JP7384684B2 - 鉄道車両 - Google Patents

Description

本発明は、鉄道車両に関する。

降雪地域を走行する鉄道車両に係る着雪対策には、空力的な対策や、融雪ヒータなどの熱源による対策、材質的対策、が知られる。例えば、特許文献１には、車両床下の台車の前後にダミー部材を設置することで、台車周りの空気の流れを改善し、台車周りへの着雪を抑制する空力的な対策に関する技術が開示されている。

特許第４６１４７４５号公報

台車前後の車体に設置される「端部ふさぎ板」は着雪対策における重点箇所の１つである。端部ふさぎ板は、法線方向が雪交じりの走行風に対してほぼ正対するため着雪し易い。そして、端部ふさぎ板は着雪面積が大きいことも手伝って、着雪の密度および質量が大きくなり易く、付着した雪が塊となって落雪したときの影響が大きくなり易いため優先的な対策が望まれている。

空力的な着雪対策の方法として、「台車底面を塞いで平滑にする」「端部ふさぎ板に傾斜をつける」「入隅部をなめらかにする」などが検討され得る。しかしこれらは、台車の機能や、台車の保守性、車両床下の機器スペース（端部ふさぎ板で隔てられた端部ふさぎ板の奥方のスペース）への影響が大きい問題がある。特に、既存車両の改良を前提とする場合には実現性が低い。

また、特許文献１に開示されるようなダミー部材は、車両限界の範囲内に納めようとすると、ダミー部材の寸法の制限が厳しくなり十分な効果が得られ難くなる。また、ダミー部材による効果を高めるほど、空力音（騒音）が増加する傾向にあるのも問題となる。

本発明が解決しようとする課題は、端部ふさぎ板への着雪対策に係る新たな技術を提供することであり、より望ましくは、台車の機能や保守性、車両床下の機器スペースをできるだけ維持した上で、車両限界の寸法内に構成でき、空力音が小さい着雪対策の技術を提供することである。

上述した課題を解決するための第１の発明は、前方及び後方の端部ふさぎ板と、左方及び右方の側面カバーとで囲繞された台車収容空間に台車を収容した鉄道車両であって、前記側面カバーに設けられた前記側面カバーの外側面から走行風を取り込むインテーク部と、前記インテーク部で取り込まれた空気を前記端部ふさぎ板へ向けて吹き出すノズル部と、を備える鉄道車両である。

「側面カバー」は、台車カバーなどとも呼ばれる台車の側方を覆う板状部材である。「端部ふさぎ板」は、台車の前方や後方の床下にて各種機器類が吊り下げられた領域（機器スペース）と台車とを隔てる部材である。端部ふさぎ板への着雪は、端部ふさぎ板の板面付近での雪の接線速度（板面に沿った速度）の低下に起因する。

第１の発明によれば、インテーク部で取り込まれた空気をノズル部で端部ふさぎ板へ向けて吹き付けるので、端部ふさぎ板の板面付近での雪の接線速度の低下を抑制し、着雪を抑制できる。

側面カバーは、車両の側方を覆う部品である。従って、例えば、第１の発明のインテーク部を設けた仕様の側面カバーを別途用意して、既存の車両が備える既存の側面カバーと交換すれば、既存の車両であっても容易に第１の発明を実施できる。また、インテーク部を設けただけなので、従来の側面カバーと比べても台車の機能や台車の保守性を損なうことはない。また、フラッシュインレットタイプのエアインテークであれば、インテーク部を設けた仕様の側面カバーであっても、外形寸法がインテーク部の無い従来の側面カバーから変化しない（或いはほとんど変化しない）ので、車両限界の寸法内で第１の発明を実現できる。また、インテーク部の形状を適切に選択することで、空力音も、インテーク部の無い従来の側面カバーから変化しない（或いはほとんど変化しない）。

また、台車収容空間内へは、従来に比べてノズル部を追加することになるが、台車収容空間内に後付けが可能であるので、既存の車両への適用が容易である。そして、ノズル部３０を追加しても、台車の機能や保守性について従来に比べて損なうところが無く、車両限界を超えることも無い。また、同様の理由により、空力音の変化も少なくて済む。

第２の発明は、前記ノズル部の吹き出し方向が前記端部ふさぎ板の板面に沿った方向である、第１の発明の鉄道車両である。

第２の発明によれば、雪の接線速度の低下を効果的に抑制できる。

第３の発明は、前記ノズル部が、上下方向において前記台車収容空間の天井寄りに吹き出し口が設けられ、前記端部ふさぎ板の左右中央に向けて前記吹き出し方向が定められている、第２の鉄道車両である。

走行風下流の着雪は、入隅ほど付着し易い。台車収容空間の天井寄り部分は、当該天井と端部ふさぎ板との二面の入隅となるため端部ふさぎ板のなかでも比較的付着が多くなりやすい箇所である。第３の発明によれば、ノズル部は、その入隅部を狙って空気を吹き付けることになる。しかも吹き出し方向が端部ふさぎ板の左右中央に向いているため、雪の接線速度の低下を抑制する効果も得られる。よって、付着抑制効果を向上できる。

第４の発明は、前記ノズル部が、前記端部ふさぎ板と前記側面カバーとの入隅部分に設けられている、第１～第３の何れかの発明の鉄道車両である。

第５の発明は、前記ノズル部が、前記端部ふさぎ板と前記側面カバーと前記床下収容空間の天井面との三面でなる入隅部分を覆うように構成されている、第１～第４の何れかの発明の鉄道車両である。

第４又は第５の発明によれば、ノズル部自体が、雪が付着しやすい端部ふさぎ板と側面カバーの入隅を占めるように配置されるため、入隅部への着雪を効果的に抑制できる。

第６の発明は、前記ノズル部が、前記インテーク部から排出される空気を取り入れる入口開口部の開口面積よりも、吹き出し口の開口面積の方が小さい、第１～第５の何れかの発明の鉄道車両である。

第６の発明によれば、絞り効果により吹き出す空気の流速を高めることができる。よって、雪の接線速度の低下を抑制するのみならず、仮に雪が付着したとしても、比較的付着量が少ないうちに吹き飛ばすことが可能になる。

第７の発明は、前記インテーク部が、上下方向において前記側面カバーの上方寄りに設けられている、第１～第６の何れかの発明の鉄道車両である。

付着のもとになる雪の多くは、軌道を鉄道が走行することで巻き上げられる雪煙であって、雪煙は軌道から離れて上方に向かうほど急速に薄くなる。
第７の発明によれば、インテーク部を、側面カバーの上方寄りに設けているので、下方寄りに設けた場合よりもインテーク部に取り込まれる走行風に混じる雪の量を大幅に低減できる。

本実施形態の鉄道車両の要部を示す斜視外観図。 左側面カバーと右側面カバーの構成例を示す概略図。 ノズル部の構成例を示す斜視図（その１）。 ノズル部の構成例を示す斜視図（その２）。 側面カバーとノズル部との相対位置関係を示す部分斜視図。 列車模型走行装置の構成例を示す図。 無対策の鉄道車両に相当する仕様の列車模型で実験した場合における台車周りの粉体（擬似雪）の付着状態を撮影した画像。 インテーク部は装着しノズル部は装着しない鉄道車両に相当する列車模型で実験した場合における台車周りの粉体の付着状態を撮影した画像。 インテーク部とノズル部の両方を装着した鉄道車両に相当する列車模型で実験した場合における台車周りの粉体（擬似雪）の付着状態を撮影した画像。

以下、本発明を適用した実施形態の一例を説明するが、本発明を適用可能な形態が以下の実施形態に限られないことは勿論である。

図１は、本実施形態の鉄道車両の構成例を示す要部概要図であって、台車周りを下方から見上げた斜視外観図に相当する。なお、本実施形態の鉄道車両として、前後の方向を理解し易いように先頭車を例示しているが、中間車両についても本実施形態を同様に適用できる。また、各図中の直交三軸は鉄道車両の走行方向を基準とした前方・上方・左方の方向を示す。

鉄道車両３は、台車４を、床下に設けられた台車収容空間１０内に備える。
台車収容空間１０は、下方に向けて開口する箱型空間であって、前方の端部ふさぎ板１１Ｆと、後方の端部ふさぎ板１１Ｒと、左方の側面カバー１３Ｌと、右方の側面カバー１３Ｒと、車両下面すなわち当該台車収容空間にとっての天井面１５と、で囲繞された空間である。

図２は、左方の側面カバー１３Ｌと右方の側面カバー１３Ｒの構成例を示す概略図であって、側面カバーの後部の部分斜視図に相当する。左方の側面カバー１３Ｌと右方の側面カバー１３Ｒは、左右対称形をしているので、以降では、左方の側面カバー１３Ｌを代表として取り上げて説明する。

左方の側面カバー１３Ｌは、インテーク部２０（前方のインテーク部２０Ｆ、後方のインテーク部２０Ｒ；図１参照）を有する。インテーク部２０は、左方の側面カバー１３Ｌの外側面から走行風を取り込み、取り込んだ空気を内側へ導くフラッシュインレットである。例えば、ＮＡＣＡ（National Advisory Committee for Aeronautics）ダクトにより実現される。なお、フラッシュインレットの形態は、これに限らない。

具体的には、インテーク部２０（２０Ｆ，２０Ｒ）は、車両横方向の外側面上方寄りに設けられている。前方のインテーク部２０Ｆは、先端が車両後方に向いており、後方のインテーク部２０Ｒは先端が車両前方に向いている。

車両の走行方向に対し前方を向いた後方のインテーク部２０Ｒは、走行風圧を利用して側面カバー１３Ｌの外側面から走行風を取り込むことができる。これに対し、車両の走行方向に対し後方を向いた前方のインテーク部２０Ｆは、走行風圧が作用しないため、走行風の取り込みは行われない。このため、車両の走行方向が反転した場合、インテーク部２０Ｒとインテーク部２０Ｆの役目は自動的に切り替わり、インテーク部２０Ｆから走行風を取り込むことができる。

インテーク部２０（２０Ｆ，２０Ｒ）は、カバーの内部に通風路２１を有し、通風路２１の出口２３は、最寄りの端部ふさぎ板１１（前方の端部ふさぎ板１１Ｆ或いは後方の端部ふさぎ板１１Ｒ）の左右方向において、左右端に寄せて開口している（図１，５参照）。

図１に戻って、鉄道車両３は、台車収容空間１０の四隅、具体的には、端部ふさぎ板１１と側面カバー１３との入隅部分にそれぞれノズル部３０を備える。

ノズル部３０は、インテーク部２０（２０Ｆ，２０Ｒ）と１対１で用意され、対応するインテーク部２０（２０Ｆ，２０Ｒ）で取り込まれた空気を最寄りの端部ふさぎ板１１（１１Ｆ，１１Ｒ）へ向けて吹き出す構造体である。

図３及び図４は、ノズル部３０の構成例を示す斜視図である。図５は、側面カバー１３とノズル部３０との相対位置関係を示す部分斜視図である。なお、これらの図において、太い黒色の矢印は、通風方向の概要を示している。

ノズル部３０は、端部ふさぎ板１１と側面カバー１３と、台車収容空間１０の天井面１５との三面でなる入隅部分を覆うように構成されている。ノズル部３０の外観を概括すれば、全体として底面が略直角三角形の略三角柱となっているが、図２に示すように側方カバー１３の内側下端が内方に向けて左右方向に絞られるデザインとなっている関係から、側方カバー１３の内側面に合わせるように、略三角柱の下部は、左右方向に絞った形状になっている。また、側面カバー１３と台車収容空間１０の天井面１５と端部ふさぎ板１１との入隅部分に該当する上部の角部分が切り欠かれた形状を有する。

上部の角部分が切り欠かれた部位を、切り欠き部３１という。切り欠き部３１の内側面と、端部ふさぎ板１１と、台車収容空間１０の天井面１５と、でダクト空間３３が形成される。ダクト空間３３の入口開口部３３ｉは、インテーク部２０の通風路２１の出口２３（図５参照）より連通する位置に設定されている。そして、ダクト空間３３の吹き出し口３３ｄは、走行方向前方から見て、台車４の車輪の背部（車輪外周と端部ふさぎ板１１との対向面）又は背部より少し外側に設定されている。

従って、ダクト空間３３の入口と出口に着目して述べれば、ノズル部３０は、上下方向において台車収容空間１０の天井面１５寄りに吹き出し口３３ｄが設けられており、ノズル部３０の吹き出し方向は、最寄りの端部ふさぎ板１１の板面に沿った方向であり、端部ふさぎ板１１の左右中央に向けて定められている。

そして、ノズル部３０は、インテーク部２０から排出される空気を取り入れる入口開口部３３ｉの開口面積よりも、吹き出し口３３ｄの開口面積の方が小さく設定されており、絞り効果により流速を高めて吹き出すように構成されている。

次に、本実施形態が適用された鉄道車両３の着雪抑制効果について説明する。
図６は、列車模型走行装置１００の構成例を示す図である。列車模型走行装置１００は、高速走行時の車両床下部への着雪対策の効果を検証するための試験に用いることを前提に構成された装置であって、列車模型に、雪を模擬した粉体が散布された散布区間を走行させる全長が１００ｍを超える装置である。

具体的には、列車模型走行装置１００は、
（１）本実施形態が適用された鉄道車両３の縮尺模型である列車模型１２０と、
（２）列車模型１２０を走行させる直線状に敷設された模型用の線路１３０と、
（３）列車模型１２０に一端が接続された第１索状体１４１及び列車模型１２０に他端が接続された第２索状体１４２と、
（４）第１索状体１４１を巻き取るための第１巻取装置１５０と、
（５）第２索状体１４２を巻き出すための第２巻取装置１６０と、
（６）第１巻取装置１５０及び第２巻取装置１６０の動作を電子・電気制御する制御装置１７０と、を備える。

線路１３０は、列車模型１２０のための軌道であって、およそ１００メートルの加速区間と、およそ１００ｍの減速区間と、加速区間と減速区間の間に設けられた１００メートル以上の実験区間と、を有する合計３００メートル以上の直線状の模型軌道である。

実験区間は、列車模型走行装置１００を使用して効果検証するための模型実験を行う主区間であって、実験区間には積雪状態を再現すべく雪を模した粉体８が散布される。

粉体８は、胡桃殻の粉、石灰粉、樹脂粉、などにより実現される。粒子径は、列車模型１２０の模型スケールや走行速度などの条件に応じて適宜設定する。本実施形態では、列車模型走行装置１００を車両床下部への着雪対策の効果検証に用いる前提なので、粉体８として、列車模型１２０の走行により雪のように舞い上がり列車模型１２０に付着することができる粒子径に選定した。

制御装置１７０は、第１巻取装置１５０の近傍に設置されてその動作制御を担う親制御装置１７１と、第２巻取装置１６０の近傍に設置されてその動作制御を担う子制御装置１７２と、親制御装置１７１及び子制御装置１７２を通信接続する通信ケーブル１７３と、図示されていない電源部と、を備える。

実験は、制御装置１７０で、第１巻取装置１５０及び第２巻取装置１６０を制御して、列車模型１２０を粉体８が散布された実験区画を往復させて、列車模型１２０への粉体８を確認することで行った。

図７は、無対策の鉄道車両（インテーク部２０及びノズル部３０を有しない鉄道車両）に相当する仕様の列車模型１２０で実験した場合における台車周りの粉体８の付着状態を撮影した画像である。画像の下方が走行方向の下流側すなわち台車収容空間１０に進入した雪混じりの走行風が当たる側である。

台車収容空間１０内への粉体８の付着に着目すると、無対策の鉄道車両に相当する列車模型１２０では、走行方向の後方にあたる端部ふさぎ板１１において、第１付着部９１（図７中の短い破線で囲んだ楕円範囲）と、第２付着部９２（図７中の長破線で輪郭線を描いた範囲）とに比較的多く付着が生じる。

第１付着部９１は、台車収容空間１０の天井面１５と端部ふさぎ板１１との入隅部のうち車輪４１より左右外側の範囲である。第２付着部９２は、台車収容空間１０の天井面１５と、端部ふさぎ板１１との入隅部のうち左右の車輪４１の間に対応する範囲である。

図８は、インテーク部２０は装着するがノズル部３０は装着しない鉄道車両に相当する列車模型１２０で実験した場合における台車周りの粉体８の付着状態を撮影した画像である。

図８における第１付着部９１への付着は、無対策の結果（図７参照）と比較すると、インテーク部２０を装着することで、著しく減少したことが明らかである。図８における第２付着部９２の輪郭線は、図７に示した無対策における第２付着部９２の付着範囲を示している。図８における第２付着部９２への付着は、車軸４２付近への付着が図７の第２付着部９２のそれよりも減少しているが、第２付着部９２への付着抑制としては十分とは言えない。

インテーク部２０は装着するがノズル部３０は装着しない場合、インテーク部２０で取り込まれた走行風は、出口２３で一気に吹き出されて開放されると考えられる。吹き出された空気によって、車輪４１付近に浸入した雪の接線速度が増加され、第１付着部９１での付着が抑制されたと考えられる。しかし、走行風が出口２３で一気に吹き出されて開放されたために、吹き出す流速は低く、第２付着部９２までには及ばなかったために、第２付着部９２での付着抑制効果は十分得られなかったと推測される。

図９は、インテーク部２０とノズル部３０の両方を装着した鉄道車両に相当する列車模型１２０で実験した場合における台車周りの粉体８の付着状態を撮影した画像である。

図９における第１付着部９１への付着は、インテーク部２０のみ装着した場合（図８参照）と比較すると僅かに付着が生じているが、無対策の場合（図７参照）と比較すると著しく減少したことが明らかである。

図９における第２付着部９２の輪郭線は、図８に示したインテーク部２０のみ装着した場合の付着範囲を示している。図９における第２付着部９２への付着は、インテーク部２０のみ装着した場合のそれと比較すると付着が大きく低減したことが明らかである。

このように、本実施形態によれば、インテーク部２０で取り込まれた空気をノズル部３０で端部ふさぎ板１１へ向けて吹き付けるので、端部ふさぎ板１１の板面付近での雪の接線速度の低下を抑制し、着雪を抑制できる。

側面カバー１３は、車両の側方を覆う付属部品であるので、本実施形態のインテーク部を設けた仕様の側面カバー１３を別途用意して、既存の車両が備える既存の側面カバーと交換すれば、容易に本実施形態と同じ作用効果を奏する鉄道車両を構成することができる。その側面カバー１３も、インテーク部２０を設けただけなので、従来の側面カバーと比べて台車の機能や台車の保守性を損なうことはない。

また、インテーク部２０は、フラッシュインレットタイプのエアインテークなので、インテーク部２０を設けた仕様の側面カバー１３であっても、外形寸法がインテーク部２０の無い従来の側面カバーから変化しない（或いはほとんど変化しない）ので、車両限界の寸法内で本実施形態を実現できる。インテーク部２０の形状も、ＮＡＣＡインテークとすることで、インテーク部２０の無い従来の側面カバーや、空力的性能を考慮しない吸気口形状を採用する場合と比較すると、空力音の変化も少なくて済む。

また、付着のもとになる雪の多くは、軌道を鉄道が走行することで巻き上げられる雪煙であって、雪煙は軌道から離れて上方に向かうほど急速に薄くなる。従って、インテーク部２０を、側面カバー１３の上方寄りに設けることで、下方寄りに設けた場合よりもインテーク部２０に取り込まれる走行風に混じる雪の量を大幅に低減することができる。

また、従来に比べて、台車収容空間１０にノズル部３０を追加することになるが、台車収容空間１０内の四つの入隅部に後付けが可能であるので、既存の車両への適用が容易であり、台車４の機能や保守性も損なうことも車両限界を超えることも無い。また、同様の理由により、空力音の変化も少なくて済む。

また、ノズル部３０は、絞り効果により吹き出す空気の流速を高めることができる。よって、雪の接線速度の低下を抑制するのみならず、仮に雪が付着したとしても、比較的付着量が少ないうちに吹き飛ばすことが可能になる。

以上、本発明を適用した実施形態の一例を説明したが、本発明が適用可能な形態は上記の実施形態そのものに限らない。例えば、図１では鉄道車両３を先頭車両（進行方向によっては最後尾車両となり得る。）として描いているが、中間車両にも本実施形態を適用可能である。

３…鉄道車両
４…台車
１０…台車収容空間
１１（１１Ｆ，１１Ｒ）…端部ふさぎ板
１３（１３Ｌ，１３Ｒ）…側面カバー
１５…天井面
２０（２０Ｆ，２０Ｒ）…インテーク部
２１…通風路
２３…出口
３０…ノズル部
３１…切り欠き部
３３…ダクト空間
３３ｄ…吹き出し口
３３ｉ…入口開口部
４１…車輪
４２…車軸
９１…第１付着部
９２…第２付着部

Claims (6)

1. 前方及び後方の端部ふさぎ板と、左方及び右方の側面カバーとで囲繞された台車収容空間に台車を収容した鉄道車両であって、
   前記側面カバーに設けられた前記側面カバーの外側面から走行風を取り込むインテーク部と、
   前記インテーク部で取り込まれた空気を前記端部ふさぎ板へ向けて吹き出すノズル部であって、吹き出し方向が前記端部ふさぎ板の板面に沿った方向のノズル部と、
   を備える鉄道車両。
2. 前方及び後方の端部ふさぎ板と、左方及び右方の側面カバーとで囲繞された台車収容空間に台車を収容した鉄道車両であって、
   前記側面カバーに設けられた前記側面カバーの外側面から走行風を取り込むインテーク部と、
   前記インテーク部で取り込まれた空気を前記端部ふさぎ板へ向けて吹き出すノズル部であって、前記端部ふさぎ板と前記側面カバーとの入隅部分に設けられたノズル部と、
   を備える鉄道車両。
3. 前方及び後方の端部ふさぎ板と、左方及び右方の側面カバーとで囲繞された台車収容空間に台車を収容した鉄道車両であって、
   前記側面カバーに設けられた前記側面カバーの外側面から走行風を取り込むインテーク部と、
   前記インテーク部で取り込まれた空気を前記端部ふさぎ板へ向けて吹き出すノズル部であって、前記端部ふさぎ板と前記側面カバーと前記台車収容空間の天井面との三面でなる入隅部分を覆うように構成されたノズル部と、
   を備える鉄道車両。
4. 前方及び後方の端部ふさぎ板と、左方及び右方の側面カバーとで囲繞された台車収容空間に台車を収容した鉄道車両であって、
   前記側面カバーに設けられた前記側面カバーの外側面から走行風を取り込むインテーク部と、
   前記インテーク部で取り込まれた空気を前記端部ふさぎ板へ向けて吹き出すノズル部であって、前記インテーク部から排出される空気を取り入れる入口開口部の開口面積よりも、吹き出し口の開口面積の方が小さいノズル部と、
   を備える鉄道車両。
5. 前記ノズル部は、上下方向において前記台車収容空間の天井寄りに吹き出し口が設けられ、前記端部ふさぎ板の左右中央に向けて前記吹き出し方向が定められている、
   請求項１～４の何れか一項に記載の鉄道車両。
6. 前記インテーク部は、上下方向において前記側面カバーの上方寄りに設けられている、
   請求項１～５の何れか一項に記載の鉄道車両。

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