(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
出現した際の車体表面からの高さｈが「０．２≦（ｈ／δ）≦０．５（δは空力ブレーキ使用想定速度域における当該鉄道車両の境界層厚さ）」を満たすように車両の屋根上に出現／格納可能に構成された複数の空力ブレーキ板を、車両正面方向の投影面において重なって見える位置に車両前後方向に１ｍ以上５ｍ以下の間隔で列状に配置して構成することで、前記列状に配置した空力ブレーキ板の抗力の総和の最大化を図る配置構成としたことを特徴とする鉄道車両。
【請求項２】
前記空力ブレーキ板が、車両前後方向に１．５ｍ以上２．５ｍ以下の間隔で列状に配置されてなる、
請求項１に記載の鉄道車両。
【請求項３】
前記空力ブレーキ板は、車両正面方向の投影断面が横長矩形形状を有する、
請求項１又は２に記載の鉄道車両。
【請求項４】
車両前後方向の前記空力ブレーキ板の列を車両幅方向に複数列配置して構成されてなる、
請求項１〜３の何れか一項に記載の鉄道車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空力ブレーキを有する鉄道車両に関する。
【背景技術】
【０００２】
空気抵抗を利用した空力ブレーキが航空機やロケットなどの航空・宇宙分野で広く実用化されている。近年では、この空力ブレーキの鉄道車両への適用が研究されている。空力ブレーキは、高速域で有効に働くため、主に新幹線やリニアモーターカー等の高速車両における緊急停止用のブレーキとしての利用が想定されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−４１３２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、これまでに開発された鉄道車両用空力ブレーキは、高速域での有効性に比して、３５０ｋｍ／ｈ以下での減速度が低い問題があった。
【０００５】
また、空力ブレーキ板の面積が大きいほど、抗力（ブレーキ力）が大きくなると考えられている。このため、より大きな抗力を得るためには、空力ブレーキ板を大型化することが望ましい。しかしながら、鉄道車両には車両限界が定められ、客室空間等の関係から空力ブレーキ板の大きさには制限がある。また、空力ブレーキ板が大型化すると、空力ブレーキ板から放出渦が大きくなるため走行の安全性に問題を生じやすく、地上設備（架線など）へ及ぼす影響も懸念される。更に、空力ブレーキ板を出現／格納するための機構が大掛かりとなり、保守性の問題も生じるほか、空力ブレーキ板を車両内部に収納する構造を採用した場合には、格納スペースの問題も生じ得る。
【０００６】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、より小さな空力ブレーキ板でありながら、車両全体として大きな抗力が得られる新たな鉄道車両用の空力ブレーキを実現することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するための第１の形態は、
車両の屋根上に出現／格納可能に構成された空力ブレーキ板（例えば、図１の空力ブレーキ板２０）が車両前後方向に１ｍ以上５ｍ以下の間隔で列状に配置して構成されてなり、
前記空力ブレーキ板は、高さｈが「０．２≦（ｈ／δ）≦０．５（δは空力ブレーキ使用想定速度域における当該鉄道車両の境界層厚さ）」を満たす、
ことを特徴とする鉄道車両である。
【０００８】
この第１の形態によれば、鉄道車両の屋根上に出現／格納可能に構成された空力ブレーキ板が、車両前後方向に１ｍ以上５ｍ以下の間隔で列状に配置されており、この空力ブレーキ板は、高さｈが「０．２≦（ｈ／δ）≦０．５」を満たすように構成されている。
【０００９】
走行する列車の車体周りには流速が遅い境界層が存在するため、この境界層の存在に起因して、空力ブレーキ板の高さｈには、最低限必要な高さｈ（具体的には、「０．２≦（ｈ／δ）」を満たす高さｈ）があることが、発明者の実験によって明らかとなった。また、空力ブレーキ板の高さｈを高くすることで得られる抗力（ブレーキ力）は増加するが、境界層の存在によってその増加の程度は一様ではなく、高さｈが高くなると得られる抗力の増加は緩やかとなることも判明した。つまり、空力ブレーキ板の高さｈには、抗力が効率良く得られる上限（具体的には、「（ｈ／δ）≦０．５」を満たす高さｈ）があった。
【００１０】
しかし、１枚の空力ブレーキ板を小さくすると、得られる抗力は小さくなる。そこで、空力ブレーキ板を列状に配置することで、車両全体として大きな抗力が得られる構造とした。複数の空力ブレーキ板を列状に配置する場合、前方のブレーキ板による剥離流れによって後方の空力ブレーキ板で得られる抵抗力が減少してしまうという「直列干渉」を考慮する必要がある。発明者の実験によれば、ある程度の間隔（具体的には、１ｍ以上５ｍ以下）をおいて空力ブレーキ板を配置することで、この直列干渉の影響を低減させることができる。
【００１１】
空力ブレーキ板の高さｈを従来に比較して低く構成したため、空力ブレーキ板からの放出渦が小さくなって走行の安全性が確保でき、地上設備（架線など）への影響を低減できる。更に、空力ブレーキ板を出現／格納するための構造を簡素化でき、保守性の向上や格納スペースの確保も図ることができるという長所もある。
【００１２】
空力ブレーキ板の配置間隔に関しては、第２の形態として、
前記空力ブレーキ板が、車両前後方向に１．５ｍ以上２．５ｍ以下の間隔で列状に配置されてなる、
鉄道車両を構成しても良い。
【００１３】
１．５ｍ以上２．５ｍ以下の間隔は、発明者の実験によって得られた好適な配置間隔の一例である。
【００１４】
空力ブレーキ板の形状に関しては、第３の形態として、
前記空力ブレーキ板は、車両正面方向の投影断面が横長矩形形状を有する、
鉄道車両を構成しても良い。
【００１５】
また、列状に配置する空力ブレーキ板は１列に限ったものではなく、第４の形態として、第１〜第３の何れかの形態の鉄道車両であって、
車両前後方向の前記空力ブレーキ板の列を車両幅方向に複数列配置して構成されてなる、
鉄道車両を構成しても良い。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】空力ブレーキ板が配置された車両の外観斜視図。
【図２】車両の前後方向に対する断面図。
【図３】空力ブレーキ板の拡大図。
【図４】車体周りの流れ場の概要図。
【図５】車体表面付近における平均流速の分布図。
【図６】空力ブレーキ板の高さｈと得られる効力Ｄとの関係図。
【図７】空力ブレーキ板の配置間隔ｒと直列干渉係数Ｃ３との関係図。
【図８】空力ブレーキ板の配置間隔ｒと１車両の直列干渉係数Ｃ３の合計との関係図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。但し、本発明の適用可能な実施形態がこれに限定されるものではない。
【００１８】
［概要］
図１は、空力ブレーキ板が配置された鉄道車両１０の外観斜視図である。また、図２は、鉄道車両１０の前後方向に対する垂直断面図であり、空力ブレーキ使用時を示している。図１，図２では、鉄道車両として新幹線の中間車両を対象とした例を示している。
【００１９】
図１、図２に示すように、本実施形態では、車両１０の屋根上に複数の空力ブレーキ板２０が配置される。具体的には、車両の前後方向（進行方向）に所定の配置間隔ｒをおいて列状に配置された複数枚を１列として、車両幅方向に複数列の空力ブレーキ板２０が設置されている。空力ブレーキ板２０の設置枚数ｍは車両の全長や配置間隔ｒ等によって決まり、列数は空力ブレーキ板２０の横幅ｌによって決まる。図１，図２では、１０枚の空力ブレーキ板２０を１列として２列配置した例を示している。
【００２０】
これらの空力ブレーキ板２０は、非使用時は屋根上に水平状に格納されており、使用時に、列車の進行方向に対して略垂直となるように起立駆動されることで出現するように構成されている。
【００２１】
また、図２に示すように、空力ブレーキ板２０は、使用時に、規定された車両限界１２に収まるサイズに構成・配置されている。また、空力ブレーキ板２０は、正面から見て、車両中心に対して左右対称に配置されている。また、車両幅方向に配置された複数枚（図２では、２枚）の空力ブレーキ板２０の幅ｌの合計が、車両限界幅Ｗに対して１／２以上（より好適には、２／３以上）を占めるように構成されている。
【００２２】
図３は、１枚の空力ブレーキ板２０の拡大図であり、図３（ａ）は正面図、図３（ｂ）は側断面図を示している。空力ブレーキ板２０は、正面から見て高さｈ及び横幅ｌの横長の矩形形状をなしている。また、空力ブレーキ板２０は、下端部が、車両の屋根に形成された開口部内に固定設置された車両幅方向に水平な回転軸２２に固定されている。そして、使用時には、駆動用モータ２４によって回転軸２２が回転されることで、空力ブレーキ板２０が起立駆動される。また、不図示のロック機構により、格納時及び出現時それぞれにおいて、空力ブレーキ板２０が動かないように固定されるように構成されている。
【００２３】
［原理］
続いて、空力ブレーキ板２０の高さｈ、及び、配置間隔ｒの設計原理について説明する。先ず、一様な流れ場に置かれた１枚の空力ブレーキ板２０に働く抗力Ｄは、次式（１）となる。
【数１】
0005824295.tif 000002
式（１）において、「ρ０」は空気密度、「Ａ」は空力ブレーキ板２０の正面投影断面積、「ＣＤ」は抗力係数、「Ｕ」は列車速度、である。
【００２４】
そして、この抗力Ｄから得られる減速度αは、次式（２）となる。
【数２】
0005824295.tif 000003
式（２）において、「ｍ」は設置された空力ブレーキ板２０の枚数、「Ｗ」は車両重量、である。
【００２５】
さて、本実施形態のように、鉄道車両の上面に複数の空力ブレーキ板２０を列状に配置する構成では、各空力ブレーキ板２０に働く抗力Ｄを考える際に次の２点を考慮する必要がある。
（ａ）車体周りの流れ場の影響
（ｂ）空力ブレーキ板２０の後流による後方の空力ブレーキ板２０への影響（直列干渉）
以上の２点を考慮した１枚の空力ブレーキ板２０に働く抗力Ｄは、次式（３）となる。
【数３】
0005824295.tif 000004
式（３）において、「Ｃ１」は、車体周りの流れ場の影響を表す流れ場係数、「Ｃ３（ｉ）」は、先頭から数えてｉ番目の空力ブレーキ板２０における直列干渉を表す直列干渉係数、である。
【００２６】
そして、この場合に得られる減速度αは、次式（４）となる。
【数４】
0005824295.tif 000005
【００２７】
（ａ）車体周りの流れ場の影響
新幹線等の高速列車において、空力ブレーキの使用が想定される速度域（例えば、３００ｋｍ／以上の高速域）では、図４に示すように、車両の表面に沿って境界層流れが発達する。図４は、車体周りの流れ場の概要を示す図である。図中、上側は車両１０の上面図であり、下側は車両１０の側面図である。図４に示すように、車両の車体周りの境界層は、列車の先頭付近の層流境界層から始まり、下流において乱流境界層へと遷移する。
【００２８】
この場合の車体表面からの高さｙにおける平均流速ｕ（ｙ）は、次式（５）で表される。
【数５】
0005824295.tif 000006
式（５）において、「δ」は境界層厚さ（平均流速ｕが主流速度（具体的には、高速域である３００ｋｍ以上）の９９％に達する厚さ）、「Ｕ」は主流速度（列車速度Ｕ）、「ｎ」はべき指数、である。
【００２９】
高速列車において、乱流境界層の厚さは中間車両において大きな変動はなく、その厚さδは、実験結果から１ｍ前後と推定されている。また、べき指数ｎは９程度と推定されている。
【００３０】
図５は、中間車両付近での車体表面における境界層平均流の分布を示す図である。図５では、縦軸を車体表面からの高さｙとし、横軸を平均流速ｕとして、車体表面からの高さｙと平均流速ｕとの関係を示している。但し、主流速度（列車速度）Ｕは３００ｋｍ／ｈである。
【００３１】
図５に示すように、車体表面付近（具体的には、表面からの高さｙが１ｍ以下の範囲）では、ポテンシャル流（主流速度Ｕ）に比較して平均流速ｕが遅い減速域が存在する。このため、車体表面に垂直な高さｈの面を考えた場合、この垂直面を通る流量ｑは、単位幅当たり、次式（６）で与えられるΔｑだけ減少する。
【数６】
0005824295.tif 000007
【００３２】
ここで、Δｑ＝Ｕ・δ＊、とおくと、車体表面によって、流れが次式（７）で与えられる距離δ＊だけ外側に排除されたとみなせる。
【数７】
0005824295.tif 000008
【００３３】
つまり、空力ブレーキ板２０の高さｈのうち、車体表面からの高さδ＊については、抗力に寄与しない無効高さとなり、一様な流れ場に置かれた場合と比較して得られるブレーキ力が小さくなる。流れ場係数Ｃ１は、このブレーキ力の減少を表すものである。
【００３４】
上述のように、「車体周りの流れ場の影響」を考慮した、１枚の空力ブレーキ板２０に働く抗力Ｄは上述の式（３）で示されるが、この式（３）を変形すると、次式（８）となる。
【数８】
0005824295.tif 000009
すなわち、左辺の「ＣＤ・Ｃ１」は、空力ブレーキ板２０の単位面積当たりで得られる抗力（単位抗力）を表しており、この「ＣＤ・Ｃ１」が大きいほど、空力ブレーキの効率が良いといえる。
【００３５】
図６は、空力ブレーキ板２０の高さｈを変化させ、そのときに空力ブレーキ板２０に働く抗力Ｄを測定した結果である。但し、空力ブレーキ板２０の横幅ｌは変化させていない。図６において、横軸は、空力ブレーキ板２０の高さｈの境界層厚さδに対する比「ｈ／δ」であり、縦軸は、測定された抗力Ｄから算出される「ＣＤ・Ｃ１」である。境界層厚さδは、空力ブレーキの使用を想定する速度域における境界層厚さであり、実験では３００ｋｍ／ｈ以上の高速域を想定した。
【００３６】
空力ブレーキ板２０の高さｈを低くしてゆくと、減速域によって、空気ブレーキの効率を表す「ＣＤ・Ｃ１」が急激に減少する。図６によれば、この空力ブレーキの効率が急激に減少する高さｈは、「ｈ／δ＝０．２」となる高さであることがわかる。具体的には、境界層厚さδは１ｍ程度であるから、この高さｈは０．２ｍ程度となる。一方、高さｈが高くなるにつれて、この高さｈの増加の程度に対する「ＣＤ・Ｃ１」の上昇の程度が小さくなる。図６では、高さｈを「ｈ／δ＝０．５」を満たす高さ以上に高くしても、「ＣＤ・Ｃ１」は緩やかにしか上昇しない。従って、空力ブレーキとしての機能を失わない範囲で空力ブレーキ板２０の高さｈを極力低くするためには、「０．２≦ｈ／δ≦０．５」を満たす範囲（具体的には、「０．２ｍ≦ｈ≦０．５ｍ」の範囲）に設定することが適切である。
【００３７】
また、図６に示すグラフの形状から、式（８）は、次式（９）で表すことができる。
【数９】
0005824295.tif 000010
【００３８】
（ｂ）直列干渉
本実施形態では、各車両１０に複数の空力ブレーキ板２０を列状に配置した。そのため、先頭の空力ブレーキ板２０は最大の抗力Ｄを発生し得るが、それより後方の空力ブレーキ板２０では、前方の空力ブレーキ板２０による剥離流れを受けて流れが減速するため抗力が減少すると考えられる。抗力の減少割合は、空力ブレーキ板２０の形状や面積Ａ、空力ブレーキ板２０の配置間隔ｒ、車体周りの流れ場などに依存するが、空力ブレーキ板２０の形状、及び、車体周りの流れ場が定まる場合、空力ブレーキ板２０の高さｈ及び配置間隔によって直列干渉係数Ｃ３が決まる。
【００３９】
「直列干渉」を考慮した１枚の空力ブレーキ板２０に働く抗力Ｄは、上述の式（３）で与えられる。この式（３）から、各空力ブレーキ板２０（ｉ＝１，２・・・）に働く抗力Ｄｉは、それぞれ次式（１０）となる。
【数１０】
0005824295.tif 000011
【００４０】
そして、これらの抗力Ｄ１，Ｄｉの比から、ｉ番目の空力ブレーキ板２０の直列干渉係数Ｃ３（ｉ）は、次式（１１）となる。但し、先頭（ｉ＝１）の空力ブレーキ板２０の直列干渉係数Ｃ３（１）は「１」である。
【数１１】
0005824295.tif 000012
【００４１】
図７は、２枚の空力ブレーキ板２０の配置間隔ｒを変化させ、そのときの各空力ブレーキ板２０に働く抗力Ｄを測定した結果である。但し、各空力ブレーキ板２０の高さｈは同じである。図７において、横軸は、配置間隔ｒの高さｈに対する比であり、縦軸は、それれの空力ブレーキ板２０で測定された抗力Ｄ１，Ｄｉから算出される、後方の空力ブレーキ板２０の直列干渉係数Ｃ３である。
【００４２】
図７によれば、配置間隔ｒが小さい（狭い）場合は、直列干渉係数Ｃ３が急激に減少する。これは、前方の空力ブレーキ板２０による剥離流れの影響を受けていると考えられる。一方、配置間隔ｒを有る程度以上に大きく（広く）しても、直列干渉係数Ｃ３は緩やかにしか増加しない。これは、前方の空力ブレーキ板２０によって剥離した流れが再付着している可能性を示していると考えられる。
【００４３】
また、図７に示すグラフの形状から、式（１１）は、次式（１２）で表すことができる。
【数１２】
0005824295.tif 000013
【００４４】
ところで、１車両で得られる空力ブレーキ力は、設置されている各空力ブレーキ板２０で得られる抗力Ｄの総和Ｄtotalとなり、次式（１３）で与えられる。
【数１３】
0005824295.tif 000014
【００４５】
鉄道車両では、基本仕様として車両の長さは決まっている。例えば、新幹線車両であれば、最大２５ｍである。すなわち、１車両に設置できる空力ブレーキ板２０の最大枚数ｍは、最大枚数ｍ＝車体長／配置間隔ｒ、で決まる。配置間隔ｒが長くなると、直列干渉係数Ｃ３が大きくなって１枚の空力ブレーキ板２０で得られる抗力Ｄが大きくなるが、空力ブレーキ板２０の最大枚数ｍが減少する。逆に、配置間隔ｒが短くなると、直列干渉係数Ｃ３が小さくなって１枚の空力ブレーキ板２０で得られる抗力Ｄが小さくなるが、空力ブレーキ板２０の最大枚数が多くなる。従って、１車両で得られる効力Ｄの総和Ｄtotalを表す式（１３）から、各空力ブレーキ板２０の直列干渉係数Ｃ３（ｉ）の総和が最大となるときに、抗力の総和Ｄtotalが最大になるといえる。
【００４６】
図８は、配置間隔ｒを変化させ、そのときの１車両分の直列干渉係数Ｃ３の総和を算出した結果である。但し、空力ブレーキ板２０の高さｈを０．２ｍとしている。図１３において、横軸は配置間隔ｒであり、縦軸は直列干渉係数Ｃ３の総和である。
【００４７】
図８によれば、配置間隔ｒが２．０ｍのときに、直列干渉係数Ｃ３の総和、すなわち１車両で得られる抗力Ｄの総和Ｄtotalが最大となる。そして、得られる効力Ｄの総和Ｄtotalから、式（４）を用いて、得られる減速度αが算出できる。
【００４８】
また逆に、必要な減速度αが設計上の要求仕様として与えられるならば、式（４）から必要な空気ブレーキ力（抗力Ｄの総和Ｄtotal）が算出でき、次いで、式（１３）から、必要な高さｈ及び配置間隔ｒを算出することができる。
【００４９】
［実施例］
続いて、上述の原理を適用した実施例を説明する。本実施例では、車両１０は新幹線車両とする。なお、一般的な新幹線車両の車体長は「２５ｍ」である。
【００５０】
先ず、空力ブレーキ板２０は、高さｈを「０．２ｍ」とした横長矩形形状とする。そして、各車両１０の屋根上に、配置間隔ｒを「２ｍ」として配置した１０枚の空力ブレーキ板２０を一列として、車幅方向に２列配置する。すなわち、１車両につき合計２０枚の空力ブレーキ板２０が配置される。このように構成することにより、図８に示した算出結果から、１車両当たりで得られる空力ブレーキ力が最大となる。
【００５１】
［作用・効果］
このように、本実施形態では、車両１０の屋根上に、高さｈの複数の空力ブレーキ板２０が、配置間隔ｒをおいて列状に複数列配置されている。高さｈは、空力ブレーキとしての機能を失わない範囲で極力低くなるよう「０．２≦（ｈ／δ）≦０．５」を満たすように定められ、この高さｈに応じて、好適な配置間隔ｒが決まる。特に、高さｈを０．２ｍ、配置間隔ｒを２ｍに定めた場合が好適である。
【００５２】
このように、空力ブレーキ板の高さｈを従来に比較して低く構成しているため、空力ブレーキ板からの放出渦が小さくなって走行の安全性が確保でき、地上設備（架線など）への影響を低減できる。更に、空力ブレーキ板を出現／格納刷るための構造を簡素化でき、保守性の向上や収納スペースの確保も図ることができるという長所もある。また、高さｈが低いために１枚の空力ブレーキ板２０として得られる抗力Ｄは小さくとも、複数の空力ブレーキ板２０が設置されるので、編成全体としては従来よりも大きな抗力（ブレーキ力）が得られる。
【００５３】
［変形例］
なお、本発明の適用可能な実施形態は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能なのは勿論である。
【００５４】
（Ａ）空力ブレーキ板２の高さｈ
例えば、上述の実施例では、空力ブレーキ板２０の高さｈを「０．２ｍ」としたが、「０．２≦ｈ／δ≦０．５」を満たす高さｈであればこれ以外でも良い。これは、図６を参照して説明したように、空力ブレーキ板２０の高さｈの変化に対する、空気ブレーキの効率を表す「ＣＤ・Ｃ１」の変化から定められる範囲である。
【００５５】
（Ｂ）空力ブレーキ板２０の配置間隔ｒ
また、上述の実施例では、空力ブレーキ板２０の配置間隔ｒを「２ｍ」としたが、「１ｍ≦ｒ≦５ｍ」の範囲で定めることにしても良い。この範囲は、図７，図８に示した測定の際に、配置間隔ｒとして想定した値の範囲である。
【００５６】
更には、この配置間隔ｒを「１．５ｍ≦ｒ≦２．５ｍ」の範囲で定めることにすればより好適である。これは、図８から判断される、１車両の直列干渉係数Ｃ３の合計、すなわち１車両で得られる空力ブレーキ力が最大となる「２ｍ」を含む範囲であって、この最大空力ブレーキ力にほぼ近い空力ブレーキ力が得られる値の範囲である。
【００５７】
（Ｃ）空力ブレーキ板２０の配置列数
また、上述の実施形態では、空力ブレーキ板２０を２列配置することにしたが、３列以上としても良い。この場合、空力ブレーキ使用時の走行安定性から、正面から見たときの各空力ブレーキ板２０の投影面が、車両中心に対して左右対称となることが望ましい。また、空力ブレーキ板２０の横幅ｌの合計が、車両限界幅Ｗに対して１／２以上（好適には、２／３以上）を占めるように構成することが望ましい。また、２列ではなく、１列としても良い。
【符号の説明】
【００５８】
１０  車両、１２  車両限界
２０  空力ブレーキ板
【図１】
0005824295.tif 000015
【図２】
0005824295.tif 000016
【図３】
0005824295.tif 000017
【図４】
0005824295.tif 000018
【図５】
0005824295.tif 000019
【図６】
0005824295.tif 000020
【図７】
0005824295.tif 000021
【図８】
0005824295.tif 000022