JP5178278B2 - 鉄道車両用の冷却装置およびこれを備えた鉄道車両 - Google Patents

Description

本発明は、鉄道車両に設けられた電気機器を冷却する鉄道車両用の冷却装置、およびこれを備えた鉄道車両に関する。

レール上を走行する鉄道車両、例えば、電気機関車、電気式ディーゼル機関車は、車両内部に設けられた主変換装置、変圧器の油冷却器、制御装置、あるいは床下に設けられた主電動機等、動作により発熱する種々の電気機器を備えている。このような発熱する電気機器を冷却するため、送風機から電気機器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、通常、電気機器毎に、各電気機器に適した送風機を設けられている。すなわち、冷却を必要とする電気機器の数に相当する数の送風機が鉄道車両内に点在して設けられている（例えば、特許文献１）
特公昭６２−１６８６３号公報

しかしながら、上記のように電気機器毎に送風機を設けた場合、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、重量の増加を招く要因となる。電気機器毎に性能の異なる送風機を設置する必要がある。また、送風機毎に空気取り入れのための通風路を構成する必要があるとともに、複数の送風機が点在していることから、騒音対策が困難となる。

送風機の性能は駆動モータの回転数を可変することで調整可能であるが、電気機器毎に送風機を設置している場合、送風機は性能を可変する必要性が低く、一定の回転数で一定の性能で運転されている。

この発明は、上記の点に鑑みなされたもので、その目的は、騒音の低減および構造の簡素化を図ることができる鉄道車両用の冷却装置を提供することにある。

この発明の態様に係る冷却装置は、鉄道車両に設置された複数の電気機器を冷却する冷却装置であって、吸気口および複数の排気口を有し、前記鉄道車両内に設置される箱状のハウジングと、前記ハウジング内に収納され、それぞれ前記吸気口に連通する吸込み口と、前記排気口に連通する吐出口とを有した複数の送風機と、を備え、前記吸気口は、前記鉄道車両の車外に連通し、前記排気口は、前記電気機器にダクトを通して連通している。

この発明の様態によれば、複数の送風機を１つのハウジング内に集約して配設することにより、騒音の低減および構造の簡素化を図ることができる鉄道車両用の冷却装置が得られる。

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、第１の実施形態に係る電気機関車を概略的に示す側面図、図２は、電気機関車の一部を示す横断面図である。図１および図２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が設けられた一対の台車１６と、台車上にばね１５を介して支持された車体１７と、を備えている。各台車１６上で車輪１４の近傍には主電動機１８が載置されている。主電動機１８は、図示しないギアボックスおよびカップリングを介して回転力を車輪１４に伝達できるように接続されている。車輪１４はレール１３上に載置されている。

車体１７の天井側にはパンタグラフ１９が設けられ、このパンダグラフは架線２０と接触している。車体１７の床下には、種々の床下装置２３が艤装されている。架線２０からパンタグラフ１９に供給された電力は、後述する他の電気機器に送られた後、直流から交流に変換され、図示しない配線を通して、各主電動機１８に供給される。主電動機１８は供給された電力により駆動し、ギアボックスとカップリングを介して車輪１４を回転させ、これにより、電気機関車１０はレール１３上を走行する。

図３は、車両の床板およびこの床板上に設置された種々の電機機器を示す平面図、図４は、床板を含む車両の一部を示す縦断面図、図５は、床板を含む車両の他の一部を示す縦断面図である。また、図６は、冷却装置を断面図、図７は、冷却装置を示す平面図である。

図１ないし図３に示すように、車体１７は、鋼材等により形成された車体台枠２４と、車体台枠上に搭載された車両本体２６と、車体台枠上の全面に渡って敷設され車体の床を構成した床板２８と、を備えている。車両本体２６は、車体台枠２４上に立設され車体の長手方向に延びた一対の側壁２６ａ、天井壁２６ｂ、車両の前面および後面をそれぞれ形成した一対の端壁を有し、車体台枠を覆って設けられている。

図２ないし図５に示すように、車両本体２６内において、床板２８上には、種々の電気機器が設置されているとともに、これら電気機器の内、冷却を必要とする電気機器を冷却する冷却装置３０が設けられている。電気機器としては、発熱量が大きく比較的大きな冷却風量を必要とする第１電気機器、および比較的小さな冷却風量を必要とする第２電気機器が設けられている。本実施形態において、第１電気機器として、それぞれ交流、直流を変換する複数、例えば、２つの主変換装置３２ａ、３２ｂが床板２８上に搭載され、第２電気機器として、例えば、４つの主抵抗器３４等が床板上に載置されている。なお、車輪１４を駆動する各主電動機１８は第２電気機器に含まれる。

冷却装置３０は、床板２８の長手方向中央部に設置されている。２つの主変換装置３２ａ、３２ｂは、床板２８上において、冷却装置３０の両側に配置されている。４つの主抵抗器３４は、床板２８上において、冷却装置３０の両側に２つずつ配設されている。

図６および図７に示すように、冷却装置３０は、例えば、矩形箱状に形成されたハウジング４０と、ハウジング内に収納された複数、例えば、４つの性能の異なる送風機４２ａ、４２ｂ、４４ａ、４４ｂと、を備えている。ハウジング４０は、床板２８上に設置されている。防音対策として、ハウジング４０の内面には、シート状の吸音材４５が敷設されている。

ハウジング４０の１つの側壁４０ａには吸気口４６が形成され、また、底壁４０ｂには、それぞれ送風機に対応する４つの排気口４７ａ、４７ｂ、４７ｃ、４７ｄが形成されている。ハウジング４０の側壁４０ａは、車両本体２６の側壁２６ａと対向し、この側壁２６ａには多数の吸気孔２７が形成されている。そして、ハウジング４０の吸気口４６は、吸気ダクト４８および吸気孔２７を介して車両本体２６の外側に連通している。

送風機４２ａ、４２ｂは、例えば、ターボファンにより構成され、比較的、小風量、高風圧の送風能力を有している。送風機４２ａ、４２ｂは、吸気口４６に対して同一方向を向いた状態で、順番に並んでハウジング４０の底壁上に配設され、その吸い込み口はそれぞれ吸気口４６に連通している。送風機４２ａ、４２ｂの吐出口は、それぞれダクト５１を介してハウジング４０の排気口４７ａ、４７ｂに連通している。なお、送風機４２ａ、４２ｂは、それぞれ防振構造体上に配置してもよい。

送風機４４ａ、４４ｂは、例えば、軸流ファンにより構成され、比較的、大風量、低風圧の送風能力を有している。送風機４４ａ、４４ｂは、吸気口４６に対して、送風機４２ａ、４２ｂの反対側に設けられている。送風機４４ａ、４４ｂは、ハウジング４０の側壁内面に取付けられ、その軸がハウジング４０の底壁４０ｂと直交する方向に延びた状態で、互いに並んで配設されている。送風機４４ａ、４４ｂの吸い込み口は、それぞれ吸気口４６に連通し、吐出口は、それぞれダクト５３を介してハウジング４０の排気口４７ｃ、４７ｄに連通している。

図６に示すように、ハウジング４０の吸気口４６には、冷却風の吸い込み量および向きを調整する複数の調整板５０が設けられている。更に、ハウジング４０内には、吸気口４６から吸い込まれた冷却風を各送風機４２ａ、４２ｂ、４４ａ、４４ｂに導く複数のガイド板５２ａ、５２ｂが設けられている。ガイド板５２ａは、ハウジング４０の天井壁４０ｃと送風機４２ａ、４２ｂとの間をほぼ水平に延び、吸気口４６から吸い込まれた冷却空気を送風機４２ｂに導くとともに、送風機４４ａ、４４ｂに導く。また、ガイド板５２ｂは、送風機４２ａと送風機４２ｂとの間に設けられ、冷却空気を送風機４２ｂの吸込み口側に導く。なお、送風機４２ａの吸込み口には、調整板５０により、吸気口４６から直接、冷却空気が導かれる。

図２ないし図６に示すように、ハウジング４０の底壁に形成された排気口４７ａ、４７ｂ、４７ｃ、４７ｄは、それぞれ車両本体２６の床板２８に形成された複数の開口にそれぞれ連通している。送風機４２ａに連通している排気口４７ａは、通気ダクト５６を通して複数の電気機器、ここでは、主変換装置３２ａ、および２つの主電動機１８に連通している。送風機４２ｂに連通している排気口４７ｂは、通気ダクト５８を通して複数の電気機器、ここでは、主変換装置３２ｂ、および２つの主電動機１８に連通している。通気ダクト５６、５８は、床下を通って延びているとともに、途中で複数の流路に分岐して各電気機器に接続されている。

送風機４４ａに連通している排気口４７ｃは、通気ダクト６０を通して２つの主抵抗器３４に連通している。送風機４４ｂに連通している排気口４７ｄは、通気ダクト６２を通して他の２つの主抵抗器３４に連通している。なお、各主抵抗器３４は、排気ダクト６３を通して、車両本体２６の天井壁２６ｂ側から車外に連通している。

上記のように構成された電気機関車１０において、送風機４２ａ、４２ｂ、送風機４４ａ、４４ｂを駆動することにより、車両本体２６の吸気孔２７、吸気ダクト４８および吸気口４６を通して冷却空気（外気）がハウジング４０内に吸込まれ、この冷却空気（冷却風）は調整板５０およびガイド板５２ａ、５２ｂによりガイドされ、送風機４２ａ、４２ｂ、４４ａ、４４ｂに送られる。上記のような調整板５０およびガイド板５２ａ、５２ｂを設けることにより、能力の異なる送風機４２ａ、４２ｂ、４４ａ、４４ｂを作動させた場合でも、各送風機に円滑に冷却空気を導くことができる。

送風機４２ａから送られた冷却風は、通気ダクト５６を通して、主変換装置３２ａ、および２つの主電動機１８に供給され、これらを冷却する。送風機４２ｂから送られた冷却風は、通気ダクト５８を通して、主変換装置３２ｂ、および２つの主電動機１８に供給され、これらを冷却する。また、送風機４４ａから送られた冷却風は、通気ダクト６０を通して、２つの主抵抗器３４に供給され、これらを冷却する。送風機４４ｂから送られた冷却風は、通気ダクト６２を通して、２つの主抵抗器３４に供給され、これらを冷却する。

以上のように構成された冷却装置３０を備えた電気機関車によれば、複数の送風機を１つのハウジング４０内に集約して配設することにより、ハウジング４０に防音対策、例えば、吸音材４５を設けることにより、複数の送風機の騒音を容易に低減することができる。同時に、冷却装置３０の構造の簡素化を図ることができる。また、車両本体内に占める冷却装置の設置面積を小さくすることが可能となる。更に、吸気用の開口は、送風機ごとに設ける必要がなく、少なくとも１つ、ハウジングに設けられていればよい。従って、一層、騒音の低減を図ることが可能となる。

次に、第２の実施形態に係る冷却装置について説明する。
図８に示すように、第２の実施形態によれば、冷却装置３０は、それぞれ送風機の駆動を制御する複数のインバータ６４を備えている。これらのインバータ６４は、ハウジング４０内で、天井壁４０ｃの内面に並んで設けられ、それぞれ対応する送風機に電気的に接続されている。また、インバータ６４は、ガイド板５２ａに沿って流れる冷却風に当たるように設けられた冷却フィン６６を有し、ハウジング４０内を流れる冷却風によって冷却可能に配置されている。

第２の実施形態において、冷却装置の他の構成、および電気機関車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。

第２の実施形態によれば、前述した第１の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。また、インバータ６４により、各送風機の運転周波数を、被冷却機器の冷却負荷に応じて、最適な値に制御することができる。これにより、各送風機を必要以上に大型とすることなく、最適な能力の送風機を用いることができる。従って、送風機の小型化、および冷却装置全体の小型化を図ることができるとともに、消費電力の低減を図ることが可能となる。また、インバータ６４により送風機の運転周波数を可変し、送風機能力を調整することにより、冷却装置の標準化、すなわち、共通の冷却装置を種々の仕様の鉄道車両に使用することが可能となる。

次に、第３の実施形態に係る冷却装置について説明する。
図９に示すように、第３の実施形態によれば、冷却装置３０は、それぞれ送風機の駆動を制御する複数のインバータ６４を備えている。これらのインバータ６４は、ハウジング４０内で、天井壁４０ｃの内面に並んで設けられ、それぞれ対応する送風機に電気的に接続されている。ガイド板５２ａは、ハウジング４０の吸気口４６からハウジングの天井壁４０ｃと平行に、かつ、隙間を置いて延びている。また、ハウジング４０内には、ガイド板５２ａと平行に、かつ隙間を置いて延びた仕切り板５２ｃが設けられ、この仕切り板は、送風機４２ａ、４２ｂの上方を覆って延びている。

インバータ６４は、ガイド板５２ａと仕切り板５２ｃとの間を流れる冷却風に当たるように設けられた冷却フィン６６を有し、ハウジング４０内を流れる冷却風によって冷却可能に配置されている。

本実施形態において、送風機４２ａ、４２ｂのモータは共通の電動機４３によって駆動される。ハウジング４０の天井壁４０ｃには、２つの第２吸気口４６ｂ（一方のみを図示する）が形成され、それぞれ送風機４４ａ、４４ｂと対向している。送風機４４ａ、４４ｂは、ハウジング４０内を仕切った連結ダクト５５を通して、第２吸気口４６ｂに連通している。また、ハウジング４０の各第２吸気口４６ｂは、吸気ダクト４８ｂおよび車両本体２６に形成された図示しない吸気孔を通して車両の外側に連通している。

第３の実施形態において、冷却装置の他の構成、および電気機関車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。

上記のように構成された冷却装置３０によれば、送風機４２ａ、４２ｂ、送風機４４ａ、４４ｂを駆動することにより、車両本体２６の吸気孔、吸気ダクト４８および吸気口４６を通して冷却空気（外気）がハウジング４０内に吸込まれ、この冷却空気（冷却風）は調整板５０およびガイド板５２ａ、仕切り板５２ｃによりガイドされ、送風機４２ａ、４２ｂに送られる。また、車両本体２６の吸気孔、吸気ダクト４８ｂおよび吸気口４６ｂを通して冷却空気がハウジング４０内に吸込まれ、この冷却空気は連結ダクト５５を通して送風機４４ａ、４４ｂに送られる。

送風機４２ａ、４２ｂから送られた冷却風は、通気ダクト５６、５８を通して、所望の電気機器に供給され、これらを冷却する。送風機４４ａ、４４ｂから送られた冷却風は、通気ダクト６０、６２を通して所望の電気機器に供給され、これらを冷却する。

以上のように構成された冷却装置３０によれば、複数の送風機を１つのハウジング４０内に集約して配設することにより、ハウジング４０に防音対策、例えば、吸音材４５を設けることにより、複数の送風機の騒音を容易に低減することができる。同時に、冷却装置３０の構造の簡素化を図ることができる。また、鉄道車両内に占める冷却装置の設置面積を小さくすることが可能となる。

調整板５０、ガイド板５２ａ、仕切り板５２ｃ、連結ダクト５５を設けることにより、能力の異なる送風機４２ａ、４２ｂ、４４ａ、４４ｂを作動させた場合でも、各送風機に円滑に冷却空気を導くことができる。

また、インバータ６４により、各送風機の回転周波数を、被冷却機器の冷却負荷に応じて、最適な値に制御することができる。これにより、各送風機を必要以上に大型とすることなく、最適な能力の送風機を用いることができる。従って、送風機の小型化、および冷却装置全体の小型化を図ることができるとともに、消費電力の低減を図ることが可能となる。

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。

例えば、ハウジング内に設置する送風機の数は、上述した実施形態に限らず、必要に応じて増減可能である。冷却対象となる電気機器は、上述した実施形態に限らず、油冷却器、フィルタリアクトル等、他の電機品としてもよい。送風機は、床板の上板上に限らず、下板上に設置することも可能である。防音材は、ハウジングの内面側に限らず、外面側に設けても良い。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る電気機関車を示す側面図。 図２は、図１の線Ａ−Ａに沿った電気機関車の断面図。 図３は、前記電気機関車の車両本体を省略して内部構造を示す電機機関車の平面図。 図４は、前記電気機関車の床板、冷却装置、および電気機器を示す断面図。 図５は、前記電気機関車の床板、冷却装置、および電気機器を示す断面図。 図６は、冷却装置を示す断面図。 図７は、前記冷却装置の平面図。 図８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９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。

符号の説明

１０…電気機関車、１４…車輪、１６…台車、１７…車体、１８…主電動機、
２４…車体台枠、２６…車両本体、２８…床板、３０…冷却装置、４０…ハウジング、４２ａ、４２ｂ、４４ａ、４４ｂ…送風機、４５…吸音材、４６…吸気口、
４６ｂ…第２吸気口、４８、４８ｂ…吸気ダクト、
４７ａ、４７ｂ、４７ｃ、４７ｄ…排気口、５０…調整板、
５２ａ、５２ｂ…ガイド板、５６、５８、６２…通風ダクト、

Claims (7)

1. 鉄道車両に設置された複数の電気機器を冷却する冷却装置であって、
   吸気口および複数の排気口を有し、前記鉄道車両内に設置される箱状のハウジングと、
   前記ハウジング内に収納され、それぞれ前記吸気口に連通する吸込み口と、前記排気口に連通する吐出口とを有した複数の送風機と、を備え、
   前記吸気口は、前記鉄道車両の車外に連通し、前記排気口は、前記電気機器にダクトを通して連通している冷却装置。
2. 前記吸気口から前記ハウジング内に吸込まれた外気の流れに沿って前記ハウジング内に設けられ、吸込まれた外気を前記送風機の吸込み口に導くガイド板を備えている請求項１に記載の冷却装置。
3. 前記ハウジング内に設けられているとともに前記送風機にそれぞれ接続され、前記送風機の駆動を制御する複数のインバータを備えている請求項２に記載の冷却装置。
4. 前記各インバータは、前記ガイド板に沿って流れる外気に当たるように、前記ガイド板に沿って設けられた冷却フィンをそれぞれ有している請求項３に記載の冷却装置。
5. 前記ハウジングは、他の吸気口を有し、前記送風機の１つは、ハウジング内に設けられた連結ダクトを介して前記他の吸気口に連通している請求項１に記載の冷却装置。
6. 前記ハウジングの内面に沿って設けられた吸音材を備えている請求項１に記載の冷却装置。
7. 前記排気口に連通したダクトは、途中で分岐し、複数の電気機器に連通している請求項１に記載の冷却装置。

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