(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両屋根に設置され集電装置の周囲を取り囲む防風カバーであって、車両進行方向に沿って延びる前後のスロープ部と集電装置の左右に位置する側壁部とから成り、前記スロープ部の最大高さ寸法が集電装置を支持する碍子部分の高さ寸法と同程度に設定され、前記スロープ部の前後方向に対して垂直方向の断面積の変化率がほぼ一定に設定され、一方のスロープ部の断面積変化率の値は他方のスロープ部の断面積変化率の値より小さく設定され、車両屋根に設置するに際し、断面積変化率が小さく形成されている方のスロープ部が、列車端部に近い方となるように設定されていることを特徴とする集電装置の防風カバー。
【請求項２】
前記防風カバーは、外表面のほぼ全体が連続する湾曲面に形成されている請求項１に記載する集電装置の防風カバー。
【請求項３】
前記スロープ部は、幅寸法及び勾配がほぼ一定の傾斜平面に形成され、断面積の変化率が大きい方のスロープ部の勾配が１０〜２０度の範囲に設定され、もう一方のスロープ部の勾配は上記スロープ部の勾配より小さく設定されている請求項１に記載する集電装置の防風カバー。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、鉄道車両の屋根に据え付けた集電装置から発生する空力音の低減化のため設置される防風カバーの改良に関し、列車がトンネル内へ突入する際に発生する微気圧波の緩和を図ることを目的とする。
【０００２】
【定義事項】
本明細書において「前・後・左・右」とは、それぞれ車両の進行方向に対する前・後・左・右を言うものとする。また「断面積」とは、進行方向に対し垂直な方向における断面の面積を言うものとする。さらに「断面積変化率」とは、断面積の進行方向に沿って変化する割合を言うものとする。
【０００３】
【従来の技術】
列車がトンネル内へ突入すると、トンネル内に圧縮波が生じ、これがトンネル内を伝播して出口側からトンネル微気圧波として周囲へ伝わる。トンネル微気圧波のエネルギーレベルが大きいと衝撃音となり、トンネル出口周辺の環境に悪影響を及ぼすおそれがある。そこでトンネル微気圧波を低減するため、各種の地上対策や車両対策が採られている。
【０００４】
トンネル内に発生する圧縮波の圧力勾配は、トンネル内へ突入する物体の断面積変化率に依存し、トンネル微気圧波の大きさはトンネル出口における圧縮波の圧力勾配に比例することが分かっている。車両対策としては、先頭車両の形状を先鋭化して断面積変化率を小さくすることにより、圧縮波の圧力勾配を小さくすることが採用されている。他方、トンネル微気圧波に対する地上対策として、トンネル入口に、図５に示すような緩衝工１を設置することが採用されている。緩衝工１は、列車Ａがトンネルに突入する際に発生する圧縮波の圧力勾配を緩和することにより、トンネル微気圧波を低減させるものである。
【０００５】
ところで、鉄道車両の屋根に設置される集電装置は列車走行中に気流が当たって空力音を発生させ、その空力音レベルは走行速度の上昇に伴って増大する。そこで、高速走行する新幹線では、空力音低減化対策として集電装置の周囲を取り囲む防風カバーを設けている。しかるに防風カバーは、列車の断面積変化をもたらすから、トンネル微気圧波の発生源となり得ると予測される。但し、走行速度が時速２７０ｋｍまでのときには、列車先頭部によって発生するトンネル微気圧波だけを問題とすればよく、防風カバーから発生する微気圧波についてはレベルが充分に小さいので無視することができた。
【０００６】
ところが新幹線の走行速度が時速３００ｋｍ近くなると、防風カバーに由来するトンネル微気圧波のレベルが無視できない大きさとなり、適当な対策が必要とされるようになった。そこで現在、時速２７０ｋｍ以上の走行速度で営業運転している５００系，７００系については、それ以前よりも投影面積が小さい小型の防風カバーを設置することにより、トンネル微気圧波を低減させている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
列車がトンネル内へ突入する際に発生するトンネル微気圧波を低減するため、トンネル入口に緩衝工を設置した場合において、ある条件では列車先頭部及び防風カバーそれぞれにより発生する微気圧波が重なり合って微気圧波レベルが増大するという問題が発見された。すなわち、トンネルの入口側に設置した緩衝工の長さより列車の先頭から防風カバーまでの距離が短い場合、上記問題の生ずることが分かった。
【０００８】
図６は、緩衝工の長さをＬ、列車先頭部から防風カバーまでの距離をＳとし、Ｓ＜Ｌであるときに、列車が速度Ｖでトンネル内へ進入した場合におけるトンネル内の圧力変動を観測した結果を示すものである。同図のグラフにおいて、縦軸は列車の先頭部が緩衝工に突入した瞬間からの経過時間（Ｔ）を示し、横軸はトンネル本坑入口からの距離（Ｘ）を表している。またグラフ中の実線で描いた斜線は、列車先頭部及び防風カバーの移動軌跡を示し、点線による斜線は、列車先頭部及び防風カバーから発生する圧縮波を示している。
【０００９】
まず、列車先頭部が緩衝工内へ突入する（時間ｔ0 ）ことによって圧縮波が伝播し、トンネル内に第１の圧力変動が生起する（波形▲１▼参照）。次に、防風カバーが緩衝工内へ突入する（時間ｔ1 ）と、これによって新たな圧縮波が生じ、第２の圧力変動をトンネル内に生じさせる（波形▲２▼参照）。前述のとおり、列車先頭部から防風カバーまでの距離Ｓは緩衝工の長さＬよりも短いので、列車先頭部がトンネル本坑内へ突入する（時間ｔ2 ）前に、防風カバーが緩衝工内へ突入する。その結果、ある時間範囲αでは、列車先頭部による圧力変動▲１▼と、防風カバーによる圧力変動▲２▼とが重なり、圧力勾配の最大値が増大して、レベルの高い微気圧波を発生させる。
【００１０】
なお図５に示すように、緩衝工１には複数のスリット２，２が形成され、列車Ａの先頭部や防風カバーがこのスリット２，２の間を通過するときにも圧縮波が発生する。そして、この圧縮波についても、列車先頭部から防風カバーまでの距離Ｓが緩衝工の長さＬより短いときには、重なり合ってトンネル微気圧波を増大させる場合のあることが分かっている。
【００１１】
従来は前記問題を防ぐため、列車先頭部から防風カバーまでの距離Ｓを、鉄道路線に設置されている緩衝工Ｌの最大長さよりも大きく設定することにより、列車先頭部による圧力変動と防風カバーによる圧力変動とが重なり合うのを防止している。しかしながら上記対策は、列車編成が充分に長い場合にのみ採用可能であり、短編成列車には適用することができないという問題がある。具体的には、現行の山陽新幹線では、最長の緩衝工の長さが４９ｍであり、新幹線１車両の長さは約２５ｍ程度なので、圧力変動の重なりを避けるには、防風カバーを２両目の後方部以降に設置しなくてはならない。また、離線による集電電流の途切れ・スパークの発生・集電装置の摺板の摩耗等を防ぐため、列車１編成あたり少なくとも２基以上の並列接続した集電装置を設置し、且つ、その間隔は、高速時に良好な集電性能を確保するため３両程度離すことが必要とされている。かかる条件を満足させるには、図７に示す如く、従来の新幹線Ａは最低７両編成を要し、防風カバーＣを列車両端からそれぞれ３両目に設置しなくてはならない。すなわち新幹線を６両以下の短編成とすると、列車Ａの先頭部から防風カバーＣまでの距離Ｓを充分に確保する事と、２基の集電装置の間隔を車両３両分以上とする事とを両立させるのが不可能である。しかるに列車の短編成化は、コスト削減の有効な手段であるので、短編成化に伴うトンネル微気圧波増大の問題を解決することが切望されている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記従来の課題に鑑み、列車を短編成化してもトンネル微気圧波の増大を抑制することの可能な防風カバーを提供するものである。本発明に係る防風カバーの特徴とするところは、車両屋根に設置され集電装置の周囲を取り囲む防風カバーであって、車両進行方向に沿って延びる前後のスロープ部と集電装置の左右に位置する側壁部とから成り、前記スロープ部の最大高さ寸法が集電装置を支持する碍子部分の高さ寸法と同程度に設定され、前記スロープ部の前後方向に対して垂直方向の断面積の変化率がほぼ一定に設定され、一方のスロープ部の断面積変化率の値は他方のスロープ部の断面積変化率の値より小さく設定され、車両屋根に設置するに際し、断面積変化率が小さく形成されている方のスロープ部が、列車端部に近い方となるように設定されていることにある。
【００１３】
前記防風カバーは、外表面のほぼ全体を連続する湾曲面に形成することができる。あるいは前記スロープ部を、幅寸法及び勾配がほぼ一定の傾斜平面に形成することもできる。この場合、断面積の変化率が大きい方のスロープ部の勾配を１０〜２０度の範囲に設定し、もう一方のスロープ部の勾配を上記一方のスロープ部の勾配より小さく設定する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
〔第１の実施形態〕
本発明に係る防風カバーの一実施形態を図１に示す。この防風カバー１０は、集電装置Ｑの前後に延びるスロープ部１１，１２と、集電装置Ｑの左右側方に位置する側壁部１３とから成り、外表面のほぼ全体を連続する湾曲面に形成したものである。前後のスロープ部１１，１２と左右の側壁部１３，１３とで囲まれる領域は、集電装置Ｑが配設されるキャビティ１５となされている。側壁部１３には、集電装置Ｑの折り畳み時にホーン部ｈとの間の絶縁離隔を確保するため、切欠１４が設けられている。スロープ部１１，１２は車両進行方向に対して垂直方向の断面積が、前端及び後端から中央部へ向かって一定の比率で連続的に増加するように設定されている。かかる形態は、集電装置Ｑの舟体ｆに当たる風の流れの安定化、防風カバー１０自体から発生する空力音レベルの低下、及び防風カバー１０による圧力変動の緩和に対して有効である。スロープ部１１，１２の最大高さ寸法は、集電装置Ｑを支持する碍子部分Ｇの高さ寸法とほぼ等しくなされている。なおスロープ部１１，１２の長さが同じであれば、スロープ部１１，１２の最大高さ寸法を小さく制限することにより、又は、断面積の変化率を一定値とすることにより、変化率の最大値を小さく抑えることができる。
【００１６】
本例の防風カバー１０は、２つのスロープ部１１，１２を、いずれも断面積変化率を一定とするが、一方のスロープ部１１の長さを、他方のスロープ部１２より長くしたところに特色を有している。これによって、一方のスロープ部１１の断面積変化率の値が、他方のスロープ部１２の断面積変化率の値より小さくすることができる。当該防風カバー１０によって得られる利点を説明すると、以下のとおりである。
【００１７】
本発明の防風カバー１０は、車両屋根に設置するに際しては、図２に示すように、断面積変化率の小さい方、つまり長さの長い方のスロープ部１１が列車端部に近くなるよう設定する。かかる構成により、列車進行方向の前側に位置する防風カバー１０については、断面積変化率の値が小さい方のスロープ部１１が前側に位置することになる。それ故、列車がトンネルに突入する際に防風カバー１０から発生する圧縮波の圧力勾配を小さくすることができ、仮に、防風カバーの圧縮波と列車先頭部の圧縮波とが重なったとしても、トンネル出口側で生ずる微気圧波の増大を抑制することができる。もう一方のスロープ部１２については、断面積変化率が前側より大きいけれども、列車進行方向の後側に位置しており、列車進行方向へ向かって断面積が減少するから、圧縮波を発生させない。また列車が逆向きに走行する場合は、列車先頭部からの距離が遠くなるため、ここから発する圧縮波が、列車先頭部の圧縮波と重なることがない。
【００１８】
また本発明の防風カバー１０を用いると、集電装置Ｑの位置を車両台車の直上から離れる方向へ移動させなくて済むという利点が得られる。集電装置Ｑは、トロリー線との偏倚を一定範囲内に保つため、車両台車の直上付近に配置することが好ましい。ところで、防風カバーによるトンネル微気圧波の増大を緩和するためにスロープ部の断面積変化率を小さくするだけであれば、単に防風カバーの全長を大きくしてスロープ部を長くしてやればよい。しかしそうすると、１車両内に防風カバーを納めるには、集電装置の位置を車両中央側へ移動させねばならなくなる。集電装置が車両台車の直上位置から離れると、列車が曲線部分を走行するときに集電装置とトロリー線との偏倚が大きくなり、集電作業に支障をきたすおそれがある。そこで、集電装置の位置を変えずに、防風カバーの長さを前後に延長することも考えられるが、この場合は、少なくとも一方のスロープ部を車両を跨いで設けねばならなくなり、騒音の増大を招く。これに対し本発明に係る防風カバー１０は、進行方向前側のスロープ部１１だけを長くし、後側のスロープ部１２の長さは従来と変えないので、車両後方側へ配置することにより、集電装置Ｑの位置を車両後方側の台車直上付近とすることができ、且つ、後側のスロープ部１２が車両を跨ぐことがない。
【００１９】
本発明に係る防風カバー１０は、前述のような利点に基づき、列車の短編成化を可能とする。例えば新幹線では、２基以上の集電装置を３両程度の間隔を置いて設置することが必要であるから、図２に示す如く、本発明防風カバー１０を両端車両ａ1 ，ａ2 にそれぞれ配設することにより、５両編成の新幹線列車Ａとすることができる。各防風カバー１０は、両端車両ａ1 ，ａ2 が先頭となるときの後部側に設置され、断面積変化率の小さい方のスロープ部１１が前側となるように設定される。これにより、トンネル進入時に列車先頭部と防風カバーとから発生する圧縮波が重なったとしても、防風カバーによる圧力勾配を小さく抑えられるので、トンネル微気圧波の増大を避けることが可能となる。
【００２０】
〔第２の実施形態〕
図３は、本発明に係る防風カバー１０の異なる実施形態を示すものである。同防風カバー１０は平面形状がほぼ長方形であって、前後のスロープ部１１，１２が一定勾配の傾斜平面に形成され、側壁部１３，１３は起立平面で形成されている。また本例の防風カバー１０では、スロープ部１１，１２の上端から集電装置Ｑを収納するキャビティ１５までの間に水平部１６を設けて、集電装置Ｑに当たる気流の安定化を図っている。
【００２１】
当該防風カバー１０が列車走行時に先頭部に近い方の防風カバーとなる場合において、進行方向前側となる方のスロープ部１１は、後側のスロープ部１２よりも勾配を小さく設定することにより、断面積の変化率を小さくしている。断面積変化率の値が大きい方の後側のスロープ部１２は、その勾配が１０〜２０度の範囲に設定される。勾配を１０度未満にすると、当該スロープ部１２の長さが長くなり、防風カバー１０を一車両内に納めるのが難しくなる。勾配が２０度を越えると、当該スロープ部１２が前側となる向きに列車が走行したとき、集電装置Ｑに当たる気流が、スロープ部１２で跳ね上がって上向き仰角の気流となるため、集電装置Ｑに過大な揚力を発生させるおそれがある。
【００２２】
〔第３の実施形態〕
図４に、本発明に係る防風カバー１０のさらに異なる実施形態を示す。この実施形態は、防風カバー１０における側壁部１３の外側に、遮音壁１７を立設したものである。上記遮音壁１７は、側壁部１３に形成した切欠１４から漏れ出る騒音の低減化を目的とする。上記遮音壁１７は断面積を小さくできるので、トンネル微気圧波に対する影響は少ない。しかし、トンネル微気圧波の低減化を確実にするため、スロープ部１１と遮音壁１７と合わせた断面積変化率が一定となるように構成することも可能である。
【００２３】
〔その他の実施形態〕
本発明に係る防風カバーとしてほぼ全体を湾曲面とする形態を採用する場合、例えば放物面体をその軸線を含む面で半分に切断した如き形状とすることができる。かかる形状もまた、断面積の変化率が一定である。また本発明に係る防風カバーは、短編成の列車に採用するのが好適であるが、通常編成の列車に適用することを妨げるものではない。その他、本発明は、実施の形態に即して適宜の変更又は応用を施すこと妨げない。
【００２４】
【発明の効果】
本発明に係る防風カバーによれば、列車の先頭部に近い方の防風カバーにおける進行方向前側のスロープ部の断面積変化率を、他方のスロープ部の断面積変化率より小さくすることができる。従って、トンネル進入時に圧縮波が重なり合う可能性の有る列車の先頭車両又は先頭近くの車両に、防風カバーを設置したとしても、トンネル微気圧波の増大を抑制することが可能となる。依って本発明は、新幹線等の高速で走行する列車の短編成化を実現できる。また本発明の防風カバーは、一方のスロープ部だけ断面積変化率を小さくしたので、車両の端部寄りへ設置することができ、従って、集電装置の位置を台車直上付近から移動させる必要がないという利点を有している。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係る防風カバーの第１の実施形態を示す斜視図である。
【図２】  本発明に係る防風カバーを設置した５両編成の列車を示す概略側面図である。
【図３】  本発明に係る防風カバーの第２の実施形態を示す斜視図である。
【図４】  本発明に係る防風カバーの第３の実施形態を示す一部切欠斜視図である。
【図５】  トンネル入口に設置される緩衝工の一例を示す斜視図である。
【図６】  緩衝工を設置したトンネルに列車が進入したときのトンネル本坑内における圧力変動状況を説明するグラフである。
【図７】  従来の列車編成の一例を示す概略側面図である。
【符号の説明】
１０…防風カバー  １１…スロープ部（進行方向前側）  １２…スロープ部（進行方向後側）  １３…側壁部  １４…切欠  １５…キャビティ  １６…水平部
１７…遮音壁  Ａ…列車  ａ1 ，ａ2 …端部車両  Ｑ…集電装置  ｈ…ホーン部
【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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