JP6143616B2 - 車両用空気調和装置、及び、その制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、全熱交換器を搭載した車両用空気調和装置、及び、その制御方法に関するものである。

従来の車両用空気調和装置においては、換気用の外気の熱負荷を低減する目的で、全熱交換器を搭載している車両用空気調和装置が知られている（例えば、特許文献１〜３参照）。
このような全熱交換器は、外気のエンタルピーと車内空気のエンタルピーを比較し、外気を車内に導入した際に熱負荷となる場合には、導入外気と車内からの排気との間で熱交換し、排気からの排熱回収を行って空調装置の外気負荷を低減する省エネルギー効果を奏することができる。また、例えば冷房時に外気のエンタルピーが車内空気のエンタルピーより低い場合には、全熱交換器をバイパスさせ、外気を直接車内に供給することで外気冷房を行い、省エネルギー効果を発揮することも可能である。

特開２００９−２１４６４８号公報 特開２００９−１９０４９５号公報 特開平７−２２３５３８号公報

一般的に鉄道車両は車体の隙間から車内に風やゴミが流入しないように、車内の空気圧力を車外の大気圧よりも上げるように制御されている。車内空気圧力は外気導入ファンと排気ファンの風量の関係で、成り行きで決まっているため、車内圧力を優先してファン制御を行うと車内の換気に必要な外気導入量が確保できなくなるという問題がある。また、車内圧力の維持のため必要以上に外気導入量を増やすと外気負荷が増大して省エネルギー性を損なうという問題がある。

この発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、車内の圧力制御を行うと同時に適切な外気導入量を確保し、適正車内空気圧力と省エネルギー性能を両立した車両用空気調和装置、及び、その制御方法を得ることを目的とする。

本発明に係る車両用空気調和装置は、外気と車内空気とを合流し室内熱交換器を通過させて車内に供給する室内送風ファンと、車内空気を車外に排気する回転数を可変とした排気ファンと、前記室内送風ファンが送風する外気と前記排気ファンが送風する排気とを熱交換する全熱交換器と、車内の空気圧力を検出する車内圧力センサと、車外の空気圧力を検出する車外圧力センサと、を備えた車両用空気調和装置であって、前記車内圧力センサと前記車外圧力センサとの圧力差を算出し、前記車内の空気圧力が前記車外の空気圧力に比べて設定された値だけ大きくなるように、前記排気ファンの回転数を制御し、外気導入口から前記外気を取入れ前記全熱交換器を経て前記室内熱交換器に至る風路の前記外気導入口に外気量調整ダンパーを設け、前記車内空気を取入れる風路に還気量調整ダンパーを設け、車内の乗車人数または車内の二酸化炭素濃度に基づいて前記外気量調整ダンパーの開度と前記還気量調整ダンパーの開度とを制御し、導入外気量を変更する。

本発明に係る車両用空気調和装置、及び、その制御方法によれば、車内圧力センサと車外圧力センサとの圧力差に基づいて全熱交換器の排気ファンの回転数を制御するので、必要外気量を確保するとともに車両内外差圧を確保し、車両内への外気やゴミの侵入を阻止することができる。また、全熱交換器で車内空気から排熱回収を行うことで外気負荷を低減し空調装置の省エネルギーにも寄与することが可能となる。

本発明の実施の形態１に係る車両用空気調和装置を示す概略図である。 本発明の実施の形態１に係る車両用空気調和装置内の機器配置及び空気の流れを示す概略図である。 本発明の実施の形態１に係る制御装置のブロック図である。 本発明の実施の形態１に係る車両用空気調和装置の外気導入ファンと排気ファンの制御フロー図である。 本発明の実施の形態２に係る車両用空気調和装置内の機器配置及び空気の流れを示す概略図である。 本発明の実施の形態３に係る車両用空気調和装置内の機器配置及び空気の流れを示す概略図である。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る車両用空気調和装置を示す概略図である。
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内の機器配置及び空気の流れを示す概略図である。
本実施の形態に係る車両用空気調和装置１は、内部に室内熱交換器２と、室内送風ファン３と、外気導入ファン４と、排気ファン５と、全熱交換器６と、室外熱交換器７と、室外送風ファン８と、圧縮機９と、膨張弁１７とにより主に構成されている。

圧縮機９、室内熱交換器２、室外熱交換器７は、冷媒配管で接続され、冷凍サイクル装置を形成している。
全熱交換器６に接続される風路には、外気（ＯＡ）を車内に供給する外気導入ファン４と、車内の空気（ＲＡ）を車外に排気する排気ファン５が設けられている。
外気導入ファン４と、排気ファン５は、それぞれモータ回転数を制御可能なインバータ回路を備えている。

次に、本実施の形態に係る車両用空気調和装置１の作動について説明する。
車内からの還気（ＲＡ）は、室内熱交換器２を通り、熱交換して所定の温湿度に調整され、室内送風ファン３を介して車内に給気（ＳＡ）として供給される。
このとき、車内の温度が設定値となるように圧縮機９の回転数、膨張弁（図示しない）の開度、室内送風ファン３の回転数、室外送風ファン８の回転数等が制御装置２０により制御される。

図３は、本発明の実施の形態１に係る制御装置のブロック図である。
制御装置２０は、図３に示すように、外気温湿度を検出する外気温湿度センサ１２、車両内の乗客数を把握する重量センサ１０、車内空気の温湿度を検出する車内温湿度センサ１１、車両用空気調和装置１の吸込空気温湿度センサ１３などの検知情報により必要空調能力の演算を行い、上記各アクチュエータを制御する。

また、全熱交換器６に外気導入ファン４により搬送された外気（ＯＡ）は、車内空気からの排気（ＥＡ）と熱交換し、車内からの還気（ＲＡ）と合流して室内熱交換器２を通り車内に給気（ＳＡ）として供給される。
そして、制御装置２０は、図３に示すように、重量センサ１０、車内の空気圧力を検出する車内圧力センサ１４、車外の空気圧力を検出する車外圧力センサ１５、導入外気量を検出する外気風量センサ１６により後述のように全熱交換器６の外気導入ファン４と排気ファン５とを制御する。

次に、車両用空気調和装置１の換気機能の制御について説明する。
図４は、本発明の実施の形態１に係る車両用空気調和装置の外気導入ファンと排気ファンの制御フロー図である。
全熱交換器６に外気（ＯＡ）と車内の空気（ＲＡ）をそれぞれ供給する外気導入ファン４と排気ファン５は、まず車両の乗車人数に応じた最低換気量を確保するように回転数制御が行われる。
そこで、制御装置２０は、車両に設置した重量センサ１０により車両の重量を測定し（ステップ１）、車両あたりの搭乗者の人数を演算する（ステップ２）。

次に、車両あたりの人数から外気導入量を演算する（ステップ３）。
この演算は、車内の二酸化炭素濃度や臭気レベル等の観点から１人あたりの必要外気導入量を設定し（例えば０．５ｍ^３／ｍｉｎ・人）、人数をかけて算出する。
算出した外気導入量となるような外気導入ファン４の必要回転数をファンの風量特性から算出し、インバーターによるファンモータの回転数制御を行う（ステップ４）。
次に、車両内の空気圧力を車内圧力センサ１４で測定するとともに、車両外の空気圧力を車外圧力センサ１５で測定し、それらの差圧を演算する（ステップ５）。

そして、制御装置２０は、車両内の空気圧力が車両外より所定値（例えば車両外に対して車両内圧力を１０Ｐａ高く設定）高くなるように排気ファン５の回転数を制御する（ステップ６）。すなわち、車両内外差圧を測定しながら外気導入ファン４の回転数に対して排気ファン５の回転数を小さくした運転を行う。

なお、ステップ３で外気導入量を１人あたりの必要外気量に人数をかけて算出したが、車内の二酸化炭素濃度を二酸化炭素センサで測定し、外気導入量を算出してもよい。
また、ステップ４で外気導入ファン４の必要回転数をファンの風量特性から算出したが、外気風量センサ１６を外気導入口の近辺に設置し、算出した外気導入量になるように外気導入ファン４の回転数制御を行うことも可能である。

このような制御ステップにより全熱交換器６に供給する外気量と排気量を調整することにより、乗車人数に応じた必要外気量を確保するとともに車両内外差圧を確保し、車両内への外気やゴミの侵入を阻止する。そして、全熱交換器６で車内空気から排熱回収を行うことで外気負荷を低減し空調装置の省エネルギーにも寄与することが可能となる。

実施の形態２．
図５は、本発明の実施の形態２に係る車両用空気調和装置内の機器配置及び空気の流れを示す概略図である。
本実施の形態では、実施の形態１に係る外気導入ファン４の設置を取りやめ、室内送風ファン３にて外気を全熱交換器６に導入する構成となっている。
すなわち、室内送風ファン３にて外気導入ファン４の機能を兼用し、車両用空気調和装置１の機器構成を単純化したものである。

また、車両用空気調和装置１に設けられた外気導入口に外気量調整ダンパー３０と外気風量センサ１６を設け、車内空気の還気口に還気量調整ダンパー３１を設けている。
このように外気量調整ダンパー３０と還気量調整ダンパー３１、及び外気風量センサ１６を設けることで外気導入量と還気量のバランスを制御し、車内に供給される外気導入量を確実に確保する。

本実施の形態の場合、図４におけるステップ４にて、外気量調整ダンパー３０と還気量調整ダンパー３１とを開度制御し、必要な外気導入量を外気風量センサ１６で測定することで外気導入量を確保する。
そして、その他のステップは、実施の形態１と同様の制御を行い、車内の空気圧力制御を行う。

このような制御ステップにより全熱交換器６に供給する外気量と排気量を調整することにより、実施の形態１と同様に乗車人数に応じた必要外気量を確保するとともに車両内外差圧を確保し、車両内への外気やゴミの侵入を阻止する。そして、全熱交換器６で車内空気から排熱回収を行うことで外気負荷を低減し空調装置の省エネルギーにも寄与することが可能となる。また、外気導入ファン４を設置しないことで車両用空気調和装置１の機器構成を単純化することができる。

実施の形態３．
図６は、本発明の実施の形態３に係る車両用空気調和装置内の機器配置及び空気の流れを示す概略図である。
本実施の形態では、実施の形態１に係る排気ファン５の設置を取りやめ、室外送風ファン８にて車内からの排気を全熱交換器６に導入する構成となっている。
すなわち、室外送風ファン８にて排気ファン５の機能を兼用し、車両用空気調和装置１の機器構成を単純化したものである。

また、車両用空気調和装置１に設けられた排気口に排気量調整ダンパー３２を設けている。
このように排気量調整ダンパー３２を設けることで排気量を制御し、車内の空気圧力を確実に制御する。

本実施の形態の場合、図４におけるステップ６にて、排気量調整ダンパー３２を開度制御し、車両内の空気圧力が車両外より所定値高くなるように排気量を確保する。
そして、その他のステップは、実施の形態１と同様の制御を行い、車内の空気圧力制御を行う。

このような制御ステップにより全熱交換器６に供給する外気量と排気量を調整することにより、実施の形態１と同様に乗車人数に応じた必要外気量を確保するとともに車両内外差圧を確保し、車両内への外気やゴミの侵入を阻止する。そして、全熱交換器６で車内空気から排熱回収を行うことで外気負荷を低減し空調装置の省エネルギーにも寄与することが可能となる。また、排気ファン５を設置しないことで車両用空気調和装置１の機器構成を単純化することができる。

１ 車両用空気調和装置、２ 室内熱交換器、３ 室内送風ファン、４ 外気導入ファン、５ 排気ファン、６ 全熱交換器、７ 室外熱交換器、８ 室外送風ファン、９ 圧縮機、１０ 重量センサ、１１ 車内温湿度センサ、１２ 車外温湿度センサ、１３ 吸込空気温湿度センサ、１４ 車内圧力センサ、１５ 車外圧力センサ、１６ 外気風量センサ、１７ 膨張弁、２０ 制御装置、３０ 外気量調整ダンパー、３１ 還気量調整ダンパー、３２ 排気量調整ダンパー。

Claims (5)

1. 外気と車内空気とを合流し室内熱交換器を通過させて車内に供給する室内送風ファンと、車内空気を車外に排気する回転数を可変とした排気ファンと、前記室内送風ファンが送風する外気と前記排気ファンが送風する排気とを熱交換する全熱交換器と、車内の空気圧力を検出する車内圧力センサと、車外の空気圧力を検出する車外圧力センサと、を備えた車両用空気調和装置であって、
   前記車内圧力センサと前記車外圧力センサとの圧力差を算出し、前記車内の空気圧力が前記車外の空気圧力に比べて設定された値だけ大きくなるように、前記排気ファンの回転数を制御し、
   外気導入口から前記外気を取入れ前記全熱交換器を経て前記室内熱交換器に至る風路の前記外気導入口に外気量調整ダンパーを設け、
   前記車内空気を取入れる風路に還気量調整ダンパーを設け、
   車内の乗車人数または車内の二酸化炭素濃度に基づいて前記外気量調整ダンパーの開度と前記還気量調整ダンパーの開度とを制御し、導入外気量を変更することを特徴とする車両用空気調和装置。
2. 前記乗車人数は、車両の重量を検出する重量センサの検出値から演算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. 外気を車内に供給する外気導入ファンと、空気調和装置の室外熱交換器に外気を送風するとともに車内空気を車外に排気する室外送風ファンと、前記外気導入ファンが送風する外気と前記室外送風ファンが送風する排気とを熱交換する全熱交換器と、前記車内空気を車外に排気する風路に設けた排気量調整ダンパーと、車内の空気圧力を検出する車内圧力センサと、車外の空気圧力を検出する車外圧力センサと、を備えた車両用空気調和装置であって、
   前記車内圧力センサと前記車外圧力センサとの圧力差を算出し、前記車内の空気圧力が前記車外の空気圧力に比べて設定された値だけ大きくなるように、前記排気量調整ダンパーの開度を制御することを特徴とする車両用空気調和装置。
4. 前記外気導入ファンは回転数を可変としたファンとし、車内の乗車人数または車内の二酸化炭素濃度に基づいて前記外気導入ファンの回転数を制御し、導入外気量を変更することを特徴とする請求項３に記載の車両用空気調和装置。
5. 前記乗車人数は、車両の重量を検出する重量センサの検出値から演算することを特徴とする請求項４に記載の車両用空気調和装置。

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