(57)【要約】【課題】客室部分の先頭部分での断面積を確保して、微気圧波低減性能を維持した高速化と快適な客室空間の確保との両立を図る。【解決手段】車体２の先端部分２Ａと一般部分２Ｂとの間に、横断面積が一定でその横断面積が一般部分２Ｂより小さい中間部分２Ｃを設ける。中間部分２Ｃは、運転座席１１の後側であって最も前側に位置する乗客座席１２Ａよりも前側から開始する。中間部分２Ｃは、車両幅が一般部分２Ｂの車両幅より狭く、乗客座席１２Ａの通路１３Ａの高さが一般部分２Ｂにおける乗客座席１２Ｂの通路１３Ｂの高さにほぼ等しく設定される。緩衝工のないトンネルに突入する場合にその突入によって発生する圧縮波の圧力勾配の変化が、大きさのほぼ等しい、２つのピークを一定時間を隔てて有する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
車体の横断面積が前端から後方に向かって増加する先端部分と、その先端部分の後側に配置され横断面積が最大で一様となる一般部分とを備える鉄道先頭車両の車体構造であって、
前記先端部分と一般部分との間に、横断面積が一定でその横断面積が前記一般部分より小さい中間部分が設けられ、
この中間部分は、運転座席の後側であって最も前側に位置する乗客座席よりも前側から開始する構成とされ、
前記中間部分は、車両幅が前記一般部分の車両幅より狭く、前記乗客座席の通路高さが前記一般部分における乗客座席の通路高さにほぼ等しく設定されていることを特徴とする鉄道先頭車両の車体構造。
【請求項２】
前記中間部分の横断面積は、前記一般部分の横断面積の７０％程度の大きさとされていることを特徴とする請求項１記載の鉄道先頭車両の車体構造。
【請求項３】
前記中間部分において左右方向に配置される乗客座席の数は、前記一般部分に配置される乗客座席の数より左右１つずつ少ないことを特徴とする請求項１又は２記載の鉄道先頭車両の車体構造。
【請求項４】
前記先端部分は、横断面積の増加率が大きい前側断面積増加部分と、横断面積増加率が小さい後側断面積増加部分とを有し、前記前側断面積増加部分の横断面積増加率は前記後側断面積増加部分の横断面積増加率の１０倍程度であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の鉄道先頭車両の車体構造。
【請求項５】
前記前側断面積増加部分は、横断面積増加率が６ｍ2／ｍで、先端から０．６ｍ程度の範囲であり、
前記後側断面積増加部分は、横断面積増加率が０．６ｍ2／ｍであることを特徴とする請求項４記載の鉄道先頭車両の車体構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高速走行する新幹線等の鉄道先頭車両の車体構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、新幹線などの高速の鉄道車両がトンネルに突入する場合には、その先頭車両によって、トンネル内の限られた空間に存在する空気を押し込むように前記空気が圧縮される。この圧縮された空気が圧縮波となってトンネル内をほぼ音速に等しい速度で前方へ伝播される。この圧縮波はトンネルの出口に到達したときには出口で反射されるが、それの一部はパルス状の圧力波となってトンネル出口から外部へ放射される。このパルス状の圧力波を、微気圧波（トンネル微気圧波）という。この微気圧波はパルス状の圧力波で、外部へ放射されることにより、トンネルの出口付近では爆発音とともに微振動等が生じ、周辺の環境に影響を及ぼす場合がある。そのため、高速性能が要求される鉄道車両では、先頭車両の車体先頭部の形状に、いわゆる高速走行時の走行抵抗を減少させるだけでなく、前述したところのトンネルに突入した際に生じる微気圧波を低減させることができる形状とすることが必要とされる。
【０００３】
鉄道車両がトンネル内に突入する場合に、トンネルと車両によって発生する微気圧波を分散させて低減するための鉄道先頭車両の車体形状として、車体の先端部分をやや後方に傾斜させて上方に立ち上げることにより第１段目の横断面積増加部分を形成した後、横断面積をほぼ一定に保ってほぼ水平に後方に延設した後、再びやや後方に傾斜させて上方に立ち上げることにより第２段目の横断面積増加部分を形成し、前記第１段目の横断面積／前記第２段目の横断面積の面積比が０．６以上で、前記第１段目と第２段目の横断面積増加部分の間隔を１５ｍ以上にしたものが既に知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
しかしながら、このような構成にすると、微気圧波の低減に効果があるとしても、そのために前記第１段目と第２段目の横断面積増加部分の間隔を１５ｍ以上にする必要があり、車両の先頭部分の長さが長くなる。一方、先頭車両の長さをあまり長くすることなく、すなわち前記第１段目と第２段目の横断面積増加部分の間隔をあまり長くすることなく、微気圧波の低減効果を確保したいという要求がある。
【０００５】
ところで、高速走行することを検討する際に、前記第１段目と第２段目の横断面積増加部分の間隔をあまり長くすることなく、微気圧波の低減効果を得られる車体形状を考える場合に、遺伝的アルゴリズム（ＧＡ：Genetic Algorithm）を、最適化設計手法として利用して開発された、微気圧波を低減させる高速鉄道車両の先頭部形状が提案されている（例えば、特許文献２，３参照）。
【０００６】
その一方、微気圧波を低減させるために、このような鉄道車両側の微気圧波対策（高速鉄道車両の先頭部形状に改良を加える）に対し、従来よりトンネル側の微気圧波対策（高速鉄道車両の先頭部形状を変更することなく、トンネル側の入口部分に改良を加える）として、トンネル入口に、断面がトンネル断面より大きく、長さがトンネル直径の１〜３倍程度の覆体（いわゆる緩衝工）の横断面積と覆体の長さとから決められた最適面積を有する開口部を１個ないし複数個設けることによって、列車がトンネルに突入するときに生じる圧縮波面の勾配をなめらかにすることが知られている（例えば、特許文献４参照）。
【特許文献１】特開平１１−３２１６４０号公報（第２頁〜第４頁、図１〜図４）
【特許文献２】特開２００４−６６８８７号公報（段落００１１〜００２６及び図１０）
【特許文献３】特開２００４−６６８８８号公報（段落００２５〜００３４、及び図１０）
【特許文献４】特公昭５５−３１２７４号公報（第１頁〜第２頁、及び第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
前述した特許文献１や特許文献２，３に記載の車体形状とすれば、高速鉄道車両のトンネル突入時における微気圧波低減効果は、車体形状のみで考えると、これまでの先頭車両よりも向上している。
【０００８】
しかしながら、前述した特許文献１や特許文献２，３に記載の車体形状を決定する際に、特許文献４に記載の緩衝工については全く配慮されておらず、特許文献４に記載のように、トンネル側に微気圧波低減のために緩衝工が設けられている場合には、これまでの先頭車両よりも向上しているとは必ずしもいえない。
【０００９】
実際には高速鉄道車両が走行するトンネルの出入り口には緩衝工が設けられていたり緩衝工が設けられていなかったりし、いずれの場合でも微気圧波の低減が求められる。
【００１０】
ところで、高速鉄道車両の車体構造では、高速化を図れば、微気圧波への影響が大きくなるので、その影響を低減するために車体の横断面積を小さくする必要がある。しかしながら、車体の横断面積を小さくすると、それに伴って乗客座席を配置する客室空間が小さくなり、乗り心地の点で不利になる。
【００１１】
そこで、発明者らは、高速鉄道車両の先頭形状において、客室部分の先頭部分での横断面積を確保して、上述した解析を実行して形状を決定すれば、微気圧波低減性能を維持した高速化と快適な客室空間の確保との両立が図れることに着想し、また、通常のトンネルだけの場合（緩衝工がない場合）であっても緩衝工を備えるトンネルの場合であっても、これまでの高速鉄道車両と同程度の微気圧波による衝撃音の低減を図るべく、鋭意研究を重ねた結果、本発明を開発するに至ったものである。
【００１２】
つまり、発明者らは、
(i)車体の横断面積変化が微気圧波低減性能に影響を与える、
(ii)トンネルに突入する際に発生する圧縮波の圧力勾配が前記微気圧波低減性能を測る尺度（指標）になる、
という知見に基づき、高速鉄道車両の先頭車体について、最適な車体形状を得るために、従来までの形状設計に関する試行錯誤的な手法から、数値流体解析（ＣＦＤ解析）と最適化設計手法（遺伝的アルゴリズム）を組み合わせて、乗客座席が設けられる、運転座席の後側部分については一定の大きさの横断面積を確保することを前提として、数値的に微気圧波が低減し、かつ緩衝工がないトンネルでの微気圧波低減性能と、緩衝工があるトンネルでの微気圧波低減性能との両立を図る上で最も有利な先頭車体形状について研究を進め、快適な客室空間（十分な通路高さ）を確保して、通常のトンネルだけの場合（緩衝工がない場合）であっても緩衝工を備えるトンネルの場合であっても、微気圧波による衝撃音を低減することができる高速先頭車両の車体形状を開発したものである。
【００１３】
本発明は、客室部分の先頭部分での断面積を確保して、微気圧波低減性能を維持した高速化と快適な客室空間の確保との両立が図れる鉄道先頭車両の車体構造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】
【００１４】
請求項１の発明は、車体の横断面積が前端から後方に向かって増加する先端部分と、その先端部分の後側に配置され横断面積が最大で一様となる一般部分とを備える鉄道先頭車両の車体構造であって、前記先端部分と一般部分との間に、横断面積が一定でその横断面積が前記一般部分より小さい中間部分が設けられ、この中間部分は、運転座席の後側であって最も前側に位置する乗客座席よりも前側から開始する構成とされ、前記中間部分は、車両幅が前記一般部分の車両幅より狭く、前記乗客座席の通路高さが前記一般部分における乗客性の通路高さにほぼ等しく設定されることを特徴とする。
【００１５】
このようにすれば、運転座席の後側であって最も前側に位置する乗客座席よりも前側から開始する中間部分の車両幅を、前記一般部分の車両幅より狭く設定することで、前記中間部分における乗客座席の通路高さを、前記一般部分における乗客座席の通路高さにほぼ等しく設定しているので、前記中間部分の乗客座席の乗客も、一般部分の乗客座席の乗客と同様の快適な客室空間が得られ、乗り心地が確保される。
【００１６】
また、そのような構造とすれば、緩衝工のないトンネルに突入する場合は、その突入によって発生する圧縮波の圧力勾配の変化が、大きさのほぼ等しい２つのピークを一定時間を隔てて有するようにできるので、通常のトンネルだけの場合（緩衝工がない場合）であっても、緩衝工を備えるトンネルの場合であっても、微気圧波の低減効果を確保することができるようになる。よって、高速の鉄道先頭車両の中間部分において、快適な客室空間の確保による乗客の乗り心地と、微気圧波低減性能を維持した高速化との両立が図れる。
【００１７】
その場合には、請求項２に記載のように、前記中間部分の横断面積は、前記一般部分の横断面積の７０％程度の大きさとすることが望ましい。
【００１８】
このようにすれば、中間部分において、一定数の座席を確保して、必要な通路高さとすることが可能となる。
【００１９】
また、請求項３に記載のように、前記中間部分において左右方向に配置される乗客座席の数は、前記一般部分に配置される乗客座席の数より左右１つずつ少ない構成とし、中間部分の車体幅を一般部分よりもせまく、いわゆるくびれた形状とすることで、中間部分での乗客座席の通路高さを、一般部分における乗客座席の通路高さにほぼ等しくすることを簡単に実現することができる。
【００２０】
微気圧波低減効果を得るためには、請求項４に記載のように、前記先端部分が、横断面積の増加率が大きい前側断面積増加部分と、横断面積増加率が小さい後側断面積増加部分とを有し、前記前側断面積増加部分の横断面積増加率は前記後側断面積増加部分の横断面積増加率の１０倍程度であることが望ましい。
【００２１】
このためには、請求項５に記載のように、前記前側断面積増加部分は、横断面積増加率が６ｍ2／ｍで、先端から０．６ｍ程度の範囲であり、前記後側断面積増加部分は、横断面積増加率が０．６ｍ2／ｍとなるようにすればよい。
【発明の効果】
【００２２】
以上に説明したように、本発明は、運転座席の後側であって最も前側に位置する乗客座席よりも前側から開始する中間部分を、車両幅が一般部分の車両幅より狭く、前記乗客座席の通路高さを前記一般部分における乗客座席の通路高さにほぼ等しくなるように設定しているので、前記中間部分の乗客座席の乗客も、一般部分の乗客座席の乗客と同様の乗り心地を確保することができる。また、そのような構造とすれば、緩衝工のないトンネルに突入する場合は、その突入によって発生する圧縮波の圧力勾配の変化が、大きさのほぼ等しい２つのピークを一定時間を隔てて有するので、通常のトンネルだけの場合（緩衝工がない場合）であっても、緩衝工を備えるトンネルの場合であっても、微気圧波の低減効果を確保することができる。よって、高速鉄道先頭車両において、快適な客室空間の確保による乗客の乗り心地と、微気圧波低減性能を維持した高速化との両立を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、この発明の実施の形態を図面に沿って説明する。
【００２４】
図１（ａ）〜（ｅ）はそれぞれ本発明に係る実施の形態の一例である鉄道先頭車両を示し、図１（ａ）は前記鉄道先頭車両の平面図、図１（ｂ）は同側面図、図１（ｃ）は図１（ｂ）のＣ−Ｃ線における運転部の断面図、図１（ｄ）は図１（ｂ）のＤ−Ｄ線における中間部分（幅狭部）の断面図及び図１（ｅ）は図１（ｂ）のＥ−Ｅ線における一般部分の断面図である。なお、図１（ｃ）〜（ｅ）において、一点鎖線で車両限界を示す。
【００２５】
図１（ａ）（ｂ）に示すように、鉄道先頭車両１は、車体２の横断面積が前端から後方に向かって車体前後方向に沿って増加する先端部分２Ａと、その先端部分２Ａの後側に配置され横断面積が最大で一様となる一般部分２Ｂとを備える。
【００２６】
先端部分２Ａと一般部分２Ｂとの間には、横断面積が一定でその横断面積が一般部分２Ｂより小さい中間部分２Ｃが設けられている。この中間部分２Ｃは、運転座席１１の後側であって最も前側に位置する乗客座席１２Ａよりも前側から開始する構成とされている。
【００２７】
中間部分２Ｃの車両幅Ｗ１は、一般部分２Ｂの車両幅Ｗ２より狭く設定されている。また、中間部分２Ｃにおいて、乗客座席１２Ａの通路１３Ａの高さは、一般部分２Ｂにおける乗客座席１２Ｂの通路１３Ｂの高さにほぼ等しく形成されている（図１（ｄ）（ｅ）参照）。つまり、中間部分２Ｃにおいて、平面視で、車体２の形状をくびれた形状とすることで、中間部分２Ｃの乗客座席１２Ａについて必要な通路高さが確保されている。なお、このような車体形状に基づいて、中間部分２Ｃに対応する部分では、側梁が車体内方側に屈曲して形成されていることになる。
【００２８】
このように、必要な通路高さ（乗客が移動する通路における天井高さ）を確保するために、中間部分２Ｃの横断面積は、一般部分２Ｂの横断面積の７０％程度の大きさとされ、乗客座席を設ける部位では、微気圧波低減のために、横断面積があまり大きくならないようにされている。そして、必要な通路高さを確保するために、中間部分２Ｃにおいて左右方向に配置される乗客座席１２Ａの数は、一般部分２Ｂに配置される乗客座席１２Ｂの数より２つ少なくなっている。
【００２９】
つまり、一般部分２Ｂは５つの乗客座席１２Ｂ（左が３つ、右が２つ）が設けられるのに対し、中間部分２Ｃは３つの乗客座席１２Ａ（左側に２つ、右側に１つ）が設けられ、左右１つずつ少なくなっている。そして、その乗客座席２つ分に相当するスペースは上下方向に配分され、天井高さ（通路高さ）が高くされ、一般部分１Ｂに荷棚１４Ｂを設けるのと同様に荷棚１４Ａを設けることができる（図１（ｄ）（ｅ）参照）。よって、図８に示す従来例のように、（荷棚を設けることができないため）最も前側とその後側に位置する２列の乗客座席１２の横に荷台１０１を設置する必要がなくなり、その分だけ乗客座席の数を増やすことができる。
【００３０】
そして、前側断面積増加部分２Ａａの後側部位に、運転室風防２１が配設され、この運転室風防２１が、運転室２５の上側に位置し、運転座席１１の上側を覆っている。運転室の後側には運転士の乗降用の回転式のドア２２が設けられ、その後側に乗客の乗降用のスライド式ドア２３が設けられている。また、左右のスライド式ドア２３は通路２４で結ばれ、この通路２４が最も前側に位置する乗客座席１２の前側に位置している。また、この通路２４が位置する付近は、従来例では一般部分よりも天井高さが低くなっているが（図１（ｂ）一点鎖線参照）、この実施の形態では、一般部分２Ｂと同様な天井高さ（通路高さ）が確保され（図１（ｂ）実線参照）、快適な客室空間の確保を図る上で有利な構造となっている。
【００３１】
前述する車体形状は、従来用いられていた形状設計に関する試行錯誤的な手法ではなく、ＣＦＤと最適化設計手法（多目的遺伝的アルゴリズム）を組み合わせて、数値的に微気圧波が低減する最適先頭形状（最適横断面積分布）を求める設計技術を適用して、求めたものである。具体的な条件は次の通りである。
(i)最適化対象形状
先頭長さ１６ｍ（定員５３名）の断面積分布
(ii)設計変数
図２に示すように、１０個の制御点を設計変数として最適化したものである（形状表現にＢ−ｓｐｌｉｎｅを使用）。なお、図２の各制御点において示す矢符は変更可能範囲を示す。また、客室について必要な横断面積を確保するために先頭から８ｍ〜１３ｍの範囲で３つの制御点を固定している。
(iii)評価関数
Ａ．緩衝工なしの場合の圧力勾配(dp/dx)maxの最小化
Ｂ．１０ｍ緩衝工を有する場合の圧力勾配(dp/dx)maxの最小化
(iv)設計条件
・列車の時速３３０ｋｍ
・列車／トンネル断面積比＝０．１６１
最適化結果（微気圧波性能）を示す図３より、世代が進むにつれて、緩衝工がある場合も緩衝工がない場合も圧力勾配(dp/dt)が小さくなる方向に進化し、３５世代付近で、ある一定のライン上に収束していることがわかる。このことは、最適化結果（従来例と同程度の微気圧波性能を確保できる最高速度に相当する現状非悪化速度）を示す図４からも確認される。
【００３２】
前記ＣＦＤおよび最適化手法を用いて得られた、本発明に係る車体形状の実施例１〜３の横断面積分布を図５において実線Ｌ１〜Ｌ３で示すが、これを具体化したものが前記図１（ａ）〜（ｅ）に示す車体形状である。なお、図５には、併せて、前記図１（ｂ）（一点鎖線参照）及び図８に示す従来例の車体形状についての横断面積分布を一緒に示す。
【００３３】
図５において、長さがおよそ１６ｍになる先頭部分は、横断面積が車体前後方向に沿って増加する方向に変化し、横断面積が最大でほぼ１０．２３ｍ2で一定になる一般部分２Ｂに至るようになっている。
【００３４】
微気圧波低減の効果を得るために、先頭部分の先端部分２Ａは、横断面積の増加率が大きい前側断面積増加部分２Ａａと、横断面積増加率が小さい後側断面積増加部分２Ａｂとを有し、前側断面積増加部分２Ａａの横断面積増加率は６ｍ2／ｍで、先端から０．６ｍ程度の範囲であり、前記後側断面積増加部分の横断面積増加率は０．６ｍ2／ｍで、先端から０．６〜７．５ｍの範囲である。つまり、前側断面積増加部分２Ａａの横断面積増加率は後側断面積増加部分２Ａｂの横断面積増加率の１０倍程度である。ここで、横断面積増加率は、各増加部分２Ａａ，２Ａｂでの横断面積の変化を直線的変化であるとみなして求めた値である。
【００３５】
そして、前側および後側断面積増加部分２Ａａ，２Ａｂの間、後側断面積増加部分２Ａｂと中間部分２Ｃとの間、中間部分２Ｃと一般部分２Ｂとの間はそれらがなめらかに連続するように接続されている。
【００３６】
このように先頭車両１の車体２の横断面積を変化させることで、後述するように、微気圧波の低減に効果がある圧縮波の圧力勾配の変化が得られる。つまり、緩衝工のないトンネルに突入する場合にその突入によって発生する圧縮波の圧力勾配の変化が、大きさのほぼ等しい２つのピークを一定時間を隔てて有することになる。
【００３７】
また、実施例１〜３及び従来例の車体形状で、微気圧波による影響を二次元軸対称シミュレーション解析をしてみた結果を、図６及び図７に示す。トンネルに突入する場合の解析を行ったものであるが、図６は緩衝工がない場合であり、図７は１０ｍの緩衝工がある場合である。
【００３８】
緩衝工がない場合には、図６に示すように、微気圧波の影響の目安となる圧力勾配指数は、実施例１〜３はいずれも２つのピークを有するが、いずれのピークも従来例の最大ピークよりも低いことがわかる。一方、１０ｍ緩衝工がある場合にも、図７に示す通り、実施例１〜３は、前記圧力勾配指数が、従来例よりも小さくなることがわかる。また、他の長さの緩衝工がある場合にも、実施例１〜３は、前記圧力勾配指数が従来例より小さいか同等に、微気圧波低減効果を発揮するものと推測される。
【００３９】
よって、実施例１〜３は、通路高さを確保して、緩衝工を備えるトンネルの場合は従来例と同程度の圧力勾配指数を維持して、緩衝工がない場合には従来例よりも微気圧波の低減効果に優れる。
【００４０】
なお、中間部分２Ｃに乗客の乗降のためにドア２３を設けているので、プラットホームとの間に乗客が落下するのを防止するために、図１（ｄ）に一点鎖線で示すように、左右方向に水平に延びるフィン状の足載せ部材２１を設けることも可能である。この場合、足載せ部材を車体２内に収納可能な構造とし、駅に到着したときにのみ足載せ部材が突出するようにすることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明に係る実施の形態の一例である鉄道先頭車両を示し、図１（ａ）は前記鉄道先頭車両の平面図、図１（ｂ）は同側面図、図１（ｃ）は図１（ｂ）のＣ−Ｃ線における運転部の断面図、図１（ｄ）は図１（ｂ）のＤ−Ｄ線における中間部分（幅狭部）の断面図及び図１（ｅ）は図１（ｂ）のＥ−Ｅ線における一般部分の断面図である。
【図２】最適化の計算の説明図である。
【図３】最適化結果（微気圧波性能）を示す図である。
【図４】最適化結果（現状非悪化速度）を示す図である
【図５】先頭からの距離と車体の横断面積との関係を示す図である。
【図６】緩衝工なしトンネルについての（微気圧波の指針となる）圧力勾配指数の解析結果を示す説明図である。
【図７】１０ｍ緩衝工ありトンネルについての圧力勾配指数の解析結果を示す説明図である。
【図８】従来例についての図１（ａ）と同様の図である。
【符号の説明】
【００４２】
１    鉄道先頭車両
２    車体
２Ａ    先端部分
２Ａａ    前側断面積増加部分
２Ａｂ    後側断面積増加部分
２Ｂ    一般部分
２Ｃ    中間部分
１１    運転座席
１２Ａ，１２Ｂ    乗客座席
１３Ａ，１３Ｂ    通路
１４Ａ，１４Ｂ    荷棚
【図１】
2006143103.tif 000003
【図２】
2006143103.tif 000004
【図３】
2006143103.tif 000005
【図４】
2006143103.tif 000006
【図５】
2006143103.tif 000007
【図６】
2006143103.tif 000008
【図７】
2006143103.tif 000009
【図８】
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