本發(fā)明涉及將熱源的廢熱進行回收并利用于空調(diào)的車用空調(diào)裝置。

背景技術：

以往，為了削減車用空調(diào)裝置中的能耗，具有如下情況：使冷卻水在鐵路車輛的發(fā)動機及發(fā)電機中循環(huán)，來回收發(fā)動機及發(fā)電機的廢熱，將由廢熱加熱后的溫水作為車用空調(diào)裝置的制熱熱源。通常，溫水的溫度較大程度地受發(fā)動機的使用狀態(tài)所左右，大多情況下處于不穩(wěn)定的狀態(tài)，在溫水是低溫的情況下無法用于制熱。因此，存在如下空調(diào)裝置：同時采用由熱泵進行的制熱，從而通過使用溫水來達成節(jié)能，并且在無法獲得溫水的情況下也能提供高品質(zhì)的制熱(例如參照專利文獻1)。

現(xiàn)有技術文獻

專利文獻

專利文獻1：日本專利特開2006-248275號公報

技術實現(xiàn)要素：

發(fā)明所要解決的技術問題

在上述專利文獻1中，在溫水的溫度未達到規(guī)定溫度從而無法利用溫水進行制熱的情況下，使熱泵進行動作，利用由熱泵的室內(nèi)熱交換器加熱后的空氣來進行制熱。然而，由于僅使用熱泵作為溫水以外的熱源，因此存在以下的問題。即，在溫水的溫度較低，無法將溫水作為制熱用的熱源來利用的情況下，有時僅僅依靠熱泵難以獲得所需的制熱能力。此外，例如在熱泵的室外熱交換器上結(jié)有霜，為了去除霜而進行所謂的反循環(huán)方式的除霜運行的情況下，存在如下問題：在該除霜運行的期間，無法利用熱泵進行制熱。

本發(fā)明是鑒于上述問題而完成的，其目的在于提供一種即使在無法將溫水用作為制熱用的熱源的狀況下，也能獲得所需的制熱能力的車用空調(diào)裝置。

解決技術問題所采用的技術方案

本發(fā)明所涉及的車用空調(diào)裝置包括：溫水加熱器核心，該溫水加熱器核心設置于使冷卻水循環(huán)至熱源來對熱源的廢熱進行回收的溫水回路，并對由熱源的廢熱加熱后的冷卻水和空氣進行熱交換以加熱空氣，從而利用加熱后的空氣對車內(nèi)進行制熱；熱泵，該熱泵利用室內(nèi)熱交換器使從制冷劑壓縮機排出的制冷劑與空氣進行熱交換以加熱空氣，從而利用加熱后的空氣對車內(nèi)進行制熱；電熱器，該電熱器加熱空氣來對車內(nèi)進行制熱；以及控制裝置，該控制裝置選擇溫水加熱器核心、熱泵及電熱器的一部分或全部來進行制熱。

發(fā)明效果

根據(jù)本發(fā)明，即使在無法將溫水用作為制熱用的熱源的狀況下，也能獲得所需的制熱能力。

附圖說明

圖1是應用了本發(fā)明的實施方式1所涉及的車用空調(diào)裝置的鐵路車輛的整體示意圖。

圖2是表示本發(fā)明的實施方式1所涉及的車用空調(diào)裝置的結(jié)構的框圖。

圖3是本發(fā)明的實施方式1所涉及的車用空調(diào)裝置的控制流程圖。

具體實施方式

實施方式1.

圖1是應用了本發(fā)明的實施方式1所涉及的車用空調(diào)裝置的鐵路車輛的整體示意圖。

鐵路車輛1包括：經(jīng)由配設在車體的前方及后方的車軸2a而設置的軌道行駛用的車輪2；經(jīng)由齒輪裝置3a及車軸2a對設置于前方的車輪2進行旋轉(zhuǎn)驅(qū)動的電動機3；經(jīng)由功率轉(zhuǎn)換裝置4a向電動機3進行供電的發(fā)電機4；及驅(qū)動發(fā)電機4的發(fā)動機5。鐵路車輛1還包括：功率轉(zhuǎn)換裝置4a、儲存提供給發(fā)動機5的燃料的燃料罐6、回收再生電力并經(jīng)由功率轉(zhuǎn)換裝置4a向電動機3進行供電的蓄電裝置7、及車用空調(diào)裝置8等。然后，由發(fā)電機4產(chǎn)生的驅(qū)動電力及來自蓄電裝置7的電力經(jīng)由功率轉(zhuǎn)換裝置4a被提供給電動機3，以使車輪2旋轉(zhuǎn)。

車用空調(diào)裝置8利用后述的熱泵式冷凍循環(huán)(以下稱為“熱泵”)來進行制冷，另一方面，回收由具備發(fā)電機4及發(fā)動機5的動力產(chǎn)生單元9產(chǎn)生的廢熱，并利用該廢熱來進行制熱。動力產(chǎn)生單元9構成本發(fā)明所涉及的熱源。另外，該熱源并不限于作為用于驅(qū)動車輪2的動力源的發(fā)電機4及發(fā)動機5，也可以是用于向各車輛的服務設備(電燈、空調(diào)裝置等)進行供電的供電單元。

圖2是表示本發(fā)明的實施方式1所涉及的車用空調(diào)裝置的結(jié)構的框圖。下面，參照圖2對本實施方式1所涉及的車用空調(diào)裝置8的結(jié)構進行說明。

如圖2所示，車用空調(diào)裝置8構成為包括溫水回路10、熱泵20、及控制裝置30等。

溫水回路10構成為包括溫水加熱器核心12、水熱交換器13、溫水控制閥14、溫水旁通回路15、及散熱器16等，它們通過配管相連接，供對動力產(chǎn)生單元9進行冷卻的冷卻水(溫水)流通。

溫水加熱器核心12是對溫水和空氣進行熱交換的熱交換器，利用該熱交換加熱后的空氣被用于車內(nèi)空調(diào)。水熱交換器13是在溫水和熱泵20的制冷劑之間進行熱交換的熱交換器。溫水控制閥14切斷溫水，以阻止該溫水抵達溫水加熱器核心12及水熱交換器13。此外，溫水控制閥14阻止來自動力產(chǎn)生單元9的溫水抵達水熱交換器13，從而防止熱泵20內(nèi)的制冷劑被由動力產(chǎn)生單元9產(chǎn)生的廢熱加熱的情況。溫水旁通回路15使被溫水控制閥14切斷的溫水返回至動力產(chǎn)生單元9側(cè)。散熱器16對通過了水熱交換器13的溫水及被溫水控制閥14切斷的溫水進行冷卻。散熱器16采用能容易地將溫水的熱量釋放到車外的配置結(jié)構。

此外，溫水回路10如圖2所示設有恒溫閥17。恒溫閥17根據(jù)通過阻塞溫水控制閥14而流至溫水旁通回路15側(cè)的溫水的溫度、或通過水熱交換器13并返回至動力產(chǎn)生單元9側(cè)的溫水的溫度，來控制溫水的流路。在流入的溫水是規(guī)定閾值(例如70℃)以上的高溫的情況下，恒溫閥17通過使溫水全部流至散熱器16側(cè)、并在冷卻后返回至動力產(chǎn)生單元9，從而預先防止動力產(chǎn)生單元9的過熱。另一方面，在流入的溫水是規(guī)定閾值(例如65℃)以下的低溫的情況下，恒溫閥17通過使溫水全部流至溫水旁通回路15，從而預先防止動力產(chǎn)生單元9的過度冷卻。

此外，溫水回路10中，在動力產(chǎn)生單元9與溫水加熱器核心12之間的配管中配置有溫度傳感器18，該溫度傳感器18對由動力產(chǎn)生單元9產(chǎn)生的廢熱來進行加熱、并提供給溫水加熱器核心12的溫水的溫度進行檢測。

如圖2所示，熱泵20構成為包括水熱交換器13、室外熱交換器22、室內(nèi)熱交換器23、對制冷劑進行壓縮的制冷劑壓縮機24、在制冷時與制熱時對制冷劑的流路進行變更的電動四通閥25、及膨脹閥26等，它們利用制冷劑配管相連接并供制冷劑循環(huán)。

水熱交換器13在溫水回路10的溫水和熱泵20的制冷劑之間進行熱交換。室外熱交換器22在熱泵20的制冷劑與外部氣體之間進行熱交換來對制冷劑進行冷卻。室內(nèi)熱交換器23進行熱泵20的制冷劑與空氣之間的熱交換，是制冷制熱兩用的熱交換器。室內(nèi)熱交換器23在制冷時進行由膨脹閥26減壓后的制冷劑與空氣之間的熱交換，來對空氣進行冷卻。此外，室內(nèi)熱交換器23在制熱時進行由水熱交換器13加熱后的制冷劑與空氣之間的熱交換，來對空氣進行加熱。電動四通閥25在制冷時與制熱時對制冷劑的流路進行變更。能通過上述熱泵20來實現(xiàn)制冷與制熱雙方。

車用空調(diào)裝置8還設有對提供給車內(nèi)的空氣進行加熱的電熱器27。

另外，由溫水加熱器核心12、室內(nèi)熱交換器23及電熱器27加熱后的空氣被未圖示的送風風扇提供給車內(nèi)，來對車內(nèi)進行制熱。本實施方式1中，對于制熱用的熱源，根據(jù)所需的制熱能力適當選擇使用通過溫水加熱器核心12的溫水、和作為溫水以外的熱源的其他熱源(熱泵20的室內(nèi)熱交換器23與電熱器27的其中一方或雙方)。

控制裝置30是基于溫度傳感器18檢測到的溫水的溫度自動地對車用空調(diào)裝置8的動作進行控制的裝置。具體而言，控制裝置30進行如下控制：在溫水的溫度低于能進行空調(diào)制熱的規(guī)定閾值(25℃)的情況下，不使用溫水作為制熱用的熱源，而使用其他熱源來進行制熱。另一方面，在溫水的溫度在規(guī)定閾值(25℃)以上的情況下，控制裝置30使用溫水作為制熱用的主熱源。另外，控制裝置30進行制熱所需能力的運算，在僅僅通過溫水來供給所需的制熱能力存在不足的情況下，利用其他熱源進行補充。

此外，在熱泵20的室外熱交換器22結(jié)有霜的情況下，進行用于去除該霜的除霜運行?？刂蒲b置30在除霜運行時將電動四通閥25切換至圖2的虛線側(cè)，通過將由制冷劑壓縮機24排出的高溫制冷劑氣體提供給室外熱交換器22來進行除霜。

控制裝置30能夠由實現(xiàn)該功能的電路器件那樣的硬件來構成，也能夠由微機、cpu那樣的運算裝置及在該運算裝置上執(zhí)行的軟件來構成。此外，控制裝置30具備對時間進行計時的計時器。

圖3是本發(fā)明的實施方式1所涉及的車用空調(diào)裝置的控制流程圖。下面，使用圖3對本實施方式1所涉及的車用空調(diào)裝置8的動作進行說明。另外，此處，首先將溫水利用不可計時器t1及其他熱源利用不可計時器t2分別設定為初始值“0”。

在用戶要求的運行模式是制熱模式的情況下(s1)，控制裝置30監(jiān)視由溫度傳感器18檢測到的水溫twt(s2)，并將水溫twt與能利用溫水進行空調(diào)制熱的閾值(25℃)進行比較。在水溫twt小于閾值的情況下，控制裝置30判斷為無法利用溫水進行制熱，并判斷為利用其他熱源進行制熱。

接著，控制裝置30進行制熱能力判定1(s3)。制熱能力判定1中，控制裝置30基于外部氣體溫度與室內(nèi)溫度來求出所需的制熱能力，計算分擔比例模式，該分擔比例模式用于將上述制熱能力分別分擔到作為其他熱源的熱泵20及電熱器27來運行。若比較熱泵20與電熱器27，則在獲得相同的制熱能力時，熱泵20的功耗較低，較為節(jié)能。因此，在熱泵20及電熱器27中，將熱泵20用作為制熱用的主熱源，并在制熱能力存在不足的情況下利用電熱器27進行補充。

具體而言，在能僅利用熱泵20來供給制熱能力的情況下，僅運行熱泵20，而使電熱器27停止。在外部氣體溫度與室內(nèi)溫度的溫度差較大，所需的制熱能力超過僅利用熱泵20所能供給的制熱能力的情況下，利用電熱器27對不足部分的制熱能力進行補充。另外，在熱泵20處于除霜運行中的情況下及故障等的情況下，無法使用熱泵20，無法供給制熱能力，因此將電熱器27用作為制熱用的主熱源。也就是說，制熱能力判定1中，根據(jù)所需的制熱能力與熱泵20的運行狀態(tài)來使用熱泵20與電熱器27的其中一方或雙方進行制熱運行?；谝陨系乃伎挤绞絹碛嬎阒茻崮芰Φ姆謸壤Ｊ健?/p>

然后，控制裝置30關閉溫水回路10的溫水控制閥(wsv)14(s4)。由此，溫水不會流至溫水加熱器核心12，不進行利用溫水的制熱。另一方面，在溫水回路10中對動力產(chǎn)生單元9的廢熱進行回收后的溫水利用恒溫閥17的功能，根據(jù)溫度來切換流路。即，高溫的溫水全部流至散熱器16側(cè)，熱量被釋放到車外，并在冷卻后返回至動力產(chǎn)生單元9。另一方面，低溫的溫水全部流至溫水旁通回路15，并返回至動力產(chǎn)生單元9。

然后，控制裝置30在將其他熱源用作為制熱用的熱源前，先檢查其他熱源利用不可計時器(s5)。若其他熱源利用不可計時器大于0，則距上一次停止其他熱源的運行后的時間較短，因此為了防止短時間后再次運行其他熱源，將其他熱源的再運行設為保留。此處，設定為初始值“0”，因此利用s3的制熱能力判定1中計算得到的模式所對應的分擔比例來實施其他熱源(熱泵(h/p)20、電熱器(oh)27)的運行(s6)，以進行制熱。

即，在利用熱泵20進行制熱的情況下，將電動四通閥25切換至圖2的實線側(cè)，起動制冷劑壓縮機24使制冷劑循環(huán)，利用水熱交換器13在溫水與制冷劑之間進行熱交換，來對制冷劑進行加熱。然后，利用制冷劑壓縮機24對加熱后的制冷劑進行壓縮，使該高壓的制冷劑通過室內(nèi)熱交換器23，與空氣進行熱交換從而對空氣進行加熱，并將加熱后的空氣送風到車內(nèi)來進行制熱。此外，在利用電熱器27進行制熱的情況下，使電熱器27開啟，將由電熱器27加熱后的空氣送風到車內(nèi)來進行制熱。

然后，控制裝置30將禁止時間(例如10分鐘)設定于溫水利用不可計時器t1(s7)，并開始溫水利用不可計時器t1的倒計時。該第1利用不可計時器在經(jīng)過了禁止時間為止的期間，即使由溫度傳感器18檢測到的水溫twt上升至閾值以上，也不開始利用溫水的制熱，而繼續(xù)進行利用其他熱源的制熱，若經(jīng)過了禁止時間，則切換為利用溫水的制熱。由此，防止了高頻度地切換熱源的情況。

然后，若由動力產(chǎn)生單元9產(chǎn)生的廢熱而導致溫水回路10的水溫上升，且由溫度傳感器18檢測到的水溫twt在閾值(25℃)以上(s2)，則控制裝置30對溫水利用不可計時器t1進行檢查(s8)?？刂蒲b置30在判斷為溫水利用不可計時器t1大于0的情況下，也就是說，在還未經(jīng)過禁止時間的情況下，設為不能進行利用溫水的制熱，轉(zhuǎn)移至s3，進行利用其他熱源的制熱。另一方面，控制裝置30在判斷為溫水利用不可計時器t1為0的情況下，也就是說，在經(jīng)過了禁止時間的情況下，檢查溫水回路10的溫水控制閥(wsv)14是打開的還是關閉的(s9)。此處，溫水控制閥14被關閉，正在進行利用其他熱源(室內(nèi)熱交換器23與電熱器27的其中一方或雙方)的制熱，因此控制裝置30結(jié)束利用熱泵(h/p)20及電熱器(oh)27的制熱運行(s10)，并將其他熱源利用不可計時器設定為2分鐘(s11)。

然后，控制裝置30進行制熱能力判定2(s12)。制熱能力判定2基于外部氣體溫度與室內(nèi)溫度求出所需制熱能力，計算分擔比例模式，該分擔比例模式用于將上述制熱能力分別分擔到溫水與其他熱源并使其運行。溫水、熱泵20及電熱器27中節(jié)能性從高到低依次為溫水、熱泵20、電熱器27，因此將溫水用作為制熱用的主熱源，在存在不足部分的情況下，與上述制熱能力判定2同樣地，以熱泵20及電熱器27的順序來進行使用的方式計算分擔比例模式。

然后，控制裝置30打開溫水控制閥(wsv)14(s13)。由此，溫水被提供給溫水加熱器核心12，由溫水加熱器核心12加熱后的空氣被提供給車內(nèi)，來進行利用溫水的制熱。此外，通過打開溫水控制閥(wsv)14，將通過了溫水加熱器核心12的溫水提供給水熱交換器13。

然后，控制裝置30檢查其他熱源利用不可計時器t2(s14)，在判斷為其他熱源利用不可計時器t2大于0的情況下，也就是說，在距上一次的其他熱源的運行停止起未經(jīng)過2分鐘的情況下，不進行熱泵20與電熱器27的運行，而進行僅利用溫水的制熱。

另一方面，在其他熱源利用不可計時器t2為0的情況下，也就是說，在距上一次的其他熱源的運行停止起經(jīng)過了2分鐘的情況下，基于s10的制熱能力判定2中計算得到的分擔比例模式，在利用溫水的制熱的基礎上還使用其他熱源(h/p、oh)的情況下，實施其他熱源的運行(s15)。另一方面，若不需要其他熱源的運行，則不進行其他熱源的運行。

以上的處理在室內(nèi)溫度與車內(nèi)的設定溫度之間的溫度差在1℃以上、且需要進行制熱的情況下進行，在室內(nèi)溫度與車內(nèi)的設定溫度之間的溫度差小于1℃的情況下，停止所有熱源的運行，成為熱關閉(thermo-off)狀態(tài)。

此外，在用戶要求的運行模式是制冷模式的情況下(s1)，控制裝置30首先關閉溫水回路10的溫水控制閥14(s16)。由此，通過了動力產(chǎn)生單元9的溫水利用恒溫閥17的功能，根據(jù)溫度來切換流路。即，高溫的溫水全部流至散熱器16側(cè)，熱量被釋放到車外，并在冷卻后返回至動力產(chǎn)生單元9。另一方面，低溫的溫水全部流至溫水旁通回路15，并返回至動力產(chǎn)生單元9。

然后，控制裝置30開始利用熱泵(h/p)20的制冷運行(s17)。即，將電動四通閥25切換至圖2的虛線側(cè)，來驅(qū)動制冷劑壓縮機24。由此，由制冷劑壓縮機24壓縮后的制冷劑流入室外熱交換器22，與空氣進行熱交換從而冷凝液化。冷凝液化后的制冷劑在通過了水熱交換器13后，被膨脹閥26減壓，之后流入室內(nèi)熱交換器23。流入了室內(nèi)熱交換器23的制冷劑接受來自空氣的熱量而蒸發(fā)，之后，通過電動四通閥25，被再次被吸入制冷劑壓縮機24。如上所述，通過使制冷劑在制冷劑回路中循環(huán)，從而對車內(nèi)進行制冷。然后，控制裝置30將溫水利用不可計時器設定為0(s18)，并將其他熱源利用不可計時器設定為0(s19)。

如上所述，根據(jù)本實施方式1，采用除了溫水以外、也使用熱泵20與電熱器27作為制熱用的熱源的結(jié)構，因此即使在無法利用溫水的狀況下，也能繼續(xù)進行制熱運行。此外，在無法使用熱泵20的情況下，也能使用電熱器27。

此外，在僅將溫水作為熱源進行制熱時所得的制熱能力不足、并進一步將熱泵20及電熱器27用作為熱源的情況下，考慮熱泵20及電熱器27的功耗來決定制熱能力的分擔，因此能有助于節(jié)能。

此外，本實施方式1的車用空調(diào)裝置8具有：在由動力產(chǎn)生單元9產(chǎn)生的廢熱進行加熱后的冷卻水(溫水)與制冷劑之間進行熱交換的水熱交換器13；以及與由水熱交換器13加熱后的制冷劑進行熱交換以加熱空氣的室內(nèi)熱交換器23，能利用由該室內(nèi)熱交換器23加熱后空氣來進行制熱。即，能將由動力產(chǎn)生單元9產(chǎn)生的廢熱的能量經(jīng)由水熱交換器13儲存于室內(nèi)熱交換器23，并能利用該室內(nèi)熱交換器23實現(xiàn)穩(wěn)定且舒適的暖風制熱。

另外，本實施方式1中，采用了熱泵20具備水熱交換器13的結(jié)構，但也可以采用省略水熱交換器13，而依次連接制冷劑壓縮機24、電動四通閥25、室內(nèi)熱交換器23、膨脹閥26、及室外熱交換器22來供制冷劑循環(huán)的結(jié)構。該情況下，由制冷劑壓縮機24排出的高溫制冷劑氣體流入室內(nèi)熱交換器23，與空氣進行熱交換以加熱空氣，并將加熱后的空氣提供給車內(nèi)，來進行制熱。

另外，上述實施方式1中的各溫度、時間等具體的數(shù)值僅表示一個示例，可以根據(jù)實際使用條件等適當進行設定。

標號說明

1鐵路車輛、2車輪、2a車軸、3電動機、3a齒輪裝置、4發(fā)電機、4a功率轉(zhuǎn)換裝置、5發(fā)動機、6燃料罐、7蓄電裝置、8車用空調(diào)裝置、9動力產(chǎn)生單元、10溫水回路、12溫水加熱器核心、13水熱交換器、14溫水控制閥、15溫水旁通回路、16散熱器、17恒溫閥、18溫度傳感器、20熱泵、22室外熱交換器、23室內(nèi)熱交換器、24制冷劑壓縮機、25電動四通閥、26膨脹閥、27電熱器、30控制裝置。