JP5070572B2 - 地下鉄車輌の空調システム - Google Patents

Description

本発明は、車輌の空調システムに関し、特に、地下鉄車輌の空調システムに関する。

エンジンを駆動源とする自動車の従来の空調システムとして、エンジンの動力を利用した蓄冷運転により、氷を作り、エンジンの停止中には、この氷を冷却源とする空調システム（例えば、特許文献１参照）が提案されている。また、自動車の従来の空調システムとして、トラックの保冷荷室の冷却のための蓄冷ユニットが搭載されたトラックの空調システム（例えば、特許文献２参照）が提案されている。

さらに、建物の空調システムでは、熱媒体を冷却するための熱源に熱水源を用いたヒートポンプユニットおよびファンコイルユニットの両ユニットを組み合わせた室内機を用いる空調システム（例えば、特許文献３参照）が提案されている。

特開２００３−３４１３１号公報 特開２００３−２５４６５０号公報 特公平７−１０４０１９号公報

また、地下鉄を含む鉄道車輌の空調システムには、従来、空調システムの熱媒体を空気で冷却する空冷式の空調システムが用いられている。地下鉄を除く鉄道は、主として路線が大気に開放して形成されている。そのため、空調システムの熱媒体の冷却に空冷式を用い、その排熱を車輌外部に放出することにより、車輌内を好適に冷却することができる。

しかしながら、地下鉄では、その路線の大部分がトンネル壁面で覆われていることから、空冷式空調システムによって車輌外部に放出された排熱がトンネル内にこもり易い。トンネル内に前記した排熱がこもると、車輌内を空調する空調システムの他、ホームを空調する空調システムも冷房効率が低下すると共に、トンネルで連結された各駅構内の温度も上昇する。前記した排熱によるトンネルおよび各駅構内の温度上昇を緩和するために、各駅では、トンネル内をも含めて冷却が可能なように、その冷房設備を大型化する傾向が見られる。しかし、この傾向は、明らかに省エネルギー対策に逆行するものであり、省エネルギー対策に沿った地下鉄の冷房が望まれていた。

そこで、本発明の目的は、地下鉄トンネル内の温度上昇を抑制し、省エネルギー化を図ることができる地下鉄の車輌の空調（冷房）システムを提供することにある。

本発明は、地下鉄の車輌のための空調システムに水冷式を導入するという基本構想に立脚する。

より具体的には、地下鉄車輌に水冷式の空調システムを導入すべく、本発明は、地下鉄の車輌に設けられ、冷却液源を給排可能に収容する少なくとも１つの熱源タンクおよび該熱源タンク内の冷却液源を用いる熱交換により前記車輌の室内を冷却する室内機を備え、前記熱源タンクおよび前記室内機との間で前記冷却液源を循環させる空調装置と、地下鉄の線路に沿って設けられた熱源給排基地に設置され、前記室内機での熱交換によって昇温した前記熱源タンク内の前記冷却液源を該冷却液源よりも低温の冷却液源と交換するための熱源給排装置とを含むことを特徴とする。

本発明に係る空調システムでは、車輌の室内を冷却する前記室内機は、前記熱源タンク内の冷却液源を用いて前記室内を好適に冷却する。冷却に使用された冷却液源は、順次昇温し、前記熱源タンクに戻される。この冷却液源の循環により、前記熱源タンク内の冷却液源が効率的な冷房が妨げられる所定の温度に達すると、あるいはその前に、前記熱源給排基地で新たな冷却液源と交換することができる。この冷却液源の交換により、前記室内機は、トンネル内に排熱することなく、引き続き前記車輌室内を効果的に冷却し続ける。

前記冷却液源として、水または氷／水混合スラリーを用いることができる。水として常温水（約２５℃）を用いることができる。常温水を用いた場合、前記熱源タンク内の水の温度が例えば約４５℃に昇温したときに、この昇温した水を該熱源タンク内から排出し、新たな常温水を前記熱源タンク内に導入することができる。また氷／水混合スラリーを用いる場合、例えば０℃の冷水を前記熱源タンクに導入することができ、この冷水が例えば１２℃に達したときに、これを新たな冷水と入れ替えることができる。

水の使用温度領域および前記氷／水混合スラリーの温度領域を前記した温度範囲以外で使用することができる。しかしながら、高いＣＯＰを得る上で、前記した温度範囲での使用が望ましい。

前記熱源タンクは、前記車輌の天井空間に設置することが望ましく、この場合前記車輌の屋根面に設置された受給口を経て重力で前記熱源給排装置から前記冷却液源の供給を受けることができる。

前記熱源給排基地は、駅に設置することができる。この場合、前記熱源タンクの容量、駅間の距離あるいは該熱源タンクに収容される前記冷却液源等に依存するが、前記熱源給排基地は、例えば５駅毎に設置することができる。また、この場合、隣り合う駅間の走行時間が平均約２分と仮定すると、前記熱源タンクの容量は、例えば１０分間の連続空調運転が可能な容量に設定される。前記熱源給排装置に回収タンクを設けることができる。この回収タンクは、前記熱源タンク内の昇温した冷却液源が該熱源タンクから排出されたとき、該冷却液源を受けるように、駅のプラットフォームまたはその近傍に設けることが望ましい。

前記冷却液源に常温水を用いた場合、前記室内機には、凝縮器および蒸発器と、該凝縮器および蒸発器を巡る熱媒体とを備えるヒートポンプユニットを用いることができる。前記凝縮器は、前記冷却液源の供給を受け、該冷却液源と前記熱媒体との間で熱交換を行う。前記蒸発器は、前記凝縮器を経た前記熱媒体の供給を受け、該熱媒体と前記車輌室内の空気との間で熱交換を行う。常温水には、上水あるいは工水を用いることができる。また、冷却効率の低下を招くが、常温水よりも低温の地下水を用いることにより、前記室内機に後述するファンコイルユニットを用いることができる。

複数の熱源タンクを用いる場合、各該熱源タンクは、前記受給口から該各熱源タンクに伸びる配管を経て、前記受給口に接続することができる。前記配管には前記受給口を前記各熱源タンクに選択的に接続するための切換バルブが設けられる。複数の熱源タンクを用いる場合、該熱源タンク毎に前記室内機を設けることができる。これにより、前記駅での前記熱源タンクへの冷却液源の給排時に、その対象となる当該熱源タンクに接続された前記室内機は作動を停止するが、他の前記熱源タンクに接続された冷却液源および該冷却液源の供給を受ける他の前記室内機を作動させることができる。したがって、冷却液源の給排による冷房の中断を招くことなく、冷房を継続することができる。これに代えて、各室内機に複数の熱源タンクをそれぞれ切り換え可能に接続することができる。

前記冷却液源が氷／水混合スラリーの場合、前記室内機は、ファンコイルユニットおよびヒートポンプユニットのうちの少なくとも一方のユニットで構成することができる。前記ファンコイルユニットは、前記冷却液源の供給を受け、前記車輌室内の空気との間で熱交換を行う熱交換器と、該熱交換器により冷却された空気を前記車輌室内に供給する送風器とを有する。また、前記ヒートポンプユニットは、前記したと同様に、前記冷却液源の供給を受け、該冷却液源と熱媒体との間で熱交換を行う凝縮器と、該凝縮器を経た前記熱媒体の供給を受け、該熱媒体と前記車輌室内の空気との間で熱交換を行う蒸発器とを備え、前記熱媒体が前記凝縮器および蒸発器を循環する。

前記冷却液源が氷／水混合スラリーの場合、前記熱源給排装置は、水を過冷却する過冷却器と、過冷却水を氷／水混合スラリーに変換する過冷却解除器と、氷／水混合スラリーを貯める氷蓄熱槽とを備える過冷却装置で構成することができる。

前記室内機が、室内空気と熱媒体との間で熱交換を行う蒸発器と、該蒸発器に冷媒配管を経て接続された、前記冷却液源を用いる水冷式凝縮器および空気を冷却源とする空冷式凝縮器とを有するヒートポンプを備える場合、前記空調装置の運転モードは、前記空冷式凝縮器の動作を停止し、前記水冷式凝縮器を作動する水冷モードと、前記両凝縮器を作動させる併用モードとを含むことができる。前記空調装置は、車輌の通常のトンネル内走行時には水冷モードを選択する。この場合、トンネル内での車輌故障のような緊急時に、前記併用モードを選択することができる。

前記地下鉄の路線が前記車輌の地上走行部を含む場合、前記空調装置は、前記車輌のトンネル内走行時に水冷モードを選択し、前記車輌の地上走行時に併用モードを選択することができる。

前記水冷式凝縮器および前記空冷式凝縮器は、前記冷媒配管により相互に直列に接続することができる。両凝縮器の直列接続により、ＣＯＰの大幅な向上を期待することができる。

前記したように、本発明によれば、地下鉄の線路に沿って設けられた前記熱源給排基地で交換される、前記熱源タンク内の冷却液源を用いて、前記室内機で前記車輌室内を好適に冷却することができる。そのため、この冷却によって、従来の空冷式におけるような多量の排熱をトンネル内に放出することはない。その結果、トンネルおよび駅構内の温度上昇を抑制して、前記車輌室内を好適に冷却することができる。また、各駅構内の冷房負荷を軽減することができるので、省エネルギー対策に沿った車輌の冷房が可能となる。

本発明に係る空調システム１０は、図１に示すように、地下鉄の車輌１２の室内１４の冷房に用いられる。地下鉄は、主としてトンネル１６内に敷設された一対のレール１８ａ、１８ａからなる線路１８上を走行することにより、駅２０、２０間を移動する。この車輌１２の室内１４を冷房する空調システム１０は、車輌１２に設けられる空調装置２２と、線路１８に沿って設けられる熱源給排基地の一例である駅２０に設置された熱源給排装置２４とを備える。

空調装置２２は、冷却液源を収容する熱源タンク２６と、該熱源タンクに収容された前記冷却液源を用いて室内１４を冷却するための室内機２８とを備える。熱源タンク２６および室内機２８は、共に車輌１２の室内天井１４ａと、屋根面１２ａとの間の天井空間１２ｂに配置されている。

図示の例では、車輌１２の屋根面１２ａには、トンネル１６の天井面１６ａに向けて開放する受け皿３０で受給口が形成されている。ここでの受け皿３０は、樋状の長い形状を有し、図２の受給口に向けて傾斜している。受給口すなわち受け皿３０に向けて、熱源給排装置２４から後述するように、冷却液源が供給されると、この冷却液源は、逆止弁３２および開閉弁３４が設けられた配管３６を経て、熱源タンク２６に案内される。また、熱源タンク２６は、一対の配管３８、３８を経て室内機２８に接続されており、一方の配管３８には、熱源タンク２６から該タンク内の冷却液源を室内機２８に圧送するための加圧ポンプ４０が設けられている。加圧ポンプ４０は、図示しないが例えば室内機２８の制御回路により、その作動を制御することができる。他方の配管３８は、室内機２８に圧送された冷却液源の熱源タンク２６への戻り管路として作用することから、加圧ポンプ４０の作動によって、熱源タンク２６内の冷却液源は、一対の配管３８、３８を経て室内機２８との間で循環する。

図１に示した車輌１２の平面図が図２に示されている。この平面図から明らかなように、熱源タンク２６と、該熱源タンクに一対の配管３８、３８を経て接続された室内機２８とを一組として、図示の例では、３組が車輌１２の長手方向に相互に間隔を置いて配置されている。車輌１２の屋根面１２ａのほぼ中央に設けられた受け皿３０から冷却液源を各熱源タンク２６に導くために、配管３６は、受け皿３０から伸びる主幹部３６ａと、該主幹部から各熱源タンク２６に分岐する分岐部３６ｂとを備える。

図２では、図面の簡素化のために省略されているが、図１に示した逆止弁３２が受け皿３０へ向けての冷却液源の逆流を防止するために、主幹部３６ａに設けられており、また同様に図１に示した開閉弁３４が熱源タンク２６へ向けての冷却液源の流れを許し、あるいは遮断するために、各分岐部３６ｂに設けられている。

再び図１を参照するに、各熱源タンク２６には、その内部に収容した冷却液源を放出するための排出管４２が車輌１２の一側で下方へ向けて伸びる。各排出管４２には、熱源タンク２６からの冷却液源の排出を許し、あるいは阻止するための開閉弁４４が設けられている。

図示しないが、排出管４２を配管３６と同様な分岐管で構成することができる。この場合、各分岐部が対応する各熱源タンク２６に接続され、この各分岐部に開閉弁４４が設けられる。排出管４２を前記した分岐管で構成することにより、各熱源タンク２６からの冷却液源の排出を単一の主幹部から排出することができる。

各開閉弁３４、４４は、例えば前記した室内機２８の制御回路でそれぞれの開閉動作を制御可能とすべく、例えば電磁開閉弁で構成することが望ましい。

熱源給排装置２４は、図１に示す例では、駅２０で停車中の車輌１２の受け皿３０へ向けて、上水あるいは工水のような常温水（例えば２５℃）を放出可能な常温水供給管４６と、停車中の車輌１２の排出管４２から排出される冷却液源すなわち冷却水を回収するための回収タンク４８とを備える。

常温水供給管４６は、駅２０の図示しない水源から天井面１６ａに沿って伸長し、停車中の車輌１２の受け皿３０に対応する位置で、先端を下方の受け皿３０へ向けて開放する。その開放端には、車輌１２あるいは受け皿３０との不慮の接触による衝撃の緩和のために、例えば弾性体から成る筒状緩衝部材４６ａが装着されている。また、常温水供給管４６には、冷却水の供給を制御するための電磁開閉弁５０が設けられている。

回収タンク４８は、図示の例では、駅２０のプラットフォーム２０ａの下に配置されており、該回収タンクから回収管５２が車輌１２の排出管４２の下端に向けて伸びる。回収管５２の上端には、排出管４２の下端に向けて口径を増大する広口部５２ａが設けられており、該広口部により、排出管４２から放出された冷却水を確実に回収タンク４８内に回収することができる。

回収タンク４８内に回収した冷却水は、後述するように室内機２８での使用によって例えば４５℃に昇温されている。そのため、図示のとおり吸引ポンプ５４が設けられた配管５６により、回収タンク４８から吸引した後、例えば自然冷却した後に、前記水源に戻すことができる。これにより、冷却水源として使用した水を捨てることなく熱源給排装置２４が設けられた駅２０で循環使用することができる。また、回収タンク４８内の水をＷＣ洗浄や駅２０での散水に利用することができる。

また、回収タンク４８内の冷却水は、例えば４５℃に昇温していることから、この温水を駅２０で使用している除湿器の吸着剤の再生のための熱源として再利用することもできる。回収タンク４８を設けることなく、排出管４２からトンネル１６の床上に廃棄することができる。しかしながら、資源の有効利用の点で、前記したように循環使用あるいは熱源として再利用することが望ましい。

常温水を冷却源液として用いる場合、室内機２８として、図３に示すように、従来よく知られたヒートポンプユニット５８を用いることができる。ヒートポンプユニット５８は、従来よく知られているように、第１および第２の熱交換器６０ａ、６０ｂと、フロン系冷媒などの気液の相変化を生じる熱媒体が両熱交換器６０ａ、６０ｂ間を巡る熱媒体路を形成する配管６２（６２ａ、６２ｂ）と、両熱交換器６０ａ、６０ｂ間の一方の配管６２ａおよび他方の配管６２ｂにそれぞれ設けられた圧縮機６４および膨張弁６６とを備える。冷房では、熱媒体は、圧縮機６４の作動により、該圧縮機が設けられた配管６２ａを経て第１の熱交換器６０ａに至り、さらに膨張弁６６が設けられた配管６２ｂを経て第２の熱交換器６０ｂに至るように、図中反時計方向へ循環される。

第１の熱交換器６０ａは、一対の配管３８、３８を経て熱源タンク２６に接続されている。したがって、加圧ポンプ４０の作動により、熱源タンク２６からの常温水が供給され、該常温水が冷却液源として、熱源タンク２６と熱交換器６０ａとの間を循環している。この熱交換器６０ａには、前記したように、圧縮機６４の作動により圧縮された熱媒体が供給されることから、この圧縮により昇温した高温高圧の熱媒体は、熱源タンク２６からの冷却液源に放熱することにより、高圧液冷媒に変化する。したがって、熱交換器６０ａは凝縮器として作用する。

凝縮器６０ａを経た高圧熱媒体は、膨張弁６６を経ると、断熱膨張作用により低温低圧の熱媒体に変化し、この低温低圧の熱媒体が第２の熱交換器６０ｂに送られると、該熱交換器の周辺空気との熱交換により周辺空気を冷却する。したがって、熱交換器６０ｂは、蒸発器として作用する。蒸発器６０ｂにより冷却された空気は、送風器６８により、車輌１２の室内１４へ向けて吹き出される。また蒸発器６０ｂを経た熱媒体は、再び圧縮機６４で圧縮を受け、前記した循環サイクルを反復する。

したがって、熱源タンク２６内の常温水を用いたヒートポンプユニット５８（室内機２８）の作動により、冷房による排熱をトンネル１６内に放出することなく、室内１４を好適に冷房することができる。

熱源タンク２６内の常温水（約２５℃）は、凝縮器６０ａでの熱媒体との熱交換により昇温するが、この温度が約４５℃に達するまで、冷却水としてヒートポンプユニット５８で有効に利用することができる。したがって、有効な冷房時間は、熱源タンク２６の容量に比例する。そこで、隣り合う駅間を２分で走行すると仮定し、一般的な地下鉄の１車輌あたりに２分間の必要な冷房に要する水容量を概算する。

例えば、床面積が４９．４ｍ^２の車輌１２で定員が１５０名程度である場合、ラッシュ時には、人口密度が７．５人／ｍ^２になると考えると、１車輌当たりに３７１人が乗り込むことになる。このとき、一人当たりの全熱量（顕熱および潜熱の和）を約２０７Ｗとすると、１車輌当たりの単位時間での全熱量Ｘは、７６，７９７Ｗになる。２分の駅間走行時間の冷房に必要な水の容量をＹリットルとすると、次式が成り立つ。

Ｘ×０．８６×（２／６０）＝Ｙ×２０ …（１）

ここで、左辺中の０．８６は、Ｗ単位をＫcalに変換するパラメータであり、係数（２／６０）は２分当たりの熱量への変換パラメータである。したがって、左辺は、全熱量を２分当たりの熱量Ｋｃａｌに換算した値である。また、右辺は、２５℃から４５℃へ２０℃の温度差を生じるＹリットルの水（比重１、比熱１）のエネルギー値（Ｋｃａｌ）である。

式（１）でＸ＝７６，７９７Ｗであることから、当該式より、Ｙは、１１０リットルとなる。したがって、隣接する駅間の走行中の冷房に必要な水量は、１１０リットルとなる。これによれば、例えば５つの停車駅毎に熱源給排装置２４を設置する場合、５×Ｙで求められる５５０リットルの水が必要になる。

図１および図２に示した例では、１車輌に３つの熱源タンク２６が設けられているが、各タンクの寸法を５００ｍｍ（Ｗ）×２５０ｍｍ（Ｈ）×４４００ｍｍ（Ｌ）とすることが望ましい。これにより、それぞれの熱源タンク２６の容量を５５０リットルとすることができる。この場合、熱源給排装置２４（給排水基地）で、停車時に、対応する開閉弁３４、４４および５０の操作により、第１の熱源タンク２６に給水し、同時に第２の熱源タンク２６から排水することにより、第１および第２の熱源タンク２６に接続された２台の室内機２８が作動を停止しても、この間に第３の熱源タンク２６に接続された室内機２８で室内１４を冷房することができる。すなわち、複数の熱源タンクのうちの一つに取り付けられた分岐管に介装された排水弁を開（給水弁は閉）とし、他方の一つの熱源タンクに取り付けられた分岐管に介装された給水弁を開（排水弁は閉）とし、残りの熱源タンクに係るヒートポンプユニット５８のみを運転して冷房することができる。したがって、熱源タンク２６への給排水のために冷房を中断することなく連続冷房が可能となる。なお、ヒートポンプユニットと熱源タンクとは１対１である必要はなく、共通の一台の大型ヒートポンプユニットを設けることができる。この場合、例えば分岐路に切り換えバルブが設けられた冷媒分岐管路を経て、前記大型ヒートポンプユニットを熱源タンク毎に分流、遮断可能なように接続することができる。

図４は、冷却液源として氷／水混合スラリーを用いた空調システム１１０の例を示す。図４を参照しての説明に先立ち、冷却液源として氷／水混合スラリーを用いた場合、車輌１２の空調装置１２２に設けられる熱源タンク１２６の容量を考察する。車輌やその走行条件およびその他の仮定等については水の場合と同一である。但し、０℃の水が１２℃に達するまで冷却水源として使用し、氷／水混合スラリーは、５０％の水と５０％の氷との混合物であると仮定すると、氷の融解熱が８０Ｋｃａｌ／ｈであることから、１Ｋｇの氷を溶かして１２℃まで上昇させる熱量は、次式で求められる。

８０Ｋｃａｌ／ｈ×０．５（IPF）＋１２＝５２Ｋｃａｌ／ｈ …（２）

前記氷／水混合スラリーを冷却液源として、２分の駅間走行時間の冷房に必要な氷／水混合スラリーの容量をＺリットルとすると、式（１）を参照すると、次式が導かれる。

Ｘ×０．８６×（２／６０）＝Ｚ×５２ …（３）

式（３）の左辺で、Ｘ＝７６，７９７Ｗであることから、式（３）より、スラリーに必要な容量Ｚは、約４２リットルとなる。したがって、例えば５つの停車駅毎に熱源給排装置を設置する場合、５×Ｚで求められる２１０リットルの氷／水混合スラリーのための熱源タンク１２６が必要になる。

再び図４を参照するに、駅２０に設けられる熱源給排装置１２４には、過冷却水を用いた氷蓄熱システムが用いられている。すなわち、熱源給排装置１２４は、従来よく知られているように、冷凍機１０２、過冷却器１０４および氷蓄熱槽１０６を備える。冷凍機１０２と過冷却器１０４との間には、ポンプ１０８ａが設けられた配管１０８を経て冷媒が循環する。他方、過冷却器１０４と氷蓄熱槽１０６との間には、スラリー送給管１１６および水帰還管１１８が設けられている。水帰還管１１８には、氷蓄熱槽１０６内の水を過冷却器１０４に送給するポンプ１２０が設けられている。したがって、過冷却器１０４と氷蓄熱槽１０６との間には、スラリー送給管１１６および水帰還管１１８で、循環路が形成される。過冷却器１０４の出口であるスラリー送給管１１６との接続部には、図示しないが従来よく知られた振動器のような過冷却解除器が設けられている。

ポンプ１２０の作動により、氷蓄熱槽１０６から過冷却器１０４に送られる水は、該過冷却器で、冷凍機１０２から送られた冷媒によって過冷却の状態に冷やされた後、スラリー送給管１１６を経て氷蓄熱槽１０６に戻される。このとき、前記過冷却解除器を通る過冷却水は、過冷却の状態を解除されることにより、氷／水が約半々の氷／水混合スラリーの状態で、氷蓄熱槽１０６に戻される。氷蓄熱槽１０６の水は、補給管７０から補給可能である。この過冷却水を用いた氷蓄熱システムの詳細は、例えば、特開平１−１４６８２号公報に記載されている。

氷蓄熱槽１０６内の氷／水混合スラリーは、加圧ポンプ７２および電磁開閉弁１５０が設けられた取水管１４６を経て、その先端に設けられた筒状緩衝部材１４６ａから車輌１２の空調装置１２２に供給可能である。

取水管１４６を冷却液源供給管として、これから氷／水混合スラリーを受ける車輌１２の空調装置１２２は、前記した熱源タンク１２６と、室内機１２８とを備える。熱源タンク１２６は、その受給口をトンネル１６の天井面１６ａに向けて開放するように、車輌１２の屋根面１２ａに設置されており、前記受給口には、これを開閉する自動開閉シャッタ１２６ａが設けられている。室内機１２８は、図示の例では、従来よく知られたファンコイルユニットであり、配管１３８、１３８を経て熱源タンク１２６に接続される熱交換器１６０と、送風器１６８とを備える。一方の配管１３８には、熱源タンク１２６内の前記混合スラリー中の水を該熱源タンクと熱交換器１６０との間で循環させるための加圧ポンプ１４０が設けられており、熱交換器１６０で冷却された周辺空気が送風器１６８により、室内１４に送られる。なお、図示の例では、タンク内の冷却液源（氷／水混合スラリー）を吸引して送る方式としているが、タンクとファンコイルとの間を密閉管路としてブラインを循環させる方式としても良い。

図４に示す例では、室内１４への冷風温度の調整のために、熱交換器１６０を経て昇温した水の一部を熱源タンク１２６を経ることなく熱交換器１６０に直接戻すためのブリードイン配管７４およびブリードインバルブ７６が設けられている。このブリードインバルブ７６は、ファンコイルユニット１２８の出口から出た水をその入口への管路に合流させるバイパス管を実質的に開閉する。ブリードインバルブ７６の操作に応じて、熱交換器１６０に供給される冷却水中の昇温した水をファンコイルユニット１２８の入口に戻しかつこの戻し水の割合を変えることができる。これにより、例えば、熱交換器１６０に供給される冷却水温度を７℃から１５℃の間で調整することができ、この範囲で冷風温度の調整が可能となる。

空調装置１２２の作動によって熱源タンク１２６内の氷が順次解け出し、該熱源タンク内の水温が所定温度（例えば１２℃）に達したとき、熱源タンク１２６内の水を排出するために、該熱源タンクには、開閉弁１４４を有する排出管１４２が設けられている。したがって、車輌１２が駅２０に到着したとき、開閉弁１４４を開放動作させることにより、前記したと同様に、熱源タンク１２６内の水をプラットフォーム２０ａ下の回収タンク１４８に放出することができる。回収タンク１４８に回収された水は、吸引ポンプ１５４が設けられた配管１５６を経て氷蓄熱槽１０６に戻される。配管１５６に異物を捕捉するストレーナ７８を設け、氷蓄熱槽１０６内への異物の混入を防止することが望ましい。

図１および２に示したような常温水を用いた場合で熱源タンク２６に１１０リットルの容量が必要になるとき、図４に示した氷／水混合スラリーを用いる場合では、熱源タンク１２６に４２リットルの容量が必要となるに過ぎない。このことから、氷／水混合スラリーを用いることにより、熱源タンクの容量は、水を用いた場合に比較して約１／４に低減することができる。したがって、空調装置の省スペース化の点では、冷却熱源として氷／水混合スラリーを用いることが望ましい。

また、図４に示したように、氷／水混合スラリーを用いる場合、空調装置として、ヒートポンプユニットよりも構成が単純なファンコイルユニットを用いることができるので、価格的にも有利である。もちろん、氷／水混合スラリーを用いる場合においても、空調装置として、図３に示したヒートポンプユニットを用いることができる。また、図３に示した空調装置として、ヒートポンプユニットとファインコイルユニットとを組合せた装置（特許文献３に開示されたもの）を使用することができる。

また、図１および２に示した例で、熱源タンク２６に供給される水として、例えば１０℃程度の地下水を用いることにより、ヒートポンプユニットに代えて、図４に示したようなファンコイルユニットを室内機として用いることができる。

図５は、空調装置１２２の室内機１２８として、ヒートポンプユニットを用いると共に、該ヒートポンプユニットの凝縮器に空冷式凝縮器および水冷式凝縮器の組合せを用いた例を示す。

図５に示す室内機１２８は、室内１４の空気と室内機１２８の熱媒体との間で熱交換を行う第１の熱交換器１６０ａと、該熱交換器に冷媒配管１６２ａ、１６２ｂを経て接続された第２の熱交換器１６０ｂおよび第３の熱交換器１６０ｃを備えるヒートポンプである。一方の配管１６２ａには、図５に示す冷媒配管路を反時計方向へ循環させるための圧縮機１６４が、熱交換器１６０ａと熱交換器１６０ｂとの間で設けられている。他方の配管１６２ｂには、膨張弁１６６が熱交換器１６０ｃと熱交換器１６０ａとの間で設けられている。第２の熱交換器１６０ｂには、該熱交換器を経て空気を車輌１２方へ放出するための送風器８０が組み込まれている。

熱源タンク１２６と第３の熱交換器１６０ｃとの間には、熱源タンク１２６内の氷／水混合スラリーの水を第３の熱交換器１６０ｃに案内するための配管１８０が設けられている。配管１８０には、管路を開閉するための開閉電磁弁８２および該弁の開放状態で熱源タンク１２６内の水を第３の熱交換器１６０ｃとの間で循環させるための加圧ポンプ１４０が設けられている。

開閉電磁弁８２が開放され、また送風器８０が動作された状態で、圧縮機１６４が作動されると、該圧縮機で加圧された高温高圧の熱媒体が熱交換器１６０ｂに送られる。この高温高圧の熱媒体は、熱交換器１６０ｂで、送風器８０による放出空気との間の熱交換によって冷却され、高圧液冷媒に変化する。したがって、第２の熱交換器１６０ｂは、空冷式凝縮器として作用する。

空冷式凝縮器１６０ｂを経た高圧熱媒体が第３の熱交換器１６０ｃに送られると、高圧熱媒体は、熱源タンク１２６からの冷水と熱交換を行うことにより、さらに冷却される。したがって、第３の熱交換器１６０ｃは水冷式凝縮器として作用する。この水冷式凝縮器１６０ｃを経た低温高圧熱媒体は、膨張弁１６６の断熱膨張作用により、低温低圧熱媒体（ガス冷媒）に変化して第１の熱交換器１６０ａに送られる。

低温低圧熱媒体は、第１の熱交換器１６０ａに送られると、該熱交換器の周辺空気との熱交換により周辺空気を冷却する。したがって、第１の熱交換器１６０ａは、蒸発器として作用する。蒸発器１６０ａにより冷却された空気は、図示しないが、図３に示した例におけると同様な送風器（６８）の作動により、車輌１２の室内１４へ向けて吹き出される。また蒸発器１６０ａを経た熱媒体は、再び圧縮機１６４で圧縮を受け、前記した循環サイクルを反復する。したがって、熱源タンク１２６内の水を用いた水冷式凝縮器１６０ｃおよび空気を用いた空冷式凝縮器１６０ｂの２段凝縮作用により、高いＣＯＰで空調装置１２２を作動させることができる。この作動モードは、空冷式凝縮器１６０ｂおよび水冷式凝縮器１６０ｃを併用することから、併用モードと称する。

この装置構成で、送風器８０の作動を停止すると、冷媒は空冷式凝縮器１６０ｂを通過するが、実質的に空冷式凝縮器１６０ｂはその機能を停止する。したがって、この作動モードは、水冷式凝縮器１６０ｃのみが凝縮器として作用することから、水冷モードと称する。

図５に示した空調システムでは、通常のトンネル走行に、水冷モードを使用することができ、先の例におけると同様に、トンネル１６内に冷房による排熱を排出することなく、車輌１２の室内１４を好適に冷房することができる。

併用モードは、例えば、車輌１２がトンネル１６内で故障を生じ、そのため、水冷モードでの運転によって熱源タンク１２６内の冷却水が所定の温度に達するほどの長時間停止を招いたとき、緊急用として使用することができる。

また、前記した緊急用以外に、車輌１２の路線に地上走行部が設けられているとき、車輌１２の地上走行時に前記した併用モードを使用することができる。

前記したように、空冷式凝縮器１６０ｂおよび水冷式凝縮器１６０ｃを直列接続することに代えて、配管１６２ａおよび配管１６２ｂ間で空冷式凝縮器１６０ｂを迂回するバイパス管と、該バイパス管に設けられるバイパス弁とを設置することにより、空冷式凝縮器１６０ｂおよび水冷式凝縮器１６０ｃを相互に並列接続することができる。しかしながら、管路の簡素化の観点からは、前記した直列接続が望ましい。なお、受給口を車輌の側面に設けること、受給口から配管を経て車輌底面に設けた熱源タンクに冷却液源を導くこと、ヒートポンプユニットを車輌間の連結部に設けること等、車輌構造に応じて好適な配置が可能である。

本発明は、上記実施例に限定されず、その趣旨を逸脱しない限り、種々に変更することができる。

本発明に係る空調システムが適用された地下鉄の車輌および駅の断面図を示す。 図１に示した車輌の平面図である。 図１に示した空調システムの室内機の一例を示すヒートポンプの機器配置の系統図である。 本発明に係る空調システムの他の具体例を示す図１と同様な図面である。 本発明に係る空調システムの室内機の他の具体例を示す図３と同様な図面である。

符号の説明

１０、１１０ 空調システム
１２ 車輌
１２ｂ 天井空間
１４ 室内
１６ トンネル
１８ 線路
２０ （熱源給排基地）駅
２０ａ プラットフォーム
２２、１２２ 空調装置
２４、１２４ 熱源給排装置
２６、１２６ 熱源タンク
２８、１２８ 室内機
３０ （受給口）受け皿
５８ ヒートポンプユニット
６０（６０ａ、６０ｂ）１６０、１６０ａ、１６０ｂ、１６０ｃ 熱交換器（凝縮器、蒸発器）
６２（６２ａ、６２ｂ） 配管
６４ 圧縮機
６６ 膨張弁
１０２ 冷凍機
１０４ 過冷却器
１０６ 氷蓄熱槽

Claims (9)

1. 地下鉄の車輌に設けられ、冷却液源を給排可能に収容する複数の熱源タンクおよび該熱源タンクに対応して設けられ、対応する該熱源タンク内の冷却液源を用いる熱交換により前記車輌の室内を冷却する室内機を備え、前記熱源タンクおよび前記室内機との間で前記冷却液源を循環させる空調装置と、
   地下鉄の線路に沿って設けられた熱源給排基地に設置され、前記室内機での熱交換によって昇温した前記熱源タンク内の前記冷却液源を該冷却液源よりも低温の冷却液源と交換するための熱源給排装置とを含み、
   前記熱源タンクは、前記車輌の屋根面に設置された受給口を経て前記熱源給排装置から前記冷却液源の供給を受けるべく前記車輌の天井空間に設置されており、
   前記各熱源タンクは、前記受給口から該各熱源タンクに伸びる配管を経て前記受給口に接続されており、前記配管には前記受給口を前記各熱源タンクに選択的に接続するための切換バルブが設けられている、地下鉄車輌の空調システム。
2. 前記冷却液源は水または氷／水混合スラリーである、請求項１に記載の空調システム。
3. 前記熱源給排基地は選択された駅に設置され、前記熱源給排装置は、前記熱源タンク内の昇温した冷却液源が該熱源タンクから排出されたとき、該冷却液源を受けるべく駅のプラットフォームまたはその近傍に設けられた回収タンクを備える、請求項２に記載の空調システム。
4. 前記冷却液源は常温水であり、前記室内機は、前記冷却液源の供給を受け、該冷却液源と熱媒体との間で熱交換を行う凝縮器と、該凝縮器を経た前記熱媒体の供給を受け、該熱媒体と前記車輌室内の空気との間で熱交換を行う蒸発器とを備え、前記熱媒体が前記凝縮器および蒸発器を循環するヒートポンプユニットである、請求項１に記載の空調システム。
5. 前記冷却液源は、氷／水混合スラリーであり、前記室内機は、前記冷却液源の供給を受け、前記車輌室内の空気との間で熱交換を行う熱交換器と、該熱交換器により冷却された空気を前記車輌室内に供給する送風器とを有するファンコイルユニット、および前記冷却液源の供給を受け、該冷却液源と熱媒体との間で熱交換を行う凝縮器と、該凝縮器を経た前記熱媒体の供給を受け、該熱媒体と前記車輌室内の空気との間で熱交換を行う蒸発器とを備え、前記熱媒体が前記凝縮器および蒸発器を循環するヒートポンプユニットのうちの少なくとも一方のユニットを備える、請求項１に記載の空調システム。
6. 前記熱源給排装置は、水を過冷却する過冷却器と、過冷却水を氷／水混合スラリーに変換する過冷却解除器と、氷／水混合スラリーを貯める氷蓄熱槽とを備える過冷却装置であり、前記蓄熱槽から前記受給口に氷／水混合スラリーが供給される、請求項５に記載の空調システム。
7. 前記室内機は、室内空気と熱媒体との間で熱交換を行う蒸発器と、該蒸発器に冷媒配管を経て接続された、前記冷却液源を用いる水冷式凝縮器および空気を冷却源とする空冷式凝縮器とを有するヒートポンプを備え、前記空調装置の運転モードは、前記空冷式凝縮器の動作を停止し、前記水冷式凝縮器を作動する水冷モードと、前記両凝縮器を作動させる併用モードとを含み、前記車輌の通常のトンネル内走行時には前記水冷モードが使用される、請求項３に記載の空調システム。
8. 前記地下鉄の路線は前記車輌の地上走行部を含み、前記空調装置は、前記車輌のトンネル内走行時には水冷モードを選択し、前記車輌の地上走行時には併用モードを選択する、請求項７に記載の空調システム。
9. 前記水冷式凝縮器および前記空冷式凝縮器は前記冷媒配管により相互に直列接続されている、請求項７に記載の空調システム。

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