JP2013193631A - 屋根上搭載形ヒートポンプ式空調装置 - 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、鉄道車両が車両基地に留置されている夜間に雪が降って、車両の屋根上に搭載された空調装置が雪で埋まった場合、室外ファンを運転しても外気を吸入することができないため、室外熱交換器の伝熱管内を流れる冷媒は外気から熱を奪うことができなくなる。その結果、圧縮機に戻る冷媒の圧力や温度が異常に低下するため圧縮機が停止して、暖房運転を継続することができなくなり、乗客へのサービスが劣化するおそれがあった。
【解決手段】屋根上に搭載された空調装置に必要な外気を車体側面の空気取入口から取り入れて、反対側の車体側面の空気排出口から排出する。
【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に係り、特に、寒冷地を走行する鉄道車両に供されるヒートポンプ式空調装置に関する。

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、特許文献１に示すように、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７から図１０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７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り、図８は空調装置１を搭載した鉄道車両５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９参照）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９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１０は、図９のＣ−Ｃ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１３ａ，１３ｂ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の上流側の底板１７に備えられた底面空気取入口１６ａ，１６ｂが備えられている。底板１９の下面には補強１４が備えられている。側面空気取入口１３ａ，１３ｂおよび底面空気取入口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に示す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寒冷地で使用する場合の要件として、冬季の降雪に対しても問題なく運転できることが必須条件である。
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、鉄道車両が車両基地に留置されている夜間に雪が降って、車両の屋根上に搭載された空調装置が雪で埋まった場合、室外ファンを運転しても外気を取り入れたり、外部へ排出したりできないため、室外熱交換器の伝熱管内を流れる冷媒は外気から熱を奪うことができなくなる。
その結果、圧縮機に戻る冷媒の圧力や温度が異常に低下するため圧縮機の保護が働いて、暖房運転を継続することができなくなり、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に積雪した雪が落下して室外ファンに付着した場合、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、冬季の降雪時であっても、室外ファンおよび室外熱交換器に係る空気取入口および空気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提供することである。

本発明による鉄道車両用ヒートポンプ空調装置は、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空気取入口と、前記空調装置から空気を外部へ排出するために前記底板に備えられた空気排出口を車体の屋根に備えられた屋根空気取入口および屋根空気排出口にシールパッキンで接続したことを特徴とする。

本発明による鉄道車両は、車体の一方の側面に空気取入口を、反対側の側面に空気排出口を備えたことを特徴とする。

本発明による鉄道車両は、前記屋根上に搭載された空調装置に必要な外気を車体側面の空気取入口から取入れ、反対側の車体側面の空気排出口から外部に排出するようにしたことを特徴とする。

本発明によれば、室外ファンおよび室外熱交換器に係る空気取入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、図２の空調装置の部分の拡大図である。 図４は、冬季に空調装置を覆うカバーの上面と屋根の部分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５は、鉄道車両５の長手方向の両端部の屋根上に空調装置２０が搭載された様子を示す側面図である。 図６は、空調装置２０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図１のＢ−Ｂ断面図である。 図７は、鉄道車両５の長手方向の両端部の屋根上に従来のヒートポンプ空調装置１が搭載された様子を示す側面図である。 図８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９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１０は、図９のＣ−Ｃ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６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３０（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、一つの冷凍サイクルを備えており、冷凍サイクルは、圧縮機２１と室内熱交換器２２ａ、２２ｂと室外熱交換器２３と室外ファン２４を備えている。室外ファン２４は、３台の軸流ファンからなる。

空調装置２０は、主に圧縮機２１と室外熱交換器２３と室外ファン２４とを備える室外機室５０と、室内ファン２５と室内熱交換器２２ａ（２２ｂ）とを備える室内機室６０とから構成されている。

室外機室５０は、その幅方向（枕木方向）のほぼ中央部を仕切る仕切り壁２６を有しており、この仕切り壁に沿って３台の室外ファン２４が備えられている。仕切り壁２６及び室外ファン２４を挟んで一方の側には室外熱交換器２３が備えられており、他方の側には圧縮機２１が備えられる。なお、図１に示される空調装置２０では、車両の長手方向の中央側に室内機室６０を配設し、車両の妻側に室外機室５０を配設している。室内機室６０と室外機室５０の構成は図１のものに限らず任意でよい。

図２と図３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２３および室外ファン２４に係る空気の流れを示すもので、図１の室外機室５０のＡ−Ａ断面図である。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を載置するとともに、屋根１１に備えられたシールパッキンが空調装置２０の底板３３と接触して空気流路が形成される。

仕切り壁２６で仕切られた室外機室５０の一方の区画の底板１９には底面空気取入れ口４０（第１開口部）が備えられており、他方の区画の底板３３には底面空気吹出し口４１（第２開口部）が備えられる。

仕切り壁２６で仕切られた一方の区画に備えられる室外熱交換器２３は、底面空気取入口４０（第１開口部）から高さ方向Ｈに延びるダクト２９を介して室外機室５０内に備えられている。仕切り壁２６で仕切られた他方の区画に備えられる圧縮機２１は、底面空気吹出口４１（第２開口部）と仕切り壁２６との間に設けた底板３３の上面に備えられている。室外熱交換器２３と室外ファン２４と圧縮機２１とは、降雨や降雪に直接さらされないように、開口部が形成されていないカバー２７で覆われている。

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５０に取り入れられる空気は、鉄道車両５の一方の側面開口部４４から取り入れられ、天井ダクト２８を通って屋根１１の屋根空気取入口４２から空調装置２０の底面空気取入口４０へと至り、高さ方向に延びるダクト２９を経て室外熱交換器２３を通過する。その後、室外ファン２４に吸い込まれて、仕切り壁２６で仕切られた他方の区画へ吹出された後、圧縮機２１を冷却して、底面空気吹出口４１から室外機室５０の外部へ排出される。

これにより、圧縮機２１と、室外熱交換器２３と、室内熱交換器２２ａと２２ｂ、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と２２ｂは蒸発器として、室外熱交換器２３は凝縮器として動作し、室内熱交換器２２ａと２２ｂ（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２３（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２３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と２２ｂにおいて熱を放出して鉄道車両５を暖めている。

図４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。このような積雪時には、空調装置全体が積雪Ｓに覆われている状態である。しかしながら、車両５の側壁は垂直に近い傾斜した面であり、この面には積雪しにくいので、側面空気取入口４４および側面空気排出口４５が積雪によって塞がれることを抑制できる。室外ファン２４によって側面空気取入口４４から取り入れられた外気は、屋根空気取入口４２と底面空気取入口４０を通って室外熱交換器２３で冷却され、圧縮機２１を冷却した後、底面空気排出口４１から屋根空気排出口４３に至り、天井ダクト２８を通って車体の側面空気排出口４５から室外機室５０の外部へ排出される。

以上のように本発明の構成によれば、室外機室５０の室外熱交換器２３と室外ファン２４は、上部に開口部のないカバー２７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く、室外ファン２６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、降雨、降雪等により室外熱交換器２３の表面で水分が氷結したり、霜になったりして目詰まりすることを抑制できる。また、積雪によって空調装置２０の外気の空気取入口と空気排出口が雪で塞がることを防止できるので、空調装置の暖房運転を継続できる。

以上の実施例では室外機室５０と室内機室６０とを連続して備えたユニット一体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５０と室内機室６０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。

５ 鉄道車両
１１ 屋根
２０ 空調装置
２１ 圧縮機
２２ａ，２２ｂ 室内熱交換器
２３ 室外熱交換器
２４ 室外ファン
２５ 室内ファン
２６ 仕切壁
２７ 室外カバー
２８ 天井ダクト
２９ 立ち上りダクト
３０ シールパッキン（空気取入口）
３１ シールパッキン（空気排出口）
３２ａ，３２ｂ リターン口
３３ 底板
４０ 底面空気取入口
４１ 底面空気排出口
４２ 屋根空気取入口
４３ 屋根空気排出口
４４ 側面空気取入口
４５ 側面空気排出口

Claims (3)

1. 鉄道車両の車体の屋根に搭載されるヒートポンプ式空調装置であって、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、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空気取入口と、前記空調装置から空気を外部へ排出するために前記底板に備えられた空気排出口を車体の屋根に備えられた屋根空気取入口および屋根空気排出口にシールパッキンで接続したことを特徴とする鉄道車両用ヒートポンプ式空調装置。
2. 請求項１に記載された鉄道車両用ヒートポンプ式空調装置において、鉄道車両の車体の屋根の両側面の上部に設けられる空気取入口と空気排出口を備え、天井ダクトにより屋根の空気取入口と空気排出口にそれぞれ接続したことを特徴とする鉄道車両用ヒートポンプ式空調装置。
3. 請求項２に記載された鉄道車両用ヒートポンプ式空調装置において、前記屋根上に搭載された空調装置に必要な外気を取り入れる車体の一方の側面に設けられる空気取り入れ口と、車体の他方の側面に設けられる空気排出口を備えることを特徴とする鉄道車両用ヒートポンプ式空調装置。

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