(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
上端に集電部を備えたシングルアームパンタグラフの下部を支持し、該シングルアームパンタグラフの昇降機構を格納するパンタグラフ台枠において、
該台枠は、台枠の走行方向に沿う中心位置より反なびき側にずれた位置の車幅方向へ延びる厚肉部と、
該厚肉部から前記反なびき側に徐々に肉厚が減じられて形成された反なびき側薄肉部と、
該反なびき側薄肉部よりも薄肉に形成され前記厚肉部からなびき側に徐々に肉厚が減じられて形成されたなびき側薄肉部と、
平面視中央に走行方向に沿って形成された凹溝部とを備え、
前記厚肉部から前記なびき側薄肉部および反なびき側薄肉部へ滑らかに連続する流線型で形成されていることを特徴とするパンタグラフ台枠。
【請求項２】
前記凹溝部の前記なびき側を上部が幅広の略台形状断面に形成したことを特徴とする請求項１に記載のパンタグラフ台枠。
【請求項３】
連続する曲面を形成して下面から突出させた脚部を設けたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のパンタグラフ台枠。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のパンタグラフ台枠と、一端が車体に固定され他端が前記パンタグラフ台枠を支持する低騒音ポリマ碍子とを具備し、前記パンタグラフ台枠と前記低騒音ポリマ碍子との間を滑らかに接続したことを特徴とする車両用集電体装置。
【請求項５】
走行方向に長い扁平断面形状を有し所定の間隔をもって配設された左右一対の前記低騒音ポリマ碍子が前記パンタグラフ台枠を支持することを特徴とする請求項４に記載の車両用集電体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電車等の車両に適用されるパンタグラフ台枠及び車両用集電体装置に係り、特に、高速走行を行う車両の車外騒音を低減するのに用いて好適な技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、鉄道車両の高速化が促進されているが、これに伴い車外騒音の低減が望まれている。
ところで、架線からの給電を受けて走行する鉄道車両などの車両においては、高速走行時における車外騒音の発生源の一つとして、パンタグラフなどで構成されている集電体装置から発せられる空力騒音がある。このような空力騒音を低減するため、従来の鉄道車両においては、たとえば図１６に示すようなパンタカバーを取り付けた集電体装置０１を採用したものがある。なお、図１６において、符号の０２は集電部（船体）、０３はシングルアームパンタグラフ、０４はパンタカバー、０５は車体屋根である。
【０００３】
上述した従来の集電体装置は、進行方向側面から見てく字状又は逆く字状に折曲した状態で使用されるシングルアームパンタグラフ０３が絶縁碍子及びパンタグラフ台枠を介して車体屋根０５上に設置され、絶縁碍子及び台枠の周囲がパンタカバー０４によって覆われている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述したパンタカバー０４を備えた従来の集電体装置０１は、高速鉄道車両全体の低騒音化が進み、そして走行速度がさらに高速化されるのに伴い、パンタカバー０４自体から発生する空力騒音が大きな問題になってきた。すなわち、従来は他の場所から発生する走行騒音が相対的に大きいものであったために、パンタカバー０４から発生する騒音はそれほど目立つものではなかったが、他の騒音値が下がるにつれて、集電体装置０１の低騒音化が車両全体の騒音レベルを下げるための重要な要因となってきた。
また、パンタカバー０４を備えた従来の集電体装置０１は、装置全体が大型化するという問題を有している。しかも、パンタカバー０４を設けることにより走行時の空気抵抗が大きくなるので、この空気抵抗が車体振動の原因となって乗り心地を悪化させ、高速走行の障害になるという問題もある。
【０００５】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、走行時の空力騒音を低減するとともに装置の小型化をも可能にするパンタグラフ台枠及び車両用集電体装置の提供を目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明においては以下の手段を採用している。
請求項１に記載のパンタグラフ台枠は、上端に集電部を備えたシングルアームパンタグラフの下部を支持し、該シングルアームパンタグラフの昇降機構を格納するパンタグラフ台枠において、該台枠は、台枠の走行方向に沿う中心位置より反なびき側にずれた位置の車幅方向へ延びる厚肉部と、該厚肉部から前記反なびき側に徐々に肉厚が減じられて形成された反なびき側薄肉部と、該反なびき側薄肉部よりも薄肉に形成され前記厚肉部からなびき側に徐々に肉厚が減じられて形成されたなびき側薄肉部と、平面視中央に走行方向に沿って形成された凹溝部とを備え、前記厚肉部から前記なびき側薄肉部および反なびき側薄肉部へ滑らかに連続する流線型で形成されていることを特徴とする。
【０００７】
このようなパンタグラフ台枠によれば、全体を流線形状としたことによって流れの乱れが少なくなるので、空力騒音は低減される。
また、このようなパンタグラフ台枠によれば、凹溝部がシングルアームパンタグラフの格納部となる。そして、このパンタグラフ台枠では、走行方向の両端部が薄肉の流線形状となるので、凹溝部における流れの乱れが少なくなって空力騒音は低減される。
【００１０】
請求項２に記載のパンタグラフ台枠は、前記凹溝部の前記シングルアームなびき側を上部が幅広の略台形状断面に形成したことを特徴としている。
【００１１】
このようなパンタグラフ台枠によれば、凹溝部に入り込もうとする流れは台形状断面の斜面に導かれて凹溝部の外へかき上げられるので、シングルアームと干渉する流れが低減される。
【００１２】
請求項３に記載のパンタグラフ台枠は、下面から連続する曲面を形成して突出させた脚部を設けたことを特徴としている。
【００１３】
このようなパンタグラフ台枠によれば、低騒音ポリマ碍子と滑らかに接続できて流れに乱れが生じにくくなるので、空力騒音の低減が可能となる。
【００１４】
請求項４に記載の車両用集電体装置は、シングルアームパンタグラフと、該シングルアームパンタグラフの下端部を支持し車幅方向へ延びる厚肉部からなびき側及び反なびき側へ肉厚を減じるとともに全体を流線形状にしたパンタグラフ台枠と、一端が車体に固定され他端が前記パンタグラフ台枠を支持する低騒音ポリマ碍子とを具備し、前記パンタグラフ台枠と前記低騒音ポリマ碍子との間を滑らかに接続したことを特徴としている。
【００１５】
このような車両用集電体装置によれば、流線形状のパンタグラフ台枠では流れの乱れが少なくなって空力騒音が低減され、さらに低騒音ポリマ碍子でも空力騒音が低減されるのに加えて、接続部における流れの乱れも少ないので、これらの相互作用により車両用集電体装置全体としての空力騒音低減が可能になる。
【００１６】
請求項５に記載の車両用集電体装置は、走行方向に長い扁平断面形状を有し所定の間隔をもって配設された左右一対の前記低騒音ポリマ碍子が前記パンタグラフ台枠を支持することを特徴としている。
【００１７】
このような車両用集電体装置によれば、パンタグラフ台枠を強固で安定した状態に支持することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るパンタグラフ台枠及び車両用集電体装置の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は車両用集電体装置の全体構成を示す斜視図で、符号の１は集電体装置、２は集電部（船体）、３はシングルアームパンタグラフ、６は低騒音ポリマ碍子、１０はパンタグラフ台枠（以下台枠と呼ぶ）である。
【００１９】
図１ないし図４に示した集電体装置１は、いわゆる新幹線のような高速走行を行う鉄道車両に使用するもので、低騒音ポリマ碍子６の下端面６ａが車体屋根５上に固定設置され、集電部２を図示省略の架線と接触させて車両の動力電源を取り込むための装置である。この集電部２は、進行方向の側面視がく字状又は逆く字状に折曲された状態で使用されるシングルアームパンタグラフ３の上端部に取り付けられ、進行方向と直交する車幅方向に延びる部材である。なお、図中の符号３ａはシングルアームパンタグラフ３がく字状に折曲される関節部を示しており、以下の説明では、シングルアームパンタグラフ３の関節部３ａが存在する側へ向けた走行方向をなびき側と呼び、これとは逆向きの集電部２が存在する側へ向けた走行方向を反なびき側と呼ぶ。
【００２０】
一方、シングルアームパンタグラフ３の下端部は台枠１０に支持されている。このようなシングルアームパンタグラフ３は、く字状の使用時（走行時）において集電部２を上向きに付勢することで集電部２と架線との良好な接触状態を維持する機能に加えて、く字状の使用状態及び降下させて折りたたんだ不使用状態の切換操作をする昇降機能を備えており、このための昇降機構は台枠１０の内部に格納されている。
この台枠１０は、左右一対の低騒音ポリマ碍子６により支持されている。ここで使用する低騒音ポリマ碍子６は、特開平９−１３０９０７号公報に記載されている空力騒音の低減に有効な絶縁碍子に関する公知技術を使用したものであり、水平断面を走行方向に長い長円や楕円のような扁平形状として、外周面に凸状の襞６ｂを複数段設けた碍子である。
【００２１】
さて、上述した台枠１０の形状及び構成の第１の実施形態を図５及び図６に基づいて詳細に説明する。図５は台枠１０の外形形状を示す斜視図であり、その平面図を図６（ａ）に、正面図を図６（ｂ）に、そして右側面図を図６（ｃ）に示している。ここに示した台枠１０は、全体を滑らかな流線形状に成形したもので、矢印Ｒで示す走行方向の中心位置よりいずれか一方（図５では右斜め上方）にずれた厚肉部１１から車両の両走行方向へ向けて徐々に肉厚が減じられ、両端部にそれぞれなびき側薄肉部１２及び反なびき側薄肉部１３が形成されている。この場合の厚肉部１１は、シングルアームパンタグラフ３を昇降可能に支持する昇降機構３０の主軸３１（図７及び図８参照）及びその支持部３２を格納するための部分であり、走行方向の中心より反なびき側に位置し、走行方向と直交するように設けられている。また、図７及び図８において、符号の３３は主ばね、３４は下げシリンダ、３５はダンパを示しており、いずれも主軸３１とともに昇降機構３０を構成する主要な部材である。なお、ここで示した昇降機構３０は一般的なものであるので、その構成及び作動に関する詳細な説明は省略する。
【００２２】
ところで、空力騒音を低減するためには台枠１０をできる限り薄い形状とするのが好ましいのであるが、台枠１０の形状を決める際には、シングルアームパンタグラフ３の昇降機構３０を格納するために必要なスペースを確保することも考慮しなければならず、結果的には昇降機構３０の主軸３１を配設する位置が最も厚肉となる。換言すれば、厚肉部１１には、昇降機構３０のうち少なくとも主軸３１が格納されることになる。このため、昇降機構３０の格納スペースを確保できる最小の厚肉部１１を定め、この厚肉部１１から両走行方向のなびき側薄肉部１２及び反なびき側薄肉部１３へ滑らかに連続する流線形を形成している。この結果、なびき側薄肉部１２が反なびき側薄肉部１３より全体的に薄肉となっている。また、走行方向と直交する車幅方向についても、段差のない滑らかな曲線を形成するような形状にしてある。
【００２３】
さらに、台枠１０の平面視中央には、走行方向に延びる凹溝部１４が上面に形成されている。この凹溝部１４は、不使用時に降ろしたシングルアームパンタグラフ３を格納する略矩形断面のスペースであり、底面１４ａの角部を除いて、この凹溝部１４も台枠１０の全体形状を形成する走行方向の流線形及び車幅方向の曲面から段差なく続く滑らかな曲線で形成されている。
【００２４】
また、台枠１０の下面には、低騒音ポリマ碍子６と滑らかに連続するよう接続される左右一対の脚部１５，１５が突設されている。この脚部１５は、車幅方向に滑らかに膨出させた平面視中央の幅広部分に位置し、低騒音ポリマ碍子６の断面形状に一致させて走行方向に長い長円や楕円などの扁平形状とする。これにより、脚部１５の下端面と低騒音ポリマ碍子６の上端面とがきっちりと一致するようになり、接続部に段差が生じないようにしてある。なお、脚部１５が台枠１０の下端面から突出する部分は、いずれも台枠１０から滑らかに連続する曲面を形成している。
【００２５】
図９及び図１０は、上述した台枠１０の変形例を示したもので、凹溝１４の断面形状が一部異なっている。この場合、厚肉部１１から遠いなびき側薄肉部１２の凹溝部１４が異なる断面形状を有しており、その断面形状は、上面側を広くするよう斜めに切り欠いた略台形状にしてある。したがって、このような断面形状を有する凹溝部１４を以後凹溝幅広型台枠１０Ａと呼び、上述した（矩形凹溝型）台枠１０と区別する。換言すれば、凹溝幅広型台枠１０Ａには、昇降機構３０の主軸３１が存在する位置から走行方向に遠いなびき側薄肉部１２側に、断面形状を略台形状とした幅広凹溝部１４Ｂを形成してある。なお、このように主軸３１から遠くシングルアームパンタグラフ３の関節部３ａが存在する側へ向けた走行方向をなびき側と呼び、これとは逆向きの集電部２が存在する側へ向けた走行方向を反なびき側と呼ぶ。
【００２６】
かくして、矩形凹溝型台枠１０及び凹溝幅広型台枠１０Ａはともに、走行方向の左右が対称の形状をしており、このような台枠１０（又は１０Ａ）を使用した集電体装置１もまた左右対称に構成されている。このような集電体装置１を装備した車両は、通常方向転換することなく両走行方向に向けて往復走行するので、複数の車両を連結してなる１編成においては、シングルアームパンタグラフ３の向きが異なるもの、すなわちく字状及び逆く字状をバランスよく組み合わせている。したがって、複数の集電体装置１を備えた１編成の電車には、なびき側及び反なびき側に向けて走行するシングルアームパンタグラフ３が存在し、それぞれのシングルアームパンタグラフ３は、往路と復路とではなびき側・反なびき側が逆になって走行する。
【００２７】
さて、上述した矩形凹溝型台枠１０及び凹溝幅広型台枠１０Ａを使用した集電体装置の空力騒音低減効果を確認するため、風洞試験を実施して従来構造のものと比較した。この比較試験では、図１６に示すパンタカバー０４を設けた従来型（ケース１）と、図１３及び図１４に示した従来台枠２０に低騒音ポリマ碍子６を組み合わせた従来型台枠（ケース２）と、図２ないし図６に示した矩形凹溝型台枠（ケース３）と、図９及び図１０に示した凹溝幅広型台枠（ケース４）との四つのケースを実施した。すなわち、パンタカバー０４が存在するケース１以外の３つのケース（ケース２〜４）については、台枠形状以外の部分は全く同じ条件にしてある。
【００２８】
ここで、図１３及び図１４に示した従来型台枠２０について簡単に説明しておく。この従来型台枠２０は、走行方向に延びる凹溝部２１を備えて走行方向及び車幅方向に左右対称な形状になっており、側面視は中央部を厚くした略台形状で全体的に肉厚である。この従来型台枠２０は、パンタカバー０４を備えた従来型集電体装置０１で使用していたものであり、図１３及び図１４に想像線で示すように、従来型台枠２０の上端面がパンタカバー０４内に完全に収まるようになっている。したがって、従来型台枠２０は、空力騒音に対して特別な配慮をした形状のものではなく、昇降機構３０を格納するスペースの確保に重点をおいて厚みを含めた全体の形状が決められたものである。
【００２９】
図１５は、従来型台枠２０のなびき時及び反なびき時における流れを示したもので、（ａ）のなびき時にはシングルアームパンタグラフ３に沿って流れが凹溝部２１に入り込み、凹溝部２１内のアームと干渉を起こす。このため、（ｂ）の反なびき時に比べてなびき時の騒音が大きくなることがわかったので、台枠１０が薄いほど流れの干渉が小さくなり、結果的に空力騒音が低くなるという推測がなりたつ。ここで、なびき時とはシングルアームパンタグラフ３の関節部３ａ側へ向けて走行する場合のことであり、走行風はシングルアームパンタグラフ３の鋭角側から流れてくる。また、反なびき時とはなびき時と逆向きの場合であり、集電部２が取り付けられている方向に向けて走行することにより、走行風はシングルアームパンタグラフ３の鈍角側から流れてくる。
【００３０】
このような背景から考えられたのが上述した矩形凹溝型台枠１０及び凹溝幅広型台枠１０Ａであり、昇降機構３０を格納するという制約から主軸３１が存在する部分に厚肉部１１を設けるとともに、該厚肉部１１から全体を滑らかな流線形にしてなびき側薄肉部１２及び反なびき側薄肉部１３を形成している。また、なびき側に幅広凹溝部１４Ｂを設けることにより、凹溝部１４に入り込もうとする流れ（走行風）が凹溝部１４の外へかき上げられて干渉音が低減されると考えられる。
【００３１】
図１１及び図１２は、上述した４つのケースについてそれぞれ模型を使用した風洞実験の結果を示したもので、図１１がなびき時、図１２が反なびき時の場合である。
この実験結果を見ると、矩形凹溝型台枠１０及び凹溝幅広型台枠１０Ａは、なびき時及び反なびき時ともに、パンタカバー０４を備えた従来型の装置と比較した場合だけでなく、従来型台枠２０を用いたケース２と比較した場合にも略全ての周波数域で低騒音になっているのがわかる。これは、台枠形状を薄型の流線形にしたことに加えて、低騒音ポリマ碍子６との接続部も滑らかに一体化したためであり、台枠１０，１０Ａ及び低騒音ポリマ碍子６そのものから出る騒音が低減されたことが原因と思われる。また、従来型台枠２０と比較しても騒音値が低下していることは、台枠１０，１０Ａ及び滑らかな一体化に原因があると考えられる。
【００３２】
そして、矩形凹溝型台枠１０及び凹溝幅広型台枠１０Ａでは、特に従来型台枠２０のなびき時において、４００Ｈｚ前後の周波数領域に存在していた騒音レベルのピーク値がなくなっている。このピーク値は、シングルアームパンタグラフ３により凹溝部１４内の流れが乱されることに原因があると考えられ、気流糸による実験でも、従来型台枠２０のなびき時には、このようなピーク値が存在しない反なびき時と比較して、流れの乱れが大きいことが確認されている。矩形凹溝型台枠１０及び凹溝幅広型台枠１０Ａを使用した同様の実験では、なびき時でも流れの乱れが少ないことが確認されており、台枠形状の変更によりなびき時のピーク値が解消されたことを裏付けている。
【００３３】
また、矩形凹溝型台枠１０と凹溝幅広型台枠１０Ａとを比較した場合、なびき時の略３００Ｈｚ〜４０００Ｈｚの周波数領域では、略１０００Ｈｚ周辺の周波数領域を除いて、凹溝幅広型台枠１０Ａが矩形凹溝型台枠１０より低騒音になっているのがわかる。これは、なびき側に設けた幅広凹溝部１４Ｂに原因があると考えられ、凹溝部１４に入り込もうとする流れ（走行風）が斜面に導かれて凹溝部１４の外側へかき上げられ、結果的に凹溝部１４を通過する流れの絶対量が減少してシングルアームパンタグラフ３との干渉音が低減されたことを裏付けている。
【００３４】
上述した車両用集電体装置１では、パンタグラフ台枠１０，１０Ａを左右一対の低騒音ポリマ碍子６で支持しているので、車体屋根５とともに矩形断面の固定支持構造となっている。このため、高速走行時においても高い剛性が得られ、シングルアームパンタグラフ３を安定した状態で支持することができる。
【００３５】
【発明の効果】
上述した本発明のパンタグラフ台枠及び車両用集電体装置によれば、次のような効果を奏する。
（１）シングルアームパンタグラフ、矩形凹溝型台枠又は凹溝幅広型台枠及び低騒音ポリマ碍子を組み合わせた本発明の車両用集電体装置によれば、従来のパンタカバーを備えたものと比較して、大幅な騒音低減が可能になる。風洞実験の結果では、なびき時及び反なびき時ともに、ほとんどの周波数領域で３ｄＢ以上の騒音低減が達成されている。このことは、時速３００Ｋｍの高速運転を行っても時速２７５Ｋｍ運転時と同等以下の騒音レベルにあることを意味している。
（２）従来型の台枠を使用してパンタカバーを取り除いたもの（ケース２）と比較しても、明らかな騒音値の低下が認められる。したがって、本発明による台枠そのものにも騒音低減効果がある。特に、なびき時における４００Ｈｚ前後の周波数領域でピーク値の存在が解消されており、これによる騒音値の低下は極めて顕著である。
（３）パンタカバーを除去して空力騒音を低減できたので、車両用集電体装置の小型化が可能になる。このため、高速走行時の空気抵抗が低減されて車体振動も抑制されるので、より高速での走行を可能にし、かつ乗り心地の向上にも効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係る車両用集電体装置の一実施形態を示す斜視図である。
【図２】  図１に示した車両用集電体装置の正面図である。
【図３】  図２に示した車両用集電体装置の右側面図である。
【図４】  図２に示した車両用集電体装置の平面図である。
【図５】  図１に示した車両用集電体装置に使用されている（矩形凹溝型）パンタグラフ台枠の第１の実施形態を示す斜視図である。
【図６】  図５に示した（矩形凹溝型）パンタグラフ台枠を示す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は右側面図である。
【図７】  シングルアームパンタグラフの昇降機構概要を示す平面図である。
【図８】  図７の右側面図である。
【図９】  図１に示した車両用集電体装置に使用されている（凹溝幅広型）パンタグラフ台枠の第２の実施形態を示す斜視図である。
【図１０】  図９に示した（凹溝幅広型）パンタグラフ台枠を示す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は右側面図である。
【図１１】  なびき時における騒音レベル（ｄＢＡ）と周波数（Ｈｚ）との関係を示す風洞実験結果である。
【図１２】  反なびき時における騒音レベル（ｄＢＡ）と周波数（Ｈｚ）との関係を示す風洞実験結果である。
【図１３】  従来型台枠を使用した車両用集電体装置を示す正面図である。
【図１４】  図１３の右側面図である。
【図１５】  従来型台枠の凹溝部における流れを示す図で、（ａ）はなびき時、（ｂ）は反なびき時である。
【図１６】  パンタカバーを備えた従来型の車両用集電体装置を示す側面図である。
【符号の説明】
１      集電体装置
３      シングルアームパンタグラフ
３ａ    関節部
６      低騒音型ポリマ碍子
１０      パンタグラフ台枠（矩形凹溝型）
１０Ａ    パンタグラフ台枠（幅広凹溝型）
１１      厚肉部
１２      なびき側薄肉部
１３      反なびき側薄肉部
１４      凹溝部
１４Ｂ    幅広凹溝部
１５      脚部
２０      従来型台枠
３０      昇降装置
３１      主軸
【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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