JP5721775B2 - 車両用空気調和装置 - Google Patents

Description

本発明は、冷暖房モードの切り替え制御を改良した車両用空気調和装置に関するものである。

一般に、鉄道車両には車内温度を適正に調整するための空調装置が設置されているが、その空調負荷は、住宅やビルのそれとは大きく異なり、ドアの開閉や乗客の乗降、トンネル通過による外界温度の急変などによって激しく変動する。また、季節の中間期では、同じ外気温度でも乗客数によって冷房負荷が発生したり暖房負荷が発生したりするなど、空調能力を決定するだけでなく、運転モードの選択も重要である。

運転モードの選択を誤ると、冷房運転によって室温が急低下して暖房運転に切り替わるケースや、暖房運転が室温を急上昇させて冷房運転に切り替わるケース、そしてそれらが短周期で繰り返してハンチングを起こすケース等の制御不具合が考えられる。また、負荷変動に対応して迅速に空調能力調整を行わないと、空調能力制御のタイミングの遅れによる室温のオーバーシュートや、その行き過ぎた室温偏差に基づいて空調能力を決定することによりさらなる室温変動を招いてしまう。

これらの不具合を解決するため、例えば、外気温度や乗車率などから空調負荷を推定し、空調負荷が急変した際にはその影響を打ち消すように空調能力を決定するようにして、室温変動が起こりにくくする空調制御装置が知られている（例えば、特許文献１、２参照）。

特開平５−２６４０８６号公報 特開２００２−２８３８２８号公報

しかしながら、前記特許文献１、２に示されたような構成では、空調負荷が急変した直後の能力調整は適切に行われるが、空調負荷が小さく、冷房モードか暖房モードか確定できないような条件においては、冷房モードと暖房モードの周期変動を誘発してしまうという問題があった。

本発明は上記の問題を解決するためになされたものであり、空調負荷が急変した場合に室温変動が抑制されるとともに、空調負荷が小さい場合にも冷暖房の運転モードを適切に選択できる車両用空気調和装置を提供することを目的としている。

本発明に係る車両用空気調和装置は、冷房モードと暖房モードとを自動で切り替える運転モード選択手段と、空調負荷を演算する空調負荷演算手段と、室内温度から目標室内温度を減算した室温偏差の絶対値が小さくなるように空調能力を演算する空調能力演算手段と、を備え、前記空調負荷演算手段は、空調負荷を冷房負荷は正の値、暖房負荷は負の値として演算し、前記運転モード選択手段は、前記空調負荷が第１の設定値以上の場合は、冷房モードを選択し、前記空調負荷が第１の設定値より小さい第２の設定値以下の場合は、暖房モードを選択し、前記空調負荷が第１の設定値より小さく第２の設定値より大きい場合は、前記空調負荷と前記室温偏差とに応じて冷暖モードを切り替える冷暖モード境界を設定し、冷房モードもしくは暖房モードを選択するとともに、前記冷暖モード境界上の前記室温偏差の値を境界として、前記室温偏差の値のプラス方向の第１規定値内に、前記冷房モードが選択されるが冷房能力がゼロとなる冷房不感領域を設け、前記室温偏差の値のマイナス方向の第２規定値内に、前記暖房モードが選択されるが暖房能力がゼロとなる暖房不感領域を設けたものである。

本発明に係る車両用空気調和装置によれば、空調負荷が急変した場合の空調能力の調整に加えて、空調負荷が小さく、冷房モードか暖房モードかが確定できないような条件においても、適切に冷房モードと暖房モードの選択を行うことができる。

この発明の実施の形態における車両用空気調和装置の全体構成を示す図である。 この発明の実施の形態における車両用空気調和装置の制御の流れを表すフローチャート図である。 この発明の実施の形態における車両用空気調和装置の冷暖運転モードを判定する２次元判定図である。 この発明の実施の形態における車両用空気調和装置の空調能力ゼロを要求する領域を示す２次元判定図である。 この発明の実施の形態における車両用空気調和装置の要求冷房能力を示す２次元判定図である。 この発明の実施の形態における車両用空気調和装置の要求暖房能力を示す２次元判定図である。

実施の形態
図１は、この発明の実施の形態における車両用空気調和装置の一例を示す全体構成図である。図１において、車両用空気調和装置２と暖房用座席ヒータ３は、鉄道車両１内に配置され、車両用空調制御装置４により要求されている空調能力が決定され運転される。車両用空調制御装置４により車両用空気調和装置２による冷房運転、または、暖房用座席ヒータ３による暖房運転が行われる。

車両用空気調和装置２には圧縮機５、凝縮器６、膨張弁８、蒸発器９が順次接続された冷凍サイクルが内蔵されている。車両用空気調和装置２は、図中では１台であるが、実際は複数台が並列に設置されており、要求空調能力の指示に応じて運転台数が調整される。室外送風機７は凝縮器６の外気放熱量を調整し、また、室内送風機１０は蒸発器９で冷却された車両内空気を再び車両内に供給している。

車両用空調制御装置４は、外気温度を検出する外気温度センサ１１、車両内の乗客数を把握する車重センサ１２、壁部に設置された壁面温度センサ１３、車両用空気調和装置２の吸込空気温度センサ１４など検知情報により空調能力の演算を行う。

このように構成された車両用空気調和装置２の制御動作を図２を参照して説明する。図２は、この発明の実施の形態における車両用空気調和装置２の制御の流れを示すフローチャートである。車両用空調制御装置４が空調制御を開始すると、まず、制御ステップＳ１では環境情報や運転データの計測、読込を行う。具体的には、室内温度、目標室内温度、外気温度、壁面温度、乗車率、現在の空調制御量などの計測、読込を行う。

制御ステップＳ２では、空調制御に必要な室温偏差と空調負荷の演算を車両用空調制御装置４の空調負荷演算手段により行う。
室温偏差は、現在の室内温度から目標室内温度を減算した値であり、例えば目標室内温度が２４℃に設定されていて、現在の室内温度が２５℃の場合には＋１．０［Ｋ］という結果となる。

また、空調負荷は、車重センサ１２の車重情報から乗車人数を推定し、１人当たりの発熱量を乗じた値と、外気温度と室内温度との差に車両表面積と車両の熱通過率を乗じた値との和となる。車両表面積や熱通過率は車両用空調制御装置４に予め設定されている値を用いている。このように演算した空調負荷は、冷房負荷がプラス、暖房負荷がマイナスの値となる。例えば、暖房負荷が大きいということは、空調負荷の絶対値が大きい負の値を指す。これら２つの演算値をもって、運転モードの判定および要求空調能力の演算を行う。

制御ステップＳ３は、冷房モードと暖房モードの中から車両用空調制御装置４の運転モード選択手段が運転モードを選択するステップである。このステップでの運転モードの選択動作を、図３を参照して詳細に説明する。図３は、冷暖運転モードを判定する２次元判定図であり、横軸を空調負荷、縦軸を室温偏差とし、図に示すような冷暖モード境界が設定されている。この図における空調負荷は、図１の車両用空気調和装置２の最大冷房能力を１００％とした比率で表現している。

図３に示すように、空調負荷が＋１０％以上の場合は冷房モード、−１０％以下の場合は暖房モードで確定するが、空調負荷が±１０％の間にある場合は、空調負荷と室温偏差とに応じて冷暖モードを切り替える冷暖モード境界を設定し、冷房モードもしくは暖房モードを選択する。この空調負荷の範囲の場合、室温偏差によって冷房モード、あるいは暖房モードのどちらにもなり得る。

本実施の形態においては、空調負荷が±１０％の間にある場合は、室温偏差が［空調負荷［％］／１００×（−１０）］より大きいときは冷房モード、小さいときは暖房モードを選択するようにしている。このようにすることで、冷房モードか暖房モードかの判定が難しい小さな空調負荷であるときは室温偏差を参照し、目標室内温度に対して室内温度が低めの時は暖房モード、高めの時は冷房モードを選択するので、室温偏差をゼロに近づける方向に空調能力を制御することができる。

ただし、空調負荷がほとんどゼロであるときには、暖房運転を行うと室温が上昇するので冷房モードに切り替わり、さらにそこで冷房運転を行うと、今度は室温が低下して暖房モードに切り替わることとなり、空調制御が安定しない。図３の状態点Ｐ１は、負荷ゼロ近傍で室温が低いために暖房モードであるが、暖房運転によって室温が上昇すると状態点Ｐ２となり冷房モードとなる。このように状態点Ｐ１とＰ２を行き来して冷暖モードが頻繁に入れ替わるハンチングを起こしてしまう。

そのため、本実施の形態においては、図４に示すように空調能力を決定する。
図４は、図３と同様に冷暖運転モードを判定する２次元判定図であり、横軸を空調負荷、縦軸を室温偏差とし、空調能力がゼロとなる領域をハッチングとして示している。Ａ１は、冷房モードで空調能力ゼロを要求する冷房不感領域であり、Ａ２は暖房モードで空調能力ゼロを要求する暖房不感領域である。すなわち、空調負荷が±１０％以内で冷房モードの範囲においては、室温偏差が［空調負荷［％］／１００×（−５）＋０．５］より小さいときは冷房能力がゼロとなり、空調負荷が±１０％以内で暖房モードの範囲においては、室温偏差が［空調負荷［％］／１００×（−５）−０．５］より大きいときは暖房能力がゼロとなる。

空調負荷ゼロの近傍で空調能力をゼロにすると、僅かに冷房負荷が発生している場合にはゆっくりと室内温度が上昇して冷房運転が行われるが、冷房運転によって室温が低下しても暖房運転が開始されるまでには室内温度がさらに１．０℃以上低下しなければならないため、すぐには暖房運転に切り替わらず、冷房モードと暖房モードの周期変動を回避することができる。僅かに暖房負荷が発生している条件でも同様である。また、このとき、冷房モードと暖房モードとで目標室内温度を変更していないので、運転モードの変更によって室内温度の変動を小さくできるし、乗客の乗降によって急激な空調負荷変動が発生した場合には、室内温度の変化を待たなくても運転モードが適切に切り替わる。

図５は、図４の冷暖モードを判定する２次元判定図に要求冷房能力を追記し、冷房能力を決定するための２次元判定図である。Ｌ１は冷房能力がゼロとなる境界で、室温偏差がこの境界線より下にある場合には冷房能力をゼロとする。また、Ｌ２は空調装置の最大冷房能力を要求する境界で、室温偏差がこれより上にある場合には最大冷房能力で運転する。そして、室温偏差がＬ１とＬ２との間にある場合には、図５のような等能力線に従って冷房能力を決定する。すなわち、Ｌ１とＬ２との間の領域における要求冷房能力は、式（１）に示すように、空調負荷に比例した項（Ｃ１は係数）と、室温偏差に比例した項（Ｃ２は係数）と、定常項（Ｃ３）の和で要求冷房能力を決定する。
要求冷房能力＝Ｃ１×空調負荷 ＋ Ｃ２×室温偏差 ＋Ｃ３・・・式（１）

図２のフローチャートに戻ると、制御ステップＳ３で冷房モードを選択した場合には、制御ステップＳ４Ｃで、車両用空調制御装置４の空調能力演算手段が図５に示した要求冷房能力の２次元判定図に基づいて冷房能力を決定する。また、制御ステップＳ３で暖房モードを選択した場合には、ステップＳ４Ｈで、車両用空調制御装置４の空調能力演算手段が図６に示した暖房能力判定図に基づいて要求暖房能力を決定する。

図６は、図４の暖房運転モードを判定する２次元判定図に要求暖房能力を追記し、暖房能力を決定するための２次元判定図である。図５と同様に、室温偏差がＬ２より小さい場合には最大暖房能力、Ｌ１より大きい場合には暖房能力をゼロとする。そして、室温偏差がＬ１とＬ２との間にある場合には、図６のような等能力線に従って暖房能力を決定する。すなわち、Ｌ１とＬ２との間の領域における要求暖房能力は、式（２）に示すように、空調負荷に比例した項（Ｃ４は係数）と、室温偏差に比例した項（Ｃ５は係数）と、定常項（Ｃ６）の和で要求暖房能力を決定する。
要求暖房能力＝Ｃ４×空調負荷 ＋ Ｃ５×室温偏差 ＋Ｃ６・・・式（２）

要求冷房能力あるいは要求暖房能力が決定されれば、制御ステップＳ５Ｃあるいは制御ステップＳ５Ｈで車両用空気調和装置２に対して要求空調能力を発揮するように運転状態を決定し、車両用空調制御装置４が運転指示を行う。これを所定時間間隔で繰り返し行うことで、車両内の室内温度を制御する。

以上のように、本発明の実施の形態の車両用空気調和装置２によれば、乗客の乗降等によって空調負荷が急変する場合であっても、さらには、小さな負荷変動によって冷房運転と暖房運転が切り替わる条件でも、適切に運転モードを選択することで室内温度を大きく変動させることなく適正な空調能力の制御を行うことができる。

１ 車両、２ 車両用空気調和装置、３ 暖房用座席ヒータ、４ 車両用空調制御装置、５ 圧縮機、６ 凝縮器、７ 室外送風機、８ 膨張弁、９ 蒸発器、１０ 室内送風機、１１ 外気温度センサ、１２ 車重センサ、１３ 壁面温度センサ、１４ 吸込温度センサ。

Claims (5)

1. 冷房モードと暖房モードとを自動で切り替える運転モード選択手段と、
   空調負荷を演算する空調負荷演算手段と、
   室内温度から目標室内温度を減算した室温偏差の絶対値が小さくなるように空調能力を演算する空調能力演算手段と、を備え、
   前記空調負荷演算手段は、空調負荷を冷房負荷は正の値、暖房負荷は負の値として演算し、
   前記運転モード選択手段は、前記空調負荷が第１の設定値以上の場合は、冷房モードを選択し、
   前記空調負荷が第１の設定値より小さい第２の設定値以下の場合は、暖房モードを選択し、
   前記空調負荷が第１の設定値より小さく第２の設定値より大きい場合は、前記空調負荷と前記室温偏差とに応じて冷暖モードを切り替える冷暖モード境界を設定し、冷房モードもしくは暖房モードを選択するとともに、
   前記冷暖モード境界上の前記室温偏差の値を境界として、前記室温偏差の値のプラス方向の第１規定値内に、前記冷房モードが選択されるが冷房能力がゼロとなる冷房不感領域を設け、前記室温偏差の値のマイナス方向の第２規定値内に、前記暖房モードが選択されるが暖房能力がゼロとなる暖房不感領域を設けたことを特徴とする車両用空気調和装置。
2. 前記運転モード選択手段は、前記冷暖モード境界上の前記室温偏差の値を境界として、前記室温偏差の値のプラス方向を前記冷房モードとし、前記室温偏差の値のマイナス方向を前記暖房モードとして選択することを特徴とする請求項１に記載の車両用空気調和装置。
3. 前記冷暖モード境界は、前記空調負荷が大きくなるにつれて前記室温偏差が小さくなる関数であることを特徴とする請求項１または２に記載の車両用空気調和装置。
4. 前記第１規定値の絶対値は、前記空調負荷が大きくなるにしたがって小さくなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の車両用空気調和装置。
5. 前記第２規定値の絶対値は、前記空調負荷が大きくなるにしたがって大きくなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の車両用空気調和装置。

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