(57)【要約】【課題】電力変換素子部を含む電力変換ユニットの冷却効率の低下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。【解決手段】この電力変換装置８は、冷却ファン８ｄは、導風通路８ｂ内において、第１曲がり部２２よりも下流側に配置されるとともに、導風通路８ｂにおける空気流れ方向に直交する方向の所定位置Ｄに配置されている。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄道車両に搭載される電力変換素子部を含む電力変換ユニットと、
内部に前記電力変換ユニットが配置され、外部からの空気を取り入れる給気口と、前記給気口から取り入れた空気を外部に排気する排気口とを含む筐体と、
前記筐体内に設けられ、前記給気口から前記排気口までを繋ぐ導風通路と、
前記導風通路内に配置され、前記導風通路に前記給気口から前記排気口への空気の流れを発生させる冷却ファンとを備え、
前記導風通路は、前記電力変換ユニットの内部を通過するユニット通路部と、前記給気口から流入した空気の空気流れ方向を曲げて前記ユニット通路部に流入させる第１曲がり部とを含み、
前記冷却ファンは、前記導風通路内において、前記第１曲がり部よりも下流側に配置されるとともに、前記導風通路における空気流れ方向に直交する方向の所定位置に配置されている、鉄道車両用電力変換装置。
【請求項２】
前記電力変換ユニットは、前記ユニット通路部の空気流れ方向に直交する方向の略中央部に、空気流れ方向に沿って延びるように設けられた仕切壁を含み、
前記冷却ファンは、前記仕切壁の空気流れ方向の下流側に配置されている、請求項１に記載の鉄道車両用電力変換装置。
【請求項３】
前記電力変換ユニットは、電力が供給されることにより発熱する前記電力変換素子部に接続され、前記ユニット通路部に配置される放熱フィン部をさらに含み、
前記電力変換素子部は、前記ユニット通路部の前記給気口側の第１位置および前記給気口側とは反対側の第２位置の両方に配置され、
前記冷却ファンの中央部は、前記仕切壁よりも前記給気口側にずれた前記所定位置に配置されている、請求項２に記載の鉄道車両用電力変換装置。
【請求項４】
前記仕切壁は、空気流れ方向の前記排気口側の端部に形成され、空気流れ方向とは反対方向に切り欠いた排気側切欠部を有し、
前記排気側切欠部の空気流れ方向とは反対側の端部は、前記冷却ファンの上流側に離間して配置されている、請求項２または３に記載の鉄道車両用電力変換装置。
【請求項５】
前記仕切壁は、空気流れ方向の前記給気口側の端部に形成され、空気流れ方向に切り欠いた給気側切欠部を有し、
前記給気側切欠部の空気流れ方向の端部は、前記電力変換ユニットの前記給気口側の端部よりも下流側に配置されている、請求項２〜４のいずれか１項に記載の鉄道車両用電力変換装置。
【請求項６】
前記排気口は、前記給気口が設けられる前記筐体の側面と同じ側面に設けられ、
前記導風通路は、前記ユニット通路部から流出した空気の空気流れ方向を曲げて前記排気口に流す第２曲がり部をさらに含み、
前記冷却ファンは、前記第２曲がり部の空気流れ方向の上流側の端部よりも、上流側に配置されている、請求項２〜５のいずれか１項に記載の鉄道車両用電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、鉄道車両用電力変換装置に関し、特に、鉄道車両に搭載される電力素子部を含む電力変換ユニットを備える鉄道車両用電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、鉄道車両に搭載される電力素子部を含む電力変換ユニット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）。
【０００３】
上記特許文献１には、電力が供給されることにより発熱する半導体素子（電力変換素子部）と、半導体素子を冷却する半導体冷却装置とを備える鉄道車両用の電力変換装置が開示されている。半導体冷却装置は、半導体素子が内部に配置される装置筐体（筐体）と、装置筐体中に形成され、走行方向に沿って直線的に延びる風洞（導風通路）と、風洞外の半導体素子が取り付けられ、一部が風洞中に配置される放熱フィンと、風洞の走行方向の一方側の開口および他方側の開口の各々に配置される電動送風機とを含んでいる。
【０００４】
上記特許文献１に記載の鉄道車両用の電力変換装置では、鉄道車両の走行方向に合わせて一方側または他方側に配置された電動送風機により、走行方向とは反対方向に流れる風を放熱フィンに当てることによって、放熱フィンが冷却される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−２９５１４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記特許文献１に記載された鉄道車両用の電力変換装置では、風洞が直線的であるので、風洞内に侵入した異物が放熱フィンおよび電動送風機に付着しやすいという不都合がある。このため、異物に起因して半導体素子（電力変換素子部）の冷却効率の低下が生じてしまうという問題点がある。
【０００７】
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、電力変換素子部を含む電力変換ユニットの冷却効率の低下を抑制させ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。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、この発明の一第１の局面による鉄道車両用電力変換装置は、鉄道車両に搭載される電力変換素子部を含む電力変換ユニットと、内部に電力変換ユニットが配置され、外部からの空気を取り入れる給気口と、給気口から取り入れた空気を外部に排気する排気口とを含む筐体と、筐体内に設けられ、給気口から排気口までを繋ぐ導風通路と、導風通路内に配置され、導風通路に給気口から排気口への空気の流れを発生させる冷却ファンとを備え、導風通路は、電力変換ユニットの内部を通過するユニット通路部と、給気口から流入した空気の空気流れ方向を曲げてユニット通路部に流入させる第１曲がり部とを含み、冷却ファンは、導風通路内において、第１曲がり部よりも下流側に配置されるとともに、導風通路における空気流れ方向に直交する方向の所定位置に配置されている。
【０００９】
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、導風通路は、電力変換ユニットの内部を通過するユニット通路部と、給気口から流入した空気の空気流れ方向を曲げてユニット通路部に流入させる第１曲がり部とを含んでいる。また、冷却ファンは、導風通路内において、第１曲がり部よりも下流側に配置されるとともに、導風通路における空気流れ方向に直交する方向の所定位置に配置されている。これにより、第１曲がり部に空気が当たることにより、異物が導風通路内にたとえ進入したとしても、第１曲がり部の下流のユニット通路部および冷却ファンに到達するのを抑制することができる。この結果、電力変換ユニットの冷却効率の低下を抑制することができる。また、冷却ファンにより、第１曲がり部を設けたとしても、ユニット通路部に空気を確実に流入させることができる。
【００１０】
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、電力変換ユニットは、ユニット通路部の空気流れ方向に直交する方向の略中央部に、空気流れ方向に沿って延びるように設けられた仕切壁を含み、冷却ファンは、仕切壁の空気流れ方向の下流側に配置されている。このように構成すれば、仕切壁により仕切られたユニット通路部の通路では、仕切壁の下流側に配置された冷却ファンにより空気の流れが生じた際に、空気の空気流れ方向に直交する方向の往来が仕切壁により抑制されることによって、空気を確実に空気流れ方向に向けて流すことができる。なお、略中央部とは、ユニット通路部の空気流れ方向に直交する方向の中央部および中央部付近を示す広い概念である。
【００１１】
上記ユニット通路部に仕切壁が設けられた鉄道車両用電力変換装置において、好ましくは、電力変換ユニットは、電力が供給されることにより発熱する電力変換素子部に接続され、ユニット通路部に配置される放熱フィン部をさらに含み、電力変換素子部は、ユニット通路部の給気口側の第１位置および給気口側とは反対側の第２位置の両方に配置され、冷却ファンの中央部は、仕切壁よりも給気口側にずれた所定位置に配置されている。このように構成すれば、第１曲がり部に起因して、仕切壁により仕切られたユニット通路部の給気口側とは反対側の部分に風量（空気の流量）が偏るのを抑制することができる。これにより、第１位置および第２位置に配置された電力変換素子部に接続された放熱フィン部を満遍なく冷却することができる。
【００１２】
上記ユニット通路部に仕切壁が設けられた鉄道車両用電力変換装置において、好ましくは、仕切壁は、空気流れ方向の排気口側の端部に形成され、空気流れ方向とは反対方向に切り欠いた排気側切欠部を有し、排気側切欠部の空気流れ方向とは反対側の端部は、冷却ファンの上流側に離間して配置されている。このように構成すれば、冷却ファンと仕切壁の空気流れ方向側の端部との間に隙間ができるので、隙間部分で仕切壁により分割された空気を合流させることができる。これにより、冷却ファンによる仕切壁により分割された空気の吸込みを容易にすることができる。
【００１３】
上記ユニット通路部に仕切壁が設けられた鉄道車両用電力変換装置において、好ましくは、仕切壁は、空気流れ方向の給気口側の端部に形成され、空気流れ方向に切り欠いた給気側切欠部を有し、給気側切欠部の空気流れ方向の端部は、電力変換ユニットの給気口側の端部よりも下流側に配置されている。このように構成すれば、風量が大きく偏る第１曲がり部の下流側において、仕切壁によって仕切られたユニット通路部の上流側端部の空気を給気側切欠部を介して空気の流れ方向に直交する方向に往来させることができるので、第１曲がり部に起因する空気の流量の偏りを緩和して、ユニット通路部内の風量のバランスを向上させることができる。
【００１４】
上記ユニット通路部に仕切壁が設けられた鉄道車両用電力変換装置において、好ましくは、排気口は、給気口が設けられる筐体の側面と同じ側面に設けられ、導風通路は、ユニット通路部から流出した空気の空気流れ方向を曲げて排気口に流す第２曲がり部をさらに含み、冷却ファンは、第２曲がり部の空気流れ方向の上流側の端部よりも、上流側に配置されている。このように構成すれば、第２曲がり部に空気が当たることによって空気の流速を遅くすることができるので、排気口から空気が逆流したとしても冷却ファンにかかる負荷を小さくすることができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、上記のように、電力変換素子部を含む電力変換ユニットの冷却効率の低下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ができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施形態による鉄道車両の一例を示す側面図である。
【図２】本発明の一実施形態による鉄道車両の床下を下方から視たときの電気機器の配置図である。
【図３】本発明の一実施形態による電力変換装置の正面図である。
【図４】本発明の一実施形態による電力変換装置の背面図である。
【図５】図３の１００−１００線に沿った断面図である。
【図６】図６（Ａ）はインバータユニットを分解した分解図である。図６（Ｂ）はインバータユニットの第１カバー部を示した正面図である。図６（Ｃ）はインバータユニットの仕切壁を示した正面図である。
【図７】本発明の一実施形態による電力変換装置の平面図である。
【図８】本発明の一実施形態による電力変換装置の比較例を示した断面図である。
【図９】本発明の一実施形態による電力変換装置のユニット通路部内の風量を示した断面図である。
【図１０】本発明の一実施形態による電力変換装置のユニット通路部内の風量のシミュレーションを行った際の数値および風量の計測位置を示した模式図である。
【図１１】本発明の一実施形態による電力変換装置におけるユニット通路部内の風量の第１シミュレーション結果を示した表である。
【図１２】本発明の一実施形態による電力変換装置におけるユニット通路部内の風量の第１シミュレーション結果を示したグラフである。
【図１３】本発明の一実施形態による電力変換装置におけるユニット通路部内の風量の第２シミュレーション結果を示した表である。
【図１４】本発明の一実施形態による電力変換装置におけるユニット通路部内の風量の第２シミュレーション結果を用いて第２測定位置と第５測定位置との風量バランスの変化を示したグラフである。
【図１５】本発明の一実施形態の第１変形例による電力変換装置を示した断面図である。
【図１６】本発明の一実施形態の第２変形例による電力変換装置を示した断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
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。
【００１８】
図１〜図１０を参照して、本発明の一実施形態による鉄道車両１用の電力変換装置８の構成について説明する。なお、電力変換装置８は、特許請求の範囲の「鉄道車両用電力変換装置」の一例である。
【００１９】
まず、電力変換装置８を備える鉄道車両１の概略構成について説明する。鉄道車両１は、図１に示すように、車体２と、架線３に供給されている電力を受電（集電）するパンタグラフ４と、架線３からの電力を利用して駆動輪５を回転させる誘導電動機６（破線で示す）と、空調機や制御機器などその他の複数の機器類７とを備えている。鉄道車両１は、走行時において、架線３からの電力を半導体素子のスイッチングにより変換して、誘導電動機６の回転制御を行う電力変換装置８を備えている。以下では、鉄道車両１の走行方向をＸ軸方向とし、Ｘ軸方向と直交する枕木方向をＹ軸方向とし、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に共に直交する上下方向をＺ軸方向として説明を行う。
【００２０】
図２に示すように、電力変換装置８は、下方からの平面視において空調機や制御機器などその他の複数の機器類７に囲まれた位置に配置されている。そして、電力変換装置８は、図３に示すように、電力変換装置８は、車体２の床下空間において車体２の下面２ａに吊り下げられて固定されている。また、電力変換装置８は、筐体８ａと、導風通路８ｂと、インバータユニット８ｃと、冷却ファン８ｄとを備えている。なお、インバータユニット８ｃは、特許請求の範囲の「電力変換ユニット」の一例である。
【００２１】
筐体８ａは、図３および図４に示すように、インバータユニット８ｃを収納するように構成されている。具体的には、筐体８ａは、内部に収納空間が形成された箱形形状に形成されている。筐体８ａでは、内部の収納空間に複数（２個）のインバータユニット８ｃが配置されている。筐体８ａは、Ｙ２側の面部に収納空間に半導体装置を挿入するための収納口１１を有している。筐体８ａには、収納口１１を閉塞する蓋部１２が設けられている。蓋部１２は、複数の留め具１３により筐体８ａに取り付けられている。
【００２２】
筐体８ａは、図４に示すように、外部からの空気を取り入れる給気口１４と、給気口１４から取り入れた空気を外部に排気する排気口１５とを有している。筐体８ａには、複数（２個）のインバータユニット８ｃに対応させて、給気口１４および排気口１５の組が複数（２個）配置されている。複数の給気口１４および排気口１５の組は、それぞれ、同じ構成であるので、Ｘ１側に配置された給気口１４および排気口１５の組について説明する。
【００２３】
給気口１４および排気口１５は、筐体８ａのＹ１側の面部に形成されている。すなわち、排気口１５は、給気口１４が設けられる筐体８ａの面部（側面部）と同じ面部に設けられている。ここで、給気口１４および排気口１５は、それぞれ、筐体８ａのＹ１側の面部を貫通する複数の楕円形状の貫通孔Ｈを有している。給気口１４は、筐体８ａのＹ１側の面部のＺ２側の部分に配置されている。排気口１５は、筐体８ａのＹ１側の面部のＺ１側の部分に配置されている。
【００２４】
図３に示すように、筐体８ａには、車体２の下面２ａに固定するための固定部１６が設けられている。固定部１６は、筐体８ａのＺ１側の面部に複数（２個）設けられている。複数の固定部１６には、それぞれ、筐体８ａを車体２の下面２ａに固定するための締結具を挿通させる挿通孔１６ａ（図７参照）が複数（２個）形成されている。
【００２５】
導風通路８ｂは、図５に示すように、給気口１４から流入した空気を排気口１５まで導くように構成されている。具体的には、導風通路８ｂは、給気側通路部２１と、第１曲がり部２２と、ユニット通路部２３と、排気側通路部２４とを有している。なお、導風通路８ｂは、図３に示すように、複数のインバータユニット８ｃに対応して複数配置されている。複数の導風通路８ｂは、それぞれ、同じ構成を有しているので、以下ではＸ１側のインバータユニット８ｃに対応する導風通路８ｂについて説明する。
【００２６】
図５に示すように、給気側通路部２１は、筐体８ａに設けられ、給気口１４から流入した空気を第１曲がり部２２に流入させるように構成されている。給気側通路部２１は、給気口１４から第１曲がり部２２に行くにしたがい、空気流れ方向に直交する方向の断面積が小さくなる。
【００２７】
第１曲がり部２２は、インバータユニット８ｃに設けられ、給気側通路部２１から流入した空気をユニット通路部２３に流入させるように構成されている。第１曲がり部２２は、給気側通路部２１から流入した空気の空気流れ方向（Ｙ１方向の流れ）を曲げて、空気をユニット通路部２３に流入させる。第１曲がり部２２では、給気口１４側とは反対側の通路壁部２２ａが、給気口１４側とは反対側に向かうにしたがいユニット通路部２３側に傾斜する。第１曲がり部２２では、空気流れ方向の上流側端部が給気側通路部２１の下流側端部に接続される。第１曲がり部２２では、ユニット通路部２３に連通するように、空気流れ方向の下流側端部がユニット通路部２３の上流側端部に接続されている。
【００２８】
ユニット通路部２３は、インバータユニット８ｃに設けられ、第１曲がり部２２から流入した空気を排気側通路部２４に流出させるように構成されている。ユニット通路部２３は、Ｚ１方向に延びる直線状の通路である。ユニット通路部２３では、排気側通路部２４に連通するように、空気流れ方向の下流側の端部が排気側通路部２４に接続されている。なお、ユニット通路部２３の詳細な構成については後に説明する。
【００２９】
排気側通路部２４は、筐体８ａに設けられ、ユニット通路部２３から流入した空気を排気口１５から排出させるように構成されている。具体的には、排気側通路部２４は、第２曲がり部２４ａと、排出通路部２４ｂとを有している。
【００３０】
第２曲がり部２４ａは、ユニット通路部２３から流入した空気の空気流れ方向（Ｚ１方向の流れ）を曲げて、排出通路部２４ｂに流入させる。第２曲がり部２４ａでは、ユニット通路部２３に連通するように、空気流れ方向の上流側端部がユニット通路部２３の下流側端部に接続される。第２曲がり部２４ａでは、空気流れ方向に排気口１５側とは反対側の通路壁部２４ｃが、排気口１５側に向かうにしたがいユニット通路部２３側とは反対側に傾斜する。排出通路部２４ｂは、第２曲がり部２４ａと連通し、第２曲がり部２４ａから流入した空気を排気口１５から排気するように構成されている。
【００３１】
インバータユニット８ｃは、コンバータ部（図示せず）およびコンデンサ（図示せず）により整流された直流を、交流に変換して出力するように構成されている。ここで、図３に示すように、インバータユニット８ｃは、筐体８ａ内にＸ方向に複数（２個）並んで配置されている。複数のインバータユニット８ｃは、同様の構成を有しているので、以下では、Ｘ１側に配置されたインバータユニット８ｃについてのみ説明を行う。
【００３２】
具体的には、図５に示すように、インバータユニット８ｃは、第１ケース部３１と、第２ケース部３２と、第１電力変換素子部３３と、第２電力変換素子部３４と、第１放熱フィン部３５と、第２放熱フィン部３６とを有している。
【００３３】
第１ケース部３１は、断面Ｃ字状の箱形形状に形成されている。第１ケース部３１は、給気口１４側（Ｚ２側）の底面部３１ａ、排気口１５側（Ｚ１側）の天面部３１ｂ、および、底面部３１ａと天面部３１ｂとを接続する複数の側面部３１ｃとを有している。複数の側面部３１ｃは、Ｘ１側、Ｘ２側およびＹ１側の側面部３１ｃを有しているが、Ｙ２側の側面部３１ｃは有していない。すなわち、第１ケース部３１は、Ｙ２方向に開口３１ｄを有している。
【００３４】
第１ケース部３１の天面部３１ｂは、図６（Ａ）に示すように、Ｙ２側の端部に、Ｙ１方向に延びる第１切欠４１、第２切欠４２および第３切欠４３を有している。第１ケース部３１の天面部３１ｂにおいて、第１切欠４１、第２切欠４２および第３切欠４３は、Ｘ２側からこの順に配置されている。ここで、第１ケース部３１の底面部３１ａも、第１ケース部３１の天面部３１ｂと同様の構成を有しているので説明は省略するが、同様の第１切欠、第２切欠および第３切欠が形成されている。また、第２ケース部３２は、第１ケース部３１と同様の構成を有しているので説明を省略する。
【００３５】
第１電力変換素子部３３は、図５に示すように、第１ケース部３１の内部に配置されている。第１電力変換素子部３３は、半導体素子およびコンデンサを含んでおり、電力が供給されることにより発熱する。第１電力変換素子部３３は、ユニット通路部２３の給気口１４側と反対側の第１位置Ａ１に配置されている。第１電力変換素子部３３は、ユニット通路部２３にＹ方向に隣接している。また、第２電力変換素子部３４は、ユニット通路部２３の給気口１４の第２位置Ａ２に配置されている。第２電力変換素子部３４は、ユニット通路部２３にＹ方向に隣接している。なお、第２電力変換素子部３４は、第１電力変換素子部３３と同様の構成を有しているので、説明を省略する。
【００３６】
第１放熱フィン部３５は、第１電力変換素子部３３において発生した熱をユニット通路部２３に放熱させるように構成されている。第１放熱フィン部３５は、図６（Ａ）に示すように、金属製（たとえば、アルミニウム、銅など）により形成され、Ｙ２方向に突出する凸部５１を複数有している。第１放熱フィン部３５の複数の凸部５１は、それぞれ、Ｘ方向に等間隔に並んでいる。また、第１放熱フィン部３５の複数の凸部５１の各々の先端部は、天面部３１ｂの第１切欠４１および第３切欠４３のＹ１側の端部よりもＹ１側に配置されている。なお、第２放熱フィン部３６は、第１放熱フィン部３５と同様の構成を有しているので説明を省略する。
【００３７】
インバータユニット８ｃは、図５に示すように、第１カバー部３７と、第２カバー部３８と、仕切壁３９とを有している。第１カバー部３７は、第１ケース部３１のＹ２方向の開口３１ｄに設けられている。また、第１カバー部３７は、図６（Ａ）に示すように、第１ケース部３１の天面部３１ｂの第２切欠４２よりもＹ１側に配置されている。第１カバー部３７は、図６（Ｂ）に示すように、内側に第１放熱フィン部３５の複数の凸部５１が挿通する挿通孔３７ａが形成されている。このように、第１カバー部３７は、第１ケース部３１のＹ２方向の開口３１ｄのうち第１放熱フィン部３５との間に形成された隙間を覆う。なお、第２カバー部３８は、第１カバー部３７と同様の構成を有しているので、説明を省略する。
【００３８】
仕切壁３９は、図５および図６（Ｃ）に示すように、ユニット通路部２３を仕切ることにより、ユニット通路部２３内の空気の流れを分割するように構成されている。具体的には、仕切壁３９は、仕切本体部６１と、第１排気側突出部６２と、第２排気側突出部６３と、第１給気側突出部６４と、第２給気側突出部６５と、排気側切欠部６６と、給気側切欠部６７とを有している。
【００３９】
仕切本体部６１は、第１ケース部３１のＸ方向の幅と同じ幅を有している。仕切本体部６１は、第１ケース部３１のＺ方向の高さと同じ高さを有している。第１排気側突出部６２は、仕切本体部６１のＺ１側の端部におけるＸ１側の端部からＺ１方向に突出している。第２排気側突出部６３は、仕切本体部６１のＺ１側の端部におけるＸ２側の端部からＺ１方向に突出している。第１給気側突出部６４は、仕切本体部６１のＺ２側の端部におけるＸ１側の端部からＺ２方向に突出している。第２給気側突出部６５は、仕切本体部６１のＺ２側の端部におけるＸ２側の端部からＺ２方向に突出している。
【００４０】
排気側切欠部６６は、仕切本体部６１の空気流れ方向の排気口１５側の端部に形成され、空気流れ方向とは反対方向に切り欠かれている。すなわち、排気側切欠部６６は、仕切本体部６１のＺ１方向の端部をＺ２方向に窪ませることにより形成されている。また、排気側切欠部６６のＸ方向の幅は、排気側切欠部６６のＺ方向の長さよりも大きく形成されている。排気側切欠部６６は、第１排気側突出部６２と第２排気側突出部６３との間に配置されている。
【００４１】
給気側切欠部６７は、仕切本体部６１の空気流れ方向の給気口１４側の端部に形成され、空気流れ方向に切り欠かれている。すなわち、給気側切欠部６７は、仕切本体部６１のＺ２方向の端部をＺ１方向に窪ませることにより形成されている。また、給気側切欠部６７のＸ方向の幅は、給気側切欠部６７のＺ方向の長さよりも大きく形成されている。給気側切欠部６７は、第１給気側突出部６４と第２給気側突出部６５との間に配置されている。
【００４２】
ここで、図５に示すように、第１ケース部３１、第１カバー部３７、第２ケース部３２および第２カバー部３８によって、ユニット通路部２３が形成されている。また、図６（Ａ）に示すように、第１ケース部３１の天面部３１ｂの第２切欠４２と第２ケース部３２の天面部３１ｂの第２切欠４２とによりユニット通路部２３の流出口が形成されている。図示はしないが、ユニット通路部２３の流入口も同様に、第１ケース部３１の底面部３１ａの第２切欠４２と第２ケース部３２の底面部の第２切欠とにより形成されている。
【００４３】
また、給気側切欠部６７の空気流れ方向の端部は、インバータユニット８ｃの給気口１４側の端部よりも空気流れ方向の下流側に配置されている。排気側切欠部６６の空気流れ方向とは反対側の端部は、後述する冷却ファン８ｄの空気流れ方向の上流側に配置されている。さらに、仕切壁３９の仕切本体部６１が、ユニット通路部２３の空気流れ方向に直交する方向の略中央部に配置されている。また、仕切壁３９は、ユニット通路部２３において空気流れ方向に沿って延びている。
【００４４】
冷却ファン８ｄは、図５および図７に示すように、導風通路８ｂ内に配置され、導風通路８ｂに給気口１４から排気口１５への空気の流れを発生させるように構成されている。具体的には、冷却ファン８ｄは、インバータユニット８ｃの第１ケース部３１および第２ケース部３２に固定されるフレーム部７１と、フレーム部７１の内部に取り付けられる羽部７２とを有している。冷却ファン８ｄでは、ユニット通路部２３の流出口に一部が挿入された状態で固定されることにより、羽部７２がユニット通路部２３内に配置される。ここで、冷却ファン８ｄは、導風通路８ｂ内において、第１曲がり部２２よりも空気流れ方向の下流側に配置されている。また、冷却ファン８ｄは、導風通路８ｂ内において、第２曲がり部２４ａよりも空気流れ方向の上流側に配置されている。すなわち、冷却ファン８ｄは、第２放熱フィン部３６の下流側の近傍に配置されている。また、冷却ファン８ｄは、仕切壁３９の空気流れ方向の下流側に配置されている。
【００４５】
〈冷却ファンの位置〉
上記した導風通路８ｂは、ユニット通路部２３を仕切壁３９で分割することにより、給気口１４とは反対側に設けられる第１分割通路部２３ａと、給気口１４側に設けられる第２分割通路部２３ｂとを有している。ここで、導風通路８ｂでは、図８に示す比較例のように、冷却ファン８ｄをユニット通路部２３の空気流れ方向に直交する方向の略中央部に配置すると、第１曲がり部２２に起因して、第１分割通路部２３ａおよび第２分割通路部２３ｂの各々を流れる空気の風量に偏りが生じてしまう。この場合、給気口１４から第２分割通路部２３ｂよりも離れた位置に配置された第１分割通路部２３ａの風量が大きくなる。
【００４６】
そこで、本実施形態の電力変換装置８では、図９に示すように、導風通路８ｂにおける空気流れ方向に直交する方向の中央部よりも給気口１４側にずれた所定位置Ｄに、冷却ファン８ｄが配置される。
【００４７】
具体的には、冷却ファン８ｄの空気流れ方向に直交する方向の中央部は、仕切壁３９よりも給気口１４側にずれた所定位置Ｄに配置されている。また、冷却ファン８ｄの空気流れ方向に直交する方向の中央部は、第２分割通路部２３ｂの空気流れ方向に直交する方向における中央部よりも、仕切壁３９側に配置されている。
【００４８】
これにより、第１分割通路部２３ａに対向する冷却ファン８ｄの面積が、冷却ファン８ｄが給気口１４側にずれた分だけ小さくなる。この結果、冷却ファン８ｄにより第１分割通路部２３ａ内の空気を排気口１５側に引く力が小さくなるので、第１曲がり部２２から第１分割通路部２３ａ内に引く空気の流量が小さくなる。また、第２分割通路部２３ｂに対向する冷却ファン８ｄの面積が、冷却ファン８ｄが給気口１４側にずれた分だけ大きくなる。この結果、冷却ファン８ｄにより第２分割通路部２３ｂ内の空気を排気口１５側に引く力が大きくなるので、第１曲がり部２２から第２分割通路部２３ｂ内に引く空気の流量が大きくなる。
【００４９】
このように、電力変換装置８では、冷却ファン８ｄの位置を給気口１４側にずらすことにより、第１分割通路部２３ａの風量と第２分割通路部２３ｂの風量（空気の流量）とのバランスが調整されるので、第１放熱フィン部３５による第１電力変換素子部３３の放熱と、第２放熱ファン部による第２電力変換素子部３４の放熱とのバランスが調整される。
【００５０】
（ユニット通路部の風量のシミュレーション）
次に、上記した電力変換装置８において、図１０〜図１４を参照して、冷却ファン８ｄを給気口１４側にずらしたときのシミュレーションについて説明する。
【００５１】
図１０にシミュレーションを行ったときの電力変換装置８の各部の寸法を示す。筐体８ａの底面部３１ａから冷却ファン８ｄのＺ２側の端部までの寸法Ｌ１は、３６７．５［ｍｍ］であり、冷却ファン８ｄの羽部７２のＺ方向の寸法Ｌ２は、２５［ｍｍ］である。また、冷却ファン８ｄの羽部７２のＹ方向の寸法Ｌ３は、６０［ｍｍ］である。また、排出通路部２４ｂのＹ方向の長さＬ４は、１２０［ｍｍ］である。また、排気口１５から冷却ファン８ｄの羽部７２のＹ２側の端部までの長さＬ５は、１３７．５［ｍｍ］である。また、ユニット通路部２３のＹ方向の幅Ｌ６は、９５［ｍｍ］である。
【００５２】
また、ユニット通路部２３において風量を算出する位置を、第１測定位置Ｐ１、第２測定位置Ｐ２、第３測定位置Ｐ３、第４測定位置Ｐ４、第５測定位置Ｐ５および第６測定位置Ｐ６とする。このとき、第１測定位置Ｐ１は、第１分割通路部２３ａの排気口１５側の位置である。第２測定位置Ｐ２は、第１分割通路部２３ａのＺ方向の中央部の位置である。第３測定位置Ｐ３は、第１分割通路部２３ａ部の給気口１４側の位置である。第４測定位置Ｐ４は、第２分割通路部２３ｂの排気口１５側の位置である。第５測定位置Ｐ５は、第２分割通路部２３ｂのＺ方向の中央部の位置である。第６測定位置Ｐ６は、第２分割通路部２３ｂの給気口１４側の位置である。
【００５３】
シミュレーションでは、冷却ファン８ｄが基準位置Ｔに位置する場合および冷却ファン８ｄを基準位置Ｔ（仕切壁３９の中央位置）からＹ２側に所定距離ずらした場合の、第１測定位置Ｐ１、第２測定位置Ｐ２、第３測定位置Ｐ３、第４測定位置Ｐ４、第５測定位置Ｐ５および第６測定位置Ｐ６のそれぞれの位置における、通路の断面を通過する風量を算出した。
【００５４】
〈第１シミュレーション結果〉
次に、第１シミュレーション結果について、図１１および図１２を参照して説明する。
【００５５】
冷却ファン８ｄを基準位置Ｔに配置したときは、図１１に示すような数値となり、第１分割通路部２３ａの風量の平均値が約０．００２８［ｍ3／ｓ］、第２分割通路部２３ｂの風量の平均値が約０．００１３［ｍ3／ｓ］になった。このように、第１分割通路部２３ａの平均風量と第２分割通路部２３ｂの平均風量との差が約０．００１５［ｍ3／ｓ］であるため、ユニット通路部２３内の風量のバランスは崩れていた。
【００５６】
冷却ファン８ｄを基準位置Ｔから２．５［ｍｍ］ずらした位置に配置したときは、図１１に示すような数値となり、第１分割通路部２３ａの風量の平均値が約０．００２５［ｍ3／ｓ］、第２分割通路部２３ｂの風量の平均値が約０．００１６［ｍ3／ｓ］になった。このように、第１分割通路部２３ａの平均風量と第２分割通路部２３ｂの平均風量との差が約０．０００９［ｍ3／ｓ］であるため、ユニット通路部２３内の風量のバランスは、基準位置Ｔの場合よりも改善した。
【００５７】
冷却ファン８ｄを基準位置Ｔから５［ｍｍ］ずらした位置に配置したときは、図１１に示すような数値となり、第１分割通路部２３ａの風量の平均値が約０．００２２［ｍ3／ｓ］、第２分割通路部２３ｂの風量の平均値が約０．００１９［ｍ3／ｓ］になった。このように、第１分割通路部２３ａの平均風量と第２分割通路部２３ｂの平均風量との差が約０．００３［ｍ3／ｓ］であるため、ユニット通路部２３内の風量のバランスは、基準位置Ｔおよび２．５［ｍｍ］ずらした場合よりも改善した。
【００５８】
冷却ファン８ｄを基準位置Ｔから７．５［ｍｍ］ずらした位置に配置したときは、図１１に示すような数値となり、第１分割通路部２３ａの風量の平均値が約０．００１７［ｍ3／ｓ］、第２分割通路部２３ｂの風量の平均値が約０．００２２［ｍ3／ｓ］になった。このように、第１分割通路部２３ａの平均風量と第２分割通路部２３ｂの平均風量との差が約０．００５［ｍ3／ｓ］であるため、ユニット通路部２３内の風量のバランスは、基準位置Ｔから５［ｍｍ］ずらした場合よりも悪化した。
【００５９】
上記した第１シミュレーション結果を、図１２においてグラフにより表示している。グラフから、第１分割通路部２３ａの風量の大きさは、冷却ファン８ｄが基準位置Ｔからずれる量が大きくなるにしたがい小さくなることがわかる。また、グラフから、第２分割通路部２３ｂの風量の大きさは、冷却ファン８ｄが基準位置Ｔからずれる量が大きくなるにしたがい大きくなることがわかる。このことから、第１曲がり部２２が位置するＹ１側から給気口１４が位置するＹ２側に、冷却ファン８ｄを移動させることにより、第１分割通路部２３ａの風量が大きくなり、第２分割通路部２３ｂの風量が小さくなることが確認できた。そして、第１分割通路部２３ａの風量は、基準位置Ｔから５［ｍｍ］ずれた位置を境にして、第２分割通路部２３ｂの風量よりも小さくなった。
【００６０】
第１シミュレーション結果から、冷却ファン８ｄは、基準位置Ｔから約５［ｍｍ］前後のずれた位置に配置することにより、ユニット通路部２３の風量のバランスが最適となることがわかる。そして、冷却ファン８ｄをずらし過ぎると、第２分割通路部２３ｂの風量が大きくなってしまうためユニット通路部２３の風量のバランスは崩れてしまうことがわかる。
【００６１】
〈第２シミュレーション結果〉
次に、第２シミュレーション結果について、図１３および図１４を参照して説明する。第２シミュレーション結果は、第１シミュレーション結果とは別途行ったシミュレーションであり、冷却ファン８ｄをずらす量が第１シミュレーション結果の場合とは異なっている。
【００６２】
また、冷却ファン８ｄを基準位置Ｔに配置したときの風量バランスを求めた。風量バランスは、｜第２測定位置Ｐ２の風量−第５測定位置Ｐ５の風量｜／（第２測定位置Ｐ２の風量＋第５測定位置Ｐ５の風量）×１００という計算により求まる百分率の値である。
【００６３】
冷却ファン８ｄを基準位置Ｔに配置した場合、風量バランスは、図１３に示した数値に基づいて算出することにより、約２５％になった。また、冷却ファン８ｄを基準位置Ｔから２［ｍｍ］ずらした場合、風量バランスは、約１４％になった。また、冷却ファン８ｄを基準位置Ｔから４［ｍｍ］ずらした場合、風量バランスは、約５％となった。また、冷却ファン８ｄを基準位置Ｔから６［ｍｍ］ずらした場合、風量バランスは、約１８％となった。また、冷却ファン８ｄを基準位置Ｔから８［ｍｍ］ずらした場合、風量バランスは、約２５％となった。また、冷却ファン８ｄを基準位置Ｔから１０［ｍｍ］ずらした場合、風量バランスは、約２８％となった。
【００６４】
上記した風量バランスの結果をグラフにしたのが図１４である。グラフから、ユニット通路部２３の風量のバランスは、冷却ファン８ｄの基準位置Ｔからずれる量を大きくすると改善していくことがわかる。しかし、ユニット通路部２３の風量のバランスは、冷却ファン８ｄの基準位置Ｔからずれる量を適正値（この場合５［ｍｍ］前後）よりも大きくすると急激に悪化することがわかる。
【００６５】
第２シミュレーション結果から、冷却ファン８ｄは、基準位置Ｔから約５［ｍｍ］前後のずれた位置（ずれ量／ユニット通路部２３の幅Ｌ６が５／９５）に配置することにより、ユニット通路部２３の風量のバランスが最適となることがわかる。また、図１４のグラフから、風量のアンバランスを５％以内に抑制したい場合には、冷却ファン８ｄの基準位置Ｔからのずれ量を、４［ｍｍ］以上５．２［ｍｍ］以下の値（ずれ量／ユニット通路部２３の幅Ｌ６が４／９５以上５．２／９５）とすればよいと考えられる。また、風量のアンバランスを１０％以内に抑制したい場合には、冷却ファン８ｄの基準位置Ｔからのずれ量を、２．５［ｍｍ］以上５．５［ｍｍ］以下の値（ずれ量／ユニット通路部２３の幅Ｌ６が２．５／９５以上５．５／９５以下）とすればよいと考えられる。また、風量のアンバランスを１３％以内に抑制したい場合には、冷却ファン８ｄの基準位置Ｔからのずれ量を、２［ｍｍ］以上５．６［ｍｍ］以下の値（ずれ量／ユニット通路部の幅Ｌ６が２／９５以上５．６／９５以下）とすればよいと考えられる。
【００６６】
（本実施形態の効果）
本実施形態では、以下のような効果を得ることができる。
【００６７】
本実施形態では、上記のように、導風通路８ｂは、インバータユニット８ｃの内部を通過するユニット通路部２３と、給気口１４から流入した空気の空気流れ方向を曲げてユニット通路部２３に流入させる第１曲がり部２２とを含んでいる。また、冷却ファン８ｄは、導風通路８ｂ内において、第１曲がり部２２よりも下流側に配置されるとともに、導風通路８ｂにおける空気流れ方向に直交する方向の所定位置Ｄに配置されている。これにより、第１曲がり部２２に空気が当たることにより、異物が導風通路８ｂ内にたとえ進入したとしても、第１曲がり部２２の下流のユニット通路部２３および冷却ファン８ｄに到達するのを抑制することができる。この結果、インバータユニット８ｃの冷却効率の低下を抑制することができる。また、冷却ファン８ｄにより、第１曲がり部２２を設けたとしても、ユニット通路部２３に空気を確実に流入させることができる。
【００６８】
また、本実施形態では、上記のように、インバータユニット８ｃは、ユニット通路部２３の空気流れ方向に直交する方向の略中央部に、空気流れ方向に沿って延びるように設けられた仕切壁３９を含んでいる。冷却ファン８ｄは、仕切壁３９の空気流れ方向の下流側に配置されている。これにより、仕切壁３９により仕切られたユニット通路部２３の通路では、仕切壁３９の下流側に配置された冷却ファン８ｄにより空気の流れが生じた際に、空気の空気流れ方向に直交する方向の往来が仕切壁３９により抑制されることによって、空気を確実に空気流れ方向に向けて流すことができる。
【００６９】
また、本実施形態では、上記のように、インバータユニット８ｃは、電力が供給されることにより発熱する第２電力変換素子部３４のそれぞれに接続され、ユニット通路部２３に配置される第１放熱フィン部３５および第２放熱フィン部３６を含んでいる。第１電力変換素子部３３および第２電力変換素子部３４は、それぞれ、ユニット通路部２３の給気口１４側の第１位置Ａ１および給気口１４側とは反対側の第２位置Ａ２の両方に配置され、冷却ファン８ｄの中央部は、仕切壁３９よりも給気口１４側にずれた所定位置Ｄに配置されている。これにより、第１曲がり部２２に起因して、仕切壁３９により仕切られたユニット通路部２３の給気口１４側とは反対側の部分に風量（空気の流量）が偏るのを抑制することができる。この結果、第１位置Ａ１および第２位置Ａ２のそれぞれに配置された第１電力変換素子部３３に接続された第１放熱フィン部３５および第３４電力変換素子部に接続された第２放熱フィン部３６を満遍なく冷却することができる。
【００７０】
また、本実施形態では、上記のように、仕切壁３９は、空気流れ方向の排気口１５側の端部に形成され、空気流れ方向とは反対方向に切り欠いた排気側切欠部６６を有している。排気側切欠部６６の空気流れ方向とは反対側の端部は、冷却ファン８ｄの上流側に離間して配置されている。これにより、冷却ファン８ｄと仕切壁３９の空気流れ方向側の端部との間に隙間ができるので、隙間部分で仕切壁３９により分割された空気を合流させることができる。この結果、冷却ファン８ｄによる仕切壁３９により分割された空気の吸込みを容易にすることができる。
【００７１】
また、本実施形態では、上記のように、仕切壁３９は、空気流れ方向の給気口１４側の端部に形成され、空気流れ方向に切り欠いた給気側切欠部６７を有している。給気側切欠部６７の空気流れ方向の端部は、インバータユニット８ｃの給気口１４側の端部よりも下流側に配置されている。これにより、風量が大きく偏る第１曲がり部２２の下流側において、仕切壁３９によって仕切られたユニット通路部２３の上流側端部の空気を給気側切欠部６７を介して空気の流れ方向に直交する方向に往来させることができるので、第１曲がり部２２に起因する空気の流量の偏りを緩和して、ユニット通路部２３内の風量のバランスを向上させることができる。
【００７２】
また、本実施形態では、上記のように、排気口１５は、給気口１４が設けられる筐体８ａの側面と同じ側面に設けられている。導風通路８ｂは、ユニット通路部２３から流出した空気の空気流れ方向を曲げて排気口１５に流す第２曲がり部２４ａを含んでいる。冷却ファン８ｄは、第２曲がり部２４ａの空気流れ方向の上流側の端部よりも、上流側に配置されている。これにより、第２曲がり部２４ａに空気が当たることによって空気の流速を遅くすることができるので、排気口１５から空気が逆流したとしても冷却ファン８ｄにかかる負荷を小さくすることができる。
【００７３】
［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。
【００７４】
たとえば、上記本実施形態では、導風通路８ｂが、第１曲がり部２２と第２曲がり部２４ａとを有する例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、導風通路は、図１５に示す第１変形例のように、第１曲がり部２２のみを有するＬ字形状の導風通路２０８ｂであってもよい。
【００７５】
また、上記本実施形態では、インバータユニット８ｃ内に、第１電力変換素子部３３がユニット通路部２３の給気口１４側とは反対側に配置され、第２電力変換素子部３４がユニット通路部２３の給気口１４側に配置される例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、図１６に示す第２変形例のように、インバータユニット３０８ｃ内に、第１電力変換素子部３３のみが配置されていてもよい。この場合、冷却ファン８ｄは、ユニット通路部２３のＹ方向の中央部、または、ユニット通路部２３のＹ方向の中央部よりもＹ１側に配置されることが好ましい。また、図示はしないが、インバータユニット内に、第２電力変換素子部のみが配置されていてもよい。この場合、冷却ファンは、ユニット通路部のＹ方向の中央部、または、ユニット通路部のＹ方向の中央部よりもＹ２側に配置されることが好ましい。これらにより、ユニット通路部２３内の第１曲がり部２２に起因する風量の偏りを利用して、第１放熱フィン部３５または第２放熱フィン部３６の根元に風を当てることにより、第１電力変換素子部３３または第２電力変換素子部３４付近の第１放熱フィン部３５または第２放熱フィン部３６の部分に風を当てることが可能であるので、第１放熱フィン部３５または第２放熱フィン部３６の冷却効率を向上させることが可能である。
【００７６】
また、上記本実施形態では、冷却ファン８ｄは、第２曲がり部２４ａの上流側の近傍に配置されている例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、冷却ファンは第１曲がり部の下流側の近傍に配置されてもよい。
【００７７】
また、上記本実施形態では、給気口１４と排気口１５とが、筐体８ａの同じ側面部３１ｃに配置される例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、給気口と排気口とが、異なる側面に配置されてもよい。
【００７８】
また、上記本実施形態では、筐体８ａの側面部３１ｃのＺ２側に給気口１４を配置し、筐体８ａの側面部３１ｃのＺ１側に排気口１５を配置する例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、筐体の側面部のＸ１側およびＸ２側にそれぞれに、給気口および排気口を配置するなどしてもよい。
【００７９】
また、上記実施形態では、仕切壁３９に排気側切欠部６６および給気側切欠部６７が形成されている例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、仕切壁に排気側切欠部および給気側切欠部が形成されていなくともよい。また、仕切壁に給気側切欠部のみを形成してもよい。
【００８０】
また、上記実施形態では、車体２の床下空間に設置された電力変換装置８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。
【００８１】
また、上記実施形態では、架線３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１の電力変換装置８に本発明を適用したが、本発明はこれに限られない。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の電力変換装置に対して本発明を適用してもよい。
【００８２】
また、上記実施形態では、架線３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１の電力変換装置８に本発明を適用したが、本発明はこれに限られない。すなわち、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を回転させる電気式気動車などの鉄道車両の電力変換装置の冷却に対して、本発明を適用してもよい。
【符号の説明】
【００８３】
８  電力変換装置
８ａ  筐体
８ｂ  導風通路
８ｃ  インバータユニット（電力変換ユニット）
８ｄ  冷却ファン
１４  給気口
１５  排気口
２２  第１曲がり部
２３  ユニット通路部
２４ａ  第２曲がり部
３４  第１電力変換素子部（電力変換素子部）
３５  第２電力変換素子部（電力変換素子部）
３５  第１放熱フィン部（放熱フィン部）
３６  第２放熱フィン部（放熱フィン部）
３９  仕切壁
６６  排気側切欠部
６７  給気側切欠部
Ｐ１  第１位置
Ｐ２  第２位置
Ｔ  所定位置
【図１】
2020044949.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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