JP6289256B2 - 車両用空気調和装置 - Google Patents

Description

本発明は、車両用空気調和装置に関するものである。

従来、鉄道車両の屋根部に搭載される車両用空気調和装置は、冷房専用として使用される場合が多い。冬季の暖房時には、車両用空気調和装置を稼働させず、車室内の座席下に設けられた電気ヒータを稼動させるようになっている。

特許文献１には、冷房機能に加えて除湿暖房機能を備える車両用空気調和装置が開示されている。この車両用空気調和装置は、室内部の空調ダクト内に、送風機、冷房用エバポレータ及びヒータを備えている。

特開平９−５８２５５号公報

一般に車両用空気調和装置は寸法の制約が大きいため、特許文献１のように車両用空気調和装置にヒータが設けられる場合、ヒータは空調ダクト内の限られたスペース内に配設される。例えば、空調ダクト内においてヒータの高さ方向の設置スペースに余裕がない場合には、ヒータを空気の流れに沿う方向に長くすることによって必要なヒータ容量が確保される。このため、ヒータの構造は車両用空気調和装置の機種毎に変更する必要があり、結果として、ヒータが一品一様となってしまう。したがって、ヒータを備える車両用空気調和装置の製造コストが増加してしまうという問題点があった。

本発明は、上述のような問題点を解決するためになされたものであり、製造コストを抑えることができる車両用空気調和装置を提供することを目的とする。

本発明に係る車両用空気調和装置は、車両の屋根部に搭載される車両用空気調和装置であって、前記車両の室内に吹き出される空気を送風する室内送風機と、前記空気との熱交換を行う室内熱交換器と、前記空気の流れにおいて前記室内送風機と前記室内熱交換器との間に配置され、前記空気を加熱する電気ヒータと、を備え、前記電気ヒータは、直方体状のフレームをそれぞれ有する同一構造の複数の基本ヒータブロックを、前記フレームに固定されたアダプタによって互いに連結された構成であり、隣接する前記基本ヒータブロックのうち、少なくとも一方の前記基本ヒータブロックの前記フレームに固定される前記アダプタは、前記基本ヒータブロック同士が当接する当接面とは異なる面に、固定部材で固定されていることを特徴とするものである。

本発明によれば、同一構造を有する複数の基本ヒータブロックを組み合わせて電気ヒータを構成することができるため、複数機種の車両用空気調和装置において電気ヒータの基本構造を統一化できる。したがって、電気ヒータの製造コストを抑えることができるため、電気ヒータを備えた車両用空気調和装置の製造コストを抑えることができる。

本発明の実施の形態１に係る車両用空気調和装置１が搭載される鉄道車両１００の構成を示す側面図である。 本発明の実施の形態１に係る車両用空気調和装置１の概略構成を示す平面図である。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ断面を示す断面図である。 本発明の実施の形態１に係る車両用空気調和装置１における電気ヒータ１３の構成の例を示す説明図である。 本発明の実施の形態１に係る車両用空気調和装置１における電気ヒータ１３の構成の別の例を示す説明図である。 本発明の実施の形態１に係る車両用空気調和装置１において、基本ヒータブロック３０同士を奥行方向に連結する場合の例を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る車両用空気調和装置１において、基本ヒータブロック３０同士を高さ方向に連結する場合の例を示す図である。

実施の形態１．
本発明の実施の形態１に係る車両用空気調和装置について説明する。図１は、本実施の形態に係る車両用空気調和装置１が搭載される鉄道車両１００の構成を示す側面図である。なお、図１を含む以下の図面では、各構成部材の寸法の関係や形状等が実際のものとは異なる場合がある。図１に示すように、車両用空気調和装置１は、鉄道車両１００の屋根部１０１に搭載されている。

図２は、本実施の形態に係る車両用空気調和装置１の概略構成を示す平面図である。図２の左右方向は、車両用空気調和装置１が搭載される鉄道車両１００の前後方向を示している。図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ断面を示す断面図である。図３中の白抜き太矢印は、空気の流れ方向を示している。図２及び図３に示すように、車両用空気調和装置１は、室内室１０と室外室２０とを有している。室内室１０には、室内送風機１１、室内熱交換器１２（蒸発器）及び電気ヒータ１３が設けられている。室外室２０には、室外送風機２１、室外熱交換器２２（凝縮器）及び圧縮機２３が設けられている。圧縮機２３、室外熱交換器２２、膨張装置（図示せず）及び室内熱交換器１２は、冷媒配管を介して環状に接続されており、冷凍サイクル装置を構成している。本例の冷凍サイクル装置は冷房運転のみが可能であるが、冷房運転及び暖房運転の切換えが可能であってもよい。

室内室１０には、吸込口１４と吹出口１５との間を接続する空気通路１６が形成されている。空気通路１６には、室内送風機１１、室内熱交換器１２及び電気ヒータ１３が配置されている。室内送風機１１は、吸込口１４から吹出口１５に向かう空気の流れを空気通路１６内に生成するものである。室内熱交換器１２は、空気の流れにおいて室内送風機１１の上流側に配置されている。電気ヒータ１３は、空気の流れにおいて室内熱交換器１２と室内送風機１１との間（本例では、室内熱交換器１２の下流側で室内送風機１１の上流側）に配置されている。本例の構成では、吹出口１５及び室内送風機１１は、鉄道車両１００の左右方向（図３の左右方向）の中央部に配置されている。吸込口１４、室内熱交換器１２、電気ヒータ１３及び空気通路１６は、吹出口１５及び室内送風機１１を挟んで左右両側に概ね対称に配置されている。また、吹出口１５が鉄道車両１００の左右方向の中央部に配置され、吸込口１４が吹出口１５を挟んで左右両側に配置されていることにより、空気通路１６は、概ね水平な方向（鉄道車両１００の左右方向）に延びている。

吸込口１４から吸い込まれた車室内の空気は、空気通路１６を通って室内熱交換器１２及び電気ヒータ１３をこの順に通過する。室内熱交換器１２を通過する空気は、室内熱交換器１２内を流通する冷媒により吸熱されて冷却（除湿）される。電気ヒータ１３を通過する空気は、電気ヒータ１３からの放熱により加熱（再熱）される。室内熱交換器１２及び電気ヒータ１３を通過して温度及び湿度が調節された空気は、吹出口１５を介して車室内に吹き出される。車両用空気調和装置１は、室内熱交換器１２による冷却と電気ヒータ１３による加熱とを組み合わせることにより、冷房運転及び暖房運転だけでなく除湿運転を行うことができる。

次に、本実施の形態における電気ヒータ１３の構成について説明する。図４は、本実施の形態における電気ヒータ１３の構成の例を示す説明図である。図４では、空気の流れに沿う方向を±ｚ方向とし、±ｚ方向に垂直な平面内の縦方向を±ｘ方向とし、同平面内の横方向を±ｙ方向としている。

本実施の形態における電気ヒータ１３は、同一構造の複数の基本ヒータブロック３０が互いに連結された構成を有している。各基本ヒータブロック３０は、同一の容量（例えば、定格出力）及び同一の形状を有している。本例の基本ヒータブロック３０は、それぞれ全体として直方体状（例えば、±ｘ方向の高さ及び±ｙ方向の幅と比較して±ｚ方向の厚さが薄い長方形平板状）の外形状を有している。

基本ヒータブロック３０は、直方体状のフレーム３１と、フレーム３１に支持された３本のヒータエレメント３２と、を備えている。フレーム３１は、剛性を有する部材（例えば、金属又は樹脂等）を用いて形成されている。フレーム３１のうち、少なくとも±ｚ方向に垂直な面は、大きく開口されている。ヒータエレメント３２は、例えば棒状の形状を有している。各ヒータエレメント３２は、それぞれ±ｙ方向に沿って延伸しており、±ｘ方向に並列して配置されている。各ヒータエレメント３２の両端はフレーム３１に支持されている。ヒータエレメント３２は、金属製のヒータパイプと、ヒータパイプ内に設けられた発熱線と、ヒータパイプと発熱線との絶縁のためにヒータパイプ内に充填された絶縁粉末と、を有している。本例では、各ヒータエレメント３２におけるヒータパイプ表面の電力密度が統一化されており、ヒータエレメント３２の容量は１本あたり１ｋＷである。例えば、各ヒータエレメント３２の容量は、いずれも１ｋＷである。基本ヒータブロック３０は３本のヒータエレメント３２を備えるため、基本ヒータブロック３０全体の容量は３ｋＷとなっている（図４中の「３ｋＷ（ａ）」）。

本例の基本ヒータブロック３０同士は、高さ方向（±ｘ方向）及び奥行方向（±ｚ方向）の少なくとも２方向に連結できるようになっている。これにより、車両用空気調和装置１の電気ヒータ１３として必要な容量と、空気通路１６内の設置スペースの制約とに基づき、複数の基本ヒータブロック３０を多様に組み合わせて電気ヒータ１３を構成することができる。もちろん、基本ヒータブロック３０同士を幅方向（±ｙ方向）に連結できるようになっていてもよい。

すなわち、電気ヒータ１３として必要な容量が６ｋＷである場合、空気通路１６内の設置スペースに高さ方向の空間的な余裕があれば、２つの基本ヒータブロック３０を高さ方向（±ｘ方向）に連結することにより電気ヒータ１３を構成する（図４中の「６ｋＷ（ｂ）」）。一方、空気通路１６内の設置スペースに奥行方向（空気の流れに沿う方向）の空間的な余裕があれば、２つの基本ヒータブロック３０を奥行方向（±ｚ方向）に連結することにより電気ヒータ１３を構成する（図４中の「６ｋＷ（ｃ）」）。

また、電気ヒータ１３として必要な容量が１２ｋＷである場合、空気通路１６内の設置スペースに高さ方向及び奥行方向の空間的な余裕があれば、４つの基本ヒータブロック３０を高さ方向及び奥行方向に連結することにより電気ヒータ１３を構成する（図４中の「１２ｋＷ（ｄ）」）。

以下、図示は省略するが、同様の考え方により、車両用空気調和装置１の電気ヒータ１３として必要な容量と、空気通路１６内の設置スペースの制約とに基づいて、複数の基本ヒータブロック３０を多様に組み合わせることができる（図４中の「９ｋＷ（ｅ）・・・」、「９ｋＷ（ｆ）・・・」、「２４ｋＷ（ｇ）・・・」等）。

図５は、本実施の形態における電気ヒータ１３の構成の別の例を示す説明図である。図５に示す例では、基本ヒータブロック３０が２本のヒータエレメント３２を備えるため、基本ヒータブロック３０全体の容量は２ｋＷとなっている（図５中の「２ｋＷ（ａ）」）。

電気ヒータ１３として必要な容量が４ｋＷである場合、空気通路１６内の設置スペースに高さ方向の空間的な余裕があれば、２つの基本ヒータブロック３０を高さ方向（±ｘ方向）に連結することにより電気ヒータ１３を構成する（図５中の「４ｋＷ（ｂ）」）。一方、空気通路１６内の設置スペースに奥行方向（空気の流れに沿う方向）の空間的な余裕があれば、２つの基本ヒータブロック３０を奥行方向（±ｚ方向）に連結することにより電気ヒータ１３を構成する（図５中の「４ｋＷ（ｃ）」）。

また、電気ヒータ１３として必要な容量が８ｋＷである場合、空気通路１６内の設置スペースに高さ方向及び奥行方向の空間的な余裕があれば、４つの基本ヒータブロック３０を高さ方向及び奥行方向に連結することにより電気ヒータ１３を構成する（図５中の「８ｋＷ（ｄ）」）。

以下、図示は省略するが、同様の考え方により、車両用空気調和装置１の電気ヒータ１３として必要な容量と、空気通路１６内の設置スペースの制約とに基づいて、複数の基本ヒータブロック３０を多様に組み合わせることができる（図５中の「６ｋＷ（ｅ）・・・」、「６ｋＷ（ｆ）・・・」、「１６ｋＷ（ｇ）・・・」等）。

次に、基本ヒータブロック３０同士を連結する方法の例について説明する。図６は、基本ヒータブロック３０同士を奥行方向に連結する場合の例を示す図である。まず、図６（ａ）、（ｂ）に示すように、基本ヒータブロック３０のフレーム３１の上面部に予め設けられたネジ穴とネジ３５とを用いて、断面Ｌ字状のアダプタ３３、３４の一辺を２つのフレーム３１の上面部にそれぞれ固定して取り付ける。ここで、後に基本ヒータブロック３０同士が高さ方向に連結される場合があることを考慮し、頭部が突出しない皿ネジをネジ３５として用いるのが好ましい。

次に、図６（ｃ）に示すように、２つの基本ヒータブロック３０同士を奥行方向に重ね合わせ、２つの基本ヒータブロック３０のそれぞれに取り付けられたアダプタ３３、３４の他辺同士を当接させる。そして、アダプタ３３、３４の他辺同士をボルト３６を用いて結合する。これにより、２つの基本ヒータブロック３０同士が奥行方向に連結される。基本ヒータブロック３０間の結合強度を高めるため、ヒンジ３７等の連結部材をさらに用いて、各フレーム３１の隣接する辺同士を結合してもよい。

図７は、基本ヒータブロック３０同士を高さ方向に連結する場合の例を示す図である。まず、図７（ａ）、（ｂ）に示すように、一方の基本ヒータブロック３０のフレーム３１の上面部に予め設けられたネジ穴とネジ３５とを用いて、断面Ｕ字状のアダプタ３８の底面部を一方の基本ヒータブロック３０のフレーム３１の上面部に固定して取り付ける。ここで、他方の基本ヒータブロック３０との干渉を防ぐため、頭部が突出しない皿ネジをネジ３５として用いるのが好ましい。

次に、図７（ｃ）に示すように、アダプタ３８が取り付けられた基本ヒータブロック３０の上方に他方の基本ヒータブロック３０を重ね合わせ、アダプタ３８の両側の側面部と他方の基本ヒータブロック３０の両側の側面部とをそれぞれボルト３６を用いて結合する。これにより、２つの基本ヒータブロック３０同士が高さ方向に連結される。基本ヒータブロック３０間の結合強度を高めるため、ヒンジ３７等の連結部材をさらに用いて、各フレーム３１の隣接する辺同士を結合してもよい。なお、アダプタ３８はフレーム３１の下面部に取り付けられてもよい。この場合、２つの基本ヒータブロック３０が連結された構成は、図７（ｃ）に示す構成の上下を反転させたものとなる。

３つ以上の基本ヒータブロック３０を奥行方向及び高さ方向に連結する場合には、例えば、図６に示した連結方法と図７に示した連結方法とを組み合わせて用いる。

以上説明したように、本実施の形態に係る車両用空気調和装置１は、車両（例えば、鉄道車両１００）の屋根部１０１に搭載される車両用空気調和装置１であって、車両の室内に吹き出される空気を送風する室内送風機１１と、空気との熱交換を行う室内熱交換器１２と、空気を加熱する電気ヒータ１３と、を備え、電気ヒータ１３は、同一構造の複数の基本ヒータブロック３０が互いに連結された構成を有しているものである。

本実施の形態によれば、同一構造を有する複数の基本ヒータブロック３０を組み合わせて電気ヒータ１３を構成することができるため、複数機種の車両用空気調和装置１において電気ヒータ１３の基本構造を統一化できる。したがって、電気ヒータ１３の製造コストを抑えることができるため、電気ヒータ１３を備えた車両用空気調和装置１の製造コストを抑えることができる。

また、本実施の形態によれば、基本ヒータブロック３０を多様に組み合わせることが可能であるため、電気ヒータ１３として必要な容量と、空気通路１６内の設置スペースの制約とに合わせて電気ヒータ１３を自在に構成することができる。

また、本実施の形態では、基本ヒータブロック３０が、互いに平行でない複数の方向（例えば、奥行方向、高さ方向、幅方向）に連結されているか、又は、互いに平行でない複数の方向に連結可能となっている。これにより、空気通路１６内の設置スペースに合わせて、空間的な余裕のある方向には多数の基本ヒータブロック３０を連結し、空間的な余裕のない方向には少数の基本ヒータブロック３０を連結する（又は、基本ヒータブロック３０を連結しない）ことが可能である。したがって、空気通路１６内のスペースを有効利用して電気ヒータ１３を設置できるため、電気ヒータ１３を実質的に省スペース化することができ、車両用空気調和装置１を小型化することができる。特に、空気の流れにおいて室内送風機１１と室内熱交換器１２との間に電気ヒータ１３が配置される構成では、電気ヒータ１３の設置スペースが狭くなりやすく制約が大きくなるため、本実施の形態によってスペースを有効利用して電気ヒータ１３を設置することにより、特に高い効果が得られる。

また、本実施の形態では、基本ヒータブロック３０が直方体状の形状を有しているため、基本ヒータブロック３０同士を互いに直交する２方向又は３方向に容易に連結することができる。

その他の実施の形態．
本発明は、上記実施の形態に限らず種々の変形が可能である。
例えば、上記実施の形態では、車両用空気調和装置１を鉄道車両１００に搭載した構成を例に挙げたが、車両用空気調和装置１はバス等の他の車両に搭載することも可能である。

また、上記の各実施の形態や変形例は、互いに組み合わせて実施することが可能である。

１ 車両用空気調和装置、１０ 室内室、１１ 室内送風機、１２ 室内熱交換器、１３ 電気ヒータ、１４ 吸込口、１５ 吹出口、１６ 空気通路、２０ 室外室、２１ 室外送風機、２２ 室外熱交換器、２３ 圧縮機、３０ 基本ヒータブロック、３１ フレーム、３２ ヒータエレメント、３３、３４、３８ アダプタ、３５ ネジ、３６ ボルト、３７ ヒンジ、１００ 鉄道車両、１０１ 屋根部。

Claims (4)

1. 車両の屋根部に搭載される車両用空気調和装置であって、
   前記車両の室内に吹き出される空気を送風する室内送風機と、
   前記空気との熱交換を行う室内熱交換器と、
   前記空気の流れにおいて前記室内送風機と前記室内熱交換器との間に配置され、前記空気を加熱する電気ヒータと、を備え、
   前記電気ヒータは、直方体状のフレームをそれぞれ有する同一構造の複数の基本ヒータブロックを、前記フレームに固定されたアダプタによって互いに連結された構成であり、
   隣接する前記基本ヒータブロックのうち、少なくとも一方の前記基本ヒータブロックの前記フレームに固定される前記アダプタは、前記基本ヒータブロック同士が当接する当接面とは異なる面に、固定部材で固定されていることを特徴とする車両用空気調和装置。
2. 前記複数の基本ヒータブロックは、互いに平行でない複数の方向に連結されていることを特徴とする請求項１に記載の車両用空気調和装置。
3. 前記複数の基本ヒータブロックは、それぞれ少なくとも１本のヒータエレメントを備えており、
   前記ヒータエレメントの容量は１本あたり１ｋＷであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の車両用空気調和装置。
4. 前記複数の基本ヒータブロックは、前記アダプタと共にヒンジを用いて連結されていることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の車両用空気調和装置。

Images