The Japan The Japan Society Sooiety of Meohanioal Mechanical Engineers Engineers of 450 日 本 機 械 学 会 誌 2011 s 顳 ．6Vot 、114 No ． 111i 走 行 風 を 利 用 した 冷 却 シ ス テ 厶 を 導 入 した 新 幹線 用 主 変換装 置 妻 翠 笋 Train −Draft−Cooling Power Converters for the SHINKANSEN High ：Speed−Train ［体 素 子 に は GTO （Gate Turn −Off ） 素 子 を 適 用 し ，そ の 後 の ．Thyristor N700 lnsu− ．70D 系 ， 系で は IGBT （ ， t。d G 、t 。 Bip 。 la， T ， ansi 。t。，） 素 接合 部 の 温度 限 度 は 120 ℃ 程 度 で あ 子 を 適 用 した ．主 変 換 装 置 は 単 相 交 流 ある 、 り ，こ れ k 積 極 的 に 取 り除 く 冷却器 が 必要 な の で 12 を 直 流 に変 換 す る バ ータ 部 と そ の 直 流 を 三 相 交 流 に 変 換す る イ ン バ ータ コ ン 鑼 部 に 分 け られ る ． （ 図 1） こ れ 加藤 宏和 HirOkazu KATO そ の 高 速 ス イ 鄲 7 994 年 ， 4 月東海旅 客鉄道 （ 株 ） 入 社 2005 年 月 新幹線 鉄 道 事 業本 部車両 部車両 課 課 長 代理 ．走 行 風 冷 却 主 ，2008 年 7 月浜 （車 両 の 電 気 機 器 の 設 計 に 従 事 変換装置 の塁廬 設計 に 関 わる） 松 工 場 電 機職場 職 場 長 ，（ 走 行風 冷 却主 変 換 装 置 の 検 修 方 法 の 建 立 に 関 わ る ） 2010 年 幹 線鉄道事 業本部 車両部 車両課課長 代理 ■ 主 と して行 っ て い る業 務 ・車 両 の 電 気 機 器 の 設 計 ら に は 半 導体 素 子 が 使 用 さ れ 7 月新 ・研 究 ■ 所 属学会 お よび 主 な活勳 電気学 会 圏 勤務先 東 海 旅 客 鉄道 （ 橡 ） 新 幹線 鉄 道事 業本部 車 両 部車両 課 （〒 100・GOO5 東 京都 千代 田 区丸 の 内 1 −91 ） 御 して い ， 儷 新 幹線の主 変換 装置 は大出力 で ある た め に 、冷 却器 も 大 容量 で あ る 、冷却 チ ン グに よ り電 圧 を制 ッ る ．半 導 体 は オ ン を超 え る と 半 導 体 素 子 は 破 壊 す る ，こ の た め 主 変 換 装 置 に は 発 熱 を 器 を 小 型 化 し て い く こ と が ，主 変 換 装 して い る と き に も 損 失が 発 生 す る し （ 導通 損失）， 置 の 軽量 化 につ な が り，車 両 全 体 の 軽 イ 隊 チ ン グ 過程 で も 損 失が 発生す る 量 化 に も つ な がる ．よ っ て 冷 却 器 に は チ ン グ 損 失 ），主 変 換 装 置 は 半 冷 却 能 力 の 高 い 強 制 風 冷 方 式 を 採用 し ； ・ スイ （ ッ 導 体 素 子 の 低 損 失 化 に従 い ，変 換 効 率 て き た ，こ の 方 式 は 冷 媒を 用 い て が 向 上 し，N700 系 で は コ ン バ ータ 部 が 約 980／o以 上 ，イ ン バ ータ 部が 約 99 ％ 以 上 と 高 効率 に な っ て い る ， し ，そ の 熱を大 型の 送 風機 で 強制 的に冷却す る も の で あ る ，送風 機 を 利用 す る こ と に よ り走 行条 件 に か か わ ら ず ，常 に 安 か し ，新幹線 の 主 変換 装置 は 高速走 行 定 した 冷 却風 量 が 得 られ る 、そ して 素 を 行 う た め 大 き な パ ワ ーを 出 力 す る ， 子 の 低 損 失 化 を 利 用 し，冷 却 器 も 最 適 最 高 速 度 270Km ／h （ 東海道）で の 化 を 図 っ て き た ，近 年で は 沸騰 した 冷 ン バ ータ ー 部，イ ン バ タ 部 の 合 計 で 約 12kW 東 海 道 新 幹 線 の N700 系 は ，「東 と な る 、こ の 発 熱量 は 家庭 用 の 電 気ス 海 道 ・L］陽 新 幹 線 と し て 最 新 ・ 最 良 ・ トー ブ が 約 1200W 程度と考える 2007 、 最 速 の 車 両 」 と して 開 発 さ れ と ， O 台 程 度 の 発 熱 量 と な る ．一方 ， ー 年 7 月に デビ し た ．そ の N700 熱 の 発 生 源 で あ る 半 導 体 素 子 の PN 発熱量 ） は コ 走行 中の 損 失 （ ュ 媒 を ヒ ー トパ イ プ で 熱 交 換 器 へ 送 り ， 送 風 機 に よ り冷 却 す る 方 式 が主 流 と な っ て い る． N700 系 開発 当時 主 変 換装 置 の 冷却 は これまで の 技術 的な流 れの とお り ，送 風 機 に よ る 強 制 風 冷 で 冷 却 器 の 系 の 動 力源で あ る 主 電 動機 を 制御 す る 主 変換装 置 に は 高 速 車両 と し て は 初 め 主 変 換 装置 て の走 行風 で 冷却 す る方式 を導 入 して い る ，以 下 に 装 置 の 概 要 と 開 発 経 緯 を 示す． 1 ，・主 変黼 匹 」 主変圧器 匡 」 3 とは 「 主 変換装 置 とは 主電動 機を 可変速 制 御 す る た め に 電 圧 ，電 流 、周 波 数 を 変 は 東 海 道 新幹 線 で は 線車 両 か ら採 用 さ れ 300 ，そ の 主 系新幹 一 1 喝 主 電動機 × 、 亀 ＼ダ イ オ ー Jに 換 す る 重 要 な 装 置 で あ る ，そ の 主 変 換 装置 」 ・一 、 ：1 ン 要な半導 バ 図 一 34 一 ータ ィ ン バ ータ 1 主 変 換 装 置 の lGB丁素 子 内部 回 路概 要図 一 NNII-Electronic 工 工 Eleotronio Library Service Library The Japan The Japan Society Sooiety of Meohanioal Mechanical Engineers Engineers of 6 Vo1． 114 No ． 1111 日本 機 械 学会 誌 2011， 451 主 変 換 装置 （ 側 面 図） 導風ス ロ f 嚇 走 行風 の 半 導 体素 子 ープ 導 風 鱗 ー ス ロ 織 ’． 一 鱒 k 流れ ア ル ミ 冷却 フ ン ィ 図 3 主変 換装 置 模式 側 面 図 走行 風 冷 却 方 式 ） 図 2 N700 系 主 変 換 装置 （ ． ［ … 比 率 「 100 100 80 60 40 20 0 図 小 型 化 を 進め て い く こ と が 確実 か つ 常 識 的な 方 向性 だ っ た ． 4 主 変 換 装 置 重 量 変 遷 1li 3・ 系 量 産 車 へ の 適 用 を 実 現 し た ．図 行風冷 却方式 の 開 が実 際の N700 2 系 の 主 変 換 装置 外 形 行 風 を う ま く活 用 で き れ ば ，十 分 な 冷 におい て 車体近傍 の 走 行風の解 明 に着 ，図 3 が 側 面 か ら 見 た 模 式 図 で あ る ，中央 に あ る の が冷却器 で あ り， そ の 前後 に 導 風 ス ロ ープ を 設 け 、 却 性能 が 得 ら れ る 可 能 性 が あ る ．そ う 手 した ．車 両 の 各 部 に 風 速 測 定 用 の ピ 冷 却 器 に走 行 風 を 効 率 よ く導 いて い る ． しか し，少 し見 方 を 変 え る と 新 幹 線 は そ も そ も 高 速 走 行 し て お り ，そ の 走 写 真で あ る 400m 最 初 に 16 編 成 （ トー管 を 取 D 付 け て 測 定 す れば 大 型 の 送風機 を廃 止 で き る ．そ ）の 車両 した ，そ の 結 1 こ で 周 辺 技術 を 調 べ た が ，新 幹 線の よ 果 ，編成 後 部 に 行 く ほ う な 大 容 量 の 主変換 装 置 に 走 行風 冷 却 る が，最 後 尾 で も 冷却 に は十 分 な 風 速 方 式を採 用す る こ と は国内外 で 前 例が が あ る こ とが 確 認 で き た ．そ の 次 に ， な か っ た ．と い う の は 車両 の 側 面 や 床 この 風 を 取 り込 む 構 造 を 検 討 す る た 礎検討か ら着手 し ，試作 ，試験 を 繰 り 下 で は ど の 程 度の 風 速 が あ る の か 不明 め ，小型 の 模型 を 作 り風 洞 試験を 実 施 返 し ，走 行風 冷 却方 式の 主 変換装置 を で ，さ ら に 400m （ 16 ） で あ る た め に 先 頭 か らの 距 離 に よ り風 速 が 変 わ る か に つ い て も 不 明で あ っ た ，さ ら に高 速 時 な ら風 量 は ・・ま と め 従 来 と は 異 な る 方 向 性 を 見 出 し，基 くた め に 適 切 な 構 造 を 設 実 用 化 した ．そ の 効 果 を 重 量 で 示 す ． け れ ば．十 分 な 冷 却 風 を 取 り込 め る と 700 系 の 強 制 風 冷 方 式 の 主 変 換 装 置 を 100 と す る と 、素 子 の 低 損 失 化 を 両と い う 長大編成 した ，風 を 導 ど風 速 は 低下 す い う知 見 を 得 た ， そ して 実 物 大 の 主 変 換 装 置 の モ ッ ク 活用 し開 発 し た N700 系強制風冷方 多 い が 、駅 近 傍 の 低 速 走 行 時 に 風 量 が ア ッ プ を 製 作 し ，700 系 新 幹線 車 両 式 が 77 ，そ 足 りる か ，装 置 内 部 へ 冷 却 風 を 取 り込 に 搭 載 し， 冷 却風 の 取 り込 み 状 況な ど 、 た 走行風 冷 方式 が むため に は どの よ うな構 造 と する か に 実 機開 発 に向 け た 必 要 デ ータ を 取 得 量 化 を 達 成 し，新 幹 線 車 両 の 走 行 性 能 し く ，八 一 ドル は 高 い し ，さ らな る 技 術 的 換 の あ る 走 行 風 冷 却 方 式 の 主 変換 装置 な 飛 躍 を 目指 し走 行 風 冷方 式 へ の 挑 戦 を 製作 し，現 車 試験 を 実施 し ，そ の 結 を 開 始 した ． 果 を 反 映 した 試 作 つ い て も知見 はな もの だ っ た ．しか た ，さ ら に 700 系の 主 変換 装置 と 互 2 こ か ら冷 却 方式 を 変 更 し 68 向上 に 寄与 して い る と い うよ うに 軽 （ 図 4 ）． N700 系 先 行 試 作 車 で 現 車 試 験 を 行 い ，十 分 な 性 能 で あ る こ と が 確 認 で き た ．そ し て 開 発 開 始 か ら 約 8 年 間 を 経 て N700 号機 を 1 一 35 一 一 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