特開 2016-112977 鉄道車両

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】特開2016-112977(P2016-112977A)

(43)【公開日】2016年6月23日

(54)【発明の名称】鉄道車両

(51)【国際特許分類】

   B61D 17/02 20060101AFI20160527BHJP

   B61D 17/06 20060101ALI20160527BHJP

【ＦＩ】

   B61D17/02

   B61D17/06

【審査請求】有

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2014-252066(P2014-252066)

(22)【出願日】2014年12月12日

(11)【特許番号】特許第5833217号(P5833217)

(45)【特許公報発行日】2015年12月16日

(71)【出願人】

【識別番号】000004617

【氏名又は名称】日本車輌製造株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000291

【氏名又は名称】特許業務法人コスモス特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】森 優智

(57)【要約】

【課題】車両高さを増加させることなく、先頭部及び後尾部の気流はく離を抑制して空気抵抗の低減を図ることが容易な鉄道車両を提供する。
【解決手段】略直方体からなる車体Ｓの先頭部ＳＡ及び後尾部ＳＢに形成された気流誘導部４、５、６を備えた鉄道車両である。気流誘導部は、先頭部及び後尾部における車体端面１の上頭部１１から、それぞれ車体上面２に向けて傾斜状に形成された上面誘導部４と、先頭部及び後尾部における車体隅部ＳＣから、それぞれ車体側面３に向けて凹溝状に形成された側面誘導部５、６とを備えた。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

略直方体からなる車体の先頭部及び後尾部に形成された気流誘導部を備えた鉄道車両であって、
前記気流誘導部は、前記先頭部及び前記後尾部における車体端面の上頭部から、それぞれ車体上面に向けて傾斜状に形成された上面誘導部と、前記先頭部及び前記後尾部における車体隅部から、それぞれ車体側面に向けて凹溝状に形成された側面誘導部とを備えたことを特徴とする鉄道車両。

【請求項2】

請求項１に記載された鉄道車両において、
前記側面誘導部は、溝上端部が前記車体側面から前記車体隅部へ向かうにつれて下方へ傾斜するように形成されたことを特徴とする鉄道車両。

【請求項3】

請求項１又は請求項２に記載された鉄道車両において、
前記側面誘導部には、前記車体側面の上下方向中央部に形成された第１側面誘導部と、前記上面誘導部の左右端に隣接して形成された第２側面誘導部とを備えたことを特徴とする鉄道車両。

【請求項4】

請求項３に記載された鉄道車両において、
前記第１側面誘導部は、車体側面に対して前後方向及び上下方向で略同一の溝深さに形成されたことを特徴とする鉄道車両。

【請求項5】

請求項４に記載された鉄道車両において、
前記先頭部及び前記後尾部の前記車体側面には、運転者用又は乗務員用の確認窓を備え、前記第１側面誘導部は、前記車体隅部から前記確認窓の間に形成されたことを特徴とする鉄道車両。

【請求項6】

請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載された鉄道車両において、
前記鉄道車両は、地下鉄トンネル内を走行する地下鉄車両であることを特徴とする鉄道車両。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、走行時において空気抵抗の低減を図ることができる車体形状を備えた鉄道車両に関する。

【背景技術】

【0002】

一般に、通勤型電車と称せられるような鉄道車両においては、車両定員を容易に確保できるように、先頭部の形状を垂直状に切り落として形成する切妻型の車体形状が多く用いられている。しかし、近年の車両性能の向上等に伴い、このような切妻型の鉄道車両においても高速化が進み、プラットホーム上に発生する列車風や、トンネル内での圧縮波による所謂「耳ツン現象」、空気抵抗の増加によるエネルギーロスなどの問題が顕在化されてきた。

【0003】

このような問題に対して、例えば、特許文献１には、移動体（鉄道車両）が移動するときにこの移動体の先頭部からの気流のはく離を抑制する移動体の気流はく離抑制構造であって、移動体の前面に衝突した気流をこの移動体の上面に導くことによって、この移動体の先頭部からの気流のはく離を抑制する気流はく離抑制部を備え、気流はく離抑制部は、移動体の前面に衝突した気流がこの移動体の上面に向かうように、この衝突した気流をこの移動体の上面で誘導する第１の誘導部と、第１の誘導部から移動体の上面に沿って気流が流れるように、この気流をこの移動体の上面で誘導する第２の誘導部と、を備える移動体の気流はく離抑制構造が、開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１２−１４８６８７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、上記特許文献１に記載された移動体の気流はく離抑制構造では、移動体の上面に第１の誘導部と第２の誘導部とを備える構造であるので、車両高さが第１の誘導部及び第２の誘導部の高さ分だけ増加してしまうことになる。そのため、トンネル等の限られた空間内を走行する場合、空気抵抗が増加しやすくなる問題があった。
また、上記移動体の気流はく離抑制構造は、移動体の先頭部が走行時に後尾部となる場合、移動体の後方に生じる気流のはく離を抑制するものではない。むしろ、移動体の後方では、移動体の側面に流れる気流が、第１の誘導部及び第２の誘導部によって移動体の上方へ向けて誘導され、移動体の後方における気流のはく離が増加する傾向にある。そのため、移動体の後方では、空気抵抗が増加する問題があった。

【0006】

本発明は、かかる問題を解決するためになされたものであり、車両高さを増加させることなく、先頭部及び後尾部の気流はく離を抑制して空気抵抗の低減を図ることが容易な鉄道車両を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記目的を達成するため、本発明に係る鉄道車両は、以下の構成を備えている。
（１）略直方体からなる車体の先頭部及び後尾部に形成された気流誘導部を備えた鉄道車両であって、
前記気流誘導部は、前記先頭部及び前記後尾部における車体端面の上頭部から、それぞれ車体上面に向けて傾斜状に形成された上面誘導部と、前記先頭部及び前記後尾部における車体隅部から、それぞれ車体側面に向けて凹溝状に形成された側面誘導部とを備えたことを特徴とする。

【0008】

本発明においては、気流誘導部は、先頭部及び後尾部における車体端面の上頭部から、それぞれ車体上面に向けて傾斜状に形成された上面誘導部を備えたので、鉄道車両の走行方向にかかわらず、走行前方から車体端面に衝突する気流を上面誘導部に沿って車体上面に誘導し、車体上面における気流のはく離を抑制することができる。
また、上面誘導部は、先頭部及び後尾部における車体端面の上頭部から、それぞれ車体上面に向けて傾斜状に形成されたので、上面誘導部によって車体高さを増加させることはない。
また、気流誘導部は、先頭部及び後尾部における車体隅部から、それぞれ車体側面に向けて凹溝状に形成された側面誘導部を備えたので、鉄道車両の走行方向にかかわらず、走行方向の車体後方へ流れる気流を側面誘導部に沿って車体後方に誘導し、車体後方における気流のはく離を抑制することができる。
よって、車両高さを増加させることなく、先頭部及び後尾部の気流はく離を抑制して空気抵抗の低減を図ることが容易な鉄道車両を提供することができる。

【0009】

（２）（１）に記載された鉄道車両において、
前記側面誘導部は、溝上端部が前記車体側面から前記車体隅部へ向かうにつれて下方へ傾斜するように形成されたことを特徴とする。

【0010】

本発明においては、側面誘導部は、溝上端部が車体側面から車体隅部へ向かうにつれて下方へ傾斜するように形成されたので、走行方向の後方へ車体側面に沿って流れる気流が上面誘導部によって上方へ誘導されるのを低減し、気流の向きを略水平方向へ誘導することによって、走行方向の車体後方における気流のはく離をより一層抑制することができる。
その結果、先頭部及び後尾部の気流はく離を抑制して、空気抵抗を更に低減させることができる。

【0011】

（３）（１）又は（２）に記載された鉄道車両において、
前記側面誘導部には、前記車体側面の上下方向中央部に形成された第１側面誘導部と、前記上面誘導部の左右端に隣接して形成された第２側面誘導部とを備えたことを特徴とする。

【0012】

本発明においては、側面誘導部には、車体側面の上下方向中央部に形成された第１側面誘導部と、上面誘導部の左右端に隣接して形成された第２側面誘導部とを備えたので、走行方向の後方へ車体側面に沿って流れる気流が第２側面誘導部によって上面誘導部へ誘導されるのを低減し、かつ、第１側面誘導部によって気流の向きを略水平方向へより多く誘導することによって、走行方向の車体後方における気流のはく離をより一層抑制することができる。
その結果、先頭部及び後尾部の気流はく離を抑制して、空気抵抗を更に一層低減させることができる。

【0013】

（４）（３）に記載された鉄道車両において、
前記第１側面誘導部は、車体側面に対して前後方向及び上下方向で略同一の溝深さに形成されたことを特徴とする。

【0014】

本発明においては、第１側面誘導部は、車体側面に対して前後方向及び上下方向で略同一の溝深さに形成されたので、第１側面誘導部によって誘導される気流の前後方向へ流れる流量を上下方向で均一化して、車体後方における気流のはく離を上下方向で略均一に抑制することができる。
その結果、先頭部及び後尾部の気流はく離を上下方向で略均一に抑制して、空気抵抗を更に一層低減させることができる。

【0015】

（５）（４）に記載された鉄道車両において、
前記先頭部及び前記後尾部の前記車体側面には、運転者用又は乗務員用の確認窓を備え、前記第１側面誘導部は、前記車体隅部から前記確認窓の間に形成されたことを特徴とする。

【0016】

本発明においては、先頭部及び後尾部の車体側面には、運転者用又は乗務員用の確認窓を備え、第１側面誘導部は、車体隅部から確認窓の間に形成されたので、第１側面誘導部のために運転者用又は乗務員用の確認窓の位置を後方へ変更する必要がなく、車両定員が減少することもない。
その結果、所定の車両定員を確保しつつ、先頭部及び後尾部の気流はく離を抑制して、空気抵抗を低減することができる。

【0017】

（６）（１）乃至（５）のいずれか１つに記載された鉄道車両において、
前記鉄道車両は、地下鉄トンネル内を走行する地下鉄車両であることを特徴とする。

【0018】

本発明においては、鉄道車両は、地下鉄トンネル内を走行する地下鉄車両であるので、地下鉄トンネル内の高さ制約や、幅制約を満足させつつ、地下鉄トンネル内の走行時における先頭部及び後尾部の気流はく離を抑制して、空気抵抗を低減することができる。

【発明の効果】

【0019】

本発明によれば、車両高さを増加させることなく、先頭部及び後尾部の気流はく離を抑制して空気抵抗の低減を図ることが容易な鉄道車両を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】本発明の実施形態に係る鉄道車両の模式的斜視図である。

【図2】図１に示す先頭部の斜視外形線図である。

【図3】図１に示す先頭部の正面外形線図である。

【図4】図１に示す先頭部の部分側面図である。

【図5】図１に示す側面誘導部の溝断面図である。

【図6】図１に示す鉄道車両に対する比較例１の模式的斜視図である。

【図7】図１に示す鉄道車両に対する比較例２の模式的斜視図である。

【図8】図１に示す鉄道車両の走行時における気流の流れ状態を、比較例１、２との対比で表す模式的側面図である。

【図9】図１に示す鉄道車両の走行方向後方における気流の速度ベクトル図である。

【図10】図７に示す比較例２の走行方向後方における気流の速度ベクトル図である。

【図11】図１に示す鉄道車両の後尾部における圧力分布図である。

【図12】図７に示す比較例２の後尾部における圧力分布図である。

【図13】図１に示す鉄道車両及び比較例１、比較例２の空気抵抗係数の評価結果グラフである。

【図14】図１に示す鉄道車両の地下鉄トンネル内における模式的正面図である。

【発明を実施するための形態】

【0021】

次に、本発明の実施形態に係る鉄道車両について、図面を参照しながら詳細に説明する。はじめに、本実施形態に係る鉄道車両の先頭部及び後尾部における気流誘導部の外形形状について説明し、その後、本鉄道車両の走行時における気流の流れ状態と、走行方向後方における気流の速度ベクトルと、後尾部における気流の圧力分布とを説明する。また、本鉄道車両の空気抵抗係数の評価結果を説明する。

【0022】

＜先頭部及び後尾部における気流誘導部の外形形状＞
まず、本実施形態に係る鉄道車両の先頭部及び後尾部における気流誘導部の外形形状について、図１〜図５を用いて説明する。図１に、本発明の実施形態に係る鉄道車両の模式的斜視図を示す。図２に、図１に示す先頭部の斜視外形線図を示す。図３に、図１に示す先頭部の正面外形線図を示す。図４に、図１に示す先頭部の部分側面図を示す。図５に、図１に示す側面誘導部の溝断面図を示す。

【0023】

図１に示すように、本実施形態に係る鉄道車両１０は、車体端面１と車体上面２と車体側面３とを有する略直方体からなる車体Ｓを備えている。当該車体の先頭部ＳＡ及び後尾部ＳＢには、車体端面１の上頭部１１から、それぞれ車体上面２に向けて傾斜状に形成された上面誘導部４と、車体端面１と車体側面３とが交差する位置の車体隅部ＳＣから、それぞれ車体側面３に向けて凹溝状に形成された側面誘導部５、６とを備えている。車体隅部ＳＣは、断面円弧状に形成されている。側面誘導部５、６には、車体側面３の上下方向中央部に形成された第１側面誘導部５と、上面誘導部４の左右端に隣接して形成された第２側面誘導部６とを備えている。先頭部ＳＡにおける上面誘導部４及び側面誘導部５、６と、後尾部ＳＢにおける上面誘導部４及び側面誘導部５、６とは、それぞれ前後左右で対称に形成されている。ここでは、車体Ｓにおける基本的な外形形状を表すために、例えば、通常備えている窓枠等の形状を省略している。また、第１側面誘導部５、第２側面誘導部６には、その範囲を明確化するために、ドット表示している。また、車両の長手方向
をＸ軸で表示し、車両の幅方向をＹ軸で表示し、車両の高さ方向をＺ軸で表示する。な
お、本図の鉄道車両１０は、便宜上、1両編成の状態で示しているが、複数の車体Ｓを連
結した編成を含む。

【0024】

図２、図３に示すように、車体Ｓの先頭部ＳＡの外形形状を詳細に表示するため、等間隔に描いた番線が車体表面に表示されている。図２には、Ｘ軸、Ｚ軸に沿って等間隔に描いた番線が車体表面に表示され、図３には、Ｘ軸に沿って等間隔に描いた番線が車体表面に表示されている。ここでは、車体Ｓの高さをＺとし、高さＺを、Ｚ軸方向で２０等分して下端から車体上面２に向けて番線を１／２０Ｚ、２／２０Ｚ、３／２０Ｚ・・・と順に表示している。また、車体端面１から所定位置（例えば、運転室後端）までの距離をＸとし、距離ＸをＸ軸方向で１０等分して車体端面１から後方に向けて番線を１／１０Ｘ、２／１０Ｘ、３／１０Ｘ・・・と順に表示している。なお、第１側面誘導部５、第２側面誘導部６には、その範囲を明確化するために、ドット表示されている。

【0025】

第１側面誘導部５は、番線が約１／１０Ｘ〜４／１０Ｘかつ約３／２０Ｚ〜１３／２０Ｚの範囲内に形成されている。第１側面誘導部５の溝上端部５１は、車体側面３の番線１３／２０Ｚ付近から始まり、車体隅部ＳＣへ向かうにつれて下方へ傾斜するように形成されている。また、第１側面誘導部５の溝下端部５２は、車体側面３の番線４／２０Ｚ付近から始まり、溝上端部５１と同程度の角度で車体側面３から車体隅部ＳＣへ向かうにつれて下方へ傾斜するように形成されている。

【0026】

第２側面誘導部６は、番線が約１／１０Ｘ〜Ｘかつ約１７／２０Ｚ〜１９／２０Ｚの範囲内に形成されている。第２側面誘導部６の上端部６１は、車体側面３の番線１９／２０Ｚ付近から始まり、隅部ＳＣへ向かうにつれて下方へ傾斜するように形成されている。また、第２側面誘導部６の下端部６２は、水平状に形成されている。

【0027】

上面誘導部４は、車体端面１の番線１７／２０Ｚ付近に位置する上頭部１１から始まり、車体上面２へ向かうにつれて上方へ傾斜するように形成されている。上面誘導部４は、番線６／１０Ｘ付近で車体上面２と交差するように形成されている。

【0028】

図４、図５に示すように、上面誘導部４は、水平面に対して約２５〜３５度程度の傾斜角を有する平坦な傾斜面で形成され、車体Ｓの先頭部ＳＡ及び後尾部ＳＢにおける運転者用又は乗務員用スペースの頭上に形成されている。そのため、上面誘導部４は、客室の天井スペースを狭めることなく形成することができる。また、先頭部ＳＡ及び後尾部ＳＢの車体側面３には、運転者用又は乗務員用の確認窓３４を備え、第１側面誘導部５は、車体端面１の両隅部ＳＣから確認窓３４の間に形成されている。そのため、第１側面誘導部５は、客室の側壁スペースを狭めることなく形成することができる。

【0029】

第１側面誘導部５の溝上端部５１は、水平面に対して約２０度程度の傾斜角を有し、第
２側面誘導部６の溝上端部６１は、水平面に対して約１７度程度の傾斜角を有して形成さ
れている。第２側面誘導部６は、車体端面１に近づくにつれて溝上端部６１と溝下端部
６２との距離が徐々に小さくなるように形成されている。
第１側面誘導部５の溝深さｍ１は、第２側面誘導部６の溝深さｍ２より大きく形成されている。第１側面誘導部５の溝深さｍ１は、前後方向及び上下方向で略同一の深さに形成されている。

【0030】

＜走行時における気流の流れ状態＞
次に、本鉄道車両における走行時における気流の流れ状態を、比較例１、２と対比しつつ、図６〜図８を用いて説明する。図６に、図１に示す鉄道車両に対する比較例１の模式的斜視図を示す。図７に、図１に示す鉄道車両に対する比較例２の模式的斜視図を示す。図８に、図１に示す鉄道車両の走行時における気流の流れ状態を、比較例１、２との対比で表す模式的側面図を示す。

【0031】

図６に示すように、比較例１の鉄道車両３０は、車体端面３１と車体上面３２と車体側面３３とを有する略直方体からなる車体Ｓ１を備えている。車体Ｓ１の先頭部ＳＡ及び後尾部ＳＢは、車体端面３１を垂直状に切り落として形成する切妻型の車体形状である。なお、車両の長手方向をＸ軸で表示し、車両の幅方向をＹ軸で表示し、車両の高さ方向をＺ軸で表示し、比較例１の鉄道車両３０における車体長さ、車体幅、及び車体高さは、本鉄道車両１０における車体長さ、車体幅、及び車体高さと、それぞれ同一である。

【0032】

図７に示すように、比較例２の鉄道車両２０は、車体端面２１と車体上面２２と車体側面２３とを有する略直方体からなる車体Ｓ２を備えている。車体Ｓ２の先頭部ＳＡ及び後尾部ＳＢには、車体端面２１の上頭部２１１から、それぞれ車体上面２２に向けて傾斜状に形成された上面誘導部２４を備えている。上面誘導部２４は、本鉄道車両１０の上面誘導部４と同一形状に形成されている。なお、車両の長手方向をＸ軸で表示し、車両の幅方向をＹ軸で表示し、車両の高さ方向をＺ軸で表示し、比較例２の鉄道車両２０における車体長さ、車体幅、及び車体高さは、本鉄道車両１０における車体長さ、車体幅、及び車体高さと、それぞれ同一である。

【0033】

図８（ａ）は、比較例１の鉄道車両３０が矢印Ｆの方向へ走行したときの気流の流れを概念的に表示している。図８（ａ）に示すように、車体端面３１に衝突した気流Ｋ３１は、車体端面３１に沿って上方へ流れた後に、車体上面３２の上方を円弧状に湾曲した先頭部湾曲気流Ｋ３２を形成する。先頭部湾曲気流Ｋ３２の後半では、先頭部湾曲気流Ｋ３２からはく離する先頭部はく離気流Ｋ３３１が発生する。先頭部湾曲気流Ｋ３２は、先頭部を通過すると、車体上面３２に沿って流れる上面定常気流Ｋ３３を形成する。上面定常気流Ｋ３３が後尾部を通過すると、逆Ｓ字状に僅かに下方へ湾曲する後尾部湾曲気流Ｋ３４、Ｋ３５を形成する。この場合、後尾部湾曲気流Ｋ３４、Ｋ３５は、車体端面３１の後方に引きずられる後尾部はく離気流Ｋ３５１を大きく形成する。

【0034】

また、図８（ｂ）は、比較例２の鉄道車両２０が矢印Ｆの方向へ走行したときの気流の流れを概念的に表示している。図８（ｂ）に示すように、車体端面２１に衝突した気流Ｋ２１は、車体端面２１に沿って上方へ流れた後に、先頭部に形成された上面誘導部２４に沿って車体上面２２へ流れる先頭部傾斜気流Ｋ２２を形成する。先頭部傾斜気流Ｋ２２は、上面誘導部２４及び車体上面２２に沿って流れるので、先頭部傾斜気流Ｋ２２からはく離する先頭部はく離気流Ｋ２２１は、比較例１に比べて大きく減少する。先頭部傾斜気流Ｋ２２は、先頭部を通過すると、車体上面２２に沿って流れる上面定常気流Ｋ２３を形成する。上面定常気流Ｋ２３が後尾部を通過すると、後尾部に形成された上面誘導部２４に沿って逆Ｓ字状に大きく下方へ湾曲する後尾部湾曲気流Ｋ２４、Ｋ２５を形成する。

【0035】

この場合、後尾部湾曲気流Ｋ２４、Ｋ２５は、逆Ｓ字状に大きく下方へ湾曲するので、車体端面３１の後方に引きずられる後尾部はく離気流Ｋ２５１が、比較例１に比べて大きく減少する。ただし、車体側面２３に沿って後方へ流れる側面気流Ｋ２４１が、後尾部において上面誘導部２４に誘導されて上方へ湾曲して流れるので、後尾部はく離気流Ｋ２５１の減少を阻害する傾向がある。

【0036】

また、図８（ｃ）は、本鉄道車両１０が矢印Ｆの方向へ走行したときの気流の流れを概念的に表示している。図８（ｃ）に示すように、車体端面１に衝突した気流Ｋ１は、車体端面１に沿って上方へ流れた後に、先頭部に形成された上面誘導部４に沿って車体上面２へ流れる先頭部傾斜気流Ｋ２を形成する。先頭部傾斜気流Ｋ２は、上面誘導部４及び車体上面２に沿って流れるので、先頭部傾斜気流Ｋ２からはく離する先頭部はく離気流Ｋ２１は、比較例１に比べて大きく減少する。先頭部傾斜気流Ｋ２は、先頭部を通過すると、車体上面２に沿って流れる上面定常気流Ｋ３を形成する。上面定常気流Ｋ３が後尾部を通過すると、後尾部に形成された上面誘導部４に沿って逆Ｓ字状に大きく下方へ湾曲する後尾部湾曲気流Ｋ４、Ｋ５を形成する。

【0037】

この場合、後尾部湾曲気流Ｋ４、Ｋ５は、逆Ｓ字状に大きく下方へ湾曲するので、車体端面１の後方に引きずられる後尾部はく離気流Ｋ５１が、比較例１に比べて大きく減少する。また、車体端面１に衝突した気流Ｋ１は、先頭部に形成された第１側面誘導部５、第２側面誘導部６によって水平方向へ整流される側面気流Ｋ１１、Ｋ１２を形成する。水平方向へ整流される側面気流Ｋ１１、Ｋ１２が、後尾部に形成された第１側面誘導部５、第２側面誘導部６によって更に水平方向の流れに整流されるので、上面誘導部４に誘導されて上方へ湾曲する気流の流れを低減させる。そのため、後尾部はく離気流Ｋ５１を比較例２より更に減少させることができる。

【0038】

＜走行方向後方における気流の速度ベクトル＞
次に、本鉄道車両の走行方向後方における気流の速度ベクトルを、比較例２と対比しつつ、図９、図１０を用いて説明する。図９に、図１に示す鉄道車両の走行方向後方における気流の速度ベクトル図を示す。図１０に、図７に示す比較例２の走行方向後方における気流の速度ベクトル図を示す。図９、図１０は、便宜上、いずれも車体の右半分を表示している。

【0039】

図９、図１０では、後尾部の車体端面１、２１から後方へ所定距離だけ離間した地点のＹＺ面における気流の流れ（方向及び流速）を可視化するため、速度ベクトルを用いて表示している。ここで、実線の矢印で表示するＶ１、Ｖ３は、気流の流れが安定していて、気流がはく離していない領域を示している。一方、破線の矢印で表示するＶ２、Ｖ４は、気流の流れが不安定で、気流がはく離している領域を示している。

【0040】

図９に示すように、本鉄道車両１０においては、後尾部の車体端面１から後方へ流れる気流の速度ベクトルＶ１が、車体隅部の上下方向中央部Ｑにおいて略水平方向を向き、車体の中心側へ均等に回り込む傾向がみられる。
これに対して、図１０に示すように、比較例２の鉄道車両２０においては、後尾部の車体端面１から後方へ流れる気流の速度ベクトルＶ３が、車体隅部の上下方向中央部Ｑにおいて斜め上方向と斜め下方向とに分離して向き、特に車体隅部の上下方向中央部Ｑにおいて、車体の中心側へ回り込む傾向が少ない。

【0041】

その結果、本鉄道車両１０においては、車体の中心側に存在する気流のはく離領域（速度ベクトルＶ２の領域）が、比較例２の鉄道車両２０において車体の中心側に存在する気流のはく離領域（速度ベクトルＶ４の領域）より、小さく形成されていることを確認できる。これは、本鉄道車両１０の先頭部ＳＡ及び後尾部ＳＢに形成した側面誘導部５、６による気流の整流効果が大きいと推定できる。

【0042】

＜後尾部における気流の圧力分布＞
次に、本鉄道車両の後尾部における気流の圧力分布を、比較例２との対比しつつ、図１１、図１２を用いて説明する。図１１に、図１に示す鉄道車両の後尾部における圧力分布図を示す。図１２に、図７に示す比較例２の後尾部における圧力分布図を示す。図１１、図１２では、気流の圧力をＰ１〜Ｐ６まで、６段階に層別して表示している。圧力の高さは、Ｐ１＞Ｐ２＞Ｐ３＞Ｐ４＞Ｐ５＞Ｐ６の順に層別されている。

【0043】

図１１に示すように、本鉄道車両１０においては、後尾部における高さ方向（Ｚ方向）及び幅方向（Ｙ方向）の中心付近に最も高い圧力Ｐ１の領域が高さ方向に長径を有する略長円状に形成され、圧力Ｐ１の領域の周囲に次に高い圧力Ｐ２の領域が略一定の幅で形成されている。また、圧力Ｐ２の領域は、車体隅部付近にも縦長に形成されている。また、圧力Ｐ３の領域は、車体端面の上頭部から下方で中心部（圧力Ｐ１、Ｐ２の領域）を除く車体隅部の圧力Ｐ２の領域に挟まれた範囲に形成されている。また、圧力Ｐ４、Ｐ５の領域は、主に車体端面の上頭部から上方の範囲に形成され、圧力Ｐ４の領域の方が、圧力Ｐ５の領域より大きく形成されている。また、最も低い圧力Ｐ６の領域が、車体側面に沿って幅狭く形成されている。

【0044】

これに対して、図１２に示すように、比較例２の鉄道車両２０においては、後尾部における高さ方向（Ｚ方向）及び幅方向（Ｙ方向）の中心付近に最も高い圧力Ｐ１の領域が略真円状に形成され、圧力Ｐ１の領域の周囲に次に高い圧力Ｐ２の領域と圧力Ｐ３の領域とがそれぞれ略一定の幅で形成されている。また、圧力Ｐ３の領域は、車体隅部付近にも縦長に形成されている。また、圧力Ｐ４の領域は、車体端面の上頭部から下方で中心部（圧力Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３の領域）を除く車体隅部の圧力Ｐ３の領域に挟まれた範囲に形成されている。また、圧力Ｐ４、Ｐ５の領域は、主に車体端面の上頭部から上方の範囲に形成され、圧力Ｐ５の領域の方が、圧力Ｐ４の領域より大きく形成されている。また、最も低い圧力Ｐ６の領域が、車体側面に沿って幅狭く形成されている。

【0045】

以上の圧力分布結果から、本鉄道車両１０の後尾部における圧力は、比較例２の鉄道車両２０の後尾部における圧力より全体的に高く形成されていることが明らかである。このように、本鉄道車両１０の後尾部で全体的に圧力が高くなり、圧力回復が促進された理由は、図９、図１０において説明したように、側面誘導部５、６によって気流の整流が促進され、後尾部における気流のはく離現象が低減されたことによる。後尾部において気流の圧力が回復したことは、すなわち進行方向に押す力が増加したことになるので、空気抵抗の低減に結びついている。

【0046】

＜空気抵抗係数の評価結果＞
次に、本鉄道車両における空気抵抗係数の評価結果を、図１３、図１４を用いて説明する。図１３に、図１に示す鉄道車両及び比較例１、比較例２の空気抵抗係数の評価結果グラフを示す。図１４に、図１に示す鉄道車両の地下鉄トンネル内における模式的正面図を示す。ここで、図１３に示す空気抵抗係数Ｔは、図１４に示す地下鉄トンネル８内を時速６５ｋｍで走行したときの計算結果である。

【0047】

図１３に示すように、先頭部ＳＡ及び後尾部ＳＢに上面誘導部２４、４を備えた比較例２の鉄道車両２０及び本鉄道車両１０の空気抵抗係数Ｔ２、Ｔ３は、先頭部ＳＡ及び後尾部ＳＢに上面誘導部を備えない比較例１の鉄道車両３０の空気抵抗係数Ｔ１の半分以下に低減されている。また、先頭部ＳＡ及び後尾部ＳＢに側面誘導部５、６を備えた本鉄道車両１０の空気抵抗係数Ｔ３は、先頭部ＳＡ及び後尾部ＳＢに側面誘導部を備えない比較例２の鉄道車両２０の空気抵抗係数Ｔ２より更に低減されている。

【0048】

図１４に示すように、地下鉄トンネル８は、トンネル中心ＴＣに対してレール８１が対称に２組配置された複線トンネルである。本鉄道車両１０の下端から突出する車輪７が、レール８１上を走行する。この地下鉄トンネル８は、本鉄道車両１０の車体高さｈ、車体幅０．９ｈに対して、トンネル高さ１．４ｈ、トンネル幅２．６ｈの矩形断面に形成されている。また、本鉄道車両１０は、トンネル中心ＴＣから０．６ｈ離れた位置を走行する。そのため、車体上面２と地下鉄トンネル８の天井壁との隙間が、０．２ｈとなり、車体側面３と地下鉄トンネル８の側壁との隙間が、０．２５ｈとなる。また、地下鉄トンネル８の横断面積に対する車体の横断面積比は、０．２５程度である。

【0049】

このように、先頭部ＳＡ及び後尾部ＳＢに上面誘導部４及び側面誘導部５、６を備えた本鉄道車両１０は、地下鉄トンネル８の天井壁及び側壁と車体との隙間が、車体高さの２０〜２５％程度の狭い空間を走行する場合においても、先頭部ＳＡ及び後尾部ＳＢにおける気流の流れを上面誘導部４及び側面誘導部５、６が整流することによって、気流のはく離を抑制して、空気抵抗の低減を図ることができた。

【0050】

＜作用効果＞
以上、詳細に説明した本実施形態に係る鉄道車両１０によれば、気流誘導部は、先頭部ＳＡ及び後尾部ＳＢにおける車体端面１の上頭部１１から、それぞれ車体上面２に向けて傾斜状に形成された上面誘導部４を備えたので、鉄道車両１０の走行方向にかかわらず、走行前方から車体端面１に衝突する気流Ｋ１を上面誘導部４に沿って車体上面２に誘導し、車体上面２における気流のはく離を抑制することができる。
また、上面誘導部４は、先頭部ＳＡ及び後尾部ＳＢにおける車体端面１の上頭部１１から、それぞれ車体上面２に向けて傾斜状に形成されたので、上面誘導部４によって車体高さｈを増加させることはない。
また、気流誘導部は、先頭部ＳＡ及び後尾部ＳＢにおける車体隅部ＳＣから、それぞれ車体側面３に向けて凹溝状に形成された側面誘導部５、６を備えたので、鉄道車両１０の走行方向にかかわらず、走行方向の車体後方へ流れる気流を側面誘導部５、６に沿って車体後方に誘導し、車体後方における気流のはく離を抑制することができる。
よって、車両高さｈを増加させることなく、先頭部ＳＡ及び後尾部ＳＢの気流はく離を抑制して空気抵抗の低減を図ることが容易な鉄道車両１０を提供することができる。

【0051】

また、本実施形態によれば、側面誘導部５、６は、溝上端部５１、６１が車体側面３から車体隅部ＳＣへ向かうにつれて下方へ傾斜するように形成されたので、走行方向の後方へ車体側面３に沿って流れる気流が上面誘導部４によって上方へ誘導されるのを低減し、気流の向きを略水平方向へ誘導することによって、走行方向の車体後方における気流のはく離をより一層抑制することができる。
その結果、先頭部ＳＡ及び後尾部ＳＢの気流はく離を抑制して、空気抵抗を更に低減させることができる。

【0052】

また、本実施形態によれば、側面誘導部には、車体側面３の上下方向中央部に形成された第１側面誘導部５と、上面誘導部４の左右端に隣接して形成された第２側面誘導部６とを備えたので、走行方向の後方へ車体側面３に沿って流れる気流が第２側面誘導部６によって上面誘導部４へ誘導されるのを低減し、かつ、第１側面誘導部５によって気流の向きを略水平方向へより多く誘導することによって、走行方向の車体後方における気流のはく離をより一層抑制することができる。
その結果、先頭部ＳＡ及び後尾部ＳＢの気流はく離を抑制して、空気抵抗を更に一層低減させることができる。

【0053】

また、本実施形態によれば、第１側面誘導部５は、車体側面３に対して前後方向及び上下方向で略同一の溝深さに形成されたので、第１側面誘導部５によって誘導される気流の前後方向へ流れる流量を上下方向で均一化して、車体後方における気流のはく離を上下方向で略均一に抑制することができる。
その結果、先頭部ＳＡ及び後尾部ＳＢの気流はく離を上下方向で略均一に抑制して、空気抵抗を更に一層低減させることができる。

【0054】

また、本実施形態によれば、先頭部ＳＡ及び後尾部ＳＢの車体側面３には、運転者用又は乗務員用の確認窓３４を備え、第１側面誘導部５は、車体隅部ＳＣから確認窓３４の間に形成されたので、第１側面誘導部５のために運転者用又は乗務員用の確認窓３４の位置を後方へ変更する必要がなく、車両定員が減少することもない。
その結果、所定の車両定員を確保しつつ、先頭部ＳＡ及び後尾部ＳＢの気流はく離を抑制して、空気抵抗を低減することができる。

【0055】

また、本実施形態によれば、鉄道車両１０は、地下鉄トンネル８内を走行する地下鉄車両であるので、地下鉄トンネル８内の高さ制約や、幅制約を満足させつつ、地下鉄トンネル内の走行時における先頭部ＳＡ及び後尾部ＳＢの気流はく離を抑制して、空気抵抗を低減することができる。

【0056】

以上、本発明の鉄道車両に係る実施形態を詳細に説明したが、本発明はこれに限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
例えば、本実施形態では、側面誘導部５、６が第１側面誘導部５と第２側面誘導部６とに分離して別々に形成されているが、一体に形成してもよい。

【符号の説明】

【0057】

１ 車体端面
２ 車体上面
３ 車体側面
４、５、６ 気流誘導部
４ 上面誘導部
５ 第１側面誘導部（側面誘導部）
６ 第２側面誘導部（側面誘導部）
８ 地下鉄トンネル
１０、２０、３０ 鉄道車両
１１ 上頭部
３４ 確認窓
５１、６１ 溝上端部
５２、６２ 溝下端部
Ｓ 車体
ＳＡ 先頭部
ＳＢ 後尾部
ＳＣ 車体隅部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【手続補正書】

【提出日】2015年9月10日

【手続補正1】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００７

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0007】

上記目的を達成するため、本発明に係る鉄道車両は、以下の構成を備えている。
（１）略直方体からなる車体の先頭部及び後尾部に形成された気流誘導部を備えた鉄道車両であって、 前記気流誘導部は、前記先頭部及び前記後尾部における車体端面の上頭部から、それぞれ車体上面に向けて傾斜状に形成された上面誘導部と、前記先頭部及び前記後尾部における車体隅部から、それぞれ車体側面に向けて凹溝状に形成された側面誘導部とを備えたこと、
前記先頭部及び前記後尾部は、断面が略四角形状であり、端部に向かって断面積が減少しており、前記上面誘導部及び前記側面誘導部は、前記略四角形状の辺より内側に向かって形成されていること、
を特徴とする。

【手続補正2】

【補正対象書類名】特許請求の範囲

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

【請求項1】

略直方体からなる車体の先頭部及び後尾部に形成された気流導入部を備えた鉄道車両であって、
前記気流誘導部は、前記先頭部及び前記後尾部における車体端面の上頭部から、それぞれ車体上面に向けて傾斜状に形成された上面誘導部と、前記先頭部及び前記後尾部における車体隅部から、それぞれ車体側面に向けて凹溝状に形成された側面誘導部とを備えたこと、
前記先頭部及び前記後尾部は、断面が略四角形状であり、端部に向かって断面積が減少しており、前記上面誘導部及び前記側面誘導部は、前記略四角形状の辺より内側に向かって形成されていること、
を特徴とする鉄道車両。

【請求項2】

請求項１に記載された鉄道車両において、
前記側面誘導部は、溝上端部が前記車体側面から前記車体隅部へ向かうにつれて下方へ傾斜するように形成されたことを特徴とする鉄道車両。

【請求項3】

請求項１又は請求項２に記載された鉄道車両において、
前記側面誘導部には、前記車体側面の上下方向中央部に形成された第１側面誘導部と、前記上面誘導部の左右端に隣接して形成された第２側面誘導部とを備えたことを特徴とする鉄道車両。

【請求項4】

請求項３に記載された鉄道車両において、
前記第１側面誘導部は、車体側面に対して前後方向及び上下方向で略同一の溝深さに形成されたことを特徴とする鉄道車両。

【請求項5】

請求項４に記載された鉄道車両において、
前記先頭部及び前記後尾部の前記車体側面には、運転者用又は乗務員用の確認窓を備え、前記第１側面誘導部は、前記車体隅部から前記確認窓の間に形成されたことを特徴とする鉄道車両。

【請求項6】

請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載された鉄道車両において、
前記鉄道車両は、地下鉄トンネル内を走行する地下鉄車両であることを特徴とする鉄道車両。