(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
胴と、該胴の長手方向の周囲に複数段の笠を配置して構成される絶縁碍子であって、
前記胴及び笠の横断面形状がだ円又は長円であり、
前記笠は、その径寸法が３種類であり、大径の笠に隣接して小径の笠が配置され、前記小径の笠に隣接して中径の笠が配置され、前記中径の笠の両側に前記小径の笠が配置され、前記大径の笠、中径の笠及び小径の笠が繰り返して配置されており、
前記各笠の間の前記胴円周部に形成される溝形状が断面Ｕ字形であり、
前記笠は、その表面に突起を有し、
前記突起は、前記だ円又は長円の長径方向に平行で、かつ、前記胴より外周側の前記笠に設置されている
ことを特徴とする絶縁碍子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、絶縁碍子に係り、特に高速走行する鉄道車両の集電装置に用いられるものに好適な低騒音絶縁碍子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
鉄道車両の高速化に伴う空力騒音は、速度の６〜８乗程度に比例して増加するため、車両速度の向上に伴い急激に増加する。一方、環境の保全に対する要求は今後ますます高まるものと考えられる。このため、高速で走行する車両では、主たる空力音源である集電装置の低騒音化が求められており、集電装置の一部品である絶縁碍子も低騒音化のための重要な構成要素である。
【０００３】
従来、鉄道車両用絶縁碍子としては、一般に円柱状の碍子胴に笠が複数個設けられている碍子が使われている。
【０００４】
高速車両用の低騒音絶縁碍子については、公知の技術として、特開平８−３３６２０３号明細書がある。これは従来の碍子の笠面に列車走行方向に設けた襞により、列車走行の直角方向の碍子の表面漏れ距離を拡大することで、碍子の列車走行直角方向の笠径寸法を小さく出来て、高速走行時の空気抵抗を小さくし、空力騒音も小さくしようとするものである。
【０００５】
また、特開平８−３２２１０２号明細書がある。これは、従来の碍子の笠面に表面粗さ要素を全面に配置し、笠間に発生する音響共鳴を抑制し、低騒音化を図るものである。
【０００６】
また、他の形状の絶縁碍子の公知の技術としては、［No.96-51］日本機械学会第５１回交通・物流部門大会講演論文集381〜382頁に長円またはだ円形状の碍子胴に笠が複数個設けられている構造の絶縁碍子が発表されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、鉄道車両用集電装置に用いるのに必要な電気絶縁性能を有しながら高速走行時の空力騒音を、上記した公知例の低騒音絶縁碍子とは別途の手段により、より以上低騒音化した絶縁碍子を提供する事にある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の特徴は、胴と、該胴の長手方向の周囲に複数段の笠を配置して構成される絶縁碍子の横断面形状をだ円もしくは長円とし、笠径寸法を３種類以上として大径の笠に隣接して小径の笠が配置され、前記小径の笠に隣接して中径の笠が配置され、前記中径の笠の両側に前記小径の笠が配置され、前記大径の笠、中径の笠及び小径の笠が交互にかつ、繰り返し配置されており、前記各笠の間の前記胴円周部に形成される溝形状が断面Ｕ字形にする事により、最大径の碍子笠先端間の空間絶縁距離を確保しつつ、笠間隔を小とする。また、碍子を長円もしくはだ円とした事により、周方向の面積が増大するために碍子全体の絶縁抵抗の低下が生じる。これを防ぐ目的で笠密度を向上し碍子の表面漏れ距離を増大し、碍子全体の絶縁性能を確保する。さらに、笠底部の碍子胴円周部での気流の増速機能を抑制し、また、笠面にだ円又は長円の長径方向に平行で、かつ、前記胴より外周側に突起を設けて笠間の流れの剥離を抑制することにより、碍子後方の渦の領域を制御して、かつ渦径を縮小する事により騒音低減を図るものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１に従来技術による絶縁碍子１の正面図を示し、図２に側面図を示す。軸Ａ方向が列車の走行方向である。また、図３に図２の断面I−Iを示す。図４に図２の断面II−IIを示す。
【００１０】
図３において、従来技術の絶縁碍子を車両速度（３５０ｋｍ／ｈ程度）と同一の流速の気流中に置いた場合の電子計算機による断面I−Iに相当する笠間の高さ位置における流れのシミュレーション結果の概略を示している。この結果に基づき、代表的に1対の笠間の流れについて考察する。
【００１１】
流体力学の教科書（例えば、牧野光雄著「流体抵抗と流線型」産業図書（株））によると、円柱面に沿う流れでは増速がおこり、主流速よりも早い流れが生ずる場合があり、平板面に沿う流れでは増速は起こらないと教えている。図３に示す様に、電子計算機によるだ円断面形状の碍子について笠間の流れの解析結果をみると、だ円柱面即ち碍子胴面近傍で主流速１０２よりも早い部分１０１が発生し、次第に成長し笠径全体に及ぶと胴面で剥離が生じ逆流域１０４が生ずる事が判明した。
【００１２】
また、流れの境界層の内部にはその流速分布に起因する強い渦度が潜在しており、図４に断面II−IIにおいて気流の後方より見た、主流と直交する方向に軸を持つ渦（以下、横渦と称す）の渦度分布のシミュレーション結果の一例を示している。
【００１３】
図４の強い渦度領域１０５は、碍子胴円周部で成長し、今、正に胴部より剥離した直後で、笠外周方向へ移動し、笠面の境界層内の強い渦度領域１０６を巻き込んで笠外周方向へ滑動しようとしている所である。
【００１４】
境界層が胴面及び笠面に張り付いている間は渦度は境界層内に潜在していると考えることが出来、動的な渦として振る舞うことはないが、境界層が一旦剥離すると渦度は動的な渦として顕在化し軸変換も含め自由に振る舞うようになる。
【００１５】
このような機構により、笠間で創成された渦は、笠間隔に依存した渦列として流れの後方へ放出され、これらの渦列が碍子騒音の主因であると考えられる。
【００１６】
このように、従来技術の絶縁碍子での騒音の主因を碍子胴部より剥離した強い渦度領域１０５が引金となり、笠面の強い渦度領域１０６と共に笠面を滑動することであると考えると、騒音低減のためにはこれを抑制する手段を設ければ良い。
【００１７】
図５に、本発明の一実施例の絶縁碍子の正面図を示し、図６に側面図を示す。軸Ａ方向が列車の走行方向である。また、図７に図５の断面III−IIIを示す。
【００１８】
図８に図５のＶＩ部の拡大図を示す。この図では笠１１〜１３と３種類の笠を交互にかつ、繰り返し配置し、かつ、笠底部の碍子胴円周部にＵ字形をした溝形状１４を設け、かつ、その溝形状１４で笠１１〜１３を連結して配置した形状としている。図８に示すように、笠１１〜１３は、笠１１の笠径が最も大きく、笠１２は笠１１よりも小さく、笠１３が笠１２よりも小さく、該笠１３が最も笠径が小さい構造となっている。前記笠１１に隣接して笠１３が配置され、前記笠１３に隣接して笠１２が配置されている。また、笠１２の両側に笠１３が配置された構造となっている。このように大径の笠１１に隣接して小径の笠１３を配置し、中径の笠１２を前記笠１３に隣接させるとともに、該中径の笠１２の両側に小径の笠１３を配置しており、このような笠１１〜１３の配置を繰り返す構造となっている。
【００１９】
絶縁碍子の横断面形状をだ円または長円形状とすることにより、円柱部の曲率変化をなだらかにし、胴面での剥離を遅らせる事が出来て、碍子後方の渦流の範囲を狭めることになり、結果として碍子騒音の低減に有効である。本発明ではさらに、笠間の碍子胴面の面積を絶縁性能を確保しつつ小さくすることにより碍子笠間での気流の流速を低減し、騒音低減を促進することが出来る。
【００２０】
すなわち、碍子笠を３種類以上とし、これを交互にかつ、繰り返し配置することにより、最大径の碍子笠先端間の空間絶縁間隔（約５０ｍｍ程度）を確保しつつ、笠の間隔を約１０〜１５ｍｍ程度以下とする。このことにより、碍子胴面の境界層は細かく分断され、かつ、笠面の境界層との干渉が起こり、弱い流れとなり、弱い渦度を持つことになる。
【００２１】
さらに、碍子胴円周部をＵ字形をした溝形状１４とすることにより胴面での境界層が厚くなり、すなわち、渦度が弱くなり剥離する力も弱くなる。
【００２２】
これらの結果として、笠間より放出された渦列の渦度も弱くなり、かつ、渦径が小さくなることにより、騒音周波数がより高周波側へ移動し、聴感補正効果も加わり体感的に騒音が低減される。
【００２３】
空力音は同じ強さの渦でも物体の近くにある渦からは大きな騒音が出て、物体から離れた渦からは小さな騒音が出る。本発明ではこの事に注目し、流れの剥離が遅れると物体と渦の距離が大きくなり、結果として騒音が低減することになるので、下記の考案を行った。
【００２４】
図９に図７の笠１１、１２に突起２１を碍子の長軸方向に、碍子胴径よりも外周側の笠面に取り付けた図を示す。この突起２１は、図１０（図５のＶ−Ｖ断面）、図１１（図５のＩＶ−ＩＶ断面）の通り、列車走行方向に、碍子の長軸方向に取り付けられている。
【００２５】
このような構造とする事により、碍子胴面で剥離した強い渦度１０５が笠面の強い渦度領域１０６を巻き込んで滑り出る時の抵抗を増大し、結果として妨害する事になり、剥離を遅らせることが出来る。これにより碍子と後方の渦流の領域との距離を拡大するが出来て、碍子騒音低減に有効である。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、笠底部の碍子胴面に断面がＵ字形をした溝形状を碍子胴円周方向に設けかつ、径寸法を３種類とする笠を交互にかつ、繰り返して配置し、かつ溝で連結して配置した事により、碍子胴面での気流の増速を抑え、笠間の流れの渦度を弱め、剥離する力を弱める事ができる。また、笠表面に列車走行方向に突起を設ける事により、この突起が抵抗になって碍子胴面と笠面の強い渦度領域との剥離を遅らせる事ができ、碍子と後方の渦流の領域との距離を拡大する事が出来る。その結果として絶縁碍子の高速走行時の空力騒音を低減できる。そして、結果として低騒音の高速鉄道車両用集電装置を提供できる事になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来例の絶縁碍子の全体構造を示す正面図。
【図２】従来例の絶縁碍子の全体構造を示す側面図。
【図３】従来例の絶縁碍子を車両速度と同一の流速の気流中に置いた場合の電子計算機による流れのシミュレーション結果を示す図２のI−I断面図。
【図４】従来例の絶縁碍子の電子計算機による横渦の渦度分布のシミュレーション結果を示す図２のII−II断面図。
【図５】本発明の一実施例の絶縁碍子の全体構造を示す正面図。
【図６】本発明の一実施例の絶縁碍子の全体構造を示す側面図。
【図７】本発明の一実施例を示す図５のIII−IIIに沿って断面した断面図。
【図８】本発明の一実施例を示す図５のVI部の拡大図。
【図９】本発明の一実施例の笠に突起を付けた場合を示す図５のVI部の拡大図。
【図１０】本発明の一実施例の笠に突起を付けた場合を示す図５のIV−IVに沿って断面した断面図。
【図１１】本発明の一実施例の笠に突起を付けた場合を示す図５のV−Vに沿って断面した断面図。
【符号の説明】
１…従来例の絶縁碍子
２…絶縁碍子
１１…笠（大径）
１２…笠（中径）
１３…笠（小径）
１４…Ｕ字溝形状
２１…突起
１０１…流れの増速域
１０２…流れの主流速域
１０３…流れの減速域
１０４…流れの逆流域
１０５…碍子胴部で成長した強い横渦の領域
１０６…笠面の強い横渦の領域
１０７…流れの逆流域による弱い横渦の領域
【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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