JPH09249023A - 車両用空気調和装置およびその制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】トンネル走行中の外気圧変動の車内への急激な
伝播を防止しながら、しかも車内の冷暖房を継続して行
なえる空気調和装置を提供する。 【解決手段】空気を圧縮する第１の圧縮機５、該第１の
圧縮機５からの空気を冷却する第１の熱交換器６、該第
１の熱交換器６からの空気を圧縮する第２の圧縮機８、
該第２の圧縮機８により圧縮された空気を常温まで冷却
する第２の熱交換器９、該第２の熱交換器９で冷却され
た空気を減圧する膨張手段１１、該膨張手段１１で低温
化した空気と車内循環空気を熱交換させる第３の熱交換
器１３から構成される空気サイクル式の空気調和装置に
おいて、第１の圧縮機５の吸入側と第３の熱交換器１３
の出口にそれぞれ切替手段２，１４を設けて、外気を吸
入すると同時に直接低温空気を被空気調和空間に供給す
る場合と、循環空気との熱交換を行なわせる場合を切替
られるように構成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、空気調和装置およ
びその制御方法に係り、基本構造が空気サイクル方式に
よって構成され、車両に好適な空気調和装置およびその
制御方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の空気冷凍機を用いた空気調和装置
は、航空機用としてよく用いられており、主な機器構成
については、冷凍機械工学ハンドブック（朝倉書店）第
５０５頁から第５０８頁において論じられている。以
下、図４を用いて、その機器構成について説明する。

【０００３】主エンジン３０の空気圧縮機から抽気した
高温，高圧の空気を熱交換器３３でラム空気により冷却
し、タービン３１で膨張させて低温の空気とした後、キ
ャビン３５内に送風する。キャビン３５の温度制御は、
温度センサ３６，３７によりキャビン３５内と冷風ダク
ト内の温度を検出して、コントローラ３９により温度制
御用ダンパ４０の開閉を調節することにより行なう。つ
まり、タービン３１から吐出される冷たい空気を、ター
ビン３１に供給される暖かい空気と混合させて、適度な
温度とする。

【０００４】ここで、氷結防止用ダンパ４１は、タービ
ン３１から吐出される空気温度が氷点下になるのを防止
するためのダンパで、温度センサ３８によりタービン出
口の空気温度を検出して、キャビン３５の温度制御の場
合と同様に暖かい空気と混合させて行なう。３４は水分
離器で露点に達して発生した水分を除去するために用い
ている。また、送風機３２は熱交換器３３の空冷用のフ
ァンで、タービン３１を動力源としている。

【０００５】なお、この種の装置として関連するものに
は例えば、特開昭５８−３１２３６号、特開昭６１−１
９３９９８号等が挙げられる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術は、キャ
ビン内の汚損空気の排気は、キャビン内の圧力と外気圧
との圧力差による自然排風で行なっており、排気口に設
けたフラッパにより排気風量を制御してキャビン内の圧
力を設定値に自動調節している。

【０００７】一方、例えば２００ｋｍ／ｈ以上で走行す
る高速鉄道車両では、給気手段と排気手段を用いた強制
換気方式によって、車内の汚損空気と車外の新鮮な空気
との入れ替えを行なっている。この強制換気装置では、
車内の圧力と車外の圧力がほぼ同じになるように、排気
手段の風量を調節している。これは、鉄道車両では車内
圧力が大気圧力に対して一定圧以上の圧力差がある場
合、ドアの開閉が困難になる等の不具合を防止するため
である。

【０００８】そこで、鉄道車両に空気サイクル式空調装
置を適用するに当っては、排気装置を含めた車内の圧力
調整が大きな課題となり、特に、トンネル走行中に受け
る車外圧力変動により給気風量および排気風量に大きな
偏差が発生して、車内圧力が急激に変動することを防止
する必要がある。

【０００９】本発明は、空気サイクル式空調装置により
客室の冷暖房と新鮮気の供給を行なうようにした車両用
空気調和装置において、トンネル走行中の車内の圧力変
動を抑制して乗客が耳に感じる不快感を防止することを
目的としたものである。

【００１０】また、本発明の他の目的は、空気サイクル
方式を用いた空気調和装置において、換気制御および温
度制御が効率的に行なえる空気調和装置を提供すること
にある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、空気サイクル式空調装置による客室の冷暖房をオー
プンループ運転とクローズドループ運転に切り替え可能
に構成すると共に、排気装置も客室空気の車外への排出
作用から客室への循環送風作用へと切替え可能に構成
し、車内圧力を検出して、圧力勾配が一定値を超えると
空気サイクル式空調装置をオープンループ運転からクロ
ーズドループ運転に、排気装置は車外への排出作用から
客室への循環送風作用に切り替えるように構成したもの
である。

【００１２】上記本発明の他の目的は、空気を圧縮した
後に断熱膨張させて寒冷を得る寒冷発生源を備えた空気
調和装置において、前記寒冷発生源で得られた寒冷と被
空気調和空間へ供給される空気とを熱交換させる熱交換
手段と、前記寒冷発生源で得られた寒冷の被空気調和空
間への供給を制御する制御手段と、を備えたことによ
り、達成される。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施例を図１か
ら図３に示す実施例により詳細に説明する。ここで、図
１は空気調和装置の系統図、図２は制御系のブロック
図、図３は車内圧力の制御アルゴリズムである。

【００１４】車外空気取入口１から吸入された車外の新
鮮な空気は、切替弁２を介してフィルター３に導かれ、
ゴミを除去した後、電動モータ４で駆動される空気圧縮
機５（第１の圧縮機）で圧縮される。空気圧縮機５で圧
縮された高温・高圧の空気は分流されて、一部は一次熱
交換器６（第１の熱交換器）で冷却ファン７により空冷
されて常温で高圧の空気となり空気圧縮機８に吸い込ま
れる。

【００１５】空気圧縮機８（第２の圧縮器）で圧縮され
て、さらに昇圧，昇温された空気は二次熱交換器９（第
２の熱交換器）で冷却ファン１０により再度空冷されて
常温の空気となり、膨張タービン１１（膨張手段）で減
圧されて冷却空気となる。ここで、空気圧縮機８は膨張
タービン１１により駆動される。

【００１６】空気圧縮機５の吐出口から絞り弁１２を通
って、膨張タービン１１の出口部にバイパスされた残り
の高温の空気は冷却空気と混合されて適度な温度とな
り、三次熱交換器１３と切替弁１４を通って、車体１５
の空調ダクト内に供給され天井から車内に吹き出され
る。

【００１７】車内の汚れた空気の排気は車内の床下から
吸入して、フィルター１６でゴミを除去した後、排気装
置１７の吐出側に設けた切替弁１８を通って車外に排出
される。

【００１８】車内温度の制御は、上記バイパス空気の風
量を絞り弁１２の開度で調節して、高温の空気と冷却空
気の混合割合を変化させることにより行なう。すなわ
ち、前記圧縮機５、圧縮機８、熱交換器６、熱交換器９
および膨張タービン１１からなる寒冷発生源によって、
膨張タービン１１から吐出される寒冷である冷たい空気
と前記圧縮機５からの温度の高い空気との混合割合を調
整して行なわれる。前記冷たい空気と温度の高い空気を
混合した空気は、空気調和空間である車内からのリター
ン空気と熱交換器１３で熱交換して、車内の温度制御を
行なう。また、前記冷たい空気と温度の高い空気の混合
空気は、換気のための新鮮空気として車内に供給され
る。なお、前記新鮮空気の車内への供給は、車両がトン
ネル内を走行している際に大きな車外の圧力変動が生じ
た場合には切替弁１４によって停止される。そして、前
記混合空気は切替弁２を介して前記圧縮機５の吸入側へ
導かれる。

【００１９】図２に示すように、温度センサ２０で検出
された車内温度は、Ａ／Ｄコンバータ２２でディジタル
値に変換されてマイクロコンピュータ２３に入力され、
例えば車内温度が高い場合は、Ｄ／Ａコンバータ２５を
介して絞り弁１２に絞り度を大きくするアナログ信号を
出力する。その結果、高温の空気割合が減少して、車内
に供給される冷気の温度が低下し、車内温度は下がる。

【００２０】車内圧力の制御は、圧力センサ２１により
車内圧力を検出し、圧力変動の勾配が設定した上限のし
きい値を超えると、ドライバ２４を介して切替弁２，１
４，１８を逆回路に切り替えて空気サイクルをクローズ
ドループで運転して、排気装置１７により循環される室
内空気を三次熱交換器１３で冷却あるいは加熱して車内
の冷暖房を行なう。

【００２１】また、列車が駅に停車して、ドアが開く信
号をドア開閉検出器２６からコンパレータ２７を介して
マイクロコンピュータ２３に入力すると、車内圧力制御
をロックさせる。これは、車内圧力は車外圧力に対して
−１０ｍｍＡｑから＋３０ｍｍＡｑ程度の偏差を許容し
て排気風量を調節するため、ドアが開くと車内圧力が急
激に変化し、制御が働くことを防止するために設ける。

【００２２】以上の車内圧力制御は、図３に示す車内圧
力制御アルゴリズムに沿って行なわれる。列車がトンネ
ルに突入して、車内圧力が急激に変動すると、圧力セン
サ２１で検出した圧力勾配の大きさが上昇し、上限のし
きい値を超えて領域３に達すると、空気サイクルをオー
プンループ運転からクローズドループ運転に切り替え車
内を外気から遮断する。具体的には、切替弁２および切
替弁１４を切替ることにより、前記空気サイクルを閉サ
イクルとして運転する。また、切替弁１８を閉じて、車
内外間の空気の移動を一時的に遮断する。その結果、車
内圧力変動は緩やかになると共に、車体の小さな隙間か
らの空気洩れにより、車内圧力は徐々に車外圧力に近づ
いていく。

【００２３】空気サイクルのクローズドループ運転によ
って圧力勾配が小さくなり、領域３から領域２を通っ
て、下限のしきい値以下の領域１に入ると、時間の計数
を開始し、設定時間Ｔを経過すると空気サイクルをオー
プンループ運転に戻す。

【００２４】以上の制御では、空気サイクルのクローズ
ドループ運転への切替と排気装置１７の循環運転への切
替は連動させている。また、圧力勾配は絶対値であり、
正圧側への変動も負圧側への変動も同じ制御である。

【００２５】このような構成によれば、空気サイクル方
式の車両用空気調和装置において、トンネル内走行時の
車外圧力変動の影響を受けることなく、車内の圧力をほ
ぼ一定に保ったままで車内の温度制御および換気が行な
える。したがって、乗客が感じる不快感を防止すること
ができる。また、空気サイクル方式の空気調和装置は、
トンネル内走行時であっても車内圧力の変動を抑制しな
がら継続して冷房或いは暖房を行なうことができ、乗客
へのサービス向上を図ることができる。

【００２６】さらに、前記構成によれば乗車人員が急に
変動したりして車内温度が大きく変化したような場合
に、寒冷である冷たい空気を直接車内に供給することに
より、スポット的に車内への調和空気を温度を下げるこ
とができ、乗客へのサービス向上を図ることができる。
すなわち、従来の空気調和装置は、熱交換器を用いてお
り、該熱交換器で熱交換を行なって調和空気を所定の温
度に制御している。これに対して本実施例によれば、前
記寒冷である冷たい空気は、従来の空気調和装置で簡単
には得られない低温の空気を特別な制御を行なうことな
く得ることができる。したがって、これまでにない乗客
へのサービス向上が図れる。

【００２７】前記構成によれば、車内からのリターン空
気を熱交換器で前記寒冷によって任意の温度に制御する
方式と、前記寒冷を直接車内に供給する方式を切替る或
いは並行して利用することができる。したがって、両方
式のそれぞれ効率の良い条件すなわち車外および車内の
温度等によって使いわけることができる。このことによ
り、前記空気調和装置を効率良く運転することができ
る。

【００２８】前記説明においては、膨張タービン１１か
ら得られる冷たい空気を利用する場合を説明したが、第
１の圧縮機５から切替弁１２を介して得られる高温の空
気と混ぜることにより、温度の高い空気として車内に供
給する場合もあり、暖房運転時にも同様な効果を得るこ
とができる。

【００２９】なお、本発明はここに挙げた構成のものに
限定されないのは勿論であって、その趣旨を逸脱しない
範囲で種々の変形が可能である。

【００３０】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、空
気サイクルを用いた車両用空気調和装置において、トン
ネル走行中の車内の圧力変動を抑制して該圧力変動に伴
う乗客の不快感をなくすことができる。

【００３１】また、空気サイクル方式を用いた空気調和
装置において、得られた寒冷を効率の良い条件で換気制
御および温度制御に用いることができるため、効率的な
空調装置の運転が行なえる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による空気調和装置の一実施例の空気サ
イクルおよび空気ダクトを示した系統図である。

【図２】本発明による空気調和装置の一実施例の制御系
を示したブロック図である。

【図３】本発明による空気調和装置の一実施例の車内圧
力の制御アルゴリズムである。

【図４】従来の空気冷凍機を用いた空気調和装置の機器
構成を示した系統図である。

【符号の説明】

２…切替弁、５…圧縮機、６…一次熱交換器、８…圧縮
機、９…二次熱交換器、１１…膨張タービン、１３…三
次熱交換器、１４…切替弁、１７…排気装置、１８…切
替弁、２０…温度センサ、２１…圧力センサ、２６…ド
ア開閉検出器。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】大気中から取込まれた空気を圧縮する第１
   の圧縮機と、前記第１の圧縮機により圧縮された空気を
   外気により常温まで冷却する第１の熱交換器と、前記第
   １の熱交換器で冷却された空気を圧縮する第２の圧縮機
   と、前記第２の圧縮機により圧縮された空気を常温まで
   冷却する第２の熱交換器と、前記第２の熱交換器で冷却
   された空気を減圧する膨張手段と、該膨張手段で断熱膨
   張した空気と被空気調和空間の循環空気との間で熱交換
   を行なう第３の熱交換器と、前記第１の圧縮機の空気吸
   入側経路に設けられる第１の切替手段と、前記第３の熱
   交換器の空気吐出側経路に設けられる第２の切替手段
   と、大気中の空気を前記第１の圧縮機に吸入した時に、
   前記膨張手段で得られた低温空気を車内に供給するよう
   に前記第１および第２の切換手段を制御する制御手段
   と、を備えた車両用空気調和装置。
2. 【請求項２】空気を圧縮した後に断熱膨張させて寒冷を
   得る寒冷発生源を備えた車両用空気調和装置の制御方法
   において、車両のトンネル外走行時に、前記寒冷発生源
   の断熱膨張した空気を車内へ供給し、車両のトンネル内
   を走行時に、車内への前記寒冷発生源の断熱膨張した空
   気の供給を停止することを特徴とした車両用空気調和装
   置の制御方法。
3. 【請求項３】空気を圧縮した後に断熱膨張させて寒冷を
   得る寒冷発生源を備えた空気調和装置において、前記寒
   冷発生源で得られた寒冷と被空気調和空間へ供給される
   空気とを熱交換させる熱交換手段と、前記寒冷発生源で
   得られた寒冷の被空気調和空間への供給を制御する制御
   手段と、を備えたことを特徴とする空気調和装置。