(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
車体の床下に設けられる筐体と、
交流電源に接続され、供給される交流電力を直流電力に変換するコンバータと、
前記直流電力を電動機の駆動用交流電力に変換するインバータと、
前記コンバータを冷却するためのコンバータ用冷却部と、
前記インバータを冷却するためのインバータ用冷却部と、
を備え、
前記筐体内に、前記コンバータおよび前記インバータが収納され、
前記筐体の底面側に、前記コンバータ用冷却部が配置され、
前記筐体の側面側に、前記インバータ用冷却部が配置された電動車制御装置。
【請求項２】
インバータ用冷却部は、
前記インバータからの熱を受熱する受熱部と、
前記受熱部から伝達された熱を外部に放熱する放熱部と、
を備え、
前記受熱部に、前記インバータを構成する半導体素子が接触されている請求項１に記載の電動車制御装置。
【請求項３】
前記筐体の側面に、前記受熱部および前記放熱部が配置されている請求項２に記載の電動車制御装置。
【請求項４】
前記筐体の側面に、前記インバータが配置されていると共に、
前記筐体の底面に、前記コンバータが配置されている請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の電動車制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、電動車制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
鉄道車両は、車体の屋根上に設けられたパンタグラフを介し、架線から交流電力が供給される。この交流電力は、車体の床下に設けられた電動車制御装置を介して電動モータに供給される。電動車制御装置は、交流電力を直流電力に変換するコンバータと、コンバータから出力された直流電力を電動モータ駆動用の交流電力に変換するインバータと、を備えている。
ここで、電動車制御装置には、コンバータやインバータで発生する熱を放熱するための冷却フィン等の冷却部が設けられる。これにより、コンバータやインバータの熱損の低減化を図っている。
【０００３】
ところで、電動車制御装置の底面側に冷却フィンを配置した場合、鉄道車両の低速走行時には十分な風量が得られず、冷却フィンの冷却能力が低下することが知られている。一方、電動車制御装置の側面側に冷却フィンを配置した場合、鉄道車両の高速走行時には底面側に冷却フィンを配置した場合と比較して風量が安定しないことが知られている。
そこで、電動車制御装置の底面側と側面側との両側に渡って冷却フィンを配置し、コンバータおよびインバータの両者を冷却することが考えられる。
【０００４】
しかしながら、冷却フィンを、コンバータおよびインバータの両者を十分冷却可能な容量に設計しようとすると、冷却フィンが大型化する可能性があった。
また、コンバータやインバータが冷却フィンを介して一体化することになり、これらコンバータ、インバータ、および冷却フィンの何れか１つをメンテナンスしようとしてもメンテナンスの負担が大きくなってしまう可能性があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−４８５３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明が解決しようとする課題は、小型化でき、かつメンテナンス性を向上できる電動車制御装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
実施形態の電動車制御装置は、筐体と、コンバータと、インバータと、コンバータ用冷却部と、インバータ用冷却部と、を持つ。筐体は、車体の床下に設けられる。コンバータは、交流電源に接続され、供給される交流電力を直流電力に変換する。インバータは、直流電力を電動機の駆動用交流電力に変換する。コンバータ用冷却部は、コンバータを冷却する。インバータ用冷却部は、インバータを冷却する。そして、筐体内に、コンバータおよびインバータが収納される。また、筐体の底面側に、コンバータ用冷却部が配置され、筐体の側面側に、インバータ用冷却部が配置される。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第１の実施形態の電動車制御装置を示す概略構成図。
【図２】第１の実施形態の電動車制御装置を示すブロック図。
【図３】第１の実施形態のコンバータおよびインバータの電流値の変化を示すグラフ。
【図４】第２の実施形態の電動車制御装置を示す概略構成図。
【図５】第３の実施形態の電動車制御装置を示す概略構成図。
【図６】第４の実施形態の電動車制御装置を示す概略構成図。
【図７】第４の実施形態の変形例における電動車制御装置を示す概略構成図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、実施形態の電動車制御装置を、図面を参照して説明する。
【００１０】
（第１の実施形態）
図１は、電動車制御装置１の概略構成図、図２は、電動車制御装置１のブロック図である。
図１、図２に示すように、電動車制御装置１は、例えば、鉄道車両の車体２に設けられた電動モータ３の駆動制御を行うものである。電動車制御装置１は、車体２の床下に設けられた箱状の筐体４と、筐体４内に設けられたコンバータ５、およびインバータ６と、コンバータ５を冷却するためのコンバータ用冷却部７と、インバータ６を冷却するためのインバータ用冷却部８と、を備えている。
【００１１】
また、電動車制御装置１は、メイントランス（変圧器）９、およびパンタグラフ１０を介して架線１１に接続されている。パンタグラフ１０は、架線１１に供給されている交流電力を集電するもので、メイントランス９を介して接地点１２にも接続されている。なお、接地点１２としては、例えば、車輪１３が挙げられる。
【００１２】
コンバータ５は、メイントランス９を介して供給される交流電力を直流電力に変換する。コンバータ５は、筐体４の底面４ａに配置されている。
一方、インバータ６は、コンバータ５によって変換された直流電力を電動モータ３の駆動用交流電力に変換し、電動モータ３に供給する。インバータ６は、筐体４の側面４ｂに配置されている。
【００１３】
コンバータ用冷却部７は、コンバータ５に対応するように筐体４の底面４ａに配置されている。コンバータ用冷却部７は、いわゆるヒートシンクであって、筐体４の底面４ａに沿って延在する受熱プレート７ａと、受熱プレート７ａから下方に向かって延出するフィン状の放熱部７ｂと、により構成されている。そして、受熱プレート７ａにコンバータ５が接触するように設けられている。ここで、コンバータ５は、このコンバータ５を構成する半導体素子５ａが受熱プレート７ａに接触するように設けられている。なお、半導体素子５ａとしては、例えばＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）等のスイッチング素子で構成されている。放熱部７ｂは、フィンが車体２の前後方向に延出するように形成されている。これにより、放熱部７ｂ内を走行風が通りやすくなる。
【００１４】
インバータ用冷却部８は、インバータ６に対応するように筐体４の側面４ｂに配置されている。インバータ用冷却部８は、筐体４の側面４ｂに沿って延在する受熱プレート８ａと、受熱プレート８ａから車体２の車幅方向外側に向かって突設された放熱部８ｂと、により構成されている。そして、受熱プレート８ａにインバータ６が接触するように設けられている。ここで、インバータ６は、このインバータ６を構成する半導体素子６ａが受熱プレート８ａに接触するように設けられている。なお、半導体素子６ａとしては、例えばＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）等のスイッチング素子で構成されている。
【００１５】
インバータ用冷却部８の放熱部８ｂについて詳述すると、この放熱部８ｂは、受熱プレート８ａから斜め上方に向かって延出するヒートパイプ１４と、ヒートパイプ１４の外周面に設けられ、このヒートパイプ１４の延在方向に対して法線方向に延びる複数のフィン１５と、により構成されている。ヒートパイプ１４の内部には、このヒートパイプ１４と外部との熱交換を促進させるための作動液が封入されている。このため、ヒートパイプ１４は、このヒートパイプ１４内で作動液が正常に循環するように水平方向に対して斜めに設けられる。
【００１６】
このような構成のもと、架線１１からパンタグラフ１０、メイントランス９、および電動車制御装置１を介して電動モータ３に電力が供給され、電動モータ３の駆動に伴って鉄道車両が所望の速度で走行する。
このとき、電動車制御装置１のコンバータ５で発生する熱は、コンバータ用冷却部７を介して放熱される。これにより、コンバータ５が冷却される。一方、インバータ６で発生する熱は、インバータ用冷却部８を介して放熱される。これにより、インバータ６が冷却される。
【００１７】
ここで、コンバータ用冷却部７は、筐体４の底面４ａに配置されているので、鉄道車両の高速走行時に大きな風量を得て冷却能力が向上する。一方、インバータ用冷却部８は、筐体４の側面４ｂに配置されているので、鉄道車両の低速走行時に上昇気流を利用して効率よく冷却能力を高めることができる。
ところで、コンバータ５およびインバータ６にかかる負荷は、鉄道車両走行時において、以下で説明する図３のように変化する。
【００１８】
図３は、縦軸を電流値とし、横軸を鉄道車両の走行速度とした場合のコンバータ５およびインバータ６の電流値の変化を示すグラフである。なお、図３において、コンバータ５の電流値とは、コンバータ５に入力される電流値（図２におけるＡ点の電流値）をいう。また、図３において、インバータ６の電流値とは、インバータ６から出力される電流値（図２におけるＢ点の電流値）をいう。
【００１９】
同図に示すように、鉄道車両の走行開始時は大きなトルクが必要になるので、インバータ６の電流値が大きくなる。そして、走行速度が速くなるに従い、必要トルクが小さくなるので、これに伴いインバータ６の電流値が徐々に小さくなっていく。すなわち、インバータ６は、鉄道車両の低速走行時の負荷が大きく、高速走行時の負荷が小さい。
これに対し、コンバータ５は、走行開始時から徐々に供給電流が大きくなる。そして、鉄道車両の高速走行時には電流の供給量が大きくなるので、コンバータ５の電流値は、大きい値のまま維持されることになる。すなわち、コンバータ５は、鉄道車両の高速走行時の負荷が大きく、低速走行時の負荷が小さい。
【００２０】
したがって、上述の第１の実施形態のように、筐体４の底面４ａに、コンバータ５およびコンバータ用冷却部７を配置することにより、コンバータ５の負荷が大きい鉄道車両の高速走行時に、このコンバータ５を効率よく冷却することができる。また、筐体４の側面４ｂに、インバータ６およびインバータ用冷却部８を配置することにより、インバータ６の負荷が大きい鉄道車両の低速走行時に、このインバータ６を効率よく冷却することができる。しかも、コンバータ用冷却部７は、コンバータ５のみ冷却できる大きさに形成すればよく、インバータ用冷却部８は、インバータ６のみ冷却できる大きさに形成すればよい。このように、各冷却部７，８の冷却対象をそれぞれ分け、効率よくコンバータ５やインバータ６を冷却できるので、冷却部７，８全体として小型化を図ることができる。
【００２１】
また、インバータ用冷却部８の受熱プレート８ａに、インバータ６を構成する半導体素子６ａが接触するように設けられている。ここで、半導体素子６ａは発熱量が大きいので、この半導体素子６ａを受熱プレート８ａに接触させることにより、インバータ６を、より効率よく冷却でき、インバータ用冷却部８の小型化も図ることができる。
【００２２】
さらに、冷却部をコンバータ５用（コンバータ用冷却部７）とインバータ６用（インバータ用冷却部８）とに分けることにより、各部品５〜８を容易にメンテナンスすることができる。つまり、例えば、コンバータ５をメンテナンスしようとする際には、このコンバータ５とコンバータ用冷却部７を筐体４から取り外せばよいので、わざわざインバータ６やインバータ用冷却部８を取り外す必要がなくなる。このため、各部５〜８を容易にメンテナンスすることができる。
【００２３】
また、筐体４の底面４ａに、コンバータ５およびコンバータ用冷却部７を配置し、筐体４の側面４ｂに、インバータ６およびインバータ用冷却部８を配置しているように、筐体４の異なる面に、それぞれ機能別に各部品５〜８を配置している。このため、例えば筐体４からコンバータ５またはインバータ６の何れか一方を取り外す際に他方が邪魔にならず、さらにメンテナンス性を向上させることができる。
【００２４】
さらに、各冷却部７，８の受熱プレート７ａ，８ａも、それぞれ筐体４の底面４ａとに側面４ｂとに配置されているので、受熱プレート７ａ，８ａ自体の放熱性も高めることができる。すなわち、コンバータ用冷却部７の受熱プレート７ａは、鉄道車両の高速走行時に走行風の影響を受け易く、高速走行時の放熱性を高めることができる。また、インバータ用冷却部８の受熱プレート８ａは、低速走行時に上昇気流の影響を受け易く、低速走行時の放熱性を高めることができる。
【００２５】
（第２の実施形態）
次に、図４に基づいて、第２の実施形態について説明する。
図４は、第２の実施形態における電動車制御装置２０１の概略構成図であって、前述の図１に対応している。なお、以下の説明において、第１の実施形態と同一態様には、同一符号を付して説明を省略する（以下の実施形態についても同様）。
同図に示すように、第１の実施形態と第２の実施形態との相違点は、第１の実施形態のインバータ用冷却部８と第２の実施形態のインバータ用冷却部２０８との形状が異なる点にある。
【００２６】
より具体的には、第２の実施形態のインバータ用冷却部２０８は、受熱プレート８ａと、この受熱プレート８ａから車体２の車幅方向外側に向かって延出するフィン状の放熱部２０８ｂと、により構成されている。放熱部２０８ｂは、フィンが車体２の上下方向に延出するように形成されている。これにより、放熱部７ｂ内を上昇気流が通りやすくなる。
したがって、上述の第２の実施形態によれば、前述の第１の実施形態と同様の効果を奏することができる。
【００２７】
（第３の実施形態）
図５は、第３の実施形態における電動車制御装置３０１の概略構成図であって、前述の図１に対応している。
同図に示すように、第１の実施形態と第３の実施形態との相違点は、第１の実施形態のインバータ６の位置と、第３の実施形態のインバータ６の位置とが異なる点にある。
【００２８】
より具体的には、第３の実施形態のインバータ６は、コンバータ５と同様に筐体４の底面４ａに配置されている。一方、インバータ用冷却部３０８は、受熱プレート８ａに接触する放熱部３０８ｂが、ヒートパイプ３１４と、ヒートパイプ３１４の外周面に設けられ、このヒートパイプ３１４の延在方向に対して法線方向に延びる複数のフィン３１５と、により構成されている。
【００２９】
ヒートパイプ３１４は、受熱プレート８ａの底面側から車体２の車幅方向外側に向かって延び、その後、水平方向に対して斜め上方に向かって延出するように形成されている。
このように構成した場合であっても、筐体４の側面４ｂ側に、インバータ用冷却部３０８のヒートパイプ３１４の大部分、および放熱部３０８ｂが配置されるので、前述の第１の実施形態と同様の効果を奏することができる。
【００３０】
（第４の実施形態）
図６は、第４の実施形態における電動車制御装置４０１の概略構成図であって、前述の図１に対応している。
同図に示すように、第１の実施形態と第４の実施形態との相違点は、第１の実施形態のインバータ用冷却部８における受熱プレート８ａの形状と、第４の実施形態のインバータ用冷却部４０８における受熱プレート４０８ａの形状とが異なる点にある。
【００３１】
より具体的には、第４の実施形態のインバータ用冷却部４０８における受熱プレート４０８ａは、筐体４の側面４ｂに面する第１プレート４１と、この第１プレート４１から筐体４の内部に向かって突設された第２プレート４２と、により構成されている。第２プレート４２は、車体２の車幅方向および上下方向に延在するように形成されている。
このような構成のもと、第２プレート４２に、インバータ６の半導体素子６ａが接触するように設けられている。このように構成することで、前述の第１の実施形態と同様の効果に加え、筐体４内でのインバータ６のレイアウト性を高めることができると共に、インバータ６の小型化を図ることができる。
【００３２】
なお、図７に示すように、第２プレート４２を、車体２の車幅方向および前後方向に延在するように形成してもよい。このように構成することで、さらにインバータ６のレイアウトのバリエーションを増やすことができる。このため、さらに筐体４内でのインバータ６のレイアウト性を高めることができると共に、インバータ６の小型化を図ることができる。
【００３３】
なお、上述の各実施形態では、コンバータ用冷却部７が、受熱プレート７ａと放熱部７ｂとにより構成され、インバータ用冷却部８〜４０８が、受熱プレート８ａ，４０８ａと放熱部８ｂ〜４０８ｂとにより構成されている場合について説明した。しかしながら、コンバータ用冷却部７やインバータ用冷却部８〜４０８の構成は、上述の各実施形態に限られるものではなく、コンバータ５やインバータ６で発生する熱を放熱できる構成であればよい。
【００３４】
例えば、上述の実施形態では、ヒートパイプ１４〜４１４は、内部に作動液が封入されているものである場合について説明した。しかしながら、これに限られるものではなく、熱を伝達可能な構成であればよい。
【００３５】
また、上述の実施形態では、車体２の床下に電動車制御装置１〜４０１を１つ図示して説明したが、これに限られるものではなく、必要に応じて車体２の床下に複数の電動車制御装置１〜４０１を設けることが可能である。この場合であっても、筐体４の側面４ｂ側に、インバータ用冷却部８〜４０８を配置すればよい。さらに望ましくは、インバータ用冷却部８〜４０８を、車体２の車幅方向外側に配置するとよい。
【００３６】
以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、筐体４の底面４ａに、コンバータ５およびコンバータ用冷却部７を配置することにより、コンバータ５の負荷が大きい鉄道車両の高速走行時に、このコンバータ５を効率よく冷却することができる。また、筐体４の側面４ｂに、インバータ６およびインバータ用冷却部８〜４０８を配置することにより、インバータ６の負荷が大きい鉄道車両の低速走行時に、このインバータ６を効率よく冷却することができる。しかも、コンバータ用冷却部７は、コンバータ５のみ冷却できる大きさに形成すればよく、インバータ用冷却部８〜４０８は、インバータ６のみ冷却できる大きさに形成すればよい。このように、各冷却部７，８の冷却対称をそれぞれ分け、効率よくコンバータ５やインバータ６を冷却できるので、冷却部７，８〜４０８全体として小型化を図ることができる。
【００３７】
また、冷却部をコンバータ５用（コンバータ用冷却部７）とインバータ６用（インバータ用冷却部８〜４０８）とに分けることにより、各部品５〜８，４０８を容易にメンテナンスすることができる。つまり、例えば、コンバータ５をメンテナンスしようとする際には、このコンバータ５とコンバータ用冷却部７を筐体４から取り外せばよいので、わざわざインバータ６やインバータ用冷却部８を取り外す必要がなくなる。このため、各部５〜４０８を容易にメンテナンスすることができる。
【００３８】
また、筐体４の底面４ａに、コンバータ５およびコンバータ用冷却部７を配置し、筐体４の側面４ｂに、インバータ６およびインバータ用冷却部８〜４０８を配置しているように、筐体４の異なる面に、それぞれ機能別に各部品５〜４０８を配置している。このため、例えば筐体４からコンバータ５またはインバータ６の何れか一方を取り外す際に他方が邪魔にならず、さらにメンテナンス性を向上させることができる。
【００３９】
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同様に、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ものである。
【符号の説明】
【００４０】
１，２０１，３０１，４０１…電動車制御装置、２…車体、３…電動モータ（電動機）、４…筐体、４ａ…底面、４ｂ…側面、５…コンバータ、６…インバータ、６ａ…半導体素子、７…コンバータ用冷却部、８，２０８，３０８，４０８…インバータ用冷却部、８ａ，４０８ａ…受熱プレート（受熱部）、８ｂ，２０８ｂ，３０８ｂ，４０８ｂ…放熱部、１４…ヒートパイプ、４１…第１プレート、４２…第２プレート
【図１】
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【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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