JP6021437B2 - 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ものである。

環境意識の高まりから、車両用空気調和装置においても、消費電力を抑えることが要求されているものの、空気調和装置を構成する各要素機器での省エネルギー化は限界に達しつつあるため、空調システム全体としての省エネルギー化を考える必要がある。
鉄道車両には、空気調和装置とは別に換気装置を備えたものがある。換気装置は、一般に、車内の空気（以下「車内空気」と称す）の清浄度を維持するために、車内空気を室外へ排気し、室外の空気（以下「室外空気」または「外気」と称す）を車内へ取り入れる働きがある。
従って、車内を冷房しているときに換気装置を用いることは、車内空気より高温の外気を車内へ取り込む一方、低温の車内空気を室外へ放出することになるため、空調負荷が大きくなるという問題を有している。

このため、このように排気される車内空気（冷熱を有す）を有効活用した従来の空気調和装置の例として、冷凍サイクルを実行するための凝縮器と減圧手段との間に「換気用熱交換器」を配置し、冷凍サイクルを実行する冷媒に、車内からの排気空気（車内空気に同じ）が有する冷熱を受け渡す熱交換によって、排熱回収（冷熱回収に同じ）を行う構成にした空気調和装置（以下「排熱回収型空気調和装置」と称す）が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１０−８３２２３号公報（第４−５頁、図１）

特許文献１に記載された排熱回収型空気調和装置は、換気用熱交換器を、冷凍サイクルを実行するための凝縮器と減圧手段との間に設置し、高温の冷媒と低温の車内空気および吸気（吸引された外気に同じ）との間で熱交換を行っている。
しかしながら、当該排熱回収型空気調和装置では、換気用熱交換器を１台以上設置する必要があるため、換気用熱交換器を設置する空間を確保する必要から、小型化（コンパクト化）の要請に反すると共に、車両への設置における自由度が制限されるという問題があった。
また、１台以上の換気用熱交換器を購入する必要があるため、装置全体の初期コストが高くなるという問題があった。

本発明は、前記問題を解決するためになされたものであり、簡易的な構造で、かつ狭い空間にも設置することができるようコンパクト化が図られ、省エネルギーを促進することができる車両用空気調和装置を得ることを目的とする。

本発明に係わる車両用空気調和装置は、冷凍サイクルを実行するための圧縮機、室外熱交換器、膨張弁、室内熱交換器およびこれらを順次連結する冷媒回路と、室外熱交換器に空気を供給する室外送風機と、室内熱交換器に空気を供給する室内送風機と、を具備する空気調和部と、外気を室外熱交換器の上流側に導くための外気流路と、車内空気を取り込む換気送風機を具備する換気部と、換気部に接続され、換気送風機によって取り入れられた車内空気を室外熱交換器の上流側に導くための換気流路と、外気の外気温度を検知する外気温度センサと、車内空気の車内空気温度を検知する車内空気温度センサと、換気流路と室外とに連通する分岐流路と、外気温度センサと車内空気温度センサとにより検知された温度に基づき、換気送風機によって送られた車内空気のうち、分岐流路を経由して室外に放出する量を調整する空気流量調整装置とを有することを特徴とする。

本発明によれば、換気を行う車両において、排気される車内空気を空気調和部の室外熱交換器の上流側に吹き出すように排気流路を構成したので、室内を冷房する場合、比較的高温の外気と比較的低温の車内空気とを混合した混合空気を室外熱交換器に供給することから、冷媒は外気よりも低い温度の混合空気との間で熱交換をする（冷熱を受け取る）ため、熱効率が向上し、省エネルギーを促進することができる。また、室内を暖房する場合、比較的低温の外気と比較的高温の車内空気とを混合した混合空気を室外熱交換器に供給することから、冷媒は外気よりも高い温度の混合空気との間で熱交換をする（温熱を受け取る）ため、熱効率が向上し、省エネルギーを促進することができる。さらに、従来の排熱回収型空気調和装置（特許文献１参照）のように、換気用熱交換器といった追加の要素（装置）を追加する必要がないから、空気調和部を簡易的でコンパクトにすることができる。

本発明の実施の形態１に係る車両用空気調和装置を説明する構成を示す構成図。 図１に示す車両用空気調和装置の車両への搭載形態を示す側面図。 本発明の実施の形態２に係る車両用空気調和装置の構成を示す構成図。 図３に示す車両用空気調和装置における動作を模式的に示す構成図。 本発明の実施の形態３に係る車両用空気調和装置の構成を示す構成図。 本発明の実施の形態４に係る車両用空気調和装置の構成を示す構成図。 本発明の実施の形態５に係る車両用空気調和装置の構成を示す構成図。

［実施の形態１］
図１および図２は、本発明の実施の形態１に係る車両用空気調和装置を説明するものであって、図１は構成を模式的に示す構成図、図２は車両への搭載形態を模式的に示す側面図である。以下、図１および図２を参照しながら本発明の実施の形態１に係る車両用空気調和装置１００を説明する。
図１において、車両用空気調和装置１００は、空気調和装置及び換気装置として機能するものであって、冷凍サイクルを実行するための圧縮機２、室外熱交換器４、膨張弁５、室内熱交換器７、およびこれらを順次連結する冷媒回路（図示しない）と、室外熱交換器４に空気を供給する室外送風機３と、室内熱交換器７に空気を供給する室内送風機６と、を具備する空気調和部１を有している。
そして、空気調和部１には、外気２２を室外送風機３の上流側（吸込側）に導くための外気流路１１が備えられている。
また、車内空気２１を取り込む換気送風機９を具備する換気部８を有し、空気調和部１と換気部８とは、換気送風機９によって取り入れた車内空気２１を室外送風機３の上流側（吸込側）に導く換気流路１０によって繋がっている。

図１に示す通り、車両用空気調和装置１００は、まず、換気送風機９によって取り入れた比較的低温の車内空気２１を、換気流路１０を経由して室外熱交換器４の上流側に導く。一方で、外気流路１１を経由して比較的高温の外気２２を室外熱交換器４の上流側に導く。
そうすると、車内空気２１と外気２２とは、室外熱交換器４の上流において混合され（以下、混合された空気を「混合空気」と称す）、混合空気は室外熱交換器４において、冷凍サイクルを実行している冷媒に冷熱を受け渡した後、室外に排出（排気）される。

すなわち、冷房運転時は、通常、車内空気２１は外気２２よりも低温であるから、混合空気の温度は外気よりも低温になっている。そして、室外熱交換器４において冷媒は凝縮して放熱する（冷熱を受け取る、あるいは温熱を放出する）ため、冷凍サイクルを実行している冷媒と熱交換を行う空気が低温である程、冷媒はより多くの冷熱を受け取る（温熱を放出する）ことができる。
そうすると、車両用空気調和装置１００は、外気２２よりも低温の混合空気を室外熱交換器４に供給しているから、外気２２のみを室外熱交換器４に供給した場合よりも、より多くの冷熱を受け取る（温熱を放出する）から、冷凍サイクルを実行する効率が向上する。

なお、以上は、冷房運転時について説明しているが、本発明はこれに限定するものではく、冷媒の流れを変更して、室内熱交換器７を冷媒が有する温熱を放出する凝縮器として機能され、室外熱交換器４を冷媒が有する冷熱を放出する蒸発器として機能されることによって、暖房運転時においても有効である（これについては、実施の形態５において説明する）。
すなわち、車両用空気調和装置１００は、外気２２よりも高温の混合空気を室外熱交換器４に供給しているから、外気２２のみを室外熱交換器４に供給した場合よりも、より多くの温熱を受け取る（冷熱を放出する）から、冷凍サイクルを実行する効率が向上する。

以上のように、車両用空気調和装置１００は、例えば、換気用熱交換器（特許文献１参照）等のような新たな装置（手段）を追加することなく、車内空気２１を室外熱交換器４に導くための換気流路１０を設置するという簡易的な構成によって、コンパクト化が図られると共に、冷凍サイクルを実行することによる効率の向上によって、省エネルギーを促進することが可能である。

次に、図２に基づいて、車両用空気調和装置１００の車両９０への搭載形態について説明する。
図２の（ａ）において、車両用空気調和装置１００を構成する空気調和部１および換気部８の両方が車両９０の天井９１の車内９２の反対側（屋根の上に相当する）に搭載されている。
図２の（ｂ）において、車両用空気調和装置１００を構成する空気調和部１および換気部８の両方が車両９０の床下９３に搭載されている。
図２の（ｃ）において、空気調和部１を構成する室内熱交換器７および室内送風機６を室内ユニット１３として所定の筐体に収納し、室内熱交換器７および室内送風機６を除く空気調和部１の構成部材および換気部８を室外ユニット１４として、室内ユニット１３を天井９１の車内９２側に、室外ユニット１４を床下９３に搭載している。
図２の（ｄ）において、室内ユニット１３を天井９１の車内９２側に、室外ユニット１４を天井９１の車内９２の反対側（屋根の上に相当する）に搭載している。
なお、車両用空気調和装置１００を構成する空気調和部１および換気部８の車両９０への搭載位置は、これらの例に限定されるものではなく、車両９０側の要求に対して適切な搭載位置を決定することが好ましい。また、車両９０とは、電車等の鉄道車両に限定されるものではなく、バス等の道路車両、さらには船舶（居住室または操舵室を車内９２と読み代える）を含むものである。

［実施の形態２］
図３および図４は、本発明の実施の形態２に係る車両用空気調和装置を説明するものであって、図３は構成を模式的に示す構成図、図４の（ａ）および（ｂ）は動作を模式的に示す構成図である。なお、実施の形態１と同じ部分または相当する部分には同じ符号を付し、一部の説明を省略する。
図３において、本発明の実施の形態２に係る車両用空気調和装置２００には、換気流路１０には、室外（図示しない）に連通する分岐流路１０ａが接続されると共に、換気送風機９によって送られた車内空気２１のうち、分岐流路１０ａを経由して室外に放出する量を調整する空気流量調整装置１２が設置されている。
すなわち、車両用空気調和装置２００は、空気流量調整装置１２が設置されている点において、車内空気２１の全量を室外熱交換器４に供給する実施の形態１の車両用空気調和装置１００と相違し、これを除く点において両者は同一である。

図４の（ａ）において、外気温度センサ１６、及び車内空気温度センサ１７により外気２２の温度（以下「外気温度」と称す）と車内空気２１の温度（以下「車内空気温度」と称す）をモニタし、冷房運転時において外気温度が車内空気温度よりも高い場合、あるいは暖房運転時において外気温度が車内空気温度より低い場合は、空気流量調整装置１２により分岐流路１０ａを閉じ、車内空気２１の全量を室外熱交換器４に供給する。
図４の（ｂ）において、冷房運転時において車内空気温度が外気温度より高い場合、あるいは暖房運転時において車内空気温度が外気温度よりも低い場合は、空気流量調整装置１２により換気流路１０を閉じ、車内空気２１の全量を分岐流路１０ａを介して車外に直接放出し、室外熱交換器４には外気２２のみが供給できるようにする。
したがって、車両用空気調和装置２００は、空気流量調整装置１２によって、必要に応じて車内空気２１の混合空気に混合される量を調整することができる。このため、例えば、車内空気２１の温度が外気２２の温度よりも高い場合には、車内空気２１の全量を室外に直接放出し、室外熱交換器４には外気２２のみが供給されるようにすることが可能となる。なお、車内空気２１の全量を室外熱交換器４に供給すれば、実施の形態１の車両用空気調和装置１００と同様の効果がえられる。

［実施の形態３］
図５は、本発明の実施の形態３に係る車両用空気調和装置の構成を模式的に示す構成図である。なお、実施の形態１と同じ部分または相当する部分には同じ符号を付し、一部の説明を省略する。
図５において、本発明の実施の形態３に係る車両用空気調和装置３００は、換気部８が空気調和部１に内蔵されている。すなわち、実施の形態１の車両用空気調和装置１００における換気部８を空気調和部１内に移設した点において相違し、これを除く点において両者は同一である。
すなわち、車両用空気調和装置３００は、空気調和部１内に換気流路１０を設置さえすればよいため、狭い空間でも設置可能なコンパクトな構造で、省エネルギーを促進することが可能である。

［実施の形態４］
図６は、本発明の実施の形態４に係る車両用空気調和装置の構成を模式的に示す構成図である。なお、実施の形態２と同じ部分または相当する部分には同じ符号を付し、一部の説明を省略する。
図６において、本発明の実施の形態４に係る車両用空気調和装置４００は、換気部８が空気調和部１に内蔵されている。すなわち、実施の形態２の車両用空気調和装置２００における換気部８を空気調和部１内に移設した点において相違し、これを除く点において両者は同一である。
すなわち、車両用空気調和装置４００は、空気調和部１内に換気流路１０を設置さえすればよいため、狭い空間でも設置可能なコンパクトな構造で、省エネルギーを促進することが可能である。

［実施の形態５］
図７は、本発明の実施の形態５に係る車両用空気調和装置の構成を模式的に示す構成図であって、（ａ）は冷房運転時、（ｂ）は暖房運転時を示す。なお、実施の形態１と同じ部分または相当する部分には同じ符号を付し、一部の説明を省略する。
図７の（ａ）および（ｂ）において、本発明の実施の形態５に係る車両用空気調和装置５００は、車両用空気調和装置１００の冷媒回路に冷媒回路切替装置１５を設置したものに同じである。
図７の（ａ）に示す冷房運転時において、圧縮機２から吐出された冷媒は、冷媒回路切替装置１５によって、直接室外熱交換器４に供給され、膨張弁５を通過した冷媒（低温）が室内熱交換器７に流入している。したがって、室外熱交換器４は冷媒が有する冷熱を放出する蒸発器として機能している。
図７の（ｂ）に示す暖房運転時において、圧縮機２から吐出された冷媒（高温）は、まず、室内熱交換器７に流入している。したがって、室内熱交換器７は冷媒が有する温熱を放出する凝縮器として機能している。
すなわち、車両用空気調和装置５００は、冷房運転時だけでなく、暖房運転時においても有効に機能し、冷凍サイクルを実行する効率が向上する。
なお、冷媒回路切替装置１５は、実施の形態２〜４に説明した車両用空気調和装置２００〜４００における冷媒回路にも設置することができ、かかる設置によって、冷房運転時だけでなく、暖房運転時においても冷凍サイクルを実行する効率を向上させることができる。

１ 空気調和部、２ 圧縮機、３ 室外送風機、４ 室外熱交換器、５ 膨張弁、６ 室内送風機、７ 室内熱交換器、８ 換気部、９ 換気送風機、１０ 換気流路、１０ａ 分岐流路、１１ 外気流路、１２ 空気流量調整装置、１３ 室内ユニット、１４ 室外ユニット、１５ 冷媒回路切替装置、１６ 外気温度センサ、１７ 車内空気温度センサ、２１ 車内空気、２２ 外気、９０ 車両、９１ 天井、９２ 車内、９３ 床下、１００ 車両用空気調和装置（実施の形態１）、２００ 車両用空気調和装置（実施の形態２）、３００ 車両用空気調和装置（実施の形態３）、４００ 車両用空気調和装置（実施の形態４）、５００ 車両用空気調和装置（実施の形態５）。

Claims (4)

1. 冷凍サイクルを実行するための圧縮機、室外熱交換器、膨張弁、室内熱交換器およびこれらを順次連結する冷媒回路と、前記室外熱交換器に空気を供給する室外送風機と、前記室内熱交換器に空気を供給する室内送風機と、を具備する空気調和部と、
   外気を前記室外熱交換器の上流側に導くための外気流路と、
   車内空気を取り込む換気送風機を具備する換気部と、
   前記換気部に接続され、前記換気送風機によって取り入れられた前記車内空気を前記室外熱交換器の上流側に導くための換気流路と、
   前記外気の外気温度を検知する外気温度センサと、
   前記車内空気の車内空気温度を検知する車内空気温度センサと、
   前記換気流路と室外とに連通する分岐流路と、
   前記外気温度センサと前記車内空気温度センサとにより検知された温度に基づき、前記換気送風機によって送られた前記車内空気のうち、前記分岐流路を経由して室外に放出する量を調整する空気流量調整装置と、を有することを特徴とする車両用空気調和装置。
2. 冷凍サイクルを実行するための圧縮機、室外熱交換器、膨張弁、室内熱交換器およびこれらを順次連結する冷媒回路と、前記室外熱交換器に空気を供給する室外送風機と、前記室内熱交換器に空気を供給する室内送風機と、車内空気を取り込む換気送風機と、を具備する空気調和部と、
   外気を前記室外熱交換器の上流側に導くための外気流路と、
   前記換気送風機によって取り入れられた前記車内空気を前記室外熱交換器の上流側に導くための換気流路と、
   前記外気の温度をモニタする外気温度センサと、
   前記車内空気の温度をモニタする車内空気温度センサと、
   前記換気流路と室外とに連通する分岐流路と、
   前記外気温度センサと前記車内空気温度センサとによりモニタされた温度に基づき、前記換気送風機によって送られた前記車内空気のうち、前記分岐流路を経由して室外に放出する量を調整する空気流量調整装置と、
   を有することを特徴とする車両用空気調和装置。
3. 前記車内空気と前記外気とが前記室外熱交換器の上流側において混合されることを特徴とする請求項１または２記載の車両用空気調和装置。
4. 前記空気流量調整装置は、
   冷房運転時において外気温度が車内空気温度よりも高い場合、あるいは暖房運転時において外気温度が車内空気温度以下の場合は、分岐流路を全閉し、
   冷房運転時において車内空気温度が外気温度以上の場合、あるいは暖房運転時において車内空気温度が外気温度よりも低い場合は、換気流路を全閉する、
   請求項１〜３の何れか一項に記載の車両用空気調和装置。

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