JP4958421B2 - 鉄道車両用空気調和システム - Google Patents

Description

本発明は、快適な車内環境を維持しつつ、構成部品類の汚損・劣化状況を予測可能にした鉄道車両用空気調和システムに関するものである。

従来、日射量や外気温度、湿度等を検知する環境情報検知手段と、その環境情報を記憶する環境情報記憶手段と、現在及び過去の環境情報から車内温度等の制御目標を決定する制御目標決定手段と、現在及び過去の環境情報から空調負荷を予測する空調負荷予測手段とを備え、制御目標及び予測空調負荷に基づいて空調負荷変動の影響を打ち消すように制御量演算手段で空調能力の制御を行うようにした鉄道車両用空気調和装置が存在する（例えば、特許文献１参照）。

この鉄道車両用空気調和装置は、空調負荷状況に応じて目標の車内設定温度になるように圧縮機の運転パターン（運転時間）を制御している。たとえば、外気温度が高く、乗車率が高い場合は、空調負荷（冷房負荷）が大きくなり、圧縮機の運転時間を長くするように制御し、逆に、外気温度が低く、乗車率が低い場合は、空調負荷（冷房負荷）が小さくて済み、圧縮機の運転時間を短くするように制御していた。

特開平５−２６４０８６号公報

この鉄道車両用空気調和装置は、消費エネルギを低減しつつ、車内環境を快適にするように空調制御を行うようにしたものである。しかしながら、鉄道車両用空気調和装置を構成する部品類（圧縮機や凝縮器、蒸発器、フィルタ等）の汚損・劣化等の異常を予測するというものではなかった。すなわち、構成部品類の点検や整備等のメンテナンスを定期的に行わなければならなかった。

一般的に、メンテナンスには多くの時間・労力が要求されるので、それに伴うコストも増加してしまうという問題があった。また、メンテナンスの合間に異常が発生した場合には、空調性能が低下してから、その異常が判明することになり、快適な車内環境を維持することが困難であるという問題もあった。つまり、構成部品類に異常が発生しても、空調性能が低下するまで、そのことに気付かずに運転を続けてしまうことになっていた。また、空調性能が低下するので、快適な車内環境を維持するために圧縮機の運転時間を長くしなければならずに、かえってエネルギを浪費してしまうことになっていた。

本発明は、上記の問題を解決するためになされたもので、快適な車内環境を示す基準となる種々の環境情報と実際の環境情報とから圧縮機の運転パターンを調整して快適な車内環境を維持するとともに、構成部品類での異常を早期に発見できる鉄道車両用空気調和システムを提供することを目的とする。

本発明に係る鉄道車両用空気調和システムは、圧縮機と、凝縮器と、減圧手段と、蒸発器とを冷媒配管で順次接続して構成する冷凍サイクルを備えた鉄道車両用空気調和システムであって、所定の条件に基づいて前記圧縮機を制御する制御装置を備え、前記制御装置は、前記圧縮機の適正な運転時間と、少なくとも設定温度を含む車両情報とから前記圧縮機の適正な運転状態を示す基準運転パターンを予め設定しておき、前記圧縮機を実際に運転させたときに得られる前記圧縮機の運転時間と、このときの設定温度を少なくとも含む車両情報とから実運転パターンを求め、前記実運転パターンを所定の条件にあてはめて前記基準運転パターンに対応させ、前記基準運転パターンに対応させた実運転パターンと前記基準運転パターンとを比較し、その比較結果に基づいて前記圧縮機の運転時間を予測して前記冷凍サイクルを構成する構成部品の汚損・劣化を判断することを特徴とする。

本発明に係る鉄道車両用空気調和システムによれば、冷凍サイクルを構成する構成部品の汚損・劣化を早期に発見することができるので、性能が低下する前に異常への対処ができ、快適な車内環境の維持が実現可能になる。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係る鉄道車両用空気調和システム５０の構成を示す概略構成図である。
鉄道車両用空気調和システム５０は、冷凍サイクル１０と、制御装置２０と、データベース３０とを備えている。鉄道車両用空気調和システム５０は、外気温度や車内湿度、乗車率等の環境状況に基づいて、設定された所定の車内環境を維持するものである。

冷凍サイクル１０は、圧縮機１１と、四方弁１７と、凝縮器１２と、減圧装置１３と、蒸発器１４とが冷媒配管１５で循環するように接続されて構成されており、鉄道車内の冷房運転や暖房運転を実際に行なうものである。圧縮機１１は、冷媒を圧縮して高温高圧の冷媒とするものである。四方弁１７は、冷房運転時と暖房運転時とで冷媒の流れを切り替えるものである。

凝縮器１２は、冷媒と空気との熱交換で冷媒を凝縮液化するものである。減圧装置１３は、冷媒を減圧させるものである。ここでは、減圧装置１３がキャピラリチューブである場合を例に示している。キャピラリチューブは、細い管の中を冷媒が通過する時の摩擦抵抗を利用して、冷媒を必要な蒸発温度に相当する低圧圧力（蒸発圧力）まで降下させるものである。なお、減圧装置１３をキャピラリチューブに限定するものではなく、減圧弁や膨張弁等で構成してもよい。

蒸発器１４は、冷媒と空気との熱交換で冷媒を蒸発ガス化するものである。冷媒配管１５は、圧縮されて気体になった冷媒と、減圧されて液体になった冷媒とを導通させるものである。冷媒は、非共沸混合冷媒や擬似共沸混合冷媒、単一冷媒等を使用するとよい。非共沸混合冷媒には、ＨＦＣ（ハイドロフルオロカーボン）冷媒であるＲ４０７Ｃ（Ｒ３２／Ｒ１２５／Ｒ１３４ａ）等がある。擬似共沸混合冷媒には、ＨＦＣ冷媒であるＲ４１０Ａ（Ｒ３２／Ｒ１２５）やＲ４０４Ａ（Ｒ１２５／Ｒ１４３ａ／Ｒ１３４ａ）等がある。また、単一冷媒には、ＨＣＦＣ（ハイドロクロロフルオロカーボン）冷媒であるＲ２２やＨＦＣ冷媒であるＲ１３４ａ等がある。

制御装置２０は、鉄道車内の空調負荷状況に応じて所定の車内設定温度になるように圧縮機１１の運転時間を制御するものである。つまり、制御装置２０は、データベース３０に格納されている車両情報３１と現在の車両情報（外気温度や乗車率、車内設定温度等）とに基づいて、圧縮機１１の運転時間を制御するものである。この制御装置２０の処理動作については、後述する。なお、この制御装置２０は、マイクロコンピュータ等で構成するとよい。

データベース３０は、記憶手段としての機能を果たすものであり、車両情報３１を格納するものである。なお、データベース３０は、ＨＤＤ（ハードディスクドライブ）や不揮発メモリ等で構成するとよい。車両情報３１は、圧縮機１１の運転パターンを決定するための基準となるものであり、乗車率情報や車内設定温度情報、外気温度情報等の車内環境を維持するために必要な情報の総称である。なお、車両情報３１は、変更や修正、追加、削除を容易にできるようにしておくとよい。そうすれば、鉄道が配属される場所に応じた環境設定が容易に可能になる。

ここでは、制御装置２０とデータベース３０とを別々に構成している場合を例に示しているが、これに限定するものではない。制御装置２０とデータベース３０とを一体として構成してもよく、また、制御装置２０の中にデータベース３０を備えるように構成してもよい。また、車両情報３１を生データのままデータベース３０に格納してもよいが、データ量が多くなってしまうので、後述するマトリックスのような形態で格納しておくとよい。

なお、冷凍サイクル１０に四方弁１７を設けて、冷媒の流れを切り替えて冷房運転と暖房運転とを行うことができる場合を例に示したが、これに限定するものではない。たとえば、冷房運転のみを行うようにしてもよく、暖房運転のみを行うようにしてもよい。また、鉄道車両用空気調和システム５０には、図示省略の圧力検知手段や車内温度検知手段、外気温度検知手段、車内湿度検知手段等の検知手段を所定個所に備えておくのが望ましい。そして、これらの検知情報を制御装置２０に伝達したり、データベース３０に格納したりするとよい。また、乗車率は、車両の重量を検知する応荷重センサ等の乗車率検知手段を用いて算出するようにするとよい。

図２は、鉄道車両用空気調和システム５０の概念を示す概念図である。
ここでは、便宜的に冷房運転の場合を例に示す。鉄道車両用空気調和システム５０の性能が低下すると、それに伴って冷房能力も低下する。つまり、構成部品類（圧縮機１１、凝縮器１２、蒸発器１４、フィルタ１６等）に汚れや目詰まり、劣化が生じると、それらの機器が本来の機能を果たすことができなくなるのである。

そうすると、所定の冷房負荷状況に関して、圧縮機１１の運転時間（運転稼動率）が基準よりも長くなるという傾向にある。所定の冷房負荷状況に関して、基準状態であれば圧縮機１１のオン／オフ時間が短い間隔で繰り返されるのに対し、能力低下状態であればその低下分を補うべく圧縮機１１のオン時間が長く、オフ時間が短くなるように圧縮機１１の運転時間が制御される。

この傾向に着目して、種々の条件（乗車率や車内温度、車内湿度、外気温度等）の基準となるデータ（車両情報３１）を予めデータベース３０に格納しておき、実際に検知されている検知情報と比較して、鉄道車両用空気調和システム５０の能力低下を予測するようになっている。つまり、現在の条件における運転稼働時間とデータベース３０に格納されている基準時となる運転稼働時間とを比較して、運転稼働時間を予測し、その予測運転稼動時間から、構成部品類の清掃時期や交換時期を判断可能にしたものである。

次に、鉄道車両用空気調和システム５０の処理動作について説明する。
図３は、乗車率と外気温度とを関連付けたマトリックスを示す説明図である。
鉄道車両用空気調和システム５０の制御装置２０は、車両情報３１から基準運転パターンを算出し、実際の運転から得られる実運転パターンと基準運転パターンとを比較して、構成部品類の汚損・劣化等の異常を予測するものである。ここでは、実運転パターンと基準運転パターンとの比較で得られるデータにポイントを割り当てた場合を例に示している（図４参照）。

このマトリックスは、乗車率（縦）と外気温度（横）とを関連付けて冷房設定温度（ＴＳＣ）毎にデータベース３０に格納されている。ここでは、乗車率と外気温度との関係のみを例に示しているが、これに限定するものではない。たとえば、各種検知手段からの検知情報を任意に組み合わせて冷房設定温度毎に、所定のパターンとして格納しておいてもよい。また、検知情報の組み合わせを２種類に限定するものでもない。たとえば、３種類や４種類、全種類を関連付けて組み合わせてもよい。

冷房設定温度２６℃の場合において、外気温度３０．５℃及び乗車率５５％が基準となる運転パターン（基準運転パターン）であることを示している。つまり、Ｐ４という値が基準運転パターンとなることを示しているのである。この基準運転パターンが、冷房設定温度に対する理想的な運転（快適な車内環境）を実現するための基準となるものである。

次に、冷房設定温度２６℃の場合において、実際の運転パターン（実運転パターン）を求める。各種検知手段からの検知情報（ここでは、外気温度、乗車率）をこのマトリックスにあてはめて実運転パターンを算出するようになっている。そして、制御装置２０は、この基準運転パターンＰ４と実運転パターンとを比較する。すなわち、そのときの冷房設定温度の基準運転パターンに近づくように圧縮機１１の運転時間を調整するのである。

図４は、ポイントの割付を示す説明図である。
基準運転パターンと実運転パターンとが関連付けられており、それぞれのパターンの組み合わせでポイントを割り付けるようになっている。冷房設定温度が２６℃である場合を例に説明すると、基準運転パターンは上述の通りＰ４であり、実際の外気温度が３１．５℃及び乗車率が４０％であるとすると、実運転パターンもＰ４となる。したがって、基準運転パターンがＰ４、実運転パターンがＰ４であるので、０ポイントが割り付けられることになる。すなわち、基準運転パターンがＰ４である場合において、実運転パターンがＰ１〜Ｐ４であるときは０ポイント、実運転パターンがＰ５であるときは１ポイント、実運転パターンがＰ６であるときは２ポイントがそれぞれ割り付けられるようになっている。

図５は、外気温度及び乗車率、実運転パターンの推移を示した説明図である。
ここでは、１４：００から１５：００までの間の外気温度及び乗車率、実運転パターンの推移を示している。冷房負荷は、１４：００から１５：００までの間が１日で１番高くなることが一般的に多い。そこで、１４：００から１５：００までの間の１分間隔でポイントを算出し、車内環境を調整するようにしている。なお、ポイントの算出を１４：００から１５：００までの間に限定するものではない。たとえば、どの時間帯においてもポイントを算出してもよく、また、１分間隔に限定しなくてもよい。

次に、１分間隔で算出したポイントの１時間分の平均値を求める（式（１））。この平均値は、構成部品類の異常状況を判断するために利用される（図６参照）。なお、構成部品類（圧縮機１１や凝縮器１２、蒸発器１４、フィルタ１６等）の異常を判断するために、基準運転パターンに基づいて、予め汚損・劣化の基準となるポイントを算出しておくことが望ましい。つまり、この基準ポイントと求めた平均値との比較・照合に基づいて、異常があるかどうかの予測を行うことが可能となるからである。

図６は、汚損及び劣化状況の評価例を示す説明図である。
この汚損及び劣化状況の評価例は、構成部品類の状態に応じて複数段階に分類しておくとよい。そうすれば、異常の有無を迅速に発見することが可能になる。また、評価例を４段階で表した場合を例に示しているが、これに限定するものではない。評価の段階を多く設定しておけば、異常の有無のみならず、異常の種別を高確立で判別することが可能になる。

求めた平均値が０から１未満であれば、基準状態と同様であると判断することができる。したがって、構成部品類に汚損及び劣化が発生しておらず清掃や点検等のメンテナンスを実行する必要はないと判断可能である。平均値が１から２未満であれば、汚損は多少あるものの性能には影響が少ないと判断することができる。したがって、直ちにメンテナンスを行う必要性はないもののメンテナンス時期が近づいていると判断可能である。

また、平均値が２から４未満であれば、汚損が進行していると判断することができる。したがって、直ちにメンテナンスを行わないと性能に影響を及ぼすことになると判断可能である。さらに、平均値が４以上であれば、汚損を超えて劣化が進行しつつあると判断することができる。したがって、予防保全としての構成部品の交換時期であると判断可能である。このように、異常の有無や異常の種別を特定することが可能になっている。なお、重度の異常が発生している場合には、図示省略の操作パネルや画面等の表示部やブザー、信号等の異常警報手段で警告するとよい。

図７は、鉄道車両用空気調和システム５０の動作の流れを示すフローチャートである。
鉄道車両用空気調和システム５０は、予め基準となるデータを算出し、それをデータベース３０に格納しておく（ステップＳ１０１）。鉄道車両用空気調和システム５０の制御装置２０は、冷房設定温度に応じた基準運転パターンを算出して（図３参照）、データベース３０に格納させておく。なお、基準運転パターンと実運転パターンとを関連付けたポイントの割付表（図４参照）は、予めデータベース３０に格納しておくとよい。

すなわち、制御装置２０は、快適な車内環境を維持するために、試運転を実行し、基準となるデータ（基準運転パターンや基準ポイント）を予め算出して、データベース３０に格納しておくのである。なお、データベース３０に格納されている種々のデータは、変更や修正、追加、削除が可能になっている。したがって、季節の変化によりデータを変更したり、気候の変化によりデータを修正したり、構成部品類の機種変更によりデータを追加及び削除したりすることが可能になっている。

鉄道車両用空気調和システム５０が動作を開始すると、その状況に応じた実データが計測される（ステップＳ１０２）。この実データは、図示省略の圧縮機圧力センサや車内温度センサ、外気温度センサ、湿度センサ、乗車率を求めるための応荷重センサ等の検知手段で検知される情報から算出されるようになっている。つまり、これらの検知手段で検知される情報が制御装置２０に送られて、データ化されるのである。なお、これらの検知情報を生のデータのまま利用してもよい。

制御装置２０は、検知情報に基づいて実運転パターンを算出する（ステップＳ１０３）。そして、基準運転パターンと実運転パターンとから基準ポイントを求める（ステップＳ１０４）。制御装置２０は、この基準ポイントを１４：００から１５：００までの間の１分間隔で求めるようになっている（図５参照）。制御装置２０は、１時間分の基準ポイントを求めると、その平均値を算出する（ステップＳ１０５）。この平均値が、構成部品類の汚損・劣化等の異常の予測判断の基準となるものである。

制御装置２０は、この平均値から構成部品類の汚損・劣化状況を評価する（ステップＳ１０６）。平均値に応じた汚損・劣化状況が、予め段階的に設定されて、データベース３０に格納されているために、異常の有無や異常の種別の特定を容易に判別することが可能になっている。なお、平均値に基づく汚損・劣化状況の段階的な評価をデータベース３０に格納することに限定するものではなく、別の記憶手段（不揮発メモリ等）に格納してもよい。

最終的に、制御装置２０は、評価例に基づいて構成部品類の異常状況を段階的に判別し、それに応じた制御を行う（ステップＳ１０７）。たとえば、圧縮機１１の運転時間を調整したり、異常警報手段に警報させたりするようになっている。したがって、メンテナンス時期を適切に判断可能であるために、定期的なメンテナンスを行う必要がなくなり、人件費等のコスト低減が実現できる。また、構成部品類の異常を早期に発見可能なので、鉄道車両用空気調和システム５０の性能が低下する前に異常の対処（メンテナンスや部品交換）が可能であり、安定した車内環境を維持することができる。

上述した実施の形態では、車内環境の調整を冷房運転の場合を例に説明したが、これに限定するものではない。たとえば、暖房運転においても同様に構成部品類の状態を予測することができる。また、鉄道車両用空気調和システム５０内に車内湿度環境を調整する除湿ユニットや加湿ユニット等の調湿装置を設ければ、車内温度のみならずに車内湿度にも対応することが可能になる。そうすれば、快適な車内環境をより効率的に維持することができるようになる。

鉄道車両用空気調和システムの構成を示す概略構成図である。 鉄道車両用空気調和システムの概念を示す概念図である。 乗車率と外気温度とを関連付けたマトリックスを示す説明図である。 ポイントの割付を示す説明図である。 外気温度及び乗車率、実運転パターンの推移を示した説明図である。 汚損・劣化状況の評価例を示す説明図である。 鉄道車両用空気調和システムの動作の流れを示すフローチャートである。

符号の説明

１０ 冷凍サイクル、１１ 圧縮機、１２ 凝縮器、１３ 減圧装置、１４ 蒸発器、１５ 冷媒配管、１６ フィルタ、１７ 四方弁、２０ 制御装置、３０ データベース、３１ 車両情報、５０ 鉄道車両用空気調和システム。

Claims (7)

1. 圧縮機と、凝縮器と、減圧手段と、蒸発器とを冷媒配管で順次接続して構成する冷凍サイクルを備えた鉄道車両用空気調和システムであって、
   所定の条件に基づいて前記圧縮機を制御する制御装置を備え、
   前記制御装置は、
   前記圧縮機の適正な運転時間と、少なくとも設定温度を含む車両情報とから前記圧縮機の適正な運転状態を示す基準運転パターンを予め設定しておき、
   前記圧縮機を実際に運転させたときに得られる前記圧縮機の運転時間と、このときの設定温度を少なくとも含む車両情報とから実運転パターンを求め、
   前記実運転パターンを所定の条件にあてはめて前記基準運転パターンに対応させ、
   前記基準運転パターンに対応させた実運転パターンと前記基準運転パターンとを比較し、その比較結果に基づいて前記圧縮機の運転時間を予測して前記冷凍サイクルを構成する構成部品の汚損・劣化を判断する
   ことを特徴とする鉄道車両用空気調和システム。
2. 冷媒の圧力を検知する圧力検知手段と、
   外気温度を検知する外気温度検知手段と、
   乗車率を検知する乗車率検知手段と、
   車内の温度を検知する車内温度検知手段と、
   車内の湿度を検知する車内湿度検知手段とを備え、
   前記制御装置は、
   適正な運転状態における前記圧力検知手段、前記外気温度検知手段、前記乗車率検知手段、前記車内温度検知手段及び前記車内湿度検知手段のうちのいずれか２つ以上の検知情報に基づいて前記圧縮機の基準運転パターンを設定する
   ことを特徴とする請求項１に記載の鉄道車両用空気調和システム。
3. 前記制御装置は、
   前記圧縮機を実際に運転させたときにおける前記圧力検知手段、前記外気温度検知手段、前記乗車率検知手段、前記車内温度検知手段及び前記車内湿度検知手段のうちのいずれか２つ以上の検知情報から前記圧縮機の実運転パターンを求め、その実運転パターンを前記基準運転パターンと比較することで前記圧縮機の運転稼働時間を予測して前記構成部品の汚損・劣化を判断する
   ことを特徴とする請求項２に記載の鉄道車両用空気調和システム。
4. 前記制御装置は、
   前記比較結果に所定のポイントを割り付けて、
   そのポイントに基づいて前記構成部品の汚損・劣化を判断する
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の鉄道車両用空気調和システム。
5. 前記制御装置は、
   前記比較結果を所定の時間間隔で算出し、
   算出したそれぞれの比較結果にポイントを割り付け、
   その平均値を求めて前記構成部品の汚損・劣化を予測する
   ことを特徴とする請求項４に記載の鉄道車両用空気調和システム。
6. 前記構成部品の汚損・劣化の状態を予め複数段階に分類しておき、
   前記制御装置は、
   前記平均値が該当する分類に基づいて前記構成部品の汚損・劣化を予測する
   ことを特徴とする請求項５に記載の鉄道車両用空気調和システム。
7. 前記構成部品の汚損・劣化状態を警報する異常警報手段を備えた
   ことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の鉄道車両用空気調和システム。

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