WO2018230278A1 - 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

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WO2018230278A1
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WO
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cabin
temperature
outside air
free cooling
control
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PCT/JP2018/019674
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弘朗 刀根
正利 浦川
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三菱電機株式会社
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    • B60H—ARRANGEMENTS OF HEATING, COOLING, VENTILATING OR OTHER AIR-TREATING DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR PASSENGER OR GOODS SPACES OF VEHICLES
    • B60H1/00—Heating, cooling or ventilating [HVAC] devices
    • B60H1/00642—Control systems or circuits; Control members or indication devices for heating, cooling or ventilating devices
    • B60H1/00735—Control systems or circuits characterised by their input, i.e. by the detection, measurement or calculation of particular conditions, e.g. signal treatment, dynamic models
    • B60H1/00807—Control systems or circuits characterised by their input, i.e. by the detection, measurement or calculation of particular conditions, e.g. signal treatment, dynamic models the input being a specific way of measuring or calculating an air or coolant temperature
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
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    • B61D27/0018—Air-conditioning means, i.e. combining at least two of the following ways of treating or supplying air, namely heating, cooling or ventilating
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    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T30/00—Transportation of goods or passengers via railways, e.g. energy recovery or reducing air resistance

Definitions

  • the present invention relates to an air conditioner for a vehicle and an air conditioner for the vehicle air conditioner.
  • Patent Document 1 whether or not to perform free cooling is determined only by whether or not the condition that the value obtained by subtracting the temperature of the outside air from the target value of the temperature of the air-conditioned room exceeds a predetermined threshold is satisfied. is doing. However, when the air-conditioned room is a vehicle cabin, the passenger's boarding rate fluctuates at any time in the cabin, so the judgment method of Patent Document 1 is insufficient.
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and provides an air conditioner for a vehicle and an air conditioner for an air conditioner for a vehicle that are less likely to cause a problem that the comfort of a passenger cabin is impaired due to excessive free cooling. This is the first purpose.
  • the second object of the present invention is to provide an air conditioner for a vehicle and an air conditioner for the air conditioner for a vehicle that can save energy compared to the prior art.
  • a vehicle air conditioner of the present invention includes: A refrigeration cycle apparatus provided in a vehicle, wherein a refrigeration cycle for cooling a passenger compartment of the vehicle is configured using a compressor that circulates a refrigerant in the refrigeration cycle; An outside air damper device capable of switching between an open state in which outside air can be taken into the cabin and a closed state in which the outside air is not taken into the cabin; An outside air temperature measuring device for measuring the outside air temperature which is the temperature of the outside air; An indoor temperature measuring device for measuring an indoor temperature which is a temperature of the guest room; Refrigeration cycle control for cooling the cabin by the refrigeration cycle device, and free cooling control for controlling the outside air damper device to the open state and taking the outside air into the cabin while the compressor is stopped.
  • a control device for performing, The control device is Based on the preset target temperature of the cabin, the outside temperature measured by the outside temperature measuring instrument, and the room temperature measured by the room temperature measuring instrument, the room temperature of the cabin by the free cooling control is set. Pre-judgment to determine whether cooling is possible, If it is determined in the prior determination that the cabin can be cooled by the free cooling control, the free air that indicates the cooling capability by the free cooling control depends on a temperature difference between the outside air temperature and the room temperature. Free cooling that determines whether or not to execute the free cooling control based on a comparison between a cooling capacity value and an indoor heat load value that represents a difficulty in lowering the temperature of the cabin, depending on a passenger occupancy rate in the cabin. Execution judgment, I do.
  • the free cooling control is executed by comparing the free cooling capacity value with the indoor thermal load value even if it is determined in the prior determination that the cabin can be cooled by the free cooling control. Therefore, it is difficult to cause a problem that the comfort of the guest room is deteriorated due to excessive free cooling.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram illustrating functions of a control device according to a first embodiment.
  • the flowchart which shows the procedure of the air_conditioning
  • FIG. 1 which shows the procedure of the cooling control which concerns on Embodiment 2.
  • the flowchart which shows the procedure of the cooling control which concerns on Embodiment 3.
  • a vehicle air conditioner 100 includes a refrigeration cycle apparatus 10 provided on a roof portion of a railway vehicle TR as a vehicle.
  • the refrigeration cycle apparatus 10 constitutes a refrigeration cycle for cooling the passenger compartment PRM of the railway vehicle TR.
  • the cabin PRM refers to a space defined for a passenger to get inside the railway vehicle TR.
  • FIG. 1 shows only a part of the configuration of the refrigeration cycle apparatus 10.
  • the overall configuration of the refrigeration cycle apparatus 10 will be described with reference to FIG.
  • the refrigeration cycle apparatus 10 includes an indoor heat exchanger 11 as an evaporator that vaporizes the refrigerant, a gas-liquid separator 12 that separates the vaporized refrigerant from a liquid refrigerant, and a separated gas.
  • a compressor 13 that compresses the refrigerant
  • an outdoor heat exchanger 14 as a condenser that condenses the compressed refrigerant
  • an expander 15 that expands the condensed refrigerant.
  • the refrigeration cycle apparatus 10 also has a refrigerant pipe 16 that connects the indoor heat exchanger 11, the gas-liquid separator 12, the compressor 13, the outdoor heat exchanger 14, and the expander 15, and distributes the refrigerant.
  • the compressor 13 circulates the refrigerant in the refrigeration cycle constituted by the refrigeration cycle apparatus 10. By circulating the refrigerant, the indoor heat exchanger 11 is cooled and the outdoor heat exchanger 14 is heated. The indoor heat exchanger 11 exchanges heat with the air in the guest room PRM shown in FIG. 1, thereby cooling the guest room PRM. Exhaust heat generated to realize cooling is released to the outside of the railway vehicle TR by the outdoor heat exchanger 14.
  • the compressor 13 repeats the operation of sucking the refrigerant into a compression chamber defined therein, compressing the sucked refrigerant in the compression chamber, and discharging the compressed refrigerant.
  • the capacity of the compression chamber is mechanically controlled by a valve. It has a variable capacity structure that can be switched in two stages.
  • the compressor 13 When the compressor 13 is switched to a state where the capacity of the compression chamber is relatively large (hereinafter referred to as a full load state), the circulation amount of the refrigerant per unit time in the refrigeration cycle apparatus 10 increases. The ability to do is improved. However, the power consumption of the compressor 13 increases.
  • the vehicle air conditioner 100 also includes an indoor fan 21 that promotes heat exchange between the indoor heat exchanger 11 and air, and an outdoor fan 22 that promotes heat exchange between the outdoor heat exchanger 14 and air.
  • the indoor fan 21 sends air cooled by exchanging heat with the indoor heat exchanger 11 to the cabin PRM.
  • the outdoor fan 22 discharges the heated air by exchanging heat with the outdoor heat exchanger 14 to the outside of the railway vehicle TR.
  • the vehicle air conditioner 100 also includes a control device 70 that controls the compressor 13, the indoor fan 21, and the outdoor fan 22 described above.
  • the control device 70 determines whether or not the refrigeration cycle apparatus 10 starts to cool the cabin PRM. When the refrigeration cycle apparatus 10 starts to cool the cabin PRM, the controller 70, the indoor fan 21, and the outdoor The fan 22 is operated. The control device 70 also performs control to switch the compressor 13 between the full load state and the unload state described above.
  • the control device 70 also performs free cooling control, which will be described later, for operating the indoor fan 21 in a state where the compressor 13 and the outdoor fan 22 are stopped.
  • control device 70 causes the refrigeration cycle apparatus 10 to cool the cabin PRM and when performing the free cooling control, the temperature of the cabin PRM has reached a preset target value. It is also determined whether or not.
  • FIG. 1 shows only the indoor heat exchanger 11 and the indoor fan 21 in the configuration shown in FIG.
  • the indoor heat exchanger 11 includes a first indoor heat exchanger 11a and a second indoor heat exchanger 11b that are arranged to face each other with the indoor fan 21 interposed therebetween.
  • the first indoor heat exchanger 11a, the second indoor heat exchanger 11b, and the indoor fan 21 are accommodated in the indoor unit room IR defined by the casing CS at the roof portion of the railway vehicle TR.
  • the indoor fan 21 sucks the air in the guest room PRM from the return port APa, passes the sucked air through the first indoor heat exchanger 11a, and then returns the air to the guest room PRM through the duct DT.
  • the indoor fan 21 also sucks up the air in the guest room PRM from the return port APb, passes the sucked air through the second indoor heat exchanger 11b, and then returns the air to the guest room PRM through the duct DT. Air is cooled by the first indoor heat exchanger 11a and the second indoor heat exchanger 11b.
  • the vehicle air conditioner 100 also includes outside air damper devices 31 and 32 provided in the casing CS that defines the indoor unit room IR.
  • the outside air damper device 31 includes an outside air damper 31a as a valve for adjusting the amount of air outside the railway vehicle TR (hereinafter referred to as outside air) into the indoor unit room IR, and an outside air damper driving device that drives the outside air damper 31a. 31b.
  • the outside air damper 31a can be switched between an open state in which outside air can be taken into the guest room PRM through the indoor unit room IR and a closed state in which outside air is not taken into the guest room PRM.
  • the outside air damper drive device 31b switches between the open state and the closed state of the outside air damper 31a.
  • the outside air damper device 32 also has an outside air damper 32 a and an outside air damper 32 a that can be switched between an open state in which outside air can be taken into the cabin PRM and a closed state in which outside air is not taken into the cabin PRM. And an outside air damper driving device 32b for switching between the open state and the closed state.
  • the indoor fan 21 When the indoor fan 21 is operated when the outside air dampers 31a and 32a are open, the outside air is taken into the indoor unit room IR through the outside air dampers 31a and 32a by the wind pressure formed by the indoor fan 21, and the taken outside air is , It is discharged to the guest room PRM through the duct DT.
  • the indoor fan 21 not only plays a role of forming an airflow that sucks up air in the guest room PRM (hereinafter referred to as “inside air”), but also takes in outside air that forms an air current that takes the outside air into the guest room PRM through the outside air damper devices 31 and 32. Also serves as a fan.
  • the first indoor heat exchanger 11a and the second indoor heat exchanger 11b are not cooled, that is, the compressor 13 and the outdoor fan 22 shown in FIG. Even if the operation is stopped, the guest room PRM can be cooled by taking outside air into the guest room PRM. Thus, cooling the passenger compartment PRM with the outside air while the compressor 13 and the outdoor fan 22 shown in FIG. 2 are stopped is referred to as free cooling.
  • control device 70 shown in FIG. 3 opens the outdoor air dampers 31a and 32a shown in FIG. 1 with the compressor 13 and the outdoor fan 22 shown in FIG. 2 stopped.
  • free cooling control for taking outside air into the cabin PRM is performed.
  • the vehicle air conditioner 100 includes an outside air temperature measuring device 40 that measures the outside air temperature, which is the outside air temperature, so as to detect that the outside air temperature is lower than the inside air temperature. And an indoor temperature measuring device 50 that measures the indoor temperature that is the temperature of the inside air. The detection results of the outside air temperature measuring device 40 and the indoor temperature measuring device 50 are output to the control device 70 shown in FIG.
  • the vehicle air conditioner 100 is also provided with a configuration that suppresses excessive free cooling in consideration of the boarding rate.
  • a specific description will be given with reference to FIG.
  • the vehicle air conditioner 100 includes a load measuring device 60 that measures the weight of the railway vehicle TR in order to grasp the boarding rate.
  • the load measuring device 60 measures the weight of the railway vehicle TR in a state where passengers are accommodated in the passenger compartment PRM.
  • the vehicle air conditioner 100 includes a control device 70 that performs free cooling execution determination that determines whether or not to perform free cooling control using the measurement result of the load measuring device 60.
  • a control device 70 that performs free cooling execution determination that determines whether or not to perform free cooling control using the measurement result of the load measuring device 60.
  • control device 70 obtains an indoor heat load value [W] that represents the difficulty in decreasing the temperature of the guest room PRM, using the boarding rate [%].
  • the indoor heat load value [W] depends on the boarding rate [%] so as to increase as the boarding rate [%] increases, and the temperature difference obtained by subtracting the outside air temperature from the target temperature of the cabin PRM increases.
  • the physical quantity depends on the temperature difference so as to be small.
  • the control device 70 sets proportional constants C 3 [W] and C 4 [W / ° C.] where T A [° C.] is the target temperature of the cabin PRM and T B [° C.] is the outside air temperature. ],
  • the indoor heat load value [W] is obtained by the following equation (2).
  • the measurement result of the outside air temperature measuring device 40 is used for the outside air temperature T B [° C.].
  • the target value T A [° C.] is set in advance.
  • Indoor heat load value [W] C 3 [W ] ⁇ occupancy [%] - C 4 [W / °C] ⁇ (T A -T B) [°C] ... (2)
  • the free cooling control It is determined whether or not the indoor heat load value [W] exceeds the cooling capacity by the free cooling control. If the indoor heat load value [W] exceeds the free cooling control, the free cooling control is not performed and the refrigeration cycle apparatus 10 shown in FIG. If cooling is performed, it is possible to suppress excessive free cooling when the boarding rate [%] is high.
  • the control device 70 obtains a free cooling capacity value [W] representing the cooling capacity by the above free cooling control by the following equation (3).
  • Free cooling capacity value [W] C 5 [W / °C] ⁇ (T C -T B) [°C] ... (3)
  • the measurement result of the indoor temperature measuring instrument 50 is used for the indoor temperature T C [° C.].
  • C 5 [W / ° C.] is a proportionality constant.
  • the free cooling capacity value [W] is set so that the temperature difference becomes larger as the temperature difference obtained by subtracting the outside air temperature T B [° C.] from the room temperature T C [° C.] is larger. It depends on the physical quantity.
  • control device 70 determines whether or not to perform free cooling control by comparing the free cooling capacity value and the indoor heat load value, and only when the free cooling capacity value exceeds the indoor heat load value, Perform free cooling control. As a result, excessive free cooling can be suppressed.
  • the configuration of the control device 70 will be specifically described.
  • the control device 70 includes a storage unit 72 in which a control program 71 describing the operation of the control device 70 is stored, and a processor 73 that reads the control program 71 from the storage unit 72 and executes it.
  • the storage unit 72 also stores values of constants C 1 to C 5 necessary for the calculations of the above equations (1) to (3).
  • the control program 71 causes the processor 73 to realize cooling control including first to third processes described below.
  • the first process is a prior determination process for determining whether or not the cabin PRM can be cooled by free cooling control.
  • the second process uses the above equations (1)-(3) to determine the indoor thermal load value and the free cooling when it is determined in the prior determination process that the cabin PRM can be cooled by free cooling control.
  • This is a free cooling execution determination process for calculating a capability value and determining whether to perform free cooling control by comparing both values.
  • the third process is performed when the preliminary determination process determines that the cabin PRM cannot be cooled by the free cooling control, and when the free cooling execution determination process determines that the free cooling control is not performed.
  • 10 is a process of performing refrigeration cycle control for cooling the passenger compartment PRM.
  • Step S11 in FIG. 4 is the preliminary determination process
  • step S12 is the free cooling execution determination process
  • steps S14 and S15 are processes for performing the refrigeration cycle control. Details will be described below.
  • the control device 70 first performs a prior determination for determining whether or not a free cooling start condition is satisfied (step S ⁇ b> 11).
  • the case where the free cooling start condition is satisfied means that all of the following conditions (a) to (c) are satisfied.
  • Target value T A is set in advance. If this condition (a) is not satisfied, free cooling cannot be performed in principle.
  • Condition (b) the value obtained by subtracting from the room temperature T C of the outside air temperature T B is the first threshold value X or more predetermined. That is, the inequality that the room temperature T C ⁇ the outside air temperature T B ⁇ first threshold value X is satisfied. If this condition (b) is not satisfied, even if attempted free cooling can not be sufficiently quickly cool the room temperature T C.
  • Condition (c) the value obtained by subtracting the target value T A from the room temperature T C is equal to or less than the second threshold value Y set in advance. That is, the inequality that the room temperature T C ⁇ the target value T A ⁇ the second threshold Y is satisfied. If this condition (c) is not satisfied, even if attempted to free cooling, there is a high possibility that it is impossible to reach the room temperature T C at the target value T A.
  • step S11 When the above conditions (a) to (c) are all satisfied (step S11; YES), the control device 70 determines that the cabin PRM can be cooled by free cooling control. And the control apparatus 70 performs the free cooling execution determination which determines whether actual free cooling is performed (step S12).
  • the control device 70 calculates the indoor thermal load value and the free cooling capacity value using the above equations (1) to (3), and the free cooling capacity value is calculated from the indoor thermal load value. It is determined whether or not it is larger.
  • Controller 70 when free cooling capacity value is greater than the indoor heat load value (step S12; YES), since the expected and can converge to rapidly target value T A room temperature T C by free cooling control Then, free cooling control is started (step S13). Specifically, the control device 70 opens the outdoor air dampers 31a and 32a and operates the indoor fan 21 in a state where the compressor 13 and the outdoor fan 22 are stopped. Let it be in a state of being captured.
  • step S11 if all of the above conditions (a) to (c) are not satisfied in step S11 (step S11; NO), the control device 70 cannot cool the cabin PRM by free cooling control.
  • the refrigeration cycle control for starting the refrigeration cycle operation for operating the machine 13 in the already described full load state is performed (step S14).
  • control device 70 operates after controlling the compressor 13 to a full load state, and operates the indoor fan 21 and the outdoor fan 22 while the outdoor air dampers 31a and 32a remain closed. Thereby, the passenger compartment PRM is quickly cooled by the refrigeration cycle apparatus 10.
  • step S12 if free cooling capacity value is below the indoor heat load value; caused to converge to (step S12 NO), quickly target value T A room temperature T C in the free cooling control Therefore, the refrigeration cycle control for starting the refrigeration cycle weak operation for operating the compressor 13 in the unloaded state described above is performed (step S15).
  • control device 70 operates after controlling the compressor 13 to the unloaded state, and operates the indoor fan 21 and the outdoor fan 22 while the outdoor air dampers 31a and 32a remain closed. Accordingly, the cabin PRM is cooled by the refrigeration cycle apparatus 10 more quickly than when the free cooling control is performed.
  • step S14 the compressor 13 is operated in the full load state
  • step S15 the compressor 13 is operated in the unloaded state.
  • the execution of step S15 is performed when the free cooling start condition in step S11 is satisfied. in but a prerequisite, since the difference of the room temperature T C and the target value T a is not so large, the expected and the refrigeration cycle apparatus 10 is also reduce the ability to cool the rooms PRM, can cool sufficiently rooms PRM is there.
  • Controller 70 after the start of the free cooling control in step S13, after starting the refrigeration cycle operation in step S14, or after the start of the refrigeration cycle weak operated at step S15, the indoor temperature T C and the target value T A It is determined whether or not the absolute value of the difference is less than a predetermined threshold value ⁇ (step S16).
  • the absolute value of the difference between the room temperature T C and the target value T A is, if it is less than the threshold value ⁇ a predetermined (step S16; YES), the indoor temperature T C is the target value T A Since it has converged sufficiently and it is not necessary to continue further cooling, stop the free cooling control started in step S13, the refrigeration cycle operation started in step S14, or the weak refrigeration cycle operation started in step S15. (Step S17).
  • Controller 70 also after stopping the cooling, the absolute value of the difference between the room temperature T C and the target value T A monitors whether or not less than the threshold value epsilon (step S18), and the room temperature T C and the target If the absolute value of the difference between the value T a is equal to or higher than the threshold value epsilon (step S18; NO), the flow returns to step S11 (RETURN).
  • the control apparatus 70 complete
  • step S11 even when it is determined in advance determination (step S11) that the free cooling start condition is satisfied and the cabin PRM can be cooled by the free cooling control.
  • step S12 it is determined whether or not to execute the free cooling control by comparing the free cooling capacity value with the indoor heat load value.
  • the refrigeration cycle apparatus 10 is configured to be capable of switching the ability to cool the cabin PRM to at least two stages. Specifically, the compressor 13 can be switched between a full load state and an unload state.
  • step S11 When the controller 70 determines in the prior determination (step S11) that the cooling of the guest room by free cooling control is not possible, the state in which the ability to cool the guest room PRM is controlled to a relatively higher one of the two stages. That is, when performing the refrigeration cycle control for operating the refrigeration cycle apparatus 10 in the full load state and determining that the free cooling control is not performed in the free cooling execution determination (step S12), the ability to cool the cabin PRM is 2 A refrigeration cycle control is performed in which the refrigeration cycle apparatus 10 is operated in a relatively low state of the stages, that is, in an unloaded state.
  • step S12 when it is determined in the free cooling execution determination (step S12) that the free cooling control is not executed, the free cooling control is not executed, but energy saving is achieved by reducing the capacity of the refrigeration cycle apparatus 10. Can do.
  • step S13 After the control device 70 starts the free cooling control (step S13), it is determined whether or not the free cooling control is continued for a predetermined period (step S21). ). Control device 70, until continues for a predetermined period of time (step S21; NO), as in the embodiment 1, until the absolute value of the difference between the room temperature T C and the target value T A is less than the threshold epsilon, free cooling Control is continued (steps S16 and S17).
  • step S21 when the free cooling control is continued for a certain period or longer (step S21; YES), the control device 70 stops the free cooling control and starts the refrigeration cycle weak operation by the refrigeration cycle apparatus 10 (step S15). . Specifically, the control device 70 controls the outdoor air dampers 31a and 32a to be closed while the indoor fan 21 is operating, and operates the compressor 13 in the unloaded state, and also operates the outdoor fan 22. .
  • control unit 70 as in the embodiment 1, until the absolute value of the difference between the room temperature T C and the target value T A is less than the threshold epsilon, (performing a refrigeration cycle weak operation by the refrigeration cycle apparatus 10 S22). Since operations other than these are the same as those in the first embodiment, detailed description thereof is omitted.
  • the free cooling control when the free cooling control is continued for a certain period, the free cooling control is stopped and the cooling by the refrigeration cycle apparatus 10 is started. The problem that is done can be avoided.
  • the next station represents the degree of decrease in the room temperature when the railway vehicle TR stops at the next station. It is determined whether or not the degree of cooling when the vehicle is stopped exceeds the aforementioned indoor heat load value (step S31). This will be specifically described below.
  • the degree of cooling when the next station stops is a physical quantity that represents the degree to which the room temperature decreases due to the cabin PRM communicating with the outside during the period when the railway vehicle TR stops at the next station.
  • Next station stop during cooling degree the greater the longer the period T [s] to open a door of a railway vehicle TR in the next station increases greatly from the indoor temperature T C
  • Cooling degree at next station stop [W] C 6 [W / s / ° C.] ⁇ T [s] ⁇ ⁇ B [° C.] (4)
  • the value of the proportional constant C 6 [W / s / ° C.] is stored in advance in the storage unit 72 shown in FIG.
  • the storage unit 72 illustrated in FIG. 3 stores in advance a table in which a station is associated with a period T [s] during which the door is opened when the vehicle stops at the station.
  • the control device 70 uses information obtained from an operation control device that controls the operation in the cab of the railway vehicle TR, information identifying the station acquired wirelessly from the station equipment, and a sensor that detects that the door is opened.
  • the next station is specified by information indicating the number of times the door has been opened thus far, or information obtained from GPS (Global Positioning System).
  • GPS Global Positioning System
  • the control apparatus 70 specifies the period T [s] corresponding to the specified next station with reference to the above table, substitutes it into the above equation (4), and stops the next station.
  • the degree of cooling [W] is obtained.
  • control apparatus 70 determines whether the degree of cooling at the time of a next station stop is larger than the indoor heat load value as stated above. This corresponds to determining whether the expected temperature of the room PRM at the next station approaches the target value T A.
  • Controller 70 in step S31, the next station stop cooling degree is less than or equal to the indoor heat load value described above; approaches (step S31 NO), the temperature of the room PRM at the next station is the target value T A since not expected and, until the absolute value of the difference between the indoor temperature T C and the target value T a is less than the threshold epsilon, to continue the free cooling control (step S16).
  • Step S31 the next station stop cooling degree, when it exceeds the indoor heat load value described above (Step S31; YES), the temperature of the room PRM at the next station is the target value T A Therefore, stop control is performed to stop the free cooling control by stopping the indoor fan 21 shown in FIG. 1 (step S17). Since operations other than these are the same as those in the first embodiment, detailed description thereof is omitted.
  • the control device 70 after determining that the cabin PRM can be cooled by the free cooling control (step S11; YES), the control device 70 performs the free cooling control. , it is determined whether expected temperature of room PRM by railway vehicles TR at the next station communicating rooms PRM and the outside period T [s] to stop approaches the target value T a (step S31), room when the temperature of the PRM is expected to approach the target value T a (step S31; YES), while the compressor 13 is stopped, performs stop control indoor fan 21 is stopped (step S17). For this reason, since the electric power consumption of the indoor fan 21 can also be reduced, energy saving can be achieved compared with the past.
  • switching of the cooling capacity of the refrigeration cycle apparatus 10 is realized by the compressor 13 whose capacity can be switched mechanically.
  • the cooling capacity is switched to at least two stages.
  • the configuration is not limited to this.
  • Switching the cooling capacity of the refrigeration cycle apparatus 10 is realized by changing the frequency of operation of the compressor 13 or changing the number of compressors 13 to be operated when a plurality of compressors 13 are used. You can also.
  • the refrigeration cycle weak operation can be realized by relatively reducing the operation frequency of the compressor 13 or by relatively reducing the number of compressors 13 to be operated.
  • the outside air dampers 31a and 32a are switched between the open state and the closed state.
  • the degree of opening of the outside air dampers 31a and 32a may be adjustable in three or more stages or continuously.
  • the controller 70 increases the outdoor air dampers 31a and 32a according to the indoor heat load value so that the degree of opening of the outdoor air dampers 31a and 32a increases as the indoor heat load value increases.
  • the degree of opening may be controlled.
  • the return damper as a valve for adjusting the flow rate of the inside air passing through the return ports APa and APb is omitted, but the control device 70 can also control the return damper. During the free cooling control, the control device 70 can efficiently take outside air into the cabin PRM by closing the return damper. Moreover, the control apparatus 70 may change the ratio of the open condition of the external air dampers 31a and 32a and the open condition of the return damper based on the indoor heat load value and the indoor temperature during the free cooling control.
  • the free cooling is started when it is determined in the free cooling execution determination (step S12) that the free cooling control is executed.
  • the free cooling execution determination (step S12) is omitted, and the prior determination (step S11) is performed. )
  • the free cooling may be started when the free cooling start condition is satisfied. Even in this case, since the stop control (step S17) for stopping the indoor fan 21 is performed while the compressor 13 is stopped, energy saving can be achieved by reducing the power consumption of the indoor fan 21.
  • Embodiment 1-3 the configuration in which the refrigeration cycle apparatus 10 is provided on the roof portion of the railway vehicle TR is illustrated, but the installation location of the refrigeration cycle apparatus 10 is not limited to the roof portion.
  • the refrigeration cycle apparatus 10 may be disposed under the floor of the railway vehicle TR. Moreover, you may arrange
  • the vehicle is the railway vehicle TR
  • the vehicle is not limited to the railway vehicle TR.
  • the vehicle is a concept including a bus and other automobiles.
  • the term “station” includes not only the station of the railway vehicle TR but also a bus stop and other automobile stations.
  • control program 71 may be distributed via a communication line, or may be stored and distributed in a computer-readable recording medium such as an optical disk, a magnetic disk, a magneto-optical disk, or a flash memory.
  • the vehicle air conditioner and the air conditioning method for a vehicle air conditioner according to the present invention can be used for cooling a passenger compartment of a vehicle.
  • Control program 72 ... Storage unit, 73 ... Processor, 100 ... Vehicle Air conditioner, TR ... Railcar (vehicle), PRM ... Guest room, CS ... Casing, IR ... Indoor unit room, APa, APb ... Return port, DT ... Duct.

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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

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
　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Ｃ１［ｋｇ］、鉄道車両ＴＲの定員数分の乗客の重さをＣ２［ｋｇ］としたとき、乗車率［％］を、次式（１）により求める。
　乗車率［％］＝１００・（Ａ－Ｃ１）［ｋｇ］／Ｃ２［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ＴＡ［℃］、外気温度をＴＢ［℃］としたとき、比例定数Ｃ３［Ｗ］とＣ４［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ＴＢ［℃］には、外気温度計測器４０の計測結果が用いられる。目標値ＴＡ［℃］は、予め設定される。
　室内熱負荷値［Ｗ］＝Ｃ３［Ｗ］・乗車率［％］－Ｃ４［Ｗ／℃］・（ＴＡ－ＴＢ）［℃］…（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］＝Ｃ５［Ｗ／℃］・（ＴＣ－ＴＢ）［℃］…（３）
　ここで、室内温度ＴＣ［℃］には、室内温度計測器５０の計測結果が用いられる。また、Ｃ５［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ＴＣ［℃］から外気温度ＴＢ［℃］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Ｃ１からＣ５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ＴＡが室内温度ＴＣよりも低く、かつ外気温度ＴＢが客室ＰＲＭの温度の目標値ＴＡよりも低いこと。つまり、室内温度ＴＣ＞目標値ＴＡ＞外気温度ＴＢ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ＴＣ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ＴＢ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ＴＡ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ＴＣから外気温度ＴＢ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ＴＣ－外気温度ＴＢ≧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ＴＣ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ＴＣから目標値ＴＡ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ＴＣ－目標値ＴＡ≦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ＴＣを目標値ＴＡ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ＴＣをすみやかに目標値ＴＡ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ＴＣをすみやかに目標値ＴＡ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ＴＣと目標値ＴＡ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ＴＣと目標値ＴＡ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ＴＣと目標値ＴＡ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ＴＣが目標値ＴＡ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ＴＣと目標値ＴＡ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ＴＣと目標値ＴＡ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ＴＣと目標値ＴＡ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ＴＣと目標値ＴＡ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ＴＣと目標値ＴＡ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ＴＣから外気温度ＴＢ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Ｃ６［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］＝Ｃ６［Ｗ／ｓ／℃］・Ｔ［ｓ］・ΔＢ［℃］…（４）
　なお、比例定数Ｃ６［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ＴＡ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ＴＡに近づくと見込めないため、室内温度ＴＣと目標値ＴＡ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ＴＡ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ＴＡ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ＴＡ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ＴＣ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ＴＣ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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