JPWO2018230278A1 - 車両用空気調和装置及び車両用空気調和装置の空気調和方法 - Google Patents

Abstract

制御装置は、予め設定された客室の温度の目標値、外気温度、及び室内温度に基づいて、フリークーリング制御による客室の冷房が可能か否かを判定する事前判定（ステップＳ１１）と、事前判定でフリークーリング制御による客室の冷房が可能であると判定した場合に、外気温度と室内温度との温度差に依存し、フリークーリング制御による冷房の能力を表すフリークーリング能力値と、客室における乗客の乗車率に依存し、客室の温度の下がりにくさを表す室内熱負荷値との比較によって、フリークーリング制御を実行するか否かを判定するフリークーリング実行判定（ステップＳ１２）と、を行う。

Description

本発明は、車両用空気調和装置及び車両用空気調和装置の空気調和方法に関する。

特許文献１に開示されるように、被空調室に、その被空調室を冷房するための冷凍サイクル装置が備えられている場合であっても、被空調室の温度よりも外気の温度が低い場合には、冷凍サイクル装置を停止させ、外気を被空調室に取り込むことにより、被空調室の温度を低下させるフリークーリング（Free Cooling）と呼ばれる技術が知られている。フリークーリング中は、冷凍サイクル装置を停止させるので、省エネルギー化が図られる。

特開２００２−２４３２４２号公報

特許文献１では、フリークーリングを行うか否かを、被空調室の温度の目標値から外気の温度を引いた値が、予め定められた閾値を超える、という条件を満たすか否かのみで判断している。しかし、被空調室が車両の客室である場合、客室においては乗客の乗車率が随時に変動するため、特許文献１の判断手法では不充分である。

即ち、外気の温度が、客室の乗車率に見合う程度に低くない場合には、たとえ上記条件を満たしていても、フリークーリングによっては、客室の温度をすみやかに上記目標値に収束させることが無理な場合がある。この場合は、乗客に充分な快適性を提供することができない。そこで、このような問題が生じにくい技術が望まれる。

一方、フリークーリングによれば、上述したように、省エネルギー化を図ることができる。しかし、フリークーリング中でも、外気を客室に取り込む気流を形成する外気取り込みファンは稼働させる必要があり、外気取り込みファンが電力を消費する。そこで、より省エネルギー化を図ることができる技術も望まれている。

本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、無理なフリークーリングの実行によって客室の快適性が損なわれる問題が生じにくい車両用空気調和装置と車両用空気調和装置の空気調和方法とを提供することを第１の目的とする。

また、本発明は、従来よりも省エネルギー化を図ることができる車両用空気調和装置と車両用空気調和装置の空気調和方法とを提供することを第２の目的とする。

上記第１の目的を達成するために、本発明の車両用空気調和装置は、
車両に設けられ、前記車両の客室を冷房するための冷凍サイクルを、該冷凍サイクル内で冷媒を循環させる圧縮機を用いて構成する冷凍サイクル装置と、
外気を前記客室に取り入れ可能な開状態と、前記外気の前記客室への取り込みを遮断する閉状態とに切り替え可能な外気ダンパ装置と、
前記外気の温度である外気温度を計測する外気温度計測器と、
前記客室の温度である室内温度を計測する室内温度計測器と、
前記冷凍サイクル装置に前記客室を冷房させる冷凍サイクル制御と、前記圧縮機を停止させた状態で、前記外気ダンパ装置を前記開状態に制御し、前記外気を前記客室に取り込ませるフリークーリング制御とを行う制御装置と、を備え、
前記制御装置が、
予め設定された前記客室の温度の目標値、前記外気温度計測器で計測された前記外気温度、及び前記室内温度計測器で計測された前記室内温度に基づいて、前記フリークーリング制御による前記客室の冷房が可能か否かを判定する事前判定と、
前記事前判定で前記フリークーリング制御による前記客室の冷房が可能であると判定した場合に、前記外気温度と前記室内温度との温度差に依存し、前記フリークーリング制御による冷房の能力を表すフリークーリング能力値と、前記客室における乗客の乗車率に依存し、前記客室の温度の下がりにくさを表す室内熱負荷値との比較によって、前記フリークーリング制御を実行するか否かを判定するフリークーリング実行判定と、
を行う。

上記構成によれば、事前判定でフリークーリング制御による客室の冷房が可能であると判定された場合であっても、フリークーリング能力値と室内熱負荷値との比較によって、フリークーリング制御を実行するか否かが判定されるので、無理なフリークーリングの実行によって客室の快適性が損なわれる問題が生じにくい。

実施形態１に係る車両用空気調和装置の一部を示す部分断面図 実施形態１に係る冷凍サイクル装置の構成を示す概念図 実施形態１に係る制御装置の機能を示す概念図 実施形態１に係る冷房制御の手順を示すフローチャート 実施形態２に係る冷房制御の手順を示すフローチャート 実施形態３に係る冷房制御の手順を示すフローチャート

以下、図面を参照し、実施形態１−３に係る車両用空気調和装置について説明する。図中、同一又は対応する部分に同一の符号を付す。

［実施形態１］
図１に示すように、本実施形態に係る車両用空気調和装置１００は、車両としての鉄道車両ＴＲの屋根部分に設けられた冷凍サイクル装置１０を備える。冷凍サイクル装置１０は、鉄道車両ＴＲの客室ＰＲＭを冷房するための冷凍サイクルを構成する。ここで、客室ＰＲＭとは、鉄道車両ＴＲの内部において客が乗るために画定された空間を指す。

なお、図１には、冷凍サイクル装置１０の一部の構成のみを示す。以下、冷凍サイクル装置１０の全体の構成について、図２を参照して説明する。

図２に示すように、冷凍サイクル装置１０は、冷媒を気化させる蒸発器としての室内熱交換器１１と、気化された冷媒を液体の冷媒から分離する気液分離器１２と、分離された気体の冷媒を圧縮する圧縮機１３と、圧縮された冷媒を凝縮させる凝縮器としての室外熱交換器１４と、凝縮された冷媒を膨張させる膨張器１５とを有する。また、冷凍サイクル装置１０は、それら室内熱交換器１１、気液分離器１２、圧縮機１３、室外熱交換器１４、及び膨張器１５を接続し、冷媒を流通させる冷媒配管１６も有する。

圧縮機１３が、冷凍サイクル装置１０によって構成される冷凍サイクル内で冷媒を循環させる。冷媒が循環されることにより、室内熱交換器１１が冷却された状態となり、室外熱交換器１４が発熱した状態となる。室内熱交換器１１が、図１に示す客室ＰＲＭ内の空気と熱交換することで、客室ＰＲＭの冷房が実現される。冷房を実現するために生じる排熱は、室外熱交換器１４によって鉄道車両ＴＲの外部に放出される。

圧縮機１３は、内部に画定される圧縮室に冷媒を吸い込み、吸い込んだ冷媒を圧縮室で圧縮し、圧縮された冷媒を吐出する動作を繰り返すものであり、圧縮室の容量を弁によって機械的に２段階に切り替えることができる容量可変構造を有する。

圧縮機１３を、圧縮室の容量が相対的に小さい状態（以下、アンロード状態という。）に切り替えたとき、圧縮機１３の電力消費が低減される。このため、省エネルギー化を図ることができる。但し、冷凍サイクル装置１０における単位時間当たりの冷媒の循環量が低下するため、客室ＰＲＭを冷房する能力は低下する。

圧縮機１３を、圧縮室の容量が相対的に大きい状態（以下、フルロード状態という。）に切り替えると、冷凍サイクル装置１０における単位時間当たりの冷媒の循環量が増大するため、客室ＰＲＭを冷房する能力が向上する。但し、圧縮機１３の電力消費は増大する。

また、車両用空気調和装置１００は、室内熱交換器１１と空気との熱交換を促進する室内ファン２１と、室外熱交換器１４と空気との熱交換を促進する室外ファン２２とを有する。室内ファン２１は、室内熱交換器１１と熱交換することで冷却された空気を、客室ＰＲＭに送り込む。室外ファン２２は、室外熱交換器１４と熱交換することにより加熱された空気を鉄道車両ＴＲの外部に排出させる。

また、車両用空気調和装置１００は、図３に示すように、上述した圧縮機１３、室内ファン２１、及び室外ファン２２を制御する制御装置７０も備える。

制御装置７０は、冷凍サイクル装置１０に客室ＰＲＭの冷房を開始させるか否かの判断を行い、冷凍サイクル装置１０に客室ＰＲＭの冷房を開始させる場合は、圧縮機１３、室内ファン２１、及び室外ファン２２を稼働させる。また、制御装置７０は、圧縮機１３を、上述したフルロード状態とアンロード状態とに切り替える制御も行う。

また、制御装置７０は、圧縮機１３及び室外ファン２２を停止させた状態で、室内ファン２１を稼働させる、後述するフリークーリング制御も行う。

また、制御装置７０は、冷凍サイクル装置１０に客室ＰＲＭの冷房を行わせているとき、及び上記フリークーリング制御を行っているときに、客室ＰＲＭの温度が、予め設定された目標値に達したか否かの判定も行う。

図１に戻って、説明を続ける。図１には、図２に示した構成のうち、室内熱交換器１１と室内ファン２１のみが示されている。室内熱交換器１１は、室内ファン２１を挟んで対向して配置された第１室内熱交換器１１ａと第２室内熱交換器１１ｂよりなる。第１室内熱交換器１１ａ、第２室内熱交換器１１ｂ、及び室内ファン２１は、鉄道車両ＴＲの屋根部分において、ケーシングＣＳで画定された室内機室ＩＲに収容されている。

室内機室ＩＲには、客室ＰＲＭに通じるリターン口ＡＰａ及びＡＰｂが形成されている。室内ファン２１は、リターン口ＡＰａから客室ＰＲＭの空気を吸い上げ、吸い上げた空気を、第１室内熱交換器１１ａを通過させた後、ダクトＤＴを通じて客室ＰＲＭに戻す。また、室内ファン２１は、リターン口ＡＰｂからも客室ＰＲＭの空気を吸い上げ、吸い上げた空気を、第２室内熱交換器１１ｂを通過させた後、ダクトＤＴを通じて客室ＰＲＭに戻す。第１室内熱交換器１１ａと第２室内熱交換器１１ｂで空気が冷却される。

また、車両用空気調和装置１００は、室内機室ＩＲを画定するケーシングＣＳに設けられた外気ダンパ装置３１及び３２も備える。

外気ダンパ装置３１は、鉄道車両ＴＲの外部の空気（以下、外気という。）の室内機室ＩＲへの流入量を調整する弁としての外気ダンパ３１ａと、外気ダンパ３１ａを駆動する外気ダンパ駆動装置３１ｂとを有する。外気ダンパ３１ａは、外気を、室内機室ＩＲを通して客室ＰＲＭに取り入れ可能な開状態と、外気の客室ＰＲＭへの取り込みを遮断する閉状態とに切り替え可能である。外気ダンパ駆動装置３１ｂが、外気ダンパ３１ａの開状態と閉状態との切り替えを行う。

外気ダンパ装置３２も、外気ダンパ装置３１と同様、外気を客室ＰＲＭに取り入れ可能な開状態と、外気の客室ＰＲＭへの取り込みを遮断する閉状態とに切り替え可能な外気ダンパ３２ａと、外気ダンパ３２ａの開状態と閉状態との切り替えを行う外気ダンパ駆動装置３２ｂとを有する。

外気ダンパ３１ａ及び３２ａが開状態のときに室内ファン２１が作動されると、室内ファン２１が形成する風圧によって、外気が外気ダンパ３１ａ及び３２ａを通して室内機室ＩＲに取り込まれ、取り込まれた外気が、ダクトＤＴを通して客室ＰＲＭに放出される。

つまり、室内ファン２１は、客室ＰＲＭ内の空気（以下、内気という。）を吸い上げる気流を形成する役割だけでなく、外気を、外気ダンパ装置３１及び３２を通じて客室ＰＲＭに取り込む気流を形成する外気取り込みファンとしての役割も兼ねている。

外気の温度が、内気の温度よりも低い場合、第１室内熱交換器１１ａと第２室内熱交換器１１ｂが冷却されていなくても、即ち、図２に示した圧縮機１３及び室外ファン２２を停止させていても、外気を客室ＰＲＭに取り込むことで、客室ＰＲＭを冷房できる。このように、図２に示した圧縮機１３及び室外ファン２２を停止させたまま、外気によって客室ＰＲＭを冷房することをフリークーリングと呼ぶ。

フリークーリングを実現するために、図３に示す制御装置７０は、図２に示す圧縮機１３及び室外ファン２２を停止させた状態で、図１に示す外気ダンパ３１ａ及び３２ａをそれぞれ開状態とし、かつ室内ファン２１を作動させることにより、外気を客室ＰＲＭに取り込ませるフリークーリング制御を行う。

フリークーリングによれば、図２に示す圧縮機１３及び室外ファン２２を稼働させなくても、客室ＰＲＭを冷房できるので、省エネルギー化が図られる。但し、フリークーリングを行うためには、外気の温度が内気の温度よりも低いという条件が少なくとも満たされている必要がある。

そこで、図１に示すように、車両用空気調和装置１００は、外気の温度が内気の温度よりも低いことを検知できるように、外気の温度である外気温度を計測する外気温度計測器４０と、内気の温度である室内温度を計測する室内温度計測器５０とを備える。なお、これら外気温度計測器４０と室内温度計測器５０の検出結果は、図３に示す制御装置７０に出力される。

一方、フリークーリングを行うか否かを、外気温度が室内温度より低いという条件を満たすか否かのみによって判断すると、無理なフリークーリングが実行されかねない。具体的には、外気温度が客室ＰＲＭの乗車率に見合う程度に低くない場合には、たとえ外気温度が室内温度より低くても、客室ＰＲＭの温度をフリークーリングですみやかに目標値に収束させることが無理な場合がある。その場合、乗客にとっての快適性が損なわれる。

そこで、車両用空気調和装置１００は、乗車率を考慮して無理なフリークーリングの実行を抑える構成も備えている。以下、図３を参照して、具体的に説明する。

図３に示すように、車両用空気調和装置１００は、乗車率を把握するために、鉄道車両ＴＲの重さを計測する荷重計測器６０を備える。荷重計測器６０は、客室ＰＲＭ内に乗客を収容した状態の鉄道車両ＴＲの重さを計測する。

また、車両用空気調和装置１００は、荷重計測器６０の計測結果を用いて、フリークーリング制御を実行するか否かを判定するフリークーリング実行判定を行う制御装置７０を備える。以下、そのフリークーリング実行判定に必要な計算について、具体的に説明する。

制御装置７０は、荷重計測器６０の計測結果をＡ［ｋｇ］、乗客を除いた鉄道車両ＴＲの車体のみの重さをＣ_１［ｋｇ］、鉄道車両ＴＲの定員数分の乗客の重さをＣ_２［ｋｇ］としたとき、乗車率［％］を、次式（１）により求める。
乗車率［％］＝１００・（Ａ−Ｃ_１）［ｋｇ］／Ｃ_２［ｋｇ］…（１）

また、制御装置７０は、上記乗車率［％］を用いて、客室ＰＲＭの温度の下がりにくさを表す室内熱負荷値［Ｗ］を求める。室内熱負荷値［Ｗ］は、乗車率［％］が大きい程、大きくなるように乗車率［％］に依存し、かつ客室ＰＲＭの温度の目標値から外気温度を引いた温度差が大きい程、小さくなるようにその温度差に依存する物理量である。

具体的には、制御装置７０は、客室ＰＲＭの温度の目標値をＴ_Ａ［℃］、外気温度をＴ_Ｂ［℃］としたとき、比例定数Ｃ_３［Ｗ］とＣ_４［Ｗ／℃］を用いて、次式（２）により室内熱負荷値［Ｗ］を求める。ここで、外気温度Ｔ_Ｂ［℃］には、外気温度計測器４０の計測結果が用いられる。目標値Ｔ_Ａ［℃］は、予め設定される。
室内熱負荷値［Ｗ］＝Ｃ_３［Ｗ］・乗車率［％］−Ｃ_４［Ｗ／℃］・（Ｔ_Ａ−Ｔ_Ｂ）［℃］…（２）

この室内熱負荷値［Ｗ］が、上記フリークーリング制御による冷房の能力を上回るか否かを判定し、上回る場合には、上記フリークーリング制御を行わず、図２に示した冷凍サイクル装置１０による冷房を行うこととすれば、乗車率［％］が高い場合の無理なフリークーリングの実行を抑制できる。

そこで、その判定を行うために、制御装置７０は、上記フリークーリング制御による冷房の能力を表すフリークーリング能力値［Ｗ］を、次式（３）により求める。
フリークーリング能力値［Ｗ］＝Ｃ_５［Ｗ／℃］・（Ｔ_Ｃ−Ｔ_Ｂ）［℃］…（３）
ここで、室内温度Ｔ_Ｃ［℃］には、室内温度計測器５０の計測結果が用いられる。また、Ｃ_５［Ｗ／℃］は、比例定数である。上式（３）に示すように、フリークーリング能力値［Ｗ］は、室内温度Ｔ_Ｃ［℃］から外気温度Ｔ_Ｂ［℃］を引いた温度差が大きい程大きくなるようにその温度差に依存する物理量である。

そして、制御装置７０は、フリークーリング能力値と、室内熱負荷値との比較によって、フリークーリング制御を実行するか否かを判定し、フリークーリング能力値が室内熱負荷値を上回る場合にのみ、フリークーリング制御を行う。これにより、無理なフリークーリングの実行が抑えられる。

制御装置７０の構成について、具体的に説明する。制御装置７０は、制御装置７０の動作を記述した制御プログラム７１が格納された記憶部７２と、記憶部７２から制御プログラム７１を読み出して実行するプロセッサ７３とを有する。なお、記憶部７２には、上式（１）−（３）の計算に必要な定数Ｃ_１からＣ_５の値も記憶されている。

制御プログラム７１は、プロセッサ７３に、以下に述べる第１−第３の処理を含む冷房制御を実現させる。

第１の処理は、客室ＰＲＭをフリークーリング制御によって冷房することが可能か否かを判定する事前判定処理である。

第２の処理は、事前判定処理でフリークーリング制御によって客室ＰＲＭを冷房することが可能であると判定した場合に、上式（１）−（３）を用いて、室内熱負荷値とフリークーリング能力値を算出し、両値の比較によって、フリークーリング制御を実行するか否かを判定するフリークーリング実行判定処理である。

第３の処理は、事前判定処理でフリークーリング制御によって客室ＰＲＭを冷房することが可能でないと判定した場合、及びフリークーリング実行判定処理でフリークーリング制御を実行しないと判定した場合に、冷凍サイクル装置１０に客室ＰＲＭを冷房させる冷凍サイクル制御を行う処理である。

以下、制御プログラム７１によって実現される冷房制御について、図４を参照して具体的に説明する。図４のステップＳ１１が上記事前判定処理であり、ステップＳ１２が上記フリークーリング実行判定処理であり、ステップＳ１４及びＳ１５が上記冷凍サイクル制御を行う処理である。以下、詳細に説明する。

図４に示すように、制御装置７０は、まずフリークーリング開始条件が成立しているか否かを判定する事前判定を行う（ステップＳ１１）。ここで、フリークーリング開始条件が成立する場合とは、次の条件（ａ）−（ｃ）のすべてが成立していることを意味する。

条件（ａ）：客室ＰＲＭの温度の目標値Ｔ_Ａが室内温度Ｔ_Ｃよりも低く、かつ外気温度Ｔ_Ｂが客室ＰＲＭの温度の目標値Ｔ_Ａよりも低いこと。つまり、室内温度Ｔ_Ｃ＞目標値Ｔ_Ａ＞外気温度Ｔ_Ｂなる不等式が満たされること。なお、制御装置７０は、室内温度Ｔ_Ｃについては室内温度計測器５０の計測結果を用い、外気温度Ｔ_Ｂについては外気温度計測器４０の計測結果を用いる。目標値Ｔ_Ａは予め設定される。この条件（ａ）が満たされない場合は、原理的にフリークーリングを行うことができない。

条件（ｂ）：室内温度Ｔ_Ｃから外気温度Ｔ_Ｂを引いた値が、予め定められた第１閾値Ｘ以上であること。つまり、室内温度Ｔ_Ｃ−外気温度Ｔ_Ｂ≧第１閾値Ｘなる不等式が満たされること。この条件（ｂ）が満たされない場合は、たとえフリークーリングを試みたとしても、室内温度Ｔ_Ｃを充分すみやかに冷却することができない。

条件（ｃ）：室内温度Ｔ_Ｃから目標値Ｔ_Ａを引いた値が、予め定められた第２閾値Ｙ以下であること。つまり、室内温度Ｔ_Ｃ−目標値Ｔ_Ａ≦第２閾値Ｙなる不等式が満たされること。この条件（ｃ）が満たされない場合は、たとえフリークーリングを試みたとしても、室内温度Ｔ_Ｃを目標値Ｔ_Ａに到達させることができない可能性が高い。

制御装置７０は、上記条件（ａ）−（ｃ）のすべてが満たされる場合（ステップＳ１１；ＹＥＳ）、フリークーリング制御による客室ＰＲＭの冷房が可能であると判断する。そして、制御装置７０は、実際にフリークーリングを実行するか否かを判定するフリークーリング実行判定を行う（ステップＳ１２）。

フリークーリング実行判定（ステップＳ１２）では、制御装置７０は、上式（１）−（３）を用いて室内熱負荷値とフリークーリング能力値を算出し、フリークーリング能力値が室内熱負荷値よりも大きいか否かを判定する。

制御装置７０は、フリークーリング能力値が室内熱負荷値よりも大きい場合は（ステップＳ１２；ＹＥＳ）、フリークーリング制御によって室内温度Ｔ_Ｃをすみやかに目標値Ｔ_Ａに収束させることができると見込めるため、フリークーリング制御を開始する（ステップＳ１３）。具体的には、制御装置７０は、圧縮機１３及び室外ファン２２を停止させた状態で、外気ダンパ３１ａ及び３２ａをそれぞれ開状態とし、かつ室内ファン２１を作動させることにより、外気が客室ＰＲＭに取り込まれる状態とする。

一方、制御装置７０は、ステップＳ１１で、上記条件（ａ）−（ｃ）のすべてが満たされない場合は（ステップＳ１１；ＮＯ）、フリークーリング制御による客室ＰＲＭの冷房が不可能であるため、圧縮機１３を既述のフルロード状態で稼働させる冷凍サイクル運転を開始させる冷凍サイクル制御を行う（ステップＳ１４）。

具体的には、制御装置７０は、圧縮機１３をフルロード状態に制御したうえで稼働させると共に、外気ダンパ３１ａ及び３２ａがそれぞれ閉状態のままで、室内ファン２１及び室外ファン２２を稼働させる。これにより、冷凍サイクル装置１０によって、客室ＰＲＭがすみやかに冷却される。

一方、制御装置７０は、ステップＳ１２で、フリークーリング能力値が室内熱負荷値以下である場合は（ステップＳ１２；ＮＯ）、フリークーリング制御では室内温度Ｔ_Ｃをすみやかに目標値Ｔ_Ａに収束させることができないため、圧縮機１３を既述のアンロード状態で稼働させる冷凍サイクル弱運転を開始させる冷凍サイクル制御を行う（ステップＳ１５）。

具体的には、制御装置７０は、圧縮機１３をアンロード状態に制御したうえで稼働させると共に、外気ダンパ３１ａ及び３２ａがそれぞれ閉状態のままで、室内ファン２１及び室外ファン２２を稼働させる。これにより、冷凍サイクル装置１０によって、客室ＰＲＭが、フリークーリング制御を行う場合よりもすみやかに冷却される。

なお、ステップＳ１４では圧縮機１３をフルロード状態で稼働させるのに対し、ステップＳ１５では圧縮機１３をアンロード状態で稼働させるのは、ステップＳ１５の遂行は、ステップＳ１１のフリークーリング開始条件の成立が前提であり、室内温度Ｔ_Ｃと目標値Ｔ_Ａの差がさほど大きくないため、冷凍サイクル装置１０が客室ＰＲＭを冷房する能力を低下させても、充分に客室ＰＲＭを冷房できると見込めるためである。

制御装置７０は、ステップＳ１３でフリークーリング制御を開始した後、ステップＳ１４で冷凍サイクル運転を開始した後、又はステップＳ１５で冷凍サイクル弱運転を開始した後は、室内温度Ｔ_Ｃと目標値Ｔ_Ａの差の絶対値が、予め定められた閾値ε未満となったか否かを判定する（ステップＳ１６）。

制御装置７０は、室内温度Ｔ_Ｃと目標値Ｔ_Ａの差の絶対値が、予め定められた閾値ε未満となった場合は（ステップＳ１６；ＹＥＳ）、室内温度Ｔ_Ｃが目標値Ｔ_Ａに充分に収束しており、これ以上の冷房を継続する必要がないため、ステップＳ１３で開始したフリークーリング制御、ステップＳ１４で開始した冷凍サイクル運転、又はステップＳ１５で開始した冷凍サイクル弱運転を、停止させる（ステップＳ１７）。

制御装置７０は、冷房を停止させた後も、室内温度Ｔ_Ｃと目標値Ｔ_Ａの差の絶対値が閾値ε未満であるか否かを監視し（ステップＳ１８）、室内温度Ｔ_Ｃと目標値Ｔ_Ａの差の絶対値が閾値ε以上となった場合（ステップＳ１８；ＮＯ）、ステップＳ１１に戻る（ＲＥＴＵＲＮ）。なお、制御装置７０は、鉄道車両ＴＲの営業運行を終了する旨の外部割込みを受けることで、本冷房制御を終了する。

以上説明したように、本実施形態によれば、事前判定（ステップＳ１１）で、フリークーリング開始条件が成立し、フリークーリング制御による客室ＰＲＭの冷房が可能であると判定された場合であっても、フリークーリング実行判定（ステップＳ１２）で、フリークーリング能力値と室内熱負荷値との比較によって、フリークーリング制御を実行するか否かが判定される。

そして、フリークーリング能力値が室内熱負荷値を上回る場合にのみ、フリークーリング制御が実行される。このため、無理なフリークーリングの実行によって客室ＰＲＭの快適性が損なわれる問題が生じにくい。

また、冷凍サイクル装置１０が、客室ＰＲＭを冷房する能力を少なくとも２段階に切り替え可能に構成されている。具体的には、圧縮機１３が、フルロード状態とアンロード状態とに切り替え可能である。

そして、制御装置７０が、事前判定（ステップＳ１１）でフリークーリング制御による客室の冷房が可能でないと判定した場合に、客室ＰＲＭを冷房する能力を２段階のうち相対的に高い方に制御した状態、即ちフルロード状態で冷凍サイクル装置１０を運転させる冷凍サイクル制御を行うと共に、フリークーリング実行判定（ステップＳ１２）でフリークーリング制御を実行しないと判定した場合には、客室ＰＲＭを冷房する能力を２段階のうち相対的に低い方に制御した状態、即ちアンロード状態で冷凍サイクル装置１０を運転させる冷凍サイクル制御を行う。

このため、フリークーリング実行判定（ステップＳ１２）でフリークーリング制御を実行しないと判定された場合には、フリークーリング制御は実行されないものの、冷凍サイクル装置１０の能力を低下させることによる省エネルギー化を図ることができる。

［実施形態２］
上記実施形態１では、フリークーリング能力値が室内熱負荷値を上回った場合に、室内温度と目標値との差の絶対値が閾値ε未満になるまで、フリークーリング制御を継続させた。しかし、フリークーリング制御が一定期間以上継続した場合には、フリークーリング制御によっては室内温度を目標値に到達させることができない可能性があるため、冷凍サイクル装置１０による冷房を開始してもよい。以下、その具体例を説明する。

図５に示すように、本実施形態では、制御装置７０が、フリークーリング制御を開始した後（ステップＳ１３）、フリークーリング制御が予め定められた一定期間継続されたか否かを判定する（ステップＳ２１）。制御装置７０は、一定期間継続するまでは（ステップＳ２１；ＮＯ）、実施形態１の場合と同様、室内温度Ｔ_Ｃと目標値Ｔ_Ａの差の絶対値が閾値ε未満となるまで、フリークーリング制御を継続させる（ステップＳ１６及びＳ１７）。

一方、制御装置７０は、フリークーリング制御が一定期間以上継続された場合には（ステップＳ２１；ＹＥＳ）、フリークーリング制御を停止させ、冷凍サイクル装置１０による冷凍サイクル弱運転を開始させる（ステップＳ１５）。具体的には、制御装置７０は、室内ファン２１を稼働させたまま、外気ダンパ３１ａ及び３２ａを閉状態に制御し、かつ圧縮機１３をアンロード状態で稼働させると共に、室外ファン２２も稼働させる。

そして、制御装置７０は、実施形態１の場合と同様、室内温度Ｔ_Ｃと目標値Ｔ_Ａの差の絶対値が閾値ε未満となるまで、冷凍サイクル装置１０による冷凍サイクル弱運転を行う（ステップＳ２２）。これら以外の動作については、実施形態１と同様であるため、詳細な説明を省略する。

以上説明したように、本実施形態によれば、フリークーリング制御が一定期間継続した場合には、フリークーリング制御を停止して、冷凍サイクル装置１０による冷房を開始するため、フリークーリングが無理に継続されてしまう問題を回避できる。

［実施形態３］
上記実施形態１では、フリークーリング制御を開始した後、室内温度Ｔ_Ｃと目標値Ｔ_Ａとの差の絶対値が閾値ε未満になるまで、フリークーリング制御を継続させた。しかし、鉄道車両ＴＲが次駅に到着した際は、鉄道車両ＴＲのドアが開くため、客室ＰＲＭへの外気の流入によって、客室ＰＲＭの温度が低下する。そこで、次駅でドアが開くことで客室ＰＲＭが充分に快適な温度に低下すると予測できる場合は、たとえ現在の室内温度が目標温度の近傍まで冷えていなくても、フリークーリング制御を停止してよい。以下、その具体例について説明する。

図６に示すように、本実施形態では、制御装置７０が、フリークーリング制御を開始（ステップＳ１３）した後に、次駅で鉄道車両ＴＲが停車した際の室内温度の低下の度合いを表す次駅停車時冷却度が、既述の室内熱負荷値を上回るか否かを判定する（ステップＳ３１）。以下、具体的に説明する。

次駅停車時冷却度は、次駅で鉄道車両ＴＲが停車する期間に客室ＰＲＭが外部と連通することによって室内温度が低下する度合いを表す物理量である。次駅停車時冷却度は、次駅で鉄道車両ＴＲのドアが開く期間Ｔ［ｓ］が長い程大きく、室内温度Ｔ_Ｃから外気温度Ｔ_Ｂを引いた温度差ΔＢ［℃］が大きい程大きくなるように定義される。

具体的には、制御装置７０は、比例定数をＣ_６［Ｗ／ｓ／℃］としたとき、次式（４）によって、次駅停車時冷却度［Ｗ］を求める。
次駅停車時冷却度［Ｗ］＝Ｃ_６［Ｗ／ｓ／℃］・Ｔ［ｓ］・ΔＢ［℃］…（４）

なお、比例定数Ｃ_６［Ｗ／ｓ／℃］の値は、予め図３に示す記憶部７２に格納されているものとする。また、図３に示す記憶部７２には、駅と、その駅に停車したときにドアが開く期間Ｔ［ｓ］とを対応付けたテーブルも予め格納されている。

制御装置７０は、鉄道車両ＴＲの運転室において運行を制御する運行制御機器から得られる情報、駅の設備から無線で取得するその駅を特定する情報、ドアが開いたことを検知するセンサを用いて特定されるこれまでのドアの開き回数を表す情報、又はＧＰＳ（Global Positioning System）から得られる情報によって、次駅を特定する。そして、制御装置７０は、その特定した次駅に対応する、ドアが開く期間Ｔ［ｓ］を、上記テーブルを参照して特定し、上式（４）に代入して、上記次駅停車時冷却度［Ｗ］を求める。

そして、制御装置７０は、上記ステップＳ３１では、次駅停車時冷却度が、既述の室内熱負荷値より大きいか否かを判定する。これは、次駅で客室ＰＲＭの温度が目標値Ｔ_Ａに近づくと見込めるか否かを判定することに相当する。

制御装置７０は、上記ステップＳ３１で、次駅停車時冷却度が、既述の室内熱負荷値以下の場合は（ステップＳ３１；ＮＯ）、次駅で客室ＰＲＭの温度が目標値Ｔ_Ａに近づくと見込めないため、室内温度Ｔ_Ｃと目標値Ｔ_Ａとの差の絶対値が閾値ε未満になるまで、フリークーリング制御を継続させる（ステップＳ１６）。

一方、制御装置７０は、上記ステップＳ３１で、次駅停車時冷却度が、既述の室内熱負荷値を超える場合は（ステップＳ３１；ＹＥＳ）、次駅で客室ＰＲＭの温度が目標値Ｔ_Ａに近づくと見込めるため、図１に示す室内ファン２１を停止させることで、フリークーリング制御を停止させる停止制御を行う（ステップＳ１７）。これら以外の動作については、実施形態１と同様であるため、詳細な説明を省略する。

以上説明したように、本実施形態によれば、制御装置７０が、フリークーリング制御による客室ＰＲＭの冷房が可能であると判定した後（ステップＳ１１；ＹＥＳ）、フリークーリング制御を行っている際に、次駅で鉄道車両ＴＲが停車する期間Ｔ［ｓ］に客室ＰＲＭが外部と連通することによって客室ＰＲＭの温度が目標値Ｔ_Ａに近づくと見込めるか否かを判定し（ステップＳ３１）、客室ＰＲＭの温度が目標値Ｔ_Ａに近づくと見込める場合に（ステップＳ３１；ＹＥＳ）、圧縮機１３を停止させたまま、室内ファン２１も停止させる停止制御を行う（ステップＳ１７）。このため、室内ファン２１の電力消費も削減できるため、従来よりも省エネルギー化を図ることができる。

また、次駅に到達するまでフリークーリング制御を継続させる場合は、次駅でドアが開いた際に室内温度Ｔ_Ｃが下がり過ぎる問題が生じ得たが、本実施形態では、鉄道車両ＴＲが次駅に到達する前に、フリークーリング制御が停止され得るため、次駅で室内温度Ｔ_Ｃが下がり過ぎる問題を生じ難くすることができる。

以上、本発明の実施形態について説明した。本発明はこれに限られず、以下に述べる変形も可能である。

上記実施形態１−３では、冷凍サイクル装置１０の冷房の能力の切り替えを、機械的に容量が切り替え可能な圧縮機１３によって実現したが、冷凍サイクル装置１０において冷房の能力を少なくとも２段階に切り替える構成は、これに限られない。圧縮機１３の運転の周波数を可変としたり、複数台の圧縮機１３を用いる場合に稼働させる圧縮機１３の台数を可変としたりすることで、冷凍サイクル装置１０の冷房の能力の切り替えを実現することもできる。具体的には、上記冷凍サイクル弱運転は、圧縮機１３の運転の周波数を相対的に低下させた状態とすること、又は稼働させる圧縮機１３の台数を相対的に減らすことによっても実現できる。

上記実施形態１では、外気ダンパ３１ａ及び３２ａを開状態と閉状態とに切り替えたが、外気ダンパ３１ａ及び３２ａの開き具合は、３段階以上の多段階又は無段階に調整可能であってもよい。この場合は、制御装置７０が、フリークーリング制御中に、室内熱負荷値が高い程、外気ダンパ３１ａ及び３２ａの開き具合が高められるように、室内熱負荷値に応じて、外気ダンパ３１ａ及び３２ａの開き具合を制御してもよい。

また、図１では、リターン口ＡＰａ及びＡＰｂを通過する内気の流量を調整する弁としてのリターンダンパの図示を省略したが、制御装置７０は、リターンダンパを制御することもできる。制御装置７０は、フリークーリング制御中は、リターンダンパを閉じた状態とすることで、効率的に外気を客室ＰＲＭに取り込むことができる。また、制御装置７０は、フリークーリング制御中に、室内熱負荷値及び室内温度に基づいて、外気ダンパ３１ａ及び３２ａの開き具合と、リターンダンパの開き具合との割合を変化させてもよい。

上記実施形態３では、フリークーリング実行判定（ステップＳ１２）でフリークーリング制御を実行すると判定した場合に、フリークーリングを開始したが、フリークーリング実行判定（ステップＳ１２）を省略し、事前判定（ステップＳ１１）でフリークーリング開始条件が成立した場合に、フリークーリングを開始してもよい。この場合でも、圧縮機１３を停止させたまま、室内ファン２１も停止させる停止制御（ステップＳ１７）が行われるため、室内ファン２１の電力消費の削減による省エネルギー化を図ることができる。

上記実施形態１−３には、冷凍サイクル装置１０が鉄道車両ＴＲの屋根部分に設けられた構成を例示したが、冷凍サイクル装置１０の設置場所は、特に屋根部分に限られない。冷凍サイクル装置１０は、鉄道車両ＴＲの床下部分に配置してもよい。また、冷凍サイクル装置１０の構成要素を複数の箇所に分離させて配置してもよい。具体的には、冷凍サイクル装置１０の構成要素のうち、室外熱交換器１４を含む室外ユニットと、室内熱交換器１１を含む室内ユニットとを分離させて配置してもよい。

上記実施形態１−３では、車両が鉄道車両ＴＲである場合について述べたが、車両は鉄道車両ＴＲに限られない。本明細書において、車両とは、バスその他の自動車も含む概念とする。また、本明細書において、駅とは、鉄道車両ＴＲの駅のみならず、バス停その他の自動車駅をも含む概念とする。

図３に示す制御プログラム７１をコンピュータにインストールすることで、そのコンピュータを制御装置７０として機能させることもできる。制御プログラム７１は、通信回線を介して配布してもよいし、光ディスク、磁気ディスク、光磁気ディスク、フラッシュメモリといったコンピュータ読み取り可能な記録媒体に格納して配布してもよい。

本発明は、本発明の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施形態及び変形が可能とされる。また、上述した実施形態は、本発明を説明するためのものであり、本発明の範囲を限定するものではない。つまり、本発明の範囲は、実施形態ではなく、請求の範囲によって示される。そして、請求の範囲内及びそれと同等の発明の意義の範囲内で施される様々な変形が、本発明の範囲内とみなされる。

本出願は、２０１７年６月１２日に出願された、日本国特許出願特願２０１７−１１４８８２号に基づく。本明細書中に日本国特許出願特願２０１７−１１４８８２号の明細書、特許請求の範囲、図面全体を参照として取り込むものとする。

本発明に係る車両用空気調和装置と車両用空気調和装置の空気調和方法とは、車両の客室の冷房に用いることができる。

１０…冷凍サイクル装置、１１…室内熱交換器（蒸発器）、１１ａ…第１室内熱交換器、１１ｂ…第２室内熱交換器、１２…気液分離器、１３…圧縮機、１４…室外熱交換器（凝縮器）、１５…膨張器、１６…冷媒配管、２１…室内ファン（外気取り込みファン）、２２…室外ファン、３１，３２…外気ダンパ装置、３１ａ，３２ａ…外気ダンパ、３１ｂ，３２ｂ…外気ダンパ駆動装置、４０…外気温度計測器、５０…室内温度計測器、６０…荷重計測器、７０…制御装置、７１…制御プログラム、７２…記憶部、７３…プロセッサ、１００…車両用空気調和装置、ＴＲ…鉄道車両（車両）、ＰＲＭ…客室、ＣＳ…ケーシング、ＩＲ…室内機室、ＡＰａ，ＡＰｂ…リターン口、ＤＴ…ダクト。

Claims (7)

1. 車両に設けられ、前記車両の客室を冷房するための冷凍サイクルを、該冷凍サイクル内で冷媒を循環させる圧縮機を用いて構成する冷凍サイクル装置と、
   外気を前記客室に取り入れ可能な開状態と、前記外気の前記客室への取り込みを遮断する閉状態とに切り替え可能な外気ダンパ装置と、
   前記外気の温度である外気温度を計測する外気温度計測器と、
   前記客室の温度である室内温度を計測する室内温度計測器と、
   前記冷凍サイクル装置に前記客室を冷房させる冷凍サイクル制御と、前記圧縮機を停止させた状態で、前記外気ダンパ装置を前記開状態に制御し、前記外気を前記客室に取り込ませるフリークーリング制御とを行う制御装置と、を備え、
   前記制御装置が、
   予め設定された前記客室の温度の目標値、前記外気温度計測器で計測された前記外気温度、及び前記室内温度計測器で計測された前記室内温度に基づいて、前記フリークーリング制御による前記客室の冷房が可能か否かを判定する事前判定と、
   前記事前判定で前記フリークーリング制御による前記客室の冷房が可能であると判定した場合に、前記外気温度と前記室内温度との温度差に依存し、前記フリークーリング制御による冷房の能力を表すフリークーリング能力値と、前記客室における乗客の乗車率に依存し、前記客室の温度の下がりにくさを表す室内熱負荷値との比較によって、前記フリークーリング制御を実行するか否かを判定するフリークーリング実行判定と、
   を行う、車両用空気調和装置。
2. 前記冷凍サイクル装置が、前記客室を冷房する能力を、少なくとも２段階に切り替え可能に構成されており、
   前記制御装置が、前記事前判定で、前記フリークーリング制御による前記客室の冷房が可能でないと判定した場合に、前記冷凍サイクル装置の前記能力を前記２段階のうち相対的に高い方に制御した状態で前記冷凍サイクル制御を行うと共に、前記フリークーリング実行判定で、前記フリークーリング制御を実行しないと判定した場合には、前記冷凍サイクル装置の前記能力を前記２段階のうち相対的に低い方に制御した状態で前記冷凍サイクル制御を行う、請求項１に記載の車両用空気調和装置。
3. 車両に設けられ、前記車両の客室を冷房するための冷凍サイクルを、該冷凍サイクル内で冷媒を循環させる圧縮機を用いて構成する冷凍サイクル装置と、
   外気を前記客室に取り入れ可能な開状態と、前記外気の前記客室への取り込みを遮断する閉状態とに切り替え可能な外気ダンパ装置と、
   前記外気ダンパ装置が前記開状態のときに作動された場合に、前記外気を、前記外気ダンパ装置を通じて前記客室に取り込む気流を形成する外気取り込みファンと、
   前記外気の温度である外気温度を検出する外気温度計測器と、
   前記客室の温度である室内温度を検出する室内温度計測器と、
   前記冷凍サイクル装置に前記客室を冷房させる冷凍サイクル制御と、前記圧縮機を停止させた状態で、前記外気ダンパ装置を前記開状態に制御すると共に、前記外気取り込みファンを作動させることにより、前記外気を前記客室に取り込ませるフリークーリング制御とを行う制御装置と、を備え、
   前記制御装置が、
   予め設定された前記客室の温度の目標値、前記外気温度計測器で計測された前記外気温度、及び前記室内温度計測器で計測された前記室内温度に基づいて、前記フリークーリング制御による前記客室の冷房が可能か否かを判定する事前判定と、
   前記事前判定で前記フリークーリング制御による前記客室の冷房が可能であると判定した後、前記フリークーリング制御を行っているときに、次駅で前記車両が停車する期間に前記客室が外部と連通することによって前記室内温度が前記目標値に近づくと見込めるか否かを判定し、前記室内温度が前記目標値に近づくと見込める場合に、前記圧縮機を停止させたまま、前記外気取り込みファンも停止させる停止制御と、
   を行う、車両用空気調和装置。
4. 前記制御装置が、
   前記事前判定で前記フリークーリング制御による前記客室の冷房が可能であると判定した場合に、前記外気温度と前記室内温度との温度差に依存し、前記フリークーリング制御による冷房の能力を表すフリークーリング能力値と、前記客室における乗客の乗車率に依存し、前記客室の温度の下がりにくさを表す室内熱負荷値との比較によって、前記フリークーリング制御を実行するか否かを判定するフリークーリング実行判定、
   をさらに行い、
   前記フリークーリング実行判定で前記フリークーリング制御を実行すると判定した場合に、前記フリークーリング制御を開始する、請求項３に記載の車両用空気調和装置。
5. 前記制御装置が、前記事前判定において、前記室内温度から前記外気温度を引いた値が予め定められた第１閾値以上であり、かつ前記室内温度から前記目標値を引いた値が予め定められた第２閾値以下である場合に、前記フリークーリング制御による前記客室の冷房が可能であると判定する、請求項１から４のいずれか１項に記載の車両用空気調和装置。
6. 車両の客室を、前記客室を冷房するために前記車両に設けられた冷凍サイクル装置を停止させた状態で、外気を前記客室に取り込ませるフリークーリング制御によって冷房することが可能か否かを判定する事前判定ステップと、
   前記事前判定ステップで前記フリークーリング制御によって前記客室を冷房することが可能であると判定した場合に、前記外気の温度である外気温度と前記客室の温度である室内温度との温度差に依存し、前記フリークーリング制御による冷房の能力を表すフリークーリング能力値と、前記客室における乗客の乗車率に依存し、前記客室の温度の下がりにくさを表す室内熱負荷値との比較によって、前記フリークーリング制御を実行するか否かを判定するフリークーリング実行判定ステップと、
   を有する、車両用空気調和装置の空気調和方法。
7. 車両の客室を、前記客室を冷房するために前記車両に設けられた冷凍サイクル装置を停止させた状態で、外気取り込みファンによって外気を前記客室に取り込ませるフリークーリング制御によって冷房することが可能か否かを判定する事前判定ステップと、
   前記事前判定ステップで前記フリークーリング制御によって前記客室を冷房することが可能であると判定し、前記フリークーリング制御を行っているときに、次駅で前記車両が停車する期間に前記客室が外部と連通することによって前記客室の温度が予め定められた目標値に近づくと見込めるか否かを判定し、前記客室の温度が前記目標値に近づくと見込める場合に、前記冷凍サイクル装置を停止させたまま、前記外気取り込みファンも停止させる停止制御ステップと、
   を有する、車両用空気調和装置の空気調和方法。

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