KR20050065266A - 철도차량 및 차량의 운행방법 - Google Patents

철도차량 및 차량의 운행방법 Download PDF

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KR20050065266A
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하라다이와오
마츠모토마사카즈
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가부시끼가이샤 히다치 세이사꾸쇼
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    • B61DBODY DETAILS OR KINDS OF RAILWAY VEHICLES
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Abstract

본 발명은 승객수의 대폭 감소로 연결되는 차체 횡단면적의 감소를 수반하지 않고 고속주행시의 미기압파 저감을 가능하게 하는 것이다.
본 발명은 선두차량(1)의 선두부분에 공기흡입수단(6), 흡입한 공기를 저장하는 공기탱크(저장소) 및 배기부(11)를 설치하여, 선두차량이 마치 흡수하는 것 처럼 터널 돌입시에 공기를 흡입하여 터널내 주행시에 배기함으로써 선두부에 생기는 압력을 저하시켜 미기압을 저감한다. 즉 선두차량(1)의 선단부가 터널(3)에 돌입할 때, 대기압(1기압)보다도 낮은 압력의 공기저장소 흡입측 제어밸브(8)가 개방되면, 공기구(6)로부터 흡입된 공기는 유로(7)를 거쳐 공기저장소(9)에 저장된다. 선두차가 모두 터널에 들어가면 흡입측 제어밸브(8)가 폐쇄되고, 펌프(10)를 거쳐 배기구(11)로부터 배출된다.

Description

철도차량 및 차량의 운행방법{RAILWAY VEHICLE AND METHOD FOR OPERATING VEHICLE}
본 발명은, 터널이 있는 선로를 주행하는 철도차량에 관한 것이다.
최신의 신칸센 전차에서는 주행속도가 270 km/h 내지 300 km/h로 고속화되어 있고, 또한 350 km/h까지 고속화되려고 하고 있다. 철도차량의 주행속도가 고속화됨에 따라 차체의 형상과 공기의 흐름이 밀접하게 관계되고, 환경에 미치는 양자의 관계는 크게 2가지로 나뉘어진다.
제 1은, 밝은 구간이라 불리우는 터널이 없는 노선을 철도차량이 주행하는 경우에는, 터널에 기인하는 환경에 대한 영향은 거의 없다. 이 경우에는 고속주행에서의 공기저항을 작게 하는 것이 선두형상에 요구되는 과제이다.
제 2는, 터널에 돌입할 때와 같이, 철도차량이 좁은 공간을 주행하는 경우는, 선두차량이 터널에 대하여 피스톤의 역활을 하여, 선두차량과 터널과의 관계가 환경에 큰 영향을 미치는 일이 있다. 즉, 선두차량 주위의 공기는, 선두차량과 터널과의 사이에서 압축되어 미기압파라 불리우는 약한 압축파가 되어, 주행하는 철도차량보다도 빠른 음속으로 터널 내를 전파한다. 이 미기압파는, 일부가 터널의 출구에서 반사되고, 대부분은 터널 밖으로 소리가 되어 방출된다. 이와 같이 고속으로 주행하는 철도차량이 터널에 돌입하는 경우는 환경에 미치는 영향이 현저하게 크다.
따라서 고속으로 주행하는 철도차량이 환경에 미치는 영향을 적게 하기 위하여 터널 밖으로 방출되는 미기압파를 작게 하는 것이 철도차량의 선두형상에 요구되는 매우 중요한 과제이다. 이 과제를 해결하는 것으로서, 특허문헌 1에 든 철도차량의 선두형상이 알려져 있다. 즉, 철도차량의 선두형상을 단면적의 변화율이 일정한 회전 포물체를 다단계적으로 조합시켜 미기압파를 저감하는 구조로 하고 있다. 예를 들면 선두형상의 단면적 변화율을 3단계로 조합시킨 선두형상이면 미기압에 영향이 적은 선단부 및 후단부에서 단면적 변화율을 크게, 영향이 큰 중간부에서는 단면적 변화율을 작게 하여 짧은 선두길이로 미기압파를 저감할 수 있다.
또, 상기 미기압파를 저감하는 것으로서, 비특허문헌 1이 알려져 있다. 비특허문헌 1은, 회전 타원체 등의 기본적인 기하형상의 선단부를 절단한 리니어모터카의 선두형상이다. 리니어모터카에서는 신칸센 전차의 차륜 대신에 초전도 자석으로 구동되기 때문에 차체의 양측에 가이드웨이라 불리우는 초석을 나열한 수직한 벽이 설치되어 있다. 이 차 사이의 대차부는 자기력이 유효한 근접거리에서 노반에 대향하고 있어, 차체 전체가 양측의 가이드웨이 및 노반에 둘러싸인 상태로 고속주행하게 된다. 이 때문에 이 차량의 선두차에 있어서의 선두형상은 가이드웨이의 영향을 받지 않을 수 없어 가이드웨이를 중시한 선두형상으로 되어 있다.
[특허문헌 1]
일본국 특허제2912178호 공보
[비특허문헌 1]
Tatuo, Maeda et. al" Effect of Shape of Train Nose on Compression Wavegenerated by Train Entering Tunnel."(International Conference on Speedup Technology for Railway and MAGLEV Vehicles, 1993, Yokohama, Japan)
터널을 가지는 노선을 주행하는 철도차량에 있어서는, 예를 들면 350 km/h 또는 그것 이상의 고속으로 주행하는 경우, 터널 내에서 발생하는 미기압파를 저감하기위하여 선두차량의 선두형상의 최적화를 도모하고 있다. 구체적으로는 선두차량의 선두부분의 횡단면적(철도차량의 직각방향의 철도차량의 단면적)을 감소시키는 것이 유효하나, 선두부분의 길이가 길어진다. 이 때문에 이것에 수반하여 실내공간이 감소하게 되어 승차인수가 감소하게 된다. 따라서 선두차량의 승차인수의 감소를 최소한으로 억제하고, 또한 고속화에 따라 터널 내에서 발생하는 미기압파를 저감하지 않으면 안된다. 지금까지의 기술에서는 상기 미기압파의 저감과 선두차량의 승차인수를 확보한다는 상반되는 과제를 해결하기에는 한계가 있었다.
본 발명의 철도차량은 선두차량의 선두부의 차체 표면에 공기를 도입하는 공기구를 설치하고, 상기 선두부로부터 주행방향 뒤쪽에 상기 도입된 공기를 배기하는 배기구를 설치함과 동시에, 상기 공기구와 배기구를 연통하는 공기흡입 탱크를 설치한 구성을 구비함으로써, 상기 과제를 해결하고자 하는 것이다. 여기서 터널에는 완충공을 설치하는 경우가 있으나, 터널이란 완충공을 포함하고 있다.
또한 본 발명의 자동열차제어기구에 의해 운행을 제어받고 있는 차량운행방법에 있어서, 차량은 공기를 흡입·배기하는 기구를 구비하여 터널통과시, 자동열차제어기구는 차량이 터널에 돌입할 때 공기를 흡입, 소정시간 경과 후에 그 흡입공기를 배기하도록 제어하는 구성을 구비한다.
본 발명의 최선의 실시형태를 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
[실시예 1]
도 1은 본 발명에 있어서의 선두차량의 일 실시예를 구비한 편성차량의 일부를 나타낸 평면도, 도 2는 그 측면 설명도이다. 도 1에 있어서 선두차량(1)에는 중간차량(2)이 연결되어 있다. 상기 선두차량(1), 중간차량(2) 및 반대측의 선두차량(1)으로 이루어지는 편성차량은, 터널(3)을 주행하려고 하고 있다. 화살표 4는, 상기 편성차량의 주행방향을 나타내고 있다. 화살표 5는, 주행하고 있는 편성차량에 대하여 상대적으로 생기는 공기의 흐름방향을 나타내고 있다. 상기 선두차량(1)의 선두부분의 표면에는 공기를 흡입하기 위한 공기구(6)가 설치되어 있다. 본 실시예의 경우, 상기 공기구(6)는 선두부분의 양 측면에 각각 2부분 설치되어 있다. 상기 각 공기구(6)에는 공기유로(7)가 각각 연결되어 있다. 도면에 있어서 공기유로(7)는 화살표에 의해 나타내고 있다. 9는 상기 공기구(6) 및 공기유로(7)를 거쳐 흡입한 공기를 저장하여 두는 공기저장소(공기흡입탱크)이다. 상기 공기유로(7)와 공기저장소(9)의 사이에, 흡입측 제어밸브(공기흡입밸브)(8)가 설치되어 있다. 상기 공기저장소(9)에 저장된 공기를 배출하는 배기구(11)는, 선두차량의 선두부분, 즉 차체의 횡단면적이선두위치로부터 서서히 증대하는 부분을 제외한 위치에 설치되어 있다. 상기 배기구(11)로부터 공기를 배출하기 위하여 펌프(10)가 설치되어 있다. 펌프(10)는 공기저장소(9) 내의 공기를 흡출(吸出)하여 상기 배기구(11)로부터 차체 밖으로 배출한다. 또한 상기 배기구(11)는 선두차량의 언더프레임 하면에 설치되고, 궤도방향으로 공기를 배출하도록 설치되어 있다. 배기구(11)의 배기 타이밍은 터널 내, 또는 터널을 통과한 후에 행한다. 또한 터널 내에서의 배기는 미기압파가 발생하지 않도록 서서히 배기하는 것이 바람직하다.
이 배기구(11)는, 선두차량 또는 중간차의 박공면에 설치하는 것도 생각할 수 있다. 이와 같은 배치로 함으로써, 배기 자체 또는 배기구 부분이 주행풍에 노출되게 되어 발생하는 소음이 커지지 않게 설치된다.
편성차량이 터널이 있는 노선을 주행하여 터널에 다다른 상황에 대하여 설명한다. 먼저, 선두차량(1)의 공기저장소(9)는 배기를 위한 펌프(10)에 의해 대기압(1 기압)보다도 낮은 압력으로 감압되어 있다. 그리고 선두차량(1)이 터널(3)에 돌입하였을 때(뒤에서 설명하는 바와 같이 터널의 바로 앞으로부터), 감압된 공기저장소(9)의 공기흡입측에 설치된 흡입측 제어밸브(8)가 개방되어 공기구(6)로부터 공기유로(7)를 거쳐 공기가 공기저장소(9)로 흡입된다. 그리고 상기 공기구(6)으로부터 흡입된 공기는, 공기저장소(9)의 내압이 공기구(6)에 관한 공기압과 균형을 이룰 때까지 흡입되게 된다. 이와 같이 하여 공기저장소(9)에는 공기가 저장된다. 다음에 선두차량(1)이 모두 터널(3)에 들어 가면 흡입측 제어밸브(8)를 폐쇄하고, 공기저장소(9)에 저장된 공기를 펌프(10)에 의해 배기구(11)로부터 차 밖으로 배기한다. 그리고 펌프(10)를 계속해서 가동시켜 공기저장소(9)를 부압으로 하고 나서 펌프(10)를 정지한다. 펌프(10)는 정적형으로, 운전을 정지하였을 때는 슬루스밸브의 기능을 가진다.
이 공기저장소(9)를 부압으로 하는 것은, 다음 터널에 선두차량(1)이 돌입하였을 때, 공기를 충분히 흡입할 수 있게 하기 위함이다. 상기 펌프(10)의 정지는 공기저장소(9)의 내압을 검출하여 행한다.
다음에, 미기압을 저감할 수 있는 구조에 대하여 설명한다. 도 3은 선두차량, 중간차 및 후미차량으로 이루어지는 편성차량의 주위에 생기는 공기흐름의 모식도이다. 선두차량은, 이동한 거리와 횡단면적(주행방향으로 수직한 투영단면적)의 곱과 같은 정지(靜止)공기량을 배제하면서 주행한다. 한편, 후미차량의 주행방향 뒤쪽에는 이동한 거리와 횡단면적의 곱과 같은 공기량이 주위로부터 흘러 들게 된다. 이 후미차량의 뒤쪽으로 흘러 드는 공기량은, 선두차량에서 배제된 공기로 보충된다. 중간차는 선두차와 동일한 횡단면적이기 때문에, 주위의 공기를 배제하거나, 흘러 들거나 하지 않기 때문에 중간차가 복수대 연결되어도 차체 주위의 공기의 흐름에 대하여 전혀 기여하지 않는다. 따라서, 흐름은 선두차량에서 배제되는 공기량으로 결정된다. 즉, 이동하는 차량 주위의 흐름은, 선두차량의 선두부가 공기를 배제하고, 배제된 공기가 후미차량을 향하는 흐름이 되는 것이, 마치 선두차량의 선두부가 공기를 생기게 하고, 후미차량의 후미부가 공기의 흡입이 되는 흐름에 비유된다.
또는, 흐름의 다른 표현으로서 차량 주위의 흐름을 공기의 압력으로서 생각하면 이동하는 선두차량의 선두부는, 정지하고 있는 공기를 배제할 때에 공기를 압축하기 때문에, 선두부의 선단 부근의 공기는 압력이 높아진다. 반대로 후미차량의 후미부에서는 이동한 공간에 의해 확대된 공간을 주위로부터의 공기로 채우려고 하기 때문에, 후미부의 후단 부근에서는 압력이 저하된다. 따라서 선두차량의 선두부 부근의 압력은 높고, 후미차량의 후미 부근은 압력이 낮아진다. 예를 들면 기상예측에서 사용되는 고기압과 저기압으로 표현하면, 선두차량의 선두부에 고기압을, 후미차량의 후미부에 저기압으로 차량이 이동하는 것에 비유된다.
편성차량이 터널을 고속 주행하는 경우, 미기압파는 선두차량(1)과 터널(3)과의 상호관계에 의해 만들어진다. 선두차량(1)은, 선두부에 고기압을 수반하여 이동하고 있어, 좁은 터널(3)에 돌입하면 고기압은 터널에 의해 더욱 압축되어 압력이 상승한다. 압력상승이 크면 약한 음파, 즉 미기압파가 만들어진다. 이와 같이 하여 미기압파는 선두차량(1)과 터널(3)과의 상호관계에 의해 만들어진다.
선두차량(1)이 고속 주행함으로써 배제되는 공기의 양(공기생성의 강도, 또는 고기압의 최대 압력)이 적으면, 미기압파도 감소된다. 차량의 속도는 단위시간당의 거리이기 때문에, 배제되는 공기의 양은 횡단면적과 주행속도에 비례한다. 주행속도는 일정하기 때문에, 횡단면적이 감소되면 미기압도 저하된다.
이미 설명한 바와 같이 차체의 횡단면적을 감소시키는 것은, 승차인수의 감소를 초래하기 때문에 피하지 않으면 안된다. 본 발명에서는 선두차량의 선두부에서 배제되는 공기의 일부를 터널돌입시의 일정시간, 공기구(6)로부터 흡입함으로써 상기 공기구를 설치한 선두부의 위치에 있어서의 횡단면적이 감소한 것과 동일한 효과를 얻을 수 있어 미기압파를 저감할 수 있다.
도 4는 소정의 조건으로 설정된 형상(예를 들면 회전 타원체)의 선두부를 구비한 선두차량 및 후미차량으로 이루어지는 편성차량이 소정 조건의 터널을 주행하였을 때에 상기 터널의 입구부분으로부터 소정거리(예를 들면, 60 m 부근)만큼 안쪽으로 들어간 위치에 있어서의 미기압파의 해석결과(터널 내의 압력변화를 시간으로 미분한 시간당 압력구배)의 모식도이다. 또한 터널에는 그 출입구에 완충공을 설치한 것과 완충공을 설치하지 않은 것이 있다. 도 4는 완충공이 없는 터널을 상정하고 있다. 선두차량이 터널에 돌입할 때에 미기압파가 발생하는 상황에 대하여, 선두차량의 선두부분을 선단부, 중간부, 후단부의 3등분하여 생각한다. 선두차량이 터널 내로의 돌입을 개시하여, 최대의 미기압파가 생기는 것은, 상기 3등분한 선두부 중의 중간부가 터널 내로 돌입한 후이다. 즉 상기 중간부에는 운전석이 구비되는 것이 일반적으로, 이 중간부의 횡단면적의 변화율이 다른 부분보다도 커져 있다. 따라서 상기 중간부가 밀어내고자 하는 공기를 터널 내벽이 막기 때문에, 이 중간부의 차체 표면의 압력이 급격하게 상승된다. 바꿔 말하면, 고속주행시의 선두차량에 있어서의 선두부 표면의 공기압력은, 선단부가 가장 높고, 중간부, 후단부의 순으로 낮아지나, 터널 단면적에 대하여 차체 횡단면적이 크게 변화되는 것은 상기 중간부이며, 이 중간부에서 차체 표면의 공기가 압축되기 때문에, 이 중간부의 차체 표면의 압력이 급상승한다. 이에 의하여 발생하는 미기압파가 최대가 된다. 따라서, 선두차량의 선두부가 터널에 돌입하기 전에, 선두부의 선단부, 중간부에서 차체 표면의 공기흡입이시작되면, 선두부의 터널 돌입 직전에는 이미 선단부, 중간부에서 차체 표면 압력이저하되고 있어, 미기압파를 발생시키는 급격한 압력상승을 피할 수 있다. 또 선두부의 후단부가 터널에 들어 갈 때까지, 연속하여 차체 표면으로부터의 공기흡입을 행함으로써 공기의 흡입을 행하지 않는 경우에 비하여 대폭으로 미기압파를 저감할 수 있다. 이와 같이 선두차량의 선두부가 터널에 돌입하는 소정시간 전부터 선두부의 후단부가 터널 내에 들어 갈 때까지의 시간만큼, 선두부에서의 공기흡입을 행함으로써 적은 공기흡입량으로 효과적으로 미기압파를 저감할 수 있다.
그런데, 상기 실시예에 있어서는, 공기구(6), 공기유로(7), 흡입측 제어밸브(8), 공기저장소(9), 펌프(10), 배기구(11)를 연결하여, 선두부분의 차체 표면의 공기를 흡입하여 배기하는 구성으로 되어 있으나, 상기 흡입측 제어밸브(8)를 2계통의 공기유로로 전환하는 유로전환밸브로 하고, 공기저장소(9) 및 펌프(10)를 우회하는 공기유로를 형성하여 상기 유로전환밸브에 접속하는 구조도 생각할 수 있다. 즉, 편성차량이 주행하는 노선에 따라서는 터널의 출입이 빈번하게 행하여지는 경우가 있기 때문에, 공기탱크 내부를 감압하는 시간적인 여유가 없는 경우를 생각할 수 있다. 이와 같은 경우에 상기 유로전환밸브에 의하여 공기구와 배기구를 관통하여 선두부의 차체 표면의 공기압이 상승하였을 때에 공기를 배기구멍측으로 흘림으로써 미기압파의 증대를 억제할 수 있다.
[실시예 2]
도 5는 본 발명에 의한 실시예 2의 수평단면 설명도이다. 실시예 1에서는, 공기탱크(공기흡입탱크)의 설치장소를 선두차량(1)으로 하고 있으나, 선두차량(1)에 있어서의 선두부분의 단면의 감소 또는 운전석부분의 공간확보 등의 제약으로부터 공간이 없는 또는 적은 경우도 있을 수 있다. 이와 같은 경우에는 선두차량(1)에 연결된 중간차(2)에도 공기저장소(공기흡입탱크)(9)를 설치하여, 선두차량(1)의 공기저장소(9)에 직접 연통된 구성으로 한다. 이와 같은 구성에 의하면 흡기공기량이 증가하여 미기압성능을 향상시킬 수 있다.
[실시예 3]
도 6 내지 도 11에 의하여 본 발명에 있어서의 선두차량의 다른 실시예를 설명한다. 도 6은 선두차량의 선두부분의 측면도이고, 공기탱크(공기흡입탱크), 운전실 및 공기구를 나타내고 있다. 도 7은 도 6의 평면도이다. 도 8은 본 실시예의 선두차량의 전체를 선두부분을 중심으로 나타낸 측면도이다. 도 9는 상기 선두차량의 선두부분의 조감도이다. 도 10 및 도 11은 상기 선두차량이 터널에 돌입하였을 때의 터널 내의 압력변화 및 미기압파 해석결과를 나타내는 그래프이다.
선두차량(100)은, 횡단면적이 변화되는 선두부분에 공기탱크(공기흡입탱크)(110) 및 운전실(120)을 구비하고 있다. 공기탱크(110)는, 선두차량(100)의 선두부분의 실내에 설치되어 있고, 뒤에서 설명하는 용적을 확보할 수 있게 구성되어 있다. 즉, 통상 선두차량의 선두부분에는 운전실(120)이 설치되어 있고, 운전조작을 행하기 위한 운전조작기기, 각종 제어기기 및 운전상태를 표시하는 표시장치가 설치되어 있다. 운전조작기기 및 표시장치는, 운전대(124)의 위치에 설치되어 있다. 상기 제어기기는 상기 운전실의 운전대(124)의 뒤쪽부분에 설치된다. 이 운전실(120)에는 운전사(126)가 차량의 앞쪽을 감시하기 위한 운전실창(122)이 설치되어 있다. 상기 공기탱크(110)는 선두차량(100)의 선두부분 중, 가능한 한 선두부 위치로부터 객실방향을 향하여 구성되어 있고, 선두부분으로부터 미기압파를 저감하는 데 필요한 공기량을 흡입할 수 있는 용적을 확보하고 있다. 상기 공기탱크(110)는, 도 7에 나타내는 바와 같이, 차체의 내부에, 그 외측이 차체의 내면에 근접하여 구성되어 있고, 이 공기탱크(110)의 내부에 운전실(120)이 있다. 공기탱크(110)와 운전실(120) 사이에는 칸막이판이 있다. 운전실(120)의 폭보다도 공기탱크(110)의 폭이 커져 있어, 차체 내부에 효율적으로 공기탱크(110)를 구성하도록 설치되어 있다. 따라서 이 공기탱크(110)의 내부에 운전실(120)이 구성되어 있는 구조로 되어 있다.
상기 선두차량(100)에는 도 9에 해칭에 의하여 나타낸 공기구인 공기흡입구(132, 134)가 설치되어 있다. 공기흡입구(132)는 선두부분의 상면에 설치되어 있고, 공기흡입구(134)는, 선두부분의 측면에 설치되어 있다. 이 공기흡입구(132, 134)는, 미기압파의 발생에 가장 크게 영향을 미치는 부분, 즉 선두부분을 3등분한 경우의 중간부분에 설치하는 것이 효과적이다. 또 공기흡입구(132, 134)의 면적은, 차체 정면의 투영면적(가장 큰 곳의 차체 단면적)의 10% 내지 20% 정도로 하는 것이 효과적이다.
이들 공기흡입구(132, 134)에는 공기유로로 하는 덕트(136)가 설치되어 있고, 이 덕트(136)는 흡입측 제어밸브(공기흡입밸브)(138)에 접속되어 있다. 상기 흡입측제어밸브(138)는 상기 공기탱크(110)에 직접 또는 덕트를 거쳐 접속되어 있다[도 6,도 7에 나타내는 구성에서는 흡입측 제어밸브(138)를 직접 공기탱크(110)에 설치한 예를 나타내고 있다].
상기 공기흡입구(132, 134)에는 이물을 흡입하지 않도록 그릴이 설치되어 있다. 또 덕트(136) 내 또는 공기탱크(110) 내에 빗물 등을 흡입하는 것을 생각할 수 있다. 덕트(136) 내의 빗물은, 흡입측 제어밸브(138)를 폐쇄한 상태에서 배출하는 구조로 한다. 또 공기탱크(110) 내의 빗물은 펌프(140)에 의해 배출된다.
상기 공기탱크(110)에는, 그 내부의 공기를 배기하는 펌프(140)가 접속되어 있다. 상기 펌프(140)에는 배기덕트(142)가 설치되어 있다. 이 배기덕트(142)의 배기구는 선두차량의 선두부분보다도 진행방향 뒤쪽위치에서 바닥 밑부분에 배치되어 있고, 궤도측을 향하여 공기를 토출하도록 설치되어 있다. 상기 흡입측 제어밸브(138)를 폐쇄한 상태에서 상기 펌프(140)에 의해 공기탱크(110) 내의 공기를 차체 밖으로 배기한다.
상기 공기탱크(110)는 그 내용적을 확보하기 위하여 도 7에 나타내는 바와 같이 차체의 폭방향의 치수를 가능한 한 길게 하고 있다. 이것에 의하여 도 8에 나타내는 바와 같이 차체 길이방향의 치수를 짧게 하여 객실공간의 감소를 최소한으로 억제하도록 배려되어 있다. 상기 운전실(120)에 연결되어 있는 운전실 출입대(102) 및 객실에 연결되는 객실 출입대(104)는 상기 공기탱크(110)보다도 차체 중앙으로부터의 위치에 설치되어 있다. 이 공기탱크(110)는 주행 중인 차 밖과 공기탱크의 압력차가 작용한 경우에 충분히 견딜 수 있을 정도의 강도를 가지고 있다. 또 운전실(120)은, 상기 공기탱크(110)의 내부에 설치되어 있기 때문에, 바깥 둘레부분은 공기탱크(110)와 동일한 강도가 되도록 구성되어 있다.
상기 공기탱크(110)의 용적에 대하여, 그 일례를 들면 차량의 주행속도 350 km/h, 차체의 최대 횡단면적 11 ㎡, 선두차량의 선두부분의 길이 15 m, 터널의 단면적 63 ㎡(이 터널의 입구에는 길이가 10 m, 횡단면적이 88 ㎡인 완충공이 설치되어 있다)의 경우에, 공기탱크(110)는 대략 30 ㎥정도의 용적이 필요하게 된다. 이 공기탱크(110)의 용적은, 선두차량의 터널로의 돌입속도, 선두부의 형상, 상기 완충공의 유무, 또는 궤도 표면의 상태, 즉 슬라브궤도 또는 발라스트궤도 등의 차이에 의해서도 변한다.
다음에 상기 선두차량(100)이 상기 터널에 상기 주행속도로 돌입하는 경우의 상황에 대하여 설명한다. 또한 도 10은, 선두차량이 터널에 돌입할 때에 터널의 입구로부터 60 m 부근의 압력의 상황을 나타내고 있다. 또, 도 11은 도 10에 나타낸 터널 내의 압력변화를 시간으로 미분하여 시간당의 압력구배를 나타낸 미기압파 해석결과를 나타내고 있다. 도 10 및 도 11의 실선은 선두부분으로부터 공기흡입을 행하지 않는 선두차량의 상황을 나타내고, 점선은 선두부분으로부터 공기흡입을 행하는 선두차량의 상황을 나타내고 있다. 이 경우에 공기흡입을 행하는 경우도, 또 공기흡입을 행하지 않는 경우도, 양쪽의 선두차량은 거의 동일한 선두부분의 형상으로 한다.
공기흡입을 행하는 선두차량에 있어서는, 미리 공기탱크(110) 내의 공기가 펌프(140)에 의해 배기되고 있는 경우, 터널의 갱구에 설치한 완충공의 입구보다 10m 앞 부근부터 흡입측 제어밸브(138)를 개방하여 공기흡입을 개시하고, 소정시간 약 0.25초간 정도 공기흡입을 행한 후, 상기 흡입제어밸브(138)를 폐쇄하여 공기흡입을 정지한다. 즉, 선두차량 전체가 터널 내로 들어 간 시점에서 공기흡입을 정지한다.
또는 선두차량이 터널돌입 전에 배기를 위해 펌프(140)의 운전을 개시하여 공기탱크(110)의 내압이 공기흡입을 행하기 위하여 필요한 압력이 된 시점 이후에, 상기 선두차량이 완충공으로부터 10 m 앞 부근에 도달하도록 운전한다. 그리고 선두차량이 완충공으로부터 10 m 앞 부근에 도달한 시점에서 흡입제어밸브(138)를 개방하여 공기흡입을 개시하여 소정시간 약 0.25초간 정도 공기흡입을 행한 후, 흡입측 제어밸브(138)를 폐쇄하고 공기흡입을 정지한다. 이때 펌프(140)의 운전을 정지 또는 계속하여도 좋다. 그리고 제 2 소정시간(미소시간, 없어도 됨)후에, 펌프(140)를 동작시켜 서서히 공기탱크(110)의 공기를 배기한다. 서서히 배기하는 것은 배기에 의해 외부의 공기압이 높아지지 않도록 하기 위함이다.
이와 같이 선두차량에 있어서 공기흡입을 행함으로써 도 10에 나타내는 바와 같이 공기흡입을 행하지 않은 선두차량의 압력변동을 100%로 한 경우, 공기흡입을 행하는 선두차량에 있어서는 30% 정도 압력상승을 억제할 수 있다. 또 미기압파의 발생에 가장 크게 관계하는 압력구배의 변화는 도 11에 나타내는 바와 같이 공기흡입을 행하지 않는 선두차량을 100%라 한 경우, 공기흡입을 행하는 선두차량에 있어서는 30% 정도 미기압파를 저감할 수 있음을 알 수 있었다.
철도차량이 주행하는 노선에 따라서는 터널이 연속하여 설치되어 있는 경우가 있다. 이 경우에 철도차량은 최초의 터널에 돌입하여 그 터널을 빠져 나온 후, 약간의 시간으로, 다음 터널에 돌입하게 된다. 이와 같이 연속된 터널의 주행 중에는 펌프(140)를 연속하여 운전하여 공기탱크(10)의 배기를 계속한다. 그리고 최초의 터널통과 중에 펌프(140)에 의해 공기탱크(110)의 내부를 부압으로 하여 두고, 다음 터널에 돌입할 때 공기의 흡입을 행할 수 있게 한다.
상기 선두차량의 터널돌입시의 공기흡입은, 선두차량이 터널에 돌입하기 직전에 개시된다. 공기탱크(110)는 미리 펌프(140)에 의해 내부의 공기를 배기하여 두고, 선두차량이 터널 또는 완충공이 설치되어 있는 터널에서는 완충공에의 돌입 직전에 상기 흡입측 제어밸브(138)를 개방하여 공기흡입을 개시한다.
이 흡입측 제어밸브(138)는 예를 들면 자동열차제어장치[ATC(Automatic train Control)에 의해 차량의 운행이 제어되고 있는 신칸센 전차의 경우, 자동열차제어장치(ATC)로부터의 열차의 현재 위치신호를 도입하고, 이 현재 위치신호에 의해 차량에 설치한 제어장치를 거쳐 흡입제어밸브(8, 138), 펌프(10, 140)의 제어를 행한다. 즉 차량이 터널에 돌입하기 직전의 위치신호에 의거하여 흡입측 제어밸브(138)를 개방하고 펌프(140)를 동작시켜 공기의 도입을 실행하고, 다음에 배기의 제어를 실행한다. 그외 궤도에 신호 발신수단을 설치하여 두고, 이 신호 발신수단으로부터의 제어신호에 의해 기기의 운전제어를 행하여도 좋다.
선두차량(100)을 연결한 편성차량이 터널을 가지는 노선을 예를 들면 350 km/h 정도의 주행속도로 주행하여 터널에 다다른 경우, 선두차량(100)의 선두부분에 의해 밀어내진 공기가 터널의 입구부분 또는 터널의 갱구에 설치한 완충공에 의해 막혀 선두부분의 특히 중간부에 압력이 높은 부분이 생기게 된다. 그러나 상기와 같이 선두차량(100)의 선두부분에 있어서, 차체 표면에 설치한 공기흡입구(132, 134)로부터 공기를 흡입함으로써, 선두부분의 압력상승을 억제할 수 있다. 따라서, 지금까지 미기압파가 발생하는 주행속도로 선두차량(100)의 선두부분이 터널 또는 완충공에 돌입하여도 터널 내에서의 급격한 압력상승을 억제할 수 있기 때문에, 미기압파의 발생을 억제할 수 있다.
상기 선두차량(100)에 있어서는, 선두부분의 형상 또는 길이에 따라 공기탱크(110)의 용적을 바꾸어 주행속도 또는 터널입구의 형상 또는 완충공의 유무로부터 공기흡입의 시기를 설정함으로써, 미기압파를 효과적으로 저감할 수 있다. 또 선두형상 및 터널의 조건, 터널에 돌입하는 주행속도의 관계로부터 공기탱크(110)의 용적을 미기압파를 저감하는 데 충분한 것으로 함으로써, 선두차량(100)의 선두부분의 형상을 비교적 자유롭게 디자인할 수 있다.
상기 선두차량(100)에 있어서는, 공기탱크(110)를 선두부분에 배치하고 있기 때문에, 선두차량 자체의 객실 용적이 감소되는 것이 염려된다. 그러나 기존의 터널을 지금까지 이상의 주행속도로 주행하고자 하는 경우, 미기압파의 발생을 억제하기 위해서는, 차체 횡단면적을 저감하지 않을 수 없다. 차체 횡단면적의 감소는, 편성차량에서 본 경우, 객실 용적을 대폭으로 감소시키게 된다. 상기 선두차량(100)에 있어서는 객실부분의 일부가 공기탱크(110)를 구성하기 위하여 이용되었다 하여도 편성차량 전체에서 본 경우, 객실 용적의 감소는 약간이다. 따라서 선두차량(100)에 공기탱크(110)를 설치하는 것은 편성차량의 객실 용적의 감소를 억제하게 된다.
지금까지는 고속으로 주행하는 차량으로부터 발생하는 미기압파가 원인으로 생기는 저주파음을 저감하기 위하여 터널의 갱구에 완충공을 설치하고 있었다. 그러나, 선두차량 자체에 미기압파를 저감하는 기능을 구비함으로써 상기 완충공을 설치하지 않아도 미기압파에 의한 저주파음을 억제할 수 있다. 또 노선에 따라서는 주행하는 차량의 속도향상에 따라 완충공의 길이를 길게 하는 등의 미기압파 대책을 행하지 않으면 안되었으나, 상기 선두차량에 의하면, 주행속도를 향상시켜도 완충공의 개량을 행할 필요도 없어진다.
본 발명에 있어서, 터널이란 완충공이 있는 경우는 완충공도 터널로 하는 것이 좋다.
본 발명은 터널을 주행하는 고속차량을 대상으로 하고 있다. 따라서 대형 화물차가 고속도로의 터널에 돌입하는 장소나, 지하철 전차와 같이 저속으로 주행할 때에 동일 조건이 되어 미기압파가 생기는 경우에 본 발명은 적용할 수 있다.
본 발명은 선두부분의 차체 표면으로부터 공기를 도입함으로써 터널통과시에 발생하는 미기압파를 저감시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 의한 철도차량의 실시예 1을 나타내는 평면도,
도 2는 도 1의 선두차량의 측면도,
도 3은 선두차량, 중간차량 및 후미차량으로 이루어지는 편성차량의 차체의 주위에 생기는 공기흐름의 모식도,
도 4는 터널 내의 미기압파 해석결과를 나타내는 모식도,
도 5는 본 발명에 의한 철도차량의 실시예 2를 나타내는 수평단면 설명도,
도 6은 선두차량의 선단부분의 측면도,
도 7은 도 6의 평면도,
도 8은 선두차량의 측면도,
도 9는 선두차량의 선단부분의 조감도,
도 10은 터널 내의 압력변화의 모식도,
도 11은 터널 내의 미기압파 해석결과를 나타내는 모식도이다.
※도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1, 100 : 선두차량 2 : 중간차
3 : 터널 6 : 공기구
7 : 공기유로 8, 138 : 흡입측 제어밸브
9, 110 : 공기저장소 10, 140 : 펌프
11 : 배기구 120 : 운전석
132, 134 : 공기 흡입구 136 : 덕트
142 : 배기덕트

Claims (12)

  1. 선두 차량의 선두부의 차체 표면에 공기를 도입하는 공기구를 설치하고,
    상기 선두부로부터 주행방향 뒤쪽에 상기 도입된 공기를 배기하는 배기구를 설치함과 동시에,
    상기 공기구와 배기구를 연통하는 공기흡입탱크를 설치하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 철도차량.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 공기흡입탱크와 상기 배기구 사이에, 펌프를 가지는 것을 특징으로 하는 철도차량.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 펌프는, 상기 공기구로부터 상기 공기흡입탱크에 공기를 흡입하고, 또 상기 공기흡입탱크로부터 배기하는 것을 특징으로 하는 철도차량.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 공기흡입탱크의 공기구측에는 공기흡입밸브가 있고, 상기 공기흡입탱크보다도 상기 배기구측에는 펌프가 있는 것을 특징으로 하는 철도차량.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 공기흡입탱크는, 선두차량이 터널에 돌입할 때에 상기 공기구로부터 공기를 흡입·저장하여 소정시간 후에 상기 배기구로부터 배기하도록 구성하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 철도차량.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 공기흡입탱크는, 선두차량이 터널에 돌입하기 전에 상기 공기구로부터 공기의 흡입을 개시하고, 선두차량의 선두부가 터널 내로의 돌입이 완료되었을 때에 상기 공기구로부터의 공기의 흡입을 종료하는 것을 특징으로 하는 철도차량.
  7. 제 4항에 있어서,
    상기 공기흡입밸브는 선두차량이 터널에 돌입할 때에 개방되고, 소정시간 후에 폐쇄되며, 펌프는 차량이 터널돌입 후에 동작을 개시하여 공기흡입탱크 내의 공기를 배기하도록 구성되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 철도차량.
  8. 제 4항에 있어서,
    상기 펌프는 상기 공기흡입탱크로부터 공기를 배기할 때, 상기 공기흡입탱크 내가 부압이 된 시점에서 동작을 정지하도록 구성되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 철도차량.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 공기구는, 차체 선두부의 중간부의 차체 표면에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 철도차량.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 공기구의 공기도입 면적은, 철도차량의 차체의 최대 단면적의 10% 내지 20% 정도인 것을 특징으로 하는 철도차량.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 배기구는 차체의 하면으로 개구되어 있는 것을 특징으로 하는 철도차량.
  12. 자동열차제어기구에 의해 운행을 제어받고 있는 차량운행방법에 있어서,
    차량은 공기를 흡입·배기하는 기구를 구비하여 터널통과시, 자동열차제어기구는 차량이 터널에 돌입할 때 공기를 흡입, 소정시간 경과 후에 상기 흡입공기를 배기하도록 제어하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 차량운행방법.
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