WO2018037629A1

WO2018037629A1 - 空気調和装置

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Publication number: WO2018037629A1
Application number: PCT/JP2017/017129
Authority: WO
Inventors: 亮祐小林; 貴司森山; 岩蕗　寛康; 村上　泰城; 山崎　尚徳
Original assignee: 三菱電機株式会社
Priority date: 2016-08-26
Filing date: 2017-05-01
Publication date: 2018-03-01
Also published as: US20190301765A1; CN109642748A; EP3505841A4; EP3505841A1

Abstract

この発明に係る空気調和装置は、空調対象空間の空気調和を行う１または複数の冷媒回路を構成する機器となる複数台の圧縮機と、電源装置からの電力を変換し、圧縮機を任意の駆動回転数で駆動させる電力を、圧縮機に供給する電力変換装置と、圧縮機について、電力変換装置からの電力供給を受けるか、または、電源装置からの電力供給を直接受けるかの切り替えを個別に行う切替装置と、電力変換装置および切替装置を制御する制御装置とを備えるものである。

Description

空気調和装置

　この発明は、電源装置より電力が供給されて駆動する複数の圧縮機を備える空気調和装置に関するものである。たとえば、鉄道車両用空気調和装置に関するものである。

　圧縮機、凝縮器、減圧装置および蒸発器を配管接続して冷媒回路を構成し、冷媒を循環させて、空調対象空間の空気調和を行う空気調和装置がある。そして、空気調和装置は、家屋、ビル、鉄道、自動車など、さまざまな場所で用いられている。

　たとえば、鉄道車両用補助電源装置から電力供給されて運転を行い、車両内の空気調和を行う鉄道車両用空気調和装置がある。鉄道車両用空気調和装置は、車両の屋根上、床下などに搭載される。このため、鉄道車両用空気調和装置は、小型および軽量であることが求められている。また、運行中に故障しても即座に修理できないことから、装置の冗長性が求められている。

　鉄道車両用空気調和装置の冗長運転を実現するため、たとえば、圧縮機用の電力変換装置となるインバータ装置と送風機用のインバータ装置とを備え、両インバータ装置の負荷側の三相交流配線同士を接触器で接続することが提案されている（たとえば、特許文献１参照）。これにより、いずれか一方のインバータ装置が故障しても、他方のインバータ装置で圧縮機および送風機の両方の機器を駆動する冗長運転を行うことができる。このため、乗客へのサービスを維持することができる。

特開平０７－１９４１８７号公報

　しかしながら、圧縮機と送風機とでは、圧縮機の方が、要求電力が大きい。このため、送風機用インバータ装置を圧縮機用インバータ装置と等しい電力容量とする、または、送風機および圧縮機のそれぞれの要求電力に適したインバータ装置を使用する場合には、次のような課題が生じる。

　たとえば、送風機用インバータ装置を圧縮機用インバータ装置と等しい電力容量にすると、送風機の要求電力よりも大電力なインバータ装置を搭載しなければならない。このため、装置が大型化してしまう。また、送風機および圧縮機のそれぞれの要求電力に適したインバータ装置を使用する場合、送風機用インバータ装置の電力容量では、圧縮機に対して小さい電力しか供給できない。このため、送風機用インバータ装置で圧縮機を駆動する際の空調能力の低下が課題となる。また、双方のインバータ装置が故障すると、運転を行うことができなくなる。

　この発明の目的は、電力変換装置を小型にすることができ、さらに、たとえば、電力変換装置などが故障しても、運転を継続させることができる空気調和装置を提供することを目的とする。

　この発明に係る空気調和装置は、電力変換装置の電力容量を、定格電力よりも低減することができる。このため、電力変換装置を小型化することができ、空気調和装置を小型化することができる。また、切替装置の切り替えを制御することで、故障した機器への経路を遮断し、電源装置からの電力供給を直接受ける経路に切り替えることができるので、運転を継続することができ、冗長性の高い空気調和装置を提供することができる。

この発明の実施の形態１に係る空気調和装置を中心とするシステムの一例を示す図である。この発明の実施の形態１に係る空気調和装置を中心とするシステムにおける電力供給装置の別の構成例を示す図である。この発明の実施の形態１に係る電力変換装置３の回路構成の一例を示す図である。この発明の実施の形態１に係る空気調和装置の空調能力に対する圧縮機２に供給される電力の配分を説明する図である。この発明の実施の形態１に係る電力変換装置３の故障判定から、冗長運転開始までのタイミングチャートを示す図である。この発明の実施の形態１に係る圧縮機２Ａの故障判定から、冗長運転開始までのタイミングチャートを示す図である。この発明の実施の形態１に係る電力変換装置３と圧縮機２Ａとの故障判定から、冗長運転開始までのタイミングチャートを示す図である。

　以下、発明の実施の形態に係る空気調和装置について、図面などを参照しながら説明する。以下の図面において、同一の符号を付したものは、同一またはこれに相当するものであり、以下に記載する実施の形態の全文において共通することとする。そして、明細書全文に表わされている構成要素の形態は、あくまでも例示であって、明細書に記載された形態に限定するものではない。特に構成要素の組み合わせは、各実施の形態における組み合わせのみに限定するものではなく、他の実施の形態に記載した構成要素を別の実施の形態に適用することができる。また、圧力および温度の高低については、特に絶対的な値との関係で高低が定まっているものではなく、装置などにおける状態、動作などにおいて相対的に定まるものとする。そして、図面では各構成部材の大きさの関係が実際のものとは異なる場合がある。

実施の形態１．
　図１は、この発明の実施の形態１に係る空気調和装置を中心とするシステムの一例を示す図である。ここで、実施の形態１においては、空気調和装置として、たとえば、車両内を空調対象空間として空気調和を行う鉄道車両用空気調和装置を例に説明する。実施の形態１では、鉄道車両用補助電源装置１からの電力を、鉄道車両用空気調和装置を構成する２台の圧縮機２Ａおよび圧縮機２Ｂに供給する制御を行う電力供給装置１０が設置されている。ここで、圧縮機２Ａおよび圧縮機２Ｂは、凝縮器、減圧装置および蒸発器とともに、空気調和装置が有する冷媒回路を構成する。空気調和装置が有する冷媒回路について、１つの冷媒回路に、圧縮機２Ａおよび圧縮機２Ｂを並列接続させる構成としてもよい。また、独立した２つの冷媒回路にそれぞれ圧縮機２Ａおよび圧縮機２Ｂを接続させる構成としてもよい。そして、実施の形態１においては、空気調和装置の冗長性を高めるために２台の圧縮機２Ａおよび２Ｂを有している。ただし、台数を限定するものではなく、３台以上有していてもよい。

　鉄道車両用補助電源装置１は、たとえば、三相交流電圧を出力し、鉄道車両用空気調和装置に電力を供給する電源装置である。また、圧縮機２Ａおよび圧縮機２Ｂは、前述したように、冷媒回路を構成する機器である。圧縮機２Ａおよび圧縮機２Ｂは、冷媒回路において、冷媒を吸入して圧縮して吐出し、冷媒回路内に冷媒を循環させる。実施の形態１における圧縮機２Ａおよび圧縮機２Ｂは、たとえば、鉄道車両用補助電源装置１の電源周波数で最大負荷出力となるように設計されている。圧縮機２Ａおよび圧縮機２Ｂについて、特に区別する必要がない場合には、圧縮機２として説明する。

　実施の形態１における電力供給装置１０は、配線用遮断器４、電力変換装置３、切替装置５および制御装置６を備えている。配線用遮断器４は、鉄道車両用補助電源装置１側に接続されている。配線用遮断器４は、圧縮機２Ａ、圧縮機２Ｂ、電力供給装置１０などの後段の装置が短絡した場合に開放し、鉄道車両用補助電源装置１を保護する遮断器である。また、空気調和装置の保守メンテナンスの際に開放し、電力供給装置１０を無電圧にする遮断器である。

　切替装置５は、電力供給用接触器５１、第１接触器５２、第２接触器５３、第３接触器５４および第４接触器５５を有している。電力供給用接触器５１は、配線用遮断器４と接続されている。鉄道車両用補助電源装置１から供給される電力を電力変換装置３側に供給するかどうかを開閉により切り替える接触器である。ここで、切替装置５において、切替を行う切替機器については、接触器に限定するものではない。たとえば、半導体スイッチング素子などを含む機器を切替機器として使用することができる。

　また、第１接触器５２、第２接触器５３、第３接触器５４および第４接触器５５は、それぞれ、開閉により電流経路を切り替え、圧縮機２Ａおよび圧縮機２Ｂの電力供給元の切り替えを行う。具体的には、鉄道車両用補助電源装置１から供給される電力について、電力変換装置３を介して変換された電力の供給を受けるか、鉄道車両用補助電源装置１から、直接、電力の供給を受けるかの切り替えが行われ、圧縮機２の駆動の選択が行われる。電力供給元が切り替わることで、電力変換装置３を介した電力供給を受けた圧縮機２は、電力変換装置３からの周波数に基づく駆動回転数で駆動する。また、鉄道車両用補助電源装置１から、直接、電力の供給を受けた圧縮機２は、電源周波数で一定速駆動する。

　実施の形態１の第１接触器５２～第４接触器５５は、ブリッジ状に接続されている。第１接触器５２は、一端が第２接触器５３の一端と接続され、他端が第３接触器５４の一端と接続されている。また、第４接触器５５は、一端が第２接触器５３の他端と接続され、他端が第３接触器５４の他端と接続されている。第１接触器５２と第２接触器５３との接続点は、電力変換装置３と接続されている。さらに、第１接触器５２と第３接触器５４との接続点は、圧縮機２Ａと接続され、第２接触器５３と第４接触器５５との接続点は、圧縮機２Ｂと接続されている。そして、第３接触器５４と第４接触器５５との接続点は、配線用遮断器４と電力供給用接触器５１との間の配線と接続されている。

　ここで、実施の形態１においては、圧縮機２が２台であるため、切替装置５が、電力供給用接触器５１、第１接触器５２、第２接触器５３、第３接触器５４および第４接触器５５を有する構成とした。たとえば、圧縮機２が３台以上の場合は、各圧縮機２に対応して、接触器が増設される。

　実施の形態１における制御装置６は、電力供給装置１０の各機器、冷媒回路を構成する機器など、空気調和装置全体の制御を行う。ここでは、特に、電力供給装置１０に制御信号を送って、電力変換装置３の出力制御、切替装置５における各接触器の開閉制御などを行う。また、制御装置６は、たとえば、列車が有する列車統合管理システム（ＴＣＭＳ：Ｔｒａｉｎ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　ａｎｄ　Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　Ｓｙｓｔｅｍ）１００が有する管理制御装置１０１と通信可能に接続されている。列車統合管理システム１００は、列車全体の管理を行う装置である。各車両に搭載されているモータ、ブレーキなど各種機器の監視、制御に係るデータを、運転台で集中管理する。制御装置６の制御の詳細については後述する。

　図２は、この発明の実施の形態１に係る空気調和装置を中心とするシステムにおける電力供給装置の別の構成例を示す図である。図２に示す構成例においては、配線用遮断器４は、電力供給装置１０外に配置される。そして、配線用遮断器４における開閉制御は制御装置６ではなく、管理制御装置１０１または手動で行われるようにしてもよい。

　図３は、この発明の実施の形態１に係る電力変換装置３の回路構成の一例を示す図である。電力変換装置３は、鉄道車両用補助電源装置１から供給される電力を任意の周波数に変換し、変換に係る電力を圧縮機２に供給する。実施の形態１の電力変換装置３は、整流回路３１、インバータ回路３２、リアクトル３３およびコンデンサ３４を有している。ここで、電力変換装置３は、最大空調能力を賄うために必要となる定格電力に対し、電力変換装置３の電力容量が定格電力の５０％となるように各素子が選定され、回路が構成されている。

　整流回路３１は、鉄道車両用補助電源装置１に印加される三相交流電圧を整流し、直流電圧に変換する。実施の形態１における電力変換装置３においては、図１に示すように、整流回路３１は、ダイオードにより構成されている。ここで、整流回路３１は、ダイオードでの構成に限定するものではなく、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ　Ｇａｔｅ　Ｂｉｐｏｌａｒ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などの半導体スイッチング素子を有するＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ　Ｗｉｄｔｈ　Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）コンバータで構成するようにしてもよい。

　インバータ回路３２は、直流電圧を任意の周波数の三相交流電圧に変換し、変換に係る電力を圧縮機２に供給する。実施の形態１におけるインバータ回路３２は、図３に示すように、スイッチング素子とダイオードとが並列に接続されたアームを有している。２つのアームが対になっており、インバータ回路３２は、各相に合わせた３対のアームで構成されている。各素子には、たとえば、シリコン、炭化シリコン、窒化ガリウムなどを材料として使用したパワー半導体を用いてもよい。

　リアクトル３３は、力率改善、高調波低減などを目的として設置される。実施の形態１におけるリアクトル３３は、鉄道車両用補助電源装置１の各相に合わせて設置された三相交流リアクトルである。ここで、リアクトル３３は、三相交流リアクトルに限定するものではなく、電源の仕様に応じて、直流リアクトルが整流回路３１とコンデンサ３４の間に設置されるようにしてもよい。また、場合によっては、リアクトルを設置しなくてもよい。コンデンサ３４は、整流回路３１とインバータ回路３２との２つの変換器間の電力補償を目的として設置される。コンデンサ３４は、整流回路３１により変換された直流電圧を平滑にする。

　図４は、この発明の実施の形態１に係る空気調和装置の空調能力に対する圧縮機２に供給される電力の配分を説明する図である。次に、実施の形態１の電力供給装置１０において、制御装置６が行う電力供給に係る基本的な動作制御について説明する。

　制御装置６は、たとえば、サーミスタなどの温度検出装置７が検出した空調対象空間における空気の温度などから得られる空調能力に基づいて、圧縮機２Ａおよび圧縮機２Ｂを駆動させるときの駆動回転数を算出する。そして、算出した駆動回転数で圧縮機２Ａおよび圧縮機２Ｂを駆動させるための制御信号を、配線用遮断器４、電力変換装置３、切替装置５に送る。このとき、空調能力に応じて、圧縮機２の駆動回転数を変化させるようにすることで、細かな空調制御を実現することができる。

　たとえば、制御装置６は、圧縮機２Ａおよび圧縮機２Ｂの両方を、電力変換装置３を介して供給される電力で駆動させる場合、配線用遮断器４並びに電力供給用接触器５１、第１接触器５２および第２接触器５３を閉止させ、第３接触器５４および第４接触器５５を開放させる。これにより、鉄道車両用補助電源装置１から電源周波数の三相交流電圧が電力変換装置３に印加される。前述したように、電力変換装置３の電力容量は、定格電力の５０％である。そこで、圧縮機２Ａおよび圧縮機２Ｂによる合計供給電力が定格電力の５０％となるまでは、電力変換装置３を介して圧縮機２Ａおよび圧縮機２Ｂを駆動させる。

　次に、圧縮機２Ａおよび圧縮機２Ｂの合計供給電力が定格電力の５０％以上となり、電力変換装置３の電力容量が超える場合、電力変換装置３を介しては、電力供給を賄いきれない。そこで、一方の圧縮機２については、鉄道車両用補助電源装置１から、直接、電力供給がなされるようにする。そして、他方の圧縮機２については、電力変換装置３を介した電力供給がされるようにする。

　ここでは、たとえば、圧縮機２Ａを、鉄道車両用補助電源装置１から直接供給される電力で駆動させ、圧縮機２Ｂを、電力変換装置３を介して供給される電力で駆動させる場合について説明する。鉄道車両用補助電源装置１から、圧縮機２Ａに、直接、電力供給されるようにするため、切替装置５における接触器の切り替えが行われる。

　制御装置６は、まず、電力変換装置３から圧縮機２Ａへの電力供給を停止させるために、第１接触器５２を開放させる。その後、第３接触器５４を閉止させる。第３接触器５４が閉止することにより、圧縮機２Ａには、鉄道車両用補助電源装置１から、直接、電力供給が行われる。制御装置６は、圧縮機２Ｂに対して電力変換装置３から電力供給を継続させるため、第２接触器５３は閉止したままにする。

　前述したように、圧縮機２Ａおよび圧縮機２Ｂは、鉄道車両用補助電源装置１の電源周波数で最大負荷出力となる。このため、鉄道車両用補助電源装置１からの電力供給により、圧縮機２Ａからは、最大空調能力の５０％が固定して出力される。そして、電力変換装置３を介した電力供給により、圧縮機２Ｂからは、電力変換装置３からの駆動回転数に応じた空調能力で出力される。圧縮機２Ｂから、変動した空調能力が出力され、圧縮機２Ａの駆動だけでは不足する空調能力を補うことで、空調能力５０％以上の運転条件においても細かな空調制御を維持することができる。

　上記の構成では、電力変換装置３の電力容量が、定格電力の５０％となるものとして設定したが、たとえば、電力変換装置３の電力容量を定格電力の５０％以上となるように設定してもよい。たとえば、空気調和装置の運転において、よく使われる空調能力が、定格電力の５０％付近であるとする。このとき、電力変換装置３の電力容量を定格電力の５０％に設定していると、空調能力５０％の閾値を前後するたびに、切替装置５の接触器を切り替えしなければならなくなる。接触器の切り替えが頻発すると、接触器の寿命を縮めることになる。そこで、電力変換装置３の電力容量を、よく使われる空調能力以上となるように設定し、図４に示す、電力変換装置３を介して２台の圧縮機２を駆動させる領域を拡大することで、接触器の切替回数を低減することができる。

　また、上記のような接続回路にすることで、鉄道車両用空気調和装置の冗長性にも効果を発揮する。鉄道車両用空気調和装置の故障箇所に応じた電力供給動作の例について説明する。

　図５は、この発明の実施の形態１に係る電力変換装置３の故障判定から、冗長運転開始までのタイミングチャートを示す図である。まず、電力変換装置３が故障した場合の動作について説明する。

　たとえば、制御装置６は、電力変換装置３の動作中における異常を検出する。異常としては、たとえば、電力変換装置３の過電流印加、過電圧印加、インバータ回路３２を構成するスイッチング素子の温度異常などがある。ここで、一度の異常検出では誤検出の恐れがある。そこで、出力電力の低下から要求電力への復帰、空気調和装置の再起動を繰り返しても、継続して電力変換装置３の異常を検出すると、制御装置６は電力変換装置３が故障したものと判定する。

　制御装置６は、電力変換装置３が故障していると判定すると、運転指令をオフにして、空気調和装置の冷媒回路における運転を停止させる。そして、制御装置６は、インバータ回路３２のスイッチング素子のゲート駆動信号をオフにして、電力変換装置３の動作を停止させる。次に、故障した電力変換装置３を、鉄道車両用補助電源装置１、圧縮機２から電気的に切り離すため、第１接触器５２と第２接触器５３とを開放させる。その後、電力供給用接触器５１を開放させる。

　ここで、電力供給用接触器５１、第１接触器５２および第２接触器５３を開放させた直後に、圧縮機２に対して、鉄道車両用補助電源装置１から、直接、電力を供給すると、圧縮機２に印加されている残留誘起電圧、電圧の位相と、鉄道車両用補助電源装置１の交流電圧とが干渉し、圧縮機２が故障する可能性がある。そこで、制御装置６は、電力供給用接触器５１、第１接触器５２および第２接触器５３を開放させた後、圧縮機２の残留誘起電圧が十分に低下したものと判定すると、冗長運転開始に係る指令の信号を送る。このとき、第３接触器５４と第４接触器５５と順番に閉止させるように信号を送る。第３接触器５４と第４接触器５５とを閉止させることで、鉄道車両用補助電源装置１から、圧縮機２Ａおよび圧縮機２Ｂに、直接、電力供給される。そして、空気調和装置は、冷房運転を再開することができる。

　ここで、電力変換装置３を介した電力供給を行うことができないため、圧縮機２は、駆動回転数を変化させることができず、固定の駆動回転数で駆動することになる。そこで、制御装置６は、第３接触器５４および第４接触器５５を開閉制御することにより、空調能力の調整を行う。

　図６は、この発明の実施の形態１に係る圧縮機２Ａの故障判定から、冗長運転開始までのタイミングチャートを示す図である。次に、圧縮機２Ａが故障した場合の動作について説明する。ここでは、故障していない圧縮機２Ｂを、電力変換装置３を介して電力供給を行って駆動させるものとする。ただし、これに限定するものではなく、鉄道車両用補助電源装置１から、直接、供給された電力により駆動させるようにしてもよい。

　たとえば、制御装置６は、圧縮機２Ａの動作中における異常を検出する。異常としては、たとえば、電動機の巻線温度異常、過電流印加、高圧圧力異常、吐出管の温度異常などがある。前述した電力変換装置３の故障判定と同様に、制御装置６は、継続して圧縮機２Ａの異常を検出すると、圧縮機２Ａが故障したものと判定する。

　制御装置６は、圧縮機２Ａが故障していると判定すると、運転指令をオフにして、空気調和装置の冷媒回路における運転を停止させる。運転停止指令により、制御装置６は、まず、インバータ回路３２のスイッチング素子のゲート駆動信号をオフにして、電力変換装置３の動作を停止させる。次に、電力変換装置３を、鉄道車両用補助電源装置１、圧縮機２から電気的に切り離すため、第１接触器５２と第２接触器５３とを開放させる。その後、電力供給用接触器５１を開放させる。

　制御装置６は、電力供給用接触器５１、第１接触器５２および第２接触器５３を開放させた後、圧縮機２Ｂの残留誘起電圧が十分に低下したものと判定すると、冗長運転開始に係る指令の信号を送る。ここでは、まず、電力供給用接触器５１を閉止させ、鉄道車両用補助電源装置１と電力変換装置３とを電気的に接続する。そして、電力変換装置３の入力電圧が起動レベルまで到達した後、制御装置６は、電力変換装置３に制御信号を送り、電力変換装置３の動作を開始させる。そして、第２接触器５３を閉止させる。電力変換装置３を介して圧縮機２Ｂに電力が供給され、圧縮機２Ｂは駆動を再開する。圧縮機２Ｂだけでは、定格電力の５０％に相当する能力までしか空調能力を発揮できないものの、冷房空気調和装置の運転を継続することができる。ここでは、圧縮機２Ａが故障している場合について説明したが、圧縮機２Ｂが故障している場合でも、基本的な動作は同じである。圧縮機２Ｂが故障している場合第２接触器５３を閉止させる代わりに、第１接触器５２を閉止させて圧縮機２Ａを駆動させる。

　図７は、この発明の実施の形態１に係る電力変換装置３と圧縮機２Ａとの故障判定から、冗長運転開始までのタイミングチャートを示す図である。さらに、電力変換装置３と圧縮機２Ａとが故障した場合の動作について説明する。たとえば、制御装置６は、電力変換装置３および圧縮機２Ａの動作中における異常を検出し、故障判定を行う。異常検出および故障判定の手順などについては、前述したものと同様の手順で行う。

　制御装置６は、電力変換装置３と圧縮機２Ａとが故障していると判定すると、運転指令をオフにして、空気調和装置の冷媒回路における運転を停止させる。運転停止指令により、制御装置６は、まず、インバータ回路３２のスイッチング素子のゲート駆動信号をオフにして、電力変換装置３の動作を停止させる。次に、電力変換装置３を、鉄道車両用補助電源装置１、圧縮機２から電気的に切り離すため、第１接触器５２と第２接触器５３とを開放させる。その後、電力供給用接触器５１を開放させる。

　制御装置６は、電力供給用接触器５１、第１接触器５２および第２接触器５３を開放させた後、圧縮機２Ｂの残留誘起電圧が十分に低下したものと判定すると、冗長運転開始に係る指令の信号を送る。ここでは、第４接触器５５を閉止させる。鉄道車両用補助電源装置１から、直接、圧縮機２Ｂに電力が供給され、圧縮機２Ｂは駆動を再開する。制御装置６は、第４接触器５５を開閉制御することにより、空調能力の調整を行う。

　以上、説明したように、実施の形態１の空気調和装置においては、空調能力が最大となる定格電力で運転を行うときには、制御装置６は、一方の圧縮機２が電力変換装置３からの電力供給を受け、他方の圧縮機２が鉄道車両用補助電源装置１からの電力供給を、直接受けるように切替装置５の切り替えを制御するように回路構成をしたので、電力容量を定格電力の５０％として、１台の圧縮機２分の電力供給を賄えばよい電力変換装置３とすることができるので、電力変換装置３を小型化することができ、小型な空気調和装置を提供することができる。また、電力変換装置３、一方の圧縮機２が故障しても、制御装置６が切替装置５を切り替えて、故障した装置を回避して、故障していない圧縮機２に電力供給を行うことができるので、冗長性の高い空気調和装置を提供することができる。

実施の形態２．
　実施の形態１の空気調和装置においては、図４に示すように、圧縮機２Ａおよび圧縮機２Ｂの合計供給電力が定格電力の５０％以上となった場合、一方の圧縮機２には、電力変換装置３を介した電力供給がされ、他方の圧縮機２には、鉄道車両用補助電源装置１から、直接、電力供給がされるようにした。電力変換装置３を介して圧縮機２を駆動させることで、最大空調能力付近における空調制御を細やかに行うことができる。

　一方、たとえば、車両運行業務開始時においては、目標温度となる空調温度指令値と現実の温度である客室内の温度との温度差が大きいことから、空気調和装置の運転は、最大空調能力での運転が長時間継続されることになる。このとき、電力変換装置３を介して最大空調能力での運転を継続することは、鉄道車両用補助電源装置１から直接駆動に比べて、電力変換装置３で発生する損失の分だけ消費電力が増加する。

　そこで、実施の形態２の空気調和装置においては、たとえば、空調能力が最大となる運転が長時間継続する場合には、圧縮機２Ａおよび圧縮機２Ｂの両方について、鉄道車両用補助電源装置１から、直接、電力供給がされるようにする。

　このため、制御装置６は、空調温度指令値と客室内の温度の差分を演算する。そして、差分が、あらかじめ設定された閾値以上であると判定すると、第１接触器５２と第２接触器５３とを開放させ、第３接触器５４と第４接触器５５とを閉止させるようにする。第３接触器５４と第４接触器５５とを閉止させることで、鉄道車両用補助電源装置１から、圧縮機２Ａおよび圧縮機２Ｂに、直接、電力供給される。

　上記のような制御を行うことで、電力変換装置３を介さずに定格出力動作を行うことができることから、最大空調能力で運転する空気調和装置の消費電力を低減することができる。

　ここで、圧縮機２Ａおよび圧縮機２Ｂの両方を鉄道車両用補助電源装置１に接続し、駆動する場合、圧縮機２は起動直後から高回転駆動となる。このため、瞬間的に大電流が発生し、鉄道車両用補助電源装置１は電気的ストレスを受ける。そして、２台の圧縮機２を同時に起動させると、瞬間的な大電流が重畳され電気的ストレスが大きくなることから、鉄道車両用補助電源装置１の故障を引き起こす恐れがある。そこで、第３接触器５４を閉止させるタイミングと第４接触器５５を閉止させるタイミングとをずらすことで、圧縮機２の起動タイミングをずらし、大電流の発生時期を分散させる。このため、鉄道車両用補助電源装置１への電気的ストレスを軽減することができる。

実施の形態３．
　実施の形態３の空気調和装置は、鉄道車両用補助電源装置１と接続する圧縮機２を任意のタイミングで交代させるようにするものである。装置構成は、実施の形態１で説明した図１と同様の構成であるものとする。

　電力変換装置３を介して電力供給を行って圧縮機２を起動する場合は、徐々に圧縮機２の駆動回転数を増加させることができる。一方、鉄道車両用補助電源装置１から、直接、電力を供給行って圧縮機２を起動する場合は、電力供給直後から高い駆動回転数で駆動を開始するため、機械的ストレスを受けやすい。機械的ストレスが蓄積されると、圧縮機２の寿命を縮める恐れがある。したがって、複数の圧縮機２を用いて運転を行う際、鉄道車両用補助電源装置１から、直接、電力供給が行われる圧縮機２に偏りがあると、機械的ストレスの蓄積も偏ることになる。偏りが生じると、圧縮機２だけではなく、空気調和装置全体の短寿命化に繋がる。

　そこで、実施の形態３の空気調和装置においては、圧縮機２が受ける機械的ストレスの平準化をはかる。実施の形態３における空気調和装置は、圧縮機２Ａおよび圧縮機２Ｂを備えている。したがって、鉄道車両用補助電源装置１からの直接の電力供給は、圧縮機２Ａおよび圧縮機２Ｂに対して交互に行われる。制御装置６は、鉄道車両用補助電源装置１から、直接、圧縮機２Ａに電力供給が行われる場合は、第３接触器５４を閉止させ、第４接触器５５を開放させる。また、鉄道車両用補助電源装置１から、直接、圧縮機２Ｂに電力供給が行われる場合は、第４接触器５５を閉止させ、第３接触器５４を開放させる。

　次に、空調能力が変動した場合における、圧縮機２の機械的ストレスの平準化について説明する。はじめに、空調能力が５０％以上の出力を出すために、圧縮機２Ａについては、電力変換装置３を介した電力供給がされ、圧縮機２Ｂについては、鉄道車両用補助電源装置１から、直接、電力供給がされているものとする。次に、空調能力の出力が５０％未満に低下すると、切替装置５が切り替えられて、圧縮機２Ａおよび圧縮機２Ｂがともに、電力変換装置３を介した電力供給がされる。その後、再度、空調能力が５０％以上の出力を出す場合には、圧縮機２Ａが、鉄道車両用補助電源装置１から、直接、電力供給がされるようにし、圧縮機２Ｂは、電力変換装置３を介した電力供給がされるようにする。

　前述した一連の動作では、圧縮機２Ａおよび圧縮機２Ｂとも、１回ずつ鉄道車両用補助電源装置１から、直接、電力供給がされる。この一連の動作を繰り返すことで、圧縮機２の機械的ストレスを、一方の圧縮機２に偏らせることなく駆動させることができる。したがって、空気調和装置の短寿命化を防ぐことができる。

　また、前述した例では、鉄道車両用補助電源装置１から、直接、電力供給がされる圧縮機２を１回ずつ交代させるようにしたが、これに限定するものではない。たとえば、鉄道車両用補助電源装置１から、直接、電力供給がされた日、時間、距離など区切りとして、圧縮機２を交代させるようにしてもよい。
　また、制御装置６は、第３接触器５４および第４接触器５５を閉止させた回数をそれぞれカウントし、閉止回数に一定以上の差が生じないように切り替えの制御を行うようにしてもよい。

実施の形態４．
　前述したように、たとえば、列車は、図１のように、列車統合管理システム１００を有している。実施の形態４の空気調和装置は、たとえば、制御装置６が、装置が故障したものと判定すると、故障検出信号を列車統合管理システム１００に送信するようにする。ここで、各車両の制御装置６は、空気調和に係る設定、単なる故障した旨の信号を送信するだけではなく、空気調和装置の詳細な故障箇所、冗長運転への移行を示すデータを含む信号も送信するようにしてもよい。

　これにより、たとえば、列車の運転台にいる車掌、運転士などが、空気調和装置の詳細な運転状況を管理することができる。そして、冗長運転に移行して空調能力の低下が確認できる場合は、空気調和装置が正常な車両へ乗客を誘導することができる。

　また、列車統合管理システム１００への信号の送信だけでなく、たとえば、無線を用いて保守メンテナンス会社にも、故障検出信号を無線送信するようにしてもよい。たとえば、運行業務終了後など、車両が運行を停止している間に、保守メンテナンス会社が故障箇所を事前に把握した状態で修理・検修を速やかに行うことができる。

実施の形態５．
　前述した実施の形態４では、制御装置６と列車統合管理システム１００とは、別の装置であった。ここで、列車統合管理システム１００が有する管理制御装置１０１が、制御装置６を有し、前述した制御装置６が行う制御に関する処理を行うようにしてもよい。列車統合管理システム１００の管理制御装置１０１が、制御装置６の処理を行うことで、空気調和装置に制御装置６を設ける必要がない。このため、空気調和装置を簡素にすることができる。列車は、複数の空気調和装置を有しているため、列車全体としてより効果が大きくなる。

　また、実施の形態１～実施の形態４において、圧縮機２は鉄道車両用補助電源装置１の電源周波数で最大負荷出力となるようにしているが、これに限定するものではない。圧縮機２が、鉄道車両用補助電源装置１の電源周波数よりも高い周波数でも駆動させることができるようにしてもよい。この場合、電力変換装置３による高速回転が行えるため圧縮機２の高出力化が可能となる。ただし、電力変換装置３が故障し鉄道車両用補助電源装置１による冗長運転では、最大回転数での圧縮機駆動ができないことから空調能力が低下する。

　実施の形態１～実施の形態４においては、２台の圧縮機２を駆動させる電力供給装置１０について説明したが、特に限定するものではない。たとえば、２台の圧縮機２の代わりに、室内送風機と室外送風機とに置き換えた送風機用駆動回路に適用しても同様の効果を得ることができる。

　１　鉄道車両用補助電源装置、２，２Ａ，２Ｂ　圧縮機、３　電力変換装置、４　配線用遮断器、５　切替装置、６　制御装置、７　温度検出装置、１０　電力供給装置、３１　整流回路、３２　インバータ回路、３３　リアクトル、３４　コンデンサ、５１　電力供給用接触器、５２　第１接触器、５３　第２接触器、５４　第３接触器、５５　第４接触器、１００　列車統合管理システム、１０１　管理制御装置。

Claims

　空調対象空間の空気調和を行う１または複数の冷媒回路を構成する機器となる複数台の圧縮機と、
　電源装置からの電力を変換し、前記圧縮機を任意の駆動回転数で駆動させる電力を、前記圧縮機に供給する電力変換装置と、
　前記圧縮機について、前記電力変換装置からの電力供給を受けるか、または、前記電源装置からの電力供給を直接受けるかの切り替えを個別に行う切替装置と、
　前記電力変換装置および前記切替装置を制御する制御装置とを備える空気調和装置。
　前記切替装置は、第１切替機器、第２切替機器、第３切替機器および第４切替機器を有し、
　第１の切替機器の一方の接点は、前記電力変換装置の出力部と接続し、他方の接点は、少なくとも１台の前記圧縮機の入力部と接続し、
　第二の切替機器の一方の接点は、前記電力変換装置の出力部と接続し、他方の接点は、前記少なくとも１台の前記圧縮機以外の他の前記圧縮機の入力部と接続し、
　第三の切替機器の一方の接点は、前記電源装置と接続し、他方の接点は、前記少なくとも１台の前記圧縮機の入力部と接続し、
　第四の切替機器の一方の接点は、前記電源装置と接続し、他方の接点は、前記他の前記圧縮機の入力部と接続する請求項１に記載の空気調和装置。
　空調能力が最大となる定格電力で運転を行うとき、前記制御装置は、少なくとも１台の前記圧縮機が前記電源装置からの電力供給を直接に受け、他の前記圧縮機が前記電力変換装置からの電力供給を受けるように前記切替装置の切り替えを制御する請求項１または請求項２に記載の空気調和装置。
　前記定格電力の半分未満となる電力で運転を行うとき、前記制御装置は、駆動に係る前記圧縮機が、前記電力変換装置からの電力供給を受けるように、前記切替装置の切り替えを制御する請求項１～請求項３のいずれか一項に記載の空気調和装置。
　前記定格電力の半分以上、前記定格電力未満となる電力で運転を行うとき、前記制御装置は、少なくとも１台の前記圧縮機が前記電源装置からの電力供給を直接に受け、他の１台の前記圧縮機が前記電力変換装置から不足分の電力供給を受けるように前記切替装置の切り替えを制御する請求項１～請求項４のいずれか一項に記載の空気調和装置。
　前記制御装置は、前記圧縮機の故障を検出すると、故障した前記圧縮機への電力供給を停止し、別の前記圧縮機への電力供給の変更または電力供給の継続を行うように前記切替装置の切り替えを制御する請求項１～請求項５のいずれか一項に記載の空気調和装置。
　前記制御装置は、前記電力変換装置の故障を検出すると、前記電源装置から前記電力変換装置への電力供給を停止し、前記電源装置から前記圧縮機に直接電力供給が行われるように、前記切替装置の切り替えを制御する請求項１～請求項６のいずれか一項に記載の空気調和装置。
　前記制御装置は、空調対象空間の実際の温度と目標とする指令温度との温度差が、閾値となる温度差以上であり、空調能力が最大となる前記定格電力を出力するものと判定すると、すべての前記圧縮機が前記電源装置からの電力供給を直接受けるように、前記切替装置の切り替えを制御する請求項１～請求項７のいずれか一項に記載の空気調和装置。
　前記制御装置は、前記電源装置からの電力供給を直接受ける、複数の前記圧縮機の起動タイミングをずらすように前記切替装置の切り替えを制御する請求項１～請求項８のいずれか一項に記載の空気調和装置。
　列車の車両に搭載される鉄道車両用空気調和装置である請求項１～請求項９のいずれか一項に記載の空気調和装置。
　故障を検出すると、前記車両に搭載されている機器の監視および制御を集中管理する列車統合管理システムに、故障検出信号を送信する請求項１０に記載の空気調和装置。
　故障を検出すると、前記列車外の装置に、故障検出信号を無線送信する請求項１０または請求項１１に記載の空気調和装置。
　前記制御装置を、前記車両に搭載されている機器の監視および制御を集中管理する列車統合管理システムが有する請求項１０～請求項１２のいずれか一項に記載の空気調和装置。