(57)【要約】【課題】車両の長さをあまり長くすることなく、高速車両がトンネルに突入する際に生ずる微気圧波を低減することができる鉄道先頭車両用車体及びそれを用いた鉄道先頭車両を提供する。【解決手段】車体１は、先頭側から後端側に向かって横断面積が大きくなる方向に大きく変化する前側及び後側の断面積変化領域Ｚ１１，Ｚ１２を設けて、横断面積を前後方向において２段階に大きく変化させ、横断面積が最大でほぼ一様となる一般部分Ｚ３に至っている。断面積増加率がほぼ等しい前側の断面積変化領域Ｚ１１と後側の断面積変化領域Ｚ１２との間の部分を、前側及び後側の断面積変化領域Ｚ１１，Ｚ１２よりも、横断面積増加率が緩やかであり、一般部分Ｚ３の横断面積に対する面積比が０．６程度である中間断面積変化領域Ｚ２とする。前側及び後側の断面積変化領域Ｚ１１，Ｚ１２での断面積増加率は、２．０ｍ２／ｍ程度であり、中間断面積変化領域Ｚ２の断面積増加率は、０．３ｍ２／ｍ程度である。【選択図】　　　　図１
2004066888.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
先頭部分より横断面積が最大でほぼ一様となる一般部分に至るまでに、横断面積が車体前後方向に沿って変化する鉄道先頭車両用車体であって、
前記先頭部分と、前記一般部分の直前の部分に、先頭側から後端側に向かって横断面積が大きくなる方向に大きく変化する前側及び後側の断面積変化領域を設け、
前記前側の断面積変化領域と後側の断面積変化領域とは、断面積増加率が２．０ｍ２／ｍ程度であり、前記両領域の間の部分は、断面積増加率が０．３ｍ２／ｍ程度であり、かつ前記一般部分の横断面積に対する面積比が０．６程度である中間断面積変化領域としたことを特徴とする鉄道先頭車両用車体。
【請求項２】
前記前側の断面積変化領域から前記中間断面積変化領域の中間部分付近まで、車体幅方向中央部にほぼ運転室の幅に相当する幅を有し徐々に高さが高くなることで横断面積が増加する突部が形成され、
前記突部が、前記中間断面積変化領域の中間部分付近から、上方向及び左右方向に膨らむことで横断面積がさらに増加し、前記一般部分の高さ及び幅に等しくなる請求項１に記載の鉄道先頭車両用車体。
【請求項３】
先頭部分より横断面積が最大でほぼ一様となる一般部分に至るまでに、横断面積が車体前後方向に沿って変化する鉄道先頭車両用車体であって、
前記先頭部分と、前記一般部分の直前の部分に、先頭側から後端側に向かって横断面積が大きくなる方向に大きく変化する前側及び後側の断面積変化領域を設け、
前記前側の断面積変化領域の断面積増加率は７．０ｍ２／ｍ程度である一方、前記後側の断面積変化領域の断面積増加率は１．５ｍ２／ｍ程度であり、
それらの間の部分は、断面積増加率は、０．３ｍ２／ｍ程度で、かつ前記一般部分の横断面積に対する面積比が０．５程度である中間断面積変化領域としたことを特徴とする鉄道先頭車両用車体。
【請求項４】
前記後側の断面積変化領域の断面積増加率を、１．５ｍ２／ｍ程度とするのに代えて、２．０ｍ２／ｍ程度とする請求項３記載の鉄道先頭車両用車体。
【請求項５】
先頭部分より横断面積が最大でほぼ一様となる一般部分に至るまでに、横断面積が車体前後方向に沿って変化する鉄道先頭車両用車体であって、
前記先頭部分と、前記一般部分の直前の部分に、先頭側から後端側に向かって横断面積が大きくなる方向に大きく変化する前側及び後側の断面積変化領域を設け、
前記前側の断面積変化領域の断面積増加率は６．０ｍ２／ｍ程度である一方、前記後側の断面積変化領域の断面積増加率は１．３ｍ２／ｍ程度であり、
それらの間の部分は、断面積増加率は、０．７ｍ２／ｍ程度で、かつ前記一般部分の横断面積に対する面積比が０．５程度である中間断面積変化領域としたことを特徴とする鉄道先頭車両用車体。
【請求項６】
前記中間断面積変化領域から後側の断面積変化領域にかけて、幅が徐々にが狭くなってほぼ運転室の幅に相当する幅となり、それから幅が徐々に大きくなって一般部分の車体幅に等しくなる一方、高さは徐々に高くなる突部が形成されている請求項４又は５に記載の鉄道先頭車両用車体。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかに記載の鉄道先頭車両用車体を用いた鉄道先頭車両であって、
前記中間断面積変化領域に運転室風防を配設し、
前記中間断面積変化領域の後側部分及び前記一般部分の前側部分に、車両左右方向に延びる前側及び後側の横通路を形成し、前記両横通路を、車両左右方向に一側において車両前後方向に延びる縦通路でもって接続し、
前記前側及び後側の横通路の左右両側に乗降用扉を配設し、
前記縦通路の左右両側部分及び横通路の前後側部分に、それらの部分の高さに応じて、各種機器を配置したことを特徴とする鉄道先頭車両。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、高速走行する新幹線等の鉄道先頭車両用車体及びそれを用いた鉄道先頭車両に関する。
【０００２】
【従来の技術】
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、トンネル内の限られた空間に存在する空気を先頭車両が押し込むように圧縮するので、これが圧縮波となってトンネル内をほぼ音速で前方へ伝播される。そして、この圧縮波はトンネルの出口に到達したときに出口で反射されるが、一部はパルス状の圧力波（爆発音）となってトンネル出口から外部へ放射されることが知られている。このパルス状の圧力波を、微気圧波（トンネル微気圧波）といい、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。
【０００３】
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。
【０００４】
近年、そのような微気圧波を低減させる先頭車両の車体形状がいくつか提案されている。すなわち、
（１）例えば特開平７−８９４３９号公報には、横断面積が一定の胴部に接合する接合部から最先端に至る先頭領域を尖らせ、先頭領域の上面側へ突出する運転室窓部（キャノピー）の前後の長さを、先頭領域の前後長さより短くし、運転室窓部の突設根元部に連接する上方肩部の横断面積を、上方肩部に隣接する隣接肩部の横断面積より小さくし、前記先頭領域における最先端寄りの横断面積急変域を除く領域のスカート部または仮想スカート部を含む横断面積を、接合部から最先端へ向かっていく程に正比例に減少させた構造に先頭部の車体を構成するものが記載されている。
（２）例えば特開平８−１９８１０５号公報には、車体先端から車体前後方向における車体横断面積が増大する先頭部を有した鉄道車両において、先頭部を先端領域と中間領域とから構成し、先端領域は最大車体横断面積の半分の断面積に相当する位置よりも先端側とし、中間領域は該先端領域よりも車体長手方向他端側とし、前記中間領域は一定の断面積変化率によって車体横断面積が変化し、かつ前記先端領域の断面積変化率を中間領域の断面積変化率よりも大きくするものである。この技術においては、前記中間領域に運転室を配置しており、この運転室部前面窓の傾斜角度を前方注視に支障のない角度としており、前記運転室前面窓の両側方部分より下方に凹み部を形成するものが記載されている。
【０００５】
しかしながら、上記公報に記載の両技術は、次の点で大きな課題を有する。すなわち、
第１に、いずれの技術も先頭部の横断面積の変化が先頭車両の車体先端から後方の接合部（一般断面部あるいは最大横断面積部との接合部）にかけて車体横断面積が連続して緩やかに増大するように、先端から後方にかけてやや上方に傾斜する曲面形状に形成するとともに、その傾斜曲面部分が車体前後方向にできるだけ長くなるように先端部をノーズ状に延ばしている。このため、実際の車体形状の製作に際しては、骨組みに溶接等により張り付ける板金を、ハンマー等で打ち出すことによって凹凸部などの複雑な形状を形成しているので、作業に熟練を要することはもとより、多大な時間がかかって生産性が非常に低く、製造コストが極めて高くなるうえに、車体先頭部の車体前後方向において占める長さが長くなるため、車室が制限され、乗車定員が減少する。
【０００６】
第２に、いずれの発明も先頭部の横断面積の変化が先頭車両の車体先端から後方の接合部にかけて直線的（正比例）に連続している。このため、鉄道車両がトンネル内に突入したときの、トンネル内のある位置における圧力変化は、圧力勾配が緩やかになっているとしても漸次高くなっている。一方、トンネル内を伝播する圧縮波の速度（音速に近い）は、圧力が上昇するのにしたがって速くなるから、トンネルの距離がある程度長くなると、せっかく車体の先頭部形状を工夫したことによって圧縮波の圧力を分散したにも拘わらず、分散された圧力がトンネルの出口では集合されて一度に大きな圧力のパルス状圧力波（微気圧波）となって外部へ放射され、トンネルの出口周辺において大きな爆発音が発生したり、振動等が生じたりするおそれがある。
【０００７】
そこで、出願人は、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を先に提案している（特開平１１−３２１６４０号公報参照）。具体的には、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段目の横断面積変化領域を形成した後、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段目の横断面積変化領域を形成し、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段目の横断面積変化領域の間隔を１５ｍ以上にしたものである。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
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段目の横断面積変化領域の間隔を１５ｍ以上にする必要があり、車両の長さが長くなってしまう。そのため、車両の長さを長くすることなく、すなわち前記第１段目と第２段目の横断面積変化領域の間隔を広くすることなく、微気圧波の低減効果を得たいという要求がある。
【０００９】
その一方、現在高速走行している車両の一つとして、前記第１段目と第２段目の横断面積変化領域の間隔が９．２ｍ程度で、走行速度が２５５ｋｍ／ｈの性能を有するものが知られており、さらに走行速度を３０ｋｍ／ｈ速めて、走行速度２８５ｋｍ／ｈでもって高速走行したいという要求がある。
【００１０】
そして、発明者らは、走行速度２８５ｋｍ／ｈでもって高速走行することを検討する際に、前記第１段目と第２段目の横断面積変化領域の間隔を広くすることなく、微気圧波の低減効果を得るべく研究開発を進めたところ、発明者らは、このような車体形状を考える場合に、組み合せが多すぎて解き方がまったく分からない問題でも比較的スムーズに最適解を求めることができる遺伝的アルゴリズム（ＧＡ：Ｇｅｎｅｔｉｃ　Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ）が、最適化設計手法としてもっとも適していることを知見した。
【００１１】
ここで、遺伝的アルゴリズムとは、ミシガン大学のＪ・ホランドによって一九七五年に提案され発展してきたもので、メンデルの法則やダーウィンの進化論で示されている自然界の自然淘汰（進化）の過程そのもの、すなわち生物が遺伝子を組み換えながら進化する「進化過程」をモデル化し、最適化問題の解法に応用した確率的アルゴリズムである。つまり、遺伝子に見立てた複数の個体（解の候補）からなる集団を用いて、解の候補を次々に組み換えて最適解を探索する計算手法である。ＧＡでは、解の候補をビット列に置き換える。ビット列の解釈を与えるのが適応度関数である。その関数は各ビット列に対して、与えられた問題空間におけるその問題の強さ（適応度）を与える。次にビット列を部分的に入れ替える「交叉」や、確率的に選んだ適当なビットを反転させる「突然変異」の処理を施す。その中から所定の条件を満たす（適応度の高い）解の候補だけを取捨選択して、同様の操作を繰り返す。環境に適応した生物だけが生き残れるように、条件を満たす解の候補が自動的に作成できるようになっている。
【００１２】
そこで、発明者らは、理想的な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、数値的に微気圧波が低減する最適先頭形状（最適断面積分布）を研究開発したところ、本発明を完成するに至ったものである。
【００１３】
本発明は、車両の長さをあまり長くすることなく、高速車両がトンネルに突入する際に生ずる微気圧波を低減することができる鉄道先頭車両用車体及びそれを用いた鉄道先頭車両を提供するものである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１の発明は、先頭部分より横断面積が最大でほぼ一様となる一般部分に至るまでに、横断面積が車体前後方向に沿って変化する鉄道先頭車両用車体であって、前記先頭部分と、前記一般部分の直前の部分に、先頭側から後端側に向かって横断面積が大きくなる方向に大きく変化する前側及び後側の断面積変化領域を設け、前記前側の断面積変化領域と後側の断面積変化領域とは、断面積増加率が２．０ｍ２／ｍ程度であり、前記両領域の間の部分は、断面積増加率が０．３ｍ２／ｍ程度であり、かつ前記一般部分の横断面積に対する面積比が０．６程度である中間断面積変化領域とした構成としている。ここで、「一般部分の横断面積に対する面積比が０．６程度である中間断面積変化領域」とは、中間断面積変化領域のほぼ中間点で前記面積比が０．６程度であることを意味する。
【００１５】
請求項１の発明によれば、先端側から後端側に向かって横断面積が大きくなる方向に大きく変化する前側及び後側の断面積変化領域を存して設け、前記前側の断面積変化領域と後側の断面積変化領域とは、断面積増加率がほぼ等しく、前記両領域の間の部分は、前記前側及び後側の断面積変化領域よりも断面積増加率が緩やかであり、かつ前記一般部分の横断面積に対する面積比が０．６程度である中間断面積変化領域としているので、トンネル入口から所定距離の位置で鉄道車両がトンネル内に突入する際に、前側及び後側の断面積変化領域によって、圧力変化の状態が緩やかで、しかも２段に分散されて段階的に最大車体横断面積の一般部分がトンネル内に入るまでの圧力（最大圧力）に達する。この際、トンネルに突入する際に生じる圧縮波（圧力上昇）は、車体の断面積変化領域を前側と後側に分散させることによって低減される。
【００１６】
特に、前記前側及び後側の断面積変化領域での断面積増加率は２．０ｍ２／ｍ程度であり、前記中間断面積変化領域の断面積増加率は、０．３ｍ２／ｍ程度であるようにしているので、従来の車両（前記第１段目と第２段目の横断面積変化領域の間隔が９．２ｍ程度で、走行速度が２５５ｋｍ／ｈの性能を有するもの）に比べて、１５％程度微気圧波が低減される。
【００１７】
このような微気圧波を低減する請求項１に記載の横断面積の分布を満足させ、運行に必要な運転席スペースを確保するために、請求項２に記載のように、前記前側の断面積変化領域から前記中間断面積変化領域の中間部分付近まで、車体幅方向中央部にほぼ運転室の幅に相当する幅を有し徐々に高さが高くなることで横断面積が増加する突部が形成され、前記突部が、前記中間断面積変化領域の中間部分付近から、上方向及び左右方向に膨らむことで横断面積がさらに増加し、前記一般部分の高さ及び幅に等しくなる構成とすることができる。
【００１８】
このようにすれば、微気圧波を低減することができる形状において、車体幅方向中央部にほぼ運転室の幅に相当する幅を有する突部を設けることで、運転室のレイアウトが無理なく実現される。
【００１９】
また、鼻先断面積拡大形状の立ち上がりはもっと急激である方が微気圧波の低減に効果があるとの知見に基づき、請求項３に記載のように、先頭部分より横断面積が最大でほぼ一様となる一般部分に至るまでに、横断面積が車体前後方向に沿って変化する鉄道先頭車両用車体であって、前記先頭部分と、前記一般部分の直前の部分に、先頭側から後端側に向かって横断面積が大きくなる方向に大きく変化する前側及び後側の断面積変化領域を設け、前側の断面積変化領域の断面積増加率は７．０ｍ２／ｍ程度である一方、後側の断面積変化領域の断面積増加率は１．５ｍ２／ｍ程度であり、それらの間の部分は、断面積増加率は、０．３ｍ２／ｍ程度で、かつ前記一般部分の横断面積に対する面積比が０．５程度である中間断面積変化領域としたり、請求項４に記載のように、請求項４において、前記後側の断面積変化領域の断面積増加率を、１．５ｍ２／ｍ程度とするのに代えて、２．０ｍ２／ｍ程度とすることで、より一層の微気圧波の低減効果を得ることもできる。さらに、微気圧波の低減効果を得るために、請求項５に記載のように、前記先頭部分と、前記一般部分の直前の部分に、先頭側から後端側に向かって横断面積が大きくなる方向に大きく変化する前側及び後側の断面積変化領域を設け、前記前側の断面積変化領域の断面積増加率は６．０ｍ２／ｍ程度である一方、前記後側の断面積変化領域の断面積増加率は１．３ｍ２／ｍ程度であり、それらの間の部分は、断面積増加率は、０．７ｍ２／ｍ程度で、かつ前記一般部分の横断面積に対する面積比が０．５程度である中間断面積変化領域とすることも可能である。ここで、「一般部分の横断面積に対する面積比が０．５程度である中間断面積変化領域」とは、前述した場合と同様に、中間断面積変化領域のほぼ中間点で前記面積比が０．５程度であることを意味する。
【００２０】
請求項４又は５の場合には、さらに、請求項６に記載のように、前記中間断面積変化領域から後側の断面積変化領域にかけて、幅が徐々にが狭くなってほぼ運転室の幅に相当する幅となり、それから幅が徐々に大きくなって一般部分の車体幅に等しくなる一方、高さは徐々に高くなる突部が形成されているようにすることで、請求項４又は５に記載される断面積増加率の関係を達成できる形状を無理なく形成することが可能となる。
【００２１】
請求項７に記載のように、請求項１〜６のいずれかに記載の鉄道先頭車両用車体を用いた鉄道先頭車両であって、前記中間断面積変化領域に運転室風防を配設し、前記中間断面積変化領域の後側部分及び前記一般部分の前側部分に、車両左右方向に延びる前側及び後側の横通路を形成し、前記両横通路を、車両左右方向に一側において車両前後方向に延びる縦通路でもって接続し、前記前側及び後側の横通路の左右両側に乗降用扉を配設し、前記縦通路の左右両側部分及び横通路の前後側部分に、それらの部分の高さに応じて、各種機器を配置した構成とすることができる。ここで、「前記縦通路の左右両側部分及び横通路の前後側部分に、それらの部分の高さに応じて、各種機器を配置した」とは、縦通路の左右両側部分及び横通路の前後側部分のすべての部分に各種機器を配置するという意味ではなく、それらの部分のうち各種機器が配置されていない部分がある場合も含まれる。
【００２２】
このようにすれば、微気圧波を低減することができる形状において、横断面積の変化にもかかわらず、運転室風防、モニタ中央装置、自動列車制御装置及び総括配電盤などの各種機器のレイアウトが無理なく実現され、また、縦通路の左右両側部分及び横通路の前後側部分に、それらの部分の高さに応じて、各種機器を配置するようにしているので、運転士が乗降する際に、各種機器が配置されている部分を通過することなく、乗降することができ、運転士の乗降もスムーズに行える。
【００２３】
【発明の実施の形態】
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は本発明に係る鉄道先頭車両の基本形状を示す側面図、図２は同平面図、図３〜図８は図１のＡ−Ａ線、Ｂ−Ｂ線、Ｃ−Ｃ線、Ｄ−Ｄ線、Ｅ−Ｅ線及びＦ−Ｆ線における断面図である。
【００２５】
図１及び図２に示すように、本例の車体１は、平面視では従来の新幹線用先頭車両の車体と同じような略弾丸形の流線形状からなっており、側面視においては車体１の上側部分が変化し、先頭側から後端側に向かって横断面積が大きくなる方向に大きく変化する２つの断面積変化領域すなわち前側及び後側の断面積変化領域Ｚ１１，Ｚ１２を設けて、横断面積を前後方向において２段階に大きく変化させ、横断面積が最大でほぼ一様となる一般部分Ｚ３に至っている。このように、車体１の横断面積が車体前後方向に沿って変化しているが、断面積増加率がほぼ等しい前側の断面積変化領域Ｚ１１と後側の断面積変化領域Ｚ１２との間の部分を、前記前側及び後側の断面積変化領域Ｚ１１，Ｚ１２よりも、横断面積増加率が緩やかであり、前記一般部分Ｚ３の横断面積に対する面積比が０．５６〜０．６３の範囲（ほぼ中間点で０．６程度）である中間断面積変化領域Ｚ２としている。具体的には、前記前側及び後側の断面積変化領域Ｚ１１，Ｚ１２での断面積増加率は、２．０ｍ２／ｍ程度でほぼ等しく、前記中間断面積変化領域Ｚ２の断面積増加率は、０．３ｍ２／ｍ程度としている。なお、前記中間断面積変化領域Ｚ２の、一般部分Ｚ３の横断面積に対する面積比が０．５６〜０．６３の範囲であるから、前側及び後側の断面積変化領域Ｚ１１，Ｚ１２の、一般部分Ｚ３の横断面積に対する面積比がそれぞれ０〜０．５６の範囲、０．６３〜１．０の範囲となり、それらの領域Ｚ１１，Ｚ２，Ｚ１２はなめらかに無理なく連続するように接続されているのはもちろんである。
【００２６】
このような断面積分布を満たすために、前記車体１は、前記前側の断面積変化領域Ｚ１１から前記中間断面積変化領域Ｚ２の中間部分付近まで、車体幅方向中央部にほぼ運転室の幅に相当する幅を有し徐々に高さが高くなることで横断面積が増加する突部１ａが形成され、前記突部１ａが、前記中間断面積変化領域Ｚ２の中間部分付近から、後側の断面積変化領域Ｚ１２において上方向及び左右方向に膨らむことで横断面積がさらに増加し、前記一般部分Ｚ３の高さ及び幅に等しくなるように形成されている。
【００２７】
上記車体形状（車体１）は、従来までの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（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。
【００２８】
具体的には、「人口」と呼ばれる解の集団を作り、これを構成する「個体」（設計変数を一組有するもの）と呼ばれる解候補群が「選択」「交叉」、そして「突然変異」というプロセスを繰り返しながら最適解へと収束していくものである。基本的なフローチャートは、図９に示す通りで、まず、設計空間内でランダムに設計変数を発生し（ステップＳ１）、初期集団内の固体を評価し、成績の善し悪しを判断する（ステップＳ２）。それから、成績の良いもの（親）を優先的に選択し（ステップＳ３）、成績の良い２つの”親”から、重み付けを使って”子”を作成し（ステップＳ４）、”子”に対し、設計空間内で攪乱を付加する（ステップＳ５）。それから、作成された”子”を評価し、成績の善し悪しを判断し（ステップＳ６）、評価が最適であれば、最適解とし（ステップＳ７）、最適でなければ、ステップＳ３に戻る。
【００２９】
上記最適化手法を用いて得られた車体形状の最適断面積分布を、図１に二点鎖線で示す従来の車体形状についての断面積分布である初期断面積分布（図１０破線参照）と一緒に図１０に示し、これを具体化したものが前記図１〜図８に示すものである。
【００３０】
図１０において、一般部分の横断面積がほぼ１１ｍ２程度で、先頭部分の緩やかな部分（中間断面積変化領域のほぼ中間点）の横断面積はほぼ６．５ｍ２程度で、その比は０．５９であり、０．６程度である。そして、図１０より、前記前側の断面積変化領域Ｚ１１と後側の断面積変化領域Ｚ１２との断面積増加率は２ｍ２／ｍ程度（直線Ｌ１１，Ｌ１２参照）であり、前記中間断面積変化領域Ｚ２の断面積増加率は、０．３ｍ２／ｍ程度（直線Ｌ２参照）であることがわかる。ここで、断面積増加率は、各変化領域での変化を直線的変化であるとみなして求めたものである。
【００３１】
続いて、上記横断面積分布の車体について、微気圧波の低減作用が生じる根拠を、計算に基づいて説明する。
【００３２】
計算条件について詳しく説明すると、非定常、軸対称、圧縮性および非粘性を仮定した数値流体解析（ＣＦＤ解析）を用いた。ここで、最適断面積分布形状を求めるための計算条件は、列車速度：２８５ｋｍ／ｈ，列車／トンネル断面積比：０．１７３とした。また、先頭部分（先頭長さ９．２ｍ）における断面積分布のみ変化させ、一般部分の断面積分布は一定とした。
（１）基礎方程式：２次元軸対称圧縮性オイラー方程式
（２）空間離散化：非構造格子法によるセルセンター型有限体積法
（３）収束計算；基本変数のＭＵＳＣＬ＋ＳＨＵＳ（Ｓｉｍｐｌｅ　Ｈｉｇｈ　ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ　Ｕｐｗｉｎｄ　Ｓｃｈｅｍｅ）による高精度風上法
（４）時間積分：ＭＦＧＳ（Ｍａｔｒｉｘ　Ｆｒｅｅ　Ｇａｕｓｓ　Ｓｅｉｄｅｌ）陰解法
（５）解析手順
▲１▼非定常計算の初期条件を得るために、障害物のないいわゆる明かり区間において定常計算による収束解を求める。
▲２▼▲１▼で求めた結果を初期条件に、トンネル突入による非定常計算を行う。トンネルと鉄道車両（列車という）の間に相対的な運動が発生するため、計算領域を、図１１に示すように、トンネルを含む領域Ｐ１１、列車を含む領域Ｐ１２との２つに分類し、それらを相対的に移動させて計算を進めた。
▲３▼圧力変化の観測点×はトンネル入り口から８０ｍの地点のトンネル内壁上とした。
【００３３】
図１２に、前記最適化手法による微気圧波の低減効果を示す。ここで、従来の車両（前側及び後側の横断面積変化領域Ｚ１１，Ｚ１２の間隔が９．２ｍ程度で、走行速度が２８５ｋｍ／ｈの性能を有するもの、図１の破線参照）を基準の車体形状として、その圧力時間変化（ｄｐ／ｄｔ）の最大値を１とし、指数化して、評価値として表示した。なお、形状の連続性を考慮して、ベジェ曲線で平滑化した。
【００３４】
この結果から、ＣＦＤと最適化設計手法（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（最適断面積分布）を求める設計技術を適用して得られた前述したところの先頭車両の車体形状によれば、世代が進むにつれて評価値が下がり、微気圧波の低減の程度が大きくなっているのがわかる。そして、１０世代以降の形状であれば、評価値がほぼ０．８５となり、微気圧波が、初期形状に比べて約１５％程度低減していることがわかる。
【００３５】
よって、先頭部分と、前記一般部分の直前の部分に、先頭側から後端側に向かって横断面積が大きくなる方向に大きく変化する前側及び後側の断面積変化領域を設け、前記前側の断面積変化領域と後側の断面積変化領域とは、断面積増加率が２．０ｍ２／ｍ程度であり、前記両領域の間の部分は、前記前側及び後側の断面積変化領域よりも断面積増加率が０．３ｍ２／ｍ程度であり、かつ前記一般部分の横断面積に対する面積比がほぼ中間点で０．６程度である中間断面積変化領域としたことにより、先頭部がトンネルに突入する際に生じる圧縮波（圧力上昇）は低減されるといえる。
【００３６】
続いて、そのような鉄道先頭車両の先頭部分における各種機器の配置について説明する。
【００３７】
車体１の前側の断面積変化領域Ｚ１１に続く、断面積変化率の緩やかな前記中間断面積変化領域Ｚ２に運転室風防２１が配設され、この運転室風防２１が、運転室の上側に位置し、運転席３１の上側を覆うようになっている。運転席３１は、車両中心より若干左側寄りに配設され、右側前方に運転情報制御装置３２を配置している。運転室の左側部には、高さの低い運転台配電器３３及び気圧スイッチ３４が設けられている。なお、運転席３１の側部には、運転指令操作盤３５が設けられている。
【００３８】
前記中間断面積変化領域Ｚ２の後側部分及び前記一般部分Ｚ３の前側部分に、車両左右方向に延びる前側及び後側の横通路２２，２３がそれぞれ形成されている。前記両横通路２２，２３が、車両左右方向に一側において車両前後方向に延びる縦通路２４でもって接続されている。前記前側及び後側の横通路２２，２３の左右両側に乗降用扉２５，２６が開閉可能に配設されている。
【００３９】
前記縦通路２４の左右両側部分及び後側の横通路２３の前側部分に、それらの部分の高さに応じて、各種機器が配置されている。すなわち、縦通路２４の右側にはモニタ中央装置４１及び総括配電盤４２が、左側には信号制御架４３、データ伝送装置４４，端子架４５及びデータ伝送装置４６がそれぞれ配設されている。また、後側の横通路２３の前側には、自動列車制御装置（ＡＴＣ）４７が配設され、その前方に構内防護架４８及び送受信架４９が配設されている。なお、５１は補助ブレーキパタン発生器、５２は車内圧開放弁である。
【００４０】
よって、このようなレイアウトにより、微気圧波を低減することができる形状において、横断面積の変化にもかかわらず、運転室風防２１、モニタ中央装置４１、自動列車制御装置４７及び総括配電盤４２などの各種機器のレイアウトが無理なく実現され、運転士の乗降もスムーズに行える。すなわち、運転室の後側に、左右両側に乗降用扉２５が設けられた前側の横通路２２を設け、それのさらに後側に各種機器を配置するようにしているので、運転士が乗降する際に、各種機器が配置されている部分を通過することなく、乗降することができる。
【００４１】
ところで、前述した場合には、設計変数（パラメータ）として、図１３に示すように、▲１▼先端部の断面積の立ち上がり、▲２▼前面ガラス位置、▲３▼運転室位置、▲４▼一般断面（一般部分）に滑らかに接続するように設定という４つの変数を採用しているが（パラメータ制御値は経験的な値である）、鼻先断面積拡大形状の立ち上がりはもっと急激である方が微気圧波の低減に効果があるとの知見から、先端部の断面積の立ち上がりのパラメータを緩和したところ（図１３の▲１▼’参照）、図１４に示すような断面積の変化となり、このように鼻先を拡大することにより、２０世代ぐらいで、前記前記設計変数を▲１▼〜▲４▼とする場合は１５％程度微気圧波が低減される（図１２参照）のに対し、２４％程度と大幅に低減されることとなり、微気圧波の低減効果が一層高まっていることが確認された。なお、その場合には、ＧＡのみによる場合とは異なり、前側の断面積変化領域の断面積増加率は、７．０ｍ２／ｍ程度（直線Ｌ１１’参照）であり、後側の断面積増加率は、１．５ｍ２／ｍ程度（直線Ｌ２１’参照）であり、前記中間断面積変化領域の断面積増加率は、０．３ｍ２／ｍ程度（直線Ｌ２’参照）で、前記中間断面積変化領域は、前記一般部分の横断面積に対する面積比が０．４３〜０．５７の範囲（ほぼ中間点で０．５程度）である。また、一般部分の断面積が１１ｍ２から１０．５ｍ２と４．５％程度小さくなっている。なお、この場合も、中間断面積変化領域の、一般部分の横断面積に対する面積比が０．４３〜０．５７の範囲であるから、前側及び後側の断面積変化領域の、一般部分の横断面積に対する面積比がそれぞれ０〜０．４３の範囲、０．５７〜１．０の範囲となり、それらの領域はなめらかに無理なく連続するように接続されているのは前述した場合と同様である。
【００４２】
しかしながら、前述したような断面積率とすれば、ドア２５などのレイアウト上スペースの制限を受けるので、微気圧波の低減に影響が大きいと考えられる鼻先部分の断面形状は維持したまま、運転室位置付近から後側部分の断面積が大きくなるように、さらに改善した。すなわち、前記前側の断面積変化領域の断面積増加率は７．０ｍ２／ｍ程度であり、前記中間断面積変化領域の断面積増加率は、０．３ｍ２／ｍ程度で、かつ前記一般部分の横断面積に対する面積比がほぼ中間点で０．５程度である点では同一であるが、後側の断面積変化領域の断面積増加率は２．０ｍ２／ｍ程度（直線Ｌ２１’’参照）となり、断面積増加率が一層大きくなっていることがわかる。これにより、ドア２５などが設けられる部分にレイアウト上スペースの余裕が生ずる。
【００４３】
このような車体１’の形状は、前記中間断面積変化領域から後側の断面積変化領域にかけて、幅が徐々にが狭くなってほぼ運転室の幅に相当する幅となり、それから幅が徐々に大きくなって一般部分の車体幅になる一方、高さが徐々に高くなる突部１ａ’を形成することで達成される。
【００４４】
続いて、その改善したときの鉄道先頭車両の先頭部分における各種機器の配置について図１５〜図２２に沿って説明するが、図１〜図８に示すものと同一の構成要素については同一の符号を用い、その説明を省略する。
【００４５】
車体１’の前側の断面積変化領域Ｚ１１’の後側部分に連続する中間断面積変化領域Ｚ２’の後側部分付近に運転室風防２１が配設され、この運転室風防２１が、運転室の上側に位置し、運転席３１の上側を覆うようになっている。運転席３１は、車両中心より若干左側寄りに配設され、ほぼ中央前方に運転情報制御装置３２を配置している。運転室の左側部には、高さの低い運転台配電器３３が設けられている。なお、運転席３１の側部には、運転指令操作盤３５が設けられている。
【００４６】
前記中間断面積変化領域Ｚ２’の後側部分及び前記一般部分Ｚ３の前側部分に、車両左右方向に延びる前側及び後側の横通路２２’，２３’がそれぞれ形成されている。前記両横通路２２’，２３’が、車両左右方向に一側において車両前後方向に延びる縦通路２４’でもって接続されている。前記前側及び後側の横通路２２’，２３’の左右両側に乗降用扉２５’，２６が開閉可能に配設されている。
【００４７】
前記縦通路２４’の一側部分であって後側の横通路２３’の前側部分に、縦通路２４’自動列車制御装置（ＡＴＣ）４７が配設されている。また、後側の横通路２３’の後側には、それらの部分の高さに応じて、各種機器が配置されている。すなわち、右側にはデータ伝送装置４４が設けられ、左側には中央側から端子架４５、データ伝送装置４６及び信号制御架４３が順に配設されている。
【００４８】
また、前側の横通路２２の右前側には総括配電盤４２が配設され、それのさらに前側にモニタ中央装置４１が配設されている。
【００４９】
よって、このようなレイアウトにより、微気圧波を低減することができる形状において、横断面積の変化にもかかわらず、運転室風防２１、モニタ中央装置４１、自動列車制御装置４７及び総括配電盤４２などの各種機器のレイアウトが無理なく実現され、運転士の乗降もスムーズに行える。すなわち、運転室の後側に、左右両側に乗降用扉２５’が設けられた前側の横通路２２’を設け、それのさらに後側に各種機器を配置するようにしているので、運転士が乗降する際に、十分な通過スペースでもって乗降することができる。
【００５０】
よって、この場合も、前述した図１〜図８に示す例の場合と同様に、前記前側の断面積変化領域Ｚ１１’の後側部分付近から前記中間断面積変化領域Ｚ２’に運転室風防２１を配設し、前記中間断面積変化領域Ｚ２’の後側部分及び前記一般部分ｚ３の前側部分に、車両左右方向に延びる前側及び後側の横通路２２’，２３’を形成し、前記両横通路２２’，２３’を、車両左右方向に一側において車両前後方向に延びる縦通路２４’でもって接続し、前記前側及び後側の横通路２２’、２３’の左右両側に乗降用扉２５’２６を配設し、前記縦通路２４’の左右両側部分及び横通路２２’、２３’の前後側部分に、それらの部分の高さに応じて、各種機器を配置するようにしている。
【００５１】
また、前述した場合と同様に、微気圧波の低減に影響が大きいと考えられる鼻先部分の断面形状はあまり変更することなく、運転室位置付近から後側部分の断面積が大きくなるように、図２３に示すように、車体形状を構成することも可能である。すなわち、前記前側の断面積変化領域の断面積増加率は６．０ｍ２／ｍ程度（直線Ｌ３１参照）、後側の断面積変化領域の断面積増加率は１．３ｍ２／ｍ程度（直線Ｌ３３参照）であり、前記中間断面積変化領域の断面積増加率は、０．７ｍ２／ｍ程度（直線Ｌ３２参照）で、前記中間断面積変化領域は、前記一般部分の横断面積に対する面積比が０．３３〜０．６６の範囲（ほぼ中間点で０．５程度）である。また、一般部分の断面積は１０．５ｍ２である。なお、この場合も、中間断面積変化領域の、一般部分の横断面積に対する面積比が０．３３〜０．６６の範囲であるから、前側及び後側の断面積変化領域の、一般部分の横断面積に対する面積比がそれぞれ０〜０．３３の範囲、０．６６〜１．０の範囲となり、それらの領域はなめらかに無理なく連続するように接続されているのは前述した場合と同様であるが、前述した場合よりも中間断面積変化領域の断面積増加率がより一層大きくなっていることがわかる。これにより、ドア２５などが設けられる部分にレイアウト上スペースの余裕がさらに生ずる。また、図２４に示すように、微気圧波の低減効果の指針となる圧力勾配も２２％程度低減されることが試験により確認されている。なお、前述したところの先頭車体形状に対応する横断面積分布を持つ円錐形状の列車模型（縮尺モデル）を発射装置を用いて、トンネルを模擬した円筒状パイプに、列車速度で打ち込み、評価点での圧力値を測定し、圧力勾配（ｄｐ／ｄｔ）を計測することにより、トンネル打ち込み試験を実施した。
【００５２】
前述した実施の形態における各種機器の配置は、一例を示したものにすぎず、前記縦通路２１，２１’の両側及び両横通路２２，２２’，２３，２３’の間に形成される空間部を、その部分（通路）の高さに応じて、各種機器を自由に配置することができるのはいうまでもない。
【００５３】
【発明の効果】
この発明は、以上に説明したように実施され、以下に述べるような効果を奏する。
【００５４】
請求項１の発明は、先端側から後端側に向かって横断面積が大きくなる方向に変化する前側及び後側の断面積変化領域を、車体前後方向に沿って間隔を存して設け、それらの間を、横断面積が緩やかに変化する中間断面積変化領域としているので、トンネル入口から所定距離の位置で鉄道車両がトンネル内に突入する際に、前側及び後側の断面積変化領域によって、圧力変化の状態を緩やかで、しかも２段に分散させて段階的に最大車体横断面積の一般部分がトンネル内に入るまでの圧力（最大圧力）に達するようになり、微気圧波を低減することができる。
【００５５】
特に、前記前側の断面積変化領域と後側の断面積変化領域との断面積増加率は２．０ｍ２／ｍ程度であり、それらの間の前記中間断面積変化領域は、断面積増加率が０．３ｍ２／ｍ程度で、前記一般部分の横断面積に対する面積比が０．５程度としているので、特開平１１−３２１６４０号公報に記載のもののように車両長さを長くすることなく、微気圧波を低減することができる。
【００５６】
請求項２に記載のように、車体幅方向中央部にほぼ運転室の幅に相当する幅を有する突部を設け、この突部を前記運転室まで維持し、前記運転室より後側から、前記突部を前記一般部分の幅にまで緩やかに膨らませている構成とすれば、微気圧波を低減する請求項１に記載の断面積分布を満足させることができ、しかも運行に必要な運転席スペースを、前記突部を利用して確保することが可能となる。
【００５７】
請求項３に記載のように、前側の断面積変化領域の断面積増加率は７．０ｍ２／ｍ程度である一方、後側の断面積変化領域の断面積増加率は１．５ｍ２／ｍ程度であり、それらの間の部分は、断面積増加率は、０．３ｍ２／ｍ程度で、かつ前記一般部分の横断面積に対する面積比が０．５程度である中間断面積変化領域としたり、さらに、請求項４に記載のように、後側の断面積変化領域の断面積増加率は２．０ｍ２／ｍ程度となるようにすれば、微気圧波の低減効果がより一層高めることができる。また、請求項５に記載のように、前側の断面積変化領域の断面積増加率は６．０ｍ２／ｍ程度である一方、前記後側の断面積変化領域の断面積増加率は１．３ｍ２／ｍ程度であり、それらの間の部分は、断面積増加率は、０．７ｍ２／ｍ程度で、かつ前記一般部分の横断面積に対する面積比が０．５程度である中間断面積変化領域とする場合も、微気圧波の低減効果を損ねることもない。
【００５８】
また、請求項６に記載のように、前記中間断面積変化領域から後側の断面積変化領域にかけて、幅が徐々にが狭くなってほぼ運転室の幅に相当する幅となり、それから幅が徐々に大きくなって一般部分の車体幅になる一方、高さが徐々に高くなる突部を形成するようにすれば、請求項４又は５に記載される断面積増加率の関係を達成できる形状を無理なく形成することが可能となる。
【００５９】
請求項７に記載のように、運転士、車掌の通行に必要とされる通路である縦通路の左右両側部分や、横通路の前後側部分を、その部分の空間高さに応じて、有効に利用することで、各種機器をその大きさ、高さに応じて配置するようにしているので、微気圧波の低減に有効な車体形状としても、前記各種機器を無理なく配置することができる。特に、縦通路の左右両側部分及び横通路の前後側部分に、それらの部分の高さに応じて、各種機器を配置するようにしているので、運転士が乗降する際に、各種機器が配置されている部分を通過することなく、乗降することができ、運転士の乗降もスムーズに行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る鉄道先頭車両の概略側面図である。
【図２】同概略平面図である。
【図３】図１におけるＡ−Ａ線断面図である。
【図４】図１におけるＢ−Ｂ線断面図である。
【図５】図１におけるＣ−Ｃ線断面図である。
【図６】図１におけるＤ−Ｄ線断面図である。
【図７】図１におけるＥ−Ｅ線断面図である。
【図８】図１におけるＦ−Ｆ線断面図である。
【図９】遺伝的アルゴリズムの原理の説明図である。
【図１０】先頭長さと（横）断面積との関係を示す図である。
【図１１】先頭車両モデルとトンネルとの関係を示す説明図である。
【図１２】遺伝的アルゴリズムによる世代と評価値との関係を示す図である。
【図１３】遺伝的アルゴリズムの設計変数の緩和の説明図である。
【図１４】他の実施の形態について、図１０と同様に、先頭長さと（横）断面積との関係を示す図である。
【図１５】本発明に係る他の実施の形態である鉄道先頭車両の概略側面図である。
【図１６】同概略平面図である。
【図１７】図１５におけるＧ−Ｇ線断面図である。
【図１８】図１５におけるＨ−Ｈ線断面図である。
【図１９】図１５におけるＩ−Ｉ線断面図である。
【図２０】図１５におけるＪ−Ｊ線断面図である。
【図２１】図１５におけるＫ−Ｋ線断面図である。
【図２２】図１５におけるＬ−Ｌ線断面図である。
【図２３】別の実施の形態について、図１０や図１４と同様に、先頭長さと（横）断面積との関係を示す図である。
【図２４】微気圧波の指針となる圧力勾配を示す説明図である。
【符号の説明】
Ｚ１１，Ｚ１１’　　前側の断面積変化領域
Ｚ１２，Ｚ１２’　　後側の断面積変化領域
Ｚ２，Ｚ２’　　中間断面積変化領域
Ｚ３　　一般部分
１，１’　　車体
１ａ，１ａ’　　突部
２１　　運転室風防
２２，２２’，２３，２３’　　横通路
２４，２４’　　縦通路
２５，２５’，２６　　乗降用扉
３１　　運転席
４１　　モニタ中央装置
４２　　総括配電盤
４７　　自動列車制御装置
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
2004066888.tif 000020
【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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