(57)【要約】【課題】本発明の目的は、流体抵抗のうち摩擦抵抗を低減可能な鉄道車両を提供するものである。【解決手段】鉄道車両が、車両構体の外表面に、鉄道車両の長手方向に沿って延在する１以上の突起である突起部を有する。鉄道車両の車両構体は、屋根、床、側、妻によって、閉空間が構成されており、鉄道車両は、屋根や床、側の位置において突起部を有する。突起部が存在することにより、抵抗を増大させる要因となる壁面付近に発生する微小なヘアピン渦といった特徴的な渦構造が発生しにくくなり、車両構体に作用する摩擦抵抗が低減する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両構体を有する鉄道車両において、
前記車両構体の外表面に、前記鉄道車両の長手方向に沿って延在する１以上の突起である突起部を有する
ことを特徴とする鉄道車両。
【請求項２】
請求項１に記載の鉄道車両において、
前記車両構体が、前記車両構体の先端から前記長手方向に断面積が変化する部分である先頭部分と、前記先頭部分以外の部分である中間部分とを有しており、
前記中間部分に、前記突起を有する
ことを特徴とする鉄道車両。
【請求項３】
請求項２に記載の鉄道車両において、
前記車両構体の屋根に、前記突起を有する
ことを特徴とする鉄道車両。
【請求項４】
請求項２又は３に記載の鉄道車両において、
前記車両構体の側に、前記突起を有する
ことを特徴とする鉄道車両。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の鉄道車両において、
前記突起部における少なくとも１つの突起の斜面の少なくとも一部が、平面である
ことを特徴する鉄道車両。
【請求項６】
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の鉄道車両において、
前記突起部における少なくとも１つの特許の斜面の少なくとも一部が、曲面である
ことを特徴する鉄道車両。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の鉄道車両において、
走行速度Ｕ、前記鉄道車両の前縁からの前記長手方向に沿った距離ｘ、流体の動粘性係数νとしたときの前記鉄道車両に発達する境界層の厚さδが、δ＝０．３７・（ν／（Ｕ・ｘ））＾（１／５）・ｘであり、そのときの壁面せん断応力τ０＝０．０２２５・（ν／（Ｕ・δ））＾（１／４）・ρ・Ｕ＾２と前記突起の間隔ｓから算出される前記突起の無次元突起間隔ｓ＋（＝ｓ・（τ０／ρ）＾０．５／ν）の値が３０未満となる突起を前記突起部が有している
ことを特徴とする鉄道車両。
【請求項８】
請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の鉄道車両において、
連結された複数の車両を有し、
前記複数の車両の２以上の車両の各々の車両構体に突起部を有し、
前記鉄道車両の前縁からの前記長手方向に沿った距離に応じて、前記２以上の車両の突起部の突起間隔が異なる
ことを特徴とする鉄道車両。
【請求項９】
請求項８に記載の鉄道車両において、
前記鉄道車両の前縁から相対的に遠い車両の車両構体に設けられた突起部の間隔が、前記鉄道車両の前縁に相対的に近い車両の車両構体に設けられた突起部の間隔よりも大きい、
ことを特徴とする鉄道車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄道車両における車両構造に関し、特に、高速で走行する鉄道車両の車両構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
鉄道車両（列車と呼ばれてもよい）は高速化が進み、現在では３００ｋｍ／ｈを超える速度で走行する鉄道車両も存在する。高速で走行する鉄道車両においては、高速走行に伴って、騒音の増加や乗り心地の悪化、及び鉄道車両に作用する抵抗の増加による運転動力の増大といった影響が懸念される。鉄道車両に作用する抵抗については、概ね２００ｋｍ／ｈ以上で走行する鉄道車両では空気の流れによって生ずる抵抗（以下、「流体抵抗」ということがある。）が支配的であることが知られている。したがって、鉄道車両に作用する流体抵抗を低減することによって、鉄道車両の運転動力を低減することが可能になり、鉄道車両の省エネルギー化が期待できる。
【０００３】
ここで、流体抵抗について詳しく言及する。流体抵抗は、物体に作用する圧力差（主に、物体の形状によりその大小が決定される）により生じる圧力抵抗と、流体が物体表面を流れるときに流体の粘性により生じる摩擦抵抗の２種類に大別される。
【０００４】
鉄道車両に作用する圧力抵抗を低減する方法としては、鉄道車両の形状を工夫する方法が挙げられる。例えば、特許第２６２６３７１号（特許文献１）では、車体側方から見たときに、鉄道車両の台車周りの空隙部を覆うようにカバーを設置し、前記カバーを車内側に向かって凸の曲面で形成し、車体の車体幅方向断面積を狭くすることにより、流体抵抗を低減している。
【０００５】
また、特開２００１−１２２１１０号公報（特許文献２）のように、流体抵抗の低減、及び先頭車両の前側におけるドア・窓のがたつきの抑制するために、車両先頭に渦細分化手段を設けることが提案されている。
【０００６】
摩擦抵抗を低減する方法については、鉄道車両が対象ではないが、ＢＲＩＡＮ  ＤＥＡＮ  ＡＮＤ  ＢＨＡＲＡＴ  ＢＨＵＳＨＡＮ，“Ｓｈａｒｋ−ｓｋｉｎ  ｓｕｒｆａｃｅｓ  ｆｏｒ  ｆｌｕｉｄ−ｄｒａｇ  ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ  ｉｎ  ｔｕｒｂｕｌｅｎｔ  ｆｌｏｗ：ａ  ｒｅｖｉｅｗ”，Ｐｈｉｌ．  Ｔｒａｎｓ．  Ｒ．  Ｓｏｃ．  Ａ（２０１０）  ３６８，４７７５−４８０６（非特許文献１）に挙げられているように、物体表面を鮫肌のような微小な規則的な突起を有する構造にすることが研究されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第２６２６３７１号公報
【特許文献２】特開２００１−１２２１１０号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】“Ｓｈａｒｋ−ｓｋｉｎ  ｓｕｒｆａｃｅｓ  ｆｏｒ  ｆｌｕｉｄ−ｄｒａｇ  ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ  ｉｎ  ｔｕｒｂｕｌｅｎｔ  ｆｌｏｗ：ａ  ｒｅｖｉｅｗ”，Ｐｈｉｌ．  Ｔｒａｎｓ．  Ｒ．  Ｓｏｃ．  Ａ（２０１０）  ３６８，４７７５−４８０６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、本発明の発明者（以下、発明者）が実施した流体シミュレーションによれば、高速で走行する鉄道車両に作用する流体抵抗のうち、圧力抵抗と摩擦抵抗の割合はほぼ同等であることが明らかになった。特許文献１や特許文献２のように、圧力抵抗は鉄道車両の形状を変化させることにより低減可能であるが、近年の高速で走行する鉄道車両においては、流体抵抗を低減するために先頭形状や車体を平滑化するためのカバーといった工夫が既にされており、車両形状の工夫によって圧力抵抗を低減することによる流体抵抗の低減は難しくなってきた。
【００１０】
本発明の目的は、流体抵抗のうち摩擦抵抗を低減可能な鉄道車両を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、鉄道車両は、車両構体の外表面に、前記鉄道車両の長手方向に沿って延在する１以上の突起である突起部を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、流体抵抗のうち摩擦抵抗を低減可能な鉄道車両を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、本発明の第１の実施形態に係る鉄道車両の斜視図である。
【図２】図２は、本発明の第１の実施形態に係る突起の斜視図である。
【図３】図３は、本発明の第１の実施形態に係る別形状の突起の斜視図である。
【図４】図４は、発明者が実施した風洞実験の結果である。
【図５】図５は、本発明の第２の実施形態に係る鉄道車両の側面図である。
【図６】図６は、本発明の第２の実施形態の一応用例に係る鉄道車両の側面図である。
【図７】図７は、本発明の第２の実施形態に係る２両連結の鉄道車両の側面図である。
【図８】図８は、本発明の第３の実施形態に係る鉄道車両の側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の幾つかの実施形態について、図面を用いて詳細に説明するが、本発明は以下の実施形態に限定されることなく、本発明の技術的な概念の中で種々の変形例や応用例をもその範囲に含むものである。まず、本発明の説明に供される各方向を、レール（進行又は長手）方向１００、枕木（幅）方向１１０、高さ（上下）方向１２０とする。以下、単にレール方向１００、枕木方向１１０、高さ方向１２０と記す。
【００１５】
はじめに、鉄道車両１の構造について述べる。鉄道車両１（例えば図１）は、１以上の車両９０から構成される。車両９０は、主に、旅客や乗務員が乗車する空間を有する車両構体２（例えば図１）と、前記車両構体２を支持する台車３（例えば図５）から構成されている。台車３は車輪４（例えば図５）を有しており、車輪４はレール５（例えば図５）に接している。車輪４がレール５上を転がることにより、鉄道車両１はレール５に沿って走行する。前記車両構体２は、概直方体であり、高さ方向１２０の上側が屋根６、下側が床７、枕木方向（幅方向）１１０の左右が側８、及び車両のレール方向（長手方向）１００の前後が妻９となっている。
【００１６】
鉄道車両１は、複数の車両９０を連結して運用されることが多く、車両進行方向１００に車両９０が配置されたとき、妻９同士が正対し、この部分が車間１０となる（例えば図７参照）。また、台車３は、レール５と車両構体２に高さ方向に挟まれる形となっているため、レール５と車両構体２には空間が生じる。前記空間には、台車の他、車両下部に配置された機器などが配置される構成となっている。
（第１の実施形態）
【００１７】
続いて、本発明の第１の実施形態に係る鉄道車両の構成を、図１を用いて説明する。図１は本発明の第１の実施形態の鉄道車両の斜視図である。本実施形態に係る鉄道車両１は、図１のように、１両の車両９０であり、車両構体２の外表面にレール方向１００に沿って延在する複数（又は１）の突起５０である突起部１１を有することを特徴としている。なお、図１において前記突起部１１は前記屋根６にのみ備えられるが、屋根６に代えて又は加えて、前記車両構体２の閉空間を構成する前記屋根６、前記床７、前記側８及び前記妻９のうちの他の外表面、例えば、前記床７や前記側８においても、前記突起部１１が存在してもよい。また、前記突起部１１は、設置先（例えば、前記屋根６、前記床７及び前記側８の少なくとも１つ）の外表面の全域に設けられてもよいし、設置先の一部領域に設けられてもよい。前記突起部１１が存在することにより、抵抗を増大させる要因となる、壁面付近に発生する微小なヘアピン渦といった特徴的な渦構造が発生しにくくなり、車両構体２に作用する摩擦抵抗が低減する。図２及び図３は前記突起部１１の拡大図である。前記突起部１１は、レール方向１００に沿って延在する複数の突起５０である。図２及び図３のいずれも、屋根６に備えられる突起部１１を示しているため、各突起５０は、高さ方向１２０に高く、複数の突起５０は、枕木方向１１０に沿って配列されている。高さ方向１２０及び枕木方向１１０のいずれもレール方向の垂直方向である。複数の突起５０は、枕木方向１１０に沿って、或る間隔ｓで以って配列される。前記車両構体２の外表面に各突起５０がレール方向１００に沿って延在することが重要であるため、突起５０の頂部Ａと底部Ｂを結ぶ線分ＡＢ（突起５０の断面（レール方向１００と垂直な平面に沿った断面）の形状における線分ＡＢ）は、図２に示すように直線であってもよいし、図３に示すように曲線であってもよい。すなわち、レール方向１００に沿って延在する少なくとも１つの突起５０の斜面は、全域が平面でもよいし、全域が曲面でもよいし、一部が平面で残りが曲面でもよい。また、１つの車両９０において、突起部１１の突起間隔ｓは、均一であってもよいし、突起部１１の設置先に応じて異なっていてもよい。
【００１８】
ここで、前記突起部１１の適切な間隔について検討する。特に高速で走行する鉄道車両１においては、流体抵抗を低減するための様々な工夫をしており、例えば、前記鉄道車両１の前記屋根６、前記側８はほぼ平滑面となっている。そこで、前記平滑面を流体力学的な平板としてみなし、平板上には乱流境界層が発達すると仮定する。また、乱流境界層の速度分布が１／７乗則に従い、壁面せん断応力τ０［Ｎ／ｍ＾２］がブラジウスの式に従うと仮定すると、壁面せん断応力は以下の数１で記述される。
【数１】
2019123406.tif 000003
【００１９】
ただし、νは物体表面を流れる流体の動粘性係数［ｍ＾２／ｓ］、Ｕは主流速度［ｍ／ｓ］、δは乱流境界層の厚さ［ｍ］、ρは物体表面を流れる流体の密度である［ｋｇ／ｍ＾３］。
【００２０】
さらに、乱流境界層の厚さδは、以下の数２で記述される。
【数２】
2019123406.tif 000004
【００２１】
ただし、ｘは平板前縁からの流れ方向の距離［ｍ］である。
【００２２】
ところで、前記非特許文献１では、突起の間隔をｓ［ｍ］と定義し、摩擦抵抗の低減効果を、突起の間隔ｓ［ｍ］と摩擦速度Ｖｔ［ｍ／ｓ］を乗じ、それを流体の動粘性係数ν［ｍ＾２／ｓ］で除した、無次元突起間隔ｓ＋（＝ｓ・Ｖｔ／ν）で整理している。例えば、概三角形の断面をもつ突起の場合には、無次元突起間隔ｓ＋が概ね５から２５の間であれば、摩擦抵抗の低減効果が得られ、特にｓ＋が概ね１５から１７で低減効果が最大になる結果が前記非特許文献１に掲載されている。
【００２３】
前記非特許文献１内で定義されている無次元突起間隔ｓ＋の考え方を採用したとき、摩擦速度Ｖｔは、壁面せん断応力τ０と物体表面を流れる流体の密度ρを用いて、Ｖｔ＝（τ０／ρ）＾０．５と表されるため、対象とする流体と平板上の位置、及び主流速度を与え、前記数１と数２を用いることにより、無次元突起間隔ｓ＋を算出することができる。
【００２４】
そこで、発明者は前記検討が妥当であるか否かを確認するために、風洞実験により、前記突起部１１を有する平板と突起部１１なし平板の２種類の平板に作用する流れ方向（風洞の吹出口から流れが吹き出す方向）の力を測定し、その力の比較を行った。風洞実験に使用した前記突起部１１を有する平板の突起間隔ｓは約１０６［μｍ］で、その断面形状は概正三角形である。この条件において、主流速度５０［ｍ／ｓ］から１１６［ｍ／ｓ］における無次元突起間隔ｓ＋は１３から２８であり、前記非特許文献１に記載されている抵抗低減効果が得られる無次元突起間隔ｓ＋の範囲に概ね含まれている。
【００２５】
図４に前記風洞実験から得られた力の比較を示す。図４の横軸は主流速度、縦軸は突起なし平板に作用する力を１００としたときの、前記突起部１１を有する平板に作用する力の割合である。図４に示す通り、風洞実験を実施した主流速度５０［ｍ／ｓ］から１１６［ｍ／ｓ］では、前記突起部１１を有する平板に作用する力の割合は１００より小さい、すなわち、前記突起部１１を有する平板に作用する力は、突起部１１なし平板よりも作用する力が小さくなる結果を得た。なお、力の低減量は、概ね２［％］から４［％］である。以上の結果から、平板に突起部１１があることにより、抵抗が低減することを確認することができた。したがって、鉄道車両においても、目標とする無次元突起間隔ｓ＋を設定し、車両周りの流れる流体（空気）の物性値と車両の長手方向位置の条件から、突起５０の間隔ｓを算出することにより、前記風洞実験と同様に、抵抗が低減する効果を得ることができる。
【００２６】
前記突起部１１は、例えば、車両構体２にヘアライン加工を施すなど、車両構体２を切削ないし塑性変形させることにより製作してもよく、前記突起部１１を形成したシートを車両構体２に貼り付けることにより実現してもよい。
【００２７】
なお、本実施形態で示した構成は、図示した鉄道車両１だけでなく、航空機など高速で移動する移動体に適用することにより、同様に摩擦抵抗を低減する効果が得られることが期待できる。
（第２の実施形態）
【００２８】
図５は本発明の第２の実施形態に係る鉄道車両の側面図である。前記鉄道車両１の車両構体２は概直方体で構成されているが、高速で走行する鉄道車両の場合は、流体抵抗（特に、圧力抵抗）を低減することを目的として、先頭もしくは後尾となる部分が、車両の先端からレール方向１００に沿って車両の断面積を緩やかに増加させていく形状としていることがあり、車両構体２のうちの断面積が変化する部分のレール方向１００に沿った長さは１０［ｍ］以上になることもある。ここでは、車両構体２の先端からレール方向１００に沿って断面積が変化する部分を先頭部分２Ａ、車両構体のうちの前記先頭部分２Ａ以外の部分を中間部分２Ｂと定義する。本発明の第２の実施形態は、レール方向１００に沿って延在する前記突起部１１を前記中間部分２Ｂに設置することを特徴としている。
【００２９】
レール方向１００に延在する前記突起部１１と流れの方向が一致するときが、前記突起部１１による抵抗低減効果が最も期待できる。そこで、発明者は、鉄道車両１の車両構体２表面近傍の空気が進行方向に対して何度傾いているのかを流体シミュレーションにより検討した。その結果、前記先頭部分２Ａの表面近傍の流れは、レール方向１００に対して１０度以上傾いていることが明らかになった。前記突起部１１のレール方向１００と流れの方向のずれが大きくなるにつれて、抵抗低減効果が小さくなり、場合によっては抵抗が増加する場合もあることから、抵抗低減効果を確実に得るためには、前記突起部１１は、前記中間部分２Ｂに設置することが望ましい。
【００３０】
図６に第２の実施形態の一応用例に係る鉄道車両の側面図を示す。前記流体シミュレーションによれば、前記台車３によって流れが乱されることから、前記床７近傍の流れは、レール方向１００に対して、前記台車３の周りでは１０度以上、前記台車３から離れた位置においても２度以上の傾きを持つことが明らかになった。さらに、前記床７の下方を流れる流れの乱れによって、前記側８のうち前記レール５から前記車両構体２の最大高さまでの高さ方向１２０寸法（図６中のＨ）の１／４未満の高さに相当する部位（所謂、側カウルと呼称される部分）においても、表面近傍の流れはレール方向に対して２度以上の傾きを持つことが明らかになった。したがって、抵抗低減効果をより得るために、前記中間部分２Ｂのうち、前記屋根６や、前記側８のうち前記レール５から前記車両構体２の高さ方向１２０の最大高さまでの１／４以上の高さに相当する部位（レール高さよりＨ／４以上の領域）に前記突起部１１を設置することも効果的である。
【００３１】
なお、本実施形態は、前記先頭部分２Ａを含む鉄道車両１の実施形態であるが、前記先頭部分２Ａを含まない、前記中間部分２Ｂのみを持つ鉄道車両１に本発明が適用されてもよい。図７に本発明の第２の実施形態に係る２両連結の鉄道車両の側面図を示す。２両連結の鉄道車両１の例を図７で図示したが、車両９０の数は２両以上でもよく、８両や１０両、及び１６両の場合であっても同様である。
（第３の実施形態）
【００３２】
図８は本発明の第３の実施形態に係る鉄道車両の側面図である。第３の実施形態に係る鉄道車両は、複数車両９０が連結された鉄道車両１であって、前記車両９０のレール方向１００に沿った位置（例えば前縁からの距離）によって、当該車両９０に設置される突起５０の間隔ｓが異なることを特徴とする。具体的には、例えば、１番目の車両９０の車両構体２に設置される突起部１１Ａと、２番目の車両９０の車両構体２に設置される突起部１１Ｂとでは、間隔ｓが異なる。鉄道車両１は、複数車両９０を連結して運用されることが多い。特に、高速で走行する鉄道車両１において、複数車両９０を連結した際には、前記鉄道車両１のレール方向１００に沿った全長は４００［ｍ］以上になる場合もある。このとき、前記鉄道車両１の車両構体２上に発達する境界層の厚さは、前記数２に示す通り、前縁からのレール方向１００に沿った距離の４／５乗にしたがって厚みが増していく。例えば、前記数２によれば、主流速度８３．３［ｍ／ｓ］のとき、境界層厚さは前縁から２５［ｍ］位置で約０．２２［ｍ］、前縁から２００［ｍ］位置で約１．２［ｍ］にもなる。このように、前縁からの距離が長くなるにしたがって、境界層の厚さも厚くなることから、前記数１で示した壁面せん断応力をはじめ、無次元突起間隔ｓ＋の値も、前縁からの位置によって異なることがわかる。
【００３３】
ここで、前記風洞実験で用いた突起の間隔ｓ＝１０６［μｍ］、主流速度８３．３［ｍ／ｓ］の条件において、無次元突起間隔ｓ＋を算出する。このとき、前縁から２５［ｍ］位置においては無次元間隔ｓ＋は１５となり、前縁から２００［ｍ］位置においては無次元間隔ｓ＋は１２である。前記非特許文献１によれば、概三角形の断面をもつ突起の場合には、ｓ＋が概ね１５から１７で低減効果が最大になる結果が得られていることから、前縁から２００［ｍ］位置における無次元間隔ｓ＋を概ね１５から１７になる突起の間隔ｓとすることにより、突起の間隔ｓを前記鉄道車両で一律にするのではなく、適切に間隔ｓを変更した方が、前記鉄道車両の抵抗低減効果が見込める可能性が示唆される。例えば、前縁から２００［ｍ］位置における突起の間隔ｓを１４０［μｍ］としたとき、無次元間隔ｓ＋は１６となる。したがって、突起の間隔ｓが１０６[μｍ]で一律の場合よりも、前縁から２５ｍ位置での突起の間隔ｓが１０６[μｍ]、前縁から２００ｍ位置での突起の間隔ｓが１４０[μｍ]とした方が、流体抵抗が小さくなると考えられる。このように、主流速度とレール方向１００に沿った車両位置（前縁からの距離）とから得られる境界層厚さと無次元間隔ｓ＋から、突起の間隔ｓを適切に選定することにより、前記実施形態よりも、より抵抗が低減できると考えられる。例えば、前縁からレール方向１００に沿って遠い位置にある車両９０の車両構体２の突起５０ほど、間隔ｓは大きい。連結した複数の車両９０の全てに突起部１１が設けられてもよいし、一部の車両９０にのみ突起部１１が設けられてもよい。
【００３４】
なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態構成に置き換えることも可能である。更に、上記した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために記載したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。
【符号の説明】
【００３５】
１…鉄道車両
２…車両構体
３…台車
４…車輪
５…レール
６…屋根
７…床
８…側
９…妻
１０…車間
１１、１１Ａ、１１Ｂ…突起
Ｈ…レールから車両の最大高さまでの距離
【図１】
2019123406.tif 000005
【図２】
2019123406.tif 000006
【図３】
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【図４】
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【図５】
2019123406.tif 000009
【図６】
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【図７】
2019123406.tif 000011
【図８】
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