(57)【要約】【課題】圧縮機を停止させることなく、過負荷時の吐出圧力を運転圧力範囲内に抑制する冷凍サイクルを実現する鉄道車両用空調装置を提供する。【解決手段】圧縮機１の吐出側と蒸発器４の伝熱管とを接続するバイパス配管１０１に、バイパス回路を開閉する電磁弁６を設ける。圧縮機１の吐出圧力が許容圧力に到達して圧力スイッチ９が動作する場合は、電磁弁６を開いて、圧縮機１の高温・高圧のガス冷媒の一部が凝縮器２をバイパスして蒸発器４に送られる。蒸発器４では減圧冷却機能によって、バイパスされた高温・高圧のガス冷媒は低温・低圧されるので、圧縮機１の吸込ガス温度を上昇させることなく過負荷時の圧縮機１の吐出圧力上昇を抑制でき、圧縮機１の運転停止による車内空調サービスの停止が回避され、急激な車内温度上昇を防止できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
気相冷媒を圧縮する圧縮機、当該圧縮機から吐出された気相冷媒を凝縮する凝縮器、当該凝縮器から送られた液相冷媒を蒸発させるとともに蒸発された気相冷媒を前記圧縮機に送り込む蒸発器、並び前記圧縮機、前記凝縮器及び蒸発器を循環接続するメイン配管を備えた冷凍サイクルを搭載しており、
前記圧縮機の吐出側と前記蒸発器の出口側とにおいて前記メイン配管に接続されて前記凝縮器をバイパスするバイパス配管と、当該バイパス配管に介装された開閉可能な電磁弁と、当該電磁弁の開弁状態で前記バイパス配管を通じて流れる前記気相冷媒を減圧冷却する減圧冷却器とを備えていること、
を特徴とする鉄道車両用空調装置。
【請求項２】
請求項１に記載の鉄道車両用空調装置において、
前記蒸発器と前記減圧冷却器とはそれぞれ複数本の伝熱管と各伝熱管に設けられた放熱部とを備えており、
前記蒸発器と前記減圧冷却器とは一体化された複合蒸発器を構成していること、
を特徴とする鉄道車両用空調装置。
【請求項３】
請求項２に記載された鉄道車両用空調装置において、
前記減圧冷却器の前記伝熱管は、前記複合蒸発器の最下段に配置されていること、
を特徴とする鉄道車両用空調装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載された鉄道車両用空調装置において、
前記圧縮機の吐出側には、前記圧縮機から吐出された前記気相冷媒の吐出圧力を検知する圧力検知手段が設けられており、
前記気相冷媒の前記吐出圧力が許容圧力に到達したことを前記圧力検知手段が検知することに応答して前記電磁弁が開弁し、前記気相冷媒の前記吐出圧力が許容圧力未満になったことを前記圧力検知手段が検知することに応答して前記電磁弁が閉弁されること、
を特徴とする鉄道車両用空調装置。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれか１項に記載された車両用空調装置において、
前記電磁弁は開度が調整可能な流量調整弁であること、
を特徴とする鉄道車両用空調装置。
【請求項６】
請求項５に記載の鉄道車両用空調装置において、
前記圧縮機の吐出側には、前記圧縮機から吐出された前記気相冷媒の吐出圧力を検知する圧力検知手段が設けられており、
前記圧縮機のチャンバ温度を検出する温度検知手段が備えられており、
前記圧力検知手段と前記温度検知手段とのいずれか又は双方の検出値に応じて前記流量調整弁の弁開度が制御されること、
を特徴とする鉄道車両用空調装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載された車両用空調装置において、
前記放熱部は前記伝熱管に取り付けられた多数のフィンであり、前記蒸発器と前記減圧冷却器とはフィン・チューブ式蒸発器として構成されていること、
を特徴とする鉄道車両用空調装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄道車両用空調装置に係り、特に圧縮機、前記凝縮器及び蒸発器を循環接続するメイン配管を備えた冷凍サイクルを搭載している鉄道車両用空調装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、圧縮機、前記凝縮器及び蒸発器を循環接続するメイン配管を備えた冷凍サイクルを搭載している鉄道車両用空調装置においては、圧縮機の吐出圧力を圧力スイッチで検知して、圧力スイッチがＯＮすると圧縮機を一旦停止させて、一定時間経過後に再起動させるという運転を繰り返していた。
【０００３】
一方、インバータで圧縮機の運転周波数を制御して冷房能力を変化させるタイプの空調装置では、特許文献１に記載のようにインバータの運転周波数を低下させて、圧縮機の吐出圧力上昇を防止している。鉄道車両用空調装置では、振動や日射、塵埃等使用環境が厳しいことからインバータの保守に費やす労力を軽減するため、複数台の圧縮機を搭載して、圧縮機の運転台数を切替えて車内温度を制御する方式が主流となっている。
【特許文献１】特開２００３−２１２１１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の鉄道車両用空調装置においては、排熱等に起因する周囲温度の上昇及び日射等の影響を受けて、室外熱交換器の吸込空気温度が高温になり、圧縮機の吐出圧力が許容圧力を超えることがある。特に、夏季時期や高温地域を走行する鉄道車両の場合には、こうした圧縮機の負荷が大きくなり、圧縮機の吐出圧力が許容圧力を超えることがある。圧縮機の吐出圧力を圧力スイッチで検知して、圧力スイッチがＯＮすると圧縮機を一旦停止させて、一定時間経過後に再起動させるという運転では、圧縮機が停止している間、車内に冷風を供給することができないため、車内空調サービスの質が劣化する場合があった。
【０００５】
したがって、鉄道車両用空調装置とその制御方法において、空調能力の一部低下を容認するが冷凍システムの運転を停止させることなく、空調サービスの提供を継続させる観点から解決すべき課題がある。
【０００６】
本発明の目的は、過負荷時の吐出圧力を許容圧力以内に抑制することで、空調能力が一部低下しても圧縮機を停止させずに冷凍サイクルの運転を継続し、車内空調サービスの質の劣化の程度を小さくすることができる車両用空調装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明による鉄道車両用空調装置は、気相冷媒を圧縮する圧縮機、当該圧縮機から吐出された気相冷媒を凝縮する凝縮器、当該凝縮器から送られた液相冷媒を蒸発させるとともに蒸発された気相冷媒を前記圧縮機に送り込む蒸発器、並び前記圧縮機、前記凝縮器及び蒸発器を循環接続するメイン配管を備えた冷凍サイクルを搭載しており、前記圧縮機の吐出側と前記蒸発器の出口側とにおいて前記メイン配管に接続されて前記凝縮器をバイパスするバイパス配管と、当該バイパス配管に介装された開閉可能な電磁弁と、前記電磁弁の開弁状態で前記バイパス配管を通じて流れる前記気相冷媒を減圧冷却する減圧冷却器とを備えていること、を特徴としている。
【０００８】
この鉄道車両用空調装置において、前記蒸発器と前記減圧冷却器とはそれぞれ複数本の伝熱管と各伝熱管に設けられた放熱部とを備えており、前記蒸発器と前記減圧冷却器とは一体化された複合蒸発器を構成しているとすることができる。また、前記減圧冷却器の前記伝熱管は、前記複合蒸発器の最下段に配置することが好ましい。
【０００９】
また、この鉄道車両用空調装置において、前記圧縮機の吐出側には、前記圧縮機から吐出された前記気相冷媒の吐出圧力を検知する圧力検知手段を設け、前記気相冷媒の前記吐出圧力が許容圧力に到達したことを前記圧力検知手段が検知することに応答して前記電磁弁を開弁させ、前記気相冷媒の前記吐出圧力が許容圧力未満になったことを前記圧力検知手段が検知することに応答して前記電磁弁を閉弁させることができる。
【００１０】
更に、この鉄道車両用空調装置において、前記圧縮機の吐出側には、前記圧縮機から吐出された前記気相冷媒の吐出圧力を検知する圧力検知手段を設け、前記圧縮機のチャンバ温度を検出する温度検知手段を備え、前記圧力検知手段と前記温度検知手段とのいずれか又は双方の検出値に応じて前記流量調整弁の弁開度を制御することができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、圧縮機の吐出側と蒸発器の出口側とにおいて冷凍サイクルのメイン配管に接続されて凝縮器をバイパスするバイパス配管と、当該バイパス配管に介装された電磁弁と、当該電磁弁の開弁状態でバイパス配管を通じて流れる気相冷媒を減圧冷却する減圧冷却器とを備えているので、電磁弁を開くことで圧縮機から吐出された冷媒の一部がバイパス配管を流れる場合には、凝縮器に流れる冷媒の量がその分少なくなり、凝縮器での放熱量が少なくて済む。したがって、室外熱交換器の吸込空気温度が高温になるような場合であっても圧縮機の吐出圧力が許容圧力を超えるような事態を回避できる。また、バイパス配管を経た冷媒は減圧冷却器で減圧し冷却されるので、圧縮機の吸込ガス温度は上昇することがない。したがって、過負荷時であっても圧縮機の吐出圧力上昇を抑制できるので、圧縮機の運転停止による車内の急激な温度上昇を防止できる。つまり、空調能力が一部低下することはあっても、圧縮機、ひいては冷凍サイクルの運転を継続できるので車内空調サービスの劣化の程度を小さくできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下に図面を参照して、本発明による鉄道車両用空調装置の実施例を説明する。図１に本発明による鉄道車両用空調装置が備える冷凍サイクル構成図を示し、図２に圧力スイッチの動作・復帰圧力と電磁弁の開閉状態を示す。
【００１３】
図１に示す冷凍サイクルにおいて、圧縮機１から吐出された高温・高圧のガス冷媒は、凝縮器２で外気により冷却されて高圧の液冷媒となる。高圧の液冷媒は、キャピラリーチューブ３で減圧された後、蒸発器４で客室の循環空気から熱を奪って低圧のガス冷媒となり、アキュムレータ５（気液分離器の機能を持つ）を通って圧縮機１に戻る。ここで、７は凝縮器２に外気を送風するための室外送風機、８は蒸発器４に客室の空気を送風するための室内送風機である。また、圧縮機１の吐出側には、吐出された冷媒の圧力を検知する圧力スイッチ９が設けられている。
【００１４】
この冷凍サイクルにおいて、圧縮機１、凝縮器２、蒸発器４に順次接続されて冷媒が循環するメイン配管１００が設けられている。圧縮機１の吐出側において、メイン配管１００からは凝縮器２をバイパスするバイパス配管１０１が分岐する態様で接続されている。この実施例では、蒸発器４は複合蒸発器である。具体的には、図４及び図５に基づいて後述するが、メイン配管１００による冷媒が流れて液（液相）冷媒からガス（気相）冷媒に蒸発させる本来の蒸発器部分４ａと、バイパス配管１０１が接続されて圧縮機１からの高温高圧の冷媒が減圧し冷却される減圧冷却器４ｂとが複合されている。バイパス配管１０１には、バイパス配管１００を流れる冷媒の流れを許容又は停止させるために開閉可能な電磁弁６が介装されている。
【００１５】
凝縮器２の冷却空気の温度が日射や排熱の影響により外気温度より上昇して、図２に示すように圧縮機１の吐出圧力が許容圧力Ｐ1に到達すると、圧縮機１の吐出側に設けられている圧力スイッチ９が動作する。圧力スイッチ９のこの動作に応答して、バイパス配管１０１に設けられている電磁弁６が開き、圧縮機１の吐出冷媒の一部が蒸発器４の減圧冷却器部分４ｂに流入する。したがって、凝縮器２に流入する冷媒量は減少する。凝縮器２において、流量が少なくなった冷媒は室外送風機７によって送風される外気によって良く冷却されるようになるため、冷媒の凝縮温度と圧力が低下する。図２において圧縮機１の吐出圧力が圧力スイッチ９の復帰圧力Ｐ2以下になるのは、圧縮機１が停止する時である。圧力スイッチ９の動作に基づく電磁弁６のための制御回路については図３に基づいて後述する。
【００１６】
蒸発器４の減圧冷却器部分４ｂに流入した高温のガス冷媒は、減圧冷却器部分４ｂを通過する間に冷却された後に、メイン配管１００から蒸発器部分４ａに流入した冷媒と合流した後に圧縮機１に戻る。電磁弁６を開弁して蒸発器４の減圧冷却器（室内熱交換器の部分）にバイパスさせるガス冷媒量は、圧縮機１から吐出する冷媒流量の約３０％とし、バイパス時の冷房能力低下を３０％以内とする。
【００１７】
図３に図１の空調装置を構成する圧縮機１の電気回路を示す。図３（ａ）は圧縮機１のための電気回路、図３（ｂ）はその制御回路である。図３（ａ）に示すように、圧縮機１は配線用遮断器２０、電磁接触器２１、サーマルリレー２２を介してＡＣ４４０Ｖ（６０Ｈｚ）の三相電源に接続される。なお、この実施例では、圧縮機１の電気回路にはインバータ装置を備えていない。また、図３（ｂ）に示すように、制御回路はＡＣ１００Ｖ（６０Ｈｚ）で、配線用遮断器２３を入れて、サーモスタット２４がＯＮになるとコイル２１ａが通電されて電磁接触器２１が入り、圧縮機１が運転される。ここで、サーモスタット２４は、車内温度をモニタするためのバイメタル式で接点をＯＮ・ＯＦＦさせる簡易な温度センサである。圧力スイッチ９が動作すると接点９ａ（ｂ接点）が切れてリレー２５がＯＦＦとなり、ｂ接点２５ａがＯＮになる。ｂ接点２５ａがＯＮになると、コイル６ａが通電されてバイパス回路の電磁弁６が開く。
【００１８】
図４に図１の蒸発器の構造の一例を示し、図５に図４に示す蒸発器の伝熱管群の接続形態を示す。図４において、（ａ）は蒸発器の左側面図、（ｂ）は蒸発器の正面図、（ｃ）は蒸発器の右側面図である。蒸発器４は、前記したように、メイン配管１００に接続される通常の蒸発器部分４ａと、バイパス配管１０１に接続される減圧冷却器部分４ｂとが複合された複合蒸発器である。即ち、３０は伝熱管、３１はフィン、３２はヘッダー、３３は入口管である。凝縮器２からのメイン配管１００を流れる冷媒は、分岐されてキャピラリーチューブ３を通り、キャピラリーチューブ３で減圧されて入口管３３に入る。この例では、冷媒は最下段（３３ｇ）を除く上側段の６系統の入口管３３（３３ａ〜３３ｆ）に入る。各入口管３３ａ〜３３ｆに入った冷媒は各段で２往復合計４本の伝熱管を通りヘッダー３２から出ていく。
【００１９】
圧縮機１の吐出圧力が許容圧力を超過して圧力スイッチ９が動作した場合、バイパス配管１０１の電磁弁６が開き、圧縮機１から吐出された高温（１００℃を超える）・高圧のガス冷媒の一部はバイパス配管１０１を通って、凝縮器２をバイパスし、図５に示すように複合蒸発器４の最下段に配設されている伝熱管３０ｇに流れ込む。伝熱管３０ｇは往復２本の伝熱管から成っている。伝熱管３０ｇは、凝縮器２で液化されてメイン配管１００を通じて流入する冷媒がキャピラリーチューブ３で減圧され更に蒸発器部分４ａを通過する際の蒸発で冷却されて温度が低下した６系統の伝熱管３３ａ〜３３ｆからの熱伝導で冷却される。また、伝熱管３０ｇは、フィン３１表面に結露した水分が流下して伝熱管３０ｇを濡らし、伝熱管３０ｇの周囲を通過する空気で当該水分が蒸発する際の蒸発熱によっても冷却される。伝熱管３０ｇに流入したガス冷媒は、このようにして冷却された伝熱管３０ｇとの間の熱伝導によって冷却される。伝熱管３０ｇで冷却されたガス冷媒は、６系統の伝熱管３３ａ〜３３ｆを通ることでガス化した冷媒とヘッダー３２で合流した後に圧縮機１に戻る。
【００２０】
このように、バイパス配管１０１を通じてバイパスされた高温のガス冷媒が導入される伝熱管を複合蒸発器４の最下段の伝熱管３０ｇとすることで、上段の６系統の伝熱管３３ａ〜３３ｆのフィン３１表面に結露して流下し伝熱管３０ｇに付着する水分が最も多くなり、ひいては、その水分の気化熱によって伝熱管３０ｇを冷却する冷却熱が最も多くなることが期待される。
【００２１】
バイパスされた高温・高圧のガス冷媒は蒸発器４を通過する空気温度以下に冷却されて低温・低圧のガス冷媒となって圧縮機１に戻るため、圧縮機１の吸込側のガス冷媒温度が過度に上昇するのを防止でき、圧縮機１の保護にも役立つ。即ち、圧縮機１の吸込ガス温度が上昇すると圧縮機１のチャンバ温度が上昇するため、駆動用のモータコイルの温度超過を防止するサーモスタットが動作して圧縮機１が停止するというおそれがあるが、圧縮機１に戻る冷媒の温度を下げているので、このようなおそれもない。また、圧縮機１の吐出圧力が高くなるときに圧縮機１が吐出した冷媒の一部（３０％以内）について凝縮器２をバイパスさせるので、凝縮器２で液化される冷媒量が減って凝縮器２の冷媒温度が低下して凝縮圧力が下がるため、圧縮機１の吐出圧力が運転圧力範囲内に抑制される。凝縮器２へ流れる冷媒量が減少するので、その分、空調能力が一部低下することになるが、圧縮機１を連続して運転することができ、車内空調サービスを継続して行うことができる。
【００２２】
図６に本発明における車両用空調装置の別の実施例を示す。図６において、冷凍サイクルは図１に示した実施例の冷凍サイクルと基本的には同じ構造であるので、同じ機能を奏する要素には同じ符号を付して、再度の説明を省略する。図６に示す実施例で、図１に示す実施例と相違する構成として、圧縮機１の吐出圧力を検出するための圧力センサ１１が設けられている。また、圧縮機１のチャンバ温度を検出するためのサーミスタ１２が設けられている。更に、バイパス配管１０１には弁開度を調整可能な流量調整弁１０が設けられており、流量調整弁１０の弁開度を変えることにより、バイパス配管１０１を通り凝縮器２をバイパスする冷媒量を可変調整することができる。
【００２３】
図７に圧縮機の吐出圧力と流量調整弁の開度の関係を示し、図８に圧縮機のチャンバ温度と流量調整弁の開度を示す。凝縮器２の冷却空気の温度が日射や排熱の影響により外気温度より上昇して、図７に示すように圧力センサ１１で検出した圧縮機１の吐出圧力が流量調整弁１０の動作開始圧力Ｐ2に達すると、流量調整弁１０の開度を開き始め圧縮機の許容圧力Ｐ1で全開とする。又は図８に示すようにサーミスタ１２で検出した圧縮機１のチャンバ温度が流量調整弁１０の動作開始温度Ｔ2に達すると、流量調整弁１０の開度を開き始め圧縮機１の許容チャンバ温度Ｔ1で全開とする。即ち、圧力又は温度が上昇するにつれて流量調整弁１０の開度を徐々に開く制御が行われる。圧縮機１の吐出圧力あるいは圧縮機１のチャンバ温度に応じて蒸発器４の最下段の伝熱管３０ｇにバイパスする冷媒量を増加させるのでバイパスさせる冷媒量を最適に調整することができ、蒸発器４で発生する冷房能力の減少を最小限に抑えることができる。
【００２４】
図９にコントローラの構成を示したブロック図を示す。４０はコントローラで、マイクロコンピュータ４１がＲＯＭ（リード・オンリー・メモリー）４２に保存された実行プログラムの命令に従って、各種の演算や比較判定を実行する。ＲＡＭ（ランダム・アクセス・メモリー）４３は各種データを一時的に記憶する場所、４４は車内設定温度を入力する、或いは圧縮機や送風機の運転状態を表示する表示設定器である。
【００２５】
室内温度センサ４５と室内湿度センサ４６、外気温度センサ４７と圧縮機出口の圧力センサ１１及びチャンバ表面に固定されたサーミスタ１２で検出されたアナログデータは、Ａ／Ｄコンバータ４８でデジタル値に変換されて、マイクロコンピュータ４１に入力される。なお、圧力センサ１１とサーミスタ１２とは図９で同時に示されているが、これは作図上の都合であり、いずれか一方でよいものである。
【００２６】
圧縮機１、室外ファン７、室内ファン８は、ＤＯ（デジタルアウトプット）リレー４９の無接点出力で接触器５０，５１，５２を入り切りして、ＯＮ−ＯＦＦ運転する。流量調整弁１０はモータ駆動回路５３のパルス出力で駆動される。
【００２７】
本実施例では、圧縮機の吐出冷媒を蒸発器４の最下段の伝熱管にバイパスさせる方法について開示している。バイパス配管を流れる高温高圧の冷媒ガスを冷却し低温にするのに蒸発器を利用しているが、蒸発器の容量の大きいものを用いてその伝熱管の一部をバイパス配管に接続させているだけで発明装置を組み立てることができ、構造上有利であるので、そのような構造が採用されている。また、蒸発器の最下段の伝熱管であれば、上段のフィンに付いた露をも利用できるという利点がある。しかしながら、本発明は本実施例に限定されるものではなく、バイパス冷媒を通す伝熱管は蒸発器の複数の伝熱管の何れでも良く、伝熱管位置と接続本数を限定しない。また、バイパス配管を流れる高温高圧の冷媒ガスを冷却し低温にすることができれば、こうした蒸発器の構造に限定されない。また、流量調整弁の開度は本実施例に示したように圧縮機の吐出圧力あるいは圧縮機のチャンバ温度に比例させないで、両者の重み付けによって得られた曲線に対応させて調整しても良い。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明による鉄道車両用空調装置の一実施例を示した冷凍サイクル構成図である。
【図２】圧力スイッチの動作・復帰圧力と電磁弁の開閉状態を表した図である。
【図３】図１の空調装置における圧縮機の電気回路である。
【図４】図１の蒸発器の構造図である。
【図５】図３の蒸発器の冷媒回路図である。
【図６】本発明の別の実施例における車両用空調装置の冷凍サイクル構成図である。
【図７】圧縮機の吐出圧力と流量調整弁の開度の関係を示した図である。
【図８】圧縮機のチャンバ温度と流量調整弁の開度を示した図である。
【図９】図１、図６の空調装置におけるコントローラの構成を示したブロック図である。
【符号の説明】
【００２９】
１…圧縮機、２…凝縮器、３…キャピラリーチューブ、４…蒸発器、４ａ…蒸発器部分、４ｂ…減圧冷却部分、５…アキュムレータ、６…電磁弁、７…室外送風機、８…室内送風機、９…圧力スイッチ、１０…流量調整弁、１１…圧力センサ、１２…サーミスタ、１００…メイン配管、１０１…バイパス配管。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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