集電装置

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集電装置（しゅうでんそうち）とは、鉄道車両・トロリーバス等が外部より電力を得るために使用される装置のこと。集電器（しゅうでんき）ともいう。

[編集] 中空架線方式

架空電車線方式においては、架線から電車・トロリーバスへ電気を供給する。なお、寒期において車上の集電装置を使用し架線に付着した霜や雪などを掻き取るものを「霜取り用」「除雪用」と称して使用する場合がある。

[編集] トロリーポール

トロリーポールとは、「ポール」または「電棍」（でんこん）とも呼ばれ、鉄道車両やトロリーバスの屋根上に取り付けられ、架線に接して電気を伝える金属製の棒のことである。

先端にはホイールと呼ばれる滑車状の車輪、またはスライダーと呼ばれる摺り板が取り付けられている。

黎明期には鉄道車両にも使われたが、重量が大きく剛性も低いため、架線追従性が非常に悪く離線が多いことから、高速化、大出力化には不向きであった。しかし、構造が単純で製造コストも低いため、その後も長きにわたり路面電車用として使われ続けた。

トロリーバスは道路状況によっては架線の直下を大きく外れて走る必要があるが、U字断面で自由に回転できるスライダーとポールの組み合わせはこの使用状況に向いており、いまだにポールが使われ続けている。

スライダー式はトロリーバス用として開発されたが、架線への追従性に優れていたため、鉄道でもホイール式から変更された例がある。

ポールには進行方向に対して1本のものと2本のものがある。戦前の日本では、大都市の路面電車を中心に、線路からの帰電が漏電して地下埋設した水道管（鉄製）を腐食（電食）させるのを防ぐために架線に帰電する方式としたものがあり、この場合は2本であった。その後、水道管の材質が電気の影響の少ない鉛等に変更されたため、戦後はすべて1本に変更されている。トロリーバスの場合は、線路からの帰電が不可能なため架線に帰電する方式を採らざるを得ないことから、すべて2本となっている。

小型の電車では屋根の中央に1基が装備され、進行方向が変わる場合は乗務員が引き紐で旋回させていた。その後車両の大型化に伴い、進行方向ごとに1対を備えるようになり（2本ポールの場合は合計4本）、この場合、後ろ側を使用し、終端部で乗務員が上げ下ろしを行っていた。ポールを上げるには組み込まれたバネの復元力を利用するが、引き紐を操り、正確に架線をつかむには熟練が必要であった。また、分岐、転線の際は、走行中の架け替えが必要となるため、乗務員は天候にかかわらず身を乗り出してポール操作を行わなくてはならず、大きな負担になった。

トロリーバスの場合は進行方向が一方のため、終端部には転回線が設けられており、途中に分岐を作らないことで、ポールの上げ下ろしは入出庫時や、電化区間の鉄道線の踏み切りをわたる場合以外は不要であった。

分岐を自動化する機構も開発されたが、構造が複雑なこととビューゲルの普及により、一般化はしなかった。

車両の速度が向上するにつれ、架線を外れたポールが吊線（スパンワイヤー）を切断する事故も増えたため、ぜんまいばねの働きで引き紐を巻き取り、ポールの跳ね上がりを防ぐ、リトリーバー（レトリーバー）が考案された。

日本の営業用鉄道におけるポールの使用状況は、ホイール式は1975年12月の京福電気鉄道嵐山本線・北野線、スライダー式は1978年10月の京福電気鉄道叡山本線・鞍馬線（現・叡山電鉄叡山本線・鞍馬線）を最後に使用する路線はなくなり、現在は明治村等の保存用鉄道でのみ用いられている。一方、トロリーバス向けスライダー式は、日本に2路線のみ現存するトロリーバス路線、すなわち立山黒部アルペンルート内に含まれる関西電力関電トンネルトロリーバスと、立山黒部貫光立山トンネルトロリーバスのみで使用されている。

[編集] ビューゲル

ポールに代わる集電装置として、ドイツのエンジニア、ヴァルター・ライヒェル（Walter Reichel）が考案し、1887年に完成した。英語では"Bow collector"（ボウコレクター、ボウは弓の意味）と呼ばれる。日本でもそれらに倣い弓型集電器と名づけられた。ビューゲルとはドイツ語で鐙（あぶみ）、取っ手、ハンドル、輪っかなどの意味のある言葉で、服を掛けるハンガーや糸鋸（いとのこ・ジグソー）もビューゲルの仲間である。リング状のパンであるベーグルも、最初は「あぶみ」を模したと伝わっていることから、ビューゲルが語源となっていると言う説がある。

枠は平面構成で関節を持たず、集電子の左右端が閉じていて、曲線を描いて枠とつながっているのが特徴（角型のものも存在した）で、その形状から、日本では「布団たたき」のあだながついた。

架線との接触部がポールの「点」から「線」へと拡大したことで、カーブでも架線から外れることが無くなり、運転中の監視や操作が不要となり、乗務員の負担は軽減された。

高速運転や大電流にも対応できるため、機関車から路面電車まで幅広く普及した。ばねの復元力で押し付け力を得ており、架線がない場合の自由位置は直立となる。

日本では路面電車で多く使用されていたが、最近では長崎電気軌道などの動態保存車に使われている（残っている）程度である。

形状がアルファベットの「Y」に似ているものは「Yゲル」と呼ばれていた。ビューゲルと区別するため、このタイプのみを特に「ボウコレクター」と呼ぶ人もいる。阪神国道線などで使用されていたが現在は日本での使用例はない。

取り扱いが格段に簡便になったビューゲルではあったが、解決すべき問題もあった。

進行方向を逆転する際、車両を動かしながらの反転となるため、重い架線を持ち上げるストレスや、離線の際のスパークは、ビューゲル、架線の双方に悪影響があると考えられていた。また、高速域では架線追従性が依然として悪いままであることも深刻であった。

これらの課題を解決するために関節を持ったパンタグラフが考案された。

[編集] パンタグラフ

コイルばねや空気圧などによって架線に集電舟を押し付け、関節構造または伸縮構造を設けることで架線高さの変化に追従させる形態の集電装置で、21世紀初頭の現在、架空電車線方式における集電装置としては最も一般的に使われているものである。略してパンタまたはパンと呼ばれることが多い。

「パンタグラフ」の語源は、製図やフライス加工などで、複製のために用いられる、リンク機構を持つ菱形をつなげた形の道具である、pantographに動作が似ていたため採られた名称である。現在では必ずしも菱形のもののみを指すのではなく、他の形状のものも含め、関節構造を備えた屋根上に装備する集電装置の総称となっている。

一般的な認識では菱形であるが、実際のパンタグラフの側面視は六角形となる。

[編集] 菱形

一般的なパンタグラフ（写真は185系電車）

菱形の最も古典的かつ一般的な構造のもので、その形状と動作が製図の複写機にいていたことから、このタイプの集電装置がパンタグラフと呼ばれるようになった。一般的には鋼管をトラス構造に組立てたものであるが、一部にラーメン構造のものも見られた。

しかし、可動部の質量が大きいため、高速時の架線追従性が悪く、下枠交差型やシングルアーム型に取って代わられつつあり、現在の新造車にこれが装備されるケースは、ほとんどなくなっている。

[編集] 下枠交差型

下枠交差型パンタグラフ（写真はEF66形電気機関車）

菱形の下枠を交差させることで、作用高を損なうことなく（集電舟の可動範囲を狭めることなく）上枠を小型化でき、それによる軽量化で架線追従性の向上を図ったもの。

試作型PS9009での試験を経て、1964年に新幹線0系電車PS200で初めて採用された。新幹線ではパンタ台を架線に近づけることで、さらにパンタグラフ全体を小型化し、上昇用バネやカギ外しシリンダ、平衡リンク等の台枠部分にある機器類全てを流線型のカバー内部に収容することによって空気抵抗と風切り音を減少させている。

その後普及した私鉄や在来線車両では、使用速度域が低いことと、前面投影面積が従来型とほとんど変わらないため、空気抵抗の面で利点は少ないものの、架線追従性の良さと省スペース性から注目されることとなった。冷房装置などの搭載により屋根上搭載機器の増加した現代の鉄道車両に適合したため、各社で採用されたが、大手の中には東京急行電鉄や名古屋鉄道など、これにまったく関心を示さなかった事業者もあった。

近年はより構造の簡便なシングルアーム型に取って代わられつつある。韓国では今も下枠交差型を採用しつづけている。

[編集] Z型・シングルアーム型

シングルアーム型パンタグラフ（写真は新幹線700系電車）

呼び名は違えど、どちらもまったく同じもので、海外では脚型とも。日本国内でこのタイプが高速車両に普及していなかった頃は、欧州同様、「Zパンタ」と呼ばれていたが、1990年代末、JR東日本が使い始めると、「シングルアームパンタ」へと「急に」呼び名が変わった。以前からこのタイプになじみのある趣味人の多くは、今も「Zパンタ」で通している。

メインビームは横から見ると「く」の字形をしており、ほかに集電舟の平衡とパンタグラフ全体の変形を防ぐリンクを持つ。摺動抵抗となる関節を減らし、枠の軽量化と高剛性化を両立し、高速時の架線追従性を向上させたもの。受風や着雪面積が小さい点も有利とされる。

欧州では古くから、路面電車をはじめ高速車両まで広く普及しており、特に高速化に熱心なフランス国鉄では1960年代後半から採用されており、イタリア国鉄や西ドイツ国鉄の車両も、フランスへ乗り入れるものは「菱形」から「Zパンタ」に換装されていた。

日本では1960年代にZパンタが路面電車で使われたが、鉄道車両で一般化したのは1990年代後半から。集電舟を支持する上枠は逆三角形で、前から見るとY字型をしたものが多かったが、近年さらに簡略化が進み、上枠、下枠とも1本の鋼管で済ませ、前後視ではT字型の形状のものが現れている。新幹線に採用されたタイプは、上枠、下枠が中空構造のパイプとなっており、中に平衡リンクを通すことによって外部に露出する構造物を最小限として、空気抵抗と風切り音の低減化を図っている。さらにスライダー両端のホーン（角・つの　上の画像のパンタグラフの黄色い部分）には、波線状に多数の長穴が開けられており、穴の中を抜ける気流により、カルマン渦を小さくし、高速時の「エオルス音」の発生を抑えている。慣例で「枠」と呼んでいるが、すでに枠構造を持っておらず、当然、従来型パンタグラフのようなトラス構造にもなっていない。このタイプは、架線高さの上下に対応できる範囲が大きく、最低有効作用高や、折畳み高さが低い点は、地下鉄や狭小トンネルでは特に有利となるため、速度域がそれほど高くない日本では、高速性能より、この面の有用性が重視されている。

さらに、部品点数が少ないため、製造、保守コストともに安価であることから近年主流になりつつあり、コストメリットのため、事業者によっては、従来からの保有車両に取付けられていた菱形や下枠交差型のパンタグラフを全面的にこれに交換してしまうケースが見られるようになっている。

[編集] 石津式

岡山電気軌道の社長だった石津龍輔が考案した独自のパンタグラフで、「岡電式」「岡軌式」とも呼ばれる。空気圧やバネの力で架線に追従させるのではなく下部に設置された錘の重力で追随させるものである。構造上パンタグラフが小型にならざるを得ないため車両の屋根の上に櫓状の基部が組まれ、その上にパンタグラフが載せられているのが特徴である。高速走行での追随性に難があるため路面電車のような低速で走る車両にしか適さないが、構造が簡単で保守しやすい長所を持つ。岡山電気軌道のみが採用している。

[編集] 翼型

新幹線500系電車の翼型パンタグラフ。表面の亀甲模様が微小渦発生モールド

関節構造を用いず、構造体（チューブ、ケース）の伸縮によって架線に追従させる構造となっており、前後視ではT字型、側面視ではI型に見え、使用時は屋根上に直立する形となる。関節構造を持たないため、正しくはパンタグラフの仲間ではない。

高速走行時の乱流による風切り騒音防止のため、音もなく滑空できるフクロウの羽根の構造を手本に開発された凸モールドがアウターチューブの表面にある（これはボルテックスジェネレータの一種といわれている）。特許の関係もありJR西日本の500系新幹線電車のみに採用されている。　これに用いられているダンパーは、F1用ショックアブソーバーの製作で300km/h以上でのデータとノウハウを数多く持つショーワに依頼された。

　なお長所としては可動部分がシンプルで軽量で且つ風きり騒音低減に有利あることだが、欠点としては製造維持コストが高いことと、構造上あまり大きく伸縮させることができないため架線の高さの変動幅の大きな在来線では使用できないことがあげられる。

[編集] スライダー

パンタグラフが架線と接触する部分をスライダー（すり板、摺り板）と呼ぶが、このスライダーは架線との接触状態を保った状態で走行するため、走行中は常に摩擦された状態になる。したがって使用しているうちに摩耗してくるので、定期的な交換が必要である。

スライダーの材質はカーボン（炭素繊維）や銅系の合金が一般的であるが、摩耗を少なくするために鉄系の合金にしたり、銅系の合金に油脂や二硫化モリブデンなどの潤滑剤を混ぜて造ることもある。ただし、スライダーに摩耗の少ない材料を使用する場合、架線の摩耗が早くなることを考慮する必要がある。

また、スライダーの磨耗点が一点に集中することを防ぐため、直線部分の架線は緩いジグザグ状に張られている。

[編集] 日本のメーカー

日本ではパンタグラフは現在、東洋電機製造と工進精工所で製造されている（ただし、工進精工所製は半数以上がJR各社への納入）。かつては日立製作所、東芝、三菱電機でも製造されていた。このうち日立製は相模鉄道、東芝製は阪急電鉄（神宝線管内のみ）、三菱製は神戸電鉄などで使用されていたが、いずれの会社も車両の経年廃車、パンタグラフ自体の更新などにより、現在は少数の事業用車を除き使われていない。

[編集] パンタグラフの押付力

パンタグラフの押付力は、摺り板の磨耗や架線への追従性を考慮して静止状態で50N（およそ5kgf）以下であり、湿った雪が積もった程度でも離線してしまうほどである。

[編集] 低屋根車両・装置移設車両

架空電車線方式では集電装置の高さと架線との高さ（建築限界・車両限界）などが異なる区間を走行する場合もままありうる。そういった区間を走行する場合には、通例高さが低い方に合わせる。これは他社の郊外路線と直通する地下鉄などが当てはまる。

日本のJR線では、これらの限界が他のJR線より狭い線区として、明治時代に建設された設備（主にトンネル）を電化の際に大規模な改修を行わなかった、中央本線の高尾駅～中津川駅の山岳区間、篠ノ井線、私鉄を国有化した路線である身延線、民営化後に電化した予讃線の愛媛県内などの線区が知られている。しかし、この事例では飯田線は該当しない。

国鉄時代、これらの「狭小トンネル」区間に使用または直通する車両は、パンタグラフの折りたたみ時の高さを通常より低くすること（国鉄の通常の直流区間向け車両では軌道から4000mm以上。中央本線は3980mm。身延線は3960mm。予讃線は3900mm）や、電気保安装置である避雷器など周辺装置、天井のヘッドライトなどの移設を行うことが求められ、既存車の改造や、既系列の新車を設計変更することが行われた。特に移設装置で目立つものが避雷器であったことから、これらは避雷器移設工事車両といわれた。また屋根を切り欠いて集電装置設置位置を低くしたものを低屋根車両と称する場合もあり、中央本線向けの車両は「山用電車」と呼ばれることもあった。これらの仕様は42系・71系・72系・80系・101系・115系・165系・JR東海の211系などに見られ、72系以降の該当車両には主に800番台などの別形式がつけられた。

しかし、元々車高が低く重心が低く設計された特急形電車や、国鉄の民営化後に該当路線に投入された車両は、低屋根車両とは呼ばれない。また、20,000Vの高圧電流を使用する交流電化区間ではその保安上架線を直流区間より高く取る必要があるため大規模な改修を実施。このことから、交流型電車・交直流電車には厳密には低屋根車両は存在しない。

また中央本線については民営化後、小型化したパンタグラフ（PS23・PS24や、シングルアーム）が開発され、既存または新規の車高の高い車両もこれらのパンタグラフを搭載することで建築限界をクリアすることが可能になったため、低屋根車両を製造する必要性がなくなった。それ以前に製造された低屋根車両は経年廃車が進み、数が減少している。

[編集] 第三軌条方式

第三軌条方式の場合、台車の外側に集電靴（しゅうでんか：英 contact shoe）と称される装置を取り付け、これで軌道脇に設置された第三軌条と呼ばれる電気供給用のレールから集電する方式が一般的である。架線と異なり柔軟性がないため、高速運転には不向きであるが（日本での第三軌条区間最高速路線は近鉄けいはんな線の95km/h）、イギリスでは160km/h運転をしている区間がある。もっともユーロスターが通る区間はフランス国内の区間との速度差が大きいこともあり、架空線方式の高速新線（CTRL）に順次切り替えている。