JP7061974B2 - 鉄道車両の床構造およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は鉄道車両の床構造に関するものであり、特に耐火性を有する床構造を簡便に製造することができる構成を提供するものである。

鉄道車両は様々な観点から乗客の安全を考慮して設計される。火災に対する耐性についても、少なくとも満足すべき耐火性等が決められている。例えば日本国内では、省令８３条に「床下面は不燃性又は、表面が金属で覆われたもの」との規定がある。

また、米国では、耐火基準ＡＳＴＭ Ｅ－１１９で、欧州ではＥＮ４５５４５－３等で決められている。例えば欧州の基準によれば、床表面の温度上昇の許容値は平均で初期温度＋１４０℃以下とされている。

さらに、米国の規格ＮＦＰＡ １３０ ＦＩＸＥＤ ＧＵＩＤＥＷＡＹ ＴＲＡＮＳＩＴ ＳＹＳＴＥＭＳの第４章の車両の規定においては、最低限ＡＳＴＭ Ｅ－１１９によることと、規定されている。この方法で少なくとも１５分間、または乗客が脱出できる時間の２倍の間、この基準温度以下である必要がある。

以上のように、鉄道車両の床構造には耐火性能が求められている。特に床下には、車輪を駆動するモータ、変圧器およびその制御装置が懸架されている。モータや変圧器には大電流が供給されるので、制御回路は発熱する。そこで万一制御回路若しくはモータで火災が発生しても、床より上の客室内に、少なくとも一定時間、炎や煙はもちろん、熱も入り込まないように床構造には耐火性が求められている。

特許文献１には、床材に吸熱材を配置した床構造が示されている。より具体的には、吸熱材としてバーミキュライト（天然の鉱物）を利用する。バーミキュライトは、熱膨張する際に熱を吸収する。床材が吸熱効果を有することで客車内の温度上昇を抑制しようとするものである。

特開２０１５－２１２１４３号公報

近年鉄道車両の台枠形材はアルミニウム合金の押出成形で形成される場合が多い。アルミニウム合金は、加工が容易で、トラス構造などを導入することで強度も必要強度を確保することができる。しかし、アルミニウム合金は融点が６６０℃程度と低く、特許文献１のように床材が吸熱しても、台枠形材自体が溶融してしまっては、そもそも床を維持することができない。

本発明は上記の課題に鑑みて想到されたものであり、アルミニウム合金製の台枠形材が出火による炎に炙られても溶融することなく形状を維持し、なおかつ客車内の温度上昇も抑制できる床構造を提供するものである。

より具体的に、本発明に係る鉄道車両の床構造は、
トラス構造を有するアルミニウム合金製の台枠形材と、
前記トラス構造の中に配置され、前記台枠形材の溶融温度より低い温度で溶融する容器に水分を貯留した水分保持体と、
前記台枠形材の上弦材部に前記水分保持体が配置された前記トラス構造へ通じる貫通孔が設けられ、
前記水分保持体には、水分と共に対流抑制物が貯留されていることを特徴とする。

本発明に係る鉄道車両の床構造は、台枠形材のトラス構造の中に水分保持体を配置しているので、アルミニウム合金製の台枠形材が炎に炙られると、水分保持体が溶融し、中の水分がトラス構造中に吐出する。そのため台枠形材が溶融することがない。また、トラス構造中で水分が蒸発する際の気化熱が台枠形材を冷却するので、客車内に熱が伝わることを抑止することができる。

また、アルミニウム合金製の台枠形材の下面に鋼鉄製のサブフロアパンなどを配置する必要がないので、車両重量を軽減することができるという効果を奏する。

本発明に係る鉄道車両の床構造の断面図である。 容器の断面および外観を示す図である。 容器を台枠形材に挿入する様子を示す図である。 台枠形材の下方で火災が生じた際の本発明に係る鉄道車両の床構造の作用を説明する図である。

以下に本発明に係る鉄道車両の床構造について図面および実施例を示し説明を行う。なお、以下の説明は、本発明の一実施形態を例示するものであり、本発明が以下の説明に限定されるものではない。以下の説明は本発明の趣旨を逸脱しない範囲で改変することができる。

図１（ａ）に本発明に係る鉄道車両の床構造１の断面図を示す。図１（ｂ）は一部拡大図である。床構造１は、台枠形材１０と、水分保持体２０および床板５０で構成される。なお、床板５０は、台枠形材１０に弾性支持体５２を介して配置される。また、床板５０の上には床敷物５４が備えられていてもよい。

台枠形材１０はアルミニウム合金の押出成形によって、形成される。図１では、鉄道車両長手方向（長手方向は鉄道車両の進行方向）に垂直な面で床構造１を切った切断図となる。したがって、図中の左右は、鉄道車両の側面を示す。図中の上方向は、鉄道車両の屋根方向であり、下方向は軌道方向である。

台枠形材１０は、断面がトラス梁状の構造（これを「トラス構造」と呼ぶ。）をしている。すなわち、床板５０と対向する上弦材部１０ａと軌道面に対向する下弦材部１０ｂの間をウェブ材に相当する斜材部１０ｓと鉛直材部１０ｐで連結する構造を有する。なお、鉛直材部１０ｐがない場合でも、上弦材部１０ａと、下弦材部１０ｂと、斜材部１０ｓがあれば、トラス構造と呼んでよい。

斜材部１０ｓと、上弦材部１０ａ、下弦材部１０ｂで形成された空間をトラス空間１０ｒと呼ぶ。トラス空間１０ｒの断面は略三角形をしている。１つの頂点が上を向いている部分を上向きトラス空間１０ｒａといい、１つの頂点が下を向いている場合を下向きトラス空間１０ｒｂと呼ぶ。

また、台枠形材１０では、少なくとも上向きトラス空間１０ｒａから上弦材部１０ａの上に抜ける貫通孔１２が設けられる。この貫通孔１２は下向きトラス空間１０ｒｂを経由していてもよい。

台枠形材１０は、車両の全幅長を同時に押出形成するのではなく、いくつかに分けて形成する場合もある。したがって、台枠形材１０同士の接続部１０ｔがあってもよい。鉛直材部１０ｐは主に接続部１０ｔで使用される。

台枠形材１０には、少なくとも１か所に吊り溝１４が設けられる。吊り溝１４は、下方に溝開口１４ｏが形成された溝形１４ａが下弦材部１０ｂと一体的に形成されている。すなわち、台枠形材１０の押出成形時に同時に形成される。

また、溝開口１４ｏの縁には、開口絞り１４ｄが設けられ、機器吊りボルト６０の首が開口絞り１４ｄに係合する。なお、台枠形材１０はアルミニウム合金の押出成形によって形成されるので、上弦材部１０ａ、下弦材部１０ｂ、斜材部１０ｓ、鉛直材部１０ｐおよび溝形１４ａ同士は、溶接やボルト締結による連結ではなく、材質に切れ目のない連続的な連結によって一体形成されている。

台枠形材１０のトラス空間１０ｒには、水分保持体２０が挿設されている。図２（ａ）に水分保持体２０の断面図を、図２（ｂ）には、全体の斜視図を、図２（ｃ）には、下方視図（下から見た図）を示す。図２（ａ）を参照して、水分保持体２０は、低融点プラスチックフィルムの袋状の容器２２の中に、液体２４を詰めたものである。水分保持体２０は、上向きトラス空間１０ｒａに配置するのが好ましい。火災の際に熱せされる下弦材部１０ｂから熱を得やすいからである。

水分保持体２０は、低融点プラスチックフィルムで形成された袋状の容器２２であり、長手方向の両端２２ａが密閉されている。押出形成された台枠形材１０のトラス空間１０ｒに挿設されるため、両端２２ａを密閉した長いホース形状を呈する（図２（ｂ）参照）。

また、両端２２ａのうち少なくとも一端には、栓２２ｃが形成されている。この栓２２ｃは液密であって、水分保持体２０内に封入した液体２４を長期間にわたって、容器２２内に閉じ込めることができる。さらに両端２２ａには、クッション材２２ｄが配置されていてもよい。車両の加減速によって、水分保持体２０はトラス空間１０ｒの両端に押し付けられる。クッション材２２ｄはその際に水分保持体２０に加わるショックを和らげる。

ここで、低融点プラスチックフィルムとは、少なくとも台枠形材１０の融点より低い温度で溶融するフィルムである。溶解温度としては、より好ましくは８０℃から２４０℃、最も好ましくは８０℃から１２０℃で溶解するものであればよい。具体的には、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル等が好適に利用でき、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）フィルムも利用できる。

水分保持体２０に充填される液体２４は、比熱および気化熱の大きな水がよい。本発明に係る鉄道車両の床構造１では、台枠形材１０の下方で生じた火災が、下弦材部１０ｂを通じて水分保持体２０の低融点プラスチックフィルム製容器２２を溶融し、吐出した液体２４が台枠形材１０へ与えられる熱量を奪い、台枠形材１０の溶解を阻止する。また、その液体２４が蒸発する際の気化熱で台枠形材１０を冷却する。したがって、比熱および気化熱の大きな水は好適に利用することができる。もちろん、可燃性でなければ、水以外の液体を利用してもよい。

また、水分保持体２０には、対流抑制物２６が液体２４と共に充填されるとより好ましい（図２（ａ）参照）。対流抑制物２６は、液体２４の対流を抑制する目的で添加される。例えば、水の入ったプラスチック袋は、外部から炎で炙られても溶融しない。これはプラスチックに加えられた熱量を内部の水が奪うからである。水が大量の熱を吸収できるのは、対流によって温度の低い水が常に加熱箇所に供給されるからである。

本発明に係る鉄道車両の床構造１では、台枠形材１０の下方から火災が起きた際に、低融点プラスチックフィルム製容器２２が溶融し、中の液体２４をトラス空間１０ｒ内に吐出させることで耐熱機能を発揮させる。したがって、熱で低融点プラスチックフィルム製容器２２が溶融しやすいように、中の液体２４の対流を,対流抑制物２６で抑制する。

対流抑制物２６としては、吸水ポリマーやグリセリンといった親水性高分子化合物が好適に利用できる。これらは液体２４の粘度を上昇させ、結果、対流が生じにくくなる。また、対流抑制物２６は、砂やブロックといった固形物であってもよい。これらは、液体２４と同時に容器２２に注入できる場合は、同時に注入すればよい。また、容器２２の注入口を通過できない程の大きさがある場合は、予め容器２２を作製する際に、容器２２の内部に配置しておいてもよい。

なお、実験によれば、トラス空間１０ｒを満たすような水分保持体２０であれば、トラス空間１０ｒにこもった熱が低融点プラスチックフィルム製容器２２を溶融し、中の液体２４を吐出させることができることを確認している。したがって、対流抑制物２６はなくても、本発明の床構造１は機能する。

また、低融点プラスチックフィルム製容器２２内には、液体２４（若しくは対流抑制物２６と液体２４）の他に気泡部分２８を有するのが望ましい。車両は厳寒の環境でも使用される場合がある。その際には、低融点プラスチックフィルム製容器２２内の液体２４は凍結し膨張する。その際、気泡部分２８が圧縮されることで、低融点プラスチックフィルム製容器２２が膨張破裂することを回避する。

なお、水分保持体２０は低融点プラスチックフィルム製容器２２の外側に金属膜層３０が形成されていてもよい。金属膜層３０は、内側の低融点プラスチックフィルム製容器２２に熱を伝えやすくして、低融点プラスチックフィルム製容器２２を溶解させやすくする。また、トラス空間１０ｒの内壁と水分保持体２０との摺動から低融点プラスチックフィルム製容器２２を保護する役目を持つ。一方、金属膜層３０自体は、水分保持体２０から液体２４を吐出しにくくする。低融点プラスチックフィルム製容器２２が溶融しても、金属膜層３０は、溶融しないからである。

そこで、金属膜層３０は、水分保持体２０の下側と長手方向の側面に切れ目３０ａが入れられていると好適である（図２（ｂ）および（ｃ）参照）。切れ目３０ａは金属膜層３０が容器２２に配置されていない部分である。したがって、金属膜層３０は、容器２２の周囲の一部に施されているといってよい。熱によって溶融した低融点プラスチックフィルム製容器２２はこの部分から裂け、充填された液体２４は、金属膜層３０の切れ目３０ａから吐出する。

次に本発明に係る鉄道車両の床構造１の製造方法について説明する。台枠形材１０は、押出形成によって形成される。台枠を形成するには、台枠形材１０を複数個溶接し、梁を溶接することで完成する。本発明に係る鉄道車両の床構造１では、台枠形材１０を溶接する前にトラス空間１０ｒに液体２４の入っていない低融点プラスチックフィルム製容器２２を挿設しておく。

図３には、台枠形材１０と液体２４がまだ充填されていない容器２２を示す。台枠形材１０の上弦材部１０ａには、上向きトラス空間１０ｒａに通じる貫通孔１２が形成されている。容器２２は上向きトラス空間１０ｒａに挿入される。

なお、栓２２ｃよりも大きな対流抑制物２６を使用する場合は、予め容器２２内に対流抑制物２６を封入しておくのが良い。また、低融点プラスチックフィルム製容器２２を挿設するまえに、トラス空間１０ｒと上弦材部１０ａの間に貫通孔１２を設けておくのが望ましい。

その後、容器２２の端部２２ａの入り口から液体２４を注入し、入り口を栓２２ｃで閉じる。結果、図１に断面で示したように、トラス空間１０ｒに水分保持体２０が挿設された台枠形材１０が得られる。その後台枠形材１０は他の台枠形材１０と溶接され、横梁、側梁、妻梁を溶接されて台枠として完成する。つまり、水分保持体２０は、台枠形材１０の中に配置される。後は、通常の電車の製造と同様に、台枠に妻、側板、天井を溶接し、また、台枠の下方には機器や車輪を含む駆動部が取り付けられる。

次に本発明に係る鉄道車両の床構造１の作用について図４を参照しながら説明する。台枠形材１０の下方から火災が生じたとする。火災の熱７０は、アルミニウム合金製の台枠形材１０の下弦材部１０ｂから台枠形材１０全体に熱が伝わる。そして、水分保持体２０の表面の温度を上昇させる。

水分保持体２０では、すでに説明したように、対流抑制物２６が同封されているので、対流は生じにくい。また、対流抑制物２６がなくても、トラス空間１０ｒ内にこもった熱が、液体２４とともに水分保持体２０の温度を上昇させる。特に上向きトラス空間１０ｒａに挿設された水分保持体２０は、比較的平らな下弦材部１０ｂに接しているので、下面が温度上昇しやすい。

そして、低融点プラスチックフィルムの融点まで温度が上がると、水分保持体２０は中身の液体２４をトラス空間１０ｒ内に吐出させる。吐出した液体２４は、台枠形材１０を冷却するとともに、自らは蒸発し、その気化熱で台枠形材１０をさらに冷却する。図４では、容器２２が溶融し、液体２４が上向きトラス空間１０ｒａの下弦材部１０ｂ上に広がった状態を示している。

蒸発した液体２４は蒸気２４ｂとなってトラス空間１０ｒに充満する。そして斜材部１０ｓに形成された貫通孔１２から上弦材部１０ａ上方に排出される。貫通孔１２が下向きトラス空間１０ｒｂに連通している場合は、下向きトラス空間１０ｒｂにも蒸気２４ｂは充満する。

上弦材部１０ａの上方に排出された蒸気２４ｂは、床板５０と上弦材部１０ａの間の空間４０に充満する。この充満した蒸気２４ｂは水分を含んでいる。したがって、床板５０と台枠形材１０の上弦材部１０ａの間の空間４０に火災の炎が回ることはない。貫通孔１２は、トラス空間１０ｒ内で液体２４が継続して蒸発するために必要である。言い換えると気化熱を使って、継続的に熱を奪うようにするためには、貫通孔１２が必要となる。

以上のように、本発明に係る鉄道車両の床構造１は、台枠形材１０の下方で火災が生じても、水分保持体２０から液体２４（水）が吐出され台枠形材１０内部を冷却する。さらに、蒸発した液体２４は台枠形材１０と床板５０の間に充満し、炎が床板５０まで到達することを阻止することができる。

本発明の床構造は鉄道車両の床構造として好適に利用することができる。

１ 床構造
１０ 台枠形材
１０ａ 上弦材部
１０ｓ 斜材部
１０ｐ 鉛直材部
１０ｂ 下弦材部
１０ｒ トラス空間
１０ｒａ 上向きトラス空間
１０ｒｂ 下向きトラス空間
１０ｔ 接続部
１２ 貫通孔
１４ 吊り溝
１４ａ 溝形
１４ｄ 開口絞り
１４ｏ 溝開口
２０ 水分保持体
２２ 容器
２２ａ 両端
２２ａ 端部
２２ｃ 栓
２２ｄ クッション材
２４ 液体
２４ｂ 蒸気
２６ 対流抑制物
２８ 気泡部分
３０ 金属膜層
３０ａ 切れ目
４０ 空間
５０ 床板
５２ 弾性支持体
５４ 床敷物
６０ 機器吊りボルト
７０ 熱

Claims (5)

1. トラス構造を有するアルミニウム合金製の台枠形材と、
   前記トラス構造の中に配置され、前記台枠形材の溶融温度より低い温度で溶融する容器に水分を貯留した水分保持体と、
   前記台枠形材の上弦材部に前記水分保持体が配置された前記トラス構造へ通じる貫通孔が設けられ、
   前記水分保持体には、水分と共に対流抑制物が貯留されていることを特徴とする鉄道車両の床構造。
2. 前記台枠形材の上面には弾性支持体を介して床板が配置されていることを特徴とする請求項１に記載された鉄道車両の床構造。
3. 前記水分保持体は、前記容器の周囲の一部に金属膜層が形成されていることを特徴とする請求項１または２の何れかの請求項に記載された鉄道車両の床構造。
4. アルミニウム合金を押出し形成することでトラス構造を有する台枠形材を得る工程と、
   前記台枠形材の上弦部材に前記トラス構造に通じる貫通孔を形成する工程と、
   前記トラス構造に前記台枠形材の溶融温度より低い温度で溶融する容器を挿設する工程と、
   前記容器に水を注水し密閉することで得られる水分保持体を前記トラス構造中に配置する工程と、
   前記水分保持体がトラス構造中に配置された前記台枠形材同士を接合し台枠を形成する工程を有し、
   前記容器に注水する水には対流抑制物が混入されていることを特徴とする鉄道車両の床構造の製造方法。
5. 前記台枠の上に弾性支持体を介して床板を配置する工程を有することを特徴とする請求項４に記載された鉄道車両の床構造の製造方法。

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