(57)【要約】【課題】鉄道車両の着雪を、簡易な構成によって安定して防止できる装置および方法を提供する。【解決手段】開示される着雪防止装置は、台車１００を含む鉄道車両の着雪防止装置である。この着雪防止装置は、鉄道車両の振動エネルギーを電気エネルギーに変換する発電装置１５０と、発電装置１５０で得られた電気エネルギーを熱エネルギーに変換する発熱装置１６０と、を含む。発熱装置１６０で発生された熱エネルギーによって鉄道車両への着雪が防止される。【選択図】図１Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
台車を含む鉄道車両の着雪防止装置であって、
前記鉄道車両の振動エネルギーを電気エネルギーに変換する発電装置と、
前記発電装置で得られた前記電気エネルギーを熱エネルギーに変換する発熱装置と、を含み、
前記熱エネルギーによって前記鉄道車両への着雪を防止する、鉄道車両の着雪防止装置。
【請求項２】
前記発電装置が、前記台車の軸箱、および、前記台車の台車枠から選ばれる少なくとも１つに配置されている、請求項１に記載の、鉄道車両の着雪防止装置。
【請求項３】
前記発電装置が、圧電素子を用いた発電装置、電磁誘導式の発電装置、または、静電誘導式の発電装置である、請求項１または２に記載の、鉄道車両の着雪防止装置。
【請求項４】
前記発熱装置が抵抗加熱ヒーターである、請求項１〜３のいずれか１項に記載の、鉄道車両の着雪防止装置。
【請求項５】
前記鉄道車両が渦電流式のレールブレーキを含み、
前記発熱装置が前記レールブレーキに配置されている、請求項１〜４のいずれか１項に記載の、鉄道車両の着雪防止装置。
【請求項６】
台車を含む鉄道車両の着雪防止方法であって、
前記鉄道車両の振動エネルギーを電気エネルギーに変換し、得られた前記電気エネルギーを、前記鉄道車両への着雪を防止するための熱エネルギーに変換する工程を含む、鉄道車両の着雪防止方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄道車両の着雪防止装置および着雪防止方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
降雪地域を走行する鉄道車両では、鉄道車両の床下（たとえば台車）への着雪が起こることが知られている。着雪によって生じた雪塊が走行中に落下すると、その雪塊が車両の床下機器に衝突したり、雪塊によって跳ね上げられたバラスト（敷石）が車両の機器に衝突したりする恐れがある。そのため、鉄道車両への着雪を防止する装置や、鉄道車両に付着した雪を除去する装置が、従来から提案されている。
【０００３】
特許文献１（特開２００２−１４６７４０号公報）は、鉄道車両の台車部の側方に沿って自走し、噴射ノズルから融雪流体を鉄道車両の台車部に噴射するヘッダを有する自走式融雪台車を開示している。しかし、この方式で融雪できるのは、鉄道車両が停車しているときだけである。さらに、この方式は、自走式の融雪台車が走行するための専用の軌道を必要とするため、全体として大掛かりな構成となる。
【０００４】
特許文献２（特開２００９−１８６４８号公報）は、移動体の換気装置から排出される温風を熱源として、雪の付着が予測される領域を加熱する加熱装置を備える着雪抑制装置を開示している。この場合、熱源となる温風のエネルギーは、移動体を加熱することによって供給される。着雪防止の効果を高める場合、換気装置から排出される温風の量を多くする必要がある。すなわち、特許文献２の方式では、移動体を加熱するエネルギーの一部が、着雪防止に消費されることになる。
【０００５】
特許文献３（特開２００６−７４９１９号公報）は、温度差によって発熱する熱電素子を用いた熱発電システムを開示している。しかし、温度差による発電は、温度差が様々な条件によって変化するため、出力が変動しやすい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−１４６７４０号公報
【特許文献２】特開２００９−１８６４８号公報
【特許文献３】特開２００６−７４９１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
以上のような状況において、現在、新しい着雪防止装置が求められている。本発明の目的の１つは、鉄道車両の着雪を、簡易な構成によって安定して防止できる装置および方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一実施形態による着雪防止装置は、台車を含む鉄道車両の着雪防止装置である。この装置は、前記鉄道車両の振動エネルギーを電気エネルギーに変換する発電装置と、前記発電装置で得られた前記電気エネルギーを熱エネルギーに変換する発熱装置と、を含み、前記熱エネルギーによって前記鉄道車両への着雪を防止する。
【０００９】
本発明の一実施形態による着雪防止方法は、台車を含む鉄道車両の着雪防止方法である。この方法は、前記鉄道車両の振動エネルギーを電気エネルギーに変換し、得られた前記電気エネルギーを、前記鉄道車両への着雪を防止するための熱エネルギーに変換する工程を含む。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、鉄道車両の着雪を、簡易な構成によって安定して防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１Ａ】図１Ａは、本実施形態の着雪防止装置の配置の一例を模式的に示す。
【図１Ｂ】図１Ｂは、図１Ａに示した台車の上面図である。
【図２Ａ】図２Ａは、圧電式の発電装置の一例を模式的に示す断面図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、圧電式の発電装置の他の一例を模式的に示す断面図である。
【図３Ａ】図３Ａは、電磁誘導式の発電装置の一例を模式的に示す図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、電磁誘導式の発電装置の他の一例を模式的に示す図である。
【図４】図４は、静電誘導式の発電装置の一例を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態について説明する。なお、以下の説明では、本発明の実施形態について例を挙げて説明するが、本発明は以下で説明する例に限定されない。以下の説明では、具体的な数値や材料を例示する場合があるが、本発明の効果が得られる限り、他の数値や材料を適用してもよい。
【００１３】
（着雪防止装置）
本実施形態の着雪防止装置は、台車を含む鉄道車両の着雪防止装置である。この装置は、鉄道車両の振動エネルギーを電気エネルギーに変換する発電装置と、発電装置で得られた電気エネルギーを熱エネルギーに変換する発熱装置と、を含み、その熱エネルギーによって鉄道車両への着雪を防止する。
【００１４】
発熱装置で発生した熱エネルギーを用いて、鉄道車両（たとえば台車）への着雪を防止したり、鉄道車両に着雪した雪を融かしたりすることが可能である。具体的には、鉄道車両の一部分（鉄道車両のうち着雪を防止したい部分）に発熱装置を配置し、その一部分を、発熱装置で発生した熱エネルギーによって加熱すればよい。従来、車両の振動エネルギーは利用することなく捨てられていた。本発明によれば、捨てられていた振動エネルギーを、着雪防止に有効に利用できる。
【００１５】
本実施形態の装置は、車両の床下部分への着雪防止に特に好ましく用いられる。ここで、車両の床下部分には、車体の床下、車体の床下に配置された機器（床下機器）、および台車が含まれる。これらの部分に発熱装置を配置することによって、これらの部分への着雪を防止できる。
【００１６】
着雪防止に必要な発電が可能である限り、発電装置が配置される場所に限定はない。典型的には、発電装置は台車に配置され、台車の振動エネルギーを電気エネルギーに変換する。たとえば、発電装置は、台車の車軸と台車枠との間の部分、および、台車の台車枠から選ばれる少なくとも１つに配置されていてもよい。台車の車軸と台車枠との間の部分には、台車の車軸と台車枠とを結ぶ機構およびその機構に固定された部材が含まれ、たとえば軸箱が含まれる。軸箱は、車軸を受ける軸受が内部に配置された箱である。軸箱と台車枠とは、弾性部材（ばね部材）を介して接続されている。以下では、当該弾性部材と台車の車軸との間の部分を、「ばね下部分」という場合がある。ばね下部分には、軸箱、軸箱と弾性部材（ばね部材）とを接続する部材、およびそれらに固定された部材が含まれる。
【００１７】
発電装置は、台車のばね下部分（たとえば軸箱）、および、台車の台車枠から選ばれる少なくとも１つに配置されてもよい。あるいは、発電装置は、発熱装置が配置される場所に配置されてもよい。両者を近接させたり一体化したりすることによって、それらの設置や保守が容易になる。
【００１８】
発電装置は、圧電素子を用いた発電装置（圧電式の発電装置）、電磁誘導式の発電装置、または、静電誘導式の発電装置であってもよい。あるいは、異なる種類の発電装置を組み合わせて用いてもよい。すなわち、発電装置は、圧電素子を用いた発電装置、電磁誘導式の発電装置、および、静電誘導式の発電装置から選ばれる少なくとも１つの発電装置であってもよい。圧電式の発電装置、電磁誘導式の発電装置、および静電誘導式の発電装置は、本発明の効果が得られる限り限定されず、公知のものを用いてもよい。これらの発電装置は、複数の発電装置を接続したものであってもよい。
【００１９】
圧電式の発電装置は、圧電素子に含まれる圧電体の変形によって発電する。典型的な圧電素子の一例は、圧電体とそれを挟むように配置された２つの電極とを含み、さらに、圧電体の変形を大きくするための重りを必要に応じて含む。圧電素子の種類に限定はなく、ユニモルフ式、バイモルフ式、または積層式であってもよい。好ましい一例において、圧電式の発電装置は、台車の軸箱などのばね下部分に配置される。
【００２０】
電磁誘導式の発電装置は、電磁誘導によって発電する。電磁誘導式の発電装置の典型的な一例は、コイル（巻き線）等の電気伝導体と永久磁石とを含み、それらの相対位置が変動することによって発電する。
【００２１】
静電誘導式の発電装置は、静電誘導によって発電する。静電誘導式の発電装置の典型的な一例は、エレクトレット部と、そのエレクトレット部と対向する対向電極とを含む。エレクトレット部は、エレクトレットと、エレクトレットに接する電極とを含む。この発電装置では、エレクトレット部と対向電極との相対位置が変動することによって発電がなされる。
【００２２】
電磁誘導式および静電誘導式の発電装置は、２つの構成要素の相対位置が変動することによって発電する。そのため、それら２つの構成要素は、相対位置の変動が大きくなる部位に配置されることが好ましい。たとえば、一方の構成要素を軸箱に固定し、他方の構成要素を台車枠に固定してもよい。
【００２３】
電磁誘導式の発電装置の出力は、永久磁石に対する電気伝導体の移動速度（相対速度）の２乗に比例する。一方、静電誘導式の発電装置の出力は、エレクトレット部に対する対向電極の移動速度（相対速度）に比例する。そのため、振幅を同じと仮定すると、周波数が低い領域では、静電誘導式の発電装置の方が、電磁誘導式の発電装置よりも有利な場合がある。
【００２４】
発電装置は、それが配置される場所で生じる振動の振動数を考慮して選択することが好ましい。別の観点では、発電装置の種類に応じて、それを配置する場所を決定することが好ましい。
【００２５】
走行中の台車では、各種の振動が生じる。その振動の主要な振動数は、場所によって異なる。検討したところ、発明者らは、台車のばね下部分の主要な振動の振動数が数百Ｈｚオーダーであることを見出した。さらに、発明者らは、台車枠の主要な振動の振動数が、ばね下部分の主要な振動の振動数よりも低く、数十Ｈｚオーダーであることを見出した。そのため、それらの振動数に応じた発電装置を選択することが好ましい。たとえば、ばね下部分（たとえば軸箱）に発電装置を取り付ける場合、数百Ｈｚオーダーの振動数の振動によって効率よく振動する発電装置を用いることが好ましい。また、台車枠に発電装置を取り付ける場合、数十Ｈｚオーダーの振動数の振動によって効率よく振動する発電装置を用いることが好ましい。以上の検討結果を考慮して、ばね下部分に発電装置を設置する場合の好ましい一例では、圧電式の発電装置を用いる。
【００２６】
発熱装置は、抵抗加熱ヒーターであってもよい。抵抗加熱ヒーターの例には、シートヒーター（カーボンシートヒーターなど）、電熱線、シーズヒーター、セラミックヒーターなどが含まれる。発熱装置は、着雪を防止したい部分（たとえば車両の床下部分）に配置される。
【００２７】
鉄道車両への着雪は、車両の進行方向（台車の進行方向）の前方部で多くなる。そのため、発熱装置を台車に配置する場合、少なくとも、台車のうちの前方の部分に配置することが好ましい。たとえば、台車の前方側の軸箱や、台車枠のうちの前方側に発熱装置を配置してもよい。ここで、台車枠のうちの前方側とは、台車枠の中央よりも前方側にある部分を意味する。
【００２８】
床下機器が覆われたボディーマウント構造を採用する鉄道車両では、台車の側部が車体で覆われていない。そのため、ボディーマウント構造を採用する鉄道車両では、台車側部への着雪の防止も重要になる。ボディーマウント構造を採用する鉄道車両の好ましい一例では、台車の側面（たとえば側梁のうちの外側の面）に発熱装置が配置される。もちろん、台車の側面に加えて他の部分（たとえば上述した部分）に発熱装置が配置されてもよい。
【００２９】
鉄道車両は、渦電流式のレールブレーキを含んでもよい。その場合、発熱装置はレールブレーキに配置されてもよい。さらに、発電装置もレールブレーキに配置されてもよい。渦電流式のレールブレーキはよく知られており、磁石をレールに近づけることによってレールに渦電流を発生させ、それによって制動力を得るブレーキである。レールと対向する磁石に着雪すると、制動時に磁石をレールに近づけることができず、制動力が低下する。そのため、磁石への着雪の防止は特に重要になる。磁石への着雪を防止するために、磁石に発熱装置を配置してもよいし、磁石を囲む保護ケースに発熱装置を配置してもよい。
【００３０】
レールブレーキは、磁石をレールに近づけるための駆動部を含む。駆動部の一例は、磁石の位置を変更するための装置であり、たとえば磁石を昇降させるための装置である。駆動部に着雪すると、駆動部を駆動できなくなる恐れがある。そのため、駆動部への着雪を防止することも重要である。駆動部への着雪を防止するために、駆動部に発熱装置を配置してもよい。
【００３１】
（着雪防止方法）
本実施形態の着雪防止方法は、台車を含む鉄道車両の着雪防止方法である。この方法は、鉄道車両の振動エネルギーを電気エネルギーに変換し、得られた電気エネルギーを、鉄道車両への着雪を防止するための熱エネルギーに変換する工程を含む。振動エネルギーから電気エネルギーへの変換は上述した発電装置によって行うことができる。電気エネルギーから熱エネルギーへの変換は、上述した発熱装置によって行うことができる。発熱装置で発生した熱エネルギーによって鉄道車両の一部分を加熱することによって、その一部分への着雪を防止できる。本実施形態の着雪防止装置について説明した事項は本実施形態の着雪防止方法に適用できるため、重複する説明を省略する。
【００３２】
本発明の実施形態の例について、図面を参照しながら以下に説明する。以下の説明では、同様の部分について同一の符号を付して重複する説明を省略する場合がある。本発明の効果が得られる限り、以下で例示する実施形態の構成を、上述した他の構成に変更することができる。
【００３３】
（台車の一例）
図１Ａおよび図１Ｂは、鉄道車両の台車の一部を模式的に示す。図１Ａは側面図であり、図１Ｂは上面図である。図１Ａおよび図１Ｂでは、進行方向を矢印で示す。図１Ａおよび図１Ｂに示す台車１００は、台車枠１１０、軸箱１２０、弾性部材１２１、車輪１３１、および車軸１３２を含む。実際の台車は、これら以外に様々な機構や装置を含む。それら図示していない機構や装置も台車の一部であり、それらに発電装置や発熱装置が配置されてもよい。図１Ａおよび図１Ｂは、台車枠１１０に固定されたレールブレーキ１４０を含む台車１００を例示する。しかし、台車１００はレールブレーキ１４０を含まなくてもよい。
【００３４】
図１Ａおよび図１Ｂに示す一例では、台車枠１１０は、側梁１１１と、横梁１１２とを含む。側梁１１１は、その長手方向が進行方向に沿うように配置されている。横梁１１２は、２つの側梁１１１を接続している。横梁１１２は、その長手方向が、水平に且つ進行方向に対して垂直になるように配置されている。
【００３５】
軸箱１２０内には、軸受（図示せず）が配置されている。車軸１３２は、軸箱１２０内の軸受によって、回転可能に支持される。軸箱１２０は、弾性部材（ばね部材）１２１を介して台車枠１１０に接続されている。台車１００が進行する際には、レールの変位等に伴って車輪１３１が上下動する。車輪１３１の上下動は、その一部が弾性部材１２１によって吸収されて、台車枠１１０に伝えられる。
【００３６】
発電装置は、台車のいずれかの位置に配置できる。さらに、発熱装置も、台車のいずれかの位置に配置できる。たとえば、上述した好ましい位置に配置してもよい。図１Ａでは、一例として、軸箱１２０に発電装置１５０を配置し、レールブレーキ１４０の下側部分に発熱装置１６０を配置した場合を示す。発電装置１５０と発熱装置１６０とは、配線によって接続できる。発電装置１５０は、台車１００（軸箱１２０）の振動エネルギーを電気エネルギーに変換する。発熱装置１６０は、発電装置１５０で得られた電気エネルギーを熱エネルギーに変換する。この熱エネルギーによって、発熱装置１６０が配置された部分を加熱することができ、当該部分への着雪を防止できる。
【００３７】
軸箱１２０および台車枠１１０は、それぞれ独自に、上下に振動運動する。ただし、弾性部材１２１によって上下動の一部が吸収される。そのため、台車枠１１０の上下動は、平均的には、ばね下部分（車軸１３２と弾性部材１２１とを接続する部分）の上下動よりも小さくなる。たとえば、台車枠１１０の上下動は、平均的には、軸箱１２０の上下動よりも小さくなる。そのため、ばね下部分（たとえば軸箱１２０）に発電装置１５０を配置することによって、より多くの電力が得られやすくなる。台車枠１１０の中では中央から遠い部分の上下動が大きくなりやすい。そのため、台車枠１１０に発電装置１５０を配置する場合の好ましい一例では、中央から遠い部分（たとえば軸箱１２０の上方の部分）に発電装置１５０が配置される。
【００３８】
（圧電素子を用いた発電装置の例）
圧電素子を用いた発電装置の一例を図２Ａに示す。図２Ａの発電装置１５０ａは圧電素子である。図２Ａの発電装置１５０ａは、圧電体１５１と、圧電体１５１を挟むように配置された２枚の電極１５２ａおよび１５２ｂと、電極１５２ｂ上に固定された重り１５３とを含む。電極１５２ａは、振動部１００ａ（台車１００の一部）に固定される。
【００３９】
圧電素子の他の一例を図２Ｂに示す。図２Ｂの発電装置１５０ａは、圧電体１５１と、圧電体１５１を挟むように配置された２枚の電極１５２ａおよび１５２ｂと、重り１５３とを含む。圧電体１５１は、積層された圧電体１５１ａおよび圧電体１５１ｂを含む。重り１５３は、圧電素子本体（圧電体１５１、電極１５２ａおよび１５２ｂ）の一端に固定されている。圧電素子本体の他端は、振動部１００ａ（台車１００の一部）に固定される。
【００４０】
圧電体１５１は、電極１５２ａと電極１５２ｂとを結ぶ方向の振動（図中の矢印Ａの方向の振動）によって起電力を生じる圧電体である。そのため、圧電素子（発電装置１５０ａ）は、好ましくは、矢印Ａの方向の振動が生じやすい位置に配置され、且つ、矢印Ａの方向の振動によって発電が生じやすい方向に配置される。たとえば、矢印Ａの方向が垂直方向（重力が働く方向）とほぼ平行になるように、圧電素子が台車１００に固定されてもよい。
【００４１】
（電磁誘導式の発電装置の例）
電磁誘導式の発電装置の一例を、図３Ａに示す。図３Ａの発電装置１５０ｂは、永久磁石１５５と、磁石１５５の近傍に配置されたコイル１５６とを含む。電磁誘導式の発電装置の他の一例を、図３Ｂに示す。図３Ｂの発電装置１５０ｂは、コイル１５６と、コイル１５６の内部に配置された永久磁石１５５とを含む。発電装置１５０ｂの典型的な一例では、磁石１５５は、Ｎ極とＳ極とを結ぶ直線がコイル１５６の中心軸と重なるように配置される。発電装置１５０ｂでは、磁石１５５とコイル１５６との相対位置が変動することによって、起電力が生じる。
【００４２】
図３Ａおよび図３Ｂは、磁石１５５を振動部１００ａ（台車１００の一部）に固定する場合を例示している。しかし、磁石１５５およびコイル１５６は、それらの相対位置が台車１００の振動によって変動するように配置されればよい。一例では、磁石１５５とコイル１５６とは、異なる振動をする異なる位置に固定される。あるいは、一方を台車１００に固定し、その一方に対する相対位置が台車１００の振動によって変化するように他方を台車１００に固定してもよい。たとえば、一方を台車１００に固定し、他方を台車１００に固定された筒状体の内部に配置してもよい。この場合、台車１００の振動によって、当該他方が筒状体内部を移動し、それによって起電力が生じる。あるいは、一方を台車１００に固定し、他方を弾性部材（ばね部材等）を介して台車１００に固定してもよい。この構成によれば、他方は一方とは異なる運動をする。そのため、台車１００の振動によって両者の相対位置は変化する。
【００４３】
図３Ａおよび図３Ｂに示した発電装置１５０ｂは、コイルの中心軸と平行な方向の振動（図中の矢印Ｂの方向の振動）によって起電力を生じる。そのため、発電装置１５０ｂは、矢印Ｂの方向の振動が生じやすい位置および方向に配置される。
【００４４】
（静電誘導式の発電装置の例）
静電誘導式の発電装置の一例を、図４に示す。図４の発電装置１５０ｃは、エレクトレット部１５７と、エレクトレット部１５７に対向する対向電極１５８とを含む。エレクトレット部１５７は、平板状の電極１５７ｂと、電極１５７ｂ上に配置された平板状のエレクトレット１５７ａとを含む。平板状の対向電極１５８は、エレクトレット１５７ａから間隔をおいて、且つ、エレクトレット１５７ａと平行に配置されている。
【００４５】
発電装置１５０ｃでは、エレクトレット部１５７と対向電極１５８との対向面積が変動することによって発電がなされる。具体的には、エレクトレット部１５７が、対向電極１５８に対して相対的に平行移動すると、発電がなされる。この平行移動には、図４中の矢印Ｃの方向への移動も含まれる。
【００４６】
エレクトレット部１５７および対向電極１５８は、台車１００の振動によって、それらの対向面積が変動するように配置される。一例では、エレクトレット部１５７と対向電極１５８とは、異なる振動をする異なる位置に固定される。あるいは、一方を台車１００に固定し、他方を、一方に対して相対的に平行移動するように台車１００に固定してもよい。たとえば、一方を台車１００に固定し、他方を弾性部材（ばね部材等）を介して台車１００に固定してもよい。この場合、他方は、一方に対して平行移動するように弾性部材を介して台車１００に固定される。この構成によれば、他方の変位は一方の変位とは異なる。そのため、台車１００の振動によって両者の対向面積が変動する。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明は、鉄道車両に利用できる。
【符号の説明】
【００４８】
１００  台車
１１０  台車枠
１２０  軸箱
１４０  レールブレーキ
１５０、１５０ａ、１５０ｂ、１５０ｃ  発電装置
１６０  発熱装置
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
2018058434.tif 000004
【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
2018058434.tif 000006
【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
2018058434.tif 000008
【図４】
2018058434.tif 000009