JP2007131128A - 鉄道車両用電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】運転時には気密，水密性を確保し、パワーユニットの引き出し時には専用設備を必要とせず、人力のみで容易にパワーユニットの脱着ができるようにする。
【解決手段】受熱板１を挟んで通気室２と気密室３とを形成し、通気室２には放熱フィンを配置し気密室３には前記スイッチング素子とその周辺回路部品から構成されるコンバータ，インバータを含むパワーユニットを配置した鉄道車両用電力変換装置において、受熱板１に構造体フレーム４１を取り付け、この構造体フレーム４１には構造体フレームを貫通し車輪４４と一体化された支柱４２を設け、かつ、この支柱４２にはばね４３を貫通して構成する。
【選択図】図５

Description

この発明は、鉄道車両の床下に設置される鉄道車両用電力変換装置に関する。

最近の一般的な鉄道交流車両としては、図８のＣＩ（コンバータ・インバータ）システム構成図に示すように、主変圧器ＭＴｒの単相２次電圧を交流／直流変換器（ＡＣ／ＤＣ）により直流電圧に変換し、その直流電圧を直流／交流変換器（ＤＣ／ＡＣ）、例えばＶＶＶＦインバータにより３相交流電圧に変換し、電車の駆動電動機（誘導電動機：ＩＭ）に可変電圧可変周波数の電力を供給するものが採用されている。ここでは、ＡＣ／ＤＣコンバータおよびＶＶＶＦインバータとして、高圧大電力変換回路である３レベル変換回路が適用されている。
コンバータおよびインバータに使用されるスイッチング素子は、逆並列ダイオードと一体となってモジュール化されたＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）モジュールが用いられている。コンバータ回路部およびインバータ回路部はＩＧＢＴモジュールとゲート回路、平滑コンデンサとともにそれぞれ１つのパワーユニットで構成される。

そして、ＩＧＢＴ（３１）やクランプダイオードなどの発熱素子は、例えば図９に示すように受熱板１の一方の面上に取り付けられ、フィルタコンデンサ３２，ゲートドライブ装置３３等とともに気密室３に置かれ、受熱板１の他方の面に取り付けられる放熱フィン２１は通気室２において、電動送風機１１からの通風により冷却されるように一体化されたユニット構造になっている。これらのパワーユニットは、例えば特許文献１に示すように車両の床下方向から実装され、気密室側より電力変換装置に設けられた仕切り板にパッキンを挟んでボルト締めされることにより、気密室と通気室との気密性と水密性が確保される。

このように、パワーユニットの脱着は車体の下側からであるので、脱着時にはユニットをレール間に降ろさなければならず、車両の床下に設置可能なリフターなどの専用設備が必要であった。さらに、脱着時には車両の床下に作業者が入る必要があり、レール下に設けた専用ピットが必要であった。また、専用ピットがあっても一般には車両の床下は狭く、脱着作業に多くの時間を要していた。そこで、図９に示すものは、このような問題に対処するため、パワーユニットの脱着を車両の側面方向から可能な構成としている。

図１０に、図９でパワーユニットを取り外した状態を示す。
パワーユニット３０の取り外しには、パワーユニットの固定部の図示されないボルトを外し、例えばフォークリフトの爪９をパワーユニット３０に差し込み、持ち上げることによりパワーユニット３０と仕切り板７を切り離し、パッキンの圧縮を開放した後に、車両側面方向（図１０の左側方向）に引き出すようにしている。

特許第３３６７４１１号公報

しかしながら、パワーユニットの質量はかなりの大きさであるだけでなく、パワーユニットはその固定部が仕切り板に面接触しているため、パワーユニットを車両の側面方向に引き出す場合でも大きな力が必要で、フォークリフトなどの専用設備が必要となる。また、上述のように気密性と水密性を持たせるためのパッキンを、圧縮させた状態で車両の側面方向に引き出すことは、パッキンを破損させるおそれがあって、困難である。
したがって、この発明の課題は、電力変換装置の運転時には密閉室に水や塵埃を含む空気を浸入させることがなく、かつ、パワーユニットのメンテナンス時には専用設備を必要とせず、１人または２人の作業者による人力で容易にパワーユニットの脱着ができるようにすることにある。

このような課題を解決するため、請求項１の発明では、複数のスイッチング素子を取り付ける受熱板を挟んで通風室と気密室とを形成し、通風室には放熱フィンを配置し気密室には前記スイッチング素子とその周辺回路部品から構成されるコンバータまたはインバータを含むパワーユニットを配置した鉄道車両用電力変換装置であって、前記受熱板の下面から突出可能に車輪を設けることを特徴とする。
この請求項１の発明においては、前記車輪は前記受熱板の下面から突出する方向にばね付勢されるばね付き車輪であることができる（請求項２の発明）。また、この請求項２の発明においては、前記ばね付き車輪は、支柱と、支柱の一端側に設けられる車輪と、この車輪を前記受熱板の下面から突出する方向に付勢するばねと、前記受熱板に前記支柱を支持する構造体フレームとから構成することができる（請求項３の発明）。

この発明によれば、電力変換装置の運転時には気密室に水や塵埃を含んだ空気を浸入させることがなく、またパワーユニットのメンテナンス時には専用設備を用いることなく、１人または２人の作業者が人力で容易にパワーユニットの脱着作業を行なうことが可能となる。

図１はこの発明の実施の形態を示す車両の断面図、図２はばね付き車輪の説明図、図３は図１のパワーユニットの引き出し時を説明する説明図、図４は図１のパワーユニット説明図、図５は図４の詳細構成図、図６は図４で放熱フィンの設置場所を変更した説明図、図７は図６の詳細構成図である。以下、これらを参照してこの発明の実施の形態について説明する。

ＩＧＢＴ（３１）やクランプダイオードなどの発熱素子は、例えば図１に示すように受熱板１の一方の面上に取り付けられ、フィルタコンデンサ３２，ゲートドライブ装置３３等とともに気密室３に置かれ、受熱板１の他方の面に取り付けられる放熱フィン２１は通気室２において、電動送風機１１からの通風により冷却されるように一体化されたユニット構造になっている。パワーユニット３０は、ユニット固定部が仕切り板７に面接触している。パワーユニッ３０トはこれら主回路部品から構成されていて質量はきわめて大きく、また、単相コンバータの２相分または３相インバータの３相分の構成部品を、１つのパワーユニットにまとめて構成した場合の質量は更に大きくなる。これまでは図９の従来例と同じであり、異なる点はパワーユニットの受熱板１にばね付き車輪４が取り付けられている点にある。

図２はばね付き車輪の一例を示すものであり、図２（ａ）は正面図、図２（ｂ）は平面図を示す。
図２（ａ），（ｂ）において、構造体フレーム４１には２個の穴部４１ａが設けられており、２本の支柱４２がそれぞれの穴部４１ａを貫通している。支柱４２の下端部側には球状の車輪４４を支持する車輪支持部４５が取り付けられ、構造体フレーム４１と車輪支持部４５との間には車輪４４を下方に付勢するコイル状のばね４３が設けられている。ここでは、コイル状のばね４３に支柱４２が貫通しているものを例として挙げているが、ばね４３は車輪４４を下方に付勢するものであればよく、その形状や取り付け方はこの例に限るものではない。また、支柱４２の上端部側には車輪４４の突出長さを規制するための鍔部４２ａが設けられている。なお、この例では、１つの構造体フレーム４１に対して２本の支柱４２，２個の車輪４４を設けるようにしているが、１つの構造体フレーム４１に対して１本の支柱４２，１個の車輪４４を設けるようにしてもよい。また、車輪４４は球状に限るものではなく、円筒状の車輪としてもよい。

一方、図２（ｃ）は図２（ａ），（ｂ）とは異なる例を示すものであり、構造体フレーム４１ｃには２個の穴部４１ｂが設けられており、２本の支柱４２がそれぞれの穴部４１ｂを貫通している。車輪支持部４５ｃには円筒状の車輪４４ｃが軸４５ｄにより回転自在に軸支され、車輪支持部４５ｃの両端が２本の支柱４２の下端部側に取り付けられている。構造体フレーム４１ｃと車輪支持部４５ｃとの間には、車輪４４ｃを下方に付勢するコイル状のばね４３が設けられている。

パワーユニットを取り外す場合は、図３のようにカバー１４を開いて図１に示す固定ボルト８を外すと、ばね付き車輪４のばねが伸びてパワーユニット３０全体を持ち上げるので、パワーユニット３０は仕切り板７に対して浮上し、車輪のみで仕切り板に接触する。パワーユニットの質量は車輪による点接触になるため、パワーユニットを車両側面方向に引き出すのに要する力は、面接触の場合と比べて著しく小さくて済むことになる。

また、受熱板１に取り付けられているパッキン６は、上記パワーユニット３０の浮上により圧縮状態が開放され、さらにパッキンと仕切り板とは接触せずに隙間が空く。ここで、車両側面方向にパワーユニット受け台３５を準備しておけば、浮上したパワーユニットを車輪によって仕切り板上を滑らせ、人力により車両側面方向に引き出して、パワーユニット受け台に載せることができる。このように、フォークリフトのような専用設備を用いることなく、1人または２人の作業者が人力だけで容易にパワーユニット脱着作業をすることが可能となる。

図４にパワーユニットのみを示す。図４（ａ）は平面図、図４（ｂ）は図４（ａ）の正面図、図４（ｃ）は左側面図である。ここでは、３が主回路部品が配置される気密室を示し、２が放熱フィンが配置される通気室、１が受熱板をそれぞれ示す。受熱板１には上述のばね付き車輪４の構造体フレーム４１ａがねじ止め又は溶接により受熱板１の上面に取り付けられ、受熱板１と仕切り板７との間にパッキン６を挟み、固定ボルト８により下方から取り付けられる。パワーユニットを抜き出すときは、図４（ｂ）の左方向に引き出すので、仕切り板７はその一辺のみ取り外しができるように構成されている。なお、図に示すように、ばね付き車輪４は、受熱板１の両端部にパワーユニットを引き出す方向に複数個並べて取り付けられ、パッキン６はばね付き車輪４よりも内側に設けられており、固定ボルト８による締め付け状態時には、気密室３の気密性および水密性を確保するようにしている。

図５は図４（ｂ）の拡大側面図で、図５（ａ）は固定ねじを締めた状態、同（ｂ）は外した場合をそれぞれ示す。
図５（ａ）では、構造体フレーム４１がパワーユニットの受熱板１に取り付けられ、受熱板１と仕切り板７との間にはパッキン６が挟まっており、締め付け雌ねじ部５と固定ボルト８により受熱板１は仕切り板７に取り付けられ、パワーユニットは固定される。パワーユニットは固定ボルト８による締め付け状態時には、支柱４２内のばね４３は圧縮される。この固定ボルト８による締め付け時には、ばね４３は圧縮されてばね付き車輪４の車輪４４がパッキン６の下面より上方に位置するように収納される。これにより、通気室側の水分や塵埃を含む空気は密閉室には浸入せず、気密性および水密性が確保される。

一方、図５（ｂ）のように固定ボルト８を取り外すとばね４３の圧縮力は開放され、パッキン６と仕切り板７が接触しない位置までばね４３が伸び、パワーユニットは仕切り板７に対して浮上する。パワーユニットの浮上量は、パワーユニットの重力アンバランスによる傾きがある場合や、ばね４３のばね定数のばらつきがある場合でも、パッキン６と仕切り板７との間には隙間が存在するように設計されるのは言うまでもない。

図６に図４の変形例を示し、図７に図６（ｂ）の拡大側面図を示す。
すなわち、図６は図４の放熱フィン２と主回路部品３との位置を入れ替えたものであり、図７より明らかなように受熱板１よりも上方が気密室３となり、下方が通気室２となるものである。図６および図７もこれに応じた変形がされているだけで図４，図５と基本的には同じなので、詳細は省略する。

この発明の実施の形態を示す車両搭載構成図 図１のばね付き車輪を示す構成図 図１におけるパワーユニット取り出し時の説明図 図１のパワーユニット部の説明図 図４の詳細構成図 図４の変形例を示す構成図 図６の詳細構成図 交流電車の主回路構成図 従来例を示す車両搭載構成図 図９におけるパワーユニット取り出し時の説明図

符号の説明

１…受熱板、２…通風室（放熱フィン）、３…気密室（主回路部品）、４…ばね付き車輪、４１，４１ｃ…構造体フレーム、４１ａ，４１ｂ…穴部、４２…支柱、４３…ばね、４４，４４ｃ…車輪、４５，４５ｃ…車輪支持部、４５ｄ…軸、５…締め付け雌ねじ部、６…パッキン、７…仕切り板、８…固定ボルト。

Claims (3)

1. 複数のスイッチング素子を取り付ける受熱板を挟んで通風室と気密室とを形成し、通風室には放熱フィンを配置し気密室には前記スイッチング素子とその周辺回路部品から構成されるコンバータまたはインバータを含むパワーユニットを配置した鉄道車両用電力変換装置であって、
   前記受熱板の下面から突出可能に車輪を設けることを特徴とする鉄道車両用電力変換装置。
2. 前記車輪は前記受熱板の下面から突出する方向にばね付勢されるばね付き車輪であ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. 前記ばね付き車輪は、支柱と、支柱の一端側に設けられる車輪と、この車輪を前記受熱板の下面から突出する方向に付勢するばねと、前記受熱板に前記支柱を支持する構造体フレームとから構成されることを特徴とする請求項２に記載の鉄道車両用電力変換装置。
   
   

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