(57)【要約】  鉄道車両の床下に搭載する同一風洞内に複数の発熱体を配置する場合、それぞれの発熱体が最大発熱時の状態で風洞内全体の熱計算を行うと、発熱量を実際より大きく見積もった裕度の大きな設計になり、搭載する機器や冷却機構の大型化に繋がるので、これを回避するために、鉄道車両に使用する電動機を駆動するために車両の床下に艤装される電力変換装置は、自らの電力変換装置を構成し発熱を伴う機器を冷却風が流れる収納庫に格納し、最大発熱期間が異なる機器を冷却風の流れに対して直列に配置する。
2020137133.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄道車両を駆動する電動機に電力を供給するために当該鉄道車両の床下に艤装される電力変換装置であって、
前記電力変換装置を構成し発熱を伴う機器を冷却風が流れる収納庫に格納し、
最大発熱期間が異なる前記機器を前記冷却風の流れに対し直列に配置する
ことを特徴とする鉄道車両用の電力変換装置。
【請求項２】
請求項１に記載の鉄道車両用の電力変換装置であって、
前記最大発熱期間が等しいまたはほぼ等しい前記機器を前記冷却風の流れに対して並列に配置する
ことを特徴とする鉄道車両用の電力変換装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の鉄道車両用の電力変換装置であって、
前記機器の耐熱温度から発熱による温度上昇後の当該機器の温度を差し引いた余裕値が、小さい前記機器を前記冷却風の風上側に配置し、大きい前記機器を前記冷却風の風下側に配置する
ことを特徴とする鉄道車両用の電力変換装置。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項に記載の鉄道車両用の電力変換装置であって、
前記最大発熱期間が重複する異なる前記機器の中で、発熱による温度上昇値が他の当該機器より小さい第１の機器を他の当該機器と併存して前記収納庫内に配置する
ことを特徴とする鉄道車両用の電力変換装置。
【請求項５】
請求項４に記載の鉄道車両用の電力変換装置であって、
前記収納庫を前記冷却風の流れに対し並列に分割して設け、
一方の前記収納庫に前記第１の機器を配置し、他方の前記収納庫に前記最大発熱期間が重複する前記他の機器を配置する
ことを特徴とする鉄道車両用の電力変換装置。
【請求項６】
請求項５に記載の鉄道車両用の電力変換装置であって、
前記冷却風を、前記一方および前記他方の各収納庫に対して任意の風量に分割して送る
ことを特徴とする鉄道車両用の電力変換装置。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか１項に記載の鉄道車両用の電力変換装置であって、
前記冷却風は、前記収納庫の内外のどちらかに設けた送風機が送る風または車両走行風である
ことを特徴とする鉄道車両用の電力変換装置。
【請求項８】
請求項１に記載の鉄道車両用の電力変換装置であって、
前記機器として、フィルタリアクトルおよびブレーキ抵抗器を、前記冷却風の風上側から前記の順に配置する
ことを特徴とする鉄道車両用の電力変換装置。
【請求項９】
請求項３に記載の鉄道車両用の電力変換装置であって、
前記機器として、パワーユニット、フィルタリアクトルおよびブレーキ抵抗器を、前記冷却風の風上側から前記の順に配置する
ことを特徴とする鉄道車両用の電力変換装置。
【請求項１０】
請求項５に記載の鉄道車両用の電力変換装置であって、
前記第１の機器がパワーユニットであり、
前記他の機器としてフィルタリアクトルおよびブレーキ抵抗器を、前記冷却風の風上側から前記の順に配置する
ことを特徴とする鉄道車両用の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄道車両用の電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の鉄道車両用の電力変換装置では、当該電力変換装置を構成する各々の発熱体に対し個別に冷却機構を設けることにより、発熱体が確実に冷却されるように配置構成されているものがある。【０００３】
一方、冷却機構の１つである空冷装置を採用する場合に、特許文献１には、電気車の床下に搭載された制御箱下部の同一風洞内に複数の発熱体を配置し、送風機からの冷却風をこれらの発熱体の冷却に利用する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平７−２７７１８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に開示されているように、同一風洞内に複数の発熱体を配置する場合、それぞれの発熱体が最大負荷時（最大発熱時）の状態で風洞内全体の熱計算を行うと、発熱量を実際より大きく見積もった裕度の大きな設計となるために、搭載する機器や冷却機構の大型化に繋がることになる。【０００６】
本発明は、鉄道車両用の電力変換装置において、送風機あるいは車両走行による風を冷却風として利用し、電力変換装置内の複数の発熱体を同一風洞内で冷却する構造とする際に、従来よりも小型軽量化するための機器配置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、鉄道車両に使用する電動機を駆動するために車両の床下に艤装される電力変換装置は、自らの電力変換装置を構成し発熱を伴う機器を冷却風が流れる収納庫に格納し、最大発熱期間が異なる機器を冷却風の流れに対して直列に配置することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
複数の発熱体それぞれの最大発熱期間を考慮し、最大発熱期間の異なる発熱体の冷却風に対する配置構成を工夫することにより、発熱体や送風機の小型化、延いては鉄道車両用の電力変換装置全体の小型化が図られ、限られた艤装スペース内での実装を可能にする。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】鉄道車両用の電力変換装置が車体に設置されている状態を表す斜視図である。
【図２】鉄道車両用の電力変換装置の主回路構成の一例を示す図である。
【図３】本発明の実施例１に係る鉄道車両用の電力変換装置内の機器の配置構成を示す図である。
【図４】発熱体の最大発熱期間を考慮しない場合の収納庫（風洞）内を通過する冷却風の位置と温度との関係を示すグラフである。
【図５】発熱体の最大発熱期間を考慮する場合の収納庫（風洞）内を通過する冷却風の位置と温度との関係を示すグラフである。
【図６】本発明の実施例２に係る鉄道車両用の電力変換装置内の機器の配置構成を示す図である。
【図７】実施例２の配置構成の変形例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明を実施するための形態として、本発明の実施例１および２について図面を用いて説明する。
図１は、鉄道車両用の電力変換装置が車体に設置されている状態を示す斜視図である。鉄道車両に搭載される電力変換装置２は、車体１の床下に懸架される形で設置されている。
【００１１】
図２は、鉄道車両用の電力変換装置２の主回路構成の一例を示す図である。
パンタグラフ４の上昇により架線３から取り込まれる直流電力は、高速度遮断器（ＨＢ）５および電磁接触器（ＬＢ）６ａの投入により、高速度遮断器（ＨＢ）５→電磁接触器（ＬＢ）６ａ→充電抵抗器（ＣＨＲｅ）７→フィルタリアクトル（ＦＬ）８を経由してフィルタコンデンサ（ＦＣ）９を充電する。その後、電磁接触器（ＬＢ）６ｂが投入され、パワーユニット（ＰＵ）１０内のパワーデバイス素子のスイッチングにより、主電動機１２に三相交流電力が供給され、主電動機１２は駆動トルクを出力する。
【００１２】
これらの機器は使用時に少なからず発熱するため、その発熱量が大きなものに対しては積極的に冷却する必要がある。
ここにおいて、上記した主回路内において主な発熱体である、フィルタリアクトル（ＦＬ）８およびブレーキ抵抗器（ＢＲｅ）１１は、最大発熱期間が異なる発熱体である。
【００１３】
リアクトルが電圧変化を抑制する機能を有することから、フィルタリアクトル（ＦＬ）８は、適切なリアクトル値を設定することで、インバータ装置内の半導体素子がスイッチングすることにより発生する電圧の高周波ノイズを抑制して架線を保護し、短絡事故時の電流の急激な放出を抑えることを主な目的とした機器である。
【００１４】
また、ブレーキ抵抗器（ＢＲｅ）１１は、回生不可時やフィルタコンデンサ（ＦＣ）９の過電圧時に、自らを通して回路内の電気エネルギーを放出することを主な目的とした機器である。
【００１５】
これら２つの機器は、同時に最大発熱量になることがないため、最大発熱期間が異なるものである。ここで、最大発熱期間とは、発熱体に最大負荷がかかった状態の期間であり、換言すると、最大発熱量を発生させている期間のことである。
【実施例１】
【００１６】
図３は、本発明の実施例１に係る鉄道車両用の電力変換装置内の機器の配置構成を示す図である。地面側から鉄道車両の床下面を見上げた場合の配置構成を示し、紙面の左右方向が車両の進行方向、紙面の上下方向が線路の幅（枕木）方向である。【００１７】
複数の発熱体（フィルタリアクトル（ＦＬ）８ａと８ｂ、パワーユニット（ＰＵ）１０およびブレーキ抵抗器（ＢＲｅ）１１）を収納した収納庫１３は、冷却風が流れることから、風洞とみなすことができる。収納庫（風洞）１３内において、これら複数の発熱体が、送風機１４からの冷却風の流れに対して直列または並列に配置されている。【００１８】
ここで、送風機１４は、収納庫（風洞）１３内に冷却風を流す役割を担えさえすれば、収納庫（風洞）内外のどこに位置してもよく、また、冷却性能を満足するのであれば冷却風の入風口と排風口は逆転しても構わない。更に、車両走行風で冷却性能を満たせるのであれば、送風機１４を敢えて設ける必要はない。【００１９】
また、図３において並列に配置したフィルタリアクトル（ＦＬ）８ａと８ｂは、フィルタリアクトル（ＦＬ）を主回路内の正電位側と負電位側または接地側とにそれぞれ設けた場合（図２では図示せず）を想定したもので、必須ではなく、正電位側のみで構成されてもよい。【００２０】
このように、同一収納庫（風洞）内に複数の発熱体を配置する場合には、個々の発熱体が冷却風の温度に与える影響を考慮して、個々の発熱体のサイズや配置などを設計しなければならない。【００２１】
図３に示すように、実施例１は、最大発熱期間が等しいフィルタリアクトル（ＦＬ）８ａおよび８ｂを冷却風の流れに対して並列に配置し、フィルタリアクトル（ＦＬ）８ａおよび８ｂと最大発熱期間が異なるブレーキ抵抗器（ＢＲｅ）１１を冷却風の流れに対し直列に配置している。【００２２】
すなわち、本発明は、最大発熱期間が異なる発熱体に関しては、冷却風の流れに対し直列に配置し、最大発熱期間が等しいまたはほぼ等しい発熱体に関しては、冷却風の流れに対して並列に配置すること、を要旨とするものである。【００２３】
また、最大発熱期間が重複する異なる発熱体であっても、その発熱による温度上昇値が他の発熱体に比べて小さいものであれば、他の発熱体と併存して同じ収納庫（風洞）内に配置してもよい。
例えば、パワーユニット（ＰＵ）について考察する。パワーユニット（ＰＵ）は、内部にパワーデバイスとしての半導体素子を有し、この半導体素子のスイッチングにより、力行時は直流電力を三相交流電力へ変換し、回生時は逆方向に電力を変換することにより、主電動機のトルク制御を行う機器である。【００２４】
パワーユニット（ＰＵ）１０は、半導体素子のスイッチングにより発熱するが、その発熱による温度上昇値は、フィルタリアクトル（ＦＬ）８ａおよび８ｂ並びにブレーキ抵抗器（ＢＲｅ）１１と比較して小さいため、図３に示すように、これらの機器より風上側に配置する。【００２５】
風上側に配置する理由は、仮に風下側に配置すると、フィルタリアクトル（ＦＬ）８ａおよび８ｂ並びにブレーキ抵抗器（ＢＲｅ）１１を経た冷却風を受けることになり、これらの排熱に耐える必要性が生じるため、この点を満たす設計となるとパワーユニット（ＰＵ）１０の大型化を招くことになるからである。【００２６】
さらに、実施例１では、図３に示すように、風上側から、パワーユニット（ＰＵ）１０、並列のフィルタリアクトル（ＦＬ）８ａおよび８ｂ、更にブレーキ抵抗器（ＢＲｅ）１１の順序で配置しているが、この順序は、温度に対する裕度の小さいものを風上側に、大きなものを風下側に配置するためである。【００２７】
ここで「裕度」とは、機器の耐熱温度から発熱による温度上昇後の機器温度を差し引いた余裕値のことである。複数の発熱体を同一風洞内に直列に配置する場合、発熱体による発熱で風下側になるほど冷却風の温度は高くなる。そのため、裕度の高いものを風下側におく必要がある。ただし、異なる発熱体であっても裕度が同程度ならば、風上側または風下側のどちらに配置してもよい。【００２８】
次に、発熱体の最大発熱期間を考慮しない場合と考慮する場合において、収納庫（風洞）内を通過する冷却風の温度について検討する。図４は、発熱体の最大発熱期間を考慮しない場合、図５は、発熱体の最大発熱期間を考慮する場合、それぞれの収納庫（風洞）内を通過する冷却風の位置と温度との関係を示すグラフである。【００２９】
発熱体の最大発熱期間を考慮しない場合、収納庫（風洞）内を通過する冷却風の温度は、図４に示すように、複数の発熱体がいずれも最大負荷で発熱している時間を想定し、その温度上昇分が加算された見積もりとなる。【００３０】
一方、発熱体の最大発熱期間を考慮する場合、収納庫（風洞）内を通過する冷却風の温度は、発熱体が最大発熱期間であるかどうかで差が生じることになる。例えば、回生の不可時は、ブレーキ抵抗器（ＢＲｅ）１１を使用して回路内の電気エネルギーを放出するが、この際フィルタリアクトル（ＦＬ）８ａと８ｂは使用していないか、あるいは最大負荷状態ではないため、発熱量は小さいとみなせる。そのため、収納庫（風洞）内の冷却風の温度上昇は、図５に示すように見積もることができる。【００３１】
発熱体の発熱タイミングを考慮しない図４の場合と比べ、入風の温度Ｔ０に近い冷却風温度によるブレーキ抵抗器（ＢＲｅ）１１の設計、あるいは、収納庫（風洞）内の温度や収納庫（風洞）からの排風の温度の設定が可能となる。同様に、フィルタリアクトル（ＦＬ）８ａと８ｂの最大負荷時は、ブレーキ抵抗器（ＢＲｅ）１１は使用していないか、あるいは最大負荷状態ではなく発熱量は小さいとみなして、温度上昇値を見積もることができる。【００３２】
以上のように、鉄道車両用の電力変換装置においては、フィルタリアクトル（ＦＬ）およびブレーキ抵抗器（ＢＲｅ）の発熱が、収納庫（風洞）内の温度上昇において支配的であり、また、これらの機器は、一般にその物理的大きさ（サイズ）も電力変換装置内においては支配的となる。このような状況下にあって、本発明を採用することにより、収納庫（風洞）内で発熱体を直列に配置した時の総発熱量を、従来の配置構成の場合より的確に見積もることで、小さい見積もりとなり、発熱体の高密度化に対する小型化、また送風機の小型化、延いては電力変換装置全体の小型化が見込めることになる。よって、限られた艤装スペース内での実装も可能となる。【００３３】
更には、実施例１では、フィルタリアクトル（ＦＬ）およびブレーキ抵抗器（ＢＲｅ）に対して、温度上昇値が比較的小さいパワーユニット（ＰＵ）を同一収納庫（風洞）内に直列に配置することが可能となり、送風機の個数および部品点数を削減することができる。
【実施例２】
【００３４】
図６は、本発明の実施例２に係る鉄道車両用の電力変換装置内の機器の配置構成を示す図である。図７は、その配置構成の変形例を示す図である。実施例１で説明した機器と同様の機器には、同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。図３と同様に、地面側から鉄道車両の床下面を見上げた場合の配置構成であり、紙面の左右方向が車両の進行方向、紙面の上下方向が線路の幅（枕木）方向である。【００３５】
ここで、送風機３０は、収納庫（風洞）１３内に冷却風を流す役割を担えさえすれば、収納庫内外のどこにあってもよく、また、冷却性能を満たせるのであれば冷却風の入風口と排風口は逆転しても構わない。更に、車両走行風で冷却性能を満たせるのであれば、送風機３０を敢えて設ける必要はない。【００３６】
図６に示す配置構成では、収納庫（風洞）１３を１３ａおよび１３ｂの２つに分けて設け、収納庫（風洞）１３ｂの方に、最大発熱期間の異なるフィルタリアクトル（ＦＬ）８とブレーキ抵抗器（ＢＲｅ）１１とを直列に配置し、収納庫（風洞）１３ａの方に、比較的発熱量が小さく最大発熱期間が他の発熱体と重複するパワーユニット（ＰＵ）１０を配置する。【００３７】
その上で、収納庫（風洞）１３ａおよび１３ｂのそれぞれに対して、送風機３０からの冷却風を、冷却性能を満足できる任意の風量配分で流し、各発熱体を冷却する。ここで、任意の風量配分を流すに当たっては、収納庫（風洞）１３ａと１３ｂとの開口比をその風量配分割合を得るために必要な値とする（図６では、開口比３：７の場合）。これにより、冷却風の風量を有効に利用することができる。【００３８】
また、図７に示す配置構成では、収納庫（風洞）１３を途中まで２つに分け、それぞれにパワーユニット（ＰＵ）１０とフィルタリアクトル（ＦＬ）８とを配置し、両者の風下側に跨るように、発熱量の大きいブレーキ抵抗器（ＢＲｅ）１１を配置する。【００３９】
その上で、収納庫（風洞）１３のパワーユニット（ＰＵ）１０側およびフィルタリアクトル（ＦＬ）８側のそれぞれに対して、送風機３０からの冷却風を、冷却性能を満足できる任意の風量配分で流し（図７では、開口比３：７の場合）、ブレーキ抵抗器（ＢＲｅ）１１に対しては、両方からの冷却風を流す。これにより、冷却風の風量を有効に利用することができる。なお、開口比については、図６および７共に、図に示す比（３：７の割合）に限定されるものではない。【００４０】
ここで、フィルタリアクトル（ＦＬ）８とブレーキ抵抗器（ＢＲｅ）１１とは、最大発熱期間が異なるため、実施例１の場合と同様に、個々の発熱体の最大発熱期間を考慮することで、考慮しない場合と比べ冷却風の温度が入風の温度に近いと仮定して、フィルタリアクトル（ＦＬ）８およびブレーキ抵抗器（ＢＲｅ）１１の設計、あるいは、収納庫（風洞）１３内の温度や収納庫（風洞）１３からの排風の温度の設定が可能となる。【００４１】
以上のように、実施例２によっても、実施例１で述べた効果と同様の効果を得ることができる。更に、実施例２では、温度上昇値がフィルタリアクトル（ＦＬ）やブレーキ抵抗器（ＢＲｅ）に対して比較的小さいが最大発熱期間が重複するパワーユニット（ＰＵ）を並列した別の収納庫（風洞）内に配置し、冷却風を任意の風量に分割して有効に活用することにより、送風機の個数または能力および部品点数の更なる削減を達成することができる。
【符号の説明】
【００４２】
１  車体、２  電力変換装置、３  架線、４  パンタグラフ、
５  高速度遮断器（ＨＢ）、６ａ，６ｂ  電磁接触器（ＬＢ）、
７  充電抵抗器（ＣＨＲｅ）、８，８ａ，８ｂ  フィルタリアクトル（ＦＬ）、
９  フィルタコンデンサ（ＦＣ）、１０  パワーユニット（ＰＵ）、
１１  ブレーキ抵抗器（ＢＲｅ）、１２  主電動機（Ｍ１〜Ｍ４）、
１３，１３ａ，１３ｂ  収納庫（風洞）、１４，３０  送風機
【図１】
2020137133.tif 000003
【図２】
2020137133.tif 000004
【図３】
2020137133.tif 000005
【図４】
2020137133.tif 000006
【図５】
2020137133.tif 000007
【図６】
2020137133.tif 000008
【図７】
2020137133.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】令和2年10月21日(2020.10.21)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄道車両を駆動する電動機に電力を供給するために当該鉄道車両の床下に艤装される電力変換装置であって、
冷却風が流れる風洞を構成する収納庫に、前記電力変換装置を構成する機器である、パワーユニット、フィルタリアクトルおよびブレーキ抵抗器が、前記機器の耐熱温度から発熱による温度上昇後の当該機器の温度を差し引いた余裕値が小さい順に、前記冷却風の風上側から直列に配置される
ことを特徴とする鉄道車両用の電力変換装置。
【請求項２】
請求項１に記載の鉄道車両用の電力変換装置であって、
前記機器の少なくとも一つが複数個備えられる場合に、複数個の当該機器が前記冷却風の流れに対して並列に配置される
ことを特徴とする鉄道車両用の電力変換装置。
【請求項３】
（削除）
【請求項４】
（削除）
【請求項５】
鉄道車両を駆動する電動機に電力を供給するために当該鉄道車両の床下に艤装される電力変換装置であって、
冷却風が流れる風洞を構成する収納庫が前記冷却風の流れに対して並列に分割して設けられ、
一方の前記収納庫に、パワーユニットが配置され、
他方の前記収納庫に、最大発熱量を発生させている期間が異なるフィルタリアクトルとブレーキ抵抗器とが前記冷却風の流れに対して直列に配置される
ことを特徴とする鉄道車両用の電力変換装置。
【請求項６】
請求項５に記載の鉄道車両用の電力変換装置であって、
前記冷却風を、前記一方および前記他方の各収納庫に対して任意の風量に分割して送る
ことを特徴とする鉄道車両用の電力変換装置。
【請求項７】
請求項１、２、５および６のいずれか１項に記載の鉄道車両用の電力変換装置であって、
前記冷却風は、前記収納庫の内外のどちらかに設けた送風機が送る風または車両走行風である
ことを特徴とする鉄道車両用の電力変換装置。
【国際調査報告】
2020137133.tif 000010
2020137133.tif 000011
2020137133.tif 000012
2020137133.tif 000013