JP6048607B1 - 鉄道車両用電力変換装置 - Google Patents
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Abstract
Description
まず、図1〜図5を参照して、本発明の第1実施形態による鉄道車両10用の電力変換装置100の構成について説明する。なお、電力変換装置100は、特許請求の範囲の「鉄道車両用電力変換装置」の一例である。以下では、鉄道車両10の走行方向をX軸方向とし、線路1におけるX軸方向と直交する枕木方向をY軸方向とし、X軸方向およびY軸方向に共に直交する上下方向をZ軸方向として説明を行う。
電力変換装置100は、電力変換を行う半導体装置20と、半導体装置20内の半導体素子から発生する熱を外気に放熱するための冷却部30とを備える。また、図2に示すように、電力変換装置100は、車体11の床下空間11aにおいて車体11の下面11bに吊り下げられて固定されている。また、下面11bの側(Z1側)に半導体装置20が配置されるとともに、線路1の側(Z2側)に冷却部30が配置されている。また、冷却部30は、車体11の延びるX軸方向に沿って所定の間隔を隔てて配置された放熱フィン31(X1側)および放熱フィン32(X2側)を含んでいる。なお、放熱フィン31および32は、それぞれ、半導体装置20の下面(Z2側)から鉛直下方(線路1の側)に向かって延びるとともに、X軸方向に沿って薄板状に延びている。なお、半導体装置20は、特許請求の範囲の「電力変換装置本体」の一例である。また、放熱フィン31および32は、それぞれ、特許請求の範囲の「第1放熱フィン」および「第2放熱フィン」の一例である。
導風ダクト40は、図3に示すように、放熱フィン31(32)における枕木方向(Y軸方向)に沿った一方側(Y1側)の外側面31a(32a)に沿って連続的に配置されたダクト部41と、放熱フィン31(32)における枕木方向に沿った他方側(Y2側)の外側面31b(32b)に沿って連続的に配置されたダクト部42とを含む。ダクト部41および42は、図5に示すように、車体11のX軸方向に延びる中心線150(一点鎖線)に対して枕木方向に線対称構造となっている。すなわち、導風ダクト40は、放熱フィン31および32の各々の枕木方向におけるY1側の外側面31a(32a)およびY2側の外側面31b(32b)の両方において走行方向に沿って延びている。以下に、Y1側のダクト部41について、その詳細な構造を説明するとともに、適宜、Y2側のダクト部42についても説明を加えて、導風ダクト40の全体的な構成を説明する。なお、外側面31a、31b、32aおよび32bは、それぞれ、特許請求の範囲の「側端部」の一例である。
第1実施形態では、以下のような効果を得ることができる。
図1、図6および図7を参照して、第2実施形態について説明する。この第2実施形態では、空間Sにおける導風ダクト240の底面形状を上記第1実施形態と異ならせた例について説明する。なお、図中において、上記第1実施形態と同様の構成の部分には、同一の符号を付している。
第2実施形態では、上記のように、放熱フィン31または32の風上側の両側方から空気を取り込むとともに取り込んだ空気を空間S近傍で上方向に曲げた状態で空間S内の中央部側に導くように導風ダクト240を構成する。これにより、空間Sにおいて、放熱フィン31(または放熱フィン32)で熱交換されていない新鮮外気(低温空気)を、放熱フィン31(または放熱フィン32)で熱交換されて暖められた高温空気よりも上層を通過させた状態で空間S内の中央部側(中心線150の近傍の領域)に導くことができる。したがって、相対的に密度の大きい低温空気(新鮮外気)の重みによって高温空気が放熱フィン32(または放熱フィン31)の端部32c(または端部31c)に顕著に導かれるのを抑制しつつ、この新鮮外気(低温空気)を放熱フィン32(または放熱フィン31)の端部32c(または端部31c)に確実に供給することができる。
図1、図8および図9を参照して、第3実施形態について説明する。この第3実施形態では、放熱フィン31および32の下面領域31e(32e)を覆うように導風ダクト340を構成した例について説明する。なお、図中において、上記第2実施形態と同様の構成の部分には、同一の符号を付している。
第3実施形態では、上記のように、放熱フィン31および32の各々の走行方向に沿って延びる下端部31f(32f)を下方から覆うとともに下端部31f(32f)に沿って延びる接続部343および344を設けて導風ダクト340を構成する。これにより、放熱フィン31および32の下端部31f(32f)を導風ダクト340の接続部343および344により覆って放熱フィン31および32の内部(隣接するフィン間の溝の部分)にも走行風の通風路を容易に確保することができるので、導風ダクト340が放熱フィン31および32を覆わずに放熱フィン31および32が外部に露出(開放)されている場合と比較して、放熱フィン31および32に対して鉄道車両10の走行方向に沿って流通される空気の流れを確実に形成することができる。これにより、導風ダクト340(ダクト部341および342)を介して供給される新鮮外気(低温空気)を有効に利用して放熱フィン32(または放熱フィン31)の放熱性能を確実に維持することができる。
図1、図8、図10を参照して、第4実施形態について説明する。この第4実施形態では、導風ダクト440の横幅(枕木方向)を上記第3実施形態における導風ダクト340(図8参照)よりも広く(大きく)構成した例について説明する。なお、図中において、上記第3実施形態と同様の構成の部分には、同一の符号を付している。
第4実施形態では、上記のように、ダクト部441および442の幅W3を上記第3実施形態におけるダクト部341および342の幅W1よりも大きく形成する。これにより、走行速度が比較的低速で運行されるような鉄道車両10において走行時の走行風が不足しがちな場合にも、空間Sに導入される空気量をより多く確保することができるので、放熱フィン31および32の放熱性能を維持することができる。なお、第4実施形態のその他の効果は、上記第3実施形態と同様である。
図1、図9、図11および図12を参照して、第5実施形態について説明する。この第5実施形態では、導風ダクト540のX軸方向の長さL2を上記第3実施形態における導風ダクト340(図9参照)よりも短く構成した例について説明する。なお、図中において、上記第3実施形態と同様の構成の部分には、同一の符号を付している。
第5実施形態では、上記のように、導風ダクト540を構成するダクト部541および542のX軸方向の長さL2を上記第3実施形態におけるダクト部341および342(図9参照)の長さL1(図9参照)よりも小さく構成する。これにより、鉄道車両10の走行時に、斜め下方からの冷たい走行風を放熱フィン31(32)の下面領域31e(32e)に供給しやすくするとともに、この走行風を放熱フィン31(32)の風上側の両側方となるダクト部541(流路41a)およびダクト部542(流路42a)からより容易に取り込みやすくすることができる。すなわち、放熱フィン31(32)の下面領域31e(32e)を部分的に線路1側に露出しつつ、接続部543(544)で覆われた下面領域31e(32e)に走行風の流路を確保して、風上側の放熱フィン31(または放熱フィン32)の放熱性能を向上させることができる。その上で、風下側の放熱フィン32(または放熱フィン31)の放熱性能の低下も効率よく抑制することができる。なお、第5実施形態のその他の効果は、上記第3実施形態と同様である。
図1、図3および図13を参照して、第6実施形態について説明する。この第6実施形態では、導風ダクト640に開口部45(図3参照)を設けない例について説明する。なお、図中において、上記第4実施形態と同様の構成の部分には、同一の符号を付している。
第6実施形態では、上記のように、放熱フィン31と放熱フィン32との間の空間Sを取り囲む接続部643を導風ダクト640に設ける。そして、放熱フィン31または32のいずれか一方を冷却した空気と、放熱フィン31または32のいずれか一方の側方から取り込まれるとともに領域Sに導かれた空気とを混合して、放熱フィン31または32のいずれか他方の走行方向の端部32c(31c)に導くように導風ダクト640を構成する。これにより、導風ダクト640により取り囲まれた放熱フィン31と放熱フィン32との間の空間Sにおいて、放熱フィン31(放熱フィン32)で熱交換された高温空気と放熱フィン31(放熱フィン32)で熱交換されていない低温空気(新鮮外気)とが合算された流量を有する空気を、放熱フィン32(または放熱フィン31)の端部32c(または端部31c)直接的に供給することができる。これにより、導風ダクト640を用いて取り込まれた空気(走行風)のみならず上流側の放熱フィン31(または放熱フィン32)を通過した空気をも下流側の放熱フィン32(または放熱フィン31)に供給することができるので、新鮮外気の温度よりも若干温度上昇した混合空気であっても、放熱フィン32(または放熱フィン31)の放熱性能が極度に低下するのが抑制されて放熱性能を維持することができる。
今回開示された実施形態は、全ての点で例示であり制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更(変形例)が含まれる。
11a 床下空間
20 半導体装置(電力変換装置本体)
30 冷却部
31 放熱フィン(第1放熱フィン)
31a、31b、32a、32b 外側面(側端部)
31c、32c 端部(走行方向の端部)
31d、32d 端部
31e、32e 下面領域
31f、32f 下端部
32 放熱フィン(第2放熱フィン)
40、240、340、440、540、640 導風ダクト
41、42、241、242、341、342、441、442、541、542 ダクト部
41a、41b、42a、42b、541a、541b、542a、542b 流路
41c、41d、42c、42d、441c、441d、442c、442d 側面
41e、41f、42e、42f、241e、241f、242e、242f、441e、441f、442e、442f 底面
45 開口部
46 風向板
100、200、300、400、500、600 電力変換装置(鉄道車両用電力変換装置)
343、344、543、544、643 接続部
345、346 先端部
S 空間(第1放熱フィンと第2放熱フィンとの間の領域)
W1、W2、W3 幅
Claims (15)
- 鉄道車両の走行方向の一方側に前記走行方向に沿って延びるように配置され、前記鉄道車両に搭載された電力変換装置本体の熱を放熱する第1放熱フィンと、
前記走行方向の他方側でかつ前記第1放熱フィンに対して所定の間隔を隔てて前記走行方向に沿って延びるように配置され、前記電力変換装置本体の熱を放熱する第2放熱フィンと、
前記鉄道車両の走行時に、前記第1放熱フィンまたは前記第2放熱フィンのいずれか一方の側方から空気を取り込むとともに取り込んだ空気を前記第1放熱フィンと前記第2放熱フィンとの間の領域に導いて前記第1放熱フィンまたは前記第2放熱フィンのいずれか他方の前記走行方向の端部に導くように構成された導風ダクトと、を備え、
前記導風ダクトでは、前記第1放熱フィンの側方に沿って延びるとともに前記領域内の中央部側に向かって傾斜している第1側面と、前記第2放熱フィンの側方に沿って延びるとともに前記領域内の中央部側に向かって傾斜している第2側面とが、前記領域内で互いに接続されている、鉄道車両用電力変換装置。 - 鉄道車両の走行方向の一方側に前記走行方向に沿って延びるように配置され、前記鉄道車両に搭載された電力変換装置本体の熱を放熱する第1放熱フィンと、
前記走行方向の他方側でかつ前記第1放熱フィンに対して所定の間隔を隔てて前記走行方向に沿って延びるように配置され、前記電力変換装置本体の熱を放熱する第2放熱フィンと、
前記鉄道車両の走行時に、前記第1放熱フィンまたは前記第2放熱フィンのいずれか一方の側方から空気を取り込むとともに取り込んだ空気を前記第1放熱フィンと前記第2放熱フィンとの間の領域に導いて前記第1放熱フィンまたは前記第2放熱フィンのいずれか他方の前記走行方向の端部に導くように構成された導風ダクトと、を備え、
前記導風ダクトは、前記第1放熱フィンおよび前記第2放熱フィンの各々の前記走行方向と直交する枕木方向における両側端部に設けられており、
前記導風ダクトは、前記第1放熱フィンまたは前記第2放熱フィンのいずれか一方の両側方から空気を取り込むとともに取り込んだ空気を前記導風ダクトを介して前記領域内の中央部側に導いた状態で、空気を前記第1放熱フィンまたは前記第2放熱フィンのいずれか他方の前記走行方向の端部に導入するように構成されており、
前記導風ダクトは、前記両側方から空気を取り込むとともに取り込んだ空気を前記領域近傍で上方向に曲げた状態で前記領域内の中央部側に導くように構成されている、鉄道車両用電力変換装置。 - 鉄道車両の走行方向の一方側に前記走行方向に沿って延びるように配置され、前記鉄道車両に搭載された電力変換装置本体の熱を放熱する第1放熱フィンと、
前記走行方向の他方側でかつ前記第1放熱フィンに対して所定の間隔を隔てて前記走行方向に沿って延びるように配置され、前記電力変換装置本体の熱を放熱する第2放熱フィンと、
前記鉄道車両の走行時に、前記第1放熱フィンまたは前記第2放熱フィンのいずれか一方の側方から空気を取り込むとともに取り込んだ空気を前記第1放熱フィンと前記第2放熱フィンとの間の領域に導いて前記第1放熱フィンまたは前記第2放熱フィンのいずれか他方の前記走行方向の端部に導くように構成された導風ダクトと、を備え、
前記第1放熱フィンおよび前記第2放熱フィンは、前記鉄道車両の床下空間に設置されており、
前記導風ダクトは、前記第1放熱フィンと前記第2放熱フィンとの間の前記領域に前記第1放熱フィンまたは前記第2放熱フィンのいずれか一方を冷却した空気を排出するとともに、前記第1放熱フィンまたは前記第2放熱フィンのいずれか一方の側方から取り込まれた空気を前記領域を介して前記第1放熱フィンまたは前記第2放熱フィンのいずれか他方の前記走行方向の端部に導くように構成されており、
前記導風ダクトは、前記領域において外部に開口する開口部を含み、
前記導風ダクトは、前記開口部を介して前記第1放熱フィンまたは前記第2放熱フィンのいずれか一方を冷却した空気を外部に排出するとともに、前記第1放熱フィンまたは前記第2放熱フィンのいずれか一方の側方から取り込まれた空気を前記領域を介して前記第1放熱フィンまたは前記第2放熱フィンのいずれか他方の前記走行方向の端部に導くように構成されている、鉄道車両用電力変換装置。 - 前記導風ダクトは、前記第1放熱フィンと前記第2放熱フィンとの間の前記領域に跨って設けられている、請求項1〜3のいずれか1項に記載の鉄道車両用電力変換装置。
- 前記導風ダクトは、前記第1放熱フィンおよび前記第2放熱フィンの各々の前記走行方向と直交する枕木方向における両側端部に設けられており、
前記導風ダクトは、前記第1放熱フィンまたは前記第2放熱フィンのいずれか一方の両側方から空気を取り込むとともに取り込んだ空気を前記導風ダクトを介して前記領域内の中央部側に導いた状態で、空気を前記第1放熱フィンまたは前記第2放熱フィンのいずれか他方の前記走行方向の端部に導入するように構成されている、請求項1または3に記載の鉄道車両用電力変換装置。 - 前記導風ダクトは、前記導風ダクトの側面が前記領域内の中央部側に曲がることにより、空気を前記領域内の中央部側に導くとともに前記第1放熱フィンまたは前記第2放熱フィンのいずれか他方の前記走行方向の端部に導入するように構成されている、請求項5に記載の鉄道車両用電力変換装置。
- 前記導風ダクトは、前記領域において前記導風ダクトの底面が上方に曲がることにより、空気を前記領域近傍で上方向に曲げた状態で前記領域内の中央部側に導くように構成されている、請求項2に記載の鉄道車両用電力変換装置。
- 前記第1放熱フィンおよび前記第2放熱フィンは、前記鉄道車両の床下空間に設置されており、
前記導風ダクトは、前記第1放熱フィンと前記第2放熱フィンとの間の前記領域に前記第1放熱フィンまたは前記第2放熱フィンのいずれか一方を冷却した空気を排出するとともに、前記第1放熱フィンまたは前記第2放熱フィンのいずれか一方の側方から取り込まれた空気を前記領域を介して前記第1放熱フィンまたは前記第2放熱フィンのいずれか他方の前記走行方向の端部に導くように構成されている、請求項1または2に記載の鉄道車両用電力変換装置。 - 前記導風ダクトは、前記第1放熱フィンおよび前記第2放熱フィンの各々の下面の少なくとも一部を前記鉄道車両の下方に向けて露出させた状態で、前記第1放熱フィンおよび前記第2放熱フィンの前記走行方向に沿った側端部に沿って延びている、請求項3または8に記載の鉄道車両用電力変換装置。
- 前記導風ダクトは、前記第1放熱フィンおよび前記第2放熱フィンの各々の前記走行方向に沿って延びる下端部を下方から覆うとともに前記下端部に沿って延びている、請求項3または8に記載の鉄道車両用電力変換装置。
- 前記導風ダクトは、前記鉄道車両の走行時に空気が取り込まれる側の前記第1放熱フィンおよび前記第2放熱フィンの各々の端部よりも風上側に突出している、請求項3、8〜10のいずれか1項に記載の鉄道車両用電力変換装置。
- 前記導風ダクトは、前記第1放熱フィンと前記第2放熱フィンとの間の前記領域を取り囲むように構成されており、
前記導風ダクトは、前記第1放熱フィンまたは前記第2放熱フィンのいずれか一方を冷却した空気と、前記第1放熱フィンまたは前記第2放熱フィンのいずれか一方の側方から取り込まれるとともに前記領域に導かれた空気とを混合して、前記第1放熱フィンまたは前記第2放熱フィンのいずれか他方の前記走行方向の端部に導くように構成されている、請求項8に記載の鉄道車両用電力変換装置。 - 前記導風ダクトは、前記第1放熱フィンから前記第2放熱フィンに亘って一体的に設けられている、請求項1〜12のいずれか1項に記載の鉄道車両用電力変換装置。
- 前記第1放熱フィンおよび前記第2放熱フィンは、前記鉄道車両の下方に向かって延びており、
前記導風ダクトは、前記第1放熱フィンおよび前記第2放熱フィンの各々の前記枕木方向における両側端部において前記走行方向に沿って延びている、請求項5または6に記載の鉄道車両用電力変換装置。 - 前記導風ダクトは、前記第1放熱フィンと前記第2放熱フィンとの間の前記領域における前記走行方向と直交する枕木方向に沿った中心線に対して前記走行方向に対称な形状を有している、請求項1〜14のいずれか1項に記載の鉄道車両用電力変換装置。
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