(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
車体先頭部を車体前後方向について三等分した先端領域、中間領域および後端領域から構成した鉄道先頭車両の車体構造において、
前記車体先頭部を正面より見た外形線内に吸込口を設けるとともに、この吸込口と前記車体先頭部の後方寄りに設けた吐出口とを車体内を通るダクトにより接続し、
前記中間領域の断面積変化率を一定に保持するとともに、前記先端領域および前記後端領域の断面積変化率を、前記中間領域の断面積変化率よりも大きくし、
前記吸込口の大きさを前記車体先頭部の正面からの投影面積の１／３〜１／５としたことを特徴とする鉄道先頭車両の車体構造。
【請求項２】
前記ダクトの後端部で二股に分岐し、前記吐出口を車体の両側面に設けた請求項１記載の鉄道先頭車両の車体構造。
【請求項３】
鉄道先頭車両の車体先頭部両側面を先端付近より後方にかけて漸次両側方に広がる流線形にし、前記両側面の先端部にそれぞれ吸込口を設けるとともに、両側面の後端寄りに設けた吐出口と前記吸込口とをそれぞれ独立した２つのダクトによって接続した請求項１または２記載の鉄道先頭車両の車体構造。
【請求項４】
前記ダクトの吐出口側を前記車体底部の床下機器室に連通し、該床下機器室の底面に前記吐出口を設けた請求項１〜３のいずれかに記載の鉄道先頭車両の車体構造。
【請求項５】
前記吸込口と前記吐出口との間の前記車体前後方向における距離が１４ｍ以上である請求項１〜３のいずれかに記載の鉄道先頭車両の車体構造。
【請求項６】
前記中間領域に運転室窓部を設ける一方、該窓部の近傍に前記吸込口を設けることにより車体の断面積変化率を一定に保持する請求項１記載の鉄道先頭車両の車体構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高速走行する新幹線等の鉄道車両のうち先頭車両に好適な車体構造で、特に車体先頭部の形状に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
時速２７０ｋｍ／ｈあるいはそれ以上の高速性能が要求される鉄道車両では、特に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形状とともに、トンネルに突入する際に生じる微気圧波を低減させる形状が要求される。この微気圧波とは圧縮波の一種で、特に高速の鉄道車両がトンネルに突入する場合に、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し、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。この圧縮波が微気圧波と呼ばれるもので、トンネルの出口で一部が反射されるが、大部分は爆発音となって外部へ放出される。このため、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ことがある。
【０００３】
そこで、近年いくつかの微気圧波を低減させる形状が提案されている。たとえば、特開平７−８９４３９号公報に記載の発明がある。この発明は、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である。
【０００４】
また特開平８−１９８１０５号公報に記載の発明があるが、この発明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。この発明においては、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している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記公報に記載の２つの発明は、つぎのような点で大きな課題を有する。すなわち、第１に、車体横断面積が変化する領域に運転室窓部が上方へ突出するように形設されているが、運転室窓部を形設したことにより車体横断面積が大幅に変化するのを避けるために、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たり、運転室前面窓の両側方部分より下方に凹み部を形成したりしている。このため、運転室窓部の周辺の形状が非常に複雑になることから、先頭部形状の設計が完了したのち、実際の先頭形状の製作に際しては通常は板金を打ち出すことによって凹凸部などの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、多大な時間を必要とし生産性が非常に低く、製造コストが極めて高くなるという問題がある。
【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一直線的（正比例）である。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（横軸を時間とし縦軸を圧力とする）は、圧力勾配は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微気圧波の圧力を分散したにも拘わらず、トンネルの出口では分散された圧力が集合されて一度に大きな圧力の微気圧波となって、トンネルの出口周辺で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】
本発明は上述の点に鑑みなされたもので、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低減するための鉄道先頭車両の特に先頭部の車体構造を提供することを目的としている。
【０００８】
また、微気圧波の低減を図るとともに、運転室窓部周りの外形形状を簡素化して車体の製作を容易にすることも目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために本発明に係る車体構造は、車体先頭部を車体前後方向について三等分した先端領域、中間領域および後端領域から構成した鉄道先頭車両の車体構造において、前記車体先頭部を正面より見た外形線内に吸込口を設けるとともに、この吸込口と前記車体先頭部の後方寄りに設けた吐出口とを車体内を通るダクトにより接続し、前記中間領域の断面積変化率を一定に保持するとともに、前記先端領域および前記後端領域の断面積変化率を、前記中間領域の断面積変化率よりも大きくし、前記吸込口の大きさを前記車体先頭部の正面からの投影面積の１／３〜１／５としたことを特徴としている。なお、吸込口あるいは吐出口は一つだけでなく複数設けてもよく、またダクトも一つに限らず複数設けたり、あるいは一本のダクトを途中から分岐したり複数本のダクトを途中から共通の一本のダクトにしてもよい。
【００１０】
上記構成を有する請求項１記載の発明によれば、図１２にダクト無し車両とダクト有り車両の圧力変化の比較を示すように、トンネル入口から所定距離（６１ｍ）の位置で鉄道車両がトンネル内に突入する際の圧力変化から明らかなように、圧力変化の状態が緩やかで、しかも複数段に分散されて最大車体横断面積の部分がトンネル内に入るまでの圧力（最大圧力）に達する。図１２における線図Ａは図１１に示すところの先頭部の車体の先端領域から中間領域の間に吸込口を設け、車体の後端寄り（前後方向の中間位置よりやや後方）の屋根に吐出口を設けてダクトで接続した車体モデルについて、圧力変化を求めたものである。より詳しく説明すると、
(i) 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。
【００１１】
(ii) 構造格子を使用したＴＶＤ型風上法・有限体積法で陽解法を適用した。
【００１２】
(iii) 車体の先頭部を同一断面積を有する軸対称物体に、またトンネルを円形横断面からなる円筒形にそれぞれ置き換えたうえで、車体がトンネルに突入するシミュレーションを実施している。ただし、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１７のようにトンネルを含む領域１と列車を含む領域２との２つに分割し、それらを相対的に移動させて計算を進めた。
【００１３】
(iv) 計算上において列車の初期位置をトンネルの入口から２０ｍ外方（手前）の周辺に障害物のない（いわゆる明かり区間）で、その初期位置における時間をｔ＝０と設定した。
【００１４】
(v) 圧力変化の観測点×は、トンネル入口から内側６１ｍの地点のトンネル内壁上にした。
【００１５】
(vi) 図１２・図１３の線図を求めるための計算条件は、列車速度：２７５ｋｍ／ｈ（マッハ数０．２２５）、トンネル開口断面積：６３．４ｍ2、列車の最大横断面積：１１．４ｍ2、ダクト吸込口断面積：３．５ｍ2（図１２参照）この結果から、先頭車両の車体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、車体１の正面の吸込口２からダクト４を通して吐出口３に抜ける分が低減され、この低減分の圧力が最大車体横断面積の部分がトンネルＴ内に突入するまで有効であり、車体１の吐出口３の位置がトンネルＴ内に突入したときに従来の車体１’の最大車体横断面積（一般断面部）の部分がトンネルＴ内に突入したときの圧力と等しくなる。また、第１段の圧力上昇値から最終段（図１２では２段）の圧力上昇値までの時間差は、吸込口２と吐出口３との距離Ｌ（図１１）／Ｖ（走行速度ｍ／ｓ）にほぼ等しい。このため、図１１の車体例では１１／１６程度（約２／３）に低減された微気圧波が生じたのち、図１２に示すように遅れて５／１６程度（約１／３）に低減された微気圧波が生じることになる。したがって、トンネルＴの出口での爆発音は小さくなるか一切鳴らなくなるかに低減され、また周辺での家屋等の振動なども低減される。
【００１６】
車体の先頭部を先端から先端領域、中間領域、後端領域の３つの領域に分けた場合、上記公報（特開平８−１９８１０５号）に記載されているように、先端領域を含む車体前方の領域では空気の流れがせきとめられて減速し、この減速した運動エネルギ−は圧力に変わるために先端領域で圧力が一様流（車両と同じ速度の流れ）の圧力よりも上昇する。一方、後端領域を含む車体後方の領域では車体横断面積が最大で後方にかけてそれ以上は増加しないために増加していた圧力は運動エネルギーに変換され、圧力が一様流の圧力よりも低下することになる。車体の先端領域から後方領域に変化する領域が中間領域で、この中間領域において空気の圧力が大きく変化するためこの領域が極めて重要で、特に列車がトンネルに突入するときには先端部分がトンネル入口に近づくまでこの圧力分布は列車と共に移動し、トンネル内で先端領域の圧力変化に基づいて微気圧波が生じる。先端領域における圧力変化は中間領域によって大きな影響を受けるために微気圧波を低減するには、中間領域の断面形状を工夫する必要がある。そこで、前記先端領域および前記後端領域の断面積変化率を、車体の断面積変化率を一定に保持する前記中間領域の断面積変化率よりも大きくしている。これにより、微気圧波が低減される。
【００１７】
また、車体の正面（風圧面）に吸込口を設けることにより上記したとおり微気圧波が低減されるという作用が生じる。そこで、車体の先頭部に運転室窓部を前方あるいは上方に突出させて配置する場合に、運転室窓部によるトンネル内に突入した際の圧力上昇が発生することから、その周辺に凹所を設けることにより圧力上昇分を削減して微気圧波の発生を所定の圧力値以下に抑える設計が行なわれているが、この場合、運転室窓部周辺の車体形状が非常に複雑になるため、実際の製作が非常に困難になる。このような状況において、吸込口を設けることにより、凹所を設けたのと同様な微気圧波低減の作用が生じるから、吸込口を設けることにより車体の設計はもとより製作が容易になる。
さらに、前記吸込口の大きさを前記先頭車両の車体先頭部の正面からの投影面積の１／３〜１／５（具体的には２〜３.５ｍ2）としているので、車体表面に吸込口を設けたことによる微気圧波低減の作用が有効に発揮される。なお、一か所に大きな吸込口を設けることが無理な場合には、複数に分割して設ければよい。
【００１８】
請求項２に記載のように、前記ダクトの後端部で二股に分岐し、前記吐出口を車体の両側面に設けてもよい。
【００１９】
この構成により、吸込口（入口）側の開口に比べて吐出口の大きさを小さくできることから、配置に制約を受けにくくなるとともに、左右の吐出口の位置を車体の前後方向にずらせることによって微気圧波の圧力変化を３段階に分散させることもできる。
【００２０】
請求項３に記載のように、鉄道先頭車両の車体先頭部両側面を先端付近より後方にかけて漸次両側方に広がる流線形にし、前記両側面の先端部にそれぞれ吸込口を設けるとともに、両側面の後端寄りに設けた吐出口と前記吸込口とをそれぞれ独立した２つのダクトによって接続してもよい。
【００２１】
この構成によると、対向する鉄道車両がすれ違ったり、停止している鉄道車両に対し別の車両がその横を通過したりする際の風圧についても低減される。これは、車両先頭部がすれ違ったり通過したりする際に、別の車両との間にできる空間の圧力が急上昇するが、吸込口から圧力上昇分の一部が逃げるから、圧力上昇が抑えられ、車体の揺れや振動等が減少する。
【００２２】
請求項４に記載のように、前記ダクトの吐出口側を前記車体底部の床下機器室に連通し、該床下機器室の底面に前記吐出口を設けることができる。
【００２３】
この構成によると、床下機器室内に空気が送り込まれるために、機器室内にモータなどの加熱される装置や部品が収容されている場合に温度上昇が抑制され、またエアコンディショナーなどの新鮮な空気を必要とする機器の場合には、効率よく空気を送り込むことができる。
【００２４】
【００２５】
【００２６】
請求項５記載のように、前記吸込口と前記吐出口との間の前記車体前後方向における距離を１４ｍ以上にすることが好ましい。
【００２７】
請求項５記載の発明によれば、微気圧波が少なくとも２段階に分散されて低減されて生じる。圧縮波の伝播速度は音速に近く、圧力が高くなるほど伝播速度は速くなるが、１４ｍ以上離れているので、トンネルの距離が余程長くならない限り、トンネル出口までの間に後続（２段目）の微気圧波が１段目の微気圧波に追いつくことが阻止される。
【００２８】
請求項６に記載のように、前記中間領域に運転室窓部を設ける一方、該窓部の近傍に前記吸込口を設けることにより車体の断面積変化率を一定に保持する、つまり運転室窓部が設けられていない状態の断面積変化率にすることが好ましい。
【００２９】
【００３０】
車体の先頭部には運転室が配置されるが、通常、運転室の窓部は視界を良くするために、前方あるいは上方に突出して設けられる。また、運転室の窓部は前記中間領域に配置されることが多い。このため、車体形状を工夫して中間領域の断面積変化率を小さくしても、運転室窓部を設けたことによって断面積変化率が大幅に増加することになるため、例えば運転室窓部の周辺に凹所を設けて断面積変化率を低減させることが考えられる。しかし、凹所を形成するとなると、車体の表面形状は凹凸の変化が非常に大きくなり、車体の表面形状は極めて複雑になる。この結果、車体の製作が困難になり、製作に長期間を要するなどの問題が生じる。
【００３１】
これに対し、請求項６の発明では凹所を設けて形状を変化させる代わりに吸込口を設けるだけでよいから、車体の設計が簡単になるだけでなく、製作が極めて容易になって、製作に要する期間が短縮される。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る鉄道先頭車両の車体構造の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００３３】
図１は本発明の第１実施例に係る先頭車両の車体構造を示すもので、図１（ａ）は平面図、図１(ｂ)は側面図である。本例の車体１1の基本形状の車体１’は図１０に示すとおり、従来の新幹線用先頭車両と同じような略弾丸形の流線形状からなっており、ダクト類は一切設けられていない。本例の車体１1ではその先端部の中央（幅方向）に吸込口２が設けられ、この吸込口２に続くダクト４が車体１1内部の中央下部に前後方向にわたって配設され、車体１1の前後方向の中間位置よりやや後方で左右に分岐され、これらの分岐部４ａは車体１1の両側面にそれぞれ設けられた吐出口３に接続されている。
【００３４】
図２は本発明の第２実施例に係る先頭車両の車体構造を示すもので、図２(ａ)は平面図、図２(ｂ)は側面図である。本例の車体１2では、車体１2の先頭部を前後方向に３等分した場合の後方領域Ｂに、運転室の窓面５を設けており、中間領域Ｍにおいて窓面５のすぐ前方に吸込口２が設けられている。この吸込口２に続くダクト４が車体１2内部の中央下部に前後方向にわたって配設され、車体１の前後方向の中間位置よりやや後方で左右に分岐され、これらの分岐部４ａは車体１2の両側面にそれぞれ設けられた吐出口３に接続されているが、第１実施例のダクト３とは全長にわたり水平方向に延びるのに対し、本例ではダクト３の先頭部分が後方に向け漸次下向きに傾斜したのち水平方向に延びている。
【００３５】
図３は本発明の第３実施例に係る先頭車両の車体構造を示すもので、図３(ａ)は平面図、図３(ｂ)は側面図である。本例の車体１3では、車体１3の先頭部１Ａの両側面に吸込口２がそれぞれ設けられている。各吸込口２に続くダクト４がそれぞれ車体１3内部の両側部に沿って前後方向にわたって配設され、車体１3の両側面にそれぞれ設けられた吐出口３に接続されている。
【００３６】
図４は本発明の第４実施例に係る先頭車両の車体構造を示すもので、図４(ａ)は平面図、図４(ｂ)は側面図である。本例の車体１4では、車体１４の先頭部１Ａの両側面（肩部）に吸込口２がそれぞれ設けられている。各吸込口２に続くダクト４が後方下向きに傾斜し、それぞれ車体１4内部の両側部に沿って前後方向にわたって配設され、車体１4の両側面にそれぞれ設けられた吐出口３に接続されている。
【００３７】
図５は本発明の第５実施例に係る先頭車両の車体構造を示すもので、図５(ａ)は平面図、図５(ｂ)は側面図である。本例の車体１5では、車体１5の先頭部の下面中央に吸込口２が設けられ、この吸込口２から上向きに傾斜したダクト４が水平に後方に延びて後端部で二股に分岐され、これらの分岐部４ａは車体１5の両側面にそれぞれ設けられた吐出口３に接続されている。吸込口２が車体１5の先頭部の下面に位置するので、吸込口２での吸込音が発生しにくい。
【００３８】
図６は本発明の第６実施例に係る先頭車両の車体構造を示すもので、図６(ａ)は平面図、図６(ｂ)は側面図である。本例の車体１6では、車体１6の先頭部１Ａの両側面に吸込口２がそれぞれ設けられ、各吸込口２からダクト４が水平に後方に延びて後端部で後方へ下向きに傾斜し、これらの傾斜部４ｂは車体１6の下面にそれぞれ設けられた吐出口３に接続されている。車体１6下面への吐出により吐出時の騒音が低減されるとともに、対向車に対してのすれ違い圧力の低減にも有効である（これは、対向する車体間に走行時の風圧が吹き出して圧力上昇が起きないからです）。
【００３９】
図７は本発明の第７実施例に係る先頭車両の車体構造を示すもので、図７(ａ)は平面図、図７(ｂ)は側面図である。本例の車体１7では、車体１7の先頭部１Ａの両側面に吸込口２がそれぞれ設けられている。各吸込口２に続くダクト４がそれぞれ車体１7内部の両側部に沿って前後方向にわたって水平に配設され、ダクト４の後端部から後方上向きに傾斜して延設され、車体１7の前後方向の中間位置よりやや後方の屋根面１ｃの両側部にそれぞれ設けられた吐出口３に接続されている。車体１7の上面への流体の吐出により吐出時の騒音が低減されるとともに、対向車に対してのすれ違い圧力の低減にも有効である。対向車に対してのすれ違い時に車体間の圧力が上昇するが、本例の場合、吸込口２から上昇する圧力の一部がダクト４を通って逃げるために、すれ違い圧力の低減効果が極めて高い。
【００４０】
図８は本発明の第８実施例に係る先頭車両の車体構造を示すもので、図８(ａ)は平面図、図８(ｂ)は側面図である。本例の車体１8では、車体１8の先頭部の両側面に吸込口２がそれぞれ設けられている。各吸込口２に続くダクト４が水平に後方のびたのち下向きに傾斜し、床下機器室６内に接続され、この機器室６の下面に吐出口３が設けられている。先頭部の吸込口２からの圧力の逃げと床下機器室６への吐出により、対向車に対するすれ違い圧力の低減および床下機器室６内の機器の冷却やエアコンディショナーなどへの空気の供給に有効である。
【００４１】
図９は本発明の第９実施例に係る先頭車両の車体構造を示すもので、図９(ａ)は平面図、図９(ｂ)は側面図である。本例の車体１9では、車体１9の先頭部１Ａの両側面に吸込口２がそれぞれ設けられ、各吸込口２からダクト４が水平に車体１9の後端面まで延びその後端面にそれぞれ設けられた吐出口３に接続されている。後方の車体間（連結部間）へ加圧空気が供給されるために、走行時に発生しやすい気柱共鳴による騒音が抑制される。
【００４２】
さて、上記に本発明の車体構造について１０の実施例を挙げたが、いずれの実施例についても下記のような共通の作用、つまり微気圧波の低減作用がある。この低減作用が生じる根拠を、計算に基づいて作成した圧力変化あるいは圧力時間変化率にて本発明例と従来例との比較により説明する。
【００４３】
図１１に示すように、車体１の先頭部の中間領域Ｍ（先端から約５ｍの位置）の中央部に吸込口２を設け、その吸込口２からダクト４を水平に後方に延ばし、さらに後方へ上向きにダクト４を傾斜させ、屋根面１ｃの後端寄り（先端から約２０ｍの位置）の中央部に吐出口３を設けた構造が本発明例であり、一方、従来例は本発明と同一形状でダクト４がない構造（図１１の点線表示）にした。
【００４４】
計算条件は、次のとおりである。すなわち、図１７において、
(i) 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。
【００４５】
(ii) 構造格子を使用したＴＶＤ型風上法・有限体積法で陽解法を適用した。
【００４６】
(iii) 車体の先頭部を同一断面積を有する軸対称物体に、またトンネルを円形横断面からなる空洞、つまり円筒形にそれぞれ置き換えたうえで、車体１がトンネルＴに突入するシミュレーションを実施している。ただし、トンネルＴと鉄道車両（列車という）１の間に相対的な運動が発生するため、計算領域を図１７のようにトンネルを含む領域１と列車を含む領域２との２つに分割し、それらを相対的に移動させて計算を進めた。
【００４７】
(iv) 計算上において列車の初期位置をトンネルＴの入口から２０ｍ外方（手前）の周辺に障害物のない（いわゆる明かり区間）で、その初期位置における時間をｔ＝０と設定した。
【００４８】
(v) 圧力変化の観測点×は、トンネルＴの入口から内側６１ｍの地点のトンネル内壁上にした。
【００４９】
(vi) 図１２・１３の線図を求めるための計算条件は、列車速度：２７５ｋｍ／ｈ（マッハ数０．２２５）、トンネル開口断面積：６３．４ｍ2、列車の最大横断面積：１１．４ｍ2、ダクト吸込口断面積：３．５ｍ2（図１２参照）この結果から、先頭車両１の先頭部がトンネルＴに突入する際に生じる圧縮波（圧力上昇）は、吸込口２からダクト４を通して吐出口３に抜ける分が低減され、この低減分の圧力が最大車体横断面積の部分がトンネルＴ内に突入するまで有効であり、車体１の吐出口３の位置がトンネル内に入ったときに従来の車体１’の最大車体横断面積の部分がトンネルＴ内に突入したときの圧力と等しくなる。また、第１段の圧力値（１１００Ｐａ）から最終段（図１２では２段）の圧力値（１６００Ｐａ）までの時間差（約０.２sec）は、吸込口２と吐出口３との距離Ｌ（図１１の線図Ａ上に表示：１５ｍ）／Ｖ（走行速度：７５ｍ／ｓ）にほぼ等しい。このため、図１１の車体例では１１／１６（約２／３）に低減された微気圧波が生じたのち、図１２の線図Ａに示すように遅れて５／１６（約１／３）に低減された微気圧波が生じることになる。したがって、図１２の線図Ｂに示すようにトンネルＴの出口に圧力１６００Ｐａの圧縮波が伝播される従来例の車体１’に比べて、本発明例の車体１によれば爆発音が小さくなるか一切鳴らなくなるかまで低減され、また周辺での家屋等の振動なども低減される。
【００５０】
また、図１３は図１２の圧力変化線図を時間（ｓ）で微分して求めた線図で、時間に対する圧力の変化率を表している。
【００５１】
また、上記結果から、新幹線車両では投影最大面積が１１ｍ2前後の場合に、吸込口２の大きさ（開口面積）を２ｍ2〜３．５ｍ2にする必要がある。また、ダクト４の長さを１４ｍ〜１５ｍ以上にする必要がある。
【００５２】
さらに、圧縮波（微気圧波）のパルスの強さ（爆音の大きさ）が圧縮波の時間変化率に比例することから、図１３に示すように、従来例（線図Ｂ）では最大変化率が１００００Ｐａ／ｓであるのに対し、本発明例（線図Ａ）では最大変化率が６０００〜７０００Ｐａ／ｓであるから、本発明例は従来例の２／３程度に微気圧波によって生じる爆発音を低減できると推測される。なお、本発明例（線図Ａ）では０．７〜０．８秒付近にも最大変化率６０００Ｐａ／ｓ前後のピークができるが、このピークはダクト４の吐出口３から生じる圧力上昇の影響である。
【００５３】
ところで、図１４は車体１の先頭部正面に２ｍ2〜３．５ｍ2の開口断面（大きさ）の吸込口２を車体１の先頭部に配置した具体的な配置図を表すもので、本例では先端領域Ｆの下部に左右一対の吸込口２・２を設け、車体１の後方の両側面下部に設けた吐出口３とをダクト４にて接続している。なお、図１４中の符号７は前照灯を示すものである。
【００５４】
図１５は本発明の車体構造に関する実施例を表す先頭車両の車体先頭部を示す斜視図、図１６は従来技術に係る車体構造に関する図１５に対応する斜視図である。図１６に示すように、車体１”の先頭部には運転室が配置されるが、通常、運転室の窓部５は視界を良くするために、前方あるいは上方に突出して設けられる。また、運転室窓部５は車体１”の先頭部を前後方向に三等分した場合の中間領域Ｍに配置されることが多い。この中間領域Ｍは微気圧波を低減するために他の領域（先端領域Ｆおよび後方領域Ｂ）に比べて断面積変化率を小さくすることが望ましいが、運転室窓部５を外方に突出して設けたことによって断面積変化率が大幅に増加することになるため、図１６では運転室窓部５の周辺に凹所９を設けて断面積変化率を低減させている。しかし、凹所９を形成するとなると、車体１”の表面形状は凹凸の変化が非常に激しくなり、車体１”の表面形状は極めて複雑になる。そこで、本発明に係る車体１では凹所９を設ける代わりに、図１５のように運転室窓部５の両側に沿ってそれぞれ上下一対の吸込口２・２を設け、ダクト４・４を通して圧力を逃がして圧縮波の発生を抑制するから、車体１の設計が簡単になって製作も極めて容易になる。
【００５５】
上記の図１２・図１３の線図から、吸込口２（いいかえればダクト４）を設ける作用効果として、車体１の投影面積（横断面積）を吸込口２（ダクト４）の開口断面に相当する分だけ小さくするのと同じ作用効果があることが分かる。したがって、車体１の正面から見た外形線内の適所に吸込口２を設けることにより、車体１の横断面積を縮小したのと同様に微気圧波の発生を低減する効果が生じる。ただし、横断面積を縮小する場合と違って、吐出口３の位置で縮小した横断面積に相当する分の圧力上昇が起こるので、吸込口２と吐出口３の間の距離を十分に離すことが大切である。
【００５６】
【発明の効果】
以上説明したことから明らかなように、本発明に係る車体構造によれば、下記のような優れた効果がある。
【００５７】
(1) 請求項１の発明では、トンネル内に先頭車両が突入する際に生じる圧縮波（微気圧波）の一部が吸込口からダクトを通って吐出口よりスムーズに逃げるとともに、車体先頭部外形線内に吸込口を設けて先頭形状の車体横断面積の変化率から微圧力波が求められる理論に基づき先頭形状を最適化しているので、トンネル内突入時に発生する微気圧波の圧力勾配の時間変化を低減することができる。この結果、トンネル出口で発生する爆発音を小さくしたり、出口周辺での家屋の振動などを削減できる。
【００５８】
また、吸込口を設けることにより、凹所を設けたのと同様な微気圧波低減の効果を発揮させることができるので、凹所を設けるのに比べて車体表面の凹凸形状をシンプルにでき、車体の設計だけでなく実際の製作が容易になる。
吸込口の大きさを前記車体先頭部の正面からの投影面積の１／３〜１／５（具体的には２〜３.５ｍ2）としているので、車体表面に吸込口を設けたことによる微気圧波低減の効果を有効に発揮する。
【００５９】
(2) 請求項２の発明では、吸込口側の開口に比べて吐出口の大きさを小さくできることから、配置に制約を受けにくくなるとともに、左右の吐出口の位置を車体の前後方向にずらせることによって微気圧波の圧力変化を３段階に分散させることもできる。
【００６０】
(3) 請求項３の発明では、対向車とのすれ違い時の車体の揺れや振動を抑制することができる。
【００６１】
(4) 請求項４の発明では、床下機器室内に空気を送り込めるので、機器室内の機器を冷却したり、エアコンディショナーなどの新鮮な空気を必要とする機器への空気の供給ができる。
【００６２】
【００６３】
(5) 請求項５の発明では、微気圧波が少なくとも２段階に分散されて低減されて生じ、１段目と２段目の微気圧波の生じる距離が十分に離れているので、トンネルの距離が余程長くならない限り、トンネル出口で分散された微気圧波が同時に発生することが阻止される。
【００６４】
(6) 請求項６の発明では、運転室窓部を中間領域に配置し、その周辺に凹所を設けて断面積変化率を低減させる代わりに、吸込口を設ければよいから、車体の設計が簡単になるだけでなく、製作が極めて容易になって、製作に要する期間の短縮を図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１実施例に係る先頭車両の車体構造を示すもので、図１(ａ)は平面図、図１(ｂ)は側面図である。
【図２】  本発明の第２実施例に係る先頭車両の車体構造を示すもので、図２(ａ)は平面図、図２(ｂ)は側面図である。
【図３】  本発明の第３実施例に係る先頭車両の車体構造を示すもので、図３(ａ)は平面図、図３(ｂ)は側面図である。
【図４】  本発明の第４実施例に係る先頭車両の車体構造を示すもので、図４(ａ)は平面図、図４(ｂ)は側面図である。
【図５】  本発明の第５実施例に係る先頭車両の車体構造を示すもので、図５(ａ)は平面図、図５(ｂ)は側面図である。
【図６】  本発明の第６実施例に係る先頭車両の車体構造を示すもので、図６(ａ)は平面図、図６(ｂ)は側面図である。
【図７】  本発明の第７実施例に係る先頭車両の車体構造を示すもので、図７(ａ)は平面図、図７(ｂ)は側面図である。
【図８】  本発明の第８実施例に係る先頭車両の車体構造を示すもので、図８(ａ)は平面図、図８(ｂ)は側面図である。
【図９】  本発明の第９実施例に係る先頭車両の車体構造を示すもので、図９(ａ)は平面図、図９（ｂ）は側面図である。
【図１０】  従来の一般的な先頭車両の車体構造を示すもので、図１１(ａ)は平面図、図１１(ｂ)は側面図である。
【図１１】  本発明の実施例に係るダクト付き車体の断面積分布を表す模式図である。
【図１２】  図１７に示す条件に基づいて求めた本発明のダクト付き車体モデルによる圧力変化線図である。
【図１３】  図１２の圧力変化線図を時間（ｓ）で微分して求めた線図で、時間に対する圧力の変化率を表している。
【図１４】  本発明の第１０実施例に係る車体１の先頭部正面に２ｍ2〜３．５ｍ2の開口断面（大きさ）の吸込口２を車体１の先頭部に配置した具体的な配置図を表す斜視図である。
【図１５】  本発明の車体構造に関する第１１実施例を表す先頭車両の車体先頭部を示す斜視図である。
【図１６】  従来技術に係る車体構造に関する図１５に対応する斜視図である。
【図１７】  本発明の実施例に係るダクト付き車体がトンネルに突入する際の×位置で測定した圧力変化線図である。
【符号の説明】
１・１1・１2・１3・１4・１5・１6・１7・１8・１9…車体（本発明例）
１'・１"…車体（従来例）
２…吸込口
３…吐出口
４…ダクト
５…運転室窓部
６…床下機器室
７…前照灯
９…凹所
Ｔ…トンネル
【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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