JP2011240747A - 鉄道車両 - Google Patents

Abstract

【課題】 長期に亘って信頼性に優れた鉄道車両を提供する。
【解決手段】 鉄道車両は、車体２と、車体の床下に設けられ、電力変換装置１の少なくとも一部を収容した筐体８と、車体の床下に装着され筐体の側方を覆ったスカート５と、対流発生機構１０と、を備えている。対流発生機構１０は、車体２の床下に形成され、スカート５で覆われた車体の床下に外気の強制対流をつくり、筐体８の周囲に生じる熱を外部に放出させる。
【選択図】図３

Description

この発明は、鉄道車両に関する。

一般に、鉄道車両は、電動機電力を供給する電力変換装置を備えている。電力変換装置は、通常、鉄道車両の床下に設けられている。電力変換装置は、半導体素子及び電子部品等を有した電力変換回路、冷却ユニット、並びに筐体等を備えている。電力変換回路は筐体内に収納されている。電力変換装置は、半導体素子のスイッチング動作により電力変換を行うものである。

冷却ユニットは、一部が筐体内に収納されている。冷却ユニットは、半導体素子から発生する熱を効率よく外気へ放出し、半導体素子の温度を許容温度以下にするものである。冷却ユニットの受熱部分には半導体素子が取り付けられている。冷却ユニットの放熱部は、筐体の外部に露出され、熱を外気に放出するように形成されている。電力変換装置が複数の電力変換回路を備えている場合、電力変換装置は冷却ユニットを複数備えている。

筐体内に収納されている電子部品から発生する熱は、筐体の表面から外気へ放出される。これにより、電子部品の温度を許容温度以下になるようにしている。また、筐体内部の温度を下げるため、筐体に入風ガイドを設け、走行時に生じる走行風を筐体内に取り入れる技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

通常、電力変換装置の上部は、車体の床下の他、上記床下に取付けられた配線ダクトやスカート等により覆われている。スカートは、車体に装着されている。スカートは、鉄道車両の外観を飾るためにデザインされたものである。その他、スカートは、電力変換装置等、床下に装着された各種の機器及び装置から発生する騒音を軽減する目的等のために利用されている。

特開２００１−２６０８７７号公報

しかしながら、車体にスカートを装着した場合、スカートは、電力変換装置等への走行時に生じる走行風を大幅に遮ることになる。また、電力変換装置自体から熱が放出されることで、電力変換装置を取り巻く外気の温度が上昇するが、温度が上昇した外気を外側へ逃がすルートは、スカートにより遮られる。このため、車体の床下で発生した熱は、車体の床下、特に電力変換装置を収納した筐体の上方にこもってしまう。

車体の床下に熱がこもると、電力変換装置、電子部品及び絶縁物が高温環境にさらされるため、これらの製品寿命の低下や、信頼性の低下を招いてしまう。
この発明は以上の点に鑑みなされたもので、その目的は、長期に亘って信頼性に優れた鉄道車両を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明の態様に係る鉄道車両は、
車体と、
前記車体の床下に設けられ、電力変換装置の少なくとも一部を収容した筐体と、
前記車体の床下に装着され前記筐体の側方を覆ったスカートと、
前記車体の床下に形成され、前記スカートで覆われた前記車体の床下に外気の強制対流をつくり、前記筐体の周囲に生じる熱を外部に放出させる対流発生機構と、を備えている。

この発明によれば、長期に亘って信頼性に優れた鉄道車両を提供することができる。

本発明の実施の形態に係る実施例１の鉄道車両を示す側面図である。 図１に示した電力変換装置を示す概略図である。 図１の線Ａ−Ａに沿った鉄道車両を示す断面図である。 図３の線Ｂ−Ｂに沿った鉄道車両の一部を示す断面図である。 図３の線Ｃ−Ｃに沿った鉄道車両の一部を示す断面図である。 上記実施の形態に係る実施例２の鉄道車両を示す断面図である。 上記実施の形態に係る実施例３の鉄道車両を示す断面図である。 上記実施の形態に係る実施例４の鉄道車両を示す断面図である。 上記実施の形態に係る実施例５の鉄道車両を示す断面図である。 上記実施の形態に係る実施例６の鉄道車両を示す断面図である。 上記実施の形態に係る実施例７の鉄道車両を示す断面図である。 上記実施の形態に係る実施例８の鉄道車両を示す断面図である。

以下、図面を参照しながらこの発明の実施の形態に係る鉄道車両について詳細に説明する。
図１及び図３に示すように、鉄道車両は、それぞれ車輪１５が設けられた一対の台車フレーム１６と、台車フレーム上に空気ばね１７を介して支持された車体２と、を備えている。鉄道車両は、スカート５と、配線ダクト３と、電力変換装置１と、筐体８と、対流発生機構１０と、をさらに備えている。
配線ダクト３は、車体２の床下の天井に取付けられている。

図１及び図２に示すように、電力変換装置１は、高速度遮断機３１と、開閉器３２、３３と、充電抵抗３４と、フィルタリアクトル３５と、フィルタコンデンサ３６と、電力変換回路３７と、冷却器と、を備えている。

高速度遮断機３１は、鉄道車両のパンタグラフを介して鉄道架線に電気的に接続されている。開閉器３２、３３は、高速度遮断機３１に接続されている。充電抵抗３４は開閉器３２に直列に接続されている。開閉器３２及び充電抵抗３４は、開閉器３３に並列に接続されている。フィルタリアクトル３５は、開閉器３３及び充電抵抗３４に接続されている。フィルタコンデンサ３６の一方はフィルタリアクトル３５に接続され、他方は接地されている。

電力変換回路３７は、インバータ回路３７ａ及びコンバータ回路３７ｂを有している。コンバータ回路３７ｂは、フィルタコンデンサ３６及びインバータ回路３７ａ間に接続されている。インバータ回路３７ａは、インバータ回路３７ａ及び電動器４０間に接続されている。

インバータ回路３７ａは、複数の半導体素子等で形成されている。インバータ回路３７ａは、入力される直流電力を交流電力に変換し、交流電力を電動器４０に供給するものである。

コンバータ回路３７ｂは、複数の半導体素子等で形成されている。コンバータ回路３７ｂは、入力される交流電力を直流電力に変換し、直流電力をインバータ回路３７ａに供給するものである。または、コンバータ回路３７ｂは、入力される直流電力を、直流電力のままインバータ回路３７ａに供給するものである。なお、コンバータ回路３７ｂには、放電抵抗（ブレーキ抵抗）５０が接続されている。

図示しないが、インバータ回路３７ａ及びコンバータ回路３７ｂは、１つ又は複数の冷却器に取付けられている。冷却器は、インバータ回路３７ａ及びコンバータ回路３７ｂが発する熱を外部に放出することにより、インバータ回路３７ａ及びコンバータ回路３７ｂを冷却するものである。冷却器は、特に複数の半導体素子が発する熱を外部に放出するものである。

冷却器は、例えば、上記半導体素子が取付けられ、熱を伝導するアルミブロックと、アルミブロックに取付けられた複数のヒートパイプと、ヒートパイプに取付けられた複数の放熱フィンとを有している。上記冷却器は、少なくともヒートパイプ方式により放熱するものであるが、さらに空冷式により放熱することも可能である。

図１及び図３に示すように、筐体８は、矩形箱状に形成され、支持フレームにより車体２の床下にぎ装されている。筐体８は、車体２の床下と対向する天井壁８ａと、地面と対向する底壁８ｂと、を有している。筐体８の上部は、車体２の床下、配線ダクト３等により覆われている。筐体８は、電力変換装置１を収容している。なお、筐体８は、電力変換装置１の少なくとも一部を収容していればよく、この場合、電力変換装置１を複数の筐体内に分割して収容することも可能である。筐体８は、液密的に形成され、内部への雨水等の浸入を防ぐように形成されている。筐体８は、内部への塵埃や石等の侵入も防ぐように形成されている。

車体２は、車体２の下部に位置し、車体２の本体から鉛直下方に突出し、鉄道車両の進行方向に延びたサイドフレーム４を有している。サイドフレーム４は、筐体８の上方の側方、より詳しくは、両側方を覆っている。

スカート５は、車体２に装着されている。詳しくは、スカート５は、サイドフレーム４に装着されている。スカート５は、板状に形成され、鉄道車両の進行方向に沿って延びている。スカート５は、サイドフレーム４から延びる筐体８の側方、より詳しくは、両側方を覆っている。スカート５は、鉄道車両の外観を飾るためにデザインされたものである。その他、スカート５は、車体２の床下から発生する騒音を軽減するためである。

対流発生機構１０は、車体２の床下に形成されている。対流発生機構は、スカート５で覆われた車体２の床下に外気の強制対流をつくり、筐体８の周囲に生じる熱を外部に放出させるものである。詳しくは、電力変換装置１の少なくとも一部から放出される熱が筐体８を介して放出されることで、筐体８の周囲に熱が生じる。

次に、実施例１乃至実施例８の対流発生機構について詳細に説明する。
（実施例１）
図３、図４及び図５に示すように、実施例１の対流発生機構１０は、通風孔６と、送風部と、を備えている。通風ダクト１２は、天井壁８ａの開口と、底壁８ｂの開口とを連通するように、筐体８に液密的に形成されている。通風ダクト１２は、鉛直方向に延びている。通風ダクト１２は、内部に通風孔６を形成している。通風孔６は、筐体８を貫通して形成され、天井壁８ａ及び底壁８ｂに開口している。この実施例において、通風ダクト１２は、は筐体８の中央部に位置している。

送風部は、通風孔６内に外気を通風孔に沿った方向に送風し、外気を流動させるものである。実施例１において、送風部は導入ガイド１１で形成されている。導入ガイド１１は、通風孔６の底壁８ｂ側の開口近傍に設けられている。導入ガイド１１は、鉄道車両の走行時に生じる走行風を上記開口から通風孔６内に導入するものである。

導入ガイド１１は、走行方向に沿った方向の断面形状が、Ｖ字を逆さにした逆Ｖ字形であり、走行方向及び鉛直方向に直交した方向に延出している。言い換えると、導入ガイド１１は、板を山折にして形成されている。導入ガイド１１の一部は、通風孔６の底壁８ｂ側の開口を越えて通風孔６内に挿入されている。

このため、鉄道車両の走行方向が何れの方向であっても、導入ガイド１１は通風孔６内に走行風を導入することができる。これにより、車体２の床下に外気の強制対流をつくることができるため、筐体８の周囲に生じる熱を筐体８及びスカート５間の隙間等から外部に放出させることができる。

（実施例２）
図６に示すように、実施例２の対流発生機構１０は、通風孔６と、送風部と、を備えている。通風ダクト１２は、天井壁８ａの開口と、底壁８ｂの開口とを連通するように、筐体８に液密的に形成されている。通風ダクト１２は、鉛直方向に延びている。通風ダクト１２は、内部に通風孔６を形成している。通風孔６は、筐体８を貫通して形成され、天井壁８ａ及び底壁８ｂに開口している。この実施例において、通風ダクト１２は、は筐体８の中央部に位置している。

送風部は、通風孔６内に外気を通風孔に沿った方向に送風し、外気を流動させるものである。実施例２において、送風部は換気扇７で形成されている。換気扇７は通風孔６内に設けられている。換気扇７は、鉛直下方に向けて送風するものである。

換気扇７は、車体２の床下に外気の強制対流をつくることができるため、筐体８の周囲に生じる熱を通風孔６から強制的に外部に放出させることができる。

（実施例３）
図７に示すように、実施例３の対流発生機構１０は、通風孔６と、送風部と、を備えている。通風ダクト１２は、天井壁８ａの開口と、底壁８ｂの開口とを連通するように、筐体８に液密的に形成されている。通風ダクト１２は、鉛直方向に延びている。通風ダクト１２は、内部に通風孔６を形成している。通風孔６は、筐体８を貫通して形成され、天井壁８ａ及び底壁８ｂに開口している。この実施例において、通風ダクト１２は、は筐体８の中央部に位置している。

送風部は、通風孔６内に外気を通風孔に沿った方向に送風し、外気を流動させるものである。実施例３において、送風部は複数の換気扇７で形成されている。ここでは、送風部は２つの換気扇７で形成されている。２つの換気扇７は通風孔６内に設けられている。２つの換気扇７は、それぞれ鉛直下方に向けて送風するものである。
換気扇７は、車体２の床下に外気の強制対流をつくることができるため、筐体８の周囲に生じる熱を通風孔６から外部に一層放出させることができる。

（実施例４）
図８に示すように、実施例４の対流発生機構１０は、通風孔６と、送風部と、を備えている。通風ダクト１２は、天井壁８ａの開口と、底壁８ｂの開口とを連通するように、筐体８に液密的に形成されている。通風ダクト１２は、鉛直方向に延びている。通風ダクト１２は、内部に通風孔６を形成している。通風孔６は、筐体８を貫通して形成され、天井壁８ａ及び底壁８ｂに開口している。この実施例において、通風ダクト１２は、は筐体８の中央部に位置している。

送風部は、通風孔６内に外気を通風孔に沿った方向に送風し、外気を流動させるものである。実施例４において、送風部は複数の換気扇７で形成されている。ここでは、送風部は２つの換気扇７で形成されている。２つの換気扇７は通風孔６内に設けられている。２つの換気扇７は、それぞれ鉛直上方に向けて送風するものである。
換気扇７は、車体２の床下の天井に向けて送風することにより、車体２の床下に外気の強制対流をつくることができるため、筐体８の周囲に生じる熱を筐体８及びスカート５間の隙間等から強制的に外部に放出させることができる。

（実施例５）
図９に示すように、実施例５の対流発生機構１０は、上述した実施例３の対流発生機構と同様に形成されている。さらに、実施例５において、電力変換装置１は放熱部９を備えている。放熱部９は、通風孔６内に突出するように通風ダクト１２に設けられている。放熱部９は、電力変換装置１の少なくとも一部から放出される熱を通風孔６内を流動する外気に放出するものである。

放熱部９としては、上述した冷却器のヒートパイプ及び放熱フィンを利用することができる。この場合、ヒートパイプは、通風ダクト１２を貫通し、通風ダクト１２に液密的に設けられている。筐体８内部において、アルミブロックにヒートパイプが取付けられ、アルミブロックに上記半導体素子が取付けられている。

換気扇７は、車体２の床下に外気の強制対流をつくることができるため、筐体８の周囲に生じる熱を通風孔６から外部に一層放出させることができる。さらに、放熱部９は、通風孔６内に位置しているため、外気の強制対流を利用することにより、特に空冷式にて放熱することが可能である。換気扇７により通風孔６内の送付量を確保できるため、放熱部９の放熱性能を向上させることができる。これにより、電力変換装置１の温度上昇、ひいては筐体８内部の温度上昇を一層抑制することができる。

（実施例６）
図１０に示すように、実施例６の対流発生機構１０は、複数の通風孔６と、送風部と、を備えている。通風ダクト１２は、天井壁８ａの開口と、底壁８ｂの開口とを連通するように、筐体８に液密的に形成されている。通風ダクト１２は、鉛直方向に延びている。この実施例において、対流発生機構１０は、２つの通風ダクト１２を有している。通風ダクト１２は、走行方向及び鉛直方向に直交した方向に並べられている。各通風ダクト１２は、内部に通風孔６を形成している。通風孔６は、筐体８を貫通して形成され、天井壁８ａ及び底壁８ｂに開口している。

送風部は、通風孔６内に外気を通風孔に沿った方向に送風し、外気を流動させるものである。実施例６において、送風部は複数の換気扇７で形成されている。ここでは、送風部は４つの換気扇７で形成されている。２つの換気扇７は一方の通風孔６内に設けられ、残り２つの換気扇７は他方の通風孔６内に設けられている。４つの換気扇７は、それぞれ鉛直下方に向けて送風するものである。
換気扇７は、車体２の床下に外気の強制対流をつくることができるため、筐体８の周囲に生じる熱を２つの通風孔６から外部に一層放出させることができる。

（実施例７）
図１１に示すように、実施例７の対流発生機構１０は、複数の通風孔６と、送風部と、を備えている。通風ダクト１２は、天井壁８ａの開口と、底壁８ｂの開口とを連通するように、筐体８に液密的に形成されている。通風ダクト１２は、鉛直方向に延びている。この実施例において、対流発生機構１０は、２つの通風ダクト１２を有している。通風ダクト１２は、走行方向及び鉛直方向に直交した方向に並べられている。各通風ダクト１２は、内部に通風孔６を形成している。通風孔６は、筐体８を貫通して形成され、天井壁８ａ及び底壁８ｂに開口している。

送風部は、通風孔６内に外気を通風孔に沿った方向に送風し、外気を流動させるものである。実施例７において、送風部は複数の換気扇７で形成されている。ここでは、送風部は４つの換気扇７で形成されている。２つの換気扇７は一方の通風孔６内に設けられ、残り２つの換気扇７は他方の通風孔６内に設けられている。一方の通風孔６内に設けられた２つの換気扇７は、それぞれ鉛直下方に向けて送風するものである。他方の通風孔６内に設けられた２つの換気扇７は、それぞれ鉛直上方に向けて送風するものである。
換気扇７は、車体２の床下に外気の強制対流をつくることができるため、筐体８の周囲に生じる熱を一方の通風孔６から外部に一層放出させることができる。

（実施例８）
図１２に示すように、実施例８の対流発生機構１０は、通風孔６と、送風部と、を備えている。通風ダクト１２は筐体８及びスカート５間に位置している。通風ダクト１２は筐体８の一側面に取付けられている。通風ダクト１２は、鉛直方向に延びている。通風ダクト１２は、内部に通風孔６を形成している。通風孔６は、一端が床下に開口し、他端が地面の近傍に開口している。

送風部は、通風孔６内に外気を通風孔６に沿った方向に送風し、外気を流動させるものである。実施例８において、送風部は導入ガイド１１で形成されている。導入ガイド１１は、通風孔６の下方の開口近傍に設けられている。導入ガイド１１は、鉄道車両の走行時に生じる走行風を上記開口から通風孔６内に導入するものである。導入ガイド１１は、実施例１の導入ガイドと同様に形成されている。導入ガイド１１の一部は、通風孔６の地面側の開口を越えて通風孔６内に挿入されている。

このため、鉄道車両の走行方向が何れの方向であっても、導入ガイド１１は通風孔６内に走行風を導入することができる。これにより、車体２の床下に外気の強制対流をつくることができるため、筐体８の周囲に生じる熱を逆側の筐体８及びスカート５間の隙間等から外部に放出させることができる。

以上のように構成された鉄道車両によれば、鉄道車両は、対流発生機構１０を備えている。対流発生機構は、車体２の床下に形成され、スカート５で覆われた車体２の床下に外気の強制対流をつくり、筐体８の周囲に生じる熱を外部に放出させることができる。

車体２の床下に熱がこもることは無く、車体２の床下の温度を外気の温度と同等にできる。車体２の床下に設置される電力変換装置、配線ダクト３、電子部品及び絶縁物等が高温環境下に置かれることは無いため、これらの製品寿命の低下や、信頼性の低下を抑制することができる。

実施例１及び８では、対流発生機構の送風部は導入ガイド１１で形成されている。このため、実施例１及び８では、定期的なメンテナンス無しに、鉄道車両の走行時に、車体２の床下に外気の強制対流をつくることができる。

実施例２では、換気扇７の送風量を調節することができるため、所望の送風量にて車体２の床下に外気の強制対流をつくることができる。実施例３乃至５では、換気扇７を２つ使っているため、実施例２に比べ、車体２の床下に外気の強制対流を一層つくることができる。実施例６及び７では、筐体８に通風孔６を２つ形成し、各通風孔６内に換気扇７を２つ設けているため、実施例３乃至５等に比べ、車体２の床下に外気の強制対流を一層つくることができる。
上記のことから、長期に亘って信頼性に優れた鉄道車両を得ることができる。

なお、この発明は上記実施の形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化可能である。また、上記実施の形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施例にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

対流発生機構１０は、上述した例に限定されるものではなく、種々変形可能である。例えば、筐体８に形成される通風ダクト１２や、筐体８に取付けられる通風ダクト１２の位置、数、サイズ、延出方向等は限定されるものではなく、車体２の床下に外気の強制対流をつくるように設定されていればよい。

実施例８において、対流発生機構１０は導入ガイド１１を備えているが、導入ガイド１１に限定されるものではなく、通風孔６内に設けられた換気扇を備えていてもよい。実施例８において、対流発生機構１０は通風ダクト１２を備えているが、通風ダクト１２に限定されるものではなく、種々変形可能であり、筐体８及びスカート５間に位置し、車体２の床下に外気を導くことのできる部材か、又は、車体２の床下にこもる熱を外部（スカート５の外側）に放出するための通路を形成できる部材を備えていればよい。なお、上記部材の位置、数、サイズ等は限定されるものではなく、車体２の床下に外気の強制対流をつくるように設定されていればよい。

対流発生機構１０の送風部は、導入ガイド１１及び換気扇７に限定されるものではなく、通風孔６内等に外気を送風し、外気を流動させるものであればよい。導入ガイド１１の形状は、種々変形可能であり、鉄道車両の走行時に生じる走行風を導入するものであればよい。

電力変換装置１は、上述した例に限定されるものではなく、種々変形可能である。このため、対流発生機構１０は、各種の電力変換装置の少なくとも一部から熱が放出されることにより筐体８の周囲に生じる熱を外部に放出させればよい。

１…電力変換装置、２…車体、３…配線ダクト、４…サイドフレーム、５…スカート、６…通風孔、７…換気扇、８…筐体、８ａ…天井壁、８ｂ…底壁、９…放熱部、１０…対流発生機構、１１…導入ガイド、１２…通風ダクト。

Claims (8)

1. 車体と、
   前記車体の床下に設けられ、電力変換装置の少なくとも一部を収容した筐体と、
   前記車体の床下に装着され前記筐体の側方を覆ったスカートと、
   前記車体の床下に形成され、前記スカートで覆われた前記車体の床下に外気の強制対流をつくり、前記筐体の周囲に生じる熱を外部に放出させる対流発生機構と、を備えている鉄道車両。
2. 前記筐体は、前記車体の床下と対向する天井壁と、地面と対向する底壁と、を有し、
   前記対流発生機構は、
   前記筐体を貫通して形成され前記天井壁及び底壁に開口する通風孔と、
   前記通風孔内に外気を流動させる送風部と、を備えている請求項１に記載の鉄道車両。
3. 前記送風部は、前記通風孔の前記底壁側の開口近傍に設けられ、走行時に生じる走行風を前記開口から前記通風孔内に導入する導入ガイドを有している請求項２に記載の鉄道車両。
4. 前記送風部は、前記通風孔内に設けられ、鉛直上方に向けて送風する換気扇である請求項２に記載の鉄道車両。
5. 前記送風部は、前記通風孔内に設けられ、鉛直下方に向けて送風する換気扇である請求項２に記載の鉄道車両。
6. 前記筐体は、前記車体の床下と対向する天井壁と、地面と対向する底壁と、を有し、
   前記対流発生機構は、
   前記筐体を貫通して形成され前記天井壁及び底壁に開口する複数の通風孔と、
   前記複数の通風孔内に設けられ、互いに同一の方向に向けて送風する複数の換気扇と、を備えている請求項１に記載の鉄道車両。
7. 前記筐体は、前記車体の床下と対向する天井壁と、地面と対向する底壁と、を有し、
   前記対流発生機構は、
   前記筐体を貫通して形成され前記天井壁及び底壁に開口する一対の通風孔と、
   一方の通風孔内に設けられ、鉛直下方に向けて送風する第１換気扇と、
   他方の通風孔内に設けられ、鉛直上方に向けて送風する第２換気扇と、を備えている請求項１に記載の鉄道車両。
8. 前記電力変換装置は、前記通風孔内に突出するように前記筐体に設けられ、前記電力変換装置の少なくとも一部から放出される熱を前記通風孔内を流動する外気に放出する放熱部を備えている請求項２に記載の鉄道車両。

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