JP2005053330A - 鉄道車両用電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 車体床下の機器を覆うカウルが取り付けられた鉄道車両の車体床下に設置される電力変換装置を提供する。
【解決手段】 電力変換装置１は、鉄道車両２に取り付けられた際に車体中央側になる筐体５側面に保護カバー６と、その保護カバー６の内側に半導体素子９が発する熱を放散する放熱器７とを備え、車体中央部を流れる走行風または自然通風によって半導体素子９が発する熱を放散する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、車体床下の機器を覆うカウルが取り付けられた鉄道車両の車体床下に設置される電力変換装置に関する。

一般的な鉄道車両２の床下には電力変換装置２０が設置されている。図９は、鉄道車両２を側面から見た図であり、図９に示すように、電力変換装置２０は鉄道車両２の床下、前後の車輪の間に設置されている。

この電力変換装置２０には様々な半導体素子２５が用いられており、半導体素子２５を含む電力変換回路によって電力変換が行われているが、電力変換を正常に行うためには半導体素子２５から発生する熱を大気に効率良く放散し半導体素子２５の温度上昇を抑える必要がある。そのため半導体素子２５を何等かの方法で冷却する必要がある。

半導体素子２５を冷却する方法には、強制冷却方式と自然冷却方式の２つがあり、強制冷却方式には電動送風機を用いて強制的に送風冷却を行うものがある。しかし、電動送風機を用いることによって保守点検作業が必要となり、鉄道車両２を運用する上で、強制冷却方式は好ましい冷却方法ではない。

また、自然冷却方式としては、電動送風機を用いずに、鉄道車両２の走行に伴って発生する走行風を利用した自然通風方式の冷却器を用いて冷却を行うものがある。この場合、大気への熱放散性が良好となるよう冷却器の放熱部を車体側方側に向けて適用するのが一般的である。

図１０は、図９の鉄道車両２のＸ−Ｘ矢視図である。図１０に示すように、従来の電力変換装置２０は、鉄道車両２の床下、車体側方側に設置される。図１０中（ｂ）に示す鉄道車両２の床下、車体中央部に設けられる空間は、保守点検作業等を行うために用意されたスペースであり、この空間は必ず確保されなければならない。

また、図１１は、従来の自然通風方式を採用した電力変換装置２０の構成図である。図１１に示すように、従来の電力変換装置２０は、保護カバー２２、放熱器２３、および受熱板２４を備えている。電力変換装置２０の筐体２１には、鉄道車両２に取り付けられた際に車体側方側になる筐体２１側面に開口部が設けられており、その開口部には受熱板２４が取り付けられ、電力変換装置２０を構成する半導体素子２５の発熱部分がその受熱板２４に接合されている。また、受熱板２４には、ヒートパイプ２６と放熱フィン２７とからなる放熱器２３が取り付けられている。

また、保護カバー２２は、走行風によって飛散するバラスト（砂利）等、障害物の放熱器２３への衝突を防止するために取り付けられている。

このように電力変換装置２０を構成することによって半導体素子２５の発する熱が受熱板２４に蓄積され、受熱板２４に蓄積された熱はヒートパイプ２６によって放熱フィン２７側に移動され、走行風によって放熱フィン２７から熱が放散されるようになっている。

ところで、近年の鉄道車両２には、図９〜１１に示すように、電力変換装置２０が取り付けられている車体下部にまでカウル３が取り付けられている。このカウル３は、電力変換装置２０等の走行抵抗によって発生する風切り音の低減や、通電部品から発生する磁歪音の遮蔽を目的として取り付けられている。

また、カウル３には鉄道車両２全体の美観を向上させる役割もあり、さらには高電圧通電される機器への触手を防止するといった安全上の効果や、多雪地帯を走行する車両では種々機器の車体側方側に生ずる凹凸を無くすことで着雪を防止する効果もある。

また、このカウル３の内側面には吸音材４が取り付けられており、電力変換装置２０等によって発生する騒音を吸収する役割を果たしている。

ところが、自然通風方式において電力変換装置２０の車体側方側にカウル３が設けられることは、放熱の観点からは好ましい状況ではない。また、防音の目的からカウル３内側面に取り付けられる吸音材４や吸音塗装も、その性質上、放熱条件を悪化させる要因となる。

つまり、カウル３や防音材によって熱を放散させるための空間が熱のこもり易い密閉された状態に近くなり、放熱器２３から放散される熱がカウル３に覆われた床下の部分にこもり易くなることによって、効率良く放散されない状況が発生する。放熱器２３は自然対流により放熱フィン２７の表面と外気との間で熱交換を行うが、カウル３や防音材に覆われていることで自然対流の空気流速は遅くなり熱伝達率が悪くなってしまう。また、必然的にカウル３に覆われた部分の空気温度も高くなってしまう。

放熱フィン２７が所定の熱量を放散するためには、放熱フィン２７と外気との温度差を十分に確保する必要があるが、カウル３に覆われた空間の外気温度の上昇に伴って、放熱器２３自体の温度も高くなってしまう。放熱器２３の温度上昇はそのまま受熱板２４、ひいては半導体素子２５の温度も上昇させてしまうこととなる。

加えて、電力変換装置２０全体の温度も高くなることになるので、半導体素子２５の温度のみならず、電力変換装置２０の筐体２１内の空気温度も上昇させることとなり、内部に収納された他の電気，電子部品にとっても好ましくない。特に、熱に弱い電子部品を搭載したプリント基板等の部品では、その信頼性の低下につながる恐れがある。

一方、電力変換装置２０の取り付け位置を車体中央部に移動することによって、熱を放散するための空間を広く確保することは可能であるが、先に述べたように、車両中央部には保守点検作業等を行うための作業スペースを確保する必要があり、電力変換装置２０の大きさと取り付け位置の関係から車体側方側に確保できる空間には限界がある。

また、近年は、鉄道車両２の走行に伴って発生する騒音も公害として認知されるようになっており、その対策上、鉄道車両２から床下部分を覆うカウル３を取り除くことができない。
特開２０００−９２８１９号公報 特開２０００−１６１８８０号公報 特開２００１−２６０８７７号公報

解決しようとする問題点は、半導体素子から発生する熱を放散するための空間が確保できず、十分に熱を放散できない点であり、車体床下の機器を覆うカウルが取り付けられた鉄道車両でも良好な熱放散を実現する鉄道車両用電力変換装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明である鉄道車両用電力変換装置は、車体床下の機器を覆うカウルが取り付けられた鉄道車両の床下に設置される鉄道車両用電力変換装置であって、前記鉄道車両に設置された際に車体中央側になる当該鉄道車両用電力変換装置の筐体側面に、電力変換回路を構成する半導体素子が発する熱を走行風または自然通風によって放散する放熱器を備えることを特徴とする。

また、請求項２に記載の鉄道車両用電力変換装置は、請求項１に記載の鉄道車両用電力変換装置であって、前記筐体は、前記鉄道車両に設置された際に車体中央側になる側面に開口部を有し、前記鉄道車両用電力変換装置は、当該開口部を閉塞するように取り付けられ前記半導体素子が発する熱を吸収する受熱板を備え、前記放熱器は当該受熱板に接合されることを特徴とする。

また、請求項３に記載の鉄道車両用電力変換装置は、請求項１乃至請求項２に記載の鉄道車両用電力変換装置であって、前記鉄道車両用電力変換装置は、障害物の衝突から前記放熱器を保護するための保護カバーを備えることを特徴とする。

また、請求項４に記載の鉄道車両用電力変換装置は、請求項２乃至請求項３に記載の鉄道車両用電力変換装置であって、前記放熱器は、作動液の還流によって熱を移動させる複数のヒートパイプと複数の大気へ熱放散を行う放熱フィンとを備え、当該ヒートパイプの入熱部が前記受熱板に接合され、当該ヒートパイプの放熱部が当該放熱フィンに接合されることを特徴とする。

本発明によれば、電力変換装置の放熱器を車体中央側に配置することによって、車体床下中央部を流れる走行風または自然通風によって良好な熱放散を行うことが可能となり、車体床下の機器を覆うカウルが取り付けられた鉄道車両でも半導体素子の温度上昇を抑制することができ、安定した電力変換を行うことができる。

本発明の実施の形態について、図１〜図８に基づいて説明する。

図1は、本発明の電力変換装置１を鉄道車両２の正面方向から見た図である。図１に示すように、電力変換装置１は、鉄道車両２に取り付けられた際に車体中央側になる筐体５側面に保護カバー６を備え、その保護カバー６の内側に半導体素子９が発する熱を放散する放熱器７を備える。この電力変換装置１は、従来と同様に鉄道車両２の床下、車体側方側に配置される。

また、図１に示す実施形態では、鉄道車両２の車体側方に従来と同様にカウル３と吸音材４が取り付けられている。本発明における電力変換装置１は、車体中央部に熱を放散するため、吸音材４を含むカウル３と電力変換装置１との間には空間を設ける必要はなく、吸音材４を含むカウル３と電力変換装置１の筐体５を一体成形品として構成しても良い。

また、図２は、図１のＸ方向の矢視図であり、図３は図１のＹ−Ｙ矢視図である。保護カバー６は、走行風によって飛散するバラスト（砂利）等、障害物の放熱器７への衝突を防止するために設けられており、図1〜３に示すように、走行方向、保護カバー６上方、および走行方向に直行する方向に、網目状の通風孔を多数有する。なお、通風孔の形状については特に限定しないが、通常、線路上に有り得る障害物が通り抜けない大きさ、形状であることが必要とされる。

以下、図４〜図８に基づいて電力変換装置１の構成について詳細に説明する。

図４は、本発明における電力変換装置１を鉄道車両２の正面方向から見た構成図であり、図５は、本発明における電力変換装置１の構成を示す図である。図４に示すように、電力変換装置１は、鉄道車両２の床下、車体側方側、保守点検作業等を行うための車体中央部に空間を設けて設置される。

図５に示すように、電力変換装置１は、筐体５、保護カバー６、放熱器７、および受熱板８を備える。電力変換装置１の筐体５には、鉄道車両２に取り付けられた際に車体中央側になる筐体５側面に開口部が設けられ、その開口部を閉塞するように受熱板８が取り付けられ、電力変換回路を構成する半導体素子９の発熱部分がその受熱板８に接合される。

また、受熱板８には、複数の放熱フィン１１と複数のヒートパイプ１０とから構成される放熱器７が設置され、個々のヒートパイプ１０の入熱部が受熱板８に、放熱部が放熱フィン１１にそれぞれ接合される。なお、ヒートパイプ１０の熱移送容量は、半導体素子９の発熱量より十分に大きくなければならない。

このように電力変換装置１を構成することによって、電力変換装置１の筐体５内の半導体素子９が発する熱は受熱板８に吸収され、ヒートパイプ１０内部の作動液の還流によって受熱板８に蓄積された熱が放熱フィン１１に伝わり、車体中央部を流れる走行風または自然通風によって放散され、車体床下の機器を覆うカウル３が取り付けられた鉄道車両２でも半導体素子９の温度上昇を抑制することができ、安定した電力変換を行うことができる。

また、図６は、保護カバー６上部に放熱空間（ａ）を設けるようにした電力変換装置１の構成図である。電力変換装置１の筐体５内の半導体素子９は可能な限り筐体５の底部に近い方に設置することが望ましく、半導体素子９を筐体５の底部に設置することによって受熱板８、および放熱器７の設置位置も低くすることができ、保護カバー６上部に放熱空間を設けることができる。保護カバー６上部に放熱空間を設けることによってより効率的に熱の放散を行うことが可能となり、半導体素子９の温度上昇を抑制することができ、安定した電力変換を行うことができる。

また、図７は、図５の電力変換装置１から保護カバー６を除いた場合の構成図である。熱放散の観点から鑑みると、保護カバー６を設けない方が車体中央部を流れる走行風または自然通風はより効率良く放熱器７にあたることになり、電力変換装置１の最良の構成であると言える。しかし実際の運用上は保護カバー６を必要とする場合が大半であると想定されるが、鉄道車両２が走行する線路の条件、衝突によって放熱器７を損傷するような障害物が存在しないと想定される極めて特殊な場合は、電力変換装置１は保護カバー６を備える必要はない。

また、図８は、鉄道車両２を上方から見た場合の電力変換装置１の配置を示す図であり、複数の電力変換装置１、または複数の放熱器７の取り付ける場合の配置例を示す図である。鉄道車両２の車体に複数の電力変換装置１または複数の放熱器７を設置する場合は、その設置位置を分散することによって熱の放散を分散させ、局所的な温度の上昇を抑制することが望ましい。

そのため、図８に示すように、放熱器７が車両床下、中央部の空間の一部に集中した配置されないよう、交互に設置位置をずらして配置する。図８は、鉄道車両２の進行方向に放熱器７を交互にずらして配置しているが、さらにそれぞれの放熱器７を上下にずらして配置してもよい。このように交互にずらして配置することによって、放熱空間の局所的な温度上昇を抑制することが可能となり、半導体素子９の温度上昇を抑制することができ、安定した電力変換を行うことができる。

電力変換装置を鉄道車両の正面方向から見た図である。 図１のＸ方向の矢視図である。 図１のＹ−Ｙ矢視図である。 電力変換装置を鉄道車両の正面方向から見た構成図である。 電力変換装置の構成を示す図である。 保護カバー上部に放熱空間を設けるようにした電力変換装置の構成を示す図である。 図５の電力変換装置から保護カバーを除いた場合の構成を示す図である。 鉄道車両に複数の電力変換装置を設置する場合の取り付け例を示す図である。 鉄道車両全体を示す図である。 図９のＸ−Ｘ断面図である。 従来の電力変換装置の構成を示す図である。

符号の説明

１ 電力変換装置
２ 鉄道車両
３ カウル
４ 吸音材
５ 筐体
６ 保護カバー
７ 放熱器
８ 受熱板
９ 半導体素子
１０ ヒートパイプ
１１ 放熱フィン
２０ 電力変換装置（従来）
２１ 筐体（従来）
２２ 保護カバー（従来）
２３ 放熱器（従来）
２４ 受熱板（従来）
２５ 半導体素子（従来）
２６ ヒートパイプ（従来）
２７ 放熱フィン（従来）

Claims (4)

1. 車体床下の機器を覆うカウルが取り付けられた鉄道車両の床下に設置される鉄道車両用電力変換装置であって、
   前記鉄道車両に設置された際に車体中央側になる当該鉄道車両用電力変換装置の筐体側面に、電力変換回路を構成する半導体素子が発する熱を走行風または自然通風によって放散する放熱器を備えることを特徴とする鉄道車両用電力変換装置。
2. 前記筐体は、前記鉄道車両に設置された際に車体中央側になる側面に開口部を有し、
   前記鉄道車両用電力変換装置は、当該開口部を閉塞するように取り付けられ前記半導体素子が発する熱を吸収する受熱板を備え、前記放熱器は当該受熱板に接合されることを特徴とする請求項１に記載の鉄道車両用電力変換装置。
3. 前記鉄道車両用電力変換装置は、障害物の衝突から前記放熱器を保護するための保護カバーを備えることを特徴とする請求項１乃至請求項２に記載の鉄道車両用電力変換装置。
4. 前記放熱器は、作動液の還流によって熱を移動させる複数のヒートパイプと複数の大気へ熱放散を行う放熱フィンとを備え、当該ヒートパイプの入熱部が前記受熱板に接合され、当該ヒートパイプの放熱部が当該放熱フィンに接合されることを特徴とする請求項２乃至請求項３に記載の鉄道車両用電力変換装置。
   
   

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