寒い日が続くので鉄道車両の暖房の話でも。キハ４０，４７編

　今年の寒さは例年以上にきつくて大変です。早く春が来ないかと待ち遠しく願っています。
　先日、オークションでキハ４０，４７系気動車の教科書を落札しました。元々この本を持っておりまして、実際にこの教科書で学んでいました。しかし度重なる引越でこの教科書を紛失しまして、今回再び入手できました。
　昔学んでいた当時を思い出しながら読んでいますと、私が勘違いしていた箇所に気づきました。それがこの車両の暖房についてでした。

その教科書から書き出しますと、
　
　新方式の温風暖房であり、暖房能力は、定格30,000kcal/hである。床下に設けられた２組の温風暖房器内で機関冷却水の水の熱により暖められた温風は、ダクトを通して客室、乗務員室、便所に吹き出される。暖房時に客室の換気も併せて行うため、温風には客室からのリターン空気に新鮮外気が混合される。厳寒期には新鮮外気の取り入れを停止することが可能で、また、機関冷却水温が低下したときは、暖房能力が不足するので、機関予熱器が自動的に点火される。


　と、書いてあります。私が勘違いしていたのは、機関冷却水の熱の部分を機関の排気の熱だと思っていました。実際この熱交換機の部分をいじったことが無く、一度でもいじっていれば・・・もう遅いか！

　数年前の日記で気動車の暖房方式について書いたことがありましたが、今回改めて更に詳しく書いて見ようと思います。

　キハ40、４７，４８系の暖房はこれまでの気動車とは全く違う方式で、｢温風暖房｣と言われています。その名の通り温風が吹き出す方式です。これらの気動車は東北新幹線開業に併せて東北地区の老朽化した気動車の置き換えがメインで開発された車輌で、寒冷地の寒さに十分対応できる暖房能力を持たせています。そのためそれまでの気動車よりも暖房の効きは強力でして、四国などの暖地では効き過ぎとも言われていたほどです。

　ところでこの温風暖房機以前の暖房方式ですが、これは急行形気動車の教科書から書き出してみましょう。

　暖房装置は初期には機関の排気熱利用による温気暖房であったが、この方式で機関の回転数と共に客室への送気量及び温度が変化するため、惰行中または停車中など十分な暖房効果が得られなかった。しかるに、気動車化の進展に伴い、北海道など寒冷地にも配置されるようになったので、十分な車内暖房と共に機関の予熱をも併せて行える独立した熱源による暖房機が研究され、30年度から軽油燃焼による温気暖房器が全面的に採用された。
しかし、この暖房機で機関予熱を行う場合は、機関をオオイで完全に包むため、検修作業が非常に不便であり、しかも、温気による間接予熱であるために効率が悪いので、33年度の北海道用キハ22形式に初めて温水暖房器が採用されるに至った。この方式は機関冷却水を直接予熱するものであるが、車内のヒレ付き放熱管にも温水を循環させ、車内の暖房を行うようになっている。
　36年度急行形気動車からは、車内暖房は機関の運転による冷却水を車内の放熱器をとおして行うものが採用され、機関予熱器は、主として滞泊時の機関の予熱に使用されるようになった。
　さらに、最近新製の動車には、機関予熱器の室内暖房温水循環回路に、特に運転室とデフロスタ保温のために車内放熱器が設けられるようになったほか、笛、蓄電池箱、Ａ制御弁などにも凍結防止のため暖房が行われるようになった。


　と有ります。
要は車内に機関の排熱を床下の管に循環　→　機関予熱器の排熱を床下の管に循環　→
　キハ22から機関予熱器で機関冷却水を温め床下の管に循環　→　急行形気動車から機関冷却水を直接車内の管に循環と技術的に発展していったのです。

　ちなみにキハ22から温水暖房が採用されましたが、同時期に製造された本州向けのキハ20などは昔ながらの温気暖房のままでした。北海道という厳寒地なので温気暖房では対応できなかったと思われます。

　さて、この温水暖房装置について、再び教科書から書き出してみましょう。


　機関の排熱は定格出力時において前記の温気暖房器の約5倍にも達するのでこれを客室暖房に利用すると共に、機関の冷却水を予熱するようにしたものが温水暖房装置である。機関の予熱は、機関予熱器で冷却水を加熱して循環させるので、直接シリンダ外壁を暖めることになり、温気式よりも効果的であり、運転室、便所、洗面所などを十分暖めることが出来、長い惰行運転時における冷却水の過冷を防止することも出来る。しかし、冷却水を車内に回すので、水漏れの無いよう製作上、保守上特別の注意が必要であり、また配管中の空気の残留は、その箇所によっては冷却水の循環を止めてしまうことになるので機関の過熱となること、凍結防止にはドレン抜きを十分にしなければならないなどの欠点がある。温水暖房装置は、機関予熱器、車内放熱器、空気調整装置、ヒレ付放熱管などからなり、温水の循環方式により並列回路式と直列回路式とに分けられる。
機関予熱器は、燃焼室内で軽油を燃焼させ、その発生熱量を熱交換室で機関冷却水に伝達し与燃焼器備付の水ポンプにより、機関または客室暖房回路に送水して機関予熱及び客室の暖房も行える。


　と、あるように機関の排熱を有効利用し、更に冷却水温が低下すると機関予熱器も併用するわけです。急行用のキハ58系、近郊形のキハ45系、通勤型のキハ3５系はこの方式でして、実際にこれらの車両に冬期乗られた方であればこの暖房の効きを体験されていると思われます。（キハ３５系はホンマに効かなかったけど）

　実際のところ四国ではよく効くというか、快適でして眠気を誘う暖房でした。
しかし欠点の所にもありましたが車内床下のヒレ付放熱管に腐食で穴が空いていると、そこから冷却水が漏れだして床がびしょ濡れになります。


　これがヒレ付放熱管の断面図でして、車内の床、窓の下側にありますが、カバーで見にくいです。

　私も実際にこの修理をしたことがありますが、カバーを外してヒレをずらして、穴の部分に水漏れ留めの金具を装着するという作業でしたが、老朽化した車両が多かったので放熱管そのものを取り替えた方が早いのではと思っていました。

　ところでこれ以外にも欠点がありまして、キハ58のような2エンジン車とキハ28のような1エンジン車では暖房の効きが全く異なり、2エンジン車の方が断然良く効いていました。またキハ65は1エンジンでも500馬力の大出力エンジンでしたが、暖房の効きはキハ28よりも少しマシという感じで、キハ58よりも効きは悪かったです。つまりエンジンの数で暖房回路が異なっており、効きが全く違う欠点はどうすることも出来なかったのです。

　そこでキハ40，47，48系の開発に際して、1エンジン車でも2エンジンのキハ58よりも効きの良い暖房方式が研究開発されたのです。

　その内容についてキハ40，47系の教科書から書き出してみましょう。


　キハ40，47とも暖房は新方式の温風暖房が採用されている。温風暖房はエンジン冷却水の熱で温風をつくり、ダクトを通して客室、運転室、便所へ吹き出す仕組みのものである。温風は床下に設けられた2組の温風暖房器によって作られ、暖房時には客室の換気も併せて行うよう、客室からのリターン空気と車側から取り入れた新鮮外気と混合され、温風暖房器でエンジン冷却水の熱で過熱された後、ダクトを通り客室の下から吹き出す。室内の温度調節は、温度検出器の指令により温風の風量をコントロールすることによって行われる。エンジン冷却水温が低下した場合は、暖房不足となる恐れがあるため、このような場合は、機関予熱器が自動的に点火される。また厳寒期には新鮮外気の取り入れを停止することも可能となっている。

　先ずは機関の冷却水は床下にある2組の熱交換機に向かいますが、これがその構造です。


　続いてこの図を御覧下さい。これはキハ40の暖房の風道ですが、これまでの気動車とは暖房装置そのものが異なっています。


　上記それぞれの図を御覧になって下さい。
　車体側面に外気の取り入れ口があり、それはよく目立つ構造ですから一発でわかります。

　これはＪＲ四国のキハ40ですが、前方のドアから数えて4枚目の窓の下側（駅名標で見えにくいですが）に何か付いていますね。ちょうど駅名標の足の部分で少し隠れていますが、この部分が新鮮外気の取り入れ口です。

　続いて車内のリターン空気取り入れ口は、これです。

　網棚の上に長方形で出っ張っている部分がありますよね。ここから車内の空気を取り入れているのです。ちなみにリターン空気取り入れ口は図にあるように2組ありますが、この写真のちょうど向かいに同じ形のがもう一つ有ります。

　熱交換機の図を御覧下さい。新鮮外気とリターン空気が混じり合って電動送風機によって機関冷却水の部分を通過することで外気は暖められ温風となり、２枚目の図にあるとおり温風風道を通り吹き出し口から車内に放出されます。そして再びリターン空気取り入れ口を通って還気風道を通って熱交換機に戻ります。

　この暖房の特徴ですが、寒冷地向けと暖地向けでは暖房箇所が異なっています。

　こちらの機関冷却水回路は寒冷地向け車両の回路。


　こちらの機関冷却水回路は暖地向け車両の回路。

　よく見れば寒冷地向けの回路はドアのステップ部分も暖めています。
さて、機関冷却水はどのように流れているか、この回路を追ってみましょう。

　機関冷却水は水タンクからスタートします。太い線を追って下さい。注水三方弁を通り機関に行きます。ここで暖められて多数の温水継電器の部分を通り、２゛切替弁を通りますが、この図は夏期の暖房を使用しないときの回路図でして、冬期は太い線から右側の細い線に冷却水は流れます。

　ちなみにこれが２゛切替弁です。


　２゛切替弁から右に進んで熱交換機に流れ温風暖房器で温風を作ります。そしてここから乗務員室暖房に向かい、寒冷地向けならステップの部分にも行きます。実はこれ以外にも寒冷地向けはジャンパ連結器の部分にも行きます。そして冷却水は三方向切替弁を通って夏期用の冷却水回路に戻り、放熱器（ラジエーター）で本来の冷却を行ってから再び水タンクに戻ります。

　皆さん回路を追うことが出来ましたか？

　この暖房装置は本当によく効きました。
　四国にいたとき、予讃本線の普通列車がキハ２０とキハ４０の２連であれば冬期は殆どの乗客がキハ４０の方に集中していました。それだけ暖房の効きが違っていたのですからです。ちなみに夏場であれば、どちらもクーラーがないので同じくらいの混み具合でしたが。

　ではこの暖房装置の欠点は？


　これはキハ４７の床下機器配置図


　これはキハ４０の床下機器配置図でこれは暖地向きのキハ４０です。何で暖地向きなのかお分かりでしょうか？

　これまでの気動車の暖房装置と比べて暖房装置が異常にデカくて床下の場所をとるのです。そのため冷房用の電源エンジンを取り付ける事が出来ず、トイレ用の水タンクが１エンジン車でありながら屋根上搭載になってしまったのです。
　寒冷地であれば年間の暖房使用日数から考えて仕方がないと思えますが、四国のような場所では正直言ってこれは困りました。

　そこでＪＲ化後にＪＲ四国はこの系列の冷房化と同時にこの暖房システムに手を加えました。


　これはキハ40 2145号の床下を撮影しましたが、まずキハ40 2145の標記の部分からまっすぐ右側を見ていただくと、車体に丸い物が見えますね。これは冷却水の注入口です。良く勘違いされるのですが、これを燃料注入口と思われている方が実に多い！　これは冷却水の方です。その冷却水注入口の右隣に四角い鉄板で蓋をしているような部分が見えますがお分かりでしょうか？
　実はこれは先ほど説明しました新鮮外気の取り入れ口を塞いだ跡なのです。
　国鉄時代のキハ40は車体の左右にこの取り入れ口が有り、熱交換機も2組ありました。
　ＪＲ四国ではこの写真の側の熱交換機を撤去して1組だけで運用しているようです。
　また冷房用の電源エンジンと循環式汚物処理装置を搭載するにあたり、床下機器の移設も行われていますので、昔のキハ40や47とは少し違うようです。

　ちなみにＪＲ西日本のキハ40，47系は車体側面の空気取り入れ口を全て埋めています。　どうも別の所から取り入れるようになったようなので、車体が腐食し易い車体側面の空気取り入れ口を廃止したのでしょう。

　これでキハ40，47系の暖房システムについてご理解いただけたでしょうか？

　このシステムはＪＲ東日本のキハ110系等にも採用されているようですが、残念ながら詳しいことはわかりません。
　ＪＲ四国の１０００系や１５００系などは冷房用の電源を持つためその電力を使って電車と同じような暖房方式ではないかと思いますが、これまた詳しいことは不明です。

　寒いときは暖房のシステムについて調べて見ますと、意外な発見もあるものです。実際私も知らなかったことが多かったですね。

　次は別の形式の気動車の暖房についてまた調べてみましょう。