JP5025405B2 - 鉄道車両用の冷却装置 - Google Patents

Description

本発明は、鉄道車両に設けられた電機品を冷却する鉄道車両用の冷却装置に関する。

一般に、レール上を走行する鉄道車両には、主電動機、変圧器の油冷却器、インバータ装置、リアクトル等、動作により発熱する複数の電機品が設けられている。このような発熱する電機品を冷却するため、送風機から電機品に冷却風を送り込む強制通風冷却が採用されている。

このような強制通風冷却を行う場合、電機品毎に送風機を設けることが考えられるが、この場合、送風機の数が増え、大きな設置スペースを必要とするとともに、重量の増加、騒音の増加を招く要因となる。

そこで、複数の電機品を単一の送風機を用いて冷却する冷却装置が提供されている（例えば、特許文献１）。複数の電機品と送風機とが通風ダクトを介して直列に接続されている。この冷却装置によれば、上流側から送風機、変圧器の油冷却器、リアクトルが順に並べられ、通風ダクトを通して互いに直列に接続している。また、冷却対象となる油冷却器とリアクトルとは、冷却に必要な通風量が相違している。通常、油冷却器の方が、リアクトルに対して１．５倍程度の通風量を必要とする。そのため、送風機として、容量の大きな油冷却器に合わせた定格の送風機を用いている。

また、上記冷却装置によれば、送風機とリアクトルとの間の通風ダクトは、分流路を有した分流風道として形成され、送風機から送られた冷却風の一部を分流ダクトを通してリアクトルの外側に、特に、地面側に排出するように構成されている。この構成によれば、送風機の定格とリアクトルの必要風量との差分を分流ダクトから排気することにより、リアクトルに起因する圧力損失を低減することができ、送風機の小型化を図ることが可能となる。
特開２００１−１８７９１号公報

しかしながら、このように構成された鉄道車両用冷却装置においては、通風ダクトから突出した、あるいは、リアクトルの外側に延出した分岐ダクトを設ける必要があり、装置全体が大型化し、大きな設置スペースを必要とする。鉄道車両においては、設置スペースが制約されるため、大型化は望ましくない。

また、分岐ダクトから下方、つまり、地面側に向かって排気する構成の場合、排気風によりゴミ、埃、石等が巻き上げられ、周囲環境に悪影響を与える。また、巻き上げられたゴミ、埃、砂等を、車両に設置されている他の電機品、他の冷却装置に吸い込んで不具合を生じる可能性もある。

この発明は、上記の課題を解決させるためになされたもので、その目的は、小型、軽量化が可能であるとともに、排気による悪影響を防止することのできる鉄道車両冷却装置を提供することにある。

この発明の態様に係る鉄道車両用冷却装置は、通風可能なコイル部と、コイル部内を延び通風可能な内流路と、前記内流路を流れる冷却風量を調整する整流板と、を有したフィルタリアクトルと、前記コイル部よりも必要冷却風量が多い第２電機品と、冷却風を供給する送風機と、前記フィルタリアクトル、第２電機品および送風機を直列に連結し、前記フィルタリアクトルおよび第２電機品を通して冷却風を流す通風ダクトと、を備え、
前記整流板は、前記第２電機品の必要冷却風量と前記コイル部の必要冷却風量との差分の風量を前記内流路に流すように形成されている。

この発明の様態によれば、小型、軽量化が可能であるとともに、排気による悪影響を防止することのできる鉄道車両冷却装置を提供することにある。

以下、図面を参照しながら、この発明の実施形態に係る冷却装置を備えた鉄道車両、例えば、電気機関車について詳細にする。
図１は、冷却装置が設けられた電気機関車を概略的に示す断面図、図２は、冷却対象である電機品を含む冷却装置を抜き出して示す正面図である。

図１に示すように、鉄道車両としての電気機関車１０は、それぞれ車輪１４が設けられた図示しない台車と、ばね等を介して台車上に支持された車体１２とを備えている。各台車上で車輪１４の近傍には、車輪を駆動する図示しない主電動機、ギアボックス、カップリング等が載置されている。車輪１４はレール１５上に載置されている。主電動機によって車輪１４を回転することにより、電気機関車１０はレール１５上を走行する。

車体１２には、種々の電機品および冷却装置１８が設置されている。図１および図２に示すように、冷却装置１８は、冷却対象となる第１電機品および第２電機品、送風機４４、これらを直列に繋いだ通風ダクト５０を備えて構成されている。

本実施形態では、第１電機品として２つのフィルタリアクトル２０ａ、２０ｂを同軸的に重ねて形成されたリアクトルユニット２０が設置され、また、第２電機品として、変圧器４０の油冷却器４２が設置されている。油冷却器４２に必要な冷却風量は、リアクトルユニットの冷却風量よりも大きい設定されている。

リアクトルユニット２０は、車体１７の床上に設置され、ほぼ垂直に延びている。変圧器４０は、ステイ４１により車体１７の床下に懸架され、油冷却器４２は変圧器４０に取り付けられ車体の床下に設置されている。

送風機４４は、回転羽根４４ａ、この回転羽根を回転駆動する電動機４４ｂ、およびこれらを覆った筒状のケース４４ｃを有している。送風機４４は、リアクトルユニット２０と油冷却器４２との間、車体１７の床下に配置され、ステイ４５により車体に懸架されている。送風機４４は、その回転軸が車体１７の床とほぼ平行に延びた状態で配置されているとともに油冷却器の上流側に隣接対向している。

通風ダクト５０は、リアクトルユニット２０の上流側端に接続されているとともに車体１７の天井付近まで延びた吸気ダクト５１、リアクトルユニット２０の下流側端と送風機４４の上流側端とを繋いでいるとともにほぼ直角に曲がった連結ダクト５２、および送風機の下流側端と油冷却器４２の上流側端とを繋いだ連結ダクト５４を備えている。吸気ダクト５１内に、ゴミ、埃等を除去する吸気フィルタを設けてもよい。

このように、リアクトルユニット２０、送風機４４、および油冷却器４２は、通風ダクト５０によって直列に接続され、送風機４４は、冷却風の流通路において、リアクトルユニットと油冷却器との間に位置している。送風機４４を作動させると、吸気ダクト５１を通して外気が吸い込まれ、この外気は、冷却風としてリアクトルユニット２０を通過し、リアクトルユニットを冷却した後、連結ダクト５２、送風機４４、連結ダクト５４を順に通り、油冷却器４２に供給される。油冷却器４２を通過した後、冷却風は、車体１７の床とほぼ平行な方向に排出される。このように、単一の送風機４４を用いて、２つの電機品に冷却風を供給しこれらを冷却することができる。

次に、リアクトルユニットについて詳細に説明する。図３はリアクトルユニットの平面図、図４は、リアクトルユニットの縦断面図、図５は、リアクトルユニットおよび整流板の通風状態を模式的に示す断面図である。

図３ないし図５に示すように、リアクトルユニット２０は一対のフィルタリアクトル２０ａ、２０ｂを有し、これらのフィルタリアクトルは互いに同軸的に重ねて配設されている。フィルタリアクトル２０ａ、２０ｂは同一の構成を有しているため、ここでは、一方のフィルタリアクトル２０ａについて詳細に説明する。

フィルタリアクトル２０ａは、円筒状のコイル部２２と、コイル部を保持した支持フレーム２４とを備えている。コイル部２２は、複数の円筒状のコイル２６を有している。複数のコイル２６は互いに異なる径を有し、互いに同軸的に、かつ、径方向に隙間を置いて配列されている。コイル部２２の外周側には外筒２８ａが同軸的に配設され、最外周のコイルと隙間を置いて対向している。コイル部２２の内周側には内筒２８ｂが同軸的に配設され、最外周のコイルと隙間を置いて対向している。外筒２８ａおよび内筒２８ｂは、それぞれエポキシ樹脂等の絶縁材料で形成されている。

複数のコイル２６間の隙間、外筒２８ａとコイルとの隙間、および内筒２８ｂとコイルとの隙間は、それぞれ冷却風が流れる流通路を形成している。また、コイル部２２の内周、ここでは、内筒２８ｂにより、冷却空気を流通可能な内流路３０が規定されている。

支持フレーム２４は、コイル部２２の上端部を支持した環状の上フレーム２４ａ、コイル部２２の下端部を支持した環状の下フレーム２４ｂ、これら上フレームおよび下フレームの外周部同士を連結した複数本の連結ロッド２４ｃを有し、アルミニウム等により形成されている。また、上フレーム２４ａおよび下フレーム２４ｂの外周部同士は、複数のスタッド２５によって連結されている。

上フレーム２４ａはそれぞれ中心に向かって延出した複数の支持アーム３２ａを有し、これらの支持アームは、円周方向に等間隔を置いて設けられている。各支持アーム３２ａには、絶縁体３３ａを介して棒状の押え板３４ａが取り付けられ、この押え板はコイル部２２の上端に当接している。下フレーム２４ｂは、上フレーム２４ａと同様に構成され、複数の支持アーム３２ｂ、絶縁体３３ｂ、押え板３４ｂを有し、押え板３４ｂは、コイル部２２の下端に当接している。上側の支持アーム３２ａ、絶縁体３３ａ、押え板３４ａは、コイル部２２ｂを通って延びたスタッド３６により、下側の支持アーム３２ｂ、絶縁体３３ｂ、押え板３４ｂと連結されている。これにより、コイル部２２は、上側の押え板３４ａと下側の押え板３４ｂとの間に挟持された状態で、フレーム２４に支持されている。

上フレーム２４ａには、電流の入出力端子３５が取り付けられ、この入出力端子は配線を介してコイル２６に接続されている。

コイル部２２の内孔、すなわち、内流路３０には、この内流路を流れる冷却風の風量、つまり、流量を調整する整流板３７が設けられている。整流板３７は、複数の取付け金具３９を介して上フレーム２４ａの複数の支持アーム３２ａに支持され、内流路３０の流入端を閉塞するように設けられている。なお、整流板３７は、内筒２８ｂと一体に形成されていてもよく、あるいは、流入端に限らず、内流路３０のいずれの部分に設けられていてもよい。

整流板３７には、冷却風の流量を調整する透孔３８が形成されている。すなわち、透孔３８の径を変更することにより、整流板３７の圧力損失が変化し、整流板３７を通る風量が変化する。透孔３８の径は、送風機４４の送風能力、つまり、油冷却器４２の冷却に必要な冷却風量と、フィルタリアクトル２０ａ、２０ｂのコイル部２２の冷却に必要な冷却風量との差分の風量を流すように設定されている。

例えば、送風機４４の送風能力を１８７．５m³／min 、
油冷却器４２の冷却必要風量を１８７．５m³／min、圧力損失を４９０Pa、
フィルタリアクトル２０ａ、２０ｂのコイル部２２の冷却必要風量を１２０．５m³／min、圧力損失を４９０Pa、
通風ダクト５０の風量を１８７．５m³／min、圧力損失を３３０Paとする。

この場合、フィルタリアクトル全体を通る風量は１８７．５m³／minであり、その内、コイル部２２を流れる風量は、１２０．５m³／min（圧力損失を４９０Pa）である。このことから、フィルタリアクトル２０ａ、２０ｂの内流路３０を流れる風量は、
１８７．５−１２０．５＝６７．５m³／min
とする必要がある。

そのため、整流板３７は、６７．５m³／minの風量を流し、圧力損失が４９０Paとなるように、透孔３８の径が調整されている。但し、本実施形態においては、２つのフィルタリアクトル２０ａ、２０ｂが重ねて設けられているため、整流板３７は２枚設けられている。そのため、各整流板３７の必要な圧力損失は、４９０／２＝２４５Paとなる。
圧力損失ＰＬは、以下の式によって求められる。
ＰＬ＝η×（γ／２ｇ）×Ｖ²
ここで、η：圧力損失係数、γ：空気比重＝１．２、ｇ：重力加速度＝９．８０７、
Ｖ：風速、である。

圧力損失係数ηは、内流路３０の断面積Ａ１と整流板３７の透孔３８の面積Ａ２との比を、図示しない所定の相対グラフに当てはめることにより得られる。図５に示すように、例えば、内流路３０の径Ｄ＝４１７mm、整流板３７の透孔３８の径ｄ＝３１０mmとした場合、
Ａ２／Ａ１＝（３１０²×π／４）／（４１７²×π／４）＝０．５５
相対グラフとＡ２／Ａ１から、η＝１．８３となる。

前述した式から、
圧力損失ＰＬ＝１．８３×（１．２／２ｇ）×１４．９²＝２４．９mAq＝２４４Pa
が得られる。従って、透孔３８の径を上記の値に設定することにより、整流板３７により必要な圧力損失を発生させ、内流路３０を流れる冷却風を所望の風量に調整することができる。

上記構成の冷却装置１８によれば、送風機４４を作動させると、吸気ダクト５１を通して外気が吸い込まれ、この外気は、冷却風としてリアクトルユニット２０のフィルタリアクトル２０ａ、２０ｂを通過し、これらのフィルタリアクトルを冷却した後、連結ダクト５２、送風機４４、連結ダクト５４を順に通り、油冷却器４２に供給される。冷却風は、油冷却器４２を通って油冷却器を冷却した後、車体１７の床とほぼ平行な方向に排出される。

リアクトルユニット２０を流れる際、冷却風の内、フィルタリアクトル２０ａ、２０ｂの冷却に必要な風量は、コイル部２２を通って流れ、残りの風量は、整流板３７およびフィルタリアクトルの内流路３０を通って流れる。冷却風は、リアクトルユニット２０を通過した後、合流し、必要量の冷却風が油冷却器４２に供給される。

以上のように構成された冷却装置によれば、単一の送風機４４を用いて２つの電機品を冷却することができる。そのため、各電機品毎に送風機を設ける場合に比較して、送風機の数を低減し、電気機関車の省エネを図ることができるとともに、製造コストの低減を図ることが可能となる。また、フィルタリアクトルの内流路を通して冷却風を通風可能にするとともに、内流路に整流板を設けて通風量を調整することにより、送風機の送風能力、つまり、油冷却器の冷却に必要な冷却風量と、フィルタリアクトルのコイル部２２の冷却に必要な冷却風量との差分の風量を内流路に流すことができる。これにより、必要冷却風量の少ないフィルタリアクトルによる冷却風の圧力損失を低減し、送風機に係る負担を低減することができる。従って、送風能力、つまり、定格の小さい送風機を用いることが可能となり、製造コストの低減、重量の低減、発生騒音の低減を図ることができる。

更に、従来のように、装置の外方に延出する分流ダクト、あるいは、リアクトルの外側を延びる分流ダクト等を設ける必要がなく、冷却装置の小型化、軽量化を図ることができる。冷却装置から排気される冷却風は、車体の底とほぼ平行な方向に排気されるため、ゴミ、埃、石等を巻き上げることがなく、周囲環境への悪影響を防止することができる。
以上のことから、小型、軽量化が可能であるとともに、排気による悪影響を防止することのできる鉄道車両冷却装置が得られる。

なお、上述した実施形態において、フィルタリアクトルを２段に重ねて設ける構成としたが、これに限らず、単一のフィルタリアクトルを備えた構成としてもよい。

また、第１電機品、第２電機品、送風機の配置は、上述した実施形態に限らず、種々変更可能である。例えば、リアクトルユニットは、車体の床に対して垂直に設けた場合に限らず、冷却装置全体を水平、すなわち、車体の床と平行な方向に設けても良い。

図６に示す第２の実施形態によれば、冷却装置のフィルタリアクトル２０ａ、連結ダクト５２、送風機４４、連結ダクト５４、油冷却器４２が直線状に直列に並んで設けられている。

図７に示す第３の実施形態によれば、冷却装置の第２電機品として、他のフィルタリアクトル７０が設けられている。第２電機品として用いる場合、フィルタリアクトル７０の内流路は、完全に閉塞されている。

第１電機品、第２電機品、送風機の配列の順番は種々変更可能である。
図８に示す第４の実施形態によれば、冷却装置の油冷却器４２が冷却風の上流側に配設され、フィルタリアクトル２０ａが下流側に配設されている。送風機４４は、油冷却器４２とフィルタリアクトル２０ａとの間に設けられている。この構成によれば、フィルタリアクトル２０ａの内流路３０を通って排気される冷却風により、コイル部２２を通過した冷却風を冷却し、冷えた状態で外部に排気することができる。

図９に示す第５の実施形態によれば、送風機４４が最も下流側に設けられ、冷却風は、フィルタリアクトル２０ａ、第２電機品としての他のフィルタリアクトル７０を順に通り、送風機から排気される。なお、送風機４４を、フィルタリアクトルおよび第２電機品の上流側に配置する構成としてもよい。

第２ないし第５の実施形態において、他の構成は、前述した第１の実施形態と同一であり、同一の部分には同一の参照符号を付してその詳細な説明を省略する。そして、第２ないし第５の実施形態においても、第１の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

この発明は上述した実施形態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できる。また、上記実施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。実施の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し、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
冷却対象となる第２電機品は、油冷却器、フィルタリアクトルに限らず、インバータ、エンジン、電力変換装置等、他の電機品としてもよい。整流板は、所望の圧力損失を生じるものであれば、材質、形状等は種々変更可能であり、透孔の数も１つに限らず、複数としてもよい。

図１は、本発明の第１の実施形態に冷却装置を備えた電気機関車を示す断面図。 図２は、前記冷却装置を示す側面図。 図３は、前記冷却装置のフィルタリアクトルを示す平面図。 図４は、前記フィルタリアクトルの断面図。 図５は、前記フィルタリアクトルを概略的に示す断面図。 図６は、この発明の第２の実施形態に係る冷却装置を示す断面図。 図７は、この発明の第３の実施形態に係る冷却装置を示す断面図。 図８は、この発明の第４の実施形態に係る冷却装置を示す断面図。 図９は、この発明の第５の実施形態に係る冷却装置を示す断面図。

符号の説明

１０…電気機関車、１２…車体、１８…冷却装置、２０…リアクトルユニット、
２０ａ、２０ｂ…フィルタリアクル、２２…コイル部、２４…支持フレーム、
２６…コイル、３０…内流路、３７…整流板、３８…透孔、４０…変圧器、
４２…油冷却器、５０…通風ダクト、

Claims (9)

1. 鉄道車両の電機品を冷却する冷却装置であって、
   通風可能なコイル部と、コイル部内を延び通風可能な内流路と、前記内流路を流れる冷却風量を調整する整流板と、を有したフィルタリアクトルと、
   前記コイル部よりも必要冷却風量が多い第２電機品と、
   冷却風を供給する送風機と、
   前記フィルタリアクトル、第２電機品および送風機を直列に連結し、前記フィルタリアクトルおよび第２電機品を通して冷却風を流す通風ダクトと、を備え、
   前記整流板は、前記第２電機品の必要冷却風量と前記コイル部の必要冷却風量との差分の風量を前記内流路に流すように形成されている冷却装置。
2. 前記整流板は通風可能な透孔を有し、前記透孔は、前記差分の風量を得る圧力損失を発生する面積に形成されている請求項１に記載の冷却装置。
3. 前記フィルタリアクトルのコイル部は、通風可能な隙間を置いて互いに同軸的に配列された互いに径の異なる複数の筒状のコイルと、最内周側のコイルと対向して設けられ前記内流路を規定した内筒と、を有し、前記整流板は、前記内流路を塞ぐように前記内筒に取り付けられている請求項１又は２に記載の冷却装置。
4. 前記フィルタリアクトルは、前記コイル部を支持した支持フレームを有し、前記整流板は前記支持フレームに支持されている請求項３に記載の冷却装置。
5. 前記整流板は前記内筒と一体に形成されている請求項３に記載の冷却装置。
6. 前記送風機は、前記フィルタリアクトルと第２電機品との間に設けられている請求項１に記載の冷却装置。
7. 前記第２電機品は、前記送風機の下流側に設けられ、前記車両の床と平行に位置している請求項１に記載の冷却装置。
8. 前記フィルタリアクトルは、前記送風機の下流側に設けられ、前記車両の床と平行に位置している請求項１に記載の冷却装置。
9. 前記フィルタリアクトルは、前記送風機の上流側に設けられ、前記車両の床と垂直に設けられている請求項１に記載の冷却装置。

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