JP4200263B2 - 鉄道車両用空調装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鉄道車両用空気調和装置に係り、特に梅雨時等において除湿運転を行う必要のあるものに好適な鉄道車両用空気調和装置とその運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、鉄道車両用空調装置での除湿は、再加熱ヒータや再加熱用凝縮器を設けない弱冷房運転によって行われていた。そのため、乗客の少ない閑散時にはどうしても車内温度が低下して、肌寒さを感じるため、快適性が低下するという問題があった。これに対して、雑誌冷凍（第６７巻第７７２号P５８〜６４、１９９２年発行）に記載されるように、蒸発器の出口に再加熱ヒータを設けて、蒸発器により冷却された空気を再加熱する方法がある。また、その他に、特公昭５２−１３０２３号公報に記載のように、蒸発器の空気出口側に再加熱用の凝縮器を配置して、除湿運転時だけ電磁弁を開いて冷媒を流すようにした冷凍サイクルが知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、蒸発器の出口に再加熱ヒータを設けた場合、部品点数の増加による信頼性の低下、それに伴う空調装置の大形化や重量が増加する。また、コストも増加する。
【０００４】
特公昭５２−１３０２３号公報に記載された発明の場合、パス数の増加、除湿用の電磁弁の追加などによって部品点数が増加し、コストの増加および信頼性の低下につながる。また、除湿運転を行う時期は梅雨時等の限られた期間であることから、通常の冷房運転時には再加熱ヒータや再加熱用凝縮器は不要となり、スペースの有効利用の観点からも不経済である。
【０００５】
一方、再加熱ヒータや再加熱用凝縮器を設けない冷房の弱冷房運転だけによる除湿は、乗客の少ない閑散時にはどうしても車内温度が低下して、肌寒さを感じるため、快適性が低下するという問題があった。
【０００６】
本発明の目的は、上記問題に対してなされるものであり、鉄道車両の空気調和において、再加熱ヒータや除湿用の電磁弁等を追加設置することなく、除湿時に室内送風機の吹出し温度を常に快適温度に保持することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
鉄道車両の屋根に設置される空調装置は基本的には冷房装置であり、暖房は座席下等に設置される他の装置が用いられる。ただ、車両が車庫を出るときに急速に車内を暖める場合や厳寒期などのために、通常、屋根に設置される空調装置でも、補助的に暖房を行うことが可能になっている。発明者等は、この補助的に設けられている暖房システムを利用することに着目し、本発明に想到した。
【０００８】
すなわち、上記課題を解決する本発明は、それぞれ同じ車室の空気と熱交換する室内熱交換器を含んでなる複数の冷凍サイクルを同一装置内に備え、少なくとも一つの冷凍サイクルには冷・暖両用のヒートポンプ式冷凍サイクルを組み込んだ空調装置で、冷・暖両用のヒートポンプ式冷凍サイクルに含まれる前記室内熱交換器が２つに分けられ、軸線を車両長手方向に平行させて車両の幅方向略中央に配置された室内送風機の幅方向両側に、その長手方向が車両長手方向に平行になるように、かつ上側が幅方向外側になるように斜めに傾斜した状態で配置されているとともに、他の冷凍サイクルに含まれる室内熱交換器も２つに分けられ、前記室内送風機の幅方向両側に、その長手方向が車両長手方向に平行になるように配置され、冷・暖両用のヒートポンプ式冷凍サイクルに含まれる室内熱交換器は他の冷凍サイクルに含まれる室内熱交換器の斜め上方かつ車両の幅方向外側に位置し、冷・暖両用のヒートポンプ式冷凍サイクルの暖房運転と、他の冷凍サイクルの冷房運転の同時運転を可能とし、冷・暖両用のヒートポンプ式冷凍サイクルの室内熱交換器を通って出てくる温風と他の冷凍サイクルの室内熱交換器を通って出てくる冷風が室内送風機のケーシングの中で混合されるように構成したものである。
【０００９】
車室内に送り込まれる空気の一部は冷・暖両用のヒートポンプ式冷凍サイクルの室内熱交換器を通り、他の一部は前記他の冷凍サイクルの室内熱交換器を通って車室内に導かれる。前記他の冷凍サイクルの室内熱交換器を通る空気は冷却されて除湿され、冷・暖両用のヒートポンプ式冷凍サイクルの室内熱交換器を通る空気は加熱される。両方の空気が混合されて車室内に送り込まれるから、冷・暖両用のヒートポンプ式冷凍サイクルの室内熱交換器における加熱の程度、前記他の冷凍サイクルの室内熱交換器における冷却の程度を制御することにより、除湿後の空気の温度を適切な温度に調節することができる。
【００１０】
また、冷・暖両用のヒートポンプ式冷凍サイクルの室内熱交換器（暖房運転時に冷媒の凝縮器となり、空気を加熱する熱交換器）を、前記他の冷凍サイクルの室内熱交換器（冷媒の蒸発器となり、空気を冷却する熱交換器）の上方に設置するのが望ましい。直上でなくても、前記他の冷凍サイクルの室内熱交換器で発生した水滴が、冷・暖両用のヒートポンプ式冷凍サイクルの室内熱交換器に滴下しない位置関係であればよい。このように配置することにより、除湿により発生した水分が加熱に使用される熱交換器に滴下して再蒸発したり、加熱された空気に混入したりすることが避けられる。
【００１１】
また、室内送風機を室内熱交換器の風下側に設置すれば、除湿された低温の空気と加熱された空気が十分に混合される。
【００１２】
さらに、冷・暖両用のヒートポンプ式冷凍サイクルの圧縮機をインバータ圧縮機で構成し、他の冷房専用の冷凍サイクル（冷房専用の冷凍サイクル）を一定速圧縮機で構成する。冷・暖両用のヒートポンプ式冷凍サイクルの圧縮機を運転速度を変えることで、除湿運転時の車室内への吹き出し空気温度を適切な温度に制御できる。
【００１３】
また、車室内の温度及び湿度を検知する検知手段と、車室外の温度及び湿度を検知する検知手段と、乗車率を検知する検知手段を備えることにより、自動的に除湿運転を実行することができるとともに、除湿時の車室内への吹き出し空気温度を適切な温度に制御できる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図１〜図４を参照して説明する。ここで、図１は本実施の形態に係る鉄道車両用空調装置の平面図、図２は図１のＡ−Ａ線矢視断面図、図３はコントローラの構成を示したブロック図である。
【００１５】
図１に示す鉄道車両用空調装置１は、圧縮機２ａ，２ｂと、圧縮機２ａの吐出口に電動四方弁３を介して冷媒流路の一端を接続された室外熱交換器４ａと、室外熱交換器４ａの冷媒流路の他端に減圧装置である膨張弁５ａを介して冷媒流路の一端を接続された室内熱交換器６ａ，６ａ’と、室内熱交換器６ａ，６ａ’の冷媒流路の他端を前記電動四方弁３に接続する管路と、前記電動四方弁３と圧縮機２ａの吸込み口を接続する管路と、前記圧縮機２ｂの吐出口に冷媒流路の一端を接続された室外熱交換器４ｂと、室外熱交換器４ｂの冷媒流路の他端に減圧装置である膨張弁５ｂを介して冷媒流路の一端を接続された室内熱交換器６ｂ，６ｂ’と、室内熱交換器６ｂ，６ｂ’の冷媒流路の他端を前記圧縮機２ｂの吸込み口に接続する管路と、室外空気を前記室外熱交換器４ａ，４ｂを経て吸込み、室外に吐出するように配置された室外送風機７と、室内空気を前記室内熱交換器６ａ，６ａ’，６ｂ，６ｂ’を経て吸込み、室内に吐出するように配置された室内送風機８と、圧縮機２ａを制御するインバータ装置９と、コントローラ１０と、制御盤１１と、図示されていない室内温度センサ３１、室内湿度センサ３２、外気温度センサ３３、外気湿度センサ３４及び乗車率を検知するセンサ３５、コンソール３６を含んで構成されている。
【００１６】
インバータ装置９は、圧縮機２ａを周波数変化による可変速運転を行う。コントローラ１０は、図３に示すように、Ａ／Ｄコンバータ３７、Ａ／Ｄコンバータ３７に接続されたマイクロコンピュータ３０、マイクロコンピュータ３０に接続されたＤ／Ａコンバータ３８及びディジタルスイッチ３９を含んで構成され、マイクロコンピュータ３０が室内温度センサ３１や室内湿度センサ３２、外気温度センサ３３、外気湿度センサ３４及び乗車率を検知するセンサ３５の検出値やコンソール３６からの運転命令を受けて、膨張弁５ａ，５ｂの絞り量、インバータ装置９の出力周波数や制御盤１１内の接触器の入り・切りを制御する。つまり、コントローラ１０が、空調装置の容量制御や運転モードの切り換えを行う制御手段である。
【００１７】
Ａ／Ｄコンバータ３７はセンサのアナログ値をディジタル値に変換し、反対にＤ／Ａコンバータ３８は、マイクロコンピュータ３０のディジタル信号をアナログ値に変換する。ディジタルスイッチ３９は、制御盤内の接触器やコンソール３６の表示部の入り・切りを制御する。
【００１８】
なお、この鉄道車両用空調装置１は、鉄道車両の屋根上に配置され、図２に示すように、室内熱交換器６ａ，６ａ’，６ｂ，６ｂ’は、室内熱交換器６ａ，６ｂ’、 室内熱交換器６ａ’，６ｂの２組に分けられ、軸線を車両長手方向に平行させて車両の幅方向ほぼ中央に配置された室内送風機８の幅方向両側に、その長手方向が車両長手方向に平行になるように、かつ斜めに傾斜した状態で配置されている。室内熱交換器６ａ，６ａ’は、それぞれ室内熱交換器６ｂ’，６ｂの斜め上部に位置している。
【００１９】
前記室外送風機７は軸線を上下方向にして車両の幅方向ほぼ中央に配置され、室外熱交換器４ａ，４ｂは、室外送風機７の幅方向両側に分かれて、かつその長手方向を車両の長手方向に平行させて互いに対向するように、配置されている。そして、車両の幅方向、室外熱交換器４ａがある側に室内熱交換器６ａ，６ｂ’が、室外熱交換器４ｂがある側に室内熱交換器６ａ’，６ｂが、それぞれ配置されている。前記圧縮機２ａは室外熱交換器４ａがある側の、室外熱交換器４ａと室内熱交換器６ａ，６ｂ’の間の位置に、前記圧縮機２ｂは室外熱交換器４ｂがある側の、室外熱交換器４ｂと室内熱交換器６ａ’，６ｂの間の位置に、それぞれ配置されている。
【００２０】
図示の鉄道車両用空調装置１は、図中、番号の添字ａで示されている機器で形成された冷・暖房両用のヒートポンプ式冷凍サイクルと、番号の添字ｂで示されている機器で形成された冷房専用の冷凍サイクルで構成されている。室外送風機７と室内送風機８は両冷凍サイクルで共用している。したがって、冷・暖房両用のヒートポンプ式冷凍サイクルの室内熱交換器６ａ，６ａ’を通過した空気も、冷房専用の冷凍サイクルの室内熱交換器６ｂ，６ｂ’を通過した空気も、混合されて同一車室に送り込まれるようになっている。
【００２１】
前述のように室外熱交換器、室内熱交換器及び圧縮機を配置することで、室外熱交換器、室内熱交換器及び圧縮機を接続する配管の長さを、冷・暖房両用のヒートポンプ式冷凍サイクルと冷房専用の冷凍サイクルで均等化することができ、双方の冷媒充填量を略同じにすることができる。
【００２２】
以下、ヒートポンプ式冷凍サイクルをＡサイクル、冷房専用の冷凍サイクルをＢサイクルと略記して装置の動作を説明する。
【００２３】
Ａサイクルの冷房運転時には、電動四方弁（以下、四方弁という）３は、圧縮機２ａの吐出口と室外熱交換器４ａ（凝縮器）の冷媒流路の一端を連通すると共に、室内熱交換器６ａ，６ａ’の前記他端と圧縮機２ａの吸込み口を連通する位置に操作される。すなわち、圧縮機２ａから吐出された高温・高圧ガスの冷媒は、四方弁３を通り、室外熱交換器４ａ（凝縮器）で外気により冷却されて高圧の液冷媒となる。高圧の液冷媒は、冷房用の膨張弁５ａで減圧された後、室内熱交換器６ａ，６ａ'（蒸発器）で客室の循環空気から熱を奪って低圧のガス冷媒となり、四方弁３を経て圧縮機２ａに戻る。
【００２４】
暖房運転時は、四方弁３は、圧縮機２ａの吐出口と室内熱交換器６ａ，６ａ’の前記他端を連通すると共に、室外熱交換器４ａ（凝縮器）の冷媒流路の一端と圧縮機２ａの吸込み口を連通する位置に操作される。すなわち、圧縮機２ａから吐出された高温・高圧のガス冷媒は、四方弁３を通り、室内熱交換器６ａ，６ａ'（凝縮器）で客室空気により冷却されて高圧の液冷媒になる。高圧の液冷媒は膨張弁５ａで減圧された後、室外熱交換器４ａ（蒸発器）で外気から熱を奪って低圧のガスとなり、圧縮機２ａに戻る。
【００２５】
Ｂ冷凍サイクルにおいては、圧縮機２ｂから吐出された高温・高圧ガスの冷媒は、室外熱交換器４ｂ（凝縮器）で外気により冷却されて高圧の液冷媒となる。高圧の液冷媒は、冷房用の膨張弁５ｂで減圧された後、室内熱交換器６ｂ，６ｂ'（蒸発器）で客室の循環空気から熱を奪って低圧のガス冷媒となり、圧縮機２ｂに戻る。
【００２６】
本実施の形態では、冷房専用の冷凍サイクルが１系統、冷・暖両用のヒートポンプ式冷凍サイクルが１系統の合計２系統の場合を示しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、それぞれの冷凍サイクルを複数系統設けてもよい。
【００２７】
表１に示すように、圧縮機２ｂは商用電源による一定速運転で、圧縮機２ａはインバータ装置による可変速運転である。圧縮機２ｂは冷房運転と除湿運転の場合のみで運転され、暖房補助運転と外気低温時の冷房運転の場合は停止する。暖房補助運転の場合、インバータ装置９は室内送風機８を可変速運転する。以下、各運転モード毎にさらに詳細に説明する。なお、本実施の形態における空調装置は、前記コンソール３６における操作で、各運転モードの手動切り換え運転、コントローラ１０による各運転モードの自動切り換え運転の双方が可能になっている。
【００２８】
【表１】

冷房モードでは、圧縮機２ａはインバータ装置９により例えば４０〜８０Ｈｚの可変周波数で運転されるが、圧縮機２ｂは６０Ｈｚの固定周波数で運転される。よって、冷房負荷が小さいときは圧縮機２ａだけの運転となり、周波数を増減させて車内温度を適温に調節する。冷房負荷が上昇して圧縮機２ａだけでは冷房能力が不足すると圧縮機２ｂを起動して、圧縮機２ａ，２ｂの２台による冷房運転を行い、冷房能力は圧縮機２ａの運転周波数を増減させて調節する。
【００２９】
除湿モードでは、圧縮機２ａを有したヒートポンプ式冷凍サイクルは暖房運転を行い、圧縮機２ｂを有した冷房専用サイクルは定速での冷房運転を行う。車内温度は、圧縮機２ａの運転周波数を４０〜６０Hzの範囲で増減させて制御する。
【００３０】
暖房モードは、冬期の朝一番の急速暖房や厳寒期において車両の座席下に設けてある電気ヒータだけでは暖房能力が不足する場合の運転で、圧縮機２ａのヒートポンプ式冷凍サイクルを暖房で運転する。暖房モードでは圧縮機２ｂは運転されない。
【００３１】
外気低温時の冷房モードは、圧縮機２ａの単独運転による冷房運転を行う。圧縮機２ｂは運転されない。この場合、冷房負荷が小さいことから、インバータによって圧縮機２ａの運転周波数を増減することによって負荷に応じた冷房能力を得ることができる。外気温度が低いため、室外熱交換器４ａでの凝縮能力が過大になるが、冷媒の液戻りは圧縮機の運転周波数と膨張弁の絞り量とを制御することによって防止する。
【００３２】
除湿運転モードでは、圧縮機２ａを有したヒートポンプ式冷凍サイクルは暖房運転を行い、圧縮機２ｂを有した冷房専用サイクルは冷房運転を行う。車内温度は、圧縮機２ａの運転周波数を増減させせて制御する。この際、ヒートポンプ式冷凍サイクルの圧縮機２ａは、外気温度によって増加する吐出圧力の増加を防止するように、インバータによって周波数を低減して運転する。また、冷房専用サイクル側では、除湿負荷に応じた冷房能力を得るように膨張弁５ｂの絞り量を調節する。
【００３３】
さらに、図２に示すように、除湿運転時に凝縮器として作用する室内熱交換器６ａ，６ａ’が、蒸発器として作用する室内熱交換器６ｂ，６ｂ’の上部に設置されているため、冷房専用サイクルの室内熱交換器６ｂ，６ｂ’により除湿された乾いた冷たい空気は、ヒートポンプ式サイクルの室内熱交換器６ａ，６ａ’で加熱された暖かい空気と混合されて適温の乾いた空気となる。室内送風機８が室内熱交換器器６ａ，６ａ’，６ｂ，６ｂ’の風下に設置されているために、温風と冷風は室内送風機８で混合され、客室の温度を低下させることなく適度に除湿することができる。また、除湿運転時に蒸発器、すなわち室内空気を冷却する熱交換器となる冷凍専用サイクルの室内熱交換器６ｂ，６ｂ’が、除湿運転時に凝縮器、すなわち室内空気を加熱する熱交換器となる冷暖両用のヒートポンプ式冷凍サイクルの室内熱交換器６ａ’，６ａの斜め下方に位置しているので、室内熱交換器６ｂ，６ｂ’で冷却された空気から凝縮して生ずる水滴が、室内熱交換器６ａ’，６ａに流入して加熱され、再び蒸発して室内に送り込まれる空気の湿度を上げる恐れがない。
【００３４】
本実施の形態では、室内熱交換器６ｂ，６ｂ’を室内熱交換器６ａ’，６ａの斜め下方に位置させることで、室内熱交換器６ｂ，６ｂ’で生じた水滴が室内熱交換器６ａ’，６ａに流入するのを回避しているが、冷却された空気から生ずる水滴が空気を加熱する熱交換器に流入あるいは加熱された空気に混入することがないような配置であれば、図２に記載された配置でなくともよい。
【００３５】
例えば、車外温度（室外温度）が２０℃以上で、車内温度（室内温度）が２４℃以下の時、湿度センサ３２で検出した車内の湿度が６５％を超えると空調装置は除湿モードに入り、冷房専用側の室内熱交換器（蒸発器）６ｂ，６ｂ’で除湿された温度の低い空気と、ヒートポンプ式冷凍サイクルの室内熱交換器（凝縮器）６ａ，６ａ’で加熱された温度の高い空気は、室内送風機８に吸入され吐出される間にケーシング内で混合されて、湿度が低く快適な温度の空気となり、車内に送風される。この時、車内の湿度の制御は冷房専用の減圧装置（膨張弁５ｂ）の絞り量を制御する（例えば、電動膨張弁の絞り制御）ことによって制御される。加熱量の制御は暖房運転側の圧縮機２ａの運転周波数をインバータ装置９で増減させて、過負荷運転状態に陥らないように圧縮機２ａの回転数を適宜調節する。
【００３６】
さらに、通勤時のように急激に乗車率が増加する場合、乗車率を検出するセンサ３５によって乗車率を検知し、人体による潜熱・顕熱負荷を予測することによって除湿量と加熱量を予測することができ、必要な除湿量と加熱量に合わせて、冷房側冷凍サイクルの減圧装置（膨張弁５ｂ）の絞り量の調節と、暖房側冷凍サイクルの圧縮機２ａの運転周波数をインバータ装置９で増減させることができる。このため、車室内の温湿度を常に快適に保つことが可能となる。
【００３７】
なお、上記実施の形態は、冷暖両用のヒートポンプ式冷凍サイクルと冷房専用の冷凍サイクルを備えた空調装置であるが、室内に送り込む空気の一部を冷却して除湿すると同時に他の一部を加熱することができれば、冷暖両用のヒートポンプ式冷凍サイクル２組を含んで構成された空調装置であっても、本発明の効果は十分に発揮されることは言うまでもない。
【００３８】
【発明の効果】
本発明によれば、冷房運転と暖房運転を同時に行うことによって、加熱ヒータ等の再加熱器を新たに付加することなく、除湿時に室内送風機の吹出し温度を常に快適温度に保持することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る鉄道車両用空調装置を示す平面図である。
【図２】図１の鉄道車両用空調装置のＡ−Ａ線矢視断面図である。
【図３】図１の鉄道車両用空調装置におけるコントローラの構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１ 鉄道車両用空調装置
２ａ，２ｂ 圧縮機
３ 四方弁
４ａ，４ｂ 室外熱交換器
５ａ，５ｂ 減圧装置（膨張弁）
６ａ，６ａ'，６ｂ，６ｂ' 室内熱交換器
７ 室外送風機
８ 室内送風機
９ インバータ
１０ コントローラ
１１ 制御盤

Claims (3)

1. それぞれ同じ車室の空気と熱交換する室内熱交換器を含んでなる複数の冷凍サイクルを同一装置内に備え、そのうち少なくとも一つの冷凍サイクルが冷・暖両用のヒートポンプで構成されている鉄道車両用空調装置において、冷・暖両用のヒートポンプ式冷凍サイクルに含まれる前記室内熱交換器が２つに分けられ、軸線を車両長手方向に平行させて車両の幅方向略中央に配置された室内送風機の幅方向両側に、その長手方向が車両長手方向に平行になるように、かつ上側が幅方向外側になるように斜めに傾斜した状態で配置されているとともに、他の冷凍サイクルに含まれる室内熱交換器も２つに分けられ、前記室内送風機の幅方向両側に、その長手方向が車両長手方向に平行になるように配置されていることと、冷・暖両用のヒートポンプ式冷凍サイクルに含まれる室内熱交換器は他の冷凍サイクルに含まれる室内熱交換器の斜め上方かつ車両の幅方向外側に位置していることと、前記室内送風機は、前記室内熱交換器の風下に設置されて車室内に空気を送り込むものであることと、冷・暖両用のヒートポンプ式冷凍サイクルの暖房運転と他の冷凍サイクルの冷房運転とを同時に行うことが可能に構成されている制御手段を備えたことを特徴とする鉄道車両用空調装置。
2. 請求項１に記載の鉄道車両用空調装置において、前記ヒートポンプ式冷凍サイクルの圧縮機はインバータ装置による可変速手段を備えたことを特徴とする鉄道車両用空調装置。
3. 請求項１又は２に記載の鉄道車両用空調装置において、車室内の温度及び湿度を検知する検知手段と車室外の温度及び湿度を検知する検知手段と、乗車率を検知する検知手段を備え、前記制御手段は前記各検知手段の出力を入力として必要除湿量を予測して除湿運転を制御するように構成されていることを特徴とする鉄道車両用空調装置。

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