JP4243657B2 - 鉄道先頭車両の車体構造 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、高速走行する新幹線等の鉄道車両のうち先頭車両に好適な車体構造で、特に車体先頭部の形状に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
時速270km/hあるいはそれ以上の高速性能が要求される鉄道車両では、特に先頭車両の車体先頭部の形状にいわゆる高速走行時の走行抵抗を減少させる形状とともに、トンネルに突入する際に生じる微気圧波を低減させる形状が要求される。この微気圧波とは圧縮波の一種で、特に高速の鉄道車両がトンネルに突入する場合に、トンネル内の限られた空間に存在する空気を先頭車両が押し込むように圧縮し、これが圧縮波となってトンネル内をほぼ音速で前方へ伝播される。この圧縮波が微気圧波と呼ばれるもので、トンネルの出口で一部が反射されるが、大部分は爆発音となって外部へ放出される。このため、トンネルの出口付近では爆発音とともに微振動等が生じ、周辺の環境に影響を及ぼすことがある。
【0003】
そこで、近年いくつかの微気圧波を低減させる形状が提案されている。たとえば、特開平7−89439号公報に記載の発明がある。この発明は、横断面積が一定の胴部に接合する接合部から最先端に至る先頭領域を尖らせ、先頭領域の上面側へ突出する運転室窓部(キャノピー)の前後の長さを、先頭領域の前後長さより短くし、運転室窓部の突設根元部に連接する上方肩部の横断面積を、上方肩部に隣接する隣接肩部の横断面積より小さくし、前記先頭領域における最先端寄りの横断面積急変域を除く領域のスカート部または仮想スカート部を含む横断面積を、接合部から最先端へ向かっていく程に正比例に減少させた構造に先頭部の車体を構成するものである。
【0004】
また特開平8−198105号公報に記載の発明があるが、この発明は車体先端から車体前後方向における車体横断面積が増大する先頭部を有した鉄道車両において、先頭部を先端領域と中間領域とから構成し、先端領域は最大車体横断面積の半分の断面積に相当する位置よりも先端側とし、中間領域は該先端領域よりも車体長手方向他端側とし、前記中間領域は一定の断面積変化率によって車体横断面積が変化し、かつ前記先端領域の断面積変化率を中間領域の断面積変化率よりも大きくするものである。この発明においては、前記中間領域に運転室を配置しており、この運転室部前面窓の傾斜角度を前方注視に支障のない角度としており、前記運転室前面窓の両側方部分より下方に凹み部を形成している。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記公報に記載の2つの発明は、つぎのような点で大きな課題を有する。すなわち、第1に、車体横断面積が変化する領域に運転室窓部が上方へ突出するように形設されているが、運転室窓部を形設したことにより車体横断面積が大幅に変化するのを避けるために、運転室窓部の突設根元部に連接する上方肩部の横断面積を上方肩部に隣接する隣接肩部の横断面積より小さくしたり、運転室前面窓の両側方部分より下方に凹み部を形成したりしている。このため、運転室窓部の周辺の形状が非常に複雑になることから、先頭部形状の設計が完了したのち、実際の先頭形状の製作に際しては通常は板金を打ち出すことによって凹凸部などの形状を形成しているので、作業に熟練を要することはもとより、多大な時間を必要とし生産性が非常に低く、製造コストが極めて高くなるという問題がある。
【0006】
第2に、いずれの発明も先頭部の横断面積の変化が先頭車両の車体先端から後方の接合部にかけて一直線的(正比例)である。このため、鉄道車両がトンネル内に突入したときの、トンネル内のある位置における圧力変化(横軸を時間とし縦軸を圧力とする)は、圧力勾配は緩やかになっているとしても漸次高くなっている。一方、トンネル内を伝播する圧縮波の速度(音速に近い)は、圧力が上昇するのにしたがって速くなるから、トンネルの距離がある程度長くなると、せっかく車体の先頭部形状を工夫したことによって微気圧波の圧力を分散したにも拘わらず、トンネルの出口では分散された圧力が集合されて一度に大きな圧力の微気圧波となって、トンネルの出口周辺で大きな爆発音が発生したり、振動等が生じたりするおそれがある。
【0007】
本発明は上述の点に鑑みなされたもので、鉄道車両がトンネル内に突入する場合に、トンネルと車両によって発生する微気圧波を低減するための鉄道先頭車両の特に先頭部の車体構造を提供することを目的としている。
【0008】
また、微気圧波の低減を図るとともに、運転室窓部周りの外形形状を簡素化して車体の製作を容易にすることも目的としている。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために本発明に係る車体構造は、車体先頭部を車体前後方向について三等分した先端領域、中間領域および後端領域から構成した鉄道先頭車両の車体構造において、前記車体先頭部を正面より見た外形線内に吸込口を設けるとともに、この吸込口と前記車体先頭部の後方寄りに設けた吐出口とを車体内を通るダクトにより接続し、前記中間領域の断面積変化率を一定に保持するとともに、前記先端領域および前記後端領域の断面積変化率を、前記中間領域の断面積変化率よりも大きくし、前記吸込口の大きさを前記車体先頭部の正面からの投影面積の1/3〜1/5としたことを特徴としている。なお、吸込口あるいは吐出口は一つだけでなく複数設けてもよく、またダクトも一つに限らず複数設けたり、あるいは一本のダクトを途中から分岐したり複数本のダクトを途中から共通の一本のダクトにしてもよい。
【0010】
上記構成を有する請求項1記載の発明によれば、図12にダクト無し車両とダクト有り車両の圧力変化の比較を示すように、トンネル入口から所定距離(61m)の位置で鉄道車両がトンネル内に突入する際の圧力変化から明らかなように、圧力変化の状態が緩やかで、しかも複数段に分散されて最大車体横断面積の部分がトンネル内に入るまでの圧力(最大圧力)に達する。図12における線図Aは図11に示すところの先頭部の車体の先端領域から中間領域の間に吸込口を設け、車体の後端寄り(前後方向の中間位置よりやや後方)の屋根に吐出口を設けてダクトで接続した車体モデルについて、圧力変化を求めたものである。より詳しく説明すると、
(i) 非定常、軸対称、圧縮性および非粘性を仮定した数値流体解析(CFD解析)を用いた。
【0011】
(ii) 構造格子を使用したTVD型風上法・有限体積法で陽解法を適用した。
【0012】
(iii) 車体の先頭部を同一断面積を有する軸対称物体に、またトンネルを円形横断面からなる円筒形にそれぞれ置き換えたうえで、車体がトンネルに突入するシミュレーションを実施している。ただし、トンネルと鉄道車両(列車という)の間に相対的な運動が発生するため、計算領域を図17のようにトンネルを含む領域1と列車を含む領域2との2つに分割し、それらを相対的に移動させて計算を進めた。
【0013】
(iv) 計算上において列車の初期位置をトンネルの入口から20m外方(手前)の周辺に障害物のない(いわゆる明かり区間)で、その初期位置における時間をt=0と設定した。
【0014】
(v) 圧力変化の観測点×は、トンネル入口から内側61mの地点のトンネル内壁上にした。
【0015】
(vi) 図12・図13の線図を求めるための計算条件は、列車速度:275km/h(マッハ数0.225)、トンネル開口断面積:63.4m2、列車の最大横断面積:11.4m2、ダクト吸込口断面積:3.5m2(図12参照)この結果から、先頭車両の車体先頭部がトンネルに突入する際に生じる圧縮波(圧力上昇)は、車体1の正面の吸込口2からダクト4を通して吐出口3に抜ける分が低減され、この低減分の圧力が最大車体横断面積の部分がトンネルT内に突入するまで有効であり、車体1の吐出口3の位置がトンネルT内に突入したときに従来の車体1’の最大車体横断面積(一般断面部)の部分がトンネルT内に突入したときの圧力と等しくなる。また、第1段の圧力上昇値から最終段(図12では2段)の圧力上昇値までの時間差は、吸込口2と吐出口3との距離L(図11)/V(走行速度m/s)にほぼ等しい。このため、図11の車体例では11/16程度(約2/3)に低減された微気圧波が生じたのち、図12に示すように遅れて5/16程度(約1/3)に低減された微気圧波が生じることになる。したがって、トンネルTの出口での爆発音は小さくなるか一切鳴らなくなるかに低減され、また周辺での家屋等の振動なども低減される。
【0016】
車体の先頭部を先端から先端領域、中間領域、後端領域の3つの領域に分けた場合、上記公報(特開平8−198105号)に記載されているように、先端領域を含む車体前方の領域では空気の流れがせきとめられて減速し、この減速した運動エネルギ−は圧力に変わるために先端領域で圧力が一様流(車両と同じ速度の流れ)の圧力よりも上昇する。一方、後端領域を含む車体後方の領域では車体横断面積が最大で後方にかけてそれ以上は増加しないために増加していた圧力は運動エネルギーに変換され、圧力が一様流の圧力よりも低下することになる。車体の先端領域から後方領域に変化する領域が中間領域で、この中間領域において空気の圧力が大きく変化するためこの領域が極めて重要で、特に列車が トンネルに突入するときには先端部分がトンネル入口に近づくまでこの圧力分布は列車と共に移動し、トンネル内で先端領域の圧力変化に基づいて微気圧波が生じる。先端領域における圧力変化は中間領域によって大きな影響を受けるために微気圧波を低減するには、中間領域の断面形状を工夫する必要がある。そこで、前記先端領域および前記後端領域の断面積変化率を、車体の断面積変化率を一定に保持する前記中間領域の断面積変化率よりも大きくしている。これにより、微気圧波が低減される。
【0017】
また、車体の正面(風圧面)に吸込口を設けることにより上記したとおり微気圧波が低減されるという作用が生じる。そこで、車体の先頭部に運転室窓部を前方あるいは上方に突出させて配置する場合に、運転室窓部によるトンネル内に突入した際の圧力上昇が発生することから、その周辺に凹所を設けることにより圧力上昇分を削減して微気圧波の発生を所定の圧力値以下に抑える設計が行なわれているが、この場合、運転室窓部周辺の車体形状が非常に複雑になるため、実際の製作が非常に困難になる。このような状況において、吸込口を設けることにより、凹所を設けたのと同様な微気圧波低減の作用が生じるから、吸込口を設けることにより車体の設計はもとより製作が容易になる。
さらに、前記吸込口の大きさを前記先頭車両の車体先頭部の正面からの投影面積の1/3〜1/5(具体的には2〜3 . 5m 2 )としているので、車体表面に吸込口を設けたことによる微気圧波低減の作用が有効に発揮される。なお、一か所に大きな吸込口を設けることが無理な場合には、複数に分割して設ければよい。
【0018】
請求項2に記載のように、前記ダクトの後端部で二股に分岐し、前記吐出口を車体の両側面に設けてもよい。
【0019】
この構成により、吸込口(入口)側の開口に比べて吐出口の大きさを小さくできることから、配置に制約を受けにくくなるとともに、左右の吐出口の位置を車体の前後方向にずらせることによって微気圧波の圧力変化を3段階に分散させることもできる。
【0020】
請求項3に記載のように、鉄道先頭車両の車体先頭部両側面を先端付近より後方にかけて漸次両側方に広がる流線形にし、前記両側面の先端部にそれぞれ吸込口を設けるとともに、両側面の後端寄りに設けた吐出口と前記吸込口とをそれぞれ独立した2つのダクトによって接続してもよい。
【0021】
この構成によると、対向する鉄道車両がすれ違ったり、停止している鉄道車両に対し別の車両がその横を通過したりする際の風圧についても低減される。これは、車両先頭部がすれ違ったり通過したりする際に、別の車両との間にできる空間の圧力が急上昇するが、吸込口から圧力上昇分の一部が逃げるから、圧力上昇が抑えられ、車体の揺れや振動等が減少する。
【0022】
請求項4に記載のように、前記ダクトの吐出口側を前記車体底部の床下機器室に連通し、該床下機器室の底面に前記吐出口を設けることができる。
【0023】
この構成によると、床下機器室内に空気が送り込まれるために、機器室内にモータなどの加熱される装置や部品が収容されている場合に温度上昇が抑制され、またエアコンディショナーなどの新鮮な空気を必要とする機器の場合には、効率よく空気を送り込むことができる。
【0024】
【0025】
【0026】
請求項5記載のように、前記吸込口と前記吐出口との間の前記車体前後方向における距離を14m以上にすることが好ましい。
【0027】
請求項5記載の発明によれば、微気圧波が少なくとも2段階に分散されて低減されて生じる。圧縮波の伝播速度は音速に近く、圧力が高くなるほど伝播速度は速くなるが、14m以上離れているので、トンネルの距離が余程長くならない限り、トンネル出口までの間に後続(2段目)の微気圧波が1段目の微気圧波に追いつくことが阻止される。
【0028】
請求項6に記載のように、前記中間領域に運転室窓部を設ける一方、該窓部の近傍に前記吸込口を設けることにより車体の断面積変化率を一定に保持する、つまり運転室窓部が設けられていない状態の断面積変化率にすることが好ましい。
【0029】
【0030】
車体の先頭部には運転室が配置されるが、通常、運転室の窓部は視界を良くするために、前方あるいは上方に突出して設けられる。また、運転室の窓部は前記中間領域に配置されることが多い。このため、車体形状を工夫して中間領域の断面積変化率を小さくしても、運転室窓部を設けたことによって断面積変化率が大幅に増加することになるため、例えば運転室窓部の周辺に凹所を設けて断面積変化率を低減させることが考えられる。しかし、凹所を形成するとなると、車体の表面形状は凹凸の変化が非常に大きくなり、車体の表面形状は極めて複雑になる。この結果、車体の製作が困難になり、製作に長期間を要するなどの問題が生じる。
【0031】
これに対し、請求項6の発明では凹所を設けて形状を変化させる代わりに吸込口を設けるだけでよいから、車体の設計が簡単になるだけでなく、製作が極めて容易になって、製作に要する期間が短縮される。
【0032】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る鉄道先頭車両の車体構造の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【0033】
図1は本発明の第1実施例に係る先頭車両の車体構造を示すもので、図1(a)は平面図、図1(b)は側面図である。本例の車体11の基本形状の車体1’は図10に示すとおり、従来の新幹線用先頭車両と同じような略弾丸形の流線形状からなっており、ダクト類は一切設けられていない。本例の車体11ではその先端部の中央(幅方向)に吸込口2が設けられ、この吸込口2に続くダクト4が車体11内部の中央下部に前後方向にわたって配設され、車体11の前後方向の中間位置よりやや後方で左右に分岐され、これらの分岐部4aは車体11の両側面にそれぞれ設けられた吐出口3に接続されている。
【0034】
図2は本発明の第2実施例に係る先頭車両の車体構造を示すもので、図2(a)は平面図、図2(b)は側面図である。本例の車体12では、車体12の先頭部を前後方向に3等分した場合の後方領域Bに、運転室の窓面5を設けており、中間領域Mにおいて窓面5のすぐ前方に吸込口2が設けられている。この吸込口2に続くダクト4が車体12内部の中央下部に前後方向にわたって配設され、車体1の前後方向の中間位置よりやや後方で左右に分岐され、これらの分岐部4aは車体12の両側面にそれぞれ設けられた吐出口3に接続されているが、第1実施例のダクト3とは全長にわたり水平方向に延びるのに対し、本例ではダクト3の先頭部分が後方に向け漸次下向きに傾斜したのち水平方向に延びている。
【0035】
図3は本発明の第3実施例に係る先頭車両の車体構造を示すもので、図3(a)は平面図、図3(b)は側面図である。本例の車体13では、車体13の先頭部1Aの両側面に吸込口2がそれぞれ設けられている。各吸込口2に続くダクト4がそれぞれ車体13内部の両側部に沿って前後方向にわたって配設され、車体13の両側面にそれぞれ設けられた吐出口3に接続されている。
【0036】
図4は本発明の第4実施例に係る先頭車両の車体構造を示すもので、図4(a)は平面図、図4(b)は側面図である。本例の車体14では、車体14の先頭部1Aの両側面(肩部)に吸込口2がそれぞれ設けられている。各吸込口2に続くダクト4が後方下向きに傾斜し、それぞれ車体14内部の両側部に沿って前後方向にわたって配設され、車体14の両側面にそれぞれ設けられた吐出口3に接続されている。
【0037】
図5は本発明の第5実施例に係る先頭車両の車体構造を示すもので、図5(a)は平面図、図5(b)は側面図である。本例の車体15では、車体15の先頭部の下面中央に吸込口2が設けられ、この吸込口2から上向きに傾斜したダクト4が水平に後方に延びて後端部で二股に分岐され、これらの分岐部4aは車体15の両側面にそれぞれ設けられた吐出口3に接続されている。吸込口2が車体15の先頭部の下面に位置するので、吸込口2での吸込音が発生しにくい。
【0038】
図6は本発明の第6実施例に係る先頭車両の車体構造を示すもので、図6(a)は平面図、図6(b)は側面図である。本例の車体16では、車体16の先頭部1Aの両側面に吸込口2がそれぞれ設けられ、各吸込口2からダクト4が水平に後方に延びて後端部で後方へ下向きに傾斜し、これらの傾斜部4bは車体16の下面にそれぞれ設けられた吐出口3に接続されている。車体16下面への吐出により吐出時の騒音が低減されるとともに、対向車に対してのすれ違い圧力の低減にも有効である(これは、対向する車体間に走行時の風圧が吹き出して圧力上昇が起きないからです)。
【0039】
図7は本発明の第7実施例に係る先頭車両の車体構造を示すもので、図7(a)は平面図、図7(b)は側面図である。本例の車体17では、車体17の先頭部1Aの両側面に吸込口2がそれぞれ設けられている。各吸込口2に続くダクト4がそれぞれ車体17内部の両側部に沿って前後方向にわたって水平に配設され、ダクト4の後端部から後方上向きに傾斜して延設され、車体17の前後方向の中間位置よりやや後方の屋根面1cの両側部にそれぞれ設けられた吐出口3に接続されている。車体17の上面への流体の吐出により吐出時の騒音が低減されるとともに、対向車に対してのすれ違い圧力の低減にも有効である。対向車に対してのすれ違い時に車体間の圧力が上昇するが、本例の場合、吸込口2から上昇する圧力の一部がダクト4を通って逃げるために、すれ違い圧力の低減効果が極めて高い。
【0040】
図8は本発明の第8実施例に係る先頭車両の車体構造を示すもので、図8(a)は平面図、図8(b)は側面図である。本例の車体18では、車体18の先頭部の両側面に吸込口2がそれぞれ設けられている。各吸込口2に続くダクト4が水平に後方のびたのち下向きに傾斜し、床下機器室6内に接続され、この機器室6の下面に吐出口3が設けられている。先頭部の吸込口2からの圧力の逃げと床下機器室6への吐出により、対向車に対するすれ違い圧力の低減および床下機器室6内の機器の冷却やエアコンディショナーなどへの空気の供給に有効である。
【0041】
図9は本発明の第9実施例に係る先頭車両の車体構造を示すもので、図9(a)は平面図、図9(b)は側面図である。本例の車体19では、車体19の先頭部1Aの両側面に吸込口2がそれぞれ設けられ、各吸込口2からダクト4が水平に車体19の後端面まで延びその後端面にそれぞれ設けられた吐出口3に接続されている。後方の車体間(連結部間)へ加圧空気が供給されるために、走行時に発生しやすい気柱共鳴による騒音が抑制される。
【0042】
さて、上記に本発明の車体構造について10の実施例を挙げたが、いずれの実施例についても下記のような共通の作用、つまり微気圧波の低減作用がある。この低減作用が生じる根拠を、計算に基づいて作成した圧力変化あるいは圧力時間変化率にて本発明例と従来例との比較により説明する。
【0043】
図11に示すように、車体1の先頭部の中間領域M(先端から約5mの位置)の中央部に吸込口2を設け、その吸込口2からダクト4を水平に後方に延ばし、さらに後方へ上向きにダクト4を傾斜させ、屋根面1cの後端寄り(先端から約20mの位置)の中央部に吐出口3を設けた構造が本発明例であり、一方、従来例は本発明と同一形状でダクト4がない構造(図11の点線表示)にした。
【0044】
計算条件は、次のとおりである。すなわち、図17において、
(i) 非定常、軸対称、圧縮性および非粘性を仮定した数値流体解析(CFD解析)を用いた。
【0045】
(ii) 構造格子を使用したTVD型風上法・有限体積法で陽解法を適用した。
【0046】
(iii) 車体の先頭部を同一断面積を有する軸対称物体に、またトンネルを円形横断面からなる空洞、つまり円筒形にそれぞれ置き換えたうえで、車体1がトンネルTに突入するシミュレーションを実施している。ただし、トンネルTと鉄道車両(列車という)1の間に相対的な運動が発生するため、計算領域を図17のようにトンネルを含む領域1と列車を含む領域2との2つに分割し、それらを相対的に移動させて計算を進めた。
【0047】
(iv) 計算上において列車の初期位置をトンネルTの入口から20m外方(手前)の周辺に障害物のない(いわゆる明かり区間)で、その初期位置における時間をt=0と設定した。
【0048】
(v) 圧力変化の観測点×は、トンネルTの入口から内側61mの地点のトンネル内壁上にした。
【0049】
(vi) 図12・13の線図を求めるための計算条件は、列車速度:275km/h(マッハ数0.225)、トンネル開口断面積:63.4m2、列車の最大横断面積:11.4m2、ダクト吸込口断面積:3.5m2(図12参照)この結果から、先頭車両1の先頭部がトンネルTに突入する際に生じる圧縮波(圧力上昇)は、吸込口2からダクト4を通して吐出口3に抜ける分が低減され、この低減分の圧力が最大車体横断面積の部分がトンネルT内に突入するまで有効であり、車体1の吐出口3の位置がトンネル内に入ったときに従来の車体1’の最大車体横断面積の部分がトンネルT内に突入したときの圧力と等しくなる。また、第1段の圧力値(1100Pa)から最終段(図12では2段)の圧力値(1600Pa)までの時間差(約0.2sec)は、吸込口2と吐出口3との距離L(図11の線図A上に表示:15m)/V(走行速度:75m/s)にほぼ等しい。このため、図11の車体例では11/16(約2/3)に低減された微気圧波が生じたのち、図12の線図Aに示すように遅れて5/16(約1/3)に低減された微気圧波が生じることになる。したがって、図12の線図Bに示すようにトンネルTの出口に圧力1600Paの圧縮波が伝播される従来例の車体1’に比べて、本発明例の車体1によれば爆発音が小さくなるか一切鳴らなくなるかまで低減され、また周辺での家屋等の振動なども低減される。
【0050】
また、図13は図12の圧力変化線図を時間(s)で微分して求めた線図で、時間に対する圧力の変化率を表している。
【0051】
また、上記結果から、新幹線車両では投影最大面積が11m2前後の場合に、吸込口2の大きさ(開口面積)を2m2〜3.5m2にする必要がある。また、ダクト4の長さを14m〜15m以上にする必要がある。
【0052】
さらに、圧縮波(微気圧波)のパルスの強さ(爆音の大きさ)が圧縮波の時間変化率に比例することから、図13に示すように、従来例(線図B)では最大変化率が10000Pa/sであるのに対し、本発明例(線図A)では最大変化率が6000〜7000Pa/sであるから、本発明例は従来例の2/3程度に微気圧波によって生じる爆発音を低減できると推測される。なお、本発明例(線図A)では0.7〜0.8秒付近にも最大変化率6000Pa/s前後のピークができるが、このピークはダクト4の吐出口3から生じる圧力上昇の影響である。
【0053】
ところで、図14は車体1の先頭部正面に2m2〜3.5m2の開口断面(大きさ)の吸込口2を車体1の先頭部に配置した具体的な配置図を表すもので、本例では先端領域Fの下部に左右一対の吸込口2・2を設け、車体1の後方の両側面下部に設けた吐出口3とをダクト4にて接続している。なお、図14中の符号7は前照灯を示すものである。
【0054】
図15は本発明の車体構造に関する実施例を表す先頭車両の車体先頭部を示す斜視図、図16は従来技術に係る車体構造に関する図15に対応する斜視図である。図16に示すように、車体1”の先頭部には運転室が配置されるが、通常、運転室の窓部5は視界を良くするために、前方あるいは上方に突出して設けられる。また、運転室窓部5は車体1”の先頭部を前後方向に三等分した場合の中間領域Mに配置されることが多い。この中間領域Mは微気圧波を低減するために他の領域(先端領域Fおよび後方領域B)に比べて断面積変化率を小さくすることが望ましいが、運転室窓部5を外方に突出して設けたことによって断面積変化率が大幅に増加することになるため、図16では運転室窓部5の周辺に凹所9を設けて断面積変化率を低減させている。しかし、凹所9を形成するとなると、車体1”の表面形状は凹凸の変化が非常に激しくなり、車体1”の表面形状は極めて複雑になる。そこで、本発明に係る車体1では凹所9を設ける代わりに、図15のように運転室窓部5の両側に沿ってそれぞれ上下一対の吸込口2・2を設け、ダクト4・4を通して圧力を逃がして圧縮波の発生を抑制するから、車体1の設計が簡単になって製作も極めて容易になる。
【0055】
上記の図12・図13の線図から、吸込口2(いいかえればダクト4)を設ける作用効果として、車体1の投影面積(横断面積)を吸込口2(ダクト4)の開口断面に相当する分だけ小さくするのと同じ作用効果があることが分かる。したがって、車体1の正面から見た外形線内の適所に吸込口2を設けることにより、車体1の横断面積を縮小したのと同様に微気圧波の発生を低減する効果が生じる。ただし、横断面積を縮小する場合と違って、吐出口3の位置で縮小した横断面積に相当する分の圧力上昇が起こるので、吸込口2と吐出口3の間の距離を十分に離すことが大切である。
【0056】
【発明の効果】
以上説明したことから明らかなように、本発明に係る車体構造によれば、下記のような優れた効果がある。
【0057】
(1) 請求項1の発明では、トンネル内に先頭車両が突入する際に生じる圧縮波(微気圧波)の一部が吸込口からダクトを通って吐出口よりスムーズに逃げるとともに、車体先頭部外形線内に吸込口を設けて先頭形状の車体横断面積の変化率から微圧力波が求められる理論に基づき先頭形状を最適化しているので、トンネル内突入時に発生する微気圧波の圧力勾配の時間変化を低減することができる。この結果、トンネル出口で発生する爆発音を小さくしたり、出口周辺での家屋の振動などを削減できる。
【0058】
また、吸込口を設けることにより、凹所を設けたのと同様な微気圧波低減の効果を発揮させることができるので、凹所を設けるのに比べて車体表面の凹凸形状をシンプルにでき、車体の設計だけでなく実際の製作が容易になる。
吸込口の大きさを前記車体先頭部の正面からの投影面積の1/3〜1/5(具体的には2〜3 . 5m 2 )としているので、車体表面に吸込口を設けたことによる微気圧波低減の効果を有効に発揮する。
【0059】
(2) 請求項2の発明では、吸込口側の開口に比べて吐出口の大きさを小さくできることから、配置に制約を受けにくくなるとともに、左右の吐出口の位置を車体の前後方向にずらせることによって微気圧波の圧力変化を3段階に分散させることもできる。
【0060】
(3) 請求項3の発明では、対向車とのすれ違い時の車体の揺れや振動を抑制することができる。
【0061】
(4) 請求項4の発明では、床下機器室内に空気を送り込めるので、機器室内の機器を冷却したり、エアコンディショナーなどの新鮮な空気を必要とする機器への空気の供給ができる。
【0062】
【0063】
(5) 請求項5の発明では、微気圧波が少なくとも2段階に分散されて低減されて生じ、1段目と2段目の微気圧波の生じる距離が十分に離れているので、トンネルの距離が余程長くならない限り、トンネル出口で分散された微気圧波が同時に発生することが阻止される。
【0064】
(6) 請求項6の発明では、運転室窓部を中間領域に配置し、その周辺に凹所を設けて断面積変化率を低減させる代わりに、吸込口を設ければよいから、車体の設計が簡単になるだけでなく、製作が極めて容易になって、製作に要する期間の短縮を図れる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の第1実施例に係る先頭車両の車体構造を示すもので、図1(a)は平面図、図1(b)は側面図である。
【図2】 本発明の第2実施例に係る先頭車両の車体構造を示すもので、図2(a)は平面図、図2(b)は側面図である。
【図3】 本発明の第3実施例に係る先頭車両の車体構造を示すもので、図3(a)は平面図、図3(b)は側面図である。
【図4】 本発明の第4実施例に係る先頭車両の車体構造を示すもので、図4(a)は平面図、図4(b)は側面図である。
【図5】 本発明の第5実施例に係る先頭車両の車体構造を示すもので、図5(a)は平面図、図5(b)は側面図である。
【図6】 本発明の第6実施例に係る先頭車両の車体構造を示すもので、図6(a)は平面図、図6(b)は側面図である。
【図7】 本発明の第7実施例に係る先頭車両の車体構造を示すもので、図7(a)は平面図、図7(b)は側面図である。
【図8】 本発明の第8実施例に係る先頭車両の車体構造を示すもので、図8(a)は平面図、図8(b)は側面図である。
【図9】 本発明の第9実施例に係る先頭車両の車体構造を示すもので、図9(a)は平面図、図9(b)は側面図である。
【図10】 従来の一般的な先頭車両の車体構造を示すもので、図11(a)は平面図、図11(b)は側面図である。
【図11】 本発明の実施例に係るダクト付き車体の断面積分布を表す模式図である。
【図12】 図17に示す条件に基づいて求めた本発明のダクト付き車体モデルによる圧力変化線図である。
【図13】 図12の圧力変化線図を時間(s)で微分して求めた線図で、時間に対する圧力の変化率を表している。
【図14】 本発明の第10実施例に係る車体1の先頭部正面に2m2〜3.5m2の開口断面(大きさ)の吸込口2を車体1の先頭部に配置した具体的な配置図を表す斜視図である。
【図15】 本発明の車体構造に関する第11実施例を表す先頭車両の車体先頭部を示す斜視図である。
【図16】 従来技術に係る車体構造に関する図15に対応する斜視図である。
【図17】 本発明の実施例に係るダクト付き車体がトンネルに突入する際の×位置で測定した圧力変化線図である。
【符号の説明】
1・11・12・13・14・15・16・17・18・19…車体(本発明例)
1'・1"…車体(従来例)
2…吸込口
3…吐出口
4…ダクト
5…運転室窓部
6…床下機器室
7…前照灯
9…凹所
T…トンネル
Claims (6)
- 車体先頭部を車体前後方向について三等分した先端領域、中間領域および後端領域から構成した鉄道先頭車両の車体構造において、
前記車体先頭部を正面より見た外形線内に吸込口を設けるとともに、この吸込口と前記車体先頭部の後方寄りに設けた吐出口とを車体内を通るダクトにより接続し、
前記中間領域の断面積変化率を一定に保持するとともに、前記先端領域および前記後端領域の断面積変化率を、前記中間領域の断面積変化率よりも大きくし、
前記吸込口の大きさを前記車体先頭部の正面からの投影面積の1/3〜1/5としたことを特徴とする鉄道先頭車両の車体構造。 - 前記ダクトの後端部で二股に分岐し、前記吐出口を車体の両側面に設けた請求項1記載の鉄道先頭車両の車体構造。
- 鉄道先頭車両の車体先頭部両側面を先端付近より後方にかけて漸次両側方に広がる流線形にし、前記両側面の先端部にそれぞれ吸込口を設けるとともに、両側面の後端寄りに設けた吐出口と前記吸込口とをそれぞれ独立した2つのダクトによって接続した請求項1または2記載の鉄道先頭車両の車体構造。
- 前記ダクトの吐出口側を前記車体底部の床下機器室に連通し、該床下機器室の底面に前記吐出口を設けた請求項1〜3のいずれかに記載の鉄道先頭車両の車体構造。
- 前記吸込口と前記吐出口との間の前記車体前後方向における距離が14m以上である請求項1〜3のいずれかに記載の鉄道先頭車両の車体構造。
- 前記中間領域に運転室窓部を設ける一方、該窓部の近傍に前記吸込口を設けることにより車体の断面積変化率を一定に保持する請求項1記載の鉄道先頭車両の車体構造。
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