JP2005271646A

JP2005271646A - 鉄道車両用走行風冷却装置

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Publication number: JP2005271646A
Application number: JP2004084790A
Authority: JP
Inventors: Masahiko Horiuchi; 雅彦堀内; Seiichi Watanabe; 清一渡辺; Naoki Kobayashi; 小林　　直樹
Original assignee: East Japan Railway Co
Current assignee: East Japan Railway Co
Priority date: 2004-03-23
Filing date: 2004-03-23
Publication date: 2005-10-06
Anticipated expiration: 2024-03-23
Also published as: JP4549086B2

Abstract

【課題】発熱源としての電力変換装置外形の小型化を可能にするとともに、冷却性能の向上を図った冷却方式を有する鉄道車両用走行風冷却装置を提供することにある。
【解決手段】素子の発生熱を冷媒を用いて受熱し、ポンプの動力にて配管を経由して放熱部に熱輸送する強制熱輸送方式を利用した循環冷却システムを構築するようにしている。すなわち、冷媒を流通させる通路が設けられた受熱部と、走行風が流れる流路中に設けられた放熱部７と、該放熱部と前記受熱部との間で前記冷媒を流通させる流路とを有し、前記前記走行風が流れる流路は、車体の床下部に車体表面に連続して設けれた床下カバー１０から、前記車体の内側方向へ窪ませて設けている。
【選択図】図２

Description

本発明は受熱部と放熱部を配管で接続してポンプにより冷媒を循環させて発生熱を輸送し、放熱部に走行風を取込み冷却する循環冷却システムを有する鉄道車両用走行風冷却装置に係わり、特に電力変換装置の小型化、冷却性能向上を図れるようにした鉄道車両用走行風冷却装置に関するものである。

図８は特開２００３−４８５３３号公報の図２５〜２７に記載された、走行風を利用して冷却を実施している従来構造の鉄道車両用走行風冷却電力変換装置２６の斜視図を示す。電力変換装置２６内部にはパワーユニット２３が配置してある。

パワーユニット２３は半導体素子３、ヒートブロック２０、冷却フィン２１、ヒートパイプ２２から構成されている。素子３の発生熱は熱伝導原理を利用して冷却フィン２１に輸送され車両床下面を流れる走行風で冷却されるのと同時に、沸騰潜熱輸送原理を利用してヒートパイプ２２に輸送され車両側面から取込んだ走行風で冷却される。

素子の発生熱を車両床下並びに側面に輸送するために熱伝導原理または沸騰潜熱輸送原理を利用しているが、これらの熱輸送手段を用いて効率よく熱輸送するためには、受熱部であるヒートブロック２０と放熱部である冷却フィン２１、ヒートパイプ２２をごく近傍に配置する必要がある。

このため、パワーユニット２３は走行風取込み可能な車両床下並びに車両側面に直ぐに面するように、電力変換装置２６内部の下部または側部位に平面的に配置されることとなる。この平面的なパワーユニット２３配置の制約を受けるために電力変換装置２６小型化には限界が発生していた。

走行風を取込むための床下カバー開口部２４は矩形であり、開口部２４内部に配置されている導風ガイド２５は直線的に傾いた形状となっている。

車両側面に沿って流れている走行風２７を開口部２４から取込む場合、一般的に開口部２４端面で流れの剥離が起こりやすいために、導風ガイド２５の流れに対する傾斜角度はできる限り小さくする必要がある。一般的に剥離を起こさない角度は７°以下と報告されている。しかしながら、ヒートパイプ２２全面に走行風を取込むために導風ガイド２５の流れに対する傾斜角度は７°以上に大きくなっており、剥離が生じて走行風取込み効率が悪化している。

また、床下カバーに設けられた開口部２４について、矩形形状では開口部エッジでの流体剥離が大きくなり走行風取込み効率が悪化している。
特開２００３−４８５３３号公報

以上のように、走行風を利用して冷却する電力変換装置において、発生熱を熱伝導原理または沸騰潜熱輸送原理を利用して輸送する冷却フィン２１、ヒートパイプ２２を用いた冷却方式では電力変換装置が小型化できないという問題がある。

また、走行風を取込むための床下カバー開口部２４形状並びに導風ガイド２５形状が流体的に剥離を助長する形状となっており、走行風取込み効率が悪化して冷却性能を低下させている問題がある。

本発明の第１の目的は電力変換装置外形の小型化を可能にする冷却方式を有する鉄道車両用走行風冷却装置を提供することにある。

本発明の第２の目的は冷却性能向上を可能にする走行風取込み形状を提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明では、素子の発生熱を冷媒を用いて受熱し、ポンプの動力にて配管を経由して放熱部に熱輸送する強制熱輸送方式を利用した循環冷却システムを構築するようにしている。すなわち、冷媒を流通させる通路が設けられた受熱部と、走行風が流れる流路中に設けられた放熱部と、該放熱部と前記受熱部との間で前記冷媒を流通させる流路とを有し、前記前記走行風が流れる流路は、車体の床下部に車体表面に連続して設けれた床下カバーから、前記車体の内側方向へ窪ませて設けている。

従って、受熱部と放熱部は電力変換装置の任意の部位に配置し、その間を配管で接続することが可能となり、車両床下スペースを有効に利用して電力変換装置の小型化が可能となる。

また、本発明では、放熱部を車体床下カバー内側に配置し、その両側に走行風を取込むための開口部を設けている。

従って、車体側面を流れている走行風を最も取込み易い位置に放熱部が配置できるので、取込むことができる走行風も大きく冷却性能向上が期待でき、放熱部の小型化とポンプ容量の小型化によって電力変換装置全体の小型化が可能となる。

さらに本発明では、冷媒循環冷却システムに放熱部を追加配置し、車両に搭載している電力変換装置以外の機器からの冷却風の一部を追加した放熱部に強制的に導風するようにしている。

従って、走行風による冷却風確保以外に追加の冷却風を得ることができ、冷却性能の向上が可能となる。

さらに本発明では、走行風取込み口形状を走行風流入方向に対して徐々に広げるような構造としている。

従って、走行風流体の剥離は開口部先端の１点でのみ発生し、徐々に両側２本に広がった形状端部で走行風を巻き込みながら取込むことができ、走行風導入効率向上による冷却性能の向上が可能となる。

さらに本発明では、冷却に必要な放熱部容量を請求項１に対する発明と同じに確保した状態で集約し、通風方向を車両進行方向に平行に配置するようにしている。

従って、放熱部を車両進行方向に対して短くできるので、電力変換装置の小型化が可能となる。
さらに本発明では、導風ガイドの傾きを複数段にするように形成している。
従って、走行風の流体は流れ方向に対して急激な傾きの変化がないので剥離しにくくなり、より多くの走行風を取込むことができ、冷却性能の向上が可能となる。

以上説明したように、本発明の鉄道車両用走行風冷却電力変換装置によれば、受熱部と放熱部を配管で接続してポンプにより冷媒を循環させて発生熱を輸送し、放熱部に走行風を取込み冷却する循環冷却システムを使用するので装置の小型化、冷却性能向上を図ることが可能となる。

さらに、放熱部を車両側面に配置しているので、車両定期点検時等の清掃作業が容易に実施でき、省メンテナンス化を図ることが可能となる。

本発明は、車両が走行することによって得られる走行風を利用して機器発生熱を冷却する鉄道車両用電力変換装置において、受熱部と放熱部を配管で接続してポンプにより冷媒を循環させて発生熱を輸送し、放熱部に走行風を取込み冷却する循環冷却システムを構築することによって、電力変換装置の小型化を実現するようにするものである。また、走行風取り入れ部の構造を流体力学の見地から最適化し、より多くの走行風を導風して冷却性能向上を図るようにするものである。

以下、上記のような考え方に基づく本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

（第１の実施の形態）
図１は本実施の形態による鉄道車両用走行風冷却電力変換装置の構成例を示す斜視図（車体下面からの装置斜視図）、図２は図１の電力変換装置のみを内部構造がわかるように表示した斜視図、図７は図２の受熱部のみを内部構造がわかるように表示した斜視図であり、第１の実施の形態について図１、図２、図７を用いて説明する。

図７において、発熱を伴う半導体素子３は受熱部４に実装されている。受熱部４内部には熱を輸送する冷媒が循環できるよう流路１７が設けられている。流路１７内を冷媒が流れて受熱部４内部を通過することにより、半導体素子３の発生熱を吸収し熱輸送を実施する。尚受熱部４は、例えば、半導体素子３が実装される絶縁性基板に金属等からなる放熱板を積層した構造、あるいは、金属基板の表面にほうろう等の絶縁層を設けたものであって、前記放熱版や金属基板の内部やその表面に冷媒の流路を設けた構造となっている。

図２において、パワーユニット５は電力変換部の中枢であるが、半導体素子を含む多数の電気部品から構成されている。多数の電気部品の中で最も発熱し、冷却が必要な部品は半導体素子３であるが、その実装形態は図７としており、パワーユニット５に冷媒循環用の配管２８が接続され、半導体素子３の発生熱はポンプ６で冷媒を圧送することにより放熱部７に輸送される。

放熱部７は車両床下カバー１０の内側にスペース効率良く配置している。通常、このスペースは車体形状の制約を受けるため、狭く機器類の実装が困難なスペースであるが、放熱部７は冷却性能を確保するために長細く通風面積を広く確保した形状としたことで、この狭いスペースを有効に活用でき配置が可能となっている。前記放熱部７は、冷媒が流れる流路となるパイプを所定の空間（例えば図２に符号７で示された放熱部の空間）内で多数回屈曲させ、該空間を流れる流体（より具体的には走行風）に接触する表面積をできるだけ大きく確保するようにした構成となっている。

放熱部７に走行風を取込むために、床下カバー１０に開口部１１が設けられている。また、走行風を放熱部７に導風するために導風ガイド１３が設けられている。走行風は車体床下カバー１０に沿って流れているが、開口部１１に接続されている導風ガイド１３に沿って、流れが曲げられ、放熱部７に導風される。

開口部１１は矩形形状としており、導風ガイド１３は放熱部７全体に走行風が通風できる角度に構成している。導風ガイド１３に沿って、流れが曲げられる時、導風ガイド１３の角度が急であれば、流れが曲がりきれず剥離して走行風の取込み量が減少して冷却性能の低下を招く。一般的に剥離限界角度は７°と言われているが、第１の実施の形態では７°以上になっており、境界層において流れの剥離が生じる可能性があるから、車体１の前号方向へのスペースが許す限り、前記角度を前記剥離限界角度以下に小さくすることが望ましい。また、図示の例では、発熱源である電力変換装置２と放熱部７とを車両の走行方向へほぼ位置を揃えて設けたが、これらの位置を車両の走行方向へずらして配置することにより、放熱部７を設けるための幅方向へのスペースに相当する分だけ電力変換装置２等の発熱源の幅方向への寸法の制限を緩和することができる。また、発熱源で生じた熱が放熱部７から外部へ放出されるので、発熱源自体の通気性を考慮するする必要がなく、したがって、空気抵抗を考慮して設けられるカバーの内側等、車体内あるいは床下等における通風性の悪いスペースに前記発熱源を配置することができる。

次に、以上のように構成した本実施の形態による鉄道車両用走行風冷却装置の作用について説明する。

図２において、パワーユニット５とポンプ６は電力変換装置２内部の任意の場所に配置できる。本実施の形態では車両進行方向に対して、電力変換装置２の長さ方向を最も小さくするように配置している。図８の従来技術では、パワーユニット２３の配置が制約されるために電力変換装置２６の車両進行方向に対する長さの小型化には限界があったが、本実施の形態では長さの小型化が可能となる。

さらに放熱部７についても、電力変換装置２の内部でなく、床下カバー１０の若干内側という、車体１の表面よりわずかに内側の位置に設けたので、狭く機器類の実装が困難な車両床下カバー内側スペースに有効に配置できる。このため、電力変換装置２には放熱部７を収納する必要がなく、更なる小型化が可能となる。

（第２の実施の形態）
図３は本実施の形態による鉄道車両用走行風冷却装置の構成例を示す斜視図である。図２と同一要素には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分についてのみ説明する。

図３において、循環冷却システムに追加の放熱部９を配置する。床下にぎ装された電力変換装置２以外の電機機器装置（他の電機機器）１６を放熱部９の近傍に配置する。

次に、以上のように構成した本実施の形態による鉄道車両用走行風冷却電力変換装置の作用について説明する。

電機機器装置１６の冷却風１９の一部が強制的に放熱部９を通過するので、冷却性能向上を図ることが可能となる。また、追加の放熱部９と電機機器装置１６は台数、配置位置、組み合わせに制約は無く、任意に増やすことができ、更なる冷却性能向上が可能となる。

（第３の実施の形態）
図４は本実施の形態による鉄道車両用走行風冷却装置の構成例における走行風取込み口形状の斜視図である。図２と同一要素には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分についてのみ説明する。

図４において、開口部１２形状は走行風流入方向に対して徐々に幅を広くした形状としている。鉄道車両は両方向に走行するため、開口部形状は対称形状とし、各進行方向に対して徐々に開口部幅が広くなるように配置している。

走行風が取込み口に達した部分では流体の巻き込みや剥離が生じる。図４の走行風流線３０は流入方向に対して開口部１２に達した部分で斜めに接するために、巻き込み現象が発生して走行風流入を促進する。一方、図２における矩形形状の開口部１１では、導風ガイド１３の角度が大きい場合、流入先端で開口部幅部分で走行風流線２８の剥離が生じ、かつ、走行風流線２９は開口部幅が平行なため、巻き込み現象が小さくなり走行風流入が促進できない可能性がある。

以上のような考えの元で、アメリカで開発された形状（ＮＡＣＡモデル）等を用いて、走行風の流路の抵抗を低減することが望ましい。

（第４の実施の形態）
図５は本実施の形態による鉄道車両用走行風冷却装置の構成例における放熱部の斜視図である。図２と同一要素には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分についてのみ説明する。
図５において、放熱部８の通風方向は車両進行方向に平行に配置している。

放熱部８は図２の放熱部７と同様の放熱面積を確保しており、冷却性能は同等である。走行風流入方向の外形長さを小さくしているので、放熱部と導風部分を総合したスペースの小型化が可能となる。放熱部形状については放熱部７並びに放熱部８ともに、車両のぎ装の制約に合わせた選択が可能であり構造の自由度が増す。

（第５の実施の形態）
図６は本実施の形態による鉄道車両用走行風冷却電力変換装置の構成例における導風ガイドの斜視図である。図２と同一要素には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分についてのみ説明する。

図６において、導風ガイド１５は流入方向に対して複数段に傾斜角度を変更している。

図２におけて、導風ガイド１３に沿って、流れが曲げられる時、導風ガイド１３の角度が急であれば、流れが曲がりきれず剥離して走行風の取込み量が減少して冷却性能の低下を招く。一般的に剥離限界角度は７°と言われているが、第１の実施の形態では７°以上になっており、流れの剥離が生じて抵抗が増加する可能性がある。

図６において、走行風流入先端部の角度は、ある剥離限界角度としての７°以下とし、剥離が無いように走行風を導風している。その後、中間地点でさらに７°以下の角度で導風ガイドを傾斜させて放熱部８に導風している。導風ガイドの寸法に制限がある場合は複数段に傾斜角度を変化させることによって、剥離を生じ難くし、走行風導入効率向上を図ることが可能となる。実際の実施段階では流体粘性、構造物の表面粗さの関係から７°限定されるものではなく、最適値を求めて実施することになる。

（その他の実施の形態）
なお、本発明は、実施段階でその主旨を逸脱しない範囲で種々に変形して実施でき、適宜、組合せて実施できる。組み合わせた場合は組み合わせた効果を得ることができる。また、本願の冷却装置は、電力変換装置以外の他の発熱源の冷却にも利用することができる。また、受熱部に対して放熱部を相対的に上方の位置に配置し、これらの間を適当な勾配を持った流路（流路として利用されるパイプ）で接続することにより、受熱部の熱により蒸発した冷媒を上方の放熱部へ移動させ、放熱部で冷却されて液化した冷媒を重力によって流路の傾斜に沿って受熱部へ戻す方式を採用すれば、冷媒用のポンプを省略し、あるいはポンプ駆動に要する負荷を最小限にするができる。さらに、受熱部と放熱部とは一対一の関係にある必要はなく、複数の受熱部から供給される冷媒を集中させて一つの放熱部で放熱させても、あるいは、単一の受熱部から供給される冷媒を複数の放熱部に分散させて放熱させてもよい。

本発明による鉄道車両用走行風冷却装置の第１の形態を示す斜視図図１の電力変換装置のみを内部構造がわかるように表示した斜視図本発明による鉄道車両用走行風冷却装置の第２の形態を示す斜視図本発明による鉄道車両用走行風冷却装置の第３の形態を示す斜視図本発明による鉄道車両用走行風冷却装置の第４の形態を示す斜視図本発明による鉄道車両用走行風冷却装置の第５の形態を示す斜視図図２の受熱部のみを内部構造がわかるように表示した斜視図従来の鉄道車両用走行風冷却装置の斜視図図８のパワーユニット部分の斜視図

符号の説明

１…車体２…電力変換装置３…半導体素子
４…受熱部５…パワーユニット６…ポンプ
７…放熱部(薄型) ８…放熱部(厚型) ９…（追加の）放熱部(薄型)
１０…床下カバー１１…開口部(四角型) １２…開口部(三角型)
１３…導風ガイド(急角度型) １４…導風ガイド(急角度型)
１５…導風ガイド(複数段角度型) １６…他の電気機器
１７…流路１８…走行風流れ方向
１９…冷却風２０…ヒートブロック
２１…冷却フィン２２…ヒートパイプ(冷却フィン含む)
２３…パワーユニット２４…開口部(四角型)
２５…導風ガイド(急角度型) ２６…電力変換装置
２７…走行風流れ方向（走行風流線）２８…走行風流れ剥離状態
２９…走行風流れ巻き込み状態（走行風流線）
３０…走行風流れ巻き込み状態（走行風流線）

Claims

車両が走行することによって得られる走行風を利用して機器発生熱を冷却する鉄道車両用走行風冷却装置において、発熱体が搭載されるものであって、冷媒を流通させる通路が設けられた受熱部と、走行風が流れる流路中に設けられた放熱部と、該放熱部と前記受熱部との間で前記冷媒を流通させる流路とを有し、
前記前記走行風が流れる流路は、車体の床下部に車体表面に連続して設けれた床下カバーより、前記車体の内側に入った位置に設けられたことを特徴とする特徴とする鉄道車両用走行風冷却装置。
車両が走行することによって得られる走行風を利用して機器発生熱を冷却する鉄道車両用電力変換装置において、受熱部と放熱部を配管で接続してポンプにより冷媒を循環させて発生熱を輸送し、放熱部に走行風を取込み冷却する循環冷却システムを有することを特徴とする鉄道車両用走行風冷却装置。
前記走行風の流路よりさら内側の前記車両の床下に前記受熱部を設けたことを特徴とする請求項１または２に記載の鉄道車両用走行風冷却装置。
前記請求項１〜３のいずれかに記載の鉄道車両用電力変換装置において、放熱部を車体床下カバーの内側に配置し、放熱部の両側の床下カバーに走行風を取込むための開口部を設けたことを特徴とする鉄道車両用走行風冷却装置。
前記請求項１〜４のいずれかに記載の鉄道車両用電力変換装置において、放熱部を複数配置し、走行風以外の冷却手段にて得られる冷却風を放熱部に取込むことを特徴とする鉄道車両用走行風冷却装置。
前記請求項１〜４のいずれかに記載の鉄道車両用電力変換装置において、床下カバー開口部の形状を車両進行方向に対して変化させたことを特徴とする鉄道車両用走行風冷却装置。
前記請求項１〜４のいずれかに記載の鉄道車両用電力変換装置において、放熱部通風方向を車両進行方向に平行に配置したことを特徴とする鉄道車両用走行風冷却装置。
前記請求項１〜４のいずれかに記載の鉄道車両用電力変換装置において、床下カバー開口部内部に配置した導風ガイドの傾きを車両進行方向に対して変化させたことを特徴とする鉄道車両用走行風冷却装置。
前記導風ガイドの傾きを、該導風ガイドに沿って流れる気流の剥離限界角度以下に制限したことを特徴とする請求項８記載の鉄道車両用走行風冷却装置。
前記導風ガイドは、平面視において前記傾きを有していて、走行風を前記放熱部に取り込むことを特徴とする請求項８または９記載の鉄道車両用走行風冷却装置。