JP2005145205A - 移動車両用車体 - Google Patents

Abstract

【課題】
車両連結部や床下台車など、車両表面にキャビティ、または内包物を伴うキャビティを有する移動車両から発生する空力音を低減する車体構造を提供する。
【解決手段】
前記キャビティの車両進行方向前側に空気噴流の吹き出し口を設け、当該噴流によって車両壁面に沿ってキャビティに進入してくる主流を跳ね除け、前記キャビティおよびキャビティの内包物に直接主流が当たらないようにすることで、衝突から発生する空力音を低減する。
【選択図】図２

Description

本発明は、空力音を低減した移動車両用車体に関するものである。

高速移動車両（例えば、新幹線など）から発生する騒音は、車両速度が増加するにつれ、構造振動音よりも空力音が卓越するようになる。
特に、高速移動車両表面に存在するキャビティ部（駆動台車が収納される部分）では、キャビティに至るまでは表面に沿って流れてきた主流がキャビティの縁において一旦剥離し、そして後方で再付着する。この過程において主流は、キャビティ自身またはキャビティの内包物と干渉して大きな圧力変動を生じて空力音が発生する。

しかし、一般に剥離域においては流速が小さくなることから、剥離のさせ方をうまく制御すれば、キャビティやキャビティの内包物を剥離域内に保持することができるので、流速の大きな主流との衝突を避け、全体として空力音を小さくすることができる。

このような剥離流れを制御した空力音抑制手法の例としては、特開平１０−１２６９０３号公報、特開２００２−３２０３０１号公報、特開２００２−３２５３０４号公報、特開２００３−２１９５０５号公報などが挙げられる。

これらは、移動車両の集電装置を囲むカバーにより主流を剥離させ、その剥離域内に集電装置の一部または全部を保持し、本来であれば直接主流があたって大きな空力音源となってしまうのを抑制するものである。

一方、逆の視点に立ち、このような移動車両に特有な走行風を有効に活用しようとする手法もある。

例えば、走行風を車体壁面に設けられた空気取り入れ口から取り込み、それらを車載機器の冷却に用いようとした例として、特開平４−２５７７６５号公報、特開平６−２３９２２９号公報などがある。

特開平１０−１２６９０３号公報

特開２００２−３２０３０１号公報 特開２００２−３２５３０４公報 特開２００３−２１９５０５号公報 特開平４−２５７７６５号公報 特開平６−２３９２２９号公報

床下台車のようなキャビティ部分からの空力音を低減するために、前述した集電装置カバーのような技術を適用した場合、次のような問題点が生じる。

まず第一に、移動車両から構造物がせり出して良い最大寸法には法規制がある。例えば、床下流れにおいては、地面との距離を確保することが必要であることから、集電装置カバーのような大きさの構造物を取り付けることは不可能である。

次に、カバーの前後対称性から来る問題がある。つまり、車両が双方向に走行することから、多くの場合カバーを前後対称に作られている。しかし、カバーで流れを剥離させる機能を負っているのは進行方向前側の壁面のみであり、ここで剥離した主流は、後方の機能していないカバー壁面に衝突してしまう場合がある。このような場合、衝突した部位が新たな空力音源になる。

そこで、後方で衝突しないように剥離域を大きくしようとすると、必然的にカバーサイズは大きくなるが、今度はカバー自身から発生する空力音が大きくなったり、横風から受ける流体力が大きくなるといった副作用がある。

このように前後対称のカバーによる空力音低減手法は、床下台車まわりには適用困難である。

一方で、走行風を有効に利用する観点から、前述の特許文献１〜６について見ると、冷却ファンが不要になる点は良いが、本手法が成立するのは、車両走行速度に応じて発熱量が増加するような機器に対する冷却のみに限定される。

したがってインバータ等の機器の場合、車両が停止した状態から加速を開始する時に最も発熱することから、走行風がほとんどない状態での冷却が求められ、本手法が適用できないことになる。このように、必要とされる機能が、走行速度と合致しない問題がある。

本発明の目的は、移動車両のキャビティまわりの空力音を低減させた移動車両用車体を提供することにある。

上記目的は、車両壁面に駆動台車を収納するキャビティ部を持った移動車両用車体において、前記キャビティ部の車両進行方向前側に空気噴流の吹き出し口を設け、この吹き出し口からの前記空気噴流によって前記車両壁面に沿って前記キャビティ内部に進入してくる主流空気を跳ね除けるようにしたことにより達成される。

また、上記目的は、前記空気噴流は、前記車両壁面に開けられた空気取り入れ口から取り込まれ、この空気取り入れ口からの空気流れと前記車両に搭載された送風機の排気流れとの混合割合を設定可能な空気搬送用管路を備えたことにより達成される。

また、上記目的は、前記車両に搭載された発熱機器からの排気温風若しくは途設けられたヒータで前記空気噴流を加熱することにより達成される。

また、上記目的は、前記空気噴流の吹き出し方向を前記車両の進行方向に対して鉛直方向にしたことにより達成される。

また、上記目的は、車両壁面に駆動台車を収納するキャビティ部を持った移動車両用車体において、前記キャビティ部内を車両進行方向に対して略鉛直方向に仕切るよう設けられた隔壁と、この隔壁により生じた前記キャビティ内の二次元的な循環流れで前記車両壁面に沿って前記キャビティに侵入してくる主流空気を跳ね除けるようにしたことにより達成される。

本発明によれば、移動車両のキャビティまわりの空力音を低減させた移動車両用車体を提供できる。

本発明の主たる対象は、集電装置のように車体から大きくせり出した物体ではなく、車体表面のキャビティまたは内包物を伴うキャビティであり、例えば移動車両の車両間隙間や床下台車まわりなどである。これらからの空力音発生を抑制する手法を、特に台車周りを例にとって説明する。

本発明の一実施形態を図を用いて説明する。
図１は、本発明が主たる対象とする高速移動車両の床下台車を枕木側から見た図である。
図１を用いてキャビティ部の内部に収納された駆動台車の構成について説明する。まず駆動台車は進行方向１に対して、２本の車輪軸２を有し、それぞれの車輪軸周りの機器はほぼ同様な配置となっている。駆動台車の場合は車輪駆動用モータ３が、ギアボックス４内のギアを介して、車輪軸２に結合されており、車輪５を回転させる。
その他に台車枠６と、車輪軸２とを結合する軸受け７や、台車枠６と車両本体８とのヨー方向（進行方向に対して左右方向への揺れ）の相対的運動を減衰させるための、ヨーダンパ９などからなる。台車の中心には増圧シリンダカバー１０が２つ左右に配置される。

本発明は、図１に示した台車まわりの空力音低減を主たる目的とするが、台車に特徴的な構成に類似した他の車両部位においても、以降に述べるのと同様な手段により空力音の低減が可能である。
即ち、車両壁面にキャビティ状の空間がある場合か、キャビティがあってその中に機器類などの内包物が納められているような場合である。

図２は、本発明の第１の実施例を模式的に示した高速移動車両の側面図である。
図２において、車両の進行方向１に対して、台車２１の前後に以下に述べる機器が配置されている。
一つは車両の側面に設けられた空気取り入れ口２２から空気を導入し、ノズル２３によって取り込んだ空気を加速しながら、噴流スリット２４から空気噴流２５を出している。これが走行風駆動型の噴流装置２６である。

次に、車両下部に納められている変圧器、インバータ、換気装置、空調装置などの発熱体を冷却するために設置されている冷却ファン２７の排気風２８を集めて、上記ノズル２３によって排気風を加速しながら、噴流スリット２４から空気噴流２５を吹き出す流体機械駆動型の噴流装置２９である。３０は高速移動車両の床下流れであり、台車キャビティの縁で剥離した後、台車機器と複雑に干渉しながら通過していき、高速になればなるほど台車機器との干渉が大きくなり激しい空力音の騒音となってしまう。
尚、ここで噴流スリット２４とは車両の進行方向１に対して略鉛直方向を長手方向とするスリット状の吹き出し穴一般を意味している。

走行風駆動型の噴流装置２６と、流体機械駆動型の噴流装置２９のノズル管路は、途中で結合してもよいし、それぞれ独立して吹き出す構造となっていてもよい。また管路はノズルと限るわけではなく、一定断面積の管路であっても、ディフューザのように断面積が拡大していくような場合でもよい。

図２に示した第１の実施例によれば、空気噴流２５により、床下流れ３０は通常よりも枕木方向に吹き降ろされるが、車両床下には当然地面（枕木）が存在するので、際限なく吹き降ろされるわけではなく、行き場を失った流れは、進行方向１に対して横方向、即ち車両の横側に吹き出すことになる。
換言すると、噴流スリット２４からの空気噴流２５によって、床下流れ３０は下方向で同時に外側に向かう転向流れ３１へと、全体として変化させられるわけである。
この転向流れ３１は、もはや台車の構成機器と積極的には衝突しなくなるので空力音が低減することになる。
この転向流れ３１により台車キャビティ内には循環流３２が生じるので、この循環流３２が台車機器と衝突するものの、その速度は転向流れ３１と比較すると十分に遅いため、流速の６〜８乗に比例すると言われ、空力音の大きさは全体としては大きく抑えられる。

ところで、新幹線を代表する高速移動車両は前後双方向に移動するため、例えば集電装置カバーなどは前後対称の構造にしなくてはならい。
この前後対称のカバーであると、後側カバーは主流の剥離に貢献しないにも関わらず、後側カバーが障害物として存在することになってしまう。即ち、前側カバーで一度剥離した主流がこの後側カバーで再付着するときに大きな空力音となって発生してしまうのである。

しかしながら、上述した本実施例によれば、空気噴流２４を進行方向前側にのみ作動させることができるので、後方側が新たな音源となることはない。

また、床下流れを転向させるのに必要な噴流の運動量は、車両の走行速度が増加するにつれ増大させる必要があるが、走行風駆動型の噴流装置２６の場合は、車両走行速度が増すにつれ、自動的に取り込む空気流量が増えるので、噴流量が適応していく構成となるので高速でも十分な空気量を確保できる。

また図２には示していないが、噴流スリット２４は、吹き出す方向が固定された場合のみでなく、向きを変えられるような可変方向吹き出し口としてもよい。

図３は、空気源から噴流として吹き出すまでの過程について、本発明が意味するところを機能的に示した図である。
尚、図３は、特に図２で示したような受動的な空気管路ではなく、能動的に管路構成を切り替えるような実施例を示したものである。

図３において、まず空気源として、空気取り入れ口２２と冷却ファン２７があり、それらが図に示すような管路と弁４１、４２、４３によって噴流スリット２４に接続されている状態を示している。弁４３を通った流れは、通常の車両側面に開けられたルーバなどから車両外部４４に放出される。弁４１、４２、４３の開閉や流れの切替により、空気噴流が作られる仕組みを切り替える。

図４、各弁を切替えて空気噴流の流れを切替えた状態を示す図である。

図４において、弁４１と弁４３を開け、弁４２は空気取り入れ口２２からの空気のみを通すように切り替えた場合の例を示している。本構成の場合、冷却ファン２７は従来通りの冷却を行うのみであり、車両外部４４に排気風５１が放出される。
一方で空気取り入れ口２２から取り込んだ走行風５２は、噴流スリット２４から放出される。

図５は、更に各弁を切替えて空気噴流の流れを切替えた状態を示す図である。
図５において、弁４１と弁４３は閉じられ、弁４２が冷却ファン２７からの排気風５１のみを噴流スリット２４に送る場合の例を示している。本構成の場合は、車両速度適応性は無くなるが、冷却ファン２７の排気風５１の再利用が可能となる。

次に図６は、弁４３は閉じられ、弁４１が開けられ、弁４２は空気取り入れ口２２と冷却ファン２７の双方から空気を取り込む場合の例である。本構成は最も強力な床下流れ転向効果を生む。

また図５や図６に示したような冷却ファンの排気風５１を利用する場合は、排気風が周囲温度より高いことを用いて、空気噴流を台車部分の融雪に用いることができるのも利点である。

図７は、そのような考え方を一歩推し進めたもので、別途管路中に設けたヒータ８１により、より積極的に融雪を行えるようにした実施例である。

以上の構成は、全ての管路を弁を介して結合させた場合として示してあるが、空気取り入れ口や冷却ファンのいずれが一方が噴流の生成に全く関与しないような独立管路を設定してもよい。

図８は、図２で示した方式の別の実施の形態例を示したものである。

図８において、空気取り入れ口２２は、車両の側面ではなく、下面に設けてある。車両床下の流速は、通常車両側面の流速よりも遅く、しかも乱れた流れであるため、吸い込み流量の低下を招くが、取り込み口の穴が車両側面を向いていないために、穴から周囲環境に向かって直接に音が放射されることはなくなる。

図９は、本発明の他の実施例を示したものである。
図９において、車両側面または下面に開けられた空気取り入れ口２２から噴流スリット２４までが管路で構成されていることは図２の実施例と変わらない。これに対して、本実施例では管路の途中に冷却ファンとは別の専用のブースターファン１０１を設けたものである。
これにより、取り込んだ空気に運動エネルギを与え、少ない風量の場合でも、流速を上げることにより、十分な床下流れの転向効果を狙ったものである。

上記説明以外の構成として、空気取り入れ口は設けず、冷却ファンの排気風のみを利用する管路構成に、上記と同様な専用のブースターファンを設けてもよい。このような機械要素による噴流強度の増加は容易に機能をオンオフできる点がメリットである。

図１０から図１２は、噴流スリット２４の形状を説明するために高速移動車両の床下台車を下から見た図である。
図１０は、噴流スリット２４を、車両横方向にほぼ一様に吹き出す構成としたものを示している。

図１１は、噴流スリット２４を、車両横方向にほぼ一様に吹き出すようにしたものの、車輪５の周辺のみ吹き出し口を排除した構成である。この噴流スリット２４は、主流を転向させて、台車機器と衝突させないのを目的としているが、車輪部分はそれが避けられないため、噴流を吹き出すことが、かえって車輪に衝突する主流速度を増大させてしまう懸念がある。
そこで、本実施例はそれを避けるために、車輪部分のみスリットを取り除いたものである。

図１２は、噴流スリット２４を、車両横方向に対し、中心から横側に向かうにつれ台車側に近づくようにU字型に配置した実施例である。本構成によれば床下主流は、図に示すように積極的に横方向に逃げる流れ１３０のようになるため、主流の排除効果が高まる。

図１１から図１３では、噴流スリットをほぼ一様な幅で例示したが、実際はこの限りではなく、横方向に幅が変化するものであってもよい。またスリットを複数並列に並べてもよい。

さらには、噴流スリットは車両床下に限定されるものではなく、車両壁面なら側面でも上面でもかまわない。このような例として、連結車両間の隙間キャビティ部分への応用が考えられる。

図１３は、本発明の他の実施例を示したものである。
図１３において、図１で説明した床下台車の増圧シリンダカバー１０が、車両横方向に断続して２つ存在していたものを、本実施例では延長カバー１５０で連続的に接続したものである。

図１３では増圧シリンダカバーそのものを延長したが、機能的には台車キャビティを二次元的に仕切る隔壁であればよい。

また本隔壁は、循環流れを滑らかにするために、一つのみでなく複数設けてもよい。

本実施例によれば、循環流れのアスペクト比と二次元性が改善するため、車輪軸を覆いこむような効率のよい循環流れ場が形成される。更に床下流れ３０は、この循環流１６０と衝突することによって、下向きに偏向され、空気噴流に類似する主流転向効果を得ることができる。

図１４は、図１３の実施例による効果を説明した図である。
図１４に示すように、図２で示した台車内循環流３２が、分割された循環流１６０へと変化する。

以上のごとく、本発明によれば、空気噴流により、主流をキャビティから跳ね除けて剥離させることできるので、キャビティおよびキャビティ内包物に直接主流が衝突するのを避けることができ、空力音を低減できる。この跳ね除け作用は、車両の進行方向前側だけに選択的に作用させることができるので、キャビティ後方で新たな空力音源を生み出すような副作用がない。また車両速度に応じて空気噴流が増大するので、安定した跳ね除け効果を保持することができる。

図１は、一般的な移動車両の床下台車周りの構成を示した斜視図である。 図２は、本発明の空気噴流を用いた低騒音床下構造を表す模式図である。 図３は、本発明に関して空気源から空気噴流に至る経路を機能的に示した図である。 図４は、本発明の空気噴流を空気取り入れ口からの空気により駆動する場合の実施例を示す図である 図５は、本発明の空気噴流を冷却ファンからの空気により駆動する場合の実施例を示す図である。 図６は、本発明の空気噴流を空気取り入れ口と冷却ファンの双方からの空気により駆動する場合の実施例を示す図である。 図７は、本発明の空気噴流用の管路にヒータを取り付けた実施例の図である。 図８は、本発明の別の一実施例で、車両下面から空気を取り入れる場合の図である。 図９は、本発明の別の一実施例で、ブースターファンを用いる場合の図である。 図１０は、本発明の噴流スリットの基本形状を示す図である。 図１１は、本発明の噴流スリットの別の実施形状を示す図である。 図１２は、本発明の噴流スリットの別の実施形状を示す図である。 図１３は、本発明の他の実施例で、台車キャビティに隔壁を設ける場合の図である。 図１４は、本発明の他の実施例で、台車キャビティに隔壁を設ける場合の流れの模式図である。

符号の説明

１…車両進行方向、２…車輪軸、３…モータ、４…ギアボックス、５…車輪、６…台車枠、７…軸受け、８…車体、９…ヨーダンパ、１０…増圧シリンダカバー、２１…台車、２２…空気取り入れ口、２３…ノズル、２４…噴流スリット、２５…空気噴流、２６…走行風駆動型の噴流装置、２７…冷却ファン、２８…排気風、２９…流体機械駆動型の噴流装置、３０…床下流れ、３１…転向流れ、３２…循環流、４１…弁１、４２…弁２、４３…弁３、４４…車両外部、５１…排気風、５２…走行風、８１…ヒータ、１０１…ブースターファン、１３０…横方向流れ、１５０…延長カバー、１６０…分割循環流。

Claims (5)

1. 車両壁面に駆動台車を収納するキャビティ部を持った移動車両用車体において、
   前記キャビティ部の車両進行方向前側に空気噴流の吹き出し口を設け、この吹き出し口からの前記空気噴流によって前記車両壁面に沿って前記キャビティ内部に進入してくる主流空気を跳ね除けるようにしたことを特徴とする移動車両用車体。
2. 請求項１記載の移動車両用車体において、
   前記空気噴流は、前記車両壁面に開けられた空気取り入れ口から取り込まれ、この空気取り入れ口からの空気流れと前記車両に搭載された送風機の排気流れとの混合割合を設定可能な空気搬送用管路を備えたことを特徴とする移動車両用車体。
3. 請求項１記載の移動車両用車体において、
   前記車両に搭載された発熱機器からの排気温風若しくは途設けられたヒータで前記空気噴流を加熱することを特徴とする移動車両用車体。
4. 請求項１記載の移動車両用車体において、
   前記空気噴流の吹き出し方向を前記車両の進行方向に対して鉛直方向にしたことを特徴とする移動車両用車体。
5. 車両壁面に駆動台車を収納するキャビティ部を持った移動車両用車体において、
   前記キャビティ部内を車両進行方向に対して略鉛直方向に仕切るよう設けられた隔壁と、この隔壁により生じた前記キャビティ内の二次元的な循環流れで前記車両壁面に沿って前記キャビティに侵入してくる主流空気を跳ね除けるようにしたことを特徴とする移動車両用車体。
   

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