JP2011172420A - 鉄道車両用集電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】第三軌条方式を用いても感電を防止することができる安全な鉄道車両用集電装置を提供することができる。
【解決手段】第三軌条３の外面を上側のフランジ部３１ａの裏面を除いて絶縁部３２により絶縁保護する。上側のフランジ部３１ａ裏面に左右対称に吊り下げられた架線４に一対の集電舟１２が接触、摺動するように、台車２の下部に集電装置１を配置する。集電装置１を小型化することができるとともに、空気抵抗を低減することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、第三軌条方式を用いた鉄道車両用集電装置に関する。

鉄道車両を駆動等するための電力を供給するために、第三軌条方式（サードレール方式）による集電が用いられる場合がある。
第三軌条方式による集電には、例えば特許文献１に示すように、走行レールの他に鉄道車両に電力を供給するための給電レールである第三軌条が用いられ、この第三軌条に、鉄道車両の台車に設けられた集電装置を接触摺動させることにより集電が行われていた。

特許第２６８９０３６号公報

しかしながら、上述した第三軌条方式による集電では、第三軌条のプラス電極が剥き出しであり、線路保護柵を設けていても、人や動物が立ち入った場合には、感電してしまう危険性があるという問題があった。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたもので、第三軌条方式を用いても感電を防止することができる安全な鉄道車両用集電装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の鉄道車両用集電装置は、
第三軌条の少なくとも上方のフランジ部の裏面を除いた外面が絶縁部で被覆され、該上方のフランジ部の裏面に左右対称に吊り下げられた２本の架線にそれぞれ接触、摺動する一対の集電舟と、
鉄道車両の下部に配置されるとともに、前記一対の集電舟が下端部にそれぞれ設置された伸縮可能な一対の枠組を有するパンタグラフとを備えたことを特徴とする。

また、前記絶縁部は、前記第三軌条の上方のフランジ部の両側面において前記架線よりも下方にそれぞれ延設され、
前記一対の集電舟は、立設された、前記架線に接触、摺動する集電受け手部をそれぞれ有するようにしてもよい。

また、前記一対の集電舟の対向面には、導電材料からなる架線ガイドをそれぞれ立設するようにしてもよい。

また、前記枠組は、菱形状にしてもよい。

また、前記第三軌条は、全体が絶縁材料で形成されるようにしてもよい。

また、前記絶縁材料は、繊維強化プラスチックであるようにしてもよい。

また、前記架線には、前記第三軌条に近接して配置されるとともに、直列に接続された複数の太陽電池モジュールが電気的に接続されているようにしてもよい。

本発明によれば、第三軌条方式を用いても感電を防止することができる安全な鉄道車両用集電装置を提供することができる。

本発明の実施の形態に係る鉄道車両用集電装置及び第三軌条の構成を表わす外観図である。 図１に示した鉄道車両用集電装置及び第三軌条の一部省略側面図である。 本発明の実施の形態に係る鉄道車両用集電装置が用いられる鉄道車両に電力を供給する太陽電池モジュールの設置を説明するための平面図である。 図３に示した太陽電池モジュールの接続方法を説明するための説明図である。 本発明の実施の形態に係る鉄道車両用集電装置の変形例及び第三軌条の構成を表わす外観図である。 本発明の実施の形態に係る鉄道車両用集電装置の他の変形例及び第三軌条の構成を表わす外観図である。

本発明の実施の形態に係る鉄道車両用集電装置について、以下図面を参照して説明する。

集電装置１は、図１及び図２に示すように、第三軌条３による方式を用いた集電装置であり、鉄道車両の台車２の下部に設けられる。
集電装置１は、小型のパンタグラフ１１と、パンタグラフ１１の下端部にそれぞれ設置された一対の集電舟１２とを備えている。
集電舟１２が、絶縁部３２で保護された第三軌条３に吊り下げられた架線４に接触、摺動することにより、鉄道車両に電力が供給される。この供給された電力が制御装置を介して、モータの回転力に変換され、車輪を回転させて、鉄道車両は走行する。

第三軌条３は、鉄道車両に電力を供給するためのレールである。第三軌条３は、例えば鉄、銅などの導電材料により形成された断面Ｉ型、Ｈ型等の導電体である本体３１と、本体３１の外面を被覆し、絶縁するための例えば繊維強化プラスチックであるＦＲＰ(Fiber Reinforced Plastics)等の絶縁材料からなる絶縁部３２とにより構成されている。
第三軌条３の本体３１は、上側のフランジ部３１ａ、ウェブ部３１ｂ及び下型のフランジ部３１ｃにより構成され、絶縁部３２により、上側のフランジ部３１ａの表面及び両側面、ウェブ部３１ｂの下方部分、及び、下側のフランジ部３１ｃの表面、裏面及び両側面が絶縁保護されている。なお、図２においては、わかりやすくするために、上側のフランジ部３１ａの両側面の絶縁部３２を省略している。
２本の架線４は、第三軌条３の上側のフランジ部３１ａの裏面側に、導電体である架線支持部５を介してそれぞれ吊り下げられる。上側のフランジ部３１ａは、２本の架線４を吊り下げるためにその幅が少し広めに形成されている。一対の架線４は、第三軌条３の長手方向に沿って、かつ、ウェブ部３１ｂを挟んで左右対称に吊り下げられる。
２本の架線４及び第三軌条３の本体３１が、一体となって導電体となる。

集電装置１は、一般的に用いられる菱形状のパンタグラフを有する集電装置を相似縮小した大きさに形成する。集電装置１は、例えば一般的に用いられるものの３０〜４０％の大きさにするとよい。
集電装置１の小型のパンタグラフ１１は、菱形状の上下左右の４本の枠により構成され伸縮自在な一対の枠組１１ａと、一対の枠組１１ａを上下動させ昇降させる昇降装置１１ｂとをそれぞれ備えており、菱形状の枠組１１ａ同士は連結棒１１ｃにより連結され一体とされている。
枠組１１ａを構成する枠は、支点及び連結部分を中心として回動自在である。枠組１１ａを構成する枠の上端は、昇降装置１１ｂに回動自在に設置されており、枠組１１ａを構成する枠の下端は、集電舟１２に回動自在に設置されている。
なお、枠組１１ａを菱形状とすることで、一対の枠組１１ａのバランスを安定させることができる。
昇降装置１１ｂは、例えば図示しないばね及びシリンダーを備えている。昇降装置１１ｂのばねは、その弾性力により、枠組１１ａを介して集電舟１２を引き上げる方向（枠組１１ａが縮む方向）に付勢している。このばねの付勢力により集電舟１２は架線４に接触し、摺動することが可能になる。
鉄道車両の走行中に、架線４と台車２との間の距離に変化があっても、枠組１１ａを構成する枠が回動することにより、距離の変化に自在に対応することができ、集電舟１２を安定して滑らかに架線４に接触、摺動させることができる。
なお、パンタグラフ１１及び集電舟１２を下げる場合には、シリンダーの空気圧を用いて枠組１１ａを引き伸ばす。
集電装置１の一対の集電舟１２は、一般的に用いられる菱形状のパンタグラフに用いられる集電舟を相似縮小して、長手方向において２つに均等に切り離し、１８０度回転させて、所定の間隔を設けて枠組１１ａの下端部に設置する。２つの集電舟１２の間隔は、例えば５〜１５ｃｍ程にするとよい。
集電舟１２は、架線４と直接接触する部分にはすり板１２ａを有している。

第三軌条３への電力の供給には、図３に示すように、太陽電池モジュール６が用いられる。太陽電池モジュール６は、２本の走行レール７，８とその中央に並行して設置された第三軌条３とのそれぞれの間の線路上に、直列に接続されて配置される。太陽電池モジュール６は、第三軌条３に近接して配置される。
太陽電池モジュール６は、並設された２本の架台長板９の上に載置される。２本の架台長板９は、端に近い部分で連結板９ａが架設されている。架台長板９は、線路上に立設された図示しない金属支柱により支持される。この金属支柱に、鉄道車両通過時の沈み込みや振動を吸収するための免振部材を備えさせることにより、太陽電池モジュール６に歪力が生じることを防止するようにしてもよい。
例えば１２ＶＤＣ、８０Ｗの太陽電池モジュール６を用いて、第三軌条３を挟んで、５枚ずつ直列に接続して２列に並べたものを２ユニット（施行ユニット）とし、２ユニットを５回繰り返した合計１０ユニット（ユニット１〜ユニット１０）の太陽電池モジュール６を、図４に示すように、１ブロックとする。１ブロックで６００ＶＤＣ、４ＫＷの電力が供給可能となる。
この太陽電池モジュール６のブロックのプラス端子（ユニット１のプラス端子）６ａを第三軌条３に配置された架線４に電気的に接続し、ブロックのマイナス端子（ユニット１０のマイナス端子）６ｂを走行レール７と電気的に接続する。なお、ユニット１からユニット１０までは直列に接続されており、ユニット５とユニット６とは第三軌条３の下を通した絶縁ケーブル等で接続する。
ブロック間に例えば１ｍ程度の施行用の間隔を設け、２００ブロックを並列に接続して、１ドメインとすると、１ドメインの長さは７．２ｋｍ程度になり、６００ＶＤＣ、８００ＫＷの電力を供給することが可能になる。

このように本実施の形態では、架線４を上側フランジ部３１ａ裏面に配置して、少なくとも上側フランジ部３１ａ裏面を除いた第三軌条３の外面を絶縁部３２により絶縁保護するようにしたので、人や動物が第三軌条３に接触することがあっても、感電を防止することができる。

また、本実施の形態では、第三軌条３の上側フランジ部３１ａ裏面に配置された架線４に集電舟１２が接触、摺動するように、台車２の下部に、集電装置１が配置されるようにしたので、通常と比べて集電装置１を小型化することができるとともに、パンタグラフ１１の空気抵抗を低減することができる。よって、集電装置１は、架線４への高速追随性に優れ、鉄道車両の高速運転が可能になる。

更に、本実施の形態では、集電舟１２が、第三軌条３の上側フランジ部３１ａ裏面に配置された架線４に接触、摺動するように低い位置に配置されるようにしたので、鉄道車両の台車２が走行中に左右に傾いても、小さい集電舟１２で十分な追随性を実現できる。集電舟１２の位置は、線路から例えば１０ｃｍ程度の高さとすることが可能であり、振り子式鉄道車両で最大傾斜角が８度になったとしても、集電舟１２の横変位は１．４ｃｍ程度である。線路から高い位置にある通常の集電舟と比べると、鉄道車両の傾きによる集電舟１２の横変位はかなり小さい。

更にまた、本実施の形態では、２本の架線４が左右対称に第三軌条３に配置されるようにして、２本の架線４に一対の集電舟１２がそれぞれ接触、摺動するようにしたので、台車２が傾いて、例えば右側の架線４から右側の集電舟１２が外れそうになると、左側の架線４に左側の集電舟１２が密着する動作になる。またその左右逆の場合も同様である。よって、この構成によっても、架線４への高速追随性を向上させることができる。
また、２本の架線４が左右対称に配置されることにより、第三軌条３における架線４の重量のバランスを保つことができるとともに、台車２を線路に導入する際に、台車２の前後を考慮する必要がなくなる。

また、本実施の形態では、第三軌条３のすぐ近くに配置された太陽電池モジュール６により鉄道車両に電力を供給するようにしたので、発電所からの送電線による電力供給と比べると、電力損失が大幅に減少する。また、太陽電池モジュール６の地上設置は容易であり、送電線工事をする必要もないので、工事期間、工事費用も大幅に軽減される。

以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、種々変形が可能である。例えば、本実施の形態では、鉄、銅などの導電材料により形成された本体３１と絶縁部３２とにより構成された第三軌条３の例について説明したが、第三軌条３全体を絶縁材料である例えばＦＲＰで形成することも可能である。これにより、感電防止の効果が向上する。この場合には、２本の架線４を導電位にするために、２本の架線４間を数メートルごとに例えば銅線等で接続する。なお、銅線等を貫通させるための孔が第三軌条３に形成される。

また、人や動物がつまずくなどして横から架線４に接触して感電することを防止するために、図５に示すように、絶縁部３２ａを、第三軌条３の上方のフランジ部３１ａの両側面をそれぞれ被覆させるとともに架線４の位置よりも下方にそれぞれ延設するようにしてもよい。
この場合には、一対の集電舟１２が、架線４と接触、摺動するための集電受け手部１２ｂを備えるようにする。集電受け手部１２ｂは、集電舟１２の本体１２ｃ上に立設される。
集電受け手部１２ｂは、架線４と接触、摺動する集電受け手１２１ｂと、本体１２ｃ上に立設され集電受け手１２１ｂを支持する支持部１２２ｂとを備えている。集電受け手１２１ｂは、すり板１２ａと同様の例えばカーボンや銅系の焼結合金などの材料で形成され、支持部１２２ｂは銅等の導電材料により形成される。
集電受け手１２１ｂは、架線４の形状に合わせて、断面が三日月形になっているが、例えば一般的に用いられる集電舟を相似縮小したものであってもよい。また、集電受け手１２１ｂは、本体１２ｃの先端に立設されているが、必ずしも先端に立設する必要はない。
なお、第三軌条３全体を絶縁材料で形成して、上側のフランジ部３１ａの両側面を架線４の位置よりも下方にそれぞれ延設することも可能である。

また、集電舟１２が架線４から外れることを防止するために、図６に示すように、２つの集電舟１２ａが対向する面に銅等の導電材料により形成される板状の架線ガイド２０を立設してもよい。これにより台車２が大きく揺れた場合や線路に左右の大きな勾配がある場合などであっても、集電舟１２と架線４との接触、摺動が持続される。

また、本実施の形態では、太陽電池モジュール６を水平に設置する場合について説明したが、鉄道線路には曲線区間がある。この場合には、走行レール７と走行レール８の高さが異なるため傾斜面に太陽電池モジュール６を設置する必要があり、また曲線区間の曲率のため太陽電池モジュール６の施工ユニットの長さを短くする必要も考えられる。傾斜面がその場所の緯度において太陽電池の最適傾斜角に近づくのであれば、積極的に太陽電池モジュール６を設置し、最適傾斜角から離れるのであれば、それによる発電損失を考慮して設置することになる。
太陽電池モジュール６の施工ユニットの長さ調整、左右架台長板９の支柱長さの調整等をすることにより、曲線区間、傾斜面に太陽電池モジュール６を設置することができる。また、線路登り坂・下り坂区間傾斜面への太陽電池モジュール６の設置も、同様な方法で可能である。
また、ブロックの電圧は使用する太陽電池モジュール６の出力電圧とその枚数によって決められるので、適切にそれらを選択することによって必要な電圧を得ることができる。また１列車の必要電力量もドメインのブロック数を調整することによって適切に選択することができる。本発明において太陽電池モジュール６、ユニットの電圧および電力、またブロックの電圧、ドメインの電力は任意である。

また、本実施の形態では、太陽電池モジュール６を用いて第三軌条３への給電を行う例について説明したが、発電所からの送電線により第三軌条３に電力を供給する場合にも本発明を適用することは可能である。

また、本実施の形態では、２本の走行レール７，８の中央に並行して第三軌条３を設置する例について説明したが、第三軌条３は、走行レール７，８の中央に必ずしも設置する必要はなく、走行レール７及び走行レール８の左右いずれか一方側に並行して設置するようにしてもよい。

また、本実施の形態では、菱形状の枠組１１ａを備えたパンタグラフ１１の例について説明したが、シングルアーム型や、下枠交差型の枠組１１ａを用いるようにしてもよい。

また、本実施の形態では、第三軌条３がＦＲＰ等の絶縁材料からなる絶縁部３２を備える例を説明したが、絶縁部３２の絶縁材料としては、安価で難燃性に優れるポリ塩化ビニル、塩素を含まず、電気抵抗が高いポリエチレン、耐熱性・耐薬品性などに優れるフッ素樹脂、ポリエステル等を用いることも可能である。また、第三軌条３全体を絶縁材料で形成する場合にも、これらの絶縁材料を用いることが可能である。

また、本実施の形態では、パンタグラフ１１の昇降装置１１ｂがばね及びシリンダーを備えた例について説明したが、シリンダーの空気圧を調整してパンタグラフ１１の枠組１１ａの伸縮を調整するようにしてもよい。

また、リチウム二次電池などを鉄道車両に搭載して、太陽電池モジュール６の発電により供給される電力を蓄積することにより、鉄道車両を雨天、夜等にも運行できるようにしてもよい。また、線路下の適切な場所に蓄電池庫を設けて、太陽電池モジュール６の発電により供給される電力を蓄積するようにしてもよい。

また、本実施の形態において、第三軌条３のウェブ部３１ｂの上方部分は、上側のフランジ部３１ａの両側面に配置された絶縁部３２と高さ方向で重なるために、絶縁部３２により被覆されていないが、被覆することにより感電防止の効果を高めるようにしてもよい。絶縁部３２により、上方のフランジ部３１ａの裏面を除いた第三軌条３の外面はなるべく広く被覆することが好ましいが、状況等に応じて適切な範囲を被覆する。

１ 集電装置
１１ａ 枠組
１１ｂ 昇降装置
１２ 集電舟
１２ａ すり板
１２ｂ 集電受け手部
１２１ｂ 集電受け手
１２２ｂ 支持部
１２ｃ 本体
２０ 架線ガイド
２ 台車
３ 第三軌条
３１ 本体
３２ 絶縁部
３２ａ 絶縁部
４ 架線
５ 架線支持部
６ 太陽電池モジュール
７，８ 走行レール
９ 架台長板

Claims (7)

1. 第三軌条の少なくとも上方のフランジ部の裏面を除いた外面が絶縁部で被覆され、該上方のフランジ部の裏面に左右対称に吊り下げられた２本の架線にそれぞれ接触、摺動する一対の集電舟と、
   鉄道車両の下部に配置されるとともに、前記一対の集電舟が下端部にそれぞれ設置された伸縮可能な一対の枠組を有するパンタグラフとを備えたことを特徴とする鉄道車両用集電装置。
2. 前記絶縁部は、前記第三軌条の上方のフランジ部の両側面において前記架線よりも下方にそれぞれ延設され、
   前記一対の集電舟は、立設された、前記架線に接触、摺動する集電受け手部をそれぞれ有することを特徴とする請求項１に記載の鉄道車両用集電装置。
3. 前記一対の集電舟の対向面には、導電材料からなる架線ガイドがそれぞれ立設されたことを特徴とする請求項１に記載の鉄道車両用集電装置。
4. 前記枠組は、菱形状であることを特徴とする請求項１乃至３いずれか１項に記載の鉄道車両用集電装置。
5. 前記第三軌条は、全体が絶縁材料で形成されたことを特徴とする請求項１または３に記載の鉄道車両用集電装置。
6. 前記絶縁材料は、繊維強化プラスチックであることを特徴とする請求項５に記載の鉄道車両用集電装置。
7. 前記架線には、前記第三軌条に近接して配置されるとともに、直列に接続された複数の太陽電池モジュールが電気的に接続されていることを特徴とする請求項１乃至６いずれか１項に記載の鉄道車両用集電装置。

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