(57)【要約】【課題】変圧器本体の大容量化に対しても、高効率な走行風利用冷却性能を確保すること。【解決手段】車両床下に変圧器本体１を間にしてその両側に４台の変圧器７ａ〜７ｄを分散して配置し、各冷却器７ａ〜７ｄをそれぞれ配管５ａ、５ｂを介して接続し、各冷却器７ａ〜７ｄの放熱パイプ３を車両の走行に伴う走行風１０によって冷却する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒の循環路を形成する配管と、前記配管の管路途中に配置されて巻線とともに前記冷媒を収納する変圧器本体と、前記配管の管路途中に分散して配置されて空気との熱交換によって前記冷媒を冷却する複数の冷却器とを備え、前記複数の冷却器は、走行風の通路となる車両床下に分散して配置されてなる車両用変圧器。
【請求項２】
請求項１に記載の車両用変圧器において、前記複数の冷却器は、車両の幅方向において、前記車両の軸心を基準にして一方の領域に分散して配置されてなることを特徴とする車両用変圧器。
【請求項３】
請求項１に記載の車両用変圧器において、前記複数の冷却器は、車両の幅方向において、前記車両の軸心を基準にしてその両側の領域に分散して配置されてなることを特徴とする車両用変圧器。
【請求項４】
請求項１、２または３のうちいずれか１項に記載の車両用変圧器において、前記変圧器本体は、前記車両床下に配置され、前記複数の冷却器のうち一部の冷却器は、前記変圧器本体と車両の幅方向において相隣接して併設され、各冷却器は、車両の前後方向において前記変圧器本体よりも突出して配置されてなることを特徴とする車両用変圧器。
【請求項５】
請求項１または３のうちいずれか１項に記載の車両用変圧器において、前記変圧器本体は、前記車両床下に配置され、前記複数の冷却器のうち一部の冷却器は、前記変圧器本体を間にして車両の幅方向において相隣接して併設され、各冷却器は、車両の前後方向において前記変圧器本体よりも突出して配置され、かつ前記一部の冷却器は、車両の幅方向において前記残りの冷却器よりも車両の外側に配置されてなることを特徴とする車両用変圧器。
【請求項６】
請求項５に記載の車両用変圧器において、前記残りの冷却器は、前記一部の冷却器よりも容量が大きいことを特徴とする車両用変圧器。
【請求項７】
請求項１、２、３、４、５または６のうちいずれか１項に記載の車両用変圧器において、前記車両床下に配置されて前記変圧器本体と前記複数の冷却器を覆う保護カバーを備え、前記保護カバーのうち、前記車両の前後方向において前記複数の冷却器から離れた位置に、走行風の出入口となる複数の開口部が互いに離れて形成されてなることを特徴とする車両用変圧器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、車両用変圧器に係り、特に、車両の走行によって生ずる走行風を利用して冷却媒体の絶縁油を冷却するに好適な車両用変圧器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、車両床下に搭載される車両用変圧器としては、例えば、走行風を利用して変圧器本体を冷却するとともに、電動送風機を用いて変圧器本体を冷却するものが知られている（特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平７−５７９３９号公報（第３頁〜第４頁、図１参照）
【０００４】
冷却媒体の絶縁油とともにコイル巻線を収納する変圧器本体を冷却するのに電動送風機を用いると、騒音を生じることがあり、走行風のみを利用して冷却器本体を冷却する走行風利用冷却方式のものが用いられている。
【０００５】
走行風利用冷却方式による車両用変圧器としては、例えば、冷却媒体の絶縁油とともにコイル巻線を収納する変圧器本体を車両床下に配置し、この冷却器本体に冷却媒体を循環するための配管を接続し、配管の管路の途中に絶縁油を強制循環させるためのポンプを挿入するとともに、絶縁油を冷却するための冷却器を挿入し、冷却器を構成する放熱パイプを走行風の通路となる車両床下に配置し、走行風によって放熱パイプ内の絶縁油を冷却するようにしたものがある。
【０００６】
上記のような構成を採用した従来の走行風利用冷却方式による車両用変圧器は、車両床下に配置される関係上寸法の制約を受けることや、冷却器を構成するヘッダや放熱パイプが走行風に与える圧力降下などの観点から、これまでは、変圧器容量が数１０ｋＷ級の在来線車両への適用に留まっていた。しかし、最近の電気鉄道技術の進展とともに、在来線に比べ格段に大きい容量の変圧器が搭載される高速電気鉄道車両の出現により、このような大容量、高損失変圧器への走行風利用冷却技術の適用が望まれていた。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
変圧器を大容量化するに際して、大容量化された変圧器の冷却を走行風を利用して実現しようとする場合、変圧器本体の大容量化合わせて、冷却器を大型化したり、大容量化したりするだけでは、十分な冷却性能が得られない。すなわち、冷却器を単に大型化・大容量化しただけでは、冷却器の大型化に伴って放熱パイプの数が増加するとともに、放熱器のヘッダや放熱パイプ群を通る走行風の圧力損失が比例して大きくなり、その結果、放熱パイプ群内の平均流速が低下し、冷却性能を決定する熱伝達率が著しく低下するからである。
【０００８】
本発明の課題は、変圧器本体の大容量化に対しても、高効率な走行風利用冷却性能を確保することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明は、車両走行時の走行風を利用して変圧器本体を冷却するに際して、変圧器本体の大容量化に合わせて変圧器を複数台用意し、各冷却器を走行風の通路となる車両床下に分散して配置したものである。
【００１０】
前記した手段によれば、変圧器本体の大容量化に伴って、冷却器を大型化したり、放熱パイプの数を増加したりすることなく、複数の冷却器を車両床下に分散して配置するようにしたため、変圧器本体の大容量化に対して、高効率な走行風利用冷却性能を確保することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の一実施形態を示す車両用変圧器の平面図である。図１において、車両用変圧器は、高速電気鉄道車両などの交流電気車または交直両用電気車を対象とした車両２０の床下に搭載される走行風利用油冷却変圧器として、変圧器本体１、ポンプ２、複数台の冷却器７ａ〜７ｄ、配管５ａ、５ｂなどを備えて構成されている。
【００１２】
変圧器本体１は、数１０ｋＷ級の在来線車両に用いられる変圧器本体よりも大容量化されたものが用いられており、この変圧器本体１内には変圧器巻線６とともに、冷媒（冷却媒体）としての絶縁油が収納されている。変圧器本体１はほぼ長方形形状に形成されており、車両床下のほぼ中央部にその短辺側が車両の進行方向３０と直交するように配置されている。さらに変圧器本体１には冷媒の循環路を形成する配管５ａ、５ｂが接続されており、配管５ａの管路途中には冷媒を強制循環させるためのポンプ２が挿入され、配管５ａ、５ｂとの間に冷却器７ａ〜７ｄが挿入されている。そしてポンプ２の作動により、変圧器本体１内の冷媒が配管５ａ、５ｂを介して各冷却器７ａ〜７ｄを循環するようになっている。
【００１３】
複数台の冷却器７ａ〜７ｄは、車両２０の幅方向において、車両２０の軸心を基準にしてあるいは変圧器本体１を間にして両側の領域に分散して配置している。すなわち、冷却器７ａ、７ｂは、変圧器本体１と車両２０の幅方向において相隣接して併設されており、変圧器７ｃ、７ｄは、車両２０の幅方向において変圧器本体１と相隣接して併設されている。各冷却器７ａ〜７ｄは、上ヘッダ４と下ヘッダ（図示省略）および複数の放熱パイプ３を備えて構成されており、各放熱パイプ３は上ヘッダ４と下ヘッダに接続され、上ヘッダ４が配管５ａに接続され、下ヘッダが配管５ｂに接続されている。配管５ａ内を循環する冷媒は上ヘッダ４から各放熱パイプ３を介して下ヘッダに導入され、下ヘッダから配管５ｂを介して変圧器本体１内に導入されるようになっている。そして各冷却器７ａ〜７ｄは、走行風１０の通路となる車両床下に分散して配置されているため、走行風１０が放熱パイプ３を通過する過程で走行風（空気）１０と冷媒との間で熱交換が行われ、放熱パイプ３内の冷媒が走行風１０によって冷却されるようになっている。
【００１４】
また、冷却器７ａ、７ｂと冷却器７ｃ、７ｄをそれぞれ片側に２台ずつ所定の間隔を保って配置するようにしているため、走行風１０を各冷却７ａ〜７ｄに効率良く取り込むことができる。この場合、冷却器７ａと冷却器７ｂとの間隔および冷却器７ｃと冷却器７ｄとの間隔はほぼ冷却器１台分程度あれば良い。
【００１５】
また、本実施形態においては、冷却器７ａ〜７ｄは、車両２０の前後方向において変圧器本体１よりも突出して配置されている。すなわち、冷却器７ａ、７ｃは、変圧器１よりも車両２０の進行方向３０に沿って前方に突出して配置されており、冷却器７ｂ、７ｄは、変圧器本体１よりも車両２０の進行方向３０に沿って後方に突出して配置されている。このため、各冷却器７ａ〜７ｄに走行風１０を効率良く導入することができる。
【００１６】
本実施形態によれば、従来と同程度の容量を有する４台の冷却器７ａ〜７ｄを走行風１０の通路となる車両床下に分散して配置するようにしたため、変圧器本体１を大容量化しても、高効率な走行風利用冷却性能を確保することができる。
【００１７】
また、本実施形態によれば、単一の冷却器を大容量化する代わりに、４台の冷却器を用いるようにしたので、１台当たりについてヘッダや放熱パイプ３の寸法の総数が増加することがないため、走行風１０の圧力損失が増加することなく、熱伝達率の減少による冷却器性能の低下も防止することができる。
【００１８】
また、従来と同程度の容量の冷却器７ａ〜７ｄを適宜組み合わせる構成であるため、各種仕様の変圧器に対してもフレキシブルに対応することができ、コスト、メンテナンスの面でも多くのメリットが生じてくる。
【００１９】
なお、前記実施形態においては、冷却器の総数を４台とし、片側にそれぞれ冷却器を２台配置するものについて述べたが、変圧器本体１の容量に応じて、冷却器の総数を多くしたり、片側の台数を２台以上にして配置することもできる。
【００２０】
次に、本発明の第２実施形態を図２にしたがって説明する。本実施形態は、変圧器本体１を、その長辺側が車両２０の進行方向３０と直交するように配置するとともに、車両床下のうち車両２０の軸心を基準にして一方の領域に変圧器本体１を配置し、車両２０の軸心を基準にして他方の領域に４台の冷却器７ａ〜７ｄを分散して配置するようにしたものであり、他の構成は図１のものと同様である。すなわち、４台の冷却器７ａ〜７ｄのうち一部の冷却器７ｂ、７ｃは、変圧器本体１と車両２０の幅方向において相隣接して併設され、各冷却器７ａ〜７ｄは車両２０の前後方向において変圧器本体１よりも突出して配置されている。言いかえれば、１台の変圧器本体１に対して、同一容量の４台の冷却器７ａ〜７ｄは、ほぼ冷却器１台分の間隔を保持しながら縦列配置され、各冷却器７ａ〜７ｄは、変圧器本体１よりも車両２０の進行方向３０において前方または後方に大きく突出して配置されている。
【００２１】
本実施形態によれば、大容量化された変圧器本体１に対して、同一容量の４台の冷却器７ａ〜７ｄを一定の間隔を保って車両床下に分散して配置するようにしたため、変圧器本体１の大容量化に対しても、高効率な走行風利用冷却性能を確保することができる。
【００２２】
また、本実施形態によれば、各冷却器７ａ〜７ｄが車両床下の一方の領域に分散して配置されているため、車両２０の床下の幅方向において配置上の制約がある場合に有効である。また、本実施形態によれば、冷却器７ａ〜７ｄを、変圧器本体１を間にして車両２０の幅方向において両側の領域に分散して配置するときよりも、配管５ａ、５ｂの構成を簡素化することができる。
【００２３】
また、本実施形態においても、変圧器本体１の容量の変化に合わせて冷却器の台数を増加させることもできる。
【００２４】
次に本発明の第３実施形態を図３にしたがって説明する。本実施形態は、変圧器の大容量化に対応するために、車両２０の幅方向において、変圧器本体１の両側の領域に同一容量の冷却器７ａ〜７ｈを４台ずつ分散して配置したものであり、他の構成は図１のものと同様である。
【００２５】
本実施形態においては、変圧器本体１を間にしてその両側の領域に冷却器を４台ずつ配置するに際して、各領域に配置される冷却器の台数を２台から４台に増加することに伴って、走行風１０の圧力損失が増大するのを緩和するために、一部の冷却器７ｂ、７ｃ、７ｆ、７ｇを、変圧器本体１を間にして車両２０の幅方向において相隣接して併設するとともに、車両２０の幅方向において、残りの冷却器７ａ、７ｄ、７ｅ、７ｈよりも車両２０の外側に配置した縦列曲線配備となっている。なお、冷却器７ａ、７ｄと冷却器７ｅ、７ｈは車両２０の前後方向において変圧器本体１よりも大きく突出して配置されており、冷却器７ｂ、７ｃと冷却器７ｆ、７ｇはその一部が車両２０の前後方向において変圧器本体１よりも突出して配置されている。
【００２６】
本実施形態においては、冷却器７ａ〜７ｄ、冷却器７ｅ〜７ｈは縦列曲線配備されているため、車両２０が走行するときに生ずる走行風１０が各冷却器７ａ〜７ｈの放熱パイプ３を通るときの圧力降下は、中央の冷却器７ｂ、７ｃ、７ｆ、７ｇの付近でもさほど大きくならず、各冷却器７ａ〜７ｈでほぼ等しい風量と熱伝達率を確保することができ、冷却器台数の増加に伴って冷却効果が低下するのを防止することが可能になる。
【００２７】
次に、本発明の第４実施形態を図４にしたがって説明する。本実施形態は、冷却器７ａ、７ｄ、７ｅ、７ｈとして、他の冷却器７ｂ、７ｃ、７ｆ、７ｇよりも容量の大きいものを用いたものであり、他の構成は図３のものと同様である。
【００２８】
本実施形態においては、変圧器本体１を基準として車両２０の前後方向における領域は、車両２０の幅方向における、変圧器本体１の両側の領域よりもスペース的に余裕があることを考慮し、変圧器本体１の車両２０の前後方向における領域に配置される冷却器７ａ、７ｅ、７ｄ、７ｈの容量を他の冷却器７ｂ、７ｃ、７ｆ、７ｇよりも容量を相対的に大きくするよう構成されている。このため、本実施形態によれば、省スペース化に対応しながら、大容量された変圧器に対して、効率的な走行風利用冷却性能を確保することができる。
【００２９】
次に、本発明の第５実施形態を図５にしたがって説明する。本実施形態は、前記いずれかの実施形態で用いられた車両用変圧器を、例えば、高速・大容量電気車両に適応したものであり、車両２０の床下に配置された大容量変圧器が保護カバー１２によって覆われている。
【００３０】
前記各実施形態では、大容量化された変圧器を通常の車両に搭載するときには車両２０の床下が開放されているため、走行風の流出入は、車両床下の各種機器の配置で影響されるものの、自由に行われる。しかし、最近の高速大容量車両で見られるように、車両床下が保護カバーで覆われているような場合においては、走行風の流出入構造の決定が重要となる。
【００３１】
そこで、本実施形態においては、車両床下に配置された保護カバー１２内に車両用変圧器を収納するに際して、保護カバー１２のうち車両２０の前後方向において複数の冷却器７から離れた位置の側面及び底面に、走行風１０の出入口となる複数の開口部として流出入口１５、１６を形成し、レール１８上を車両２０が走行する際に、流出入口１５から走行風を導入し、導入した走行風によって各冷却器７を冷却し、冷却器７の冷却に用いられた走行風を流出入口１６から排出することとしている。
【００３２】
このように、保護カバー１２の側面および底面に流出入口１５、１６を設けることで、各種の高速大容量車両用変圧器に走行風利用冷却技術を適用できるだけでなく、その流出入口１５、１６のガイドなどの工夫で一層の冷却効率の向上が可能になる。
【００３３】
なお、本実施形態では、流出入口１５、１６を車両の前後方向において１個所ずつ設けたものについて述べたが、各流出入口１５、１６を車両の前後方向において複数個設けることもできる。
【００３４】
また、前記各実施形態においては、従来の高速・大容量電気車両用変圧器のように、強制送油冷却方式の適用による冷却ポンプ、ブロアなどを用いていないため、これらの機器による騒音発生や、これらの機器に対するメンテナンスを一気に解消することができる。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、変圧器本体の大容量化に対して、高効率な走行風利用冷却性能を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態を示す車両用変圧器の平面図である。
【図２】本発明の第２実施形態を示す車両用変圧器の平面図である。
【図３】本発明の第３実施形態を示す車両用変圧器の平面図である。
【図４】本発明の第４実施形態を示す車両用変圧器の平面図である。
【図５】本発明に係る車両用変圧器を高速電気鉄道車両に適用したときの側面図である。
【符号の説明】
１  変圧器本体
２  ポンプ
３  放熱パイプ
４  上ヘッダ
５ａ、５ｂ  配管
６  変圧器巻線
７ａ〜７ｈ  冷却器
１０  走行風
２０  車両
【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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