(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
すり板を介してトロリ線に押し付けられる舟体を備えるパンタグラフであって、
該舟体の本体に形成された、空気を吸引吐出する空気吸吐口と、
前記本体内に配置された、前記空気吸吐口を通じて、空気の吸引と吐出を交互に繰り返す空気吸吐デバイスと、
を備えることを特徴とするパンタグラフ。
【請求項２】
空気吸引量の時系列的平均値と空気吐出量の時系列的平均値とが等しいことを特徴とする請求項１記載のパンタグラフ。
【請求項３】
前記舟体に当たる空気流の剥離点近傍に前記空気吸吐口が配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のパンタグラフ。
【請求項４】
空気の吸引と吐出を交互に繰り返す周波数が、前記舟体の空気流下流部において形成されるカルマン渦の放出周波数以上であることを特徴とする請求項１、２又は３に記載のパンタグラフ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空中に架設されたトロリ線から鉄道車両に電気を供給するための集電装置（パンタグラフ）に関する。特には、パンタグラフから発生する空力騒音を低下させるための改良を加えたパンタグラフに関する。
【背景技術】
【０００２】
パンタグラフにおいては、空力音の低減と揚力変動の抑制との両立が要求されている。前者の空力音低減は、空力音をある一定の騒音レベル以下に抑えて、沿線環境保全の観点から定められた環境基準に適合させることを要する。この空力音低減対策として、パンタグラフの舟体の断面形状を、楕円形あるいは翼形などの流線形に近い形状とすることが有利とされている。
【０００３】
後者の揚力変動抑制は、パンタグラフに作用する揚力をできるだけ一定にして、安定した集電性能を維持するものである。揚力変動が大きいと、架線からパンタグラフが離線する可能性が高まる。揚力変動を抑制するためには、舟体の断面形状を、矩形のような鈍頭形状とすることが有利とされている。
このように、舟体の形状において上記の二つの要求を同時に満たすことは容易ではない。現状では、揚力変動を抑えることが優先されて、断面形状が鈍頭形状のパンタグラフも多用されている。
【０００４】
パンタグラフから発生する空力音は、パンタグラフの周囲の空気の流れの乱れに起因する渦の加速度運動によって発生するものである。現行の、断面形状が鈍頭形状の舟体の場合は、流れが舟体の上下両面において剥離することで形成された剥離せん断層が、舟体後方において不安定になり、カルマン渦に代表される非定常渦が生成されて空力音が発生する。したがって、空力音低減には、流れの剥離を抑制する必要がある。しかし、物体形状を流線形化して剥離を抑制すると揚力が迎角変化に対して敏感となるため、安定した揚力特性を維持することが難しくなる。
【０００５】
そこで、鈍頭形状のパンタグラフにおいて、舟体の表面で流れを能動的に制御し、舟体の後方に発生する剥離せん断層をコントロールできれば、揚力が迎角変化に対して敏感になることを防ぎつつ空力音を低減することができると考えられる。なお、本発明者は、断面形状が流線形の舟体において、舟体の前縁部に空気吸吐口を設け、空気吸吐口から空気を吹き出す、あるいは空気を吸い込むことによって、舟体の前縁部の空気流を制御し、空力中心を上下に移動させたパンタグラフを提案した（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第３９３５２８５号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであって、パンタグラフ舟体の表面で流れを能動的に制御して舟体の後方に発生する剥離せん断層をコントロールすることで、空力音低減などに資することのできるパンタグラフを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のパンタグラフは、  すり板を介してトロリ線に押し付けられる舟体を備えるパンタグラフであって、  該舟体の本体に形成された、空気を吸引吐出する空気吸吐口と、  前記本体内に配置された、前記空気吸吐口を通じて、空気の吸引と吐出を交互に繰り返す空気吸吐デバイスと、  を備えることを特徴とする。
【０００９】
本発明によれば、舟体の空気吸吐口から空気を吸引及び吐出することで、舟体の周囲の空気流に擾乱を与える。これにより、空力音を低減できる、あるいは、揚力特性をコントロールできる。
【００１０】
本発明においては、  空気吸引量の時系列的平均値と空気吐出量の時系列的平均値とが等しいこと、すなわち、質量流量がゼロであること、が好ましい。
【００１１】
空気を吸引及び吐出するデバイスを使用することにより、空気吸引量の時系列的平均値と空気吐出量の時系列的平均値とを等しく（質量流量をゼロ）できる。このため、吸引のみ、あるいは、吐出のみのデバイスを比べて、外部から空気を供給する必要がないため、装置を簡略化できる。また、吸引のみ、あるいは、吐出のみの場合よりも、擾乱を効率的に与えることができる。
【００１２】
本発明においては、  前記舟体に当たる空気流の剥離点近傍に前記空気吸吐口が配置されていることが好ましい。
【００１３】
流れの中に舟体を置くと、空気は舟体の上下両面で剥離して、剥離せん断層が形成される。この剥離点近傍で空気の擾乱を起こすことにより、剥離領域の流体に外部から運動量が供給され、剥離せん断層が不安定となる位置（巻き込み・巻き上がり位置）を舟体から遠ざけることができる。さらに、同位置における流速の時間変化（渦の成長と拡散の時間変動量）を小さくできる。これらのことにより、空力音を低減できる。
【００１４】
具体的には、空気吸吐孔を舟体の剥離点近傍に形成することができる。
【００１５】
本発明においては、  空気の吸引と吐出を交互に繰り返す周波数が、前記舟体の空気流下流部において形成されるカルマン渦の放出周波数以上であることが好ましい。
【００１６】
空気の吸引・吐出の周波数とは、吸引（あるいは吐出）から次の吸引（あるいは吐出）までの時間（周期）の逆数を示す。巻き込み・巻き上がりの周波数とは、巻き込み・巻き上がりから次の巻き込み・巻き上がりまでの時間（周期）の逆数を示す。空気の吸引・吐出の周波数を、巻き込み・巻き上がりの周波数よりも大きくすることにより、擾乱による剥離せん断層の制御性がよくなる。
【発明の効果】
【００１７】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、舟体に空気吸吐口を設けて、同口から空気の吸引・吐出を交互に行うことで舟体の周囲の空気流に擾乱を与えるので、空力音の低減や、揚力特性のコントロールが可能となる。特に、舟体の上下両面の剥離点近傍に空気吸吐口を配置すれば、剥離点近傍で空気の擾乱を起こすので、剥離領域の流体に効率よく運動量が供給され、剥離せん断層が安定化されて巻き上がりの生じる位置を舟体から遠ざけることができる。さらに、同位置における流速の時間変化を小さくできる。これらのことにより、空力音を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施の形態に係るパンタグラフの舟体の構造を説明する図であり、図１（Ａ）は平面図、図１（Ｂ）は正面図、図１（Ｃ）は側断面図である。
【図２】本発明の実施の形態に係るパンタグラフの全体の構造を示す側面図である。
【図３】図１の舟体の周囲の流れを模式的に説明する図である。
【図４】ＣＦＤ解析結果を示す図であり、図４（Ａ）は流速変動、図４（Ａ）は圧力等値面と等値面上における渦度分布を示す。
【図５】風圧実験による音圧レベルの計測結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
まず、図２を参照して、パンタグラフの全体の構造を説明する。
パンタグラフ１は、電気鉄道の車両に電力供給する架線Ｔ（トロリ線）に押し当てられるすり板１０が固定された舟体本体２０と、車両の屋根上に舟体本体２０を昇降可能に支持する枠組み５０と、を備える。
【００２０】
図１を参照して、本発明の実施の形態のパンタグラフ舟体の構造を説明する。図１（Ａ）は平面図、図１（Ｂ）は正面図、図１（Ｃ）は側断面図である。
舟体本体２０は、図１（Ａ）、（Ｂ）に示すように、左右方向（進行方向と直交する方向）に長い、中空部を有する箱状体であり、底板２１、前後側板２２、２３、及び、左右側板２４、２５を有する。この舟体本体２０の側断面形状は、図１（Ｃ）に示すように、下に向かってやや先細の略台形の鈍頭形状である。舟体本体２０の上開口面には、すり板１０が取り付けられている。なお、舟体本体２０の断面形状としては、矩形など様々な形状のものがあり、本図はその一例を示すものである。
舟体本体２０は、一例でアルミニウム合金（ジュラルミン）等で作製される。一例で、舟体本体２０の長さ（左右方向長さ）は１ｍ、幅（進行方向長さ）は７０ｍｍ、高さ（すり板含む）は５０ｍｍである。
【００２１】
図１（Ｂ）に示すように、舟体本体２０の前側板２２の下縁に沿って、複数（この例では１６個）の空気吸吐口２７が左右方向に並んで開けられている。さらに、舟体本体２０の内部には、図１（Ａ）に示すように、これらの空気吸吐口２７を介して、空気の吸引と吐出を交互に繰り返す空気吸吐デバイス３０が配置されている。この例では、空気吸吐デバイス３０として複数のスピーカ３１（この例では８台）を使用する。スピーカ３１は、ボイスコイルへの通電によってコーン型の振動板を前後方向に振動させるものであり、振動板の前後方向への移動によって同板前方の空気の吐出と吸引を繰り返す。
【００２２】
スピーカ３１の構造の一例を簡単に説明する。
スピーカ３１は、図１（Ｃ）に示すように、磁気回路３３と、コーン型振動板３８と、ボイスコイル４１と、を有する。これらはケーシング４３内に収容されている。磁気回路３３は、ヨーク３４と、ヨーク３４の中央に配置された磁石３５と、磁石３５の上面に固定されたプレート３６とからなり、ヨーク３４と磁石３５との間に環状の磁気ギャップが形成されている。コーン型振動板３８の中央孔には、ボビン（図示されず）が固定されており、同ボビンの周囲にはボイスコイル４１が巻き回されている。ボイスコイル４１は、磁気ギャップ内に配置されている。コーン型振動板３８は、内端がダンパ（図示されず）によってケーシング４３に支持されている。
【００２３】
ボイスコイル４１に電流を流すと、磁力線と直角の方向、すなわち図の上下方向に力が生じて、ボイスコイル４１が図の上下方向に振動する。この振動は、ボビンを介してコーン型振動板３８に伝達されて、同振動板３８が上下方向に振動する。
【００２４】
図１（Ｃ）に示すように、各スピーカ３１は、振動板３８が下方に向くように舟体本体２０内に収容されている。また、図１（Ａ）にも示すように、ケーシング４３の底板４４（振動板３８に対向する板）には、舟体本体２０の長さ方向に並んで２個の孔４５が開けられている。各孔４５は、舟体本体２０の前板２２に開けられた空気吸吐口２７と空気管４５で接続している。このような構成により、スピーカ３１を作動させるとコーン型振動板３８が前後方向に振動し、ケーシング４３内の同板前方の空間が正圧及び負圧になり、舟体本体２０の前側板２２の空気吸吐口２７から空気管４７を通って前方に空気が吐出及び吸引される。
【００２５】
空気吸吐デバイス３０としては、スピーカの他に、ピエゾアクチュエータ、プラズマアクチュエータ、シンセティックジェットアクチュエータなどの、１００Ｈｚ以上で空気の吸引・吐出を行うことのできるデバイスを使用できる。
【００２６】
図３を参照して、舟体の前板の下縁から空気を吸引及び吐出することによって空力音を低減させることができる理由の一例を説明する。
図３は、図の左から右へ向かう流れの中に舟体本体２０を置いた状態を模式的に示している。図３の実線で示すように、流れは舟体本体２０の前面の上縁と下縁から剥離して舟体の後方に流れる（剥離せん断層の形成）。剥離せん断層は舟体本体２０の後方で不安定になり、巻き上がりが生じてカルマン渦が形成される。このカルマン渦は、ある周期で成長と拡散を繰り返しながら次々と発生する。このような渦の非定常なふるまいによって空力音（エオルス音）が発生する。この音は、渦度の時間変動量が大きい場合、及び、渦と舟体との距離が近い場合に、特に大きくなる。
【００２７】
本発明においては、図３の円で囲んだ部分に示すように、舟体本体２０の前板２２の下縁の空気吸吐口２７から空気を吸引及び吐出する。つまり、図３の円で囲った部分、すなわち、剥離点近傍において流れに擾乱を与える。すると、舟体本体２０の下縁で剥離して形成された剥離せん断層の内側に運動量が供給され、図３の一点鎖線で示すように、剥離せん断層が不安定になる位置（カルマン渦が形成される位置）が舟体本体２０からより後方となる。さらに、剥離せん断層自身が安定となるため、流れ場の時間変動量が減少する。
これらのことから、空力音を低減できると考えられる。
【００２８】
なお、空気の吸引・吐出の周波数は、渦の発生周波数（放出周波数、エオルス音の周波数）よりも高いことが、擾乱による剥離せん断層の制御性がよくなるので好ましい。エオルス音の周波数ｆは、流速Ｕ、物体の直径Ｄの場合、ｆ＝Ｓｔ×（Ｕ／Ｄ）で表わされる（ただし、Ｓｔは物体の形状によって定まる数である）。
また、空気の吸引・吐出の周波数は、パンタグラフの揚力変動に影響を及ぼす恐れのある周波数とはレベルが大きく異なるので、揚力変動には影響しない。
【００２９】
本発明においては、空気を吸引及び吐出するデバイスを使用することにより、質量流量をゼロとする（空気吸引量の時系列的平均値と空気吐出量の時系列的平均値とが等しい）ことができる。このため、吸引のみ、あるいは、吐出のみのデバイスを比べて、パンタグラフへ外部から空気を供給する必要がないため、装置を簡略化できる。また、吸引のみ、あるいは、吐出のみの場合よりも、擾乱を効率的に与えることができる。
なお、舟体の上縁にも空気吸吐口を設けて、上縁から剥離する剥離せん断層に擾乱を与えることが好ましい。ただし、実際には、舟体の上面にはすり板が存在するため、上縁に沿って空気吸吐口を設けるには工夫を要する。なお、本発明者らの行った検討・実験によれば、下縁のみでも十分な効果を期待できる。
【００３０】
次に、本発明の舟体の流れ場変動をＣＦＤ解析した結果を、図４を参照して説明する。
図１に示した舟体を使用してＣＦＤ解析を行った。比較として、空気吸吐デバイスのない同じ形状の舟体を用いた。流れの速度は４１．７ｍ／ｓ（１５０ｋｍ／ｈ）とした。この場合、エオルス音の周波数ｆは、舟体（すり板含む）の高さを５０ｍｍとして、ｆ＝０．１１×（４１．７（ｍ／ｓ）／５０（ｍｍ））で表わされ、約１００Ｈｚとなる（Ｓｔ≒０．１１）。空気の吸引・吐出周波数は、エオルス音の周波数よりも大きい１０００Ｈｚ、最大振幅は１０ｍ／ｓとした。なお、最大振幅とは、空気吸吐口における最大吸引空気速度と最大吐出空気速度の絶対値の和の１／２である。
【００３１】
図４（Ａ）は、流速のＲＭＳの０ｍ／ｓから２７ｍ／ｓまでの間を、黒から白の濃淡で示したものである。白い部分ほど流速が大きいことを示す。図４（Ａ）の左側の図は比較、図４（Ａ）の右側の図は本発明の例を示す。
これらの図から以下のことがわかる。
（１）本発明の舟体の方が、全体の白い部分の面積が狭くなっているとともに、最も白い部分の濃度が濃く（黒く）なっている（ＲＭＳの最大値が小さくなっている）。つまり、渦の時間変動量が小さくなっている。
（２）本発明の舟体の方が、最も白い部分（ＲＭＳが大きい部分）が比較例の舟体よりも遠い位置にある。つまり、渦が舟体のより後方で発生している。
このように、本発明の舟体は、空力音が低減していることが予想される。
【００３２】
図４（Ｂ）は、圧力等値面（Ｃｐ＝−１．０）と、この面上における渦度（流速ベクトルの回転）分布を０ｓ−１から１．０×１０４ｓ−１の間に対して、黒から白の濃淡で示したものである。白い部分ほど渦度が大きいことを示す。図４（Ｂ）の左側の図は比較例、図４（Ｂ）の右側の図は本発明の例を示す。
比較例のものは、舟体の周囲や後方に白、あるいは、灰色の塊のようなものが散在している。一方、本発明のものは、白や灰色の塊の部分がほとんど存在しない。
つまり、本発明の舟体は、渦度が減少しており、強い渦の生成が抑制されていることがわかる。
【００３３】
次に、図１の舟体を使用して風洞実験を行った結果を説明する。
実験装置として、図１と同様の舟体を使用した。空気吸吐デバイスとして、８個のスピーカ（ＬＦ０４０Ｐ１−Ｓ（商品名）、リードサウンド社製）を使用した。比較として、空気吸吐デバイスなしの舟体を使用した。流れの流速は２８ｍ／ｓ、空気の吸引・吐出の周波数は３００Ｈｚ、最大振幅は５ｍ／ｓである。本発明及び比較例の音圧レベルを計測した。計測結果を図５のグラフに示す。グラフの横軸は周波数（Ｈｚ）、縦軸は音圧レベル（ｄＢ）を示す。太い実線が本発明、細い実線が比較例を示す。
【００３４】
グラフの７０Ｈｚ付近のピークがエオルス音を示す。この部分で、本発明の舟体は、空気吸吐デバイスを使用しないものに比べて、音圧レベルが約３ｄＢ低下していることがわかる。したがって、本発明のパンタグラフは、空力音を低減させることができると確認された。
【符号の説明】
【００３５】
１０  すり板
２０  舟体本体                        ２１  底板
２２  前側板                          ２３  後側板
２４  右側板                          ２５  左側板
２７  空気吸吐口
３０  空気吸吐デバイス                ３１  スピーカ
３３  磁気回路                        ３４  ヨーク
３５  磁石                            ３６  プレート
３８  コーン型振動板                  ４１  ボイスコイル
４３  ケーシング                      ４４  底板
４５  孔                              ４７  空気管
５０  枠組み
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図５】
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【図４】
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