(57)【要約】【課題】舟体の迎角が変化しても揚力平均値の変化が小さく、トロリ線との間の接触力を適正範囲に収めることができるように改良を加えたパンタグラフを提供する。【解決手段】パンタグラフ１は、摺り板２２ａを介してトロリ線１に押し付けられる舟体２２と、それを支持する枠組部２４と、を備えている。走行中に舟体２２の迎角が変化すると、舟体２２に作用する揚力の平均値も変化することとなるが、この揚力の変化量を小さくするために、舟体２２の前面及び後面には、連続気孔（気孔同士が連続的につながっているものを意味する）を有する多孔質部材２６ａ、２６ｂが取り付けられている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
摺り板を介してトロリ線に押し付けられる舟体を備えたパンタグラフ揚力の迎角依存性を低減する方法であって、
前記舟体の前面、後面、及び/又は底面に連続気孔層を設けることを特徴とする、パンタグラフ揚力の迎角依存性の低減方法。
【請求項２】
摺り板を介してトロリ線に押し付けられる舟体と、
該舟板を支持する支持機構と、を備えたパンタグラフであって、
前記舟体の前面、後面、及び/又は底面に連続気孔層が設けられていることを特徴とするパンタグラフ。
【請求項３】
前記連続気孔層が、前記舟体に取り付けられた多孔質部材によって形成されていることを特徴とする、請求項２に記載のパンタグラフ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空中に架設されたトロリ線（架線）から鉄道車両に電気を供給するパンタグラフ等に関する。特には、舟体の迎角が変化しても舟体に作用する揚力の変化が小さく、トロリ線との間の接触力を適正範囲に収めることができるように改良を加えたパンタグラフ揚力の迎角依存性の低減方法及びパンタグラフに関する。
【背景技術】
【０００２】
現在の鉄道車両においては、車体屋根に搭載されたパンタグラフを介してトロリ線から車両に給電する方法が一般的である。パンタグラフは、通常、摺り板を介してトロリ線に押し当てられる舟体と、その舟体を昇降可能に支える支持機構等とを備えている（特許文献１参照）。
【０００３】
パンタグラフにおいて、舟体をトロリ線に向けて押し付ける力（押上力）、つまり舟体とトロリ線との間の接触力は、パンタグラフの接触性能に大きな影響を与える重要な要素である。この接触力の大きさは、舟体自体の形状や車両速度によって変化する。特に、高速用のパンタグラフの場合、舟体が高速気流中に置かれるため、接触力は舟体に作用する揚力の影響を大きく受ける。
【０００４】
舟体とトロリ線との間の接触力を適正な範囲内に収めることは、パンタグラフの安定した集電性能を維持する上で重要である。すなわち、接触力が小さすぎると、舟体とトロリ線との接触を維持する性能が低下するし、逆に接触力が大きすぎると、トロリ線に作用する応力が増大してトロリ線やパンタグラフが損傷するおそれがあるためである。
【特許文献１】特開２０００−２７０４０３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述のように、パンタグラフにおいては安定した集電性能を維持する上で、舟体とトロリ線との間の接触力が適正な範囲に収まっていることが望ましい。このためには、走行中、舟体の迎角変化が生じたときにも、舟体に作用する揚力平均値の変化が小さいことが好ましい。
そこで本発明の目的は、舟体の迎角が変化しても揚力平均値の変化が小さく、トロリ線との間の接触力を適正範囲に収めることができるように改良を加えたパンタグラフ揚力の迎角依存性の低減方法及びパンタグラフを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため、本発明のパンタグラフ揚力の迎角依存性の低減方法は、摺り板を介してトロリ線に押し付けられる舟体を備えたパンタグラフについてのものであって、前記舟体の前面、後面、及び/又は底面の表面部分に連続気孔層を設けることを特徴とする。
本発明のパンタグラフは、摺り板を介してトロリ線に押し付けられる舟体と、該舟板を支持する支持機構と、を備え、前記舟体の前面、後面、及び/又は底面の表面部分に連続気孔層が設けられていることを特徴とする。
【０００７】
連続気孔層とは、内部の気孔がそれぞれ独立しているのではなく、気孔同士が互いに繋がった連続気孔を有するものであり、一例として、舟体表面に取り付けられた多孔質部材であってもよい。このように、連続気孔を有する多孔質部材を取り付けることで、舟体の迎角が変化した際の舟体に作用する揚力の変化を小さくすることができることを、本発明者らは見出した。このようなパンタグラフによれば、舟体に作用する揚力の変化を小さくすることができるので、走行中の舟体とトロリ線との接触力を適正範囲に収めることが可能となる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、上述したように、舟体の迎角が変化しても揚力平均値の変化が小さく、トロリ線との間の接触力を適正範囲に収めることができるように改良を加えたパンタグラフ揚力の迎角依存性の低減方法及びパンタグラフを提供することができる。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明の一形態のパンタグラフを示す側面図である。
図１に示すシングルアーム型のパンタグラフ２０は、トロリ線１から車両２に給電を行うためのものであり、トロリ線１に押し付けられる舟体２２と、それを昇降可能に支持する支持機構２４と、を備えている。
【００１０】
舟体２２は、トロリ線１に対して横方向（車両の左右方向）に伸びる細長い部材であり、その上部にはトロリ線１と摺動接触する摺り板２２ａが取り付けられている。この例では、舟体２２の断面形状は矩形である。摺り板２２ａは、一例として鉄製の焼結合金であり、長さが例えば５００〜６００ｍｍである。
【００１１】
舟体２２の前面及び後面には、連続気孔を有する多孔質部材２６ａ、２６ｂ（以下、単に多孔質部材２６ともいう）が、各面のほぼ全面を覆うように貼られている。多孔質部材２６は、一例として骨格状構造を有し、気体が通過可能なものである。多孔質部材２６の材質は特に限定されるものではなく、合成樹脂製の軟質のものであってもよいし、金属製の硬質のものであってもよい。軟質のものとしては、通常のウレタンフォームから発泡膜を除去し、通気性をもたせたポリエステル系又はエステル系のウレタンフォームを利用できる。
【００１２】
多孔質部材２６の気孔率が低い場合、後述する揚力の迎角依存性の低減効果が小さいと考えられるので、気孔率は５０％以上、好ましくは８０％以上であるとよい。また、多孔質部材２６が薄すぎる場合も迎角依存性の低減効果が小さいとと考えられるので、厚みは５ｍｍ以上、好ましくは１０ｍｍ以上であるとよい。
【００１３】
なお、多孔質部材２６の貼付け位置は、図１のような前面及び後面に限らず、図２に示すような位置としてもよい。図２（Ａ）は、舟体２２の前面、後面及び底面のそれぞれに多孔質部材２６ａ、２６ｂ及び２６ｃを貼り付けた例である。図２（Ｂ）は、舟体２２の前面及び底面のそれぞれに多孔質部材２６ａ、２６ｃを貼り付けた例である。図２（Ｃ）は、舟体２２の前面のみに多孔質部材２６ａを貼り付けた例である。
【００１４】
次に、上記のように構成された舟体２２を備えたパンタグラフ２０に関し、舟体２２の迎角を変えたときの揚力特性の変化を調べた実験結果について説明する。
実験は、図３に示すような舟体支持機３０で舟体を支持し、その舟体に向けて風速３５０ｋｍ/ｈ程度までの風を前方から吹き付けたときの舟体に作用する揚力を測定することによって行った。この測定は、舟体の迎角を＋２°、０°、−２°の三段階に切替えて行った。
【００１５】
なお、実験に使用した舟体支持機３０は、舟体２２の前面における横方向のほぼ中央を支持する舟支え３３と、該舟支え３３の基部を支持するつり合い機構部３２と、該つり合い機構部３２を支持する枠組部２４と、を備えている。
つり合い機構部３２の内部には角度調整手段（不図示）が内蔵されており、これにより、舟支え３３を回動させ（矢印Ａ参照）、舟体２２の迎角を調整できるようになっている。
【００１６】
実施例１として、図４（Ａ）に示すように、矩形断面の舟体２２の前面及び後面のそれぞれに、多孔質部材２６ａ、２６ｂを貼り付けたものを用いた。多孔質部材２６ａ、２６ｂはいずれも、厚みが約１０ｍｍ、気孔率がおよそ９８％の合成樹脂製のものである。
【００１７】
実施例２として、図４（Ｂ）に示すような形状平滑化を施した舟体２２′の底面に多孔質部材２６ｃを貼り付けたものを用いた。この舟体２２′は、その前方部２２ａ′を、空力音が小さくなるようになだらかな曲面状としたものである。但し、舟体２２′の上面２２ｂ′及び底面２２ｃ′はいずれも、図４（Ａ）の舟体２２と同様にフラットである。多孔質部材２６ｃは、図４（Ａ）のものと同じく、厚みが約１０ｍｍで気孔率がおよそ９８％である。
【００１８】
比較例１として、図５に示すような形状平滑化舟体２２′の前方部２２ａ′の上面に、ラフネス７を、舟体の長さ方向に沿って貼り付けたものを用いた。ラフネス７とは、物体表面での流れを乱す働きをする部材の総称であり、例えばφ１ｍｍ程度のワイヤやメッシュ状の部材である。この例におけるラフネス７は、家具等の滑止めマットとして使われることもある、厚みが約１ｍｍのメッシュ状のウレタンフォームを細長く切ったものである。
【００１９】
次に、図６〜図８を参照して実験結果について述べる。
図６は、実施例１の舟体（図４（Ａ）参照）の揚力特性を示すグラフであり、横軸が風速（ｋｍ/ｈ）であり、縦軸が舟体に作用する揚力の平均値（Ｎ）である。
三角のプロットを実線で結んだものが、迎角＝０°における舟体２２（多孔質部材あり）の揚力特性を示すグラフである。正方形及び菱形のプロットを実線で結んだものは、それぞれ、迎角＝＋２°、−２°における同舟体の揚力特性を示すグラフである。
一方、三角形のプロットを破線で結んだものは、迎角＝０°における舟体（多孔質部材なし）の揚力特性を示すグラフである。正方形及び菱形のプロットを破線で結んだものは、それぞれ、迎角＝＋２°、−２°における、同舟体の揚力特性を示すグラフである。
【００２０】
図６のグラフ中、例えば風速２８０ｋｍ/ｈ付近での値を見ると、多孔質部材を貼らない場合（破線のグラフ）、迎角が＋２°（正方形プロット）で揚力が約８Ｎであり、−２°（菱形プロット）では約４０Ｎである。よって、揚力の変化量は約３２Ｎである。
これに対して、多孔質部材を貼った場合（実線のグラフ）、迎角が＋２°（正方形プロット）のとき揚力は約２０Ｎであり、−２°（菱形プロット）では約４０Ｎである。よって揚力の変化量は約２０Ｎである。
【００２１】
本発明を適用しない場合の揚力変化量が約３２Ｎであるのに対し、本発明を適用した場合の揚力変化量は約２０Ｎであることから、多孔質部材を舟体２２の前面及び後面に貼ることで、迎角の変化によって生じる揚力の変化を大幅に小さくできることが確認された。
なお、このように、連続気孔の多孔質部材を貼ることで舟体に作用する揚力の迎角依存性を低減できる一理由としては、剥離点近傍を多孔質部材で構成することにより、表面圧力分布の空間的変化が緩やかになるため、舟体表面の圧力分布が迎角の変化に対しても緩やかに変化するようになるためと考えられる。
【００２２】
図７は、実施例２の舟体（図４（Ｂ）参照）の揚力特性を示すグラフであり、横軸が風速（ｋｍ/ｈ）であり、縦軸が舟体に作用する揚力の平均値（Ｎ）である。
図６と同様、三角形のプロットを実線で結んだものが、迎角＝０°における舟体（多孔質部材あり）の揚力特性を示すグラフであり、正方形及び菱形のプロットを実線で結んだものは、それぞれ、迎角＝＋２°、−２°における同舟体の揚力特性を示すグラフである。
一方、三角形のプロットを破線で結んだものは、迎角＝０°における舟体（多孔質部材なし）の揚力特性を示すグラフであり、正方形及び菱形のプロットを破線で結んだものは、それぞれ、迎角＝＋２°、−２°における、同舟体の揚力特性を示すグラフである。
【００２３】
図７のグラフ中、例えば風速２８０ｋｍ/ｈ付近での値を見ると、多孔質部材を貼らない場合（破線のグラフ）、迎角が＋２°（正方形プロット）で揚力が約８０Ｎであり、−２°（菱形プロット）では約−１０Ｎである。よって、揚力の変化量は約９０Ｎである。
これに対して、多孔質部材を貼った場合（実線のグラフ）、迎角が＋２°（正方形プロット）のとき揚力は約１９０Ｎであり、迎角が０°（三角プロット）のとき約２２５Ｎであり、−２°（菱形プロット）では約２１０Ｎである。よって揚力の変化量は約３５Ｎ（２２５Ｎ−１９０Ｎ）である。
【００２４】
本発明を適用しない場合、迎角変化に伴う揚力変化量が約９０Ｎであるのに対し、本発明を適用した場合の迎角変化に伴う揚力変化量は約３５Ｎであることから、多孔質部材２６ｃを舟体２２′の底面に貼ることで、揚力の変化を大幅に小さくできることが確認された。
【００２５】
なお、多孔質部材を貼った場合（実線のグラフ）と貼らない場合（破線のグラフ）とで、揚力の絶対値が大きく異なっているが、これは、多孔質部材２６ｃを貼った影響により迎角０°における揚力特性が変化したことによるものである。風速に対する揚力特性の変化自体は、舟体形状の変更等により、比較的自由にコントロール可能である。
【００２６】
図８は、比較例１（図５参照）の舟体の揚力特性を示すグラフであり、横軸が風速（ｋｍ/ｈ）であり、縦軸が舟体に作用する揚力の平均値（Ｎ）である。
図６、７と同様、三角形のプロットを実線で結んだものが、迎角＝０°における舟体（ラフネスあり）の揚力特性を示すグラフであり、正方形及び菱形のプロットを実線で結んだものは、それぞれ、迎角＝＋２°、−２°における同舟体の揚力特性を示すグラフである。
一方、三角形のプロットを破線で結んだものは、迎角＝０°における舟体（ラフネスなし）の揚力特性を示すグラフであり、正方形及び菱形のプロットを破線で結んだものは、それぞれ、迎角＝＋２°、−２°における、同舟体の揚力特性を示すグラフである。
【００２７】
図８のグラフ中、例えば風速２８０ｋｍ/ｈ付近での値を見ると、ラフネスを貼らない場合（破線のグラフ）、迎角が＋２°（正方形プロット）で揚力が約８０Ｎであり、−２°（菱形プロット）では約−１０Ｎである。よって、揚力の変化量は約９０Ｎである。
これに対して、ラフネスを貼った場合（実線のグラフ）、迎角が＋２°（正方形プロット）のとき揚力は約５０Ｎであり、−２°（菱形プロット）では約−２０Ｎである。よって揚力の変化量は約７０Ｎである。
【００２８】
ラフネスを貼らない場合の迎角変化に伴う揚力変化量が約９０Ｎであるのに対し、貼った場合の揚力変化量は約７０Ｎであるので、貼った場合の方が変化量が小さくなっているものの、実施例１、２と比べて低減効果はそれほど大きくないことが確認された。
【００２９】
以上説明したように、本発明によれば、舟体の前面及び後面（実施例１）や、舟体の底面（実施例２）に、連続気孔を有する多孔質部材２６ａ〜２６ｃを設けることで、迎角が変化したときの舟体に作用する揚力の変化を小さくすることができることが確認された。本発明のパンタグラフによれば、迎角の変化に対する揚力の変化が小さいため、舟体とトロリ線との接触力を適正な範囲に収めることができる。その結果、パンタグラフの集電性能が向上し、また、パンタグラフをより高速まで安全に使用することが可能となる。
【００３０】
本発明によれば、一般的な形状のパンタグラフの舟体に多孔質部材を取り付けるだけでその揚力特性を変更可能であるので、舟体自体の形状を適宜変更して最適な揚力特性を得る手法に比べ、例えば風洞実験の回数が少なくて済むという点で開発コストの削減を図ることができる。なお、最近ではＣＦＤ（computational fluid dynamics、流れ場の数値計算）を利用して、舟体の好適な断面形状を見出す手法も行われるようになってきているが、この手法においても、現在の計算機リソースのもと、十分な精度の計算結果を得るためには、かなりの時間を要するという課題がある。これに対して本発明によれば、そうした計算を必要とするものではないのでより実用的である。さらに、従来、空力騒音を低減できる空力的に滑らかな断面形状は、望ましい揚力特性を得にくいという理由から選択できないことが多かったが、本発明によれば、そのような断面形状も候補となる可能性がある。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の一形態のパンタグラフを示す側面図である。
【図２】図２（Ａ）は、舟体の前面、後面及び底面のそれぞれに多孔質部材を貼り付けた例であり、図２（Ｂ）は、舟体の前面及び底面のそれぞれに多孔質部材を貼り付けた例であり、図２（Ｃ）は、舟体の前面のみに多孔質部材を貼り付けた例である。
【図３】実験に用いた舟体支持機及びそれに舟体を支持させた状態を前方側から見て示す斜視図である。
【図４】実施例の舟体を示す側面図である。
【図５】比較例の舟体を示す側面図である。
【図６】実施例１の実験結果のグラフである。
【図７】実施例２の実験結果のグラフである。
【図８】比較例１の実験結果のグラフである。
【符号の説明】
【００３２】
１・・・トロリ線、２・・・車両、２０・・・パンタグラフ
２２、２２′・・・舟体、２２ａ・・・摺り板、２４・・・枠組部、２６ａ〜２６ｃ・・・多孔質部材、３０・・・舟体支持機、３２・・・つり合い機構部、３３・・・舟支え
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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