JP3717816B2 - 鉄道車両の主電動機冷却システム - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は鉄道車両、殊に旅客輸送用の鉄道車両の主電動機の空冷システムに関するものであり、高負荷での登坂走行時の冷却不足を解消して、登坂走行時の主電動機の過熱を効果的に防止することができるものである。
【０００２】
【従来の技術】
旅客輸送用の列車は駆動車両とトレーラー車両を連結して編成されているが、駆動車両は、左右にそれぞれ主電動機を備えており、妻壁に設けた空気取入口から外気を取り入れ、縦のダクト４ａと床下ダクト４ｂからなる導風ダクトによって車体床下に設けた主電動機まで導いている。
ところで、従来の上記駆動車両（以下これを「鉄道車両」という）では、妻壁１に設けた冷却風取入口２から走行風を取り込むことで、必要な主電動機の冷却に必要な風量を取り込めるようにその冷却システムが設計されている。
他方、近年の鉄道車両では、制動時の電力回収のために主電動機３が発電機として機能し、力行時には走行駆動モータとして機能するようになっている。このため、主電動機３はほとんど休止することなく発電機あるいは電動機（モータ）として運転されることになっている。このような鉄道車両が長い時間、登坂走行を継続すると、登坂走行による負荷の増大に加えて走行速度の低下による冷却風量（走行風の取り込み量）の減少のために、夏季の高気温下で主電動機３が過熱される可能性がある。
高負荷、低速走行時においても必要な冷却風量を確保するには、妻壁１の冷却風取入口２を大きくし、その下流の導風ダクトを太くして、走行風の自然取り込み量を多くすればよいが、妻壁の冷却風取入口２を大きくすることは望ましくなく、また太いダクトを妻壁、車体床下にそれぞれ配管するのは、他の機器配置との関係もあって、実際上の多くの無理を生じ、また、妻壁１の冷却風取入口２を大きくし、その下流の導風ダクト（縦のダクト４ａ及び床下ダクト４ｂ）を太くして、冷却風量を増大させると、冬季の低気温下で通軽負荷で高速走行するときに、主電動機が過冷却される可能性もあるなどの他の問題を生じるので、上記のようにして走行風の自然取り込み量を増大させるのは実際上採用できない。
以上のことから、走行風の自然取り込み量を大きくするために、冷却風取入口２、導風ダクトの容量を大きくすることなしに、主電動機が過熱される可能性があるときだけ、特別に冷却風量を増大できるようにするのが実際上望ましい。
【０００３】
【解決しようとする課題】
この発明は、鉄道車両の妻壁に設けた冷却風取入口、導風ダクトの容量を大きくすることなしに、主電動機が過熱される可能性があるときだけ冷却風量を増大できるように、上記主電動機の冷却システムを工夫することをその課題とするものである。
【０００４】
【課題解決のための講じた手段】
上記課題解決のために講じた手段は、妻壁に設けた空気取入口と主電動機との間に、床下に配置した床下ダクト等からなる導風ダクトを介在させ、空気取入口から取り込んだ走行風を、上記導風ダクトで主電動機に導いて主電動機を空冷する鉄道車両の主電動機冷却システムを前提として、次の(イ)〜 ( ニ )によって構成されるものである。
(イ) 上記導風ダクトの一部をバイパスするバイパスダクトを設け、
(ロ) 上記バイパスダクトに電動ファンを設け、
( ハ ) 上記導風ダクトにおける上記バイパスダクトの分岐点と合流点との間にダンパーを設けて成り、
( ニ ) 上記主電動機への冷却風量が走行風量で足りる時は上記ダンパーを開き、上記空気取入口から取り込んだ走行風を上記導風ダクトを通して上記主電動機に導き、走行風量で足りない時は上記ダンパーを閉じて上記電動ファンを駆動することにより、上記空気取入口から取り込んだ走行風を昇圧して上記主電動機に送風すること。
【０００５】
【作用】
走行風の自然取り込み量で必要な冷却風量が足りるときは、取り込まれた冷却風は、ダンパーが開くことによって上記バイパスダクトへ流入しないので、従来の主電動機冷却システムと同様に、上記導風ダクトを通って主電動機に導かれる。このとき上記バイパスダクトに設けた電動ファンは停止している。
走行風量に不足を生じる事態になったとき、手動または自動の制御手段で上記ダンパーが切り換えられ、上記電動ファンが駆動される。これにより、妻壁の冷却風取入口から取り込まれた冷却風が上記バイパスダクトに導かれ、上記電動ファンで昇圧されて再び導風ダクトに戻されて主電動機に送風される。したがって、主電動機に送られる冷却風量が増加し、必要な冷却風量が確保される。
なお、上記ダンパーは取り込まれた冷却風をバイパスダクトを経由させるかどうかを切り換えるものであるから、バイパスダクトの入り口側に設けることは必ずしも必要ではなく、バイパスダクトの出口側に設けてもよい。
また、電動ファンが停止しているときは、バイパスダクトを流れる空気流に対する抵抗になり、電動ファンが駆動されているときは、冷却風は吸込側のバイパスダクトに吸引されるので、電動ファンのＯＮ，ＯＦＦ制御で空気流のバイパスダクトへの流入、非流入が変化するから、開閉操作される切換え機能を有するダンパーで冷却風の流れを変更することは必ずしも必要不可の要件ではない。しかし、この場合は電動ファンで昇圧された冷却風が、導風ダクトを逆流するので、この逆流を阻止すればよい。この逆流を阻止するには、バイパスダクトの導風ダクトとの分岐点と導風ダクトとの合流点との間において、導風ダクトに逆流を防止するバルブを設けても良いが、いわゆる逆流防止バルブ（圧力差で自動的に開閉するバルブ）は、順方向の空気流に対しても幾分の抵抗になるので望ましくないから、機械的に開閉操作されるバルブを設けるのが望ましい。
【０００６】
【実施態様１】
実施態様１は、上記解決手段において上記バイパスダクトを床下に配置された床下ダクトの先端部に設けたことである。
【０００７】
【作用】
上記バイパスダクトを床下に配置された床下ダクトの先端部に設けることにより、妻壁に近い車両の先端部には、床下等に配置した他の配管、配線、各種機器が少ないので、これらとの干渉を避けながら上記バイパスダクト、電動ファンを車両の先端部に設けることができる。また、導風ダクトの床下部分を電動ファンで昇圧された冷却風が流れることになるので、導風ダクトの床下部分を電動ファンの吸入側にする場合に比して冷却風の導入効率が高く、したがって、バイパスダクト、電動ファンを可及的に小型にすることができる。
【０００８】
【実施態様２】
実施態様２は、上記実施態様１において上記バイパスダクト、電動ファンを妻壁の下端後方に配置したことである。
【０００９】
【実施態様３】
実施態様３は、実施態様２において上記電動ファンを遠心ファンにしたことである。
【００１０】
【作用】
遠心ファンはファンケーシングの半径方向外方に冷却風を吐出し、またその軸方向長さが他の型式のものよりも短いので、バイパスダクト、電動ファンを妻壁の下端後方にコンパクトに配置することができる。
【００１１】
【実施態様４】
実施態様４は上記ダンパーを、上記バイパスダクトの分岐点よりも下流側において上記床下ダクトに設けて、床下ダクト、バイパスダクトを選択的に開閉するようにしたことである。
【００１２】
【作用】
ダンパー及びダンパー開閉操作装置を車両の先端部の床下に配置することができるので、他の機器などとの干渉を回避しながら無理無くダンパーを設けることができる。
【００１３】
【実施例】
次いで、図面を参照しつつ実施例を説明する。
妻壁１の後方において床下ダクト４ｂの先端部にバイパスダクト５ａ，５ｂをＵ形に配管し、このバイパスダクトに電動ファン６を設けている。このバイパスダクト５ａ，５ｂは妻壁１に添って縦に配置されており、電動ファンのファンケーシング６ａの吸込口をバイパスダクト５ａの上端に接続し、吐出口をバイパスダクト５ｂの上端に接続している。上記バイパスダクト５ａ，５ｂの太さは床下ダクト４ｂとほぼ同じであることが望ましいが、当該バイパスダクトの空気流は電動ファン６による強制流であるから、床下ダクト４ｂより幾分小さくても特に支障はない。電動ファン６は駆動モータ６ｂによって選択的に駆動されるものである。
バイパスダクト５ａ，５ｂが間隔をおいて床下ダクト４ｂに接続されているが、バイパスダクト５ａの分岐点よりも後方において床下ダクト４ｂにダンパー７が設けられている。この実施例のダンパー７はダンパー支軸７ａによって回動自在に取り付けられており、この空気圧シリンダ、電動モータ等の適宜の手段で操作されて、床下ダクト４ｂ、バイパスダクト５ａを選択的に開閉するようになっている。通常は、ダンパー７は、バイパスダクト５ａを閉じ、床下ダクト４ｂを開いているので、取入口から取り込まれた走行風が、妻壁１に添った縦のダクト４ａ、床下ダクト４ｂによって主電動機３に導かれる。
【００１４】
冷却風量が不足する事態あるいは不足し得る状態になると、ダンパー７が切り換えられて、バイパスダクト５ａの導入口（床下ダクト４ｂとの分岐口）が開かれ、床下ダクト４ｂが閉じられる。この状態で電動ファン６が作動するので、冷却風はバイパスダクト５ａから電動ファン６に吸い込まれ、昇圧されてバイパスダクト５ｂに吐出される。したがって、冷却風取入口２から取り込まれた冷却風は、バイパスダクト５ａ、電動ファン６、バイパスダクト５ｂを経て床下ダクト４ｂに戻り、床下ダクト４ｂによって主電動機３に導かれる。
この実施例では電動ファン６は単純にＯＮ，ＯＦＦ制御されるものであるが、ＯＮ状態で、駆動モータ６ｂの回転速度を制御して主電動機３への冷却風量を調整するようにすることもできる。
上記ダンパの開閉切り換えは、マニュアル制御、自動制御のいずれでも可能であるが、特定の路線を走行する旅客輸送用鉄道車両については特定の走行区間でマニュアルで切り換えられるようにすればよく、自動制御で切り換えるようにしてもよい。また、特定の走行区間で切り換えるのではなく、車両の走行速度に基づいて自動的に切り換えるようにすることもでき、あるいは導風ダクトを流れる冷却風量に基づいて自動的に切り換えるようにすることもできる。
なお、妻壁１に添って配置した縦のダクト４ａの下端部からパイパスダクト５ａを分岐することもでき、また、上記ダンパーによる開閉に換えて床下ダクト４ｂをゲート弁で開閉することもできる。この場合はパイパスダクトは解放したままでもよく、パイパスダクトにもゲート弁を設けてこれをも開閉するようにしてもよい。しかし、ゲート弁及びその操作機構がダンパーに比して単純ではないので、推奨できるものではない。
【００１５】
【発明の効果】
以上のとおり、この発明は、旅客輸送用の鉄道車両の主電動機冷却システムについて、上記導風ダクトの一部からバイパスダクトを分岐し、当該バイパスダクトに電動ファンを設け、ダンパーを設けて当該ダンパーの開閉によって上記バイパスダクトへの冷却風の流れを制御するようにしたことにより、走行風の自然取り込みでは冷却風量が不足する場合に、上記電動ファンによって強制送風することができるので、冷却風量不足による主電動機の過熱を確実に防止することができる。
また、電動ファンは床下ダクトから分岐したバイパスダクトに配置されているから、走行風を自然に取り込むときの床下ダクトの空気流が、電動ファンによって阻害されることはない。
また、バイパスダクト、電動ファンを妻壁の下端後方に配置することにより、他の配管、配線、機器などとの干渉を避けつつ、無理なくバイパスダクト、電動ファンを設置することができ、また、バイパスダクト、電動ファンによる強制送風装置をコンパクトに構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】は旅客輸送用鉄道車両の主電動機の冷却システムの平面図である。
【図２】は旅客輸送用鉄道車両の妻壁の正面図である。
【図３】は実施例の主電動機の冷却システムの側面図である。
【図４】は実施例の要部拡大図である。
【符号の説明】
１：妻壁
２：冷却風取入口
３：主電動機
４ａ：縦のダクト
４ｂ：床下ダクト
５ａ，５ｂ：バイパスダクト
６：電動ファン
６ａ：ファンケーシング
６ｂ：ファン駆動モータ
７：ダンパー
７ａ：ダンパーの支軸

Claims (5)

1. 妻壁に設けた空気取入口と主電動機との間に、床下に配置した床下ダクト等からなる導風ダクトを介在させ、空気取入口から取り込んだ走行風を、上記導風ダクトで主電動機に導いて主電動機を空冷する鉄道車両の主電動機冷却システムにおいて、
   上記導風ダクトの一部をバイパスするバイパスダクトを設け、
   上記バイパスダクトに電動ファンを設け、
   上記導風ダクトにおける上記バイパスダクトの分岐点と合流点との間にダンパーを設けて成り、
   上記主電動機への冷却風量が走行風量で足りる時は上記ダンパーを開き、上記空気取入口から取り込んだ走行風を上記導風ダクトを通して上記主電動機に導き、走行風量で足りない時は上記ダンパーを閉じて上記電動ファンを駆動することにより、上記空気取入口から取り込んだ走行風を昇圧して上記主電動機に送風する鉄道車両の主電動機冷却システム。
2. 上記バイパスダクトを床下に配置された床下ダクトの先端部に設けた請求項１の鉄道車両の主電動機冷却システム。
3. 上記バイパスダクト、電動ファンを妻壁の下端後方に配置した請求項２の鉄道車両の主電動機冷却システム。
4. 上記電動ファンを遠心ファンにした請求項３の鉄道車両の主電動機冷却システム。
5. 上記ダンパーを上記バイパスダクトの分岐点よりも下流側において上記床下ダクトに設けて、床下ダクト、バイパスダクトを選択的に開閉するようにした請求項４の鉄道車両の主電動機冷却システム。

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