JP2016016728A - 鉄道車両の発熱体冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、収納箱が側スカート間に配置されている場合でも、収納箱内の発熱体を効率良く冷却し、しかも冷却性能を安定して維持することを目的とするものである。
【解決手段】電子機器収納箱３の側面の一部は、伝熱板８により構成されている。電子機器９は、伝熱板８の内面に密着している。発熱体冷却装置４は、伝熱板８、冷却器１０、複数の対流発生装置１１、及び保護カバー１２を有している。冷却器１０は、伝熱板８の外面に密着して、電子機器収納箱３の外側に配置されている。対流発生装置１１は、冷却器１０に近接して冷却器１０の真下に配置されており、上方から下方へ向けて冷却器１０を通過する空気流動を発生する。保護カバー１２は、電子機器収納箱３に固定されており、かつ、冷却器１０及び対流発生装置１１を覆っている。
【選択図】図２

Description

この発明は、鉄道車両本体の幅方向両側の下部に一対の側スカートが設けられており、かつ、鉄道車両本体の床下の側スカート間に収納箱が設けられている鉄道車両に設けられ、収納箱内に収納された発熱体を冷却する鉄道車両の発熱体冷却装置に関するものである。

従来の鉄道車両では、床下に搭載される発熱体（電子機器及び制御装置等）の冷却が、走行によって生じる走行風、即ち空気と車両との相対速度差による走行風によって行われている。特に、高効率で冷却が必要な発熱体に関しては、箱の壁面の一部が伝熱板により構成され、発熱体が伝熱板に直接密着するように配置されている。また、伝熱板の外側にヒートパイプ、ヒートシンク又は放熱フィン等を有する冷却器が設置され、発熱体が走行風により高効率で冷却されるようになっている（例えば、特許文献１参照）。

また、従来の鉄道車両では、防音性、高速性及び意匠性の向上等を目的として、鉄道車両本体の下部に一対の側スカートが取り付けられている場合がある。このようなタイプの鉄道車両では、ブロア又はファン等を用いて発熱体が冷却されている。また、発熱体を収める箱に、箱を貫通する通風孔が設けられている。そして、この通風孔に放熱部が配置され、対流発生装置の送風部の風を通過させることで発熱体が冷却されている（例えば、特許文献２参照）。

特許第４３２２９１０号公報（図２３） 特開２０１１−２４０７４７号公報

上記のように発熱体を覆う側スカートが取り付けられている鉄道車両では、特許文献１に示したように走行風により発熱体を直接冷却することが難しい。また、高温の空気が側スカートと車両床面との空間に滞留するため、冷却器内部の空気との密度差が小さくなり、自然対流による冷却も行えない。

これに対して、特許文献２の冷却方法では、通風孔に設置された放熱部を通して、箱内の発熱体の冷却を行っている。しかしながら、この場合、放熱部、箱壁面、箱内空気、発熱体の順で段階的に冷却されることになり、発熱体を直接冷却することができないため、冷却の効率が悪化する。また、特許文献２の冷却方法では、対流発生装置の送風部で生じた風の一部が放熱部を通過しないため、放熱部から空気への放熱量が減少し、冷却能力が減少する。

さらに、特許文献２に示された鉄道車両では、対流発生装置及び冷却器の保護措置がとられていないため、対流発生装置及び冷却器に線路からの飛石、ゴミ及び雪等が衝突又は付着し、冷却能力が減少し、最悪の場合、対流発生装置及び冷却器が破損して冷却能力が消滅する可能性がある。さらにまた、特許文献２に示された鉄道車両では、対流発生装置の対流発生方向が限定されておらず、下方から上方へ対流を発生させた場合、走行によって発生する空気流動と干渉し、これによっても冷却能力が低下する。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、収納箱が側スカート間に配置されている場合でも、収納箱内の発熱体を効率良く冷却することができ、しかも冷却性能を安定して維持することができる鉄道車両の発熱体冷却装置を得ることを目的とする。

この発明に係る鉄道車両の発熱体冷却装置は、鉄道車両本体の幅方向両側の下部に一対の側スカートが設けられており、かつ、鉄道車両本体の床下の側スカート間に収納箱が設けられている鉄道車両に設けられ、収納箱内に収納された発熱体を冷却するものであって、収納箱の側面の一部を構成し、発熱体が密着する伝熱板と、伝熱板に密着して収納箱の外側に配置される冷却器と、上方から下方へ向けて冷却器を通過する空気流動を発生する対流発生装置と、冷却器及び対流発生装置を覆い、かつ通気性を有している保護カバーとを備えている。

この発明の鉄道車両の発熱体冷却装置は、対流発生装置により、上方から下方へ向けて冷却器を通過する空気流動を発生させ、かつ、通気性を有する保護カバーにより冷却器及び対流発生装置を覆うので、収納箱が側スカート間に配置されている場合でも、収納箱内の発熱体を効率良く冷却することができ、しかも冷却性能を安定して維持することができる。

この発明の実施の形態１による鉄道車両を示す側面図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である。 図２の鉄道車両の停止時の空気流動を示す説明図である。 図２の鉄道車両の走行中の空気流動を示す説明図である。 図４のＶ−Ｖ線に沿う断面における空気流動の速度の絶対値の分布を示す説明図である。 この発明の実施の形態２による鉄道車両の断面図である。 この発明の実施の形態３による鉄道車両の断面図である。 この発明の実施の形態４による鉄道車両の断面図である。 この発明の実施の形態５による鉄道車両の要部を示す水平断面図である。

以下、この発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による鉄道車両を示す側面図である。図において、鉄道車両本体１は、複数組の車輪２上に設けられており、図の左右方向へ移動可能である。鉄道車両本体１の床下には、電子機器収納箱３が搭載されている。電子機器収納箱３の側面には、複数の発熱体冷却装置４が取り付けられている。

鉄道車両本体１の幅方向両側の下部には、一対の板状の側スカート５が固定されている。側スカート５は、鉄道車両本体１の全長又はほぼ全長に渡って配置されている。車輪２、電子機器収納箱３及び発熱体冷却装置４は、側スカート５の間に配置されている。即ち、車輪２の大部分と電子機器収納箱３及び発熱体冷却装置４とは、側スカート５により覆われている。

図２は図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図であり、車輪２は省略している。電子機器収納箱３は、複数の吊り下げ脚６を介して鉄道車両本体１の車両床７の下面から吊り下げられている。電子機器収納箱３の側面の一部は、伝熱板８により構成されている。電子機器収納箱３内には、発熱体である複数の電子機器９が収納されている。電子機器９は、伝熱板８の内面（電子機器収納箱３内に臨む面）に密着している。

伝熱板８は、熱伝導率の高い材料、好ましくは熱伝導率が９０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の材料により構成されている。このような材料としては、例えば、銅、アルミニウム、銀又は金等の金属が挙げられる。また、金属以外では、例えば、ダイヤモンド、ダイヤモンドライクカーボン、カーボンナノチューブ、又は立方晶窒化硼素等が挙げられる。

なお、伝熱板８は、単一の材料ではなく、樹脂又は金属にヒートパイプ又はマイクロチャンネル等を埋め込んで構成してもよい。また、伝熱板８は、熱抵抗が小さい構造物、好ましくは０．０１１１ｍ・Ｋ／Ｗ以下（熱伝導率が９０Ｗ／ｍ・Ｋ以上に相当）の構造物であってもよい。

各発熱体冷却装置４は、伝熱板８、冷却器１０、複数の対流発生装置１１、及び保護カバー１２を有している。冷却器１０は、伝熱板８の外面（電子機器収納箱３の外部に臨む面）に密着して、電子機器収納箱３の外側に配置されている。冷却器１０としては、例えば、ヒートシンク、ヒートパイプ、ヒートスプレッダ、放熱フィン、又はこれらの組み合わせが用いられている。

対流発生装置１１は、上方から下方へ向けて冷却器１０を通過する空気流動を発生する。また、対流発生装置１１は、発生する空気流動の全てが冷却器１０を通るように、冷却器１０に近接して冷却器１０の真下に配置されている。さらに、対流発生装置１１は、鉄道車両の進行方向（図１の左右方向）に沿って並べて配置されている。さらにまた、対流発生装置１１としては、例えばファン又はブロア等の送風機が用いられている。

保護カバー１２は、電子機器収納箱３に固定されており、かつ、冷却器１０及び対流発生装置１１を覆っている。各対流発生装置１１は、冷却器１０と保護カバー１２の下面との間に配置されている。また、保護カバー１２は、冷却器１０及び対流発生装置１１を飛石、ゴミ及び雪等から保護する金属製又は樹脂製の構造体である。さらに、保護カバー１２は、例えば、格子状、網状又はハニカム状の部材により構成されており、通気性を有している。さらにまた、保護カバー１２には、空気を通すためのスリット状、多角形状又は丸状の多数の孔が設けられている。

次に、動作について説明する。図３は図２の鉄道車両の停止時の空気流動を示す説明図であり、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面を示している。鉄道車両の停止時（走行速度が０のとき）には、側スカート５と車両床７とで囲まれた領域である側スカート間領域１３の空気が、電子機器９から冷却器１０を通って放熱された熱により、鉄道車両の外部の空気よりも高温になる。

このため、冷却器１０の内部の温度と冷却器１０の上部の温度との差は小さく、温度差による空気流動は弱くなる。従って、図３の点線矢印で示したような自然対流による冷却は困難である。

これに対して、対流発生装置１１により、冷却器１０の上方から下方へ向けて、図３の実線矢印に示すような強制対流を発生させる。これにより、側スカート間領域１３にある空気が保護カバー１２内に流れ込み、冷却器１０を通過し、再び保護カバー１２を通って下方へ排出される。このとき、冷却器１０を通過する空気により冷却器１０の熱が奪われ、冷却器１０及び電子機器９が冷却される。

また、対流発生装置１１が冷却器１０に近接して配置されているため、対流発生装置１１で発生した空気流動が全て冷却器１０を通過する。しかも、電子機器９と冷却器１０とが熱伝導率の高い伝熱板８を挟んで密着している。このため、電子機器９→伝熱板８→冷却器１０の経路の放熱が大きく、冷却器１０から空気への放熱も大きい。従って、高い冷却効率で電子機器９を冷却することができる。

また、図４は図２の鉄道車両の走行中の空気流動を示す説明図であり、鉄道車両が図の左方向（矢印Ａ方向）へ走行している場合を示している。鉄道車両が走行することで、車両下部の地面近傍には、車両と地面との相対速度差による走行風が発生する。これに対して、側スカート間領域１３では、空気が車両とほぼ同一の相対速度で移動するため、走行風は発生しない。このため、特許文献１と同様の方法での高効率な冷却は困難である。

しかし、地面近傍を流れる空気流動（図４の太い１点鎖線矢印）が車両の走行方向端部に当たり、側スカート間領域１３には小さい速度の空気流動（図４の細い１点鎖線矢印）が生じる。このため、典型的なＶ−Ｖ線に沿う断面における空気流動の速度の絶対値は、図５のような分布、即ち、車両床７近傍から地面へ向かって速度の絶対値が大きくなる分布を持つ。

これにより、速度絶対値の小さい側スカート間領域１３の圧力が、速度絶対値の大きい地面近傍の圧力よりも高くなる。そして、側スカート間領域１３から地面近傍へ向かう空気流動（図４の点線矢印）が発生し、その一部は冷却器１０を通過する。この空気流動の方向は、対流発生装置１１による空気流動の方向と鉛直方向に関して同じであるため、冷却器１０を通過する空気の量が停止時よりも増加し、冷却効率が停止時よりも高くなる。

また、ある速度（車両と発熱体冷却装置４によって異なる特定の速度）では、停止時の対流と走行時の上方から下方への空気流動とがつり合うが、対流発生装置１１が発生させる空気流動が常に存在するため、その速度でも効率の良い冷却が可能である。

さらに、対流発生装置１１及び冷却器１０が保護カバー１２によって保護されているため、飛石、ゴミ及び雪等の異物が対流発生装置１１及び冷却器１０に衝突又は付着するのを抑えることができ、冷却性能を安定して維持することができる。

実施の形態２．
次に、図６はこの発明の実施の形態２による鉄道車両の断面図であり、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図に相当している。実施の形態１では、各対流発生装置１１が冷却器１０の真下に配置されていたが、実施の形態２では、各対流発生装置１１が冷却器１０の真上に配置されている。各対流発生装置１１は、冷却器１０と保護カバー１２の上面との間に配置されている。他の構成は、実施の形態１と同様である。

このような発熱体冷却装置４では、対流発生装置１１が冷却器１０の真上に配置されているため、対流発生装置１１の旋回力による空気流動の乱れを冷却器１０に直接流入させることができ、冷却効率をさらに向上させることができる。

また、対流発生装置１１が冷却器１０の真下にある場合と比べて、対流発生装置１１自体への異物の衝突又は付着の可能性を低減することができる。

実施の形態３．
次に、図７はこの発明の実施の形態３による鉄道車両の断面図であり、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図に相当している。実施の形態３では、各対流発生装置が、冷却器１０の真下に配置された下部対流発生装置１１ａと上部対流発生装置１１ｂとを含んでいる。また、下部対流発生装置１１ａ及び上部対流発生装置１１ｂは、対応する冷却器１０に直接接触している。他の構成は、実施の形態１と同様である。

このような発熱体冷却装置４では、冷却器１０の上下に対流発生装置１１ａ，１１ｂが配置されているため、停止時も走行中も、より多くの空気を冷却器１０に流すことができ、冷却能力をさらに向上させることができる。また、システムが冗長化されるため、信頼性を向上させることができる。

実施の形態４．
次に、図８はこの発明の実施の形態４による鉄道車両の断面図であり、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図に相当している。実施の形態４では、各対流発生装置１１が、対応する冷却器１０の内部に配置されている。また、対流発生装置１１は、冷却器１０に直接接触している。他の構成は、実施の形態１と同様である。

このような発熱体冷却装置４では、１個の対流発生装置１１により実施の形態３と同様の空気流動を発生させることができ、経済性と設計自由度とを向上させることができる。また、冷却器１０の対流発生装置１１よりも上側の部分がフィルタのように働くため、対流発生装置１１への異物の混入をより低減させ、対流発生装置１１の長寿命化を図ることができる。

なお、実施の形態４を実施の形態１〜３のいずれかと組み合わせ、対流発生装置１１を冗長化させてもよい。

実施の形態５．
次に、図９はこの発明の実施の形態５による鉄道車両の要部を示す水平断面図であり、図２のＩＸ−ＩＸ線に沿う断面図に相当している。実施の形態５では、同一水平面（鉄道車両本体１の床面と平行な面）内に２個以上の対流発生装置１１が並べて配置されている。図９では、一例として、１つの冷却器１０に対して、鉄道車両の進行方向（図９の上下方向）と平行に２列、鉄道車両の幅方向（図９の左右方向）と平行に３列に整列されて６個の対流発生装置１１が配置されている。他の構成は、実施の形態１と同様である。

このような発熱体冷却装置４では、より多くの対流発生装置１１を用いたので、停止時も走行中も空気流動を強化することが可能になり、冷却能力をさらに向上させることができる。

また、異なったサイズ又は能力の対流発生装置１１を組み合わせて配置したり、制御により個々の対流発生装置１１の能力を変化させたりすることにより、冷却器１０に流れ込む空気流動を細かく制御することができ、冷却器１０の効率を向上させることができる。

例えば、冷却器１０の設計にもよるが、定性的に冷却器１０の伝熱板８に近い部分により多くの風を流した方が冷却能力は向上する。このため、伝熱板８に近い方の対流発生装置１１の風量を伝熱板８から遠い対流発生装置１１の風量よりも大きくし、全体として高効率の冷却を行うことが可能である。

また、鉄道車両の進行方向に関しては、進行方向の上流側の風量を上げることで冷却能力を向上させることができる。多くの鉄道では、鉄道車両の進行方向が反転するため、進行方向に応じて風量を変更する制御を実施することで、進行方向によらず高効率の冷却を行うことができる。

なお、実施の形態２〜４の対流発生装置１１，１１ａ，１１ｂを、図９に示したように、鉄道車両の幅方向に２個以上並べて配置してもよい。
また、対流発生装置１１を伝熱板８の方向に風が当たるように傾け、伝熱板８の冷却器１０に近い部分での風量を増大させて、冷却能力を上げてもよい。

１ 鉄道車両本体、３ 電子機器収納箱、４ 発熱体冷却装置、５ 側スカート、８ 伝熱板、９ 電子機器（発熱体）、１０ 冷却器、１１ 対流発生装置、１１ａ 上部対流発生装置、１１ｂ 下部対流発生装置、１２ 保護カバー。

Claims (6)

1. 鉄道車両本体の幅方向両側の下部に一対の側スカートが設けられており、かつ、前記鉄道車両本体の床下の前記側スカート間に収納箱が設けられている鉄道車両に設けられ、前記収納箱内に収納された発熱体を冷却する鉄道車両の発熱体冷却装置であって、
   前記収納箱の側面の一部を構成し、前記発熱体が密着する伝熱板と、
   前記伝熱板に密着して前記収納箱の外側に配置される冷却器と、
   上方から下方へ向けて前記冷却器を通過する空気流動を発生する対流発生装置と、
   前記冷却器及び前記対流発生装置を覆い、かつ通気性を有している保護カバーと
   を備えている鉄道車両の発熱体冷却装置。
2. 前記対流発生装置は、前記冷却器の真下に配置されている請求項１記載の鉄道車両の発熱体冷却装置。
3. 前記対流発生装置は、前記冷却器の真上に配置されている請求項１記載の鉄道車両の発熱体冷却装置。
4. 前記対流発生装置は、前記冷却器の真下に配置された下部対流発生装置と、前記冷却器の真上に配置された上部対流発生装置とを含む請求項１記載の鉄道車両の発熱体冷却装置。
5. 前記対流発生装置は、前記冷却器の内部に配置されている請求項１記載の鉄道車両の発熱体冷却装置。
6. 同一水平面内に２個以上の前記対流発生装置が並べて配置されている請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の鉄道車両の発熱体冷却装置。

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