JP6452858B2 - 車両空調装置、及び車両空調装置の駆動方法 - Google Patents

Description

本発明は、車両空調装置、及び車両空調装置の駆動方法に関する。

鉄道事業者にとって車両全体の消費電力を抑えることが１つの課題である。車両空調装置についても消費電力を抑えることが望まれる。

一方、車両空調装置は、乗客や駅のプラットフォーム上の乗客にとって、騒音源の一つである。このため、車両が駅のプラットフォームに停車している時には、車両空調装置によって発生する騒音を低下させることが望ましい。

このような観点から、騒音を抑制する機能を備える車両空調装置が提案されている。例えば、特許文献１には、車両が停車駅に近付き、車両の速度が低下すると、換気装置と空調装置の運転量を低減又はそれらの運転を停止させることにより、車内騒音を低減させる車両用空調装置が提案されている。

また、特許文献２には、室内送風機の回転数に対応させて圧縮機の回転数を制御することにより騒音を抑える空調装置の運転方法が提案されている。

また、特許文献３には、圧縮機と室外送風機の運転に関する、省エネルギーの目的と騒音防止の目的に合致するいくつかのモードを有し、そのいくつかのモードからタイムスケジュールに沿ってモードを選択し、選択されたモードに応じた周波数で圧縮機と室外送風機を運転する冷凍サイクル装置が提案されている。

特開２００５−７５３０６号公報 特開平８−２７１０６７号公報 特開２０１２−２４７１５０号公報

特許文献１に開示された車両用空調装置では、駅付近で、換気装置と空調装置の運転量が低減し、又はそれらの運転が停止するので、空調能力が低下してしまう。このため、車両内の快適性が犠牲になる。また、特許文献１に開示の車両用空調装置では、室内騒音を抑えることができるが、室外騒音を抑えることができない。このため、この車両用空調装置は、プラットフォーム上の乗客等への騒音防止には寄与できない。さらに、特許文献１には、省エネルギー運転についての考察がない。

特許文献２に開示された運転方法は、室内騒音の抑制を課題としている。このため、特許文献２に開示の運転方法を室外騒音の抑制に適用することは困難である。また、特許文献２には、省エネルギー運転についての考察がない。

特許文献３に開示された冷凍サイクル装置は、タイムスケジュールに沿って圧縮機と室外送風機を運転する設置型の装置であるため、この冷凍サイクル装置の運転方法を車両用空調装置に適用することは困難である。また、特許文献３には、車外の騒音を抑えるために、圧縮機と室外送風機をどのように制御するのかという点については、考察がない。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、省エネルギー運転が可能で且つ車両が駅に近づいた際の車外騒音が従来よりも小さい車両空調装置、及び車両空調装置の駆動方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る車両空調装置は、冷媒を圧縮する圧縮機と、冷媒と外気との間で熱交換を行う外気用熱交換器と、を備える冷媒回路と、外気用熱交換器に外気を送風する送風機と、設定温度と車内温度とに基づいて、圧縮機の圧縮機運転周波数を導出する圧縮機運転周波数導出部と、圧縮機運転周波数導出部により導出された圧縮機運転周波数で圧縮機を駆動する圧縮機駆動装置と、圧縮機運転周波数導出部により導出された圧縮機運転周波数に対応する送風機の送風機運転周波数を予め設定された対応関係に従って、導出する送風機運転周波数導出部と、送風機運転周波数導出部により導出された送風機運転周波数で送風機を駆動する送風機駆動装置と、を備える。送風機運転周波数導出部は、第１の動作モード及び第２の動作モードを少なくとも含む複数のモードから１つのモードを選択することで対応関係を設定する。第１の動作モードでは、圧縮機運転周波数に対する冷媒回路のエネルギー効率が、第２の動作モードよりも高く、且つ圧縮機運転周波数に対応する送風機運転周波数が、第２の動作モードで規定された同一の圧縮機運転周波数に対応する送風機運転周波数よりも高い。第２の動作モードでは、圧縮機運転周波数が高いほど送風機運転周波数が高く、且つ圧縮機運転周波数に対応する送風機運転周波数が、第１の動作モードで規定された同一の圧縮機運転周波数に対応する送風機運転周波数よりも低い。

上記構成によれば、エネルギー効率が高い第１の動作モードと送風機運転周波数が低い第２の動作モードとを切り替えることにより、エネルギー効率と発生する騒音の程度を、場面に応じて、切り替えて車両空調装置を駆動することが可能となる。このため、本発明によれば、省エネルギー運転が可能で且つ車両が駅に近づいた際の車外騒音が従来よりも小さい車両空調装置を提供することができる。

本発明の実施の形態に係る車両空調装置の構成図 図１に示す制御装置の内部構成を示すブロック図 省エネルギーモード（第１の動作モード）と低騒音モード（第２の動作モード）における圧縮機の運転周波数と室外送風機の運転周波数との対応関係を定義する関数を示す図 圧縮機の運転周波数と室外送風機の運転周波数と冷房能力とＣＯＰと省エネルギーモードと低騒音モードの関係を示す図 実施形態における圧縮機及び室外送風機の運転制御を示すブロック線図 図２に示すＣＰＵの動作を示すフローチャート 冷房運転時の圧縮機の運転周波数と室外送風機の運転周波数と冷房能力とＣＯＰと省エネルギーモードと第１から第ｎまでの低騒音モードの関係を示す図 動作モードの選択を、車両位置、手動入力などにより切り替える例を示すブロック線図

以下、本発明の実施形態に係る車両空調装置、及び車両空調装置の駆動方法について、図面を参照しながら説明する。

本実施の形態に係る車両空調装置１００は、省エネルギーモード又は低騒音モードで圧縮機３と室外送風機５を動作させる空調系制御部２００を備えている。そして、車両空調装置１００は、車両の屋根や床下に設置され、車内の空気を調和する。以下の説明では、まず、車両空調装置１００の空調系制御部２００以外の構成及び動作を説明する。続いて、空調系制御部２００の構成及び動作を説明する。

車両空調装置１００は、図１に示すように、冷媒を圧縮する圧縮機３と、外気と冷媒との間で熱交換を行う室外熱交換器４と、室外熱交換器４に外気を送風する室外送風機５と、冷媒を膨脹させる膨張弁６と、車内の空気と冷媒との間で熱交換を行う室内熱交換器７と、室内熱交換器７に車内の空気を送風する室内送風機８と、を備える。
なお、圧縮機３、室外熱交換器４、膨張弁６及び、室内熱交換器７は、圧縮機３、室外熱交換器４、膨張弁６、室内熱交換器７の順序で管路によって接続されている。また、圧縮機３と室内熱交換器７は、管路によって接続されている。これらの部品は、ループ状の、冷媒が循環する冷媒回路を形成している。

圧縮機３は、ロータリ圧縮機、スクロール圧縮機等によって構成される。圧縮機３は、駆動モータとして機能する三相モータを備え、インバータ制御による可変速駆動が可能である。圧縮機３は、三相モータが回転することで、冷媒を圧縮する。ここで、圧縮機３の運転周波数とは、単位時間（例えば、秒、分）あたりの圧縮回数を意味する。圧縮機３の運転周波数は、本明細書では圧縮機運転周波数ともいう。

室外熱交換器４は、冷媒管と、冷媒管の熱を外気に伝熱するフィンと、で構成されている。そして、室外熱交換器４は、車外に配置される。室外熱交換器４は、冷房時に冷媒から外気へ熱を移動させ、暖房時に外気から冷媒へ熱を移動させる。ここで、外気とは、車外の空気、すなわち車両の室外にある空気のことである。室外熱交換器４は、本明細書では外気用熱交換器ともいう。

室外送風機５はファンと、ファンの駆動モータとして機能する三相モータと、を備える。三相モータは、インバータ制御による可変速駆動が可能である。ファンは、三相モータによって回転され、外気を室外熱交換器４に送風し、熱交換後の外気を再び車外へ放出する。ここで、室外送風機５の運転周波数とは、単位時間（例えば、秒、分）あたりのファンの回転数を意味する。室外送風機５の運転周波数は、本明細書では送風機運転周波数ともいう。室外送風機５では、ファンが回転することにより、風切音、回転音等が発生する。これらの音は車外への騒音となる。その音の大きさは、ファンの回転数により変化する。

膨張弁６は、上述した冷媒回路において、高圧側の管路と低圧側の管路との間で絞り機構として機能する。例えば、膨張弁６は、車両空調装置１００が冷房動作する場合、液状の冷媒の通過量を調整することにより冷媒を膨張させて低温低圧の冷媒にする。冷媒が膨張弁６を通過する際、冷媒の一部は気化する。すなわち膨張弁６は、冷媒を発泡させる。

膨張弁６は、車両空調装置１００の冷房能力の変化に対応するため、可変式の絞りを有する。冷媒回路では、膨張弁６による絞りが強いと冷媒の循環量が少なくなる。このとき室内熱交換器７の冷媒が蒸発してしまい室内熱交換器７の熱交換量が小さくなる。すなわち車両空調装置１００の冷房能力が抑えられてしまう。一方、膨張弁６による絞りが弱いと冷媒回路の冷媒の循環量が増え、車両空調装置１００の冷房能力が増す。しかし、膨張弁６による絞りが弱すぎると、室内熱交換器７の熱交換能力を超え、冷媒が液状のまま室内熱交換器７から圧縮機３へ流れてしまう。この場合、圧縮機３が液圧縮を起こして破損することがある。そこで、膨張弁６は、車両空調装置１００の冷房能力を保ちつつ圧縮機３が液圧縮を防止するため、上述した可変式の絞りを有する。これにより、圧縮機３や室外送風機５がインバータ制御によって可変速駆動されて車両空調装置１００の冷房能力が幅広く変化する場合に、絞り量を変えて液圧縮を防止することが可能である。なお、膨張弁６は、絞りの開閉の度合い（絞り量ともいうが、以下、開度という）が調整できる電子リニア膨張弁が望ましい。この場合、空調系制御部２００によって絞りの開度が制御されることが望ましい。

室内熱交換器７は、室外熱交換器４と同様に、冷媒管と、フィンと、で構成されている。そして、室内熱交換器７は車内に配置される。室内熱交換器７は、冷房時に車内の空気から冷媒へ熱を移動させ、暖房時に冷媒から車内空気へ熱を移動させる。ここで、車内とは、車両の室内を意味する。

室内送風機８は、室外送風機５と同様に、ファンと、三相モータと、を備える。そして、室内送風機８は、車内の空気を室内熱交換器７に送り込んで、室内熱交換器７を通過する冷媒と熱交換をさせ、熱交換をした空気を再び車内へ放出する。

次に、車両空調装置１００の動作を説明する。車両空調装置１００は、図示しない四方弁の切り替えにより、車内の空気を冷房又は暖房する。冷媒は、車両空調装置１００の冷房運転時には、四方弁によって、圧縮機３、室外熱交換器４、膨張弁６、室内熱交換器７、圧縮機３の順序の方向へ冷媒回路を循環する。冷媒は、圧縮機３で圧縮されて高温高圧のガス状に変化し、続いて室外熱交換器４に流入する。室外熱交換器４に流入した冷媒は、室外送風機５によって供給される外気と熱交換され、冷却及び凝縮されて液状の冷媒となる。この液状の冷媒は、膨張弁６で膨張され減圧されることで低温低圧の冷媒に変化する。低温低圧の冷媒は、室内熱交換器７に流入し、室内送風機８による車内空気との熱交換により、低温低圧のガス状の冷媒に変化する。低温低圧のガス状の冷媒は、圧縮機３に流入し、圧縮されて、高温高圧のガス状の冷媒となる。一方、車内空気は、室内送風機８により室内熱交換器７に送り込まれ、低温低圧の冷媒と熱交換をして低温の空気となる。その低温の空気が車内に供給され、車内の空気が冷房される。

一方、車両空調装置１００の暖房運転時に、冷媒は、四方弁の切り替えによって、圧縮機３、室内熱交換器７、膨張弁６、室外熱交換器４、圧縮機３の順序の方向へ冷媒回路を循環する。冷媒は、圧縮機３で圧縮されて高温高圧のガス状に変化し、室内熱交換器７に流入する。室内熱交換器７に流入した冷媒は、車内の空気と熱交換され、冷却及び凝縮される。この冷媒は、膨張弁６で膨張され、減圧される。減圧された冷媒は、室外熱交換器４に流入し、室外熱交換器４で外気と熱交換して、低温低圧のガス状の冷媒となる。低温低圧のガス状の冷媒は、圧縮機３に流入し、圧縮機３で圧縮されて高温高圧のガス状の冷媒となる。一方、車内空気は、室内送風機８により室内熱交換器７に送り込まれ、高温の冷媒と熱交換をして、高温の空気となる。その高温の空気が車内に供給され、車内の空気が暖房される。

なお、車両空調装置１００の暖房運転時と冷房運転時とでは、冷媒回路内の冷媒の流れを除けば同一の動作である。そこで、以下、車両空調装置１００が車内の空気を調和する動作を説明する場合、その空調動作の例として、冷房運転時の動作を説明する。

次に、上記の動作を実現するための空調系制御部２００の構成について説明する。空調系制御部２００は、圧縮機３の運転周波数及び室外送風機５の運転周波数を求める制御装置１０と、制御装置１０が求めた運転周波数で圧縮機３を駆動する圧縮機用インバータ２１と、制御装置１０が求めた運転周波数で、室外送風機５を駆動する室外送風機用インバータ２２とを備える。

制御装置１０は、省エネルギー又は低騒音を図るため、省エネルギーモード又は低騒音モードに応じて、圧縮機３と室外送風機５のそれぞれの運転周波数ｆｃとｆｆを求める。また、各モードにおいて、制御装置１０は、外気温度、車内設定温度、乗車人数等により必要とされる車両空調装置１００の空調能力が変化するため、外気温度、車内設定温度等に応じて運転周波数ｆｃとｆｆを求める。ここで、圧縮機３の運転周波数ｆｃが大きい場合、冷媒回路を流れる冷媒の量が増加して車両空調装置１００の空調能力が高まる。また室外送風機５の運転周波数ｆｆが大きい場合、室外熱交換器４での熱交換量が増加して空調能力が高まる。制御装置１０は、求めた運転周波数ｆｃ、ｆｆを圧縮機用インバータ２１と室外送風機用インバータ２２にそれぞれ通知して、必要とされる空調能力で圧縮機３と室外送風機５とを駆動する。なお、制御装置１０の機能の詳細は図４を参照して後述する。

また、制御装置１０は、膨張弁６の開度を決定し、決定した開度で運転するよう膨張弁６を制御する。膨張弁６の開度は、例えば、以下に示す２通りの方法のいずれか、またはその組み合わせを用いて決定される。１つ目の方法は、制御装置１０が圧縮機３の運転周波数ｆｃに応じて膨張弁６の開度を決定し、決定した開度に膨張弁６を開閉する。具体的には、制御装置１０は、膨張弁６の開度を、圧縮機３の運転周波数ｆｃが高くなるに従って高く、運転周波数ｆｃが低くなるに従って低くなるように開閉する。２つ目の方法は、制御装置１０が熱交換器の入口と出口の温度を測定し、その温度差が適正な一定値となるよう膨張弁６の開度を決定し、決定した開度に膨張弁６を開閉する。この方法でいう熱交換器とは、冷房時の場合には室内熱交換器７であり、暖房時には室外熱交換器４である。

制御装置１０は、上記の機能を実現するために、図２に示すように、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）１１１、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）１１２、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）１１３、フラッシュメモリ１１４及び、Ｉ／Ｏ（Ｉｎｐｕｔ／Ｏｕｔｐｕｔ）装置１１５を備える。

ＲＯＭ１１２は、ＣＰＵ１１１が実行する動作プログラム、固定データ等を記憶する。動作プログラムの内容は後述する。

ＲＡＭ１１３は、ＣＰＵ１１１の主メモリ、ワークエリアとして機能する。
フラッシュメモリ１１４は、不揮発性のメモリであり、圧縮機運転周波数ｆｃと室外送風機運転周波数ｆｆの関係を示す関数Ｆ１、Ｆ２及び、省エネルギーモードと低騒音モードを切り替えるための車速の閾値Ｖｔｈ等を記憶する。関数Ｆ１、Ｆ２については、図３及び図４を参照して後述する。

Ｉ／Ｏ装置１１５は、外部の装置とＣＰＵ１１１との間で入出力処理を実行する。例えば、ＣＰＵ１１１は、Ｉ／Ｏ装置１１５を介して、上位装置、手動入力装置等より車内設定温度Ｔｏを、センサより実測の車内温度Ｔｒ及び、車両速度Ｖｒを受信する。また、Ｉ／Ｏ装置１１５は、圧縮機運転周波数ｆｃを圧縮機用インバータ２１に、室外送風機運転周波数ｆｆを室外送風機用インバータ２２に、膨張弁６の開度を指示するバルブ開度制御信号Ｖｏｐを膨張弁６に送信する。

ＣＰＵ１１１は、ＲＡＭ１１３をワークエリアとして、ＲＯＭ１１２に格納された空調プログラムを実行し、フラッシュメモリ１１４に記憶された関数Ｆ１、Ｆ２及びデータ、Ｉ／Ｏ装置１１５を介して受信したデータを用いて、圧縮機運転周波数ｆｃと室外送風機運転周波数ｆｆを求める。ＣＰＵ１１１は、Ｉ／Ｏ装置１１５を介して、圧縮機運転周波数ｆｃを圧縮機用インバータ２１に、室外送風機運転周波数ｆｆを室外送風機用インバータ２２に送信する。また、ＣＰＵ１１１は、圧縮機運転周波数ｆｃに基づいて、膨張弁６の適切な開度を求め、求めた開度を指示するバルブ開度制御信号Ｖｏｐを膨張弁６に出力する。

フラッシュメモリ１１４は、図３に示す、圧縮機運転周波数ｆｃと室外送風機運転周波数ｆｆとの相関関係を示す省エネルギーモード用関数Ｆ１（第１の関数、第１の関係ともいう）と、低騒音モード用関数Ｆ２（第２の関数、第２の関係ともいう）を記憶している。

省エネルギーモード用関数Ｆ１は、ＣＯＰ（Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ Ｏｆ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ）が最大となるように、車両空調装置１００を運転する際の圧縮機運転周波数ｆｃと室外送風機運転周波数ｆｆとの相関関係を規定する。

低騒音モード用関数Ｆ２は、室外送風機５による騒音を抑えつつ、省エネルギーを可能な限り実現するように、車両空調装置１００を運転する際の圧縮機運転周波数ｆｃと室外送風機運転周波数ｆｆとの相関関係を規定する。低騒音モード用関数Ｆ２は、省エネルギーモード用関数Ｆ１よりも傾きが小さい。また、圧縮機運転周波数ｆｃに対応する室外送風機運転周波数ｆｆは、低騒音モード用関数Ｆ２の方が省エネルギーモード用関数Ｆ１よりも小さい。すなわち、省エネルギーモード用関数Ｆ１の方を第１の運転周波数とし、低騒音モード用関数Ｆ２の方を第２の運転周波数とした場合に、第１の運転周波数＞第２の運転周波数である。

省エネルギーモード用関数Ｆ１と低騒音モード用関数Ｆ２とは、次の考察に基づいて予め設計され、フラッシュメモリ１１４に登録されている。

図４に示す運転マップは、車両空調装置１００の冷房運転時における圧縮機３の運転周波数ｆｃと室外送風機５の運転周波数ｆｆと冷房能力及びＣＯＰの関係を示す図である。図４中、横軸は圧縮機３の運転周波数ｆｃ、縦軸は室外送風機５の運転周波数ｆｆを示している。また、太線を冷房能力の等高線とし、細線をＣＯＰの等高線とする。ここでは、ＣＯＰを冷房能力／（圧縮機３と室外送風機５の消費電力の和）とする。ＣＯＰが最大となる圧縮機３、室外送風機５の運転周波数ｆｃ、ｆｆは、圧縮機３と室外送風機５が少ない消費電力で必要な冷房能力を得るようなエネルギー効率が高い状態であることを示す。

図４では、冷房能力を示す等高線は、同じ数値の冷房能力を１本の曲線で示されている。例えば、３０ｋＷの冷房能力の等高線は１本の曲線で示されている。同様にＣＯＰを示す等高線も同じ数値のＣＯＰを１本の曲線で示されている。図４に示すように、冷房能力は、圧縮機３の運転周波数ｆｃを大きくすると高くなるが、室外送風機５の運転周波数ｆｆを小さくすると低くなる。逆に、冷房能力は、圧縮機３の運転周波数ｆｃを小さくすると低くなるが、室外送風機５の運転周波数ｆｆを大きくすると高くなる。これに対して、ＣＯＰは、圧縮機３の運転周波数ｆｃ、又は、室外送風機５の運転周波数ｆｆを大きくすると低くなる。

図４中、２０ｋＷの冷房能力で最大のＣＯＰを得る点は、２０ｋＷの冷房能力の等高線とＣＯＰが４．０の等高線との接点Ａである。このような冷房能力とＣＯＰそれぞれの曲線の接点同士を結ぶラインが、ＣＯＰが最大となるラインである。このため、通常の運転時（第１の動作モード）に、このライン上におけるそれぞれの運転周波数の値で圧縮機３及び室外送風機５が駆動されることで、省エネルギーを図ることができる。このような考察から、省エネルギーモード用関数Ｆ１は、このラインに相当する関数に設定される。省エネルギーモード用関数Ｆ１は、省エネルギーモードにおける、圧縮機３の運転周波数ｆｃに対する室外送風機５の運転周波数ｆｆを規定する。

ところで、例えば車両が駅に停車中に、プラットフォーム上にいる乗客が室外送風機５からの音を騒音として感じることがある。この騒音を低減するため、車両が駅に停車中の時、室外送風機５の運転周波数ｆｆが小さくなることが望ましい。室外送風機５の回転数がインバータ制御により可変速の場合、その回転数を下げて騒音を低減することが可能である。また、冷房能力を維持しながら騒音を低減する場合、室外送風機５の運転周波数を小さくする代わりに、圧縮機３の運転周波数を大きくすることが可能である。

そこで、図４において、上述した省エネルギーモードのラインの傾きよりも小さい傾きを有し、例えばＣＯＰ＝４．０の曲線上において上記点Ａよりも室外送風機５の運転周波数が小さい点Ｂを通る直線状のラインを、低騒音モード（第２の動作モード）用のラインとする。そして、低騒音を実現する必要があるときは、このライン上の運転周波数ｆｃ、ｆｆで運転するように、圧縮機３と室外送風機５とを制御する。低騒音モード用関数Ｆ２は、このラインに相当する関数である。低騒音モード用関数Ｆ２は、低騒音モードにおける、圧縮機３の運転周波数ｆｃに対する室外送風機５の運転周波数ｆｆを規定する。

圧縮機３と室外送風機５のそれぞれの運転周波数ｆｃ、ｆｆの具体的な選定を説明すると、例えば冷房能力３０ｋＷが要求されるとき、省エネルギーモードが選択されている場合には、圧縮機３と室外送風機５は、点Ｃの運転周波数ｆｃ、ｆｆで動作する。点Ｃでは、ＣＯＰは約２．７５である。また駅停止時など低騒音モードが選択される場合には、ここでも冷房能力３０ｋＷが要求されるとすれば、圧縮機３と室外送風機５は、点Ｄの運転周波数ｆｃ、ｆｆで動作する。このとき点Ｃの場合よりも、室外送風機５の運転周波数ｆｆが小さくなり、室外送風機５による騒音が低減できるが、冷房能力３０ｋＷを保つために圧縮機３の運転周波数ｆｃが上昇する。

本実施の形態では、通常は省エネルギーモードを選択し、圧縮機３と室外送風機５を制御するが、低騒音状態が必要なとき、低騒音モードに変換する。省エネルギーモードと低騒音モードを互いに変換するための条件と、選択及び変換方法については後述する。

図４では、低騒音モード用のライン（関数Ｆ２）の傾きが小さく、かつ、室外送風機運転周波数ｆｆに係る軸の切片が小さいほど、室外送風機５からの騒音の低減が図れる。しかし、そのように制御するだけでは、冷房能力が低下してしまい、車内の快適性が低下する。一方、冷房能力が低下しないよう、圧縮機３の運転周波数ｆｃを上げると、圧縮機３からの騒音が大きくなる。また、圧縮機３の吐出能力が高くなることで、膨張弁６では冷媒の圧力を低下させきれず、冷媒が液状のまま圧縮機３に流入する問題が生じる。このように、低騒音モード用のラインは、相反的関係にある複数の条件を満たす必要がある。低騒音モード用のラインには、合理的ラインが存在し、ラインの傾きに下限値が存在する。妥当なラインは数値計算や実験などにより得ることができる。発明者の検討によれば、低騒音モード用のラインの傾きは、省エネルギーモード用のライン（関数Ｆ１）の４／５〜２／５が望ましい。

上記の考察で設計された省エネルギーモード用関数Ｆ１と低騒音モード用関数Ｆ２が図３に示す関数である。制御装置１０は、省エネルギーモード用関数Ｆ１と低騒音モード用関数Ｆ２を適用して圧縮機３及び室外送風機５を駆動するように機能する。詳細には、制御装置１０は、ＣＰＵ１１１がＲＯＭ１１２に記憶されている空調プログラムを実行することにより、図５に示すように、圧縮機運転周波数導出部１１、室外送風機運転周波数導出部１２、動作モード選択部１３、減算機１４、として機能する。

減算機１４は、車内設定温度Ｔｏと温度センサで検出された実測の車内温度Ｔｒとの偏差ε（＝Ｔｏ−Ｔｒ）を求めて、圧縮機運転周波数導出部１１に供給する。

圧縮機運転周波数導出部１１は、減算機１４で求められた偏差εに基づいて、ＰＩ（比例積分）制御により圧縮機３の運転周波数ｆｃを導出し、導出した運転周波数ｆｃを圧縮機用インバータ２１と室外送風機運転周波数導出部１２に通知する。

室外送風機運転周波数導出部１２は、動作モード選択部１３が選択した運転モードに対応する、図３に示す省エネルギーモード用関数Ｆ１又は低騒音モード用関数Ｆ２を用いて、圧縮機運転周波数ｆｃに対応する室外送風機運転周波数ｆｆを導出する。室外送風機運転周波数導出部１２は、導出した室外送風機運転周波数ｆｆを室外送風機用インバータ２２に通知する。

動作モード選択部１３は、鉄道車両が駅に停車している場合等、外部への騒音を低減させるべき状態にあるか否かを判別し、その状態にないと判別した場合には、省エネルギーモードを選択し、外部への騒音を低減させるべき状態にあると判別した場合には、低騒音モードを選択する。具体的には、動作モード選択部１３は、速度センサで計測された車両速度Ｖｒが閾値Ｖｔｈ以上であれば、省エネルギーモードを選択し、車両速度Ｖｒが閾値Ｖｔｈ未満であれば、低騒音モードを選択する。そして、動作モード選択部１３は、選択した運転モードを室外送風機運転周波数導出部１２に通知する。

圧縮機用インバータ２１は、圧縮機運転周波数導出部１１から通知された圧縮機運転周波数ｆｃに一致する運転周波数で圧縮機３を動作させるように、そのインバータ信号の周波数を制御する。なお、圧縮機用インバータ２１は、本明細書では圧縮機駆動装置ともいう。

室外送風機用インバータ２２は、室外送風機運転周波数導出部１２から通知された室外送風機運転周波数ｆｆに一致する運転周波数で室外送風機５を動作させるように、そのインバータ信号の周波数を制御する。なお、室外送風機用インバータ２２は、本明細書では送風機駆動装置ともいう。

次に上記構成を有する空調系制御部２００の空調動作を説明する。
まず、鉄道車両が通常の運転状態にあり、その車両速度Ｖｒが閾値Ｖｔｈ以上であるとする。

減算機１４は、車内設定温度Ｔｏとフィードバックされた車内温度Ｔｒとの偏差εを求める。

圧縮機運転周波数導出部１１は、偏差εに応じた圧縮機運転周波数（操作量）ｆｃを、ＰＩ制御により求め、求めた圧縮機運転周波数ｆｃを圧縮機用インバータ２１に通知する。また、圧縮機運転周波数導出部１１は、圧縮機運転周波数ｆｃを、室外送風機運転周波数導出部１２にも通知する。

車両速度Ｖｒが閾値Ｖｔｈ以上であるため、動作モード選択部１３は、省エネルギーモード（第１の動作モード）を選択する。室外送風機運転周波数導出部１２は、省エネルギーモード用関数Ｆ１に、通知された圧縮機運転周波数ｆｃを適用して、一意に定まる室外送風機運転周波数ｆｆ（＝Ｆ１（ｆｃ））を求めて、室外送風機用インバータ２２に通知する。

圧縮機用インバータ２１は、圧縮機３が通知された圧縮機運転周波数ｆｃで運転されるようにインバータ信号を生成し、そのインバータ信号を圧縮機３の駆動モータに供給する。同様に、室外送風機用インバータ２２は、室外送風機５が通知された室外送風機運転周波数ｆｆで運転されるようにインバータ信号を生成し、そのインバータ信号を室外送風機５の駆動モータに供給する。
このような動作により、車内空調系３０に冷風が送られる。

圧縮機３は、圧縮機用インバータ２１から供給された圧縮機用インバータ信号により駆動され、図１を参照して説明したように、冷媒を圧縮し、循環させる。一方、室外送風機５は、室外送風機用インバータ２２から供給される室外送風機用インバータ信号により駆動され、室外熱交換器４による外気と冷媒との熱交換を促進する。

このようにして、車内温度Ｔｒが車内設定温度Ｔｏに一致して、偏差εが小さくなるように、フィードバック制御が継続して実行される。

続いて、車両が駅に接近し、車両速度Ｖｒが閾値Ｖｔｈ未満になったとする。
この場合も、減算機１４は、車内設定温度Ｔｏと車内温度Ｔｒとの偏差εを求める。圧縮機運転周波数導出部１１は、偏差εに応じた圧縮機運転周波数ｆｃを、省エネルギーモード時と同一のＰＩ制御により求める。圧縮機運転周波数導出部１１は、求めた圧縮機運転周波数ｆｃを圧縮機用インバータ２１と室外送風機運転周波数導出部１２に通知する。圧縮機用インバータ２１は、圧縮機３が通知された圧縮機運転周波数ｆｃで運転されるように、インバータ信号を生成し、そのインバータ信号を圧縮機３の駆動モータに供給する。圧縮機３は、供給されたインバータ信号により駆動され、図１を参照して説明したように、冷媒を圧縮し、循環させる。これらの動作は、省エネルギーモードでの制御と実質的に同一である。

一方、車両速度Ｖｒが閾値Ｖｔｈ未満であるため、動作モード選択部１３は、低騒音モード（第２の動作モード）を選択する。室外送風機運転周波数導出部１２は、低騒音モード用関数Ｆ２に、通知された圧縮機運転周波数ｆｃを適用し、対応する室外送風機運転周波数ｆｆ（＝Ｆ２（ｆｃ））を求める。室外送風機運転周波数導出部１２は、求めた室外送風機運転周波数ｆｆを室外送風機用インバータ２２に通知する。この室外送風機運転周波数ｆｆ（＝Ｆ２（ｆｃ））は、図４を参照して説明したように、省エネルギーモードでの同一の圧縮機運転周波数ｆｃに対する室外送風機運転周波数ｆｆ（＝Ｆ１（ｆｃ））よりも小さい。室外送風機用インバータ２２は、室外送風機５が指示された室外送風機運転周波数ｆｆで運転されるように、インバータ信号を生成し、そのインバータ信号を室外送風機５の駆動モータに供給する。室外送風機５は、供給されたインバータ信号により駆動され、室外熱交換器４による外気と冷媒との熱交換を促進する。
このようにして、車内空調系３０に冷風が送られる。

低騒音モードでの室外送風機５の運転周波数ｆｆは、同一の圧縮機運転周波数ｆｃに対する省エネルギーモードでの室外送風機５の運転周波数ｆｆよりも小さい。従って、室外送風機５から外部に放出される騒音は抑えられる。

省エネルギーモードから低騒音モードに切り替わった直後は、室外送風機５の運転周波数ｆｆが急激に低下するため、空調能力が低下し、通常であれば、車内温度が上昇する。しかし、上昇した車内温度Ｔｒがフィードバックされ、偏差εが大きくなるため、圧縮機運転周波数導出部１１が導出する圧縮機運転周波数ｆｃが上昇する。このため、空調能力が向上し、車内温度Ｔｒは徐々に車内設定温度Ｔｏに近づく。

圧縮機運転周波数ｆｃの上昇に伴って室外送風機運転周波数ｆｆも上昇するが、相対的に傾きの小さい低騒音モード用関数Ｆ２に基づくため、騒音の増加は抑えられる。低騒音モードでは、このような制御動作が継続して実行される。

車両が駅を離れ、車両速度Ｖｒが閾値Ｖｔｈ以上になると、再び、省エネルギーモードでの動作が開始する。

以上の冷房動作を、ＣＰＵ１１１の処理動作で表すと、図６のフローチャートに示すようになる。

ＣＰＵ１１１は、空調制御を開始すると、図６に示す空調制御処理を開始し、フラッシュメモリ１１４に格納されている車内設定温度Ｔｏとセンサ等からＩ／Ｏ装置１１５を介して供給された車内温度Ｔｒとの偏差εを求める（ステップＳ１１）。

次に、ＣＰＵ１１１は、圧縮機運転周波数（操作量）ｆｃを、ＰＩ制御の偏差εと操作量である圧縮機運転周波数ｆｃの関係式ｆｃ＝α∫εｄｔ＋βε＋γから求める（ステップＳ１２）。なお、α、β、γは、定数である。

次に、ＣＰＵ１１１は、Ｉ／Ｏ装置１１５を介して取得した車両速度Ｖｒがフラッシュメモリ１１４に格納されている閾値Ｖｔｈ以上であるか否かを判別する（ステップＳ１３）。

Ｖｒ≧Ｖｔｈの場合、ＣＰＵ１１１は、省エネルギーモードを選択し（ステップＳ１３：省エネルギーモード）、省エネルギーモード用関数Ｆ１に、ステップＳ１２で求めた圧縮機運転周波数ｆｃを適用して、室外送風機運転周波数ｆｆ（＝Ｆ１（ｆｃ））を求める（ステップＳ１４）。ＣＰＵ１１１は、続いて、Ｉ／Ｏ装置１１５を介して、圧縮機用インバータ２１に圧縮機運転周波数ｆｃを通知し（ステップＳ１６）、室外送風機運転周波数ｆｆを室外送風機用インバータ２２に通知する（ステップＳ１７）。

一方、Ｖｒ＜Ｖｔｈの場合、ＣＰＵ１１１は、低騒音モードを選択し（ステップＳ１３：低騒音モード）、低騒音モード用関数Ｆ２に、ステップＳ１３で求めた圧縮機運転周波数ｆｃを適用して、室外送風機運転周波数ｆｆ（＝Ｆ２（ｆｃ））を求める（ステップＳ１５）。ＣＰＵ１１１は、続いて、Ｉ／Ｏ装置１１５を介して、圧縮機用インバータ２１に圧縮機運転周波数ｆｃを通知し（ステップＳ１６）、室外送風機運転周波数ｆｆを室外送風機用インバータ２２に通知する（ステップＳ１７）。

ここで、ＣＰＵ１１１は、膨張弁６の開度を求め、求めた開度を指示するバルブ開度制御信号Ｖｏｐを膨張弁６に通知してもよい。また、上記のステップは一部又は全部の順番を変えて実行してもよい。

このように、本実施の形態によれば、車両空調装置１００は、車両が駅から離れていて騒音を抑制する必要のない通常の運転時に、圧縮機３の運転周波数ｆｃを車内設定温度Ｔｏと車内温度Ｔｒとの偏差εに基づいて制御し、室外送風機５の運転周波数ｆｆを、ＣＯＰに基づいて、圧縮機３の運転周波数ｆｃに対応して一意に定まる運転周波数ｆｆに設定する。従って、車両空調装置１００は高効率、省エネルギーで運転される。

一方、車両が駅に停車している場合等、外部に放出する騒音を抑制する必要があるとき、車両空調装置１００は、圧縮機３の運転周波数ｆｃは通常時と同様に制御しつつ、室外送風機５の運転周波数ｆｆを、圧縮機３の運転周波数ｆｃに対応し、かつ、省エネルギーモード時の室外送風機運転周波数よりも低い周波数に設定する。従って、車両空調装置１００では騒音を抑えることができる。

以上の説明では、車両速度Ｖｒの検出に速度センサを使用する例であったが、これに限定されない。車両空調装置１００は、加速度センサの出力、デジタルＡＴＣ（自動列車制御装置（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｔｒａｉｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ）やＧＰＳ（Ｇｒｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）の出力を使用して、車速、車両と駅の距離を求め、求めた距離に従ってモードを選択してもよい。

上記実施の形態においては、省エネルギーモード（第１の動作モード）と１つの低騒音モード（第２の動作モード）とを設定したが、複数の低騒音モードを設定してもよい。例えば、図７に示すように、１つの省エネルギーモード（第０の動作モード）と、ｎ個の低騒音モード（第１〜第ｎの動作モード）を設定し、動作モード選択部１３が、騒音を抑制すべき程度に応じて、低騒音モードを使いわけてもよい。図７の例で、動作モード選択部１３は、車両が駅から十分に離れているとき、省エネルギーモードを選択し、車両が駅に接近しつつあるとき（車両速度Ｖｒが減速しているとき）に、第１〜第（ｎ−１）の低騒音モードを順次選択してもよい。この場合、動作モード選択部１３は、停車中（車両速度Ｖｒ＝０）に、第ｎの低騒音モードを選択し、車両が駅から離れつつあるとき（車両速度Ｖｒが上昇しているとき）に、第（ｎ−１）〜第１の低騒音モードを順次選択するように、制御されてもよい。この場合、複数の閾値Ｖｔｈ０〜Ｖｔｈ（ｎ−１）を用いればよい。

また、上記実施の形態では、車両速度により、動作モードを切り替えたが、図８に示すように、ｉ）動作モード選択部１３が車両の現在位置と位置−動作モードマップにより動作モードを判別したりするようにしてもよい。この場合、動作モード選択部１３は、予め路線上の各位置とその位置で選択すべき動作モードとのマッピングを記憶しており、ＧＰＳ等の位置測定装置で判別した現在位置から対応する動作モードを選択するようにすればよい。また、ｉｉ）運転士又は車掌が手動で動作モードを設定するようにしてもよい。ｉｉｉ）動作モード選択部１３が車両の現在位置と駅との距離を求め、距離に応じて動作モードを選択するようにしてもよい。

また、制御装置１０に、運転周波数を求めるための関数Ｆ１とＦ２をフラッシュメモリ１１４に記憶させる例を示したが、関数の記憶形態は、数式の形態でも、テーブルの形態でも、記憶形態は任意である。また、関数Ｆ１、Ｆ２を一次関数とする例を示したが、多次の曲線関数で表現してもよい。
また、図４に示す運転マップを記憶させておき、運転マップから運転周波数を取得するようにしてもよい。

上記実施形態では、圧縮機運転周波数導出部１１においてＰＩ制御を用いたが、Ｐ制御、ＰＩＤ制御等でもよい。

なお、上記実施形態において、空調プログラムは、フレキシブルディスク、ＣＤ−ＲＯＭ（Compact Disc Read−Only Memory）、ＤＶＤ（Digital Versatile Disc）、ＭＯ（Magneto−Optical Disc）等のコンピュータが読み取り可能な記録媒体に格納して配布し、そのプログラムを、コンピュータ等にインストールすることにより、図６に示す処理を実行する空調系制御部２００を構成することとしてもよい。

また、上述のプログラムをインターネットの通信ネットワーク上の所定のサーバ装置が有するディスク装置に格納しておき、例えば、搬送波に重畳させて、ダウンロードするようにしてもよい。

また、上述の図６に示す処理を、各ＯＳ（Operating System）が分担して実現する場合、又は、ＯＳとアプリケーションとの協働により実現する場合等には、ＯＳ以外の部分のみを媒体に格納して配布してもよく、また、ダウンロードしてもよい。

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、様々な実施の形態及び変形が可能とされるものである。また、上述した実施の形態は、この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。すなわち、本発明の範囲は、実施の形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。そして、特許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、この発明の範囲内とみなされる。

本出願は、２０１６年１月８日に出願された、日本国特許出願特願２０１６−００２２６７号に基づく。本明細書中に日本国特許出願特願２０１６−００２２６７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。

３ 圧縮機、４ 室外熱交換器、５ 室外送風機、６ 膨張弁、７ 室内熱交換器、８ 室内送風機、１０ 制御装置、１１ 圧縮機運転周波数導出部、１２ 室外送風機運転周波数導出部、１３ 動作モード選択部、１４ 減算機、２１ 圧縮機用インバータ、２２ 室外送風機用インバータ、３０ 車内空調系、１００ 車両空調装置、１１１ ＣＰＵ、１１２ ＲＯＭ、１１３ ＲＡＭ、１１４ フラッシュメモリ、１１５ Ｉ／Ｏ装置、２００ 空調系制御部

Claims (7)

1. 冷媒を圧縮する圧縮機と、前記冷媒と外気との間で熱交換を行う外気用熱交換器と、を備える冷媒回路と、
   前記外気用熱交換器に外気を送風する送風機と、
   設定温度と車内温度とに基づいて、前記圧縮機の圧縮機運転周波数を導出する圧縮機運転周波数導出部と、
   前記圧縮機運転周波数導出部により導出された前記圧縮機運転周波数で前記圧縮機を駆動する圧縮機駆動装置と、
   前記圧縮機運転周波数導出部により導出された前記圧縮機運転周波数に対応する前記送風機の送風機運転周波数を予め設定された対応関係に従って、導出する送風機運転周波数導出部と、
   前記送風機運転周波数導出部により導出された前記送風機運転周波数で前記送風機を駆動する送風機駆動装置と、を備え、
   前記送風機運転周波数導出部は、第１の動作モード及び第２の動作モードを少なくとも含む複数のモードから１つのモードを選択することで前記対応関係を設定し、前記第１の動作モードでは、前記圧縮機運転周波数に対する前記冷媒回路のエネルギー効率が、前記第２の動作モードよりも高く、且つ前記圧縮機運転周波数に対応する前記送風機運転周波数が、前記第２の動作モードで規定された同一の圧縮機運転周波数に対応する前記送風機運転周波数よりも高く、前記第２の動作モードでは、前記圧縮機運転周波数が高いほど前記送風機運転周波数が高く、且つ前記圧縮機運転周波数に対応する前記送風機運転周波数が、前記第１の動作モードで規定された同一の圧縮機運転周波数に対応する前記送風機運転周波数よりも低い、
   車両空調装置。
2. 前記送風機運転周波数導出部は、
   前記第１の動作モードでは、前記圧縮機運転周波数と前記送風機運転周波数とが、前記冷媒回路のエネルギー効率が最も高くなる組み合わせで規定され、
   前記第２の動作モードでは、前記圧縮機運転周波数と前記送風機運転周波数とが、前記冷媒回路のエネルギー効率が前記第１の動作モードよりも低い組み合わせで規定された、
   請求項１に記載の車両空調装置。
3. 前記送風機運転周波数導出部は、
   前記第１の動作モード用の、前記圧縮機運転周波数と前記送風機運転周波数との対応関係を規定する第１の関数と、前記第２の動作モード用の、前記圧縮機運転周波数と前記送風機運転周波数との対応関係を規定し、同一の圧縮機運転周波数に対応する前記送風機運転周波数が、前記第１の関数によって規定された前記送風機運転周波数よりも低い第２の関数と、を記憶し、
   前記第１の動作モードにおいて、前記第１の関数に前記圧縮機運転周波数を適用して前記送風機運転周波数を導出し、
   前記第２の動作モードにおいて、前記第２の関数に前記圧縮機運転周波数を適用して前記送風機運転周波数を導出する、
   請求項１又は２に記載の車両空調装置。
4. 前記圧縮機運転周波数導出部は、
   前記設定温度と前記車内温度との差を求める減算機と、
   前記減算機が求めた差が小さくなる前記圧縮機運転周波数を導出する導出部と、
   を備える、
   請求項１から３の何れか１項に記載の車両空調装置。
5. 前記圧縮機駆動装置は、前記圧縮機を可変速駆動し、
   前記送風機駆動装置は、前記送風機を可変速駆動する、
   請求項１から４の何れか１項に記載の車両空調装置。
6. 前記送風機運転周波数導出部は、車両の速度が閾値以上の場合に、前記第１の動作モードを選択し、車両の速度が閾値未満の場合に、前記第２の動作モードを選択する、
   請求項１から５の何れか１項に記載の車両空調装置。
7. 圧縮機と、外気用熱交換器と、前記外気用熱交換器に外気を送風する送風機と、を備える車両空調装置の駆動方法であって、
   負荷に応じた運転周波数で前記圧縮機を駆動するステップと、
   第１の関係に従って、前記圧縮機の負荷に応じた圧縮機運転周波数を第１の運転周波数に変換し、変換された前記第１の運転周波数で前記送風機を駆動する第１の動作モード又は、第２の関係に従って、前記圧縮機の負荷に応じた圧縮機運転周波数を、前記第１の関係よりもエネルギー効率が低く且つ、前記第１の運転周波数よりも低く、且つ前記圧縮機運転周波数が高いほど高い第２の運転周波数に変換し、変換された前記第２の運転周波数で前記送風機を駆動する第２の動作モードで、前記送風機を駆動するステップと、
   前記第１の動作モードから前記第２の動作モードに切り替えることにより、前記送風機による騒音を低減し、前記第２の動作モードから前記第１の動作モードに切り替えることにより、エネルギー効率を高めるステップと、
   を備える、
   車両空調装置の駆動方法。

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