(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電車のパンタグラフを支持し、外側に凸の襞が周面に鉛直方向に複数個列設されている絶縁碍子において、水平断面を電車の進行方向に長い偏平形状とし、襞の電車進行方向の長さＬと、襞と襞との間隔ｈとを、ｈ／Ｌ≦０．０８となるように設定したことを特徴とする絶縁碍子。
【請求項２】
電車のパンタグラフを支持し、外側に凸の襞が周面に鉛直方向に複数個列設されている絶縁碍子において、水平断面を電車の進行方向に長い偏平形状とし、襞の電車進行方向の長さＬと、襞と襞との間隔ｈとを、襞と襞との間隙に流れる空気流の上下の襞表面から発達する境界層同士が接触しあうように設定したことを特徴とする絶縁碍子。
【請求項３】
前記襞と襞との間隙に流れる空気流の入口速度をＶ、空気の運動粘性係数をνとしたときに、次式が成立するように前記Ｌ，ｈを設定したことを特徴とする請求項２に記載の絶縁碍子。
０．３７（ν／Ｖ）1/5Ｌ4/5≧ｈ／２
【請求項４】
水平断面が長円状又は楕円状に形成されていることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の絶縁碍子。
【請求項５】
複数の襞の電車進行方向の長さが異なっていることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載の絶縁碍子。
【請求項６】
電車のパンタグラフを支持し、外側に凸の襞が周面に鉛直方向に複数個列設されている絶縁碍子において、水平断面を電車の進行方向に長い長円状又は楕円状としたことを特徴とする絶縁碍子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電車のパンタグラフを支持する絶縁碍子に関し、特に高速走行電車の空力騒音対策を図った絶縁碍子の技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電車の屋根には、地上の架線設備より車両に給電するために、パンタグラフが備えられるが、該パンタグラフは電車の屋根との電気絶縁状態を維持するため、絶縁碍子を介して屋根上に支持されている。
ところで、新幹線等電車の高速化は益々急ピッチに進められているが、高速化に伴って電車周辺から生じる空力騒音が急激に大きくなり、周辺環境へ与える影響も深刻になりつつある。
【０００３】
空力騒音の発生源の一つにパンタグラフ装置が挙げられるが、基本構成要素が円柱や角柱である在来の構造を維持したままでは、どのような対策を行っても根本的な解決をもたらすことはない。なぜならば、これらの構成要素は楽器同様、音を発生させやすい流れを作るからである。
図11，図12は現在のパンタグラフ装置周辺の構造を示し、図13，図14は、該パンタグラフ装置を搭載した電車車両を示したものである。図示のように、パンタグラフ101 は絶縁碍子102 を介して電気絶縁状態に電車201 の屋根202 上に支持され、その周囲を覆って防風用のカバー203 が屋根202 に固定支持されている。
【０００４】
即ち、現状では、前記カバー203 によってパンタグラフ装置に当たる空気の速度を減じることにより発生空力騒音の低減を図っている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このようにカバー等の防風構造を別途設けて間接的に空力騒音低減を図る従来方法では、▲１▼走行抵抗が増大する、▲２▼防風構造の前側部分では風の吹き上げ、防風構造の後側部分では風の吹き下ろしがあり、パンタグラフをばたつかせ、車体に低周波振動を与えて乗り心地を悪くする、▲３▼防風構造に当たる空気流によって新たに空力騒音を発生すること、といった不具合があり、パンタグラフを含めた集電装置全体を低騒音構造に改善する必要がでてきた。
【０００６】
かかる要請の下に、パンタグラフについては、空力的に馴染む構造が開発されてきており、解決できる見通しがついてきている。
しかし、パンタグラフを支持する絶縁碍子の対策はまだ十分に行われてはおらず、集電装置が空力的に低騒音構造にできていても、図９，図10に拡大して示したように襞付き円柱形状を有する現状の絶縁碍子102 のままでは、既述したように音が発生しやすい構造であり、結局絶縁碍子の周辺をカバーで覆わざるを得ず、根本的な解決とはならない。
【０００７】
本発明は、このような従来の問題点に鑑みなされたもので、絶縁碍子に要求される電気的条件を充たしつつ、空力的低騒音構造を実現し、かつ、抵抗を小さく維持でき、車体振動等の発生も防止できる構造とした電車用絶縁碍子を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項１に係る発明は、電車のパンタグラフを支持し、外側に凸の襞が周面に鉛直方向に複数個列設されている絶縁碍子において、水平断面を電車の進行方向に長い偏平形状とし、襞の電車進行方向の長さＬと、襞と襞との間隔ｈとを、ｈ／Ｌ≦０．０８となるように設定したことを特徴とする。
【０００９】
このようにすれば、電車走行時に絶縁碍子の隣接する襞と襞との間を流れる空気流は、襞の表面からの境界層の厚みが襞の後方に行くほど発達し、該境界層の流速は前記間隙入口の空気流速に対して減速されるので、襞の長さが大きくなって境界層の厚みが増大するほど、減速される空気流の割合が増大する。そして、空気流によって生じる音のレベルは、このような流速域では流速の大旨６乗に比例するものであるから、該空気流の減速により空力騒音レベルを大きく低減することができる。
【００１０】
一方、進行方向と直角方向には短い偏平形状として、空気流に衝突する断面の面積は小さく保持でき、絶縁碍子を通過する空気流の抵抗は小さくすることができる。
【００１１】
また、間隔ｈに対して十分な長さＬを有するため、間隙の中で境界層の占める割合が増大し、十分な空力騒音レベル低減効果が得られる。
請求項２に係る発明は、電車のパンタグラフを支持し、外側に凸の襞が周面に鉛直方向に複数個列設されている絶縁碍子において、水平断面を電車の進行方向に長い偏平形状とし、襞の電車進行方向の長さＬと、襞と襞との間隔ｈとを、襞と襞との間隙に流れる空気流の上下の襞表面から発達する境界層同士が接触しあうように設定したことを特徴とする。
【００１２】
このようにすれば、襞の電車進行方向の長さが所定以上増大して隣接する襞の下面と上面とから夫々発達する境界層同士が接触しあうと、空気流は該境界層で堰き止められ、圧力波が上流側に伝達されて間隙を流れる空気流全体が減速されるため、空力騒音レベルを著しく減少させることができる。
請求項３に係る発明は、前記襞と襞との間隙に流れる空気流の入口速度をＶ、空気の運動粘性係数をνとしたときに、次式が成立するように前記Ｌ，ｈを設定したことを特徴とする。
【００１３】
0.37 (ν／Ｖ) 1/5 Ｌ4/5 ≧ｈ／２
このようにすれば、電車走行時に襞と襞との間隙を流れる空気流は乱流と考えられ、該乱流状態の空気流において襞の空気流入口からの距離ｘの部分に発生する境界層の厚さδt は、δt ＝0.37 (ν／Ｖ) 1/5 ｘ4/5 で示される。
そして、上下の襞表面から発達する境界層が衝突するときの境界層の厚さδ0 はδ0 ＝ｈ／２であり、そのときのｘ＝ｘ0 に対して襞の長さＬがＬ≧ｘ0 なる条件が境界層同士が衝突する条件であり、それは、前記の式0.37 (ν／Ｖ) 1/5 Ｌ4/5 ≧ｈ／２で示される。
【００１４】
請求項４に係る発明は、水平断面が長円状又は楕円状に形成されていることを特徴とする。
このようにすれば、水平断面が滑らかな形状であるため、絶縁碍子を通過する空気流の抵抗を可及的に小さくすることができる。
請求項５に係る発明は、複数の襞の電車進行方向の長さが異なっていることを特徴とする。
【００１５】
このようにすれば、襞の進行方向の長さにより低減される音の周波数が異なるため、広い周波数域の音を万遍なく低減でき、以て、聴覚的な騒音低減効果を高めることができる。
請求項６に係る発明は、電車のパンタグラフを支持し、外側に凸の襞が周面に鉛直方向に複数個列設されている絶縁碍子において、水平断面を電車の進行方向に長い長円状又は楕円状としたことを特徴とする。
このようにすれば、水平断面が滑らかな形状であるため、絶縁碍子を通過する空気流の抵抗を可及的に小さくすることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
図１は、一実施形態にかかるパンタグラフ支持用の絶縁碍子１の基本構成部分を電車の進行方向左側から見た状態を示したものである。該絶縁碍子１は、高さを車両限界内に収めつつ、表面漏れ距離を確保するため、従来同様、鉛直方向に等間隔毎に複数の襞11が列設されているが、従来タイプの絶縁碍子が鉛直方向に回転対称軸を有する円柱構造であるのに対し、図２に示すように、本実施形態の絶縁碍子１は、水平断面が電車進行方向の長さＬが進行方向と直角な方向の長さに比較して十分大きい偏平な長円形状又は楕円形状に形成されている。
【００１７】
具体例としては、隣接する襞11と襞11との間隔をｈとしたとき、ｈ／Ｌ≦0.08となるように設定する。現状では碍子材料と沿面距離とから間隔ｈはｈ≒36ｍｍ程度に設定されており、その場合、Ｌは約450 ｍｍ以上に設定する。尚、間隔ｈは絶縁碍子の形成材料等の変更例えば樹脂を用いること等により、20ｍｍ程度あるいはそれ以下に小さくすることも可能であり、その場合には、前記の式ｈ／Ｌ≦0.08からＬをもっと短くすることが可能である。
【００１８】
以下に、前記構成を有した本実施形態に係る絶縁碍子１の作用を説明する。
絶縁碍子１の水平断面形状が電車進行方向に長い偏平形状として、電車進行方向の長さＬを従来より十分長くすることにより隣接とする襞11と襞11との間隙に導入される空気流は、襞11の表面からの境界層の厚みが進行方向に長い襞11の後方では大きく発達する。その結果、空気流の流速の増大が抑えられ、空気流速の６乗に比例して発生する空力騒音のレベルを、大きく低減することができる。
【００１９】
特に、襞の電車進行方向の長さをＬ［ｍ］、隣接する襞11と襞11との間隔をｈ［ｍ］としたとき、次式の関係が成立するように設定した場合には、以下のような作用・効果が得られる。
0.37 (ν／Ｖ) 1/5 Ｌ4/5 ≧ｈ／２      ・・・(1)
即ち、絶縁碍子１の各襞11の先頭部から距離ｘの位置における襞11表面上に形成される空気流の乱流境界層の厚さδt は、次式により表される。
【００２０】
δt ＝0.37 (ν／Ｖ) 1/5 ｘ4/5         ・・・(2）
ここで、νは空気の運動粘性係数 (≒１．５×１０-5ｍ／ｓ2 ，15°Ｃのとき) であり、Ｖは隣接する襞11と襞11との間隙入口における空気流の速度であるが、風速０とした場合、電車の運行速度Ｖで表される。
したがって、図１に示したように、上下の境界層同士が接触するときの各境界層の厚さδ0 は、δ0 ＋δ0 ＝ｈよりδ0 ＝ｈ／２であり、そのときの前記距離ｘをｘ0 とすると、(2）式より次式が成立する。
【００２１】
δ0 ＝0.37 (ν／Ｖ) 1/5 ｘ04/5＝ｈ／２・・・(3)
そして、δt ≧δ0 を満たすためにはＬ≧ｘ0 が必要となり、上記(1) 式がそのための条件式となる。
このようにすれば、乱流状態で襞と襞との間隙を流れる空気流の上下の襞表面から発達する境界層同士が衝突し、空気流は該境界層で堰き止められ、圧力波が上流側に伝達されて間隙を流れる空気流全体が減速されるため、空力騒音レベルを著しく減少させることができる。
【００２２】
次に、本実施形態の作用・効果を図９に示したような従来の円柱型の絶縁碍子102 と比較して説明する。
従来の円柱型の絶縁碍子102 では襞の先頭からの長さＬが小さく、隣接する襞102 ａと襞102 ａとに形成される境界層の厚さが小さい。そのため、境界層同士が接触しあうことがなく、該境界層外側を流れる主流はその分間隙入口の空気流速Ｖより加速されることとなる。そして、従来型のように襞の長さＬが小さく境界層の厚さが小さい場合には、主流の占める割合が大きいため、加速された主流によって発生する空力騒音レベルが大きく、全体として空力騒音レベルが著しく増大する。
【００２３】
これに対し、襞の長さＬを十分大きくとることにより、境界層が発達して主流の割合を十分小さくすれば、空力騒音レベルを大きく減少でき、特に、上記(1) 式を満たせば、境界層同士の接触により間隙を流れる空気流全体の流速が大幅に減少するため、空力騒音レベルを著しく減少することができることが明らかである。
【００２４】
一方、絶縁碍子１の水平断面を電車の進行方向に長い偏平形状としたことにより、電車進行方向と直角方向の長さは従来同様の短い長さに設定して空気流に衝突する進行方向と直角方向の断面積は小さく保持でき、特に水平断面を長円形状として空気の流通抵抗は小さくすることができ、以て電車の走行電力を十分低く抑えることができる。
【００２５】
そして、上記のように絶縁碍子自体を低騒音構造にできることにより、従来絶縁碍子の前後或いは周囲を覆って設けられていた防風カバーを設ける必要がなくなり、以て該防風カバーを設けることによる前記各種の弊害、即ち、▲１▼走行抵抗が増大する、▲２▼防風構造の前側部分では風の吹き上げ、防風構造の後側部分では風の吹き下ろしがあり、パンタグラフをばたつかせ、車体に低周波振動を与えて乗り心地を悪くする、▲３▼防風構造に当たる空気流によって新たに空力騒音を発生すること、といった不具合が全て解消される。
【００２６】
次に、前記基本的な実施形態に対し、応用的な各種実施形態について説明する。
図３〜図５に示した実施形態は、電車進行方向に平行な縦断面形状を台形状とした絶縁碍子２を示し、かかる構成により、各襞21の進行方向長さが下側の襞21ほど長くなる。
【００２７】
このようにすれば、電車進行方向の長さが異なる各襞21により低減される音の周波数が互いに異なるため、広い周波数域の音を万遍なく低減できるため、聴覚的に空力騒音低減効果を大きく感じることができる。
また、水平断面は、前記実施形態同様に長円形状であってもよいが、図示のように楕円形状としても流通抵抗を十分小さくすることができる。
【００２８】
図６は、現在運行されている新幹線の屋根上に、本実施形態に係る絶縁碍子２を固定し、該絶縁碍子２上に電車進行方向断面を流線形等とした低騒音型のパンタグラフ５を支持した状態を想定して示したものである。
このように、本発明に係る低騒音型の絶縁碍子と低騒音型のパンタグラフとを組み合わせることで可及的に空力騒音レベルを低減することができる。
【００２９】
この他、図７に示す絶縁碍子３のように、縦断面形状を前記とは逆に上辺側の進行方向長さＬが大きくなる台形状としてもよく、マクロ的にみると屋根表面で形成される境界層から離れている絶縁碍子３上部に当たる空気流の方が流速が大きいため、上側ほどＬを大とすることで空力騒音低減効果を高めることができる。
【００３０】
また、図８に示す絶縁碍子４のように、縦断面形状を流線形に近い形状としてもよく、空気抵抗をより低減することができる。
尚、以上説明したように、襞と襞との間隙を流れる空気流は乱流状態と考えられるが、層流の場合は、襞の入口からの距離ｘの増大に対する境界層の厚みの発達は、乱流の場合より小さく、境界層同士が接触するために必要な襞の長さも増大する。
【００３１】
したがって、襞と襞との間隙を流れる空気流の乱流化を促進して、短い距離ｘで境界層の厚みを発達させれば、より短い襞の長さで空力騒音レベルを減少させることができる。具体的には、襞の表面に乱流促進装置 (トリップワイヤ等) を取り付ければ、境界層は乱流化する。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明してきたように請求項１に係る発明によれば、
絶縁碍子の水平断面形状を電車の進行方向に長い偏平な形状としたため、進行方向と直角方向の縦断面の面積は小さく抵抗は小さく維持して走行電力を低く抑えつつ、進行方向に長い襞の表面上に形成される境界層の厚みを増大させて、襞と襞との間隙を流れる空気流速を低減させ、以て空力騒音レベルを大幅に低減することができる。
【００３３】
また、前記襞の電車進行方向の長さＬと、襞と襞との間隔ｈとを、ｈ／Ｌ≦０．０８となるように設定することにより、襞と襞との間隙の中で境界層の占める割合が十分に増大し、高い空力騒音レベル低減効果が得られる。
請求項２に係る発明によれば、絶縁碍子の水平断面形状を電車の進行方向に長い偏平な形状とし、襞と襞との間隙を流れる空気流速を低減させて、空力騒音レベルを低減するとともに、前記襞と襞との間隙を流れる空気流の各襞表面上に形成される境界層同士が接触しあうことにより、この流速が大幅に減速される。
【００３４】
請求項３に係る発明によれば、襞と襞との間隙を乱流状態で流れる空気流において、境界層同士を接触させることができる。
請求項４に係る発明によれば、絶縁碍子の水平断面を長円状又は楕円状に形成することにより、抵抗を可及的に小さくすることができる。
【００３５】
請求項５に係る発明によれば、複数の襞の電車進行方向の長さを異ならせることにより、各襞の進行方向の長さにより低減される音の周波数が異なるため、広い周波数域の音を万遍なく低減でき、聴覚的に騒音低減効果を大きくすることができる。
請求項６に係る発明によれば、絶縁碍子の抵抗を可及的に小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の基本的な実施形態に係る絶縁碍子の要部側面図。
【図２】同上絶縁碍子の平面図。
【図３】第２の実施形態に係る絶縁碍子の平面図。
【図４】同上絶縁碍子の側面図。
【図５】図４のＡ−Ａ断面図。
【図６】同上絶縁碍子を電車に取り付けたときの想定図。
【図７】第３の実施形態に係る絶縁碍子の側面図。
【図８】第４の実施形態に係る絶縁碍子の側面図。
【図９】従来の絶縁碍子の側面図。
【図１０】同上絶縁碍子の平面図。
【図１１】従来のパンタグラフ装置周辺構造を示す平面図。
【図１２】同じく側面図。
【図１３】同上パンタグラフ装置を搭載した電車車両を示す側面図。
【図１４】同じく正面図。
【符号の説明】
１〜４      絶縁碍子
５        パンタグラフ
11，21      襞
【図１】
0003640192.tif 000002
【図２】
0003640192.tif 000003
【図３】
0003640192.tif 000004
【図４】
0003640192.tif 000005
【図５】
0003640192.tif 000006
【図６】
0003640192.tif 000007
【図７】
0003640192.tif 000008
【図８】
0003640192.tif 000009
【図９】
0003640192.tif 000010
【図１０】
0003640192.tif 000011
【図１１】
0003640192.tif 000012
【図１２】
0003640192.tif 000013
【図１３】
0003640192.tif 000014
【図１４】
0003640192.tif 000015