JP4476132B2 - 車両用機器 - Google Patents

Description

この発明は、車両の走行に伴って生じる走行風によって冷却される車両用機器に関する。

従来の高速鉄道車両用電力変換装置では、車体の下面に電力変換装置本体（本発明の「機器本体」に相当する）が取り付けられている。電力変換装置本体の底面部は、車体底面より上方に凹まされ、この凹まされた部分に冷却器が取り付けられている。冷却器の放熱部を構成する放熱フィンは、下向きでかつ電力変換装置本体の外周面より外部に突出して設けられ、車両の進行方向とほぼ並行になるように配列されている。
また、電力変換装置本体とレール方向に対してその両側に配置された機器とを結ぶ機器間フサギ板を、電力変換装置本体側が上方になるように傾斜させ、機器間フサギ板に走行風取り込み口が設けられている。
上記の構成において、車両の走行に伴って生じる走行風が走行風取り込み口から放熱フィンに取り込まれている。ここで、走行風取り込み口の開口部は常に一定であるので、放熱フィンは、車両の走行速度に応じた走行風によって冷却されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００３−４８５３３号公報

従来の高速鉄道車両用電力変換装置では、走行風取り込み口の開口部は常に一定であるので、放熱フィンに取り込まれる走行風の風量は、車両の走行速度の上昇に比例して大きくなる。そのため、電力変換装置本体への負荷が大きく放熱フィンの温度が高くなる低速運転時には、大きな走行風量が必要となるにもかかわらず、小さな走行風量しか得られない。また、電力変換装置本体への負荷が小さく放熱フィンの温度が低くなる高速運転時には、小さな走行風量しか必要とならないのに、必要以上の走行風量が得られるという、相反した冷却特性を有するという問題点があった。

また、冬季においては、走行風によって運ばれた雪や水分が放熱フィンに付着し、着雪となる。着雪量は、走行速度の上昇に応じて多くなる。着雪量が増えると、着雪は次第に氷塊に変化し、周囲あるいは電力変換装置本体の温度上昇によって氷塊が剥がれ落ちると、他の機器や地上設備に損傷を与えるという問題点もあった。

この発明は、上記のような問題点を解決することを課題とするものであって、その目的は、放熱フィンに適切な走行風量を供給することができるとともに、放熱フィンへの着雪量を低減することができる車両用機器を提供することである。

この発明に係る車両用機器は、車両の走行に伴って生じる走行風によって冷却される車両用機器であって、車両に取り付けられる機器本体と、機器本体に設けられ、機器本体が発生した熱を外部に放出する放熱フィンと、放熱フィンに設けられ、放熱フィンに走行風を取り入れる通風口を機器本体との間に形成する制御板と、制御板の動作によって通風口を開閉させることにより、走行風の風量を調節する風量調節手段とを備え、風量調節手段は、制御板に設けられ、通風口を開く方向に保持するばねであるものである。

この発明の車両用機器によれば、放熱フィンに、走行風を取り入れる通風口を形成する制御板を取り付け、制御板の動作によって通風口を開閉させるので、放熱フィンに適切な走行風量を供給することができるとともに、放熱フィンへの着雪量を低減することができ、装置の信頼性を向上させることができる。

以下、この発明の各実施の形態について図に基づいて説明するが、各図において同一、または相当する部材、部位については、同一符号を付して説明する。以下の実施の形態では、車両用機器は、車両の電動機に対する電力を変換する電力変換装置である場合を例にして説明する。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る電力変換装置２を搭載した車両を示す側面図である。
図２は、図１に示した車両の低速（０［ｋｍ／ｈ］より大きく６０［ｋｍ／ｈ］以下）走行時におけるＩＩ−ＩＩ線に沿った矢視断面を車両の一方の側面について示した断面図である。
図３は、図１に示した車両の高速（２７０［ｋｍ／ｈ］以上、３００［ｋｍ／ｈ］以下）走行時におけるＩＩ−ＩＩ線に沿った矢視断面を車両の一方の側面について示した断面図である。

図１から図３において、車体１の下面には、車両の電動機に対する電力を変換する電力変換装置２の電力変換装置本体３（機器本体）（以下「装置本体３」と略称する）が取り付けられている。装置本体３の側面には、車両内側に向かってくぼんで凹部１５が形成されている。凹部１５は、前後両側にそれぞれ形成され車両の走行に伴って生じる走行風Ａを車両の内側に誘導し、また車両の外側に排出する案内スロープ４と、案内スロープ４に挟まれた平坦面５とを有している。

平坦面５には、装置本体３で発生した熱を外部に放出する放熱フィン６が外部に露出して取り付けられている。放熱フィン６は、平坦面５に対して垂直で、かつ車体１の前後方向に延びた直方体の金属板が、車体１の上下方向に複数枚間隔をおいて積層されて構成されている。

放熱フィン６の車両の走行方向側の１辺には、金属製の平板である第１の制御板７ａの１辺が、ヒンジ９を用いて取り付けられている。第１の制御板７ａの反放熱フィン６側の端部は、上方に曲げ加工されており、車両の矢印Ｃの方向への走行に伴って生じる走行風Ａにより上方に圧力を受ける受風部１４が形成されている。また、第１の制御板７ａの反放熱フィン６側と案内スロープ４とが、風量調節手段であるばね１０を介して接続されている。

ここで、第１の制御板７ａと案内スロープ４とで、放熱フィン６に走行風Ａを取り入れる通風口８が形成されている。また、第１の制御板７ａは、ばね１０により常に通風口８が開放する方向に保持されている。
なお、放熱フィン６の車両の反走行方向側の他辺には、第２の制御板７ｂの１辺が第１の制御板７ａと同様に取り付けられている。

以下、上記構成の電力変換装置２についての動作を説明する。
まず、車両の始動直後等の低速走行時は、装置本体３にかかる負荷が大きいため、装置本体３の発熱量が多くなり、放熱フィン６は高温である。このとき、第１の制御板７ａは、図２に示すようにばね１０の保持力により通風口８を開放する方向に押されており、通風口８は開放され、十分な走行風Ａが放熱フィン６に供給される。そのため、電力変換装置２の使用可能温度範囲を超えることはない。

次に、高速走行時は、惰行運転等により、装置本体３にかかる負荷が小さいため、装置本体３の発熱量は少なくなり、放熱フィン６の温度は低温である。このとき、第１の制御板７ａの受風部１４は、走行風Ａによりばね１０の保持力よりも大きな圧力を受け、第１の制御板７ａは、上方に押し上げられている。第１の制御板７ａが押し上げられていることにより、通風口８は、図３に示すように閉鎖され、放熱フィン６には走行風Ａが取り込まれない。この場合でも、装置本体３の発熱量は少ないので、電力変換装置２の使用可能温度範囲を超えることはない。

なお、中速（６０［ｋｍ／ｈ］以上、２７０［ｋｍ／ｈ］以下）走行時は、第１の制御板７ａは、車両の走行速度に応じて、通風口８を部分的に開閉して、放熱フィン６に取り込まれる走行風量を調節している。

この発明の実施の形態１に係る電力変換装置２によれば、車両の走行速度に応じた走行風によって第１の制御板７ａを動作させて通風口８を開閉することにより、放熱フィン６に適切な走行風量を供給することができる。
また、装置本体３の発熱量が少なくなり、放熱フィン６が低温になる高速走行時には、通風口８は閉鎖され、走行風Ａが放熱フィン６に当たることがないので、冬季の走行において、氷塊による影響を低減することができ、装置の信頼性を向上させることができる。
また、ばね１０を用いることにより、構造を簡略化し、コストダウンを図ることができる。

なお、上記実施の形態１では、車両の一方の側面のみについて説明したが、装置本体が車体の全幅に亘って取り付けられているときは、他方の側面にも制御板が取り付けられた放熱フィンを設け、制御板と装置本体との間に形成される通風口を開閉して、放熱フィンに取り込まれる走行風量が調節される。

実施の形態２．
図４は、この発明の実施の形態２に係る電力変換装置２を搭載した車両の高速走行時における側面図である。
図５は、図４に示した車両の低速走行時における要部拡大図である。
図４および図５において、車体１の下面には、装置本体３が取り付けられている。装置本体３の下面には、車両内側に向かってくぼんで凹部１６が設けられている。

放熱フィン６は、平坦面５に対して垂直で、かつ車体１の前後方向に延びた直方体の金属板が、車体１の前後方向に対して垂直に複数枚間隔をおいて積層されて構成されている。
また、放熱フィン６の車両の走行方向側の１辺には、第１の制御板７ａの１辺が、図示しないボルトによって固定されている。

第１の制御板７ａには、風量調節手段である金属板１７が貼り付けられている。
ここで、第１の制御板７ａと金属板１７とは、互いに異なる熱膨張率を有する金属である。互いに異なる熱膨張率を有する金属を貼り合わせることにより、第１の制御板７ａと金属板１７とは、自身の温度の変化によって湾曲する。ここで、車両の始動直後等の低速走行時で放熱フィン６の温度が高い場合には、第１の制御板７ａは、放熱フィン６の下面と水平になり、通風口８は開放された状態となる。また、車両の高速走行時で放熱フィン６の温度が低い場合には、第１の制御板７ａは、案内スロープ４側に湾曲し、通風口８は閉鎖された状態となる。
なお、放熱フィン６の車両の反走行方向側の他辺には、第２の制御板７ｂの１辺が第１の制御板７ａと同様に固定されている。
その他の構成については、実施の形態１と同様であり、その説明は省略する。

以下、上記構成の電力変換装置２についての動作を説明する。なお、実施の形態１と同様の動作については、説明を省略する。
まず、車両の低速走行時で放熱フィン６が高温であるとき、通風口８は、図５に示すように開放されており、十分な走行風Ａが放熱フィン６に供給される。

次に、車両の高速走行時で放熱フィン６が低温であるとき、第１の制御板７ａおよび第２の制御板７ｂ（以下「制御板７」と略称する）は、温度変化によって変形し、通風口８は、図４に示すように閉鎖されており、放熱フィン６に走行風Ａは供給されない。

なお、中速（６０［ｋｍ／ｈ］以上、２７０［ｋｍ／ｈ］以下）走行時は、制御板７は、自身の温度に応じて、通風口８を部分的に開閉して、放熱フィン６に取り込まれる走行風量を調節している。

この発明の実施の形態２に係る電力変換装置２によれば、制御板７自身の温度によって制御板７の動作を制御して通風口８を開閉することにより、放熱フィン６に適切な走行風量を供給することができる。

なお、上記実施の形態２では、第１の制御板７ａはボルトによって放熱フィン６に取り付けられているとしたが、勿論このものに限定されるものではなく、溶接等別の方法で取り付けられていてもよい。

実施の形態３．
図６は、この発明の実施の形態３に係る電力変換装置２に設けられた風量調節手段１１と制御板７との関係を示すブロック図である。
実施の形態２に示した図４、および図６において、電力変換装置２には、通風口８を開閉して走行風量を調節する風量調節手段１１が設けられている。風量調節手段１１は、放熱フィン６の温度を測定する測定部１２と、制御板７に接続され、測定部１２の出力信号に基づいて制御板７を動作させる動作部１３とを有している。
測定部１２は、放熱フィン６に取り付けられた図示しない温度センサ等で構成されており、動作部１３は、制御板７に接続された図示しないサーボモータ等で構成されている。
その他の構成については、実施の形態２と同様であり、その説明は省略する。

以下、上記構成の電力変換装置２についての動作を説明する。なお、実施の形態１と同様の動作については、説明を省略する。
放熱フィン６の温度は、測定部１２により、随時測定されている。
まず、車両の低速走行時で放熱フィン６が高温であるとき、サーボモータは、通風口８を開放する方向に制御板７を動作させている。
次に、車両の高速走行時で放熱フィン６が低温であるとき、サーボモータは、通風口８を閉鎖する方向に制御板７を動作させている。

この発明の実施の形態３に係る電力変換装置２によれば、放熱フィン６の温度を測定部１２で随時測定し、放熱フィン６の温度に応じて制御板７の動作をすることができるので、実施の形態１および２に比べて、より正確な制御をすることができる。

なお、上記実施の形態３では、測定部１２は放熱フィン６の温度を測定しているとしたが、勿論このものに限定されるものではなく、測定部は車両の速度を測定して、速度を温度に換算して制御板７を動作させてもよいし、装置本体３に流れる電流を測定して、電流を温度に換算して制御板７を動作させてもよい。

実施の形態４．
図７は、この発明の実施の形態４に係る電力変換装置２を搭載した車両の低速運転時における要部拡大図である。
図８は、この発明の実施の形態４に係る電力変換装置２を搭載した車両の高速運転時における要部拡大図である。

図７および図８において、一点鎖線は車体１への機器等の取り付けが可能な最下限を示す線である。この一点鎖線をぎ装限界Ｂとする。車体１は、走行速度の上昇に応じた空力抵抗を受けて沈み込むため、車両のぎ装限界Ｂを決定する場合は、高速走行時を基準にして決定される。

実施の形態２において、車両の低速走行時で放熱フィン６が高温であるとき、制御板７は、放熱フィン６の下面と水平になり、通風口８は開放された状態になると説明したが、本実施の形態では、ぎ装限界Ｂを考慮して制御板７の取り付けを行う。

低速走行時においては、車体１の沈み込みが少ないため、図８に示すように、ぎ装限界Ｂと放熱フィン６下面との間には、空間が生じる。
そこで、図８に示すように、制御板７は、車両の走行開始時に、放熱フィン６の下面よりも下方に突出するように、放熱フィン６に取り付けられている。
その他の構成については、実施の形態２と同様であり、その説明は省略する。

以下、上記構成の電力変換装置２についての動作を説明する。なお、実施の形態２と同様の動作については、説明を省略する。
まず、放熱フィン６の温度が高温であるとき、制御板７は、図８に示すように放熱フィン６の下面よりも下方に突出しており、通風口８は大きく開放されているので、十分な走行風Ａが放熱フィン６に供給される。

この発明の実施の形態４に係る電力変換装置２によれば、低速運転時により多くの走行風Ａを放熱フィン６に取り込むことができるので、放熱フィン６の冷却性能を向上させ、放熱フィン６の小型化を図ることができる。

なお、上記実施の形態４では、風量調節手段は、制御板７に貼り付けられた熱膨張率の異なる金属板１７であるとしたが、勿論このものに限定されるものではなく、風量調節手段は、実施の形態３に示したものであってもよい。

なお、放熱フィンの取り付け位置について、上記実施の形態１のものでは、装置本体の下面に取り付けられていてもよいし、また上記実施の形態２および３のものでは、装置本体の側面に取り付けられていてもよい。
また、上記実施の形態１〜３において、放熱フィンは、それぞれ装置本体の側面および下面の両面に取り付けられていてもよい。このものの場合、放熱フィンにより多くの走行風を取り込むことができる。

また、上記実施の形態１〜４では、車両用機器として電力変換装置２を用いて説明したが、勿論このものに限定されるものではなく、車両用機器は、例えば車両の電動機であってもよい。

この発明の実施の形態１に係る電力変換装置を搭載した車両を示す側面図である。 図１に示した車両の低速走行時におけるＩＩ−ＩＩ線に沿った矢視断面を車両の一方の側面について示した断面図である。 図１に示した車両の高速走行時におけるＩＩ−ＩＩ線に沿った矢視断面を車両の一方の側面について示した断面図である。 この発明の実施の形態２に係る電力変換装置を搭載した車両の高速走行時における側面図である。 図４に示した車両の低速走行時における要部拡大図である。 この発明の実施の形態３に係る電力変換装置に設けられた風量調節手段と制御板との関係を示すブロック図である。 この発明の実施の形態４に係る電力変換装置を搭載した車両の低速運転時における要部拡大図である。 この発明の実施の形態４に係る電力変換装置を搭載した車両の高速運転時における要部拡大図である。

符号の説明

１ 車体、２ 電力変換装置、３ 電力変換装置本体（機器本体）、６ 放熱フィン、７、７ａ、７ｂ 制御板、８ 通風口、１０ ばね（風量調節手段）、１１ 風量調節手段、１２ 測定部、１３ 動作部、１７ 金属板（風量調節手段）。

Claims (6)

1. 車両の走行に伴って生じる走行風によって冷却される車両用機器であって、
   前記車両に取り付けられる機器本体と、
   前記機器本体に設けられ、前記機器本体が発生した熱を外部に放出する放熱フィンと、
   前記放熱フィンに設けられ、前記放熱フィンに前記走行風を取り入れる通風口を前記機器本体との間に形成する制御板と、
   前記制御板の動作によって前記通風口を開閉させることにより、前記走行風の風量を調節する風量調節手段と
   を備え、
   前記風量調節手段は、前記制御板に設けられ、前記通風口を開く方向に保持するばねであることを特徴とする車両用機器。
2. 車両の走行に伴って生じる走行風によって冷却される車両用機器であって、
   前記車両に取り付けられる機器本体と、
   前記機器本体に設けられ、前記機器本体が発生した熱を外部に放出する放熱フィンと、
   前記放熱フィンに設けられ、前記放熱フィンに前記走行風を取り入れる通風口を前記機器本体との間に形成する制御板と、
   前記制御板の動作によって前記通風口を開閉させることにより、前記走行風の風量を調節する風量調節手段と
   を備え、
   前記風量調節手段は、金属製の前記制御板に貼り付けられ、前記制御板と異なる熱膨張率を有する金属板であることを特徴とする車両用機器。
3. 前記放熱フィンは、前記機器本体の側面部に設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の車両用機器。
4. 前記放熱フィンは、前記機器本体の底面部に設けられていることを特徴とする請求項１から請求項３までの何れか１項に記載の車両用機器。
5. 前記風量調節手段は、前記車両の走行開始時に、前記制御板を前記放熱フィンの下面より下方に突出させることを特徴とする請求項４に記載の車両用機器。
6. 前記機器本体は、前記車両の電動機に対する電力を変換する電力変換装置本体であることを特徴とする請求項１から請求項５までの何れか１項に記載の車両用機器。

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