JP6299625B2

JP6299625B2 - 車両用空調装置

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Publication number: JP6299625B2
Application number: JP2015031333A
Authority: JP
Inventors: 統也今道
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2015-02-20
Filing date: 2015-02-20
Publication date: 2018-03-28
Anticipated expiration: 2035-02-20
Also published as: JP2016153251A

Description

本発明は、２階建て鉄道車両において、車室内に調和空気を送給ダクトで供給する車両用空調装置に関するものである。

従来、２階建て鉄道車両における車両用空調装置では、１階部と２階部に設けられた各送給ダクトにそれぞれダンパ等の流量調整装置を設け、流量を調整することで１階部と２階部の室温を制御（循環風量制御）している。

また特許文献１の第１図に示されているように、２階建てバスの制御において、空調装置の送風口に近いダクト分岐部に流量調整用のダンパを一式設け、１階部と２階部に供給する風量を単一のダンパで調整する技術も提案されている。

実開昭５９−９３９１３号公報（第３図（Ａ）、第３図（Ｂ））

１階部と２階部の各送給ダクトにそれぞれ設けた流量調整装置で空調制御を実施する場合、一方の流量を変位すると、流量変化分が他方の送給ダクトに流入すると考えられている。このため、変位量を反映した流量を他方の流量調整装置に指示して双方の流量を協調して調整する必要があり、複雑な制御が必要とされている。

先行文献１記載の考案では２階部の快適性を優先、流量調整用のダンパを単一化することで制御の簡易化を図り、運転手による手動制御を可能にしている。ただし、空調装置の空気吐出口に近いダクト分岐部にダンパを設ける必要があるため、高い空気流速の影響を受けてダクト内に大きな圧損が発生するという課題があった。

本発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、単一の流量調整装置で空調制御を実施するとともに、圧力損失の軽減が可能な車両用空調装置を提供するものである。

車両用空調装置の送風口と接続されて鉄道用車体の第一の車室に調和空気を送給する第一の送給ダクトと、前記第一の送給ダクトに少なくとも１基以上設けられ、前記第一の車室に前記調和空気を送出する第一の空気吹出し口と、前記第一の送給ダクトから分岐して前記鉄道用車体の前記第一の車室の下部に隣接する第二の車室に前記調和空気を送給する第二の送給ダクトと、前記第二の送給ダクトに少なくとも１基以上設けられ、前記第二の車室に前記調和空気を送出する第二の空気吹出し口と、を備え、前記第一の送給ダクトもしくは前記第二の送給ダクトのいずれか一方の内部にのみ前記調和空気の流量を調整する流量調整装置が設置され、前記流量調整装置を前記第一の送給ダクトの内部に設置する場合には、前記第一の送給ダクトと前記第二の送給ダクトとの分岐点よりも前記第一の空気吹出し口に近い位置に設置され、かつ前記第一の空気吹出し口よりも前記車両用空調装置の送風口に近い位置に設置され、前記流量調整装置を前記第二の送給ダクトの内部に設置する場合には、前記第一の送給ダクトと前記第二の送給ダクトとの分岐点よりも前記第二の空気吹出し口に近い位置に設置され、かつ前記第二の空気吹出し口よりも前記車両用空調装置の送風口に近い位置に設置されることを特徴とする。

尚、２階部の快適性を優先して制御する場合には第二の送給ダクト内部にのみ流量調整装置を設置し、１階部の快適性を優先して制御する場合には第一の送給ダクト内部にのみ流量調整装置を設置する。

本発明によれば、第二の車室に調和空気を送給する第二の送給ダクト、もしくは第一の車室に調和空気を送給する第一の送給ダクトのいずれか一方の内部にのみ調和空気の流量を調整する流量調整装置を設置し、流量調整装置を制御する。簡易な制御で第一と第二の両車室の温度調整が可能であり、且つ流量調整装置の調整に伴う送給ダクト内の圧力損失を軽減する。

本発明の実施の形態１に係る２階建て鉄道車両1の構造を示す側面断面図である。本発明の実施の形態１に係る２階建て鉄道車両１の１階部を示す平面図である。本発明の実施の形態１に係る流量調整用ダンパ５の拡大略図である。本発明の実施の形態１に係る２階建て鉄道車両１の２階部送給ダクト２の拡大平面図である。本発明の実施の形態１に係る２階建て鉄道車両１の１階部送給ダクト３の拡大平面図である。本発明の実施の形態１に係る車両用空調装置４の風量とダクト圧損の相関図である。本発明の実施の形態１に係る流量調整用ダンパ５の開度制御を示すフローチャートである。本発明の実施の形態１に係る冷房運転時のダンパ開度制御テーブルである。本発明の実施の形態１の変形例に係る２階建て鉄道車両１の２階部送給ダクト２の拡大平面図である。本発明の実施の形態１の変形例に係る２階建て鉄道車両１の１階部送給ダクト３の拡大平面図である。本発明の実施の形態1の他の変形例に係る２階建て鉄道車両１の１階部を示す平面図である。本発明の実施の形態２に係る暖房運転時のダンパ開度制御テーブルである。

実施の形態１
実施の形態１では２階部の快適性を優先した例を説明する。図１は、本発明の実施の形態１に係る２階建て鉄道車両1の構造を示す側面断面図である。２階建て鉄道車両１の２階部分には調和空気を２階に送給する第一の送給ダクト２が設けられ、１階部分には調和空気を１階に送給する第二の送給ダクト３が設けられている。

２階建て鉄道車両１の前後何れか一方の端部に車両用空調装置４が設けられ、第一の送給ダクト２と第二の送給ダクト３とは車両用空調装置４の近くで合流して車両用空調装置４の送風口（図示せず）と接続される。車両用空調装置４は冷房、暖房の切替運転が可能であり、冷房および暖房に対応した調和空気を生成する。車両用空調装置４で生成された調和空気は、第一の送給ダクト２と第二の送給ダクト３とを通じて２階建て鉄道車両１の車内全体に送り込まれる。

車両用空調装置４の内部には、車両用空調装置４で生成される調和空気の流量を制御する制御装置６が設けられており、２階建て鉄道車両１の内部に設置された図示しない１個以上の温度センサを基にして、調和空気の流量を制御する。

第二の送給ダクト３の内部には流量調整装置として、例えば流量調整用ダンパ５が設けられている。図２は実施の形態１に係る２階建て鉄道車両1の１階部の構造を示す平面図である。第一の送給ダクト２は２階建て鉄道車両１の２階部分中央に設置され、第二の送給ダクト３は２階建て鉄道車両１の１階部分中央に設置される。

図３は流量調整用ダンパ５の拡大略図である。流量調整用ダンパ５の内部には羽根部７が設けられており、例えば０度（水平位置）〜９０度（垂直位置）の範囲で回転可動し、任意の角度に設定、固定することが可能である。

図４は第一の送給ダクト２の拡大平面図であり、矢印は車両用空調装置４で生成された調和空気の流れる向きを示している。第一の送給ダクト２には、１基以上の第一の空気吹出し口８が設けられており、車両用空調装置４で生成された調和空気はそのまま第一の送給ダクト２から第一の空気吹出し口８を通じて２階建て鉄道車両１の２階車室全体に送り込まれる。

図５は第二の送給ダクト３の拡大平面図であり、第二の送給ダクト３内部に設けられた流量調整用ダンパ５の設置位置を示す。矢印は車両用空調装置４で生成された調和空気の流れる向きを示している。第二の送給ダクト３には、第一の送給ダクト２と同様に１階部の車内に空気を送り込む第二の空気吹出し口９が少なくとも１基以上設けられており、調和空気は第二の空気吹出し口９を通じて２階建て鉄道車両１の１階車室全体に送り込まれる。

流量調整用ダンパ５は、流速が高く圧力損失の大きな、第一の送給ダクト２と第二の送給ダクト３との分岐点からは十分に離れ、且つ車両用空調装置４から最も近い場所に設置された第二の空気吹出し口９よりも車両用空調装置４に近い場所に設けられて、２階建て鉄道車両１の１階に吹き出す第二の送給ダクト３の内部を流れる調和空気の流量を調整する。即ち、流量調整用ダンパ５は、第一の送給ダクト２と第二の送給ダクト３との分岐点よりも第二の空気吹出し口９に近い位置に設置され、かつ第二の空気吹出し口９のいずれよりも車両用空調装置４に近い位置に設置されている。

ここで、第二の送給ダクト３の内部に設けた流量調整用ダンパ５の開度調整に伴う調和空気の風量変化について説明する。図６に車両用空調装置４の風量とダクト圧損の相関図を示す。縦軸はダクト全体の静圧を示し、横軸にはダクト全体の風量を示す。

Ｇ１は車両用空調装置４（室内送風機）の特性曲線を表しており、車両用空調装置４で生成する調和空気の総風量Ｑの増加に伴い静圧Ｐは小さくなっていく。Ｇ３は１階部の第二の送給ダクト３内部に設置した流量調整用ダンパ５の開度を最も絞った場合の圧損曲線を示しており、風量の増加に伴いダクト圧損は増加する。

このとき、Ｇ３とＧ１との交差点の風量Ｑ１が流量調整用ダンパ５の開度を最も絞った場合の第一の送給ダクト２と第二の送給ダクト３とに送給される調和空気の総風量となり、Ｐ１が第一の送給ダクト２と第二の送給ダクト３の総圧力損失となる。

Ｇ２は流量調整用ダンパ５の開度を最も拡げた時の圧損曲線を示しており、風量増加に伴いダクト圧損は増加するが、Ｇ３と比較すると緩やかな曲線になる。
Ｇ２とＧ１との交差点の風量Ｑ０が流量調整用ダンパ５の開度を最も拡げた場合の第一の送給ダクト２と第二の送給ダクト３とに送給される調和空気の総風量となり、Ｐ２が第一の送給ダクト２と第二の送給ダクト３の総圧力損失となる。

流量調整用ダンパ５の開度調整により、総圧力損失はＰ２とＰ１の範囲で変化する。このとき、車両用空調装置４の総風量もＱ０とＱ１の範囲で変化する。従来考えられていたように、流量調整用ダンパ５の開度調整が第一の送給ダクト２に影響を与える、つまり流量調整用ダンパ５の開度を絞った場合に第一の送給ダクト２の風量が増加するのであれば、総風量Ｑ０とＱ１で変化が発生しないか、あるいは非常に少ない変化量になると考えられるが、実際には総圧力損失の増加に伴い総風量は明らかに減少している。

圧力損失は流量調整用ダンパ５を調整する第二の送給ダクト３で発生する増加量が大きく、風量の減少は主に第二の送給ダクト３で発生する。この結果、流量調整用ダンパ５で開度調整を実施した場合でも、車両用空調装置４から第一の送給ダクト２に送給する風量に大きな変化は発生せず、第一の送給ダクト２への流量調整装置の設置と風量制御は必ずしも必要ではない。

なお、流量調整用ダンパ５を第一の送給ダクト２の内部に設けた場合においては、圧力損失は流量調整用ダンパ５を調整する第一の送給ダクト２で発生する増加量が大きく、風量の減少は主に第一の送給ダクト２で発生し、車両用空調装置４から第二の送給ダクト３に送給する風量に大きな変化は発生せず、第二の送給ダクト３への流量調整装置の設置と風量制御は必ずしも必要ではない。

以下に、冷房運転時における流量調整用ダンパ５の開度制御について説明する。流量調整用ダンパ５の開度制御は制御装置６で実施する。図７は流量調整用ダンパ５の開度制御を示すフローチャートである。制御の基本的な考え方としては、１階部に比較して視野の広い２階部に乗客が搭乗するケースが多く見受けられることから、２階部の快適性維持を優先する。

２階建て鉄道車両１には１階部と２階部の車室にそれぞれ１個以上の図示しない温度センサが設けられており、常時車内の温度を検知している。まず温度センサで１階部の室温を測定し（ステップＳ１１）、測定した室温の平均値を１階室温Ｔ＿１Ｆとして算出する（ステップＳ１２）。

同様に温度センサで２階部の室温を測定し（ステップＳ１３）、測定した室温の平均値を２階室温Ｔ＿２Ｆとして算出する（ステップＳ１４）。次にステップＳ１２で算出した１階室温Ｔ＿１ＦとステップＳ１４で算出した２階室温Ｔ＿２Ｆとを比較、温度差を算出する（ステップＳ１５）。

ステップＳ１５の結果、１階室温Ｔ＿１Ｆと２階室温Ｔ＿２Ｆとの温度差が１℃未満の場合には温度の再調整は不要とする。このとき、流量調整用ダンパ５は定格風量の開度を例えば３０度として指示する（ステップＳ１６）。尚、現時点で定格風量の開度に設定されている場合には、現在の開度を維持する。

ステップＳ１５の結果、１階室温Ｔ＿１Ｆと２階室温Ｔ＿２Ｆとの温度差が１℃以上の場合には、流量調整用テーブルとして流量調整用ダンパ５の設定開度を登録したダンパ開度制御テーブルを参照する（ステップＳ１７）。図８は冷房運転時のダンパ開度制御テーブルであり、温度差に対応したダンパ開度を登録している（ステップＳ１８）。

ここで、ステップＳ１７で参照するダンパ開度制御テーブルの考え方を示す。ダンパ開度制御テーブルには、ダンパ開度の設定値を３段階に分けて登録している。

２階部の室温が１階部の室温に比較して１℃以上高い場合には、速やかに２階部の快適性を回復する必要がある。このため、１階部に送り込む調和空気が最小限となるような開度、例えば４５度に流量調整用ダンパ５の開度を指示する。結果として１階部の温度が上昇する一方で２階部の温度が下降、１階部と２階部との温度差が１℃未満になるまで同じ開度を維持する。

２階部の室温が１階部の室温に比較して低い場合には２段階の制御を行う。１階室温との温度差が２℃以上ある場合には２階部の室温が冷えすぎている可能性が高いため、２階部に送り込む調和空気が最小限となるような開度、例えば０度（水平位置）に流量調整用ダンパ５の開度を指示、１階部への送給風量を最大にする。結果として１階部の室温が下降する一方で２階部の室温は上昇、１階部と２階部との温度差が１℃未満になるまで同じ開度を維持する。

２階部の室温と１階部の室温との温度差が１℃以上２℃未満の場合には、２階部の快適性は損なわれておらず、室温の変化量も小さいことから定格風量の開度、例えば３０度に流量調整用ダンパ５の開度を指示する。

ステップＳ１６で定格風量の開度を指示後、あるいはステップＳ１８で参照したダンパ開度制御テーブルの開度を指示後、流量調整用ダンパ５の開度を設定する（ステップＳ１９）。このとき、室温に変化が現れるには一定の時間が必要となる。このため、例えば３分間、次の制御を開始するまでの処理保留時間を設定、チャタリングの発生を回避する（ステップＳ２０）。

この実施の形態１によれば、第二の送給ダクト３に設置した流量調整用ダンパ５のみを制御することで、２階部の快適性を維持することが可能である。また、流量調整用ダンパ５を第二の送給ダクト３の適切な位置に設置することで、第一の送給ダクト２と第二の送給ダクト３とで発生する総圧力損失を軽減することが可能である。

尚、ダンパ開度制御のテーブルは最も簡易な例として３段階の開度を設定したが、３段階に限定するものではなく、温度差のレンジ幅を広げて３段階以上のテーブルを設けても構わない。また、流量調整用ダンパ５の設定開度も「４５度」「３０度」「０度」に限定するものではなく、車体寸法や乗客定員数等に応じた最適な開度設定により、快適性の向上が可能である。

加えて、処理保留時間は３分に限定するものでなく、車体寸法や乗客定員数等に応じて最適な効率を期待できる時間を設定してもよい。

実施の形態１では２階部の快適性を優先するために第二の送給ダクト３にのみ流量調整用ダンパ５を設けたが、実施の形態１の変形例として、第一の送給ダクト２にのみ流量調整用ダンパ５を設けることで、１階部の快適性を優先して制御することが可能である。

図９は実施の形態１の変形例における第一の送給ダクト２の拡大平面図であり、第一の送給ダクト２内部に設けられた流量調整用ダンパ５の設置位置を示す。図１０は実施の形態１の変形例における第二の送給ダクト３の拡大図である。尚、矢印は車両用空調装置４で生成された調和空気の流れる向きを示している。

実施の形態１の他の変形例として、２階建て鉄道車両１の１階部分に設けられる第二の送給ダクト１０が２階建て鉄道車両１の左右両側面に設置される場合について説明する。図１１は実施の形態1の変形例に係る２階建て鉄道車両１の１階部を示す平面図である。

第二の送給ダクト１０は２階建て鉄道車両１の１階部の車室において、車両用空調装置４の送風口との接続箇所を起点として、２階建て鉄道車両１の１階部左右両側面に分かれた形状で設置される。このとき、流量調整用ダンパ１１と流量調整用ダンパ１２とを左右両側面に分かれた第二の送給ダクト１０内の実施の形態１で示した位置と同様の場所にそれぞれ設置する。

流量調整用ダンパ１１と流量調整用ダンパ１２は実施の形態１で示したフローチャートで制御される。この結果、流量調整用ダンパ１１と流量調整用ダンパ１２が個々に独立した動作を行うことはなく、同一の動作を実施するため、第二の送給ダクト１０の形状が異なる場合においても、実施の形態１と同様の効果を得ることが可能である。

尚、２階建て鉄道車両１の２階部の車室に設けられる第一の送給ダクト２は、２階建て鉄道車両１の２階中央部、２階左右両側面のいずれに設置しても構わない。

実施の形態２
この発明の実施の形態２として、暖房運転時における流量調整用ダンパ５の開度制御で参照するダンパ開度制御テーブルについて説明する。図１２は暖房運転時のダンパ開度制御テーブルである。構成、制御手順は実施の形態１に示した内容と同一であり、各構成品の説明は省略する。

実施の形態２に係るダンパ開度制御テーブルには、冷房運転時と同様に開度の設定値を３段階に分けて登録する。暖房時、車両用空調装置４で暖められた調和空気は冷たい車内空気よりも比重が小さいため、２階部に流れようとする特性がある。そのため、ダンパ開度制御テーブルに登録する流量調整用ダンパ５の開度は、冷房時とは異なる開度を設定する。

２階部の室温が１階部の室温に比較して高い場合には２段階の制御を行う。１階室温との温度差が２℃以上ある場合には２階部の室温が暖まりすぎている可能性が高いため、２階部に送り込む調和空気が最小限となるような開度、例えば０度（水平位置）に流量調整用ダンパ５の開度を設定、１階部への送給風量を最大にする。結果として１階部の室温が上昇する一方で２階部の室温が下降、１階部と２階部との温度差が１℃未満になるまで同じ開度を継続する。

１階部の室温との温度差が１℃以上２℃未満の場合には、２階部の快適性は損なわれておらず、室温の変化量も小さなことから、定格風量の開度、例えば２５度で流量調整用ダンパ５の開度を設定する。

２階部の室温が１階部の室温に比較して１℃以上低い場合には、速やかに２階部の快適性を回復する必要がある。このため、１階部に送り込む調和空気が最小となるような開度、例えば４０度に流量調整用ダンパ５の開度を設定、１階部への送給風量を最小にする。結果として１階部の温度が下降する一方で２階部の温度が上昇、１階部と２階部との温度差が１℃未満になるまで同じ開度を維持する。

この実施の形態２によれば、暖房時においても第二の送給ダクト３に設置した流量調整用ダンパ５のみを制御することで、２階部の快適性を維持することが可能である。また、流量調整用ダンパ５を第二の送給ダクト３の適切な位置に設置することで、第一の送給ダクト２と第二の送給ダクト３とで発生する総圧力損失を軽減することが可能である。

暖房時においても、ダンパ開度制御のテーブルを３段階に限定するものではなく、温度差のレンジ幅を広げて３段階以上のテーブルを設けても構わない。また、流量調整用ダンパ５の設定開度も「４０度」「２５度」「０度」に限定するものではなく、車体寸法や乗客定員数等に応じた最適な開度設定により、快適性の向上が可能である。

１２階建て鉄道車両、２第一の送給ダクト、３第二の送給ダクト、４車両用空調装置、５流量調整用ダンパ、６制御装置、７羽根部、８第一の空気吹出し口、９第二の空気吹出し口

Claims

車両用空調装置の送風口と接続されて鉄道用車体の第一の車室に調和空気を送給する第一の送給ダクトと、
前記第一の送給ダクトに少なくとも１基以上設けられ、前記第一の車室に前記調和空気を送出する第一の空気吹出し口と、
前記第一の送給ダクトから分岐して前記鉄道用車体の前記第一の車室の下部に隣接する第二の車室に前記調和空気を送給する第二の送給ダクトと、
前記第二の送給ダクトに少なくとも１基以上設けられ、前記第二の車室に前記調和空気を送出する第二の空気吹出し口と、
を備え、
前記第一の送給ダクトもしくは前記第二の送給ダクトのいずれか一方の内部にのみ前記調和空気の流量を調整する流量調整装置が設置され、
前記流量調整装置を前記第一の送給ダクトの内部に設置する場合には、前記第一の送給ダクトと前記第二の送給ダクトとの分岐点よりも前記第一の空気吹出し口に近い位置に設置され、かつ前記第一の空気吹出し口よりも前記車両用空調装置の送風口に近い位置に設置され、前記流量調整装置を前記第二の送給ダクトの内部に設置する場合には、前記第一の送給ダクトと前記第二の送給ダクトとの分岐点よりも前記第二の空気吹出し口に近い位置に設置され、かつ前記第二の空気吹出し口よりも前記車両用空調装置の送風口に近い位置に設置されることを特徴とする車両用空調装置。
前記流量調整装置は調整情報を登録した流量調整用テーブルで制御され、前記流量調整用テーブルは少なくとも３段階の室温情報を有してそれぞれの室温情報に対応した前記流量調整装置の調整情報を有していることを特徴とする請求項１に記載の車両用空調装置。
前記流量調整装置は、０度から９０度の範囲で回転可動なダンパ装置とし、前記流量調整用テーブルは少なくとも３段階のダンパ開度を有することを特徴とする請求項２に記載の車両用空調装置。
前記流量調整用テーブルは、暖房運転時における前記ダンパ開度が、冷房運転時における前記ダンパ開度よりも大きくなるような調整情報の設定を可能とすることを特徴とする請求項３に記載の車両用空調装置。
前記流量調整用テーブルは、前記第一の車室の平均温度と前記第二の車室の平均温度の差が許容範囲内にある場合、前記流量調整装置の開度を定格風量の開度とし、
冷房運転時に、前記第一の車室の平均温度と前記第二の車室の平均温度の差が前記許容範囲内になく、前記流量調整装置が配置されていない送給ダクトに対応する車室の平均温度が前記流量調整装置の配置されている送給ダクトに対応する車室の平均温度よりも高い場合、および、暖房運転時に、前記第一の車室の平均温度と前記第二の車室の平均温度の差が前記許容範囲内になく、前記流量調整装置が配置されていない送給ダクトに対応する車室の平均温度が前記流量調整装置の配置されている送給ダクトに対応する車室の平均温度よりも低い場合は、前記流量調整装置の開度を前記定格風量の開度よりも小さくするような調整情報の設定を可能とすることを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項に記載の車両用空調装置。