JP2013173410A - 鉄道車両 - Google Patents

Abstract

【課題】屋根上搭載形のヒートポンプ式空調装置を寒冷地で使用する場合、室外ファンと室外熱交換器に雨水や雪が付着して氷結すると、室外ファンの羽根車の回転がアンバランスになり軸受が損傷したり、室内熱交換器が目詰まりしたりして故障に至るという問題があった。また、室外機に積雪して外気の出入り口が閉ざされると、空調装置が運転できないという問題があった。
【解決手段】空調装置の筐体の底面に第１開口部と第２開口部とを備え、空調装置の筐体の底板と鉄道車両の屋根によって第１開口部と第２開口部とを接続する流路とを構成する。第１開口部から室外熱交換器、室外ファンを経て圧縮機の近傍を通過して第２開口部に至る空調装置内部の流路と、第２開口部から第１開口部に至る流路とを循環風路を構成した。
【選択図】図３

Description

本発明は、屋根上に搭載されるヒートポンプ式空調装置を備えた鉄道車両に係り、特に、寒冷地を走行する鉄道車両に関する。

従来、鉄道車両の屋根上に搭載されるヒートポンプ式空調装置は、冬季であっても外気温度が氷点下を下回らない比較的温暖な地域で供されるのが一般的であった。図４から図７に、鉄道車両の屋根上に搭載された従来のヒートポンプ式空調装置の概要を示す。

図４は、長手方向の中央部の屋根上に空調装置１が搭載された鉄道車両５を示す側面図であり、図５は空調装置１を搭載した鉄道車両１をその長手方向と交差する断面で切断した断面図である。鉄道車両５を構成する屋根１１の上面に備えられた空調装置１は、鉄道車両（客室）５の天井に設けられるとともにその取入れ口にリターンフィルタ２を備える循環空気取入れ口から鉄道車両（客室）５の空気を空調装置１の内部に取り込んで、ヒートポンプ運転中の室内熱交換器（凝縮器）７ａ，７ｂ（図６参照）で加熱した後、鉄道車両５の天井に備えられるダクト３と、ダクト３に備えられる調和空気供給口（グリル）４から鉄道車両５の車内へ供給している。

図６は、従来のヒートポンプ式空調装置の内部機器配置を示す上面図である。空調装置１は、２系統の冷凍サイクルを内蔵しており、空調装置１の長手方向の中央部寄りに圧縮機６ａ，６ｂ、室内熱交換器７ａ，７ｂならびに二つの冷凍サイクルに共通の室内ファン８を配置し、空調装置１の長手方向の両端部に室外熱交換器９ａ，９ｂならびに室外ファン１０を設置している。室外ファン１０はハブを中心に備えられ、このハブに接続される複数の羽根車１０ａから構成されている。

図７は、図６のＢ−Ｂ断面図であり、室外熱交換器９ａ，９ｂおよび室外ファン１０に係る空気の流れを示す模式図である。鉄道車両５の屋根１１の上面に載置された空調装置１の長手方向の両端部であってその幅（枕木）方向の両端部に、側面空気取入口１７ａ，１７ｂが備えられるととともに、空調装置１の室外熱交換器９ａ，９ｂの上流側の支持板１９に備えられた底面空気取入れ口１６ａ，１６ｂが備えられている。支持板１９の下面には補強１４が備えられている。側面空気取入れ口１７ａ，１７ｂおよび底面空気取入れ口１６ａ，１６ｂから空調装置１の内部に吸引された外気は、室外熱交換器９ａ，９ｂを通過する過程で、低温の液冷媒に熱を供給するとともに、より低温となった外気は室外ファン１０の駆動モータ１０ｂを冷却した後、カバー１２の中央上部の金網１２ａを通って大気中に放出される。

さらに、特許文献２には次のような構造が公開されている。これは、一方の側面と底面から吸入した外気に含まれる比較的重量のある雪や水滴を偏心多翼形ファンの遠心力作用で分離して外部に排出するもので、室外熱交換器への雪や雨水の付着を防止している。

特開昭６２−２２１９１３号公報 特開平０３−１９３５５４号公報

屋根上搭載形のヒートポンプ式空調装置を備えた車両を寒冷地で使用する場合には、室外熱交換器が暖房運転時には蒸発器として作用するため、室外熱交換器の周囲の空気はその熱を奪われ、さらに低温となる。このため、例えば、特許文献１に開示されるような機器配置ならびに室外熱交換器および室外ファンに係る空気の流れを備えるヒートポンプ式空調装置では、冬季の降雨時や降雪時に、雨水や雪が室外ファン表面に氷結して付着することによって、室外ファンの重量分布（バランス）が崩れて異常振動が生じる場合がある。異常振動が生じた室外ファンは、その軸受に負荷が掛かるため軸受寿命が極端に短くなったり、軸受が損傷したりするおそれがある。室外ファンの軸受が損傷した場合には、室外ファンのモータに過電流が流れるため、室外ファンを駆動するモータを制御するサーマルリレーが動作して、室外ファンと圧縮機が停止する。これら両機器が停止すると、もはや暖房運転を継続することができないため、乗客へのサービスが劣化するおそれがあった。

さらに、室外ファンを覆うカバーに備えられるとともに室外ファンの排風を大気へ放出するグリルの上面、および、室外熱交換へ外気を導入する空気取入れ口に雪等が降り積もった場合、空気の流れが阻害されるため、空調装置の運転を継続できないおそれがあった。

本発明は、これらの問題を鑑みてなされたものであり、冬季の降雨および降雪時であっても、室外ファンへの着氷等に起因する異常振動を抑制できるとともに、室外ファンおよび室外熱交換器に係る空気取入れ口および排出口への積雪等に伴う空調装置の停止が生じにくいヒートポンプ式空調装置を搭載す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、筐体の内部に、圧縮機と、室外熱交換器と、室外ファンと、を備えたヒートポンプ式空調装置を屋根の上に搭載した鉄道車両において、
前記圧縮機から放出される熱を前記室外熱交換器の内部を流れる冷媒の中に取り込むことを特徴とする。

本発明による鉄道車両は、筐体の内部に、圧縮機と、室外熱交換器と、室外ファンと、を備えたヒートポンプ式空調装置を屋根の上に搭載した鉄道車両において、前記空調装置に外気を取り入れるために前記筐体の底板に備えられた第１開口部と、前記空調装置から空気を外部へ吹出すために前記底板に備えられた第２開口部と、前記屋根と前記底板とを離間させるとともに、前記第１開口部と前記第２開口部とを接続してなる流路とを備えたことを特徴とする。

本発明による鉄道車両は、前記筐体は仕切り壁によって一方の区画と他方の区画とに仕切られており、前記一方の区画の前記底板に前記第１開口部が備えられており、前記他方の区画の前記底板に前記第２開口部が備えられていることを特徴とする。

本発明による鉄道車両は、前記仕切り壁の前記一方の区画の側の面に、前記室外ファンが備えられていることを特徴とする。

本発明による鉄道車両は、前記第１開口部から前記一方の区画の内部に向かってダクトが立設されており、前記ダクトの終端部に前記室外熱交換器が備えられていることを特徴とする。

本発明による鉄道車両は、前記一方の区画に配設された前記室外熱交換器および前記室外ファンが開口部のないカバーで覆われていることを特徴とする。

本発明による鉄道車両は、前記他方の区画に設けられた前記第２開口部と前記仕切り壁との間に前記圧縮機が備えられており、前記第１開口部と、前記ダクトと、前記室外熱交換器と、前記室外ファンと、前記第２開口部と、前記流路と、からなる循環風路を備えたことを特徴とする。
本発明による鉄道車両は、前記圧縮機を、前記流路上に配置したことを特徴とする。

本発明によれば、室外ファンへの着氷等に起因する異常振動を抑制できるとともに、室外ファンおよび室外熱交換器に係る空気取入れ口および排出口への積雪等に伴う空調装置の停止が生じにくいヒートポンプ式空調装置を搭載した鉄道車両を提供することができる。

図１は、本発明による空調装置の機器配置を示す上面図である。 図２は、空調装置の室外熱交換器および室外ファンに係る空気の流れを示す図１のＡ−Ａ断面図である。 図３は、冬季に空調装置を覆うカバーの上面に積雪した場合の断面図（図１のＡ−Ａ断面図相当）である。 図４は、鉄道車両５の長手方向の中央部の屋根上に空調装置１が搭載された様子を示す側面図である。 図５は、空調装置１を搭載した鉄道車両５をその長手方向に交差する断面で切断した断面図である。 図６は、従来のヒートポンプ式空調装置の内部機器配置を示す上面図である。 図７は、図６のＢ−Ｂ断面図であり、室外熱交換器９ａ，９ｂおよび室外ファン１０に係る空気の流れを示す模式図である。

以下、本発明の実施例を図１から図３を用いて説明する。

図１は、本発明による空調装置の機器配置を示す上面図である。空調装置２０の内部に配置される機器の様子が分かるように、カバー２６（図２参照）を取り除いた状態を描写している。ヒートポンプ式空調装置２０は、二つの冷凍サイクルを備えており、一方の冷凍サイクルは、圧縮機２１ａと室内熱交換器２２ａと室外熱交換２５ａと室外ファン２４ａを備えており、他方の冷凍サイクルは圧縮機２１ｂと室内熱交換器２２ｂと室外熱交換２５ｂと室外ファン２４ｂを備えている。室内ファン２３のみが、両冷凍サイクルに共通に供されている。各冷凍サイクルに供される室外ファン２４ａ（２４ｂ）は、３台の軸流ファンからなる。

空調装置２０は、主に圧縮機２１ａ（２１ｂ）と室外熱交換器２５ａ（２５ｂ）と室外ファン２４ａ（２４ｂ）とを備える室外機室３０ａ（３０ｂ）と、室内ファン２３と室内熱交換器２２ａ（２２ｂ）とを備える室内機室４０とから構成されている。

室外機室３０ａ（３０ｂ）は、その幅方向（枕木方向）のほぼ中央部を仕切る仕切り壁３２ａ（３２ｂ）を有しており、この仕切り壁に沿って３台の室外ファン２４ａ（２４ｂ）が備えられている。仕切り壁３２ａ（３２ｂ）及び室外ファン２４ａ（２４ｂ）を挟んで一方の側には室外熱交換器２５ａ（２５ｂ）が備えられており、他方の側には圧縮機２１ａ（２１ｂ）が備えられる。なお、図１に示される空調装置２０では、その長手方向の中央部に室内機室４０を配設し、その両側に室外機室３０ａ（３０ｂ）を配設している。室内機室４０と室外機室３０ａ（３０ｂ）の構成は図１のものに限らず任意でよい。

図２は、通常時の（屋根に積雪がない状態での）空調装置２０の室外熱交換器２５ａ（２５ｂ）および室外ファン２４ａ（２４ｂ）に係る空気の流れを示すもので、図１の室外機室３０ａのＡ−Ａ断面図である（室外機室３０ｂの断面図も同様である）。空調装置２０は、鉄道車両５の屋根１１の上面に備えられる設置台１５の上面に、空調装置２０の周縁部に備えられる取付け足３５を載置するとともに、空調装置２０の筐体を構成するとともに、圧縮機２１ａ等を支持する支持板１９（底板と称される場合もある）と鉄道車両５の屋根１１との間に空間を備える態様で鉄道車両５上に離間して固定される。

仕切り壁３２ａで仕切られた室外機室３０ａの一方の区画の支持板１９には底面空気取入れ口１６（第１開口部）が備えられており、他方の区画の支持板１９には底面空気吹出し口１８（第２開口部）が備えられるとともに、側板（高さ方向の板）には側面空気吹出し口１７が備えられている。支持板１９には必要に応じて補強１４が備えられる。

仕切り壁３２ａで仕切られた一方の区画に備えられる室外熱交換器２５ａは、底面空気取入れ口１６（第１開口部）から高さ方向Ｈに延びるダクト３３を介して室外機室３０ａ内に備えられている。仕切り壁３２ａで仕切られた他方の区画に備えられる圧縮機２１ａは、底面空気吹出し口１８（第２開口部）と仕切り壁３２ａとの間に設けた支持板１９の上面に備えられている。室外熱交換器２５ａと室外ファン２４ａと圧縮機２１ａとは、降雨や降雪に直接さらされないように、各機器の上部には開口部が形成されていないカバー２６で覆われている。しかし、仕切り壁３２ａで仕切られた他方の区画を覆うカバー２６の一部には、開口部である空気吹出し口２６ａが備えられる。なお、空気吹出し口２６ａには落ち葉等が空調装置２０の内部に侵入しないようにグリルが備えられるとともに、その直下には圧縮機２１ａ等の機器は配置されていない。

このような構成により、通常時の（屋根に積雪がない状態での）室外機室３０ａに取り入れられる空気は、空調装置２０と鉄道車両５の屋根１１との隙間から底面空気取入れ口１６へと流入した後、高さ方向に延びるダクト３３を経て室外熱交換器２５ａを通過する。その後、室外ファン２４ａに吸い込まれて、仕切り壁３２ａで仕切られた他方の区画へ吹出された後、圧縮機２１ａを冷却して、底面空気吹出し口１８、側面空気吹出し口１７、空気吹出し口２６ａから室外機室３０ａの外部へ吹出される。

これにより、圧縮機２１ａと、室外熱交換器２５ａと、室内熱交換器２２ａと、から構成される冷凍サイクルにおいて、冷房運転時（霜取り運転時を含む）には室内熱交換器２２ａは蒸発器として、室外熱交換器２５ａは凝縮器として動作し、室内熱交換器２２ａ（蒸発器）によって鉄道車両５の車内から熱を冷媒中に吸収するとともに、室外熱交換器２５ａ（凝縮器）において客室から吸収した熱を車外へ放出している。暖房運転時には、冷房運転時とは反対に、蒸発器として動作する室外熱交換器２５ａにおいて外気から熱を冷媒に吸収するとともに、凝縮器として動作する室内熱交換器２２ａにおいて熱を放出して鉄道車両５を暖めている。

図３は、冬季に空調装置を覆うカバーの上面に積雪した場合の断面図（図１のＡ−Ａ断面図相当）である。このように積雪時には、空調装置２０全体が積雪５０に覆われている状態であり、室外機室３０ａの内部への外気の取入れも、室外機３０ａの外部への外気の吹出しも積雪５０に阻害されている状態が生じる。この場合、室外機室３０ａの内部の空気は、室外ファン２４ａの運転に伴い、室外ファン２４ａによって吹出されて圧縮機２１ａを冷却した後、底面空気吹出し口１８（第２開口部）から室外機室３０ａの外へ吐き出され、室外機室３０ａの支持板１９と鉄道車両５の屋根１１とで構成される空間２７（第１開口部と第２開口部を接続する流路）を経由して、底面空気取入れ口１６（第１開口部）から再度室外機室３０ａの内部に取り込まれる。室外機室３０ａに取り込まれた空気は室外熱交換器２５ａを通過して室外ファン２５の吸込み口へ吸い込まれ、前述した閉じた流路（図３の点線矢印）を再度循環する。

以上のように本発明の構成によれば、室外機室３０ａの室外熱交換器２５ａと室外ファン２４ａは、各機器の上部には開口部のないカバー２６に覆われるため、冬季の降雪および降雨にさらされることがないため、室外ファン２４ａの羽根車の氷結に起因する異常振動の発生を抑制することができる。さらに、各機器の上部には開口部がないために、室外熱交換器２５ａに滴下する降雨、降雪等により室外熱交換器２５ａの表面で氷結したり、霜になったりすることを抑制できる。また、氷雪を含んだ外気が、底面空気取入れ口１６から室外機室３０ａの内部に取り入れられる場合であっても、支持板１９と室外熱交換２５ａとの間に高さ方向に立ちあがるダクト３３が備えられているため、重力の作用によって外気がダクト３３を通過する過程において外気から氷雪が分離される。このため、氷雪をほとんど含まない外気が室外熱交換器２５ａを通過するので、室外熱交換器２５ａの氷雪に起因する目詰まりを抑制することができる。

さらに、本発明においては、積雪によって空調装置２０内部への外気の取り入れと吹出しとが困難な場合であっても、室外機室３０ａ内に、室外ファン２４ａと底面空気吹出し口１８（第２開口部）と、支持板１９と屋根１１との空間（第１開口部と第２開口部を接続する流路）と、底面空気取入れ口１６（第１開口部）とからなる空気の循環流路が構成される。このため、圧縮機２１ａ（２１ｂ）の廃熱を室外熱交換器２５ａ（２５ｂ）で吸収した後、室内熱交換器２２ａ（２２ｂ）において放出するとともに鉄道車両５の内部に供給することができるため、暖房運転を継続できる。

以上の実施例では室外機室３０ａと室内機室４０とを連続して備えた集中型の空調装置を例に挙げて説明したが、本発明は、室外機室３０ａと室内機室４０とが分離されて配置されるセパレート型空調装置にも適用することができる。
また、上記実施例において、室外機室３０ａについて説明したが、室外機室３０ｂが同様の構成を備えることは図１からも明白である。

５…鉄道車両
１１…屋根
１４…補強
１５…設置台
１６…底面空気取入れ口（第１開口部）
１７…側面空気吹出し口
１８…底面空気吹出し口（第２開口部）
１９…支持板
２０…空調装置
２１ａ，２１ｂ…圧縮機
２２ａ，２２ｂ…室内熱交換器
２３…室内ファン
２４ａ，２４ａ…室外ファン
２５ａ，２５ｂ…室外熱交換器
２６…カバー
２６ａ…空気吹出し口
２７…空間（第１開口部と第２開口部を接続する流路）
３０ａ，３０ｂ…室外機室
３２ａ，３２ｂ…仕切り壁
３３…ダクト
３５…取付け足
４０…室内機室

Claims (7)

1. 筐体の内部に、圧縮機と、室外熱交換器と、室外ファンと、を備えたヒートポンプ式空調装置を屋根の上に搭載した鉄道車両において、
   前記圧縮機から放出される熱を前記室外熱交換器の内部を流れる冷媒の中に取り込むこと
   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、
   前記空調装置に外気を取り入れるために前記筐体を構成するとともに前記圧縮機を支持する支持板に備えられた第１開口部と、
   前記空調装置から空気を外部へ吹出すために前記支持板に備えられた第２開口部と、
   前記屋根と前記支持板とを離間させるとともに、前記第１開口部と前記第２開口部とを接続してなる流路と
   を備えたことを特徴とする鉄道車両。
3. 請求項１または２に記載された鉄道車両において、
   前記筐体は仕切り壁によって一方の区画と他方の区画とに仕切られており、
   前記一方の区画の前記支持板に前記第１開口部が備えられており、
   前記他方の区画の前記支持板に前記第２開口部が備えられていること
   を特徴とする鉄道車両。
4. 請求項３に記載された鉄道車両において、
   前記仕切り壁の前記一方の区画の側の面に、前記室外ファンが備えられていること
   を特徴とする鉄道車両。
5. 請求項１から４のいずれかの１項に記載された鉄道車両において、
   前記第１開口部から前記一方の区画の内部に向かってダクトが立設されており、
   前記ダクトの終端部に前記室外熱交換器が備えられていること
   を特徴とする鉄道車両。
6. 請求項１から５のいずれかの１項に記載された鉄道車両において、
   前記一方の区画に配設された前記室外熱交換器および前記室外ファンが開口部のないカバーで覆われていること
   を特徴とする鉄道車両。
7. 請求項１から６のいずれかの１項に記載された鉄道車両において、
   前記他方の区画に設けられた前記第２開口部と前記仕切り壁との間に前記圧縮機が備えられており、
   前記第１開口部と、前記ダクトと、前記室外熱交換器と、前記室外ファンと、前記第２開口部と、前記流路と、からなる循環風路を備えたこと
   を特徴とする鉄道車両。

Images