JP6566713B2 - 車両用空調装置 - Google Patents

Description

本発明は、車両に搭載されて客室内の空調を行なう車両用空調装置に関する。

従来、電車等の車両に搭載されて客室内の空調を行なう車両用空調装置が提案されている。一般的に電車への電源供給は、架線からパンタグラフを介して行われる。電車が架線に給電されていない無電区間、いわゆるセクションを通過する際には、車両への電源供給が例えば１秒以内の短時間途絶える瞬時停電（以下、「瞬停」という）が起こることが知られている。瞬停が起こった場合は、車両用空調装置への給電も停止し、圧縮機も一旦停止する。

ここで、瞬停が起こった後に、一旦停止した圧縮機を再起動する場合、圧縮機の吸入側と吐出側の冷媒圧力のバランスをとるために、時間を要することがある。そこで、例えば特許文献１には、瞬停後から圧縮機の再起動までの時間を短縮する手法が提案されている。具体的には、特許文献１の電車用空調装置では、圧縮機の吐出側と吸入側の間に開閉弁を有するバイパス路が設けられる。そして、瞬停が発生した場合には、復電後に所定時間バイパス路の開閉弁を開放し、その後圧縮機を再起動することで、圧縮機の再起動に要する時間を短縮させる構成となっている。

特開平８−８５４５４号公報（請求項１参照）

ところで、車両用空調装置の絞り機構として、例えば電子リニア膨張弁（ＬＥＶ）などの開度が自動的に制御される膨張弁を備えるものがある。この場合、瞬停の際に膨張弁が暴走し、復電後に冷媒流量が大きく変動して圧縮機に液冷媒が流入する、いわゆる液圧縮を起こすことがある。詳しくは、膨張弁は、例えば圧縮機が吸い込む冷媒の温度と圧縮機が吸い込む冷媒の圧力から得られる冷媒の飽和蒸気温度との差を一定にするように、開度が制御される。ここで、瞬停によって圧縮機が停止した場合、冷媒が流れないことにより、成り行きによって温度が推移し、その温度を制御しようと膨張弁の開度が開放あるいは閉止の方向に制御される。この場合、復電後に圧縮機が再起動した時点において、膨張弁の開度が全開あるいは全閉となっていることがある。そして、例えば膨張弁の開度が全開となっている場合、圧縮機が再起動したときに熱交換器の能力以上の液冷媒が流れてしまい、圧縮機が液冷媒のまま吸い込んでしまう可能性がある。その結果、圧縮機は液冷媒を圧縮することになり、いわゆる液圧縮により圧縮機が破損する恐れがある。

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、瞬時停電後の圧縮機における液圧縮を抑制することができる車両用空調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、圧縮機と、室外熱交換器と、開度が可変である膨張弁と、室内熱交換器と、を含む冷媒回路と、冷媒回路を制御する制御部と、を備え、膨張弁および制御部は、瞬時停電が発生したときに電源供給が断たれない制御電源から電力を得て動作し、圧縮機は、瞬時停電が発生したときに電源供給が絶たれて停止するものであり、制御部は、瞬時停電の発生を検知する瞬停検知部を有し、瞬停検知部によって瞬時停電の発生が検知された場合、瞬時停電の発生から復電までの間、膨張弁の開度を瞬時停電が発生する直前の開度に保持するものである。

本発明の車両用空調装置によれば、瞬時停電が検知された場合には膨張弁の開度を瞬時停電発生直前の開度に保持することで、復電後の状態を瞬時停電前と略同じに保つことができ、圧縮機における液圧縮を抑制することができる。

本発明の実施の形態における車両用空調装置１の概略構成図である。 本発明の実施の形態の車両用空調装置におけるｐ−ｈ線図である。 従来例における車両用空調装置のセクション通過の動作を説明するグラフである。 本発明の実施の形態における車両用空調装置のセクション通過の動作を説明するグラフである。 本発明の実施の形態における車両用空調装置の動作を示すフローチャートである。

以下に、本発明における車両用空調装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は、本発明の実施の形態における車両用空調装置１の概略構成図である。なお、図１は、車両用空調装置１が冷房運転を行う場合の構成図を示す。車両用空調装置１は、電車などの車両の屋根または床下に設置され、客室２の空調を行う。図１に示すように、車両用空調装置１は、圧縮機１１と、室外熱交換器１２と、膨張弁１３と、室内熱交換器１４とが順次配管で接続されて構成される冷媒回路を備える。また、車両用空調装置１は、室外熱交換器１２に配置される室外送風機１５と、室内熱交換器１４に配置される室内送風機１６と、各部を制御する制御部５と、を備える。

車両用空調装置１は、客室２の空気を車両用空調装置１の室内熱交換器１４によって低温の冷媒と熱交換し、低温空気として再び客室２へ給気することで冷房運転を行う。なお、車両用空調装置１は、四方弁などを備えて冷媒の流路を切り替え、客室２の空気を車両用空調装置１の室内熱交換器１４によって高温の冷媒と熱交換し、高温空気として再び客室２へ給気する暖房運転を行うことも可能である。

圧縮機１１は、吸入側から吸入された冷媒を圧縮し、高温高圧のガス冷媒として吐出側から吐出する。圧縮機１１の運転容量は、制御部５によって制御される。また、圧縮機１１の吸入側には、圧縮機１１に吸入される冷媒の温度を検知する吸入温度センサ１７と、圧縮機１１に吸入される冷媒の圧力を検知する吸入圧力センサ１８とが設けられている。吸入温度センサ１７および吸入圧力センサ１８によって検知された吸入温度および吸入圧力は、制御部５に出力される。

室外熱交換器１２は、冷房運転時には冷媒の凝縮器として機能し、圧縮機１１によって圧縮されたガス冷媒を室外空気と熱交換することにより液冷媒とする。室外送風機１５は、例えばファンモータ（図示せず）によって駆動されるプロペラファンからなり、車両用空調装置１内に室外空気を吸入し、室外熱交換器１２により冷媒との間で熱交換した空気を室外に排出する。室外送風機１５が供給する空気の流量は、制御部５によって制御される。

膨張弁１３は、開度が可変の絞り機構であり、室外熱交換器１２を通過した液冷媒を減圧させ、低圧低温の冷媒とする。膨張弁１３は、例えば電子リニア膨張弁であり、制御部５によって開度（絞り）が制御される。

室内熱交換器１４は、冷房運転時には蒸発器として機能し、膨張弁１３によって減圧された低温の冷媒を室内空気と熱交換することにより、客室２に冷気を供給する。室内送風機１６は、例えばファンモータ（図示せず）によって駆動されるプロペラファンからなり、車両用空調装置１に客室２の空気を吸入し、室内熱交換器１４によって熱交換した空気を客室２に排出する。室内送風機１６が供給する空気の流量は、制御部５によって制御される。

制御部５は、運転制御部５１と、圧縮機インバータ５２と、送風機インバータ５３と、瞬停検知部５４とを有する。運転制御部５１は、マイクロコンピュータまたはＤＳＰ（Digital Signal Processor）などで構成され、車両用空調装置１の各部を制御して冷房運転を行う。ここで、客室２に必要な冷房能力は、外気温度および乗車人数により変化する。運転制御部５１は、圧縮機インバータ５２および送風機インバータ５３によって、圧縮機１１、室外送風機１５および室内送風機１６のモータの回転数をインバータ制御することにより、冷房能力を制御する。

例えば、運転制御部５１が、圧縮機１１の回転数を上げるように圧縮機インバータ５２に制御指令を出し、圧縮機インバータ５２が圧縮機１１のモータ（図示せず）の回転数を上げて駆動することで、冷媒回路に多くの冷媒を流すことができ、冷房能力を高めることができる。また、運転制御部５１が、室外送風機１５および室内送風機１６のファンモータ（図示せず）回転数を上げるように、送風機インバータ５３に制御指令を出し、送風機インバータ５３が、室外送風機１５および室内送風機１６のファンモータ（図示せず）の回転数を上げて駆動することで、室外熱交換器１２および室内熱交換器１４での熱交換量を多くすることができ、冷房能力を高めることができる。なお、図１では省略されているが、送風機インバータ５３は室内送風機１６とも接続されている。

本実施の形態では、運転制御部５１は、通常動作時の通常制御として、客室２に配置される室内温度センサ２１で検知される実際の室内温度が、客室２の設定温度となるように、圧縮機１１の回転数をＰＩ制御する。また、室外送風機１５および室内送風機１６を一定速で運転するよう制御する。さらに、運転制御部５１は、通常制御として、冷媒回路の過熱度に応じて膨張弁１３の開度をＰＩ制御する。

ここで、膨張弁１３によって、室外熱交換器１２を通過した後の液冷媒を膨張させる際、冷媒は一部気化する（すなわち発泡を伴う）。膨張弁１３での絞りが強いと冷媒循環量が少なくなる。このとき、室内熱交換器１４の冷媒は蒸発してしまい室内熱交換器１４が有効に使われず、熱交換量が小さくなり、冷房能力が抑えられてしまう。一方、膨張弁１３の絞りが小さいと冷媒循環量が増え、冷房能力は増すものの、室内熱交換器１４の熱交換能力を超え、一部が液冷媒のまま室内熱交換器１４を出て、圧縮機１１に吸入されてしまう。この場合、圧縮機１１は液圧縮を起こしてしまい、圧縮機１１が破損する恐れがある。このように、膨張弁１３は、冷房能力を保ち、液圧縮は起きないように適正な絞りが求められる。

適正な冷媒流量となるように膨張弁１３を制御することは、室内熱交換器１４出口の状態を制御することと同じである。すなわち、室内熱交換器１４内部の冷媒の温度と蒸発して室内熱交換器１４を出るまでの温度差を適正に制御することで、適正な冷媒量とすることができる。なお、室内熱交換器１４内部の冷媒の温度と蒸発して室内熱交換器１４を出るまでの温度差を過熱度という。また、圧縮機１１の入口の状態を基に膨張弁１３を制御することもできる。この場合は、圧縮機１１の吸入温度と吸入圧力に対応する冷媒の蒸発温度の差を制御する。圧縮機１１の吸入温度と吸入圧力に対応する冷媒の蒸発温度の差は圧縮機１１の吸入状態を基準とする過熱度である。なお、以下の説明において、圧縮機１１の吸入状態を基準とする過熱度を「吸入過熱度」という。この吸入過熱度を、適正な設定過熱度となるように制御することにより、冷房負荷が変動したときも、適正に冷房能力を保ちながら、液圧縮を防止することができる。そのため、本実施の形態の運転制御部５１は、吸入温度センサ１７によって検知された吸入温度と、吸入圧力センサ１８によって検知された吸入圧力から得られる冷媒の飽和蒸気温度との差である吸入過熱度が、予め設定された過熱度となるように、膨張弁１３の開度をＰＩ制御する。

図２は、本実施の形態の車両用空調装置１におけるｐ−ｈ線図である。図２において、吸入過熱度は、吸入点の温度と吸入点での圧力における飽和ガスラインの温度、すなわち飽和蒸発温度との差異である。運転制御部５１は、この温度差を例えば５Ｋ（設定過熱度）になるように、膨張弁１３の開度を制御する。

次に、車両用空調装置１を搭載した車両が無電区間であるセクションを通過する時の挙動について説明する。前提として、セクション通過時には、圧縮機１１、室外送風機１５および室内送風機１６などの機器は電源を絶たれて停止する。復電後は定められた順序に従い、運転が再開される。一方、運転制御部５１への制御電源は、セクション通過により電源が絶たれることはない。本実施の形態における膨張弁１３の電源は、制御電源から得ているため、セクション通過時も正常に動作する。

本実施の形態では、瞬停検知部５４が、圧縮機インバータ５２および送風機インバータ５３への電源供給を監視し、瞬停の発生および復電を検知する。瞬停検知部５４は、瞬停の発生および復電を検知すると、運転制御部５１に通知する。なお、瞬停検知部５４は、圧縮機インバータ５２および送風機インバータ５３への電源供給を監視するものに限定されず、例えば他の機器からの通知などによって瞬停の発生および復電を検知してもよい。

図３は、従来例における車両用空調装置のセクション通過の動作を説明するグラフである。図３では横軸が時間、縦軸が吸入過熱度および膨張弁の開度を示す。図３に示すように、圧縮機の起動時（領域Ａ）においては、膨張弁は初期開度を一定時間保持するよう制御される。この初期開度は適正絞り量より絞った値に設定される。これにより、吸入過熱度が大きくなり、圧縮機への液冷媒の吸入を防ぐことができる。そして、一定時間が経過すると通常制に移行する（領域Ｂ）。通常制御では、吸入過熱度が設定過熱度になるように膨張弁の開度が制御される。ここでは、吸入過熱度が大きくなっているため、膨張弁の開度が開かれる。これにより、冷媒流量が大きくなり、吸入過熱度が設定過熱度になるように制御され、結果として冷房能力が上がる。

そして、通常制御により動作が安定している状態において、セクション通過による瞬停が発生したとする（領域Ｃ）。瞬停が発生すると、圧縮機が停止して冷媒が循環しなくなる。その結果、圧縮機の吸入側の冷媒温度が上がり、同時に吸入側の冷媒圧力も上がる。ただし、いずれも成り行きであって、吸入側の冷媒温度および冷媒圧力がどのように推移するかは、状況に応じて異なる。ここでは、冷媒の循環が停止することにより、圧縮機の吸入側の冷媒温度および冷媒圧力が上がり、吸入過熱度が瞬停発生前の吸入過熱度よりも大きくなる場合について説明する。

この場合、吸入過熱度は設定過熱度よりも大きくなるので、制御部は、冷媒がより流れるように膨張弁の開度を開くように制御する。しかしながら膨張弁の開度を開いても冷媒は流れないため、吸入過熱度を下げることができない。従って膨張弁の開度はさらに開くよう制御され、開度の上限に達する。なお膨張弁の開度の開く、または閉じる速度は機器により決まっており、最大その速度で動作する。このように、瞬停によって膨張弁の開度が意図しない方向に動いてしまう。

次に、復電が完了すると（領域Ｄ）、制御部は室外送風機および室内送風機を再起動し、その後圧縮機を再起動する。圧縮機が再起動した時点では、膨張弁の開度は全開となっている。そして、圧縮機の回転数が上昇すると、冷媒回路に冷媒が流れ、吸入過熱度が下がり始める。それに従って、膨張弁の開度は全開から閉じる方向に制御されるが、全開から適正開度になるまでには時間がかかる。この時間は、膨張弁が閉じる速度によって決まる。そして、この時間の間に、室内熱交換器に冷媒が過剰に流れることで、吸入過熱度が負の値になる。これにより、液冷媒が圧縮機に入り、圧縮機において液圧縮を起こしてしまう。

このような液圧縮を抑制するため、本実施の形態の車両用空調装置１では、瞬停が発生した場合に、運転制御部５１が膨張弁１３の開度を保持するよう制御し、圧縮機１１が再起動した場合に、保持した開度から通常制御に移行する。図４は、本実施の形態における車両用空調装置１のセクション通過の動作を説明するグラフである。領域Ａの起動時および領域Ｂの起動後の通常制御時では、図３に示す従来例と同様に、吸入過熱度および膨張弁１３の開度が推移する。

そして、車両用空調装置１を搭載した車両がセクションを通過することにより瞬停が発生した場合（領域Ｃ）、圧縮機１１、室外送風機１５および室内送風機１６が停止される。また、運転制御部５１は、膨張弁１３の開度を、瞬停が発生する直前の開度に保持するよう制御する。すなわち、本実施の形態においては、瞬停により、吸入過熱度は上昇するが、運転制御部５１は、膨張弁１３の開度を吸入過熱度に応じて変更させない。運転制御部５１は、圧縮機１１が再起動するまで、膨張弁１３の開度を保持する。

次に、復電が完了すると（領域Ｄ）、運転制御部５１は、送風機インバータ５３に制御指令を送り、室外送風機１５および室内送風機１６を再起動する。その後、圧縮機インバータ５２に制御指令を送り、圧縮機１１を再起動する。そして、圧縮機１１が再起動して所定の時間が経過した後に、膨張弁１３の開度を通常制御する。ここで、圧縮機１１の再起動時における膨張弁１３の開度は、全開または全閉ではなく瞬停直前の開度が保持されている。そのため、通常制御が再開したときにも、わずかな状態変化はあるものの、瞬停前と略同じ状態が保たれている。これにより、室内熱交換器１４への冷媒流量が過大となることが無く、圧縮機１１における液圧縮が抑制される。

図５は、本実施の形態における車両用空調装置の動作を示すフローチャートである。図５に示すように、まず、車両用空調装置１が起動される（Ｓ１）。そして、吸入過熱度が大きくなるまでの所定の時間が経過した後、運転制御部５１による通常制御が行われる（Ｓ２）。通常制御では、室外送風機１５および室内送風機１６は一定速で運転され、室内温度センサ２１で検知される室内温度が客室２の設定温度となるように、圧縮機１１の回転数がＰＩ制御される。また、膨張弁１３は、吸入過熱度が設定過熱度となるようにＰＩ制御される。そして、瞬停検知部５４によって瞬停の発生が検知されたか否かが判断される（Ｓ３）。ここで、瞬停の発生が検知されていない場合は（Ｓ３：ＮＯ）、ステップＳ２に戻り、通常制御が継続される。

一方、瞬停の発生が検知された場合（Ｓ３：ＹＥＳ）、室外送風機１５、室内送風機１６および圧縮機１１が、給電の停止により停止される（Ｓ４）。また、それと同時に膨張弁１３の開度が、瞬停発生直前の開度に保持される（Ｓ５）。そして、瞬停検知部５４によって復電が検知されたか否かが判断され（Ｓ６）、復電が検知されていない場合は（Ｓ６：ＮＯ）、復電が検知されるまで待機する。

一方、復電が検知された場合（Ｓ６：ＹＥＳ）、第１の時間ｔ１が経過するまで待機し（Ｓ７）、室外送風機１５および室内送風機１６が再起動される（Ｓ８）。次に、第２の時間ｔ２が経過するまで待機し（Ｓ９）、圧縮機１１が再起動される（Ｓ１０）。その後、第３の時間ｔ３が経過するまで待機し（Ｓ１１）、膨張弁１３が通常制御（すなわち吸入過熱度に対するＰＩ制御）される（Ｓ１２）。その後、ステップＳ２に戻り、車両用空調装置１が停止されるまで、以降の処理が繰り返される。なお、第１の時間ｔ１および第２の時間ｔ２の待機は、室外送風機１５および室内送風機１６と、圧縮機１１との起動電流発生時点をずらすために行う。これにより、起動時に過大な電流になることを防止することができる。また、第３の時間ｔ３の待機は、圧縮機１１が起動指令を受けてほぼ定常状態になるまでの時間を設定する。各時間は車両用空調装置１が搭載される車両の空調システム全体にあわせて予め設定される。

以上のように、本実施の形態によれば、瞬停が発生した際に膨張弁１３の開度を瞬停発生直前の開度に保持することで、膨張弁１３が意図しない方向に動くことを防ぎ、圧縮機１１の起動時における液圧縮を抑制することができる。これにより、車両用空調装置１を安定的に動作させることができる。

また、瞬停から復電した場合には、膨張弁１３の開度を冷媒回路における過熱度に応じて制御する（すなわち通常制御する）ことで、復電後には、過熱度に応じて膨張弁１３の開度を制御することができる。

また、瞬停から復電した場合であって、圧縮機１１が再起動してから予め定められた第３の時間ｔ３が経過した場合に、膨張弁１３の開度を冷媒回路における過熱度に応じて制御する（すなわち通常制御する）ことで、圧縮機１１が定常状態になってから膨張弁１３の開度を制御することができ、車両用空調装置１をより安定して動作させることができる。

また、瞬停から復電した場合であって、室外送風機１５および室内送風機１６を再起動してから予め定められた第２の時間ｔ２が経過した場合に、圧縮機１１を再起動することで、室外送風機１５および室内送風機１６と、圧縮機１１との起動電流発生時点をずらし、起動時に過大な電流になることを防止することができる。

以上が本発明の実施の形態の説明であるが、本発明は、上記の実施の形態の構成に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内で様々な変形または組み合わせが可能である。具体的には、上記実施の形態では、冷房運転時における動作について説明したが、車両用空調装置１において、暖房運転を行う場合にも本発明を適用することができる。

１ 車両用空調装置、２ 客室、５ 制御部、１１ 圧縮機、１２ 室外熱交換器、１３ 膨張弁、１４ 室内熱交換器、１５ 室外送風機、１６ 室内送風機、１７ 吸入温度センサ、１８ 吸入圧力センサ、２１ 室内温度センサ、５１ 運転制御部、５２ 圧縮機インバータ、５３ 送風機インバータ、５４ 瞬停検知部。

Claims (4)

1. 圧縮機と、室外熱交換器と、開度が可変である膨張弁と、室内熱交換器と、を含む冷媒回路と、
   前記冷媒回路を制御する制御部と、を備え、
   前記膨張弁および前記制御部は、前記瞬時停電が発生したときに電源供給が断たれない制御電源から電力を得て動作し、
   前記圧縮機は、瞬時停電が発生したときに電源供給が絶たれて停止するものであり、
   前記制御部は、
   前記瞬時停電の発生を検知する瞬停検知部を有し、
   前記瞬停検知部によって前記瞬時停電の発生が検知された場合、前記瞬時停電の発生から復電までの間、前記膨張弁の開度を前記瞬時停電が発生する直前の開度に保持することを特徴とする車両用空調装置。
2. 前記制御部は、前記瞬時停電から復電した場合、前記膨張弁の開度を前記冷媒回路における過熱度に応じて制御することを特徴とする請求項１に記載の車両用空調装置。
3. 前記制御部は、前記瞬時停電から復電した場合、前記圧縮機が再起動してから予め定められた時間が経過した後に、前記膨張弁の開度を前記冷媒回路における過熱度に応じて制御することを特徴とする請求項２に記載の車両用空調装置。
4. 前記室外熱交換器に配置される室外送風機と、
   前記室内熱交換器に配置される室内送風機と、をさらに備え、
   前記制御部は、前記瞬時停電から復電した場合であって、前記室外送風機および前記室内送風機を再起動してから予め定められた時間が経過した場合、前記圧縮機を再起動することを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の車両用空調装置。

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