JP7154397B2 - 鉄道車両用電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、鉄道車両用電力変換装置に関する。

一般的な鉄道車両用電力変換装置において、交流電力を直流電力に変換する、あるいは直流電力を交流電力に変換するために、Si、SiC等の半導体素子を実装したパワーモジュールを利用している。電力変換回路は、主にパワーモジュールとフィルタコンデンサ、これらの間を電気的に接続するラミネートブスバーから成り、スイッチング動作に起因して高周波の電位変動が生じるという特性を有する。

また、電力変換回路の主回路を構成するパワーモジュールは、スイッチング動作によって発生した熱を効率良く伝熱させるために、熱伝導性に優れたアルミ等の金属材料から成る熱交換器に実装されている。金属材料からなる熱交換器は、熱伝導性に優れるが、電気伝導性にも優れているため、スイッチング動作による高周波の電位変動が熱交換器にも伝わる恐れがある。

特に、電力変換装置の筐体に、パワーモジュールを実装した熱交換器をボルトで直接締結する構造を取り入れている電力変換装置においては、接触面を介して導通しているため、電力変換装置の筐体全体にも高周波の電位変動が伝わる。さらに、電力変換装置は接地回路を介して車体にも接続されているため、高周波の電位変動の影響は車体にも及ぶ。このような高周波の電位変動に起因して生ずるノイズは、通信設備や信号設備などの軌道側設備へ障害を与える可能性もある。したがって、電力変換回路から発生する高周波の電位変動を電気的に遮断して、軌道側設備に到達させないようにすることが求められる。

高周波の電位変動によるノイズの経路には、主として、熱交換器や筐体等の導体を介する経路と、空間を介する経路とがある。したがって、仮に導体を介した経路を電気的に遮断したとしても、パワーモジュールと熱交換器の高周波の電位変動が生じると、放射ノイズとなって空間を介して伝わる恐れがある。空間を介した放射ノイズの遮断は、シールド構造の追加等が必要となり、装置全体の重量化等を招くため、製品に適用するのは望ましくない。

このような背景の中、特許文献１では導体を介してノイズが伝導する経路に対して、高周波ノイズ源の平滑コンデンサと、これを格納する筐体間を絶縁した上で、抵抗器を介して電気的に接続する手法を提案している。かかる手法によれば、ノイズの伝導経路を１つに絞り、その経路上でノイズをコントロールすることができる。

特開２００７－８９３９５号公報

特許文献１では、高周波のノイズ源となる平滑コンデンサを周囲の導体から絶縁した上で、電力変換装置の筐体内部に設置する構成が示されている。しかし、例えば、多数のパワーモジュールを実装した熱交換器は、筐体に対し占有する面積も大きく、筐体内部に設置する場合は筐体間の絶縁部材が大型化し、電力変換装置の重量化を招く。

また、熱交換器と筐体の間に挿入する絶縁部材として例えば樹脂材料を用いた場合、長期使用により劣化して強度低下を招く恐れがあるが、たとえ劣化が生じても熱交換器を確実に保持できるようにする必要がある。

本発明は、小型軽量である構成を有しながらもノイズを効果的に遮断できる鉄道車両用電力変換装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、代表的な本発明の鉄道車両用電力変換装置の一つは、導電性素材から形成された筐体と、パワーモジュールと、前記パワーモジュールを実装した導電性素材から形成された熱交換器とを有する鉄道車両用電力変換装置であって、前記筐体に設けた筐体開口部の外部周囲を囲うように絶縁板が配置され、前記パワーモジュールを前記筐体内に配置した状態で、前記絶縁板を介在させて前記筐体と前記熱交換器とが締結され、前記熱交換器のフランジ部が、前記絶縁板に密着して前記筐体と締結されており、前記筐体開口部の外形寸法は、前記フランジ部の外形寸法より小さいことにより達成される。
また、代表的な本発明の鉄道車両用電力変換装置の一つは、導電性素材から形成された筐体と、パワーモジュールと、前記パワーモジュールを実装した導電性素材から形成された熱交換器とを有する鉄道車両用電力変換装置であって、
前記筐体に設けた筐体開口部の外部周囲を囲うように絶縁板が配置され、前記パワーモジュールを前記筐体内に配置した状態で、前記絶縁板を介在させて前記筐体と前記熱交換器とが締結され、
前記筐体と前記熱交換器とは、段付き絶縁部材と段付き金属部材とを用いて締結されることにより達成される。

本発明によれば、小型軽量である構成を有しながらもノイズを効果的に遮断できる鉄道車両用電力変換装置を提供することができる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

図１は、第１の実施形態における鉄道車両用電力変換装置の分解図である。 図２は、第１の実施形態における鉄道車両用電力変換装置の正面図である。 図３は、第１の実施形態の電気回路図である。 図４は、第１の実施形態の筐体内部詳細図である。 図５は、第１の実施形態の締結部の断面図である。 図６は、第１の実施形態における段付き絶縁部材と段付き金属部材を示す図である。 図７は、第２の実施形態の締結部の断面図である。 図８は、第２の実施形態における段付き絶縁部材と段付き金属部材を示す図である。

［第１の実施形態］
図１～図６を用いて第１の実施形態を説明する。本実施形態は、車体の床下に艤装された鉄道車両用電力変換装置に対して、さらに熱交換器が吊下がる構造、もしくは車体の屋根上に艤装された鉄道車両用電力変換装置に対して、熱交換器が突き出る構造に適用されると好ましい。換言すれば、車体－軌道間、もしくは車体－架線間における重力方向のスペースを十分に有した車体に、本実施形態を適用することができる。

また、熱交換器の冷却方式に関しては、重力の作用を冷却に利用しない方式、例えば、車体が走行することで発生する対流を利用する走行風冷方式や、ファンやブロワを利用する強制風冷方式等が挙げられる。

本実施形態では、熱交換器を締結する軸力の向きは重力方向と平行になる。また、重力方向と平行な向きの軸力を用いて熱交換器を締結する場合、重力に沿った方向に締結する態様と、重力に逆らう方向に締結する態様とがあるが、本実施形態では重力方向に逆らって締結する（熱交換器が吊下がる）態様を例に取り説明する。ただし、筐体に対し重力に沿った方向に熱交換器を締結してもよい。以下の図面において、重力方向を矢印Ｇにて示す。

図１は、鉄道車両用電力変換装置１の筐体２に対して、熱交換器５を矢印Ｇで示す重力方向に逆らって締結する場合の構成を示す分解図である。矢印Ｇで示す重力方向の上方から順に筐体２、絶縁板４、熱交換器５が配置され、更に段付き絶縁部材６と段付き金属部材７を介して、締結ボルト８で熱交換器５と筐体２とが締結される。

筐体２は、鉄、ステンレス、アルミ等の金属材料の導電性素材から形成された導体である。熱交換器５は、アルミや銅等の熱伝導性に優れた金属材料の導電性素材から形成された導体である。ゆえに、直接締結すると、筐体２と熱交換器５は接触面を介して導通してしまう。そこで本実施の形態では、筐体開口部３の外部周囲を囲うように矩形枠板状の絶縁板４を配置し、間に挟み込んでいる。絶縁板４は、筐体２の下面と熱交換器５のフランジ部５ａとに全周で密着して保持されている。

図２の正面図に示すように、筐体開口部３の開口寸法は、熱交換器５のフランジ部５ａの外形寸法より小さいため、熱交換器５のフランジ部５ａを筐体２に締結することで筐体開口部３は閉じ、筐体内部は外気から遮断される。すなわち、熱交換器５は筐体開口部３のカバーとしても機能する。熱交換器５のフランジ部５ａの外形寸法は、絶縁板４の外形寸法に略等しくなっており、絶縁板４の枠幅を小さくすることで、筐体２と熱交換器５に対する接触面積を最小に、電気的絶縁を図ることができる。

ここで、図１、図２においては図示を省略しているが、熱交換器５を保持するフレーム及び熱交換器５の上面には、電力変換を担うパワーモジュール９、フィルタコンデンサ１０、これらの間を電気的に接続するラミネートブスバー１１等の部品が実装されている。したがって、熱交換器５のフランジ部５ａを筐体２に締結すると、これらの部品はすべて、筐体開口部３を介して筐体２の内部に挿入され配置される構成になっている（図２の点線参照）。熱交換器５、パワーモジュール９、フィルタコンデンサ１０、ラミネートブスバー１１から成る構造は、機能的に完結したユニットであり、以下、パワーユニット１２と称する（図３）。

図３、図４を用いて、筐体２内部の構成を説明する。図３は、本実施形態の電気回路を示した図であり、図４は筐体２の内部詳細図である。ここで、ノイズ伝導の観点から内部構成に着目すると、熱交換器５は周囲の導体から絶縁されているから、パワーモジュール９から発生した高周波の電位変動は、熱交換器５までは伝導しても、それより外方には導体を介しては伝導しない。ただし、空間を介して伝わる経路は断たれていないため、放射ノイズの問題が残る。

そこで、本実施形態では、熱交換器５の表面から、ノイズ低減抵抗１３を介した上で、接地配線１４にて不図示の車体に接地する構成としている。これにより、パワーモジュール９及び熱交換器５の電位が低くなるため放射ノイズが低減し、更にノイズの伝導経路を１つに絞ることで、その経路上でノイズをコントロールすることが可能になる。なお、接地配線１４は鉄道車両用電力変換装置内で他にも存在するため、鉄道車両用電力変換装置内の接地点である接地配線集約箇所１５に集約の上、車体へと電気的に接続する構成とした。

以上、ノイズ源のパワーモジュール９を実装した熱交換器５を、絶縁を確保しながら筐体２へ実装する構成、および熱交換器５の表面からノイズ低減抵抗１３を介して接地する構成について記載してきた。一方、素材の劣化による影響を予め想定し、その対策を行うことも重要である。そこで、本実施形態による素材の劣化に対応できる構成を以下に示す。図５は、鉄道車両用電力変換装置１の筐体２に対して、熱交換器５を矢印Ｇで示す重力方向に沿って締結する場合における締結部の周辺を示す拡大断面図である。

本実施形態では、締結部に設けた段付き絶縁部材６と段付き金属部材７の段形状に特徴がある。図６に、段付き絶縁部材６と段付き金属部材７の分解斜視図を示す。段付き絶縁部材６の素材としては、樹脂、例えばガラス布エポキシ樹脂積層板等を用いることができ、また段付き金属部材７の素材としては、ステンレス（ＳＵＳ）等を用いることができる。

まず、段付き絶縁部材６は、絶縁中空円筒部材６ａの上端内側に突出した環状の内側段付き部（絶縁段付き部）６ｂを形成している。一方、段付き金属部材７は、この内側段付き部６ｂに突き当たるように、金属中空円筒部材７ａの下端外側に突出した環状の外側段付き部（金属段付き部）７ｂを設ける。組み付け時には、金属中空円筒部材７ａが内側段付き部６ｂ内に挿通され、また絶縁中空円筒部材６ａが外側段付き部７ｂの外部周囲を囲う。

熱交換器５のフランジ部５ａには、段差面５ｃを備えたボルト穴５ｂが複数個（図５では１つのみ図示）、形成されている。

組み付け時には、段付き絶縁部材６と段付き金属部材７内に挿通した締結ボルト８の上端を、ボルト穴５ｂに挿通して筐体２のねじ穴２ａに螺合させる。かかる状態から、締結ボルト８を締め付けていくと、締結ボルト８の頭部により上方に押圧された段付き金属部材７の外側段付き部７ｂと、ボルト穴５ｂの段差面５ｃとの間で、段付き絶縁部材６の内側段付き部６ｂが挟持される。これにより、内側段付き部６ｂを介して外側段付き部７ｂから段差面５ｃに締結力が伝わり、熱交換器５を筐体２に取り付けることができる。

また、締結ボルト８を締め付けてゆくと、段付き金属部材７の上端が筐体２の下面に当接し、段付き金属部材７の下端が締結ボルト８の頭部に当接するので、その後に所定の軸力を付与することで締結ボルト８が段付き金属部材７を介して筐体２に固定される。なお、内側段付き部６ｂと外側段付き部７ｂについては、保持する熱交換器５の自重に対して、締結点数と段付き部の接触面積を調整することで、締結時にも許容応力範囲内に維持することが可能である。ボルト穴５ｂと金属中空円筒部材７ａとは、加工公差の範囲内で偏心しても接しない寸法関係を有する。

締結ボルト８と段付き金属部材７はいずれも導体であるため、該締結により筐体２と段付き金属部材７は導通するが、段付き金属部材７と熱交換器５との間には段付き絶縁部材６が介在するので、筐体２と熱交換器５とは電気的に絶縁される。以上により、筐体２と熱交換器５との間の絶縁を確保し、ノイズの影響を抑制しつつ、締結力を伝達することができる。

一方で、絶縁材料として代表的な樹脂材料により絶縁部材を形成したような場合には、長期使用において劣化するという課題がある。一般的な樹脂材料に荷重を継続的に作用させると、徐々に変形が進むクリープ現象が発生することが知られている。そこで、本実施形態では、段付き金属部材７の外側段付き部７ｂの外径Ａを、締結ボルト８を挿通する熱交換器５のボルト穴５ｂの穴径Ｂより大きくしている（図５）。したがって、万が一、クリープ現象により段付き絶縁部材６が破損に至り、熱交換器５が自重により下方に変位した場合でも、外側段付き部７ｂがボルト穴５ｂの周囲に当接することで、熱交換器５の脱落を阻止できる。

以上述べた本実施形態によれば、筐体２に筐体開口部３を設けて熱交換器５で覆うようにすることで、筐体開口部３の分だけ筐体２を軽量化できる。また、筐体開口部３の外周を囲うように絶縁板４を配置することで、絶縁板４を筐体２と熱交換器５のフランジ部５ａに挟持される範囲だけに限定することで、軽量化を図れる。

［第２の実施形態］
図７、図８を用いて第２の実施形態を説明する。本実施形態の想定される構造としては、車体の床下に艤装された鉄道車両用電力変換装置に対して、熱交換器を側方から取り付ける構造である。図７，８においては、左方を矢印Ｇで示すように重力方向とする。熱交換器の冷却方式に関しては、熱交換を冷媒の相変化によって成すヒートパイプ冷却方式や、熱交換器に接する空気の温度上昇による対流を利用した自然風冷方式等が挙げられる。なお、熱交換器を締結する軸力は重力方向と垂直になる。第１の実施形態と同様の構成については、重複説明を省略する。

組立の順序に沿って本実施形態を説明する。艤装用の設備（不図示）に吊られた鉄道車両用電力変換装置の筐体２の下方（図７で左方）で、昇降台車に乗せたパワーユニット１２を所定位置まで移動した後、昇降台車上でパワーユニット１２を上昇（図７で右方に変位）させて筐体２に取りつける。

上述した第１の実施形態のパワーユニット１２も、同様な手法で取り付けを行うことができる。ただし、第１の実施形態と異なる点としては、昇降台車でパワーユニット１２を上昇させ、取り付けられる高さまで上昇させた後、パワーユニット１２ごと、筐体２に対して水平（図７で上方）に押し込んで取り付けることである。

ここで、鉄道車両用電力変換装置に搭載するパワーユニット１２は、１００ｋｇを超す重量物となることも多く、水平方向に取りつける際に２つの大きな問題が生じる。一つの問題は、パワーユニット１２が重量物ゆえに水平方向に押し込む作業自体が困難であることである。かかる問題に対しては、パワーユニット１２のフレーム下方にテフロン（登録商標）等の滑りの良い材料から成る構造物を設置し、この構造物の摺動によって必要な押し込み力を低減させることが有効である。

もう一つの問題は、パワーユニット１２の自重によって、鉛直方向下方（図７で左方）に熱交換器５が変位し、熱交換器５と段付き金属部材７が接触する恐れがあることである。ここで、使用開始時には、段付き絶縁部材６と段付き金属部材７の加工公差を管理することで、自重による接触を回避できるため、接触の問題は生じない。
しかし、第１の実施形態に関連して述べたように、長期使用を想定するとクリープ現象による段付き絶縁部材６の変形、破損が起こりうるので、上記問題が顕在化する。そこで、第２の実施形態のように水平方向に沿って締結する場合は、重力方向に沿って締結する場合とは異なる形状の段付き部材を使用して、かかる問題を解消することが望ましい。

図７は、鉄道車両用電力変換装置の筐体２に対して熱交換器５を水平方向(重力に対し、垂直の方向)に締結する場合における締結形態の詳細を示す断面図である。また、図８は、水平方向に沿って締結する場合に適した段付き絶縁部材１８と段付き金属部材１９を示す斜視図である。なお、段付き絶縁部材１８と段付き金属部材１９と締結ボルト８による組付手順については、第１の実施形態と同様であるため説明を省略する。

段付き絶縁部材１８は、第１の実施形態の段付き絶縁部材６に対して、更に外側に段付きを追加した構造である。具体的には、段付き絶縁部材１８は、絶縁中空円筒部材１８ａの上端内側に突出した内側段付き部（絶縁段付き部）１８ｂと、更に内側段付き部１８ｂの内周から軸方向に突出した延出円筒部１８ｃとを有する。内側段付き部１８ｂは環状であり、延出円筒部１８ｃは、絶縁中空円筒部材１８ａより小径の円筒状である。

一方、段付き金属部材１９は、第１の実施形態の段付き金属部材７と同様に、金属中空円筒部材１９ａの下端外側に突出した外側段付き部（金属段付き部）１９ｂを設けている。また、金属中空円筒部材１９ａは段付き絶縁部材１８の外側の段付き分だけ、外径を小さくした構造である。段付き絶縁部材１８と、段付き金属部材１９とを組み合わせたときに、金属中空円筒部材１９ａの一部は延出円筒部１８ｃにより全周を囲われる。本実施形態でも、外側段付き部１９ｂの外径を、締結ボルト８を挿通する熱交換器５のボルト穴５ｂの穴径より大きくしている。

段付き絶縁部材１８を設けることで、熱交換器５が自重によって鉛直方向下方にずれたとしても、金属中空円筒部材１９ａと熱交換器５のフランジ部５ａの間に延出円筒部１８ｃが介在するので、熱交換器５が段付き金属部材１９に接触することはなく両者の絶縁が保たれる。なお、第１の実施形態と同様、万が一、間に介している段付き絶縁部材１８が破損に至ったとしても、間に介している段付き金属部材１９によって、熱交換器５の自重を支えることができる。

第２実施形態の段付き絶縁部材１８と段付き金属部材１９を、図５に示すように重力方向が軸力と平行になるような取付態様で用いてもよい。

なお、本発明は上記した実施の形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施の形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施の形態における構成の一部を他の実施の形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施の形態の構成に他の実施の形態の構成を加えることも可能である。また、各実施の形態における構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることも可能である。

１ 鉄道車両用電力変換装置
２ 筐体
２ａ ねじ穴
３ 筐体開口部
４ 絶縁板
５ 熱交換器
５ａ フランジ部
５ｂ ボルト穴
５ｃ 段差面
６ 段付き絶縁部材（重力方向締結用）
６ａ 絶縁中空円筒部材
６ｂ 内側段付き部
７ 段付き金属部材（重力方向締結用）
７ａ 金属中空円筒部材
７ｂ 外側段付き部
８ 締結ボルト
９ パワーモジュール
１０ フィルタコンデンサ
１１ ラミネートブスバー
１２ パワーユニット
１３ ノイズ低減抵抗
１４ 接地配線
１５ 接地配線集約箇所
１８ 段付き絶縁部材（水平方向締結用）
１８ａ 絶縁中空円筒部材
１８ｂ 内側段付き部
１８ｃ 延出円筒部
１９ 段付き金属部材（水平方向締結用）
１９ａ 金属中空円筒部材
１９ｂ 外側段付き部
Ａ 外側段付き部の外径
Ｂ ボルト穴の穴径
Ｇ 重力の方向を示す矢印

Claims (6)

1. 導電性素材から形成された筐体と、パワーモジュールと、前記パワーモジュールを実装した導電性素材から形成された熱交換器とを有する鉄道車両用電力変換装置であって、
   前記筐体に設けた筐体開口部の外部周囲を囲うように絶縁板が配置され、前記パワーモジュールを前記筐体内に配置した状態で、前記絶縁板を介在させて前記筐体と前記熱交換器とが締結され、
   前記熱交換器のフランジ部が、前記絶縁板に密着して前記筐体と締結されており、前記筐体開口部の外形寸法は、前記フランジ部の外形寸法より小さい、
   ことを特徴とする鉄道車両用電力変換装置。
2. 請求項１に記載の鉄道車両用電力変換装置において、
   前記熱交換器から、ノイズ低減抵抗を介して車体へと接地が行われることを特徴とする鉄道車両用電力変換装置。
3. 導電性素材から形成された筐体と、パワーモジュールと、前記パワーモジュールを実装した導電性素材から形成された熱交換器とを有する鉄道車両用電力変換装置であって、
   前記筐体に設けた筐体開口部の外部周囲を囲うように絶縁板が配置され、前記パワーモジュールを前記筐体内に配置した状態で、前記絶縁板を介在させて前記筐体と前記熱交換器とが締結され、
   前記筐体と前記熱交換器とは、段付き絶縁部材と段付き金属部材とを用いて締結されることを特徴とする鉄道車両用電力変換装置。
4. 請求項３に記載の鉄道車両用電力変換装置において、
   前記段付き絶縁部材は、内側に絶縁段付き部を形成した絶縁中空円筒部材を有し、
   前記段付き金属部材は、前記絶縁段付き部に当接する金属段付き部を外側に形成した金属中空円筒部材を有し、
   前記筐体と前記熱交換器とを締結する締結ボルトが、前記段付き絶縁部材と前記段付き金属部材とを貫通することを特徴とする鉄道車両用電力変換装置。
5. 請求項３に記載の鉄道車両用電力変換装置において、
   前記段付き絶縁部材は、内側に絶縁段付き部を形成し、且つ前記絶縁段付き部から軸方向に突出する延出円筒部を形成した絶縁中空円筒部材を有し、
   前記段付き金属部材は、前記絶縁段付き部に当接する金属段付き部を外側に形成し、且つ前記延出円筒部により少なくとも一部が包囲される金属中空円筒部材を有し、
   前記筐体と前記熱交換器とを締結する締結ボルトが、前記段付き絶縁部材と前記段付き金属部材とを貫通することを特徴とする鉄道車両用電力変換装置。
6. 請求項４または５に記載の鉄道車両用電力変換装置において、
   前記段付き金属部材の金属段付き部の外径は、前記締結ボルトを挿通する前記熱交換器の穴径より大きいことを特徴とする鉄道車両用電力変換装置。

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