(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒の循環路を構成する配管と、
上記循環路の途中に配設されて、巻線とともに上記冷媒を収納する変圧器本体と、
上記循環路の途中に配設されて、上記冷媒を上記循環路に循環させる油ポンプと、
上記循環路の途中に分散して設置されて、空気との熱交換により上記冷媒を冷却する複数の冷却器と、を備えた車両用変圧器において、
上記変圧器本体、上記油ポンプおよび上記複数の冷却器は、車両の屋根上に設置され、
上記複数の冷却器は、上記変圧器本体の上記車両の幅方向の両側に、上記変圧器本体に沿って上記車両の進行方向に配置され、
上記油ポンプは、上記変圧器本体の上記車両の幅方向の両側に配置された上記複数の冷却器の上記車両の幅方向の内側に、かつ上記変圧器本体の上記車両の進行方向に配置され、
上記冷媒の膨張・収縮を吸収するコンサベータをさらに備え、
上記コンサベータは、上記車両の屋根上に、上記変圧器本体の上記車両の幅方向の両側に配置された上記複数の冷却器の上記車両の幅方向の内側に、かつ上記変圧器本体の上記車両の進行方向に配置され、
上記コンサベータの上記屋根上からの高さが、上記変圧器本体の上記屋根上からの高さより低い車両用変圧器。
【請求項２】
冷媒の循環路を構成する配管と、
上記循環路の途中に配設されて、巻線とともに上記冷媒を収納する変圧器本体と、
上記循環路の途中に配設されて、上記冷媒を上記循環路に循環させる油ポンプと、
上記循環路の途中に分散して設置されて、空気との熱交換により上記冷媒を冷却する複数の冷却器と、を備えた車両用変圧器において、
上記変圧器本体、上記油ポンプおよび上記複数の冷却器は、車両の屋根上に設置され、
上記複数の冷却器は、上記変圧器本体の上記車両の幅方向の両側に、上記変圧器本体に沿って上記車両の進行方向に配置され、
上記油ポンプは、上記変圧器本体の上記車両の幅方向の両側に配置された上記複数の冷却器の上記車両の幅方向の内側に、かつ上記変圧器本体の上記車両の進行方向に配置され、
上記冷媒の膨張・収縮を吸収するコンサベータをさらに備え、
上記コンサベータは、上記車両の屋根上に、上記変圧器本体の上記車両の幅方向の両側に配置された上記複数の冷却器の上記車両の幅方向の内側に、かつ上記変圧器本体の上記車両の進行方向に配置され、
上記コンサベータは、上記変圧器本体の上記油ポンプと反対側に配置されている車両用変圧器。
【請求項３】
冷媒の循環路を構成する配管と、
上記循環路の途中に配設されて、巻線とともに上記冷媒を収納する変圧器本体と、
上記循環路の途中に配設されて、上記冷媒を上記循環路に循環させる油ポンプと、
上記循環路の途中に分散して設置されて、空気との熱交換により上記冷媒を冷却する複数の冷却器と、を備えた車両用変圧器において、
上記変圧器本体、上記油ポンプおよび上記複数の冷却器は、車両の屋根上に設置され、
上記複数の冷却器は、上記変圧器本体の上記車両の幅方向の両側に、上記変圧器本体に沿って上記車両の進行方向に配置され、
上記油ポンプは、上記変圧器本体の上記車両の幅方向の両側に配置された上記複数の冷却器の上記車両の幅方向の内側に、かつ上記変圧器本体の上記車両の進行方向に配置され、
上記冷媒の膨張・収縮を吸収するコンサベータをさらに備え、
上記コンサベータは、上記車両の屋根上に、上記変圧器本体の上記車両の幅方向の両側に配置された上記複数の冷却器の上記車両の幅方向の内側に、かつ上記変圧器本体の上記車両の進行方向に配置され、
複数の放熱フィンが、それぞれ、上記車両の進行方向に延びて、上記車両の幅方向に並んで、上記変圧器本体の上記車両の屋根と反対側の表面に形成されている車両用変圧器。
【請求項４】
上記油ポンプの上記屋根上からの高さが、上記変圧器本体の上記屋根上からの高さより低い請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の車両用変圧器。
【請求項５】
上記複数の冷却器は、それぞれ、上記車両の進行方向と直交する平面上に配設された、大きさの異なる複数本のコ字状の冷却管を、上記変圧器本体に沿って上記車両の進行方向に複数配列して構成され、
上記車両の進行方向と直交する平面上に配設された上記複数の冷却管は、最も大きい最大冷却管と、上記最大冷却管の内側に配置される上記最大冷却管より小さい１本又は複数本の小型冷却管により構成され、
上記最大冷却管は、車両限界に沿った形状に形成されている請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の車両用変圧器。
【請求項６】
上記複数本の冷却管は、それぞれ、長さ方向と直交する偏平な断面形状を有し、上記偏平な断面形状の長手方向を上記車両の進行方向に一致させて配設されている請求項５記載の車両用変圧器。
【請求項７】
上記複数の冷却管は、アルミニウム製である請求項５又は請求項６記載の車両用変圧器。
【請求項８】
上記循環路は、上記冷媒が、上記変圧器本体の上記油ポンプ側から出て上記油ポンプおよび上記車両の幅方向の両側に配置された上記複数の冷却器を通って、上記変圧器本体の上記油ポンプと反対側に異なる複数箇所から戻るように構成されている請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の車両用変圧器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、車両の屋根上に設置される車両用変圧器に関し、特に、車両の走行によって生じる走行風を利用して冷却媒体である絶縁油を冷却する車両用変圧器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
車両に搭載される空調機、交換器、制御器、変圧器などの機器は、動作時に多くの発熱があり、冷却が必要となる。これらの機器の冷却方法としては、ブロアを用いた強制空冷方式と、車両の走行によって生じる走行風を利用した走行風自冷方式とに、大別される。
近年、省エネや低騒音といった利点から、走行風自冷方式が注目を集めている。
【０００３】
走行風自冷方式は、従来、車両の床下に設置された変圧器の冷却に採用されていた（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
車両の床下は、壁面である床下と線路面とに挟まれた、いわば閉領域となり、車両の走行時には、その領域内部に複雑な走行風の流れが生じる。特に、床下に大きな機器が設置された場合には、機器と線路面との狭い隙間に押し込まれた走行風は、機器の流れ方向後方では、線路面側に広がることができないので、床下側に急激に広がる。そこで、床下の機器間隔が狭くても、車両の側面からの走行風の流れ込みに加え、機器と線路面との間からの走行風の流れ込みがあるので、機器周辺に、比較的流速の速い冷却風が生成される。これにより、ブロアを用いることなく、床下に設置された機器を効率よく冷却することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第４００７２５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
車両の床下には、車輪や制動機などがあり、空調機、交換器、制御器、変圧器などの機器の設置スペースが限られる。特に、欧州で普及している低床の車両では、床下の機器の設置スペースが狭く、空調機、交換器、制御器、変圧器などの機器を床下に設置できないので、それらの機器を屋根上に設置していた。
【０００７】
しかしながら、車両の屋根上は、床下と異なり、側面および上面が開放空間となるので、変圧器から見て車両の進行方向前方に設置されている他の機器で剥離された走行風が、変圧器の冷却器周辺に流れ込まず、走行風自冷方式では、十分な冷却性能が得られないという課題があった。そこで、車両の屋根上に設置された変圧器の冷却には、従来、ブロアを用いた強制空冷方式が採用されていた。
【０００８】
本出願人は、車両の屋根上に設置された変圧器を、ブロアを用いることなく、走行風のみで効率よく冷却するには、変圧器を構成する部品の配置を最適化して、冷却器による放熱性を高める必要があるとの観点から鋭意検討し、本発明を発明するに至った。
【０００９】
この発明は、上記課題を解決するためになされたもので、車両の屋根上に設置される部品の配置を最適化して、ブロアを用いることなく、走行風のみで効率よく冷却することができる車両用変圧器を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この発明に係る車両用変圧器は、冷媒の循環路を構成する配管と、上記循環路の途中に配設されて、巻線とともに上記冷媒を収納する変圧器本体と、上記循環路の途中に配設されて、上記冷媒を上記循環路に循環させる油ポンプと、上記循環路の途中に分散して設置されて、空気との熱交換により上記冷媒を冷却する複数の冷却器と、を備えている。上記変圧器本体、上記油ポンプおよび上記複数の冷却器は、車両の屋根上に設置され、上記複数の冷却器は、上記変圧器本体の上記車両の幅方向の両側に、上記変圧器本体に沿って上記車両の進行方向に配置され、上記油ポンプは、上記変圧器本体の上記車両の幅方向の両側に配置された上記複数の冷却器の上記車両の幅方向の内側に、かつ上記変圧器本体の上記車両の進行方向に配置され、上記冷媒の膨張・収縮を吸収するコンサベータをさらに備え、上記コンサベータは、上記車両の屋根上に、上記変圧器本体の上記車両の幅方向の両側に配置された上記複数の冷却器の上記車両の幅方向の内側に、かつ上記変圧器本体の上記車両の進行方向に配置され、上記コンサベータの上記屋根上からの高さが、上記変圧器本体の上記屋根上からの高さより低い。
【発明の効果】
【００１１】
この発明によれば、複数の冷却器が、変圧器本体の車両の幅方向の両側に、変圧器本体に沿って車両の進行方向に配置され、油ポンプが、変圧器本体の車両の幅方向の両側に配置された複数の冷却器の車両の幅方向の内側に、かつ変圧器本体の車両の進行方向に配置されている。そこで、変圧器本体の車両の進行方向に配設されている周辺機器で剥離された走行風が、油ポンプに妨げられることなく、冷却器に導かれるので、冷媒の熱を冷却器により効果的に放熱でき、ブロアを用いることなく、走行風のみで十分な冷却性能が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】この発明の実施の形態１に係る車両用変圧器を設置した鉄道車両を示す上面図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係る車両用変圧器を設置した鉄道車両を示す側面図である。
【図３】この発明の実施の形態１に係る車両用変圧器の構成を示す上面図である。
【図４】この発明の実施の形態１に係る車両用変圧器の設置状態を模式的に示す断面図である。
【図５】この発明の実施の形態１に係る車両用変圧器の冷却器を示す斜視図である。
【図６】車両の屋根上における周辺機器の進行方向後方における走行風の流れを説明する図である。
【図７】車両の屋根上における周辺機器の進行方向後方の風速を車両断面で示したコンター図である。
【図８】この発明の実施の形態２に係る車両用変圧器を示す斜視図である。
【図９】この発明の実施の形態２に係る車両用変圧器に適用される冷却器を示す斜視図である。
【図１０】図９のＸ−Ｘ矢視断面図である。
【図１１】この発明の実施の形態４に係る車両用変圧器の構成を示す上面図である。
【図１２】この発明の実施の形態５に係る車両用変圧器の構成を示す上面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る車両用変圧器を設置した鉄道車両を示す上面図、図２はこの発明の実施の形態１に係る車両用変圧器を設置した鉄道車両を示す側面図である。ここで、説明の便宜上、車両の長さ方向、すなわち進行方向をＸ方向、車両の車幅方向をＹ方向、車両の高さ方向をＺ方向とする。つまり、車両は、＋Ｘ方向と−Ｘ方向との双方向に進行可能であり、＋Ｚ方向が屋根側であり、−Ｚ方向が床側である。
【００１４】
図１および図２において、変圧器１０が、冷媒の循環路を構成する配管１１と、配管１１の管路途中に設置され、巻線９が収納されて、冷媒を内部に貯留する変圧器本体１２と、配管１１により構成される循環路に冷媒を循環させる油ポンプ１３と、配管１１の管路途中に設置されて、走行風との熱交換によって冷媒を冷却する冷却器１４と、冷媒の熱膨張量を吸収するコンサベータ１５と、を備え、車両１の屋根上２に設置されている。さらに、変換器、制御器、空調機などの周辺機器３が、屋根上２の、変圧器１０の＋Ｘ方向や−Ｘ方向に設置されている。
【００１５】
なお、変圧器本体１２は、内部に巻線９を収納した、鋼鉄やアルミニウムなどの金属で作製された箱である。変圧器本体１２の表面には、腐食防止の塗装がなされ、電線をつなぐブッシュなどが設けられている。また、冷媒には、一般に、絶縁油が用いられ、特に、車両用としては、難燃性の高いシリコーン油や、環境に優位なエステル油が用いられる。また、コンサベータ１５の容量は、変圧器本体１２内に注入される冷媒の、温度変化による膨張量を吸収できるように、設定されている。
【００１６】
つぎに、変圧器１０の屋根上２の配置について図３から図７を参照しつつ説明する。図３はこの発明の実施の形態１に係る車両用変圧器の構成を示す上面図、図４はこの発明の実施の形態１に係る車両用変圧器の設置状態を模式的に示す断面図、図５はこの発明の実施の形態１に係る車両用変圧器の冷却器を示す斜視図、図６は車両の屋根上における周辺機器の進行方向後方における走行風の流れを説明する図、図７は車両の屋根上における周辺機器の進行方向後方の風速を車両断面で示したコンター図である。
【００１７】
変圧器本体１２が、図３に示されるように、車両１の屋根上２に、Ｙ方向の略中央に設置されている。また、油ポンプ１３が変圧器本体１２の−Ｘ方向に設置され、冷却器１４が、変圧器本体１２の＋Ｙ方向および−Ｙ方向に、変圧器本体１２を挟んで相対するように設置されている。また、コンサベータ１５が変圧器本体１２の＋Ｘ方向に設置されている。さらに、配管１１が、変圧器本体１２の出口から−Ｘ方向に延びて油ポンプ１３の吸入口に接続され、油ポンプ１３の吐出口から出て＋Ｙ方向および−Ｙ方向に分岐し、その後それぞれ＋Ｘ方向に延びて冷却器１４の入口に接続され、各冷却器１４の出口から出て＋Ｘ方向に延び、その後Ｙ方向に延びてコンサベータ１５に接続され、コンサベータ１５から−Ｘ方向に延びて変圧器本体１２の入口に接続されるように、布設されている。
【００１８】
ここで、補器配置領域１６が、図３中、実線で示されるように、変圧器本体１２のＹ方向幅で、変圧器本体１２の＋Ｘ方向および−Ｘ方向に延びるように設定される。そして、油ポンプ１３およびコンサベータ１５が、補器配置領域１６に設置されている。
【００１９】
車両１には、図４に実線で示されるように、線路上を安全に走行できるように定められた車体断面（Ｙ−Ｚ断面）におけるＹ方向およびＺ方向の制限値、すなわち車両限界１７がある。車両限界１７の屋根上２の空間は、トンネルなどの軌道構造物との関係から、上部側がＹ方向に絞られた上しぼみ形状となっている。そこで、変圧器１０のみならず、周辺機器３も、車両限界１７内に位置するように、設置されている。
【００２０】
冷却器１４は、図５に示されるように、それぞれ、偏平な中空の直方体に作製され、長さ方向をＸ方向として、Ｙ方向に離間して、互いに平行に、屋根上２に設置される入口ヘッダ１８ａおよび出口ヘッダ１８ｂと、入口ヘッダ１８ａから出て、出口ヘッダ１８ｂに入るように配設された冷却管群１９と、を備える。冷却管群１９は、それぞれ、Ｙ−Ｚ平面上に配設された、大きさの異なる４本のコ字状の冷却管２０を、変圧器本体１２に沿ってＸ方向に一定のピッチで１２列に配列して構成されている。Ｙ−Ｚ平面上に配設された４本の冷却管２０は、最も大きい最大冷却管２０’と、最大冷却管２０’の内側に配置される３本の小型冷却管２０”と、により構成される。最大冷却管２０’および小型冷却管２０”は、それぞれ、入口ヘッダ１８ａから＋Ｚ方向に延びる第１直線部の長さが、出口ヘッダ１８ｂから＋Ｚ方向に延びる第３直線部の長さより短くなっており、第１直線部と第３直線部を連結する第２直線部が水平面に対して傾斜している。そして、各列の最外殻に配置された最大冷却管２０’の第２直線部は、車両限界１７の上しぼみ形状に適合するように傾斜している。これにより、冷却器１４を車両限界１７に近づけて設置することができる。
【００２１】
ここで、冷却管２０は、アルミニウムで断面円形の中空体に作製されており、変圧器１０の軽量化が図られる。また、アルミニウムは良熱伝導性材料であるので、鋼鉄製の同容積の冷却管に比べて、放熱性能を向上させることができる。
【００２２】
つぎに、車両１の屋根上２に設置された周辺機器３の進行方向後方おける走行風の流れについて図６を参照しつつ説明する。車両１が進行すると、走行風は周辺機器３の＋Ｚ方向の表面を流れた後、一旦剥離される。剥離された走行風は、図６に矢印２１で示されるように、徐々に屋根上２に近づき、最終的に屋根上２に付着する。一般的な乱流の場合、−Ｘ方向にある周辺機器３のＺ方向の高さをｈとすると、周辺機器３から再付着点までの距離ｘは、７ｈ程度となる。そして、走行風が一旦剥離すると、再付着するまでの領域には、よどみ域２２が形成される。このよどみ域２２は、ほとんど流れが生じないので、冷却効果が低い。
【００２３】
このように構成された変圧器１０では、交換効率は非常に高いが、投入電力が大きいので、巻線９での発熱量が多くなり、変圧器本体１２内に貯留されている冷媒が暖められる。そこで、油ポンプ１３を駆動することで、変圧器本体１２内の暖められた冷媒が加圧されて配管１１により構成される循環路に供給される。ついで、冷媒は、冷却器１４の入口ヘッダ１８ａに流入し、各冷却管２０に分配される。ついで、冷媒は、各冷却管２０を流通する際に、走行風との間で熱交換し、熱が走行風に放熱される。そして、冷媒は冷やされ、出口ヘッダ１８ｂに集められた後、コンサベータ１５を介して変圧器本体１２に戻される。これにより、変圧器本体１２内の巻線９の温度上昇が抑制される。
【００２４】
また、冷媒の温度上昇による膨張量は、コンサベータ１５内の貯液量を増やすことで、吸収される。そこで、冷媒の膨張に伴う変圧器本体１２の損傷の発生が防止される。
また、温度上昇による冷媒の膨張量が設計最大値に達しない限り、コンサベータ１５内の上部には、熱伝導率が小さい空気層ができるので、コンサベータ１５に走行風を供給しても、ほとんど冷却効果は期待できない。そこで、コンサベータ１５が、よどみ域２２が発生する冷却効果の低い補器配置領域１６内に設置されていても、問題はない。
【００２５】
また、コンサベータ１５は補器配置領域１６内に設置されているが、走行風を剥離させないために、設置位置が変圧器本体１２に近づくほど、高さを低くする必要がある。そして、変圧器本体１２の近くに設置する場合には、コンサベータ１５の高さを変圧器本体１２の高さより低くする必要がある。コンサベータ１５は、冷媒の膨張量を吸収する機能を有するので、使用する冷媒量が多いほど、容積が大きくなる。そこで、コンサベータ１５は、偏平な断面形状として、かつ変圧器本体１２のＹ方向の幅を有効に利用して、高さの縮小と大容量化を図ることになる。
【００２６】
また、油ポンプ１３は、構造上、外気までの熱抵抗が大きいので、表面からの放熱はあまり期待できない。そこで、油ポンプ１３が、よどみ域２２が発生する冷却効果の低い補器配置領域１６内に設置されていても、問題はない。
また、油ポンプ１３は補器配置領域１６内に設置されているが、走行風を剥離させないために、設置位置が変圧器本体１２に近づくほど、高さを低くする必要がある。そして、変圧器本体１２の近くに設置する場合には、油ポンプ１３の高さを変圧器本体１２の高さより低くする必要がある。
【００２７】
つぎに、周辺機器３の進行方向後方における風速分布について図７を参照しつつ説明する。図７は車両の屋根上における周辺機器の進行方向後方の風速分布を車両断面(Ｙ−Ｚ平面）で示したコンター図であり、図７の（ａ）は剥離直後での風速分布を示し、図７の（ｂ）は剥離後１ｍの位置での風速分布を示し、図７の（ｃ）は剥離後２ｍの位置での風速分布を示し、図７の（ｄ）は剥離後３ｍの位置での風速分布を示している。なお、図７中、風速分布を８段階で示しており、黒いほど風速が遅く、白いほど風速が速い。また、変圧器１０から見て、車両１の−Ｘ方向に配置されている周辺機器３は、車両限界１７に概ね接しているものとした。また、説明の便宜上、８段階の風速分布を遅い方からレベル１からレベル８とする。
【００２８】
剥離直後では、剥離後の走行風の車両限界１７内への流れ込みがなく、車両限界１７の領域内は、図７の（ａ）に示されるように、風速の遅いレベル２のほぼ均一な風速分布となっている。
【００２９】
剥離後１ｍの位置では、剥離後の走行風の車両限界１７内への流れ込みがあり、車両限界１７内は、図７の（ｂ）に示されるように、レベル１から６の風速分布となっている。なお、レベル１の領域は、よどみ域２２に相当し、−Ｘ方向の流れとなっている。このとき、等値線は、周辺機器３の傾斜する両角部（すぼみ部分）に対応する部分が、屋根上２のＹ方向中央部に近づくように変位した線となっている。これは、周辺機器３が上すぼみ形状であるので、周辺機器３の上面から＋Ｘ方向に流れる走行風より、周辺機器３のすぼみ部分から＋Ｘ方向に流れる走行風のほうが、屋根上２および車両１のＹ方向の中心に早く近づくことによるもの、と推考される。
【００３０】
剥離後２ｍの位置では、剥離後の走行風の車両限界１７内への流れ込みがあり、車両限界１７内は、図７の（ｃ）に示されるように、レベル１から７の風速分布となっている。このとき、等値線は、周辺機器３の外周形状にほぼ即した線となり、レベル１の領域が狭まっている。これは、周辺機器３から＋Ｘ方向に２ｍ離れたので、周辺機器３の上面から＋Ｘ方向に流れる走行風と、周辺機器３の側面部から＋Ｘ方向に流れる走行風との車両限界１７内への流れ込み量が多くなり、周辺機器３のすぼみ部分から＋Ｘ方向に流れる走行風の車両限界１７内への流れ込みによる影響が緩和されたためと、推考される。
【００３１】
剥離後３ｍの位置では、剥離後の走行風の車両限界１７内への流れ込みがあり、車両限界１７内は、図７の（ｄ）に示されるように、レベル４から７の風速分布となっている。このとき、等値線は、周辺機器３の外周形状にほぼ即した線となり、レベル１の領域は消滅している。これは、周辺機器３から＋Ｘ方向に３ｍ離れたので、周辺機器３の周囲を流れる走行風の主流の車両限界１７内への流れ込み量が多くなり、車両限界１７内の流速が速められたものと、推考される。
【００３２】
図７から、周辺機器３からＸ方向に２ｍ程度離して変圧器１０を設置すれば、周辺機器３で剥離された走行風が、変圧器本体１２のＹ方向の両側に配置された冷却器１４に効果的に導かれることがわかる。また、周辺機器３からＸ方向に３ｍ以上離して変圧器１０を設置すれば、周辺機器３で剥離された走行風が、変圧器本体１２および冷却器１４に効果的に導かれることがわかる。
【００３３】
なお、変圧器１０から見て、車両１の−Ｘ方向に配置されている周辺機器３が小さく、車両限界１７よりも大きく内側に位置している場合には、周辺機器３の周囲を流れる走行風の主流が変圧器１０の周辺に流れ込むので、変圧器１０の周辺では、図７に示される値より速い風速分布となる。
【００３４】
この実施の形態１では、よどみ域２２の解消に距離が必要な屋根上２のＹ方向中央に変圧器本体１２を設置し、冷却器１４を、変圧器本体１２の＋Ｙ方向と−Ｙ方向とのそれぞれに、変圧器本体１２を挟んで相対するように設置している。さらに、油ポンプ１３が、変圧器本体１２の−Ｘ方向、かつ冷却器１４のＹ方向の内側に設置されている。そこで、周辺機器３で剥離された走行風が、油ポンプ１３に妨げられることなく、冷却器１４に導かれる。これにより、剥離後の走行風を効率よく冷却器１４に導くことができ、冷却器１４の冷却能力が高められる。
【００３５】
冷却器１４が、車両限界１７の上しぼみ形状に沿った形状で、最外殻を車両限界１７に近づくように配設されているので、周辺機器３のすぼみ部分から流れる走行風を効果的に冷却器１４に供給でき、冷却器１４の冷却能力が高められる。
【００３６】
冷却器１４が、変圧器本体１２の＋Ｙ方向と−Ｙ方向とのそれぞれに設置されているので、車両１の停車中に、車両１の側面に沿って屋根上２に流れた空気が冷却器１４に供給される。そこで、走行風のない車両１の停車中においても、変圧器本体１２内部での発熱を冷却器１４を介して放熱することが可能となる。
【００３７】
冷却器１４は、それぞれ、Ｙ−Ｚ平面上に配設された、大きさの異なる４本のコ字状の冷却管２０を、変圧器本体１２に沿ってＸ方向に一定のピッチで１２列に配列して構成された冷却管群１９を備える。Ｙ−Ｚ平面上に配設された４本の冷却管２０は、最も大きい最大冷却管２０’と、最大冷却管２０’の内側に配置される３本の小型冷却管２０”と、により構成される。
【００３８】
そこで、車両１の停車中に、車両１の側面に沿って屋根上２に流れてきた空気が、Ｘ方向に配列された冷却管２０の列間から冷却管群１９内に流れ込む。そして、冷却管２０周りの空気が冷却管２０内を流通する冷媒の熱により暖められ、冷却管群１９から＋Ｚ方向に流れ出る。これにより、Ｙ方向の外側から冷却管群１９内の下部側に入り、冷却管群１９内をＺ方向に上昇する空気の自然対流が形成される。そこで、走行風のない車両１の停車中においても、変圧器本体１２内部での発熱を冷却器１４を介して効果的に放熱することができる。さらに、車両１の走行時には、周辺機器３で剥離して、再付着に向かう途中の走行風が冷却管群１９内を通風するので、冷却管２０と走行風との間の熱交換が促進され、冷却器１４の冷却能力が高められる。
【００３９】
コンサベータ１５が、補器配置領域１６内の変圧器本体１２の＋Ｘ方向に設置されている。そこで、コンサベータ１５が、冷却器１４に導かれる走行風の流れを阻害することがない。さらに、変圧器本体１２の上面が走行風に暴露され、変圧器本体１２の冷却能力が高められる。
【００４０】
油ポンプ１３とコンサベータ１５が変圧器本体１２を挟んでＸ方向の両側に設置されているので、大容量のコンサベータ１５を用いる場合でも、油ポンプ１３を変圧器本体１２に近接して設置できる。そこで、配管１１の使用量を低減でき、低コスト化が図られる。さらに、油ポンプ１３を変圧器本体１２に近接して設置することで、変圧器本体１２内の冷媒を配管１１に供給する油ポンプ１３の小型化が図られる。
【００４１】
なお、上記実施の形態１では、冷却管群がＹ−Ｚ平面に配設された４本の冷却管をＸ方向に一定のピッチで配列して構成されているが、冷却管群は、Ｙ−Ｚ平面に配設された４本の冷却管をＸ方向に不等ピッチで配列して構成されてもよい。
また、上記実施の形態１では、冷却管群がＹ−Ｚ平面に配設された４本の冷却管をＸ方向に一定のピッチで１２列に配列して構成されているが、各列に配設される冷却管の本数および列数はこれに限定されず、変圧器の発熱量に応じて決まる最適な冷却管の本数を車両限界１７内に効率よく配置すればよい。
【００４２】
実施の形態２．
図８はこの発明の実施の形態２に係る車両用変圧器を示す斜視図である。なお、配管１１は便宜上省略されている。
【００４３】
図８において、放熱フィン２３が、それぞれ、変圧器本体１２の上面および下面から垂直に突出して、Ｘ方向に延びて、Ｙ方向に複数配列されている。放熱フィン２３は、鋼鉄製であり、変圧器本体１２に溶接などにより固着される。
なお、他の構成は上記実施の形態１と同様に構成されている。
【００４４】
このように構成された変圧器１０Ａにおいても、上記実施の形態１と同様に効果が得られる。
【００４５】
変圧器１０Ａでは、放熱フィン２３が変圧器本体１２の上面および下面に配設されているので、周辺機器３で剥離して、再付着に向かう走行風が、変圧器本体１２の上面および下面を放熱フィン２３に沿って流れ、放熱フィン２３との間で熱交換する。そこで、変圧器本体１２内での発熱が放熱フィン２３を介して走行風に放熱され、変圧器本体１２の冷却能力が高められる。
【００４６】
車両１の停車時には、走行風が放熱フィン２３間を流通することはないが、放熱フィン２３を設けることで、変圧器本体１２の表面積が増えるので、自然対流による放熱効果が期待できる。
放熱フィン２３は、鋼鉄製であるので、放熱フィン２３の剛性が高くなり、優れた耐久性が得られる。
【００４７】
なお、上記実施の形態２では、放熱フィンが変圧器本体の上面および下面に配設されているが、放熱フィンの本数、高さ、および配置は、変圧器本体の発熱分布に合わせて最適化される。つまり、投入電力、変圧器本体内の巻線の形状や配置などに合わせて、放熱フィンの本数、高さ、および配置は適宜設定される。
また、上記実施の形態２では、変圧器本体が車両の屋根上から離して設置されているが、変圧器本体が車両の屋根上に接して設置されている場合には、放熱フィンは変圧器本体の上面のみに配設される。
また、上記実施の形態２では、放熱フィンが鋼鉄製であるが、車両の屋根上では、飛び石などに対する考慮が不要であるので、放熱フィンをアルミニウム製としてもよい。この場合、アルミニウム製は、鋼鉄製に比べて、比重や軽く、熱伝導率が高いので、軽量で放熱性の高い放熱フィンを得ることができる。
【００４８】
実施の形態３．
図９はこの発明の実施の形態２に係る車両用変圧器に適用される冷却器を示す斜視図、図１０は図９のＸ−Ｘ矢視断面図である。
【００４９】
図９および図１０において、冷却器１０Ａは、入口ヘッダ１８ａと、出口ヘッダ１８ｂと、入口ヘッダ１８ａから出て、出口ヘッダ１８ｂに入るように配設された冷却管群１９Ａと、を備える。冷却管群１９Ａは、それぞれ、Ｙ−Ｚ平面上に配設された、大きさの異なる４本のコ字状の冷却管２０Ａを、変圧器本体１２に沿ってＸ方向に一定のピッチで１２列に配列して構成されている。Ｙ−Ｚ平面上に配設された４本の冷却管２０Ａは、最も大きい最大冷却管２０Ａ’と、最大冷却管２０Ａ’の内側に配置される３本の小型冷却管２０Ａ”と、により構成される。最大冷却管２０Ａ’および小型冷却管２０Ａ”は、それぞれ、入口ヘッダ１８ａから＋Ｚ方向に延びる第１直線部の長さが、出口ヘッダ１８ｂから＋Ｚ方向に延びる第３直線部の長さより短くなっており、第１直線部と第３直線部を連結する第２直線部が水平面に対して傾斜している。そして、各列の最外殻に配置された最大冷却管２０Ａ’の第２直線部は、車両限界１７の上しぼみ形状に適合するように傾斜している。これにより、冷却器１４Ａを車両限界１７に近づけて設置することができる。さらに、冷却管２０Ａは、断面楕円形状の長軸方向をＸ方向に一致させて配設されている。
なお、他の構成は、上記実施の形態１と同様に構成されている。
【００５０】
このように、冷却器１４に替えて冷却器１４Ａを用いた変圧器においても、上記実施の形態１と同様に効果が得られる。
【００５１】
この実施の形態３では、冷却管２０Ａが、断面楕円形状の長軸方向をＸ方向に一致させて配設されている。そこで、冷却管の表面積が等しい場合には、Ｙ−Ｚ平面における偏平な冷却管２０Ａ間の間隔は、Ｙ−Ｚ平面における断面円形の冷却管２０間の間隔に比べて、広くなる。つまり、図１０に示される走行風のＸ方向の流れ２４に対する風路断面積は、冷却管２０Ａを用いた場合、冷却管２０を用いた場合に比べて大きくなる。これにより、冷却器１４Ａでは、冷却器１４に比べて、走行風の流路における圧力損失が少なくなり、走行風が流速を落とすことなく冷却管群１９Ａ内を流れることができる。また、冷却管２０Ａが、断面楕円形状の長軸方向をＸ方向に一致させているので、走行風のＸ方向の流れ２４に接する冷却管２０Ａの表面積が、断面円形の冷却管２０より大きくなる。これにより、冷却管２０Ａと走行風との熱交換効率が高くなる。
【００５２】
したがって、実施の形態３によれば、走行風の冷却器１４Ａへの取り込みが促進され、冷却器１４Ａの放熱性能を向上させることができる。
【００５３】
実施の形態４．
図１１はこの発明の実施の形態４に係る車両用変圧器の構成を示す上面図である。
【００５４】
図１１において、冷却器１４Ｂは、変圧器本体１２の＋Ｙ方向および−Ｙ方向のそれぞれにＸ方向に離間して２つずつ、かつ変圧器本体１２を挟んで相対するように、設置されている。冷却器１４Ｂは、冷却管群が、Ｙ−Ｚ平面上に配設された４本の冷却管２０を、Ｘ方向に５列に配列して構成されている点を除いて、冷却器１４と同様に構成されている。
なお、他の構成は上記実施の形態１と同様に構成されている。
【００５５】
上記実施の形態１による変圧器１０では、冷却管２０がＸ方向に１２列に配列されているので、冷却管２０の列間の隙間が狭くなっている。そこで、冷却器１４においては、走行風がＸ方向に直交する面から冷却器１４の冷却管群１９に流入する際の風路抵抗が大きく、走行風がＸ方向に直交する面から冷却器１４の冷却管群１９に流入しにくい。つまり、走行風は、冷却器１４の冷却管群１９の−Ｘ方向の端部からのみ冷却管群１９内に取り込まれる。そこで、冷却管群１９内に取り込まれた走行風は、＋Ｘ方向に進むにつれ暖められ、冷却管２０との熱交換効率が低下する。
【００５６】
実施の形態４による変圧器１０Ｂでは、冷却器１４Ｂが、変圧器本体１２のＹ方向両側に、Ｘ方向に離間して２つずつ設置されている。そこで、走行風２４は、図１１に矢印で示されるように、−Ｘ方向に位置する冷却器１４Ｂの冷却管群に取り込まれ、Ｘ方向に配列された２つの冷却器１４Ｂの間を通って＋Ｘ方向に位置する冷却器１４Ｂの冷却管群に取り込まれる。したがって、＋Ｘ方向に位置する冷却器１４Ｂの冷却管群には、暖められていない新たな走行風が取り込まれるので、＋Ｘ方向に位置する冷却器１４Ｂにおける冷却管２０との熱交換効率の低下が抑えられる。
【００５７】
実施の形態５．
図１２はこの発明の実施の形態５に係る車両用変圧器の構成を示す上面図である。
【００５８】
図１２において、配管１１が、変圧器本体１２の出口から−Ｘ方向に延びて油ポンプ１３の吸入口に接続され、油ポンプ１３の吐出口から出て＋Ｙ方向および−Ｙ方向に分岐し、その後それぞれ＋Ｘ方向に延びて冷却器１４の入口に接続され、各冷却器１４の出口から出て＋Ｘ方向に延び、その後Ｙ方向に延び、曲げられて−Ｘ方向に延びて、変圧器本体１２の２つの入口に接続されるように、布設されている。コンサベータ１５は、配管１１と異なる補助配管２６を介して変圧器本体１２に接続されている。
なお、他の構成は上記実施の形態１と同様に構成されている。
【００５９】
実施の形態５による変圧器１０Ｃでは、変圧器本体１２から吸い出されて冷却器１４で冷却された冷媒が、図１２中矢印で示されるように、変圧器本体１２の冷媒吸い出し側と反対側に、車両１の幅方向に異なる２カ所の入口から戻されるので、変圧器本体１２内の冷媒の流れが局在化することがない。そこで、変圧器本体１２内の冷媒を１台の油ポンプ１３により効率よく冷却器１４に圧送することができる。
【００６０】
上記実施の形態１では、変圧器本体１２の車両の幅方向に配設されている２つの冷却器１４から流出した冷媒をコンサベータ１５で合流させてから変圧器本体１２に戻しているので、冷媒を合流することにより、不必要な圧力損失が発生する。この実施の形態５では、コンサベータ１５が補助配管２６を介して変圧器本体１２に接続されているので、冷媒の合流に起因する不必要な圧力損失の発生を抑制できる。
【００６１】
なお、上記実施の形態５では、冷媒を車両の幅方向に異なる２カ所の入口から変圧器本体の冷媒吸い出し側と反対側に戻しているが、冷媒を分岐して、車両の幅方向や車両の高さ方向に異なる３カ所以上の入口から変圧器本体の冷媒吸い出し側と反対側に戻すようにしてもよい。
【００６２】
また、上記各実施の形態では、油ポンプとコンサベータが変圧器本体をＸ方向に挟んで相対するように設置されているが、コンサベータが小さく、油ポンプとコンサベータとを一緒に補器配置領域内に設置できれば、油ポンプとコンサベータとを変圧器本体のＸ方向の一側に設置してもよい。
また、上記各実施の形態では、特に、欧州で用いられている、エアブリーザをコンサベータの替わりに用いた変圧器でも、エアブリーザを変圧器本体のＸ方向の一側の補器配置領域に設置すれば、同様の効果が得られる。
【符号の説明】
【００６３】
１  車両、２  屋根上、９  巻線、１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ  変圧器、１１  配管、１２  変圧器本体、１３  油ポンプ、１４，１４Ａ，１４Ｂ  冷却器、１５  コンサベータ、２０，２０Ａ  冷却管、２０’、２０Ａ’  最大冷却管、２０”、２９Ａ”  小型冷却管、２３  放熱フィン。
【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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【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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