JP5055236B2 - 車両用空気調和装置 - Google Patents

Description

本発明は、車両用空気調和装置に関する。

車室内の換気装置を備えた鉄道車両では、換気によって室内より高温の外気を車室内へ取り込む一方、低温の車室内空気を外気へ放出するため、空調負荷が大きいという課題を有している。

また一般住宅における換気による空調負荷の増加を抑制するため、特許文献１には、換気給気用熱交換器と減圧器と換気排気用熱交換器を直列に接続してなる換気用補助回路を、冷房時の冷媒流れ方向で、室内熱交換器の上流側に設け、かつ、換気吸気用熱交換器を室内熱交換器側に位置させる技術が開示されている。特許文献１によると、換気給気空気の予冷と、換気排気空気の排熱回収を、冷媒を介しておこなうことができ、省エネルギー性を高めることができるとしている。

特開平１１−２５７７９３号公報

車両用空気調和装置は、狭い車室内に多くの乗客がいるだけでなく、日射負荷の影響が大きいため、外気温度が比較的低い場合でも冷房負荷が発生する場合がある。図６は、外気温度変化時のｐ−ｈ線図を示しており、実線は高外気温時の冷凍サイクルを、破線が低外気温時の冷凍サイクルを示している。外気温度が低くなると、図からわかるように蒸発器における蒸発エンタルピー差がΔｈからΔｈ′のように増加し、この変化に伴い、蒸発温度も低下する。この低下幅が大きくなると、蒸発温度が凍結温度まで低下する不具合が生じる可能性がある。

ところで、特許文献１では、凝縮器から流出する高温の液冷媒と、比較的低温の換気排気空気との熱交換をおこなう換気排気用熱交換器を設けるとしており、液冷媒温度を低下させ、過冷却度を高めることにより、蒸発エンタルピー差すなわち冷房能力を増大させ、換気による空調負荷を抑制できるとしている。

このとき換気排気用熱交換器出口の過冷却度は、車室内空気温度によって変化するので、車室内空気温度が高く、過冷却度が確保し難い状態でも十分な能力が得られるように、圧縮機の容量や熱交換器を設計する必要がある。このため逆に車室内空気温度が低い場合など過冷却度が大きくなる条件では、冷房能力が過剰となる。したがって、前述のように外気温度が低い条件では能力が過剰になり易く、蒸発温度が凍結温度まで低下する可能性があるが、この点について特許文献１では考慮されていなかった。

また、圧縮機を安定して運転するためには、圧縮機出入口に所定の圧力差を確保する必要があるが、外気が低下すると凝縮温度も低下するため、圧縮機出入口における圧力差は小さくなる傾向がある。特に、特許文献１に示されるように、換気排気を用いて過冷却度を増大させる場合、同一冷房能力時の必要な冷媒循環量は減少するので、凝縮器からの放熱量も減少し、必要な圧縮機出入口圧力差を確保できなくなる可能性もあった。

また、さらに外気温度が低下し、車室内空気温度と外気空気温度が逆転すると、凝縮器で冷却・凝縮された冷媒が、換気排気空気との熱交換により逆に加熱される可能性もある。この場合減圧手段の入口冷媒状態が液単相から気液二相状態となるため、減圧幅が大きくなり、蒸発温度の大幅な低下などの不具合を引き起こす可能性もあった。

本発明の目的は、上記課題を解決し、低外気温度時にも安定して換気排気空気を利用した運転が可能な空気調和装置を提供することにある。

前記課題を解決するために本発明の車両用空気調和装置は、
車室内の空気を車室外に排気する排気用ファンと、圧縮機，凝縮器，減圧手段，蒸発器を順次冷媒配管で環状に接続した冷凍サイクルと、前記凝縮器と前記減圧手段との間に配置され、前記排気用ファンによって車室外へ排気される空気と前記冷凍サイクル内の冷媒との熱交換をおこなう換気用熱交換器と、前記凝縮器と前記換気用熱交換器を接続する冷媒配管と、前記圧縮機と前記凝縮器を接続する冷媒配管と、を連通させるバイパス回路と、前記バイパス回路に備えられるとともに前記バイパス回路の連通状態を可変とするための制御弁と、冷房運転時の凝縮温度を検出する温度検出手段と、前記温度検出手段により検知された温度情報を基に、前記制御弁の開度を変化させるように制御をおこなう制御部と、を備えた車両用空気調和装置において、
前記温度検出手段は、前記凝縮器と前記換気用熱交換器を接続する冷媒配管に配置されていることを特徴とするものである。

本発明によれば、低外気温度時にも安定して換気排気空気を利用した運転が可能な空気調和装置を提供することができる。

本発明における実施形態に係わる空気調和装置について、図１〜図６を用いて、以下詳細に説明する。

本発明の第一の実施形態を、図１を用いて説明する。図１は、本発明の第一の実施形態を示すシステム系統図である。冷房運転時には、圧縮機１で圧縮された冷媒（図示せず）は、四方切換弁２を実線で示すように通って室外熱交換器３へ入り、室外熱交換器３では、室外ファン６で送風される車室外の室外空気５０に放熱することによって凝縮した後、換気用熱交換器４に流入する。換気用熱交換器４には換気排気用ファン９によって車室内３０からの換気排気空気５１が導入されており、換気排気空気５１との熱交換により、冷媒はさらに凝縮して液化される。その後減圧手段１０にて減圧された低温・低圧の冷媒は室内熱交換器５で蒸発し、四方切換弁２を介して再度圧縮機１へ戻り冷凍サイクルを構成する。このとき、室内熱交換器５へ流入する空気は、換気給気用ファン８によって車室外から導入された換気給気空気５３と、車室内３０から抽出された室内抽出空気５２との混合気であり、室内熱交換器５で冷却された後に車室内３０へ吹出されることで冷房をおこなう。

比較のため、換気用熱交換器を備えていない従来のシステム系統図を図５に示す。この場合、冷房運転時には、室外熱交換器３で車室外の室外空気５０と熱交換することで、凝縮・液化した冷媒（図示せず）が、そのまま減圧手段１０にて減圧され、室内熱交換器５へ流入する点が、図１に示す実施例とは異なっており、換気排気用ファン９から車室外への排気される換気排気空気５１は、冷媒と熱交換することなく、車室外へ排気される。

このように、従来システムでは低温の換気排気空気をそのまま車室外へ放出していたが、図１に示した実施例では、この換気排気空気との熱交換をおこなう換気用熱交換器４を、室外熱交換器３と直列に配置することで、凝縮器の性能を向上させ冷凍サイクルの効率を高めることができる。

この冷凍サイクルの効率向上効果を図２にｐ−ｈ線図で示す。実線で示されるように、圧縮機１でｄ点からａ点まで圧縮された冷媒は、室外熱交換器３でｅ点まで放熱し、その後換気用熱交換器４にてさらに放熱・液化し、ｂ点に至る。その後減圧手段１０にてｃ点まで減圧され、室内熱交換器５にて車室内空気から熱を奪うことで蒸発し、ｄ点へと至る。なお図２に破線で示すサイクルは換気用熱交換器４が無い従来のサイクルを示している。本実施例では、換気用熱交換器４を凝縮器の一部としたことにより、凝縮圧力を抑制することが可能となっている。

したがって、蒸発エンタルピー差を同等として冷房能力を保ったままで、圧縮機１における圧縮動力を抑制することができ、省エネルギー性を高めることができる。

次に、図１において外気温度が低下した場合の動作態様について説明する。外気温度が低下した場合には、制御弁１２を開き圧縮機１から室外熱交換器３へと流れる冷媒の一部をバイパスさせ、直接換気用熱交換器４に流入するバイパス冷媒経路１１を利用する。制御弁１２が閉じている場合には、冷媒は室外熱交換器３で熱交換した後で換気用熱交換器４へ流入していたが、制御弁１２を開くことによって、一部の冷媒が室外熱交換器３をバイパスすることになるので、換気用熱交換器４入口における冷媒は十分に凝縮されていない状態となり、換気用熱交換器４での必要な放熱量が増大する。放熱量を増加させるために空気との温度差を大きくする必要が生じるので、凝縮温度が高くなり、低外気温時の凝縮温度低下を抑制することが可能となる。したがって、蒸発温度低下等の不具合を回避することが可能な構成となっている。

次に、この効果を図３のｐ−ｈ線図を用いて示す。実線がバイパス時の冷凍サイクル、破線がバイパス弁を閉じた状態での冷凍サイクルを示している。制御弁１２を閉じたままの場合には、破線で示されるように、外気温度の低下とともに凝縮温度が低下し、室内熱交換器５におけるエンタルピー差Δｈ′が増大するので、蒸発温度の低下といった不具合を生じる可能性があった。一方、制御弁１２を開いた場合には、ｅ点の室外熱交換器３出口冷媒と、ａ点の圧縮機１吐出冷媒が合流したｆ点が換気用熱交換器４の入口条件となる。したがって、換気用熱交換器４出口のｂ点までのエンタルピー差、すなわち必要放熱量が増大する。この効果により、凝縮温度が上がり、換気用熱交換器４出口のｂ点の比エンタルピーも高くなる。このため、蒸発器における蒸発エンタルピー差が増大することによる不具合を回避することが可能となっている。

また、本実施例では、凝縮温度を高く保つことが可能となっているので、圧縮機における必要な圧力差も同時に確保することができ、安定した運転が可能となっている。

また本実施例では、室外熱交換器３へ流入する室外空気温度を、温度検出手段４１を用いて検知することで、制御装置４０から制御弁１２の開閉制御をおこなうとしたが、制御弁１２の制御は、他の温度情報を用いておこなうとしてもよい。例えば、本実施例では室外熱交換器３と換気用熱交換器４を接続する冷媒配管の温度を測定する温度検出手段４２を備える構成とした。温度検出手段４２を用いて凝縮温度を検知することができるので、制御装置４０からの指令によって制御弁１２の開閉状態を制御することが可能となっている。したがって、例えば温度検出手段４２で検知した凝縮温度が、事前に定めてある値よりも低い場合には、制御弁１２を開く指令を出すことができる。外気温度を検知して制御する場合よりも、直接凝縮温度を検知することで、より確実に凝縮温度の低下を検知することが可能となっている。このように、凝縮温度を高め、安定した冷房運転を継続することが可能となる。

なお、本実施例では制御弁１２を開閉可能な弁としているが、複数個並列に並べる、もしくは流量可変な弁形状としてもよく、この場合には、前述のような温度検出手段４１や４２の情報に基づいて、バイパス冷媒経路１１を流れる冷媒の流量を調整させるとしても良い。

また、換気排気空気５１の換気用熱交換器４への流入温度を検出するための、温度検出手段４３を設けるとしてもよく、温度検出手段４２で検知された凝縮温度が、常に温度検出手段４３で検知される換気排気空気５１の温度よりも高くなるように制御しても良い。この場合には、室外熱交換器３で凝縮した冷媒が、換気用熱交換器４で加熱される事態を確実に回避することが可能となる。

ところで、低外気温時の凝縮圧力低下を抑制する手段の一つとして、換気用熱交換器４のバイパスを設ける方法も考えられるが、本実施例では冷媒が室外熱交換器をバイパスする回路を設けるとした。これは冷媒量変動による不具合を回避することが目的である。換気用熱交換器４をバイパスする回路を設けた場合であっても、換気排気用ファンは動作しているため、換気用熱交換器４内の冷媒と換気排気される換気排気空気５１は常に熱交換することになる。このため換気排気される換気排気空気５１の温度と、凝縮温度の関係に応じて冷凍サイクル内の冷媒量が変動することになる。

すなわち凝縮温度に対して換気排気空気５１の温度が低い場合には、換気用熱交換器４内に液冷媒が寝込む状態となり、冷凍サイクル内の冷媒量が不足する可能性がある。一方、凝縮温度に対して換気排気空気５１の温度が高い場合には、逆に換気用熱交換器４内はガス冷媒となり、冷凍サイクル内の冷媒量が過剰になる可能性がある。本実施例では、このような状況を避けるために、直列に接続した室外熱交換器３と換気用熱交換器４のうち、上流側に配置している室外熱交換器３を一部バイパスさせる構成としており、換気用熱交換器４への冷媒の寝込み等による不具合を回避できる構成となっている。

また本実施例では、換気排気用ファン９を換気用熱交換器４の下流側風路へ配置している。換気排気ファン９では、ファン用モータの発熱だけでなく、断熱圧縮により空気温度が上昇するため、換気用熱交換器４の上流側へ配置すると、冷媒との温度差が小さくなり効果的に熱交換することができなくなるという問題がある。

そこで、本実施例では換気排気用ファン９を換気用熱交換器４の下流側へ配置する構成とし、換気排気空気５１の温度を上昇させずに換気用熱交換器４へ流入させることで、冷媒との温度差を大きく保ち熱交換性能を向上させている。

また、本実施例では室外熱交換器３と換気用熱交換器４を、換気用熱交換器４のパス数と同じ２本の冷媒用の接続配管１３で接続する構成とした。両者を１本の配管で接続する場合には、換気用熱交換器４において分配器が必要となり、この分配器における圧力損失によって、換気用熱交換器４における冷媒凝縮温度が低下し、換気排気空気５１との温度差が小さくなるので、熱交換性能が低下することになる。そこで、本実施例では室外熱交換器３から換気用熱交換器４までを、換気用熱交換器４のパス数と同じ配管本数で接続することで、換気用熱交換器４への分配器設置を不要とした。このため換気用熱交換器４の凝縮温度が圧力損失によって低下することを防ぐことができるので、排気空気との熱交換性能を高く保つことができる。

また、本実施例では冷房運転と暖房運転の切換を可能とするため、四方切換弁２を備える構成としている。四方切換弁２を切換えた場合の動作態様を説明する。圧縮機１で圧縮された高温のガス冷媒は四方切換弁２を破線で示すように通り、室内熱交換器５にて室内から抽出された室内抽出空気５２と換気給気空気５３の混合気へ放熱することによって、凝縮液化する。このとき、加熱された空気は車室内３０へ戻り暖房をおこなう。その後、減圧手段１０にて減圧された低温となった冷媒は換気用熱交換器４で一部蒸発したのち、室外熱交換器３で完全に蒸発しガス冷媒となり、再度四方切換弁２を介して圧縮機１へ戻る冷凍サイクルを構成する。このとき、換気用熱交換器４と室外熱交換器３がともに蒸発器として作用するので、蒸発温度を高め冷凍サイクルの効率を向上させることができる。さらに、換気用熱交換器４に流入する換気排気空気は、通常外気温度よりも高いので、換気用熱交換器４を利用することで、蒸発性能を向上させることができる。

したがって、本実施例では暖房運転をおこなう場合であっても、冷凍サイクルの効率を高めることが可能となっている。

暖房運転時のｐ−ｈ線図を図４に示す。圧縮機１でｄ点からａ点まで圧縮された冷媒は、室内熱交換器にて放熱し、ｂ点に至る。その後減圧手段１０にてｃ点まで減圧された冷媒は、換気用熱交換器４でｅ点まで蒸発し、その後室外熱交換器３でさらに蒸発し、ｄ点に至る。図には換気用熱交換器４のない従来のシステムにおける冷凍サイクル線図を、破線で示している。従来のシステムに対して、本実施例のサイクルでは、蒸発器性能を向上できるため、蒸発温度が高く、圧縮機１における圧縮動力を抑制でき、省エネルギー性の高いシステムとすることが可能となっている。

本発明の第一の実施形態における冷房運転時の動作態様を示す構成図。 本発明の第一の実施形態における冷房運転時の動作態様を示すｐ−ｈ線図。 低外気温時の凝縮温度低下抑制効果を示すｐ−ｈ線図。 本発明の第一の実施形態における暖房運転時の動作態様を示すｐ−ｈ線図。 従来技術における冷房運転時の動作態様を示す構成図。 従来技術における低外気温時の変化を示すｐ−ｈ線図。

符号の説明

１ 圧縮機
２ 四方切換弁
３ 室外熱交換器
４ 換気用熱交換器
５ 室内熱交換器
６ 室外ファン
７ 室内ファン
８ 換気給気用ファン
９ 換気排気用ファン
１０ 減圧手段
１１ バイパス冷媒経路
１２ 制御弁
１３ 接続配管
３０ 車室内
４０ 制御装置
４１，４２，４３ 温度検出手段
５０ 室外空気
５１ 換気排気空気
５２ 室内抽出空気
５３ 換気給気空気

Claims (3)

1. 車室内の空気を車室外に排気する排気用ファンと、圧縮機，凝縮器，減圧手段，蒸発器を順次冷媒配管で環状に接続した冷凍サイクルと、前記凝縮器と前記減圧手段との間に配置され、前記排気用ファンによって車室外へ排気される空気と前記冷凍サイクル内の冷媒との熱交換をおこなう換気用熱交換器と、前記凝縮器と前記換気用熱交換器を接続する冷媒配管と、前記圧縮機と前記凝縮器を接続する冷媒配管と、を連通させるバイパス回路と、前記バイパス回路に備えられるとともに前記バイパス回路の連通状態を可変とするための制御弁と、冷房運転時の凝縮温度を検出する温度検出手段と、前記温度検出手段により検知された温度情報を基に、前記制御弁の開度を変化させるように制御をおこなう制御部と、を備えた車両用空気調和装置において、
   前記温度検出手段は、前記凝縮器と前記換気用熱交換器を接続する冷媒配管に配置されていることを特徴とする車両用空気調和装置。
2. 請求項１記載の車両用空気調和装置において、前記排気用ファンを前記換気用熱交換器の下流側に配置したことを特徴とする車両用空気調和装置。
3. 請求項１記載の車両用空気調和装置において、前記凝縮器出口のパス数と、前記換気用熱交換器入口のパス数と、を等しくし、かつ前記凝縮器と前記換気用熱交換器のパスが一対一で対応するように、冷媒配管で各々接続したことを特徴とする車両用空気調和装置。

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