JP4667116B2 - 列車の分煙システム - Google Patents

Description

本発明は、禁煙車両と喫煙車両とを含む列車の分煙システムに関するものである。

鉄道車両における喫煙と禁煙の区分は、従来、車両単位で禁煙車両と、喫煙車両とを仕分けして、運用しているのが一般的である。一部の鉄道車両、例えば新幹線のグリーン車などにおいては、同一車室内に喫煙席領域と禁煙席領域とに分けることが行われている。

そのように同一車室内を喫煙席領域と禁煙席領域とに分けている車両では、同一車室内に隣接設定した喫煙席領域側から禁煙席領域側にたばこの煙や臭いを含んだ空気が流れ込まないように空調できる方法として、喫煙席領域の給気量（排気量）を禁煙席領域の給気量よりも多く設定することにより、禁煙席領域側から喫煙席領域側への気流の流れを発生させて、喫煙席領域側の煙草の煙や臭いを含む空気が禁煙席領域側に流れないようにし、喫煙席領域側から禁煙席領域側を分煙することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、車両に給気送風機および排気送風機を設け、その給気送風機および排気送風機の回転数を制御して、車内への給気送風量および排気送風量を連続的に調整し、車内の必要換気量を維持しながら車内圧力の急激な変動を抑制するようにしたものが知られている（例えば、特許文献２参照）。
特開平８−１１５１８号公報（段落００１９〜００２２および図１，２，６） 特開２０００−１５８９３４号公報（段落００１６および図１）

車両単位で、禁煙車両と、喫煙車両とを仕分けして、運用している場合にも、禁煙車両と喫煙車両の間のデッキには、貫通ドアなどがなく、それらはつながっており、乗客の流れなどにより、同一車室内を喫煙席領域と禁煙席領域とに分けている特許文献１記載の技術と同様に喫煙車両の煙が禁煙車両に流れ込むことがある。また、各車両毎に、車内圧力制御が十分に行われておらず、車両間の空気の流れが頻繁に起こり、この点からも喫煙車両の煙が禁煙車両に流れ込みやすい。

そこで、喫煙車両から禁煙車両にたばこの煙や臭いを含んだ空気が流れ込まないようにするために、禁煙車両から喫煙車両への空気の流れを生成することが考えられるが、各車両毎に給気量（排気量）を変更すると、各車両毎に換気風量が変化することになり、上記特許文献１の技術をそのまま適用することはできない。

発明者は、禁煙車両と喫煙車両とを含み、各車両毎に換気装置を備えるもので、前記各換気装置が、給気ファンを回転駆動する給気ファン手段、排気ファンを回転駆動する排気ファン手段並びに前記給気ファン手段および排気ファン手段を制御して前記給排気ファンの回転数を制御するファン回転制御手段とを有する列車であれば、前記各給気ファンおよび排気ファンの回転数を制御することにより、禁煙車両から喫煙車両への空気の流れを生成できることに着想し、本発明をなすに至ったものである。

本発明は、禁煙車両から喫煙車両への空気の流れを生成し、喫煙車両から禁煙車両に煙草の煙が流れ込まないようにした列車の分煙システムを提供することを目的とする。

請求項１の発明は、禁煙車両と喫煙車両とを含み、各車両毎に換気装置を備え、前記各換気装置が、給気ファンを有しこの給気ファンを回転駆動する給気ファン手段、排気ファンを有しこの排気ファンを回転駆動する排気ファン手段並びに前記給気ファン手段および排気ファン手段を制御して前記給排気ファンの回転数を制御するファン回転制御手段とを有する列車の分煙システムにおいて、車内圧力および車外圧力を検出する圧力検出手段を備え、前記ファン回転制御手段は、前記禁煙車両から前記喫煙車両への空気の流れを強制的に生成するように前記禁煙車両および前記喫煙車両についての分煙用補正風量を設定する補正風量設定手段と、予め定められた給気基準風量および排気基準風量を、前記分煙用補正風量に基づき補正して、給気ファンおよび排気ファンの回転数を決定する回転数決定手段と、前記圧力検出手段よりの信号を受け車外圧力よりも車内圧力が一定圧だけ大きい与圧状態を保持するように車外圧力補正風量および車内圧力補正風量を演算する補正風量演算手段とを有し、前記給気基準風量および排気基準風量を、前記分煙用補正風量ならびに前記車外圧力補正風量および車内圧力補正風量に基づき補正する構成とされていることを特徴とする。

このようにすれば、前記禁煙車両から前記喫煙車両への空気の流れを強制的に生成するように前記禁煙車両および前記喫煙車両についての分煙用補正風量（後述する第１および第２の補正風量）が補正風量設定手段にて設定され、それから、車外圧力よりも車内圧力が一定圧だけ大きい与圧状態を保持するように車外圧力補正風量および車内圧力補正風量が補正風量演算手段にて演算され、予め定められた給気基準風量および排気基準風量が、回転数決定手段にて、前記分煙用補正風量ならびに前記車外圧力補正風量および車内圧力補正風量に基づき補正され、禁煙車両から喫煙車両への空気の流れを強制的に生成する給気ファンおよび排気ファンの回転数が決定される。よって、これらの回転数で給気ファンおよび排気ファンの回転数をファン回転制御手段にて制御することで、禁煙車両から喫煙車両への空気の流れを生成して、喫煙車両から禁煙車両にたばこの煙や臭いを含んだ空気が流れ込まないようにすることを実現できる。そして、外気温度、圧力、気候、ダクトへのゴミの付着などに全く影響されず、車外圧力よりも車内圧力が一定圧だけ大きい与圧状態に保持される。よって、車両を新しく製造する際や全車両の点検時における風量調整作業や、季節による車内圧力調整作業が不要となり、大幅な工数の削減を実現できる。

請求項２に記載のように、前記分煙用補正風量に基づく補正は、前記禁煙車両では、前記給気基準風量に前記禁煙車両についての分煙用補正風量である第１の補正風量を加算する一方、前記排気基準風量から前記第１の補正風量を減算するかあるいは前記排気基準風量のままとし、前記喫煙車両では、前記給気基準風量から、前記喫煙車両についての分煙用補正風量である第２の補正風量を減算するかあるいは前記排気基準風量のままとする一方、前記排気基準風量に前記第２の補正風量を加算するものであることが望ましい。ここで、第１および第２の補正風量の大きさは、禁煙車両と喫煙車量との割合によって変更されるもので、例えば禁煙車両の割合が大きくなると第１の補正風量よりも第２の補正風量が大きくなる。

このようにすれば、禁煙車両であるか喫煙車両であるかに応じて、分煙用補正風量である第１または第２の補正風量を用いて、排気基準風量および給気基準風量を制御して、禁煙車両から喫煙車両への空気の強制的な流れを簡単に生成することができる。

請求項３に記載のように、前記ファン回転制御手段は、各車両毎に、各給気ファンおよび排気ファンの回転数を独立に制御することが望ましい。

このようにすれば、前記ファン回転制御手段は、車両毎に、各給排気ファンの回転数を独立制御するので、他の車両の車内圧力と関係なく、車両毎に給排気ファンの回転数を制御して（つまり各禁煙車両の車内圧力が各喫煙車両の車内圧力よりも高くなるように各車両の給排気ファンの回転数を制御して）、禁煙車両と喫煙車両との換気風量の差を利用した、禁煙車両から喫煙車両への空気の流れが生ずる状態を簡単に生成することができる。

請求項４に記載のように、車両の荷重の変化に基づいて乗車率を検出する乗車率検出手段を備え、前記回転数決定手段が、前記乗車率検出手段よりの信号を受け前記給気基準風量および排気基準風量を、前記分煙用補正風量に基づく補正に先だって、前記乗車率に基づき補正する乗車率補正手段とを備えることが望ましい。

このようにすれば、乗車率が少なくなると換気風量を低減することで、給排気ファンの回転に要する消費電力を低減して、省エネ化が図れる。

本発明は、以上のように、車両毎に設けられた各換気装置（給排気ファンの回転数）を制御することにより、禁煙車両から喫煙車両に空気が流れる状態を生成するようにしたので、喫煙車両から禁煙車両にたばこの煙や臭いを含んだ空気が流れ込まないようにすることができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に沿って説明する。

図１は本発明に係る列車の分煙システムの一実施の形態を示す概略構成図、図２は制御系の説明図である。

本発明の列車の分煙システムにおいては、図１に示すように、列車編成の最前部と最後部となる両先頭車両１，２に、車内圧力（車両内部の圧力）を検出する車内圧力センサ３，４が設けられている。この車内圧力センサ３，４によって検出された車内圧力情報は、その他の各種情報（列車速度情報、乗車率情報、キロ程情報（トンネル情報）、禁煙車両／喫煙車両情報、扉開閉情報など）と一緒に、モニタ中央装置５，６を通じて、先頭車両１，２および中間車両７（禁煙車両、喫煙車両）に設けられている各換気装置８のファン回転制御手段（例えばマイクロコンピュータ）に送られるようになっている。つまり、すべての車両に車内圧力センサを設ける必要もないので、列車編成全体のコストダウンの観点から、両先頭車両にだけ車内圧力センサ３，４を設け、制御の基準となる車内圧力を測定するようにしているのである。

各換気装置８は、具体的には図示していないが、給気ファンを有しこの給気ファンを回転駆動する給気ファン手段、排気ファンを有しこの排気ファンを回転駆動する排気ファン手段並びに前記給気ファン手段および排気ファン手段を制御して前記給排気ファンの回転数を制御するファン回転制御手段とを有する。それと共に、車外圧力（車両外部の圧力）を検出する車外圧力センサ９を有し、この車外圧力センサ９からの信号が換気装置８のファン回転制御手段に入力される。なお、車内圧力センサ３，４と、車外圧力センサ９によって、車内圧力および車外圧力を検出する圧力検出手段が構成される。

そして、換気装置８のファン回転制御手段において、車外圧力センサ９によって検出された車外圧力と、車内圧力センサ３，４によって検出された車内圧力に基づいて、給気ファン手段の給気ファン回転数および排気ファン手段の排気ファン回転数を決定する基準となる給気基準風量および排気基準風量を補正するための車外圧力補正風量および車内圧力制御（補正）風量が演算される（補正風量演算手段）。これらの風量は、耳つん現象が生ずることを抑制することと、高速時に車外圧力よりも車内圧力を５ｍｍＡｑだけ高くすることとを前提として求められる。ここで、「耳つん現象」とは、高速鉄道車両では、各車両の車室内は換気装置（排気ダクト、給気ダクト）を介して車両外部と連通されているため、例えば車両同士のすれ違いや車両のトンネルへの侵入により車外圧力が変動した場合は、そのままでは車内圧力が急激に変動することになる。その圧力変動により、乗客の耳部に不快感が生ずる現象をいう。

そして、乗車率に基づいて給気基準風量および排気基準風量が予め定められ、この給気基準風量および排気基準風量を、前記車外圧力補正風量および車内圧力補正風量ならびに、前記禁煙車両から前記喫煙車両への空気の流れを強制的に生成するように前記禁煙車両および前記喫煙車両についての分煙用補正風量（後述する第１および第２の補正風量）に基づき補正して、給排気ファン手段の給排気ファンの回転数を決定する（回転数決定手段）。

このように、各車両１，２，７における換気装置８のファン回転制御手段において、車外圧力検出値および車内圧力検出値に基づいて、前述したように、４つの制御（すなわち圧力変動抑制制御（耳つん抑制）、車内圧力自動調整制御（与圧制御）、喫煙車両／禁煙車両別風量制御（分煙制御）および乗車率に応じた換気風量低減制御（省エネ制御））が行われ、その演算結果である給気ファン回転数指令および排気ファン回転数指令が、制御信号として、給排気ファン手段の給気ファンおよび排気ファンの回転数を制御するファン回転制御手段に出力される。

続いて、上記各制御について、前記分煙システムの制御系の説明図である図２に基づいてさらに説明する。ここで、予め設定された吸気基本風量および排気基本風量をそれぞれ３０[ｍ³／ｍｉｎ]として説明する。
(i)圧力変動抑制制御（耳つん抑制）
車外圧力センサ３，４によって検出された車外圧力検出値（信号）は高域通過フィルタ１１を通過し、高速車両がトンネルに進入したときのような急激な圧力変動分を検出し、その圧力変動分をゲイン１２で一定の定数を乗算することにより演算して、車外圧力補正風量を求める。この車外圧力補正風量は、車外圧力が上昇した場合は給気ファン回転数を減少させる一方、排気ファン回転数を増加させる方向に補正するのに用いられる。

このように、車外圧力補正風量に基づいて給気基準風量および排気基準風量を、圧力変動による影響を打ち消す方向に補正して、「耳つん現象」を緩和することができる。
(ii)車内圧力自動調整制御（与圧制御）
車外圧力検出値（信号）は低域通過フィルタ１３を通過することで、緩やかな圧力変動分が取り出され、その圧力値と高速時与圧としての５ｍｍＡｑを加算したものから、車内圧力検出値を減算し、その結果を、（比例＋積分）回路１４にて演算して、車内圧力制御風量を求める。

このように、制御をすれば、外気温度、圧力、気候、ダクトへのゴミの付着などに全く影響されず、（高速時に）車内圧力を一定に与圧することができる。つまり、車外圧力に比べて車内圧力が常に５ｍｍＡｑだけ高くなるように制御される。よって、車両を新しく製造する際や車両の点検時における風量調整作業や、季節による車内圧力調整作業が一切不要となり、大幅な工数の削減を実現できる。

具体的には、車内圧力自動調整制御（与圧制御）は、図３および図４に示すように行われる。

例えば何らかの原因で車内圧力が上昇した場合（ステップＳ１１）には、車内圧力を下げるために、続くステップＳ１２〜Ｓ１７で車内圧力が目標圧力に制御される。

車外圧力センサ９により車外圧力が、車内圧力センサ３，４により車内圧力がそれぞれ検出され（ステップＳ１２）、この車外圧力と車内圧力との偏差が演算される（ステップＳ１３）。そして、この偏差に基づき、車外圧力に比べて車内圧力が５ｍｍＡｑだけ高くなるように給排気ファンの回転数を補正する（ステップＳ１４）。

つまり、給気ファンの回転数を減少させる（ステップＳ１５）とともに、排気ファンの回転数を増加させる（ステップＳ１６）。これにより、給気風量の増加が抑制され、排気風量の減少が抑制され、その結果、車内圧力が目標圧力に制御されることになる（ステップＳ１７）。

また、逆に車内圧力が減少した場合には、上述した場合とは逆の制御が行われ、車内圧力が目標圧力に制御されることになる。

このように、車内圧力と車外圧力との偏差に基づいて、給排気ファンの回転数を補正する制御が行われ、最終的に車内圧力が、車外圧力に比べて５ｍｍＡｑだけ高くなる目標圧力となる与圧制御が行われる。
(iii)乗車率に応じた換気風量低減制御（省エネ制御）
乗車率に応じた係数βを排気基本風量（３０[ｍ³／ｍｉｎ]）に乗算して、それを給気基準風量（３０×β[ｍ³／ｍｉｎ]）とする一方、排気基本風量（３０[ｍ³／ｍｉｎ]）にも前記乗車率に応じた係数βを乗算して、それを排気基準風量（３０×β[ｍ³／ｍｉｎ]）とする。ここで、乗車率は、例えば、車両の荷重の変化を検出する荷重センサを各車両に設け、その荷重の変化に基づいて推測される。

このように、乗車率に応じて風量を調整する風量調整制御を採用することで、乗車率が少ない場合において、給排気ファンの消費電力を低減することができ、省エネ化を図ることができる。具体的には、例えば、換気装置８の消費電力は定格時約６〜８ｋＷに対して、風量を８０％にすれば消費電力は約６０％に、風量を５０％にすれば消費電力は約２０％にという具合に、風量減により消費電力を激減させることを実現できる。
(iv)喫煙車両／禁煙車両別風量制御（分煙制御）
給気基準風量（３０×β[ｍ³／ｍｉｎ]）に禁煙車両の場合には第１の補正風量（＋α[ｍ³／ｍｉｎ]）を、喫煙車両の場合には第１の補正風量よりも大きい第２の補正風量（−２α[ｍ³／ｍｉｎ]）をそれぞれ加算し、それに車外圧力補正風量を減算するとともに車内圧力制御風量を加算し、その値に、ゲイン１５で定数を乗算して、給気回転数を求め、回転数制御信号として給気ファン回転数指令が出力される。

一方、排気基準風量（３０×β[ｍ³／ｍｉｎ]）に禁煙車両の場合には第１の補正風量（−α[ｍ³／ｍｉｎ]）を、喫煙車両の場合には第２の補正風量（＋２α[ｍ³／ｍｉｎ]）をそれぞれ加算し、それに車外圧力補正風量を加算するとともに車内圧力制御風量を減算し、その値に、ゲイン１６で定数を乗算して、排気回転数を求め、回転数制御信号として排気ファン回転数指令が出力される。

つまり、禁煙車両、喫煙車両の区別なく給気風量および排気風量を一定にするのではなく、禁煙車両と喫煙車両とで給気風量および排気風量を、次の表１のように設定し、換気風量を変える。

なお、ここで第２の補正風量を第１の補正風量の２倍にしているのは、禁煙車両と喫煙車両との割合が２：１であるためであり、これら車両の割合が異なると、第１および第２の補正風量の割合も異なってくる。

このようにして、最終的に必要とされる給排気ファンの回転数が決定され（回転数決定手段）、図５に示すように、禁煙車両から喫煙車両への空気の流れを強制的に作り出すことができる。

特に、車内圧力が適切な与圧状態を保つように給排気ファンのファン回転数を自動調整し、扉開閉時や車内圧力開放弁の開放時における車両間の不要な空気の流れが発生しないようにしているので、この点からも、喫煙車両から禁煙車両へ煙草の煙が流れ込まないようにすることができ、分煙化の強化を図る上で有利となっている。

前記実施の形態では、車内圧力センサ３，４を両先頭車両１，２に設けているが、車内圧力センサに代えて、車内圧力と車外圧力との差圧を検出する差圧センサを設けることも可能である。

前記実施の形態では、各換気装置８が独立制御されるようになっているが、全車両の換気装置を統括制御するコントローラを設け、インテリジェントな換気システムを構成することも可能である。

本発明に係る列車の分煙システムの一実施の形態を示す概略構成図である。 前記分煙システムの制御系の説明図である。 車内圧力自動調整制御（与圧制御）の処理の流れを示すブロック図である。 車内圧力自動調整制御（与圧制御）における、給気風量、排気風量などの時間的変化を示す説明図である。 空気の流れの状態を示す説明図である。

符号の説明

１，２ 先頭車両
３，４ 車内圧力センサ
５，６ モニタ中央装置
７ 中間車両
８ 換気装置
９ 車外圧力センサ

Claims (4)

1. 禁煙車両と喫煙車両とを含み、各車両毎に換気装置を備え、前記各換気装置が、給気ファンを有しこの給気ファンを回転駆動する給気ファン手段、排気ファンを有しこの排気ファンを回転駆動する排気ファン手段並びに前記給気ファン手段および排気ファン手段を制御して前記給排気ファンの回転数を制御するファン回転制御手段とを有する列車の分煙システムにおいて、
   車内圧力および車外圧力を検出する圧力検出手段を備え、
   前記ファン回転制御手段は、
   前記禁煙車両から前記喫煙車両への空気の流れを強制的に生成するように前記禁煙車両および前記喫煙車両についての分煙用補正風量を設定する補正風量設定手段と、
   予め定められた給気基準風量および排気基準風量を、前記分煙用補正風量に基づき補正して、給気ファンおよび排気ファンの回転数を決定する回転数決定手段と、
   前記圧力検出手段よりの信号を受け車外圧力よりも車内圧力が一定圧だけ大きい与圧状態を保持するように車外圧力補正風量および車内圧力補正風量を演算する補正風量演算手段とを有し、
   前記給気基準風量および排気基準風量を、前記分煙用補正風量ならびに前記車外圧力補正風量および車内圧力補正風量に基づき補正する構成とされていることを特徴とする列車の分煙システム。
2. 前記分煙用補正風量に基づく補正は、前記禁煙車両では、前記給気基準風量に前記禁煙車両についての分煙用補正風量である第１の補正風量を加算する一方、前記排気基準風量から前記第１の補正風量を減算するかあるいは前記排気基準風量のままとし、
   前記喫煙車両では、前記給気基準風量から、前記喫煙車両についての分煙用補正風量である第２の補正風量を減算するかあるいは前記排気基準風量のままとする一方、前記排気基準風量に前記第２の補正風量を加算するものであることを特徴とする請求項１記載の列車の分煙システム。
3. 前記ファン回転制御手段は、各車両毎に、各給気ファンおよび排気ファンの回転数を独立に制御することを特徴とする請求項１または２記載の列車の分煙システム。
4. 車両の荷重の変化に基づいて乗車率を検出する乗車率検出手段を備え、
   前記回転数決定手段が、前記乗車率検出手段よりの信号を受け前記給気基準風量および排気基準風量を、前記分煙用補正風量に基づく補正に先だって、前記乗車率に基づき補正する乗車率補正手段とを備える請求項１〜３のいずれか１つに記載の列車の分煙システム。

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