(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンと、
前記ガスタービンとシャフトが直結し、前記シャフトの回転により電力を発生させる永久磁石式発電機と、
前記永久磁石式発電機と接続し、前記電力を変換する変換装置と、
前記変換装置と接続し、前記変換装置で変換された前記電力で駆動する主電動機と、
前記永久磁石式発電機が設置された第１の部屋と前記ガスタービンを接続する配管と、
前記配管と前記第１の部屋の接続部分に設置された第１の弁と、
前記第１の弁の開閉を制御し、前記配管を介して、前記ガスタービンが発生させる高温の空気を前記第１の部屋に流入させるように制御する制御部と、
を備える鉄道車両。
【請求項２】
前記配管は、前記第１の部屋とは別の第２の部屋と、前記ガスタービンを接続し、
前記配管と前記第２の部屋の接続部分に第２の弁が設置され、
前記制御部は、前記第１の弁及び前記第２の弁の開閉を独立に制御し、前記配管を介して、前記ガスタービンが発生させる高温の空気を少なくとも前記第１の部屋または前記第２の部屋のうちの一つに流入させるように制御する、請求項１記載の鉄道車両。
【請求項３】
前記第１の部屋に設置された温度センサと、
前記第１の部屋の温度に関する閾値情報を保存する記憶部を備え、
前記制御部は、前記温度センサの温度情報及び前記閾値情報に基づいて、前記第１の弁の開閉を制御する、
請求項１記載の鉄道車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本実施形態は、ガスタービンを備える鉄道車両に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、鉄道車両（機関車）は、ガスタービンの高速回転により発生する回転エネルギーを動力源としている。ガスタービンは、定格回転数（数千〜数万ｒｐｍ）で回転する。さらに、鉄道車両は、ガスタービンの高速回転を発電機の回転速度に適応させるため、ガスタービンと発電機との間に減速機を使用している。発電機は、回転子に巻線を設けるタイプの同期機や誘導機である。減速機により調節された回転が伝わる発電機は、その回転による回転エネルギーを電気エネルギーに変換することで鉄道車両を走行させている。
【０００３】
鉄道車両が減速機を使用しているのは、従来の発電機が高速回転による遠心力に耐えられない構成だからである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００５／０１４７４９０号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、ガスタービンと発電機の間に減速機を使用している従来の鉄道車両は、減速機での損失が発生し、システムとしての効率が悪くなっていた。また、従来の鉄道車両は、車両内に減速機を設置するスペースを確保する必要があるため、スペース面でも課題があった。
【０００６】
本発明の目的は、ガスタービンの能力を効率よく活用可能な鉄道車両を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
実施形態によれば、鉄道車両は、ガスタービンと、永久磁石式発電機と、変換装置と、主電動機と、配管と、第１の弁と、制御部とを備える。前記永久磁石式発電機は、前記ガスタービンとシャフトが直結し、前記シャフトの回転により電力を発生させる。前記変換装置は、前記永久磁石式発電機と接続し、前記電力を変換する。前記主電動機は、前記変換装置と接続し、前記変換装置で変換された前記電力で駆動する。前記配管は、前記永久磁石式発電機が設置された第１の部屋と前記ガスタービンを接続する。前記第１の弁は、前記配管と前記第１の部屋の接続部分に設置されている。前記制御部は、前記第１の弁の開閉を制御し、前記配管を介して、前記ガスタービンが発生させる高温の空気を前記第１の部屋に流入させるように制御する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第１の実施形態に係る鉄道車両の構成を示す概略図。
【図２】第２の実施形態に係る鉄道車両の構成を示す概略図。
【図３】第３の実施形態に係る鉄道車両の構成を示す概略図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本実施形態について図面を参照して説明する。
【００１０】
（第１の実施の形態）
第１の実施形態について図面を参照し、詳細に説明する。図１は、第１の実施形態に係る鉄道車両（車両駆動システム）１の構成を示す概略図である。鉄道車両１は、ガスタービン１０１、カップリング１０２、ＰＭ(permanent magnet)発電機（永久磁石式発電機）１０３、コンバータ装置１０４、インバータ装置（主回路システム）１０５、主電動機１０６、補助電源用インバータ装置（補助回路システム）１０７、補器１０８を備える。
【００１１】
ガスタービン１０１は、鉄道車両１の主たる動力源（駆動装置）である。ガスタービン１０１は、圧縮機で取り入れた空気を圧縮して高圧にし、燃焼器で燃料を加えて高温高圧の燃焼ガスを発生し、主タービンで燃焼ガスによる鉄道車両の動力源となる回転エネルギーを発生させる。
【００１２】
カップリング１０２は、ガスタービン１０１とＰＭ発電機１０３とを同一軸で直結（直接接続）する。つまり、ＰＭ発電機１０３のシャフトは、ガスタービン１０１と直結している。  
ＰＭ発電機１０３は、ガスタービンが発生させた回転エネルギーを動力源として発電する。ＰＭ発電機１０３は、カップリング１０２を介して、ガスタービン１０１の回転速度と同速度で回転する。ＰＭ発電機１０３は、ガスタービン１０１によるシャフトの回転により電力を発生させる。つまり、ＰＭ発電機１０３は、回転エネルギーを電気エネルギーに変換することで交流電流を発生させる。なお。ＰＭ発電機１０３は、永久磁石が用いられた発電機であればよく、型や方式等は限定されない。
【００１３】
コンバータ装置１０４は、ＰＭ発電機１０３と接続されている。コンバータ装置１０４は、例えば、整流器、ＰＷＭ(pulse width modulation)コンバータである。コンバータ装置１０４は、発電機１０３が発生させた三相交流電流を直流電流に変換する。  
インバータ装置１０５は、コンバータ装置１０４の出力側と接続されている。インバータ装置１０５は、例えば、ＶＶＶＦ(variable voltage variable frequency)インバータである。インバータ装置１０５は、コンバータ装置１０４が発生させた直流電流を主電動機１０６の制御に適した三相交流電流に変換する。インバータ装置１０５は、主電動機１０６を駆動する電源として使用される。つまり、コンバータ装置１０４、インバータ装置１０５は、ＰＭ発電機１０３と接続し、ＰＭ発電機１０１が発生させる電力を変換する変換装置である。主電動機１０６は、変換装置（コンバータ装置１０４、インバータ装置１０５）と接続し、ＰＭ発電機１０３で発生させる電力で駆動する。なお、主電動機１０６は、鉄道車両１を走行させるために電気エネルギーを機械エネルギーに変換する１以上の電動機を総称したものである。
【００１４】
補助電源用インバータ装置１０７は、インバータ装置１０５とは別のインバータ装置であって、コンバータ装置１０４の出力側と接続されている。補助電源用インバータ装置１０７は、コンバータ装置１０４が発生させた直流電流を補器１０８の制御に適した三相交流電流に変換し、補器１０８を駆動する。つまり、主電動機１０６は、変換装置（コンバータ装置１０４、補助電源用インバータ装置１０７）と接続し、ＰＭ発電機１０３で発電させる電力で駆動する。補器１０８は、例えば、冷却用ブロアやコンプレッサなどの複数の構成要素（負荷）を総称したものである。
【００１５】
次に、第１の実施形態に係るＰＭ発電機１０３を用いた鉄道車両１の作用、効果について説明する。ＰＭ発電機１０３は、ＰＭ方式を採用しているため、回転子が巻線方式で構成されていない。そのため、ＰＭ発電機１０３は、高速回転に耐えることができる発電機である。一般に、鉄道車両１で必要なＰＭ発電機１０３の出力は、数百〜１０００ｋＷ程度である。この出力に対応したＰＭ発電機１０３の機械的な強度の面から見た許容最高回転数は、ガスタービン１０１の最低定格回転数の範囲（３０００〜５０００ｒｐｍ程度）と重なる。そのため、ＰＭ発電機１０３は、減速機を介することなくガスタービン１０１と直結することが可能である。
【００１６】
第１の実施形態によれば、減速機を介することなくガスタービン１０１からＰＭ発電機１０３へエネルギーを直接伝達することが可能であるため、減速機分の損失が発生しない。そのため、鉄道車両１は、ガスタービンの能力（特徴）を高効率で活用可能である。また、鉄道車両１は、減速機を設置するスペースを省略できるため、スペース面でも有効である。
【００１７】
（第２の実施の形態）
第２の実施形態について図面を参照し、詳細に説明する。なお、第１の実施形態で説明した構成と同一の構成については、同符号を付して説明を省略する。図２は、第２の実施形態に係る鉄道車両（車両駆動システム）１の構成を示す概略図である。第２の実施形態に係る鉄道車両１は、第１の実施形態にさらにエアスタータ１０９を備える。エアスタータ１０９は、主として、ガスタービン１０１（及びこれに直結されたＰＭ発電機１０３など）を正常に起動させるための極低温対策として用いられる。
【００１８】
エアスタータ１０９は、ガスタービン１０１の主タービンの駆動軸と機械的に連結されており、タンクに貯めておいた圧縮空気で回転駆動し、駆動軸を介して主タービンを回転させる。ガスタービン１０１は、例えば、回転数が上がってきたら燃料を噴射して回転エネルギーを発生させる。なお、エアスタータ１０９は、タービン１０１に含まれていてもよい。この場合、エアスタータ１０９は、手動のクランキングなども含め外部からの回転によって起動する。ガスタービン１０１は、その回転力あるいは圧縮空気を用いて主タービンを回転させる。
【００１９】
第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様の効果が得られる。さらに、第２の実施形態によれば、従来のガソリンエンジンやディーゼルエンジンでは起動不可能なマイナス５０℃などの極低温下であっても、エアスタータ１０９を使用してガスタービン１０１を起動させることができる。そのため、鉄道車両１は、極低温下であっても、ガスタービン１０１の主タービンを起動させることが可能となる。
【００２０】
（第３の実施の形態）
第３の実施形態について図面を参照し、詳細に説明する。なお、第１の実施形態または第２の実施形態で説明した構成と同一の構成については、同符号を付して説明を省略する。図３は、第３の実施形態に係る鉄道車両（車両駆動システム）１の構成を示す概略図である。なお、図３は、第３の実施形態に係る鉄道車両１がエアスタータ１０９を備えている例を示しているが、エアスタータ１０９は、鉄道車両１に設置されていなくてもよい。
【００２１】
第３の実施形態に係る鉄道車両１は、発電機室２０１、機器室２０２、主電動機ダクト２０３、補器室２０４、客室２０５、運転室２０６を備える。発電機室２０１、機器室２０２、主電動機ダクト２０３、補器室２０４、客室２０５、運転室２０６は、互いに独立した部屋である。  
発電機室２０１は、ＰＭ発電機１０３が設置されている。発電機室２０１は、温度センサ２０１１を備える。温度センサ２０１１は、発電機室２０１内に設置され、室内の温度を計測する。機器室２０２は、コンバータ装置１０４、インバータ装置１０５、補助電源用インバータ装置１０７が設置されている。機器室２０２は、温度センサ２０２１を備える。温度センサ２０２１は、機器室２０２内に設置され、室内の温度を計測する。なお、コンバータ装置１０４、インバータ装置１０５、補助電源用インバータ装置１０７は、同じ部屋に設置されているが、異なる部屋に個別に設置されていてもよい。主電動機ダクト２０３は、主電動機１０６のフレームの外周面に亘って形成されている。また、主電動機１０６には、主電動機１０６の温度を計測するための温度センサ２０３１が取り付けられている。補器室２０４は、補器１０８が設置されている。補器室２０４は、温度センサ２０４１を備える。温度センサ２０４１は、補器室２０４内に設置され、室内の温度を計測する。客室２０５は、温度センサ２０５１を備える。温度センサ２０５１は、客室２０５内に設置され、室内の温度を計測する。運転室２０６は、温度センサ２０６１を備える。温度センサ２０６１は、運転室２０６内に設置され、室内の温度を計測する。
【００２２】
さらに、鉄道車両１は、空気用配管１１０を備える。空気用配管１１０は、ガスタービン１０１の外側に設置され、ガスタービン１０１と接続されている。ガスタービン１０１と空気用配管１１０の接続部分には、この部分を仕切るように空気弁３０１が設置されている。空気弁３０１は、制御部の制御に基づいて開閉可能である。空気弁３０１が開いている場合、空気弁３０１を介して、ガスタービン１０１が発生させる高温の空気（暖気）が空気用配管１１０内へ流入する。一方、空気弁３０１が閉じている場合、ガスタービン１０１から空気用配管１１０内へ暖気が流入しない。なお、空気弁３０１は、複数の弁で構成され、それぞれがガスタービン１０１の圧縮機の各圧縮段と空気用配管１１０の接続部分に設置されている。
【００２３】
さらに、空気用配管１１０は、発電機室２０１、機器室２０２、主電動機ダクト２０３、補器室２０４、客室２０５、運転室２０６とも接続されている。つまり、空気用配管１１０は、ガスタービン１０１と上記各部屋を接続する。発電機室２０１と空気用配管１１０の接続部分には、この部分を仕切るように空気弁３０２が設置されている。空気弁３０２は、開閉可能である。空気弁３０２が開いている場合、空気弁３０２を介して、空気用配管１１０から発電機室２０１内へ空気が流入する。一方、空気弁３０２が閉じている場合、空気用配管１１０から発電機室２０１内へ空気が流入しない。機器室２０２と空気用配管１１０の接続部分には、この部分を仕切るように空気弁３０３が設置されている。空気弁３０３は、開閉可能である。空気弁３０３が開いている場合、空気弁３０３を介して、空気用配管１１０から機器室２０２内へ空気が流入する。一方、空気弁３０３が閉じている場合、空気用配管１１０から機器室２０２内へ空気が流入しない。主電動機ダクト２０３と空気用配管１１０の接続部分には、この部分を仕切るように空気弁３０４が設置されている。空気弁３０４は、開閉可能である。空気弁３０４が開いている場合、空気弁３０４を介して、空気用配管１１０から主電動機室２０３内へ空気が流入する。一方、空気弁３０４が閉じている場合、空気用配管１１０から主電動機ダクト２０３内へ空気が流入しない。
【００２４】
補器室２０４と空気用配管１１０の接続部分には、この部分を仕切るように空気弁３０５が設置されている。空気弁３０５は、開閉可能である。空気弁３０５が開いている場合、空気弁３０５を介して、空気用配管１１０から補器室２０４内へ空気が流入する。一方、空気弁３０５が閉じている場合、空気用配管１１０から補器室２０４内へ空気が流入しない。客室２０５と空気用配管１１０の接続部分には、この部分を仕切るように空気弁３０６が設置されている。空気弁３０６は、開閉可能である。空気弁３０６が開いている場合、空気弁３０６を介して、空気用配管１１０から客室２０５内へ空気が流入する。一方、空気弁３０６が閉じている場合、空気用配管１１０から客室２０５内へ空気が流入しない。運転室２０６と空気用配管１１０の接続部分には、この部分を仕切るように空気弁３０７が設置されている。空気弁３０７は、開閉可能である。空気弁３０７が開いている場合、空気弁３０７を介して、空気用配管１１０から運転室２０６内へ空気が流入する。一方、空気弁３０７が閉じている場合、空気用配管１１０から運転室２０７内へ空気が流入しない。
【００２５】
さらに、空気用配管１１０は、空気弁３０８を備える。空気弁３０８は、開閉可能である。空気弁３０８が開いている場合、空気弁３０８を介して、空気用配管１１０内へ温度調整用の外気が流入する。一方、空気弁３０８が閉じている場合、空気用配管１１０内へ外気が流入しない。
【００２６】
鉄道車両１は、制御系として制御部４０１、記憶部４０２を備える。制御部４０１は、鉄道車両１の各部の動作を制御する。例えば、制御部４０１は、温度センサ２０１１、２０２１、２０３１、２０４１、２０５１、２０６１が計測した温度情報を取得し、監視する。例えば、制御部４０１は、空気弁３０１〜３０８の開閉を独立に制御する。記憶部４０２は、発電機室２０１、機器室２０２、主電動機ダクト２０３、補器室２０４、客室２０５、運転室２０６内それぞれの温度（適温）に関する閾値情報を保存する。
【００２７】
次に、制御部４０１による各部屋の温度制御を説明する。制御部４０１は、空気弁３０１〜３０７の全てを開くように制御することで、ガスタービン１０１から空気用配管１１０に流入した暖気を各部屋内に流入させて加熱、保温する。したがって、各部屋内に設置されている構成要素も、加熱、保温される。また、制御部４０１は、空気弁３０１〜３０７の開閉を独立に制御することで、空気用配管１１０を介して、ガスタービン１０１が発生させる暖気を、少なくとも発電機室２０１、機器室２０２、主電動機ダクト２０３、補器室２０４、客室２０５、運転室２０６のうちの一つに流入させるように制御できる。なお、制御部４０１は、空気弁３０８の開閉及び開く量の制御により、空気用配管１１０内の暖気に混合させる外気の量を調整することで、各部屋内に流入させる暖気の温度を任意に調整可能である。
【００２８】
さらに、制御部４０１は、各温度センサの温度情報及び閾値情報に基づいて各空気弁３０２〜３０８の開閉を制御することで、各部屋の温度が適温になるように、以下のように制御できる。制御部４０１は、各部屋内の温度情報と閾値情報とを比較する。制御部４０１は、各空気弁３０２〜３０７の開閉を制御することで、発電機室２０１、機器室２０２、主電動機ダクト２０３、補器室２０４、客室２０５、運転室２０６内への暖気の流入の可否を制御する。なお、制御部４０１は、各空気弁３０２〜３０７を開く量を制御することで、発電機室２０１、機器室２０２、主電動機ダクト２０３、補器室２０４、客室２０５、運転室２０６内へ流入する暖気の量を調整するようにしてもよい。例えば、制御部４０１は、発電機室２０１内の温度が閾値以上であると判断した場合、発電機室２０１内への暖気の流れを遮断するように、空気弁３０２を閉じるように制御すればよい。さらに、制御部４０１は、各空気弁３０２〜３０７の制御に加えて、空気弁３０８の開閉及び開く量を制御することで、空気用配管１１０内の暖気の温度を調整してもよい。
【００２９】
上記構成により、各部屋は、空気用配管１１０を介した暖気の流入により加熱、保温されるため、ヒータの設置を省くことができる。また、極低温時であっても、エアスタータ１０９を用いてガスタービン１０１が起動すれば、ＰＭ発電機１０３、コンバータ装置１０４、インバータ装置１０５、主電動機１０６、補助電源用インバータ装置１０７、補器１０８は、空気用配管１１０を介した暖気の流入により加熱、保温されるため、早期に立ち上がり、通常の性能で稼動可能である。
【００３０】
なお、制御部４０１は、鉄道車両１の駆動開始時など、発電機室２０１を含む複数の部屋の温度が各部屋それぞれの閾値よりも低い場合であっても、発電機室２０１以外の部屋よりも発電機室２０１に優先的にガスタービンが発生させる暖気を流入させて、閾値に到達するまで加熱するように制御してもよい。この場合、制御部４０１は、空気弁３０１、３０２を開くように制御することで、ガスタービン１０１から発電機室２０１への暖気の流れを確保する。また、制御部４０１は、空気弁３０３〜３０７を閉じるように制御することで、発電機室２０１以外の部屋への暖気の流れを遮断する。また、制御部４０１は、空気弁３０８を閉じるように制御することで、外気の混入による空気用配管１１０内の暖気の温度低下を防止する。発電機室２０１内を優先的に加熱するのは、例えば、以下のような理由による。ＰＭ発電機１０３は、極低温化では、発電性能などの低下が懸念される。発電機室２０１を発電機室２０１以外の部屋よりも優先的に加熱されることで、ＰＭ発電機１０３は、鉄道車両１の駆動開始時であっても早期に立ち上がり、通常の発電性能で稼動可能である。その結果、鉄道車両１の駆動性能は低下しない。
【００３１】
第３の実施形態によれば、第１の実施形態または第２の実施形態と同様の効果が得られる。さらに、第３の実施形態によれば、各部屋の適温が異なっているとしても、各部屋の閾値情報に応じて、適温になるように部屋ごとに温度制御できる。さらに、各部屋内は、空気用配管１１０を介した暖気の流入により与圧されるため、外部から各部屋内に粉塵が流入することを防止できる。また、コンバータ装置１０４、インバータ装置１０５、補助電源用インバータ装置１０７は、特別な極低温下での制御に対応した製品ではなく、標準品で対応可能である。
【００３２】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００３３】
１…鉄道車両（車両駆動システム）、１０１…ガスタービン、１０２…カップリング、１０３…ＰＭ発電機、１０４…コンバータ装置、１０５…インバータ装置、１０６…主電動機、１０７…補助電源用インバータ装置、１０８…補器、１０９…エアスタータ、１１０…空気用配管、２０１…発電機室、２０２…機器室、２０３…主電動機ダクト、２０４…補器室、２０５…客室、２０６…運転室、３０１〜３０８…空気弁、２０１１…温度センサ、２０２１…温度センサ、２０３１…温度センサ、２０４１…温度センサ、２０５１…温度センサ、２０６１…温度センサ。
【図１】
0005823326.tif 000002
【図２】
0005823326.tif 000003
【図３】
0005823326.tif 000004