1.はじめに top
現在、鉄道総研では新幹線の300km/h級の高速化の研究開発が鋭意進められており、JR各社からもその成果が待されている。
この研究の過去の経緯を少し振り返ってみると、研究所の「新幹線速度同上の研究」研究班により59年度まで新幹線の300km/h級の速度同上の可能性について検討がなされてきた。その中ではまず最高速度300km/hで営業運転できる車両を前提に350km/h領域まで試験走行が可能な車両（ＳＵＳ）の構想が提案された。そしてこのＳＵＳ車両による300km/h級の速度向上の可能性について、経済性と車両、軌道、集電、信号、環境保全の各技術分野から検討がなされた。その結果、高速試験による確認と今後の研究開発による課題の解決を必要とするものの、充分経済的にも技術的にも実現性のあることが確認された。そしてそのためには車両の高速化の研究開発が特に重要であるとされた。
そこで60年度からは研究所の「速度同上のシステム検討と車両の構成」研究班により、車両を中心とした高速化の研究に移行し継続されてきた。この間、車両局を中心に現行の車両方式を改良して短期間で実用化をめざす高速車両「スーパひかり」の開発が開始されたので、この研究班ではさらにその先を目標に、先の研究班で整理された高速化の課題の解決を、新しい車両の構成法に求めることを研究の主題とし、新方式の提案とその実用化の可能性の追求を行なってきた。その内容は多岐に亘るがここでは紙面の都合で、特に重要と思われるものに限定してその一部を紹介し、その他のものについては別の機会としたい。
2.パンタグラフの騒音対策 top
ＳＵＳ、スーパひかりとも、空気抵抗低減のため屋根高さを下げることを提唱しているが、この場合、現在東北新幹線で試みられているパンクの周囲をドーム状に盛り上げるパンタ屋根カバーによる騒音対策は、架線高さが同じであるかぎり屋根が低くなった分だけドームを高くしなければならず、空気抵抗低減の効果がなくなってしまう｡
そこで図１に示すようにパンタ支持碍子上に上部が開いた翼型の防音ケースを取付け、その中にパンクを収納する方法が考えられる。新幹線のパンタ下げ時の架線－パンタ間の寸法は、30cmのAC 30kvの電気離隔寸法と20cmの構造上の許容寸法の和の50cmとなっている。そこで電気離隔距離の確保を別に設けた解放スイッチで行なえば、その寸法を20cmまで小さくでき、これを収納する防音ケースも架線に20cmまで接近させることができる。このように防音ケースで騒音源のパンタグラフ舟体を遮蔽することで、図２に示すように沿線の遮音領域を拡大できる。
なお騒音ハンドブックの音源の遮蔽による騒音低減効果のデータによれば、図２の線路ぎわのＡ点て△10 db以上、音源がぎりぎりかくれる遠方のＢ点で△5dbの効果が想定できる。
3.車両下面の全面吸音構造 top
新幹線の転勤音の主たる騒音源は、長いレール全体であることが明らかにされている。
そしてレールからの騒音は車両下面と軌道面の間で繰り返し反射して、残響音として増幅されていると見なしうる。そこでレール上にかぶさった車両の下面全体を吸音構造にすれば、残響音が減りレール近傍の騒音レベルも下がる。試算によれば車両下面の吸音率を５％から80％に上げれば△5dbの騒音レベルの低下となっている。
東北新幹線の車両は雪害対策のため床下がボディマウント構造になっており、車体下面は台車部を除きレール面上200mmの高さで、吸音率の悪い金属板で覆われている。そこで図３、図４に示すように、孔あき金属板の裏地に吸音材を張付けた孔あき吸音板を車体下面に使用すれば、ボディマウントの床下機器室が一種のヘルムホルツ共鳴器となり、吸音材と相まって低周波から高周波まで吸音効果の高い車体下面が構成できる。
台車部については検修上全体を覆うことは困難なので図４、図５に示すように台車側ばり両端から、前後の車輪を通すスリットを二つ設けた短形形の吸音板を、車両限界の85mmまでレールに接近させて取付けレールからの騒音を吸収する。この吸音板に要求される強度、耐久性、軽薄度、吸音性能等の厳しい仕様に合格させるため、吸音材は最近開発されたアルミをスポンジ状にした超軽量のアルミ発泡材を用い、それに若干の背後空気層をもうけて遮音板を裏打した吸音板とする。
このように車両下面全体の吸音効果を高めると、線路ぎわの防音壁からの反射音も吸収するので、防音壁の効果のアップも期待できる。しかし騒音の問題はなかなかやっかいなので、試験によりその効果を確かめながら実際の実施方法を検討していく必要がある。
4.ルーツファンによる車内換気
高速列車のトンネル進入時やスレ違い時に生じる大きな外気圧変動が車内に伝わると、乗客の耳に不快感を与えるので、新幹線車両では車体を気密にするとともに400mmAqの高い静圧をもつ大型、大出力のターボファンで換気する方式としている。しかし300km/hの速度同上では、静圧をさらに800mmAqにまで高める必要があると試算されており、ターボファン方式をそのまま踏襲するのは問題点が多く実用的とはいえない。
そこで新しい換気方式として気密を保ちながら送風できる図６のルーツファンによる換気を提案したい。ルーツファンは図７のまゆ形または図８の三つ葉形の二つのロータのお互いの凸部と凹部を噛み合わせるようにして等速逆回転させ、ロータ凸部の円周をおおう半割の筒とロータの窪みの空間で送風するものである。
また、気密はロータ間の噛み合いのシールとロータとケーシング間のシールで保たれている。
このルーツ方式は真空ポンプや圧カポンプとしての利用が多く、換気のような送風ファンとしての使用例は見受けられない。送風ファンとしてなら安価な静圧の小さい普通のファンで充分だからであろう｡-
車両用換気装置としてのルーツファンは、通常時は静圧の小さいファンとして作用し、外気圧変動が生じた時のみそれに見合う静圧を発生させ圧力差に耐える独得の機能を持ち、この用途には理想的なファンといえる。これに対し従来のターボファンは常に大きな静圧で回り続けているファンである。
ルーツファンは回転数が変動しない限り風量が常に一定なので、この換気装置では従来方式が抱えている給気と排気のアンバランスによる車内圧上昇の問題も解決され、また前述のように通常時はファンの静圧が小さいので消費電力もほんの僅かになり、今後の開発にもよるが、1/3程度までの装置の大幅な小型軽量化も期待できる。
5.車体傾斜抑制台車による曲線での速度向上 top
曲線での最高速度は左右定常加速度が0.08gをこえないという乗り心地上の制約からきているが、これは車両のばね系が遠心力で外側に傾斜しない構成であれば、カント不足量120mmと等価になる。現状のままのカントの曲線での120mmのカント不足量を許容するとすれば、R2500の東海道新幹線でぱ250km/h、R4000の山陽新幹線（岡山以西）では305km/h まで曲線での速度間上が可能となる。
曲線での車体の傾斜を抑制するにはその重心を低くすればよいが、それには車両の構造上の制約があるため、ここでは空気ばねを利用したアクティブ制御の車体傾斜制御について紹介する。
空気ばね式の台車に４項で説明したルーツ型の空気ポンプを追加し、図９に示すようにその二つの空気口をそれぞれパイプで左右の空気ばねにつなぐ。そして可逆、可変速モータで空気ポンプを駆動することで、流量、流速、方向を正確に制御しながら、左右の空気ばね間で空気の移送を可能にする。曲線走行時には内側の空気ばねから外側の空気ばねに空気を移送して、外側の空気ばねのばね定数とばね高さを高くし軸ばねによる台車の傾きも補償して車体傾斜を抑制する。直線に戻るときは逆に、内側の空気ばねに空気を戻し、両方の空気ばねの内圧のバランスをとる。
この方式は在来線の381系特急電車のような振子構造を持たないので、装置が簡単で台車の質量、価格のアップもわずかですむ。そして乗り心地が良いと好評の制御付振子車で開発された指令制御装置に、この方式のアクチュエータを組合せて使用する。それを図!Oに示すが、車速と曲線情報から曲線でのカント不足量を前もって計算し、緩和曲線走行中に可変速モータを制御して空気ばね間で空気を移送する。そして曲線での車体傾斜を抑制することで、曲線の速度向上を可能にする。
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6.おわりに top
新幹線のより一層の高速化は鉄道技術者に課せられた重要な課題の一つであり、そのために「スーパひかり」の設計や「SUS」の研究が行なわれてきた。この二つの研究開発はその実施メンバーや進め方に違いはあるものの、高速化の技術の確立という同一目標を目指すものてあった。
今春の鉄心総研の発足で国鉄の技術の計画、研究、設計分野が続合されたのを機会に、二つの研究開発の成果を正当に評価し融和させ、その上でそれらを継続発展させ、鉄道総研が鉄道高速化技術の中核としての役割を果たされるのを切望してやまない｡
なおこの研究は笠井浩三（59年度）宮西希一（60年度）田中宏（61年度）の各班長の指導と班員各位の参加を得て進めてきたものである。
文献
①「新幹線速度向上の研究」研究班:“300 km/h級新幹線速度向上の研究“鉄道技術研究所報告1282（1985）
②「速度同上のシステム検討と車両の構成」研究班：“速度向上のための新しい車両の構成法（中間報告）“鉄道技術研究所速報No．A－86－143（1986）
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