JP6423324B2 - 鉄道車両用空調装置 - Google Patents

Description

本発明は、鉄道車両に搭載する空調装置であって、特にポンプによりドレン水（結露水）を凝縮器に散布するタイプの鉄道車両用空調装置に関するものである。

本発明の背景技術として、ドレンパンの上限水位と下限水位をフロートスイッチ等で検知して、上限水位を検知するとポンプを運転し、下限水位を検知するとポンプの運転を停止するようにしたドレン処理装置や、遅延タイマを用いて、冷房運転時の圧縮機運転開始からある一定時間（ポンプが吸い上げ可能な水位までドレン水が溜まるのに要する時間）経過後にドレンポンプを起動するようにしたドレン処理装置（特許文献１参照）が知られている。

特開２００９−２０４２５７号公報

フロートスイッチでドレン水の下限水位を検知する方法は、フロートスイッチを構成するフロートが浮いて下限水位を検知するために、少なくとも２５ｍｍの水位を必要とする。そのため、水位２５ｍｍ未満のドレン水は利用されないままドレンパンに残ることになる。

静電容量式の高精度なレベルスイッチは水位５ｍｍ程度を検知できるが、鉄道車両用空調装置のように、車両走行時の加減速や振動によりドレンパンに滞留するドレン水の水面が少しでも揺れると、チャタリング（短い周期でレベルスイッチが開閉を繰り返すこと）が発生して誤検知するという欠点があった。

また、車両走行時の加減速や振動により、ドレンパンに滞留するドレン水の水面が大きく波打つと、ポンプの吸い込み口の水位が上下動して空気を吸い込むようになる。そのため、ポンプの性能が大幅に低下して無駄に電力を消費するとともに、ポンプの寿命が短くなるという問題もあった。

特許文献１に記載されたドレン処理装置は、圧縮機の運転によりドレンパンに溜まる水量が蒸発器（室内熱交換器）入口の空気湿度の値により大きく変動する。そのため、遅延タイマの設定時間を一番少ないドレン水量に合わせて設定しなければならず、ドレンパンの貯水能力を従来よりも大きくする必要があった。

そこで、本発明の目的は、車両走行時の加減速や振動によりドレンパンに滞留するドレン水の水面が大きく波打っても、水深不足によるポンプの吸入不良を正確に検知して、ポンプの無駄な電力消費を防止できる鉄道車両用空調装置を提供することである。

本発明に係る鉄道車両空調装置は、圧縮機、室内熱交換器、室内送風機、室外熱交換器及び室外送風機を鉄道車両に搭載する空調装置であって、室内熱交換器で生じるドレン水を溜めるドレンパンと、ドレンパンに滞留するドレン水を吸水する水ポンプと、水ポンプが吸水したドレン水を室外熱交換器に散布するための、給水弁、給水管及びノズルから成る散布装置と、ドレンパンに滞留するドレン水の上限水位を検知する水位スイッチと、この上限水位を超過して上昇したドレン水を外部に排水する排水管と、給水弁の入口側に水ポンプの吐出圧力を検知する圧力スイッチとを備えることを特徴とする。

本発明に係る鉄道車両用空調装置によれば、室内熱交換器で発生したドレン水（結露水）の水面が車両走行時の加減速や振動により大きく変動しても、水ポンプが空気を吸い込む状態になったことを正確に検知できるので、ポンプの無駄な電力消費と寿命低下を防止できる。

図１は、本発明に係る鉄道車両用空調装置の平面図である。 図２は、図１における鉄道車両用空調装置のＡ−Ａ断面図である。 図３は、図１における鉄道車両用空調装置のＢ−Ｂ断面図である。 図４は、水ポンプ及び給水弁を駆動するための電気回路図である。 図５は、水ポンプによる噴霧圧力の変化と圧力スイッチの動作圧力との関係を示す図である。 図６は、室外ファンの運転時における水ポンプ及び圧力スイッチの動作タイミングチャートである。

以下、図１から図６を参照して本発明の実施例について説明する。

図１は、鉄道車両の屋根上に搭載される鉄道車両用空調装置（以下、「空調装置１」と称する）の平面図である。水散布システムの部品を表示するために、室内カバー及び室外カバーを取り外し、また、空調装置１の長手方向（図１の左右方向）に延びる中心線（図示せず）から下半分の室外熱交換器３及び室内熱交換器４を取り外した状態を示している。
また、以下では、鉄道車両のレール方向を略して「レール方向」、鉄道車両の枕木方向を略して「枕木方向」、という。

空調装置１は、筐体７０の内部に２つの冷凍サイクルを構成している。圧縮機２、室外熱交換器３、室内熱交換器（蒸発器）４及びアキュムレータ５は、冷凍サイクルごとに１台ずつ配備されている。室外ファン（送風機）６及び室内ファン（送風機）７は、２つの冷凍サイクルに共通に用いられるので、それぞれ１台ずつ配備されている。
室外熱交換器３及び室内熱交換器４は、空調装置１の内部の枕木方向の両側において、レール方向に延びて設置されている。

給水装置は、水ポンプ３０、給水弁３１、給水管３２、ノズル３３、圧力スイッチ３４、吸入管３５及び水位スイッチ３６によって水散布システムを構成している。
室外熱交換器３、室内熱交換器４、給水装置及び排水管３７は、筐体７０の内部に、レール方向に延びる中心線を挟んでほぼ対称の位置に収納され、室外カバー８及び室内カバー１１によって覆われている。

図２は、図１の鉄道車両用空調装置のＡ−Ａ（枕木方向）断面図である。また、図３は、図１の鉄道車両用空調装置のＢ−Ｂ（枕木方向）断面図である。室外カバー８には、外気吸い込み口９及び外気吹き出し口１０が形成されている。室外ファン６は、外気吸い込み口９を介して外気を吸入する。室外熱交換器３を通過した後の外気は、外気吹き出し口１０を介して空調装置１の外へ排出される。

また、室内カバー１１で覆われる部分の室内機室の筐体７０の底部には、鉄道車両の車内（以下、略して「車内」という）からの空気を空調装置１の内部に取り入れるリターン口１２が形成されている。リターン口１２から筐体７０の内部に取り入れられた空気は、室内熱交換器４を通過する過程で冷却除湿された後、室内ファン７によって車内へ吹き出される。後述するドレン水は、この室内熱交換器４により車内の空気が冷却除湿される過程で、車内の空気中の水蒸気が凝縮することにより結露した水分である。

このドレン水は、図３に示すように、ドレンパン１３に流れ落ちて溜まり、その後ドレンパン１３の側面（枕木方向側）に設けた孔（枕木方向左右のドレンパン１３それぞれに１箇所の孔）に接続した排水管３７を通って空調装置１の外部に排水される。
空調装置１が冷房運転を行うために室外ファン６の運転が開始され、水位スイッチ３６が動作すると、水ポンプ３０により室外熱交換器３の裏側に設けたノズル３３にドレン水が供給される。

この実施例では、図２に示すように、ノズル３３は、室外熱交換器３の高い位置の部分にドレン水を散布するように、傾斜させて取り付けられている。室外ファン６により室外熱交換器３に送風される外気は、室外熱交換器３の下面（裏面）から上面（表面）に向けて通過する。そこで、室外熱交換器３の下面に向けて、ノズル３３からドレン水を散布する。

図３に示すように、水位スイッチ３６は、ドレンパン１３の内側に設置されるところ、一般的なフロートスイッチであれば、フロートが浮力で上限水位に到達すると、内部の電気接点が閉じられる。また、水位スイッチ３６の取り付け位置は、ドレンパン１３のレール方向の中央部とする（図１参照）。これにより、鉄道車両が上り下りどちらに加減速した場合でも、平均的な水位を検知できる。

水ポンプ３０の吸込み口には、ドレンパン１３に滞留したドレン水を吸入する吸入管３５が接続されている（図１参照）。吸入管３５の先端部は、枕木方向の端部に位置しレール方向に立設するドレンパン１３の垂直板と、この垂直板の下辺から枕木方向の中央部に向かって延伸するドレンパン１３の底板との接続部の近傍の最深部に、この垂直板に沿いレール方向にドレン水を吸水する態様で設置される。鉄道車両の屋根構体は、枕木方向の中央部が高く、枕木方向の端部に向かって緩く下がる形状であり、空調装置１はこの形状の屋根構体に載置される。そうすると、空調装置１に内蔵されるドレンパン１３は、その垂直板と底板との接続部の近傍が最深部となる。

ドレンパン１３のレール方向の中央部の最深部に設置される吸入管３５の先端部には、フィルタ（図示なし）を設け、水ポンプ３０がドレン水内に混入した異物を吸い込まないようにしている。また、吸入管３５の先端部は、上述のように、ドレンパン１３のレール方向の中央部の最深部（ドレンパン１３の垂直板と底板との接続部の近傍）に、ドレンパン１３の垂直板に沿いレール方向にドレン水を吸入する態様で設置される。これによって、吸入管３５の先端部の圧力損失が低減されて、水ポンプ３０の吸込み流量が減少することを抑止している。

仮に、吸入管３５の先端部を鉛直方向に沿ってドレンパン１３に設置して、垂直方向にドレン水を吸入する場合、先端部を最深部に配置しようとすると、ドレン水を吸い込む先端部がドレンパン１３の底板に近接することになる。そのため、圧力損失が大きくなり、結果的に水ポンプ３０の消費電力が大きくなる懸念がある。そこで、上述した態様にすることによって、上記懸念を解消できる。

また、水ポンプ３０の吐き出し側には、図１に示すように、室外ファン６の下方から室外熱交換器３の裏面にドレン水を噴霧する４個のノズル３３と、ドレン水の間欠噴霧時間を制御する給水弁３１と、水ポンプ３０の吐出圧力を検知する圧力スイッチ３４が設置されている。

排水管３７は、図１及び図３に示すように、筐体７０のリターン口部分に配管し、ドレンパン１３の側壁の高い位置（水位スイッチ３６の満水位置よりも上部）からドレン水を取り込み、筐体７０の外部に延びた端部から車体の屋根に排水する。

図４は、水ポンプ３０及び給水弁３１を駆動するための電気回路図である。この電気回路を用いて、空調時のドレン処理について説明する。
ブレーカー（ＮＦＢ）５０が投入された状態で、室外ファン６の電気接点（ＣＦＫ）５１と水位スイッチ３６の電気接点（ＬＳＷ）５２が閉じると、リレー（Ｒ１）５４が通電される。これにより、リレーの電気接点（Ｒ１）５５が閉じて、水ポンプ（ＷＰ）３０が運転される。

水ポンプ（ＷＰ）３０の駆動回路に直列に接続される電気接点（ＴＳＷ）５６は、温度スイッチであり、水ポンプ（ＷＰ）３０のモータコイル温度（以下、略して「モータコイル温度」という）を検出して、この温度が正常運転時よりも高くなると電気接点を開くように動作する。ここで、正常運転とは、水ポンプが水だけを吸入している状態時の運転のことである。他方、水ポンプが空気だけを吸い込むようになって（水冷されなくなる）、モータコイル温度が上昇する状態時の運転を、異常運転と呼称する。

水ポンプ（ＷＰ）３０が運転されると、電気接点（ＷＰ）５７が閉じて、ＯＮ／ＯＦＦタイマ（Ｔ）５８が通電される。これに伴って、ＯＮ／ＯＦＦタイマ（Ｔ）５８の電気接点（Ｔ）５９が、このタイマで設定されたＯＮ時間にしたがって閉じることになる。これにより、この電気接点（Ｔ）５９に接続された給水弁（ＦＶ）３１が間欠通電される。また、水ポンプ３０及び給水弁３１の運転に伴って圧力スイッチ３４の電気接点（ＰＳ）５３が閉じる。

ここで、給水弁３１の開（ＯＮ）時間と閉（ＯＦＦ）時間の設定については、ノズル３３からの時間あたりのドレン水噴霧量が、暫定的に外気温度３３℃、室内温度２８℃、室内湿度５５％（この値は快適湿度範囲４０〜７０％の中央値）の温湿度条件において、時間あたりのドレン水発生量以下になるように設定する。

すなわち、通常は、冷房運転時に室内湿度が５５％を下回る状況は少なく、ドレン水発生量の方がドレン水噴霧量よりも多い。そのため、噴霧されない余剰のドレン水は、図１に示す排水管３７の端部から外部に排水される。

一方、室内の湿度が低下してドレン水発生量よりもドレン水噴霧量が多くなると、水位は徐々に低下していく。その結果、水位スイッチ３６の電気接点５２が開き、さらに水位が低下していくと、水ポンプ（ＷＰ）３０の水量が不足する状態に陥り、水ポンプ（ＷＰ）３０の吐出圧力が低下する。ここで、図５に、水ポンプによる噴霧圧力の変化と圧力スイッチの動作圧力との関係を示す。

図５に示すように、水ポンプ（ＷＰ）３０の吐出圧力が低下すると圧力スイッチ３４の電気接点（ＰＳ）５３が開き、水ポンプ（ＷＰ）３０が停止する。ドレン水が、水ポンプ（ＷＰ）３０により吸水されなくなると、ドレンパン１３の水位は上昇するので、水位スイッチ３６の電気接点（ＬＳＷ）５２が閉じ、水ポンプ３０は再度運転されるようになる。

また、圧力スイッチ３４が故障してその電気接点が開放しなくなる場合には、水ポンプ（ＷＰ）３０が空気だけを吸い込むようになるため、モータコイル温度が上昇する。そうすると、水ポンプ（ＷＰ）３０が内蔵している温度スイッチ（図示なし）の電気接点（ＴＳＷ）５６が開き、水ポンプ３０（ＷＰ）とＯＮ／ＯＦＦタイマ（Ｔ）５８への通電が遮断される。これにより、水ポンプ（ＷＰ）３０と給水弁（ＦＶ）３１の運転が停止する。

そして、水ポンプ（ＷＰ）３０が停止することにより、モータコイル温度が低下して温度スイッチの電気接点（ＴＳＷ）５６が閉じると、再び水ポンプ（ＷＰ）３０の運転が始まり、上述した動作を繰り返す。

図６は、室外ファン６の運転時における水ポンプ３０の運転動作及び給水弁３１の開閉動作を示すタイミングチャートである。状態として、ドレン水噴霧量がドレン水発生量よりも多い場合を示す。ここで、給水弁３１の開（ＯＮ）時間の割合（デューティ比）は、通常時に約１０％以下であり、ごく少量のドレン水を１０秒から２０秒の周期で短時間だけ噴霧する。

水ポンプ３０は、室外ファン６の運転状態において水位スイッチ３６が動作（ドレン水の上限水位を検知）すると、運転を開始する（図６のＴ１）。そして、水ポンプ３０が運転状態になると、給水弁３１を上記周期で上記デューティ比により開閉動作させる（図６のＴ１〜Ｔ３、Ｔ５）。ドレン水が少なくなって、水ポンプ３０が空気を吸い込むようになると、圧力スイッチ３４の電気接点５２が開き、水ポンプ３０の運転と給水弁３１の開閉動作が停止される（図６のＴ７）。
また、温度スイッチ５６は、圧力スイッチ３４が故障した場合におけるポンプ３０の最後の保護手段であり、通常は動作しない（図６においても電気接点５６が閉状態を維持）。

以上のように、本発明に係る構成及び動作によって、ドレンパン１３の空水を正確に検知することができ、ドレンパン１３に滞留するドレン水を無駄なく散布して利用することができる。また、水ポンプ３０の空運転によるポンプの寿命低下を確実に防止できる。
これにより、室外熱交換器３に噴霧するドレン水量が増えて、室外熱交換器３の内部を流れる冷媒の温度と圧力がより低下する。したがって、室外熱交換器３に冷媒を送り込む圧縮機２の負荷が低減され、圧縮機２の消費電力をより効果的に低減することができる。

なお、実施例において、鉄道車両の屋根上に搭載される空調装置を例に挙げて説明したが、鉄道車両の屋根上に設置される空調装置に限定されず、鉄道車両の床下に設置される空調装置であってもよい。
また、実施例において、水ポンプ３０の吐出圧力を検知する圧力スイッチ３４は、電気接点式のスイッチに限定されず、圧力を電気信号に変換して出力する圧力変換器でもよい。
さらに、実施例においては、室内熱交換器４が２台の場合について説明したが、室内熱交換器４が１台の場合においても、これに合わせて部品配置を行えば同じ効果を奏することができる。このように、本発明は上記実施例に限定されるものではない。

以上のように、本発明は、上記実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記実施例は、本発明を分かりやすく説明するために詳説したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。そしてまた、実施例の構成の一部について、他の構成の追加、削除及び置換をすることが可能である。

１…空調装置、２…圧縮機、３…室外熱交換器、４…室内熱交換器、
５…アキュムレータ、６…室外ファン（送風機）、７…室内ファン（送風機）、
８…室外カバー、９…外気吸い込み口、１０…外気吹き出し口、１１…室内カバー、
１２…リターン口、１３…ドレンパン、３０…水ポンプ、３１…給水弁、３２…給水管、
３３…ノズル、３４…圧力スイッチ、３５…吸入管、３６…水位スイッチ、３７…排水管、
５０…ブレーカー、５４…リレー、５８…ＯＮ／ＯＦＦタイマ、
５１〜５３，５５〜５７，５９…電気接点、７０…筐体

Claims (5)

1. 圧縮機、室内熱交換器、室内送風機、室外熱交換器及び室外送風機を搭載する鉄道車両用空調装置であって、
   室内熱交換器で生じるドレン水を溜めるドレンパンと、
   前記ドレンパンに滞留する前記ドレン水を吸水する水ポンプと、
   前記水ポンプが吸水した前記ドレン水を前記室外熱交換器に散布するための、給水弁、給水管及びノズルから成る散布装置と、
   前記ドレンパンに滞留する前記ドレン水の上限水位を検知する水位スイッチと、
   前記上限水位を超過して上昇した前記ドレン水を外部に排水する排水管と、
   前記給水弁の入り口側に前記水ポンプの吐出圧力を検知する圧力スイッチと
   を備え、
   前記ドレンパンは、枕木方向の端部に位置しレール方向に立設する垂直板と、該垂直板の下辺から枕木方向の中央部に向かって延伸する底板とから構成され、
   前記水ポンプの吸込み口は、前記ドレンパンの最深部からレール方向にドレン水を吸入する吸入管に接続され、
   前記吸入管の先端部は、前記垂直板と前記底板との接続部の前記最深部の近傍に前記垂直板に沿って設置される
   ことを特徴とする鉄道車両用空調装置。
2. 請求項１に記載された鉄道車両用空調装置であって、
   前記水位スイッチは、前記ドレンパンのレール方向の中央部でかつ前記ドレンパンの内側に設置される
   ことを特徴とする鉄道車両用空調装置。
3. 請求項１に記載された鉄道車両用空調装置であって、
   前記吸入管の先端部には、フィルタを設ける
   ことを特徴とする鉄道車両用空調装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載された鉄道車両用空調装置であって、
   前記水ポンプの運転中に前記圧力スイッチが開くと該水ポンプの運転を停止し、前記水位スイッチが閉じるまで当該運転停止の状態を保持する
   ことを特徴とする鉄道車両用空調装置。
5. 請求項１〜３のいずれか１項に記載された鉄道車両用空調装置であって、
   前記水ポンプは、温度スイッチを備え、
   前記温度スイッチは、前記水ポンプのモータコイル温度を検出して当該温度が正常運転時よりも高くなると前記水ポンプへの通電を遮断する
   ことを特徴とする鉄道車両用空調装置。
   

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