JP4420637B2 - 気密構体を有する高速鉄道車両用換気装置及び空調装置の運転方法 - Google Patents

Description

本発明は、高速鉄道車両の換気装置、空調装置の運転に好適である。

新幹線（登録商標）に代表される高速車両は、気密構体であるため、所定の割合で、車内の空気と車外の空気を強制的に入れ替える換気装置を備える。この換気装置は、トンネルを通過する際の圧縮波（正圧）、及び、膨張波（負圧）に対して車内の圧力変動を所定の範囲内に維持しながら換気できる性能を有する。

この換気装置は、特許文献１に記載されているように、回転軸を水平にした電動機の両端に、排気ファン（送風機）と給気ファン（送風機）を設けている。また、電動機を囲むケース内に、客室（車内）からの排気空気を導くことにより、排気空気で電動機を冷却する。

そして、上記換気装置は主に列車速度に応じて換気装置の運転周波数を制御し、特に高速走行時にトンネル内で対向した場合の車外圧力に起因する車内圧力変動を抑制し、乗客が聴覚に不快感（耳つん）を感じないようにしている。
また、空調装置は主に車内温度を検知して、車内温度が所定の温度になるように空調装置の構成要素である室外送風機、室内送風機、圧縮機等を制御している。
特許第３２５４４２８号公報（ＥＰ１１４３１５０Ａ１）

生活水準の向上に伴い、高速鉄道車両に対して、より高い快適性を求める声が強くなり、快適性を高めるために、走行時と停車時の車内騒音レベルを低減するニーズが高まりつつある。停車時の車内騒音レベルは、主に以下の３種類の音源に起因すると考える。
（１）床下機器（空調装置、換気装置等）の騒音が車内へ透過する透過音
（２）床下機器（空調装置、換気装置等）の振動が車体を加振して生じる固体音
（３）車体が備える空調ダクト内部を流れる調和空気の流体騒音

したがって、特に停車時の車内騒音レベルを低減するためには、これら床下機器を構成する各機器の運転を所定の情報に基づいて制御することにより、上記（１）から（３）の音源に起因する騒音レベルを小さくすれば良い。
本発明の目的は、停車時の車内騒音を低減することにある。

上記目的は、車外の空気を車内へ送風するための給気用送風機と、前記車内の空気を車外へ排気するための排気送風機とを備えた換気装置と、室外熱交換器に空気を送風する室外送風機、室内熱交換器を通過する空気を車内へ送風する室内送風機、冷凍サイクル内に冷媒を循環する圧縮機等を備えた空調装置を有する鉄道車両用換気装置および空調装置の運転方法であって、鉄道車両が停止位置に近づくとともに、前記鉄道車両の速度が所定速度以下になると、まず、前記換気装置の運転量を低減し、次に、前記空調装置の運転量を低減することを特徴とする鉄道車両用換気装置および鉄道車両用空調装置の運転方法を提供するものである。

本発明の実施例を以下に説明する。

以下、本発明の一実施例を、図１から図５によって説明する。
図１において、駅停車時の車内騒音を低減するために、換気装置及び空調装置の運転を制御する方法を示す。車両が高速で走行する時の車内騒音は、空力騒音及び車輪とレール間で生じる転動音が支配的となり、床下機器（換気装置、空調装置等）の稼働に起因する騒音は、前述の騒音に埋もれるため問題にならない。しかし、車両が低速で走行する場合及び駅停車時には、空力騒音及び転動音のレベルが低下するため、換気装置及び空調装置等の床下機器に起因する騒音が顕在化する。このため、停車時の車内騒音レベルを低減するためには、これら床下機器に起因する騒音を低減しなければならない。

そこで、図１に示すように、換気装置及び空調装置を構成する各機器を制御する。まず、デジタルＡＴＣ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｔｒａｉｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ）
等から列車の位置情報を参照し、車両の減速が、列車ダイヤの乱れによるものではなく、駅停車のためであることを判断する。そして、所定の位置情報または車速情報に基づき、換気装置（給気送風機と排気送風機とからなる）と空調装置の運転を低減するか、換気装置、空調装置の送風量を低減させる。換気装置及び空調装置の送風機が停止すれば、送風機つまり羽根車の回転に伴い生じる騒音及び振動が低減されるため、車内へ伝播する透過音及び固体音が抑制される。さらに、空調装置の室内送風機の回転数も低下するため、車体に備えられたダクト内を流れる調和空気及び再循環または排気空気の流量つまり流速が下がり、ダクト内部で生じる流体音を低減できる。以上の制御により、車内騒音が低減できる。

図２において、換気装置及び空調装置を構成する各機器と車体が備えるダクトの構成を示す。車体１０は、調和空気用ダクト７０及び再循環空気及び排気空気用ダクト８０を備える。両者の間が車両の室内、すなわち居住空間である。一般に、高速鉄道車両は長細い形状のため、床下に空調装置を２台（２０，４０）装備し、車体の端部（デッキ部）への調和空気の供給を容易にしている。図２の例では、走行方向の後位側の空調装置４０が、その内部に換気送風機（換気装置）６０を備えている。空調装置４０が換気装置６０を内蔵することにより、換気装置６０から空調装置４０へ新鮮気を供給するダクトを廃止できるので、空調換気システムの軽量化を促進できる。前述したように、地点検知を併用して車両の減速が、駅停車のためであると判断された場合は、先ず換気送風機（換気装置）６０の回転数を下げる。そして、室内送風機２４と４５、室外送風機２７、４７、４７の回転数を下げる。必要に応じて、圧縮機２２、２２、４２，４２，４２の回転数も下げる。空調装置２０，４０は運転量を半減する。具体的には、回転数は４０％から６０％程度にする。空調装置２０は圧縮機２２を複数有する。空調装置４０は、圧縮機４２，４２，４２を３台有する。また室外熱交換器４６，４６、室外送風機４７，４７を複数有する。

以上の制御により、空調装置の音源である室内送風機２４、４５及び室外送風機２７、４７、圧縮機２２、４２、換気送風機６０から生じる騒音と振動レベルを低下することができる。さらに、室内送風機２４、４５の回転数の低下に伴い、調和空気用ダクト７０及び再循環空気及び排気空気用ダクト８０内部を流れる空気の流量つまり流速が低下するため、これらから生じる騒音も低下する。したがって、車内騒音を支配する透過音、固体音、ダクト内部の流体音の全てが低下するため、車内騒音レベルを低下することが出来る。

図３において、車体の熱負荷の内訳（一例）を示す。図３の熱負荷（一例）は、外気温度が４０℃で、車内温度が２６℃の場合の例である。熱負荷は、伝熱負荷、日射負荷、機器負荷、人体負荷、そして換気負荷からなる。全体に占める換気負荷の割合が最も大きく、約半分程度ある。一般に、空調装置は、この熱負荷に数％の余裕を見込んだ冷房能力を有する。前述したように、車両の位置情報と速度情報に基づき、まず、換気送風機（換気装置）６０を停止するので、換気負荷がほぼ０になり、車体の熱負荷は半減する。このため、空調装置２０、４０は、所定の半分程度の冷房能力を発揮すれば、車内温度を２６℃程度に維持することができる。したがって、車内騒音を低減する目的で空調装置を構成する各機器の運転周波数を半減（冷房能力を半減）しても、直ちに車内の温度が上昇し、快適性を損ねることはない。

図４において、列車速度、換気装置、空調装置の制御タイミングチャートの一例を示す。列車が駅に停車するために減速している途中で、列車速度あるいは列車の地点を検知して、先ず換気装置を停止する。これで、車体の熱負荷の約半分を占める換気負荷がほぼ０になる。次に、空調装置を定格の半分の能力で運転する。圧縮機、室外送風機、室内送風機の回転数をほぼ半減する。この換気装置及び空調装置の一連の制御で、車内温度を高めることなく、車内騒音を従来に比較して大幅に低減することができる。さらに、室外送風機の回転数を低下するので、列車が駅停車中の車外騒音を低減する効果も生まれる。列車の出発に合わせて、換気装置が再起動し、続いて空調装置も再起動する。なお、再起動の順番は、空調装置が先でも、換気装置が先でも構わない。

図５において、列車ダイヤの一例とそのダイヤに沿って駅停車時の３分間に渡り換気装置を停止した時の車内ＣＯ２濃度の推移を示す。列車ダイヤは、最高速度３００ｋｍ／ｈ、１運用は約３時間であり、途中に１駅停車のパターンを想定した。換気装置は、あらかじめ車速を検知して、その回転数を制御し、換気量を調整している。定員は１００名とし、最大換気量を２２ｍ３／ｍｉｎとしている。駅停車直前の３分間、換気負荷（車体熱負荷の一部）を削減し、空調装置の能力を半減して車内騒音を低減するために、換気装置を停止する。この時、換気装置の停止前のＣＯ２濃度は、約０．２ｖｏｌ％である。そして、換気装置を３分間停止する間に、車内のＣＯ２濃度は約０．２５ｖｏｌ％まで上昇する。この時、乗客の乗降用ドアを通じて換気される効果を加味していないので、実際の車内ＣＯ２濃度は、若干低下すると考える。その後、列車の発車に合わせて、換気装置を再始動するので、車内のＣＯ２濃度は、１５分間ほどで約０．２ｖｏｌ％程度まで低下する。事務所衛生規則では８時間までの在室で、ＣＯ２濃度０．５ｖｏｌ％まで許容しており、ＣＯ２濃度が０．２５ｖｏｌ％程度となっても、直ちに乗客の健康を害することはない。

本発明の一実施例である換気装置及び空調装置の制御ブロック線図。 換気装置及び空調装置の各構成機器と調和空気の流れを示す概略図。 車体熱負荷の比較の一例。 列車速度、換気装置、空調装置の制御タイミングチャートの一例。 車内のＣＯ２濃度の推移と列車ダイヤの一例。

符号の説明

１０ 車体
２０ 空調装置
２２ 圧縮機
２３ 室内熱交換器
２４ 室内送風機
２６ 室外熱交換器
２７ 室外送風機
４０ 換気装置付き空調装置
４２ 圧縮機
４３ 室内熱交換器
４４ 新鮮気用室内熱交換器
４５ 室内送風機
４６ 室外熱交換器
４７ 室外送風機
６０ 換気用送風機（換気装置）
７０ 調和空気用ダクト
８０ 再循環空気及び排気空気用ダクト

Claims (3)

1. 気密構体を有する高速鉄道車両であって、
   車外の空気を車内へ送風するための給気用送風機と、前記車内の空気を車外へ排気するための排気送風機とを備えた換気装置と、
   室外熱交換器に空気を送風する室外送風機、室内熱交換器を通過する空気を車内へ送風する室内送風機、冷凍サイクル内に冷媒を循環する圧縮機等を備えた空調装置とを有する鉄道車両用換気装置および空調装置の運転方法であって、
   鉄道車両が停止位置に近づくとともに、前記鉄道車両の速度が所定速度以下になると、
   まず、前記換気装置の運転量を低減し、
   次に、前記空調装置の運転量を低減すること、
   を特徴とする気密構体を有する高速鉄道車両用換気装置及び空調装置の運転方法。
2. 請求項１の鉄道車両用換気装置および空調装置の運転方法において、
   鉄道車両が停止位置に近づくとともに、前記鉄道車両の速度が所定速度以下になると、
   まず、前記換気装置の運転を停止し、
   次に、前記空調装置の運転量を略半減させること、
   を特徴とする気密構体を有する高速鉄道車両用換気装置及び空調装置の運転方法。
3. 請求項１の鉄道車両用換気装置および鉄道車両用空調装置の運転方法において、
   車両の走行位置の情報を基に、次の停止位置の近傍になったことによって、前記所定速度になったと判断すること、
   を特徴とする気密構体を有する高速鉄道車両用換気装置及び空調装置の運転方法。

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