JP7167566B2 - 鉄道車両用電力変換装置 - Google Patents

Description

この発明は、鉄道車両用電力変換装置に関し、特に、半導体素子から発生した熱を放熱するための冷却フィンを含む冷却部を備える鉄道車両用電力変換装置に関する。

従来、半導体素子から発生した熱を放熱するための放熱フィンを含む冷却部を備える鉄道車両用電力変換装置が知られている（たとえば、特許文献１参照）。

上記特許文献１には、車両に取り付けられる電力変換装置本体と、電力変換装置本体に設けられ、電力変換装置本体が発生した熱を外部に放熱するための放熱フィンと、放熱フィンに設けられ、放熱フィンに走行風を取り込むための通風口を電力変換装置本体との間に形成する制御板と、を備えた鉄道車両用電力変換装置が開示されている。上記特許文献１の鉄道車両用電力変換装置では、ばねの保持力と走行風の圧力との釣り合いまたは熱膨張率の異なる金属の温度変化による湾曲を利用した制御板の動作によって通風口を開閉させることにより、放熱フィンに取り込まれる走行風の風量を調整するように構成されている。

上記特許文献１の鉄道車両用電力変換装置では、鉄道車両の低速走行時に、通風口を開放する方向に制御板を動作させて放熱フィンに取り込まれる走行風の風量が比較的多くなるように構成し、鉄道車両の高速走行時に、通風口を閉鎖する方向に制御板を動作させて放熱フィンに取り込まれる走行風の風量が比較的少なくなるように構成されている。

特開２００６－２２４７９６号公報

ここで、上記特許文献１のような従来の鉄道車両用電力変換装置（例えばＶＶＶＦインバータ装置）では、電力変換装置本体による走行速度の制御動作（制御負荷）に起因して、電力変換装置本体の発熱量は、鉄道車両の加速時および減速時に比較的多くなり、鉄道車両の高速走行時（電力変換装置本体に鉄道車両の走行速度を維持するための低い制御負荷がかかっている高速運転の状態と、電力変換装置本体に制御負荷がかかっていない惰行運転の状態と、を含む）に比較的少なくなると考えられる。しかしながら、上記特許文献１の鉄道車両用電力変換装置では、鉄道車両が定速走行（低速、高速、中速）の場合のみ、放熱フィンに取り込まれる走行風の風量が調節されているものの、たとえば、加速時または減速時などの定速走行時以外の運転時に放熱フィンに取り込まれる走行風の風量が調節されていないと考えられる。したがって、上記特許文献１のような従来の鉄道車両用電力変換装置では、鉄道車両の加速時および減速時と高速走行時との間で、放熱フィンに大きな温度変化が生じることにより、放熱フィンが設けられた電力変換装置本体に大きな温度変化が生じる場合がある。この場合、電力変換装置本体の内部において部材間の接合に使用されるはんだが繰り返しの熱応力による歪みにより劣化してしまうので、電力変換装置本体の寿命が短くなるという問題点がある。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の１つの目的は、鉄道車両の運転時に生じる電力変換装置本体の温度変化に起因して電力変換装置本体の寿命が短くなるのを抑制することが可能な鉄道車両用電力変換装置を提供することである。

上記目的を達成するために、この発明の一の局面による鉄道車両用電力変換装置は、鉄道車両に設けられる電力変換装置本体と、電力変換装置本体と接するように設けられた放熱板と、放熱板を介して電力変換装置本体に取り付けられ、電力変換装置本体から発生した熱を放熱するための放熱フィンとを含む冷却部と、冷却部の放熱板に取り付けられ、鉄道車両の運転時における冷却部の温度変化量が小さくなるように、鉄道車両の走行方向から見た放熱フィンを覆う面積を調整する調整部材と、を備える。

この発明の一の局面による鉄道車両用電力変換装置では、上記のように、鉄道車両の（加速時および減速時と高速走行時とを含む）運転時に生じる冷却部の温度変化量が小さくなるように、鉄道車両の走行方向から見た放熱フィンを覆う面積を調整する調整部材を備える。これにより、調整部材により放熱フィンを覆う面積を調整することにより、鉄道車両の運転時における冷却部の温度変化量を小さくすることができるので、鉄道車両の運転時に電力変換装置本体に生じる温度変化量を小さくすることができる。その結果、鉄道車両の運転時に生じる電力変換装置本体の温度変化に起因して電力変換装置本体の寿命が短くなるのを抑制することができる。

上記一の局面による鉄道車両用電力変換装置において、好ましくは、調整部材は、冷却部の温度が高いときに、冷却部の温度の上昇量が小さくなるように放熱フィンを覆う面積を小さくするとともに、冷却部の温度が低いときに、冷却部の温度の低下量が小さくなるように放熱フィンを覆う面積を大きくするように構成されている。このように構成すれば、電力変換装置本体の発熱量が比較的多くなるものの、鉄道車両に対して生じる走行風の風量が比較的少なくなる鉄道車両の加速時および減速時のように冷却部の温度が高くなるときに、調整部材により放熱フィンに取り込まれる走行風の風量を大きくすることができるので、冷却部の温度が著しく上昇するのを抑制することができる。また、電力変換装置本体の発熱量が比較的少なくなるものの、鉄道車両に対して生じる走行風の風量が比較的大きくなる鉄道車両の高速走行時のように冷却部の温度が低くなるときに、調整部材により放熱フィンに取り込まれる走行風の風量を小さくすることができるので、冷却部の温度が著しく下降するのを抑制することができる。その結果、鉄道車両の運転時における冷却部の温度変化量を容易に小さくすることができるので、鉄道車両の運転時における電力変換装置本体に生じる温度変化量を容易に小さくすることができる。

上記一の局面による鉄道車両用電力変換装置において、好ましくは、調整部材は、冷却部の温度が高いときと、冷却部の温度が低いときとで異なる形状に変化する部材を含む。このように構成すれば、鉄道車両の運転時に、調整部材の形状を変化させることにより、調整部材により放熱フィンを覆う面積を容易に調整することができる。

この場合、好ましくは、調整部材は、冷却部の温度が第１の温度よりも高くなることによって、放熱フィンを覆う面積が小さくなるように変形するとともに、冷却部の温度が第１の温度よりも低くなることによって、放熱フィンを覆う面積が大きくなるように変形するように構成されている。このように構成すれば、加速時および減速時のように電力変換装置本体の発熱量が比較的多くなり冷却部が比較的高温になるときには、冷却部に取り付けられた調整部材も比較的高温になるので、調整部材を、冷却部の温度が第１の温度よりも高くなった時に、放熱フィンを覆う面積が小さくなるように容易に変形させることができる。また、高速走行時のように電力変換装置本体の発熱量が比較的少なくなり冷却部が比較的低温になるときには、冷却部に取り付けられた調整部材も比較的低温になるので、調整部材を、冷却部の温度が第１の温度よりも低くなった時に、放熱フィンを覆う面積が大きくなるように容易に変形させることができる。

上記調整部材が冷却部の温度が第１の温度よりも高くなることによって放熱フィンを覆う面積が小さくなるように変形するとともに第１の温度よりも低くなることによって放熱フィンを覆う面積が大きくなるように変形する構成において、好ましくは、調整部材は、第１の温度において予め記憶された形状に変形する形状記憶合金を含む。このように構成すれば、第１の温度において変形させることが可能な形状記憶合金の温度特性により、冷却部の温度が第１の温度よりも高いときと低いときとで、調整部材の形状を容易に変形させることができる。また、ばねなどを利用して調整部材を開閉する場合と比べて、調整部材自身が温度に応じて変形するので、部品点数が増加するのを抑制しながら、放熱フィンを覆う面積を調整することができる。

上記調整部材が、冷却部の温度が第１の温度よりも高くなることによって放熱フィンを覆う面積が小さくなるように変形するとともに第１の温度よりも低くなることによって放熱フィンを覆う面積が大きくなるように変形する構成において、好ましくは、電力変換装置本体を熱負荷から保護するために第１の温度とは異なる第２の温度において電力変換装置本体への通電を遮断する遮断部をさらに備え、第１の温度は、第２の温度よりも低くなるように設定されている。このように構成すれば、加速時および減速時のように冷却部の温度が高くなるときに、電力変換装置本体の発熱により放熱フィンの温度が比較的高くなることによって調整部材が第２の温度よりも低い第１の温度に達した場合に、調整部材の形状を放熱フィンに取り込まれる走行風の風量を大きくするように変形させて、冷却部の温度がさらに上昇するのを抑制することができる。その結果、電力変換装置本体の温度が第２の温度に到達するのを抑制することができるので、電力変換装置本体への通電が遮断部により遮断されて電力変換装置本体の稼動が停止してしまうのを抑制することができる。

上記一の局面による鉄道車両用電力変換装置において、好ましくは、調整部材は、鉄道車両の走行方向から見て、放熱フィンの電力変換装置本体側に設けられている。このように構成すれば、鉄道車両の走行方向から見て、調整部材が放熱フィンの電力変換装置本体側とは反対側に設けられている場合と比較して、放熱フィンの電力変換装置本体側に走行風が取り込まれにくくなるので、鉄道車両に対して生じる走行風の風量が比較的大きくなる鉄道車両の高速走行時に、電力変換装置本体の温度が著しく下降するのを効果的に抑制することができる。なお、上記の構成は、鉄道車両に対して生じる走行風の風量が比較的少なくなる鉄道車両の加速時および減速時にも、放熱フィンの電力変換装置本体側に走行風が取り込まれにくくなるので、電力変換装置本体の温度が比較的高くなりにくい寒冷地に適用するのが好ましい。

上記一の局面による鉄道車両用電力変換装置において、好ましくは、調整部材は、鉄道車両の走行方向から見て、放熱フィンの電力変換装置本体側とは反対側に設けられている。このように構成すれば、鉄道車両の走行方向から見て、調整部材が放熱フィンの電力変換装置本体側に設けられている場合と比較して、放熱フィンの電力変換装置本体側に走行風をより取り込むことができるので、鉄道車両に対して生じる走行風の風量が比較的少なくなる鉄道車両の加速時および減速時に、電力変換装置本体の温度が著しく上昇するのを効果的に抑制することができる。

上記一の局面による鉄道車両用電力変換装置において、好ましくは、調整部材は、冷却部において、鉄道車両の前後方向の一方側または他方側の少なくともいずれか一方に設けられている。このように構成すれば、鉄道車両の前後方向の一方側および他方側の両側に設けた場合、たとえば、路線の終点で折り返される場合のように、鉄道車両の運転方向が前後で逆になった場合でも、鉄道車両の運転時において、電力変換装置本体の温度変化量を小さくすることができる。また、鉄道車両の前後方向の一方側または他方側のいずれか一方のみに設けた場合、たとえば、鉄道車両の走行方向が前後のいずれか一方に限られる環状路線等において、調整部材の使用されない側が生じることなく、鉄道車両の運転時において、電力変換装置本体の温度変化量を小さくすることができる。

本発明によれば、上記のように、鉄道車両の運転時に生じる電力変換装置本体の温度変化に起因して電力変換装置本体の寿命が短くなるのを抑制することができる。

本発明の一実施形態による電力変換装置を備える鉄道車両を示した側面図である。 本発明の一実施形態による鉄道車両用電力変換装置の側面図（Ａ）および（Ｂ）である。 本発明の一実施形態による鉄道車両用電力変換装置を鉄道車両の走行方向から見た図である。 本発明の一実施形態による鉄道車両用電力変換装置を備えた鉄道車両の運転動作と冷却部の温度との関係を説明するための図である。 パワーデバイスに生じる温度差（温度変化量）とパワーデバイスの寿命との関係を説明するための図である。 本発明の第１変形例による鉄道車両用電力変換装置の側面図（Ａ）および（Ｂ）である。 本発明の第２変形例による鉄道車両用電力変換装置の側面図（Ａ）および（Ｂ）である。 本発明の第３変形例による鉄道車両用電力変換装置の側面図（Ａ）および（Ｂ）である。

以下、本発明を具体化した実施形態を図面に基づいて説明する。

まず、図１を参照して、本発明の一実施形態による鉄道車両用電力変換装置（ＶＶＶＦインバータ装置）２０が設けられた鉄道車両１０の構成について説明する。

図１に示すように、鉄道車両１０は、車体１１と、架線２に供給されている電力を受電（集電）するパンタグラフ１３と、架線２からの電力を利用して駆動輪１４を回転させる誘導電動機１５と、空調機や制御機器などその他の複数の機器類１６と、鉄道車両用電力変換装置２０と、を備えている。そして、鉄道車両用電力変換装置２０は、鉄道車両１０の走行時に、架線２からの電力を変換して、誘導電動機１５の回転制御を行う機能を有している。また、鉄道車両用電力変換装置２０は、車体１１の床下空間１１ａにおいて車体１１の下面１１ｂに吊り下げられて固定されている。

なお、以下の説明では、鉄道車両１０の前後方向（走行方向）をＸ方向とし、Ｘ方向と直交する枕木方向をＹ方向とし、Ｘ方向およびＹ方向に直交する上下方向をＺ方向とする。また、鉄道車両１０の前方向（進行方向）および後方向（進行方向と逆方向）を、それぞれ、Ｘ１方向（Ｘ１側）およびＸ２方向（Ｘ２側）とする。また、鉄道車両１０の上方向および下方向を、それぞれ、Ｚ１方向（Ｚ１側）およびＺ２方向（Ｚ２側）とする。

（鉄道車両用電力変換装置の構成）
次に、図２～図５を参照して、本発明の一実施形態による鉄道車両用電力変換装置２０の構成を説明する。

図２に示すように、鉄道車両用電力変換装置２０は、パワーデバイス２１と、冷却部２２と、開閉板２３と、を備えている。なお、パワーデバイス２１は、特許請求の範囲の「電力変換装置本体」の一例である。また、開閉板２３は、特許請求の範囲の「調整部材」の一例である。

パワーデバイス２１は、内部に設けられた半導体素子（図示しない）のスイッチングにより架線２（図１参照）からの電力を変換するように構成されている。そして、パワーデバイス２１によって変換された電力により誘導電動機１５（図１参照）の回転制御が行われることによって、鉄道車両１０の走行速度が制御されるように構成されている。パワーデバイス２１は、たとえば、Ｓｉ（ケイ素）を用いたＳｉパワーデバイス、ＳｉＣ（炭化ケイ素）、ＧａＮ（窒化ガリウム）等のＷＢＧ（Ｗｉｄｅ ｂａｎｄ Ｇａｐ）半導体を用いたＷＢＧパワーデバイスである。

なお、パワーデバイス２１では、鉄道車両１０の走行速度の制御動作により、パワーデバイス２１の内部から熱が発生する。パワーデバイス２１からの発熱量は、鉄道車両１０の走行速度に応じて変化する。具体的には、図４に示すように、パワーデバイス２１からの発熱量は、鉄道車両１０の高速走行時（パワーデバイス２１に鉄道車両１０の走行速度を維持するための低い制御負荷がかかっている高速運転の状態とパワーデバイス２１に制御負荷がかかっていない惰行運転の状態とを含む）および（駅等における）停止時には、比較的少なくなる。また、パワーデバイス２１からの発熱量は、鉄道車両１０の走行速度が変化する時（加速時および減速時）には、比較的多くなる。鉄道車両用電力変換装置２０には、パワーデバイス２１を熱負荷から保護するために、予め設定された第２の温度においてパワーデバイス２１への通電を遮断するサーマルリレー２４（図３参照）が設けられている。第２の温度は、たとえば、９０℃以上１１０℃以下で設定される。なお、サーマルリレー２４は、特許請求の範囲の「遮断部」の一例である。

図２に示すように、冷却部２２は、パワーデバイス２１と接するように設けられた放熱板２２ａと、放熱板２２ａを介してパワーデバイス２１から発生した熱を冷却部２２の外部に放熱するための放熱フィン２２ｂと、を含む。冷却部２２は、パワーデバイス２１から発生した熱が伝達されるように、熱伝導率の高い金属を含む。

放熱板２２ａは、パワーデバイス２１の下側（Ｚ２側）に設けられている。図２および図３に示すように、放熱板２２ａは、Ｘ方向およびＹ方向に延びるように形成されている。

図２に示すように、放熱フィン２２ｂは、放熱板２２ａの下側（Ｚ２側）に設けられている。図２および図３に示すように、放熱フィン２２ｂは、Ｘ方向およびＺ方向に延びる板状に形成されている。図３に示すように、放熱フィン２２ｂは、Ｘ方向から見て、互いに平行となるように互いに離間して複数設けられている。すなわち、放熱フィン２２ｂ同士の間には、鉄道車両１０の進行方向（Ｘ１方向）から流れてくる走行風がＸ方向に通過することが可能な隙間が形成されている。これにより、パワーデバイス２１から発生した熱は、放熱フィン２２ｂに伝達され、放熱フィン２２ｂにより形成された隙間に走行風が通過することにより、放熱フィン２２ｂから冷却部２２の外部に放熱される。

なお、鉄道車両１０の走行風の風量は、鉄道車両１０の走行速度に対応するように変化する。具体的には、図４に示すように、走行風の風量は、鉄道車両１０の高速走行時には、比較的多くなる。また、走行風の風量は、鉄道車両１０の停止時には、比較的少なくなる。また、走行風の風量は、鉄道車両１０の加速時（停止状態から加速する際）および減速時（高速走行時から減速する際）には、走行速度の大きさに略比例するように変化する。

図２に示すように、開閉板２３は、冷却部２２において、鉄道車両１０の前後方向（Ｘ方向）の両側（Ｘ１側およびＸ２側）に設けられている。Ｘ１側およびＸ２側に設けられた開閉板２３は、それぞれ、冷却部２２（放熱板２２ａ）のＸ１側の面およびＸ２側の面に取り付けられている。開閉板２３は、鉄道車両１０の走行方向（Ｘ方向）から見て、放熱フィン２２ｂのパワーデバイス２１側に設けられている。

開閉板２３は、固定部分２３ａと、変形部分２３ｂと、を含む。固定部分２３ａは、開閉板取り付けねじ２３ｃにより、放熱板２２ａに取り付けられている。図３に示すように、変形部分２３ｂは、Ｘ方向から見て、放熱フィン２２ｂを覆うように、固定部分２３ａよりも下側（Ｚ２側）に配置されている。

ここで、図４を参照しながら、鉄道車両用電力変換装置２０が開閉板２３（図２参照）を備えない場合（比較例）の、鉄道車両１０の運転動作と冷却部２２の温度との関係を説明する。上述したように、パワーデバイス２１からの発熱量は、鉄道車両１０の加速時および減速時に、パワーデバイス２１からの発熱量が比較的多くなるとともに、走行風の風量（放熱フィン２２ｂに取り込まれる風量）が高速走行時と比較して少なくなる。したがって、鉄道車両１０の加速時および減速時に、冷却部２２の温度が比較的上昇し易い。一方、鉄道車両１０の高速走行時に、パワーデバイス２１からの発熱量が比較的少なくなるとともに、走行風の風量（放熱フィン２２ｂに取り込まれる風量）が加速時および減速時と比較して多くなる。したがって、鉄道車両１０の高速走行時に、冷却部２２の温度が比較的低下し易い。その結果、図４に示す比較例のように、開閉板２３を備えない構成の場合、鉄道車両１０の運転時において、冷却部２２の温度差（温度変化量）が大きくなり易い。このため、鉄道車両１０の運転時において、パワーデバイス２１の温度変化量が大きくなり易いので、図５に示すように、パワーデバイスの寿命が短くなり易い。なお、図５のグラフでは、パワーデバイス２１に断続的な通電を与えるパワーサイクル試験の結果に基づく、パワーデバイス２１に生じる温度差（温度変化量）とパワーデバイスの寿命（単位はサイクル（通電回数））との関係を示している。このグラフによれば、パワーデバイスは、繰り返しの温度変化量が大きいほど、許容されるパワーサイクル数が少なくなる（寿命が短くなる）。

そこで、本実施形態では、開閉板２３は、鉄道車両１０の運転時における冷却部２２の温度変化量が小さくなるように、鉄道車両１０の走行方向（Ｘ方向）から見た放熱フィン２２ｂを覆う面積Ｓ（図３参照）を調整するように構成されている。詳細には、開閉板２３は、鉄道車両１０の運転時において、加速時および減速時などのようにパワーデバイス２１からの発熱量が比較的大きくなり冷却部２２の温度が高いときに、冷却部２２の温度の上昇量が小さくなるように放熱フィン２２ｂを覆う面積Ｓ（図３参照）を小さくするとともに、鉄道車両１０の運転時において、高速走行時などのようにパワーデバイス２１からの発熱量が比較的小さくなり冷却部２２の温度が低いときに、冷却部２２の温度の低下量が小さくなるように放熱フィン２２ｂを覆う面積Ｓ（図３参照）を大きくするように構成されている。

より詳細には、開閉板２３は、冷却部２２の温度が高いときと、冷却部２２の温度が低いときとで異なる形状に変化する部材を含む。また、開閉板２３は、冷却部２２の温度が第１の温度よりも高くなることによって、放熱フィン２２ｂを覆う面積Ｓ（図３参照）が小さくなるように変形するとともに、冷却部２２の温度が第１の温度よりも低くなることによって、放熱フィン２２ｂを覆う面積Ｓ（図３参照）が大きくなるように変形するように構成されている。

具体的には、開閉板２３は、第１の温度において予め記憶された形状に変形する形状記憶合金により構成されている。第１の温度は、たとえば、パワーデバイス２１への通電を遮断する第２の温度よりも低い温度に設定されている。第１の温度は、たとえば、６０℃以上８０℃以下で設定される。図２（Ａ）に示すように、開閉板２３は、第１の温度よりも低い温度の場合には、放熱フィン２２ｂを覆う面積Ｓ（図３参照）を大きくするように放熱フィン２２ｂのＸ方向の端部（２２ｃ、２２ｄ）に沿うような形状（第１の形状）に変形する。また、図２（Ｂ）に示すように、開閉板２３は、第１の温度よりも高い温度の場合には、放熱フィン２２ｂを覆う面積Ｓ（図３参照）を小さくするように放熱フィン２２ｂのＸ方向の端部（２２ｃ、２２ｄ）から離間するような形状（第２の形状）に変形する。なお、第１の形状および第２の形状は、それぞれ、開閉板２３が「閉」の状態および「開」の状態と言い換えることができる。

図４に示すように、鉄道車両１０の高速走行時には、パワーデバイス２１からの発熱量が比較的少なくなるので、パワーデバイス２１から冷却部２２を介して、開閉板２３に伝達される熱量が少なくなる。この場合、図２（Ａ）に示すように、開閉板２３は、第１の温度よりも低い温度となることにより、第１の形状に変形する。すなわち、開閉板２３は、「閉」の状態となる。これにより、鉄道車両１０の高速走行時において、開閉板２３が設けられていない場合と比較して、放熱フィン２２ｂに取り込まれる走行風の風量が減少する。

また、図４に示すように、鉄道車両１０の加速時および減速時には、パワーデバイス２１からの発熱量が比較的多くなるので、パワーデバイス２１から冷却部２２を介して、開閉板２３に伝達される熱量が多くなる。この場合、図２（Ｂ）に示すように、開閉板２３は、第１の温度よりも高い温度となることにより、第２の形状に変形する。すなわち、開閉板２３は、「開」の状態となる。

以上の構成により、図４に示すように、比較例（開閉板２３を備えない構成の場合）と比較して、鉄道車両１０の運転時において、冷却部２２の温度差（温度変化量）が小さくなる。その結果、鉄道車両１０の運転時において、パワーデバイス２１の温度差（温度変化量）が小さくなるので、図５に示すように、パワーデバイスの寿命を長くすることができる。

（実施形態の効果）
本実施形態では、以下のような効果を得ることができる。

本実施形態では、上記のように、鉄道車両用電力変換装置２０は、鉄道車両１０の（加速時および減速時と高速走行時とを含む）運転時における冷却部２２の温度変化量が小さくなるように、鉄道車両１０の走行方向（Ｘ方向）から見た放熱フィン２２ｂを覆う面積Ｓを調整する開閉板２３を備える。これにより、開閉板２３により放熱フィン２２ｂを覆う面積Ｓを調整することにより、鉄道車両１０の運転時における冷却部２２の温度変化量を小さくすることができるので、鉄道車両１０の運転時において繰り返し生じるパワーデバイス２１の温度変化量を小さくすることができる。その結果、鉄道車両１０の運転時におけるパワーデバイス２１に生じる温度変化の繰り返しに起因してパワーデバイス２１の寿命が短くなるのを抑制することができる。

また、本実施形態では、上記のように、開閉板２３を、冷却部２２の温度が高いときに、冷却部の温度の上昇量が小さくなるように放熱フィン２２ｂを覆う面積Ｓを小さくするとともに、冷却部２２の温度が低いときに、冷却部２２の温度の低下量が小さくなるように放熱フィン２２ｂを覆う面積Ｓを大きくするように構成する。これにより、パワーデバイス２１の発熱量が比較的多くなるものの、鉄道車両１０に対して生じる走行風の風量が比較的少なくなる鉄道車両１０の加速時および減速時のように冷却部２２の温度が高くなるときに、開閉板２３により放熱フィン２２ｂに取り込まれる走行風の風量を大きくすることができるので、冷却部２２の温度が著しく上昇するのを抑制することができる。また、パワーデバイス２１の発熱量が比較的少なくなるものの、鉄道車両１０に対して生じる走行風の風量が比較的大きくなる鉄道車両１０の高速走行時および惰行時のように冷却部２２の温度が低くなるときに、開閉板２３により放熱フィン２２ｂに取り込まれる走行風の風量を小さくすることができるので、冷却部２２の温度が著しく下降するのを抑制することができる。その結果、鉄道車両１０の運転時の冷却部２２の温度変化量を容易に小さくすることができるので、鉄道車両１０の運転時に生じるパワーデバイス２１の温度変化量を容易に小さくすることができる。

また、本実施形態では、上記のように、開閉板２３は、冷却部２２の温度が高いときと、冷却部２２の温度が低いときとで異なる形状に変化する部材を含む。これにより、鉄道車両１０の運転時に、開閉板２３の形状を変化させることにより、開閉板２３により放熱フィン２２ｂを覆う面積Ｓを容易に調整することができる。

また、本実施形態では、上記のように、開閉板２３を、冷却部２２の温度が第１の温度よりも高くなることによって、放熱フィン２２ｂを覆う面積Ｓが小さくなるように変形するとともに、冷却部２２の温度が第１の温度よりも低くなることによって、放熱フィン２２ｂを覆う面積Ｓが大きくなるように変形するように構成する。これにより、加速時および減速時のようにパワーデバイス２１の発熱量が比較的多くなり冷却部２２が比較的高温になるときには、冷却部２２に取り付けられた開閉板２３も比較的高温になるので、開閉板２３を、冷却部２２の温度が第１の温度よりも高くなった時に、放熱フィン２２ｂを覆う面積Ｓが小さくなるように容易に変形させることができる。また、高速走行時のようにパワーデバイス２１の発熱量が比較的少なくなり冷却部２２が比較的低温になるときには、冷却部２２に取り付けられた開閉板２３も比較的低温になるので、開閉板２３を、冷却部２２の温度が第１の温度よりも低くなった時に、放熱フィン２２ｂを覆う面積Ｓが大きくなるように容易に変形させることができる。

また、本実施形態では、上記のように、開閉板２３は、第１の温度において予め記憶された形状に変形する形状記憶合金により構成されている。これにより、第１の温度において変形させることが可能な形状記憶合金の温度特性により、冷却部２２の温度が第１の温度よりも高いときと低いときとで、開閉板２３の形状を容易に変形させることができる。また、ばねなどを利用して開閉板２３を開閉する場合と比べて、開閉板２３自身が温度に応じて変形するので、部品点数が増加するのを抑制しながら、放熱フィン２２ｂを覆う面積を調整することができる。

また、本実施形態では、上記のように、鉄道車両用電力変換装置２０は、パワーデバイス２１を熱負荷から保護するために第１の温度とは異なる第２の温度においてパワーデバイス２１への通電を遮断するサーマルリレー２４を備える。そして、第１の温度を、第２の温度よりも低くなるように設定する。これにより、加速時および減速時のように冷却部２２の温度が高くなるときに、パワーデバイス２１の発熱により放熱フィン２２ｂの温度が比較的高くなることによって開閉板２３が第２の温度よりも低い第１の温度に達した場合に、開閉板２３の形状を放熱フィン２２ｂに取り込まれる走行風の風量を大きくするように変形させて、冷却部２２の温度がさらに上昇するのを抑制することができる。その結果、パワーデバイス２１の温度が第２の温度に到達するのを抑制することができるので、パワーデバイス２１への通電がサーマルリレー２４により遮断されてパワーデバイス２１の稼動が停止してしまうのを抑制することができる。

また、本実施形態では、上記のように、開閉板２３は、鉄道車両１０の走行方向（Ｘ方向）から見て、放熱フィン２２ｂのパワーデバイス２１側（Ｚ１側）に設けられている。これにより、鉄道車両１０の走行方向から見て、開閉板２３が放熱フィン２２ｂのパワーデバイス２１側とは反対側（Ｚ２側）に設けられている場合と比較して、放熱フィン２２ｂのパワーデバイス２１側に走行風が取り込まれにくくなるので、鉄道車両１０に対して生じる走行風の風量が比較的大きくなる鉄道車両１０の高速走行時に、パワーデバイス２１の温度が著しく下降するのを効果的に抑制することができる。また、鉄道車両１０に対して生じる走行風の風量が比較的少なくなる鉄道車両１０の加速時および減速時にも、放熱フィン２２ｂのパワーデバイス２１側に走行風が取り込まれにくくなるので、パワーデバイス２１の温度が比較的高くなりにくい寒冷地に適用するのが好ましい。

また、本実施形態では、上記のように、開閉板２３を、冷却部２２において、鉄道車両１０の前後方向（Ｘ方向）の両側に設ける。これにより、路線の終点で折り返される場合のように、鉄道車両１０の運転方向が前後で逆になった場合でも、鉄道車両１０の運転時に、パワーデバイス２１に生じる温度変化量を小さくすることができる。

［変形例］
今回開示された実施形態は、全ての点で例示であり制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更（変形例）が含まれる。

たとえば、上記実施形態では、開閉板２３を、鉄道車両１０の走行方向（Ｘ方向）から見て、放熱フィン２２ｂのパワーデバイス２１側（Ｚ１側）に設けた例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、図６に示す第１変形例による鉄道車両用電力変換装置１２０のように、開閉板１２３を、鉄道車両１０の走行方向（Ｘ方向）から見て、放熱フィン２２ｂのパワーデバイス２１側（Ｚ１側）とは反対側（Ｚ２側）に設けるように構成してもよい。なお、開閉板１２３は、特許請求の範囲の「調整部材」の一例である。

図６に示すように、鉄道車両用電力変換装置１２０では、開閉板１２３を、冷却部２２の下側（Ｚ２側）の面２２ｅに取り付けた例を示している。これにより、鉄道車両の走行方向から見て、開閉板１２３が放熱フィン２２ｂのパワーデバイス２１側に設けられている場合と比較して、放熱フィン２２ｂのパワーデバイス２１側に走行風をより取り込むことができるので、鉄道車両１０に対して生じる走行風の風量が比較的少なくなる鉄道車両１０の加速時および減速時に、パワーデバイス２１の温度が著しく上昇するのを効果的に抑制することができる。

また、上記実施形態では、開閉板２３を、冷却部２２のＸ１側の面およびＸ２側の面に取り付けた例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、図７に示す第２変形例による鉄道車両用電力変換装置２２０のように、開閉板２２３を、放熱板２２２ａの下側（Ｚ２側）の面に取り付けるように構成してもよい。なお、開閉板２２３は、特許請求の範囲の「調整部材」の一例である。

図７に示すように、鉄道車両用電力変換装置２２０は、冷却部２２２を備える。冷却部２２２は、放熱板２２２ａを含む。放熱板２２２ａのＸ方向における長さは、放熱フィン２２ｂのＸ方向における長さよりも大きくなるように構成されている。そして、Ｘ方向において、放熱フィン２２ｂよりもＸ１方向またはＸ２方向に突出した放熱板２２２ａの部分の下側（Ｚ２側）の面に開閉板２２３が取り付けられている。

また、本発明では、第１変形例による鉄道車両用電力変換装置１２０の開閉板１２３と、第２変形例による鉄道車両用電力変換装置２２０の開閉板２２３と、をともに備える構成としてもよい。その場合、開閉板１２３（２２３）が変形する第１の温度を、開閉板１２３と開閉板２２３とで、互いに異なる温度（たとえば、６０℃以上８０℃以下、および、２０℃以上４０℃以下）に設定すれば、同一の第１の温度により変形する１種類の開閉板が設けられる場合と比較して、冷却部の温度（すなわち、パワーデバイス２１の温度）に対して放熱フィン２２ｂに取り込まれる走行風の風量を細かく調整することができるので、鉄道車両１０の運転時に、冷却部に生じる温度変化量をより小さくすることができる。

また、上記実施形態では、開閉板２３を、冷却部２２において、鉄道車両１０の前後方向（Ｘ方向）の両側（Ｘ１側およびＸ２側）に設けた例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、図８に示す第３変形例による鉄道車両用電力変換装置３２０のように、開閉板２３を、冷却部２２において、鉄道車両１０の前後方向（Ｘ方向）の一方側（Ｘ１側）または他方側（Ｘ２側）のいずれか一方のみに設けるように構成してもよい。この場合、鉄道車両１０の走行方向が前後のいずれか一方に限られる環状路線等において、開閉板２３の使用されない側が生じることなく、鉄道車両１０の運転時に、パワーデバイス２１に生じる温度変化量を小さくすることができる。なお、図８では、開閉板２３を、冷却部２２において、Ｘ１側のみに設けた例を示している。

また、上記実施形態では、開閉板２３を、第１の温度において予め記憶された形状に変形する形状記憶合金により構成した例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、開閉板２３を、形状記憶合金以外の部材により構成してもよい。その場合、特許請求の範囲の「調整部材」を、たとえば、互いに熱膨張率の異なる複数の金属を張り合わせた部材（いわゆるバイメタル）により構成してもよい。

また、上記実施形態では、車体１１の床下空間１１ａに設置された鉄道車両用電力変換装置２０に対して本発明を適用したが、本発明はこれに限られない。たとえば、車体１１の屋根上に設置された電力変換装置に対して、本発明を適用してもよい。

また、上記実施形態では、鉄道車両用電力変換装置２０を、ＶＶＶＦインバータ装置とした例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、鉄道車両用電力変換装置を、ＰＷＭコンバータ装置としてもよい。なお、ＰＷＭコンバータ装置の発熱量は、鉄道車両１０の運転速度が高いほど大きくなる。すなわち、ＰＷＭコンバータ装置の冷却部は、比較的速度が低い加速時および減速時とＰＷＭコンバータ装置が動作しない惰行時（電力変換装置本体に制御負荷がかかっていない惰行運転の状態）とにおいて、比較的温度が低くなるとともに、加速時および減速時よりも速度が高い高速走行時（電力変換装置本体に鉄道車両の走行速度を維持するための低い制御負荷がかかっている高速運転の状態）において、加速時および減速時よりも高い温度となる。したがって、本発明の鉄道車両用電力変換装置を、ＰＷＭコンバータ装置とする場合は、調整部材を、冷却部の温度が比較的低くなる加速時および減速時と惰行時とにおいて、放熱フィンを覆う面積を大きくするとともに、冷却部の温度が比較的高くなる高速走行時において、放熱フィンを覆う面積を小さくするように構成すればよい。

また、上記実施形態では、架線２からの電力を利用して走行する架空電車線方式の鉄道車両１０の鉄道車両用電力変換装置２０に本発明を適用したが、本発明はこれに限られない。たとえば、走行用のレールとは別に並行して第三の給電用レール（第三軌条）が敷設され、この第三軌条に対して車体１１側に設けられた集電靴（コレクターシュー）が擦って集電する第三軌条方式の鉄道車両１０の鉄道車両用電力変換装置に対して本発明を適用してもよい。

また、上記実施形態では、架線２からの電力を利用して走行する架空電車線方式の鉄道車両１０の鉄道車両用電力変換装置２０に本発明を適用したが、本発明はこれに限られない。たとえば、ディーゼル機関を直接的な駆動源とする気動車に搭載された鉄道車両用電力変換装置の冷却や、ディーゼル機関の発電によって誘導電動機１５を回転させる電気式気動車などの鉄道車両１０の鉄道車両用電力変換装置の冷却に対して、本発明を適用してもよい。

１０ 鉄道車両
２０、１２０、２２０、３２０ 鉄道車両用電力変換装置
２１ パワーデバイス（電力変換装置本体）
２２ 冷却部
２２ｂ 放熱フィン
２３、１２３、２２３ 開閉板（調整部材）
２４ サーマルリレー（遮断部）
Ｓ （放熱フィンを覆う）面積

Claims (9)

1. 鉄道車両に設けられる電力変換装置本体と、
   前記電力変換装置本体と接するように設けられた放熱板と、前記放熱板を介して前記電力変換装置本体に取り付けられ、前記電力変換装置本体から発生した熱を放熱するための放熱フィンとを含む冷却部と、
   前記冷却部の前記放熱板に取り付けられ、前記鉄道車両の運転時における前記冷却部の温度変化量が小さくなるように、前記鉄道車両の走行方向から見た前記放熱フィンを覆う面積を調整する調整部材と、
   を備える、鉄道車両用電力変換装置。
2. 前記調整部材は、前記冷却部の温度が高いときに、前記冷却部の温度の上昇量が小さくなるように前記放熱フィンを覆う面積を小さくするとともに、前記冷却部の温度が低いときに、前記冷却部の温度の低下量が小さくなるように前記放熱フィンを覆う面積を大きくするように構成されている、請求項１に記載の鉄道車両用電力変換装置。
3. 前記調整部材は、前記冷却部の温度が高いときと、前記冷却部の温度が低いときとで異なる形状に変化する部材を含む、請求項１または２に記載の鉄道車両用電力変換装置。
4. 前記調整部材は、前記冷却部の温度が第１の温度よりも高くなることによって、前記放熱フィンを覆う面積が小さくなるように変形するとともに、前記冷却部の温度が前記第１の温度よりも低くなることによって、前記放熱フィンを覆う面積が大きくなるように変形するように構成されている、請求項３に記載の鉄道車両用電力変換装置。
5. 前記調整部材は、前記第１の温度において予め記憶された形状に変形する形状記憶合金を含む、請求項４に記載の鉄道車両用電力変換装置。
6. 前記電力変換装置本体を熱負荷から保護するために前記第１の温度とは異なる第２の温度において前記電力変換装置本体への通電を遮断する遮断部をさらに備え、
   前記第１の温度は、前記第２の温度よりも低くなるように設定されている、請求項４または５に記載の鉄道車両用電力変換装置。
7. 前記調整部材は、前記鉄道車両の走行方向から見て、前記放熱フィンの前記電力変換装置本体側に設けられている、請求項１～６のいずれか１項に記載の鉄道車両用電力変換装置。
8. 前記調整部材は、前記鉄道車両の走行方向から見て、前記放熱フィンの前記電力変換装置本体側とは反対側に設けられている、請求項１～６のいずれか１項に記載の鉄道車両用電力変換装置。
9. 前記調整部材は、前記冷却部において、前記鉄道車両の前後方向の一方側または他方側の少なくともいずれか一方に設けられている、請求項１～８のいずれか１項に記載の鉄道車両用電力変換装置。

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