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パンタグラフとは、平行四辺形で伸縮するもの。またそれを利用した各種装置。
この項では、鉄道の集電装置であるパンタグラフについて説明する。
概要
鉄道は決まったレールの上のみを走るという特徴を持つ。そのため線路の周辺に給電設備を設け、車両に連続して電力を供給し車両を走らせる発明が古くから行われてきた。この方式はモーターの特性や電気の扱いやすさなどから、電車や電気機関車となって現代の鉄道における主流の動力源となっている。
パンタグラフは線路の真上に張られている架線(給電用の電線)に接触し、車両に電気を取り入れるための装置である。集電装置には他にもいくつか種類があるが、パンタグラフはその優秀さゆえ架線給電方式の鉄道車両全ての屋根に取り付けられていると言っても過言ではない。
近年は電気式気動車や蓄電池電車などで「パンタのない電車」というのもあるがアレは電車なのか気動車なのか意見が分かれるところである。
愛称として「パンタ」と略されることも。高い位置にあり目に付きやすく、分かりやすい構造で昇降し、時には火も噴く。この面白さから一部の鉄道ファンには観察・研究の対象となっている。
四日市あすなろう鉄道などのナローゲージでは近鉄名古屋線等のパンタグラフを流用しているため、車体の割にパンタグラフが大きく印象的である。
構造
パンタグラフは架線と直接接触するシュー、それを持ち上げるアーム、アームと上昇機構(バネなど)を取り付ける台座から構成されている。パンタグラフ全体は通電されており、碍子を介し車両の屋根と絶縁されて取り付けられる。電気はケーブルを通じ床下の制御機器などへと引き込まれていく。
パンタグラフの中には長い碍子で屋根から更に高い位置に取り付けられているものがある。これは交流を使用する車両の特徴であり、高電圧の絶縁のため車体から距離をとっているのである。
架線は線路からの高さを極力一定に保つよう吊られているが、複数のパンタグラフの通過や強風による揺れ、取り付け部の事情によって高低差が生まれてしまう。そのためパンタグラフも架線に追従して伸縮しなければならない。伸縮機構の構造(これが平行四辺形をしている)にはいくつか種類があり、以下に代表例を示す。
菱形
古くから使われているタイプで、性能に定評があり今でもよく見ることができる。製造方法や高速化に伴う細部の改良が長きに渡って加えられ、近年まで主流であった。
長きにわたり使われていることから様々なタイプがあり、戦時設計のため低コスト化を図ったPS13形や高速運転のため追従性能を向上させたPS16形、イコライザーを台枠外へ移設し折畳高を低く抑えることで中央東線へ乗り入れることができるようになったPS23形などがある。国鉄の車両は東洋電機製造のものが多く採用されていたが、私鉄については東洋電機製造以外も三菱電機や日立製作所のものも多く採用されている。
下枠交差型
菱形をベースに小型化と若干の軽量化を達成したもの。鉄道車両の屋根にはクーラーなどの機器類が置かれるため、このタイプの省スペース性が買われることとなった。
利点としては耐久力が強く高速走行にも耐えられることや架線への追従性能がよく、国鉄時代やJR初期に製造された新幹線や電気機関車で主に使われていたタイプで、JR西日本でも時速130km/hで運転される電車については2010年までこのタイプを採用していた。私鉄も関西の大手私鉄や東武鉄道、西日本鉄道では早いうちからこのタイプが採用されている。
欠点としては部品数が多く製造コストが嵩む点が挙げられる。JR西日本以外のJR各社の在来線や東急電鉄、名古屋鉄道はこの高コストを嫌い下枠交差型を採用せず、後述のシングルアーム型を採用している。
シングルアーム型
シューを支え昇降する最小限にしたらこうなった、と言うかたち。シンパと呼ばれることも。軽くて部品も少なく済むうえ、昇降・追従性能や省スペース性が抜群である。現在のほとんどの新車がこれを採用しているほか、従来の車両のパンタグラフをこれに取り替えてしまう例も出始めている。
TGVなど海外では比較的古くから採用例があり、「Z型パンタグラフ」と呼称されたこともある。
このタイプを当初積極的に採用したのはJR北海道とJR東海で、前者は構造上雪が積もりにくく、地球温暖化でボタ雪の増えたため90年代末に在来車のものを全てこのタイプに置き換ている。また後者も車両限界で悩まされている身延線対策として1994年製造以降の在来席新型車両はすべてこのタイプとしている。その後JR東日本やJR九州も大量製造時の低コスト化などから90年代後半から採用し、私鉄についても下枠交差型を嫌った東急電鉄や名古屋鉄道をはじめ、下枠交差型を採用していた会社も順次このタイプを採用するようになっている。
一方で高速運転時の耐久性に問題があると指摘されており、JR西日本やJR四国の在来線車両では130km/h以上で運転される車両は2000年代も菱形や下枠交差型が採用されていた。しかし改良によりJR西日本やJR四国の在来線車両も2010年頃から採用を始め、新幹線車両においては関節部分の下側を短くしたうえでカバーで覆うことで耐久性の向上を図っており、最高速度が300km/h以上のN700系やE5系などでも採用されている。とはいえ架線トラブルの際シングルアームパンタの場合わりとグチャグチャになってる気がする。
これらのほかにもマイナーな形状のものが世界中にいくつも存在する。
離線
パンタグラフは約5kgで架線を押し上げているが、架線が激しく揺れたり霜が付くなどするとシューが僅かに浮いてしまう(離線)ことがある。パンタグラフに流れていた電力が大きかった場合、離線時に大きな放電(アーク)が起きてしまう。特に霜はかなりの危険因子で、列車の加速すらままならなくなることもある。そういった事例もあり、寒冷地の車両では通常のパンタグラフの他に霜取り用の２つ目のパンタグラフを付けることがある。（霜取りパンタグラフと呼ばれる事もある。）霜取りパンタグラフは通常モーター車のパンタグラフの付いている車両の反対側に取り付けられ、霜取りの他に通常のパンタグラフと同じく電力を取り込む働きもしていると思われる。（そうでなければ霜取りパンタが通常パンタより前側になる側しか運転できなくなるし・・・）211系などでは霜取り様の増設パンタがシングルアームでそれまでのパンタがひし形パンタというスタイルで多くの鉄道ファンが尊みを感じたこともある。
JR東西線などでは剛体架線というものを採用しておりこちらは通常の架線と違い追従性に難があり離線しやすい。このためこの路線を走る電車はパンタを2基載せている。
離線しても放電を発生させないように、新幹線では2つのパンタグラフを編成内で電気的に接続している。この方式は非常に有効であり直流電車でも採用例があるが、位相の問題から新幹線以外の交流電車で使用することはできない。
関連動画
関連項目
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