻った冷媒によって圧縮機１に内蔵されるモータが冷却される。

第１電磁弁７，８及び第２電磁弁９，１０の制御パターンの一例が図３に示されている。例えば、外気温度が１８℃以上では冷房運転を、また外気温度が１８℃未満では暖房運転を行う。この場合の各電磁弁の制御パターンは、冷房運転でも暖房運転でも一般的な冷媒の流れであるＡパターンであり、このとき電磁弁７，８は開状態であり、電磁弁９，１０は閉状態である。

暖房運転において外気温度が氷点下になると、電磁弁の制御パターンをＢパターンに切換えて、Ｘ系統に圧縮機出口のホットガスを流す。Ｂパターンは電磁弁８，９が開、電磁弁７，１０が閉である。次に一定時間経過すると、今度は、電磁弁の制御パターンをＣパターンに切換えて、Ｙ系統に圧縮機出口のホットガスを流す。Ｃパターンは電磁弁７，１０が開、電磁弁８，９が閉である。このＢパターンとＣパターンの切換えを一定時間経過毎に繰り返す。

外気温度が氷点下であるときのヒートポンプ暖房運転では、圧縮機１から吐出されたガス冷媒がバイパス回路１５，１６を通じて室外熱交換器４にバイパスされるため、室内熱交換器２に流れる冷媒流量が減少して、暖房能力は低下する。よって、バイパス流量は必要最小限とする。また、外気温度が氷点下での暖房運転では室外熱交換器４の熱交換量が減少するため、蒸発できない液冷媒が圧縮機１に戻らないように電動膨張弁３の開度を絞って冷媒流量を少なくする。しかしながら、蒸発圧力が低下すると着霜しやすくなるため、電動膨張弁３は一定開度以下には絞らないように最低開度を設けておく。この最低開度は実験により求める。

図４のタイミングチャートに示すように、外気温度が０℃以上の場合のヒートポンプ暖房運転では電磁弁７，８を開いて電磁弁９，１０は閉じている。したがって室内熱交換器２をバイパスする冷媒の流れは無い。外気温度が氷点下になると、Ｘ系統にホットガスを流すため、電磁弁７を閉じて電磁弁９を時間Ｔだけ開く。次に、Ｙ系統にホットガスを流すため、電磁弁８，９を閉じて電磁弁７，１０を時間Ｔだけ開く。このようにして、電磁弁７，８及び電磁弁９，１０の開閉制御パターンをＢパターンとＣパターンとの間で交互に切換えることにより、ホットガスを流す冷媒流路（パス）からなる系統を一定時間経過毎にＸ系統からＹ系統に、或いはＹ系統からＸ系統に切替える。ここで、切替時間Ｔは室外熱交換器４のフィンに空気中の水分が着霜堆積して、通過風量が顕著に低下し始めるまでの時間で、実験により求める。

次に、図５を参照して、図１に示すヒートポンプ空調装置の実施例の制御装置（コントローラ）について説明する。３０はコントローラであって、その主たる構成要素であるマイクロコンピュータ３１がＲＯＭ（リード・オンリー・メモリー）３２に保存された実行プログラムの命令に従って、各種の演算や比較判定を実行する。ＲＡＭ（ランダム・アクセス・メモリー）３３は、各種データを一時的に記憶する場所であり、３４は車内設定温度を入力する、或いは圧縮機１や室外送風機１１及び室内送風機１２の運転状態を表示する表示設定器であり、それぞれマイクロコンピュータ３１に接続されている。

室内熱交換器２の入口配管温度センサ２０及び出口配管温度センサ２１と、室外熱交換器４の入口配管温度センサ２２及び出口配管温度センサ２３と、室内温度センサ２４とで検出された温度についてのアナログデータは、Ａ／Ｄコンバータ３５でデジタル値に変換されて、マイクロコンピュータ３１に入力される。

圧縮機１、室外ファン１１、室内ファン１２は、ＤＯ（デジタルアウトプット）リレー３６の無接点出力で接触器４０，４１，４２が入り切りされて、運転制御される。四方切換弁５と電磁弁７，８，９，１０は、ＤＯリレー３６の無接点出力で継電器５０，５１，５２，５３，５４が入り切りされて、運転制御される。

電動膨張弁３は、冷房運転時には室内熱交換器２の入口配管温度センサ２０と出口配管温度センサ２１の検出温度差が設定値になるように、モータ駆動回路３７からのパルス出力で開度が調節され、ヒートポンプ暖房運転時には室外熱交換器４の入口配管温度センサ２２と出口配管温度センサ２３の検出温度差が設定値になるように開度が調節される。

本発明によるヒートポンプ空調装置の別の制御方法を図６を参照して説明する。図６は、図１に示すヒートポンプ暖房運転時の冷凍サイクル系統図において、室外熱交換器４の出口配管温度センサ２３の検出値が−３℃以下になると室外熱交換器４に圧縮機１出口のホットガスをバイパスさせるときの電磁弁のタイムチャートの一例を示す図である。

図６に示すタイムチャートにおいて、電動膨張弁３の開度を最低開度に固定した状態では、外気温度が低下すると室外熱交換器４の蒸発温度も同じように低下していく。室外熱交換器４の出口冷媒温度が−３℃以下になると、伝熱管とフィンへの着霜を防止するため電磁弁の制御パターンをＢパターンに切換えてＸ系統にホットガスを流す。その結果、室外熱交換器４の蒸発温度が上昇して５℃以上になると通常のＡパターンに戻し、次に室外熱交換器４の出口冷媒温度が−３℃以下になると今度はＣパターンに電磁弁を制御してＹ系統にホットガスを流す。

室外熱交換器４の出口冷媒温度が−３℃以下になる毎に、外気との熱交換により吸熱する伝熱管のパスとホットガスにより除霜する伝熱管のパスを切替えることにより、ヒートポンプ連続運転が可能となる。即ち、室外熱交換器（蒸発器）のフィンに着霜した霜の量が急激に増加し始めるのは蒸発温度が−３℃以下になる場合であるため、この温度を検知して室外熱交換器（蒸発器）にホットガスを流すように電磁弁を制御することにより、外気から吸熱する熱量を最大限に大きくすることができ、暖房能力の低下を最小限に抑制することができる。

上記の実施例では、２系統に分流させた例として図示し説明してきたが、３系統以上の複数系統に分流させることも可能である。この場合、ホットガスをバイパスする入口配管を順次に切り替えていくことにより、徐霜される冷媒流路（パス）が順次に変更されて、パスを一巡することを繰り返すことで、室外熱交換器を構成する伝熱管とフィンへの着霜の防止と徐霜を行うことができる。

１…圧縮機 ２…室内熱交換器
３…電動膨張弁 ４…室外熱交換器、
５…四方切換弁 ６…アキュムレータ
７，８，９，１０…電磁弁 １１…室外送風機
１２…室内送風機
１３，１４…入口配管 １５，１６…バイパス配管
２０…室内熱交換器入口配管温度センサ ２１…室内熱交換器出口配管温度センサ
２２…室外熱交換器入口配管温度センサ ２３…室外熱交換器出口配管温度センサ
２４…室内温度センサ
４０，４１，４２…接触器 ５０，５１，５２，５３，５４…継電器

Claims (7)

1. 圧縮機、室内熱交換器、膨張弁、および、室外熱交換器がこの順で配管接続されているヒートポンプ式冷凍サイクルにおいて、
   前記室外熱交換器内に設けられる複数の冷媒流路にそれぞれが対応して接続される態様で複数系統に分流されている入口配管と、
   前記各入口配管における冷媒の流れを制御するため前記各入口配管に設けられた第１電磁弁と、
   前記各入口配管の前記第１電磁弁の出口側にそれぞれが対応して接続される態様で複数系統に分流されており前記室内熱交換器をバイパスして前記圧縮機の出口側との間を接続するバイパス配管と、
   前記各バイパス配管を開閉するため前記各バイパス配管に設けられた第２電磁弁と
   を備えること、
   を特徴とする鉄道車両用ヒートポンプ空調装置。
2. 請求項１に記載の鉄道車両用ヒートポンプ空調装置において、
   前記パスは前記室外熱交換器内に一連に並んで設けられており、
   前記複数系統に分流された前記各入口配管は、前記一連の冷媒流路に順に一回又は複数回繰り返して接続されていること、
   を特徴とする鉄道車両用ヒートポンプ空調装置。
3. 請求項１又は２に記載の鉄道車両用ヒートポンプ空調装置において、
   外気温度を検出する外気温度センサからの検出信号の入力を受けて前記第１電磁弁及び前記第２電磁弁の開閉を制御する制御装置を備えており、
   前記制御装置は、前記外気温度センサが検出した前記外気温度が氷点下であることに応じて、前記複数系統の中の一部の系統に属する前記入口配管に設けられている前記第１電磁弁を閉じると共に、当該系統に対応する前記バイパス配管の前記第２電磁弁を開いて当該系統に属する前記冷媒流路に前記圧縮機出口のホットガスをバイパスさせること、
   を特徴とする鉄道車両用ヒートポンプ空調装置。
4. 請求項３に記載の鉄道車両用ヒートポンプ空調装置において、
   前記制御装置は、前記第１電磁弁の閉弁と当該第１電磁弁に対応している前記第２電磁弁の開弁とから成る弁操作を、前記系統の順に一定周期で逐次切換えて、前記室外熱交換器の前記複数系統の各冷媒流路に前記圧縮機出口のホットガスを一定周期で逐次、順にバイパスさせること、
   を特徴とする鉄道車両用ヒートポンプ空調装置。
5. 請求項１又は２に記載の鉄道車両用ヒートポンプ空調装置において、
   前記室外熱交換器の出口配管温度を検出する出口配管温度センサからの検出信号の入力を受けて前記第１電磁弁及び前記第２電磁弁の開閉を制御する制御装置を備えており、
   前記制御装置は、前記出口配管温度センサが検出した前記出口配管温度が設定下限温度以下になることに応じて、前記複数系統の中の一部の系統に属する前記入口配管に設けられている前記第１電磁弁を閉じると共に、当該系統に対応する前記バイパス配管の前記第２電磁弁を開いて当該系統に属する前記冷媒流路に前記圧縮機出口のホットガスをバイパスさせ、前記出口配管温度が設定上限温度以上になることに応じて、すべての前記第１電磁弁を開くとともにすべての前記第２電磁弁を閉じて前記ホットガスのバイパスを停止させること、
   を特徴とする鉄道車両用ヒートポンプ空調装置。
6. 請求項５に記載の鉄道車両用ヒートポンプ空調装置において、
   前記制御装置は、前記出口配管温度が前記設定下限温度以下になる毎に、前記第１電磁弁の閉弁と当該第１電磁弁に対応している前記第２電磁弁の開弁とから成る弁操作を前記系統の順に逐次切換えて、前記室外熱交換器の前記複数系統の各冷媒流路に前記圧縮機出口のホットガスを逐次順にバイパスさせること、
   を特徴とする鉄道車両用ヒートポンプ空調装置。
7. 請求項３〜６のいずれか一項に記載の鉄道車両用ヒートポンプ空調装置において、
   前記複数系統は２系統であり、前記系統の順での逐次切換えは交互の切換えであること、
   を特徴とする鉄道車両用ヒートポンプ空調装置。

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