JP2012071680A - 給気装置と排気装置と排気送風機とを備える鉄道車両、および、鉄道車両に備えられる給気装置と排気装置と排気送風機の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】空調装置の消費電力を低減するとともに、鉄道車両の車内の温度環境を快適に維持できる鉄道車両を提供すること。
【解決手段】車外の空気を車内へ導入する給気装置と、車外の空気を車外へ排気する排気装置と、車内の温度および湿度を調整する空調装置と、車外温度と車内温度と検知して給気装置および排気装置に備えられる開閉装置を制御する制御装置とを備え、制御装置によって給気装置および排気装置に備えられる開閉装置を、制御装置が車内温度を検知しながら適宜制御することを特徴とする。
【選択図】図１０

Description

本発明は、車外の空気を車内へ導入する給気装置と、車内の空気を車外へ排気する排気装置の各々の開口率を、車内温度、車外温度、鉄道車両の速度などに基づいて制御することによって、鉄道車両に搭載される空調装置の稼働率を小さくできる鉄道車両に関する。

鉄道車両の車内の温度、湿度を調整するために、冷房運転および暖房運転が可能な空調装置が鉄道車両に搭載されている。在来線等の通勤に供される鉄道車両では、鉄道車両の長手方向の中央の屋根上に１台または２台の空調装置が搭載されている。特急用車両では高速で曲線を通過する際に重心が低い方が乗り心地等の面で有利なため、鉄道車両の長手方向の床下に１台または２の空調装置が搭載されている場合がある。

一般的に、空調装置には、鉄道車両の客室に連通する２箇所の開口部が備えられており、一方の開口部から鉄道車両の車内の空気を空調装置の内部に導入し、空調装置に内蔵される冷凍サイクルを構成する室内熱交換器によって、車内からの空気を冷却したり、暖めたりして調和空気を生成する。室内熱交換器によって生成された調和空気は、他の開口部から鉄道車両の車内へ還流されることによって、鉄道車両の車内の温度および湿度が調整される。

鉄道車両は細長い形状であることに加えて、窓ガラスの面積も大きいため、日射側と日陰側とでは車内温度が大きく異なる。特に、通勤電車の場合、駅停車時等において鉄道車両の幅方向の一方の側の側引戸が一斉に開放されるため、大量の新鮮気が車内に流入する。このため、制御対象となる車内温度を正確に把握することが困難な場合があった。

車内温度を正確に把握する方法として、鉄道車両の車外に設置される車外温度センサ、車外の空気を車内へ導入する部位に設置される新鮮気温度センサ、鉄道車両内部の内壁の表面に設置される壁温度センサの出力に、前述した車外温度センサによって測定された車外温度に基づいて定められる重み値によって、新鮮気温度および壁温度をそれぞれ重みづけすることによって、現状の車内温度を算出する方法が考案されている。例えば、特許文献１に、上述した車内温度を特定する技術が開示されている。

特開２００９−９０７３９号公報

架線または第３軌条から集電した電力によって運行される鉄道車両の場合、運行に関係する主変換器および主電動機によって消費される電力が大半を占めているが、鉄道車両全体の消費電力を低減するためには、空調装置および照明等のサービスに供される消費電力の低減を進めなければならない。

特許文献１では、鉄道車両の車外および車内の各部に備えられた温度センサの出力に、車外温度に基づく重みづけをすることによって精度よく現状の車内温度を把握する手法が開示されている。目標となる車内温度を精度よく把握することは、空調装置の稼働率の最適化にも寄与するため、空調装置の消費電力を低減することができる。しかしながら、車内温度が正確に把握された後のさらなる空調装置の運転に起因する消費電力を低減する点において解決すべき課題がある。

本発明の目的は、鉄道車両の車内の温度、湿度環境を制御する空調装置の消費電力を低減できる鉄道車両を提供することである。

本発明による鉄道車両は、車外の空気を車内へ導入する給気装置と、車内の空気を車外へ排出する排気装置および排気送風機と、車内の温度および湿度を調整する空調装置と、車内温度および車外温度に基づき、前記給気装置と、前記排気装置と、前記排気送風機と、前記空調装置と、を制御する制御装置を搭載しており、前記排気装置を備える第１排気流路と、前記第１排気流路に並列に配設されるとともに、記排気送風機を有す第２排気流路と、を備えること、を特徴としている。

また、本発明による鉄道車両に搭載される給気装置と、排気装置と、排気送風機を制御する制御方法は、前記給気装置は、前記鉄道車両の進行方向に向けて開口した開口部と、前記開口部の下流に備えられるとともに、前記制御装置によって車外の空気が車内へ流入する給気流路の開口率を調整する開閉装置と、から構成されており、前記排気装置は、前記制御装置によってその開口率が制御される開閉装置と、該開閉装置を有す第１排気流路を構成しており、前記排気送風機は、前記第１排気流路に並列に配設された第２排気流路を構成しており、前記制御装置は、少なくとも鉄道車両の車外温度と、車内温度と、前記鉄道車両の速度情報を検知して、前記給気装置に備えられる前記開閉装置の開口率と、前記第１排気流路に備えられる前記開閉装置の開口率と、前記第２排気流路に備えられる前記排気送風機の運転と、を制御する制御方法において、前記車内温度と、前記車外温度と、前記速度情報に基づいて、前記排気送風機を制御するステップと、前記車内温度と、前記車外温度と、前記速度情報に基づいて、前記給気装置に備えられる前記開閉装置の開口率を制御するステップと、前記車内温度と、前記車外温度と、前記速度情報に基づいて、前記排気装置に備えられる前記開閉装置の開口率を制御するステップと、からなることを特徴とする。

本発明によれば、鉄道車両の車内の温度、湿度環境を制御する空調装置の消費電力を低減できる鉄道車両を提供することができる。

図１は、屋根上に空調装置を搭載するとともに、妻構体の下部に車内の空気を車外へ排気する排気口を備えた鉄道車両の斜視図である。 図２は、図１に示した鉄道車両の断面Ａを視Ｂ−視Ｂから見た斜視図である。 図３は、図２のＣ部の拡大図であって、鉄道車両の一方の長手方向の端部に備えられる排気送風機と、排気口に備えられる開閉装置とを示す鉄道車両の幅方向の垂直断面図である。 図４は、鉄道車両の屋根上に搭載された空調装置であって、空調装置の側面に備えられた開口部から車外の空気を空調装置の内部へ取り入れる様子を示す斜視図である。 図５は、鉄道車両の妻構体の上部に備えられた給気口から鉄道車両の天井部に備えられるダクトへ車外の空気を導入する様子を示す斜視図である。 図６は、鉄道車両の屋根上に備えられた給気装置の斜視図である。 図７は、鉄道車両の屋根上に備えられる空調装置および鉄道車両との長手方向の垂直断面図である。 図８は、鉄道車両の一方の側構体に備えられる側引戸と、側引戸が収納される戸袋の鉄道車両の高さ（垂直）方向の断面図である。 図９は、図８のＣ−Ｃ断面図であって、戸袋に備えられる開口部と、側構体に備えられる排気用の開閉装置の高さ方向の位置関係を示す図である。 図１０は、制御装置に入力される情報と、制御装置が制御する対象を記したブロック線図である。 図１１は、図１０に示した制御装置の制御則の一実施例を示す図である。 図１２は、鉄道車両の速度、排気送風機、給気用開閉装置および排気用開閉装置の動作を示す一実施例のタイミングチャートである。

本発明の一実施例を、図１から図１２を参照して説明する。
図１は、屋根上に空調装置を搭載するとともに、妻構体の下部に車内の空気を車外へ排気する排気口を備えた鉄道車両の斜視図である。図１に示すように、鉄道車両の幅方向を５１０とし、それに直交する長手方向と高さ方向をそれぞれ５２０，５３０とする。鉄道車両１は、台枠１０の幅方向５１０の両端部に立設された側構体２０，２０（一方のみ図示）と、台枠１０の長手方向５２０の両端部に立設された妻構体３０，３０（一方のみ図示）と、側構体２０，２０と妻構体３０，３０の高さ方向５３０の上端部に載置された屋根構体４０から構成される。

鉄道車両の軽量化と製作性向上とを両立するために、台枠１０、側構体２０、屋根構体４０を、対向する２枚の面板をリブで接続されたアルミニウム合金製の中空押出形材から構成する手法が確立されている。中空押出形材から台枠および各構体を製作する場合、まず、架台の上面に、所定の形状に押出成形された押出形材をその押出方向と交差する方向に沿って所定の枚数並べて配設する。その後、押出形材の接合端面同士を突き合せた接合線に沿って、摩擦撹拌接合又は溶融溶接することによって、１枚ものの台枠および各構体が製作される。

鉄道車両１を構成する台枠１０の長手方向の両端部の下面には、軌道上を回動可能に支持された複数の輪軸を備える台車４００，４００が配設されるとともに、台車４００，４００は台枠１０に連結されている。台枠１０の下部には、鉄道車両１の車内および車外に備えられる温度センサ、湿度センサ、鉄道車両１の乗車率および運行速度、位置情報等に基づき、後述する開閉装置１１８（図３参照および排気送風機２００（図３参照）の開口率および運転を制御する制御装置１６（図２参照）が備えられる。

鉄道車両１を構成する側構体２０には、窓２２および乗客の乗降に供される出入り口２４が備えられる。後述するが、出入り口２４には側引戸２６（図８参照）が鉄道車両１の長手方向に沿って開閉可能に備えられる。鉄道車両１を構成する妻構体３０には、鉄道車両１の車内の空気を車外へ排出するための排気口３４，３４が備えられるとともに、屋根構体４０の上面には空調装置１００，１００が備えられる。

図２は、図１の鉄道車両の断面Ａを視Ｂ−視Ｂから見た斜視図である。鉄道車両１の屋根構体４０の幅方向の中央部の車内側には、空調装置１００で温度、湿度を調和した調和空気を鉄道車両１の長手方向に配風するためのダクト４８が備えられる。鉄道車両１の幅方向の両端部の床１２（台枠１０）の上面には、椅子２９が備えられており、出入り口には側引戸２６が備えられる。鉄道車両１の長手方向の一方の端部には、仕切り壁１４で区画された排気送風機室３６（図３参照）が配設されており、仕切り壁１４には、鉄道車両１の車内の空気を排気送風機室３６へ導くための開口部１５が備えられる。また、台枠１０の下面には、空調装置１００、給気用および排気用開閉装置１１８、排気送風機２００（図３参照）などを制御する制御装置１６が備えられる。図２では、制御装置１６が床下に備えられる例を記したが、制御装置１６は鉄道車両１の車内、例えば、妻構体３０の車内側の面、あるいは、排気送風機室３６の内部などに備えてもよい。

後述するが、空調装置１００の幅方向の両端部に側板１０５（図４参照）には外気導入装置１１５（図４参照）が備えられており、外気導入装置１１５に備えられる外気導入用開口部１１６を経て空調装置１００の内部に導入された車外空気は、鉄道車両１の車内から空調装置１００の内部へ還流するリターン空気と混合される。

混合された車外の空気と車内の空気とは、空調装置１００に備えられる熱交換器１１２（図４参照）を通過する過程で温度と湿度とが調和された後、鉄道車両１の長手方向に沿って天井部に配設されるダクト４８を経て鉄道車両１の車内の各部に供給される。鉄道車両１の車内へ導入される車外空気の量に対応する車内空気が、鉄道車両１の長手方向の一方の端部に備えられる排気送風機室３６（図３参照）を経て、空気の流れ５００で示されるように車外へ排出される。

図３は、図２のＣ部の拡大図であって、鉄道車両の一方の長手方向の端部の床１２（台枠１０）の上面に備えられる排気送風機２００と、排気口３４に備えられる開閉装置１１８とを示す鉄道車両の幅方向の垂直断面図である。鉄道車両１の長手方向の一方の端部に、仕切り壁１４で区画された排気送風機室３６が備えられる。仕切り壁１４には鉄道車両１の車内の空気が排気送風機室３６に誘引されるように、開口部１５が備えられるとともに、開口部１５には車内の空気の温度を計測する温度センサ３００が備えられる。図示はしないが、温度センサ３００に湿度センサを併設して、車内の空気の湿度を計測してもよい。排気送風機室３６には排気送風機２００が備えられる。排気送風機２００の排気口は鉄道車両１の妻構体３０の下端部に備えられる排気口３４に接続される。排気口３４には排気送風機２００が稼働していないときに車外からの塵埃等が排気送風機２００の内部に入らないようにスリット１２４が備えられる。

排気送風機室３６内の妻構体３０の上部に配設される開口部３４には、開閉装置１１８が備えられる。開閉装置１１８は、軸部１２３周りに回動可能に備えられる翼１２２が内蔵されており、後述する条件に応じて、軸部１２３の周りに翼１２２を回動させることによって、開閉装置１１８の開口率を調整して、鉄道車両１の車内の空気を車外へ排出する。排気送風機室３６を構成する妻構体３０および仕切り壁１４には、必要に応じて、排気送風機２００の騒音を低減するために、吸音材３８が張り付けられる。

床１２からの排気口３４までの高さＨ１は、床１２からの開口部１５までの高さＨ２よりも高い位置に備えられている。このため、連結された一方の鉄道車両１の妻構体３０と、他方の鉄道車両１の妻構体３０との間の空間の騒音（レール上を車輪が転動する転動音など）が排気口３４から開閉装置１１８を経由して鉄道車両１の内部に侵入する場合であっても、空気の流れ５００に示されるように、これらの騒音は排気送風機室３６内で高さ方向に回折する過程で減衰するとともに、排気送風機室３６の内部に貼付された吸音材３８によって吸音されるため、開口部１５から鉄道車両１の車内への伝播を抑制できる。

排気送風機室３６内の車内の空気は、車内の空気の圧力を利用して開閉装置１１８を経て車外へ排出される排出ルート（第１排気流路）と排気送風機２００によって強制的に車外へ排出される排出ルート（第２排気流路）の２つがあり、これら排出ルートが並列的に備えられている。このため、後述する条件、例えば、鉄道車両１の速度が比較的大きくて、車外の空気が容易に鉄道車両１の内部に導入され鉄道車両１の車内の空気の圧力が車外の空気の圧力より大きい場合は、排気用の開閉装置１１８を経由する排出ルートによって、鉄道車両１の車内の空気は車外へ排出される。一方、例えば、鉄道車両１の速度が比較的遅い場合であって、車外の空気を鉄道車両１の車内へ導入したい場合には、開閉装置１１８を閉じるとともに、排気送風機２００を運転して、鉄道車両１の車内の空気を強制的に車外へ排出する。車内の空気を車外へ排出することによって、車内の空気の圧力を車外のそれより小さくなるので、車外の空気の車内への導入を促進することができる。

図４は、鉄道車両の屋根上に搭載された空調装置であって、空調装置の側面に備えられた開口部から車外の空気を空調装置の内部へ取り入れる様子を示す斜視図である。屋根構体４０の上面に配設される空調装置１００の内部の空気の流れ５００の様子を示すために、空調装置１００の上端部に備えられる上面カバーの図示を省略している。空調装置１００には、気体冷媒を圧縮する圧縮機、圧縮された冷媒を液化する凝縮器、凝縮器に送風する室外送風機等の構成要素が備えられるが、これら構成要素の描写を省略している。

空調装置１００の幅方向５１０の両端部に立設される側板１０５，１０５には、車外の空気を空調装置１００の内部へ取り入れる外気導入装置１１５，１１５が備えられるとともに、外気導入装置１１５，１１５に備えられる外気導入用開口部１１６，１１６は、鉄道車両１の進行方向に向けて開口する態様（妻構体３０に略平行）で備えられる。一方の外気導入用開口部１１６は、鉄道車両１の長手方向５２０の一方の端部に向けて開口しており、他方の外気導入用開口部１１６は、鉄道車両１の長手方向５２０の他方の端部に向けて開口している。外気導入用開口部１１６，１１６を前述した態様で空調装置１００に備えることによって、鉄道車両１の進行方向に依らず、車外の空気を空調装置１００の内部に容易に取り入れることができる。

外気導入用開口部１１６の下流には開閉装置１１８が備えられる。図示はしないが、開閉装置１１８は、前述したように、軸部１２３周りに回動可能に備えられる翼１２２が複数枚内蔵されており、後述する条件に応じて、軸部１２３の周りに翼１２２を回動させることによって、開閉装置１１８の開口率を調整して、空調装置１００の内部へ取り入れる車外の空気量を調整する。空調装置１００の底板（図示なし）には、鉄道車両１の屋根構体４０に設けられた開口部（図示なし）に連通するリターン開口部１１４が備えられる。

リターン開口部１１４から空調装置１００の内部へ還流する車内からの空気は、外気導入用開口部１１６から空調装置１００の内部へ導入される車外からの空気と混合された後、室内熱交換器１１２を通過して、室内送風機１１０によって屋根構体４０の車内側に配設されるダクト４８に送風される。混合された空気の温度は、室内熱交換器１１２の上流側に備えなれる温度センサ３００によって計測される。なお、図示はしないが、温度センサ３００に湿度センサを併設して、混合された空気の湿度を計測してもよい。

空調装置１００の側板１０５に備えられる外気導入用開口部１１６は、鉄道車両１の進行方向に向けて開口する態様で備えられているため、外気を空調装置の内部に取り入れるための送風機を備える必要がなく、鉄道車両１が走行することによって生じる相対的な空気の流れを利用して空調装置１００の内部に車外の空気を取り入れることができる。このため、外気を空調装置の内部に取り入れる送風機の製作コストおよび装置動力に係る消費電力を削減することができる。

鉄道車両１の進行方向を検知して、進行方向と反対側に位置する開閉装置１１８を全閉し、進行方向に位置する開閉装置１１８の開口率を、鉄道車両１の速度と、車外空気の温度と、車内の温度とをモニタした結果を基に制御する。必要に応じて、排気送風機２００のみを運転することによって、車外の空気を効率的に鉄道車両１の内部へ導入することによって、空調装置１００の圧縮機、室外送風機、室内送風機等の稼働率を小さくできるので、消費電力を低減できる。

図５は、鉄道車両の妻構体の上部に備えられた給気口から鉄道車両の天井部に備えられるダクトへ車外の空気を導入する様子を示す斜視図である。鉄道車両１の長手方向５２０の両端部に配設される妻構体３０，３０の上部であって、鉄道車両１の幅方向５２０の中央部に、給気口３２，３２（一方の給気口のみ図示）が備えられ、給気口３２の下流には開閉装置１１８が備えられる。

図示はしないが、開閉装置１１８は、前述したように、軸部１２３周りに回動可能に備えられる翼１２２が複数枚内蔵されており、後述する条件に応じて、軸部１２３の周りに翼１２２を回動させることによって、開閉装置１１８の開口率を調整して、給気口３２から鉄道車両１の内部へ取り入れる車外の空気量を調整する。開閉装置１１８の下流には、屋根構体４０の幅方向５１０の中央の車内側に備えられるダクト４８が配設されており、給気口３２から鉄道車両１の車内へ導入された車外の空気５００を鉄道車両１の車内の各部へ送風する。

鉄道車両１の妻構体３０に備えられる給気口３２が鉄道車両１の進行方向（鉄道車両１の長手方向５２０）に向けて開口する態様で備えられているため、送風機等を給気口３２の下流に備える必要がなく、鉄道車両１が走行することによって生じる相対的な空気の流れを利用して鉄道車両１の内部に車外の空気を取り入れることができる。このため、送風機等の製作コストおよび送風機の運転に係る消費電力を削減することができる。

鉄道車両１の進行方向を検知して、進行方向と反対側に位置する開閉装置１１８を全閉（開口率を小さく）し、進行方向に位置する開閉装置１１８の開口率を、鉄道車両１の速度と、車外空気の温度と、車内の温度とをモニタした結果を基に制御する。必要に応じて、排気送風機２００のみを運転することによって、車外の空気を効率的に鉄道車両１の内部へ導入することによって、空調装置１００の圧縮機、室外送風機、室内送風機等の稼働率を小さくできるので、消費電力を低減できる。

図６は、鉄道車両の屋根上に備えられた給気装置の斜視図である。鉄道車両１を構成する屋根構体４０の長手方向５２０の両端部の上面に、給気装置４２，４２（一方の給気装置のみ図示）が備えられる。給気装置４２の妻構体３０の側には車外の空気を取り入れる開口部４４が設けられ、開口部４４の下流には開閉装置１１８が備えられる。開閉装置１１８の直下の屋根構体４０には、鉄道車両１の長手方向に沿って配設されるダクト４８（図５参照）に連通する開口部（図示なし）が備えられており、給気装置４２によって鉄道車両１の内部へ導入される車外の空気は、鉄道車両１の車内の各部へ供給される。

図示はしないが、開閉装置１１８は、前述したように、軸部１２３周りに回動可能に備えられる翼１２２が複数枚内蔵されており、後述する条件に応じて、軸部１２３の周りに翼１２２を回動させることによって、開閉装置１１８の開口率を調整して、給気装置４２から鉄道車両１の内部へ取り入れる車外の空気量を調整する。なお、図６では、２台の給気装置４２を屋根構体４０の一方の端部に備えた例を示したが、給気装置４２の台数および設置場所は屋根構体４０に限定されず、任意の台数の給気装置を側構体または台枠等に備えてもよい。

給気装置４２の給気口４４が鉄道車両１の進行方向（鉄道車両１の長手方向５２０）に向けて開口する態様で備えられているため、送風機等を給気装置４２の内部に備えることなく、鉄道車両１が走行することによって生じる相対的な空気の流れを利用して鉄道車両１の内部に車外の空気を取り入れることができる。このため、送風機の製作コストおよび装置動力に係る消費電力を削減することができる。

さらに、鉄道車両１の進行方向を検知して、給気装置４２の進行方向と反対側に位置する開閉装置１１８の開口率を小さく（全閉）し、進行方向に位置する開閉装置１１８の開口率を、鉄道車両１の速度と、車外空気の温度と、車内の温度とをモニタした結果に応じて制御する。必要に応じて、排気送風機２００のみを運転することによって、車外の空気を効率的に鉄道車両１の内部へ導入することによって、空調装置１００の圧縮機、室外送風機、室内送風機等の稼働率を小さくできるので、消費電力を低減できる。

図７は、鉄道車両の屋根上に備えられる空調装置および鉄道車両との長手方向の垂直断面図である。鉄道車両１を構成する屋根構体４０の上面に空調装置１００が搭載されている。空調装置１００は中心線４５０に対して幅方向５１０に対称の構造であるため、図７には空調装置１００の幅方向５１０の一方についてのみ描写している。空調装置１００の底板１０６の幅方向５１０の端部の下面には、車内の空気を空調装置１００の内部に取り入れるためのリターン開口部１１４が備えられている。空調装置１００の幅方向の端部に立設される側板１０５には、車外の空気を空調装置の内部に取り入れるための開口部１０７が備えられている。なお、図７に示す空調装置１００は、図４に示したように、空調装置１００の側板１０５に備えられる開閉装置１１８を備えていない。

空調装置１００の底板１０６の幅方向の端部と、側板１０５の下端部との交差する空調装置内部の部位には、分配装置１２０が備えられる。分配装置１２０は、板部１２１と板部１２１の一方の端部を回動可能に支持する軸部１２３からなる。分配装置１２０の板部１２１を軸部１２３の周りに回動して垂直に近い態様に保持することによって、空調装置１００の内部に導入される車外からの空気量５００を小さくするとともに、空調装置１００の内部に還流される車内からの空気量５０５を大きくすることができる。また、分配装置１２０の板部１２１を軸部１２３の周りに回動して水平に近い態様に保持することによって、空調装置１００の内部に導入される車外からの空気量５００を大きくするとともに、空調装置１００の内部に還流される車内からの空気量５０５を小さくすることができる。分配装置１２０の傾きを制御するだけで、空調装置１００に導入される車外からの空気量５００と、車内からの空気量５０５との流量比を任意に調整することが困難な場合は、空調装置１の内部に備えられる室内送風機１１０（図４参照）を運転してもよい。また、分配装置１２０の姿勢の制御のみで、車外の空気を空調装置１００の内部に取り入れることが困難な場合は、図４に示すような形態の外気導入装置１１５を、空調装置１００の幅方向の端部に立設される側板１０５に備えられる開口部１０７を覆う形態で取り付けてもよい。図４に示した実施例と同様の効果、つまり、鉄道車両１の進行方向に依らず、車外の空気を空調装置１００の内部に容易に取り入れることができる効果を得ることができる。

さらに、空調装置１００の内部に分配装置１２０を備えるとともに、分配装置１２０の姿勢のみを車外温度および車内温度に基づいて、制御することによって、空調装置１００の内部に取り入れる車外からの空気量５００と、車内からの空気量５０５との流量比を制御することができる。鉄道車両１の速度が小さく、車外の空気を空調装置１００の内部に導入することが難しい場合は、鉄道車両１に備えられる排気送風機２００を運転することによって、鉄道車両１の車内の空気を車外へ排出して車内の圧力を車外の圧力より小さくすることによって、空調装置１００の内部（鉄道車両１の内部）に、車外の空気を導入することができる。この結果、鉄道車両１の車内の温度を空調装置１００を稼働させることなく調整できるので、消費電力を低減できる。

図８は、鉄道車両の一方の側構体に備えられる側引戸と、側引戸が収納される戸袋の鉄道車両の高さ（垂直）方向の断面図である。鉄道車両１の側面を構成する側構体２０には、乗客の乗降に供される出入り口２４が備えられるとともに、出入り口２４には側引戸２６が鉄道車両１の長手方向５２０に沿って開閉可能に備えられる。出入り口２４の幅方向（鉄道車両１の長手方向５２０）の両端部の妻構体２０の車内側には、側引戸２６が開放された時に収納される戸袋２７が備えられる。戸袋２７の車内側の床１２の上面には椅子２９が配設される。

図９は、図８のＣ−Ｃ断面図であって、戸袋に備えられる開口部と、側構体に備えられる排気用の開閉装置の高さ方向の位置関係を示す図である。側構体２０に備えられた開口部には開閉装置１１８が備えられる。前述したように、開閉装置１１８は、軸部１２３と、軸部１２３周りに回動可能に備えられる翼１２２とが複数枚内蔵されており、後述する条件に応じて、軸部１２３の周りに翼１２２を回動させることによって、開閉装置１１８の開口率を調整して、鉄道車両１の内部から車外へ排出される空気の量を調整することができる。

側引戸２６が収納される戸袋２７には開口部２８が備えられている。床１２の上面から側構体２０に備えられる開閉装置１１８までの高さと、床１２の上面から戸袋２７に備えられる開口部２８までの高さとは、高さ方向にＨ３の寸法だけ離してある。このため、レール上を車輪が転動する転動音など）が開閉装置１１８を経由して鉄道車両１の内部に侵入した場合であっても、これらの騒音は戸袋２７の内部で高さ方向に回折する過程で減衰するので、戸袋２７に備えられる開口部２８から鉄道車両１の車内へ放射されにくい。なお、図示はしないが、戸袋２７に備えられる開口部２８と、側構体２０に備えられる開閉装置１１８と、を鉄道車両１の長手方向に沿って、所定の距離だけ離して設置することによって、鉄道車両１の車内から車外への空気の流れ５００を回折させても同様の効果を得ることができる。さらに、戸袋２７の側構体２０に近い側の面に、吸音材等を張り付けてもよい。

図１０は、制御装置に入力される情報と、制御装置が制御する対象を記したブロック線図である。制御装置１６に入力される情報は、鉄道車両の速度情報、位置情報、鉄道車両の車内の圧力、車外の圧力（大気圧）、鉄道車両の車内温度および車外温度、鉄道車両の車内湿度および車外湿度、乗車率、鉄道車両の車内の炭酸ガス濃度、各鉄道車両に備えられる火災検知装置からの火災検知情報、駅停車時の側引戸（ドア）開閉情報などである。これらの入力情報に基づいて、制御装置１６は空調装置１００の冷房運転指令または暖房運転指令、給気用および排気用の開閉装置１１８の開口率制御、空調装置１００の内部に備えられる分配装置１２０の姿勢制御、排気送風機２００の運転指令などである。

これらの入力情報は全て必要な訳ではなく、必要に応じて上述した入力情報の中から必要に応じて適宜選択された入力情報に基づいて、空調装置１００、開閉装置１１８および排気送風機２００などを制御する。

図１１は、図１０に示した制御装置の制御則の一実施例を示す図である。図１１では、鉄道車両１は高速で走行している状況において、車内の目標設定温度が２２℃であると仮定する。

車内温度と外気温度が図中のＡの状態（例えば、点ａ：車内温度２５℃、外気温度１９℃）であるとき、車内温度が車外温度より高いので空調装置１００は冷房運転される。この時、より短時間に鉄道車両１の車内温度を目標設定温度に近付けることによって、空調装置１００の稼働率を小さくして消費電力を低減するために、車内温度より小さい外気温度を鉄道車両の内部に導入する。具体的には、妻構体３０に配設される給気口３２の下流側に備えられる開閉装置１１８、屋根構体１に配設される給気装置４２に備えられる開閉装置１１８、空調装置１００の側板１０５に配設される外気導入装置１１５に備えられる開閉装置１１８、の各々の開口率を大きく制御するとともに、妻構体３０に配設される排気口３４の開閉装置１１８、側構体２０に備えられる開閉装置１１８の各々の開口率を大きく制御する。この時、鉄道車両１は高速で走行しているが、鉄道車両１の車内に多くの車外の空気を取り入れるために、排気送風機２００を運転する。

車内温度と外気温度が図中のＢの状態（例えば、点ｂ：車内温度２３℃、外気温度１８℃）であるとき、車外温度と車内温度との差が小さいので、空調装置１００の冷房運転に代えて、車外の空気を鉄道車両１の内部に取り入れる。給気口３２、給気装置４２、外気導入装置１１５の、各々に備えられる開閉装置１１８の開口率を大きく制御するとともに、排気口３４、妻構体２０の、各々の開閉装置１１８の開口率を大きく制御する。鉄道車両１は高速で走行しているので、鉄道車両１の進行方向に向けて開口する態様で備えられている外気導入装置１１５の外気導入用開口部１１６、給気口３２、給気装置４２の給気口４４、のいずれかより鉄道車両１の内部に車外の空気が導入されるとともに、鉄道車両１の車内の熱を含んだ車内の空気が排気口３４、妻構体２０の、各々の開閉装置１１８から車外へ排出され、鉄道車両１の車内の温度を、空調装置１００を運転することなく、目標設定温度に近付けることができるので、消費電力を低減できる。

車内温度と外気温度が図中のＣの状態（例えば、点ｃ：車内温度２０℃、外気温度１６℃）であるとき、車内温度は、車外温度より小さく、且つ、目標設定温度より小さいので空調装置１００は暖房運転される。このため、給気口３２、給気装置４２、外気導入装置１１５の、各々に備えられる開閉装置１１８の開口率を小さく制御するとともに、排気口３４、妻構体２０の、各々の開閉装置１１８の開口率を小さく制御する。この時、乗車率または炭酸ガス濃度（図１０参照）の検知結果を参照して、必要最小限の換気量を確保できるように、開閉装置１１８の開口率を制御する。この制御により、鉄道車両１の車内の温度より小さい車外の空気の取り入れ量を小さくすることができるので、暖房運転の頻度を小さくできるとともに、消費電力を小さくできる。なお、暖房運転は、空調装置１００に備えられる冷凍サイクルを用いたヒートポンプ運転でもよいし、空調装置１００の内部に備えられるヒータ、あるいは、鉄道車両１の座席２９（図９参照）の下部等に備えられるヒータによるものであってもよい。

車内温度と外気温度が図中のＤの状態（例えば、点ｄ１：車内温度２４℃、外気温度２２℃）であるとき、車内温度は、車外温度より大きく、目標設定温度より大きいため、空調装置１００は冷房運転される。また、図中のＤ状態の他の条件（例えば、点ｄ２：車内温度２０℃、外気温度１９℃）のとき、車内温度は、車外温度より大きく、目標設定温度よりも小さいため、空調装置１００またはヒータにより暖房運転される。

これらの状態の場合、給気口３２、給気装置４２、外気導入装置１１５の、各々に備えられる開閉装置１１８の開口率を小さく制御するとともに、排気口３４、妻構体２０の、各々の開閉装置１１８の開口率を小さく制御する。この時、乗車率または炭酸ガス濃度（図１０参照）の検知結果を参照して、必要最小限の換気量を確保できるように、開閉装置１１８の開口率を制御する。

この状態で、目標設定温度に車内温度を近づけるために、空調装置１００は冷房運転または暖房運転が選択されるが、いずれの場合であっても、車外から車内へ取り入れられる空気量を必要最低限に抑制できるので、冷房運転または暖房運転の頻度を小さくできるとともに、消費電力を低減できる。

複数の車両が連結されて編成が組成される鉄道車両の各車両には、火災が発生した当該車両を把握するために、火災検知装置が搭載されている。火災が生じた際には、当該車両に備えられる火災検知装置からの火災検知情報（図１０参照）が、制御装置１６に伝送されるとともに、運転席および乗務員室に設置されているモニタに火災が発生した当該車両が表示される。乗客の避難等がより困難になるため、編成された車両において、火災が発生した当該車両から隣接する車両へ煙が流れ込んだり、延焼が拡大したりする事象は避けなければならない。このため、当該車両の火災検知情報が制御装置１６に伝えられた場合、車内温度、車外温度等のいかんに拘わらず、当該車両の空調装置１００の冷房運転および暖房運転と、座席２９の下部等に備えられるヒータの運転を停止するとともに、当該車両の給気口３２、給気装置４２、外気導入装置１１５の、各々に備えられる開閉装置１１８の開口率、および、排気口３４、妻構体２０の、各々の開閉装置１１８の開口率は最小に制御される。当該車両の排気送風機２００は運転され、当該車両の車内圧力を隣接する他の鉄道車両の車内圧力よりも小さい状態に維持することにより、火災が発生した当該車両から隣接する車両へ煙、火炎等の侵入や延焼を抑制する。

図１１に示す実施例では、制御装置１６は、空調装置１００、各種の開閉装置１１８の開口率、排気送風機２００等を、車内温度や外気温度を基づいて制御しているが、車内温度や外気温度に加えて、車内湿度、外気湿度から算出される車内空気のエンタルピと外気空気のエンタルピや、乗客数から算出される空調装置１００に対する乗客負荷に基づき、前述した各機器を制御してもよい。

図１２は、鉄道車両の速度、排気送風機、給気用開閉装置および排気用開閉装置の動作を示す一実施例のタイミングチャートである。図１２に示すタイミングチャートは、図１１の領域Ｂの状態にある時の鉄道車両が駅停車時にドア閉めを確認した後、次の停車駅へ向けて進行する場合であって、鉄道車両１の速度（ｋｍ／ｈ）と、排気送風機２００の運転状況と、給気側の開閉装置１１８（給気口３２、給気装置４２、外気導入装置１１５に配設されるもの）と、排気側の開閉装置１１８（排気口３４、妻構体２０に備えられる開閉装置）と、の稼働状況を時系列に示すものである。

鉄道車両１の側構体２０に備えられる側引戸２６が閉じられると、ドア（開）閉情報（図１０参照）が制御装置１６に入力される。ドア閉信号が入力された制御装置１６は、排気送風機２００の運転を指令するとともに、給気側の開閉装置１１８の開口率は、大きく制御される。排気送風機２００が運転されているので、排気側の開閉装置１１８の開口率は小さく制御される。この状態で、鉄道車両１は加速を継続して時刻Ａに至ると、必要以上に車外の空気が鉄道車両１の車内へ給気されることを抑制し、最適な鉄道車両１の車内温度を維持するために、給気側の開閉装置１１８の開口率は小さく制御されるととともに、排気側の開閉装置１１８の開口率は大きく制御される。

時刻Ｂに至ると、鉄道車両１の速度が大きくなっており、排気送風機２００を運転しなくても、鉄道車両１の進行方向に向けて開口する態様で備えられている給気側の給気口３２、給気装置４２、外気導入装置１１５などから十分な量の車外の空気を鉄道車両１の内部へ取り入れることができるため、排気送風機２００の運転を停止する。

時刻Ｃから時刻Ｄに至る範囲では、鉄道車両１は高い速度で走行するため、排気送風機２００の運転は停止したままで、所定の量の車外の空気を鉄道車両１の内部へ取り込むことができるように、給気側の開閉装置１１８と、排気側の開閉装置１１８の開口率と、が各々制御される。

時刻Ｅに至ると、駅停車に備えて鉄道車両１が減速を始めるため、鉄道車両１の減速に拘わらず、所定の量の車外の空気を鉄道車両１の内部に導入できるように、給気側の開閉装置１１８の開口率を大きく制御されるとともに、排気送風機２００が再起動されるので、排気側の開閉装置１１８の開口率は小さく制御される。

時刻Ｆに至ると、鉄道車両１は駅に停車して速度は０ｋｍ／ｈとなり、側引戸２６が開けられる。側引戸２６のドア開（閉）情報を受信した制御装置１６は、排気送風機２００の運転を停止するとともに、給気側の開閉装置の開口率は大きく制御されるとともに、排気側の開閉装置の開口率は小さく制御される。

空調装置１００の運転に代えて、鉄道車両１が走行することによって生じる車外の空気と、鉄道車両１と、の間の相対的な空気の流れを利用して、鉄道車両１が所定の速度以上になると、排気送風機２００を運転することなく、車外の空気を鉄道車両１の内部へ導入することができる。このため、鉄道車両１の車内の温度を、空調装置１００および排気送風機２００を運転することなく、目標設定温度に近付けることができるので、消費電力を低減することができる。

１…鉄道車両 １０…台枠
１２…床 １４…仕切り壁
１６…制御装置 ２０…側構体
２２…窓 ２４…出入り口
２６…側引戸 ２７…戸袋
２８…開口部 ２９…椅子
３０…妻構体 ３２…給気口
３４…排気口 ３６…排気送風機室
３８…吸音材
４０…屋根構体 ４２…給気装置
４４…給気口 ４６…開閉装置
４８…ダクト
１００…空調装置 １０５…側板
１０６…底板 １１０…室内送風機
１１２…室内熱交換器 １１４…リターン開口部
１１５…外気導入装置 １１６…外気導入用開口部
１１８…開閉装置 １２０…分配装置
１２１…板部 １２２…翼
１２３…軸部 １２４…スリット
３００…温度センサ ４００…台車
４５０…車体中心線 ５００…空気の流れ
５１０…鉄道車両の幅方向 ５２０…鉄道車両の長手方向
５３０…鉄道車両の高さ（垂直）方向

Claims (7)

1. 車外の空気を車内へ導入する給気装置と、車内の空気を車外へ排出する排気装置および排気送風機と、車内の温度および湿度を調整する空調装置と、車内温度および車外温度に基づき、前記給気装置と、前記排気装置と、前記排気送風機と、前記空調装置と、を制御する制御装置を搭載した鉄道車両において、前記排気装置を有す第１排気流路と、前記第１排気流路に並列に配設されるとともに、前記排気送風機を有す第２排気流路と、を備えること、を特徴とする鉄道車両。
2. 請求項１に記載された鉄道車両において、前記給気装置は、前記鉄道車両の進行方向に向けて開口した開口部と、前記開口部の下流に備えられるとともに、前記制御装置によって車外の空気が車内へ流入する給気流路の開口率を調整する開閉装置と、から構成されていること、を特徴とする鉄道車両。
3. 請求項２に記載された鉄道車両において、前記給気装置の前記開口部は、前記鉄道車両の妻構体の上部であって、前記妻構体の幅方向の中央部に備えられるとともに、前記鉄道車両の天井部であって、前記鉄道車両の長手方向に沿って配設されるダクトに接続しており、前記開口部の下流の前記ダクトには前記開閉装置が備えられること、を特徴とする鉄道車両。
4. 請求項２に記載された鉄道車両において、前記空調装置は、前記空調装置の幅方向の端部に立設された側板を備えるとともに、前記側板に備えられた開口部と、前記開口部を覆う態様で、前記給気装置が前記側板に備えられるとともに、前記給気装置を構成する前記開閉装置が、前記側板の前記開口部に備えられていること、を特徴とする鉄道車両。
5. 請求項１に記載された鉄道車両において、前記空調装置は、前記空調装置の底面をなす底板と、前記底板の幅方向の端部に立設される側板と、前記底板と前記側板との接続部の近傍に備えられる分配装置と、を有しており、前記底板の幅方向の端部に、前記鉄道車両の車内の空気を前記空調装置の内部に導く第１開口部が備えられており、前記側板に、車外の空気を前記空調装置の内部に導入する第２開口部が備えられており、前記分配装置は、前記空調装置の長手方向に沿って配設される軸部と、前記軸部の周りに回動可能に備えられる板部と、から構成されており、前記分配装置は、前記軸部の周りに前記板部を回動させることにより、前記第１開口部から前記空調装置の内部に導入される空気の流量と、前記第２開口部から前記空調装置の内部に導入される空気の流量と、を調整すること、を特徴とする鉄道車両。
6. 車外の空気を車内へ導入する給気装置と、車内の空気を車外へ排出する排気装置および排気送風機と、車内温度および車外温度に基づき、前記給気装置と、前記排気装置と、前記排気送風機と、を制御する制御装置を搭載した鉄道車両において、前記排気装置を有す第１排気流路と、前記第１排気流路に並列に配設されるともに、記排気送風機を有す第２排気流路と、を備えること、を特徴とする鉄道車両。
7. 鉄道車両に搭載される給気装置と、排気装置と、排気送風機を制御する制御方法であって、前記給気装置は、前記鉄道車両の進行方向に向けて開口した開口部と、前記開口部の下流に備えられるとともに、前記制御装置によって車外の空気が車内へ流入する給気流路の開口率を調整する開閉装置と、から構成されており、前記排気装置は、前記制御装置によってその開口率が制御される開閉装置と、該開閉装置を有す第１排気流路を構成しており、前記排気送風機は、前記第１排気流路に並列に配設された第２排気流路を構成しており、前記制御装置は、少なくとも鉄道車両の車外温度と、車内温度と、前記鉄道車両の速度情報を検知して、前記給気装置に備えられる前記開閉装置の開口率と、前記第１排気流路に備えられる前記開閉装置の開口率と、前記第２排気流路に備えられる前記排気送風機の運転と、を制御する制御方法において、前記車内温度と、前記車外温度と、前記速度情報に基づいて、前記排気送風機を制御するステップと、前記車内温度と、前記車外温度と、前記速度情報に基づいて、前記給気装置に備えられる前記開閉装置の開口率を制御するステップと、前記車内温度と、前記車外温度と、前記速度情報に基づいて、前記排気装置に備えられる前記開閉装置の開口率を制御するステップと、からなること、を特徴とする鉄道車両に搭載される給気装置と、排気装置と、排気送風機の制御方法。

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