JP6037934B2 - 車両用空調システム - Google Patents

Description

本発明は、ヒートポンプ式空調装置と電気ヒータとを備えた車両用空調システムに関する。

特許文献１には、車両の天井に装備されたヒートポンプ式空調装置と、座席の下に設けられた暖房用ヒータとを併用運転する車両用空調装置が開示されている。この車両用空調装置は、併用運転の開始から一定時間経過した後に、ヒートポンプ式空調装置を運転停止状態にし、暖房用ヒータのみを運転させる制御手段を有している。

特許文献２には、冷房及び暖房両用のヒートポンプ式冷凍サイクルと、冷房専用の冷凍サイクルとを備えた鉄道車両用空調装置が開示されている。この鉄道車両用空調装置は、車両の座席下に設けられている電気ヒータだけでは暖房能力が不足する場合に、ヒートポンプ式冷凍サイクルを暖房補助モードで暖房運転するようになっている。

特許第３４３２６８４号公報 特開平７−１８６９４７号公報

特許文献１の車両用空調装置では、座席の下に設けられた暖房用ヒータを主とし、ヒートポンプ式空調装置を従とした暖房制御を行っている。一般に、車両の天井に装備されたヒートポンプ式空調装置により暖房を行うと、暖気が天井付近に集まり、車内の上部と下部との間で温度差が生じてしまう。そのため、同文献の車両用空調装置では、ヒートポンプ式空調装置による暖房は、短時間で車内温度を上昇させる場合（例えば、営業運転開始前等）に限って行われ、通常の営業運転中には行われない。また、暖房用ヒータの消費電力は、暖房能力が同じヒートポンプ式空調装置の消費電力の２倍以上である。このため、暖房用ヒータを主とした暖房制御が行われる同文献の車両用空調装置では、暖房時の消費電力が大きくなってしまうという問題点があった。

同様に、特許文献２の鉄道車両用空調装置では、座席下に設けられた電気ヒータを主とし、ヒートポンプ式冷凍サイクルを従とした暖房制御を行っている。電気ヒータとヒートポンプ式冷凍サイクルとが併用される暖房補助モードに設定されるのは、電気ヒータだけでは暖房能力が不足する場合（例えば、営業運転開始前や厳寒期の営業運転時等）に限られており、通常の暖房運転時にはヒートポンプ式冷凍サイクルを用いた暖房が行われない。このため、同文献の鉄道車両用空調装置では、特許文献１の車両用空調装置と同様に、暖房時の消費電力が大きくなってしまうという問題点があった。

本発明は、上述のような問題点を解決するためになされたものであり、暖房運転時の消費電力を低減することができる車両用空調システムを提供することを目的とする。

本発明に係る車両用空調システムは、車室内に空気を吹き出す吹出口と前記車室内の空気を吸い込むリターン口とを備え、前記吹出口及び前記リターン口が前記車室の天井部に配置されるヒートポンプ式空調装置と、前記リターン口に吸い込まれる前記車室内の空気の温度Ｔｒを検出するリターン温度センサと、前記車室内の座席下方に設けられる電気ヒータと、前記座席下方の温度Ｔｕを検出する座席下方温度センサと、前記温度Ｔｒ、前記温度Ｔｕ及び設定温度に基づいて前記ヒートポンプ式空調装置及び前記電気ヒータを制御する制御装置と、を有し、前記制御装置は、前記温度Ｔｒ及び前記設定温度に基づいて、前記ヒートポンプ式空調装置及び前記電気ヒータの総暖房能力を決定し、前記温度Ｔｒ及び前記温度Ｔｕに基づいて、前記ヒートポンプ式空調装置の暖房能力と前記電気ヒータの暖房能力との比である暖房能力比を設定することを特徴とするものである。

本発明によれば、温度Ｔｒ、温度Ｔｕ及び設定温度に基づき、ヒートポンプ式空調装置と電気ヒータとを適切に併用することができるため、暖房運転時の消費電力を低減することができる。

本発明の実施の形態１に係る車両用空調システム１の概略構成を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る車両用空調システム１における運転状態設定処理の流れの一例を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態１に係る車両用空調システム１における暖房運転パターン１〜３のそれぞれでのヒートポンプ式空調装置１０、横流ファン２０及び電気ヒータ３０ａ、３０ｂの運転状態の具体例を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る車両用空調システム１における暖房運転パターン１の概念図である。 本発明の実施の形態１に係る車両用空調システム１における暖房運転パターン２の概念図である。 本発明の実施の形態１に係る車両用空調システム１における暖房運転パターン３の概念図である。 本発明の実施の形態２に係る車両用空調システム２の概略構成を示す図である。 本発明の実施の形態２に係る車両用空調システム２における運転状態設定処理の流れの一例を示すフローチャートである。

実施の形態１．
本発明の実施の形態１に係る車両用空調システムについて説明する。図１は、本実施の形態に係る車両用空調システム１の概略構成を示す図である。図１では、車両用空調システム１が搭載された鉄道車両１００を当該鉄道車両１００の前後方向（前進又は後退方向）に垂直な面で切断した断面を示している。図１に示すように、車両用空調システム１は、冷房運転及び暖房運転が可能なヒートポンプ（Ｈ／Ｐ）式空調装置１０と、暖房用の電気ヒータ３０ａ、３０ｂと、ヒートポンプ式空調装置１０及び電気ヒータ３０ａ、３０ｂを制御する制御装置４０と、を有している。

ヒートポンプ式空調装置１０は、鉄道車両１００の屋根１０２上に設置されており、室内送風機１１及び室内熱交換器１２ａ、１２ｂを有している。室内送風機１１及び室内熱交換器１２ａ、１２ｂは、ヒートポンプ式空調装置１０の内部であって後述するリターン口１４ａ、１４ｂと吹出口１３との間に形成される空気通路内に配置されている。また、ヒートポンプ式空調装置１０は、室内熱交換器１２ａ、１２ｂと共に冷凍サイクルを構成する不図示の圧縮機、四方弁、室外熱交換器及び膨張装置と、室外熱交換器に外気を送風する室外送風機と、を有している。冷凍サイクルは、圧縮機、四方弁、室外熱交換器、膨張装置及び室内熱交換器１２ａ、１２ｂが冷媒配管を介して順次環状に接続された構成を有している。

冷房運転時には、冷凍サイクルの圧縮機によって圧縮され吐出された高温高圧のガス冷媒は、四方弁を経由して室外熱交換器に流入する。室外熱交換器に流入したガス冷媒は、室外送風機により送風される外気との熱交換により凝縮し、低温の冷媒となって、室外熱交換器から流出する。室外熱交換器から流出した冷媒は、膨張装置によって膨張及び減圧され、低温低圧の気液二相冷媒となる。この気液二相冷媒は、室内熱交換器１２ａ、１２ｂに流入し、室内送風機１１により送風される室内空気との熱交換により蒸発し、低温低圧のガス冷媒となって室内熱交換器１２ａ、１２ｂから流出する。このとき、冷媒に吸熱されて冷却された室内空気は、空調空気（冷風）となって、鉄道車両１００の車室１０１内（空調対象空間）に吹き出される。室内熱交換器１２ａ、１２ｂから流出したガス冷媒は、四方弁を経由して圧縮機に吸入され、再び圧縮される。以上の動作が繰り返される。

暖房運転時には、圧縮機によって圧縮され吐出された高温高圧のガス冷媒は、四方弁を経由して室内熱交換器１２ａ、１２ｂに流入する。室内熱交換器１２ａ、１２ｂに流入したガス冷媒は、室内送風機１１により送風される室内空気との熱交換により凝縮し、低温の冷媒となって、室内熱交換器１２ａ、１２ｂから流出する。このとき、冷媒から吸熱して加熱された室内空気は、空調空気（温風）となって、車室１０１内に吹き出される。室内熱交換器１２ａ、１２ｂから流出した冷媒は、膨張装置によって膨張及び減圧され、低温低圧の気液二相冷媒となる。この気液二相冷媒は、室外熱交換器に流入し、室外送風機により送風される外気との熱交換により蒸発し、低温低圧のガス冷媒となって室外熱交換器から流出する。室外熱交換器から流出したガス冷媒は、四方弁を経由して圧縮機に吸入され、再び圧縮される。以上の動作が繰り返される。

車室１０１の天井部１０３には、車室１０１内の空気を吸い込むリターン口１４ａ、１４ｂと、リターン口１４ａ、１４ｂに吸い込まれて室内熱交換器１２ａ、１２ｂで冷却又は加熱された空調空気を車室１０１内に吹き出す吹出口１３と、が設けられている。吹出口１３は、車室１０１の左右方向（鉄道車両１００の車幅方向）中央部に配置されている。リターン口１４ａ、１４ｂは、吹出口１３を挟んで左右両側に配置されている。

吹出口１３には、当該吹出口１３から吹き出される空調空気の風向を制御可能な横流ファン２０が設置されている。横流ファン２０は、制御装置４０の制御により、空調空気の風向を、鉛直下方を中心として車室１０１の左右方向に所定の揺動角度及び所定の周期で揺動させることができるようになっている。風向の揺動方向は前後方向であってもよい。

リターン口１４ａの近傍には、リターン口１４ａに吸い込まれた車室１０１内の空気の温度Ｔｒ１を検出するリターン温度センサ４１ａが設けられている。リターン口１４ｂの近傍には、リターン口１４ｂに吸い込まれた車室１０１内の空気の温度Ｔｒ２を検出するリターン温度センサ４１ｂが設けられている。リターン温度センサ４１ａ、４１ｂは、それぞれ検出した温度Ｔｒ１、Ｔｒ２の情報を制御装置４０に出力するようになっている。制御装置４０では、温度Ｔｒ１、Ｔｒ２に基づきリターン温度Ｔｒが設定される。本例では、温度Ｔｒ１、Ｔｒ２の平均値がリターン温度Ｔｒとなる。

電気ヒータ３０ａは、車室１０１内の図中左方に位置する座席１０４ａの下方に設けられている。電気ヒータ３０ｂは、車室１０１内の図中右方に位置する座席１０４ｂの下方に設けられている。電気ヒータ３０ａ、３０ｂは、制御装置４０の制御により、暖房能力を調整できるようになっている。本例では、電気ヒータ３０ａ、３０ｂは互いに同一の暖房能力で動作する。

座席１０４ａの下方には、当該座席１０４ａ下方の温度Ｔｕ１を検出する座席下方温度センサ４２ａが設けられている。座席下方温度センサ４２ａは、電気ヒータ３０ａよりも上方に配置されている。座席１０４ｂの下方には、当該座席１０４ｂ下方の温度Ｔｕ２を検出する座席下方温度センサ４２ｂが設けられている。座席下方温度センサ４２ｂは、電気ヒータ３０ｂよりも下方に配置されている。座席下方温度センサ４２ａ、４２ｂは、それぞれ検出した温度Ｔｕ１、Ｔｕ２の情報を制御装置４０に出力するようになっている。制御装置４０では、温度Ｔｕ１、Ｔｕ２に基づき座席下方温度Ｔｕが設定される。本例では、温度Ｔｕ１、Ｔｕ２の平均値が座席下方温度Ｔｕとなる。電気ヒータ３０ａ、３０ｂの運転時には測定場所（特に、電気ヒータ３０ａ、３０ｂの上下）によって温度が大きく異なるため、本例では、電気ヒータ３０ａよりも上方に配置された座席下方温度センサ４２ａと、電気ヒータ３０ｂよりも下方に配置された座席下方温度センサ４２ｂとで一対としている。

制御装置４０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力ポート等を備えている。制御装置４０は、不図示の設定手段により予め設定された設定温度Ｔ０と、リターン温度センサ４１ａ、４１ｂで検出されたリターン温度Ｔｒ（例えば、温度Ｔｒ１、Ｔｒ２の平均値）と、座席下方温度センサ４２ａ、４２ｂで検出された座席下方温度Ｔｕ（例えば、温度Ｔｕ１、Ｔｕ２の平均値）と、に基づいて、ヒートポンプ式空調装置１０、横流ファン２０及び電気ヒータ３０ａ、３０ｂを制御する。

次に、車両用空調システム１の暖房運転制御について説明する。図２は、制御装置４０が暖房運転制御の一部として実行する運転状態設定処理の流れの一例を示すフローチャートである。運転状態設定処理では、ヒートポンプ式空調装置１０、横流ファン２０及び電気ヒータ３０ａ、３０ｂの運転状態が設定される。本例では、ヒートポンプ式空調装置１０、横流ファン２０及び電気ヒータ３０ａ、３０ｂの運転状態の組合せとして、後述する暖房運転パターン１〜３のいずれか１つが選択される。運転状態設定処理は、車両用空調システム１が起動してから停止するまで所定の周期で繰り返し実行される。なお、図２中での条件判断に用いられている閾値は一例であり、他の値を閾値とすることも可能である。

図２に示すように、まずステップＳ１では、設定温度Ｔ０とリターン温度Ｔｒとに基づいて、ヒートポンプ式空調装置１０及び電気ヒータ３０ａ、３０ｂの総暖房能力Ｐを決定する。総暖房能力Ｐは、ヒートポンプ式空調装置１０の暖房能力と、電気ヒータ３０ａ、３０ｂの暖房能力との総和である。総暖房能力Ｐは、例えば、設定温度Ｔ０とリターン温度Ｔｒとの温度差（Ｔ０−Ｔｒ）に基づいて決定され、温度差（Ｔ０−Ｔｒ）が大きいほど大きい値となる。

次に、ステップＳ２では、座席下方温度Ｔｕとリターン温度Ｔｒとを比較し、リターン温度Ｔｒが座席下方温度Ｔｕよりも低いか否か（Ｔｒ＜Ｔｕの関係を満たすか否か）を判定する。言い換えれば、ステップＳ２では、リターン温度Ｔｒと座席下方温度Ｔｕとの温度差（Ｔｒ−Ｔｕ）が０℃未満であるか否かを判定する。リターン温度Ｔｒが座席下方温度Ｔｕよりも低い場合（温度差（Ｔｒ−Ｔｕ）が０℃未満の場合）にはステップＳ４に進み、リターン温度Ｔｒが座席下方温度Ｔｕ以上である場合（温度差（Ｔｒ−Ｔｕ）が０℃以上の場合）にはステップＳ３に進む。

ステップＳ３では、リターン温度Ｔｒと座席下方温度Ｔｕとの温度差（Ｔｒ−Ｔｕ）が０℃以上３℃未満であるか否か（０≦（Ｔｒ−Ｔｕ）＜３の関係を満たすか否か）を判定する。温度差（Ｔｒ−Ｔｕ）が０℃以上３℃未満である場合にはステップＳ５に進み、温度差（Ｔｒ−Ｔｕ）が３℃以上である場合にはステップＳ６に進む。

ステップＳ４では、ヒートポンプ式空調装置１０、横流ファン２０及び電気ヒータ３０ａ、３０ｂの運転状態の組合せを暖房運転パターン１に決定する。ステップＳ５では、ヒートポンプ式空調装置１０、横流ファン２０及び電気ヒータ３０ａ、３０ｂの運転状態の組合せを暖房運転パターン２に決定する。ステップＳ６では、ヒートポンプ式空調装置１０、横流ファン２０及び電気ヒータ３０ａ、３０ｂの運転状態の組合せを暖房運転パターン３に決定する。

以上のように、ステップＳ２〜ステップＳ６では、リターン温度Ｔｒ及び座席下方温度Ｔｕに基づいて、暖房運転パターンが決定される。後述するように、暖房運転パターンが決定されることにより、ヒートポンプ式空調装置１０の暖房能力と電気ヒータ３０ａ、３０ｂの暖房能力との比である暖房能力比と、横流ファン２０の揺動角度と、が設定される。暖房能力比は、ヒートポンプ式空調装置１０と電気ヒータ３０ａ、３０ｂとのそれぞれにおいて総暖房能力Ｐを分担する割合を表している。

ここで、リターン温度Ｔｒと座席下方温度Ｔｕとの温度差（Ｔｒ−Ｔｕ）と、選択される暖房運転パターンとの関係をみると、温度差（Ｔｒ−Ｔｕ）が相対的に小さいときに暖房運転パターン１が選択され、温度差（Ｔｒ−Ｔｕ）がそれより大きいときに暖房運転パターン２が選択され、温度差（Ｔｒ−Ｔｕ）がそれよりさらに大きいときに暖房運転パターン３が選択される。

制御装置４０は、上記の運転状態設定処理で設定された暖房運転パターンに基づき、ヒートポンプ式空調装置１０、横流ファン２０及び電気ヒータ３０ａ、３０ｂの暖房運転制御を行う。

図３は、暖房運転パターン１〜３のそれぞれでのヒートポンプ式空調装置１０、横流ファン２０及び電気ヒータ３０ａ、３０ｂの運転状態の具体例を示す図である。図４は暖房運転パターン１の概念図であり、図５は暖房運転パターン２の概念図であり、図６は暖房運転パターン３の概念図である。図４〜図６において、ハッチングを付した太矢印はヒートポンプ式空調装置１０付近の暖気の流れを表し、白抜きの太矢印はヒートポンプ式空調装置１０付近の冷気（室内空気）の流れを表し、破線矢印は車室１０１内の暖気の流れを表している。

図３に示すように、暖房運転パターン１が選択されると、ヒートポンプ式空調装置１０の運転状態は、暖房能力Ｐ（すなわち、図２のステップＳ１で決定された総暖房能力Ｐに等しい）での暖房運転に設定され、横流ファン２０の運転状態は、相対的に小さい揺動角度（本例では１０°）での揺動運転に設定され、電気ヒータ３０ａ、３０ｂの運転状態は、オフ（暖房能力０）に設定される。暖房運転パターン１では、ヒートポンプ式空調装置１０の暖房能力と電気ヒータ３０ａ、３０ｂの暖房能力との暖房能力比は１０：０となる。

制御装置４０において上記のように設定されることにより、ヒートポンプ式空調装置１０及び横流ファン２０は図４に示すように動作する。ヒートポンプ式空調装置１０は、暖房能力Ｐでの暖房運転（例えば、設定温度Ｔ０とリターン温度Ｔｒとに基づく通常の暖房運転）を行う。横流ファン２０は、相対的に小さい揺動角度で風向を揺動させる運転を行う。これにより、車室１０１内の冷気は、リターン口１４ａ、１４ｂを介してヒートポンプ式空調装置１０に吸い込まれ、室内熱交換器１２ａ、１２ｂでの熱交換により加熱される。加熱された空調空気は、横流ファン２０により相対的に小さい揺動角度で風向を揺動させながら、吹出口１３を介して車室１０１内に吹き出される。これにより、ヒートポンプ式空調装置１０から送風される暖気を、車室１０１下部を含む車室１０１内の全体に行き渡らせることができる。図４に示す状態では、電気ヒータ３０ａ、３０ｂが停止しているが、ヒートポンプ式空調装置１０が暖房能力Ｐで暖房運転を行うことにより、全体として必要な暖房能力（総暖房能力Ｐ）が得られている。

図３に戻り、暖房運転パターン２が選択されると、ヒートポンプ式空調装置１０の運転状態は、暖房能力０．５Ｐでの暖房運転に設定され、横流ファン２０の運転状態は、相対的に小さい揺動角度（本例では１０°）での揺動運転に設定され、電気ヒータ３０ａ、３０ｂの運転状態は、暖房能力０．５Ｐでの運転に設定される。ヒートポンプ式空調装置１０の暖房能力０．５Ｐと電気ヒータ３０ａ、３０ｂの暖房能力０．５Ｐとの和は、図２のステップＳ１で決定された総暖房能力Ｐに等しい。暖房運転パターン２では、ヒートポンプ式空調装置１０の暖房能力と電気ヒータ３０ａ、３０ｂの暖房能力との暖房能力比は５：５となる。

制御装置４０において上記のように設定されることにより、ヒートポンプ式空調装置１０、横流ファン２０及び電気ヒータ３０ａ、３０ｂは図５に示すように動作する。ヒートポンプ式空調装置１０は、暖房能力０．５Ｐでの暖房運転を行う。すなわち、ヒートポンプ式空調装置１０は、暖房能力Ｐでの暖房運転と比較して、半分の暖房能力（例えば、吹出風量は同一だが、吹出風に含まれる熱量が半分となるような暖房能力）で暖房運転を行う。電気ヒータ３０ａ、３０ｂは、暖房能力０．５Ｐでの運転を行う。すなわち、電気ヒータ３０ａ、３０ｂは、暖房能力Ｐでの運転と比較して、半分の暖房能力（例えば、発熱量が半分）で運転を行う。横流ファン２０は、暖房運転パターン１と同様に、相対的に小さい揺動角度で風向を揺動させる運転を行う。図５に示す状態においても、ヒートポンプ式空調装置１０から送風される暖気を車室１０１内の全体に行き渡らせることができる。また、ヒートポンプ式空調装置１０と電気ヒータ３０ａ、３０ｂとで暖房能力を補い合うことにより、全体として必要な暖房能力（総暖房能力Ｐ）が得られている。

図３に戻り、暖房運転パターン３が選択されると、ヒートポンプ式空調装置１０の運転状態は、送風運転（暖房能力０）に設定され、横流ファン２０の運転状態は、暖房運転パターン１及び２よりも大きい揺動角度（本例では３０°）での揺動運転に設定され、電気ヒータ３０ａ、３０ｂの運転状態は、暖房能力Ｐ（すなわち、図２のステップＳ１で決定された総暖房能力Ｐに等しい）での運転に設定される。暖房運転パターン３では、ヒートポンプ式空調装置１０の暖房能力と電気ヒータ３０ａ、３０ｂの暖房能力との暖房能力比は０：１０となる。

制御装置４０において上記のように設定されることにより、ヒートポンプ式空調装置１０、横流ファン２０及び電気ヒータ３０ａ、３０ｂは図６に示すように動作する。ヒートポンプ式空調装置１０は、冷凍サイクルの作動を停止させて送風運転のみを行う。電気ヒータ３０ａ、３０ｂは、暖房能力Ｐでの運転（例えば、設定温度Ｔ０とリターン温度Ｔｒとに基づく通常の運転）を行う。横流ファン２０は、暖房運転パターン１及び２よりも大きい揺動角度で風向を揺動させる運転を行う。図６に示す状態では、ヒートポンプ式空調装置１０の暖房能力は０であるが、電気ヒータ３０ａ、３０ｂが暖房能力Ｐで運転することにより、全体として必要な暖房能力（総暖房能力Ｐ）が得られている。また、横流ファン２０の揺動角度を大きくすることにより、車室１０１内の空気を攪拌することができるため、車室１０１内の温度の均一化を図ることができる。

ここで、リターン温度Ｔｒと座席下方温度Ｔｕとの温度差（Ｔｒ−Ｔｕ）と、ヒートポンプ式空調装置１０と電気ヒータ３０ａ、３０ｂとの暖房能力比との関係をみると、温度差（Ｔｒ−Ｔｕ）が相対的に小さいとき（例えば、０℃未満のとき）には暖房能力比が１０：０に設定され（暖房運転パターン１）、温度差（Ｔｒ−Ｔｕ）がそれより大きいとき（例えば、０℃以上３℃未満のとき）には暖房能力比が５：５に設定され（暖房運転パターン２）、温度差（Ｔｒ−Ｔｕ）がそれよりさらに大きいとき（例えば、３℃以上のとき）には暖房能力比が０：１０に設定される（暖房運転パターン３）。すなわち、温度差（Ｔｒ−Ｔｕ）が大きいほど、ヒートポンプ式空調装置１０の暖房能力が相対的に低くなり、かつ電気ヒータ３０ａ、３０ｂの暖房能力が相対的に高くなるように暖房能力比が設定される。また、温度差（Ｔｒ−Ｔｕ）が小さいほど、ヒートポンプ式空調装置１０の暖房能力が相対的に高くなり、かつ電気ヒータ３０ａ、３０ｂの暖房能力が相対的に低くなるように暖房能力比が設定される。なお、本例では、ヒートポンプ式空調装置１０と電気ヒータ３０ａ、３０ｂとの暖房能力比が３つのパターンに設定され得るが、暖房能力比のパターンは２つ又は４つ以上であってもよい。ここで、ヒートポンプ式空調装置１０の暖房能力がｘＰ（ただし、０＜ｘ＜１）に設定された場合には、例えば、ヒートポンプ式空調装置１０に搭載されている圧縮機の容量制御、又は圧縮機の運転／停止切替え頻度の制御等を行うことにより、吹出風に含まれる熱量がｘＰとなるように制御される（吹出風量は暖房能力Ｐのときと同一）。

また、リターン温度Ｔｒと座席下方温度Ｔｕとの温度差（Ｔｒ−Ｔｕ）と、横流ファン２０の揺動角度との関係をみると、温度差（Ｔｒ−Ｔｕ）が相対的に小さいときには揺動角度が相対的に小さい角度（本例では１０°）となり（暖房運転パターン１、２）、温度差（Ｔｒ−Ｔｕ）がそれより大きいときには揺動角度が相対的に大きい角度（本例では３０°）となる（暖房運転パターン３）。すなわち、温度差（Ｔｒ−Ｔｕ）が大きいほど、横流ファン２０の揺動角度が大きく設定される。なお、本例では、横流ファン２０の揺動角度が２つのパターンに設定され得るが、横流ファン２０の揺動角度のパターンは３つ以上であってもよい。

以上説明したように、本実施の形態に係る車両用空調システム１は、車室１０１内に空気を吹き出す吹出口１３と車室１０１内の空気を吸い込むリターン口１４ａ、１４ｂとを備え、吹出口１３及びリターン口１４ａ、１４ｂが車室１０１の天井部１０３に配置されるヒートポンプ式空調装置１０と、リターン口１４ａ、１４ｂに吸い込まれる車室１０１内の空気の温度（リターン温度）Ｔｒを検出するリターン温度センサ４１ａ、４１ｂと、車室１０１内の座席１０４ａ、１０４ｂ下方に設けられる電気ヒータ３０ａ、３０ｂと、座席１０４ａ、１０４ｂ下方の温度（座席下方温度）Ｔｕを検出する座席下方温度センサ４２ａ、４２ｂと、リターン温度Ｔｒ、座席下方温度Ｔｕ及び設定温度Ｔ０に基づいてヒートポンプ式空調装置１０及び電気ヒータ３０ａ、３０ｂを制御する制御装置４０と、を有し、制御装置４０は、リターン温度Ｔｒ及び設定温度Ｔ０に基づいて、ヒートポンプ式空調装置１０及び電気ヒータ３０ａ、３０ｂの総暖房能力Ｐを決定し、リターン温度Ｔｒ及び座席下方温度Ｔｕに基づいて、ヒートポンプ式空調装置１０の暖房能力と電気ヒータ３０ａ、３０ｂの暖房能力との比である暖房能力比を設定することを特徴とするものである。

この構成によれば、設定温度Ｔ０、リターン温度Ｔｒ及び座席下方温度Ｔｕに基づき、ヒートポンプ式空調装置１０と電気ヒータ３０ａ、３０ｂとを適切に併用することができる。具体的には、例えば、温度差（Ｔｒ−Ｔｕ）が小さいほど、ヒートポンプ式空調装置１０の暖房能力が相対的に高くなり、電気ヒータ３０ａ、３０ｂの暖房能力が相対的に低くなるように暖房能力比を設定する。温度差（Ｔｒ−Ｔｕ）が小さいとき（典型的には、Ｔｒ＜Ｔｕのとき）には、車室１０１内の空気の自然対流による温度むらの改善が期待できるため、全体として必要な暖房能力（総暖房能力Ｐ）を維持しつつ、消費電力の低いヒートポンプ式空調装置１０の暖房能力を相対的に高く設定する。逆に、温度差（Ｔｒ−Ｔｕ）が大きいときには、自然対流による温度むらの改善が期待できないため、車室１０１内の下部を暖めるために電気ヒータ３０ａ、３０ｂの暖房能力を相対的に高く設定する。これにより、ヒートポンプ式空調装置１０と電気ヒータ３０ａ、３０ｂとを備えた車両用空調システム１において、電気ヒータ３０ａ、３０ｂを必ずしも主とせず、ヒートポンプ式空調装置１０を多用した暖房制御を行うことができる。ヒートポンプ式空調装置１０の消費電力は、暖房能力が同じ電気ヒータの消費電力の数分の１である。したがって、本実施の形態に係る車両用空調システム１によれば、暖房運転時の消費電力を低減することができる。

また、本実施の形態に係る車両用空調システム１は、吹出口１３から吹き出される空気の風向を所定の揺動角度で揺動させる横流ファン２０をさらに有し、制御装置４０は、リターン温度Ｔｒ及び座席下方温度Ｔｕに基づいて揺動角度を設定することを特徴とするものである。

この構成によれば、ヒートポンプ式空調装置１０及び電気ヒータ３０ａ、３０ｂに加えて横流ファン２０を適切に併用することができるため、ヒートポンプ式空調装置１０を多用しても車室１０１内の上部と下部との間の温度差を緩和することができる。したがって、本実施の形態に係る車両用空調システム１によれば、暖房運転時の消費電力を低減しつつ、車室１０１内の快適性を向上させることができる。

また、本実施の形態に係る車両用空調システム１は、制御装置４０が、リターン温度Ｔｒと座席下方温度Ｔｕとの差が第１の値（本例では０℃）未満の場合には、ヒートポンプ式空調装置１０のみによる暖房を行い、リターン温度Ｔｒと座席下方温度Ｔｕとの差が第１の値以上で第２の値（本例では３℃）未満の場合には、ヒートポンプ式空調装置１０と電気ヒータ３０ａ、３０ｂとの双方による暖房を行い、リターン温度Ｔｒと座席下方温度Ｔｕとの差が第２の値以上の場合には、電気ヒータ３０ａ、３０ｂのみによる暖房を行うことを特徴とするものである。

この構成によれば、消費電力の高い電気ヒータ３０ａ、３０ｂの使用頻度を減少させ、消費電力の低いヒートポンプ式空調装置１０の使用頻度を増加させることができるため、暖房運転時の消費電力を低減することができる。

実施の形態２．
本発明の実施の形態２に係る車両用空調システムについて説明する。図７は、本実施の形態に係る車両用空調システム２の概略構成を示す図である。図７では、車両用空調システム２が搭載された鉄道車両１００を当該鉄道車両１００の前後方向に垂直な面で切断した断面を示している。なお、実施の形態１に係る車両用空調システム１と同一の機能及び作用を有する構成要素については、同一の符号を付してその説明を省略する。

図７に示すように、本実施の形態に係る車両用空調システム２は、実施の形態１の車両用空調システム１と比較すると、壁部温度センサ４３ａ、４３ｂを備える点に特徴を有している。壁部温度センサ４３ａは、車室１０１の図中左側の内壁面上に配置されており、車室１０１内の壁部近傍の温度Ｔｗ１を検出する。壁部温度センサ４３ｂは、車室１０１の図中右側の内壁面上に配置されており、車室１０１内の壁部近傍の温度Ｔｗ２を検出する。壁部温度センサ４３ａ、４３ｂはいずれも、車室１０１の床面からの高さが１００〜１５０ｃｍ程度の位置に配置されている。壁部温度センサ４３ａ、４３ｂは、それぞれ検出した温度Ｔｗ１、Ｔｗ２の情報を制御装置４０（図７では図示せず）に出力するようになっている。制御装置４０では、温度Ｔｗ１、Ｔｗ２に基づき壁部温度Ｔｗが設定される。本例では、温度Ｔｗ１、Ｔｗ２の平均値が壁部温度Ｔｗとなる。本実施の形態の制御装置４０は、リターン温度Ｔｒ、壁部温度Ｔｗ、座席下方温度Ｔｕ及び設定温度Ｔ０に基づいて、ヒートポンプ式空調装置１０、横流ファン２０及び電気ヒータ３０ａ、３０ｂを制御するものである。

図８は、制御装置４０が実行する運転状態設定処理の流れの一例を示すフローチャートである。運転状態設定処理では、ヒートポンプ式空調装置１０、横流ファン２０及び電気ヒータ３０ａ、３０ｂの運転状態が設定される。本例では、ヒートポンプ式空調装置１０、横流ファン２０及び電気ヒータ３０ａ、３０ｂの運転状態の組合せとして、暖房運転パターン１〜３のいずれか１つが選択される。運転状態設定処理は、車両用空調システム２が起動してから停止するまで所定の周期で繰り返し実行される。なお、図８中での条件判断に用いられている閾値は一例であり、他の値を閾値とすることも可能である。

図８に示すように、まずステップＳ１１では、設定温度Ｔ０と車内温度Ｔｉとに基づいて、ヒートポンプ式空調装置１０及び電気ヒータ３０ａ、３０ｂの総暖房能力Ｐを決定する。車内温度Ｔｉは、リターン温度Ｔｒ及び壁部温度Ｔｗから算出される。本例では、リターン温度Ｔｒ及び壁部温度Ｔｗの平均値が車内温度Ｔｉとなる。言い換えれば、ステップＳ１１では、設定温度Ｔ０、リターン温度Ｔｒ及び壁部温度Ｔｗに基づいて総暖房能力Ｐが決定される。総暖房能力Ｐは、例えば、設定温度Ｔ０と車内温度Ｔｉとの温度差（Ｔ０−Ｔｉ）に基づいて決定され、温度差（Ｔ０−Ｔｉ）が大きいほど大きい値となる。

次に、ステップＳ１２では、リターン温度Ｔｒ、壁部温度Ｔｗ及び座席下方温度Ｔｕを比較し、３つの温度のうち座席下方温度Ｔｕが最大であるか否かを判定する。座席下方温度Ｔｕが最大である場合にはステップＳ１６に進み、それ以外の場合にはステップＳ１３に進む。

ステップＳ１３では、リターン温度Ｔｒ、壁部温度Ｔｗ及び座席下方温度Ｔｕを比較し、３つの温度のうち壁部温度Ｔｗが最大であるか否かを判定する。壁部温度Ｔｗが最大である場合にはステップＳ１４に進み、それ以外の場合（リターン温度Ｔｒが最大である場合）にはステップＳ１５に進む。

ステップＳ１４では、リターン温度Ｔｒと座席下方温度Ｔｕとの温度差（Ｔｒ−Ｔｕ）が３℃未満であるか否か（（Ｔｒ−Ｔｕ）＜３の関係を満たすか否か）を判定する。温度差（Ｔｒ−Ｔｕ）が３℃未満である場合にはステップＳ１６に進み、それ以外の場合にはステップＳ１７に進む。

ステップＳ１５では、リターン温度Ｔｒと座席下方温度Ｔｕとの温度差（Ｔｒ−Ｔｕ）が３℃未満であるか否か（０≦（Ｔｒ−Ｔｕ）＜３の関係を満たすか否か）を判定する。なお、ステップＳ１５ではリターン温度Ｔｒが最大であるため、温度差（Ｔｒ−Ｔｕ）は必ず０℃以上となる。温度差（Ｔｒ−Ｔｕ）が３℃未満である場合にはステップＳ１７に進み、それ以外の場合にはステップＳ１８に進む。

ステップＳ１６では、ヒートポンプ式空調装置１０、横流ファン２０及び電気ヒータ３０ａ、３０ｂの運転状態の組合せを暖房運転パターン１に決定する。ステップＳ１７では、ヒートポンプ式空調装置１０、横流ファン２０及び電気ヒータ３０ａ、３０ｂの運転状態の組合せを暖房運転パターン２に決定する。ステップＳ１８では、ヒートポンプ式空調装置１０、横流ファン２０及び電気ヒータ３０ａ、３０ｂの運転状態の組合せを暖房運転パターン３に決定する。

以上のように、ステップＳ１２〜ステップＳ１８では、リターン温度Ｔｒ、壁部温度Ｔｗ及び座席下方温度Ｔｕに基づいて、暖房運転パターンが決定される。また、ステップＳ１２〜ステップＳ１８では、リターン温度Ｔｒ、壁部温度Ｔｗ及び座席下方温度Ｔｕのうちいずれが最大であるかに基づいて、暖房運転パターンが決定される。暖房運転パターンが決定されることにより、ヒートポンプ式空調装置１０の暖房能力と電気ヒータ３０ａ、３０ｂの暖房能力の比である暖房能力比と、横流ファン２０の揺動角度と、が設定される。

暖房運転パターン１〜３のそれぞれでのヒートポンプ式空調装置１０、横流ファン２０及び電気ヒータ３０ａ、３０ｂの運転状態については、実施の形態１と同様であるので説明を省略する。

ここで、リターン温度Ｔｒ、壁部温度Ｔｗ及び座席下方温度Ｔｕと、ヒートポンプ式空調装置１０と電気ヒータ３０ａ、３０ｂとの暖房能力比との関係をみると、リターン温度Ｔｒ、壁部温度Ｔｗ及び座席下方温度Ｔｕのうち座席下方温度Ｔｕが最大である場合、ヒートポンプ式空調装置１０と電気ヒータ３０ａ、３０ｂとの暖房能力比が１０：０に設定される（暖房運転パターン１）。リターン温度Ｔｒ、壁部温度Ｔｗ及び座席下方温度Ｔｕのうち壁部温度Ｔｗが最大である場合、リターン温度Ｔｒと座席下方温度Ｔｕとの温度差（Ｔｒ−Ｔｕ）が相対的に小さいとき（例えば、３℃未満のとき）には暖房能力比が１０：０に設定され（暖房運転パターン１）、温度差（Ｔｒ−Ｔｕ）が相対的に大きいとき（例えば、３℃以上のとき）には暖房能力比が５：５に設定される（暖房運転パターン２）。リターン温度Ｔｒ、壁部温度Ｔｗ及び座席下方温度Ｔｕのうちリターン温度Ｔｒが最大である場合、温度差（Ｔｒ−Ｔｕ）が相対的に小さいとき（例えば、３℃未満のとき）には暖房能力比が５：５に設定され（暖房運転パターン２）、温度差（Ｔｒ−Ｔｕ）が相対的に大きいとき（例えば、３℃以上のとき）には暖房能力比が０：１０に設定される（暖房運転パターン３）。

以上説明したように、本実施の形態に係る車両用空調システム２は、車室１０１内の壁部温度Ｔｗを検出する壁部温度センサ４３ａ、４３ｂをさらに有し、制御装置４０は、リターン温度Ｔｒ、座席下方温度Ｔｕ、壁部温度Ｔｗ及び設定温度Ｔ０に基づいてヒートポンプ式空調装置１０及び電気ヒータ３０ａ、３０ｂを制御するものであり、制御装置４０は、リターン温度Ｔｒ、壁部温度Ｔｗ及び設定温度Ｔ０に基づいて、ヒートポンプ式空調装置１０及び電気ヒータ３０ａ、３０ｂの総暖房能力Ｐを決定し、リターン温度Ｔｒ、座席下方温度Ｔｕ及び壁部温度Ｔｗに基づいて、ヒートポンプ式空調装置１０の暖房能力と電気ヒータ３０ａ、３０ｂの暖房能力との比である暖房能力比を設定することを特徴とするものである。

この構成によれば、リターン温度Ｔｒ、座席下方温度Ｔｕ及び設定温度Ｔ０だけでなく、壁部温度Ｔｗも考慮して総暖房能力Ｐ及び暖房能力比を決定しているため、実施の形態１と比較して、温調制御の精度及び車内温度平均化の精度をさらに高くすることができる。

また、本実施の形態に係る車両用空調システム２は、制御装置４０が、リターン温度Ｔｒ、座席下方温度Ｔｕ及び壁部温度Ｔｗのうち座席下方温度Ｔｕが最大である場合、ヒートポンプ式空調装置１０のみによる暖房を行い、リターン温度Ｔｒ、座席下方温度Ｔｕ及び壁部温度Ｔｗのうち壁部温度Ｔｗが最大である場合、リターン温度Ｔｒと座席下方温度Ｔｕとの差が第３の値（本例では３℃）未満であるときには、ヒートポンプ式空調装置１０のみによる暖房を行い、リターン温度Ｔｒと座席下方温度Ｔｕとの差が第３の値以上であるときには、ヒートポンプ式空調装置１０と電気ヒータ３０ａ、３０ｂとの双方による暖房を行い、リターン温度Ｔｒ、座席下方温度Ｔｕ及び壁部温度Ｔｗのうちリターン温度Ｔｒが最大である場合、リターン温度Ｔｒと座席下方温度Ｔｕとの差が第４の値（本例では３℃）未満であるときには、ヒートポンプ式空調装置１０と電気ヒータ３０ａ、３０ｂとの双方による暖房を行い、リターン温度Ｔｒと座席下方温度Ｔｕとの差が第４の値以上であるときには、電気ヒータ３０ａ、３０ｂのみによる暖房を行うことを特徴とするものである。

この構成を有することにより、本実施の形態では、電気ヒータ３０ａ、３０ｂのみによる暖房を行う暖房運転パターン３の成立条件を実施の形態１よりも限定することができる。このため、本実施の形態では、消費電力の低いヒートポンプ式空調装置１０を用いて暖房を実行する頻度が、実施の形態１よりも増加する。したがって、本実施の形態に係る車両用空調システム２によれば、暖房運転時の消費電力をさらに低減することができる。

その他の実施の形態．
本発明は、上記実施の形態に限らず種々の変形が可能である。
例えば、上記実施の形態では、３つの暖房運転パターンを備えた車両用空調システムを例に挙げたが、暖房運転パターンは２つ又は４つ以上備えられていてもよい。

上記実施の形態において、ヒートポンプ式空調装置又は電気ヒータのいずれか一方のみによる暖房を行う暖房運転パターンが選択された場合、当該一方の暖房能力が総暖房能力Ｐに満たないときには、他方を補助的に運転するように制御してもよい。

また、上記実施の形態において、ヒートポンプ式空調装置及び電気ヒータのそれぞれの暖房能力の値は、相互に比較するのが容易となるように正規化された状態で制御装置４０のＲＯＭに記憶されていてもよい。

また上記の各実施の形態や変形例は、互いに組み合わせて実施することが可能である。

１、２ 車両用空調システム、１０ ヒートポンプ式空調装置、１１ 室内送風機、１２ａ、１２ｂ 室内熱交換器、１３ 吹出口、１４ａ、１４ｂ リターン口、２０ 横流ファン、３０ａ、３０ｂ 電気ヒータ、４０ 制御装置、４１ａ、４１ｂ リターン温度センサ、４２ａ、４２ｂ 座席下方温度センサ、４３ａ、４３ｂ 壁部温度センサ、１００ 鉄道車両、１０１ 車室、１０２ 屋根、１０３ 天井部、１０４ａ、１０４ｂ 座席。

Claims (10)

1. 車室内に空気を吹き出す吹出口と前記車室内の空気を吸い込むリターン口とを備え、前記吹出口及び前記リターン口が前記車室の天井部に配置されるヒートポンプ式空調装置と、
   前記リターン口に吸い込まれる前記車室内の空気の温度Ｔｒを検出するリターン温度センサと、
   前記車室内の座席下方に設けられる電気ヒータと、
   前記座席下方の温度Ｔｕを検出する座席下方温度センサと、
   前記温度Ｔｒ、前記温度Ｔｕ及び設定温度に基づいて前記ヒートポンプ式空調装置及び前記電気ヒータを制御する制御装置と、を有し、
   前記制御装置は、
   前記温度Ｔｒ及び前記設定温度に基づいて、前記ヒートポンプ式空調装置及び前記電気ヒータの総暖房能力を決定し、
   前記温度Ｔｒ及び前記温度Ｔｕに基づいて、前記ヒートポンプ式空調装置の暖房能力と前記電気ヒータの暖房能力との比である暖房能力比を設定すること
   を特徴とする車両用空調システム。
2. 前記制御装置は、前記温度Ｔｒと前記温度Ｔｕとの差が小さいほど、前記ヒートポンプ式空調装置の暖房能力が前記電気ヒータの暖房能力に対して相対的に高くなるように、前記暖房能力比を設定すること
   を特徴とする請求項１に記載の車両用空調システム。
3. 前記制御装置は、前記設定温度と前記温度Ｔｒとの差に基づいて前記総暖房能力を決定すること
   を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の車両用空調システム。
4. 前記吹出口から吹き出される空気の風向を所定の揺動角度で揺動させる横流ファンをさらに有し、
   前記制御装置は、前記温度Ｔｒ及び前記温度Ｔｕに基づいて前記揺動角度を設定すること
   を特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の車両用空調システム。
5. 前記制御装置は、前記温度Ｔｒと前記温度Ｔｕとの差が大きいほど、前記揺動角度を大きく設定すること
   を特徴とする請求項４に記載の車両用空調システム。
6. 前記制御装置は、
   前記温度Ｔｒと前記温度Ｔｕとの差が第１の値未満の場合には、前記ヒートポンプ式空調装置のみによる暖房を行い、
   前記温度Ｔｒと前記温度Ｔｕとの差が前記第１の値以上で第２の値未満の場合には、前記ヒートポンプ式空調装置及び前記電気ヒータの双方による暖房を行い、
   前記温度Ｔｒと前記温度Ｔｕとの差が前記第２の値以上の場合には、前記電気ヒータのみによる暖房を行うこと
   を特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の車両用空調システム。
7. 前記車室内の壁部の温度Ｔｗを検出する壁部温度センサをさらに有し、
   前記制御装置は、前記温度Ｔｒ、前記温度Ｔｕ、前記温度Ｔｗ及び前記設定温度に基づいて前記ヒートポンプ式空調装置及び前記電気ヒータを制御するものであり、
   前記制御装置は、
   前記温度Ｔｒ、前記温度Ｔｗ及び前記設定温度に基づいて前記総暖房能力を決定し、
   前記温度Ｔｒ、前記温度Ｔｕ及び前記温度Ｔｗに基づいて前記暖房能力比を設定すること
   を特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載の車両用空調システム。
8. 前記制御装置は、前記温度Ｔｒ、前記温度Ｔｕ及び前記温度Ｔｗのうちいずれが最大であるかに基づいて前記暖房能力比を設定すること
   を特徴とする請求項７に記載の車両用空調システム。
9. 前記制御装置は、
   前記温度Ｔｒ及び前記温度Ｔｗに基づいて車内温度を算出し、
   前記設定温度と前記車内温度との差に基づいて前記総暖房能力を決定すること
   を特徴とする請求項７又は請求項８に記載の車両用空調システム。
10. 前記制御装置は、
    前記温度Ｔｒ、前記温度Ｔｕ及び前記温度Ｔｗのうち前記温度Ｔｕが最大である場合、前記ヒートポンプ式空調装置のみによる暖房を行い、
    前記温度Ｔｒ、前記温度Ｔｕ及び前記温度Ｔｗのうち前記温度Ｔｗが最大である場合、前記温度Ｔｒと前記温度Ｔｕとの差が第３の値未満であるときには、前記ヒートポンプ式空調装置のみによる暖房を行い、前記温度Ｔｒと前記温度Ｔｕとの差が前記第３の値以上であるときには、前記ヒートポンプ式空調装置及び前記電気ヒータの双方による暖房を行い、
    前記温度Ｔｒ、前記温度Ｔｕ及び前記温度Ｔｗのうち前記温度Ｔｒが最大である場合、前記温度Ｔｒと前記温度Ｔｕとの差が第４の値未満であるときには、前記ヒートポンプ式空調装置及び前記電気ヒータの双方による暖房を行い、前記温度Ｔｒと前記温度Ｔｕとの差が前記第４の値以上であるときには、前記電気ヒータのみによる暖房を行うこと
    を特徴とする請求項７〜請求項９のいずれか一項に記載の車両用空調システム。

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