JPH09512092A - 空気サイクル式冷却装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 冷却空気の流れを囲い室（１１）に搬送するための空気サイクル式閉ループ装置（１０）が記載されている。この装置（１０）は、乗客室空気再循環ループにおける再循環囲い室空気と混合するための可変流量の冷気を搬送するための手段を備えている。更に、この装置（１０）は、周囲温度及び圧力で可変流量の空気を囲い室空気再循環ループに供給する手段と、再循環囲い室空気と混合するための冷気の流量を制御すると共に、囲い室空気再循環ループへの周囲空気の流量を制御するための手段（４０）とを備えていて、作動の際に、実質的に一定の体積流量の冷却空気を囲い室（１１）に供給するようになっていてる。

Description

【発明の詳細な説明】 空気サイクル式冷却装置発明の説明 本発明は、空気サイクル式冷却装置に関し、特に、囲い室内の熱負荷の状態を 調節すべく冷却空気の流れを搬送するための空気サイクル式閉ループ冷却系に関 するものである。 地上輸送車両の乗客室のような囲い室における熱負荷の状態を調節のための空 気サイクル式閉ループ冷却系の大きさ及びコストを低減するために、該囲い室か らの所定体積流量の暖気を再循環させて、この暖気を、該閉ループ冷却系の一部 として設けられた空気サイクル式機械により給送されるある体積流量の冷気と混 合させることは、通常のことである。地上輸送車両においては、通常の場合、高 圧空気の供給源を直ぐ利用できないため、空気サイクル式機械は、周囲空気を加 圧するため動力駆動される少なくとも１台のコンプレッサを含んでいる。加圧さ れたこの空気は、その後、タービン羽根車を横切って膨張して、ある体積流量の 冷気が得られ、これが、再循環される暖気の体積流量と混合し、その結果得られ る混合気は冷却のため囲い室に運ばれる。囲い室の搭乗者を快適にするため、理 想的には、囲い室に供給される空気の体積流量が、常時、囲い室を出る空気の体 積流量に匹敵するように、囲い室内に一定体積の空気を維持することが望ましい 。この要件は、所定の体積流量の空気が囲い室から周囲に排出されるように段取 りすることにより、達成することができる。しかし、天候の変化により囲い室の 周囲の温度が低下する場合のように、囲い室における熱負荷が低くなるときには 、空気サイクル式機械の運転速度が減少して同空気サイクル式機械により送られ る空気の温度が上がり、その結果、再循環空気と混合する空気の体積流量の減少 になるので、囲い室に供給される空気の体積流量は囲い室から排出される全体積 流量よりも少なくなる。 本発明の目的は、囲い室における熱負荷の状態を調節するために所要温度でほ ぼ一定体積流量の空気を搬送する空気サイクル式閉ループ冷却系を提供すること である。 従って、最も広い概念では、本発明は、囲い室空気再循環ループにおいて再循 環される囲い室空気と混合するために可変流量の冷却空気を搬送する搬送手段を 備えた、冷却空気の流れを囲い室に搬送する空気サイクル式閉ループ冷却装置を 提供しており、可変流量の空気を周囲温度及び圧力で前記囲い室空気再循環ルー プに供給するための供給手段が設けられると共に、前記再循環される囲い室空気 と混合するための冷却空気の流量を制御し且つ前記囲い室空気再循環ループへの 周囲空気の流量を制御するための制御手段が設けられていて、運転に際して、実 質的に一定体積流量の冷却空気を前記囲い室に搬送するようにしている。 可変流量の冷却空気を搬送する前記搬送手段は、上昇した圧力の空気を空気膨 張タービン羽根車に搬送するように、速度可変モータにより駆動される速度可変 のエアコンプレッサ翼車を含み得る。 該速度可変モータは、速度可変のスイッチ反作用モータ(switched reluctance motor)でよい。 本発明の一実施形態においては、モータ駆動のコンプレッサ翼車からタービン 羽根車へ、タービン翼車と共通の軸に回転可能に装着された第２のコンプレッサ 翼車を経由して、空気が流れる。 好適には、主熱交換器及び再熱ー復水熱交換器を経由して、第２のコンプレッ サ翼車からタービン羽根車へ空気が流れる。 囲い室空気再循環ループは、タービン羽根車からの出口及び囲い室への入口間 を接続する冷却空気供給ダクトと、囲い室からの出口及び該冷却空気供給ダクト 間を接続する再循環空気ダクトとを備える。 再循環空気ダクト及び冷却空気供給ダクト間の接続は、タービン羽根車から冷 却空気を受けるために更に接続された混合箱を経由しうる。 囲い室空気再循環ループはモータ駆動のファンを含むことが好ましい。このモ ータ駆動のファンは、冷却空気供給ダクトに設けられるが好ましい定速度モータ 駆動のファンでよい。 可変流量の空気を囲い室空気再循環ループに供給するための供給手段は、一端 で再循環空気ダクトと接続し、他端で周囲空気に開放している周囲空気供給ダク トである。本発明の一実施形態においては、周囲空気供給ダクトの他端はモータ 駆動のコンプレッサ翼車への周囲空気入口に接続される。 周囲空気供給ダクトには、周囲空気流量制御弁手段があり、該周囲空気流量制 御弁手段は、周囲空気供給ダクトを閉じる位置と、周囲空気供給ダクトが開いて 周囲空気が再循環空気ダクトに流れるのを許容する位置との間を、制御弁手段の 制御下にモータにより可動である。 冷却空気の流量を制御し且つ周囲空気の流量を制御するための制御手段は、囲 い室の内部の空気温度、周囲空気の温度を検知する温度検知手段からの信号を受 ける電子制御ユニット（ＥＣＵ）でありうる。また、このＥＣＵは、冷却空気供 給ダクトにおける空気温度を検知する温度検知手段に接続される。 ＥＣＵは、ある範囲の周囲空気温度についての望ましい囲い室空気温度及び冷 却空気温度の参照用テーブルを保存しうる。該ＥＣＵは、運転に際して、囲い室 空気温度、周囲空気温度、及び冷却空気温度を受けると、参照用テーブルから、 有効周囲空気温度についての囲い室空気温度及び冷却空気温度の所望値を参照し て、実際の温度と所望の温度との間の差を演算し、このデータを処理して空気再 循環ループへの冷却空気及び周囲空気の流量を変更するための信号を発生する。 囲い室における熱負荷が系の状態調節の最大キャパシティ以下になると、ＥＣ Ｕは、冷却空気流量制御手段、例えば可変速度モータに信号を送って、コンプレ ッサ翼車の回転速度を減じることにより、タービン羽根車を横切る圧力降下を減 少する。その結果、タービン羽根車がより高い温度の空気をより少ない体積流量 で搬送することになる。 或いは、ＥＣＵは、囲い室空気の温度が、囲い室の周囲の検知温度に関する所 望値に対してバランスするように、モータ駆動のコンプレッサ翼車及び周囲空気 流量制御弁を制御するコンピュータ・ソフトウエア・プログラムを含んだシステ ム・コンピュータでよい。 次に、本発明を、一例として、添付図面に関して更に説明する。同添付図面に おいて、 図１は、本発明の一実施形態に従う空気サイクル式冷却装置の概略図である。 図２は、本発明の別の実施形態に従う空気サイクル式冷却装置の概略図である 。 本発明の一実施形態に従う空気サイクル式冷却装置１０は、図１に示すように 、例えば、鉄道列車のような地上輸送車両の乗客室１１である囲い室に冷却空気 の流れを供給する。この冷却装置１０は、スイッチ反作用モータでよい速度可変 のモータ１３により駆動されるように接続された第１のコンプレッサ翼車１２を 有する。該コンプレッサ翼車１２は、その入口側で周囲空気入口１４から空気を 受けるように接続されている。コンプレッサ翼車１２は、その出口側では、ダク ト１５により第２のコンプレッサ翼車１６の入口側に接続されている。第２のコ ンプレッサ翼車１６は、タービン羽根車１６と共通の軸１７に回転自在に装着さ れている。該第２のコンプレッサ翼車１６は、その出口側では、ダクト１９によ りタービン羽根車１８の入口側と接続されている。ダクト１９には、主熱交換器 １９と再熱ー復水熱交換器２１とが組み入れられている。タービン羽根車１８は その出口側で空気混合箱２３に接続されている。定速度モータ駆動のファン２５ を含む冷却空気供給ダクト２４はこの混合箱２３を乗客室１１に接続する。 乗客室１１の内部に配置された第１組の通気ベント２６は、定速度モータ駆動 のファン２８を含むベントダクト２７に接続されており、これにより、所定の体 積流量の空気が乗客室から周囲に排気される。乗客室の内部に配置された第２組 の通気ベント２９は、再循環ダクト３０の一端に接続され、該再循環ダクトの他 端は混合箱２３に接続される。該ダクト２４及び３０は混合箱２３と共に一緒に 組み合わせられ、乗客室空気再循環ループを形成する。乗客の快適性のために、 該再循環ループは、通気ベント２６及び２９を経由して乗客室から排出される空 気の全体積流量を補充するため、該乗客室への冷却空気を実質的に一定の体積流 量に維持しなければならない。 周囲空気ダクト３１は、一端で周囲空気入口１４に接続され、他端で再循環ダ クト３０に接続される。このダクト３１が含む周囲空気流量制御弁３２は、モー タ３３により開位置及び閉位置の間を移動自在に接続されており、これにより再 循環ダクトへの周囲空気の流量を制御することができる。 ダクト３４は、再熱ー復水熱交換器２１の冷媒側を経由して、冷却空気供給ダ クト２４と再循環ダクト３０との間に接続される。該ダクト３４は、モータ駆動 のファン２５と乗客室１１との間の位置でダクト２４に接続され、運転に際して 、このファンがダクト３４を通る冷却空気の流れを生起する。熱交換器２１にお いて凝縮した水は導管３５に集められて、該導管３５によりノズル３６に給送さ れる。水はこのノズルにより熱交換器２０の冷媒空気通路に散水され、冷却のた めの周囲空気の流れは定速度モータ駆動のファン３７により冷媒空気通路に通流 される。 乗客室１１の内部に配置された温度センサ３８は、乗客室空気温度信号を電子 制御ユニット（ＥＣＵ）４０に入力するため配線３９に接続されている。乗客室 の外部に配置された温度センサ４１は、周囲空気温度信号をＥＣＵ４０に入力す るため配線４２に接続されている。冷却空気供給ダクト２４に配置された温度セ ンサ４３は、該ダクト２４を通って乗客室１１に流れる冷却空気の温度を表す信 号をＥＣＵ４０に入力するため、配線４４に接続されている。更に、ＥＣＵ４０ は、コンプレッサ翼車１２を駆動する速度可変のモータ１３に配線４５により接 続されると共に、周囲空気流量制御弁３２のモータ３３に配線４６により接続さ れている。 冷却装置の作動時、モータ１３により駆動されるコンプレッサ翼車１２は、周 囲空気入口１４を介して空気を引き込み、この空気の圧力を上げて第２のコンプ レッサ翼車１６に給送する。該第２のコンプレッサ翼車は、空気がダクト１９を 経由してタービン羽根車１８に送られる前に、該空気の圧力を更に増大させる。 コンプレッサ翼車１６からタービン羽根車１８に流れる際に、空気は周囲空気熱 交換器２０を通り、そこで、空気中にある水蒸気の実質的に多くの部分が凝縮さ れて除去され、その後、タービン羽根車１８に供給される。空気はタービン羽根 車１８を横切って膨張され混合箱２３に送られる。タービン羽根車１８を横切っ て膨張する際に、空気はタービン羽根車１８を駆動し、それと共にコンプレッサ 翼車１６を駆動する。混合箱２３においては、タービン羽根車１８により搬送さ れた冷気が、再循環ダクト３０から混合箱２３内に流入する暖気と混合する。タ ービン羽根車の冷気温度と再循環する暖気温度との間の温度にある冷却空気は、 ダクト２４を経由して、混合箱２３から乗客室１１に搬送される。 暖かい日に冷却装置を作動する際には、乗客室に人が入る前に、該乗客室には 低減すべき大きな熱負荷が存在する。温度センサ３８，４１，４３は乗客室１１ の内部の温度、乗客室の外部の温度、及びダクト２４の温度をそれぞれ検知し、 これらの温度を表す信号をＥＣＵ４０に入力する。この実施形態において、ＥＣ Ｕ４０は、乗客室の外部におけるある範囲の周囲温度についての望ましい乗客室 空気温度及び冷却空気温度の参照用テーブルを保存している。ＥＣＵ４０は、有 効周囲空気温度に対する乗客室空気温度及び冷却空気温度の望ましい温度を参照 するために参照用テーブルに入る。その後、ＥＣＵ４０は、実際の温度と望まし い温度の差を演算して、このデータを処理し、タービン羽根車１８の両端間の圧 力差が最大となるように最大速度又はその近くで駆動される速度可変のモータ１ ３を制御するための信号を出力し、これにより、冷却装置の諸構成要素のサイジ ングに適するサブゼロ温度の空気が混合箱２３に搬送される。この段階で、周囲 空気流量制御弁３２は閉状態に付勢されている。 また、モータ駆動のファン２５，２８及び３７のスイッチは、冷却装置の起動 時にオンにされる。モータ駆動ファン２８のサイジング及び速度は、乗客室１１ から通気ベント２６及びベントダクト２８を経て周囲へ行く所定流量の空気を発 生するようになっている。同様に、モータ駆動のファン２５は、乗客室１１から 通気ベント２９及び再循環ダクト３０を経由する所定の体積流量の空気を発生す る大きさに作られている。この再循環空気は混合箱２３において冷気と混合され 、冷却空気供給ダクト２４を経由して乗客室１１に戻される。 乗客室１１における熱負荷が減少して乗客室空気温度及び冷却空気温度が所要 値であることが検知されると、ＥＣＵ４０は速度可変のモータ１３に信号を送っ てコンプレッサ翼車１２の速度を減少させるため、所要の乗客室空気温度が維持 されると共に、実質的に一定体積流量の空気が冷却空気供給ダクト２４を介して 乗客室１１に送られ、通気ベント２６及び２９から排出された空気の全体積流量 を補給する。 周囲温度が低下して、乗客の快適性のため、乗客室空気温度を上昇させる必要 があると、ＥＣＵ４０は速度可変のモータ１３に信号を送出して、コンプレッサ 翼車１２の回転速度を減少させ、それにより、タービン羽根車１８の両端間の圧 力降下が減じる。これにより、空気は、タービン羽根車１８により先に搬送され ていたときよりも上昇した温度になり、その結果、冷却空気供給ダクト２４によ り乗客室１１に搬送される冷却空気の温度が上昇することになる。しかし、コン プレッサ翼車１２の回転速度が低下するときには、タービン羽根車１８により搬 送される空気の体積流量は減少する結果になる。本発明は、ＥＣＵ４０を設ける ことによってこの体積流量の減少を補償するものであり、該ＥＣＵがモータ３３ に信号を送って周囲空気流量制御弁３２を開状態に向かって移動させて、モータ 駆動のファン２５により周囲空気を導いてダクト３１に入れて再循環ダクト３０ に流し、ダクト３０及び２４により構成される再循環ループにおける体積流量を 実質的に一定に維持するようになっている。 図２に示す別の実施形態においては（図２において、図１の冷却装置と共通の 要素については同一の符号が使用されている。）、再熱ー復水熱交換器２１が冷 却空気供給ダクト２４に設けられていて、乗客室１１への冷却空気の全体積流量 がこの熱交換器を経由するようになっている。 上述の各実施形態はいずれも単なる例示であり、その他の改変が可能である。 例えば、図２の実施形態において、定速モータ駆動のファン２５は冷却空気ダ クト２４において熱交換器２１の上流側に配置することができる。 ＥＣＵ４０は、コンピュータ・ソフトウエア・プログラムを含む冷却装置搭載 のコンピュータでよく、該ソフトウエア・プログラムが、乗客室空気温度を囲い 室の周囲の検知温度に関する所望値に対してバランスさせるように、モータ駆動 のコンプレッサ翼車１２／１３と周囲空気流量制御弁３２とを制御する。 どの実施形態においても、空気再循環ダクト２４に導入される冷却された空気 の流量を変えるためにモータ１３の速度を制御することに代えて、定速度で駆動 される可変静翼のコンプレッサファンのような、流量の変更を実現するその他の 手段を設けることができる。 上述した弁３２に代わるものとして、再循環ループに導入される周囲空気の流 量を変更する任意の手段を設けることができる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ギルズ、ジョージ・リチャード イギリス国、サマーセット・ティエイ18・ ５イーアール、サウス・ペザトン、コンプ トン・ダーヴィル、ライドン・ファーム・ ハウス （番地なし) (72)発明者 ルーツ、クリトファー・フランシス イギリス国、サマーセット、ビーエイ22・ ８エスユー、ヨービル、ラフトン、ブリッ ジ・コテッジ（番地なし)

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 囲い室空気再循環ループにおいて再循環される囲い室空気と混合するため に可変流量の冷却空気を搬送する搬送手段を備えた、冷却空気の流れを囲い室（ １１）に搬送する空気サイクル式閉ループ冷却装置（１０）において、可変流量 の空気を周囲温度及び圧力で前記囲い室空気再循環ループに供給するための供給 手段が設けられると共に、前記再循環される囲い室空気と混合するための冷却空 気の流量を制御し且つ前記囲い室空気再循環ループへの周囲空気の流量を制御す るための制御手段（４０）が設けられていて、運転に際して、実質的に一定体積 流量の冷却空気を前記囲い室（１１）に搬送するようにしたことを特徴とする空 気サイクル式閉ループ冷却装置。 ２． 可変流量の冷却空気を搬送する前記搬送手段は、運転に際して、上昇した 圧力の空気を空気膨張タービン（１８）に搬送するように、第１のコンプレッサ （１２）を駆動する速度可変のモータ（１３）を有する速度可変の空気サイクル 式機械であることを特徴とする請求項１記載の空気サイクル式閉ループ冷却装置 （１０）。 ３． 前記タービン（１８）と共通の軸（１７）に回転可能に装着された第２の コンプレッサ（１６）を経由して、前記第１のコンプレッサ（１２）から前記タ ービン（１８）に空気が流れ、主熱交換器（２０）及び再熱ー復水熱交換器（２ １）を経由して、前記第２のコンプレッサ（１６）から前記タービン（１８）へ 空気が流れることを特徴とする請求項２記載の空気サイクル式閉ループ冷却装置 （１０）。 ４． 前記囲い室空気再循環ループは、モータ駆動のファン（２５）と、前記タ ービン（１８）からの出口及び前記囲い室（１１）への入口間を接続する冷却空 気供給ダクト（２４）と、前記囲い室（１１）からの出口及び前記冷却空気供給 ダクト（２４）間を接続する再循環空気ダクト（３０）とを備え、前記再循環空 気ダクト（３０）及び前記冷却空気供給ダクト（２４）間の接続は、前記タービ ン（１８）から冷却空気を受けるために更に接続された混合要素（２３）を経由 していることを特徴とする請求項２又は請求項３記載の空気サイクル式閉ループ 冷却装置（１０）。 ５． 前記モータ駆動のファン（２５）は、前記冷却空気供給ダクト（２４）に 設けられた定速度モータ駆動のファンであることを特徴とを請求項４記載の空気 サイクル式閉ループ冷却装置（１０）。 ６． 可変流量の空気を前記囲い室空気再循環ルーブに供給するための前記供給 手段は、一端で前記再循環空気ダクト（３０）と接続し、他端で周囲空気に開放 している周囲空気供給ダクト（３１）であり、該周囲空気供給ダクト（３１）に 沿う周囲空気の流量を変更するために該周囲空気供給ダクト（３１）に周囲空気 流量制御手段（３２）があることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の 空気サイクル式閉ループ冷却装置（１０）。 ７． 前記周囲空気流量制御手段（３２）は、前記周囲空気供給ダクト（３１） に配置された弁部材であり、該弁部材は、同弁部材が前記周囲空気供給ダクト（ ３１）を閉じる位置と、前記周囲空気供給ダクト（３１）が開いて周囲空気が前 記再循環空気ダクト（３２）に流れるのを許容する位置との間を、前記制御手段 （４０）の制御下にモータ（３３）により可動であることを特徴とする請求項１ 〜６のいずれかに記載の空気サイクル式閉ループ冷却装置（１０）。 ８． 冷却空気の流量を制御し且つ周囲空気の流量を制御するための前記制御手 段（４０）は、前記囲い室（１１）の内部の空気温度、周囲空気の温度、及び前 記冷却空気供給ダクト（２４）における空気の温度を検知する温度検知手段（３ ８，４１，４３）からの信号を受ける電子制御ユニット（４０）であることを特 徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の空気サイクル式閉ループ冷却装置（１ ０）。 ９． 前記電子制御ユニット（４０）は、ある範囲の周囲空気温度についての望 ましい囲い室空気温度及び冷却空気温度の参照用テーブルを備え、該電子制御ユ ニット（４０）は、運転に際して、囲い室空気温度、周囲空気温度、及び冷却空 気温度を指示する信号を受け取ると、前記参照用テーブルから、有効周囲空気温 度についての囲い室空気温度及び冷却空気温度の所望値を得て、実際の温度と所 望の温度との間の差を演算し、空気再循環ループへの冷却空気及び周囲空気の流 量を変更するための信号を発生することを特徴とする請求項８に記載の空気サイ クル式閉ループ冷却装置（１０）。