WO2020012627A1

WO2020012627A1 - 軌条車両

Info

Publication number: WO2020012627A1
Application number: PCT/JP2018/026446
Authority: WO
Inventors: 美沙紀今; 知生林; 一任是石
Original assignee: 株式会社日立製作所
Priority date: 2018-07-13
Filing date: 2018-07-13
Publication date: 2020-01-16
Also published as: GB202100366D0; GB2590001A; GB2590001B

Abstract

暖房モード時の客席での風速を抑えた上で、車室内の温度分布を均一化した鉄道車両の空調換気システムを提供する。暖房モード時には、空調装置内の循環ファン２１を停止させることで、車外から取り込んだ空気のみを暖房したものを、車室と循環ファン２１の給気部をつなぐ第一のダクトを通して車室へ吹出し、冷房モード時には、前記循環ファン２１を動作させることで、車外から取り込んだ空気と車室から前記第一のダクトを通して取り込んだ空気を冷房したものを、車室と循環ファン２１の排気部をつなぐ第二のダクトを通して車室へ吹出し、冷房モード時・暖房モード時ともに、換気ファン２６を動作させることで、車室下方から排気を行うようなダクト構成、開口、空調制御装置を備える。

Description

軌条車両

　本発明は、軌条車両に関する。

　鉄道車両では、車内の快適性を高めることが重要である。特に欧州では、鉄道車両の快適性に関する規格において、客室内の温度ばらつき（温度分布）および客席において乗客の感じる風速の基準が定められている。

　特許文献１には、従来の鉄道車両の室内空調手段の構成を大きく変更することなく、車内の暖房能力を確保することが可能な鉄道車両の空調換気システムが記載されている。

　この特許文献１に記載の空調換気システムによれば、還流路中の、還気吸込み口に隣接する位置に設けられたヒータが、制御手段によって冷房機器と連携して作動するように作動制御される。これにより、還流路を介して冷房機器に還流される空気が、還流路中に設置されたヒータによって適切な温度へと暖められ、更に、暖められた空気が冷房機器の送風機能によって送風路へと送風され、車内の複数個所に配置された送風口から、車内へと吹き出されることで、車内が暖められる。

　このような空調換気システムにより、ヒータの発熱量の増減に応じて、冷房機器の送風量が増減されることで、冷房機器に還流される空気の流量が、ヒータから放射される熱量に応じた適切な流量となり、冷房機器に還流される空気は適切な温度へと暖められる。このため、送風口から適切な熱量の温風が吹出すことによって、車内を均一に暖めることが可能となる。

特開２０１７－７４６６号公報

　ところで、特許文献１に記載された鉄道車両の空調換気システムは、還流路中に設置されたヒータによって暖められた調和空気を、送風機を用いて車室内へ吹出しているため、車室内の調和空気吹出口近傍と、遠方での温度分布を均一化するためには、調和空気の風量を大きくする必要があり、客席における風速が大きくなることが懸念される。これを防ぐためには、調和空気の風量を小さくすることが望ましいが、その一方で、冷房モード時の調和空気風量を減らしてしまうと、熱交換器の能力を有効活用できないという問題となる。

　本発明の目的は、冷房モード時と暖房モード時において調和空気の吹出し方式を切り替えることで、暖房モード時には客席での風速を抑え、冷房モード時には十分な空調能力を保持した上で、車室内の温度分布を均一化した快適な軌条車両の空調換気システムを提供することにある。

　上記課題を解決するために、代表的な本発明の軌条車両の一つは、
　車外から車室への給気および前記車室から車外への排気を行うための換気ファンと、
　前記車室からのリターン空気の吸込み用の給気部、および前記車室への調和空気の吹出し用の排気部につながる循環ファンと、
　冷房用の熱交換器と、
　暖房用のヒータと、
　暖房モードと冷房モードを選択的に設定可能な空調制御装置と、
　前記車室と前記循環ファンの給気部とをつなぐ第一のダクトと、
　前記車室と前記循環ファンの排気部とをつなぐ第二のダクトと、
を、有する軌条車両であって、
　前記空調制御装置は、
　暖房モード時には、前記循環ファンを停止させ、前記換気ファンにより車外から取り込んだ空気を前記ヒータを介して加熱し、前記第一のダクトを通して前記車室内へ吹出すようにし、
　冷房モード時には、前記循環ファンを動作させ、前記換気ファンにより車外から取り込んだ空気と、前記循環ファンにより前記車室から前記第一のダクトを通して取り込んだ空気を、前記熱交換器を介して冷却し、前記第二のダクトを通して前記車室内へ吹出すように制御することにより達成される。

　本発明によれば、暖房モード時には客席での風速を抑え、冷房モード時には十分な空調能力を保持した上で、車室内の温度分布を均一化した快適な軌条車両の空調換気システムを提供することができる。
　上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

図１は、本発明の実施形態に係る鉄道車両の側面図である。図２は、図１に示す鉄道車両の構成を示す図１のＡ－Ａ断面図である。図３は、図１に示す鉄道車両の空調装置内の構成を示す図１のＢ－Ｂ断面図である。図４は、本発明の実施形態１に係る鉄道車両用空調装置の制御フロー図である。図５は、本発明が搭載された鉄道車両の空調装置内の暖房モード時の空気の流れを示す概略図である。図６は、本発明が搭載された鉄道車両の暖房モード時の空気の流れを示す概略図である。図７は、本発明が搭載された鉄道車両の空調装置内の冷房モード時の空気の流れを示す概略図である。図８は、本発明が搭載された鉄道車両の冷房モード時の空気の流れを示す概略図である。

　以下、本発明の実施形態を、図面を用いて説明する。まず、説明に供する各方向を定義する。軌条車両の長手方向またはレール方向をＸ方向、軌条車両の幅方向または枕木方向をＹ方向、軌条車両の高さ方向をＺ方向とし、以下、単にＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向と記す。単に「上」というときは、Ｚ方向に沿って上側を意味し、「下」というときは、Ｚ方向に沿って下側を意味する。

　軌条車両は、敷設される軌道に沿って運行される車両であり、鉄道車両、モノレール車両、路面電車、新交通車両等を含む。軌条車両の代表例として、鉄道車両を取り上げて本発明の実施の形態を説明する。

［実施形態１］
　図１は、本発明にかかる実施形態の鉄道車両を示す側面図である。図１において、鉄道車両１０は、Ｙ方向の寸法に対して、Ｘ方向の寸法が大きい筐体として構成される。

　鉄道車両１０は、屋根構体１１と、一対の側構体１２と、台枠１３と、台枠１３のＸ方向の両端部に立設される妻構体（図示なし）を備え、屋根構体１１と、一対の側構体１２および台枠１３が一体となって、略筒状の車両筐体として構成される。屋根構体１１と台枠１３は、Ｘ方向に沿って略水平に配置され、各側構体１２は、Ｘ方向に沿って屋根構体１１と台枠１３に対して略垂直に（Ｚ方向に）配置され、台枠１３の下部側に一対の車輪１４が配置される。

　図２は、図１に示した鉄道車両１０の構成を示すＡ－Ａ断面図である。図２において、屋根構体１１の上部側には空調装置２０が配置され、台枠１３の下部側には車室からの排気用の換気ファン（排気ファンともいう）２６が配置される。車両筐体の内部には、床１５が下部に配置され、天井パネル１６が上部に配置され、一対の側パネル１７が側面に配置され、天井パネル１６と、一対の側パネル１７および床１５が一体となって、略筒状の車室として構成される。

　この車室は、鉄道車両１０のＹ方向の寸法に対して、Ｘ方向の寸法が大きい筒体として構成される。床１５と天井パネル１６は、Ｘ方向に沿って略水平に配置され、各側パネル１７は、Ｘ方向に沿って床１５と天井パネル１６に対して略垂直に配置され、各側パネル１７の上部側内壁面には、それぞれ荷棚１８が配置され、荷棚１８の下方で且つ床１５の上面には、椅子１９が固定される。

　屋根構体１１と天井パネル１６の間には、調和/リターン空気ダクト（第一のダクト）３１が、Ｘ方向に沿って車室略全長にわたって備えられる。上記調和/リターン空気ダクト３１は、空調装置２０内に設けられた開口２７を介して空調装置２０と連通し、天井パネル１６に設けられた調和/リターン空気口（給気部）３２を介して車室と連通している。上記調和/リターン空気口３２は、天井パネル１６のＸ方向に沿って車室略全長にわたって設けられた開口またはスリットとして備えられる。

　なお、図２において、全ての面が複数枚の薄板を組み合わせで構成される調和/リターン空気ダクト３１を図示したが、ダクトを構成する一部の面が、屋根構体１１または天井パネル１６から成る構造を設けてもよい。

　屋根構体１１と天井パネル１６の間には、調和空気ダクト（第二のダクト）３３がＸ方向(長手方向)に沿って車室略全長にわたって備えられる。上記調和空気ダクト３３は、空調装置２０内に配置した循環ファン２１を介して空調装置２０と連通し、天井パネル１６に設けられた調和空気口（排気部）３４を介して車室と連通している。上記調和空気口３４は、天井パネル１６のＸ方向に沿って車室略全長にわたって設けられた開口またはスリットとして備えられる。

　なお、図２には、屋根構体１１と天井パネル１６が面の一部を構成する調和空気ダクト３３を図示したが、全ての面が複数枚の薄板の組み合わせで成る構造、もしくは、一部の面が屋根構体１１または天井パネル１６から成る構造を設けてもよい。

　台枠１３と床１５の間には、排気ダクト３５がＸ方向に沿って車室略全長にわたって備えられる。上記排気ダクト３５は、車室の床面またはその近傍に設けた排気口３６により車室と連通し、台枠１３の下部に配置した排気用の換気ファン２６を介して車外と連通している。

　なお、図２には、台枠１３と床１５が一部の面を構成する排気ダクト３５を図示したが、全ての面が複数枚の薄板の組み合わせで成る構造、もしくは、一部の面が台枠１３または床１５から成る構造を設けてもよい。また、排気ダクト３５の位置は、台枠１３と床１５の間には限定されず、台枠１３の下部としてもよい。この場合、排気ダクト３５は、全ての面が複数枚の薄板の組み合わせで成る構造、もしくは、一部の面が台枠１３からなる構造となる。

　車室内の温度分布を均一するために、排気口３６の最適な位置の直下に、換気ファン２６および排気ダクト３５を配置することが、圧力損失を小さくする点で望ましい。しかしながら、床下機器配置の都合で、必ずしも、換気ファン２６を排気口３６の近傍に位置する排気ダクト３５の直下に配置できず、排気口３６から離して設けなくてはならない場合があり、それにより排気ダクト３５の延長を余儀なくされる。

　この場合、排気口３６と換気ファン２６とを接続する排気ダクト３５の上面を床１５の下面で構成するとともに、排気ダクト３５の下面を台枠１３の上面で構成し、排気ダクト３５の両垂直面を、台枠１３と床１５との間に備えられる断熱材（遮音材）の端面で構成してもよい。この構成によって、部品点数を増やすことなく、排気ダクト３５を構成できるので、小さな製作工数で均一な温度分布を有する車室を実現することができる。

　図３は、図１に示した鉄道車両の空調装置の構成を示す図１のＢ－Ｂ断面図である。図３において、屋根構体１１の上に配置された上記空調装置２０には、車室からのリターン空気の吸込み、および、車室への調和空気の吹出しを行うための循環ファン２１、冷房用の熱交換器２２、暖房用の新鮮気ヒータ２３、車外からの新鮮気の取込量を調整するための新鮮気弁２４、新鮮気を空調装置２０内へ取り込むための新鮮気取込口２５、これらを制御する空調制御装置２８が備えられている。上記新鮮気ヒータ２３は、図３に示すように、空調装置２０内の新鮮気取込口２５と近接(隣接)した位置に配置される。なお、空調制御装置２８は、空調装置２０内に設けられる必要はなく、車両内の任意の場所に設置できる。このため、図３では空調制御装置２８及び配線を点線で便宜的に図示している。

　鉄道車両が所定の速度より早い速度でトンネルを通過する際、トンネル内の空気圧力がトンネル入り口の大気圧を基準にプラス側とマイナス側に大きく変動する場合がある。このため、例えば、トンネル内の空気圧力がマイナス側に大きく振れた場合、新鮮気が車内へ取り入れられる流路を車内の空気が逆流して車外へ流出する結果、車内圧力へ急激に低下して乗客が聴覚に不快感を感じる場合がある。

　この不快感を抑制するため、新鮮気弁２４は、鉄道車両が所定の速度以上でトンネルを通過する際に、トンネル突入の直前に閉鎖する。この時、図示はしないが換気ファン２６に併設されるとともに排気流路を閉鎖する排気空気弁も、新鮮気弁２４の閉鎖に同期して排気流路を閉鎖する。

　図４は、本実施形態にかかる鉄道車両の空調装置の制御フロー図である。空調装置２０内に備えられる循環ファン２１、熱交換器２２、新鮮気ヒータ２３、および、排気用の換気ファン２６は、空調制御装置２８によって、図４に示すように動作が制御される。

　まず、ステップＳ１００において、空調制御装置２８は環境情報（カレンダー、乗車率、等）を入力する。次いで、ステップＳ１０１において、空調制御装置２８は客室内温度を入力し、客室内温度に応じて運転モード（冷房/暖房）を判定する。なお、運転モード時の設定温度や風量などは、環境情報に応じて変更することができる。

　客室内温度が閾値以下の場合、ステップＳ１０２において、空調制御装置２８は暖房モードを設定し、循環ファン２１を動作させずに、排気用の換気ファン２６を動作させることで空調装置２０内に空気を取り込み、新鮮気ヒータ２３を動作させることで空気の温度を調整する。

　一方、客室内温度が閾値より高い場合、ステップＳ１０３において、空調制御装置２８は冷房モードを設定し、排気用の換気ファン２６と循環ファン２１を動作させることで空調装置２０内に空気を取り込み、圧縮機（図示せず）を動作させることで熱交換器２２により空気の温度を調整する。

　図５は、暖房モード時の空調装置２０内の空気の流れの概略図を示している。図４の制御フローを実行することで、図５に示すように、排気用の換気ファン２６を動作させることで、車外から空調装置２０内へ引き込まれた新鮮気４０は、空調装置２０内の新鮮気ヒータ２３を通過することで加熱される。

　図６は、本実施形態にかかる鉄道車両の暖房モード時の空気の流れの概略図を示している。図６に示すように、空調装置２０内で加熱された調和空気４２は、排気用の換気ファン２６により、調和/リターン空気ダクト３１を介して調和/リターン空気口３２から荷棚１８に向かうようにして車室内へ引き込まれ、更に排気口３６から椅子１９の下方を通過し排気ダクト３５を介して車外への排気４３となる。これにより、車室上方から吹出した加熱された調和空気４２を車室下方まで引き込む流れが形成され、車室内の温度を均一化することができる。

　なお、図６における空調制御装置２８の制御は、暖房モード時に循環ファン２１を停止させる場合には限定されず、車室から空調装置２０内への空気の流れを形成しない程度の低速で運転した場合にも、車室内に図６と同様の空気の流れを形成することができる。

　図７は、冷房モード時の空調装置２０内の空気の流れの概略図を示している。図４の制御フローを実行することで、図７に示すように、排気用の換気ファン２６を動作させることで、車外から空調装置２０内へ引き込まれた新鮮気４０と、循環ファン２１により荷棚１８上にある調和/リターン空気口３２（図８）から調和/リターン空気ダクト３１を介して車室から空調装置２０内へ取り込まれたリターン空気４１は、空調装置２０内の熱交換器２２を通過することで冷却される。

　図８は、本実施形態にかかる鉄道車両の冷房モード時の空気の流れの概略図を示している。図８に示すように、空調装置２０内で冷却された調和空気４２は、循環ファン２１により、調和空気ダクト３３を介して調和空気口３４から荷棚１８を避けて椅子１９に向くようにして斜めに車室内へ吹出し、排気用の換気ファン２６により、排気口３６から排気ダクト３５を介して車外への排気４３となる。これにより、冷却された調和空気４２が車室下方へ滞留することを防ぎ、車室内の温度を均一化することができる。車室内の空気の一部は、循環ファン２１により荷棚１８上にある調和/リターン空気口３２（図８）からリターン空気４１として取り込まれ、空調装置２０内へと戻って循環する。

　以上のように、冷房モード時と暖房モード時で調和空気４２の吹出し方式を切り替えることで、暖房モード時には新鮮気４０のみを用いて暖房するため、調和空気４２の風量が減り、客席での風速を抑えることができる。一方、冷房モード時には新鮮気４０と、ある程度冷えたリターン空気４１を冷却して冷房するため、十分な調和空気４２の風量を確保し、熱交換器２２の能力を有効活用することができる。

　なお、図１、２には、空調装置２０を屋根構体１１の上部に配置される場合について図示したが、空調装置２０を台枠１３の下部に配置してもよい。この場合、空調装置２０から、Ｚ方向に沿って、調和/リターン空気ダクト３１および調和空気ダクト３３と、それぞれ連通するつなぎダクト（図示せず）を立ち上げる。このとき、上記空調装置２０は、台枠１３の下部に備えた排気用の換気ファン２６と一体型とするか、もしくは、上記排気用の換気ファン２６とつなぎダクト（図示せず）を介して連通している構成とすることができる。

　本実施形態によれば、暖房モード時には客席で不快な風速を生じさせることなく、冷房モード時には十分な空調能力を保持した上で、車室内の温度分布を均一化した快適な鉄道車両の空調換気システムを提供することができる。これにより、客席でのドラフト感を悪化させることなく、車室内の温度分布を均一化した鉄道車両の空調換気システムを実現することができる。

［実施形態２］
　実施形態２は、上記実施形態１に対して、台枠１３の下部に配置していた排気用の換気ファン２６の代わりに、給気用の換気ファン（図示なし）を備える以外、同様としたものであるため、説明のための図を共通に用いる。

　上記給気用の換気ファンは、屋根構体１１の上部に配置される。この構成において、車室からの排気は、給気用の換気ファンを動作させることにより、排気ダクト３５を介して車外へと押し出される。このとき、上記給気用の換気ファンは、屋根構体１１の上部に備えた空調装置２０と一体型の構成、または、空調装置２０とダクト（図示せず）を介して連通している構成とする。

　実施形態１と同様に、図４に示す制御フローを適用することで、車室内に図６、７に示す空気の流れを形成することができる。

　実施形態２によれば、実施形態１と同様の効果を奏することができると共に、空調装置２０と給気用の換気ファンを屋根構体１１の上部に集約させることで、これらのメンテナンス性を向上させることができる。

［実施形態３］
　実施形態３は、実施形態１，２に対して、排気用または給気用のどちらかのみを備えていた換気ファン２６を、給気側と排気側のそれぞれに備える以外、同様としたものであるため、説明のための図を共通に用いる。

　このとき、給気用の換気ファン（図示なし）を屋根構体１１の上部に配置し、排気用の換気ファン２６を台枠１３の下部に配置し、その他の構成は上記実施形態と同様とし、図４に示す制御フローを適用することで、車室内に図６、７に示す空気の流れを形成することができる。

　なお、給気用と排気用の換気ファンを一体化した換気装置（不図示）を設けてもよい。上記換気装置を台枠１３の下部に配置した場合、この換気装置から、Ｚ方向に沿い、屋根構体１１の上部に備えた空調装置２０と連通し、給気用の換気ファンにより取り込んだ新鮮気４０を空調装置２０へ送るためのつなぎダクト（図示せず）を立ち上げることができる。その他の構成は実施形態１と同様とし、図４に示す制御フローを適用することで、車室内に図６、７に示す空気の流れを形成することができる。

　また、上記の構成において、屋根構体１１の上部に備えた空調装置２０を台枠１３の下部へ配置してもよい。この場合、上記空調装置２０から、Ｚ方向に沿い、調和/リターン空気ダクト３１および調和空気ダクト３３と、それぞれ連通するつなぎダクト（図示せず）を立ち上げることができる。その他の構成は実施形態１と同様とし、図４に示す制御フローを適用することで、車室内に図６、７に示す空気の流れを形成することができる。なお、上記空調装置２０と該換気装置を、一体型としてもよい。

　上記換気装置は、給気と排気用の換気ファンを連動させることで、車室内の圧力変動を抑制するように運転される。

　本実施形態によれば、実施形態１と同様の効果を奏することができると共に、給気と排気用の換気ファンを独立して制御することで、車室内での急激な圧力変動を抑制した快適な車内環境を提供することができる。

　なお、本発明は上記した実施の形態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、上記した実施の形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、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、ある実施の形態における構成の一部を他の実施の形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施の形態の構成に他の実施の形態の構成を加えることも可能である。また、各実施の形態における構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることも可能である。

１０…鉄道車両、２０…空調装置、２１…循環ファン、２２…熱交換器、２３…新鮮気ヒータ、２４…新鮮気弁、２５…新鮮気取込口、２６…換気ファン、２８…空調制御装置、３１…調和/リターン空気ダクト、３２…調和/リターン空気口、３３…調和空気ダクト、３４…調和空気口、３５…排気ダクト、３６…排気口、４０…新鮮気、４１…リターン空気、４２…調和空気、４３…排気

Claims

　車外から車室への給気および前記車室から車外への排気を行うための換気ファンと、
　前記車室からのリターン空気の吸込み用の給気部、および前記車室への調和空気の吹出し用の排気部につながる循環ファンと、
　冷房用の熱交換器と、
　暖房用のヒータと、
　暖房モードと冷房モードを選択的に設定可能な空調制御装置と、
　前記車室と前記循環ファンの給気部とをつなぐ第一のダクトと、
　前記車室と前記循環ファンの排気部とをつなぐ第二のダクトと、
を、有する軌条車両であって、
　前記空調制御装置は、
　暖房モード時には、前記循環ファンを停止させ、前記換気ファンにより車外から取り込んだ空気を前記ヒータを介して加熱し、前記第一のダクトを通して前記車室内へ吹出すようにし、
　冷房モード時には、前記循環ファンを動作させ、前記換気ファンにより車外から取り込んだ空気と、前記循環ファンにより前記車室から前記第一のダクトを通して取り込んだ空気を、前記熱交換器を介して冷却し、前記第二のダクトを通して前記車室内へ吹出すように制御する、
ことを特徴とする軌条車両。
　前記第一のダクトが、前記軌条車両の長手方向にそって車室略全長に備えられる、
ことを特徴とした請求項１に記載の軌条車両。
　前記換気ファンは、前記車室下方に設けられた排気ファンであり、
　前記排気ファンにより前記車室内の空気を、前記車室下方に設けた排気口を介して車外へ排気する、
ことを特徴とした請求項１または２に記載の軌条車両。
　前記排気口と前記排気ファンとを接続する排気ダクトの上面を、前記軌条車両の床の下面で構成するとともに、前記排気ダクトの下面を、前記軌条車両の台枠の上面で構成し、前記排気ダクトの両側面を、前記台枠と前記床との間に備えられる断熱材又は遮音材の端面で構成した、
ことを特徴とした請求項３に記載の軌条車両。
　前記暖房モード時に、前記ヒータを介して加熱された空気は、荷棚の上方にある前記給気部を介して前記車室内へと供給される、
ことを特徴とした請求項１～４のいずれか１項に記載の軌条車両。
　前記冷房モード時に、前記熱交換器を介して冷却された空気は、前記排気部から荷棚の下方にある椅子に向かって供給され、
　前記車室内の空気は、前記荷棚の上方にある前記給気部を介して回収される、
ことを特徴とした請求項１～５のいずれか１項に記載の軌条車両。