JP2017178264A - 鉄道車両用空気調和装置 - Google Patents

Abstract

【課題】下側面が内側に傾斜している鉄道車両の床下に配置されるタイプの鉄道車両用空気調和装置の室外部について、その設置空間を有効に活用し、室外部を小型化する。【解決手段】鉄道車両の床下に配置される室外部１００は、圧縮機１１１、１１２と、熱交換器１２１、１２２と、送風機１３０と、膨脹機構１４０と、を備えた冷媒回路と、冷媒配管１７０と、冷媒回路及び冷媒配管１７０とを収容する筐体１５０とを有する。筐体１５０は、鉄道車両の側面の傾斜部の一部を成す。熱交換器１２１、１２２は、筐体１５０の車両の側面の傾斜部の一部を成す面に設けられた通気口１５０ａと送風機１３０の間に配置され、冷媒配管１７０により接続される。熱交換器１２１は上側に、熱交換器１２２は下側に配置される。熱交換器１２１と熱交換器１２２とは、鉄道車両の床面に対する傾きが鋭角であり、傾きが互いに等しく、互いに平行に配置されている。【選択図】図１

Description

本発明は、鉄道車両用空気調和装置に関する。

鉄道車両内の空気調和を行う鉄道車両用空気調和装置は、鉄道車両という限られた空間に設置されることから厳しい寸法制限が要求される。

鉄道車両用の空気調和装置の室外部は、鉄道車両の床下に、車両の側面の一部を成すように配置される。図２に、室外部の配置位置の一例を示す。図２（ａ）は車両側面から見た場合の室外部の配置位置を示し、図２（ｂ）は、車両前面から見たときの室外部の配置位置を示す。図２に示すように、鉄道車両の下側面が内側に傾斜している場合、室外部内を箱形の形状とすることはできず、室外部内の収容可能なスペースに制限が加えられる。

空気調和装置の室外部は、圧縮機、熱交換器、送風機、膨張弁、四方弁、冷媒配管を含み、冷房運転の場合、室内部から戻ってきた冷媒の圧縮と、放熱と、冷媒の減圧とを行う。暖房運転の場合、室外部は、冷媒の減圧と、吸熱と、冷媒の圧縮とを行う。図５に室外部の筐体１５０内に３台の圧縮機１１０と、１台の熱交換器１２０と、２台の送風機１３０と、が配置されている様子を示す。図５（ａ）は、車両の上側（天井側）から室外部を見た場合の平面図であり、図５（ｂ）は、車両前面側から室外部を見た場合の断面図である。なお、図面の見やすさのため、ここでは冷媒配管、膨張弁、四方弁の図示を省略している。

室外部の小型化のため、圧縮機１１０の容量を増加させて、圧縮機１１０を２台だけ使用し、さらに、送風機１３０の性能を向上させて、送風機１３０を１台だけ使用することができる。図６に、圧縮機１１０と送風機１３０の台数を減らした場合の、筐体１５０内の配置の例を示す。図６に示す例では、図５に示す例に比べ、圧縮機１１０、送風機１３０の設置のために必要とされるスペースが減っている。しかし、熱交換器１２０のサイズが変わらないため、室外部を小型化することはできていない。これは、必要とされる熱交換容量が決まっている以上、熱交換器１２０のサイズを小さくすることが難しいことによる。

熱交換器１２０のサイズを小さくする代わりに、熱交換器１２０の形状を従来のものから変えることで、熱交換器の設置スペースを減らすことも考えられる。熱交換器の形状の例として、特許文献１には、逆Ｕ字型の形状を有する熱交換器が開示されている。

特許第２９４８５０２号公報

図７は、特許文献１の熱交換器を採用した室外部の内部の配置例である。逆Ｕ字型の熱交換器１２０は溝部分が空いているため、熱交換器の収容スペースを抑えることができるようにも考えられる。

しかし、この逆Ｕ字型の熱交換器を室外部に配置した場合、決められた熱交換容量を確保するため、熱交換器と壁面との間に送風機から送り出された風が通過するため、ある程度の空間を確保しなければならない。

さらに、図７（ｂ）に示すように、筐体１５０は箱形ではない。このため、熱交換器１２０と筐体１５０が有する斜面Ｓ１との間には利用されていない空間Ｄ１、いわゆるデッドスペースが存在する。従って、熱交換器１２０の形状を従来のものから変えたとしても、室外部の内部にデッドスペースが存在する以上、室外部の小型化できる範囲には限界がある。

また、図６に示した構成においても、熱交換器１２０と筐体１５０が有する斜面Ｓ１との間には利用されていない空間Ｄ１、熱交換器１２０と、筐体１５０の上側の面（車両の床面側の面）との間の空間Ｄ２が存在し、筐体内のスペースが有効的に活用されているとは言えない。

本発明は、上記実情を鑑みてなされたものであり、下側面が内側に傾斜している鉄道車両の床下に配置されるタイプの鉄道車両用空気調和装置の室外部について、その設置空間を有効に活用し、室外部を小型化することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る鉄道車両用空気調和装置は、鉄道車両の床下に室外部が配置される。室外部は、可変速運転可能に構成され、冷媒を圧縮する圧縮機と、外気との熱交換を行う第１の熱交換器及び第２の熱交換器と、可変速運転可能に構成され、通気口から取り込んだ外気を熱交換器に送風する送風機と、冷媒を膨張させる膨張機構と、を備えた冷媒回路と、冷媒が流れる冷媒配管と、冷媒回路及び冷媒配管を収容する筐体と、を有する。筐体は、鉄道車両の側面の傾斜部の一部を成し、筐体の鉄道車両の側面の傾斜部の一部を成す面には通気口が設けられる。第１の熱交換器と第２の熱交換器とは、通気口と送風機の間に配置され、冷媒配管により接続される。第１の熱交換器は上側に、第２の熱交換器は下側に、配置される。第１の熱交換器と第２の熱交換器とは、鉄道車両の幅方向にずらして配置される。さらに、第１の熱交換器と第２の熱交換器とは、鉄道車両の床面に対する傾きが鋭角であり、傾きが互いに等しく、第１の熱交換器と第２の熱交換器とは互いに平行に配置される。第１の熱交換器と第２の熱交換器の鉄道車両の床面に対する傾きは、２０度から３０度の範囲内である。

本発明によれば、下側面が内側に傾斜している鉄道車両の床下に配置されるタイプの鉄道車両用空気調和装置の室外部について、その設置空間を有効に活用し、室外部を小型化することができる。

実施の形態１に係る空気調和装置の室外部内の各構成要素の配置を示す図である。（ａ）は車両の上側から室外部を見た場合の平面図である。（ｂ）は、車両前面側から室外部を見た場合の断面図である。 鉄道車両における空気調和装置の配置位置の一例を示す図である。（ａ）は、車両側面側から見た場合の空気調和装置の配置位置を示す。（ｂ）は、車両前面側から見た場合の空気調和装置の配置位置を示す。 実施の形態２に係る熱交換器の構成の一例を説明するための図であり、車両側面側から室外部を見た場合の室外部の断面図である。 実施の形態２に係る熱交換器の構成の他の例を説明するための図であり、車両側面側から室外部を見た場合の室外部の断面図である。 従来の空気調和装置の室外部内の各構成要素の配置を示す図である。（ａ）は車両の上側から室外部を見た場合の平面図である。（ｂ）は、車両前面側から室外部を見た場合の断面図である。 圧縮機、送風機の個数を減らした場合の空気調和装置の室外部内の各構成要素の配置を示す図である。（ａ）は車両の上側から室外部を見た場合の平面図である。（ｂ）は、車両前面側から室外部を見た場合の断面図である。 逆Ｕ字型の熱交換器を有する室外部内の各構成要素の配置を示す図である。（ａ）は車両の上側から室外部を見た場合の平面図である。（ｂ）は、車両前面側から室外部を見た場合の断面図である。

（実施の形態１）
本発明の実施の形態に係る空気調和装置を図面を参照しながら説明する。実施の形態１に係る鉄道車両用空気調和装置１は、床下集中型空調装置である。空気調和装置１が有する室外部１００、室内部２００は、図２（a）、（ｂ）に示すように、鉄道車両Ｔの床下に設置される。図２（ｂ）に示すように、鉄道車両Ｔは、車両の下側側面に傾斜面Ｓを有している。なお、空気調和装置１（室外部１００と室内部２００）は、鉄道車両Ｔの長手方向の軸を中心として車両幅方向に左右対称となるよう２個配置される。

室外部１００、室内部２００は、協働して、冷房運転、暖房運転等を行う。空気調和装置１により、冷やされた、あるいは暖められた空気は、車両側面に配置された立ち上がりダクトを介して車両内に吐出される。

特徴的な構成を有する室外部１００については後述するものとして、まず、室内部２００について説明する。室内部２００は、従来の室内部と同様の構成を有する。室内部２００は、例えば、冷房の場合、冷媒配管を通る液化された冷媒を、熱交換器（冷房運転時には蒸発器として機能し、暖房運転時には凝縮器として機能する）で気化し、気化した冷媒により、室内の熱が吸熱される。暖房時には、室内部２００は、冷媒配管を通る気化した冷媒を、熱交換器で液化し、冷媒の液化により室内に熱が放熱される。

続いて、室外部１００に係る構成を説明する。図１に、実施の形態１に係る空気調和装置１の室外部１００内の各構成要素の配置の例を示す。室外部１００の冷媒回路は鉄道車両Ｔの床下に設置された筐体１５０に収容されている。筐体１５０は、鉄道車両Ｔの側面の一部を成す。図２（ｂ）に示すように、鉄道車両Ｔの下側側面が傾斜面Ｓを有しているため、図１（ｂ）に示すように室外部１００の筐体１５０の一部の面は傾斜面Ｓ１を有する。

室外部１００は、インバータ制御により可変速運転可能で、冷媒を圧縮する圧縮機１１１、１１２と、外気を使用して冷媒の熱交換（放熱又吸熱）を行う熱交換器１２１、１２２と、インバータ制御により可変速運転可能で、熱交換器１２１、１２２に送風する送風機１３０と、冷媒を膨張させる膨張機構１４０と、熱交換器１２１と熱交換器１２２との間に配置された仕切板１６０と、冷媒が通る冷媒配管１７０と、冷媒の流れる向きを切り替える四方弁１８０と、これらを収容する筐体１５０と、を有する。筐体１５０は、鉄道車両Ｔの側面の一部を成すように配置される。

図示するように、熱交換器１２１、１２２とは、冷媒配管１７０によって接続されている。なお、接続の形態は、直列でも、並列でも、冷媒を両者に分配する形態でもよい。また、熱交換器１２１、１２２の熱交換容量は等しい。冷房運転の場合、冷媒配管１７０を通って室内部２００から戻ってきた冷媒は、四方弁１８０を通過し、インバータ制御により可変速運転される圧縮機１１１、１１２で、圧縮され、高温高圧の気体にされる。それから、熱交換器１２１で冷媒の熱交換（放熱）が行われ、その後、熱交換器１２２で冷媒の熱交換（放熱）が行われる。インバータ制御により可変速運転される送風機１３０は、筐体１５０の傾斜面に設けられた通気口１５０ａから取り込んだ外気を熱交換器１２１、１２２に送風する。熱交換器１２２で熱交換が行われた後、膨張機構１４０により冷媒は膨張され（減圧され）、再び、室内部２００に送り出される。

室外部１００が有する熱交換器１２１、１２２の熱交換容量の合計は、図６に示すように室外部１００が１台の熱交換器１２０のみを有している場合に、熱交換器１２０に要求される熱交換容量と等しい。なお、図１、図６において、圧縮機、送風機等のスペックは等しいものとする。実施の形態１においては、熱交換器１２１、１２２の熱交換容量は等しく設計される。熱交換器１２１、１２２のサイズは、必要とされる熱交換容量の条件を満たすよう任意に決められる。さらに、熱交換器１２１、１２２の有効長Ｗ１、即ち、レールが伸びている方向（レール方向）の長さ、は、図６の熱交換器１２０の有効長Ｗ０より小さくなるよう設計する。このようにすることで、図１の筐体１５０の幅Ｌ１（レール方向の長さ）を図６の筐体１５０の幅より小さくすることができ、室外部１００を小型化できる。

熱交換器１２１、１２２は、図１（ｂ）に示すように、通気口１５０ａと送風機１３０の間に配置される。より具体的には、熱交換器１２１は、鉛直方向の上側（図１（ｂ）では紙面に向かって上側）、熱交換器１２２は、鉛直方向の下側（図１（ｂ）では紙面に向かって下側）に配置される。
また、より具体的には、熱交換器１２１は、鉛直方向の上側（図１（ｂ）では紙面に向かって上側）、熱交換器１２２は、鉛直方向の下側（図１（ｂ）では紙面に向かって下側）に配置される。
また、熱交換器１２１と１２２とは、鉄道車両Ｔの幅方向にずらして配置されている。具体的には、熱交換器１２１は、熱交換器１２２よりも幅方向外側に位置している。
熱交換器１２１の鉄道車両Ｔの床面に対する傾きα１、熱交換器１２２の鉄道車両Ｔの床面に対する傾きα２がいずれも鋭角、望ましくは、２０度〜３０度となるように、かつ、熱交換器１２１、１２２が互いに平行になるように配置されている。従って、傾きα１は傾きα２と等しい。さらに、熱交換器１２１、１２２は、熱交換器１２１、１２２の通気口１５０ａに近接する端部と筐体１５０の傾斜面との距離が等しくなるように配置される。従って、熱交換器１２１と送風機１３０との距離は、熱交換器１２２と送風機１３０との距離に比べ大きい。なお、熱交換器１２１、１２２の鉄道車両Ｔの床面に対する傾きα１、α２は、筐体１５０の大きさ、熱交換器１２１、１２２のサイズ、筐体１５０が有する傾斜面の角度により決まる。

熱交換器１２１、１２２の間には仕切板１６０が設けられている。図示する例では、仕切板１６０は、車両の床面に対して平行となるよう配置されている。なお、仕切板１６０の大きさ（縦横の長さ）、仕切板１６０の設置位置と姿勢、例えば、送風機１３０からの距離、列車の床面に対する傾きは、熱交換器１２１、１２２に均等に風を当てることができるような、大きさ、設置位置、傾きとなるよう決められる。

上述のように、室外部１００の筐体１５０の一部の面（通気口１５０ａが設けられた面）は傾斜面を有しているため、収容可能なスペースが制限されるため、本実施の形態においては、必要な熱交換容量の条件を満たす２つの熱交換器を使用する。さらに、２つの熱交換器１２１、１２２に、送風機１３０から送られる風を均等に当てるため、熱交換器１２１、１２２は互いに平行に、床面に対して傾けられて配置される。さらに、図１（ｂ）に示すように、熱交換器１２１と送風機１３０との間に空間を設けることで、冷却風の通風抵抗を低減して熱交換量の低下を抑えることができる。熱交換器１２１、１２２の間に設けられた仕切板１６０は、熱交換器１２１、１２２に対する均等な送風にさらなる効果を奏する。

このように、実施の形態１においては、２つの熱交換器を使用して、必要な熱交換容量を確保した上で、室外部内のデッドスペースを有効に活用して、熱交換器を配置する。よって、図１に示す熱交換器１２１、１２２の幅Ｗ１を、図６に示す熱交換器１２０の幅Ｗ０（Ｗ１＜Ｗ０）より小さくできる。従って、室外部１００の筐体１５０の幅について、図６の幅Ｌ０から、図１の幅Ｌ１（Ｌ１＜Ｌ０）に小さくすることができる。このようにして、室外部１００を小型化することができる。

なお、上述の実施の形態では、熱交換器１２１の鉄道車両Ｔの床面に対する傾きα１、熱交換器１２２の鉄道車両Ｔの床面に対する傾きα２が等しい例を説明したが、α１、α２は等しくなくてもよい。また、上述の実施の形態では、熱交換器１２１と、熱交換器１２２とが互いに平行とする例を説明したが、熱交換器１２１と、熱交換器１２２とは互いに平行でなくてもよい。

（実施の形態２）
実施の形態１では、熱交換器１２１、１２２に均等に風を当て、熱交換器１２１、１２２が十分な冷却能力を発揮できるよう、熱交換器１２１、１２２を、車両の床面に対して決められた角度だけ傾け、互いに平行となるよう、配置することを説明した。さらに、熱交換器１２１、１２２がより効率よく熱交換を行うことができるよう、熱交換器１２１、１２２を以下のように構成することもできる。

熱交換器として、室外部１００に空気が流れる複数のフィンと、複数のフィンに挿入され内部に冷媒が流れる伝熱管とを備えた熱交換器（フィンチューブ熱交換器）を使用してもよい。国際公開第２０１４／１４７７８８号には、機械拡管方式で細径の伝熱管の外径を拡げ、伝熱管とフィンとを密着させた熱交換器が開示されている。上記文献に開示された熱交換器を採用した室外部の断面図を図３に示す。また、伝熱管の拡管前の外径に対する拡管後の外径の増加の割合（拡管率）を変えた室外部の断面図を図４に示す。このような構成により、フィンと伝熱管の密着性の低下を抑制し、熱交換能力の低下を抑制し、さらに、室外部内のデッドスペースを有効に活用することができる。

上記実施の形態では、室外部１００内の熱交換器の配置について説明したが、熱交換器を上記説明したように構成することは、室内部２００にも応用可能である。

図２に示すように、鉄道車両Ｔは、車両の下側側面に傾斜面を有しているため、室内部２００が床下に配置される場合、室内部２００の筐体の一部の面も傾斜面を有する。このため、室外部と同様に、熱交換器を配置することで、室内部を小型化することができる。

上記実施の形態では、床下集中型の空気調和装置の例を説明したが、本発明に係る空気調和装置は、室外部が、下側面が内側に傾斜している鉄道車両の床下に配置される場合に、特に有効である。例えば、室外部が床下に配置され、室内部が車両の屋根の上に配置されるセパレート型の空気調和装置であっても、適用することができる。

この発明は、この発明の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施の形態及び変形が可能とされるものである。また、上述した実施の形態は、この発明を説明するためのものであり、この発明の範囲を限定するものではない。すなわち、この発明の範囲は、実施の形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。そして、特許請求の範囲内及びそれと同等の発明の意義の範囲内で施される様々な変形が、この発明の範囲内とみなされる。

１ 鉄道車両用空気調和装置、１００ 室外部、１１０，１１１，１１２ 圧縮機、１２０，１２１，１２２ 熱交換器、１３０ 送風機、１４０ 膨張機構、１５０ 筐体、１５０ａ 通気口、１６０ 仕切板、１７０ 冷媒配管、１８０ 四方弁、２００ 室内部、Ｔ 鉄道車両。

Claims (3)

1. 鉄道車両の床下に室外部が配置された鉄道車両用空気調和装置であって、
   前記室外部は、可変速運転可能に構成され、冷媒を圧縮する圧縮機と、外気との熱交換を行う第１の熱交換器及び第２の熱交換器と、可変速運転可能に構成され、通気口から取り込んだ外気を前記熱交換器に送風する送風機と、冷媒を膨張させる膨張機構と、を備えた冷媒回路と、冷媒が流れる冷媒配管と、前記冷媒回路及び前記冷媒配管を収容する筐体と、を有し、
   前記筐体は、前記鉄道車両の側面の傾斜部の一部を成し、前記筐体の前記鉄道車両の側面の傾斜部の一部を成す面には前記通気口が設けられ、
   前記第１の熱交換器と前記第２の熱交換器とは、前記通気口と前記送風機の間に配置され、前記冷媒配管により接続され、
   前記第１の熱交換器は上側に、前記第２の熱交換器は下側に、配置され、
   前記第１の熱交換器と前記第２の熱交換器とは、前記鉄道車両の幅方向にずらして配置され、
   前記第１の熱交換器と前記第２の熱交換器とは、前記鉄道車両の床面に対する傾きが鋭角であり、前記傾きが互いに等しく、前記第１の熱交換器と前記第２の熱交換器とは互いに平行に配置されており、
   前記第１の熱交換器と前記第２の熱交換器の前記鉄道車両の床面に対する前記傾きは、２０度から３０度の範囲内である、
   鉄道車両用空気調和装置。
2. 前記第１の熱交換器と前記第２の熱交換器の間には、仕切り板が配置され、前記仕切り板は前記床面に対して平行である、
   請求項１に記載の鉄道車両用空気調和装置。
3. 前記第１の熱交換器と前記第２の熱交換器はフィンを備え、前記冷媒配管が前記フィンに密着している、
   請求項１又は２に記載の鉄道車両用空気調和装置。

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