JP4832006B2 - 列車の換気システム - Google Patents

Description

本発明は、列車の換気システムに関するものである。

鉄道車両における喫煙と禁煙の区分は、従来、車両単位で禁煙車両と、喫煙車両とを仕分けして、運用しているのが一般的である。一部の鉄道車両、例えば新幹線のグリーン車などにおいては、同一車室内に喫煙席領域と禁煙席領域とに分けることが行われている。

そのように同一車室内を喫煙席領域と禁煙席領域とに分けている車両では、同一車室内に隣接設定した喫煙席領域側から禁煙席領域側にたばこの煙や臭いを含んだ空気が流れ込まないように空調できる方法として、喫煙席領域の吸気量を禁煙席領域の吸気量よりも多く設定することにより、禁煙席領域側から喫煙席領域側への気流の流れを発生させて、喫煙席領域側の煙草の煙や臭いを含む空気が禁煙席領域側に流れないようにし、喫煙席領域側から禁煙席領域側を分煙することが提案されている（例えば特許文献１参照）。

また、車両に給気送風機および排気送風機を設け、その給気送風機および排気送風機の回転数を制御して、車内への給気送風量および排気送風量を連続的に調整し、車内の必要換気量を維持しながら車内圧力の急激な変動を抑制するようにしたものが知られている（特許文献２参照）。

また、扉開閉時や車両窓開閉時に、車内圧と車外圧との圧力差をなくすために、車速が所定速度以下になった場合に車内と車外とを連通させる開放弁（車内圧開放弁）を設けることも知られている（例えば特許文献３参照）。
特開平８−１１５１８号公報（段落００１９〜００２２および図１，２，６） 特開２０００−１５８９３４号公報（段落００１６および図１） 実開昭５７−１４８５６８号公報（第５頁〜第９頁および第１図）

前述した技術では、車両毎に車内圧力調整が十分に行われておらず、車両間の空気の流れが頻繁に生じ、喫煙車両から禁煙車両への空気の流れが生ずる場合がある。特に、車内圧力が車外圧力に比べて大きいと、車内圧開放弁開放時や扉の開閉時に、図７に示すような大きな空気の流れが発生する。逆に、車内圧力が車外圧力に比べて小さいと、図７とは逆の流れが生ずる。また、車内圧力を調整するには、煩雑な調整作業が必要となる。

発明者は、禁煙車両と喫煙車両とを含み、各車両毎に換気装置を設け、前記各換気装置が、給気ファンを有しこの給気ファンを回転駆動する給気ファン手段と、排気ファンを有しこの排気ファンを回転駆動する排気ファン手段と、前記給排気ファン手段を制御して前記給排気ファンの回転数を制御するファン回転数制御手段とを有する列車であれば、列車走行速度が一定速度以下である場合に車内圧力と車外圧力とが等しくなるように前記各給排気ファンを制御することで、車内圧開放弁の開放時や扉の開閉時に、喫煙車両から禁煙車両への空気の流れの生成を抑制できることに着想し、本発明をなすに至ったものである。

本発明は、禁煙車両と喫煙車両とを含む列車の換気システムにおいて、車内圧開放弁の開放時や扉の開閉時に、喫煙車両から禁煙車両への空気の流れの生成を抑制することを目的とする。

請求項１の発明は、禁煙車両と喫煙車両とを含み、各車両毎に換気装置を備え、前記各換気装置が、給気ファンを有しこの給気ファンを回転駆動する給気ファン手段と、排気ファンを有しこの排気ファンを回転駆動する排気ファン手段と、前記給排気ファン手段を制御して前記給排気ファンの回転数を制御するファン回転数制御手段とを有する列車の換気システムにおいて、車内圧力および車外圧力を検出する圧力検出手段と、列車走行速度を検出する速度検出手段とを設け、前記ファン回転数制御手段は、前記圧力検出手段および速度検出手段よりの信号を受け、列車走行速度が一定速度以下である場合には車内圧力と車外圧力とが等しくなり列車走行速度が前記一定速度を超える場合には車外圧力よりも車内圧力を一定圧だけ大きい与圧状態を保持するように、各車両毎に前記給気ファンと前記排気ファンの回転数を独立に制御するものであることを特徴とする。ここで、「車内圧力と車外圧力とが等しくなるように」とは、完全に一致することを意味するのではなく、一定の大きさの誤差を認める範囲で等しくなるように、という意味である。

このようにすれば、列車走行速度Ｖが一定速度Ｖ0以下である場合（例えば、車両の停止前後において）に車内圧力と車外圧力とが等しくなるようにファン回転数制御手段にて給排気ファンの回転数を制御するようにしているので、列車走行速度が一定速度以下である場合には車内圧力と車外圧力とが等しい圧力状態に維持され、車内圧開放弁が開放されたり乗降口が開閉されても、車内で大きな空気の流れが発生するのを回避することができる。よって、車内圧開放弁の開放時や扉の開閉時において、喫煙車両の煙草の煙が禁煙車両に流れ込むことがなくなり、分煙化が図れる。

また、車内圧力の急激な圧力変化を防止しながら、車内の圧力を適切な与圧を保つように給排気ファンの回転数を制御するので、車両間の不要な空気の流れが発生しないようにして、車両を新しく製造する際や車両の点検時における風量調整作業や、季節による車内圧力調整作業が一切不要となり、大幅な工数の削減を実現できる。

さらに、前記ファン回転数制御手段は、車両毎に、各給排気ファンの回転数を独立制御するので、列車走行速度が一定速度以下である場合に、他の車両の車内圧力と関係なく、車両毎に給排気ファンの回転数を制御して、車内圧力と車外圧力とが等しくなるように前記各給排気ファンの回転数を制御することができる。
また、請求項２に記載のように、前記ファン回転数制御手段は、前記禁煙車両では前記喫煙車両より給気風量を多くする一方、前記喫煙車両では前記禁煙車両より排気風量を多くしたり、請求項３に記載のように、前記ファン回転数制御手段は、基準風量に補正風量を加算あるいは減算した風量を用いて前記給気ファンと前記排気ファンの回転数を制御するもので、前記禁煙車両についての給気の補正風量に前記禁煙車両の台数を乗算したものと、前記喫煙車両についての排気の補正風量に前記喫煙車両の台数を乗算したものとが、等しくなるように制御したりすることができる。

本発明は、車両の停止前後などの列車走行速度が一定速度以下である場合において、車内圧力と車外圧力とが等しくなるように制御するので、車内圧開放弁の開放時や扉の開閉時に列車の各車両を通じて大きな空気の流れが発生するのを回避して、喫煙車両から禁煙車両への空気の流れが生成されるのを抑制することができる。よって、分煙化を図ることができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に沿って説明する。

図１は本発明に係る列車の換気システムによる車内圧制御の概念図、図２は前記列車の換気システムの一実施の形態を示す概略構成図、図３は制御系の説明図である。

本発明の前提となる換気システムは、図２に示すように、列車編成の最前部と最後部となる両先頭車両１，２には、車内圧力（車両内部の圧力）を検出する車内圧力センサ３，４が設けられている。この車内圧力センサ３，４によって検出された車内圧力情報は、その他の各種情報（列車速度情報、乗車率情報、キロ程情報（トンネル情報）、禁煙車両／喫煙車両情報、扉開閉情報など）と一緒に、モニタ中央装置５，６を通じて、先頭車両１，２および中間車両７（禁煙車両、喫煙車両）の換気装置８のファン回転数制御手段（例えばマイクロコンピュータ）に送られるようになっている。つまり、すべての車両に車内圧力センサ３，４を設ける必要もないので、列車編成全体のコストダウンの観点から、両先頭車両にだけ車内圧力センサ３，４を設け、制御の基準となる車内圧力を測定するようにしているのである。

各換気装置８は、具体的には図示していないが、前記各換気装置が、給気ファンを有しこの給気ファンを回転駆動する給気ファン手段と、排気ファンを有しこの排気ファンを回転駆動する排気ファン手段と、前記給排気ファン手段を制御して前記給排気ファンの回転数を制御するファン回転数制御手段とを有する。それと共に、車外圧力（車両外部の圧力）を検出する車外圧力センサ９を有し、この車外圧力センサ９からの信号が換気装置８のファン回転数制御手段に入力される。なお、車内圧力センサ３，４と、車外圧力センサ９によって、車内圧力および車外圧力を検出する圧力検出手段が構成される。

そして、換気装置８のファン回転数制御手段において、車外圧力センサ９によって検出された車外圧力と、車内圧力センサ３，４によって検出された車内圧力に基づいて、給気ファン手段の給気ファン回転数および排気ファン手段の排気ファン回転数を決定する基準となる車外圧力補正風量および車内圧力制御風量が演算される（補正風量演算手段）。これらの風量は、耳つん現象が生ずるのを抑制することと高速走行時に車外圧力よりも車内圧力をΔＰ（例えば５ｍｍＡｑ）だけ高くすることを前提として求められる。

特に、列車走行速度が一定速度（例えば８０ｋｍ／ｈ）以下である低速走行時あるいは停止時には、与圧制御を行わずに、車内圧力＝車外圧力という制御を行うことにより、車内圧力開放弁の開放時や扉の開閉時に車両間において不要な空気の流れが生じることを防止できる。その結果、車内圧力開放弁の開放時や扉の開閉時に、喫煙車両の煙が禁煙車両に流れ込むことを防止することができ、分煙化が図れる。

そのため、図１で示されるように、換気装置により車内圧を、列車速度が出発から一定速度を超えるまでは、車内圧力＝車外圧力という制御を行い、一定速度を遷移した時点で、高速走行状態として、車外圧力よりも車内圧力をΔＰだけ高く制御する高速走行状態となる。高速走行状態では、急激な圧力変化を防止しながら、車外圧力よりも車内圧力をΔＰだけ高く制御を行い、その後列車速度が一定速度以下の低速速度へ遷移した時点で、車内圧＝車外圧力という制御を行い、最終的に停車状態となる。

そして、乗車率に基づいて予め定められた給気基準風量および排気基準風量を、前記車外圧力補正風量および車内圧力補正風量ならびに、前記禁煙車両から前記喫煙車両への空気の流れを強制的に生成するように設定される分煙用補正風量に基づき補正して、給気ファンおよび排気ファンの回転数を決定する（回転数決定手段）。

このように、各車両１，２，７における各換気装置８のファン回転数制御手段において、車外圧力検出値および車内圧力検出値に基づいて、４つの制御、すなわち圧力変動抑制制御（耳つん抑制）、車内圧力自動調整制御（与圧制御）、喫煙車両／禁煙車両別風量制御（分煙制御）および乗車率に応じた換気風量低減制御（省エネ制御）が行われ、給気ファン回転数指令信号および排気ファン回転数指令信号が給気ファンおよび排気ファンに出力される。

続いて、上記各制御について、図３に基づいてさらに説明する。
(i)圧力変動抑制制御（耳つん抑制）
車外圧力センサ３，４によって検出された車外圧力検出値（信号）は高域通過フィルタ１１を通過し、高速車両がトンネルに進入したときのような急激な圧力変動分を検出し、その圧力変動分をゲイン１２で一定の定数を乗算することにより演算して、車外圧力補正風量を求める。この車外圧力補正風量は、車外圧力が上昇した場合は給気ファン回転数を減少させる一方、排気ファン回転数を増加させる方向に補正するのに用いられる。

このように、車外圧力補正風量に基づいて給気基準風量および排気基準風量を、圧力変動による影響を打ち消す方向に補正して、「耳つん現象」を緩和することができる。ここで、「耳つん現象」とは、高速鉄道車両では、各車両の車室内は換気装置（排気ダクト、給気ダクト）を介して車両外部と連通されているため、例えば車両同士のすれ違いや車両のトンネルへの侵入により車外圧力が変動した場合は、そのままでは車内圧力が急激に変動することになる。その圧力変動により、乗客の耳部に不快感が生ずる現象をいう。
(ii)車内圧力自動調整制御（与圧制御）
車外圧力検出値（信号）は低域通過フィルタ１３を通過することで、緩やかな圧力変動分が取り出され、その圧力値と高速走行時与圧としてのΔＰ（＝５ｍｍＡｑ）を加算したものから、車内圧力検出値を減算し、その結果を、（比例＋積分）回路１４にて演算して、車内圧力制御風量を求める。

このように、与圧制御をすれば、外気温度、圧力、気候、ダクトへのゴミの付着などに全く影響されず、（高速走行時に）車内圧力を一定に与圧することができる。つまり、車外圧力に比べて車内圧力が常にΔＰ（＝５ｍｍＡｑ）だけ高くなるように制御される。よって、車両を新しく製造する際や車両の点検時における風量調整作業や、季節による車内圧力調整作業が一切不要となり、大幅な工数の削減を実現できる。

具体的には、車内圧力自動調整制御（与圧制御）は、図５および図６に示すように行われる。

例えば何らかの原因で車内圧力が上昇した場合（ステップＳ１１）には、車内圧力を下げるために、続くステップＳ１２〜Ｓ１７で車内圧力が目標圧力に制御される。

車外圧力センサ９により車外圧力が、車内圧力センサ３，４により車内圧力がそれぞれ検出され（ステップＳ１２）、この車外圧力と車内圧力との偏差が演算される（ステップＳ１３）。そして、この偏差に基づき、車外圧力に比べて車内圧力がΔＰ（＝５ｍｍＡｑ）だけ高くなるように給排気ファンの回転数を補正する（ステップＳ１４）。

つまり、給気ファンの回転数を減少させる（ステップＳ１５）とともに、排気ファンの回転数を増加させる（ステップＳ１６）。これにより、給気風量の増加が抑制され、排気風量の減少が抑制され、その結果、車内圧力が目標圧力に制御されることになる（ステップＳ１７）。

また、逆に車内圧力が減少した場合には、上述した場合とは逆の制御が行われ、車内圧力が目標圧力に制御されることになる。

このように、車内圧力と車外圧力との偏差に基づいて、給排気ファンの回転数を補正する制御が行われ、最終的に車内圧力が、車外圧力に比べて５ｍｍＡｑだけ高くなる目標圧力となる与圧制御が行われるが、これは、高速走行時（例えば車速Ｖが設定速度Ｖ0＝８０ｋｍ／ｈを超えるとき）に行われる制御である。

低速走行時（例えば車速Ｖが設定速度Ｖ0＝８０ｋｍ／ｈ以下）には、前述したような与圧制御を行わずに、車内圧力＝車外圧力という制御を行う。これにより、車内圧力と車外圧力との圧力差（偏差）がなくなるので、車内圧力開放弁の開放時や、乗降口の扉の開閉時における車両間の不要な空気の流れを防止することが可能となる。その結果、喫煙車両の煙が禁煙車両に流れ込むことも防止できる。

このような車内圧制御の概念図を図１に示す。なお、高速走行時と低速走行時との間には、車内圧と車外圧の差が、圧力差ΔＰだけ変化するための調整時間がある。
(iii)乗車率に応じた換気風量低減制御（省エネ制御）
乗車率に応じた係数βを排気基本風量（３０[ｍ３／ｍｉｎ]）に乗算して、それを給気基準風量（３０×β[ｍ３／ｍｉｎ]）とする一方、排気基本風量（３０[ｍ３／ｍｉｎ]）にも前記乗車率に応じた係数βを乗算して、それを排気基準風量（３０×β[ｍ３／ｍｉｎ]）とする。ここで、乗車率は、例えば、車両の荷重の変化を検出する荷重センサを各車両に設け、その荷重の変化に基づいて推測される。

このように、乗車率に応じて風量を調整する風量調整制御を採用することで、乗車率が少ない場合において、給気ファンおよび排気ファンの消費電力を低減して、省エネ化が図れる。例えば、換気装置８の消費電力は定格時約６〜８ｋＷに対して、給排気基準風量を給排気基本風量の８０％にすれば消費電力は約６０％に、給排気基本風量の５０％にすれば消費電力は約２０％にという具合に、給排気の基準風量を減少させることにより消費電力を激減させることを実現できる。
(iv)喫煙車両／禁煙車両別風量制御（分煙制御）
給気基準風量（３０×β[ｍ３／ｍｉｎ]）に禁煙車両の場合には第１の補正風量（＋α[ｍ３／ｍｉｎ]）を、喫煙車両の場合には第２の補正風量（−２α[ｍ３／ｍｉｎ]）をそれぞれ加算し、それに車外圧力補正風量を減算するとともに車内圧力制御風量を加算し、その値に、ゲイン１５で定数を乗算して、給気ファン回転数を求め、回転数制御信号として給気ファン回転数指令が出力される。

一方、排気基準風量（３０×β[ｍ３／ｍｉｎ]）に禁煙車両の場合には第１の補正風量（−α[ｍ３／ｍｉｎ]）を、喫煙車両の場合には第２の補正風量（＋２α[ｍ３／ｍｉｎ]）をそれぞれ加算し、それに車外圧力補正風量を加算するとともに車内圧力制御風量を減算し、その値に、ゲイン１６で定数を乗算して、排気ファン回転数を求め、回転数制御信号として排気ファン回転数指令が出力される。

つまり、禁煙車両、喫煙車両の区別なく給気風量および排気風量を一定にするのではなく、禁煙車両と喫煙車両とで給気風量および排気風量を、次の表１のように設定する。

なお、ここで第２の補正風量を第１の補正風量の２倍にし、第１の補正風量よりも大きくしているのは、禁煙車両と喫煙車両との車両数の割合が２：１であるためであり、これらの車両数の割合が異なると、第１および第２の補正風量の割合も異なることになる。

このようにして、最終的に必要とされる給気ファンおよび排気ファンの回転数が決定され（回転数決定手段）、図４に示すように、禁煙車両から喫煙車両への空気の流れを強制的に作り出すことができる。

また、車内圧力を適切な与圧状態を保つように給排気ファンのファン回転数を自動調整し、乗降口の扉の開閉時や車内圧力開放弁の開放時における車両間の不要な空気の流れが発生しないようにしているので、この点からも、喫煙車両から禁煙車両へ煙草の煙が流れ込まないようにすることができ、分煙化の強化を図る上で有利となっている。

本発明は、前記実施の形態に制限されるものではなく、次のように変更することも可能である。

(i)前記実施の形態では、この「耳つん現象」を防止するために、従来と同様に各車両毎に車内圧力開放弁(図示せず）を設けているが、一定速度（例えば８０ｋｍ／ｈ）以下の走行時には、車内圧力＝車外圧力という制御を行うことにより、車内圧力開放弁の開放時や乗降口の扉の開閉時における車両間の不要な空気の流れを防止できるので、車内圧力開放弁を廃止することも可能となる。

(ii)前記実施の形態では、車内圧力センサを両先頭車に設けているが、車内圧力センサに代えて、車内圧力と車外圧力との差圧を検出する差圧センサを設けることも可能である。車外圧力センサ９によって車外圧力を求めることができるので、その車外圧力と前記差圧とによって車内圧力を求めることができるからである。

(iii)前記実施の形態では、各換気装置が独立制御されるようになっているが、全車両の換気装置を統括制御するコントローラを設け、インテリジェントな換気システムを構成することも可能である。

本発明に係る列車の換気システムによる車内圧制御の概念図である。 本発明に係る列車の換気システムの一実施の形態を示す概略構成図である。 制御系の説明図である。 車内圧力自動調整制御（与圧制御）の処理の流れを示すブロック図である。 車内圧力自動調整制御（与圧制御）における、給気風量、排気風量などの時間的変化を示す説明図である。 空気の流れの状態を示す説明図である。 車内圧開放弁の開放時における空気の流れの状態を示す説明図である。

符号の説明

１，２ 先頭車両
３，４ 車内圧力センサ
５，６ モニタ中央装置
７ 中間車両
８ 換気装置
９ 車外圧力センサ

Claims (3)

1. 禁煙車両と喫煙車両とを含み、各車両毎に換気装置を備え、前記各換気装置が、給気ファンを有しこの給気ファンを回転駆動する給気ファン手段と、排気ファンを有しこの排気ファンを回転駆動する排気ファン手段と、前記給排気ファン手段を制御して前記給排気ファンの回転数を制御するファン回転数制御手段とを有する列車の換気システムにおいて、
   車内圧力および車外圧力を検出する圧力検出手段と、
   列車走行速度を検出する速度検出手段とを設け、
   前記ファン回転数制御手段は、前記圧力検出手段および速度検出手段よりの信号を受け、列車走行速度が一定速度以下である場合には車内圧力と車外圧力とが等しくなり列車走行速度が前記一定速度を超える場合には車外圧力よりも車内圧力を一定圧だけ大きい与圧状態を保持するように、各車両毎に前記給気ファンと前記排気ファンの回転数を独立に制御するものであることを特徴とする列車の換気システム。
2. 前記ファン回転数制御手段は、前記禁煙車両では前記喫煙車両より給気風量を多くする一方、前記喫煙車両では前記禁煙車両より排気風量を多くするように制御することを特徴とする請求項１記載の列車の換気システム。
3. 前記ファン回転数制御手段は、基準風量に補正風量を加算あるいは減算した風量を用いて前記給気ファンと前記排気ファンの回転数を制御するもので、前記禁煙車両についての給気の補正風量に前記禁煙車両の台数を乗算したものと、前記喫煙車両についての排気の補正風量に前記喫煙車両の台数を乗算したものとが、等しくなるように制御することを特徴とする請求項２記載の列車の換気システム。

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