JP2019156019A - 車両用換気空調システム及び換気方法 - Google Patents

Abstract

【課題】過不足のない適切な換気を行うことができる車両用換気空調システム及び換気方法を提供する。【解決手段】空調制御装置は、鉄道車両１の乗降扉３が開状態にあるか否かを判定する。空調制御装置は、乗降扉３が開状態にないと判定した場合に、鉄道車両１の走行速度が基準速度を下回ると、必要換気量で鉄道車両１の客室２を換気し、鉄道車両１の走行速度が基準速度を上回り、かつ、客室２の室内温度と目標温度との差が基準値を越えると、必要換気量よりも多い換気量で客室２を換気する。空調制御装置は、乗降扉３が開状態にあると判定した場合に、必要換気量よりも自然換気量だけ少ない換気量で客室２を換気する。【選択図】図１

Description

本発明は、車両用換気空調システム及び換気方法に関する。

鉄道車両用の空調装置では、調和空気を客室内に送風するのみならず、新鮮な外気を車内に導入するため、換気運転を行う場合がある。従来、このような空調装置の換気運転においては、換気量は常に一定であるのが一般的である。また、特許文献１には、トンネルに入る直前に換気量を上げて客室内に流入する外気量を増やすことが開示されている。

特開２００１−８８６９９号公報

上記特許文献１では、鉄道車両の乗降扉が開状態であるときには換気を停止することが開示されている。しかしながら、乗降扉が開いているときに換気を停止すれば、十分な換気ができなくなるおそれがある。一方で、換気量を常に一定とした場合には、乗降扉が開いているときに空調装置が過負荷となり、客室内の温度が目標温度から大きくずれたままとなって乗客が不快に感じるようになるおそれがあるうえ、消費電力が増大するおそれがある。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、過不足のない適切な換気を行うことができる車両用換気空調システム及び換気方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の車両用換気空調システムは、鉄道車両の換気及び空調を行う車両用換気空調システムであって、換気部と、空調部と、駆動部と、監視部と、制御部と、を備える。換気部には、外気を取り入れる換気送風機が設けられている。空調部は、換気部と一体化して設けられ、換気送風機で取り入れられた外気と鉄道車両の客室から排出された戻り空気とを混合して取り込み、取り込んだ空気に対して熱交換を行った後で客室に送ることにより、客室の室内温度を目標温度に制御する。駆動部は、入力される指令に従って、換気送風機をインバータにより周波数駆動する。監視部は、客室における開状態にある扉枚数を含む乗降扉の開閉状態と、鉄道車両の走行速度とを監視する。制御部は、監視部で監視される客室における乗降扉の開閉状態と、鉄道車両の走行速度とに基づいて、換気送風機に強制的に換気させる強制換気量に応じた指令を駆動部に出力する。制御部は、監視部で監視される乗降扉の開閉状態に基づいて、乗降扉が開状態にあるか否かを判定する。制御部は、乗降扉が開状態にないと判定した場合に、監視部で監視される鉄道車両の走行速度が基準速度を下回ると、第１の換気量に応じた指令を駆動部に出力し、鉄道車両の走行速度が基準速度を上回り、かつ、室内温度と目標温度との差が基準値を越えると、第１の換気量よりも多い第２の換気量に応じた指令を駆動部に出力する。制御部は、乗降扉が開状態にあると判定した場合に、第１の換気量よりも少ない第３の換気量に応じた指令を駆動部に出力する。

本発明によれば、鉄道車両の走行速度が基準速度を上回り、かつ、客室の室内温度と空調の目標温度との差が大きい場合には、制御部が換気送風機による換気量を多くする。さらに、鉄道車両の乗降扉が開状態にある場合には、制御部が換気送風機による換気量を少なくする。このように、換気送風機による換気量を、鉄道車両の客室の状況に応じて増減することができるので、過不足のない適切な換気を行うことができる。

（Ａ）は、低速走行中の鉄道車両を示す模式図、（Ｂ）は、高速走行中の鉄道車両を示す模式図、（Ｃ）は、乗降扉が開状態にある鉄道車両を示す模式図 本発明の実施の形態１に係る車両用換気空調システムを構成する換気空調装置の構成及び空気の流れを示す模式図 本発明の実施の形態１に係る車両用換気空調システムの制御系の構成を示すブロック図 空調制御装置の換気制御処理のフローチャート 乗降扉の開閉状態を判定する処理に関するタイミングチャート 鉄道車両の走行速度と換気量との関係を示すグラフ 本発明の実施の形態２に係る車両用換気空調システムの制御系の構成を示すブロック図 本発明の実施の形態３に係る車両用換気空調システムを構成する空調制御装置の換気制御処理のフローチャート 本発明の実施の形態４に係る車両用換気空調システムを構成する空調制御装置の換気制御処理のフローチャート

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。図中、同一又は対応する部分には同一の符号を付している。

（実施の形態１）
まず、本発明の実施の形態１について説明する。本実施の形態に係る車両用換気空調システムは、高速鉄道に用いられる鉄道車両の換気及び空調を行う。

図１（Ａ）、図１（Ｂ）及び図１（Ｃ）に示すように、鉄道車両１には、内部に客室２が設けられている。客室２には、定員人数が定められている。定員人数は、一般的には、客室２の床面積の大きさによって決まる。図１（Ａ）、図１（Ｂ）及び図１（Ｃ）では、便宜的に、鉄道車両１の定員人数を５人として示しており、３人が実際に乗車していることを表している。

鉄道車両１の下部には、台車４が２台設けられている。台車４には、それぞれ車軸が２本設けられている。台車４が、鉄道車両１を支持しつつ車軸が線路Ｓ上で回転することにより、鉄道車両１が線路Ｓ上を走行する。台車４には、鉄道車両１の台車４にかかる客室２の荷重を検出する荷重センサ５が設けられており、荷重センサ５で検出される荷重の増分から、乗車人数を推定することができる。図１（Ａ）、図１（Ｂ）及び図１（Ｃ）では、荷重センサ５での荷重の増分を人間の平均体重で除算すれば、乗車人数が３人であることを割り出すことができる。

また、鉄道車両１には、乗降扉３が設けられている。乗降扉３は開閉して、乗客が客室２に出入りするのに用いられる。鉄道車両１は高速に走行する車両であるため、乗降扉３は、鉄道車両１の進行方向に向かって前後左右にのみ設けられている。

鉄道車両１の２台の台車４の間には、換気空調装置１０及び空調装置１１が設けられている。換気空調装置１０は、客室２の換気及び空調制御を行い、空調装置１１は、客室２の空調制御を行う。高速車両である鉄道車両１は、一般の通勤用の鉄道車両と比較して、乗客の呼気により客室２の二酸化炭素の濃度が増えやすい傾向があり、より多くの新鮮な空気による換気を必要とする。このため、鉄道車両１には、換気と空調とを同時に行う換気空調装置１０が取り付けられている。

図１（Ａ）に示すように、乗降扉３が閉状態にあり、鉄道車両１が低速で走行している場合、換気空調装置１０は、客室２の乗車人数に応じた換気制御を行う。図１（Ａ）に示すように、客室２に３人乗車している場合には、換気空調装置１０は、定員人数である５人が乗車していた場合よりも小さい５分の３の換気量で換気制御を行う。

ここで、低速とは、後述する基準速度を下回る走行速度で鉄道車両１が走行する状態をいう。また、換気量とは、単位時間当たりで換気される空気の量であり、換気速度ともいう。なお、以下では、客室の換気に必要な換気量を必要換気量という。

また、図１（Ｂ）に示すように、乗降扉３が閉状態で、鉄道車両１が高速で走行し、客室２の室内温度と、換気空調装置１０及び空調装置１１の目標温度との乖離が大きい場合には、換気空調装置１０は、客室２の乗車人数に応じた換気量より多い換気量で換気を行う。

ここで、高速とは、後述する基準速度を越える走行速度で鉄道車両１が走行する状態をいう。換気空調装置１０では、換気量を一定にした場合であっても、鉄道車両１が高速で走行しているときには、低速に走行しているときよりも客室２に供給される新鮮な空気の量が減る。このため、空調された客室２の室内温度が目標温度に到達することが難しくなり、乗客に不快感を与えるおそれがある。そこで、本実施の形態では、鉄道車両１が高速で走行し、客室２の室内温度と目標温度との乖離が大きい場合に、換気空調装置１０は、換気量を増やしている。

さらに、図１（Ｃ）に示すように、鉄道車両１が駅のホームＨに到着し、乗降扉３が開状態にある場合には、換気空調装置１０は、乗降扉３を介して出入りする空気の分だけ、乗車人数に応じた換気量よりも小さい換気量で換気を行う。換気空調装置１０が必要以上に客室２の換気を行うのを防ぐためである。ここで、開状態にある乗降扉３を介して自然に換気される換気量を自然換気量ともいう。

上述の制御を行う換気空調装置１０は、図２に示すように、客室２の空調を行う室内機２０と、室内機２０と協働して動作する室外機２１とを備える。室内機２０は、客室２の換気を行う換気部２０Ａと、客室２の空調を行う空調部２０Ｂと、を備える。

換気部２０Ａには、外部と連通する開口である外気吸入口２０ａと、外気を取り入れる換気送風機２０ｂとが設けられている。換気送風機２０ｂが動作すると、新鮮な空気である外気は、外気吸入口２０ａから取り込まれて換気送風機２０ｂにより室内機２０に送られる。

空調部２０Ｂは、換気部２０Ａと一体化して設けられている。空調部２０Ｂには、客室２と連通する戻り空気口２０ｃと、空調部２０Ｂ内に取り込まれた空気を送る室内送風機２０ｄと、熱交換を行う熱交換器２０ｅとが設けられている。室内送風機２０ｄは、換気送風機２０ｂで取り入れられた外気と、鉄道車両１の客室２から戻り空気口２０ｃを介して排出された戻り空気とを混合して取り込み、その混合空気を熱交換器２０ｅに送る。熱交換器２０ｅは、空調部２０Ｂと室外機２１との間を循環する冷媒回路の一部であり、混合空気と熱交換を行う。熱交換が行われた混合空気は、冷気として吹き出し口２０ｆを介して客室２に送られる。このように、空調部２０Ｂは、取り込んだ混合空気に対して熱交換を行った後に客室２に送ることにより、客室２の室内温度を目標温度に制御する。客室２の車内温度は、温度センサ７で検出され、フィードバック制御に用いられる。

上述のように、換気空調装置１０では、換気部２０Ａで吸入された新鮮な空気が、空調部２０Ｂで戻り空気と混合され、客室２に送られる。このようにして、換気空調装置１０は、換気と空調とを同時に行う。なお、換気送風機２０ｂにより、客室２に送られる換気量を以下では、強制換気量という。

図１（Ａ）、図１（Ｂ）及び図１（Ｃ）に戻り、空調装置１１は、図２の換気空調装置１０の構成のうち、換気部２０Ａを有しない構成となっている。

換気空調装置１０による換気制御及び空調制御を行うため、図３に示すように、鉄道車両１には、空調制御装置５０を中心とした換気及び空調制御の制御系、すなわち車両用換気空調システム１００が構築されている。車両用換気空調システム１００は、鉄道車両１の１両単位の構成要素として、上述の換気空調装置１０及び空調装置１１に加え、駆動部としての換気送風機２０ｂを駆動する換気インバータ５２と、室内送風機２０ｄを駆動する室内インバータ５３と、鉄道車両１の状態を監視する監視部５１と、客室２の換気及び空調を制御する空調制御装置５０と、を備える。

駆動部としての換気インバータ５２は、換気空調装置１０に組み込まれている。換気インバータ５２は、入力される換気量に応じた指令に従って、換気送風機２０ｂを周波数駆動する。換気インバータ５２は、指令された換気量に対応する回転数で換気送風機２０ｂのコンプレッサを回転させる可変周波数制御、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御を行って、換気送風機２０ｂの換気量を可変に駆動する。

室内インバータ５３は、換気空調装置１０に組み込まれている。室内インバータ５３は、入力される換気量に応じた指令に従って、室内送風機２０ｄを周波数駆動する。具体的には、室内インバータ５３は、可変周波数制御を行って、室内送風機２０ｄの換気量を可変に駆動する。

なお、換気空調装置１０には、客室２の室内温度を検出する温度センサ７が設けられている。温度センサ７は、客室２内に設けられていてもよい。

監視部５１は、この他、客室２における乗客の乗車率と、客室２における乗降扉３の開閉状態を監視する。具体的には、監視部５１は、荷重センサ５によって検出される荷重と、自号車の定員人数とに基づいて、上述のようにして、鉄道車両１の客室２における乗車率を算出する。さらに、監視部５１は、乗降扉３の開閉状態を制御する乗降扉制御部８からの信号に基づいて、乗降扉３の開閉状態を監視する。乗降扉３の開閉状態には、乗降扉３の開口面積、開状態にある乗降扉３の枚数の情報が含まれる。監視部５１は、空調制御装置５０から、空調に関する情報を受信する。このような情報には、室内温度、目標温度、湿度、気圧、換気に関する情報がある。

中央制御装置６０は、鉄道車両１が連結された先頭車両に設けられており、複数の鉄道車両１で編成された列車全体を統括制御する。速度センサ６は、鉄道車両１の走行速度を検出して、中央制御装置６０に送る。中央制御装置６０は、速度センサ６から送られた鉄道車両１の走行速度を、監視部５１に送る。監視部５１は、中央制御装置６０から送られる鉄道車両１の走行速度を空調制御装置５０に送る。一方で、中央制御装置６０は、監視部５１からの監視情報を入力する。中央制御装置６０は、編成された全ての号車の鉄道車両１の監視部５１と、各種情報の送受信を行っている。

監視部５１で監視される乗車率、乗降扉３の開閉状態、鉄道車両１の走行速度の情報は、空調制御装置５０に送られる。空調制御装置５０は、これらの情報に基づいて、換気送風機２０ｂによって換気される強制換気量に応じた回転数の指令を換気インバータ５２に出力して換気制御を行う。さらに、空調制御装置５０は、室内送風機２０ｄを駆動する回転数の指令を室内インバータ５３に出力して空調制御を行う。

より具体的には、空調制御装置５０は、監視部５１で監視される乗降扉３の開閉状態に基づいて、乗降扉３が開状態にあるか否かを判定する。また、空調制御装置５０は、乗降扉３が開状態にないと判定した場合に、監視部５１で監視される鉄道車両１の走行速度が基準速度を下回ると、第１の換気量、すなわち必要換気量に応じた回転数の指令を換気インバータ５２に指令する。なお、ここでの基準速度は、図６に示す第２の基準速度Ｈ２となる。

一方、空調制御装置５０は、鉄道車両１の走行速度が基準速度を上回り、かつ、温度センサ７で検出される室内温度と空調の目標温度との差が基準値を越えると、必要換気量よりも多い第２の換気量に応じた回転数を、換気インバータ５２に指令する。なお、ここでの基準速度は、図６に示す第１の基準速度Ｈ１となる。

さらに、空調制御装置５０は、乗降扉３が開状態にあると判定した場合に、必要換気量よりも自然換気量だけ少ない第３の換気量に応じた回転数を換気インバータ５２に指令する。

なお、空調制御装置５０は、上述のように換気空調装置１０を制御するとともに、空調装置１１も制御している。

空調制御装置５０は、ハードウエアの構成要素として、ＣＰＵ（Central Processing Unit）５０ａ、メモリ５０ｂ、記憶部５０ｃ及び入出力部５０ｄを備える。メモリ５０ｂ、記憶部５０ｃ、入出力部５０ｄはいずれも内部バス５０ｅを介してＣＰＵ５０ａに接続されている。

ＣＰＵ５０ａは、情報処理を行う中央処理装置である。空調制御装置５０では、ＣＰＵ５０ａが、記憶部５０ｃに記憶されているプログラムを実行することにより、空調制御装置５０の上述の機能が実現される。

メモリ５０ｂは、ＲＡＭ（Random-Access Memory）である。メモリ５０ｂには、記憶部５０ｃに記憶されているプログラムがロードされる。この他、メモリ５０ｂは、ＣＰＵ５０ａの作業領域（データの一時記憶領域）として用いられる。

記憶部５０ｃは、フラッシュメモリ、ハードディスクの不揮発性メモリである。記憶部５０ｃは、空調制御装置５０における換気制御及び空調制御に必要な情報を記憶する。

入出力部５０ｄは、外部機器との入出力インターフェイスである。入出力部５０ｄは、監視部５１、温度センサ７、換気インバータ５２、室内インバータ５３及び空調装置１１と接続されており、これらとの間でデータ入力又はデータ出力を行う。

次に、本実施の形態に係る車両用換気空調システム１００の動作について説明する。ここでは、車両用換気空調システム１００を構成する空調制御装置５０のＣＰＵ５０ａによる換気空調装置１０を用いた換気制御処理の流れについて説明する。

図４に示すように、まず、ＣＰＵ５０ａは、監視部５１から送られる乗降扉３の開閉状態に基づいて、乗降扉３が開状態にあるか否かを判定する（ステップＳ１０）。図５に示すように、監視部５１から送られる乗降扉３の開閉状態の監視情報が、乗降扉３が閉状態から開状態に移行したことを示した時点ｔ１で、ＣＰＵ５０ａは、乗降扉３が開状態にあると判定する。

一方、乗降扉３が実際に開状態から閉状態に移行した時点ｔ２でも、ＣＰＵ５０ａは、乗降扉３が閉状態になったとは判定しない。時点ｔ２経過後、走行速度が閾値αを越えるまで、ＣＰＵ５０ａは、乗降扉３が開状態にあると判定する。時点ｔ３において、走行速度が閾値αを越えると、ＣＰＵ５０ａは、閉状態に移行したと判定する。なお、閾値αは、図６の第２の基準速度Ｈ２よりも低く設定されている。

乗降扉３が閉状態に移行した後は、客室２に乗り込んできた乗客の移動が発生する。このため、乗降扉３が実際に開状態から閉状態に移行した後、鉄道車両１の走行速度が閾値α以上に達するまでは客室２の換気状態は安定しない。そこで、本実施の形態では、ＣＰＵ５０ａは、時点ｔ３となり客室２の状態が安定するまでは乗降扉３が開状態にあるとみなす。このようにすることで、安定した換気制御が実現される。

なお、時点ｔ４で鉄道車両１が再び停止後、乗降扉３が開いた時点ｔ５で、ＣＰＵ５０ａは、乗降扉３が開状態に移行したと判定する。

続いて、ＣＰＵ５０ａは、乗降扉３が開状態にないと判定する場合（ステップＳ１０；ＮＯ）、自然換気量に「０」を設定する（ステップＳ１５）。閉状態となった乗降扉３からは、外気が換気されることはないためである。

次に、ＣＰＵ５０ａは、客室２の乗車人数Ｎ（Ｎは０又は自然数）を、監視部５１から送られた乗車率に基づいて算出する（ステップＳ２０）。具体的には、ＣＰＵ５０ａは、乗車率に定員人数を乗算することにより、乗車人数Ｎを算出する。なお、乗車率が０である場合には、換気量が０となるのを防ぐため、乗車人数Ｎを１以上の数値としてもよい。

続いて、ＣＰＵ５０ａは、以下の式を用いて乗車人数Ｎに基づいて必要換気量Ｖを算出する（ステップＳ２５）。
Ｖ＝（ａ１／（ｎ−ｐ））×Ｎ…（１）
ここで、上記式（１）の各変数は、以下の通りに定義される。
Ｖ：必要換気量（ｍ^３／ｈ）
ａ１：１人あたりが吐き出すＣＯ_２の量である。ただし、１５．０×１０^−３（ｍ^３／ｈ）とする。空気調和・衛生工学会規格の中の換気基準では、エネルギー代謝率“０：安静時”の１人あたりが吐き出すＣＯ_２の量は、１３．２×１０^−３である。しかし、乗客には立っている人も含まれている。このため、この規格ではエネルギー代謝率“1：極軽作業の下限”に近い１５．０×１０^−３を選択するのが望ましい。
ｎ：車内の標準清浄度（体積濃度）である。ただし、１５．０×１０^−３とする。空気の汚れを表す総合的な指標である二酸化炭素の設計基準濃度としては、一般には１．０×１０^−３が採用されている。しかし、これまで旅客車では“乗り心地環境を良好に保つための最低の基準濃度値”として１．５×１０^−３という数値が使われているので、この数値を採用するのが望ましい。
ｐ：外気の清浄度（体積濃度）である。ただし、ｐの値を０．３５×１０^−３とする。
Ｎ：乗車人数である。

次に、ＣＰＵ５０ａは、鉄道車両１の走行速度と、客室２の温度とが、補正条件を満たす場合に、ステップＳ２５で算出した必要換気量Ｖを補正する（ステップＳ３０）。具体的には、ＣＰＵ５０ａは、鉄道車両１の走行速度が、低速域にある場合と、高速域にある場合とで、必要換気量をＶ又はＶ＋ΔＶのいずれかに切り替える。

まず、図６に示すように、鉄道車両１の走行速度が、第１の基準速度Ｈ１より低い低速域にある場合には、ＣＰＵ５０ａは、乗車人数Ｎに基づいて算出した必要換気量Ｖを強制換気量として、換気インバータ５２を介して換気送風機２０ｂを駆動させる。ここで、ＣＰＵ５０ａは、鉄道車両１が加速し、走行速度が第１の基準速度Ｈ１を上回ると、空調される客室２の温度と目標温度を検出し、その差が基準値β以上である場合、必要換気量Ｖを補正値ΔＶだけ減らしたＶ＋ΔＶに補正して、Ｖ＋ΔＶを強制換気量として、換気インバータ５２を介して換気送風機２０ｂを駆動させる。

また、鉄道車両１が減速し、走行速度が第２の基準速度Ｈ２を下回ると、必要換気量をＶに戻す。このように、必要換気量の切換点となる基準速度には、ヒステリシスが設定されている。すなわち、鉄道車両１が加速し、走行速度が低速から高速に移行する場合には、ＣＰＵ５０ａは、走行速度が第１の基準速度Ｈ１に達したことをもって、必要換気量を、ＶからＶ＋ΔＶに切り換える。一方、鉄道車両１が減速し、走行速度が第２の基準速度Ｈ２を越えて、高速から低速に移行する場合には、ＣＰＵ５０ａは、走行速度が第２の基準速度Ｈ２に達した時点で、必要換気量を、Ｖ＋ΔＶからＶに戻す。このようなヒステリシスを設けるのは、鉄道車両１が細かく加減速することによって、必要換気量の切り換えが頻繁に発生して、制御が不安定になることを防ぐためである。

図４に戻り、続いて、ＣＰＵ５０ａは、必要換気量から自然換気量を差し引くことにより、強制換気量を算出する（ステップＳ３５）。ここで、必要換気量は、ステップＳ２５で求められた必要換気量Ｖか、ステップＳ３０で補正された必要換気量Ｖ＋ΔＶかのいずれかである。一方、自然換気量は、ステップＳ１５で設定された自然換気量「０」である。よって、ここでは、強制換気量は、必要換気量に等しくなる。そのため、ステップＳ３５の処理は省略することができる。

次に、ＣＰＵ５０ａは、ステップＳ３５で算出された強制換気量に応じた回転数を算出して換気インバータ５２にその回転数の指令を出力し、強制換気を実施する（ステップＳ４０）。なお、強制換気量と換気インバータ５２の回転数との関係は、予め試験にて算出されており、その関係が記憶部５０ｃに記憶されている。ＣＰＵ５０ａは、記憶部５０ｃに記憶された強制換気量と換気インバータ５２の回転数との関係に基づいて、強制換気量に対応する換気インバータ５２の回転数を算出する。

一方、乗降扉３が開状態にあると判定する場合（ステップＳ１０；ＹＥＳ）、ＣＰＵ５０ａは、必要換気量Ｖを記憶部５０ｃから呼び出す（ステップＳ５０）。必要換気量Ｖは、直前にステップＳ２５にて算出された値である。なお、この時点では、鉄道車両１は、駅のホームＨで停止しているので、必要換気量はＶ＋ΔＶではなく、Ｖとなる。なお、ステップＳ５０を実行する際に、ステップＳ２５が実行されていなかった場合には、ＣＰＵ５０ａは、上記式（１）の乗車人数Ｎに定員人数を入力して、必要換気量Ｖを求める。

続いて、ＣＰＵ５０ａは、監視部５１で監視されている乗降扉３の開閉状態に基づいて、開状態にある乗降扉３の枚数を検出する（ステップＳ５５）。

続いて、ＣＰＵ５０ａは、監視部５１で監視される乗降扉３の開閉状態に基づいて、乗降扉３の開口面積を算出する（ステップＳ６０）。具体的には、ＣＰＵ５０ａは、開状態にある乗降扉３の枚数に、記憶部５０ｃに記憶される乗降扉３の１枚当たりの開口面積を乗算して、乗降扉３の開口面積を算出する。

続いて、ＣＰＵ５０ａは、以下の式（２）を用いて、すなわち算出された客室２の開口面積と客室２の床面積との比率に基づいて、開状態にある乗降扉３を介して自然に換気される自然換気量を算出する（ステップＳ６５）。
自然換気量＝開口面積／床面積×係数…（２）
ここで、係数としては、外気の温度と室内温度との偏差及び車外の風速に応じて異なる数値を用いることができる。外気の温度と室内温度との偏差及び車外の風速と、自然換気量を精度良く得ることができる係数との関係は、予め実験により求められ、それらの関係を示すテーブルが記憶部５０ｃに記憶されている。ＣＰＵ５０ａは、記憶部５０ｃに格納されたテーブルを参照し、外気温及び車外の風速を検出するセンサの検出値に対応する係数を読み出し、その係数を上記式（２）の計算に用いる。また、係数として、所与の一定値を用いるようにしてもよい。

続いて、ＣＰＵ５０ａは、以下の式（３）を用いて、必要換気量から、自然換気量を差し引くことにより、強制換気量を算出する（ステップＳ７０）。
強制換気量＝必要換気量−自然換気量…（３）
ここで、必要換気量は、ステップＳ５０で得られた必要換気量であり、自然換気量は、ステップＳ６５で求めた自然換気量である。

続いて、ＣＰＵ５０ａは、強制換気の実施を行う（ステップＳ７５）。具体的には、ＣＰＵ５０ａは、ステップＳ３５で算出された強制換気量に応じた回転数で換気する指令を算出して換気インバータ５２に出力する。

続いて、ＣＰＵ５０ａは、乗降扉３が閉状態にあるか否かを判定する（ステップＳ８０）。乗降扉３が閉状態にあると判定した場合（ステップＳ８０；ＹＥＳ）、ＣＰＵ５０ａは、ステップＳ１０に戻る。一方、ＣＰＵ５０ａは、乗降扉３が閉状態にないと判定した場合（ステップＳ８０；ＮＯ）、すなわち、鉄道車両１が停車状態にあり、乗降扉３が開いていると判定される場合、ＣＰＵ５０ａは、ステップＳ５５（開いた乗降扉の数の検出）に戻る。

なお、本実施の形態では、判定ステップ及び判定手段が、ステップＳ１０に対応し、第１の換気ステップ及び第１の換気手段が、ステップＳ１５〜ステップＳ４０に対応し、第２の換気ステップ及び第２の換気手段が、ステップＳ５０〜ステップＳ８０に対応する。

図５に示すように、本実施の形態によれば、乗車人数Ｎに応じた必要換気量Ｖが算出され、客室２の全体の換気量は、基本的に必要換気量Ｖで一定となる。時点ｔ１で乗降扉３が開状態になると、自然換気量が算出され、実際に換気送風機２０ｂで換気されるのは、必要換気量Ｖと自然換気量の差分である強制換気量となる。しかしながら、客室２の総換気量は、必要換気量Ｖで変動しない。

さらに、乗降扉３が閉状態となり、鉄道車両１の走行速度が閾値αを越えた時点ｔ３で、自然換気量は０となり、再び、換気送風機２０ｂで必要換気量Ｖでの換気が行われる。

さらに、鉄道車両１の走行速度が、第１の基準速度Ｈ１を越えた時点ｔ６で、さらに、室内温度と目標温度との差が基準値βを越えると、必要換気量は、ＶからＶ＋ΔＶに切り換えられる。これにより、室内機２０の動作による換気量の増加がΔＶにより相殺され、実質的な客室２全体の換気量は、一定に保たれるようになる。

さらに、鉄道車両１の走行速度が、第２の基準速度Ｈ２を下回った時点ｔ７で、必要換気量は、Ｖ＋ΔＶからＶへ切り換えられる。なお、室内温度と目標温度との差が基準値βを下回った時点で、必要換気量をＶ＋ΔＶからΔＶに戻すようにしてもよい。

その後、鉄道車両１が駅で停止し、時点ｔ５で乗降扉３が再び開状態になると、自然換気量が算出され、実際に換気送風機２０ｂで換気されるのは、必要換気量Ｖと自然換気量の差分である強制換気量となる。その後の必要換気量は、乗車人数の増減に従って増減する。

以上詳細に説明したように、本実施の形態によれば、鉄道車両１の走行速度が第１の基準速度Ｈ１を上回り、かつ、室内温度と空調の目標温度との差が大きい場合には、換気送風機２０ｂによる換気量を多くする。さらに、鉄道車両１の乗降扉３が開状態にあるときには、換気送風機２０ｂによる換気量を少なくする。このように、換気送風機２０ｂによる換気量を、鉄道車両１の客室２の状況に応じて変更することができるので、過不足のない適切な換気を行うことができる。

さらに詳細には、本実施の形態に係る車両用換気空調システム１００は、以下の効果を有する。
（１）乗降扉３が開いており、自然換気が行われるときには、換気送風機２０ｂによる強制換気量を減らすことができる。このため、電力使用量を低減することができる。
（２）乗降扉３の開閉状態に応じて、きめ細かい過不足のない換気制御を実現することができる。
（３）乗降扉３が開く直前の乗車人数に応じた必要換気量に基づいて換気を行っているため、乗客の不快感を低減することができるうえ、換気空調装置１０、空調装置１１の負荷が必要以上に大きくなるのを防止することができる。
（４）必要以上の換気を行わないようになるので、換気送風機２０ｂによる騒音を低減することができる。
（５）空調装置１１の換気熱負荷を軽減できるので、高性能な空調装置が不要となり、製造コストを抑えることができる。

（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２について説明する。上記実施の形態１では、図４に示すように、ステップＳ２５で記憶された、乗降扉３が開く直前の状態における乗客数に応じた必要換気量Ｖを、ステップＳ５０で読み出して、乗降扉３が開状態での必要換気量として用いた。しかしながら、本発明は、これに限られるものではない。

図７に示すように、本実施の形態に係る車両用換気空調システム１０１では、乗降扉３が開状態にあるとき、鉄道車両１が入線しているホームＨ上の乗客数を検出する乗客数検出部７０を備える。乗客数検出部７０は、ホームＨ上を撮影するカメラ７０Ａと、カメラ７０Ａで撮影された映像に対する画像処理を行って映像に映る乗客を抽出し、抽出された乗客の数を検出する検出装置７０Ｂと、を備える。車両用換気空調システム１０１のこの他の構成は、上記実施の形態１に係る車両用換気空調システム１００と同じである。

ステップＳ５０において、ＣＰＵ５０ａは、乗客数検出部７０で検出されたホームＨ上の乗客の数を乗車人数に、必要換気量を算出する。これにより、ホームＨから客室２に新しく乗り込む乗客数に応じて適切な換気量を確保することができる。

車両用換気空調システム１０１のこの他の動作は、上記実施の形態１に係る車両用換気空調システム１００（図４参照）と同じである。

（実施の形態３）
次に、本発明の実施の形態３について説明する。上記実施の形態１では、図４のステップＳ６５において、ＣＰＵ５０ａが、自然換気量を、以下の式（２）を用いて算出した。
自然換気量＝開口面積／床面積×係数…（２）
これに対して、本実施の形態３では、ＣＰＵ５０ａは、予め設定された一定の値を用いて自然換気量を設定する。記憶部５０ｃに、自然換気量として用いられる一定の値が記憶されている。図８に示すように、ＣＰＵ５０ａは、ステップＳ５５、Ｓ６０、Ｓ６５、Ｓ７０を実行せず、代わりにステップＳ８５を実行する。ステップＳ８５において、ＣＰＵ５０ａは、必要換気量から記憶部５０ｃに記憶された一定値の自然換気量を差し引くことにより、強制換気量を算出する。そして、ステップＳ７５において、その強制換気量に応じた指令が換気インバータ５２に出力され、換気送風機２０ｂによる客室２の強制換気が行われる。このようにすれば、ＣＰＵ５０ａにおける制御演算量を減らし、演算時間を短縮することが可能となる。

本実施の形態に係る車両用換気空調システムにおけるこの他の構成及び動作は、上記実施の形態１に係る車両用換気空調システム１００と同じである。

（実施の形態４）
次に、本発明の実施の形態４について説明する。上記実施の形態１では、乗降扉３が開状態にあると判定された場合（ステップＳ１０；ＹＥＳ）、ＣＰＵ５０ａは、記憶部５０ｃから必要換気量を読み出し（ステップＳ５０）、自然換気量を算出し（ステップＳ６５）、必要換気量から自然換気量を減算して強制換気量を算出した（ステップＳ７０）。これに対し、本実施の形態では、図９に示すように、ＣＰＵ５０ａは、ステップＳ６０、Ｓ６５を実行することなく、代わりにステップＳ９０、Ｓ９５を実行する。

ステップＳ５０実行後、ＣＰＵ５０ａは、監視部５１で監視される乗降扉３の開閉状態に基づいて、開状態にある乗降扉３の枚数を検出する（ステップＳ５５）。続いて、ＣＰＵ５０ａは、客室２における乗降扉３の総数に対する、開状態にある乗降扉３の枚数の比率ｒを求める（ステップＳ９０）。なお、乗降扉３の総数は、記憶部５０ｃに記憶されている。

続いて、ＣＰＵ５０ａは、以下の式（４）を用いて、自然換気量を算出する（ステップＳ９５）。
自然換気量＝必要換気量×ｒ…（４）
すなわち、ＣＰＵ５０ａは、客室２における乗降扉３の総数に対する、開状態にある乗降扉３の枚数の比率と必要換気量とを乗算することにより、自然換気量を算出する。

続いて、ＣＰＵ５０ａは、必要換気量から、自然換気量を差し引くことにより、強制換気量を算出する（ステップＳ７０）。そして、ＣＰＵ５０ａは、換気量に応じた回転数の指令を換気インバータ５２に出力する（ステップＳ７５）。

ここでは、鉄道車両１に設けられた乗降扉３の全枚数をＭ枚とし、そのうち、開状態にある乗降扉３の枚数がＭ枚である場合、乗降扉３を介した自然換気により必要な換気が実現されていると仮定して、ＣＰＵ５０ａは、必要換気量に「０」を設定する。また、開状態にある扉枚数がＮ／２枚である場合、必要換気量の半分量が自然換気で確保されていると仮定して、ＣＰＵ５０ａは、自然換気量を、ステップＳ５０（図４）で算出された必要換気量×１／２に設定する。

本実施の形態に係る車両用換気空調システムにおけるこの他の構成及び動作は、上記実施の形態１に係る車両用換気空調システム１００と同じである。

なお、上記各実施の形態では、乗車人数に応じた必要換気量で客室２の換気を行った。しかしながら、本発明はこれには限られない。常に、定員人数での必要換気量を基準として、客室２の換気を行うようにしてもよい。

また、上記各実施の形態では、換気空調装置１０及び空調装置１１を鉄道車両１の下部に設置したが、本発明はこれには限られない。換気空調装置１０及び空調装置１１を、鉄道車両１の上部に設置するようにしてもよい。

その他、空調制御装置５０のハードウエア構成やソフトウエア構成は一例であり、任意に変更および修正が可能である。

ＣＰＵ５０ａ、メモリ５０ｂ、記憶部５０ｃ、入出力部５０ｄ及び内部バス５０ｅなどを備える空調制御装置５０の処理を行う中心となる部分は、専用のシステムによらず、通常のコンピュータシステムを用いて実現可能である。前記の動作を実行するためのコンピュータプログラムを、コンピュータが読み取り可能な記録媒体（フレキシブルディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ等）に格納して配布し、当該コンピュータプログラムをコンピュータにインストールすることにより、前記の処理を実行する空調制御装置５０を構成してもよい。また、インターネットの通信ネットワーク上のサーバ装置が有する記憶装置に当該コンピュータプログラムを格納しておき、通常のコンピュータシステムがダウンロードすることで換気制御装置を構成してもよい。

空調制御装置５０の機能を、ＯＳ（オペレーティングシステム）とアプリケーションプログラムの分担、またはＯＳとアプリケーションプログラムとの協働により実現する場合などには、アプリケーションプログラム部分のみを記録媒体又は記憶装置に格納してもよい。

搬送波にコンピュータプログラムを重畳し、通信ネットワークを介して配信することも可能である。たとえば、通信ネットワーク上の掲示板（BBS, Bulletin Board System）にコンピュータプログラムを掲示し、ネットワークを介してコンピュータプログラムを配信してもよい。そして、このコンピュータプログラムを起動し、ＯＳの制御下で、他のアプリケーションプログラムと同様に実行することにより、前記の処理を実行してもよい。

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。

本発明は、鉄道車両、特に高速車両の客室の換気制御及び空調制御に適用することができる。

１ 鉄道車両、２ 客室、３ 乗降扉、４ 台車、５ 荷重センサ、６ 速度センサ、７ 温度センサ、８ 乗降扉制御部、１０ 換気空調装置、１１ 空調装置、２０ 室内機、２０Ａ 換気部、２０Ｂ 空調部、２０ａ 外気吸入口、２０ｂ 換気送風機、２０ｃ 戻り空気口、２０ｄ 室内送風機、２０ｅ 熱交換器、２０ｆ 吹き出し口、２１ 室外機、５０ 空調制御装置、５０ａ ＣＰＵ、５０ｂ メモリ、５０ｃ 記憶部、５０ｄ 入出力部、５０ｅ 内部バス、５１ 監視部、５２ 換気インバータ、５３ 室内インバータ、６０ 中央制御装置、７０ 乗客数検出部、７０Ａ カメラ、７０Ｂ 検出装置、１００，１０１ 換気空調システム、Ｈ ホーム、Ｈ１ 第１の基準速度、Ｈ２ 第２の基準速度、Ｓ 線路

Claims (10)

1. 鉄道車両の換気及び空調を行う車両用換気空調システムであって、
   外気を取り入れる換気送風機が設けられた換気部と、
   前記換気部と一体化して設けられ、前記換気送風機で取り入れられた外気と前記鉄道車両の客室から排出された戻り空気とを混合して取り込み、取り込んだ混合空気に対して熱交換を行った後で前記客室に送ることにより、前記客室の室内温度を目標温度に制御する空調部と、
   入力される指令に従って、前記換気送風機をインバータにより周波数駆動する駆動部と、
   前記客室における開状態にある扉枚数を含む乗降扉の開閉状態と、前記鉄道車両の走行速度とを監視する監視部と、
   前記監視部で監視される前記客室における乗降扉の開閉状態と、前記鉄道車両の走行速度とに基づいて、前記換気送風機に強制的に換気させる強制換気量に応じた指令を前記駆動部に出力する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、
   前記監視部で監視される前記乗降扉の開閉状態に基づいて、前記乗降扉が開状態にあるか否かを判定し、
   前記乗降扉が開状態にないと判定した場合に、前記監視部で監視される前記鉄道車両の走行速度が基準速度を下回ると、第１の換気量に応じた指令を前記駆動部に出力し、前記鉄道車両の走行速度が前記基準速度を上回り、かつ、前記室内温度と前記目標温度との差が基準値を越えると、前記第１の換気量よりも多い第２の換気量に応じた指令を前記駆動部に出力し、
   前記乗降扉が開状態にあると判定した場合に、前記第１の換気量よりも少ない第３の換気量に応じた指令を前記駆動部に出力する、
   車両用換気空調システム。
2. 前記制御部は、
   前記乗降扉が開状態から閉状態に移行しても、前記走行速度が前記基準速度よりも低い閾値を超えるまで、前記乗降扉が開状態にあると判定する、
   請求項１に記載の車両用換気空調システム。
3. 前記制御部は、
   前記乗降扉が閉状態にあると判定した場合に、前記鉄道車両の走行速度が前記基準速度としての第１の基準速度を越え、かつ、前記室内温度と前記目標温度との差が基準値を越えると、前記第２の換気量を前記駆動部に指令し、
   前記鉄道車両が減速して走行速度が前記第１の基準速度よりも低い第２の基準速度を下回ると、前記第１の換気量を前記駆動部に指令する、
   請求項１又は２に記載の車両用換気空調システム。
4. 前記制御部は、
   前記監視部で監視される前記乗降扉の開閉状態に基づいて、開状態にある前記乗降扉の枚数を求め、
   開状態にある前記乗降扉の枚数に基づいて、前記客室の開口面積を算出し、
   算出された前記客室の開口面積と前記客室の床面積との比率に基づいて、開状態にある前記乗降扉を介して自然に換気される自然換気量を算出し、
   前記第１の換気量から、前記自然換気量を差し引くことにより、前記第３の換気量を算出する、
   請求項１から３のいずれか一項に記載の車両用換気空調システム。
5. 前記制御部は、
   開状態にある前記乗降扉を介して自然に換気される自然換気量を一定の値に設定し、
   前記第１の換気量から、前記自然換気量を差し引くことにより、前記第３の換気量を算出する、
   請求項１から４のいずれか一項に記載の車両用換気空調システム。
6. 前記制御部は、
   前記監視部で監視される前記乗降扉の開閉状態に基づいて、開状態にある前記乗降扉の枚数を求め、
   前記客室における前記乗降扉の総数に対する、開状態にある前記乗降扉の枚数の比率と前記第１の換気量とを乗算して、開状態にある前記乗降扉を介して自然に換気される自然換気量を算出し、
   前記第１の換気量から、前記自然換気量を差し引くことにより、前記第３の換気量を算出する、
   請求項１から４のいずれか一項に記載の車両用換気空調システム。
7. 前記制御部は、前記客室の乗車人数に応じた換気量を、前記第１の換気量として算出する、
   請求項１から６のいずれか一項に記載の車両用換気空調システム。
8. 前記鉄道車両の台車にかかる前記客室の荷重を検出する荷重センサを備え、
   前記監視部は、前記荷重センサで検出される荷重と、前記客室の定員人数とに基づいて、前記客室の乗車率を算出し、
   前記制御部は、前記監視部で算出される前記乗車率に基づいて、前記乗車人数を算出する、
   請求項７に記載の車両用換気空調システム。
9. 前記乗降扉が開状態にあるとき、前記鉄道車両が入線しているホーム上の乗客数を数える乗客数検出部を備え、
   前記制御部は、
   前記乗客数検出部で検出された乗客数に応じた換気量を、前記第１の換気量として算出する、
   請求項７に記載の車両用換気空調システム。
10. コンピュータが、鉄道車両の乗降扉が開状態にあるか否かを判定する判定ステップと、
    コンピュータが、前記乗降扉が開状態にないと判定した場合に、前記鉄道車両の走行速度が基準速度を下回ると、第１の換気量で前記鉄道車両の客室を換気し、前記鉄道車両の走行速度が前記基準速度を上回り、かつ、前記客室の室内温度と空調の目標温度との差が基準値を越えると、前記第１の換気量よりも多い第２の換気量で前記客室を換気する第１の換気ステップと、
    コンピュータが、前記乗降扉が開状態にあると判定した場合に、前記第１の換気量よりも少ない第３の換気量で前記客室を換気する第２の換気ステップと、
    を含む換気方法。

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