JP4372514B2 - 車両用空気調和装置 - Google Patents

Description

この発明は、鉄道車両に搭載される車両用空気調和装置、特に圧縮機の液圧縮運転を判断するとともに、蒸発器の劣化を判定することができるように構成した車両用空気調和装置に関するものである。

従来の技術として、図６に示すような冷暖房装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
以下、図６を参照しながら従来の技術について説明する。図６において、１は圧縮機、２は四方弁、５は室外熱交換器、4は電動膨張弁、３は室内熱交換器、７は余剰冷媒を蓄えるアキュムレータ、８ａは室内熱交換器３と四方弁２とを接続するガス側延長配管、８ｂは室内熱交換器３と電動膨張弁４とを接続する液側延長配管であり、これらを順次接続して冷凍サイクルを構成している。また、１０ａは室外熱交換器５と電動膨張弁４とを接続する配管の温度を検出する室外液管センサ、１０ｂは室外熱交換器５の中間部分の配管温度を検出する室外二相管センサ、１０ｃは室外熱交換器５が吸込む外気温度を検出する外気温度センサである。１１ａは室内熱交換器３と液側延長配管８ｂとを接続する配管の温度を検出する室内液管センサ、１１ｂは室内熱交換器３の中間部分の配管温度を検出する室内二相管センサ、１１ｃは室内熱交換器３が吸込む室内空気温度を検出する吸い込み空気温度センサである。６は空調制御装置である。

以上の構成の冷凍サイクルにおいて、四方弁２を図６の実線の向きに冷媒が流れるよう切り換えることにより冷房運転する場合の動作について説明する。圧縮機１により高圧高温の加熱蒸気に圧縮された冷媒は、四方弁２を通過して室外熱交換器５に流入する。ここで、冷媒は、図示しない室外送風機によって送り込まれる外気に放熱することによって凝縮液化し、電動膨張弁４で減圧されて低圧二相の冷媒となる。この冷媒は、液側延長配管８ｂを通って室内機へ至り、室内熱交換器３において、図示しない室内送風機によって送り込まれる室内空気から吸熱することによって蒸発ガス化する。この冷媒蒸気は、ガス側延長配管８ａを通って再び室外機へ戻り、四方弁２およびアキュムレータ７を経て圧縮機１に吸入され、冷凍サイクルを構成している。

このとき、室外熱交換器５の中間付近に設置されている室外二相管センサ１０ｂで検出される配管温度T10b[℃]および出口側に設置されている室外液管センサ１０ａで検出される配管温度T10a[℃]により、室外熱交換器出口における冷媒の過冷却度SCo［deg］を
SCo＝T10b−T10a
のように制御装置６で演算し、この過冷却度SCoを予め制御装置６の内部に設定記憶されている室外過冷却度目標値SCotと比較することにより、SCo＜SCot−αの場合は、電動膨張弁４の開度を小さくし、SCo＞SCot＋βの場合は、電動膨張弁４の開度を大きくすることにより、凝縮器である室外熱交換器５内の冷媒量を適正に制御して冷凍サイクルの性能を十分に引き出す。ここで、αおよびβは0または正の定数である。

一方、四方弁２を図６の破線の向きに冷媒が流れるよう切り換えることにより暖房運転する場合には、冷房運転と同様に、室内熱交換器３の出口側過冷却度SCi＝T11b−T11aを制御装置６内部で演算し、電動膨張弁４の開度を制御する。ここで、T11bは、室内二相管センサ１１ｂで検出される配管温度、T11aは、室内液管センサ１１ａで検出される配管温度である。

以上のように構成された冷凍サイクルは、四方弁２により流路を切り換えることによって冷房または暖房運転をすることができる。
また図６では過冷却度によって電動膨張弁の開度を制御していたが、電動膨張弁と蒸発器の間の液冷媒温度を検知する液配管温度センサと蒸発器出口のガス冷媒の温度を検知するガス配管温度センサの検知温度の差から過熱度を計算し、予め制御装置の内部に設定記憶されている過熱度目標値と比較して過熱度が大きい場合は電動膨張弁の開度を大きくし、過熱度目標値より実際の過熱度が小さい場合は電動膨張弁の開度を小さくすることにより、冷媒量を適正に制御して冷凍サイクルの性能を十分に引き出すことができる。また蒸発器の過熱度を見ることにより圧縮機に冷媒が液の状態のまま戻る液圧縮による圧縮機破損の危険性を回避することもできる。

特開２００２−２９５９１５号公報

ところで、車両用空気調和装置では電動膨張弁よりもキャピラリーチューブが車両振動に対する信頼性の面から多用されているが、キャピラリーチューブを用いた空気調和装置では、上記のように過冷却度もしくは過熱度の変化によって電動膨張弁の開度を変更し冷媒流量の制御を行うということができないという問題があった。
更に蒸発器の過熱度を見ることにより冷媒が液の状態で圧縮機に戻る液圧縮を判定することはできるが、公共性の高い鉄道に搭載されている車両用空気調和装置では、空気調和装置が液圧縮気味の運転を行っているといって直ちに空気調和装置を停止させ修復することはできないという問題があった。
また液圧縮が起こる原因として、蒸発器の劣化または、蒸発器の汚れもしくは蒸発器側フィルターの汚れ等が考えられるので、蒸発器の過熱度から液圧縮かどうか判断することにより、蒸発器の劣化もしくは蒸発器側フィルターの汚れ等の判定を行うことができる。しかし、車両用空気調和装置では空気調和装置自身が移動することにより、短時間で外気条件等が著しく変化することになる。また冷房負荷も各車両の乗車率も均等でない為、各車両において大きくバラつくこととなる。よって、通常運行中の車両において過熱度だけで蒸発不良の劣化判定を行うことは難しかった。

この発明は上述のような課題を解決するためになされたもので、冷凍サイクルにてキャピラリーチューブを用いた空気調和装置において、冷媒が液の状態で圧縮機に戻る液圧縮運転の判断を行うと共に蒸発器の劣化を判定することのできる車両用空気調和装置を提供することを目的とする。

この発明に係る車両用空気調和装置は、圧縮機により凝縮器と蒸発器との間で冷媒を循環させて冷凍サイクルを構成するものにおいて、冷凍サイクル内に設置された圧力センサ並びに温度センサと、圧力センサ並びに温度センサからの信号を受けて各空気調和装置の過熱度を演算により算出し、同一編成の車両に搭載されている複数の車両用空気調和装置全体で過熱度の平均を算出し、個々の車両用空気調和装置においてそれ自身の過熱度と平均の過熱度との偏差を演算し、その偏差をあらかじめ設定されている基準値と比較を行うことにより蒸発器の劣化判定を行う空調制御装置とを備えたものである。

以上説明したとおり、この発明に係る車両用空気調和装置によれば、同一編成の車両に搭載されている複数の車両用空気調和装置において、蒸発器側または圧縮機吐出側の過熱度を演算することにより、蒸発器の劣化、または蒸発器の汚れもしくは蒸発器側フィルターの汚れ増加診断を行うことができるとともに、車両用空気調和装置を直ちに停止することなく、空気調和装置の故障を避けることができる。

実施の形態１.
以下、この発明の実施の形態１における車両用空気調和装置について説明する。
図１はこの発明にかかる車両用空気調和装置を示す冷凍サイクル構成図である。この車両用空気調和装置は、冷媒を圧縮する圧縮機１と、その圧縮された冷媒の熱を排出してその冷媒を凝縮し液化する凝縮器１２と、その液状の冷媒を通すキャピラリーチューブ１３と、そのキャピラリーチューブ１３を通った液状の冷媒を蒸発させて周囲の熱を奪う蒸発器１４と、その気化した冷媒を溜めて上記圧縮機１へ送るアキュムレータ７と、また蒸発器１４とアキュムレータ７の間に冷凍サイクルの冷媒状態を検出する圧力センサ１５と、過熱度の温度を検出する温度センサ１６と、圧力センサ１５及び温度センサ１６に電気的につながる空調制御装置６にて構成される。なお、図１では、室外送風機と室内送風機については図示していない。

図１のような構成をした車両用空気調和装置を図２のように同一編成の車両に複数台設置することとし、朝一番に車両が車庫から出る前、又は冷房シーズンが始まる前等に、各車両用空気調和装置１７に搭載されている圧力センサ１５、温度センサ１６及び制御装置６等によって過熱度を演算し、その過熱度を信号線１８を用いて演算機器１９に送信する。この演算機器１９により、同一編成の車両に搭載されている空気調和装置全体の過熱度の平均を算出し、その過熱度の平均と各空気調和装置の過熱度の偏差を求め、その偏差があらかじめ設定された規定値より大きい場合は、例えば運転席に設置されているモニター装置２１等に演算結果により判断される機器の劣化等を表示し、例えば車両側面に設置された液晶表示灯２０に弱冷房車と表示し、自動的に又は手動にて車内設定温度を上げ、冷房負荷を下げることにより、その結果を使用者に知らせるとともに、空気調和装置を直ちに止めることなく空気調和装置の故障を避けることができる。

上記の動作の流れを図３のフローチャートに示す。開始すると、ステップＳ１で各空気調和装置の過熱度を演算し、ステップＳ２で車両用空気調和装置全体の過熱度の平均を算出し、ステップＳ３で平均の過熱度と各空気調和装置の過熱度を比較する。次に、ステップＳ３で過熱度を比較した結果、その偏差があらかじめ設定された規定値よりも大きい場合は、ステップＳ４に進み、運転席モニター等に演算結果から判断される空気調和装置機器の劣化状況等を表示する。更にステップＳ５において、例えば、偏差大判定された空気調和装置が搭載されている車両の側面に設置された液晶表示灯２０に弱冷房車と表示する。なお、ステップＳ３で過熱度を比較した結果、偏差値が小であれば動作を終了する。

また、モニター装置２１等に表示された機器の劣化判定の結果等を無線装置または有線でのデータ送信装置を用いて情報管理センター等に送信することにより、例えば翌日迄に空気調和装置の蒸発器劣化等と判定された車両を別の正常な空気調和装置が搭載されている車両に切り換える、もしくは蒸発器劣化と判定された車両用空気調和装置を予備の車両用空気調和装置に交換する、または蒸発器劣化と判定された車両用空気調和装置をメンテナンススケジュールに優先的に組み込む等の迅速な対応が可能である。

実施の形態２．
図４はこの発明の実施の形態２における車両用空気調和装置を示す構成図である。
図４において、この車両用空気調和装置は、冷媒を圧縮する圧縮機１と、その圧縮された冷媒の熱を排出してその冷媒を凝縮し液化する凝縮器１２と、その液状の冷媒を通すキャピラリーチューブ１３と、そのキャピラリーチューブ１３を通った液状の冷媒を蒸発させて周囲の熱を奪う蒸発器１４と、その気化した冷媒を溜めて上記圧縮機１へ送るアキュムレータ７と、また凝縮器１２と圧縮機１との間に凝縮圧力を検出する圧力センサ１５と、圧縮機吐出ガス温度を検出する温度センサ１６と、圧力センサ１５及び温度センサ１６に電気的につながる空調制御装置６にて構成される。なお、図４では、室外送風機と室内送風機については図示していない。
また、冷凍サイクル内の凝縮器１２と圧縮機１の間のガス配管に圧力センサ１５及びガス配管温度センサ１６を設置することにより、図５の冷媒のモリエル線図上に示すように、圧縮機吐出側過熱度を演算することができる。このようにして複数の空気調和装置にて圧縮機吐出側過熱度を演算し、平均の圧縮機吐出側過熱度を算出し個々の空気調和装置の圧縮機吐出側過熱度との差を演算することにより蒸発器の劣化の判定を行うことができる。

このような構成にすれば、凝縮圧力より凝縮温度が判り、圧縮機吐出ガス温度より圧縮機吐出冷媒の過熱度が判る。この過熱度より圧縮機１が液圧縮運転をしているかどうか判定することができる。また、この過熱度により実施の形態１と同じように同一編成の車両に搭載されている複数の車両用空気調和装置より過熱度を算出し、同一編成の車両に搭載されている車両用空気調和装置全体の平均過熱度と比較することにより蒸発不良を判定し、蒸発器の劣化または蒸発器の汚れもしくは蒸発器側フィルターの汚れ増加等の診断を行うことができ、使用者に蒸発器または蒸発器側フィルターの清掃もしくは交換の必要性を知らせることができる。また、実施の形態１と同じように、車両側面の液晶表示灯２０等に弱冷房車と表示させ、自動的に又は手動にて車内設定温度を上げ、冷房負荷を下げることにより、空気調和装置を直ちに止めることなく空気調和装置の故障を避けることができる。

この発明の実施の形態１における車両用空気調和装置を示す冷凍サイクル構成図である。 この発明の実施の形態１における車両用空気調和装置システムの概略全体図である。 この発明の実施の形態１における車両用空気調和装置システムの動作を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態２における車両用空気調和装置の冷凍サイクル構成図である。 冷媒のモリエル線図である。 従来の液圧縮を検知することができる空気調和装置を示す冷凍サイクル図である。

符号の説明

１ 圧縮機、２ 四方弁、３ 室内熱交換器、４ 電動膨張弁、５ 室外熱交換器、
６ 制御装置、７ アキュムレータ、８ａ ガス側延長配管、８ｂ 液側延長配管、
１０ａ 室外液管温度センサ、１０ｂ 室外二相管温度センサ、１０ｃ 室外吸い込
み温度センサ、 １１ａ 室内液管温度センサ １１ｂ 室内ニ相管温度センサ、
１１ｃ 室内吸い込み温度センサ、 １２ 凝縮器、 １３ キャピラリーチューブ、
１４ 蒸発器、１５ 圧力センサ、１６ 温度センサ、１７ 車両用空気調和装置
１８ 信号線、１９ 演算機器、２０ 車両側面液晶表示灯、２１ モニター装置。

Claims (6)

1. 圧縮機により凝縮器と蒸発器との間で冷媒を循環させて冷凍サイクルを構成する車両用空気調和装置において、
   冷凍サイクル内に設置された圧力センサ並びに温度センサと、
   前記圧力センサ並びに温度センサからの信号を受けて各空気調和装置の過熱度を演算により算出し、同一編成の車両に搭載されている複数の車両用空気調和装置全体で過熱度の平均を算出し、個々の車両用空気調和装置においてそれ自身の過熱度と平均の過熱度との偏差を演算し、その偏差をあらかじめ設定されている基準値と比較を行うことにより蒸発器の劣化判定を行う空調制御装置と、
   を備えたことを特徴とする車両用空気調和装置。
2. 空調制御装置は、
   圧力センサ並びに温度センサからの信号を受けて各空気調和装置の過熱度を算出する過熱度演算機器と、
   車両用空気調和装置の蒸発器劣化状態に応じた判定結果を表示し、使用者へ車両用空気調和装置蒸発器の劣化の程度と修復の必要性を認識させるモニター装置と、
   を更に備えたことを特徴とする請求項１記載の車両用空気調和装置。
3. 蒸発器劣化と判定された空気調和装置を搭載している車両において、車両側面の液晶表示部に弱冷房車と表示すると共に、手動または自動的に車内設定温度を上げ、冷房負荷を下げる手段を備えたことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の車両用空気調和装置。
4. 冷凍サイクルの一部にキャピラリーチューブを用いたことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の車両用空気調和装置。
5. 圧縮機により凝縮器と蒸発器との間で冷媒を循環させて冷凍サイクルを構成し、この冷凍サイクル内に圧力センサ並びに温度センサを設置し、圧力センサ並びに温度センサからの信号により空気調和装置の過熱度を演算により算出する車両用空気調和装置が同一編成の車両に複数台搭載されたものにおいて、
   各空気調和装置の過熱度をそれぞれ演算するステップと、
   同一編成車両の車両用空気調和装置全体の過熱度の平均を算出するステップと、
   平均の過熱度と各空気調和装置の過熱度を比較し、その偏差をあらかじめ設定された規定値と比較するステップと、
   前記偏差が規定値よりも大きい場合、モニターに劣化状況を表示するステップと、
   を備えたことを特徴とする車両用空気調和装置の運転方法。
6. 偏差が規定値より大きいと判定された場合、その空気調和装置が搭載された車両の側面に設けた表示部に弱冷房車と表示するステップを、更に備えたことを特徴とする請求項５記載の車両用空気調和装置の運転方法。

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