JP6024203B2 - 車両用空気調和装置 - Google Patents

Description

本発明は、ヒートポンプを利用した車両用空気調和装置に関し、特に、圧縮機、室外熱交換器、減圧機構、室内熱交換器を冷媒配管で接続し、四方弁を操作して冷媒経路を切り替えることで冷房運転と暖房運転の切り替えを行う車両用空気調和装置に関するものである。

従来の鉄道車両に搭載された車両用空気調和装置では、冷房運転は冷房専用の空気調和装置で行い、暖房運転は電気ヒーターなどを使って行うものが一般的であった。近年、省エネの観点から車両用空気調和装置として、ヒートポンプを利用した冷暖房運転可能な空気調和装置が導入され始めている。

鉄道車両の場合、家庭などの室内環境とは異なり、ドアの開閉や人の出入りが頻繁に行われるため、外気や人の体温の影響により車内環境が大きく変化することが多い。そのため、時間帯や季節によっては、所定の車内環境を維持させるために、冷房運転と暖房運転とを頻繁に切り替える必要がある。冷房運転と暖房運転との切り替えは、一般的な家庭用空気調和装置と同様に、ヒートポンプサイクルの四方弁を操作して冷媒経路を切り替えることで行っている。

このように車両用空気調和装置では、冷房運転と暖房運転との切り替えを頻繁に行うことがあるが、冷暖房運転の切り替え指示後すぐに四方弁の切り替えを行うと、冷媒配管内の圧力差により熱交換器（凝縮器）に溜まった液冷媒が直接圧縮機の方向に向かい、圧縮機が液圧縮を行うおそれがあった。圧縮機が液圧縮を行うと、異音の発生や圧縮機のトラブルを招くおそれがある。

従来の空気調和装置では、冷房運転から暖房運転への切り替え時における圧縮機の液圧縮によるトラブルの発生を防止するものとして、冷房運転時から暖房運転時への切り替え時に室外熱交換器を通る冷媒経路を遮断し、室外熱交換器内に溜まっていた液冷媒が急激にかつ直接的に圧縮機に吸引されないようするものが提案されている。（例えば、特許文献１参照）

特開平９−２９５５０６号公報（請求項４、図６）

しかしながら、従来の空気調和装置では、室外熱交換器に溜まった液冷媒が圧縮機に吸引されないように、冷房運転時、暖房運転時の冷媒の経路とは別に、室外熱交換器と圧縮機とを遮断した状態にした冷媒の経路を別途設ける必要があった。冷媒の経路を複数設けると冷媒配管が複雑になり、装置の製造性、修理等の保守性が低下するおそれがあった。また、装置内の冷媒配管が多くなることで装置が大型になるという問題があった。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、複雑な冷媒配管を設けずに、冷暖房運転の切り替え後の運転始動時における圧縮機の液圧縮を抑制することが可能な車両用空気調和装置を提供することを目的とする。

本発明に係る車両用空調装置は、圧縮機、四方弁、室外熱交換器、減圧機構、室内熱交換器を主配管で順次接続し、前記四方弁で冷媒の経路を切換えることにより、冷房運転と暖房運転とを選択的に行うヒートポンプサイクルと、一端が前記室外熱交換器と前記減圧機構を繋ぐ主配管に接続され、他端が前記減圧機構と前記室内熱交換器を繋ぐ主配管に接続されたバイパス配管と、前記室外熱交換器と前記減圧機構を繋ぐ主配管において、前記バイパス配管との接続部と前記減圧機構との間に設けられる第１電磁弁と、前記バイパス配管に設けられ、該バイパス配管の開閉を行う第２電磁弁と、冷房運転から暖房運転、又は暖房運転から冷房運転への運転切り替え時、前記圧縮機の駆動を停止して前記冷媒の循環を停止させた後、前記第２電磁弁を開く制御を実行し、その後、前記四方弁を切り替える制御を実行する制御部とを備える。

本発明によれば、室外熱交換器と減圧機構を繋ぐ主配管と、減圧機構と室内熱交換器を繋ぐ主配管とを接続するバイパス配管を設け、冷暖房運転切り替え時に四方弁を切り替える前にバイパス配管の電磁弁を開く制御をすることで、配管内の差圧を利用して高圧側の熱交換器から低圧側の熱交換器へ液状冷媒を容易に移動させることができる。そして、液状冷媒を低圧側の熱交換器に移動させたことで、切り替え後の運転始動時に圧縮機が吸い込む液状冷媒の量を大幅に減少させることが可能となり、圧縮機の液圧縮のリスクを軽減させることができる。

本発明の実施の形態１に係る車両用空気調和装置を搭載した鉄道車両の空調システムの構成を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る車両用空気調和装置の本体部内の構成を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る車両用空気調和装置の冷房運転時のヒートポンプサイクルを示す図である。 本発明の実施の形態１に係る車両用空気調和装置の暖房運転時のヒートポンプサイクルを示す図である。 本発明の実施の形態１に係る車両用空気調和装置の冷暖房運転切り替え時の運転動作を示すフローチャートである。図５（ａ）は暖房運転の指令があった場合、図５（ｂ）は冷房運転の指令があった場合である。 本発明の実施の形態１に係る車両用空気調和装置のバイパス配管の接続部分を示す図であり、図６（ａ）は斜視図、図６（ｂ）は断面図である。

実施の形態１．
まず本願発明の実施の形態を説明するにあたって、本実施の形態に係る車両用空気調和装置が搭載される鉄道車両の空調システムについて説明する。図１は実施の形態１に係る車両用空気調和装置を搭載した鉄道車両の空調システムの構成を示す図である。

図１に示すように、鉄道車両１００は先頭車両１０１、複数の中間車両１０２及び後尾車両１０３が連なっている。各車両１０１〜１０３は、鉄道車両利用者が乗車する客室１０４を有し、客室１０４の上部には室内の空調を行う車両用空気調和装置１がそれぞれ設けられている。先頭車両１０１と後尾車両１０３には、客室１０４とは別に運転手や車掌が乗車する運転室１０５が設けられており、運転室１０５には車両情報制御装置１０６と運転室空調装置１０７が搭載されている。運転室空調装置１０７は運転室１０５の空調を行うものである。

車両用空気調和装置１は、圧縮機や熱交換器などヒートポンプサイクルを構成する構成機器が内蔵された箱状の本体部２と、車両用空気調和装置１の運転を制御する制御部３とを備えている。各車両１０１〜１０３の制御部３は、先頭車両１０１と後尾車両１０３にそれぞれ設けられている車両情報制御装置１０６とデータ伝送可能にケーブル１０８で接続されている。各制御部３は、車両情報制御装置１０６から乗車率、月日、車両のドアの開閉回数等のデータを受信している。

また、各車両用空気調和装置１又は各車両１０１〜１０３には、それぞれ各種センサ（図示せず）が設けられており、制御部３は各種センサで検出された客室１０４の車内温度や車内湿度、外気温度等のデータを受信している。制御部３は、車両情報制御装置１０６から受信したデータと各種センサから受信したデータとに基づき、各車両１０１〜１０３の客室１０４の基準温度を決定し、車両用空気調和装置１の運転制御を行う。

以上説明した鉄道車両１００に搭載される実施の形態１に係る車両用空気調和装置１について、以下説明する。

図２は実施の形態１に係る車両用空気調和装置１の本体部２内の構成を示す図である。図２に示すように、車両用空気調和装置１の本体部２は、室外空間部４と室内空間部５とを有し、室外空間部４と室内空間部５にヒートポンプサイクルを構成する構成機器が配設されている。室外空間部４と室内空間部５とは仕切壁６によって仕切られており、室外空間部４には車外の空気（外気）が流入し、室内空間部５には車内の空気が流入する。

室外空間部４には、冷媒を圧縮する圧縮機７と、冷媒と空気との間で熱交換を行う室外熱交換器８と、室外空間部４内に外気を供給する室外送風機９と、ヒートポンプサイクルにおける冷媒の経路を切り替える四方弁１０と、冷媒の気液分離が可能で過剰な冷媒を貯留するアキュムレータ１１とが設けられている。なお、図２には室外熱交換器８が二つ設けられたものを示したが、これに限定するものではなく、容量の小さい空気調和装置など室外熱交換器８が一つのもの、又は室外熱交換器８が三つ以上のものでもよい。

室内空間部５には、冷媒と空気との間で熱交換を行う室内熱交換器１２と、室内空間部５の底部に形成されたリターン口１５を介して室内空間部５に車内の空気を供給する室内送風機１３と、減圧機構であるキャピラリーチューブ１４とが設けられている。なお、室内送風機１３は室内熱交換器１２で熱交換された空気を車内に再び供給するものでもある。

圧縮機７、四方弁１０、室外熱交換器８、キャピラリーチューブ１４及び室内熱交換器１２は、配管で順次接続されヒートポンプサイクルを構成し、配管内を冷媒が循環することで、室外空間部４と室内空間部５とでそれぞれ空気との熱交換が行われる。なお、アキュムレータ１１は圧縮機７の吸込口側に設けられている。

冷房運転時には、冷媒は、圧縮機９から四方弁１０、室外熱交換器８、キャピラリーチューブ１４、室内熱交換器１２の順に送られ、四方弁１０、アキュムレータ１１を通過して再び圧縮機９に送られる。冷媒は、圧縮機９にて圧縮され高温高圧の気体状態となり、室外熱交換器８通過時に周囲環境に熱を奪われ高温高圧の気体状態から常温高圧の液体状態となる。そして、常温高圧の液体状態となった冷媒は、キャピラリーチューブ１４通過時に急激に減圧され低温低圧の液体状態となり、室内熱交換器１２通過時に周囲環境から熱を奪い急激に気化して常温常圧の気体状態となる。

冷房運転時に室外空間部４に供給された外気は、室外熱交換器８を通る際に冷媒の熱を奪い高温状態となり、室外送風機９によって再び車外に排出される。一方、客室４からリターン口１５を介して室内空間部５に供給された空気は、室内熱交換器１２を通る際に冷媒の気化により熱を奪われ低温状態となり、室内送風機１３によって再び客室４に排出される。

暖房運転時には、冷媒は、圧縮機９から四方弁１０、室内熱交換器１２、キャピラリーチューブ１４、室外熱交換器８の順に送られ、四方弁１０、アキュムレータ１１を通過して再び圧縮機９に送られる。冷媒は、圧縮機９にて圧縮され高温高圧の気体状態となり、室内熱交換器１２通過時に周囲環境に熱を奪われ高温高圧の気体状態から常温高圧の液体状態となる。そして、常温高圧の液体状態となった冷媒は、キャピラリーチューブ１４通過時に急激に減圧され低温低圧の液体状態となり、室外熱交換器８通過時に周囲環境から熱を奪い急激に気化して常温常圧の気体状態となる。

暖房運転時に室外空間部４に供給された外気は、室外熱交換器８を通る際に冷媒の熱を奪い高温状態となり、室外送風機９によって再び車外に排出される。一方、客室４からリターン口１５を介して室内空間部５に供給された空気は、室内熱交換器１２を通る際に冷媒の気化により熱を奪われ低温状態となり、室内送風機１３によって再び客室４に排出される。

車両用空気調和装置１は、冷房運転と暖房運転とを選択的に行うことができ、四方弁１０でヒートポンプサイクルの冷媒の経路を切り替えることにより、冷房運転と暖房運転の運転を切り替えている。

図３は実施の形態１に係る車両用空気調和装置１の冷房運転時のヒートポンプサイクルを示す図である。なお、図３における矢印３０ａは冷媒の流れ方向、矢印３１ａは室外熱交換器８を通過する空気の流れ、矢印３２ａは室内熱交換器１２を通過する空気の流れをそれぞれ示している。また、図３では図２に示した二つの室外熱交換器８を一つの室外熱交換器８として示している。

圧縮機７の吐出口側と四方弁１０とを接続する主配管２０には、液状冷媒の圧縮機７への逆流を防止する目的で逆止弁１６が設けられている。また、室外熱交換器８とキャピラリーチューブ１４とを接続する主配管２１には、車両用空気調和装置１の運転停止時などに液状冷媒を移動させない目的で液ライン電磁弁１７が設けられている。

室外熱交換器８とキャピラリーチューブ１４とを接続する主配管２１と、キャピラリーチューブ１４と室内熱交換器１２とを接続する主配管２２には、冷媒の流れを分岐する三方管２４がそれぞれ設けられている。二つの三方管２４はバイパス配管２３により接続されており、バイパス配管２３は三方管２４を介して主配管２１、２２と連通している。また、バイパス配管２３にはバイパス配管２３の開閉を行う電磁弁１８が設けられている。

制御部３は、圧縮機7、四方弁１０、室外送風機９、室内送風機１３、液ライン電磁弁１７及び電磁弁１８と電気的に接続されており、車両情報制御装置１０６（図１参照）から送られてくる温度データなどの各種データや冷暖房運転切り替えの指令などに応じてそれぞれの駆動を制御している。

図３において矢印３０ａで示すように、冷房運転時、冷媒はヒートポンプサイクル内を圧縮機７、四方弁１０、室外熱交換器８、キャピラリーチューブ１４、室内熱交換器１２、四方弁１０、アキュムレータ１１、圧縮機７の順に循環する。室外熱交換器８では、矢印３１ａで示すように、室外送風機９によって供給された常温の空気が通過し冷媒の熱を奪い高温の空気となる。また、室内熱交換器１２では、矢印３２ａで示すように、室内送風機１３によって供給された常温の空気が通過し冷媒に熱を奪われて低温の空気となる。この低温の空気が客室１０４（図１参照）に供給される。

図４は実施の形態１に係る車両用空気調和装置１の暖房運転時のヒートポンプサイクルを示す図である。なお、図４における矢印３０ｂは冷媒の流れ方向、矢印３１ｂは室外熱交換器８を通過する空気の流れ、矢印３２ｂは室内熱交換器１２を通過する空気の流れをそれぞれ示している。また、図３と同じ構成には同一符号を付して説明を省略する。

図４において矢印３０ｂで示すように、暖房運転時、冷媒はヒートポンプサイクル内を圧縮機７、四方弁１０、室内熱交換器１２、キャピラリーチューブ１４、室外熱交換器８、四方弁１０、アキュムレータ１１、圧縮機７の順に循環する。室外熱交換器８では、矢印３１ｂで示すように、室外送風機９によって供給された常温の空気が通過し冷媒に熱を奪われて低温の空気となる。また、室内熱交換器１２では、矢印３２ｂで示すように、室内送風機１３によって供給された常温の空気が通過し冷媒の熱を奪い高温の空気となる。この高温の空気が客室１０４（図１参照）に供給される。

次に冷暖房運転切り替え時の運転動作について説明する。図５は実施の形態１に係る車両用空気調和装置１の冷暖房運転切り替え時の運転動作を示すフローチャートである。図５（ａ）は暖房運転の指令があった場合、図５（ｂ）は冷房運転の指令があった場合である。

まず、暖房運転の指令があった場合の運転動作について説明する。図５（ａ）に示すように、車両情報制御装置１０６から暖房運転の指令が制御部３へと送られる（Ｓ１０１）。制御部３は、暖房運転の指令を受信すると車両用空気調和装置１が冷房運転中かどうかを判断する（Ｓ１０２）。運転停止状態など冷房運転中でない場合には、四方弁１０を暖房運転側に切り替えて（Ｓ１０７）、暖房運転を開始させる（Ｓ１０８）。一方、冷房運転中である場合には、車両用空気調和装置１の運転（圧縮機７、室外送風機９及び室内送風機１３の駆動）を停止させる（Ｓ１０３）。車両用空気調和装置１の運転を停止することでヒートポンプサイクルにおける冷媒の循環が停止する。

車両用空気調和装置１の運転停止後、制御部３はバイパス配管２３に設けられた電磁弁１８を開放させる（Ｓ１０４）。この時、キャピラリーチューブ１４の前後（主配管２１側と主配管２２側）では差圧があるため、電磁弁１８を開放することで、圧力の高い室外熱交換器８内に溜まった液状冷媒がバイパス配管２３内を通り、圧力の低い室内熱交換器１２内へと移動する。

この電磁弁１８の開放は１０秒間維持される（Ｓ１０５）。ここで、電磁弁１８の開放時間は冷媒量などに応じて適宜設定されるものであり、室外熱交換器８内の液状冷媒が室内熱交換器１２内に移動するまでの十分な時間を設定する。電磁弁１８を開放してから１０秒経過すると、制御部３は電磁弁１８を閉鎖する（Ｓ１０６）。その後、制御部３は四方弁１０を暖房運転側に切り替えて（Ｓ１０７）、暖房運転を開始させる（Ｓ１０８）。

このように、四方弁１０を切り替える前に電磁弁１８を開放することで、配管内の差圧を利用して高圧側の室外熱交換器８から低圧側の室内熱交換器１２へ液状冷媒を容易に移動させることができる。そして、四方弁１０切り替え後には、移動した液状冷媒のある室内熱交換器１２は圧縮機７の吐出口側の主配管２０と接続されることになるので、液状冷媒の圧縮機７の吸入口側への移動が抑制され、圧縮機７の液圧縮のリスクを軽減させることができる。

次に、冷房運転の指令があった場合の運転動作について説明する。図５（ｂ）に示すように、車両情報制御装置１０６から冷房運転の指令が制御部３へと送られる（Ｓ２０１）。制御部３は、冷房運転の指令を受信すると車両用空気調和装置１が暖房運転中かどうかを判断する（Ｓ２０２）。運転停止状態など暖房運転中でない場合には、四方弁１０を冷房運転側に切り替えて（Ｓ２０７）、冷房運転を開始させる（Ｓ２０８）。一方、暖房運転中である場合には、車両用空気調和装置１の運転（圧縮機７、室外送風機９及び室内送風機１３の駆動）を停止させる（Ｓ２０３）。車両用空気調和装置１の運転を停止することでヒートポンプサイクルにおける冷媒の循環が停止する。

車両用空気調和装置１の運転停止後、制御部３はバイパス配管２３に設けられた電磁弁１８を開放させる（Ｓ２０４）。この時、キャピラリーチューブ１４の前後（主配管２１側と主配管２２側）では差圧があるため、電磁弁１８を開放することで、圧力の高い室内熱交換器１２内に溜まった液状冷媒がバイパス配管２３内を通り、圧力の低い室外熱交換器８内へと移動する。

この電磁弁１８の開放は１０秒間維持される（Ｓ２０５）。ここで、電磁弁１８の開放時間は冷媒量などに応じて適宜設定されるものであり、室内熱交換器１２内の液状冷媒が室外熱交換器８内に移動するまでの十分な時間を設定する。電磁弁１８を開放してから１０秒経過すると、制御部３は電磁弁１８を閉鎖する（Ｓ２０６）。その後、制御部３は四方弁１０を冷房運転側に切り替えて（Ｓ２０７）、冷房運転を開始させる（Ｓ２０８）。

このように、冷房運転から暖房運転への切り替え時と、暖房運転から冷房運転への切り替え時のどちらの場合においても、四方弁１０を切り替える前に電磁弁１８を開放することで、配管内の差圧を利用して高圧側の熱交換器から低圧側の熱交換器へ液状冷媒を容易に移動させることができる。

なお、図５では電磁弁１８を閉じるタイミングを時間で制御するものを示したが、配管内の圧力を検出する圧力センサや差圧センサなどを設け、これらセンサの検出値が所定値になるまで電磁弁１８を開く制御を継続し、その後四方弁１０を切り替えるようにしてもよい。その場合、使用環境などにより液状冷媒の移動時間が変動する場合にも、圧力が所定値になるまで電磁弁１８の開放を継続し液状冷媒を確実に低圧側に移動させることができる。

以上のように、室外熱交換器８とキャピラリーチューブ１４を繋ぐ主配管２１と、キャピラリーチューブ１４と室内熱交換器１２を繋ぐ主配管２２とを接続するバイパス配管２３を設けると共に、バイパス配管２３の開閉を行う電磁弁１８を設け、冷暖房運転切り替え時に四方弁１０を切り替える前に電磁弁１８を開く制御をすることで、高圧側の熱交換器に溜まった液状冷媒を低圧側の熱交換器へ移動させることができる。そして、四方弁１０切り替え後には、移動した液状冷媒は圧縮機７の吐出口側と接続する熱交換器に溜まった状態となるため、液状冷媒の圧縮機７の吸入口側への移動が抑制され、圧縮機７が吸い込む液状冷媒の量を大幅に減少させることが可能となり、圧縮機７の液圧縮のリスクを軽減させることができる。

ここで、図３、４に示したようにバイパス配管２３と主配管２１、２２は三方管２４によって接続されており、この接続部分を詳細に説明する。図６は実施の形態１に係る車両用空気調和装置１のバイパス配管２３の接続部分を示す図であり、図６（ａ）は斜視図、図６（ｂ）は断面図である。なお、図６はバイパス配管２３と主配管２１との接続部分を示しており、バイパス配管２３と主配管２２との接続部分も同様の構成となっている。

図６に示すように、三方管２４は主配管２１が接続される接続部２４ａと、接続部２４ａの主配管２１との接続方向と略直交する向きでバイパス配管２３が接続される接続部２４ｂを有している。三方管２４の接続部２４ａに接続された主配管２１は略直線状に延在し、接続部２４ｂに接続されたバイパス配管２３は主配管２１に対して略直角に延在した状態となる。また、三方管２４は、車両用空気調和装置１の設置状態において略水平に延在した主配管２１に取り付けられており、且つ、略水平に延在した主配管２１の円周部の下側方向にバイパス配管２３が延在する向きに取り付けられている。

主配管２１内には液層（液体状態の冷媒）２５と気層（気体状態の冷媒）２６とが流れることがある。上記のように主配管２１とバイパス配管２３を接続することで、主配管２１内の液層２５が重力によりバイパス配管２３が接続される下側に溜まる状態となり、バイパス配管２３の電磁弁２３までの管内に積極的に溜まる状態にすることができる。そして、冷房運転切り替え時に電磁弁２３を開放したときには、液状冷媒を低圧側に効率的に移動させることができる。

１ 車両用空気調和装置、２ 本体部、３ 制御部、４ 室外空間部、５ 室内空間部、６ 仕切壁、７ 圧縮機、８ 室外熱交換器、９ 室外送風機、１０ 四方弁、１１ アキュムレータ、１２ 室内熱交換器、１３ 室内送風機、１４ キャピラリーチューブ（減圧機構）、１５ リターン口、１６ 逆止弁、１７ 液ライン電磁弁、１８ 電磁弁、２０〜２２ 主配管、２３ バイパス配管、２４ 三方管、２５ 液層、２６ 気層、１００ 鉄道車両、１０４ 客室、１０６ 車両情報制御装置。

Claims (4)

1. 圧縮機、四方弁、室外熱交換器、減圧機構、室内熱交換器を主配管で順次接続し、前記四方弁で冷媒の経路を切換えることにより、冷房運転と暖房運転とを選択的に行うヒートポンプサイクルと、
   一端が前記室外熱交換器と前記減圧機構を繋ぐ主配管に接続され、他端が前記減圧機構と前記室内熱交換器を繋ぐ主配管に接続されたバイパス配管と、
   前記室外熱交換器と前記減圧機構を繋ぐ主配管において、前記バイパス配管との接続部と前記減圧機構との間に設けられる第１電磁弁と、
   前記バイパス配管に設けられ、該バイパス配管の開閉を行う第２電磁弁と、
   冷房運転から暖房運転、又は暖房運転から冷房運転への運転切り替え時、前記圧縮機の駆動を停止して前記冷媒の循環を停止させた後、前記第２電磁弁を開く制御を実行し、その後、前記四方弁を切り替える制御を実行する制御部と、
   を備えた車両用空気調和装置。
2. 前記制御部は、前記四方弁を切り替える前に、所定時間経過するまで前記第２電磁弁を開く制御を継続する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. 主配管内の圧力を検出するセンサを備え、
   前記制御部は、前記四方弁を切り替える前に、前記センサの検出値が所定値になるまで前記第２電磁弁を開く制御を継続することを特徴とする請求項１記載の車両用空気調和装置。
4. 前記バイパス配管は、略水平に延在した主配管の円周部の下側に接続されることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の車両用空気調和装置。

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