JP2012006415A - 鉄道車両用空調装置 - Google Patents

Abstract

【課題】車両室内の空気の除湿と温度調整とを分離して調整可能とすると共に、エネルギー効率の高い鉄道車両用空調装置を簡易な構成で提供する。
【解決手段】圧縮機Ｃｐ、凝縮器Ｃｏ、蒸発器Ｅｖを冷媒配管にて接続したヒートポンプと、外気ＯＡと混合された車両室内の空気ＲＡをヒートポンプを介して循環させる室内循環流路Ｒｉと、外気ＯＡをヒートポンプを介して排気する室外排気流路Ｒｏと、室内空気ＲＡを除湿すると共に、室内空気ＲＡから吸着した水分を外気ＯＡへ排出する回転自在に形成された円板状の吸湿回転体Ｄとを備え、吸湿回転体Ｄは、室内循環流路Ｒｉと室外排気流路Ｒｏとに渡って配設されていると共に、室外排気流路Ｒｏ側の表面が凝縮器Ｃｏの下流側にて凝縮器Ｃｏと対向するように配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、鉄道車両用の空調装置に関するものであり、特に、吸湿部材により車両室内の空気中の水分を直接除去すると共に、ヒートポンプによる温度調節を可能とするハイブリッド型の鉄道車両用空調装置に関するものである。

従来、フロン等を冷媒として熱交換を行う空調装置では、空調対象の室内空気の冷却を行う際に、冷媒の圧縮、凝縮、膨張、蒸発により熱交換を行い、除湿を行う際には、当該空気を露点温度以下まで冷却して湿り空気に含まれる水分を凝縮水として取り除いている（例えば、特許文献１参照）。

ここで、特許文献１には、圧縮機、凝縮器、蒸発器等を環状に接続した冷凍サイクルと、車外へ排気される空気と冷凍サイクル内の冷媒との熱交換を行う換気用熱交換器等とを設け、換気用熱交換器との連通状態を可変とした鉄道車両用空調装置が開示されている。

特開２０１０−８３２２３号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示された先行技術では、排気用熱交換器の付設により排熱回収の効率化が図れるものの、共通の熱交換器で空気の冷却と除湿とを行うため、除湿の際に、処理対象の空気を露点よりも低い温度に冷却する必要があり、結果的に、人体に快適な設定温度よりもかなり低い温度まで対象空気を冷却することとなり、エネルギーの無駄が生じると共に、乗客に生理的・心理的な不快感を与える虞が生じていた。

また、結露防止のために、過冷却された空気を再度電気ヒーター等で加熱する必要が生じ、このような場合には、より一層エネルギーの無駄が生じていた。

さらに、除湿を行う際に生じる凝縮水によって熱交換器の表面が濡れ面となり、冷却風量に対する圧力損失が増大して冷却効率が低下するといった問題も生じていた。

そこで、本発明は、上述のような従来技術の問題点に鑑みて、車両室内の空気の除湿と温度調整とを分離して調整可能とすると共に、エネルギー効率の高い鉄道車両用空調装置を簡易な構成で提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る鉄道車両用空調装置は、圧縮機、凝縮器、蒸発器を冷媒配管にて接続したヒートポンプと、外気と混合された車両室内の空気を前記ヒートポンプを介して循環させる室内循環流路と、外気を前記ヒートポンプを介して排気する室外排気流路と、前記室内空気を除湿すると共に、室内空気から吸着した水分を外気へ排出する回転自在に形成された円板状の吸湿回転体とを備え、前記吸湿回転体は、前記室内循環流路と前記室外排気流路とに渡って配設されていると共に、室外排気流路側の表面が前記凝縮器の下流側にて凝縮器と対向するように配置されていることを特徴とするものである。

このように構成した場合には、車両室内の空気の除湿と温度調整とを分離独立して行うことができるので、空気の過冷却や再加熱といった付帯的な熱処理を不要として空調装置の熱効率を向上させ省エネルギー化に寄与することができる。また、ヒートポンプ中の排熱を利用して吸湿回転体を再生することができるので、効率的に除湿を行うことができる。

また、前記蒸発器は、前記室内循環流路において、前記吸湿回転体の下流側に配置されていてもよい。

このように構成した場合には、室内循環流路における結露の発生を未然に防止しつつ室内空気の効率的な除湿が可能となる。

また、前記蒸発器は、前記室内循環流路において、前記吸湿回転体の上流側に配置されていてもよい。

このように構成した場合には、室内空気中の微小な塵埃を吸湿回転体の前段に配置された蒸発器において凝縮水と共に排出除去することができるので、耐塵埃性能の向上を図ることができる。

さらに、前記室内循環流路において、外気の取り込み量は循環空気量の２０〜５０％としてもよい。

このように構成した場合には、室内空気の良好な循環性と換気性とを同時に確保することができる。

本発明によれば、除湿後の空気の再加熱等を要することなく車両室内の空気の除湿と温度調整とを分離して調整可能とし、相対的にエネルギー効率の高い空調装置を実現することができる。

実施の形態１に係る鉄道車両用空調装置の構成を説明するための模式図である。 実施の形態１に係る吸湿回転体と通過する空気流とを説明するための模式図である。 実施の形態２に係る鉄道車両用空調装置を説明するための模式図である。 実施の形態２に係る吸湿回転体と通過する空気流とを説明するための模式図である。

＜実施の形態１＞
以下に、本発明に係る鉄道車両用空調装置の一実施形態について、図面を参照して説明する。ここで、図１は、実施の形態１に係る鉄道車両用空調装置の構成を示す模式図であり、図２は、実施の形態１に係る吸湿回転体と通過する空気流とを示す模式図である。

本発明に係る鉄道車両用空調装置は、デシカントローターとヒートポンプとを組み合わせたハイブリッド型の空調装置であり、潜熱処理をデシカントローターで行い、顕熱処理をヒートポンプで行うものである。

具体的には、図１に模式的に示すように、本実施の形態に係る鉄道車両用空調装置１は、車両室１０の上部（屋根部）に配設され、室内側（処理側）と室外側（再生側）の２つの空気流路を有する筐体１０Ｕ内にヒートポンプユニットと吸湿回転体としてのデシカントローターＤとを備え、デシカントローターＤにより車両室１０内の空気中の水分を直接吸着除去すると共に、ヒートポンプユニットにより、車両室１０内の空気の温度を調節するようになっている。

ヒートポンプユニットは、低温・低圧のガス冷媒をピストン等で圧縮して高温・高圧のガス冷媒とする圧縮機Ｃｐと、圧縮機Ｃｐにより圧縮されたガス冷媒から熱を放出させて液状冷媒とする凝縮器Ｃｏと、液状冷媒を蒸発させて吸熱しガス冷媒とする蒸発器Ｅｖとを備え、これら圧縮機Ｃｐ、凝縮器Ｃｏ、蒸発器Ｅｖ等を冷媒配管により環状に接続して冷媒を循環させ、ヒートポンプサイクルを形成可能なように構成されている。

室内側空気流路は、外気ＯＡを室内空気ＲＡと共に取り込んで、外気ＯＡと室内空気ＲＡとの混合気をデシカントローターＤ及び室内側熱交換器（本例では、蒸発器Ｅｖ）に導いて、除湿・温度調整処理した混合気を調和空気ＳＡとして室内に還流する室内循環流路Ｒｉとして形成されている。

一方、室外側空気流路は、外気ＯＡを室外側熱交換器（本例では、凝縮器Ｃｏ）に導いて熱交換した後に、装置筐体１０Ｕ外へ排出する室外排気流路Ｒｏとして形成されている。

吸湿回転体としてのデシカントローターＤは、図２に模式的に示すように、円板状に形成されていると共にハニカム状に形成されており、その厚さ方向に空気が貫通できるように構成されている。デシカントローターＤの表面には、例えばシリカゲルやゼオライト等の多孔性の無機化合物を主成分とする固体吸着物が設けられている。そして、かかるデシカントローターＤは、上記室内循環流路Ｒｉと室外排気流路Ｒｏに渡って（跨って）配設されており、その表面が室内循環流路Ｒｉと室外排気流路Ｒｏとを順次移動（横断）するよう、不図示のモーターにより回転自在に構成されている。

また、本実施の形態において、デシカントローターＤの下流側には、上記室内循環流路Ｒｉを形成するための室内送風機Ｆｉ及び上記室外排気流路Ｒｏを形成するための室外送風機Ｆｏが室内側・室外側のそれぞれに配設されている。

次に、上述のように構成した本実施の形態に係る鉄道車両用空調装置１の冷房運転時の動作（冷凍サイクル）について説明する。

車両室１０内の空気ＲＡは、フィルターＦＬを介して外気ＯＡと混合されてデシカントローターＤに導入され、混合気中の水分が除去される。その後、室内側熱交換器（本例では、蒸発器Ｅｖ）に導入されて設定温度に冷却された後、室内送風機Ｆｉにより、低温・低湿に調整された調和空気ＳＡとして車両室１０内に送風される。このように、混合気をまずデシカントローターＤに導入して混合気中に含まれる水分を直接除去した後に、ヒートポンプを構成する室内側熱交換器（蒸発器Ｅｖ）にて冷却することにより、室内循環流路Ｒｉ中での結露の発生を未然に防止しつつヒートポンプにて顕熱のみを冷却処理することができるので、エネルギー効率を向上させることができる。

なお、室内空気ＲＡの良好な循環性と換気性とを同時に確保するという観点からは、室内循環流路Ｒｉにおける外気ＯＡの取り込み量は、調和空気ＳＡ量の２０〜５０％であることが好ましい。

車両室１０内の水分を吸着したデシカントローターＤは、当該吸着面が室外側熱交換器（本例では、凝縮器Ｃｏ）の排熱側（下流側）と対向するように移動（回転）する。これにより、上記吸着面は、凝縮器Ｃｏの排熱（約４０〜６０℃）により乾燥され、デシカントローターＤの吸湿性が回復し、水分の吸脱着を連続的に行うことが可能となる。すなわち、ヒートポンプユニットの排熱を利用してデシカントローターＤを再生することができるので、再生用の電源やヒーター等を別途設けることなく、省エネルギー化に寄与することができる。一方、デシカントローターＤから排出された水分は、室外排出流路Ｒｏに沿って外気ＯＡと共に装置筐体１０Ｕ外へ排出される。

なお、本実施の形態に係る鉄道車両用空調装置１は、不図示の制御弁により冷媒の流路を切り替えて上記ヒートポンプサイクル（冷凍サイクル）を逆転させて運転することにより、暖房装置として用いることができる。

このように構成した本実施の形態に係る鉄道車両用空調装置１では、デシカントローターＤにより除湿を行い、ヒートポンプにて温度調整を行うことにより、潜熱処理と顕熱処理とを分離独立して行うことが可能となる。これにより、除湿のための空気の過冷却や、除湿後の空気の再加熱等の従来の付帯的な熱処理を要することなく、空調装置のエネルギー効率を向上させて省エネルギー化に寄与することができる。併せて、蒸発器Ｅｖにおける凝縮水の発生を抑制して風量損失の低減を図ることができる。

また、車両室１０内の水分を凝縮器Ｃｏの排熱を利用して外気ＯＡと共に排出することにより、デシカントローターＤによる室内空気ＲＡ中の水分の吸着と脱着とを連続的に効率よく行うことができる。

＜実施の形態２＞
次に、実施の形態２に係る鉄道車両用空調装置１Ａの構成について、図３及び図４を参照して説明する。ここで、図３は、実施の形態２に係る鉄道車両用空調装置の構成を示す模式図であり、図４は、実施の形態２に係る吸湿回転体と通過する空気流とを示す模式図である。

本実施の形態に係る鉄道車両用空調装置１Ａは、室内側熱交換器（本例では、蒸発器Ｅｖ）の配置を変更したものであり、先の実施の形態と同様な機能を有する部材には、同様な符号を付し、その詳細な説明は省略する。

図３に模式的に示すように、本実施の形態に係る鉄道車両用空調装置１Ａは、室内循環流路Ｒｉにおいて、デシカントローターＤの上流側に室内側熱交換器（蒸発器Ｅｖ）を配置したものであり、車両室１０内の空気ＲＡは、フィルターＦＬを介して外気ＯＡと混合されて蒸発器Ｅｖに導入され、弱冷処理される。すなわち、混合空気中の潜熱領域に至る前の顕熱領域のみで冷却処理が行われる。低（中）温・高湿の混合気は、その後、デシカントローターＤに導入されて混合気中の水分が直接除去され、室内送風機Ｆｉにより、低（中）温・低湿に調整された調和空気ＳＡとして車両室１０内に送風される。このように、混合気をまずヒートポンプを構成する室内側熱交換器（蒸発器Ｅｖ）にて冷却することにより、体感温度上昇等の要因となる湿度を除去しつつフィルターＦＬを通過した混合気中の微小な塵埃を蒸発器ＥＶにて発生する凝縮水と共に排出除去することができ、先の実施の形態に比し耐塵埃性能の向上を図ることができる。

なお、本発明の技術的範囲は上述した各実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨に逸脱しない範囲において多様な変更もしくは改良を加え得るものである。例えば、車両室内の大きさに応じて、複数のデシカントローターＤやヒートポンプユニットを並列に配置する構成としてもよいし、直列に配置する多段構成としてもよい。

１：鉄道車両用空調装置、１０：車両室、１０Ｕ：筐体、Ｃｏ：凝縮器、Ｃｐ：圧縮機、Ｄ：デシカントローター、Ｅｖ：蒸発器、Ｆｉ：室内送風機、Ｆｏ：室外送風機、ＯＡ：外気、ＲＡ：室内空気、ＳＡ：調和空気、Ｒｉ：室内循環流路、Ｒｏ：室外排気流路

Claims (4)

1. 圧縮機、凝縮器、蒸発器を冷媒配管にて接続したヒートポンプと、
   外気と混合された車両室内の空気を前記ヒートポンプを介して循環させる室内循環流路と、
   外気を前記ヒートポンプを介して排気する室外排気流路と、
   前記室内空気を除湿すると共に、室内空気から吸着した水分を外気へ排出する回転自在に形成された円板状の吸湿回転体と
   を備え、
   前記吸湿回転体は、前記室内循環流路と前記室外排気流路とに渡って配設されていると共に、室外排気流路側の表面が前記凝縮器の下流側にて凝縮器と対向するよう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。
2. 前記蒸発器は、前記室内循環流路において、前記吸湿回転体の下流側に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の鉄道車両用空調装置。
3. 前記蒸発器は、前記室内循環流路において、前記吸湿回転体の上流側に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の鉄道車両用空調装置。
4. 前記室内循環流路において、外気の取り込み量は循環空気量の２０〜５０％であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の鉄道車両用空調装置。

Images