JP6395562B2

JP6395562B2 - 鉄道車両用空気調和装置の室外機

Info

Publication number: JP6395562B2
Application number: JP2014225443A
Authority: JP
Inventors: 克洋藤木
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2014-11-05
Filing date: 2014-11-05
Publication date: 2018-09-26
Anticipated expiration: 2034-11-05
Also published as: JP2016088310A

Description

本発明は、鉄道車両用空気調和装置の室外機に関するものである。

鉄道車両用空気調和装置は、鉄道車両の屋根又は床下に搭載され、特に屋根に搭載される場合は、屋根の上に突出した形で配置されるか、天井部に埋め込まれる形で配置されている。鉄道車両用空気調和装置は、車両外の空気を取り込み室外熱交換器で冷媒と熱交換を行う室外機と、車両内の空気を取り込み室内熱交換器で冷媒と熱交換を行う室内機と、を有する。室外機は、車両外部側に室外機カバーを有し、室外機カバーには車両外の空気を取り込む吸気口、熱交換した空気を車両外部に排出する排気口を有する。吸気口及び排気口には、開口部にルーバーが配置されており、開口部から室外機の内部に異物が侵入するのを防止しながら空気の出し入れを可能にしている。また、鉄道車両用空気調和装置の室外機の内部には、熱交換器へ冷却風を送るための室外送風機を有する。

鉄道車両用空気調和装置の室外機は、冷房運転時には、室外送風機により吸気口から取り込んだ空気を冷却風として室外熱交換器へ送風し、熱交換し、熱せられた空気を排気風として排気口から排出している。鉄道車両用空気調和装置の室外機は、走行風の影響により排気口における冷却風の圧力損失が高くなる。そこで、空気調和装置の室外機の排気口配置及び排気口周辺形状を変更することにより、空気調和装置の室外機の冷却風量を多くする提案がされている。

例えば、鉄道車両用空気調和装置の室外機として、「排気口の縁部外周の端部断面形状が丸みを有し、車体表面より突出した排気口を備えた」ものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、排気口に可動式のルーバーを備え、車両の進行方向に応じてルーバーの位置を可変するものが提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開平１１−３２１６４４号公報（第２−４頁、図２）特開昭６０−１６１２１５号公報（第３頁、第７図）

高速走行中の鉄道車両は、走行風の影響によって、鉄道車両用空気調和装置の室外機の排気口における排気風の圧力損失が高くなり、室外機の冷却風量が低下し、鉄道車両用空気調和装置の冷却効率が低下する。そのため、特許文献１で提案されている鉄道車両用空気調和装置においては、排気口の縁部外周の端部断面形状に丸みをもたせ、排気口を車両表面より突出させている。しかし、排気口を車両表面から突出させているため、騒音の発生源になってしまうという課題があった。

特許文献２で提案されている鉄道車両用空気調和装置の室外機においては、排気口に可動ルーバーを配置することで、排気口上を通過する風による渦が生ずるのを防ぎ、排気と逆流する向きに空気が流れることがなくなり、排気を円滑にすることが出来る。しかし、この可動ルーバーは車両表面から突き出ているため、騒音の発生源になってしまうという課題があった。

本発明は、以上のような課題を解決するためになされたもので、騒音を増加させることなく、排気風の圧力損失を低下させることにより、冷却風量を増加させ、冷却効率が高い鉄道車両用空気調和装置の室外機を提供することを目的としている。

本発明に係る鉄道車両用空気調和装置の室外機は、吸気口及び排気口と、前記吸気口から鉄道車両外の空気を取り込み、前記排気口から鉄道車両外へ排出する送風機と、前記吸気口から取り込まれた鉄道車両外の空気と熱交換を行う熱交換器と、を備え、前記排気口は、長手方向を鉄道車両走行方向と平行に配置される複数の排気口ルーバーを備え、前記排気口ルーバーは、鉄道車両走行方向に垂直な断面形状が、鉄道車両外部に排出される排気風の流れ方向に進むに従い、排気風の流れの垂直方向に広がる三角形であり、前記三角形の１つの頂点を排気風の流れに対向させ、前記頂点を挟む２辺は、鉄道車両走行方向に垂直な断面形状が前記三角形の内側に凹んだ円弧形状にされている。

本発明に係る鉄道車両用空気調和装置の室外機によれば、排気口ルーバーの断面形状を排気風に対し抵抗の少ない形状とし、排気風の流速の低下を抑え、走行時においても冷却風量の低下を抑えることが出来る。これにより、騒音を増加させることなく冷却効率が高い鉄道車両用空気調和装置の室外機を得ることができる。

本発明の実施の形態１に係る鉄道車両用空気調和装置の室外機の車両走行方向に直交する方向に沿う断面図である。本発明の実施の形態１に係る鉄道車両用空気調和装置の室外機の排気口の斜視図である。比較例のルーバーの断面形状を表した図である。本発明の実施の形態１に係るルーバーの断面形状を表した図である。本発明の実施の形態２に係るルーバーの断面形状を表した図である。本発明の実施の形態２に係るルーバーの断面形状の第１の変形例である。本発明の実施の形態２に係るルーバーの断面形状の第２の変形例である。本発明の実施の形態２に係るルーバーの断面形状の第３の変形例である。本発明の実施の形態３に係る鉄道車両用空気調和装置の車両走行方向の断面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、以下に説明する実施の形態によって本発明が限定されるものではない。また、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。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る鉄道車両用空気調和装置の室外機１の車両走行方向に対し直交する方向に沿う断面図である。本実施の形態に係る鉄道車両用空気調和装置は、鉄道車両の車体の天面に突出させた形で配置されているが、車両天井部に埋め込まれる形で配置してもよく、又は車両の床下に配置してもよい。また、本実施の形態に係る鉄道車両用空気調和装置は、室外機１と室内機（図示なし）とを備える。室外機１は、車両外部側を覆う室外機カバー２を備え、室外機カバー２には、排気口３と吸気口４とが設けられている。排気口３は、室外機カバー２の天面に設けられ、排気口３の開口部には車両走行方向に排気口ルーバー５ａが配置されている。排気口ルーバー５ａは、複数あり、開口部に一定の隙間を持って互いに平行に配置され、車両外部から室外機１の内部への異物の侵入を防止しているとともに室外機１からの排気風１３が通過出来るようになっている。また、吸気口４は、室外機カバー２に、排気口３を車両走行方向に対し直交する方向に挟みこむ形で設けられており、開口部には車両走行方向と直交する方向に吸気口ルーバー（図示なし）が配置されている。吸気口ルーバーは、複数あり、開口部に一定の隙間を持って互いに平行に配置され、車両外部からの室外機１の内部への異物の侵入を防止しているとともに車両外の空気が通過出来るようになっている。室外機１の内部には、吸気口４から排気口３までの経路に室外送風機７が配置されている。室外送風機７は、吸気口４から車両外の空気を取り込み、冷却風１０として熱交換器８へ送り、熱せられた空気を排気風１３として排気口３から排出している。なお、室外機１の冷却風量を増加させるために有利な構成として、本実施の形態のように室外機カバー２の天面に排気口３を設けているが、排気口３の位置と吸気口４の位置を入れ替え、かつ室外送風機７の送風方向を反転させた形態をとることも可能である。また、室外機１の空気の流れとして、室外送風機７から吐出された空気が熱交換器８に入る形態と、熱交換器８を通過後に室外送風機７に空気が入る形態の両方が存在するが、そのどちらの形態をとることも可能である。何れの場合も、室外送風機７を挟むように熱交換器８が配置されており、室外送風機７を回転させることで空気の流れを発生させ、熱交換器８に車両外部の空気を送り込んで、熱交換器８内を流れる冷媒との間で熱交換を行なわせている。また、室外機１が鉄道車両の車体に埋め込まれる場合においては、排気口３及び吸気口４のうち少なくとも１つを車体表面に設け、車体表面に配置したもの以外は室外機カバー２に設けることも可能である。

図２は、室外機カバー２の天面に設けられた排気口３の斜視図である。室外機カバー２の天面に排気口３の開口部があり、排気口３の開口部には車両走行方向と平行に複数の排気口ルーバー５ａが配置されている。また、排気口ルーバー５ａは、ルーバー上面６が室外機カバー２と同一面に沿うように配置されている。図２中に示される白抜き矢印は車両走行風１２を示している。鉄道車両が高速で走行すると、車両走行風１２は速度を増し、排気口３での排気風１３の抵抗が増す。

図３は、比較例に係る排気口ルーバー５０の車両走行方向に垂直な断面形状を表した図である。比較例に係る排気口ルーバー５０は、長方形の長辺に隣り合った２つの頂点に丸みをつけた形状とした断面形状となっており、丸みを付していない２角とその挟辺を排気風１３の上流方向に対向させている。つまり、比較例に係る排気口ルーバー５０は、排気風１３の上流方向に向かって平面を垂直に対向させている。また、比較例に係る排気口ルーバー５０の配置は、図１及び図２に示す排気口ルーバー５ａと同じ配置になっている。

図４は、本実施の形態に係る排気口ルーバー５ａの車両走行方向に直交する方向に沿った断面形状を表した図である。本実施の形態に係る排気口ルーバー５ａの断面形状は半円形状であり、排気口ルーバー５ａは、排気風１３の流れの上流方向に半円の弧の中点を向けている。半円の弦に相当するルーバー上面６は、室外機１から車両外部側に向けられ、室外機カバー２の表面に沿って配置される。つまり、排気口ルーバー５ａは、円筒を円筒の中心軸に沿って２分割した形状のうちの一つと同じであり、室外機１の内部から吹き出す排気風１３に対し、その円筒面を対向させている。排気風１３は排気口ルーバー５ａに当たり円筒面に沿って２方向に分配されて流れるため、図３で示される比較例の排気口ルーバー５０よりも排気抵抗が小さくなる。このため、比較例に対し、排気風１３の流速の低下が抑えられ、冷却風量の減少が抑えられる効果が得られる。また、排気口ルーバー５ａは車両外部に対し突出していないため、騒音を抑えることが出来る。

実施の形態２．
実施の形態１に対し、排気口ルーバー５ａの断面形状を変更させた鉄道車両用空気調和装置の室外機について述べる。

図５は、本実施の形態に係る排気口ルーバー５ｂの車両走行方向に直交する方向に沿った断面形状を表した図である。実施の形態２での排気口ルーバー５ｂの断面形状は正三角形であり、排気風１３の上流方向に対し正三角形の頂点のうち１つを向けている。正三角形の頂点の対辺に相当するルーバー上面６は、鉄道車両外部側に向けられ、室外機カバー２の表面に沿って配置される。つまり、排気口ルーバー５ｂは、正三角柱であり、室外機１の内部から吹き出す排気風１３に対し、正三角柱の側面稜線の１つを対向させている。排気風１３は排気口ルーバー５ｂに当たり三角柱の側面稜線から２面に沿って２方向に分配されて流れるため、図３で示した比較例の排気口ルーバー５０よりも排気抵抗が小さくなる。このため、比較例に対し、排気風１３の流速の低下が抑えられ、冷却風量の減少が抑えられる効果が得られる。本実施の形態に係る排気口ルーバー５ｂの形状で気流解析を実施したところ、図３の比較例に係る排気口ルーバー５０の形状の場合と比較して約８％の圧力損失を低減することが出来た。また、本実施の形態に係る排気口ルーバー５ｂは、排気風１３が排気口ルーバー５ｂに垂直に衝突する面が無いため、実施の形態１に係る排気口ルーバー５ａと比較して、排気風１３により生ずる騒音も低減する効果が得られる。

また、図６〜図８は、本実施の形態に係る排気口ルーバー５ｂの変形例を示したものである。本実施の形態においては、排気口ルーバー５ｂは断面形状を正三角形としたが、これに限定されない。例えば、排気口ルーバー５ｂの断面形状を、図６に示される排気口ルーバー５ｃのように二等辺三角形にしたもの（変形例１）、又は、図７に示される排気口ルーバー５ｄのように三角形の頂点を挟む２辺を円弧にしたもの（変形例２）、図８に示される排気口ルーバー５ｅのように三角形の頂点を円弧形状にしたもの（変形例３）、に置換することが出来る。つまり、排気口ルーバーの断面形状が、排気風１３の上流側から排気風１３の流れ方向に進むに従って、排気風１３の流れの垂直方向に広がる形状であれば、図３で示した比較例の排気口ルーバー５０よりも排気抵抗が小さくする効果が得られる。これにより、比較例に対し、排気風１３の流速の低下が抑えられ、冷却風量の減少が抑えられる効果が得られる。

実施の形態３.
実施の形態１及び実施の形態２に対し、排気口ルーバーの配置を変更させることにより排気風１３の抵抗を減少させる室外機１の構成について述べる。本実施の形態においては、排気口ルーバー５と表記されている箇所は、例えば、実施の形態１に係る排気口ルーバー５ａ、又はその他の変形例（排気口ルーバー５ｂ〜５ｅ）などの排気風１３の排気抵抗を少なくするために有利な形状の排気口ルーバーに置換することが出来る。

図９は、排気口３を車両走行方向に平行かつ地面に垂直な断面で切断した図である。排気口３の開口部に複数の排気口ルーバー５が配置されており、排気口３が開口されている室外機カバー２の表面よりも室外機１の内側に下がった位置に配置されている。つまり、室外機カバー２と排気口ルーバー５との間には、室外機１の内側に凹んだ方向に段差がある。図９中の室外機カバー２の表面に沿う白抜き矢印は、車両走行風１２を示す。図９中の排気口内からの白抜き矢印は、空気調和装置の室外機１の排気風１３を示す。

排気口ルーバー５を室外機カバー２の表面よりも下げることにより、室外機カバー２に沿って流れていた車両走行風１２は、排気口３の開口部の段差にさしかかると室外機カバー２からはく離し、排気口３の開口部周辺の空気の圧力が低下する。このため、排気風１３を排出する抵抗は開口部に段差が無い場合よりも少なくなる。これにより、比較例に対し、排気風１３の流速の低下が抑えられ、冷却風量の減少が抑えられる効果が得られる。また、排気口ルーバー５を車両外部に突出させていないため、騒音を抑えることが出来る。

本実施の形態の排気口ルーバー５の配置で実施の形態２の排気口ルーバー５ｂの形状とし、気流解析を実施したところ、排気口ルーバー５０のルーバー上面６を室外機カバー２に沿って配置した場合（比較例）と比較して約１０％の圧力損失を低減することが出来た。

１室外機、２室外機カバー、３排気口、４吸気口、５（実施の形態３に係る）排気口ルーバー、５ａ（実施の形態１に係る）排気口ルーバー、５ｂ（実施の形態２に係る）排気口ルーバー、５ｃ（変形例１に係る）排気口ルーバー、５ｄ（変形例２に係る）排気口ルーバー、５ｅ（変形例３に係る）排気口ルーバー、６ルーバー上面、７室外送風機、８熱交換器、１０冷却風、１２車両走行風、１３排気風、５０（比較例に係る）排気口ルーバー。

Claims

吸気口及び排気口と、
前記吸気口から鉄道車両外の空気を取り込み、前記排気口から鉄道車両外へ排出する送風機と、
前記吸気口から取り込まれた鉄道車両外の空気と熱交換を行う熱交換器と、を備え、
前記排気口は、
長手方向を鉄道車両走行方向と平行に配置される複数の排気口ルーバーを備え、
前記排気口ルーバーは、
鉄道車両走行方向に垂直な断面形状が、鉄道車両外部に排出される排気風の流れ方向に進むに従い、排気風の流れの垂直方向に広がる三角形であり、前記三角形の１つの頂点を排気風の流れに対向させ、
前記頂点を挟む２辺は、
鉄道車両走行方向に垂直な断面形状が前記三角形の内側に凹んだ円弧形状にされている、鉄道車両用空気調和装置の室外機。
前記頂点は、
鉄道車両走行方向に垂直な断面形状が円弧形状にされている、請求項１に記載の鉄道車両用空気調和装置の室外機。
鉄道車両外部側を覆う室外機カバーを備え、
前記室外機カバーは、前記送風機及び前記熱交換器が収納され、
前記吸気口及び前記排気口は、前記室外機カバーに設けられる、請求項１又は２に記載の鉄道車両用空気調和装置の室外機。
前記排気口ルーバーは、
前記頂点の対辺を排気風の流れに垂直に配置させる、請求項１〜３の何れか１項に記載の鉄道車両用空気調和装置の室外機。
前記排気口ルーバーは、前記排気口が開口されている面よりも排気風の上流側に下がった位置に配置される、請求項１〜４の何れか１項に記載の鉄道車両用空気調和装置の室外機。