特開 2023-174149 鉄道車両

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023174149

(43)【公開日】2023-12-07

(54)【発明の名称】鉄道車両

(51)【国際特許分類】

   B61D 25/00 20060101AFI20231130BHJP

   B60J 3/04 20060101ALI20231130BHJP

【ＦＩ】

B61D25/00 Z

B60J3/04

【審査請求】未請求

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022086847

(22)【出願日】2022-05-27

(71)【出願人】

【識別番号】000005108

【氏名又は名称】株式会社日立製作所

(74)【代理人】

【識別番号】110000062

【氏名又は名称】弁理士法人第一国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】冨田 斉央

(72)【発明者】

【氏名】吉澤 尚志

(72)【発明者】

【氏名】木下 慎二

(57)【要約】

【課題】日射負荷低減による空調装置の省エネと車内の快適性の両立を図れる鉄道車両や熱負荷低減装置の制御方法を提供する。
【解決手段】印加電圧によって日射透過率を変更することができる熱負荷低減装置としてのＥＣフィルムを窓ガラスに貼付したときに、車外の行先表示器に搭載する日射計によって測定した日射量と、車内の天井に搭載する赤外線カメラもしくは温度センサによって得られた車内の温度分布に応じて、ＥＣフィルムの印加電圧を座席位置によって、個別に調節する。これにより、座席位置によって空調の効きが異なることに起因して、座席によっては寒過ぎるなど、車内空間の快適性を損なってしまう不具合を抑制できる。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

客室を備えた構体と、前記構体の外部に配置された日射計と、
前記日射計が計測した日射量の情報を入力する、前記構体に備えられた制御装置と、
前記構体に備えられ前記客室の内外を仕切る窓ガラスと、
前記窓ガラスに備えられたＥＣフィルムとによって構成された鉄道車両において、
前記制御装置は、前記鉄道車両が営業運転を行っていると判定したときは、前記日射量の情報に応じて、前記ＥＣフィルムの調光を制御することを特徴とする鉄道車両。

【請求項2】

請求項１に記載の鉄道車両において、
前記日射計は、前記鉄道車両の進行方向一方側と進行方向他方側とにそれぞれ配置され、
前記制御装置は、前記日射量の情報に基づいて、前記進行方向一方側または前記進行方向他方側の前記窓ガラスに備えられた前記ＥＣフィルムの日射透過率を一斉に規定値にすることを特徴とする鉄道車両。

【請求項3】

請求項１に記載の鉄道車両において、
客室内の温度分布を推定する温度分布推定装置を備え、
前記制御装置は、前記日射量の情報と、前記温度分布推定装置によって得られた客室内の温度分布の情報に応じて、前記ＥＣフィルムの調光を前記窓ガラスごとに制御することを特徴とする鉄道車両。

【請求項4】

請求項３に記載の鉄道車両おいて、
前記温度分布推定装置は、赤外線カメラもしくは温度センサの少なくとも一方であることを特徴とする鉄道車両。

【請求項5】

請求項３に記載の鉄道車両において、
前記制御装置は、前記日射量の情報に基づいて、前記日射量の時間平均値を求め、前記時間平均値と、前記温度分布推定装置によって得られた車内の温度分布とに応じて、前記ＥＣフィルムの調光を制御することを特徴とする鉄道車両。

【請求項6】

請求項１に記載の鉄道車両において、
前記制御装置は、前記鉄道車両が座席予約システムと連携しているか否かを判定し、前記座席予約システムと連携していると判定したときは、座席が予約された区間内で、前記ＥＣフィルムの調光を制御することを特徴とする鉄道車両。

【請求項7】

請求項６に記載の鉄道車両において、
前記制御装置は、前記座席予約システムを介して、所望の空調温度を入力可能であり、入力された空調温度と実際の温度との差に応じて、前記ＥＣフィルムの調光を制御することを特徴とする鉄道車両。

【請求項8】

請求項１に記載の鉄道車両において、
前記ＥＣフィルムの日射透過率を選択する選択信号を出力する選択装置を有し、前記選択装置が前記選択信号を出力したときは、前記制御装置は、前記選択信号に応じて前記ＥＣフィルムの調光を制御することを特徴とする鉄道車両。

【請求項9】

請求項１に記載の鉄道車両において、
前記制御装置は、太陽の高度に関する情報を取得し、前記太陽の高度に関する情報に基づいて前記ＥＣフィルムの調光を制御することを特徴とする鉄道車両。

【請求項10】

請求項１に記載の鉄道車両において、
前記制御装置は、前記鉄道車両の位置情報を取得し、前記鉄道車両が駅のプラットホームに到着する前から出発する後まで、前記プラットホーム側の前記ＥＣフィルムの日射透過率を規定値にすることを特徴とする鉄道車両。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、鉄道車両に関するものである。

【背景技術】

【0002】

カーボンニュートラル実現に向け、世界的に脱炭素化に向けた取組みが加速しており、環境負荷のさらなる低減が求められている。鉄道車両による環境負荷を低減する対策の一例として、日射による熱負荷（以下、日射負荷と称す）を低減することで、空調装置の省エネを向上させることが検討されている。

【0003】

日射負荷を低減するためには、例えば日射に応じて窓の調光を行うことが望ましく、それを実現する装置が、特許文献１などに開示されている。この公知の構成においては、住宅の窓ガラスの室外側に、印加電圧によって日射透過率を変更することができるエレクトロクロミックフィルム（以下、ＥＣフィルムと称す）と日射センサを取り付け、室内側に温度センサを取付けている。かかる構成によれば、日射センサによって計測された日射量と温度センサによって計測された室温に応じて、ＥＣフィルムの透過率を制御することができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１４－２０２８５８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ここで、特許文献１には、ＥＣフィルムを住宅や車などに備えることは開示されているが、不特定多数の乗客が乗車する鉄道車両に備えることは開示されていない。本発明者は、特許文献１のＥＣフィルムを鉄道車両に適用した場合、種々の課題が想定されることを見出した。例えば、一般的な鉄道車両は座席位置によって空調の効きが異なるため、上記の特許文献１の技術をそのまま適用すると不具合が生じるおそれがある。具体的には、日射量や窓近傍の温度に応じて窓の調光を一律に変更すると、窓近くの乗客が快適な温度と感じても、窓から離れた座席の乗客は寒過ぎると感じるなど、部分的に車内空間の快適性が損なわれることが懸念される。また、乗客が感じる暖かさ・寒さには、個人差があるという課題もある。

【0006】

本発明は上記の課題を考慮してなされたもので、日射負荷低減による空調装置の省エネと車内の快適性の両立を図れる鉄道車両を提供することを目的としたものである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記課題を解決するために、代表的な本発明の鉄道車両の一つは、
客室を備えた構体と、前記構体の外部に配置された日射計と、
前記日射計が計測した日射量の情報を入力する、前記構体に備えられた制御装置と、
前記構体に備えられ前記客室の内外を仕切る窓ガラスと、
前記窓ガラスに備えられたＥＣフィルムとによって構成された鉄道車両において、
前記制御装置は、前記鉄道車両が営業運転を行っていると判定したときは、前記日射量の情報に応じて、前記ＥＣフィルムの調光を制御することにより達成される。

【発明の効果】

【0008】

本発明によれば、日射負荷低減による空調装置の省エネと車内の快適性の両立を図れる鉄道車両を提供することができる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】図１は、本発明の実施形態に関わる、鉄道車両の車体の模式断面図である。

【図2】図２は、車内から見た窓部の模式図である。

【図3】図３は、本発明の実施形態１に関わる、ＥＣフィルムの日射透過率を決定するためのフローチャートである。

【図4】図４は、本発明の実施形態１に関わる、客室内の天井部を示した図である。

【図5】図５は、本発明の実施形態１に関わる、客室内の妻カモイ部を示した図である。

【図6】図６は、本発明の実施形態１に関わる、客室内の車体側面部を示した図である。

【図7】図７は、本発明の実施形態４に関わる、ＥＣフィルムの日射透過率を決定するためのフローチャートである。

【図8】図８は、本発明の実施形態５に関わる、ＥＣフィルムの日射透過率を決定するためのフローチャートである。

【図9】図９は、本発明の実施形態に関わる、行先表示器を示した図である。

【図10】図１０は、本発明の実施形態に関わる、車側灯を側面から見た際の断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

［実施形態１］
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。図１は本発明の実施形態に関わる鉄道車両の車体の模式断面図である。図１に示す鉄道車両の車体は、構体１、側引戸２、窓ガラス３、ＥＣフィルム４、隅柱５、配線６、赤外線カメラ７、日射計８、制御装置９、行先表示器１０などから構成される。窓ガラス３は構体１や側引戸２にはめ込まれており、各窓ガラス３にはＥＣフィルム４が貼付されている。ＥＣフィルム４は、車内側から貼付することが望ましいと考えるが、ＥＣフィルムの貼付方はこれに限定するものではない。ただし、ＥＣフィルム４を窓の車外側に貼付すると、走行時に剥離してしまうことや、経年劣化でＥＣフィルム４を貼り換える際に足場が必要となり作業性が悪くなってしまうことが懸念される。また、車両によっては窓ガラス３が２枚の合わせガラスとなっている場合があり、この場合ＥＣフィルム４は２枚の合わせガラスの間に挟む形でも良い。

【0011】

図２は、車内から見た窓部を示す模式図である。窓部は、客室内外を仕切る窓ガラス３、ＥＣフィルム４、配線６、電源装置３０、パッキン３１、電極パッド３２、窓枠３３、スイッチ３４から構成される。配線６によって、電源装置３０と制御装置９、スイッチ３４、電極パッド３２間は繋がれており、電源装置３０は制御装置９またはスイッチ３４からの制御入力に応じて、電極パッド３２間に電圧を印加する。この印加電圧によって、ＥＣフィルムの結晶構造が変化し、日射透過率が変更される。本実施形態では、選択装置としてのスイッチ３４は押しボタン式であって、乗客等が押しボタンを手動操作することで選択信号が制御装置９に出力され、それに応じてＥＣフィルムの日射透過率を選択できるが、スイッチの種類をこれに限定するものではなく、例えば非接触式のスイッチでもよい。なお、ＥＣフィルム４は印加電圧によって段階的に日射透過率が変化するものとする。また制御装置９は、乗客が鉄道車両を特定して座席を予約できる、外部の座席予約システムと通信可能である。

【0012】

また、図１に示すように、制御装置９と赤外線カメラ７、日射計８間も配線６によって繋がれており、赤外線カメラ７によって測定された車内の温度分布のデータ（情報）と、日射計８によって測定された車内の日射量のデータ（情報）が制御装置９に伝送される。伝送されたデータに基づいて、制御装置９にて、図３に示すフローチャートに沿って日射透過率を決定し、目標とする日射透過率を実現するための制御入力を制御装置９から電源装置３０に伝送する。電源装置３０は、制御装置９の制御入力により、各窓ガラス３のＥＣフィルムに給電し、それによりＥＣフィルムは個別に調光される。なお、可能な限り少ない数のセンサで車内全体の温度分布を測定するため、本実施形態では赤外線カメラ７を客室内やデッキの天井へ設置している。客室内の赤外線カメラ設置位置の例を図４に示す。

【0013】

図４は、車内から見た天井部の下面図である。天井部は側天井パネル５０、中央天井パネル５１、照明カバー５２、スピーカ５３、赤外線カメラ７から構成される。赤外線カメラ７は、客室全体の温度分布を測定できるよう、枕木方向は天井部の中央かつ、レール方向は客室の端から客室長の１／４の距離の位置に設置する。ただし、使用するセンサや設置位置をこれに限定するものではない。

【0014】

例えば、図５に示すように赤外線カメラ７を妻カモイ（客室のレール方向端部壁の上部）１１の中央かつ、電光掲示板６０の上に設置してもよいし、あるいは電光掲示板６０の上に限らず、その側方に設置しても良い。さらに温度分布推定装置としての赤外線カメラの代わりに温度センサを設置してもよく、例えば図６に示すように吹寄せ１２の窓部からの日射や空調吹出口７０からの風が当たらない部分に、温度センサ７１を設置することができる。また、赤外線カメラと温度センサを併用しても良く、さらに赤外線カメラ７はＣＣＴＶカメラ装置の中に搭載された形とすることも可能である。

【0015】

また、日射計８は、窓ガラス３と同じように日光の当たる車外の構体側面（進行方向一方側および進行方向他方側）に設置することが望ましいが、制御装置９から日射計８に配線６を通すため、構体に新たな配線孔を開けることは製作性が悪い場合もある。そこで、本実施形態では、行先表示器１０の配線孔を利用し、図９に示すように日射計８を行先表示器１０に備えられている表示部８０の枠の部分に設置しているが、設置位置をこれに限定するものではない。

【0016】

他にも図１０に示すように、車体外部に取り付けられる車側灯９０の内部を遮光板９１で仕切り、遮光板９１を挟んでＬＥＤ電球９２と反対側である上部に日射計８を設置してもよい。これにより、ＬＥＤ電球９２の光が日射計８には入射しないため、日射計８の計測値に影響を及ぼすことなく、乗務員などは遮光板９１を介してまたは直接、ＬＥＤ電球９２の点灯の有無を確認することができる。なお、行先表示器１０に設置する場合は、日射計を設置したことで空気抵抗や騒音が発生しないよう、日射計の上面は構体表面と面一とする。

【0017】

図３に示すＥＣフィルムの日射透過率を決定するためのフローは、以下のとおりである。
まず、ステップ１００にて車両に通電する（主電源スイッチをオン操作する）と、ステップ１０１において、制御装置９は、営業運転時か否かを、行先表示器１０への制御入力などから判定する。営業運転とは、乗客が乗車可能な状態で鉄道車両を運転することをいい、乗客が乗車しているか否かは問わない。現在の車両が営業運転時でない（すなわち回送待機時や回送運転時、車内清掃時など）と判定した場合、制御装置９は、制御フローをステップ１０２に移行する。

【0018】

ステップ１０２において、制御装置９は、乗客が乗車していないことを前提に、全窓の日射透過率を一律に最小（規定値）とするようＥＣフィルム４を制御し、これにより日射負荷に伴う車内温度上昇や、座席の日焼け等を抑制する。その後、制御装置９は、制御フローをステップ１１２に移行する。

【0019】

これに対し、営業運転時と判定した場合は、制御装置９は、制御フローをステップ１０３に移行する。ステップ１０３において、制御装置９は、座席予約システムと連携していない車両か否かを、外部の座席予約システムからの制御入力の有無で判定する。座席予約システムと連携している車両と判定した場合、制御装置９は、制御フローをステップ１０４に移行する。

【0020】

ステップ１０４において、制御装置９は、窓際の席が、まもなく予約された区間となるか否か、座席予約システムから得られる座席予約区間の情報と、軌道回路から得られる車両の位置情報に基づいて判定する。なお、判定基準値は、乗務員が任意に設定できるものとする。また、車両の位置情報を得るための手段として、軌道回路を挙げているが、手段をこれに限定するものではなく、他にも車輪の回転数の積算値やＧｌｏｂａｌ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ（ＧＰＳ）の情報、車両の周囲の風景を画像認識技術によって解析することで、車両の位置を得てもよい。窓際の席が、まもなく予約された区間となると判定した場合は、制御装置９は、制御フローをステップ１１１に移行するが、しばらく予約された区間とならないと判定した場合は、制御フローをステップ１０５に移行する。

【0021】

これに対し、ステップ１０３において、連携していない車両と判定した場合は、制御装置９は、直ちに制御フローをステップ１０５に移行する。ステップ１０５において、制御装置９は、乗客による日射透過率を選択する入力はないか否かを、スイッチ３４からの制御入力の有無で判定する。制御入力があったときは乗客による日射透過率を選択する入力があると判定し、制御装置９は、制御フローをステップ１０６に移行する。

【0022】

ステップ１０６において、制御装置９は、スイッチ３４から出力された選択信号を優先し、制御フローをステップ１１２に移行する。

【0023】

これに対し、スイッチ３４からの制御入力がないときは、乗客による日射透過率を変更する入力がないと判定し、制御装置９は、制御フローをステップ１０７に移行する。ステップ１０７において、制御装置９は、日射量が閾値より大きいかを、日射計８から伝送された日射量のデータに基づいて判定する。トンネル走行時や夜間走行時などで日射量が閾値以下であると判定した場合、制御装置９は、制御フローをステップ１０８に移行する。

【0024】

ステップ１０８において、制御装置９は、全窓の日射透過率を最大とし、制御フローをステップ１１２に移行する。

【0025】

これに対し、日射量が閾値より大きいと判定した場合は、制御装置９は、制御フローをステップ１０９に移行する。ステップ１０９にて、制御装置９は、窓近辺の座席の温度が目標値以下かを、赤外線カメラ７や温度センサ７１によって得た車内の温度分布のデータを車内の温度の目標値に照らして判定する。目標値より大きいと判定した場合、制御装置９は、制御フローをステップ１１０に移行する。なお、目標値はあらかじめ任意に設定できるものとする。

【0026】

ステップ１１０において、制御装置９は、該当する窓の日射透過率を最小（規定値）とし、制御フローをステップ１１２に移行する。

【0027】

これに対し、窓近辺の座席の温度が目標値以下と判定した場合は、制御装置９は、制御フローをステップ１１１に移行する。ステップ１１１にて、制御装置９は、該当する窓の日射透過率を最大とし、制御フローをステップ１１２に移行する。

【0028】

制御装置９は、記憶した制御プログラムにて、制御装置９から電源装置３０に制御入力を伝送してからの時間をカウントしておき、また、一定時間経過したとみなす判定基準をあらかじめ任意に設定しておく。ステップ１１２にて、制御装置９は、カウントした時間を判定基準時間に照らして、窓の日射透過率を決定し、一定時間経過したかを判定する。一定時間経過していると判定した場合は、制御フローをステップ１０１に戻すが、一定時間経過していないと判定した場合、制御フローをステップ１１３に移行する。

【0029】

ステップ１１３にて、制御装置９は、車両の電源が遮断されたか否かを、車両の通電の有無で判定する。車両の電源が遮断されていないと判定した場合、制御装置９は、制御フローをステップ１１２に戻して日射透過率の制御を続行するが、遮断されていると判定した場合は、制御フローをステップ１１４に移行する。

【0030】

ステップ１１４にて、制御装置９は、日射透過率の制御を終了する。

【0031】

［実施形態２］
上記の実施形態１の制御をそのまま適用すると、車両走行時、日射計８に短い間隔で断続的に影が差しかかった場合など、ステップ１０７における日射計８の測定値に応じて窓の日射透過率が目まぐるしく変わり、乗客が不快に感じることが懸念される。そこで、日射透過率を決定する際に参照する日射量を、制御装置９が例えば数十秒の時間平均をとった平均値などとすることで、ＥＣフィルムの応答が頻繁に変化しないようにすることができる。

【0032】

［実施形態３］
また、乗車しようとする乗客が、座席予約システムを介して、予約時に必要に応じて、好みの空調温度も登録可能としておくこともできる。例えば、乗客が持つ電子端末や駅の発券機などから乗車する座席と区間を入力したときに、合わせて好みの空調温度を入力してもよい。入力した空調温度は、制御装置を介してステップ１０９の目標値に反映され、乗車する座席と区間において、乗客の好みに応じた空調温度となるよう日射透過率を制御し、より快適な車内空間の提供を実現する。

【0033】

［実施形態４］
次に実施形態４の制御について、図７を用いて説明する。本実施形態は、営業運転時に日射が当たっている側の窓の日射透過率を一斉に規定値に変更するものである。

【0034】

実施形態４については、実施形態１の制御フローから変更があるステップのみ、以下に説明する。

【0035】

ステップ１０１に続くステップ１３０にて、制御装置９は、車両の海側または山側のどちらに日射が当たっているか、日射計８によって測定された海側と山側の日射量のデータを比較し判定する。制御装置９は、車両の山側に日射が当たっていると判定した場合は、制御フローをステップ１３１に移行し、一方、海側に日射が当たっていると判定した場合は、制御フローをステップ１３２に移行する。

【0036】

制御装置９は、ステップ１３１においては、山側の窓の日射透過率を一斉に最小（規定値）とするが、ステップ１３２においては、海側の窓の日射透過率を一斉に最小（規定値）とし、その後、制御フローをステップ１１２に移行する。なお、ステップ１３０～１３２において、「山側」を「車両進行方向左側」、「海側」を「車両進行方向右側」としてもよい。

【0037】

［実施形態５］
次に実施形態５の制御について、図８を用いて説明する。本実施形態は、座席位置の目標温度と実際の温度との差に応じて、窓の日射透過率を比例制御するものである。

【0038】

実施形態５についても、実施形態１の制御フローから変更があるステップのみ、以下に説明する。

【0039】

ステップ１０７に続くステップ１０９において、制御装置９は、窓近辺の座席の温度が目標値以下か否かを、赤外線カメラ７や温度センサ７１によって得た車内の温度分布のデータを車内の温度の目標値に照らして判定する。窓近辺の座席の温度が目標値より大きい場合、制御装置９は、制御フローをステップ１４０に移行するが、目標値以下の場合は、制御フローをステップ１４１に移行する。なお、目標値はあらかじめ任意に設定できるものとする。

【0040】

制御装置９は、ステップ１４０においては、目標値との差に比例して該当する窓の日射透過率を小さくするが、ステップ１４１においては、目標値との差に比例して該当する窓の日射透過率を大きくし、その後、制御フローをステップ１１２に移行する。これにより、窓近辺の座席の温度に応じて、より細やかな日射透過率の制御を行える。

【0041】

［実施形態６］
図３のＥＣフィルムの日射透過率を決定するためのフローに加えて、季節や時間帯、走行状況に応じて、ＥＣフィルムの日射透過率を制御してもよい。例えば、制御装置９は、内蔵するカレンダーと時計などに基づいて太陽の高度に関する情報を取得し、この情報に基づいてＥＣフィルムを制御できる。具体的には、冬場（座席の目標温度よりも外気温が低い場合）は、日射透過率を常に最大とする。朝日や夕日が差し込む時間帯は、乗客がまぶしくないように、日が当たる窓に貼付したＥＣフィルムの日射透過率を最小（規定値）とする。ただし、曇天時や雨天時等の場合には太陽光が入射しないため、日射計８の測定値から曇天時や雨天時等と判断した場合、ＥＣフィルムの日射透過率を最大とする。

【0042】

また、制御装置９は、鉄道車両の位置情報を取得し、この情報に基づいてＥＣフィルムを制御できる。具体的には、鉄道車両の位置情報から、車両が駅のプラットホームに到着する前から出発する後まで、プラットホーム側の窓に貼付したＥＣフィルムの日射透過率を最小（規定値）とすることで、プラットホームにいる乗客からの視線を遮るようにし、より快適な車内空間の提供を実現することもできる。

【0043】

本発明によれば、日射量と車内の温度分布に基づいて、窓の調光を座席位置によって個別に行うことが可能となり、車内の快適性を損なわずに日射による空調への熱負荷を低減することができる。本発明者の試算によれば、最大93%の熱負荷低減を実現できる。

【符号の説明】

【0044】

１…構体、２…側引戸、３…窓ガラス、４…ＥＣフィルム、５…隅柱、６…配線、７…赤外線カメラ、８…日射計、９…制御装置、１０…行先表示器、１１…妻カモイ、１２…吹寄せ、３０…電源装置、３１…パッキン、３２…電極パッド、３３…窓枠、３４…スイッチ、５０…側天井パネル、５１…中央天井パネル、５２…照明カバー、５３…スピーカ、６０…電光掲示板、７０…空調吹出口、７１…温度センサ、８０…表示部、９０…車側灯、９１…遮光板、９２…ＬＥＤ電球

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】