JPH09219904A

JPH09219904A - 電気車用電力変換装置

Info

Publication number: JPH09219904A
Application number: JP2645296A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Suzuki; 敦鈴木; Heikichi Kuwabara; 平吉桑原; Takashi Tsuboi; 孝坪井; Hiroshi Itahana; 博板鼻; Hisashi Kondo; 久近藤; Hideji Saito; 秀治斉藤; Nobuaki Mizuguchi; 信章水口; Masahiro Matsuura; 政浩松浦; Nobuo Fujieda; 信男藤枝; Chiyuki Kato; 千幸加藤
Original assignee: Hitachi Techno Engineering Co Ltd; Hitachi Ltd; Hitachi Mito Engineering Co Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Plant Technologies Ltd; Hitachi Mito Engineering Co Ltd
Priority date: 1996-02-14
Filing date: 1996-02-14
Publication date: 1997-08-19
Anticipated expiration: 2016-02-14
Also published as: JP3504052B2

Abstract

(57)【要約】【課題】電気車用電力変換装置を車両床下に艤装する
際に、高密度実装可能で、冷却系の要請による配置では
なく、冷却能力を保持しつつ配置の自由度を高める。【解決手段】電力変換器４１、４２を構成する素子を受
熱板１０の両面に装着し、この受熱板１０内に冷却水を
流し暖まった冷却水をラジエータ１２によって冷却する
水循環式冷却系とする。そして、これらを電気車床下に
設け、ラジエータ１２を電気車高さ方向に設けられた通
気室２５に配置する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、鉄道車両、とりわ
け電気車に用いられる電力変換装置に係り、特に、この
電力変換装置の冷却に関する。

【０００２】

【従来の技術】電気鉄道車両においては、電動機を可変
速駆動するための電力変換装置が、通常車体の床下部に
搭載される。例えばインバータ方式による制御装置は、
半導体スイッチング素子(例えばＧＴＯ、ＩＧＢＴな
ど)、ダイオード、コンデンサ、抵抗器、ゲートドライ
ブ装置等により構成される。これら構成部品は、装置作
動時に熱損失を発生することから、これらを効率良く冷
却することが重要である。特に、半導体スイッチング素
子は、その発生熱量が大きいため、専用の放熱器を備え
ている。この放熱器は、外気と通じる風洞内に設置さ
れ、外気へ放熱を可能としている。一方、ダイオード、
コンデンサ、ゲートドライブ装置や半導体スイッチング
素子自身は、信頼性を確保する上で、清浄な空気のもと
に設置することが必要である。そのため、この装置を収
納する筐体の外の汚損空気に触れないように、密閉室内
に収納することが有効である。

【０００３】しかし、これら密閉室に収納される半導体
スイッチング素子以外の電気品も少なからず発熱してお
り、この密閉室の空気の温度上昇を一定値以下に押さえ
るためには、密閉室内の空気と筐体の外の汚損空気の間
で効率的よく熱交換する必要がある。

【０００４】特開平６−１６３７７０号公報（文献１）
には、誘導電動機を制御する電力変換器のモジュール型
主回路半導体スイッチング素子を受熱板の一面に装着
し、片面にＬ形に曲折されたヒートパイプの受熱部を埋
め込み、凝縮部に放熱フィンを取り付けた冷却構造が記
載されている。また、特開昭６２−２５５２６６号公報
（文献２）には、誘導電動機を制御するインバータの冷
却を、ディーゼルエンジンを冷却する冷却水をインバー
タにも循環させる技術が記載されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】電気車用、特に電車用
の電力変換装置は、車体の床下部に設置されることから
小型軽量化が要求される。このため、機器の実装密度を
高める必要性がある。実装密度が高まると筐体内に収納
される電気品の発熱密度が増加し、これら全体を効率良
く冷却するためには、半導体スイッチング素子専用の放
熱器のみならず、密閉室内の電気品を効率良く冷却する
ための放熱器ならびに放熱構造が必要である。

【０００６】文献１に記載の構造では、受熱板の１面に
のみモジュール型スイッチ素子の取り付け可能であり、
実装密度を増加させることが困難であり、また、ほとん
どの場合複数のヒートパイプにて冷却をしなければなら
ない関係上、全てのヒートパイプのフィンに冷却風を当
てるためにはヒートパイプ、すなわち、冷却側の都合に
よって実装時の電力変換装置としての配置が決まってし
まい、設計の自由度が少ないという問題がある。

【０００７】また、文献２においては、冷却水の循環回
路の記載はあるが実装については何等配慮が為されてい
ない。

【０００８】本発明の目的は、実装密度が増加したとし
ても、機器の配置の自由度を高くし得る冷却構造を有す
る電気車用電力変換装置を提供することにある。

【０００９】本発明の第２の目的は、半導体スイッチン
グ素子の放熱器と密閉室を同時に効率良く冷却するとと
もに、装置の小型化が可能な電気車用の電力変換装置を
提供することにある。

【００１０】本発明の第３の目的は、機器のメンテナン
スが容易な冷却構造を有する電気車用電力変換装置を提
供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】前記第１の目的は、電気
車駆動用誘導電動機を制御する複数のスイッチング素子
を含む電力変換器と、この電力変換器を冷却する冷却手
段とを備えた電気車用電力変換装置において、前記スイ
ッチング素子が取り付けられ、内部に冷却液の流路を有
する受熱板と、前記受熱板からの冷却液と空気との間で
熱交換を行う熱交換器と、前記受熱板と前記熱交換器と
の間で前記冷却液を循環させるポンプと、前記熱交換器
に対して冷却風を送風する送風手段とを備え、前記受熱
板、前記熱交換器、前記ポンプ及び送風手段とを電気車
の床下に艤装することにより達成される。特に、前記熱
交換器をこの電気車の高さ方向に設けられた通気流路内
に配置すればより効果を奏する。

【００１２】前記第２の目的は、電気車駆動用誘導電動
機を制御する複数のスイッチング素子を含む電力変換器
と、この電力変換器を冷却する冷却手段とを備えた電気
車用電力変換装置において、前記スイッチング素子が取
り付けられ、内部に冷却液の流路を有する受熱板と、前
記受熱板からの冷却液と空気との間で熱交換を行う熱交
換器と、前記熱交換器に対して冷却風を送風する送風手
段とを備え、前記受熱板を電気車床下側面側に設けられ
た室内に配置し、前記送風機及び前記熱交換器をこの電
気車の床下高さ方向に設けられた通気流路内に配置し、
前記室の車体側天板内外面に放熱フィンを設け、冷却風
がこの外側放熱フィンを介して前記通気路内送風される
ように前記送風機を配置することにより達成される。

【００１３】前記第３の目的は、電気車駆動用誘導電動
機を制御する複数のスイッチング素子を含む電力変換器
と、この電力変換器を冷却する冷却手段とを備えた電気
車用電力変換装置において、前記スイッチング素子が取
り付けられ、内部に冷却液の流路を有する受熱板と、前
記受熱板からの冷却液と空気との間で熱交換を行う熱交
換器と、前記受熱板と前記熱交換器とを一体で電気車側
面から取り出し可能な搬送手段とを備えることにより達
成される。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施の形態とし
て、電気鉄道車両の床下に設置するコンバータとインバ
ータを備えた電力変換装置を図９を用いて説明する。本
例は交流き電区間を走行する電気車を示しており、パン
タグラフ５４から集電された交流は、複数の変圧器５２
によって降圧され、それぞれ対応する単相３レベルコン
バータ４２の交流入力端に入力される。このコンバータ
４２は、正、負、中性の３つのレベルの直流を出力し、
これらコンバータ４２の直流側はフィルタコンデンサ５
１を介して並列接続され、３相３レベルインバータ４１
の直流側に入力される。なお、インバータ４１側の直流
側には、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各相毎にフィルタコンデン
サ５１が接続されている。インバータ４１は、入力され
た直流を正、負、中性の３つのレベルを有するパルスを
出力することによりＰＷＭ変調された可変電圧可変周波
数の３相交流を出力する。誘導電動機５３は、可変電圧
可変周波数の交流を入力することによってその回転が制
御され、電気車が力行する。また、誘導電動機５３が発
電機として動作する回生時は、上記力行時とは反対にエ
ネルギーがパンタグラフ５４に流れる。

【００１５】また、コンバータ４２とインバータ４１と
の間に並列接続されている過電圧抑制回路４３は、何ら
かの原因により直流電圧が過大になった場合、抵抗を介
して短絡して降圧したり、中性点の電位が正負でアンバ
ランスになった場合、動作するものである（この動作は
２レベルインバータでは存在しない）。

【００１６】ところで、これらインバータ４１やコンバ
ータ４２を構成するスイッチング素子４０は、例えば、
ＩＧＢＴ（インシュレーテッドゲートバイポーラ
トランジスタ）やＧＴＯ（ゲートターンオフサイリス
タ）等のモジュール型自己消弧型スイッチング素子であ
り、本実施形態で用いられるＩＧＢＴは、それぞれ並列
接続されたフライホイールダイオード５０と一体でモジ
ュール化されている。また、４直列接続されたスイッチ
ング素子４０の中２つのスイッチング素子に並列接続さ
れたダイオードはクランプダイオード４９であり、中性
点電位を生成するための３レベル電力変換器に特有のも
のである。更に、本図には記載を省略したが、スイッチ
ング素子には、自己消弧したときに発生する過大電圧を
吸収するためにスナバ回路が設けられており、この回路
は、スナバダイオード、スナバ抵抗及びスナバコンデン
サから構成されている。

【００１７】以上説明した電力変換装置を構成する各素
子は冷却系にとってみれば全てが発熱体であり、これら
が密に実装されると、熱的に厳しいものとなる。一方、
レイアウトもメンテナンスを考慮すると、重要な要素で
あり、冷却にとって必ずしも都合の良いものとはなり得
ない。以下に説明する本実施形態による冷却構造は、こ
れらの要請に応じ得るものである。

【００１８】以下、図１乃至図５を用いて説明する。図
１は鉄道の軌道下の枕木と平行な方向の縦断面図であ
る。図２は、図１におけるＡ−Ａ部の断面図、図３は図
１におけるＢ−Ｂ部の断面図である。本実施形態におい
ては、電力変換器を構成するモジュール型半導体スイッ
チング素子４０を取り付けた受熱板に冷却液を通し、こ
れを空気−液熱交換器との間で循環して冷却する循環液
冷方式を採用した。この際、使用する冷媒としては例え
ば水や、低温下での凍結を抑制するエチレングリコール
の成分を含んだ水溶液を用いる。

【００１９】図１（電気配線は省略してある）におい
て、車体１の床下に電力変換器を収納する筐体２が、風
洞２１のスペースを残すように図示しない吊り下げ手段
により懸架されている。この筺体２には、軌道幅方向に
図面左側から、前述した電力変換器の主回路を収納した
主回路密閉室３、冷却部、及び、その他の電気品を収納
した電気品密閉室５が収納されている。車両進行方向に
対し左側面部全面に亘って配置されたフィルタコンデン
サ５１は、近年専ら電解コンデンサが用いられるように
なってきており、この電解コンデンサは消耗品であるが
故、車両最側面部に配置してある。なお、これらフィル
タコンデンサ５１の頭部は冷却のため主回路密閉室３の
外部に出してある。電力変換器主回路を収納した主回路
密閉室３内には、後に詳細説明する受熱板１０、その他
の主回路構成品が収納されている。そして、この主回路
密閉室３の車体１側には、前述の風洞２１内部に存する
ように、主回路密閉室３外部に外部放熱フィン２２が、
この外部放熱フィン２２とこの筺体２の天板を挟んで密
閉室内部には、内部放熱フィン２３が設けられている。

【００２０】一方、筐体３の車両進行方向の右側面（図
面右側）には、コンバータ４２やインバータ４１を構成
するスイッチング素子４０に対してパルス幅変調された
ゲート信号を生成するゲートドライブ装置４４、交流電
車線とこれら制御機器とを電気的に切り離す交流接触器
４５、各種制御機器に対して電力を供給する制御用電源
４６等の電気品が、単位毎に区分されて電気品密閉室５
に収納されており、筺体２の側面全面にわたって配置さ
れる。

【００２１】冷却装置を構成する液循環ポンプ１１、送
風機２９、空気−液熱交換器（ラジエータ）１２、リザ
ーブタンク１３は、車両１のほぼ中央部である主回路密
閉室３と電気品密閉室５との間の空間に配置される。こ
れらと主回路密閉室３に収納されている受熱板１０とは
配管１４を介して相互に接続される。この際、送風機２
９の下部は、車両の走行時に負圧を生じる空洞２６が設
けられている。

【００２２】液循環ポンプ１１によって昇圧された冷却
水は、主回路密閉室３内に収納されている受熱板１０に
送水される。受熱板１０は、図４に示されるように、一
面にコンバータ４２及びインバータ４１の１相分（Ｓ
相、Ｔ相、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の冷却対象素子若しくは
過電圧抑制回路４３の冷却対象素子が取り付けられ、両
面に取り付け可能となっている。この受熱板１０の内部
には冷却水が流れる流路が形成されており、液循環ポン
プ１１からの冷却水が流れ、各素子が発生した熱を受熱
し、昇温した冷却水が配管１４を介してラジエータ１２
に送られる。図１において、ラジエータ１２には、車外
より採風した冷却風が流れるようになっており、冷却水
と空気との間で熱交換を行うことにより冷却水の温度を
下げている。また、ラジエータ１２には、万一圧力が過
大になってもその圧力の上昇を抑制するため、また、冷
却水の補給のためにリザーブタンク１３が設けられてい
る。ラジエータ１２を出た冷却水は再び循環ポンプ１１
に戻り、以上説明したように循環をして発熱素子を冷却
する。尚、循環させる冷却水の量は、１分間に４０から
５０リットルである。

【００２３】次に、車体１から軌道方向に見た図２を用
いて、本電力変換装置のレイアウトを説明する。車体１
の両側面のスカート４の内側に筺体２が配置されてお
り、筺体２内には４枚の受熱板１０、４台の冷却機器
（液循環ポンプ１１、ラジエータ１２、リザーブタンク
１３及び配管１４）、ゲートドライブ装置４４、交流接
触器４５及び２個の制御用電源４６が図示のように配置
されている。受熱板１０には、図４に示されているよう
に、両面に冷却対象の素子を配置することができるの
で、文献１に記載のように片面装着に比べ、実装密度が
高くなる。例えば、図９に示した主回路図において、コ
ンバータ４２には、Ｓ相およびＴ相がそれぞれ２セット
の４相分、インバータ４１にはＵ相、Ｖ相、Ｗ相の３相
分、更に、過電圧抑制回路４３を１相と考えて、合計８
相分の冷却が必要である。図２に示した受熱板１０の枚
数は、４枚であり、片面に１相分の素子を装着すること
ができるので、合計８相分の素子の冷却が可能となる。
尚、大容量であるため、片面に１相分を装着するように
したが、２レベルインバータ、または、小容量タイプの
ものではこれに限るものではない。更に、受熱板１０
は、筺体２底面に対して立面しており、冷却対象素子取
付面が車両進行方向に対して垂直となるように配置され
ている。文献１に記載の配置は、受熱板のヒートパイプ
取付面が車体１の側面になるよう配置する必要があった
ので、この点においては、車体１の長さ方向が短くな
る。

【００２４】次に、冷却風の採風および排風構造につい
て説明する。図１において、採風は、スカート４に設置
されたエアフィルタ２０および車体１と筐体２の間の間
隙に設置された風洞２１を介して筐体２の上部に開口し
た採風口２４から行なう。採風口２４から通気室２５へ
取り込んまれた冷却風３０は、空気−液熱交換器１２、
送風機２９、空洞２６を介して排風口２７から軌道面へ
放出される。すなわち、上面吸気下面排気構造を取り入
れている。排風口２７にはパンチングメタル等の整流板
２８が設置される。このように、冷却風３０を上面から
採風し下面へ排風することで、装置の発熱を吸収により
温度上昇した排風が再び筐体内に取り込まれることを防
ぎ、電力変換装置全体の冷却効率を向上することができ
る。

【００２５】以下、図６から図８によりその理由を説明
する。これら図は、車両が時速３００ｋｍで高速走行し
ている場合の気流の挙動や圧力分布を有限要素法により
シミュレートした結果である。まず、車両停車時におい
ては、通気室２５内の送風機２９から吐出された冷却風
３０は、空洞２６および排風口２７に設置される整流板
２８を通過するまでの過程において一様化が促進され、
送風機２９から吐き出された冷却風３０が直接軌道面に
衝突することを防止している。

【００２６】そして、車両が高速走行している場合は、
送風機２９およびラジエータ１２が設置される通気室２
５内に、走行風の影響により循環流が形成され、空洞２
６内は大気圧レベルに対して負圧になることが判明し
た。

【００２７】図６は、図１の断面軌道中心線上の相対流
速分布を示したものである。図６の縦軸は軌道面から見
た高さを示しており、横軸は、各高さ位置における風速
と車速との相対速度を示したものである。軌道面位置に
おける風速はほぼ車速であり、車体に近づくにつれて相
対流速は徐々に低下し空洞２６付近では反対に車速より
も速くなるようになる。これは循環流によるものであ
る。図７は、軌道の中心線上の静圧分布であり、縦軸の
零は大気圧レベルを示す。また、横軸は空洞２６の車両
長方向の長さである。本実施形態では、空洞の長さは４
ｍより短いが、概ね適用できる。さらに、空洞２６内の
圧力は鉛直方向、および枕木方向にほぼ一様であるの
で、図７に示した分布は空洞２６内の車両進行方向の圧
力分布を代表している。この結果によれば、空洞２１内
の圧力は車両進行方向前部において４５ｍｍＡｑ程度大
気圧に対して負圧になり、進行方向後部に行くに従い徐
々に回復し、進行方向後端では循環流の縮流効果のため
の大気圧に比較して若干正圧となる。空洞２６のほぼ中
央に設置されたラジエータ１２の出口位置においては、
大気圧に対して２０ｍｍＡｑ程度負圧になっている。す
なわち、空洞２６は大気圧に対して若干負圧になるとい
うことである。

【００２８】一方、冷却風３０を採風する車両側面の圧
力は、前記シミュレーションによれば、図８に示すよう
に流れの変化が大きい先頭部、および後尾部では大気圧
に対して最大５０ｍｍＡｑ程度負圧になるものの、それ
以外の位置においては概ね大気圧レベルである(正確に
は３ｍｍＡｑ程度の負圧)。つまり、採風側である車両
側面の周囲圧力はほぼ大気圧レベルであるのに対して排
風側の空洞２６の周囲圧力は２０ｍｍＡｑ程度負圧にな
る。

【００２９】従って、車両走行時においては実質的には
上記採風側と排風側の圧力差２０ｍｍＡｑが加算され送
風機２９の流量は車両停車時に比べて増加する。すなわ
ち、送風機２９を停止させたとしてもラジエータ１２に
はこの圧力差に基づく空気の流れが発生するということ
を意味している。また、空洞２６は送風機６から吐き出
される高速な排気流を一様化し、減速する効果も有す
る。

【００３０】次に、外気の進入を防ぐ主回路密閉室３及
び電気品密閉室５内部の冷却について説明する。受熱板
１０に装着された素子の冷却については前述の如くであ
る。図５に示されるように、主回路密閉室３に収納され
るスナバ回路を構成するための電気品であるスナバコン
デンサ４８、図示しないがフィルタコンデンサ５１、ゲ
ートドライブ装置４４から信号を受け取り増幅して電力
変換器を構成するスイッチング素子に増幅されたスイッ
チング信号を供給するゲートアンプ（図示無し）等も主
回路密閉室３内に収納される。受熱板１０に装着された
素子の発生熱量は大きく、受熱板１０は電力変換器運転
時に水を流しても７５°Ｃから８０°Ｃになる。これに
対してスナバコンデンサ４８やゲートアンプの許容温度
は４０°Ｃから５０°Ｃであり、このままでは主回路密
閉室３内の温度は受熱板１０が発生する熱により許容温
度を越えてしまう。本実施形態では、受熱板１０を立面
させているため、この発熱は主回路密閉室３内部の周囲
空気へ伝わり、主回路密閉室３内の空気は上昇気流を形
成し、主に上部に設置された内部放熱フィン２３へ熱を
輸送する。一方、主回路密閉室３上面の風洞２１（図１
参照）の内部にやはり外部放熱フィン２２が設置されて
おり、この外部放熱フィン２２を送風機２９によって発
生した冷却風３０がエアフィルタ２０から取り込まれ、
その直後に通過するため上面からの熱伝達は促進されて
いる。これらにより主回路密閉室３が冷却され、スナバ
コンデンサ４８やゲートアンプを密閉室内に一体収納す
ることが可能となり、収納密度も向上する。このとき、
密閉室内には放熱を促進するために密閉室内部の空気を
撹袢し、放熱フィン部に風を導く送風機を設置してもよ
い。また、各放熱フィン２２、２３の形状は、それぞれ
の放熱フィンにおける流速が異なるため、それぞれの流
速に合わせて異ならせたほうがより一層効果的である。
また、同様に、電気品密閉室５も構成されている。

【００３１】図３は、車体１側から見た筺体２の天板を
示した図である。天板には各密閉室３、５に対応した位
置に外部放熱フィン２２が設置されており、車体中央部
付近にラジエータ１２等が配置された通気室２５（４面
が何らかの壁面となっておりラジエータ１２に冷却風３
０が流れるように流路を形成している）上部に開口した
採風口２４が形成されている。仕切り板６０によって仕
切られた風洞２１（車両進行方向側の端部は車体１の底
面に、やはり、仕切り板のようなものが接しており、こ
れと仕切り板６０とにより流路が確保される）には、車
体１の側面スカート４に設けられたエアフィルタ２０か
らの冷却風３０が流れ込み、外部放熱フィン２２を介し
て採風口２４に取り込まれる。このように構成した場
合、もし、下側吸気上側排気として、ラジエータ１２下
流側に外部放熱フィン２２があるように構成すると、ラ
ジエータ１２を通過した冷却風の熱が密閉室内に取り込
まれてしまうという問題がある。下側吸気上側排気を採
用する場合は、放熱フィンの位置がラジエータ１２の上
流側になるようにするか、ラジエータ１２とは独立した
冷却を考える必要がある。

【００３２】次に、図１または図５を用いてメンテナン
スについて説明する。保守点検は、車両側面から行うこ
とが望ましい。本実施形態では、主回路密閉室３及び電
気品密閉室５が車体１の側面に位置するように配置され
ている。このように、保守点検容易性を高めたレイアウ
トとなった理由は、第１に水冷としたことで風冷しなけ
ればならない部品がラジエータ１２に集約されたこと、
及び、車体１のほぼ中央部に通気室２５を設けてこの中
にラジエータ１２を収納したことによる。文献１に記載
のものでは、ヒートパイプにフィンを車体側面に配置し
なければならなかったため、内部の電気品を保守点検す
る際は、比較的重量のある受熱板を取り外さねばならな
かった。電気品密閉室５は車体１の側面側に開閉できる
ようになっており、簡単に、内部を見ることができる。

【００３３】一方、主回路密閉室３側は、車体１の側面
に設置されたフィルタコンデンサ５１を取り付けた蓋を
外して、内部にアクセスすることができる。受熱板１
０、液循環ポンプ１１、ラジエータ１２、リザーブタン
ク１３及び配管１４は、他の主回路構成部品と共に車輪
６２を有する台車６１上に設置されており、図示しない
車止を外すことにより車体１の幅方向に移動可能であ
る。図１では送風機２９は筐体２に取り付けられ、台車
６１と共には移動できないようになっている。これは、
送風機の信頼性が近年向上しているためあまりメンテナ
ンスをする必要がないこと、台車側に取り付けると台車
にかかる重量が増し移動時の作業性を配慮したためであ
る。一方で、このような冷却構造を採用した場合、十分
に受熱板１０を冷却（半導体素子を熱破壊させない温度
以下に保つ）するためには、駅停止時も含めて電気車の
運行中は送風機２９を常時回さなければならないという
試算もあり、この時は定期的な保守点検が必要となり、
台車６１に取り付ける必要がある。ちなみに、放熱フィ
ン２２、２３が取り付けられている筺体２の天板は筐体
２そのものであるので車体１の床下に固定されている。
保守点検が終了した台車６１は、図示の位置に戻される
が、台車６１のラジエータ１２側に取り付けた仕切板６
３と、筺体２に額縁のように中がくり抜かれ、ゴムパッ
キンが施されたストッパ６４とが当接して、更にフィル
タコンデンサ５１が取り付けられた蓋が閉じられること
によって、主回路密閉室３が構成される。そして、仕切
板６３とストッパ６４とが当接する事により通気室２５
が形成される。すなわち、本実施形態では、主回路構成
部品を収納する密閉容器なるものを特別に設けるのでは
なく、筐体２内部を台車６１を移動させることによっ
て、台車６１に設けられた仕切板６３によって主回路密
閉室３及び通気室２５を形成するものである。

【００３４】以上、本実施形態によれば、水冷として受
熱板の両面に複数の素子を装着することができるように
なったので、所定の冷却性能を有しつつ実装密度を向上
させることができる。また、車体１の床下に高さ方向の
通気室２５を設けこの中にラジエータ１２を配すること
で、これまで冷却側の要請から車体１側面のレイアウト
の自由度が制限されていたが、冷却系を車体床下ほぼ中
央部に配置することが実現されるため、側面のレイアウ
トの自由度の制限が解除され、前述の如く、保守点検時
の作業性が向上するという効果がある。

【００３５】ところで、上記実施形態においては、受熱
板１枚に対して一式の水循環冷却系を割り当てたが、図
１０（図２と同一符号は同一のものを示す）に示される
ように、受熱板２枚に対して１式水循環冷却系を割り当
てても良い。この場合、２枚の受熱板１０及びラジエー
タ１２などの水循環冷却系を同一の台車に乗せることは
重量の面から困難であるので、受熱板１枚単位で容易に
取り出せるように、受熱板の冷却液入口部ならびに出口
部近傍にカプラ６５を設けてある。このカプラ６５は着
脱時に中の液が外部に漏洩機構が付加されていることが
望ましい。

【００３６】以上説明した２種の実施形態では、交流を
き電して交流電動機である誘導電動機を駆動するコンバ
ータインバータシステムにおける電力変換装置であった
が、本発明はこれに限定されず、直流をき電して誘導電
動機を駆動するインバータシステムにおいても適用する
ことができる。また、上記説明したインバータ若しくは
コンバータを３レベルの電力変換器としたが２レベル電
力変換器であっても構わない。更に、受熱板１０の両面
に素子を配置した構成について説明したが、片面にのみ
配置したものについても適用でき、この場合は、冷却系
にとらわれず、その他の設計的要請により自由に設計を
することができるという効果を奏する。

【００３７】

【発明の効果】本発明のよれば、冷却を確保しつつ実装
密度を上げること可能となり、また、設計の自由度が増
し、更に、保守点検の作業性が向上するという効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態における、電気車の進行方
向から見た電力変換装置を搭載した車両の断面図であ
る。

【図２】図１に示した電力変換装置を車体側から見た断
面図である。

【図３】図２に示した電力変換装置の筺体の天板を示し
た図で、冷却風の流れを説明する図である。

【図４】受熱板を説明する図である。

【図５】主回路密閉室内部の表す斜視図である。

【図６】図１の軌道中心線上の進行方向流速分布図であ
る。

【図７】軌道中心線上の静圧分布図である。

【図８】車両表面圧力分布図である。

【図９】本実施形態における電力変換装置の主回路図で
ある。

【図１０】本発明の第二の実施形態を示す電力変換装置
を車体側から見た図である。

【符号の説明】

１…車体、２…筐体、３…主回路密閉室、４…スカー
ト、５…電気品密閉室、１０…受熱板、１１…液循環ポ
ンプ、１２…ラジエータ、１３…リザーブタンク、１４
…配管、２０…エアフィルタ、２１…風洞、２２…外部
放熱フィン、２３…内部放熱フィン、２４…採風口、２
５…通気室、２６…空洞、２７…排風口、２８…整流
板、２９…送風機、３０…冷却風、４０…スイッチング
素子、４１…インバータ、４２…コンバータ、４３…過
電圧抑制回路、４４…ゲートドライブ回路、４５…交流
接触器、４６…制御用電源、４７…スナバ抵抗、４８…
スナバコンデンサ、４９…クランプダイオード、５０…
フライホイールダイオード、５１…フィルタコンデン
サ、５２…変圧器、５３…誘導電動機、５４…パンタグ
ラフ、６１…台車、６２…車輪、６３…仕切板、６４…
ストッパ、６５…カプラ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者桑原平吉茨城県土浦市神立町502番地株式会社日立製作所機械研究所内 (72)発明者坪井孝茨城県ひたちなか市市毛1070番地株式会社日立製作所水戸工場内 (72)発明者板鼻博茨城県ひたちなか市堀口832番地の２日立水戸エンジニアリング株式会社内 (72)発明者近藤久茨城県ひたちなか市市毛1070番地株式会社日立製作所水戸工場内 (72)発明者斉藤秀治茨城県ひたちなか市市毛1070番地株式会社日立製作所水戸工場内 (72)発明者水口信章茨城県ひたちなか市市毛1070番地株式会社日立製作所水戸工場内 (72)発明者松浦政浩茨城県ひたちなか市市毛1070番地株式会社日立製作所水戸工場内 (72)発明者藤枝信男茨城県土浦市神立町502番地株式会社日立製作所機械研究所内 (72)発明者加藤千幸茨城県土浦市神立町502番地株式会社日立製作所機械研究所内 (72)発明者池川昌弘茨城県土浦市神立町502番地株式会社日立製作所機械研究所内 (72)発明者服部守成東京都千代田区神田駿河台四丁目６番地株式会社日立製作所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電気車駆動用誘導電動機を制御する複数の
スイッチング素子を含む電力変換器と、この電力変換器
を冷却する冷却手段とを備えた電気車用電力変換装置に
おいて、前記スイッチング素子が取り付けられ、内部に
冷却液の流路を有する受熱板と、前記受熱板からの冷却
液と空気との間で熱交換を行う熱交換器と、前記受熱板
と前記熱交換器との間で前記冷却液を循環させるポンプ
と、前記熱交換器に対して冷却風を送風する送風手段と
を備え、前記受熱板、前記熱交換器、前記ポンプ及び送
風手段とを電気車の床下に艤装した電気車用電力変換装
置。
【請求項２】電気車駆動用誘導電動機を制御する複数の
スイッチング素子を含む電力変換器と、この電力変換器
を冷却する冷却手段とを備えた電気車用電力変換装置に
おいて、前記スイッチング素子が取り付けられ、内部に
冷却液の流路を有する受熱板と、前記受熱板からの冷却
液と空気との間で熱交換を行う熱交換器と、前記受熱板
と前記熱交換器との間で前記冷却液を循環させるポンプ
と、前記熱交換器に対して冷却風を送風する送風手段と
を備え、前記受熱板、前記熱交換器、前記ポンプ及び送
風手段とを電気車の床下に艤装し、前記熱交換器をこの
電気車の高さ方向に設けられた通気流路内に配置した電
気車用電力変換装置。
【請求項３】請求項２において、前記通気流路は、上方
から吸気し、下方に排気するように冷却風が流れるもの
である電気車用電力変換装置。
【請求項４】請求項２において、前記通気流路内に配置
された熱交換器は、車両床下面に対してほぼ平行に設置
されるものである電気車用電力変換装置。
【請求項５】請求項２において、前記受熱板の素子搭載
面が電気車の進行方向に向くように立面配置した電気車
用電力変換装置。
【請求項６】電気車駆動用誘導電動機を制御する複数の
スイッチング素子を含む電力変換器と、この電力変換器
を冷却する冷却手段とを備えた電気車用電力変換装置に
おいて、前記スイッチング素子が取り付けられ、内部に
冷却液の流路を有する受熱板と、前記受熱板からの冷却
液と空気との間で熱交換を行う熱交換器と、前記受熱板
と前記熱交換器とを一体で電気車側面から取り出し可能
な搬送手段とを備えた電気車用電力変換装置。
【請求項７】請求項６において、前記受熱板と前記熱交
換器との間で前記冷却液を循環させるポンプと、前記熱
交換器に対して冷却風を送風する送風手段とを備え、前
記搬送手段は、前記受熱板、前記熱交換器と共に、前記
ポンプを一体で搬送するものである電気車用電力変換装
置。
【請求項８】請求項６において、前記受熱板と前記熱交
換器との間に仕切板を設け、前記搬送手段により収納し
たとき、前記受熱板側が外気と遮断された密閉室、前記
熱交換器側が通気室となる電気車用電力変換装置。
【請求項９】請求項６において、前記受熱板の素子搭載
面が電気車の進行方向に向くように立面配置した電気車
用電力変換装置。
【請求項１０】電気車駆動用誘導電動機を制御する複数
のスイッチング素子を含む電力変換器と、この電力変換
器を冷却する冷却手段とを備えた電気車用電力変換装置
において、前記スイッチング素子が取り付けられ、内部
に冷却液の流路を有する受熱板と、前記受熱板からの冷
却液と空気との間で熱交換を行う熱交換器とを備え、前
記受熱板を電気車床下側面側に、前記熱交換器を前記受
熱板よりも中央側に配置した電気車用電力変換装置。
【請求項１１】電気車駆動用誘導電動機を制御する複数
のスイッチング素子を含む電力変換器と、この電力変換
器を冷却する冷却手段とを備えた電気車用電力変換装置
において、前記スイッチング素子が取り付けられ、内部
に冷却液の流路を有する受熱板と、前記受熱板からの冷
却液と空気との間で熱交換を行う熱交換器と、前記熱交
換器に対して冷却風を送風する送風手段とを備え、前記
受熱板を電気車床下側面側に設けられた室内に配置し、
前記送風機及び前記熱交換器をこの電気車の床下高さ方
向に設けられた通気流路内に配置し、前記室の車体側天
板内外面に放熱フィンを設け、冷却風がこの外側放熱フ
ィンを介して前記通気路内送風されるように前記送風機
を配置した電気車用電力変換装置。
【請求項１２】電気車駆動用誘導電動機を制御する複数
のスイッチング素子を含む電力変換器と、この電力変換
器を冷却する冷却手段とを備えた電気車用電力変換装置
において、前記スイッチング素子が取り付けられ、内部
に冷却液の流路を有する複数の受熱板と、前記複数の受
熱板からの冷却液と空気との間で熱交換を行う熱交換器
と、前記受熱板と前記熱交換器との間の冷却水用配管に
設けられたカプラとを備えた電気車用電力変換装置。