JP6909070B2

JP6909070B2 - 鉄道車両の窓構造

Info

Publication number: JP6909070B2
Application number: JP2017122890A
Authority: JP
Inventors: 宏次谷口; 橋本　克史; 克史橋本; 直樹矢嶋
Original assignee: Japan Transport Engineering Co
Current assignee: Japan Transport Engineering Co
Priority date: 2017-06-23
Filing date: 2017-06-23
Publication date: 2021-07-28
Anticipated expiration: 2037-06-23
Also published as: JP2019006220A

Description

本発明は、鉄道車両の窓構造に関する。

鉄道車両、特に高速車両においては、遮音性、断熱性及び安全性等の観点から、互いに向かい合う一対の窓板の間に気体層が形成されてなる複層窓が用いられている。この複層窓においては、共鳴透過現象と呼ばれる共振現象により、低音域帯における特定の周波数（共鳴透過周波数）において遮音性能に落ち込みが見られる。これに対し、一対の窓板の間にヘルムホルツ共鳴器を配置して吸音効果を生じさせることにより、共鳴透過周波数の音に対する遮音性能を高めた窓構造が提案されている（例えば特許文献１参照）。

特開２００２−３５６９３４号公報

しかしながら、上述したような窓構造を鉄道車両の窓部に適用した場合、共鳴透過周波数の音に対する遮音性能が高められる一方で、ヘルムホルツ共鳴器によって窓部の一部が遮られるため、良好な視界や採光性が得られず、乗客の快適性を確保できないおそれがある。

そこで、本発明は、共鳴透過周波数の音に対する遮音性能の向上と、良好な視界や採光性の確保とを両立できる鉄道車両の窓構造を提供することを目的とする。

本発明の鉄道車両の窓構造は、側構体に設けられた開口部に複層窓が配置された鉄道車両の窓構造であって、側構体は、互いに向かい合うように間隔を空けて配置され、開口部を画定する外板及び内板を有し、複層窓は、開口部を覆うように外板と内板との間に配置された一対の窓板と、一対の窓板の間において、一対の窓板、外板及び内板が互いに重なり合う重なり領域に配置されたヘルムホルツ共鳴器と、を有する。

この鉄道車両の窓構造では、一対の窓板の間において、一対の窓板、外板及び内板が互いに重なり合う重なり領域に、ヘルムホルツ共鳴器が配置されている。これにより、ヘルムホルツ共鳴器によって共鳴透過周波数の音に対する遮音性能を向上できると共に、ヘルムホルツ共鳴器が開口部を遮ることがないため、良好な視界や採光性をも確保できる。また、車外側及び車内側の双方からヘルムホルツ共鳴器が視認されないため、デザイン性を向上することもできる。

また、ヘルムホルツ共鳴器は、重なり領域において、開口部の隅部に対応する位置に配置されていてもよい。この構成によれば、デッドスペースが形成され易い隅部近傍の領域を有効活用できる。

また、隅部は、Ｒ形状をなしていてもよい。この構成によれば、隅部における応力集中に起因して外板に亀裂等の破損が生じることを抑制できる。また、隅部がＲ形状をなす場合には隅部近傍の領域に大きなデッドスペースが形成され易いが、この構成によれば、そのような領域を有効活用できる。

また、ヘルムホルツ共鳴器は、一対の窓板の間に挟まれて一対の窓板との間でキャビティを画定する枠体を有してもよい。この構成によれば、一対の窓板を利用してキャビティを画定できるため、ヘルムホルツ共鳴器を小型化及び簡易化でき、ヘルムホルツ共鳴器を重なり領域に好適に配置できる。

また、枠体には、一対の窓板の間に形成された気体層とキャビティとを連通させる連通開口が設けられていてもよい。この構成によれば、ヘルムホルツ共鳴器を一層小型化及び簡易化できる。

また、ヘルムホルツ共鳴器は、重なり領域において、開口部の隅部に対応する位置に配置されており、枠体において連通開口が設けられた部分は、開口部の縁部に対応した形状をなしていてもよい。この構成によれば、枠体の形状を開口部の隅部に対応させることができ、ヘルムホルツ共鳴器を重なり領域に一層好適に配置できる。

また、連通開口は、所定方向に沿って並んで配置されていてもよい。この構成によれば、所定の目標周波数の音に対する遮音性能を効果的に向上できる。

また、連通開口は、マトリクス状に配置されていてもよい。この構成によれば、各周波数の音に対する遮音性能を全体的に向上できる。

また、複層窓は、一対の窓板の間に気体層が形成されるように一対の窓板の縁部同士を固定する固定部材を更に有し、枠体は、固定部材に連結されていてもよい。この構成によれば、一対の窓板の縁部同士を固定する固定部材によって枠体を固定できるため、構成を簡略化できる。

また、複層窓は、共鳴周波数が互いに異なる複数のヘルムホルツ共鳴器を有していてもよい。この構成によれば、良好な視界や採光性を確保しつつ、複数の共鳴透過周波数の音に対する遮音性能を向上できる。

また、一対の窓板の少なくとも一方は、ポリカーボネートによって構成されていてもよい。この構成によれば、窓板を軽量化できると共に、ポリカーボネートによって構成された窓板を車両外側に配置することで、飛来物の衝突等による割れを抑制できる。

本発明によれば、共鳴透過周波数の音に対する遮音性能の向上と、良好な視界や採光性の確保とを両立できる鉄道車両の窓構造を提供できる。

実施形態に係る窓構造を示す正面図である。図１に示される複層窓を示す正面図である。図２のIII-III線に沿っての断面図である。図１に示される複層窓の固定構造を示す断面図である。図２の一部拡大図である。第１変形例のヘルムホルツ共鳴器を示す正面図である。（ａ）は、第２変形例のヘルムホルツ共鳴器を示す正面図であり、（ｂ）は、（ａ）に示される枠体に設けられた連通開口を示す図である。（ａ）〜（ｄ）は、第１実施例、第２実施例、第３実施例及び比較例についてのハンマリング試験の結果を示す表である。（ａ）及び（ｂ）は、第３実施例及び比較例についてのハンマリング試験の結果を示すグラフである。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、以下の説明において、同一又は相当要素には同一符号を用い、重複する説明を省略する。

図１に示される窓構造１は、鉄道車両の側構体２に設けられた開口部２ａに複層窓３が配置されてなる鉄道車両の窓構造である。開口部２ａは、例えば断面略矩形状（この例では略正方形状）をなしており、開口部２ａの４つの隅部２ｂは、それぞれＲ形状（例えば円弧状）をなしている。

側構体２は、鉄道車両の側部を構成する構体であり、外板４及び内板５を有して構成されている。外板４及び内板５は、例えば、車両幅方向において互いに向かい合うように、所定の間隔を空けて配置されている。一例として、外板４は、車両の外壁を構成するダブルスキン構造の板材であり、内板５は、外板４に対して車両内側から取り付けられる内装パネルである。

外板４及び内板５には、開口部２ａに対応した形状の開口４ａ及び開口５ａがそれぞれ設けられている。開口４ａ，５ａが互いに重なるように配置されることにより、開口部２ａが画定されている。この例では、車両幅方向から見て開口４ａ，５ａの縁が互いに重なっているが、開口４ａの縁が開口５ａの縁よりも外側に位置していてもよい。

図２〜図５に示されるように、複層窓３は、一対の窓板６，７と、固定部材８と、複数（この例では４つ）のヘルムホルツ共鳴器９と、を有して構成されている。窓板６，７は、矩形状の透明板であり、車両幅方向において互いに平行に向かい合うように配置されている。

車両外側に配置される窓板６は、例えばポリカーボネートによって構成されており、車両内側に配置される窓板７は、例えばガラスによって構成されている。窓板６，７は、例えば互いに同一の平面形状を有している。窓板６の厚さは、例えば８ｍｍである。窓板７の厚さは、例えば５ｍｍであり、この例では窓板６の厚さよりも薄くなっている。

窓板６，７は、開口部２ａを覆うように外板４と内板５との間に配置されている。窓板６，７の縁部６ａ，７ａは、車両幅方向から見て、開口部２ａよりも外側に張り出している。窓板６，７は、例えば、外板４と固定金具２１との間に挟み込まれることにより、外板４及び内板５に対して固定されている。固定金具２１は、窓板６，７に対して内板５側に位置するように、外板４に固定されている。

この例では、破損防止のために、窓板６，７は、断面略Ｕ字状の枠部２２を介して外板４と固定金具２１との間に挟み込まれている。また、窓板６，７と枠部２２との間には弾性部材２３が配置されており、固定金具２１と枠部２２との間にはスペーサ２４が配置されている。外板４と窓板６との間は、樹脂製の一次シール材２５によって封止されている。また、外板４と枠部２２との間は、樹脂製の二次シール材２６によって封止されている。

固定部材８は、窓板６，７の縁部６ａ，７ａ同士を固定している。固定部材８は、縁部６ａ，７ａの間に配置された複数（この例では４つ）のスペーサ１１と、それらスペーサ１１の外側において窓板６，７の間を封止する封止部材１２と、を有して構成されている。

各スペーサ１１は直線状に形成されており、４つのスペーサ１１は、それぞれ、窓板６，７の４つの辺部に沿って配置されている。各スペーサ１１は中空に形成されており、各スペーサ１１内には、後述する気体層Ｐを乾燥させるための乾燥剤１３が封入されている。スペーサ１１と窓板６，７との間は、樹脂製の１次シール材１４によって気密に封止されている。

封止部材１２は、樹脂製のシール材であり、スペーサ１１の外側において縁部６ａ，７ａの間を気密に封止している。封止部材１２及び１次シール材１４による封止により、スペーサ１１、後述するヘルムホルツ共鳴器９の枠体１５、及び窓板６，７の間に気体層Ｐが形成されている。気体層Ｐは、例えば大気圧程度の圧力を有する空気によって構成されている。気体層Ｐの厚さ（すなわち、窓板６，７の間の距離）は、例えば８ｍｍである。

各ヘルムホルツ共鳴器９は、一対の窓板６，７の間において、一対の窓板６，７、外板４及び内板５が互いに重なり合う重なり領域Ｒに配置されている。より詳細には、各ヘルムホルツ共鳴器９は、重なり領域Ｒにおいて、開口部２ａの隅部２ｂに対応する位置（車両幅方向から見て隅部２ｂの外側の位置）に配置されている。

各ヘルムホルツ共鳴器９は、一対の窓板６，７の間に挟まれて一対の窓板６，７との間でキャビティＣを画定する枠体１５を有して構成されている。キャビティＣは、例えば車両幅方向から見て略三角形状の断面を有している。

枠体１５は、互いに直交すると共に互いの一端同士が接続された一対の直線部１５ａ，１５ａと、直線部１５ａ，１５ａの他端同士の間に架け渡された湾曲部１５ｂと、を有している。湾曲部１５ｂは、直線部１５ａ，１５ａ同士の接続点側に向かって凸となるように、開口部２ａの隅部２ｂに対応したＲ形状をなしている。

湾曲部１５ｂには、気体層ＰとキャビティＣとを連通させる複数の連通開口１６が設けられている。連通開口１６は、例えば、湾曲部１５ｂを貫通する断面円形の貫通孔であり、湾曲部１５ｂの延在方向に沿って等間隔に３つ並んで設けられている。３つの連通開口１６のうち中央の連通開口１６は、湾曲部１５ｂにおいて延在方向の中間部に配置されている。連通開口１６の直径は、例えば２ｍｍとなっている。連通開口１６の深さは、例えば６ｍｍとなっている。車両幅方向に沿っての湾曲部１５ｂの厚さは、例えば６．５ｍｍとなっている。

連通開口１６の形状及び配置は、所定の目標周波数の音に対してヘルムホルツ共鳴による吸音効果が効果的に生じるように設定されている。すなわち、連通開口１６は、目標周波数に対応した形状及び配置で設けられている。目標周波数としては、例えば、ヘルムホルツ共鳴器９が備えられていないと仮定した場合の複層窓３の共鳴透過周波数を設定することができる。この共鳴透過周波数は、窓板６，７の形状（厚さ、大きさ）及び材質、気体層Ｐの厚さ、並びに気体層Ｐに封入された気体の種類等によって変化する。

本実施形態の例では、各ヘルムホルツ共鳴器９の目標周波数は２４６Ｈｚに設定されている。ヘルムホルツ共鳴器９において吸音効果が生じる共鳴周波数ｆは、下記式（１）により求められる。

上記式（１）において、ｃは音速、Ｓは連通開口１６の開口面積、ＶはキャビティＣの容積、Ｌ’は開口端補正を考慮した場合の連通開口１６の実効深さである。目標周波数に応じてこれらの各パラメータを変更することにより、所定の目標周波数の音に対してヘルムホルツ共鳴による吸音効果を生じさせることができる。この例では、ヘルムホルツ共鳴器９による吸音効果は、目標周波数だけではなく、目標周波数を含む幅広い周波数帯において生じる。

枠体１５は、直線部１５ａの端部がスペーサ１１の端部に嵌め込まれることにより、スペーサ１１に連結されている。この連結状態において、直線部１５ａとスペーサ１１とは同一直線上に位置しており、湾曲部１５ｂは開口部２ａの隅部２ｂに沿って（隅部２ｂと対向するように）配置されている。

枠体１５と窓板６，７との間は、スペーサ１１と窓板６，７との間と同様に、１次シール材１４によって気密に封止されている。また、枠体１５の外側部分における縁部６ａ，７ａ間は、スペーサ１１の外側部分における縁部６ａ，７ａ間と同様に、封止部材１２によって気密に封止されている。この例では、枠体１５の外側部分とスペーサ１１の外側部分とは、一体の封止部材１２によって封止されている。

以上説明したように、窓構造１では、一対の窓板６，７の間において、一対の窓板６，７、外板４及び内板５が互いに重なり合う重なり領域Ｒに、ヘルムホルツ共鳴器９が配置されている。これにより、ヘルムホルツ共鳴器９によって共鳴透過周波数の音に対する遮音性能を向上できると共に、ヘルムホルツ共鳴器９が開口部２ａを遮ることがないため、良好な視界や採光性をも確保できる。また、車外側及び車内側の双方からヘルムホルツ共鳴器９が視認されないため、デザイン性を向上することもできる。

また、窓構造１では、重なり領域Ｒにおいて、開口部２ａの隅部２ｂに対応する位置に、ヘルムホルツ共鳴器９が配置されている。これにより、デッドスペースが形成され易い隅部２ｂ近傍の領域を有効活用できる。

また、窓構造１では、隅部２ｂがＲ形状をなしている。これにより、隅部２ｂにおける応力集中に起因して外板４に亀裂等の破損が生じることを抑制できる。また、隅部２ｂがＲ形状をなす場合には隅部２ｂ近傍の領域に大きなデッドスペースが形成され易いが、窓構造１によれば、そのような領域を有効活用できる。

また、窓構造１では、ヘルムホルツ共鳴器９が、一対の窓板６，７の間に挟まれて一対の窓板６，７との間でキャビティＣを画定する枠体１５を有している。これにより、一対の窓板６，７を利用してキャビティＣを画定できるため、ヘルムホルツ共鳴器９を小型化及び簡易化でき、ヘルムホルツ共鳴器９を重なり領域Ｒに好適に配置できる。

また、窓構造１では、枠体１５には、一対の窓板６，７の間に形成された気体層ＰとキャビティＣとを連通させる連通開口１６が設けられている。これにより、ヘルムホルツ共鳴器９を一層小型化及び簡易化できる。

また、窓構造１では、湾曲部１５ｂが、開口部２ａの隅部２ｂに対応したＲ形状をなしている。これにより、湾曲部１５ｂの形状を隅部２ｂに対応させることができ、ヘルムホルツ共鳴器９を重なり領域Ｒに一層好適に配置できる。

また、窓構造１では、連通開口１６が、湾曲部１５ｂの延在方向に沿って並んで配置されている。これにより、目標周波数の音に対する遮音性能を効果的に向上できる。

また、窓構造１では、枠体１５が固定部材８に連結されている。これにより、一対の窓板６，７の縁部６ａ，７ａ同士を固定する固定部材８によって枠体１５を固定できるため、構成を簡略化できる。

また、窓構造１では、窓板６がポリカーボネートによって構成されている。これにより、窓板６を軽量化できると共に、窓板６を車両外側に配置することで、飛来物の衝突等による割れを抑制できる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限られない。例えば、図６に示される第１変形例のように、連通開口１６は、湾曲部１５ｂの延在方向に沿って等間隔に７つ設けられてもよい。

また、図７に示される第２変形例のように連通開口１６が設けられてもよい。第２変形例では、連通開口１６は、湾曲部１５ｂの中央部を含む領域Ａ内に配置されている。図７（ｂ）に示されるように、領域Ａ内には複数の連通開口１６がマトリクス状に配列されている。連通開口１６は、例えば、直径０．５ｍｍの貫通微細孔として構成されている。行方向又は列方向に隣り合う連通開口１６同士の間の距離は、例えば１ｍｍとなっている。なお、連通開口１６は、領域Ａよりも広い範囲に設けられてもよく、例えば、湾曲部１５ｂの両端部間にわたって設けられてもよい。

このような第１及び第２変形例によっても、上記実施形態と同様に、共鳴透過周波数の音に対する遮音性能の向上と、良好な視界や採光性の確保とを両立できる。また、第２変形例のように連通開口１６がマトリクス状に配置されている場合、後述するように、各周波数の音に対する遮音性能を全体的に向上できる。また、上記実施形態、第１及び第２変形例において、４つのヘルムホルツ共鳴器９のうちの少なくとも２つの共鳴周波数が互いに異なっていてもよい。この場合、良好な視界や採光性を確保しつつ、複数の共鳴透過周波数の音に対する遮音性能を向上できる。

また、枠体１５は、湾曲部１５ｂに代えて、直線部１５ａ，１５ａの他端同士の間に架け渡された直線部を有していてもよい。換言すれば、上記実施形態において湾曲部１５ｂが直線状に形成されてもよい。また、湾曲部１５ｂに連通開口１６が設けられる代わりに、貫通微細孔が設けられた金属板が湾曲部１５ｂに貼り付けられてもよい。また、連通開口１６は、湾曲部１５ｂに形成されたスリットや切欠であってもよい。

また、上記実施形態では開口部２ａの隅部２ｂがＲ形状をなしていたが、隅部２ｂは角部となっていてもよい。また、ヘルムホルツ共鳴器９は、重なり領域Ｒにおいて、開口部２ａの隅部２ｂではなく、開口部２ａの辺部に対応する位置に配置されてもよい。

また、窓板６，７を構成する材料は限定されず、例えば、窓板６，７の双方がポリカーボネート又はガラスによって構成されてもよい。また、気体層Ｐは、空気以外によって構成されてもよく、例えばアルゴンガス等の他の気体によって構成されてもよい。

第１〜第３実施例及び比較例についてハンマリング試験を行った。第１〜第３実施例は、上記実施形態の窓構造１、第１変形例の窓構造、第２変形例の窓構造のそれぞれに対応する。比較例は、上記実施形態の窓構造１において、ヘルムホルツ共鳴器９が設けられていない構成に対応する。この場合、スペーサ１１が矩形環状に形成される。ハンマリング試験では、ハンマで外側の窓板６を叩いて加振し、各窓板６，７の中央部において、各周波数（Ｈｚ）についての振動加速度（振動レベル）（ｍ／ｓ^２／Ｎ）を測定した。

図８（ａ）〜図８（ｄ）は、第１実施例、第２実施例、第３実施例及び比較例についてのハンマリング試験の結果を示す表である。図８（ａ）は、外側の窓板６における、第１周波数での振動加速度のピーク値を示す表である。第１周波数は、窓板６，７の双方が１次の振動モードである場合の周波数である。図８（ｂ）は、窓板６における、第２周波数での振動加速度のピーク値を示す表である。第２周波数は、窓板６が３次の振動モードであり、且つ、窓板７のが１次の振動モードである場合の周波数である。図８（ｃ）は、内側の窓板７における、第１周波数範囲での振動加速度のピーク値を示す表である。図８（ｄ）は、窓板７における、第２周波数での振動加速度のピーク値を示す表である。

図８（ａ）〜図８（ｄ）に示されるように、第１〜第３実施例のいずれについても、比較例と比べて、内側の窓板７における各ピーク値が小さくなっている。このことから、第１〜第３実施例では、ヘルムホルツ共鳴器９による吸音効果が好適に生じていることが分かる。

図９（ａ）及び図９（ｂ）は、第３実施例及び比較例についてのハンマリング試験の結果を示すグラフである。図９（ａ）は、外側の窓板６における、周波数に対する振動加速度のグラフである。図９（ｂ）は、内側の窓板７における、周波数に対する振動加速度のグラフである。

図９（ａ）及び図９（ｂ）に示されるように、第３実施例では、比較例と比べて、窓板６，７の双方において、各周波数についての振動加速度の値が全体的に小さくなっている。また、第３実施例では、比較例と比べて、内側の窓板７において、第１周波数及び第２周波数での各ピーク値が小さくなっている。これらのことから、第３実施例では、ヘルムホルツ共鳴器９による吸音効果が好適に生じていることが分かる。

１…鉄道車両の窓構造、２…側構体、２ａ…開口部、２ｂ…隅部、３…複層窓、４…外板、５…内板、６，７…窓板、６ａ，７ａ…縁部、８…固定部材、９…ヘルムホルツ共鳴器、１５…枠体、１６…連通開口、Ｃ…キャビティ、Ｐ…気体層。

Claims

側構体に設けられた開口部に複層窓が配置された鉄道車両の窓構造であって、
前記側構体は、互いに向かい合うように間隔を空けて配置され、前記開口部を画定する外板及び内板を有し、
前記複層窓は、前記開口部を覆うように前記外板と前記内板との間に配置された一対の窓板と、前記一対の窓板の間において、前記一対の窓板、前記外板及び前記内板が互いに重なり合う重なり領域に配置されたヘルムホルツ共鳴器と、を有し、
前記ヘルムホルツ共鳴器は、前記一対の窓板の間に挟まれて前記一対の窓板との間でキャビティを画定する枠体を有し、
前記枠体には、前記一対の窓板の間に形成された気体層と前記キャビティとを連通させる連通開口が設けられており、
前記ヘルムホルツ共鳴器は、前記重なり領域において、前記開口部の隅部に対応する位置に配置されており、
前記枠体において前記連通開口が設けられた部分は、前記隅部に対応した形状をなしている、鉄道車両の窓構造。
前記隅部は、Ｒ形状をなしている、請求項１に記載の鉄道車両の窓構造。
前記連通開口は、所定方向に沿って並んで配置されている、請求項１又は２に記載の鉄道車両の窓構造。
前記連通開口は、マトリクス状に配置されている、請求項１又は２に記載の鉄道車両の窓構造。
前記複層窓は、前記一対の窓板の間に気体層が形成されるように前記一対の窓板の縁部同士を固定する固定部材を更に有し、
前記枠体は、前記固定部材に連結されている、請求項１〜４のいずれか一項に記載の鉄道車両の窓構造。
前記複層窓は、共鳴周波数が互いに異なる複数の前記ヘルムホルツ共鳴器を有している、請求項１〜５のいずれか一項に記載の鉄道車両の窓構造。
前記一対の窓板の少なくとも一方は、ポリカーボネートによって構成されている、請求項１〜６のいずれか一項に記載の鉄道車両の窓構造。