(57)【要約】【課題】微気圧波の低減効果を維持して、運転室の容積を余裕を持って確保する。【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、中間及び後側の断面積増加領域Ｚ１１，Ｚ１２，Ｚ１３を設けて、横断面積を前後方向において３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Ｚ２に至っている。前記前側および後側の断面積増加領域の断面積増加率がそれぞれほぼ６．０ｍ２／ｍおよびほぼ２．０ｍ２／ｍであり、前記中間断面積増加領域は、断面積増加率がほぼ１．０ｍ２／ｍである。前記前側、中間および後側の断面積増加領域の前記前側、中間および後側の断面積増加領域は、前記一般部分の横断面積に対する面積比がそれぞれ０〜０．３３、０．４３〜０．６２、０．７６〜１．０の範囲で変化する。【選択図】　　　　図１
2004066887.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の車体構造であって、
前記先頭部分から前記一般部分に至るまでの間に、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増加領域を備え、
前記前側および後側の断面積増加領域の断面積増加率がそれぞれほぼ６．０ｍ２／ｍおよびほぼ２．０ｍ２／ｍであり、
それらの領域の間であって運転室に対応する部分に、前側および後側の断面積増加領域よりも断面積増加率が小さく前記前半部分の断面積増加率が後半部分のそれより大きい中間断面積増加領域を設け、
前記前側、中間および後側の断面積増加領域がなめらかに連続するように接続されていることを特徴とする鉄道先頭車両用車体。
【請求項２】
前記中間断面積増加領域は、前半部分の断面積増加率がほぼ１．０ｍ２／ｍであり、後半部分の断面積増加率がほぼ０．５ｍ２／ｍである請求項１記載の鉄道先頭車両用車体。
【請求項３】
前記前側、中間および後側の断面積増加領域は、前記一般部分の横断面積に対する面積比がそれぞれ０〜０．２８、０．４７〜０．７５、０．８３〜１．０の範囲で変化するように構成されている請求項２記載の鉄道先頭車両用車体。
【請求項４】
前記前側断面積増加領域から前記中間断面積増加領域にかけて、車体幅が徐々に広くなって前記一般部分の車体幅とほぼ等しい幅となり、また、前記前側断面積増加領域から前記中間断面積増加領域まではほぼ同じ高さで、前記中間断面積増加領域から前記後側断面積増加領域にかけて徐々に高くなる形状とされる請求項１〜３のいずれかに記載の鉄道先頭車両用車体。
【請求項５】
請求項１〜４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、
前記中間断面積増加領域の後側部分に運転室を配設し、
前記後側断面積増加領域に、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前記運転室に連通す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、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こ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、その先頭車両によって、トンネル内の限られた空間に存在する空気を押し込むように前記空気が圧縮される。この圧縮された空気が圧縮波となってトンネル内をほぼ音速に等しい速度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は出口で反射されるが、それの一部はパルス状の圧力波となってトンネル出口から外部へ放射される。このパルス状の圧力波を、微気圧波（トンネル微気圧波）という。この微気圧波（パルス状の圧力波）が外部へ放射されることにより、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。
（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、前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段目の横断面積増加領域を形成した後、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段目の横断面積増加領域を形成し、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段目の横断面積増加領域の間隔を１５ｍ以上にしたものである。
【０００８】
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段目の横断面積増加領域の間隔を１５ｍ以上にする必要があり、車両の先頭部分の長さが長くなってしまう。
【０００９】
そのため、車両の長さをあまり長くすることなく、すなわち前記第１段目と第２段目の横断面積増加領域の間隔をあまり広くすることなく、微気圧波の低減効果を得たいという要求がある。
【００１０】
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段目の横断面積増加領域の間隔が９．２ｍ程度で、走行速度が２５５ｋｍ／ｈの性能を有するもの（以下、従来の車体形状という）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。
【００１１】
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段目の横断面積増加領域の間隔をあまり広くすることなく、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最も適していることを知見した。
【００１２】
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１９７５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。
【００１３】
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）を研究したところ、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を開発した。具体的には、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増加領域を設け、前記前側の断面積増加領域と後側の断面積増加領域とは、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増加領域としたものである（以下、ＧＡによる車体形状という）。
【００１４】
この車体（車体形状）は、従来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。
【００１５】
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。
【００１６】
前記最適化手法を用いて得られた車体形状（ＧＡによる車体形状）の最適断面積分布を、図１０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に示す。
【００１７】
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（中間断面積増加領域のほぼ中間点）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、前記前側の断面積増加領域と後側の断面積増加領域との断面積増加率は２ｍ２／ｍ程度（直線Ｌ１１，Ｌ１２参照）であり、前記中間断面積増加領域の断面積増加率は、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、各増加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。
【００１８】
具体的に説明すると、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　ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎＵｐｗｉｎｄ　Ｓｃｈｅｍｅ）による高精度風上法
（４）時間積分：ＭＦＧＳ（Ｍｔｒｉｘ　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（以下列車という）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。
【００１９】
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増加領域の間隔が９．２ｍ程度で、走行速度が２８５ｋｍ／ｈの性能を有するもの、図１０の破線参照）を基準の車体形状として、その圧力勾配（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。
【００２０】
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。
【００２１】
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増加領域を設け、前記前側の断面積増加領域と後側の断面積増加領域とは、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増加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０．６程度である中間断面積増加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微気圧波（圧力上昇）は低減されるといえる。
【００２２】
続いて、前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。
【００２３】
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。
【００２４】
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増加領域の間隔が９．２ｍ程度で、走行速度が２８５ｋｍ／ｈの性能を有するもの、図１０の破線参照）を基準の車体形状として、その圧力勾配（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。
【００２５】
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。
【００２６】
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増加領域を設け、前記前側の断面積増加領域と後側の断面積増加領域とは、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増加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０．６程度である中間断面積増加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。
【００２７】
そして、具体的には図１３〜図１６に示すように、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がなされる。
【００２８】
車体１の前側の断面積増加領域Ｚ１１’の後側部分に連続する中間断面積増加領域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。
【００２９】
前記中間断面積増加領域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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。一方、前側の横通路２２’の左前側には送受信架４９が配設されている。なお、運転室の前方には、気圧スイッチ３４と共に、補助ブレーキパタン発生器５１および車内圧開放弁５２が設けられている。
【００３２】
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。
【００３３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、そのような車体形状としても、断面積が必要な運転席近傍（先頭から６ｍ付近）の断面積が小さく、運転室の容積を十分に確保できず、機器の自由な配置のために十分なスペースを確保することはが困難である。
【００３４】
ところで、微気圧波の数値シミュレーション解析により、微気圧波の大きさの指針となる圧力勾配指数（圧力勾配ｄｐ／ｄｔと基準となる圧力勾配ｄｐ０／ｄｔ０との比）は、ほぼ断面積分布の増減率に比例するものと考えられる。即ち、ＧＡによる形状では、先頭部分の立ち上がり（後述の図６の▲１▼参照）、一般部分への立ち上がり（図６の▲２▼参照）に対応して、２つの山（ピーク値）が発生する。また、この圧力勾配指数のピーク値が最大値を決めると考えられ、断面積増加領域を２つ設けたＧＡによる形状で、そのような断面積増加領域が１つである従来の形状よりもピーク値自体も低下している。
【００３５】
そこで、発明者は、前述した断面積増加領域を２つよりもさらに数を増せば、圧力勾配指数のピーク値の数も増え、そのピーク値自体もさらに低下するものと予測されることから、前側および後側の断面積増加領域の間に、もう一つの断面積増加領域を運転室に対応する部位に設ければ、微気圧波に影響を与える圧力勾配指数のピーク値を下げることができる共に運転室の容積も大きくすることができるとの着想に基づき、微気圧波を低減できるだけでなく、運転室の容積を確保して機器配置上も好ましい本発明を開発するに至ったものである。
【００３６】
本発明は、微気圧波の低減効果を維持して、運転室の容積を余裕を持って確保することができる鉄道先頭車両の車体構造及びこれを用いた鉄道先頭車両を提供するものである。
【００３７】
【課題を解決するための手段】
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の車体構造であって、前記先頭部分から前記一般部分に至るまでの間に、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増加領域を備え、前記前側および後側の断面積増加領域の断面積増加率がそれぞれほぼ６．０ｍ２／ｍおよびほぼ２．０ｍ２／ｍであり、それらの領域の間であって運転室に対応する部分に、前半部分の断面積増加率が後半部分のそれより大きい中間断面積増加領域を設け、前記前側、中間および後側の断面積増加領域がなめらかに連続するように接続されていることを特徴とする。
【００３８】
このようにすれば、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変化する前側及び後側の断面積増加領域を、車体前後方向に沿って間隔を存して設け、それらの間に、前前半部分の断面積増加率が後半部分より大きい中間の断面積増加領域を設けることで、微気圧波の低減効果を維持して、運転席近傍（運転室）の断面積、すなわち運転室の容積が余裕を持って確保される。よって、運転室での機器配置の自由度が高められ、無理のない機器配置が実現される。
【００３９】
この場合、請求項２に記載のように、前記中間断面積増加領域は、前半部分の断面積増加率がほぼ１．０ｍ２／ｍであり、後半部分の断面積増加率がほぼ０．５ｍ２／ｍであることが望ましい。
【００４０】
また、請求項３に記載のように、前記前側、中間および後側の断面積増加領域は、前記一般部分の横断面積に対する面積比がそれぞれ０〜０．２８、０．４７〜０．７５、０．８３〜１．０の範囲で変化するように構成することで、請求項１や請求項２に記載の車体形状が無理なく実現される。
【００４１】
特に、前記前側、中間および後側の断面積増加領域の断面積増加率がそれぞれほぼ６．０ｍ２／ｍ、ほぼ１．０ｍ２／ｍ（前半部分）、ほぼ０．５ｍ２／ｍ（後半部分）、ほぼ２．０ｍ２／ｍであり、前記前側、中間および後側の断面積増加領域は、前記一般部分の横断面積に対する面積比がそれぞれ０〜０．２８、０．４７〜０．７５、０．８３〜１．０の範囲であるようにしているので、従来の車両に比べて、微気圧波の目安となる圧力勾配指数が３０％程度低減される。
【００４２】
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４に記載のように、前記前側断面積増加領域から前記中間断面積増加領域にかけて、車体幅が徐々に広くなって前記一般部分の車体幅とほぼ等しい幅となり、また、前記前側断面積増加領域から前記中間断面積増加領域まではほぼ同じ高さで、前記中間断面積増加領域から前記後側断面積増加領域にかけて徐々に高くなる形状とされる構成とすることができる。
【００４３】
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、請求項４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できる。
【００４４】
請求項５に記載のように、請求項１〜４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、前記中間断面積増加領域の後側部分に運転室を配設し、前記後側断面積増加領域に、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前記運転室に連通す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、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、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。
【００４５】
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。
【００４６】
【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。
【００４７】
図１は本発明に係る実施の形態の一例であ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および図４は図１のＡ−Ａ線およびＢ−Ｂ線における断面図である。
【００４８】
図１及び図２に示すように、車体１の前側の断面積増加領域Ｚ１１に続く、断面積変化率の緩やかな前記中間断面積増加領域Ｚ１２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。
【００４９】
前記中間断面積増加領域Ｚ１２の後側部分及び前記一般部分Ｚ２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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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ほぼ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高さが変化するように横断面積が大きくなる方向に大きく変化する３つの断面積増加領域すなわち前側、中間及び後側の断面積増加領域Ｚ１１，Ｚ１２，Ｚ１３を設けて、横断面積を前後方向において３段階でもって大きく変化させ、横断面積が最大でほぼ一様となる一般部分Ｚ２に至っている。
【００５３】
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、前記前側、中間および後側の断面積増加領域Ｚ１１，Ｚ１２，Ｚ１３の断面積増加率がそれぞれほぼ６．０ｍ２／ｍ、ほぼ１．０ｍ２／ｍ（前半部分）、ほぼ０．５ｍ２／ｍ（後半部分）、ほぼ２．０ｍ２／ｍであり、前記前側、中間および後側の断面積増加領域Ｚ１１，Ｚ１２，Ｚ１３は、前記一般部分の横断面積に対する面積比がそれぞれ０〜０．２８、０．４７〜０．７５、０．８３〜１．０の範囲とされている。
【００５４】
このような断面積分布を満たすために、前記車体１は、前記前側の断面積増加領域Ｚ１１から前記中間断面積増加領域Ｚ１２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、前記中間断面積増加領域Ｚ２の中間部分付近から、後側の断面積増加領域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。
【００５５】
前述したように、前記車体形状（車体１）は、従来まで用いられていた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、それに修正を加えたものである。
【００５６】
前記ＣＦＤおよび最適化手法を用いて得られた車体形状に修正を加え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５破線参照）と一緒に図５に示し、これを具体化したものが前記図１〜図４に示す車体形状である。
【００５７】
図５において、先頭長さが１１．５ｍである先頭部分において横断面積が車体前後方向に沿って変化し、横断面積が最大でほぼ１０．５ｍ２程度で一様になる一般部分に至っている。
【００５８】
前記先頭部分から前記一般部分に至るまでの間に、図１に示すよう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増加領域Ｚ１１，Ｚ１３を備えるが、前記前側および後側の断面積増加領域Ｚ１１，Ｚ１３の断面積増加率がそれぞれほぼ６．０ｍ２／ｍおよびほぼ２．０ｍ２／ｍであり、直線Ｌ２１，Ｌ２３が対応している。そして、それらの領域Ｚ１１，Ｚ１３の間であって運転室に対応する部分に、前側および後側の断面積増加領域Ｚ１１，Ｚ１３よりも断面積増加率が小さく前記前半部分の断面積増加率が後半部分のそれより大きい中間断面積増加領域Ｚ１２を設けているが、その中間断面積増加領域Ｚ１２の前半部分の断面積増加率がほぼ１．０ｍ２／ｍであり、後半部分の断面積増加率がほぼ０．５ｍ２／ｍであり、それぞれ直線Ｌ２２Ｆ，Ｌ２２Ｒに対応している。ここで、断面積増加率は、各増加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。
【００５９】
そして、前記前側、中間および後側の断面積増加領域Ｚ１１，Ｚ１２，Ｚ１３がなめらかに連続するように接続されている。そのため、前側の断面積増加領域Ｚ１１と中間断面積増加領域Ｚ１２との間には、緩やかに断面積が増加する接続用の断面積増加領域が形成されている。この接続用の断面積増加領域は、断面積増加率が０．２５ｍ２／ｍであり、直線Ｌ２１’が対応している。
【００６０】
また、前述したように、前記前側、中間および後側の断面積増加領域Ｚ１１，Ｚ１２，Ｚ１３は、前記一般部分Ｚ２の横断面積に対する面積比がそれぞれ０〜０．２８、０．４７〜０．７５、０．８３〜１．０の範囲で変化するように構成されるのは、図５に基づく。
【００６１】
また、前述したように、３つの断面積増加領域Ｚ１１，Ｚ１２，Ｚ１３を有する車体形状（本発明例）で、微気圧波による影響をシミュレーション解析をしてみると、図６に示すように、ＧＡによる車体形状の場合は微気圧波の影響の目安となる圧力勾配指数のピーク値が２つであるのに対し、本発明例の車体形状では圧力勾配指数のピーク値が３つになり、微気圧それ自体も低減されることが確認できた。すなわち、そのピーク値の最大値を比較すると、従来の車体形状に比べて、ＧＡによる車体形状では２２％程度低減されるだけであるが、本発明例の車体形状では２８％程度低減されていることが確認される。
【００６２】
さらに、これを実験的に確かめるために、トンネル打ち込み試験を実施した。試験装置は、図７に示すように構成される。すなわち、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６１（縮尺モデル）を発射装置６２を用いて、トンネルを模擬した円筒状パイプ６３に、列車速度で打ち込み、評価点（図示せず）での圧力値を測定し、圧力勾配（ｄｐ／ｄｔ）を計測するものである。なお、６４は制動装置である。
【００６３】
この試験結果を示す図８（ａ）（ｂ）（ｃ）からも明らかなように、従来の車体形状（図８（ａ）参照）やＧＡによる車体形状（図８（ｂ）参照）に比べて、本発明例による車体形状（図８（ｃ）参照）の圧力勾配指数の低減性能が良いことが確認される。また、その試験結果は、具体的には、ＧＡによる車体形状や本発明例による形状は、従来の車体形状に比べて、１４％、２８％程度低減され、前記シミュレーション解析の結果とも一致している。
【００６４】
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、前記縦通路の両側及び両横通路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。
【００６５】
【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。
【００６６】
請求項１の発明は、前側及び後側の断面積増加領域の間に、前半部分の断面積増加率が後半部分より大きい中間の断面積増加領域を設けているので、微気圧波の低減効果を維持して、運転席近傍（運転室）の断面積、すなわち運転室の容積を余裕を持って確保することができる。よって、運転室での機器配置の自由度を高め、無理のない機器配置を実現できる。
【００６７】
この場合、請求項２に記載のように、前記中間断面積増加領域は、前半部分の断面積増加率がほぼ１．０ｍ２／ｍであり、後半部分の断面積増加率がほぼ０．５ｍ２／ｍとすれば、微気圧波を低減することができる。
【００６８】
また、請求項３に記載のように、前記前側、中間および後側の断面積増加領域の前記前側、中間および後側の断面積増加領域は、前記一般部分の横断面積に対する面積比がそれぞれ０〜０．２８、０．４７〜０．７５、０．８３〜１．０の範囲で変化するように構成することで、請求項１や請求項２に記載の車体形状を容易に実現することができる。
【００６９】
また、請求項４に記載のように、前記中間断面積増加領域から後側の断面積増加領域にかけて、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３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。
【００７０】
請求項５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】本発明に係る実施の形態の一例である鉄道先頭車両の基本形状概略側面図である。
【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】先頭長さと（横）断面積との関係を示す図である。
【図６】微気圧波の指針となる圧力勾配指数を示す説明図である。
【図７】試験装置の説明図である。
【図８】図７の試験装置による試験結果を示し、図７（ａ）は従来車体形状についての試験結果を、図７（ｂ）はＧＡによる車体形状についての試験結果を、図７（ｃ）は本発明に係る車体形状についての試験結果をそれぞれ示す図である。
【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】ＧＡ形状による鉄道先頭車両の概略側面図である。
【図１４】同概略平面図である。
【図１５】図１３におけるＩ−Ｉ線断面図である。
【図１６】図１３におけるＪ−Ｊ線断面図である。
【符号の説明】
Ｚ１１　　前側の断面積増加領域
Ｚ１２　　中間断面積増加領域
Ｚ１３　　後側の断面積増加領域
Ｚ３　　一般部分
１，　　車体
１ａ　　突部
２１　　運転室風防
２２，２３，　　横通路
２４　　縦通路
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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