JP6053958B2 - 車両用空気調和装置及びこれを備えた鉄道車両 - Google Patents

Description

本発明は、車両用空気調和装置及びこれを備えた鉄道車両に関する。

地下鉄等で運行される鉄道車両の屋根部に搭載されている空気調和装置は、冷房専用として使用されることが多い。このような空気調和装置を備えた鉄道車両は、暖房を要する冬季において、客室内の座席下に設けられた電気ヒータを稼働させることで、客室内に暖気を供給している。

ここで一般に、車両用空気調和装置の本体の内部には室内室及び室外室が形成されている。室内室には、室内送風機及び室内熱交換器が設けられている。室外室には、圧縮機、室外送風機、及び室外熱交換器が設けられている。

従来、車両用空気調和装置の本体の上部に外気取入口を形成し、暖房運転時に、外気取入口を通じて本体の内部に外気を導入することで、本体の内部に導入された外気と、室外熱交換器の冷媒配管を流れる冷媒と、を熱交換し、客室内を暖房する車両用空気調和装置があった。

また、従来、室外室の中央に設けられた室外送風機と、室外送風機の両側面に設けられた室外熱交換器と、を備え、本体の側面に形成された外気取込口から本体の内部に導入された外気を、本体の上面に形成された外気吐出口から排出するヒートポンプ式（冷暖用）空気調和装置があった（特許文献１）。

また、従来、室外室の内部の側面に設けられた偏心多翼型の室外送風機を回転させることで、室外室の側面に形成された外気取込口から取り込んだ外気を、室外室の側面に形成された外気吐出口から排出する空気調和装置があった（特許文献２）。特許文献２の空気調和装置は、最も強い遠心力が発生するケーシングの周面と、遠心力が充分発生する範囲内である間隔を在して、本体内の外気吐出口側に分離板を設けることで、比較的重量のある雪片等の物質を含む空気流を、ケーシングの周面に導き、排出口から外部に排出するようにしている。

実公昭６０−７２５８号公報（第１頁、第２頁、第６図） 特開平３−１９３５５４号公報（第３頁、第４頁、第３図）

しかしながら、車両用空気調和装置の本体の上部に外気取入口が形成された車両用空気調和装置や、特許文献１に記載の車両用ヒートポンプ空調装置は、例えば冬季に降雪した場合、雪片が外気取入口を通って室外送風機の羽根表面に付着したり、雪片が室外熱交換器の表面に付着することがある。そして、この状態で暖房運転が行われると、室外送風機を回転させるファンモータが過負荷となる可能性があるという課題があった。また、室外熱交換器の表面に付着した雪片が氷結することで熱交換が阻害されるという課題があった。また、降雪時に暖房運転を行わないで、客室内の座席下に設けた電気ヒータを用いて客室内を暖房すると、消費電力が増大するという課題があった。

また、特許文献２に記載の車両用空気調和装置は、室外送風機として偏心多翼型のものを用いるため、プロペラ型のものよりもコストが割高になるという課題があった。また、特許文献２に記載の車両用空気調和装置は、分離板を設けるため、構成が複雑となるという課題があった。

本発明は、上述のような課題を背景としてなされたものであり、外部環境に依らずにヒートポンプ運転を継続し易くし、従来よりもコストを削減し且つ消費電力を低減できる車両用空気調和装置及びこれを備えた鉄道車両を提供することを目的とする。

本発明の車両用空気調和装置は、鉄道車両の車両本体の上部に設けられ、上部に第１開口が形成され、下部に第２開口が形成された空調装置本体と、前記空調装置本体の内部に設けられた室外熱交換器と、前記空調装置本体の内部に設けられ、前記室外熱交換器に空気を送出する室外送風機と、前記第１開口を開閉する第１ダンパと、前記第２開口を開閉する第２ダンパと、外気温度に関する値及び前記値に関連する基準値に基づいて、前記第１開口を閉塞あるいは一部開放するように前記第１ダンパを制御し、前記第２開口を少なくとも一部開放するように前記第２ダンパを制御する制御手段と、を備えたものである。

本発明の鉄道車両は、本発明の車両用空気調和装置を備えたものである。

本発明によれば、制御手段は、外気温度に関する値及び値に関連する基準値に基づいて、第１開口を閉塞あるいは一部開放するように第１ダンパを制御し、第２開口を少なくとも一部開放するように第２ダンパを制御する。このため、特に冬季降雪時において、雪片などの物質が第１開口を通過することを抑制でき、第２開口を通過して車両用空気調和装置の内部に外気を取り込むことができる。したがって、外部環境に依らずにヒートポンプ運転を継続し易くし、従来よりもコストを削減し且つ消費電力を低減できる。

実施の形態１に係る鉄道車両１００の側面図を示す図である。 図１のＸ−Ｘ断面図である。 実施の形態１に係る鉄道車両１００の車両用空気調和装置１の内部構造を示す平面図である。 実施の形態１に係る鉄道車両１００の車両用空気調和装置１の内部構造を示す図である。 実施の形態２に係る鉄道車両１００の車両用空気調和装置１の内部構造を示す平面図である。 実施の形態２に係る鉄道車両１００の車両用空気調和装置１の内部構造を示す図である。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態について説明する。なお、図１を含め、以下の図面では各構成部材の大きさの関係が実際のものとは異なる場合がある。また、図１を含め、以下の図面において、同一の符号を付したものは、同一又はこれに相当するものであり、このことは明細書の全文において共通することとする。さらに、明細書全文に表わされている構成要素の形態は、あくまでも例示であって、これらの記載に限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は実施の形態１に係る鉄道車両１００の側面図を示す図である。図２は図１のＸ−Ｘ断面図である。図１，図２に示されるように、鉄道車両１００は、車両用空気調和装置１と、車両本体１００Ａと、温度検知手段（図示省略）と、を備える。

車両用空気調和装置１は、空調装置本体１Ａを有する、例えばヒートポンプ式（冷暖用）の空気調和装置である。空調装置本体１Ａは、車両用空気調和装置１の外郭を構成する部材である。空調装置本体１Ａの内部構造については、図３，図４を用いて詳しく説明する。車両本体１００Ａは、鉄道車両１００の外郭を構成する部材である。車両本体１００Ａの内部には客室２が設けられている。車両本体１００Ａの上部は屋根３で構成される。車両本体１００Ａには、車両本体１００Ａの上部で接続される支持部材４が設けられている。

図３は実施の形態１に係る鉄道車両１００の車両用空気調和装置１の内部構造を示す平面図である。図３に示されるように、車両用空気調和装置１の内部は区画され、室内室６及び室外室９が形成されている。室内室６には、制御手段５、室内送風機７、室内熱交換器８、及び室内ファンモータ（図示省略）が設けられている。室外室９には、圧縮機１０、室外送風機１１ａ，１１ｂ、室外熱交換器１２ａ，１２ｂ、及び室外ファンモータ（図示省略）が設けられている。

制御手段５は、車両用空気調和装置１の運転等を制御するものであり、例えば、この機能を実現する回路デバイスなどのハードウェア、又はマイコン若しくはＣＰＵなどの演算装置上で実行されるソフトウェアで構成される。温度検知手段は、外気温度等を検知するものであり、例えばサーミスタで構成される。

室内送風機７は、例えば遠心式（シロッコファン）の送風機で構成される。室内送風機７は、客室２の空気を室内熱交換器８に導く機能を有する。室内熱交換器８は、フィン（図示省略）と、冷媒配管（図示省略）と、を有する。室内熱交換器８は、室内送風機７よりも車両用空気調和装置１の幅方向外側にそれぞれ設けられている。室内熱交換器８は、四方弁（図示省略）を切り替えることで、冷房運転時には蒸発器としての機能を発揮し、暖房運転時には凝縮器としての機能を発揮する。

圧縮機１０は、冷凍サイクルを循環する冷媒を高温高圧の冷媒となるように圧縮して吐出するものであり、例えば、車両用空気調和装置１の長手方向に所定の間隔を置いて一対配置されている。室外送風機１１ａ，１１ｂは、例えば軸流式（プロペラファン）の送風機で構成され、例えば、一対の圧縮機１０の間に配置されている。室外熱交換器１２ａ，１２ｂは、室外送風機１１ａ，１１ｂよりも車両用空気調和装置１の幅方向外側にそれぞれ設けられている。室外熱交換器１２ａ，１２ｂは、四方弁（図示省略）を切り替えることで、冷房運転時には凝縮器としての機能を発揮し、暖房運転時には蒸発器としての機能を発揮する。

ここで、車両用空気調和装置１の運転時の動作の概略について説明する。
車両用空気調和装置１の運転が開始されると、制御手段５は、室内ファンモータ及び室外ファンモータを駆動させる。室内ファンモータが駆動することで室内送風機７が回転し、室外ファンモータが駆動することで室外送風機１１ａ，１１ｂが回転する。

室内送風機７が回転することで、客室２の空気が室内熱交換器８に導かれる。そして、室内熱交換器８に導かれた空気と、室内熱交換器８に導かれた冷媒とが熱交換される。また、室外送風機１１ａ，１１ｂが回転することで、室外の空気（外気）が室外熱交換器１２ａ，１２ｂに導かれる。そして、室外熱交換器１２ａ，１２ｂに導かれた外気と、室外熱交換器１２ａ，１２ｂの内部の冷媒配管を流れる冷媒とが熱交換される。

次に、車両用空気調和装置１の暖房運転時の動作の概略について説明する。暖房運転時においては、室内熱交換器８が凝縮器として機能し、室外熱交換器１２ａ，１２ｂが蒸発器として機能する。

圧縮機１０で圧縮された冷媒は、室内熱交換器８に導かれ、室内送風機７が回転することで室内熱交換器８に導かれた空気と熱交換される。室内熱交換器８に導かれた空気は、室内熱交換器８に導かれた冷媒と熱交換され、客室２に導かれる。

室内熱交換器８に導かれた空気と熱交換した冷媒は、膨張弁（図示省略）等で減圧され、室外熱交換器１２ａ，１２ｂに導かれる。室外熱交換器１２ａ，１２ｂに導かれた冷媒は、室外送風機１１ａ，１１ｂが回転することで室外熱交換器１２ａ，１２ｂに導かれた空気と熱交換し、圧縮機１０に導かれる。室外熱交換器１２ａ，１２ｂに導かれた空気は、室外熱交換器１２ａ，１２ｂに導かれた冷媒と熱交換され、車両用空気調和装置１の外部に導かれる。

図４は実施の形態１に係る鉄道車両１００の車両用空気調和装置１の内部構造を示す図である。図４に示されるように、空調装置本体１Ａは、室外上面カバー１３ａと、底板部１３ｂと、を備える。空調装置本体１Ａには、第１開口１４ａ、第２開口１４ｂ、外気吐出口１５ａ，１５ｂが形成されている。鉄道車両１００と車両用空気調和装置１との間には、空隙３０が形成されている。空隙３０は、第２開口１４ｂ（後述する）を通じて車両用空気調和装置１に外気を導くための空間である。

第１開口１４ａは、車両用空気調和装置１の内部に外気を導くための開口である。第１開口１４ａは、室外上面カバー１３ａの幅方向中央付近に形成される。第１開口１４ａには、第１開口１４ａを開閉するための第１ダンパ２５ａが設けられている。

第２開口１４ｂは、外気を車両用空気調和装置１の内部に導くための開口である。第２開口１４ｂは、底板部１３ｂの幅方向中央付近に形成される。第２開口１４ｂには、第２開口１４ｂを開閉するための第２ダンパ２５ｂが設けられている。

第１ダンパ２５ａ及び第２ダンパ２５ｂは制御手段５によって制御される。制御手段５は、例えば、温度検知手段の検知結果に基づいて、第１ダンパ２５ａ及び第２ダンパ２５ｂを制御する。具体的には、制御手段５は、例えば、温度検知手段の検知情報が基準値未満である場合に、第１開口１４ａを閉塞するように第１ダンパ２５ａを制御し、第２開口１４ｂを開放するように第２ダンパ２５ｂを制御する。

図４に示されるように、室外送風機１１ａ，１１ｂは、例えば、室外室９の中央部を中心として、左右にそれぞれ設けられる。室外送風機１１ａは、吸い込んだ空気の吐出方向が室外熱交換器１２ａ及び外気吐出口１５ａに向くように配置される。室外送風機１１ｂは、吸い込んだ空気の吐出方向が室外熱交換器１２ｂ及び外気吐出口１５ｂに向くように配置される。なお、室外送風機１１ａ，１１ｂについては、１台の両軸式の送風機で代用してもよい。

ここで、図４を用いて、例えば温度検知手段の検知値が基準値以上である場合（例えば、冷房運転を行う盛夏時）の外気の流れについて説明する。このとき、制御手段５は、温度検知手段の検知値が基準値以上の場合に、冬季降雪時でないと判断し、第１開口１４ａを開放するように第１ダンパ２５ａを制御し、第２開口１４ｂを開放するように第２ダンパ２５ｂを制御する。

第１開口１４ａ及び第２開口１４ｂが開放された状態で、室外送風機１１ａ，１１ｂが運転されると、外気は、第１開口１４ａ及び第２開口１４ｂから空調装置本体１Ａ内に流入して空調装置本体１Ａの内部を循環する。空調装置本体１Ａの内部を循環した外気は、外気吐出口１５ａ，１５ｂから空調装置本体１Ａの外部に排出される。このようにして、室外送風機１１ａ，１１ｂの風量を増大し、冷凍サイクルの高圧上昇を抑制することができる。

なお、制御手段５が、温度検知手段の検知値が基準値以上である場合に、第１開口１４ａを開放するように第１ダンパ２５ａを制御し、第２開口１４ｂを閉塞するように第２ダンパ２５ｂを制御してもよい。

次に、図４を用いて、例えば温度検知手段の検知値が基準値未満である場合（例えば、暖房運転時）の外気の流れについて説明する。このとき、制御手段５は、温度検知手段の検知値が基準値未満である場合に、冬季降雪時であると判断し、第１開口１４ａを閉塞するように第１ダンパ２５ａを制御し、第２開口１４ｂを開放するように第２ダンパ２５ｂを制御する。

第１開口１４ａが閉塞され且つ第２開口１４ｂが開放された状態で、室外送風機１１ａ，１１ｂが運転されると、外気は、第２開口１４ｂを通過して室外熱交換器１２ａ，１２ｂに導入される。室外熱交換器１２ａ，１２ｂを流れる冷媒は、室外熱交換器１２ａ，１２ｂに導入された外気から吸熱し、圧縮機１０に導かれる。室外熱交換器１２ａ，１２ｂに導入された外気は、室外熱交換器１２ａ，１２ｂを流れる冷媒と熱交換した後に、外気吐出口１５ａ，１５ｂを通って空調装置本体１Ａの外部に排出される。

このように、特に冬季降雪時において、鉄道車両１００の内部に電気ヒータ等の加熱手段を別途用いることなく、客室２を暖房することができる。したがって、従来よりもコストを削減し且つ消費電力を低減することができる。

なお、以上の説明においては、制御手段５が、温度検知手段の検知値に基づいて、第１ダンパ２５ａ及び第２ダンパ２５ｂを制御する例について説明したが、これに限定されない。例えば、第１ダンパ２５ａを制御する制御手段と、第２ダンパ２５ｂを制御する制御手段と、を個別に設けるように構成してもよい。

また、例えば、制御手段５が、温度検知手段の検知値に基づいて、第１ダンパ２５ａ及び第２ダンパ２５ｂを段階的に制御するように構成してもよい。具体的には例えば、制御手段５は、第１開口１４ａが一部開放するように第１ダンパ２５ａを制御し、第２開口１４ｂが一部開放するように第２ダンパ２５ｂを制御する。さらに具体的には例えば、制御手段５は、温度検知手段の検知値から基準値を減じた値が小さい程、第１開口１４ａの開口面積を小さくするように第１ダンパ２５ａを制御し、温度検知手段の検知値から基準値を減じた値が小さい程、第２開口１４ｂの開口面積を大きくするように第２ダンパ２５ｂを制御する。

また、例えば、制御手段５が、温度検知手段の検知値に加えて他のセンサの検知情報も勘案して、第１ダンパ２５ａ及び第２ダンパ２５ｂを制御するように構成してもよい。具体的には例えば、負荷を検知する負荷検知手段を設け、制御手段５が、外気温度に関する値である負荷検知手段の検知値に基づいて、第１ダンパ２５ａ及び第２ダンパ２５ｂを制御する構成としてもよい。なお、負荷検知手段は、例えば、圧縮機１０の回転数を測定する装置で構成される。

また、例えば、制御手段５が、予め設定された設定値に基づいて、第１ダンパ２５ａ及び第２ダンパ２５ｂを制御するように構成してもよい。予め設定された設定値は、例えば時間に関する値であり、例えば制御手段５の記憶手段（図示省略）に記憶されている。制御手段５は、この時間に関する値に基づいて、第１ダンパ２５ａ及び第２ダンパ２５ｂを制御する。具体的には例えば、制御手段５は、車両用空気調和装置１の運転が開始されてから一定時間（例えば４時間）経過すると、第１開口１４ａを閉塞するように第１ダンパ２５ａを制御し、第２開口１４ｂを開放するように第２ダンパ２５ｂを制御する。

以上のように、本実施の形態１に係る車両用空気調和装置１は、鉄道車両１００の車両本体１００Ａの上部に設けられ、上部に第１開口１４ａが形成され、下部に第２開口１４ｂが形成された空調装置本体１Ａと、第１開口１４ａを開閉する第１ダンパ２５ａと、第２開口１４ｂを開閉する第２ダンパ２５ｂと、外気温度に関する値及び前記値に関連する基準値に基づいて、第１開口１４ａを閉塞あるいは一部開放するように第１ダンパ２５ａを制御し、第２開口１４ｂを少なくとも一部開放するように第２ダンパ２５ｂを制御する制御手段５と、を備えた。
このため、特に冬季降雪時において、雪片などの物質が第１開口１４ａを通過することを抑制でき、第２開口１４ｂを通過して車両用空気調和装置１の内部に外気を取り込むことができる。したがって、外部環境に依らずにヒートポンプ運転を継続し易くし、従来よりもコストを削減し且つ消費電力を低減できる。

実施の形態２．
次に、実施の形態２に係る車両用空気調和装置１について説明する。実施の形態１と同一の構造については同一の符号を付して説明を割愛する。図５は、実施の形態２に係る鉄道車両１００の車両用空気調和装置１の内部構造を示す平面図である。図６は実施の形態２に係る鉄道車両１００の車両用空気調和装置１の内部構造を示す図である。

図５，図６に示されるように、室外室９の中央部には室外送風機２６及び室外送風機２７が設けられている。室外送風機２６，２７は、例えば遠心式（ターボファン）の送風機で構成される。なお、室外送風機２６，２７については、１台の両軸式の送風機で代用してもよい。なお、実施の形態２における第１ダンパ２５ａ及び第２ダンパ２５ｂの制御は、実施の形態１における第１ダンパ２５ａ及び第２ダンパ２５ｂの制御と同様であるため、説明を割愛する。

以上のように、実施の形態２に係る車両用空気調和装置１は、実施の形態１に係る車両用空気調和装置１と同様の効果を奏することができる。そして、実施の形態２においては、室外送風機２６，２７をターボ式の送風機で構成したため、実施の形態１のように、室外送風機１１ａ，１１ｂをプロペラ式の送風機で構成した場合に比べ、騒音を小さくすることができる。

１ 車両用空気調和装置、１Ａ 空調装置本体、２ 客室、３ 屋根、４ 支持部材、５ 制御手段、６ 室内室、７ 室内送風機、８ 室内熱交換器、９ 室外室、１０ 圧縮機、１１ａ，１１ｂ 室外送風機、１２ａ，１２ｂ 室外熱交換器、１３ａ 室外上面カバー、１３ｂ 底板部、１４ａ 第１開口、１４ｂ 第２開口、１５ａ，１５ｂ 外気吐出口、２５ａ 第１ダンパ、２５ｂ 第２ダンパ、２６，２７ 室外送風機、３０ 空隙、１００ 鉄道車両、１００Ａ 車両本体。

Claims (7)

1. 鉄道車両の車両本体の上部に設けられる車両用空気調和装置であって、
   上部に第１開口が形成され、下部に第２開口が形成された空調装置本体と、
   前記空調装置本体の内部に設けられた室外熱交換器と、
   前記空調装置本体の内部に設けられ、前記室外熱交換器に空気を送出する室外送風機と、
   前記第１開口を開閉する第１ダンパと、
   前記第２開口を開閉する第２ダンパと、
   外気温度に関する値及び前記値に関連する基準値に基づいて、前記第１開口を閉塞あるいは一部開放するように前記第１ダンパを制御し、前記第２開口を少なくとも一部開放するように前記第２ダンパを制御する制御手段と、を備えた
   ことを特徴とする車両用空気調和装置。
2. 外気温度を検知する温度検知手段をさらに備え、
   前記制御手段は、
   前記外気温度に関する値である前記温度検知手段の検知値及び前記検知値に関連する基準値に基づいて、前記第１ダンパ及び前記第２ダンパを制御する
   ことを特徴とする請求項１に記載の車両用空気調和装置。
3. 前記制御手段は、
   前記温度検知手段の検知値から前記検知値に関連する基準値を減じた値が小さい程、前記第１開口の開口面積を小さくする
   ことを特徴とする請求項２に記載の車両用空気調和装置。
4. 前記制御手段は、
   暖房運転時において、前記外気温度に関する値が前記基準値未満である場合に、前記第１開口を閉塞するように前記第１ダンパを制御し、前記第２開口を少なくとも一部開放するように前記第２ダンパを制御する
   ことを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の車両用空気調和装置。
5. 負荷を検知する負荷検知手段をさらに備え、
   前記制御手段は、
   前記外気温度に関する値である前記負荷検知手段の検知値及び前記検知値に関連する基準値に基づいて、前記第１ダンパ及び前記第２ダンパを制御する
   ことを特徴とする請求項１に記載の車両用空気調和装置。
6. 前記室外送風機は、軸流式あるいは遠心式で構成されている
   ことを特徴とする請求項１〜請求項５の何れか一項に記載の車両用空気調和装置。
7. 請求項１〜請求項６の何れか一項に記載の車両用空気調和装置を備えた
   ことを特徴とする鉄道車両。

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