JPH079995A - 車両用空調装置とその制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】列車のトンネル内走行中における換気量の変動
に伴って空調の熱負荷が変動した場合でも、車内温度の
変動を小さく抑える。 【構成】インバータ１０で回転数制御される圧縮機１を
有した冷凍サイクルと、前記インバータ１０に制御指令
を出力する制御器１９とから構成した車両用空調装置に
おいて、制御器１９は、トンネルの有無を検出するトン
ネル検出器１１、列車のトンネルへの突入速度を検出す
る速度検出器１２、車外温度検出器１３及び車外湿度検
出器１４、車内温度検出器１５及び車内湿度検出器１
６、該圧縮器の吐出圧力検出器１７及び吸入圧力検出器
１８からの検出結果を制御入力とし、空調の熱負荷の変
動を数値計算により推測し、インバータ１０で圧縮機の
回転数を周波数制御して空調能力を熱負荷変動に追従さ
せる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、車両用空調装置の制御
方法に係り、特に高速で走行する鉄道車両に好適なイン
バータ等で容量制御される圧縮機を有した車両用空調装
置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】インバータで回転数制御される圧縮機の
運転方法としては、例えば、特開昭６０−９２１６２号
公報に記載されているように、検出した車内温度が一定
の許容範囲に入るように、周波数を変化させるという方
法が知られている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】高速鉄道車両において
は、換気装置により室内の換気が強制的に行われてお
り、その換気量は通常ほぼ一定である。しかし、車両が
トンネル内を走行する場合は車外圧力が大きく変動し、
換気装置から車内に吸入される車外の新鮮な空気の量が
大きく増減する。また、車体隙間からの空気の出入りも
ある。空調装置は、その影響で熱負荷が大きく変動する
ことになり、その結果、車内温度が大幅に変動するとい
う問題があった。

【０００４】ところが、上記従来技術は、トンネル内で
の換気熱負荷の変動について特に配慮されておらず、換
気量が大きく変動した場合に車内温度を一定に保てない
という問題があった。

【０００５】本発明の目的は、換気量の変動に伴って空
調の熱負荷が変動する場合でも、空調の熱負荷の変動を
数値計算により事前に推測し、インバータで圧縮機を適
切な回転数で運転することにより、熱負荷の変化に空調
能力を常に一致させ、快適な室内空間を確保し得る車両
用空調装置を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的はトンネルの有
無を検出するトンネル検出器と、車両内の空調能力を増
減させる手段と、該トンネル検出器の検出結果を制御入
力とし、検出結果に応じて空調能力を増減させる制御指
令を前記手段に出力する制御器とから空調装置を構成す
ることにより達成される。

【０００７】また、上記目的はインバータで回転数制御
される圧縮機を有した冷凍サイクルと、トンネルの有無
を検出するトンネル検出器と、列車のトンネルへの突入
速度を検出する速度検出器と、車外の空気温湿度を検出
する車外温度検出器及び車外湿度検出器と、車内の空気
温湿度を検出する車内温度検出器及び車内湿度検出器
と、前記圧縮器の吐出圧力と吸入圧力を検出する吐出圧
力検出器及び吸入圧力検出器と、前記速度検出器、トン
ネル検出器、車外温度検出器、車外湿度検出器、車内温
度検出器、車内湿度検出器、吐出圧力検出器、吸入圧力
検出器からの検出結果を制御入力とし、前記インバータ
に制御指令を出力する制御器とから空調装置を構成する
ことにより達成される。

【０００８】

【作用】トンネル検出器により、制御器がトンネルを検
出すると、列車のトンネル突入速度、列車の断面積とト
ンネルの断面積比、列車の長さとトンネルの長さ及び対
向列車とのすれ違いの有無等から列車がトンネルを通過
する間に受ける車外圧力の変動を演算し、その結果から
換気装置のトンネル走行中における換気量の変化の推移
を求める。前記換気量の変化と検出した車内外の空気温
湿度から換気熱負荷の増減を演算し、換気熱負荷の増減
量と空調装置の能力の増減量が同じになるようにインバ
ータで圧縮機の回転数を制御する。つまり、トンネル内
における換気の熱負荷の増減を推定し、圧縮機の運転周
波数を熱負荷の変化に追従させる。

【０００９】その結果、換気量の変動に伴って空調の熱
負荷が急激に変化した場合でも、空調能力の過不足運転
を防止し、車内温度を常に設定値に保持できるので、温
度変動の小さい快適な車内環境を乗客に提供することが
できる。

【００１０】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図１〜図４に示す
実施例により詳細に説明する。ここで、図１は空調装置
の構成図、図２は制御器の構成を示すブロック図、図３
は空調装置と換気装置の空気ダクトの配置を示した系統
図、図４はトンネル内における車内外圧力の変動と給排
気送風機の風量変化を示した図、図５は空調装置の運転
制御方法を示したフローチャートである。

【００１１】図１において、１は圧縮機、２は冷房時と
暖房時で冷媒の流れ方向を逆転させるための四方弁、３
は車外の空気と熱交換を行わせる室外熱交換器、４は室
外熱交換器３に外気を送風する室外ファン、５は高圧の
冷媒を低圧に減圧する膨張弁、６は車内の空気と熱交換
を行わせる室内熱交換器、７は室内熱交換器６に車内の
空気を送風する室内ファン、８は液冷媒が圧縮機１に吸
い込まれないように、液冷媒とガス冷媒を分離するアキ
ュムレータである。また、９は冷媒中に含まれた配管内
のゴミを取り除くためのストレーナである。

【００１２】１０は前記圧縮機１の運転周波数を変換す
るインバータである。１１はトンネルの有無を検出する
トンネル検出器、１２は列車の走行速度を検出する速度
検出器、１３，１４は車外の温湿度を検出する車外温度
検出器と車外湿度検出器、１５，１６は車内の温湿度を
検出する車内温度検出器と車内湿度検出器である。ま
た、１７，１８は圧縮機の吐出圧力と吸入圧力を検出す
る吐出圧力検出器及び吸入圧力検出器である。１９は制
御器であり、走行路線の各トンネル入口までの距離、ト
ンネル長さ、トンネル断面積などのトンネル情報を予め
記憶したメモリ３３（図２）を備えている。そして、速
度検出器１２から入力した列車の速度情報を用いて車外
圧力を予測演算し、その値から換気量の増減を計算し
て、換気量の変動に伴う空調の熱負荷の増減を推定し、
前記圧縮機１の回転数を制御するインバータ１０に運転
周波数の制御指令を与える。

【００１３】それぞれの検出器１１〜１８のアナログ出
力値は、図２に示すように制御器１９のＡ／Ｄコンバー
タ３０でデジタル値に変換され、マイクロコンピュータ
３１に入力される。マイクロコンピュータ３１は必要な
情報をメモリ３３から呼び出して換気熱負荷の変動量を
演算し、空調能力が該換気熱負荷の変動量と同じになる
ようなデジタル指令値をＤ／Ａコンバータ３２に出力す
る。Ｄ／Ａコンバータ３２でアナログ値に変換された指
令値はインバータ１０の周波数指令入力部に入力され、
インバータ１０は前記指令値に合致した周波数で圧縮機
１を駆動する。

【００１４】このような構成の空調装置において、通
常、圧縮機１の運転周波数は室内温度検出器１５で検出
した車内温度の設定温度に対する偏差量に応じて決定さ
れており、空調熱負荷が変化せず一定であるならば、車
内温度はほぼ設定温度で制御される。

【００１５】空調装置と換気装置の空気ダクト系は図３
に示すような構成になっている。３０は車体である。３
１は車外の新鮮な空気を車内に取り入れるための給気送
風機、３２は車内の汚れた空気を車外に排出するための
排気送風機である。３３は室内熱交換器６で冷却あるい
は暖められた空気を車両の天井から客室に分配するため
の空調給気ダクト、３４は車内の空気を室内熱交換器６
に循環させるために床部に設けたリターンダクトであ
る。グリル３５を介して車両３０の妻側から吸入された
車外の新鮮な空気は、換気給気ダクト３６を通って給気
送風機３１に導かれ、給気送風機３１から空調装置の室
内機器室に送風される。リターンダクト３４により吸い
込まれた車内の汚れた空気は、上記した車外の新鮮な空
気と混合されて、空調装置の室内熱交換器６を通り、室
内ファン７により空調給気ダクト３３を介して車内に供
給される。車内の汚れた空気の一部は排気送風機３２に
より、換気排気ダクト３７を通って床下から車外へ排出
される。

【００１６】車両の空調熱負荷の中、走行中は機器負
荷、人体負荷はトンネル内外とも変わらず一定である。
日射負荷はトンネルの中では日陰となり、外が晴天の場
合は若干変化するが、全体の熱負荷に占める割合（約５
％程度）は小さい。また、伝熱負荷もトンネル内外で外
気温度が異なるから若干変化するが、車体３０の熱容量
が大きいので列車がトンネルを通過する短時間の間では
それほど変化せず、換気熱負荷に比べるとその影響度は
小さい。つまり、トンネル内での空調熱負荷の変動要因
の中で大部分を占めるのは換気熱負荷であり、換気熱負
荷の変動分を補償する空調装置の運転を行えば、車内温
度の変動を小さくすることができる。

【００１７】車両３０が通常トンネル外を走行している
場合、車両は給気送風機３１と排気送風機３２により定
格風量で常に換気されていて、換気量の変動はほとんど
ないので、客室内の温度は空調負荷と空調能力がほぼ合
致して一定に保たれている。ところが、車両がトンネル
内を走行すると、図４に示すように車外圧力が大きく変
動し、その結果、換気装置である給気送風機３１と排気
送風機３２の風量が大きく変動する。その場合、従来は
車内温度検出器７で車内温度の変化を検知し、あらかじ
め設定された適温設定値Ｔと比較して、例えばＰＩＤ制
御で車内温度が設定温度になるようにフィードバック制
御するため、空調熱負荷の急変に空調装置の能力は追従
せず、車内温度が大きく変動していた。

【００１８】車両３０がトンネルに突入しようとすると
き、トンネル検出器１２でトンネル有り情報を検出し
て、速度検出器１１で検出した列車の現在速度から列車
がトンネル入口に到達する時間を演算すると共に、制御
器１９のメモリ３３に記憶しているトンネル長さ、トン
ネル断面積、列車断面積及び列車長などの必要な情報を
使って、トンネル通過中の車外圧力の変動量を推定す
る。

【００１９】この時、路線の対応するトンネルの選択
は、トンネル入口の地上側に設けた被検出板をトンネル
検出器により検出して、始発から順に列車が通過するト
ンネル数をカウントしていき、その都度対応するトンネ
ル情報を呼び出す方法でもよいし、あるいは、トンネル
毎のバーコードを標示した被検出板として、トンネル検
出器１２でバーコードの数値を読み込んで、対応するト
ンネル情報を呼び出す方法でもよい。

【００２０】図５に示すフローチャートにより詳細に説
明する。トンネル有り情報をトンネル検出器１１で検出
すると（５０１）、速度検出器１２で検出した列車速度
（５０２）から、トンネルに突入するまでの時間と、制
御器１９のメモリに記憶させているトンネル断面積、ト
ンネル長さ等の車外圧力変動を計算するのに必要な情報
を呼び出して車外圧力変動を演算し（５０３）、求めた
車外圧力の変動量から給気送風機の風量変化量を計算す
る（５０４）。次に、換気量の変化に伴う空調の熱負荷
変動を車内外温湿度検出器１３，１４，１５，１６で検
出した車内外の温湿度を使って演算する（５０５，５０
６）。ここで、換気熱負荷の変動量の計算には給気送風
機３１の断熱圧縮による温度上昇分を加味すると共に、
トンネル外で検出した外気温度から推定したトンネル内
の温度を使用する。なお、トンネル外の温湿度とトンネ
ル内の温湿度の関係は事前に実測して、近似式で数式化
しておく。

【００２１】次に、例えば冷房運転の場合（５０７）、
始めに現在の圧縮機１の吸入圧力を検出して（５０
８）、上記計算で求めた換気熱負荷の増減に冷房能力を
一致させるための室内熱交換器６（蒸発器として作用）
の飽和圧力変化量を演算で求め（５０９）、インバータ
１０に前記飽和圧力変化量に対応した運転周波数指令を
近似波形で出力する（５１０）。また、暖房運転の場合
は、圧縮機１の吐出圧力を検出して（５１１）、上記計
算で求めた換気熱負荷の増減に暖房能力を一致させるた
めの室内熱交換器６（凝縮器として作用）の飽和圧力変
化量を演算で求め（５１２）、インバータ１０に前記飽
和圧力変化量に対応した運転周波数指令を近似波形で出
力する（５１３）。

【００２２】また、トンネル外では、車内温度を検出し
て設定温度との偏差量から求めた周波数指令をインバー
タに出力する（５１４〜５１６）。

【００２３】ここで、車外圧力を直接車外圧力検出器で
検出して、換気量の変動に伴う空調の熱負荷の変動を演
算する方法も考えられるが、インバータ１０や圧縮機１
の応答遅れ時間を勘案すると、車外圧力が変動してから
空調能力を変化させるのでは位相遅れが生じ、換気熱負
荷の変動に空調能力の変化が追従できないことが考えら
れる。そこで、本発明のように、トンネル突入以前に換
気量の変動を推定し、冷凍サイクル系の時間遅れを補償
した圧縮機１の回転数制御を行えば、換気熱負荷の変動
に空調能力を追従させることができ、車内温度の変動幅
を小さく抑えることができる。

【００２４】また、制御器１９にあらかじめ試運転によ
り測定したトンネル毎の換気量の変動を記憶しておけ
ば、その都度換気量の変動を演算する必要がなく、トン
ネル突入前に検出した車外温湿度と車内温湿度から換気
熱負荷の変動を求めることができ、計算時間の短縮と検
出器の低減を図ることもできる。

【００２５】さらに、トンネル内での換気の給気量は図
４に示すように、減少側の変化が非常に大きいことか
ら、トンネル内ではトンネル外よりも常に空調能力を低
下させた運転を行うことも有効である。

【００２６】本実施例では、空調能力の増減はインバー
タにより圧縮機の回転数を変化させることにより行って
いるが、複数の冷凍サイクルを有した空調装置（車両に
複数台の空調装置を搭載する場合も含む）においては、
圧縮機の運転台数を増減させても良い。また、圧縮機の
モータの極数を変換させても良いし、圧縮機の吐出側か
ら吸入側にバイパスさせる冷媒流量を変化させることに
より空調能力を増減させても良い。

【００２７】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、換
気量の変動に伴って空調の熱負荷が急激に変動した場合
でも、空調能力の過不足を防止し、車内温度の変動を小
さく抑えることができるので、快適な車内環境を常に乗
客に提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による空調装置の一実施例の構成機器を
示した図である。

【図２】図１の制御器の構成を示すブロック図である。

【図３】車体における空調装置と換気装置の空気ダクト
の配置を示した系統図である。

【図４】トンネル内における車内外圧力の変動と給排気
送風機の風量変化を示した図である。

【図５】空調装置の運転制御方法を示したフローチャー
トである。

【符号の説明】

１…圧縮機、１０…インバータ、１１…トンネル検出
器、１２…速度検出器、１３…車外温度検出器、１４…
車外湿度検出器、１５…車内温度検出器、１６…車内湿
度検出器、１７…吐出圧力検出器、１８…吸入圧力検出
器、１９…制御器

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】トンネルの有無を検出するトンネル検出器
   と、車両内の空調能力を増減させる手段と、前記トンネ
   ル検出器の検出結果を制御入力とし、該検出結果に応じ
   て空調能力を増減させる制御指令を前記手段に出力する
   制御器とから構成した車両用空調装置。
2. 【請求項２】トンネルの有無を検出するトンネル検出器
   と、該トンネルの検出に基づいて車外圧力を求める手段
   と、車両内の空調能力を増減させる手段と、該車外圧力
   に応じて前記空調能力を制御する制御器とから構成した
   車両用空調装置。
3. 【請求項３】前記制御器を、トンネル内ではトンネル突
   入前よりも空調能力を低下させる制御指令を出力するよ
   うに構成した請求項１または２に記載の車両用空調装
   置。
4. 【請求項４】前記制御器が、トンネル情報を記憶したメ
   モリを有する請求項１または２記載の車両用空調装置。
5. 【請求項５】インバータで回転数制御される圧縮機を有
   した車両空調用の冷凍サイクルと、トンネルの有無を検
   出するトンネル検出器と、列車のトンネルへの突入速度
   を検出する速度検出器と、車外の空気温湿度を検出する
   車外温度検出器及び車外湿度検出器と、車内の空気温湿
   度を検出する車内温度検出器及び車内湿度検出器と、該
   圧縮機の吐出圧力と吸入圧力を検出する吐出圧力検出器
   及び吸入圧力検出器と、前記速度検出器、トンネル検出
   器、車外温度検出器、車外湿度検出器、車内温度検出
   器、車内湿度検出器、吐出圧力検出器、吸入圧力検出器
   からの検出結果を制御入力とし、前記インバータに制御
   指令を出力する制御器とから構成した車両用空調装置。
6. 【請求項６】車両用空調装置の制御方法において、トン
   ネルの有無を検出し、トンネル内走行時は、トンネル突
   入前よりも空調能力を低下させるように空調装置を制御
   することを特徴とする車両用空調装置の制御方法。
7. 【請求項７】トンネル内走行時の換気量変動による換気
   熱負荷の増減を演算で求め、該換気熱負荷の増減に合わ
   せて空調能力を同じように増減させるように圧縮機の回
   転数を制御するようにした請求項６に記載の車両用空調
   装置の制御方法。
8. 【請求項８】列車がトンネル外を走行中は、車内温度を
   制御対象に、該車内温度が目標温度となるようにインバ
   ータで圧縮機の回転数を周波数制御し、トンネル内を走
   行中は、冷房運転時は圧縮機の吸入圧力を、暖房運転時
   は圧縮機の吐出圧力を制御対象に切り換え、該圧力が目
   標圧力となるようにインバータで圧縮機の回転数を周波
   数制御するようにした請求項６に記載の車両用空調装置
   の制御方法。