JP4051364B2 - 高速鉄道車両 - Google Patents

Description

本発明は、高速走行する新幹線等の鉄道車両に関し、特に微気圧波を抑えつつ客室となる一般部の容積を確保する先頭部形状をした高速鉄道車両に関するものである。

移動手段の高速化が望まれる現代では、鉄道車両においても時速２７０ｋｍ／ｈ或いはそれ以上の高速性能が要求されるようになっている。その一方で、民家などの間を抜けて通るような我が国の鉄道事情では、騒音や振動に対する環境への影響を考慮することが高速化と同様に重要な課題でもある。そうした環境対策の一課題としてトンネル微気圧波（以下、単に「微気圧波」という）によるトンネル出口での騒音などがある。
高速鉄道車両がトンネルに突入する場合、先頭車両がピストンのように作用し、トンネル内の狭い空間に存在する空気が圧縮されて圧縮波が発生する。微気圧波は、この圧縮波がトンネル内をほぼ音速で伝わっていきトンネル出口に達した際外部に放出される、そのトンネル出口で圧縮波の圧力の時間についての偏導関数（以下、「圧力勾配」という。圧力の時間についての偏導関数は圧力の空間についての偏導関数と比例関係にある）に比例するパルス状の圧力波である。

そして、こうしたトンネルから放射される微気圧波は、トンネル出口周辺の建物に対して騒音や振動を及ぼすため環境対策問題の一つとして挙げられている。特に、微気圧波を引き起こす圧縮波は、その圧力勾配が車両速度の３乗に比例して大きくなるため、鉄道車両の高速化を進める上において微気圧波の低下、即ち圧縮波を小さく抑えることは極めて重要な課題となっている。そこで、近年そうした課題対策として、微気圧波を低下させる先頭部形状の高速鉄道車両について幾つかの提案がなされてきている。その一例として、特開平１１−３２１６４０号公報に記載されたものを挙げることができる。

この高速鉄道車両では、図８の（ｐ）に示すように、先ず先端部（先端から約６ｍの位置まで）を後方上向きに傾斜させて１段目の横断面積変化領域１０１を形成し、その後方を横断面積が一定に保たれた領域１０２とした後、再び後方上向きに傾斜するように（先端から約２１ｍの位置から約２５ｍの位置まで）立ち上げて２段目の横断面積変化領域１０３を形成している。そして、こうした形状としたことで、車両のトンネル突入時に発生する圧縮波の圧力勾配を下げることができた。具体的には、図９の（Ｐ）に示すように、圧縮波が大きく分けて２段階に分散され、各ピークの極大値が下がり、その一方の最大値が比較例のもの（Ｑ）に比べて低下していることが分かる。

こうして、従来例で挙げた図８の（ｐ）に示す先頭部形状は、横断面積が変化する変化領域１０１，１０３を前後方向に２つ設けたことが、図８の（Ｐ）に示すように圧力勾配のピークＰ１，Ｐ２を２つにしてその最大値を抑えることに寄与していると考えられる。微気圧波のパルスの強さ（パワー）が、こうした圧力勾配の２乗に比例するからである。従って、圧力勾配の最大値を低下させた当該従来例の先頭部形状には、その点で微気圧波を低下させたことの効果がみられる。一方、当該従来例によれば、更に横断面積一定の領域１０２を設けたことによって圧力勾配分布のピークＰ１，Ｐ２を前後に明確に分け、それぞれの圧縮波がトンネル出口で集合した微気圧波にならないようになっている。
特開平１１−３２１６４０号公報（第４−６頁、図６、図８）

しかしながら、こうした従来例の先頭部形状は、前後の寸法が異常に長いものになってしまう。特許文献１に挙げられている例のものは２５ｍで、これは一車両分の長さに相当するものである。現行の新幹線車両が図８の（ｑ）に示すように、先端からの後方上向きの傾斜が約１０ｍの位置（例えば７００系新幹線の車両では９．２ｍ）で最大横断面積の一般部に達しているのと比べると、その長さは２倍以上にもなってしまう。このように車両の先頭部が長くなってしまうことは客室となる一般部の容積を大幅に削減してしまい、或いは削減しないまでも客室天井を低くしなければならず、営業面や乗客の乗り心地低下などから好ましいものではなかった。従って、従来例の先頭部形状は、その効果以上に高速鉄道車両に採用した場合のデメリットが大きかった。

そこで、本発明は、かかる課題を解決すべく、微気圧波を低下させつつ客室となる一般部の容積を確保する高速鉄道車両を提供することを目的とする。

本発明の高速鉄道車両は、車両先頭部には、先端から客室となる一般部にかけて、進行方向に垂直な断面積が変化する車両先頭部形状が形成されたものであって、前記車両先頭部形状が前記一般部の一部にまで重複して形成され、前記車両先頭部形状の前記重複部には、車体の下部外形に相当する部分を底上げする窪みが左右に連通して形成されたものであることを特徴とする。

また、本発明の高速鉄道車両は、前記窪みは前後に傾斜部を有して形成されたものであることを特徴とする。
また、本発明の高速鉄道車両は、前記車両先頭部形状が、先端から徐々に減少して一般部に至る断面積変化率が途中に複数の上昇変化を生じるようにしたものであることを特徴とする。
また、本発明の高速鉄道車両は、前記一般部は先端から９．２ｍの後方に形成され、前記車両先頭部形状は先端から１３ｍの位置にまで形成したものであることを特徴とする。

よって、本発明の高速鉄道車両によれば、先頭部形状の寸法を長くすることにより、トンネル突入時に発生する圧力波の最大値を小さくすることができ、それによってトンネル微気圧波を低減することが可能になるとともに、車体の底部に相当する部分を底上げするように窪みを形成することにより、客室の断面積を大幅に落とすことなく一般部の容積を確保することが可能になった。
また、本発明は、窪みの前後に傾斜部を形成したことにより、気流の乱れを防止するようにして安定した走行が行える。

次に、本発明に係る高速鉄道車両の一実施形態について、図面を参照しながら以下に説明する。図１乃至図３は、本実施形態の高速鉄道車両に関し、その先頭車両を示した図であり、図１は側面図を、図２は平面図を示し、更に図３は図１のＡ−Ａ断面の外形形状を簡略的に示している。

ところで、新幹線列車などのような高速鉄道車両は、高速でトンネルに突入する度にトンネル出口近隣で生じるトンネル微気圧波騒音（振動）を低減させるためには、トンネル突入の際にトンネル内で発生する圧力波の圧力勾配の最大値を低減する必要がある。そうした圧力勾配の最大値を低減させるには、鉄道車両側で行う対策として、例えば発生する圧力そのものを小さくするために列車の走行速度を下げたり、車両の一般部の断面積を小さくすることが考えられる。

また圧力勾配の最大値を低減させるには、その他にも前記従来例のように車両の先頭部長さを長くすることが考えられる。この場合、微気圧波は圧縮波による圧力勾配に比例するため、微気圧波を低下させるには圧力勾配の最大値を下げればよい。
すなわち、図９で示す圧力勾配（Ｐ）を見た場合、このグラフで囲まれた圧力変化（０〜Ｌ／ｖ（時間ｓ）の範囲つまり圧力勾配分布の面積は一定になる。そのため、車両先頭部が長くなれば、時間幅が広くなって圧力勾配全体が低下し、その分だけピークＰ１，Ｐ２部分の値が低下することになる。そこで、図１乃至図３に示す本実施形態の高速鉄道車両では、先頭部形状を長くすることにより圧力勾配を低下させ、それによって微気圧波を抑える方法を採用した。

この高速鉄道車両１では、その先頭部形状は、図１に示すように先端から後方（図面左側）にかけて所定の高さ（本実施形態では床面高さ１１）から上下に広がるように変化している。そして、床面高さ１１より上では、緩やかに広がって運転席部分で大きく変化し、更にその後方でも上方に緩やかに広がっている。一方、底面側は先端部分で変化した後、途中において所定間隔だけ上方に底上げするように変化している。こうした外形をなす高速鉄道車両１は、不図示の台車が車輪２を示した位置に対応して配置され、側面には一般部（客室）への出入口と運転席への出入口となるそれぞれのドア３，４が設けられている。この客室側ドア３の位置からも分かるように、本実施形態の高速鉄道車両１は、一般部にかけて上面が傾斜しており、レール方向に車体断面積が変化していることが分かる。

すなわち、既存の７００系新幹線では先端から長さを９．２ｍで断面形状がレール方向に変化しない一般部に達するようになっていたが、本実施形態では先端からＬ１＝９．２ｍの位置から一般部を設けるとともに、先端からＬ１＝１３ｍの位置まで車体断面積が変化するようになっている。こうしてレール方向に断面積が変化する先頭部形状を長くすることにより、トンネル突入によって発生する圧縮波の圧力勾配の最大値を低下させ、それによって微気圧波を抑えるようにしている。

ここで、７００系新幹線と本実施形態の高速鉄道車両との断面積変化について比較を行った。図４及び図５は、各車両について車両横断面積の車体長手方向の導関数（以下、「断面積変化率」という）を示した図であり、図４は、本実施形態の高速鉄道車両における断面積変化率を示し、図５は、７００系新幹線の車両断面積変化率を示している。

既存の高速鉄道車両（７００系新幹線）は、図５に示すように先端から９．２ｍの位置まで断面積が変化し、図示するように断面積変化率がなだらかに減少している。その一方で、本実施形態の高速鉄道車両１は、図４に示すように先端から１３ｍの位置まで断面積が変化し、特に断面積変化率が先端部から低下した後、４〜７ｍ付近で再び上昇し、更に１１〜１２ｍ付近でも上昇してピークｐ１１，ｐ１２をつくっている。このように断面積変化率は先端から徐々に減少して一般部に至るが、その間に断面積変化率が上昇するピーク部分（ｐ１１，ｐ１２）をつくることにより、微気圧波の大きさを決定する圧力勾配分布の最大値を下げている。ここで図６は、高速鉄道車両１の先頭部と、７００系新幹線の先頭部との圧力勾配分布を比較した図である。

図５に示すような断面積変化率をとる７００系新幹線の分布Ｂは、図６に示すように傾斜の急な高い山がつくられる。その一方、高速鉄道車両１は、図４に示すように断面積変化率のピークがＰ１，Ｐ２の２箇所に形成されたことによって、図６に示す分布Ａは、頂上部分の幅が大きく後方にかけてなだらかな低い山がつくられている。よって、分布Ｂに示される既存の高速鉄道車両は圧力勾配の最大値が大きくなり、一方、分布Ａに示される本実施形態の高速鉄道車両１は圧力勾配の最大値を小さくすることができた。その結果、微気圧波のパルスの強さ（パワー）は圧力勾配の２乗に比例することから、その圧力勾配の最大値を低下させることにより微気圧波を低下させることができた。

ところで、従来、レール方向に断面積が変化する先頭部形状は客室となる一般部にまで形成されていなかった。そのため、５００系新幹線のように先頭部が長いものでは一般部の容積が削られたことが営業上問題となり、それに対して７００系新幹線では先頭部の長さを９．２ｍに抑えることで一般部の空間が確保された。つまり、車両先頭部を１３ｍまで伸ばすと、それだけ一般部の容積が削られてしまうことになり、営業面からは好ましくない。この点、本実施形態では、２５ｍの車体のなかで断面積が変化する先端部形状を先端から１３ｍとしながら、７００系新幹線と同様に９．２ｍの位置から客室（一般部）を構成するようにした。それは図１に示すように、客室側ドア３の位置が９．２ｍの位置より先端側に配置されていることからも分かる。

こうして先頭部形状が一般部にまで及んでいる場合、断面積変化によって客室天井が低くなるなど、客室空間がその分だけ削り取られてしまうことが問題となる。すなわち、図８に示した前記従来例のものでは、先頭部形状が２５ｍと長いので、そこに客室を設けようとすれば、天井高さが低くなって客室内の移動が不自由になるなどの問題が生じる。
これに対して本実施形態では、断面積が変化する先頭部形状が一般部にも一部かかっているが、客室空間を大幅に削り取ることなく、そのため天井の高さをほとんど落とさないように構成されている。ここで、図７は、先頭部形状の断面積変化を示した図である。

図７では、図１に示す高速鉄道車両１の先端からの距離に対する位置全体の断面積（合計）の変化と、床下高さ１１を基準に床上部分(１)と床下部分(２)との断面積の変化を示している。なお、床上部分(１)と床下部分(２)の断面積について示したグラフ(１ａ)(２ａ)は、本実施形態の高速鉄道車両１の断面積変化を示し、それに対してグラフ(１ｂ)(２ｂ)は、これに比較して示した断面積変化である。
先ず、床下部分(２)側の断面積を見ると、通常は車体の底部に相当する部分は直線で形成されているため、グラフ(２ｂ)に示すように先端から所定距離だけ離れた後はほぼ一定の値を示すようになる。

これに対して本実施形態では、図１に示すように窪み５が形成され、車体の底部に相当する部分を底上げするようにしている。そのため、６〜１２ｍの部分の床下部分がグラフ(２ａ)に示すように断面積が小さくなるように窪んでいる。車体の底部に相当する部分は、図１に示すように、レールからの高さがｈ１部分で１５０ｍｍ、ｈ２部分で２５０ｍｍであり、窪み５の一番高いｈ３部分では５００ｍｍである。そして、この窪み５は、これによって気流が乱れないように前後が滑らかに連続するように傾斜部６ａ，６ｂが形成されている。

本実施形態では、こうして窪み５を設けて床下部分(２ａ)の断面積を小さくしたことにより、床上部分(１ａ)の断面積を大きくすることができた。すなわち、通常の車体の場合、断面積が(合計)のように変化する場合、床下部分(２ｂ)の断面積が大きければ、その分だけ床上部分(１ｂ)の断面積が小さくなる。そして、断面積が小さくなる結果、天井を低くしたり、横幅を狭くするためシートの数を減らしたり通路を狭くする必要があった。

これに対して本実施形態では、窪み５を形成して床下部分(２ａ)の断面積を小さくしたため、床上部分(１ａ)側の断面積を大きくすることができた。従って、床上部分(１ａ)の断面積を確保することができたため、天井の高さを低くしたり、横幅を狭くするためシートの数を減らしたり通路を狭くする必要がなくなった。
具体的には、先端から１３ｍまでに先頭部形状を形成しているその１３ｍの位置では断面積が７．４ｍ² であるのに対し、一般部が始まる９．２ｍ付近では６．７ｍ² であった。これは、図３に示すように、左側に示す一般部最大外形部の横幅分と、右側に示すＡ−Ａ断面の横幅とが等しく、屋根面の高さが若干低くなっている。しかし、これでも客室内の天井の高さは７００系新幹線と比べて、第１列目の座席位置では１３０ｍｍ、第２列目の座席位置では４４ｍｍ程度の差しかない。そして、第３列目の座席位置以後は７００系新幹線と同一の客室天井高さを確保している。

本実施形態の高速鉄道車両１では、先頭部形状の寸法を長くすることにより、トンネル突入時に発生する圧力波の最大値を小さくすることができ、それによってトンネル微気圧波を低減することが可能になった。そしてまた、車体の底部に相当する部分を底上げするように窪み５を形成したことで、客室の断面積を大幅に落とすことなく、つまり客室天井高さをそれ程下げることなく、断面積が変化する先頭部形状を一般部にまで形成することができるようになった。よって、本実施形態の高速鉄道車両１では、先頭部形状の寸法を長くすることによるトンネル微気圧波の低減と客室スペースの確保という相反する効果を得ることが可能になった。

また、先頭部形状の寸法を長くしたことにより、トンネル微気圧波を低減させるための断面設計の自由度が増した。つまり、先頭部形状の側部の構成を単純にすることができた。例えば、短い距離の中でトンネル微気圧波を低減させようとすると、上部の変化には限界があるため側部を変化させる必要から、出入口のドア部分にまで及ぶことになる。すると、ドアの位置がホームから遠くなってしまったり、運転席ドアの窓から後方確認がし難くなることになってしまう。この点、本実施形態では、図２に示すドア３，４の位置と、床下高さ１１と床上1500mmの高さ１２の各外形線を比較して見ると分かるように、乗客が乗り降りする客室側ドア３はホームから近く、運転手が後方を確認する運転席側ドア４の窓４ａから後方への視界を遮る段差もない。

また、本実施形態では、窪み５の前後に傾斜部６ａ，６ｂを形成したことにより、気流の乱れを防止するようにして安定した走行が行えるようになっている。
また、図４に示しように断面積変化率が複数のピークｐ１１，ｐ１２をつくるように変化しているので、図６に示すように圧力勾配分布の最大値を下げることができ、その結果微気圧波を抑えることができた。

以上、本発明の高速鉄道車両の一実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。

高速鉄道車両の一本実施形態に関し、その先頭車両の側面形状を示した図である。 高速鉄道車両の一本実施形態に関し、その先頭車両を平面形状を示した図である。 図１のＡ−Ａ断面の外形形状を簡略的に示している。 高速鉄道車両の一実施形態における断面積変化率を示した図である。 ７００系新幹線の車両断面積変化率を示した図である。 高速鉄道車両の一実施形態における先頭部と、７００系新幹線の先頭部との圧力勾配分布を比較した図である。 先頭部形状の断面積変化を示した図である。 従来例における高速鉄道車両の先頭部形状を示した図である。 従来例における高速鉄道車両の先頭部形状による圧力勾配を示した分布図である。

符号の説明

１ 高速鉄道車両
２ 車輪
３ 客室側ドア
４ 運転席側ドアドア
５ 窪み
６ａ，６ｂ 傾斜部

Claims (4)

1. 車両先頭部には、先端から客室となる一般部にかけて、進行方向に垂直な断面積が変化する車両先頭部形状が形成された高速鉄道車両において、
   前記車両先頭部形状が前記一般部の一部にまで重複して形成され、前記車両先頭部形状の前記重複部には、車体の下部外形に相当する部分を底上げする窪みが左右に連通して形成されたものであることを特徴とする高速鉄道車両。
2. 請求項１に記載する高速鉄道車両において、
   前記窪みは前後に傾斜部を有して形成されたものであることを特徴とする高速鉄道車両。
3. 請求項１又は請求項２に記載する高速鉄道車両において、
   前記車両先頭部形状は、先端から徐々に減少して一般部に至る断面積変化率が途中に複数の上昇変化を生じるようにしたものであることを特徴とする高速鉄道車両。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれかに記載する高速鉄道車両において、
   前記一般部は先端から９．２ｍの後方に形成され、前記車両先頭部形状は先端から１３ｍの位置にまで形成したものであることを特徴とする高速鉄道車両。

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