JP6483522B2 - 微気圧波低減装置 - Google Patents

Description

本発明は、微気圧波低減装置に関し、詳しくは、鉄道車両のトンネルへの突入により発生する圧縮波の圧力勾配を小さくすることにより、トンネル出口から放射される微気圧波を低減する微気圧波低減装置に関する。

例えば新幹線（登録商標）のような高速車両がトンネルに突入するときには、先頭車両がトンネルに対してピストンの役割を果たし、トンネル内の圧力が上昇し圧縮波が生じる。この圧縮波は、トンネル出口に向かって伝播し、パルス状の圧力波がトンネル外に放射される。かかる圧力波は、微気圧波と呼ばれ、トンネル出口において衝撃音が生じる場合がある。このような微気圧波による衝撃音が大きくなった場合には、環境に影響を与えることになる。特に、微気圧波は、トンネル突入時における走行車両速度の３乗に比例して大きくなることから、車両の高速化が望まれている近年においては、微気圧波の低減対策が求められつつある。

微気圧波の低減対策として、これまで以下のような手法が既に採られている。例えば、断面積変化が緩やかになるように車両先頭部を長くしたり、車両自体の断面積を小さくする等の車両側の対策、あるいはトンネル入口部分に緩衝工と呼ばれる筒状体を施工する等の地上設備側の対策により、微気圧波の低減が図られている。

このような対策の１つとして、例えば特許文献１では、高速走行車両がトンネルに突入するときにトンネル部分の空気を車体に吸引することで微気圧波を小さくすることが開示されている。

また特許文献２には、トンネル内において、列車の走行方向と同一方向に送風することにより、トンネル内部空気と列車との衝突を阻止して衝撃及び騒音の発生防止、さらに列車の突起物及びトンネル内の構築物を高風圧衝撃から守るという点が開示されている。

特開２００５−２２５２３９号公報 特開２００５−３５００４２号公報

しかしながら、車両先頭部の断面積変化を緩やかにしたり、車両自体の断面積を小さくした車両の場合、客室空間が減少するため、その結果、乗車定員が減少したり、乗車時の快適性が低下するという問題がある。

特許文献１は、先頭部分の車体表面から空気を取り入れることによって、微気圧波を低減できるとしている。しかし、このような鉄道車両においては、空気だめを負圧にして空気を吸い込む構造とするため、空気だめの容積を大きくする必要がある。その結果、装置が大型化し、車体重量も増大するという問題がある。さらに、車外から空気を吸い込むため、空気だめへ雨水等が侵入した場合の対策が必要である。

また、特許文献２による提案は、微気圧波及び環境への影響を小さくするという目的のものではなく、さらに、トンネル内を列車が走行しているときに、トンネル内へ送風を行うという方法を開示するものである。よってこの方法では、トンネルへ先頭車両が突入するときの圧縮波の圧力勾配を小さくすることはできない。また、トンネル内の上り線と下り線とは仕切壁を設けて空気が交流しないことを必要としており、多大な設備コストが発生する問題もある。

本発明は、先頭車両における乗車定員、及び客室空間を確保しつつ、簡易な構成で微気圧波による環境影響の低減を図ることができる、微気圧波低減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、本発明は以下のように構成する。
即ち、本発明の第１態様における微気圧波低減装置は、鉄道車両の突入によりトンネル内に発生する圧縮波の圧力勾配を小さくする、上記鉄道車両に搭載される微気圧波低減装置であって、
圧縮空気を貯留する空気タンクと、
先頭車両の前頭部の内部に設けられ、上記前頭部の前面に設けられた開口部から上記鉄道車両の進行方向前方に向けて上記圧縮空気を吹出すノズルと、
上記先頭車両の前頭部の前面がトンネルに突入する直前の位置である吹出開始範囲において上記ノズルの開口部から上記圧縮空気の吹出しを行う制御装置と、
を備えたことを特徴とする。

第１態様の微気圧波低減装置によれば、空気タンク、ノズル、及び制御装置を備え、先頭車両がトンネルに突入する直前にてノズルから圧縮空気が吹出される。これにより、先頭車両がトンネルに突入する直前からトンネル内の気圧を徐々に上昇させることができる。即ち、先頭車両の突入によるトンネル内に発生する圧縮波の圧力勾配を小さくすることができる。したがって、先頭車両における乗車定員及び車両自体の断面積は、現状を維持した鉄道車両であっても、トンネル内に発生する圧縮波による環境への影響を従来よりも小さくすることが可能となる。

本発明の一態様における微気圧波低減装置によれば、先頭車両における乗車定員、及び客室空間を確保し、かつ、簡易な構成で、微気圧波による環境影響の低減を図ることができる。

実施形態である微気圧波低減装置の概略構成を示し、当該微気圧波低減装置を備えた鉄道車両の側面図である。 図１に示す鉄道車両の平面図である。 図１に示す鉄道車両の正面図である。 図１に示す微気圧波低減装置による吹出開始位置及び吹出終了位置を説明するための図である。 トンネル内の気圧変化を時間経過と共に表したグラフである。

実施形態である微気圧波低減装置について、図を参照しながら以下に説明する。尚、各図において、同一又は同様の構成部分については同じ符号を付している。また、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け当業者の理解を容易にするため、既によく知られた事項の詳細説明及び実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。また、以下の説明及び添付図面の内容は、特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。
本実施形態において、トンネル内で空気が圧縮されて発生する圧力波を圧縮波と称し、当該圧縮波がトンネル内を伝播してトンネル出口から外に向かって放射されるパルス状の圧力波を微気圧波と称している。

図５は、鉄道車両の先頭車がトンネルに突入して来たときの、トンネル内の所定位置における圧力変化と時間経過との関係を示す。ここで横軸は時間、縦軸は圧力を示し、先頭車の前面がトンネル入口端に到達した時点をゼロとしている。図５から判るように、先頭車両のトンネル突入から一定時間経過後に、急激に圧力が上昇し、圧縮波としてトンネル内を伝播し、トンネル出口から微気圧波として放射される。微気圧波は、トンネル出口において圧縮波の圧力が急激に減少し、それに伴い「衝撃音」が発生し、環境に影響を与えるものである。ここで、圧縮波の圧力勾配が大きければ、その衝撃音は大きくなる。よって、この圧力上昇の勾配を、図５に点線で示すように、できるだけ緩やかにすることで、トンネル出口における衝撃音を無くし、あるいは低減を図ることができる。

本実施形態の微気圧波低減装置は、トンネルへの鉄道車両の突入によりトンネル内に発生する圧縮波の圧力勾配を小さくする装置であり、鉄道車両の前頭部内に搭載される。そして該微気圧波低減装置は、トンネル入口端の直前に位置する吹出開始範囲において先頭車両から進行方向へ圧縮空気の吹出しを一気に行い、車両突入前に予めトンネル内を加圧することで、突入時における上述の気圧上昇を緩やかにする装置である。以下に具体的にその説明を行う。

また以下の実施形態では、鉄道車両として新幹線（登録商標）を例に採るが、本実施形態はこれに限定する意図ではない。例えば単線でトンネル断面積が比較的小さいため、トンネルへの進入により微気圧波が発生する在来線車両、さらには磁気浮上式鉄道車両など、高速走行する種々の軌条車両に対しても本実施形態は適用可能である。

図１は、本実施形態における微気圧波低減装置１０１の概略構成を示す図である。微気圧波低減装置１０１は、鉄道車両５０の先頭車両５１の構体内に搭載され、トンネル６０（図４）への鉄道車両５０の突入によりトンネル内に発生する圧縮波の圧力勾配を小さくするための装置であり、基本的構成部分として、ノズル１１０と、空気タンク１２１と、制御装置１３０とを有する。これらについて以下に順次説明する。

ノズル１１０は、鉄道車両５０の進行方向５２に向かって圧縮空気を吹出すパイプ状の部材であり、先頭車両５１の前頭部５１ａ内に配置され、前頭部５１ａの前面で、本実施形態では車幅方向５４（図２）における中央部の先端部分に開口部１１０ａを有する。本実施形態では、ノズル１１０の数は４つであり、図１から図３に示すように鉛直（上下）方向に２箇所、左右（車幅）方向に２箇所の開口部１１０ａが配置されている。ノズル１１０の開口部１１０ａでの直径は、本実施形態では一例として８０ｍｍである。また本実施形態では、開口部１１０ａの形状は、ノズル１１０が開口する先頭車両５１の先端部分の形状に沿うように成形している。
尚、ノズル１１０の数、開口寸法、開口位置は、上述の値に限定するものではなく、微気圧波を小さくするため、開口形状も含めて適切に設計される。

また本実施形態では、車長方向５３に平行で、かつ車幅方向５４に直交する進行方向５２に沿って各ノズル１１０は同一方向に配向されている。しかしながらノズル１１０の配向方向はこれに限定されず、車長方向５３（図１）に対してある角度で鉛直方向に上向きあるいは下向きに傾斜し、あるいはまた進行方向５２に対してある角度で左右側へ振れて配向してもよい。一例として、進行方向に対して水平を０°とした場合、全てのノズル１１０が車長方向５３に対して鉛直方向に上向き又は下向きであっても良く、好ましくは−３０°以上＋３０°以下の角度θで配向してもよく、また左右方向に−３０°以上＋３０°以下の角度で配向してもよい。

また、全てのノズル１１０の配向方向が同じでなくてもよく、一又は複数のノズル１１０を含む一方組と他方組との間で配向方向が異なってもよく、また全てのノズル１１０が異なる配向方向を有してもよい。
また本実施形態では、ノズル１１０の開口部１１０ａは、上述したように先頭車両５１の形状に沿わせるため、円形あるいは楕円形状であるが、これに限定されず、意図的に例えば横長四角形等に成形してもよい。

尚、ノズル１１０内への異物の侵入を防止するため、ノズル１１０の開口部１１０ａには開閉蓋を設けるのが好ましい。この開閉蓋は、開閉装置を設けて、下記の制御装置１３０の制御による圧縮空気のノズル１１０からの吹出しに同期して開閉させてもよいし、圧縮空気の噴射力により自動的に開閉させてもよい。またあるいは、開閉蓋を設けることなく、走行中に受ける風圧に逆らうようにノズル１１０に空気を送り込み受ける風圧と拮抗させた場合でも、開閉蓋を設けた場合と同様の機能が得られる。
また、車両によっては、先頭車両５１の先端部分には連結器が収納されているが、連結器の使用に支障がない位置にノズル１１０は取り付けられている。あるいはノズル１１０を含む構成部分が取り外し可能となる構造としてもよい。

圧縮空気源装置１２０は、圧縮空気を生成するコンプレッサー１２２と、圧縮空気を貯留する空気タンク１２１を含んでいる。コンプレッサー１２２は空気タンク１２１に接続され、本実施形態では例えば０．６ＭＰａの圧縮空気を空気タンク１２１へ送り込む。空気タンク１２１は、制御装置１３０を介して上述のノズル１１０に接続されている。よって、コンプレッサー１２２で生成され空気タンク１２１に貯蔵された圧縮空気は、制御装置１３０の制御によりノズル１１０の開口部１１０ａから外部へ噴射、放出される。

尚、本実施形態では、微気圧波低減装置１０１用のコンプレッサー１２２及び空気タンク１２１を別途備える構成としているが、既存の元空気だめから圧縮空気が供給されてもよい。

本実施形態では、後述するように規定時間にわたり圧縮空気を一気に連続噴射する。また、隣接するトンネルの距離間隔が短く、連続したトンネルに対応する必要から、複数個の、一例としてノズル１１０の本数を超える数の空気タンク１２１を設けている。

各ノズル１１０の開口部１１０ａから吹出されるときの圧縮空気の吹出速度は、１００ｍ／秒以上の数値である。例えば、開口部１１０ａからの圧縮空気の吹出速度は、鉄道車両５０の走行速度に対して２倍以上の値を採ることができる。
このような吹出速度になるように、圧縮空気圧力、ノズル１１０の開口面積、等が設計される。

次に、制御装置１３０について説明する。
制御装置１３０は、先頭車両５１がトンネルに突入する直前の位置においてノズル１１０から空気タンク１２１の圧縮空気の吹出しを行う装置であり、本実施形態では、制御部１３１と、記憶部１３２と、バルブ１３３とを有する。ここでバルブ１３３は、上述した空気タンク１２１とノズル１１０との間に設置され、制御部１３１の動作制御によりオン、オフ（開閉）制御される。バルブ１３３の一例として電磁弁が使用可能である。尚、図示の便宜上、図１及び図２では、バルブ１３３はノズル１１０の開口部１１０ａから離れて一箇所に図示するが、実際には、ノズル１１０毎に、各ノズル１１０の開口部１１０ａの直前位置に設置される。したがって、バルブ１３３の開閉動作と、ノズル１１０の開口部１１０ａからの圧縮空気の吹出し動作との時間差は、ゼロに等しい。
また圧縮空気源装置１２０は、空気タンク１２１内の空気圧を一定に保つための調圧装置を含み、空気圧が一定圧以下になった場合には、制御部１３１は、コンプレッサー１２２を作動させる。
尚、本実施形態では、バルブ１３３は制御装置１３０に含まれる構成を採るが、上述の圧縮空気源装置１２０に含む構成を採り、制御装置１３０にて動作制御してもよい。

制御装置１３０は、基本的な制御動作として、バルブ１３３の開閉制御により、上述のように先頭車両５１がトンネルに突入する直前の位置で圧縮空気の吹出しを行う。具体的には、先頭車両５１の前頭部５１ａの前面がトンネル６０に突入する位置であるトンネル入口端６１の直前に位置する、図４に示す、吹出開始範囲２０１における規定の吹出開始位置２０１ａにて、制御装置１３０はバルブ１３３を開き、圧縮空気の吹出しを開始する。

また制御装置１３０は、圧縮空気の吹出しを開始した後、トンネル内に位置する吹出終了範囲２０２における規定の吹出終了位置２０２ａにて、バルブ１３３を閉じ圧縮空気の吹出しを終了する。圧縮空気の吹出開始から吹出終了までの間、制御装置１３０は、圧縮空気源装置１２０に対して圧縮空気の吹出しを連続して行わせる。
尚、図４において、吹出開始位置２０１ａ及び吹出終了位置２０２ａの図示位置は、それぞれ例示でありそれらの適所を示す意図ではない。吹出開始位置２０１ａ及び吹出終了位置２０２ａは、それぞれ吹出開始範囲２０１内、及び吹出終了範囲２０２内における位置である。

ここで吹出開始範囲２０１は、圧縮空気の吹出しにより、圧縮波の圧力勾配を緩やかにすることができる範囲であり、具体的には、トンネル入口端６１と、トンネル外側でトンネル入口端６１から２０ｍとの間に相当する。

吹出開始範囲２０１において、より優れた微気圧波低減効果が得られる範囲は、圧縮空気の吹出速度、ノズル１１０の開口面積、等に起因して変化するが、総じて、トンネル入口端６１から手前側０ｍと１５ｍとの間、さらには、トンネル入口端６１の手前側２ｍと１０ｍとの間である。尚、この場合の測定条件の一例として、鉄道車両５０の走行速度は３３０Ｋｍ／ｈ、圧縮空気の吹出速度は２００ｍ／秒、ノズル１１０の開口部１１０ａの面積は０．０２８ｍ^２、圧縮波の測定場所はトンネル入口端６１からトンネル内へ６１ｍである。
このような吹出開始範囲２０１内から、ノズル１１０の開口部１１０ａから圧縮空気の吹出しを開始する吹出開始位置２０１ａが制御装置１３０に設定される。

また、吹出終了範囲２０２も吹出開始範囲２０１と同様に、圧縮空気の吹出しにより、上述のトンネル内気圧上昇を緩やかにすることができる範囲であり、具体的には、トンネル入口端６１と、トンネル入口端６１からトンネル内側１０ｍとの間に相当する。

吹出終了範囲２０２においても、より優れた微気圧波低減効果が得られる範囲は、圧縮空気の吹出速度、ノズル１１０の開口面積、等に起因して変化するが、総じて、トンネル入口端６１から内側へ１ｍと１０ｍとの間、さらには、トンネル入口端６１から内側へ３ｍと７ｍとの間である。
このような吹出終了範囲２０２内から、ノズル１１０の開口部１１０ａから圧縮空気の吹出しを終了する吹出終了位置２０２ａが制御装置１３０に設定される。

制御装置１３０における制御部１３１は、例えばコンピュータを用いて実現され、上述した動作を実行するソフトウェアと、該ソフトウェアを実行するＣＰＵ（中央演算処理装置）等のハードウェアとから構成される。制御装置１３０における記憶部１３２は、少なくとも吹出開始位置２０１ａ及び吹出終了位置２０２ａを格納する。

ここで、上述した圧縮空気の吹出開始、終了の位置検出は、次の位置検出装置１４０によって行われる。即ち、位置検出装置１４０は、鉄道車両５０に設置され、当該鉄道車両５０の走行位置を検出する装置であり、検出した走行位置情報を制御装置１３０へ供給する。このような位置検出装置１４０として、本実施形態では、鉄道車両５０に現状既に設置されている装置で、車輪回転数から走行距離を算出し自車の走行位置を求める装置を用いるが、ミリ波を用いた装置、あるいはＧＰＳを利用した装置を用いることも可能である。
また位置検出装置１４０は、各トンネルの位置情報を有しており、本実施形態では、各トンネルに対する最寄り駅でリセットされる車輪回転数に基づいて当該鉄道車両５０の走行位置を求める。ここで制御装置１３０へ供給する走行位置情報としては、トンネル入口端６１に対するノズル１１０の位置、正確にはノズル１１０の開口部１１０ａの位置、の情報が好ましい。

以上のように構成される微気圧波低減装置１０１における動作、つまり微気圧波低減方法について、以下に説明する。
鉄道車両５０の運転時には、制御装置１３０の動作制御により微気圧波低減装置１０１における圧縮空気源装置１２０のコンプレッサー１２２が作動し空気タンク１２１には規定圧力の圧縮空気が貯蔵されている。また制御装置１３０には、本実施形態では予め、吹出開始範囲２０１内の吹出開始位置２０１ａ、及び、吹出終了範囲２０２内の吹出終了位置２０２ａがそれぞれ設定されている。

鉄道車両５０が走行を開始し、位置検出装置１４０から制御装置１３０に走行位置情報が供給される。制御装置１３０は、上述の走行位置情報を基に先頭車両５１におけるノズル１１０の開口部１１０ａの位置が吹出開始位置２０１ａに到達したことを認識した時点で、バルブ１３３を開く。バルブ１３３の開動作と同時にノズル１１０の開口部１１０ａから規定の吹出速度で進行方向５２へ圧縮空気の吹出しが行われる。さらに、上述の走行位置情報を基に、ノズル１１０の開口部１１０ａの位置が吹出終了位置２０２ａに到達したことを認識した時点で、制御装置１３０はバルブ１３３を閉じ、圧縮空気の吹出しを終了する。以後、トンネル毎に、制御装置１３０は同様の制御動作を行う。

このような圧縮空気の吹出動作により、先頭車両５１の前頭部５１ａの前面がトンネル入口端６１に突入する前に予めトンネル６０内は加圧される。よって、前頭部５１ａの前面のトンネル６０への突入によるトンネル６０内の気圧上昇を緩やかにすることができ、トンネル６０内に発生する圧縮波の圧力勾配を小さくすることができる。その結果、トンネル出口における環境への影響、具体的には「音」の発生、を無くし、あるいは低減を図ることができる。即ち、圧縮空気の吹出動作によって、疑似的に車両先頭部を長くしたような効果が得られる。

本実施形態では、上述のように、制御装置１３０に設定した吹出開始位置２０１ａ及び吹出終了位置２０２ａは、一運行の間、トンネル６０毎に設定された値を変更しない構成であるが、それぞれの設定値を変更可能な構成にしてもよい。
即ち、本明細書の冒頭で説明したように、微気圧波は、トンネル突入時における走行車両速度の３乗に比例して大きくなる。一方、同じく微気圧波の発生に影響を与える、ノズル１１０の開口面積及び圧縮空気の吹出速度を可変にすることも可能であるが、構造が複雑化し実際的ではない。よって、吹出開始位置２０１ａ及び吹出終了位置２０２ａと鉄道車両５０の走行速度との関係を示した情報を予め制御装置１３０に格納しておくことで、トンネル毎に、制御装置１３０は、例えば吹出開始範囲２０１の直前位置での鉄道車両５０の走行速度に基づいて、吹出開始位置２０１ａ及び吹出終了位置２０２ａを決定するようにしてもよい。

また、微気圧波による環境影響を低減するための対策として、トンネル入口端から外側へ緩衝工と呼ばれる筒状体が既に設置されているトンネルも存在する。この場合、本実施形態で説明した「トンネル」は、緩衝工も含めたものを指し、「トンネル入口端」は緩衝工の入口端に相当する。

また、上述した各変形例を組み合わせた構成を採ることも可能である。

本発明は、走行する鉄道車両がトンネルに突入するときに発生する微気圧波を低減する微気圧波低減装置に適用可能である。

５０…鉄道車両、５１…先頭車両、５１ａ…前頭部、５２…進行方向、
６０…トンネル、６１…トンネル入口端、
１０１…微気圧波低減装置、１１０…ノズル、１１０ａ…開口部、
１２０…圧縮空気源装置、１２１…空気タンク、
１３０…制御装置、１４０…位置検出装置、
２０１…吹出開始範囲、２０２吹出終了範囲。

Claims (6)

1. 鉄道車両の突入によりトンネル内に発生する圧縮波の圧力勾配を小さくする、上記鉄道車両に搭載される微気圧波低減装置であって、
   圧縮空気を貯留する空気タンクと、
   先頭車両の前頭部の内部に設けられ、上記前頭部の前面に設けられた開口部から上記鉄道車両の進行方向前方に向けて上記圧縮空気を吹出すノズルと、
   上記先頭車両の前頭部の前面がトンネルに突入する直前の位置である吹出開始範囲において上記ノズルの開口部から上記圧縮空気の吹出しを行う制御装置と、
   を備えたことを特徴とする微気圧波低減装置。
2. 上記制御装置は、上記先頭車両の前頭部の前面がトンネルに突入した位置からトンネル内位置である吹出終了範囲において、上記ノズルの開口部から上記圧縮空気の吹出しを終了する、請求項１に記載の微気圧波低減装置。
3. 上記ノズルは、水平方向に対する吹出し角度が−３０°以上３０°以下である、請求項１又は２に記載の微気圧波低減装置。
4. 上記吹出開始範囲は、トンネル入口端の手前２０ｍから上記先頭車両の前頭部の前面がトンネル入口端に位置する範囲である、請求項１から３のいずれか一つに記載の微気圧波低減装置。
5. 上記吹出終了範囲は、上記先頭車両の前頭部の前面がトンネル入口端内方１ｍから１０ｍに位置する範囲である、請求項２に記載の微気圧波低減装置。
6. 上記ノズルは、上記鉄道車両の走行速度に対して２倍以上の流速で圧縮空気を吹出す、請求項１から５のいずれか一つに記載の微気圧波低減装置。

Images