JP4007256B2 - 車両用変圧器 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、車両用変圧器に係り、特に、車両の走行によって生ずる走行風を利用して冷却媒体の絶縁油を冷却するに好適な車両用変圧器に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、車両床下に搭載される車両用変圧器としては、例えば、走行風を利用して変圧器本体を冷却するとともに、電動送風機を用いて変圧器本体を冷却するものが知られている(特許文献1参照)。
【0003】
【特許文献1】
特開平7−57939号公報(第3頁〜第4頁、図1参照)
【0004】
冷却媒体の絶縁油とともにコイル巻線を収納する変圧器本体を冷却するのに電動送風機を用いると、騒音を生じることがあり、走行風のみを利用して冷却器本体を冷却する走行風利用冷却方式のものが用いられている。
【0005】
走行風利用冷却方式による車両用変圧器としては、例えば、冷却媒体の絶縁油とともにコイル巻線を収納する変圧器本体を車両床下に配置し、この冷却器本体に冷却媒体を循環するための配管を接続し、配管の管路の途中に絶縁油を強制循環させるためのポンプを挿入するとともに、絶縁油を冷却するための冷却器を挿入し、冷却器を構成する放熱パイプを走行風の通路となる車両床下に配置し、走行風によって放熱パイプ内の絶縁油を冷却するようにしたものがある。
【0006】
上記のような構成を採用した従来の走行風利用冷却方式による車両用変圧器は、車両床下に配置される関係上寸法の制約を受けることや、冷却器を構成するヘッダや放熱パイプが走行風に与える圧力降下などの観点から、これまでは、変圧器容量が数10kW級の在来線車両への適用に留まっていた。しかし、最近の電気鉄道技術の進展とともに、在来線に比べ格段に大きい容量の変圧器が搭載される高速電気鉄道車両の出現により、このような大容量、高損失変圧器への走行風利用冷却技術の適用が望まれていた。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
変圧器を大容量化するに際して、大容量化された変圧器の冷却を走行風を利用して実現しようとする場合、変圧器本体の大容量化合わせて、冷却器を大型化したり、大容量化したりするだけでは、十分な冷却性能が得られない。すなわち、冷却器を単に大型化・大容量化しただけでは、冷却器の大型化に伴って放熱パイプの数が増加するとともに、放熱器のヘッダや放熱パイプ群を通る走行風の圧力損失が比例して大きくなり、その結果、放熱パイプ群内の平均流速が低下し、冷却性能を決定する熱伝達率が著しく低下するからである。
【0008】
本発明の課題は、変圧器本体の大容量化に対しても、高効率な走行風利用冷却性能を確保することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明は、冷媒の循環路を形成する配管と、前記配管の管路途中に配置されて巻線とともに前記冷媒を収納する変圧器本体と、前記配管の管路途中に分散して配置されて空気との熱交換によって前記冷媒を冷却する複数の冷却器とを備え、前記変圧器本体と前記複数の冷却器は共に車両の床下に配置されてなる車両用変圧器において、前記複数の冷却器は、前記変圧器本体の両側面に前記車両の進行方向に沿って前記冷却器1台分の間隔を保って配置され、前記複数の冷却器のうち前記車両の進行方向の両端に位置する冷却器は、前記変圧器本体の進行方向の端部よりも外側に配置され、前記複数の冷却器のうち車両の進行方向の内側に位置する冷却器は、車両の幅方向において、他の冷却器よりも車両の外側に配置されていることを特徴とする。
【0010】
前記した手段によれば、車両の床下に変圧器と共に配置された複数の冷却器のうち、車両の進行方向の両端に位置する冷却器は、変圧器本体の進行方向の端部よりも外側に配置されているから、走行風が変圧器本体に遮られることなく、各冷却器に当たるようになる。また、車両の進行方向の内側に位置する冷却器は、車両の幅方向において、他の冷却器よりも車両の外側に配置されているから、走行風が車両の進行方向の両端に位置する冷却器に遮られることなく、各冷却器に当たるようになる。よって、高効率な走行風利用冷却性能を確保することができる。
【0011】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第1参考例を図面に基づいて説明する。図1は第1参考例を示す車両用変圧器の平面図である。図1において、車両用変圧器は、高速電気鉄道車両などの交流電気車または交直両用電気車を対象とした車両20の床下に搭載される走行風利用油冷却変圧器として、変圧器本体1、ポンプ2、複数台の冷却器7a〜7d、配管5a、5bなどを備えて構成されている。
【0012】
変圧器本体1は、数10kW級の在来線車両に用いられる変圧器本体よりも大容量化されたものが用いられており、この変圧器本体1内には変圧器巻線6とともに、冷媒(冷却媒体)としての絶縁油が収納されている。変圧器本体1はほぼ長方形形状に形成されており、車両床下のほぼ中央部にその短辺側が車両の進行方向30と直交するように配置されている。さらに変圧器本体1には冷媒の循環路を形成する配管5a、5bが接続されており、配管5aの管路途中には冷媒を強制循環させるためのポンプ2が挿入され、配管5a、5bとの間に冷却器7a〜7dが挿入されている。そしてポンプ2の作動により、変圧器本体1内の冷媒が配管5a、5bを介して各冷却器7a〜7dを循環するようになっている。
【0013】
複数台の冷却器7a〜7dは、車両20の幅方向において、車両20の軸心を基準にしてあるいは変圧器本体1を間にして両側の領域に分散して配置している。すなわち、冷却器7a、7bは、変圧器本体1と車両20の幅方向において相隣接して併設されており、変圧器7c、7dは、車両20の幅方向において変圧器本体1と相隣接して併設されている。各冷却器7a〜7dは、上ヘッダ4と下ヘッダ(図示省略)および複数の放熱パイプ3を備えて構成されており、各放熱パイプ3は上ヘッダ4と下ヘッダに接続され、上ヘッダ4が配管5aに接続され、下ヘッダが配管5bに接続されている。配管5a内を循環する冷媒は上ヘッダ4から各放熱パイプ3を介して下ヘッダに導入され、下ヘッダから配管5bを介して変圧器本体1内に導入されるようになっている。そして各冷却器7a〜7dは、走行風10の通路となる車両床下に分散して配置されているため、走行風10が放熱パイプ3を通過する過程で走行風(空気)10と冷媒との間で熱交換が行われ、放熱パイプ3内の冷媒が走行風10によって冷却されるようになっている。
【0014】
また、冷却器7a、7bと冷却器7c、7dをそれぞれ片側に2台ずつ所定の間隔を保って配置するようにしているため、走行風10を各冷却7a〜7dに効率良く取り込むことができる。この場合、冷却器7aと冷却器7bとの間隔および冷却器7cと冷却器7dとの間隔はほぼ冷却器1台分程度あれば良い。
【0015】
また、本参考例においては、冷却器7a〜7dは、車両20の前後方向において変圧器本体1よりも突出して配置されている。すなわち、冷却器7a、7cは、変圧器1よりも車両20の進行方向30に沿って前方に突出して配置されており、冷却器7b、7dは、変圧器本体1よりも車両20の進行方向30に沿って後方に突出して配置されている。このため、各冷却器7a〜7dに走行風10を効率良く導入することができる。
【0016】
本参考例によれば、従来と同程度の容量を有する4台の冷却器7a〜7dを走行風10の通路となる車両床下に分散して配置するようにしたため、変圧器本体1を大容量化しても、高効率な走行風利用冷却性能を確保することができる。
【0017】
また、本参考例によれば、単一の冷却器を大容量化する代わりに、4台の冷却器を用いるようにしたので、1台当たりについてヘッダや放熱パイプ3の寸法の総数が増加することがないため、走行風10の圧力損失が増加することなく、熱伝達率の減少による冷却器性能の低下も防止することができる。
【0018】
また、従来と同程度の容量の冷却器7a〜7dを適宜組み合わせる構成であるため、各種仕様の変圧器に対してもフレキシブルに対応することができ、コスト、メンテナンスの面でも多くのメリットが生じてくる。
【0019】
なお、本参考例においては、冷却器の総数を4台とし、片側にそれぞれ冷却器を2台配置するものについて述べたが、変圧器本体1の容量に応じて、冷却器の総数を多くしたり、片側の台数を2台以上にして配置することもできる。
【0020】
次に、本発明の第2参考例を図2にしたがって説明する。本参考例は、変圧器本体1を、その長辺側が車両20の進行方向30と直交するように配置するとともに、車両床下のうち車両20の軸心を基準にして一方の領域に変圧器本体1を配置し、車両20の軸心を基準にして他方の領域に4台の冷却器7a〜7dを分散して配置するようにしたものであり、他の構成は図1のものと同様である。すなわち、4台の冷却器7a〜7dのうち一部の冷却器7b、7cは、変圧器本体1と車両20の幅方向において相隣接して併設され、各冷却器7a〜7dは車両20の前後方向において変圧器本体1よりも突出して配置されている。言いかえれば、1台の変圧器本体1に対して、同一容量の4台の冷却器7a〜7dは、ほぼ冷却器1台分の間隔を保持しながら縦列配置され、各冷却器7a〜7dは、変圧器本体1よりも車両20の進行方向30において前方または後方に大きく突出して配置されている。
【0021】
本参考例によれば、大容量化された変圧器本体1に対して、同一容量の4台の冷却器7a〜7dを一定の間隔を保って車両床下に分散して配置するようにしたため、変圧器本体1の大容量化に対しても、高効率な走行風利用冷却性能を確保することができる。
【0022】
また、本参考例によれば、各冷却器7a〜7dが車両床下の一方の領域に分散して配置されているため、車両20の床下の幅方向において配置上の制約がある場合に有効である。また、本参考例によれば、冷却器7a〜7dを、変圧器本体1を間にして車両20の幅方向において両側の領域に分散して配置するときよりも、配管5a、5bの構成を簡素化することができる。
【0023】
また、本参考例においても、変圧器本体1の容量の変化に合わせて冷却器の台数を増加させることもできる。
【0024】
次に本発明の実施形態を図3にしたがって説明する。本実施形態は、変圧器の大容量化に対応するために、車両20の幅方向において、変圧器本体1の両側の領域に同一容量の冷却器7a〜7hを4台ずつ分散して配置したものであり、他の構成は図1のものと同様である。
【0025】
本実施形態においては、変圧器本体1を間にしてその両側の領域に冷却器を4台ずつ配置するに際して、各領域に配置される冷却器の台数を2台から4台に増加することに伴って、走行風10の圧力損失が増大するのを緩和するために、一部の冷却器7b、7c、7f、7gを、変圧器本体1を間にして車両20の幅方向において相隣接して併設するとともに、車両20の幅方向において、残りの冷却器7a、7d、7e、7hよりも車両20の外側に配置した縦列曲線配備となっている。なお、冷却器7a、7dと冷却器7e、7hは車両20の前後方向において変圧器本体1よりも大きく突出して配置されており、冷却器7b、7cと冷却器7f、7gはその一部が車両20の前後方向において変圧器本体1よりも突出して配置されている。
【0026】
本実施形態においては、冷却器7a〜7d、冷却器7e〜7hは縦列曲線配備されているため、車両20が走行するときに生ずる走行風10が各冷却器7a〜7hの放熱パイプ3を通るときの圧力降下は、中央の冷却器7b、7c、7f、7gの付近でもさほど大きくならず、各冷却器7a〜7hでほぼ等しい風量と熱伝達率を確保することができ、冷却器台数の増加に伴って冷却効果が低下するのを防止することが可能になる。
【0027】
次に、本発明の第3参考例を図4にしたがって説明する。本参考例は、冷却器7a、7d、7e、7hとして、他の冷却器7b、7c、7f、7gよりも容量の大きいものを用いたものであり、他の構成は図3のものと同様である。
【0028】
本参考例においては、変圧器本体1を基準として車両20の前後方向における領域は、車両20の幅方向における、変圧器本体1の両側の領域よりもスペース的に余裕があることを考慮し、変圧器本体1の車両20の前後方向における領域に配置される冷却器7a、7e、7d、7hの容量を他の冷却器7b、7c、7f、7gよりも容量を相対的に大きくするよう構成されている。このため、本参考例によれば、省スペース化に対応しながら、大容量された変圧器に対して、効率的な走行風利用冷却性能を確保することができる。
【0029】
次に、本発明の実施形態又は各参考例の車両用変圧器を車両に適用した側面図を図5に示す。図示のように、例えば、高速・大容量電気車両の車両20の床下に配置された大容量変圧器が保護カバー12によって覆われている。
【0030】
大容量化された変圧器を通常の車両に搭載するときには車両20の床下が開放されているため、走行風の流出入は、車両床下の各種機器の配置で影響されるものの、自由に行われる。しかし、最近の高速大容量車両で見られるように、車両床下が保護カバーで覆われているような場合においては、走行風の流出入構造の決定が重要となる。
【0031】
そこで、図5においては、車両床下に配置された保護カバー12内に車両用変圧器を収納するに際して、保護カバー12のうち車両20の前後方向において複数の冷却器7から離れた位置の側面及び底面に、走行風10の出入口となる複数の開口部として流出入口15、16を形成し、レール18上を車両20が走行する際に、流出入口15から走行風を導入し、導入した走行風によって各冷却器7を冷却し、冷却器7の冷却に用いられた走行風を流出入口16から排出することとしている。
【0032】
このように、保護カバー12の側面および底面に流出入口15、16を設けることで、各種の高速大容量車両用変圧器に走行風利用冷却技術を適用できるだけでなく、その流出入口15、16のガイドなどの工夫で一層の冷却効率の向上が可能になる。
【0033】
なお、図5では、流出入口15、16を車両の前後方向において1個所ずつ設けたものについて述べたが、各流出入口15、16を車両の前後方向において複数個設けることもできる。
【0034】
また、前記各参考例及び実施形態においては、従来の高速・大容量電気車両用変圧器のように、強制送油冷却方式の適用による冷却ポンプ、ブロアなどを用いていないため、これらの機器による騒音発生や、これらの機器に対するメンテナンスを一気に解消することができる。
【0035】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、変圧器本体の大容量化に対して、高効率な走行風利用冷却性能を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1参考例を示す車両用変圧器の平面図である。
【図2】本発明の第2参考例を示す車両用変圧器の平面図である。
【図3】本発明の実施形態を示す車両用変圧器の平面図である。
【図4】本発明の第3参考例を示す車両用変圧器の平面図である。
【図5】本発明に係る車両用変圧器を高速電気鉄道車両に適用したときの側面図である。
【符号の説明】
1 変圧器本体
2 ポンプ
3 放熱パイプ
4 上ヘッダ
5a、5b 配管
6 変圧器巻線
7a〜7h 冷却器
10 走行風
20 車両
Claims (1)
- 冷媒の循環路を形成する配管と、前記配管の管路途中に配置されて巻線とともに前記冷媒を収納する変圧器本体と、前記配管の管路途中に分散して配置されて空気との熱交換によって前記冷媒を冷却する複数の冷却器とを備え、前記変圧器本体と前記複数の冷却器は共に車両の床下に配置されてなる車両用変圧器において、
前記複数の冷却器は、前記変圧器本体の両側面に前記車両の進行方向に沿って前記冷却器1台分の間隔を保って配置され、前記複数の冷却器のうち前記車両の進行方向の両端に位置する冷却器は、前記変圧器本体の進行方向の端部よりも外側に配置され、
前記複数の冷却器のうち車両の進行方向の内側に位置する冷却器は、車両の幅方向において、他の冷却器よりも車両の外側に配置されていることを特徴とする車両用変圧器。
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