(57)【要約】【課題】換気装置の運転周波数を変更しても、所定の換気風量を確保でき、さらに、車内圧力の季節制御を容易に制御できる車両用換気装置を製作することである。【解決手段】換気装置の運転周波数を替えても、所定の換気風量を維持できるように、換気装置の給排気流路の抵抗を任意に設定できる流量制御装置４０を換気装置の給排気流路に備える。そして、換気装置の運転周波数に連動して、この流量制御装置４０の開口率を制御することにより、課題を解決する。さらに、車内温度と車外温度を検知し、それらの差を演算した結果に基づいて、流量制御装置４０を制御することにより、車内圧力上昇に起因するドア開閉の支障を防止する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
給気用送風機と排気用送風機を備え、前記給気用送風機と排気用送風機を備える筐体の給気用流路，排気用流路の各々に流量制御装置を備えており、
前記給気用送風機，排気用送風機の電動機の運転周波数の変更に追随して、前記流量制御装置の各々の流路の開口率を制御すること、
を特徴とする車両用換気装置。
【請求項２】
請求項１記載の車両用換気装置において、固定板と可動板により形成される流路穴は円形穴であること、を特徴とする車両用換気装置。
【請求項３】
請求項１記載の車両用換気装置において、
前記流量制御装置は、車外温度を検出して閾値よりも大きい場合に流量制御装置の開口率を小さくすること、
を特徴とする車両用換気装置。
【請求項４】
請求項１記載の車両用換気装置において、列車の速度情報に基づき、前記流量制御装置の開口率を制御すること、を特徴とする車両用換気装置。
【請求項５】
請求項１記載の車両用換気装置において、車両内部および外気の温度情報に基づき、前記流量制御装置の流路の開度を制御すること、を特徴とする車両用換気装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高速鉄道車両等の換気装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
新幹線に代表される高速鉄道車両は、気密構体であるため、所定の割合で、車内の空気と車外の空気とを入れ替える換気装置を搭載している。この換気装置は、トンネルを通過する際の圧縮波（正圧）、及び、膨張波（負圧）に対して車内圧力変動を所定の範囲内に維持しながら、換気できる性能を有する。
【０００３】
この換気装置は、特許文献１のように、回転軸を水平にした電動機の両端に、排気ファンと給気ファンを設けている。また、電動機の冷却のために、電動機をケースで囲み、客室からの排気空気を通過させて冷却させた後、排気ファンを経由させるようにしている。
【０００４】
換気装置の機能は、客室の空気を連続的に入れ替えるとともに、トンネル内で車両とすれ違った際に生じる気圧の変化に起因する耳つん（聴覚の不快感）を抑制することである。この耳つんは、車両が高速で走行する時に生じる現象である。このため、消費電力を低減し、騒音及び振動を抑制するため、車両の速度に応じて換気装置の運転周波数を変更している。
【０００５】
【特許文献１】
特許第２６８５５２１号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
換気装置は次の点を考慮して設計されているが、それぞれ問題がある。
【０００７】
換気装置の機能は、客室の空気を連続的に入れ替えるとともに、トンネル内で車両とすれ違った際に生じる気圧の変化に起因する耳つん（聴覚の不快感）を抑制することである。この耳つんは、車両が高速で走行する時に生じる現象である。このため、消費電力を低減し、騒音及び振動を抑制するため、車両の速度に応じて換気装置の運転周波数を変更している。
【０００８】
この場合、運転周波数が低下したとき、非喫煙車両では車内の二酸化炭素濃度が若干増加するものの直ちに健康に害を及ぼす程度ではなく全く問題ない場合に、喫煙車両では紫煙に起因する微粒子濃度が低下しにくくなり、問題を生じる。
【０００９】
換気装置の運転周波数に応じて、給排気流路抵抗を調整して、常に所定の換気風量を確保することができる機構として、風量制御装置がある。しかし、この流量制御装置は、流速が２０ｍ／ｓ前後ある流れ中に配置されるため、空力騒音の原因となる。そして、この風量制御装置から生じた騒音は、車体に設置されたダクトを経由して車内へ伝播して、車内騒音を増大する可能性がある。
【００１０】
また、所定の給排気量に対して車内温度を所定にする空調装置がある。ところが、夏場の猛暑時には、車内に入る給気温度が高いので、車内の温度を設定温度に低下できない問題がある。
【００１１】
また、一般的に、換気装置の給気量は、その排気量とほぼ等しくし、乗客が乗降するドアの開閉に支障がないようにしている。ところが、冬場に、空調装置により温められた車内の空気が膨脹して、車内の圧力が大気圧より高くなり、ドアの開閉に支障をきたすことがある。
【００１２】
この点を解消するために、年間２回ほど、換気装置内部の給排気流路抵抗を制御して、ドア開閉に支障がない程度に、車内圧力を制御している。
【００１３】
本発明の第１の目的は、換気装置の運転周波数を変更しても、所定の給排気量を確保できる換気装置を構成することにある。
【００１４】
本発明の第２の目的は、流速が高い給排気流路内に設置される流量制御装置から生じる空力騒音を抑制することである。
【００１５】
本発明の第３の目的は、夏場の猛暑時に空調装置の換気負荷を軽減し、車内温度を快適維持できる換気装置を構成することにある。
【００１６】
本発明の第４の目的は、車内圧力が大気圧より高くなる結果生じるドア開閉の支障を低減できる換気装置を構成することである。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記第１の目的は、流量制御装置を換気装置の給排気流路に備え、換気装置の運転周波数を変更に追随して、給排気流路抵抗を調整することにより、換気装置の運転周波数の変更に拘わらず、常に所定の換気風量を確保できる流量制御装置を供える換気装置により達成できる。
【００１８】
上記第２の目的は、流量制御装置の一部である流路抵抗可変機構を、流路に接する部位に曲率を有す部材で構成すること、により達成できる。
【００１９】
上記第３の目的は、車外温度を検知し、この値が所定の値を超えた場合に、流量制御装置により、給排気流量を低減し、空調装置の換気負荷を軽減すること、により達成できる。
【００２０】
上記第４の目的は、車外温度と車内温度を検知して、その温度差の正負とその大きさに応じて、給排気流路に設置した流量制御装置を制御すること、により達成できる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施例を図１から図９により説明する。高速鉄道車両の換気装置は、保守時間を短縮するために、給排気流路を有する筐体１０内に、給排気送風機２０を配置している。給排気装置２０は、給気用送風機２１と、排気用送風機
２２と、この２つの送風機２１，２２を駆動する電動機２３等からなる。筐体
１０の側面に、車外の空気を取り入れるための入り口１１，出口１２，車内の空気を排気するための入り口１６，出口１７を有する。これらの口１２，１６と車内とはダクト（図示せず）で接続されている。
【００２２】
入り口１１から入った車外の空気（新鮮空気）は給気用の流量制御装置４０，給気用送風機２１を経由し、出口１２に至る。入り口１６から入った排気は電動機２３の周囲を経由して電動機２３を冷却した後、排気用送風機２２，インバータ３１，トランス３２等を経由してこれらを冷却した後、排気用の流量制御装置４０を通過し、出口１７に至る。
【００２３】
それぞれの流量制御装置４０は、主に、固定板４１，可動板４２，可動板４２を駆動するアクチュエータ４３からなる。可動板４２は、固定板４１より上流側に配置して、可動板４２が作動流体より受ける動圧を、固定板４１がより広い面で受ける構造としている。これにより、流量制御装置４０の信頼性を高めている。可動板４２は、アクチュエータ４３に連結されており、アクチュエータ４３が、可動板４２の変位を制御する。アクチュエータ４３は、モータでボールねじを駆動する機構を内蔵している。固定板４１，可動板４２は空気流路４４を開口しており、両者で空気流路を定める。
【００２４】
固定板４１，可動板４２の開口は流路を構成したとき、円形（４角形を除くの意味で、楕円形を含む）になるようになっている。図２において、開口の上下端は半円である。これは、流量制御装置４０を通過する空気から生じる空力騒音を抑制することである。空力騒音は、２次元性が強い流れ場が形成されるほど、その流速の６〜８乗に比例して大きくなる。このため、固定板４１と可動板４２が形成する流路断面形状に曲率を与えれば、２次元性の強い流れ場の出現を抑制できるので、空力騒音を抑制できる。
【００２５】
図３に、流量制御装置４０を構成する可動板４２と固定板４１のみを示す。可動板４２は、流れの上流に配置されるため、大きな動圧を受ける。この動圧により、可動板４２及び固定板４１が磨耗して信頼性が低下することを防止するために、可動板４２に摩擦防止材４５を貼り付けている。これは、可動板４２に作用する動圧を、繊維質を積層した摩擦防止材４５を添付した広い面で受けることにより、磨耗による信頼性の低下を防止する。
【００２６】
図４，図５に、流量制御装置４０を構成する可動板４２と固定板４１の他の機構を示す。これは、固定板４１がリニアガイド４６を介して、可動板４１に作用する動圧を受ける構造である。そして、可動板４２と固定板４１の間に生じる隙間（磨耗防止材４５の厚み）の可動板４２側に、摩擦防止材４５を貼付している。この目的は、可動板４２と固定板４１の隙間から空気が漏れることを防止する他に、特に車内から車外へ排出する空気中に含まれる紫煙に代表される粘結物質と塵埃が、可動板４２と固定板４１の間に堆積し、摩擦力が大きくなることを防止することである。
【００２７】
この紫煙に代表される粘結物質が摩擦となり、流量制御装置４０の機能を阻害するまでには、かなりの時間を要する。車両の全般検査のために風量制御装置の分解清掃を実施する場合は、製造原価を低減できる図３に示した方式でも支障はない。しかしながら、換気装置の全般検査を１全検から２全検に延伸した場合、紫煙の粘結物質に起因する流量制御装置４０の機能阻害が考えらので、可動板４２をリニアガイド４６に固定する方式が適する。なお、図１に示すように、流量制御装置４０は換気装置の筐体１０を車体に搭載したままでも取外せるため、流量制御装置４０を容易に保守できる。
【００２８】
図６に、換気装置の運転周波数を変化したときの最大静圧と流量の推移の一例を示す。一般に、送風機の回転数を変化させた場合、その流量は、換気装置の運転周波数の比に比例して増減する。図３に示したケースでは、例えば、換気装置を１０６Ｈｚで運転した場合に、所定の換気風量３０ｍ3／minを得られるように、換気装置の給排気流路の抵抗を調整したとする。この時、運転周波数を９２Ｈｚにした場合、換気風量は約２６ｍ3／minとなり、さらに運転周波数を７８Ｈｚとした場合には、約２２ｍ3／minまで低下する。換気装置の消費電力を低減するために有効な運転周波数の変更は、換気風量が増減する問題点がある。
【００２９】
図７に、前述した問題点を解決する手段を示す。図４は、列車速度を検知して換気装置の運転周波数を切り替えるタイミングで、換気装置の給排気流路に設置した流量制御装置４０の開口率を変化させるチャートである。一例ではあるが、具体的には、換気装置の運転周波数が１０６Ｈｚと高い場合には、流量制御装置４０の開口率を約４０％前後に設定し、所定の換気風量３０ｍ3／minを確保する。列車の速度が低下して換気装置の運転周波数を７８Ｈｚまで下げる場合は、流量制御装置４０の開口率を７０％まで高めて、流路抵抗を軽減して、所定の換気風量３０４ｍ3／minを確保する。これにより、車両の速度に拘わらず、ほぼ所定の換気風量３０ｍ3／minを確保できるので、換気風量低下に起因する車内環境（塵埃，紫煙等）の悪化を防止することができる。
【００３０】
図８に、車外温度を検知して、流量制御装置４０を制御するフローチャートを示す。近年、夏場に猛暑が続く傾向がある。新幹線は、全線高架のため、日射を遮る遮蔽物がほとんどないため、軌道面が高温になりやすい。このため、前述の猛暑時には、車内の温度が下がらず、快適な車内環境を維持できない場合があった。１年間の内、数週間の猛暑時に対応するために、冷房能力の大きい空調装置を搭載することも考えられるが、車両重量増加に伴う消費電力増加を考慮すれば、必ずしも得策ではない。新幹線の冷房負荷の内、約６割は、車内の空気を入れ替えることにより生じる換気負荷である。したがって、夏場の猛暑時に限り、車外温度を検知して、所定の値を超えた場合、流量制御装置４０を稼動させて、換気装置の運転周波数に限らず、換気風量を軽減して、優先的に車内温度を下げることができる。
【００３１】
図９に、車内及び車外温度を検知して、流量制御装置４０を制御する際のアルゴリズムを示す。新幹線は気密構体であるため、給気量と排気量のバランスが崩れると、ドア開閉に支障がでることがある。特に、気温が高い時期に、ドア開閉に支障がないように、換気装置の給気量と排気量を制御した場合、冬場の暖房運転により、車内の空気が膨脹するため、車内圧力が高くなるため、ドア開閉に支障がでることがある。この現象を防止するため、車外温度と車内温度を検知して、その差を演算した値が、正の場合は、排気側の流量制御装置の開口率を、給気側の流量制御装置の開口率より、若干大きくなるように制御する。演算した値が負の場合は、排気側の流量制御装置の開口率を、給気側の流量制御装置の開口率より、若干小さくなるように制御する。排気側及び給気側の流量制御装置４０の制御により、冬場のドア開閉支障を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による換気装置の透視図。
【図２】本発明による流量制御装置の斜視図。
【図３】図２の流量制御装置の固定板と可動板の斜視図。
【図４】図２の流量制御装置の固定板と可動板の正面図。
【図５】図４のＶ−Ｖ断面図。
【図６】換気装置の運転周波数と換気風量の関係。
【図７】本発明の送風機の運転周波数切替えと流量制御装置の開口率を示したアルゴリズム。
【図８】車外温度を検知して、流量制御装置を制御するフローチャート。
【図９】車外温度及び車内温度を検知して、流量制御装置を制御するフローチャート。
【符号の説明】
１０…筐体、１１…給気吸込口、１２…給気出口、１６…排気吸込口、１７…排気出口、２１…給気送風機、２２…排気送風機、２３…電動機、４０…流量制御装置、４１…固定板、４２…可動板、４３…アクチュエータ、４５…摩擦防止材、４６…リニアガイド。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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