JP7399076B2 - 集電装置の空力音低減構造とその製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、集電装置から発生する空力音を低減する集電装置の空力音低減構造とその製造方法に関する。

（多孔質材による空力音低減について）
新幹線（登録商標）の高速化にとって、車両各部から放射される空力音の低減は重要な課題である。パンタグラフは主要な空力音源であり、パンタグラフの各部材のなかでも、舟体・舟支え部は最も寄与が大きい空力音源である。舟体の空力音低減には断面形状の平滑化・貫通孔の適用が有効だが、それだけでは十分ではなく、舟体・舟支え部の流れの干渉を緩和する必要がある。舟体・舟支え部の流れの干渉を緩和する手法の一つとして、舟支え部の頂点カバーの表面に連続気孔を有する多孔質材を適用する（貼り付ける）手法を提案している。

従来の空力音低減構造は、空力音を低減する連続気泡の多孔質体を物体の表面に備えている（例えば、特許文献１参照）。多孔質材の表面貼付による空力音低減効果と集電装置への応用では、円柱供試体の表面に多孔質材を貼付して空力音を低減している（例えば、非特許文献１参照）。パンタグラフの舟支え部への多孔質材適用による空力音低減では、多孔質材を必要最小限の領域に埋め込むことによって空力音を低減する手法を提案している（例えば、非特許文献２参照）。

（多孔質材の現車への適用と取り付け方法について）
風洞試験では、加工が容易なウレタン樹脂製多孔質材を使用しているが、現車への適用においては、金属製多孔質材を使用し、対象物に強固に取り付ける必要がある。金属多孔質材の取り付けに関しては、接着、リベット止め、又はFRP母材との順次積層などの技術がある。従来のセル構造多孔質金属材の設置構造は、多孔質材及び被固定部材の貫通孔を貫通するリベット体によって多孔質材を非固定部材に固定している（例えば、特許文献２参照）。従来のセル構造多孔質金属材の取付構造は、多孔質材の表面にFRPの皮膜形成材を塗布して固定層を形成し、この固定層と被固定部材とをねじで固定している（例えば、特許文献３参照）。従来の多孔質金属を非固定部材上に与える方法は、多孔質金属の成形パネルの表面に接合層樹脂を浸入させて硬化させ、この接合層樹脂の表面にFRP層を形成している（例えば、特許文献４参照）。

特開2008-136332号公報

末木健之、他２名，「多孔質材の表面貼付による空力音低減効果と集電装置への応用」，鉄道総研報告，一般財団法人研友社，2008年，22巻，第5号，p.11-16

光用剛、他３名，「パンタグラフの舟支え部への多孔質材適用による空力音低減」，第28回環境工学総合シンポジウム，一般社団法人日本機械学会，2018年7月11日-12日，No.18-10

特開2009-085406号公報

特開2009-085407号公報

特開2010-208287号公報

従来のセル構造多孔質金属材の設置構造などは、パンタグラフ部材の表面に金属多孔質材を接着などで取り付けるものであり、加工上の制約から複雑な三次元曲面への適用が困難であることや、一体成型のような強度の高い方法での製作ができないといった課題がある。

この発明の課題は、簡単な加工で部材に適用でき高強度に取り付けることができて、造形技術によって一体成型することができる集電装置の空力音低減構造とその製造方法を提供する。

この発明は、以下に記載するような解決手段により、前記課題を解決する。
なお、この発明の実施形態に対応する符号を付して説明するが、この実施形態に限定するものではない。
請求項１の発明は、図７、図１０～図１３及び図１５に示すように、集電装置（３）から発生する空力音を低減する集電装置の空力音低減構造であって、前記集電装置の頂点カバー（８）の内部に流れ（Ｆ）を流入させ、この流入した流れをこの頂点カバーの内部から流出させる複数の開口部（２３）と、前記複数の開口部同士を接続する複数の流路（２４ａ～２４ｃ）とを備え、前記複数の流路は、前記頂点カバーの内部に複数方向（Ｘ，Ｙ，Ｚ）に間隔をあけて配列されており、この頂点カバーの表面の高圧部の開口部から流入した流れを、この頂点カバーの表面の低圧部の開口部から流出させ、前記空力音低減構造の上面部及び側面部は、前記頂点カバーの上面部（８ａ）及び側面部（８ｃ）と同じ高さになるように、この頂点カバーの一部を構成しており、前記複数の開口部は、前記頂点カバーの上側稜角部（８ｅ）に沿って、この頂点カバーの上面部及び側面部に形成されていることを特徴とする集電装置の空力音低減構造（２０Ａ，２０Ｂ）である。

請求項２の発明は、請求項１に記載の集電装置の空力音低減構造において、図１０、図１２、図１３及び図１５に示すように、前記複数の流路は、前記頂点カバーの内部を三軸方向（Ｘ，Ｙ，Ｚ）に延びており、各軸方向に延びる流路が交差部（２５）で交差することを特徴とする集電装置の空力音低減構造である。

請求項３の発明は、請求項１又は請求項２に記載の集電装置の空力音低減構造において、図１０及び図１３に示すように、前記空力音低減構造は、前記頂点カバーの上側稜角部を切り欠くように形成された装着部（８ｇ）に装着されており、前記頂点カバーによって覆われる舟支え部（７）と前記空力音低減構造との間にこの頂点カバーを挟み込むように、この空力音低減構造をこの頂点カバーとともにこの舟支え部に着脱自在に固定する固定部（２６）を備えることを特徴とする集電装置の空力音低減構造である。

請求項４の発明は、集電装置（３）から発生する空力音を低減する集電装置の空力音低減構造の製造方法であって、請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の集電装置の空力音低減構造（２０Ａ，２０Ｂ）を造形装置によって製造することを特徴とする集電装置の空力音低減構造の製造方法である。

この発明によると、簡単な加工で部材に適用でき高強度に取り付けることができて、造形技術によって一体成型することができる。

この発明の第１実施形態に係る集電装置の空力音低減構造を備える集電装置の一部を概略的に示す斜視図である。 この発明の第１実施形態に係る集電装置の空力音低減構造を備える集電装置を概略的に示す側面図である。 この発明の第１実施形態に係る集電装置の空力音低減構造を備える集電装置を概略的に示す平面図である。 この発明の第１実施形態に係る集電装置の空力音低減構造を備える集電装置を概略的に示す正面図である。 この発明の第１実施形態に係る集電装置の空力音低減構造を備える集電装置を概略的に示す背面図である。 この発明の第１実施形態に係る集電装置の空力音低減構造を備える集電装置の構造を概略的に示す模式図である。 この発明の第１実施形態に係る集電装置の空力音低減構造を備える頂点カバーを概略的に示す斜視図である。 この発明の第１実施形態に係る集電装置の空力音低減構造を備える頂点カバーを概略的に示す平面図である。 この発明の第１実施形態に係る集電装置の空力音低減構造を備える頂点カバーを概略的に示す側面図である。 図８のX-X線で切断した状態を示す断面図である。 この発明の第１実施形態に係る集電装置の空力音低減構造を概略的に示す外観図であり、（Ａ）は平面図であり、（Ｂ）は側面図であり、（Ｃ）は背面図である。 図１１（Ｂ）のXII-XII線で切断した状態を示す断面図である。 図１１（Ｂ）のXIII-XIII線で切断した状態を示す断面図である。 この発明の第１実施形態に係る集電装置の空力音低減構造の作用を説明するための写真であり、（Ａ）は空力音低減構造を模擬した多孔質材を拡大して示す写真であり、（Ｂ）（Ｃ）は空力音低減構造を備える場合の流れ場のコンター図であり、（Ｅ）（Ｆ）は空力音低減構造を備えていない場合の流れ場のコンター図である。 この発明の第２実施形態に係る集電装置の空力音低減構造を概略的に示す外観図であり、（Ａ）は平面図であり、（Ｂ）は側面図であり、（Ｃ）は背面図である。 この発明の実施例に係る集電装置の空力音低減構造による空力音低減効果試験に使用した風洞試験装置を概略的に示す模式図である。 この発明の実施例に係る集電装置の空力音低減構造による空力音低減効果試験の試験結果及び試験状況を示す図であり、（Ａ）～（Ｃ）は各供試体の試験結果を示すグラフ及び試験状況を示す写真である。

（第１実施形態）
以下、図面を参照して、この発明の第１実施形態について詳しく説明する。
図１、図２及び図４～図６に示す架線１は、線路上空に架設される架空電車線である。架線１は、所定の間隔をあけて支持点で支持されている。トロリ線１ａは、集電装置３が接触移動する電線である。トロリ線１ａは、集電装置３が摺動することによって、車両２に負荷電流を供給する。図２及び図４～図６に示す車両２は、電車又は電気機関車などの電気車である。車両２は、例えば、高速で走行する新幹線などの鉄道車両である。車体２ａは、乗客又は貨物を積載し輸送するための構造物である。

図１～図７に示す集電装置３は、トロリ線１ａから車両２に電力を導くための装置である。集電装置３は、図１～図６に示すすり板４と、図１～図７、図９及び図１０に示す舟体（集電舟）５と、図１～図６に示す枠組６と、図６に示す台枠１７と、図２～図６に示す風防カバー１８と、図２及び図４～図６に示すがいし１９と、図１～図１３に示す空力音低減構造２０Ａ，２０Ｂなどを備えている。図１～図７に示す集電装置３は、図１、図２及び図６に示すように、車両２の進行方向Ｄに対して非対称であり、一方向又は双方向に使用可能なシングルアーム式パンタグラフである。集電装置３は、図１、図２及び図６に示すように、車両２の進行方向前側に中間ヒンジ１３が位置するなびき方向で使用したときには空力音が比較的小さくなり、車両２の進行方向後側に中間ヒンジ１３が位置する反なびき方向で使用したときには空力音が比較的大きくなる。図１～図７に示す集電装置３は、車両２の進行方向前側に中間ヒンジ１３が位置するなびき方向に移動している。

図１～図６に示すすり板４は、トロリ線１ａと摺動する部材である。すり板４は、図１及び図３～図５に示すように、車両２の進行方向Ｄと直交する方向（まくらぎ方向）に伸びた金属製又は炭素製の板状部材である。すり板４は、舟体５とは別個に製造される別部品であり、舟体５の長さ方向（まくらぎ方向）に複数並べた状態で、この舟体５の上部に取り付けられている。すり板４は、舟体５との間で相対変位可能なようにばねなどの弾性体によって支持されている。

図１～図７、図９及び図１０に示す舟体５は、すり板４を支持する部材である。舟体５は、一般にトロリ線１ａと直交する方向（まくらぎ方向）に伸びた細長い金属製の柱状部材である。舟体５は、例えば、図２に示すように、この舟体５の中心軸に対して前後対称であり、前後がいずれも同一形状に形成されている。舟体５は、流れ（気流）Ｆのはく離を可能な限り防止するために断面形状が流線型又は流線型に近似した曲面で構成されており、滑らかな曲線によって構成されている。舟体５は、例えば、数値流体力学(Computational Fluid Dynamics(CFD))解析及び最適化手法を組み合わせた手法によって、空力音低減及び揚力特性安定化を両立可能なように舟体断面形状が平滑化されている平滑化舟体(平滑形状舟体）である。図１～図７、図９及び図１０に示す舟体５は、例えば、トロリ線１ａに対する追従性能を向上させた新幹線用（高速用）パンタグラフ舟体である。舟体５は、図１～図５に示すように、ホーン５ａなどを備えている。

ホーン５ａは、車両２が分岐器を通過するときに、この分岐器の上方で交差する２本のトロリ線１ａのうち車両２の進行方向とは異なる方向のトロリ線１ａへの割込みを防止するための部材である。ホーン５ａは、舟体５の長さ方向の両端部から突出しており、図１、図４及び図５に示すように先端部が下方に向かって湾曲して形成された金属製の部材である。

図１～図６に示す枠組６は、舟体５を支持する部材である。枠組６は、舟体５を支持した状態で上下方向に動作可能なリンク機構を備えている。枠組６は、図１、図４～図１０に示す舟支え部７と、図１～図１０に示す頂点カバー８と、図１～図１０に示す上枠９と、図６に示す舟支えリンク（平衡棒）１０と、図１、図２、図４～図６に示す下枠１１と、図６に示す釣り合い棒１２と、図１～図６に示す中間ヒンジ（屈曲部）１３などを備えている。枠組６は、使用時には図６に示す主ばね１６の付勢力によって上昇し、非使用時（折畳時）には主ばね１６の付勢力に抗してシリンダ装置が発生する駆動力によって下降する。

図１、図４～図１０に示す舟支え部７は、舟体５を支持する部分である。舟支え部７は、舟体５を架線１に対して水平に押上げるとともに、舟体５にばねによる緩衝作用を与える。舟支え部７は、舟体５の平衡維持を図るとともに、トロリ線１ａへの追従性を向上させる。舟支え部７は、図１、図２、図４～図９に示すように、上枠９の頂部に支持されている。

図１～図１０に示す頂点カバー８は、舟支え部７を覆う部材である。頂点カバー８は、図６に示すように、上枠９及び舟支えリンク１０と舟支え部７とを回転自在に連結するヒンジ部（頂点ヒンジ部）を覆うように、上枠９の上端部（頂部）に着脱自在に装着されており、図１、図２及び図７～図９に示すように流れＦを妨げないような形状に形成されている。頂点カバー８は、舟支え部７内に流れＦが侵入して大きな空力音が発生するのを防ぐとともに、空気抵抗が増加するのを防ぐ。頂点カバー８は、例えば、不燃性又は難燃性を有する金属製又は繊維強化プラスチック(Fiber Reinforced Plastics(FRP))製の被覆部材である。頂点カバー８は、図８に示すように平面形状が略Ｕ字状であり、図１０に示すように縦断面形状が略Ｕ次字状の部材である。頂点カバー８は、図７～図１１及び図１３に示す上面部８ａと、図７、図９及び図１０に示す下面部８ｂと、図７及び図９～図１３に示す側面部８ｃと、図７～図９に示す背面部８ｄと、図７～図１１及び図１３に示す上側稜角部（上側縁部）８ｅと、図７、図９及び図１０に示す下側稜角部（下側縁部）８ｆと、図７～図１０に示す装着部８ｇと、図１０に示す貫通孔８ｈなどを備えている。頂点カバー８は、図７に示すように、上面部８ａ、下面部８ｂ、側面部８ｃ及び背面部８ｄから構成される多面体であり、図１０に示すように多面体の隣り合う二面が上側稜角部８ｅ及び下側稜角部８ｆで交わっている。

図７～図１１及び図１３に示す上面部８ａは、頂点カバー８の上面を構成する部分である。上面部８ａは、図７及び図９に示すように、上枠９の上面と略同じ高さ（面一）になるように平坦な傾斜面に形成されている。図７、図９及び図１０に示す下面部８ｂは、頂点カバー８の下面を構成する部分である。下面部８ｂは、図１０に示すように、前側が上枠９の下面と略同じ高さ（面一）であり、後側が上枠９の下面よりも高く（下方に突出）、図９に示すように前側から後側に向かって複数の傾斜角度で傾斜する平坦な傾斜面に形成されている。

図７及び図９～図１３に示す側面部８ｃは、頂点カバー８の両側面を構成する部分である。側面部８ｃは、図７及び図１０に示すように、上枠９の上端部の両側面を挟み込むように、上枠９の上端部の両側面にそれぞれ着脱自在に取り付けられる。側面部８ｃは、図７及び図９に示すように、前側及び後側に丸みが形成された平坦な板状部である。図７～図９に示す背面部８ｄは、頂点カバー８の背面を構成する部分である。背面部８ｄは、図８及び図９に示すように、外観が略球面状に形成されており、上面部８ａ、下面部８ｂ及び側面部８ｃの後側を接続するように、上面部８ａ、下面部８ｂ及び側面部８ｃと同じ高さ（面一）に形成されている。

図７～図１１及び図１３に示す上側稜角部８ｅは、上面部８ａと側面部８ｃとが交わる部分である。上側稜角部８ｅは、図７～図９に示すように、上面部８ａ及び側面部８ｃの長さ方向に沿って直線状に形成されており、図１０に示すように断面形状が角に形成されている。図７、図９及び図１０に示す下側稜角部８ｆは、下面部８ｂと側面部８ｃとが交わる部分である。下側稜角部８ｆは、図７及び図９に示すように、下面部８ｂ及び側面部８ｃの長さ方向に沿って曲線状及び直線状に形成されており、図１０に示すように断面形状が角に形成されている。

図７～図１０に示す装着部８ｇは、空力音低減構造２０Ａ，２０Ｂを装着する部分である。装着部８ｇは、図１０に示すように、上面部８ａ及び側面部８ｃに所定の深さで形成された凹部であり、上側稜角部８ｅを切り欠くように、図８～図１０に示すように所定の長さ及び幅で形成されている。装着部８ｇは、空力音低減構造２０Ａ，２０Ｂが着脱自在に嵌合するように、図８及び図９に示すように平面形状及び側面形状が四角形に形成されている。図１０に示す貫通孔８ｈは、頂点カバー８を貫通する部分である。貫通孔８ｈは、頂点カバー８の側面部８ｃを貫通するように形成されている。

図１～図１０に示す上枠９は、舟支え部７に回転自在に連結される部材である。上枠９は、枠組６の上半分を構成する筒状部材であり、図６に示す舟支えリンク１０を内部に収容している。上枠９は、この上枠９の一端が舟支え部７に回転自在に連結されており、この上枠９の他端が下枠１１に回転自在に連結されている。舟支えリンク１０は、舟体５及び舟支え部７を所定の姿勢に維持する部材である。舟支えリンク１０は、この舟支えリンク１０の一端が舟支え部７に回転自在に連結されており、この舟支えリンク１０の他端が下枠１１に回転自在に連結されている。

図１～図１０に示す下枠１１は、台枠１７に回転自在に連結される部材である。下枠１１は、枠組６の下半分を構成する筒状部材であり、図６に示す釣り合い棒１２を内部に収容している。下枠１１は、この下枠１１の一端が上枠９に回転自在に連結されており、この下枠１１の他端が主軸１４に連結されている。釣り合い棒１２は、舟体５を上下変位させる軌跡を調整するための部材である。釣り合い棒１２は、この釣り合い棒１２の一端が上枠９に回転自在に連結され、この釣り合い棒１２の他端が主軸１４に回転自在に連結されている。図１～図６に示す中間ヒンジ１３は、上枠９と下枠１１とを回転自在に連結する部分である。中間ヒンジ１３は、図６に示すように、上枠９と下枠１１とを連結する関節部として機能する。

図６に示す主軸１４は、枠組６を昇降動作させる部材である。主軸１４は、枠組６と連動して動作し、正逆方向に回転することによって枠組６を昇降動作させる。主軸１４は、台枠１７に回転自在に支持されており、下枠１１の下端部と一体となって回転する。てこ部１５は、直線運動を回転運動に変換する部分である。てこ部１５は、主軸１４を支点として主軸１４と一体となって回転する。主ばね１６は、枠組６に上昇力を付与する部材である。主ばね１６は、主軸１４が回転して枠組６が上昇するように主軸１４を付勢する押上げ用ばねである、主ばね１６は、この主ばね１６の一端が台枠１７に回転自在に連結されており、この主ばね１６の他端がてこ部１５に回転自在に連結されている。

図６に示す台枠１７は、枠組６を支持する部材である。台枠１７は、枠組６の基部を支持した状態で、がいし１８を介して車体２ａの屋根上に設置されている。台枠１７は、枠組６を昇降動作させる主軸１４、てこ部１５及び主ばね１６などから構成される昇降機構部を支持する。

図２～図６に示す風防カバー１８は、台枠１７を被覆する部材である。風防カバー１８は、図６に示すように、主軸１４、てこ部１５、主ばね１６及び台枠１７などを被覆しており、図２及び図３に示すように流れＦを妨げないような形状に形成されている。風防カバー１８は、台枠１７内に流れＦが侵入して大きな空力音が発生するのを防ぐとともに、空気抵抗が増加するのを防ぐ。風防カバー１８は、例えば、FRP製の被覆部材である。

図２及び図４～図６に示すがいし１９は、車体２ａと台枠１７との間を電気的に絶縁する部材である。がいし１９は、例えば、空力音の発生に対して抑制効果のある形状に形成されている低騒音がいしである。がいし１９は、このがいし１９の後縁部に発生する渦の放出を抑制するために、水平面で切断したときの断面が略楕円形に形成されている。がいし１９は、台枠１７の両縁部寄りの底面をそれぞれ支持する。

図１～図１３に示す空力音低減構造２０Ａ，２０Ｂは、集電装置３から発生する空力音を低減する構造である。空力音低減構造２０Ａ，２０Ｂは、集電装置３の空力音発生源から発生する空力音を低減する。ここで、空力音発生源とは、頂点カバー８の隣り合う上面部８ａ及び側面部８ｃが交わる上側稜角部８ｅである。空力音低減構造２０Ａ，２０Ｂは、頂点カバー８の装着部８ｇに着脱自在に装着される合成樹脂製又は金属製の流路付き板であり、図７～図１０に示すように装着部８ｇの長さ、幅及び深さと略同じ長さ、幅及び厚さに形成されている。空力音低減構造２０Ａ，２０Ｂは、例えば、板厚が10mmである。空力音低減構造２０Ａ，２０Ｂは、図７に示すように、頂点カバー８に装着されたときに、この頂点カバー８の中心線を中心として対称構造である。

空力音低減構造２０Ａ，２０Ｂは、頂点カバー８の装着部８ｇに装着されたときに、頂点カバー８の一部を構成しており、この空力音低減構造２０Ａ，２０Ｂの上面部、側面部及び上側稜角部が頂点カバー８の上面部８ａ、側面部８ｃ及び上側稜角部８ｅの一部をそれぞれ構成する。空力音低減構造２０Ａ，２０Ｂは、図７、図９～図１１に示すように、空力音低減構造２０Ａ，２０Ｂの上面が、頂点カバー８の上面部８ａと同じ高さ（面一）になるように平坦面に形成されており、図９及び図１１に示すように頂点カバー８の背面部８ｄ寄りの空力音低減構造２０Ａ，２０Ｂの上端部が平坦な傾斜面に形成されている。空力音低減構造２０Ａ，２０Ｂは、図７、図８及び図１０に示すように、空力音低減構造２０Ａ，２０Ｂの側面部が、頂点カバー８の側面部８ｃと同じ高さ（面一）になるように平坦面に形成されている。空力音低減構造２０Ａ，２０Ｂは、いずれも同一構造であり、以下では一方の空力音低減構造２０Ａについて説明し、他方の空力音低減構造２０Ｂについては詳細な説明を省略する。空力音低減構造２０Ａ，２０Ｂは、図９～図１１に示す接合部２１ａ～２１ｄと、図９及び図１０に示す貫通孔２２と、図１０～図１３に示す複数の開口部２３と、複数の流路２４ａ～２４ｃと、図１０、図１２及び図１３に示す交差部２５と、図７～図１０に示す固定部２６などを備えている。

図９～図１１に示す接合部２１ａ～２１ｄは、頂点カバー８の装着部８ｇと接合する部分である。図９及び図１１に示すように、接合部２１ａは装着部８ｇの前側の壁部と接合し、接合部２１ｂは装着部８ｇの後側の壁部と接合し、接合部２１ｃは装着部８ｇの下側の壁部と接合し、図１０に示すように接合部２１ｄは装着部８ｇの底部と接合する。図９及び図１０に示す貫通孔２２は、空力音低減構造２０Ａ，２０Ｂを貫通する部分である。貫通孔２２は、図１０に示すように、頂点カバー８の貫通孔８ｈと対応する位置に形成されている。

図１０～図１３に示す開口部２３は、頂点カバー８の内部に流れＦを流入させ、この流入した流れＦをこの頂点カバー８の内部から流出させる部分である。開口部２３は、図７～図１１に示すように、空力音低減構造２０Ａ，２０Ｂの上面部８ａ及び側面部８ｃに複数形成されている。開口部２３は、頂点カバー８の周辺の流れが頂点カバー８の内部に流入し、この頂点カバー８の内部に流入した流れがこの頂点カバー８からこの頂点カバー８の周辺に流出するように、流れＦの入口及び出口を兼ねた入出口として機能する。開口部２３は、図７～図９及び図１１に示すように、頂点カバー８の上側稜角部８ｅに沿って、頂点カバー８の上面部８ａ及び側面部８ｃに形成されている。開口部２３は、この開口部２３の形状が円形であり、上面部８ａ及び側面部８ｃの長さ方向及び幅方向に間隔をあけて並列に２列配置されている。

開口部２３は、図１０～図１３に示すように、上面部８ａの幅方向（空力音低減構造２０Ａ，２０Ｂの幅方向(以下、Ｘ軸方向という))と、上面部８ａ及び側面部８ｃの長さ方向（空力音低減構造２０Ａ，２０Ｂの長さ方向(以下、Ｙ軸方向という))と、側面部８ｃの高さ方向(空力音低減構造２０Ａ，２０Ｂの高さ方向(以下、Ｚ軸方向という))とに間隔をあけて形成されている。開口部２３は、例えば、図１１に示すように、この開口部２３の直径φ=2mmであり、隣り合う開口部２３の長さ方向における間隔（中心間距離）ｄ₁=5.2mmであり、隣り合う開口部２３の幅方向及び高さ方向における間隔（中心間距離）ｄ₂=4.0mmである。開口部２３は、例えば、図１１（Ａ）に示すように上面部８ａに54個形成されており、図１１（Ｂ）に示すように側面部８ｃに48個形成されている。

図１０～図１３に示す流路２４ａ～２４ｃは、複数の開口部２３同士を接続する部分である。流路２４ａ～２４ｃは、頂点カバー８の内部に三軸方向（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向）に規則的に配置されている。流路２４ａ～２４ｃは、頂点カバー８の内部で複数の開口部２３同士をつなぎ、ある開口部２３から他の開口部２３に流れＦを通過させる。流路２４ａ～２４ｃは、頂点カバー８の内部に複数方向に間隔をあけて配列されており、頂点カバー８の表面の高圧部の開口部２３から流入した流れＦを、頂点カバー８の表面の低圧部の開口部２３から流出させる。流路２４ａ～２４ｃは、例えば、頂点カバー８の表面のよどみ点などの高圧部の開口部２３から頂点カバー８の内部に流入した気流を、頂点カバー８の表面のはく離点近傍などの低圧部の開口部２３から自然に流出させる。

流路２４ａ～２４ｃは、図１０、図１２及び図１３に示すように頂点カバー８の内部で三軸方向に延びており、各軸方向に延びる流路２４ａ～２４ｃが交差部２５で交差する。流路２４ａは、図１０～図１３に示すように、頂点カバー８の内部をＸ軸方向に直線状に伸びる管路（横管）であり、側面部８ｃに対して直交するように配列されている。流路２４ｂは、図１１及び図１２に示すように、頂点カバー８の内部をＹ軸方向に直線状に伸びる管路（横管）であり、流路２４ａに対して直交し、かつ、側面部８ｃに対して平行になるように配列されている。流路２４ｃは、図１０、図１１及び図１３に示すように、頂点カバー８の内部をＺ軸方向に直線状に伸びる管路（縦管）であり、流路２４ａ，２４ｂに対して直交し、かつ、側面部８ｃに対して平行になるように配列されている。

図１０、図１２及び図１３に示す交差部２５は、流路２４ａ～２４ｃが交差する部分である。交差部２５は、流路２４ａ～２４ｃとの間で流れＦが相互に通過可能なように、流路２４ａ～２４ｃを接続する。交差部２５は、頂点カバー８の内部に間隔をあけて形成されており、流路２４ａ～２４ｃと同様にＸ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向に間隔をあけて規則的に配置されている。交差部２５は、流路２４ａ～２４ｃ内を自由に流れＦが通過するように、この交差部２５で流路２４ａ～２４ｃが互いに直交するように流路２４ａ～２４ｃを接続している。交差部２５は、図１１に示すように、この交差部２５を原点とする３次元の直交座標系を想定したときに、この交差部２５を原点としてＸ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向に流路２４ａ～２４ｃが延びている。

図７～図１０に示す固定部２６は、空力音低減構造２０Ａ，２０Ｂを固定する手段である。固定部２６は、図１０に示すように、舟支え部７の側面部に形成された雌ねじ部と噛み合う雄ねじ部を有するボルトなどの締結部材である。固定部２６は、空力音低減構造２０Ａ，２０Ｂの貫通孔２２及び頂点カバー８の貫通孔８ｈに挿入されて、空力音低減構造２０Ａ，２０Ｂを舟支え部７に着脱自在に固定する。固定部２６は、空力音低減構造２０Ａ，２０Ｂと舟支え部７との間に頂点カバー８を挟み込むように、空力音低減構造２０Ａ，２０Ｂを頂点カバー８とともに舟支え部７に締結（共締め）している。

次に、この発明の第１実施形態に係る集電装置の空力音低減構造の作用を説明する。
図１４は、円柱表面に多孔質材を適用した場合の風洞試験による流れ場の変化を示す写真である。図１４（Ａ）に示す空力音低減構造は、図１１に示す空力音低減構造２０Ａ，２０Ｂを模擬した多孔質材である。多孔質材は、気孔同士の壁に微小な孔が形成されており、気孔同士が連通している連続気孔のような三次元の骨格網状構造を有する。多孔質材は、難燃性又は不燃性の金属製の多孔質材のような硬質多孔質材である。

図１４（Ａ）に示す流れ場の円柱の表面が空力音低減構造を備えていない場合には、図１４（Ｂ）（Ｃ）に示すように円柱の最大幅部よりも僅かに上流側の表面上の剥離点で、矢印方向の流れＦが剥離して、この円柱の下流側に空気が交互に回り込む。このため、円柱の表面の剥離せん断層から発生する渦の相互作用によってカルマン渦が発生し、このカルマン渦に起因する騒音や振動が発生する。一方、図１４（Ａ）に示す流れ場の円柱の表面が空力音低減構造を備えている場合には、図１４（Ｄ）（Ｅ）に示すように空力音低減構造の内部に流れＦが流入し、空力音低減構造内の流れＦが剥離点近傍などの低圧部から自然に流出する。その結果、流れ場が安定化して渦の放出が弱まり空力音が低減する。

図１～図５に示す進行方向Ｄに車両２が走行すると、図７～図１０に示す集電装置３の直線的な上側稜角部８ｅにおいて流れＦの剥離が生ずる。図７～図１１に示す頂点カバー８の表面のよどみ点などの高圧部の開口部２３から流れＦが流入する。高圧部の開口部２３から流れＦが流入すると、図１０～図１３に示す流路２４ａ～２４ｃ及び交差部２５を流れＦが通過して、図７～図１１に示す頂点カバー８の表面の剥離点近傍などの低圧部の開口部２３から流れＦが自然に流出する。その結果、流れ場が安定化して渦の放出が弱まり空力音が低減する。

次に、この発明の第１実施形態に係る集電装置の空力音低減構造の製造方法について説明する。
図１～図１３に示す空力音低減構造２０Ａ，２０Ｂは、造形装置、機械加工、成形又は鋳造によって製造される。ここで、造形装置は、任意の形状の物体を製造する装置である。造形装置は、例えば、仮想の３次元空間上に立体的な形状をコンピュータによって設計する3DCAD(3 Dimensional Computer Aided Design)、又は仮想の３次元空間上に立体的な形状をコンピュータによって作成する3DCG(3 Dimensional Computer Graphics)などによって生成された３次元的なデータで構成された３次元ディジタル・モデルに基づいて物体を製造する3Dプリンタなどである。

空力音低減構造２０Ａ，２０Ｂを樹脂3Dプリンタによって製造する場合には、例えば、液状樹脂に紫外線などを照射して少しずつ硬化させて物体を製造する光造形法、熱で溶解した樹脂を少しずつ積み重ねて物体を製造する熱溶解積層法(Fused Deposition Modeling(FDM)法)、シート材を物体の断面形状に切断して各層を接着及び溶接しながら積層し紫外線を照射又は加熱し硬化させ物体を製造するシート積層法、粉末樹脂に接着剤を吹き付けて物体を製造する粉末固着法、液体の光硬化性樹脂又はワックスをノズルから吹き付けて紫外線を照射又は加熱し硬化させ物体を製造する材料噴射法などによって、空力音低減構造２０Ａ，２０Ｂを製造する。

空力音低減構造２０Ａ，２０Ｂを金属3Dプリンタによって製造する場合には、例えば、金属粉末にレーザ光を照射してこの金属粉末を焼結し物体を製造するレーザ焼結法(Selective laser sintering(SLS)法)、レーザ焼結法の炭酸ガスレーザに代えてイッテルビウムレーザ光を金属粉末に照射してこの金属粉末を焼結し物体を製造する直接金属レーザ焼結法(Direct metal laser sintering(DMLS)法)、金属粉末にレーザ光を照射してこの金属粉末を溶融させ物体を製造するレーザ溶融法(Selective laser melting(SLM)法）、金属粉末に電子ビームを照射してこの金属粉末を溶融させ物体を製造する電子ビーム溶解法(Electron Beam Melting(EBM)法、電子ビーム溶解法の金属粉末に代えて金属ワイヤに電子ビームを照射してこの金属ワイヤを溶融させ物体を製造する溶融金属積層法、ノズルから金属粉末を溶融プールに落としレーザ光で焼結して物体を製造するレーザ直接積層法(Laser engineered net shaping(LENS)法などによって、空力音低減構造２０Ａ，２０Ｂを製造する。

空力音低減構造２０Ａ，２０Ｂを機械加工によって製造する場合には、金属製又は合成樹脂製の板材を切削加工することによって、図１１に示す板状部材を製造し、この板状部材に穴あけ加工して開口部２３及び流路２４ａ～２４ｃを製造する。例えば、Ｙ軸方向に長いドリルを使用して穴あけ加工した後に不要な流路を塞ぐことによって製造する。空力音低減構造２０Ａ，２０Ｂを機械加工又は成形によって製造する場合には、Ｙ軸方向の流路２４ｂを上下半分に分割した分割板を３層に分けて製造し、この分割板を積層して一体化した後に、開口部２３及び流路２４ａ，２４ｃを穴あけ加工して製造する。空力音低減構造２０Ａ，２０Ｂを鋳造によって製造する場合には、開口部２３及び流路２４ａ～２４ｃが予め形成された鋳型に溶融金属を注入して製造する。

この発明の第１実施形態に係る集電装置の空力音低減構造とその製造方法には、以下に記載するような効果がある。
(1) この第１実施形態では、頂点カバー８の内部に複数の開口部２３が流れＦを流入させ、この流入した流れＦをこの頂点カバー８の内部から複数の開口部２３が流出させ、複数の開口部２３同士を複数の流路２４ａ～２４ｃが接続する。また、この第１実施形態では、頂点カバー８の内部に複数方向に間隔をあけて複数の流路２４ａ～２４ｃが配列されており、この頂点カバー８の表面の高圧部の開口部２３から流入した流れＦを、この頂点カバー８の表面の低圧部の開口部２３から複数の流路２４ａ～２４ｃが流出させる。このため、部材表面で流れＦの流入及び流出を自然に生じさせるような流路２４ａ～２４ｃを設けることによって、空力音を低減することができる。また、従来の多孔質材よりも適用が容易な構造によって空力音低減効果を図ることができるとともに、従来の多孔質材を流路付きの部材によって簡単に代替することができる。

(2) この第１実施形態では、頂点カバー８の内部を複数の流路２４ａ～２４ｃが三軸方向に延びており、各軸方向に延びる流路２４ａ～２４ｃが交差部２５で交差する。このため、部材に穴あけ加工などを行うだけで頂点カバー８に適用可能であり、多孔質材などに比べて実施が容易であり、単純な形状の簡単な構造によって空力音を低減することができる。また、母材への穴加工であるため頂点カバー８から剥がれることがなく、多孔質材の接着よりも信頼性を向上させることができるとともに、頂点カバー８に容易に適用することができる。

(3) この第１実施形態では、頂点カバー８の上側稜角部８ｅに沿って、頂点カバー８の上面部８ａ及び側面部８ｃに複数の開口部２３が形成されている。このため、集電装置３において主要な空力音発生源である頂点カバー８から空力音が発生するのを抑えることができる。

(4) この第１実施形態では、空力音低減構造２０Ａ，２０Ｂを造形装置によって造形する。このため、高強度樹脂や金属を3Dプリンタのような造形装置によって出力し、集電装置３を構成する部材と一体成型することができる。また、従来の多孔質材では接着して取り付けることが困難であった三次元曲面などに簡単に取り付けることができる。その結果、空力音低減構造２０Ａ，２０Ｂを容易に製造することができるとともに、空力音低減構造２０Ａ，２０Ｂを集電装置３に容易に適用することができる。

（第２実施形態）
以下では、図１～図１３に示す部分と同一の部分については、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
図１５に示す空力音低減構造２０Ａ，２０Ｂは、図１１に示す空力音低減構造２０Ａ，２０Ｂとは異なり、側面部８ｃに形成されている開口部２３の個数が多く、側面部８ｃの略全面に開口部２３を備えている。開口部２３は、例えば、図１５（Ｂ）に示すように側面部８ｃに222個形成されている。この第２実施形態には、第１実施形態と同様の効果がある。

次に、この発明の実施例について説明する。
（風洞試験）
図１７に示すように、平滑化舟体を備える実物の新幹線パンタグラフの頂点カバーに供試体Ａ～Ｃを取り付けて、風洞試験により空力音の評価を行った。風洞試験は、公益財団法人鉄道総合技術研究所の開放胴型の風洞試験装置を使用した。図１６に示すように、風洞試験装置の風洞測定部の第１模型支持台車上に実物の新幹線パンタグラフを支持した状態で、風洞測定部内の新幹線用パンタグラフに吹き出しノズルから風速360km/hの空気を吹き出し、この空気の流れによって新幹線パンタグラフから発生する空力音を空力音測定マイクによって測定した。

（供試体）
図１７（Ａ）に示す供試体Ａは、現用品の新幹線パンタグラフの頂点カバーである。供試体Ａは、図１１に示す頂点カバー８の装着部８ｇに、開口部２３のない板を装着している。図１７（Ｂ）に示す供試体Ｂは、現用品の新幹線パンタグラフの頂点カバーの側面部の略全面に開口部が形成されている。供試体Ｂは、図１５に示す第２実施形態であり、側面部８ｃの略全面に開口部２３を有する流路付き板を頂点カバー８の装着部８ｇに装着している。図１７（Ｃ）に示す供試体Ｃは、現用品の新幹線パンタグラフの頂点カバーの角部に位置する２列のみに開口部が形成されている。供試体Ｃは、図１１に示す第１実施形態であり、上側稜角部８ｅに沿って上面部８ａ及び側面部８ｃに開口部２３をそれぞれ２列のみ有する流路付き板を頂点カバー８の装着部８ｇに装着している。図１７（Ｂ）（Ｃ）に示す供試体Ｂ，Ｃは、厚さ10mmの板材に対して直交する三軸方向に直径２mmの流路が形成されている。

（空力音の測定結果）
図１７は、風洞試験による供試体Ａ～Ｃの空力音の測定結果である。図１７に示す縦軸は、騒音レベルOA値(dB(A))である。その結果、供試体Ａに比べて供試体ＢはOA値を0.2dB程度低減できることが確認された。また、供試体Ａに比べて供試体ＣはOA値を0.4dB程度低減できることが確認された。さらに、供試体Ｃのほうが供試体Ｂに比べて空力音低減効果が高いことが確認された。

（他の実施形態）
この発明は、以上説明した実施形態に限定するものではなく、以下に記載するように種々の変形又は変更が可能であり、これらもこの発明の範囲内である。
(1) この実施形態では、集電装置３としてシングルアーム式パンタグラフを例に挙げて説明したが、菱型パンタグラフなどの他の形式のパンタグラフについても、この発明を適用することができる。また、この実施形態では、車両２の進行方向前側に中間ヒンジ１３が位置するなびき方向に集電装置３が移動する場合を例に挙げて説明したが、車両２の進行方向後側に中間ヒンジ１３が位置する反なびき方向に集電装置３が移動する場合についても、この発明を適用することができる。さらに、この実施形態では、隣り合う複数面が交わる稜角部が空力音発生源である場合を例に挙げて説明したが、複数の部材が接合又は近接する箇所の周辺部のような空力音発生源についても、この発明を適用することができる。同様に、この実施形態では、集電装置３の空力音発生源として頂点カバー８の上側稜角部８ｅを例に挙げて説明したが、上側稜角部８ｅにこの発明を限定するものではない。例えば、頂点カバー８の下側稜角部８ｆや、中間ヒンジ１３の上側稜角部又は下側稜角部や、風防カバー１８の上側稜角部、下側稜角部又は風防カバー１８とがいし１９との接合部などの空力音発生源から発生する空力音を低減する場合についても、この発明を適用することができる。

(2) この実施形態では、頂点カバー８の上側稜角部８ｅの断面形状が角である場合を例に挙げて説明したが、上側稜角部８ｅの断面形状が丸である場合についても、この発明を適用することができる。また、この実施形態では、頂点カバー８の上面部８ａ及び側面部８ｃの長さ方向に開口部２３を２列配置する場合を例に挙げて説明したが、開口部２３の配列数を２列配置する場合にこの発明を限定するものではない。例えば、頂点カバー８の上面部８ａ及び側面部８ｃの長さ方向に開口部２３を１列又は３列以上配置する場合についても、この発明を適用することもできる。また、この実施形態では、開口部２３の形状が円形である場合を例に挙げて説明したが、開口部２３の形状が楕円形、四角形又は多角形などである場合であっても、この発明を適用することができる。さらに、この実施形態では、空力音低減構造２０Ａ，２０Ｂを頂点カバー８とともに舟支え部７に固定部２６によって締結する場合を例に挙げて説明したが、このような締結方法にこの発明に限定するものではない。例えば、固定部２６の雄ねじ部と噛み合う雌ねじ部を頂点カバー８の側面部８ｃに形成し、空力音低減構造２０Ａ，２０Ｂを頂点カバー８に固定部２６によって締結する場合についても、この発明を適用することができる。

(3) この実施形態では、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向に開口部２３を等間隔に並列に配置した場合を例に挙げて説明したが、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向に開口部２３を千鳥状に配列する場合についても、この発明を適用することができる。また、この実施形態では、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向に流路２４ａ～２４ｃを配列する場合を例に挙げて説明したが、流れＦの流入と流出が起こる開口部２３を接続するように、一方向又は二方向に流路２４ａ～２４ｃを配列する場合についても、この発明を適用することができる。さらに、この実施形態では、流路２４ａ～２４ｃが交差部２５で直交する場合を例に挙げて説明したが、流路２４ａ～２４ｃが交差部２５で任意の角度で交差する場合についても、この発明を適用することができる。

１ 架線
１ａ トロリ線
２ 車両
２ａ 車体
３ 集電装置
４ すり板
５ 舟体
６ 枠組
７ 舟支え部
８ 頂点カバー
８ａ 上面部
８ｂ 下面部
８ｃ 側面部
８ｄ 背面部
８ｅ 上側稜角部（空力音発生源）
８ｆ 下側稜角部
８ｇ 装着部
８ｈ 雌ねじ部
９ 上枠
１１ 下枠
１３ 中間ヒンジ
１７ 台枠
２０Ａ，２０Ｂ 空力音低減構造
２１ａ～２１ｄ 接合部
２２ 貫通孔
２３ 開口部
２４ａ～２４ｃ 流路
２５ 交差部
２６ 固定部
Ｆ 流れ
Ｄ 進行方向

Claims (4)

1. 集電装置から発生する空力音を低減する集電装置の空力音低減構造であって、
   前記集電装置の頂点カバーの内部に流れを流入させ、この流入した流れをこの頂点カバーの内部から流出させる複数の開口部と、
   前記複数の開口部同士を接続する複数の流路とを備え、
   前記複数の流路は、前記頂点カバーの内部に複数方向に間隔をあけて配列されており、この頂点カバーの表面の高圧部の開口部から流入した流れを、この頂点カバーの表面の低圧部の開口部から流出させ、
   前記空力音低減構造の上面部及び側面部は、前記頂点カバーの上面部及び側面部と同じ高さになるように、この頂点カバーの一部を構成しており、
   前記複数の開口部は、前記頂点カバーの上側稜角部に沿って、この頂点カバーの上面部及び側面部に形成されていること、
   を特徴とする集電装置の空力音低減構造。
2. 請求項１に記載の集電装置の空力音低減構造において、
   前記複数の流路は、前記頂点カバーの内部を三軸方向に延びており、各軸方向に延びる流路が交差部で交差すること、
   を特徴とする集電装置の空力音低減構造。
3. 請求項１又は請求項２に記載の集電装置の空力音低減構造において、
   前記空力音低減構造は、前記頂点カバーの上側稜角部を切り欠くように形成された装着部に装着されており、
   前記頂点カバーによって覆われる舟支え部と前記空力音低減構造との間にこの頂点カバーを挟み込むように、この空力音低減構造をこの頂点カバーとともにこの舟支え部に着脱自在に固定する固定部を備えること、
   を特徴とする集電装置の空力音低減構造。
4. 集電装置から発生する空力音を低減する集電装置の空力音低減構造の製造方法であって、
   請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の集電装置の空力音低減構造を造形装置によって造形すること、
   を特徴とする集電装置の空力音低減構造の製造方法。

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