熱工学 的鉄道 ファンか らみた蒸気機 関車
Steam Locomotive from the Point of View of a "Thermal Engineering Railway Fan''
吉 田 敬 介(九 州 大 学),田 坂 誠 均(住 友 金 属)
Keisuke YOSHIDA (Kyushu University), Masahito TASAKA (Sumitomo Metal Industries)
1.は じ め に み な さ ん,蒸 気 機 関 車 っ て 知 っ て い ま す か? こ う聞 か れ て,ほ と ん ど の 人 は 「知 っ て る よ,SL の こ と だ ろ う!?」 と答 え る で し ょ う.確 か に,蒸 気 機 関 市 は 鉄 道 で 貨 物 列車 や 客 車 を 引 っ 張 る 機 関 中二の ひ と つ で,SLは 蒸 気 機 関 車 の 英 語 名Steam Locomotiveの 略 語 で す. しか し よ く 考 え る と 大 変 不 思 議 で す.観 光 客 目 当 て の 限 定 的 な 運 行 を 除 け ば,現 在 の日 本 に はSL は 走 っ て い ませ ん 最 後ま でSLが 走 っ て い た 九 州 地 区 や 北 海 道 地 区 で も実 質 的 に は1960年 代 終 わ り,す な わ ち 今 か ら40年 ほ ど前 に は 姿 を 消 して い ま した.そ れ な の に な ぜ,普 通 で は も う 見 か け な いSLが こ ん な に も ポ ピ ュ ラ ー な の で し ょ うか. 著 者 ら は 周 囲 か ら鉄 道 フ ァ ン と思 わ れ て い ます が,実 は 二 人 と もSLに そ れ ほ ど 興 味 が あ り ませ ん.そ れ は 吉 田 が49歳 田 坂 が46歳 で あ り,SL 全 盛 時 代 を 知 ら な い か ら な の で す が,だ か ら こ そ 年 配 の 方 は と も か くSLが ポ ピ ュ ラ ー で あ り,今 で も 興 味 を 持 っ 人 が 多 い の が 大 変 不 思 議 で す. こ の コ ー ナ ー は ヒ ス ト リーQと い う こ と に な っ て い ま す が,SLの 歴 史 を 詳 細 に 解 説 し よ う と い う も の で は あ り ませ ん.SLと は 何 か,何 が 魅 力 な の か,な ぜSLが 消 え て い っ た の か,を 熱 工 学 的 鉄 道 フ ァ ン の 立 場 か ら考 え て み た い と思 います.本 会 会 員 に は(隠 れ を 含 め て)鉄 道 フ ァ ン が 山 ほ ど い ま す.ま た,SLの 設 計,保 守 に あ た っ て い た 方 も お られ ま す.そ の 中 で 我 々 が こ の よ う な 記 ―事 を 書 くの は 大 変 恥 ず か し い の で す が,伝 熱 シ ン ポ ジ ウ ム の 行 き 帰 り に 鉄 道 の 未 乗 市 区 間 を 経 由 す る な ど 恥 ず か し い こ と を 随 分 や っ て い ま す か ら,こ こ もそ の 勢 い で 書 く こ と に し ま す.特 に,若 い 方 に 読 ん で 頂 け れ ば 幸 い で す. 本 記 事 の 執 筆 に あ た り,さ ま ざ ま な 文 献 を 参 考 に し ま し た が,直 接 引 用 した 部 分 を 除 き,文 献 番 号 を 本 文 中 に 付 し ま せ ん で し た.ま た,使 用 単 位 は 無 理 にSIに 統 一 せ ず,鉄 道 界 で 使 用 さ れ て い る ま た は 使 用 さ れ て い た 単 位 を そ の ま ま 使 用 し ま し た.(出 力:IPS=0.7355kW,圧 力:lat=1kgσcmユ =0 .09807MPa,た だ し 絶 対 圧 を[ata]と 書 き,ゲ ー ジ 圧(大 気 圧 と の 差 圧)を[atg]と 書 く,Oatg-1―0332ata =0」Ol33MPa .) 2.蒸 気 機 関 車 と は 狭 義 の 蒸 気 機 関 車 蒸 気 機 関 車 と は,「 蒸 気 で 動 く 機 関 市 」と い う 意 味 で す.「 そ ん な の 当 た り 前 だ ろ う 」 と 、言わ れ そ う で す.確 か に 電 気 機 関 車 (ElectricLocomotlve、EL)は 「電 気 で 動 く 機 関 車 」 で す.で は デ ィ ー ゼ ル 機 関 車(DieselLocomotive, DL)は 「デ ィ ー ゼ ル で 動 く 機 関 中二」 で しLう か? 蒸 気 機 関車 は 作 動 媒 体 が 蒸 気 で あ る こ と を 指 し, 電 気 機 関 車 は エ ネ ル ギ ー 源 を 電 気(作 動 媒 体 と も み な せ る が)と し て い る 機 関 車 で,デ ィ ー ゼ ル 機 関 中1は 熱 機 関 と し てDiese1Engineと 呼 ば れ る 内 燃 機 関 を 採 用 し て い る 機 関 車 で す.こ の よ う に 鉄 道 用 語(に 限 ら ず 「 業 的 に 使 わ れ る 用 語)は 一貫 性 が な い の が 普 通 で す.
F igure I A Suburban Scene with Railway in 1960s (JNR Kagoshima Line).
Figure 2 Outlook of Steam Locomotive (Type C62 exclusively for Tsubame Super Express) [*] 広 義 の 蒸 気 機 関 車 蒸 気 機 関 車 は 別 名 あ る い は 略 称 と し て 「汽 車 」 と も言 わ れ ま す(蛇 足 な が ら 中 国 語 で は 「火 車 」 と 呼 び ま す)― そ して 別 に 蒸 気 機 関 車 に 乗 る わ け で は あ りま せ ん が,蒸 気 機 関 車 が 引 く 客 車 列 車 に 乗 る こ と を 「汽 車 に 乗 る 」 と い い ま す 、 こ れ は か つ て,電 車 列 車 が 近 距 離 の た め の も の で,長 距 離 は 蒸 気 機 関 車 が 牽 引 す る 客 車 列 車 に よ っ て い た こ と の 名 残 で す.し か し,一 部 の 寝 台 特 急 列 車 以 外 は す べ て 電 車 とデ ィー ゼ ル カ ー に 置 き 換 わ っ た 現 在,デ ィ ー ゼ ル カ ー に 乗 る と き で さ え 「電 車 に 乗 る 」と い う人 が 増 え て い る 状 況 で は, 「汽 車 」 な ど と っ く の 昔 に 死 語 に な っ て い る は ず で す が,ま だ 「汽 車 に 乗 る 」 が 通 じ る と は 不 思 議 で す.そ う言 え ば,「 汽 車,汽 車,ポ ッ ポ,ポ ッ ポ, ―」 と い う 「汽 車 」 と題 した 童 謡 が 今 で も幼 児 向 けCDに 入 っ て い る こ と が あ りま す.現 存 し な い も の を 歌 っ て い る 歌 を 幼 児 は ど ん な 思 い で 聴 く の で し ょ う.が,ど うや ら こ の 場 合 の 「汽 車 」 と は, 列 車 を 指 す の で は な く鉄 道 シ ス テ ム 全 体 を 指 して い る よ うで す,か つ て ま だ 自動 車 の よ うな 移 動 手 段 を 国 民 が 持 っ て い な か っ た と き,鉄 道 は あ る と き は 隣 町 に,あ る と き は 遠 く の 町 に 行 くた め の ほ と ん ど唯 一 の 道 具 で し た,そ し て 客 車 を 引 く動 力 源 と し て の 蒸 気 機 関 車 が そ の 列 車 単 位 を 代 表 し て い た,そ の た め 「汽 車 」 は 鉄 道 シ ス テ ム の 代 名 詞 に な っ た.そ う考 え る と,な ぜ 今 も汽 車 と い う言 葉 を 使 っ て 違 和 感 が な い か,幼 児 に 汽 車 の 歌 を 聞 か せ て 違 和 感 が な い か,が 理 解 で き る よ うな 気 が し ま す ― も し か す る と鉄 道 が あ る 限 り 「汽 車 に 乗 る 」 と い う言 葉 は,「 書 生 さ ん 」な ど と違 っ て 時 代 が 変 わ っ て も あ る 一 定 の 割 合 で 通 じ続 け る か も 知 れ ま せ ん. 蒸 気 機 関 車 の 誕 生 蒸 気 機 関 車 は,世 界 で 初 め て の 実 用 的 な 熱 機 関 で あ るNewcomenの 蒸 気 機 関 (1712年)か ら113年 後,産 業 革 命 の 原 動 力 と し て あ ま りに 有 名 なWattの 蒸 気 機 関(1769年)の 誕 生 か ら56年 後 の1825年,英 国 のGStephensonに よ っ て 実 用 化 さ れ ま し た.DarlingtonとStockton問 40kmを 結 ん だ 鉄 道 は,馬 の 代 わ り にLocomotion 号 と呼 ば れ る機 関 車 が 人 や 荷 物 を 運 び ま した(図 3)― 機 関 車 の 英 語 名Locomotiveの 語 源 は こ の Locomotionで あ る と い う の は 鉄 道 フ ァ ン に は 常 識 で す が,鉄 道 とい う の はGStephensonが 突 然 蒸 気 機 関 車 を 発 明 した も の で な く,む し ろ 従 来 の 鉄 道 に 蒸 気 機 関 を 利 用 し た 動 力 車 を 開 発 した と考 え る の が 正 しい と思 い ま す.な お,そ れ に 遡 る こ と 21年 前 の1804年 に は 英 国 のR.Trevithickが 鉄 道 用 の 蒸 気 機 関 車 を 作 っ て い ま し た が,レ ー ル の 技 術 が 未 熟 で あ っ た た め 実 用 化 さ れ ま せ ん で し た. そ う い う 意 味 で は,蒸 気 機 関 車 の 発 明 者 はR. Trevithickと 言 え る か も 知 れ ま せ ん(こ のR, Trevithickの 孫 で あ るF.H.TrevithickとR.F. Trevithickの 兄 弟 は19世 紀 終 わ り の 明 治 時 代 に 来 日 し,日 本 の 鉄 道 の 黎 明 期 に 技 術 指 導 者 と して 活 躍 し て い ま す).い ず れ に し て も18世 紀 初 頭 とい うの は ま だLavoisierの 熱 素 説 が 信 じ られ て い た こ ろ,す な わ ち 熱 が エ ネ ル ギ ー の 一 形 態 で あ る と い う認 識 が な か っ た 時 代 で す.熱 力 学 の 第 二 法 則 伝 熱2006年10月 ―85― J. HTSJ, Vol. 45, No. 193
の 原 型 で あ るCamotの 「火 の 動 力 に つ い て の 考 察 」 が 発 表 され た の で さ え1824年,GStephensonの Locomotion号 完 成 の1年 前 と い う状 況 で す,そ う い う時 代 に 英 国 で は 熱 機 関 を 利 用 した 機 関 車 が 開 発 され た と い う こ と に な り ま す.ま た,本 誌 別 稿 で 吉 田 英 生 氏 が 取 材 され て い るRocket号 や,G Stephensonの 息 子 で あ るR,Stephensonが 父 と一 緒 に な っ てLocomotion号 に 改 良 を 加 え た 有 名 な Planet号 はLocomotion号 よ りは る か に 高 性 能 で あ っ た だ け で な く,そ の 後 の 蒸 気 機 関 車 の 重 要 技 術 の 多 く を 生 み 出 して い ま す 左 右 の 動 輪(ピ ス トン の 動 力 が 伝 え ら れ る 車 輪)を 回 す ク ラ ン ク の 位 相 差 を90。 に し て 起 動 不 能 に 陥 る こ と が な い よ う に し た こ とや,い わ ゆ る煙 管 ボ イ ラ を 採 用 し て 蒸 発 量 の 増 大 と燃 料 消 費 率 を 改 善 し た こ と な ど は そ の 一 例 で す , 関 連 分 野 の 学 問 的 裏 づ け が 十 分 で な い 中 で,す ば ら しい 性 能 の 蒸 気 機 関 や 蒸 気 機 関 車 を 製 造 し て い っ た 彼 ら と そ の 彼 ら を 生 み 出 した 時 代 を 考 え る と つ い,天 才 と い う言 葉 を 思 い 出 して しま い ま す. そ し て,天 才 一ス ー パ ー ス タ ー の 登 場 が 革 新 的 技 術 を 生 み,そ れ が 社 会 に 豊 か さ を も た ら す と して も,そ れ が 公 教 育,と りわ け 大 学 な ど の 高 等 教 育 機 関 で 育 成 可 能 な の か,改 め て 疑 問 に 思 っ て しま い ま す.WattやStephensonを 持 ち 出 す ま で も な く, 豊 田 佐 吉 や 本 田 宗 一 郎,井 深 大 な ど,日 本 の 天 才 的 な 技 術 者 が 育 っ た 環 境 を 見 れ ば 論 を 待 た な い 筈 な の で す が. と も あ れ,こ の よ うに し て 英 国 で 生 ま れ た 蒸 気 機 関 車 は そ の 後150年 に わ た っ て 貨 物 や 旅 客 を 運 び 続 け,産 業 発 展 と人 々 の 暮 ら し を 支 え て い く こ と に な り ま す ゲ ― ジ の 話 鉄 道 に とっ て 大 変 重 要 な 規 格 の ひ と つ に2本 の レー ル 間 隔,す な わ ち ゲ ー ジ(gauge, 軌 間 と も い う)が あ りま す.こ れ は 機 関 車 の 設 計 の 自 由 度 を 大 き く左 右 し ま す. GStephensonが 初 め て 蒸 気 機 関 車 を 走 らせ た Darlington-Stockton間 鉄 道 の ゲ ー ジ は1435mmで あ り,そ の 後 の ゲ ー ジ の 基 準(標 準 軌)と な っ た, と い う 話 は 鉄 道 フ ァ ン な ら 誰 も が 知 っ て い ま す (厳 密 に は1422mmだ っ た よ う で す).が,前 述 の よ う に 鉄 道 そ の も の はStephensonの 実 用 化 よ り 前 か ら存 在 し て お り,こ の 鉄 道 よ り前 か ら こ の 幅 が 使 わ れ て い た と考 え る の が 自 然 で す.日 本 の 新
Figure 3 Replica of Stephenson's Locomotion [**]
幹 線 の ゲ ー ジ も1435mmで す が,開 発 に あ た っ て は 別 に こ の 幅 に す る 必 然 性 は な く,そ れ ま で の 日 本 の 在 来 線 の ゲ ー ジ で あ る1,067mm(狭 軌)よ り広 く 高 速 鉄 道 開 発 に 有 利 な ゲ ー ジ を 検 討 した も の の 結 局,英 国 を 始 め 広 範 囲 に 使 用 さ れ て い た 1435mmを 採 用 した との こ とで す.こ の よ う に 新 しい 概 念 で 物 を 作 る と き,寸 法 な ど の 規 格 を 決 め る に あ た っ て は,意 外 に も そ れ ま で に 存 在 して い た も の の 寸 法 が 基 準 と な る こ と が ほ と ん ど で す. こ のStephensonの 軌 間 の ル ー ツ を 求 め て 世 界 中 を 精 力 的 に 回 っ て い る人 が,日 本 に い ま す[9]. な お,前 述 の ゲ ー ジ1435mmと1422mm, 1067mmは 英 国 で 生 ま れ た 単 位 系 で あ る ヤ ー ドポ ン ド系 に 換 算 す る と そ れ ぞ れ4負85in(8+1/2in), 4fin 8in,35餌3+1/2ft)と い う切 りの 良 い 数 値 に な り ま す.家 庭 用 冷 蔵 庫 の 冷 凍 室 の 設 計 温 度 が48℃ で あ る こ と が 多 い で す が,こ れ は 華 氏0。Fで あ り, 火 力 発 電 所 の 蒸 気 条 件538℃ は1000QF,市 販 の チ ー ズ の 内 容 量 が225g≒0 .5×454g-051b,1海 里 =1852m=4×107m/(360×60分) ,即 ち 赤 道 上 で1分 動 い た 距 離,携 帯 電 話 の 距 離 別 通 話 料 金 の 境 界 は 160km=100mile,JIS規 格 の 合 板1枚 の 定 尺1 .8m ×0 .9m≒1間 ×05問=05坪,な どSIで 表 記 す る と端 数 が 付 く が,そ の 規 格 が 生 ま れ た 単 位 系 で の 値 を 知 っ て お く と物 理 量 が 理 解 しや す い も の が 世 の 中 に は 山 ほ ど あ り ま す. 蒸 気 機 関 車 の 原 理 と 特 徴 図4は 典 型 的 な 蒸 気 機 関 車 の 断 面 図 で す.見 る か ら に 複 雑 そ うで す が, 蒸 気 機 関 車 の 作 動 原 理 は 大 雑 把 に 言 え ば 次 の 通 り で す.す な わ ち, ① ボ イ ラ で 燃 料 を燃 焼 させ,そ の 熱 で 水 を 加 熱 ・ 沸 騰 させ て 蒸 気 を 発 生 さ せ る, ② 高 圧 蒸 気 と背 圧(大 気 圧)の 差 に よ り シ リ ン ダ 内 伝 熱2006年10月 ―86― J. HTSJ, Vol. 45, No. 193
Figure 4 Cross Section of Steam Locomotive [2] の ピス トン を押 し,ピ ス トン に繋 が っ て い る ロ ッ ドを 通 して 動 輪 を回す, ③ ピス トン を押 した 後 の蒸 気(排 気)は 大 気 に捨 て られ る, とい うもの で す.す なわ ち,③ を除 け ば原 理 的 に 火 力 発 電 所 と同 じで あ り,熱 力 学 的 にい え ば 「水 を作 動 媒 体 とす る開 放型 の ラ ン キ ンサ イ クル 」 と な りま す.し た が って,出 力 や 熱 効 率 を 向上 させ る 手 法 も原 理 的 に火 力発 電 所 と同 じで す.例 え ば, 水 の蒸 発 量 を増 せ ば機 関 車 の 出 力 を大 き くす る こ とが で き,ボ イ ラで の蒸 発 圧 力 を上 げ た り蒸 気 を 過 熱 した り して 高 温 高圧 の 蒸 気 を作 れ ば 出力,熱 効 率 と も に向 上 させ る こ とが で きま す. た だ し,火 力 発 電 所 と違 う制 約 条 件 が い くつ か あ りま す.第 一 に,鉄 道 車 両 で あ る が ゆ え に装 置 の 寸 法 に大 き な制 限 が あ る こ とで す.発 電 所 で あ れ ば,出 力 を上 げた けれ ば そ れ に見 合 っ た用 地 を 確 保 す れ ば よい だ けの 話 で す が,車 両 は最 初 か ら 幅 や 高 さ(車両 限 界 とい う)が決 ま っ て い ま す し, 長 さに して もカ ー ブ を 曲が らね ば な らぬ た め1両 当 た りの 長 さ に は制 限 が 出 て き ます.ま た,線 路 や そ の 下 の 構 造 物 の強 度 制 限 か ら車 両 の重 量 も制 限 され ま す.鉄 道 の長 所 の 一 つ で あ る複 数 車 両 の 連 結(重 連 とい う)によ っ て解 決 す る こ と も可 能 で す が,運 転 や 保 守 が煩 雑 にな ります. 第 二 に,車 両 が動 くこ とで す.ボ イ ラ な どの重 量 物 が 路 面 か ら高 い とこ ろ に あれ ば機 関車 の 重 心 が 上 が り不 安 定 に な ります し,水 や 燃 料 を入 れ る た めそ の量 に よ っ て も重 心 が 変 わ っ て き ます.ま た 車 両 は発 車 す る と加 速 減 速 を繰 り返 す た め,激 しい 負 荷 変 動 に蒸 気 発 生 を追 随 させ ね ば な りませ ん.発 電 所 の よ うに ター ビン を ほ ぼ 一 定負 荷 で 運 転 す る こ とは で き ませ ん.こ の辺 は 自動 車 用 エ ン ジ ン と同 じもの が 要 求 され ます が,自 動 車 よ りは るか に 大 き な 出力 が 要 求 され ます.自 動 車 は大 型 トラ ッ クで もせ い ぜ い 数 百PS程 度 な の に対 し, 蒸 気 機 関 車 は第 二 次 世 界 大 戦 以 前 で も1000PS以 上 の 要 求 が 普 通 で した. 第 三 は,第 二 とも 関連 します が,蒸 気 機 関車 で 必 要 な 動 力 は基 本 的 に車 両 上 で 発 生 させ た蒸 気 の エ ネル ギー で す べ て 賄 わね ば な らない こ とです. 火 力発 電 所 の よ うに起 動 時 に外 部 か らの電 力 を借 りる よ うな こ と は 出来 ませ ん.給 水 ポ ンプ の駆 動, 燃 焼 用 空 気 の 供 給 お よび 燃 焼 ガ ス の通 風 装 置,汽 笛,照 明 な どの 電 気 を作 る た めの 発 電 機,ブ レー キ に 必 要 な 高 圧 空 気 を作 る た めの 空 気 圧 縮 機,…, これ らは す べ て 蒸 気 で 駆 動 せ ね ば な りませ ん し, そ の所 要 量 は時 々刻 々変 化 す る も ので す. 機 関 車 用 蒸 気 機 関 の 構 成 要 素 図5は 熱 機 関 と し て の蒸 気機 関車 の主 要 な構 成 機 器 と火 力 発 電 所 の そ れ と を比 較 した も の です.な お,こ の機 器 構 成 は,20世 紀 初 頭 以 降 に製 造 され た 機 関車 で ほ ぼ共 通 の もの で す. 動 力 発 生 装 置 は シ リン ダ ・ピス トン⑤ で あ り, 火 力発 電 所 の ター ビン に対 応 します.Wattの 時代 な ら と もか く,タ ー ビン で な くピ ス トン が使 われ 続 けて きた の は不 思 議 に思 われ る か も知 れ ませ ん が,タ ー ビ ン は高 速 回転 す るた め,機 関車 の動 輪 を駆 動 す るた め に高 出力 用 減 速 歯 車 が必 要 に な り, そ の 製 作 ・保 守 技 術 が な か っ た か ら と考 え られ て い ま す(1970年 代 後 半 に最 新 技 術 で蒸 気 機 関 車 を 設 計 しよ う とい う機 運 が ア メ リカ で高 ま っ た 際 に も蒸 気 ター ビン の導 入 が検 討 され ま した が,技 術 的 に有 利 で な い とい う結 論 か ら見 送 られ ま した). 蒸 気 機 関車 で は一 般 的 に シ リン ダ を2つ と し,そ れ ぞ れ を車 両 の左 右 に 一 つず つ 置 い て動 輪 を左 右 伝 熱2006年10.月 ―87― J. HTSJ, Vol. 45, No. 193
(a) Steam Locomotive (b) Steam Power Plant
Figure 5 Basic Components of Steam Locomotive and Steam Power Plant
両 側 か ら 駆 動 す る 方 式 が 取 られ ま す(図6).大 出 力 機 関 車 や 特 別 な 揚 合 に は シ リ ン ダ を3つ あ る い は そ れ 以 上 に 増 や す 場 合 も あ り ま す が,口 本 で は ご く 限 ら れ た 機 関 車(C52お よ びC53形 式)し か 用 い られ ず,ほ と ん ど す べ て2シ リ ン ダ で した. シ リ ン ダ 内 で 膨 張 した 蒸 気 は 煙 突 か ら 大 気 へ 排 出 され ま す が,ま だ 圧 力 温 度 と も 高 い た め,エ ネ ル ギ ー 変 換 効 率 と 出 カ ア ップ を 狙 い1段 階 で 膨 張 さ せ ず に2段 階 で 膨 張 させ る 方 式 も あ り,複 式 と 呼 び ま した(対 比 の 意 味 で1段 階 膨 張 タ イ ブ を 単 式 と 呼 ぶ)― 複 式 は1887年 に フ ラ ン ス の マ レ ー (Mallet)が 最 初 に 開 発 し た の で マ レ ー 型 機 関 車 と も言 わ れ,火 力 発 電 所 の タ ー ビ ン と 同 様,高 圧 シ リ ン ダ,低 圧 シ リン ダ と し て 配 置 され ま す,た だ し,日 本 で は 輸 入 車 の み で 国 産 車 に は 採 用 さ れ ま せ ん で し た. ボ イ ラ は,火 力 発 電 所 と 基 本 的 に 同 一 で す が, 現 在 の 火 力 発 電 所 で 主 流 の 水 管 ボ イ ラ で は な く, 横 置 き 煙 管 ボ イ ラ と 呼 ば れ る 丸 ボ イ ラ の 一 種 が 使 わ れ て き ま し た 図7は 蒸 気 機 関 車 用 ボ イ ラ の 断 面 図 を 示 して い ます(注:図4と 機 関 屯 の タ イ プ が 若 干 異 な る が 実 質 的 に は 同 じ).ド ラ ム 缶 の お 化 け の よ う な も の(ボ イ ラ 胴 とい う)を 横 に 寝 か せ た 状 態 に し,ド ラ ム 缶 の 両 側 の 蓋 に 穴 を あ け て そ の 問 に 多 数 の 鋼 管 を 水 平 に 渡 し,さ ら に 一 端 に 燃 焼 室(火 室 と い う)を 鋼 材 で 作 り,他 端 に 鋼 材 で 部 屋 (煙 室 とい う)を 作 り そ こ に 煙 突 を 立 て た も の を 連 想 し て 頂 け れ ば よ い と思 い ます,も ち ろ ん 実 際 は ドラ ム 缶 で は な く,煙 突 室 も燃 焼 室 も鋼 材 を 用 い て 一 体 で 作 り ま す が,こ の 缶 に 水 を 入 れ,燃 焼 室
Figure 6 Two Cylinders and their Locations (Type D51) [**] で 燃 料 を 焚 く と ドラ ム 缶 の 中 に 通 し た 水 平 管(煙 管)を 燃 焼 ガ ス が 流 れ て 水 を 加 熱 し 蒸 気 が 発 生 す る,そ れ が 機 関 車 ボ イ ラ の イ メ ー ジ で す.こ の ボ イ ラ が 採 用 され て き た の は,丸 ボ イ ラ の 中 で は コ ン パ ク トで あ り,か つ ボ イ ラ 胴 の 中 に 溜 め る 水 の 量(保 有 水 量)が 少 な く 相 対 的 に 伝 熱 面 積 が 大 き い た め,燃 料 を 燃 や し始 め て か ら 蒸 気 が 出 て く る ま で の 時 間(起 動 時 間)が 甲 い か ら で し た.― 方,こ の タ イ プ の ボ イ ラ は 水 管 ボ イ ラ の よ う に あ ま り高 圧 に 出 来 ず,20atg(2MPa)程 度 が 最 高 で し た が, 水 管 ボ イ ラ は ス ケ ー ル(湯 垢)が 内 部 に 付 着 す る と 除 去 が 困 難 な た め 煙 管 ボ イ ラ よ り 高 純 度 水 の 給 水 が 必 要 で,水 補 給 が 常 に 必 要 な 蒸 気 機 関 車 で は 採 用 不 可能 で した(こ れ も 前 述の)ア メ リカ の 最 新 技 術 に よ る 蒸 気 機 関 車 設 計 の と き に 水 管 ボ イ ラ の 採 用 が 考 え られ ま し た が,メ リ ッ トな し と の 判 断 で 見 送 られ ま した)― 伝 熱2006年10月 ―88― J.HTSJ,VoL45,No.193
1管 寄 せ,2過 熱 器 管, 3乾 燥 管(飽 和 蒸 気 管), 4加 減 弁, 5蒸 気 ドー ム,6大 煙 管, 7ス テ ー,8焚 き 口, 9火 格 了一, 10燃 焼 室(火 室), 11れ ん が ア ー チ, 12小 煙 管, 13排 蒸 気 管(エ ゼ ク タ), 14煙 室
Figure 7 Cross Section of Smoke Tube Boiler for Steam Locomotive [11]
過 熱 器 ④ は ボ イ ラ(蒸 発 器 ③)で 発 生 した 飽 和 蒸 気 を さ ら に 加 熱(過 熱)し て シ リ ン ダ に 送 る も の で, 1898年 に ドイ ツ のSchmittに よ っ て 蒸 気 機 関 車 用 の も の が 開 発 され,1910年 ご ろ 以 降 に 製 造 され る 機 関 車 に は ほ とん ど全 て に こ の 方 式 が 採 用 され ま し た 過 熱 器 設 置 の メ リ ッ トは 最 高 温 度 を 上 げ る こ と に よ る 断 熱 熱 落 差 の 増 大 な ら び に シ リ ン ダ で の 乾 き 度 の 増 大 に よ っ て 不 可 逆 損 失 を 減 ら し出 力 と 熱 効 率 を 改 善 す る も の で あ り,こ れ を 採 用 して か ら の 蒸 気 機 関車 二は そ れ 以 前 に 比 べ 出 力 と燃 料 消 費 が20%程 度 改 善 し た と 言 わ れ て い ます. 一方,火 力 発 電 所 と 異 っ て 特 記 す べ き は,過 熱 器 の 前 に 加 減 弁 と呼 ば れ る 弁 が 付 い て い る こ と で
Figure 8 Driver's Cockpit of Type D51 [*] (Left Side) す.こ れ は シ リ ン ダ に 送 り込 まれ る 主 蒸 気 量 を 制 御 す る も の で,自 動 車 の ア ク セ ル に 相 当 し ま す ― 運 転 手(機 関 ± ま た は 機 関 手 と 呼 ん だ)は 運 転 室 内 左 側(図8)に あ る テ コ ハ ン ドル を 操 作 し て 加 減 弁 を 開 閉 し車 両 の 加 速 を 制 御 し ます が,こ こ で 蒸 気 量 を 変 化 させ れ ば 必 ず 過 熱 器 出 口 温 度 が 大 き く 変 動 す る は ず で す.こ れ が 運 転 の 「効 き 」 に ど のよ う に 影 響 し た の か 大 変 興 味 が あ り ま す. な お,Schmittの 過 熱 器 は 過 熱 器 管 が 煙 管 の 一部 に 挿 人 され る 構 造 で,そ の た め そ の 煙 管 だ け 他 の 煙 管 よ り 内 径 が 大 き く な っ て い る(大 煙 管)と い う, 火 力 発 電 所 の ボ イ ラ で は 考 え ら れ な い 「仰 天 技 術 」 が 使 わ れ て い ます ― 前 述 の 加 減 弁 は 図7に 示 す よ うに ボ イ ラ 胴 上 部 に 設 置 され,胴 内 で 沸 騰 し 発 生 し た 飽 和 蒸 気 が そ
Figure 9 Driver's Cockpit of Type D51 [*] (Right Side)
Figure 10 Two Drivers for Steam Locomotive Operations [*] こ を 通 っ て 行 き ます が,蒸 気 は 通 常 わ ず か な が ら 水 液 滴 を 同 伴 し て お り,そ の ま ま シ リン ダ 内 に 入 れ る と液 滴 が 種 々 の 問 題 を 起 こ し ま す.こ れ は 過 熱 器 を 設 置 し て も 同 じ こ と で,飽 和 蒸 気 へ の 同 伴 液 滴 は ボ イ ラ 出 口で 極 力 食 い 止 め る よ う な 方 策, す な わ ち 汽 水 分 離 が 図 られ ま す.汽 水 分 離 は 火 力 発 電 所 の ボ イ ラ で も 重 要 な 技 術 で す が,蒸 気 機 関 車 で は 加 減 弁 回 り に 蒸 気 ドー ム(蒸 気 だ め と も い う)と 呼 ば れ る 空 間 を 作 っ て 汽 水 分 離 を 促 進 し ま す(外 観 で 図11の よ うに 見 え る 部 分)― さ ら に 加 減 弁 を 通 っ た 後 の 蒸 気 を 乾 燥 管 と 呼 ば れ る 部 分 で 乾 燥 さ れ 過 熱 器 に 送 る 構 造 に な っ て い ま す 給 水 温 め 器 ② は,火 力 発 電 所 の 給 水 加 熱 器 に 対 応 し ま す.水 タ ン ク に 溜 め た 水 を ボ イ ラ 本 体 に 給 水 す る 前 に 予 熱 す る こ と に よ りボ イ ラ 本 体 の 熱 的 シ ョ ッ ク を 和 ら げ る と と も に,そ の 熱 源 と して シ リ ン ダ で 膨 張 した 後 の 蒸 気(排 気)を 使 用 す る こ と に よ っ て 熱 回 収 を 行 う も の で す ― 排 気 は ま だ 圧 力 ・温 度 と も に か な り高 い の で,給 水 予 熱 に は 効 果 的 で す が,こ れ を 煙 室 に 置 く も の も 多 く,排 ガ ス の 熱 回 収 も兼 ね る こ と か ら,給 水 温 め 器 は 火 力 発 電 所 の 給 水 加 熱 器 と節 炭 器 を 併 せ 持 っ た も の と も 考 え る こ と が で き ま す. 一 方,燃 料 を 焚 く側 で す が,蒸 気 機 関 車 は 燃 料 と し て 破 砕 され た 石 炭(図12)を 使 用 す る た め,火 室 内 に 火 格 子 と 呼 ば れ る も の が 設 置 さ れ て い ま す ― 図13は そ の 写 真 で す が,魚 焼 き 網 の 化 け 物 の よ う な も の で,そ れ に 石 炭 を 乗 せ,下 か ら 空 気 を 通 し て 燃 焼 させ ま す ― 現 在 の 火 力 発 電 所 で は 石 炭 焚 き ボ イ ラ の ほ と ん ど す べ て が 石 炭 を 機 機 で 微 粒 子 化 (数 ミ リ の オ ー ダ)に し た 微 粉 炭 を バ ー ナ で 噴 出 し て 燃 焼 させ る の で,こ の 装 置 は 蒸 気 機 関 車 独 特 と
Figure 11 Steam Receiver (Outlook of Type C62) [*1
Figure 12 Coal for Steam Locomotives
Figure 13 Fire Grate of Steam Locomotive 1*1
言 え そ うで す が,か つ て は 火 力 発 電 所 の ボ イ ラ も 蒸 気 機 関 車 と 同 じ よ うに 火 格子 を 使 っ た 燃 焼 方 式 が 採 用 さ れ て い ま した. 特 徴 的 な の は 通 風 装 置 で す.燃 焼 用 空 気 お よ び 燃 焼 ガ ス(排 ガ ス)の 流 動 を 確 保 す る た め,火 力 発 電 所 で は モ ー タ に よ っ て フ ァ ン を 回 し通 風 力 を 得 て い る の に 対 し,蒸 気 機 関 車 で は 通 風 力 を 蒸 気 の 排 気 に よ り得 て い ま す.す な わ ち,排 気 が 煙 突 に 向 か っ て 排 出 す る 際 に 煙 室 内 を 高 速 で 通 過 さ せ, 伝 熱2006年10月 ―90― J. HTSJ, Vol. 45, No. 193
ベ ル ヌ ー イ の 原 理 を 利 用 し て 燃 焼 ガ ス を 吸 い 出 し 通 風 させ ます （図4の 排 気 エ ゼ ク タお よ び 図7の 13。が こ れ に 相 当 ）． 一 方 ， 火 力 発 電 所 で ポ ビ ュ ラ ー な， 燃 焼 用 空 気 を 予 熱 す る た め の 空 気 予 熱 器 は 存 在 し ま せ ん （後 述 の 復 水 器 と 同 様 ， こ の 機 器 は 大 型 に な り ます ）． 蒸 気 機 関 車 で は す べ て の 動 力 を 蒸 気 で 賄 わ ね ば な り ませ ん が ， 排 気 を 利 用 す る 装 置 を 除 け ば す べ て 主 蒸 気 を抽 気 し て 使 用 し ま す ． そ の た め ， ボ イ ラ か ら 運 転 室 ま で 蒸 気 管 が 引 か れ ， そ こ に 設 置 さ れ た 分 配 器 を 通 じて 各 機 器 へ 配 管 され ます ． そ の 分 配 器 を 蒸 気 分 配 箱 （図9） と い い ，も う 一人 の 運 転 手 （機 関 助士 ま た は 機 関 助 手 と呼 ん だ ） が 各 機 器 へ の 蒸 気 流 量 を 弁 操 作 に よ っ て 調 節 し ます ． こ れ で 操 作 され る 装 置 は ， 給 水 ポ ン プ や 発 電 機 等 の 他 に ， 給 油 機 ， 燃 焼 室 内 の 火 格 子 の 振 動 装 置 ，D52 やC62形 式 機 関 車 に 採 用 さ れ た 自動 給 炭 装 置 ， さ ら に は 客 車 列 車 の 暖 房 装 置 に ま で 及 び ま す 。 蛇 足 で す が ， 昔 の 客 車 列 車 の 暖 房 が 蒸 気 に よ っ て い た た め ， 電 気 機 関 車 の 時 代 に な っ て も 客 車 牽 引 用 電 気 機 関 車 で は 機 関 車 内 に 蒸 気 発 生 器 を 備 え ， 蒸 気 を 客 車 に 送 っ て い ま し た ． と こ ろ で ， 蒸 気 機 関 車 に は 加 減 弁 や 後 述 の 弁 装 置 の よ うに 直 接 動 力 を 制 御 す る もの だ け で な く ， 種 々 の 目 的 で い く つ も の 弁 が 用 い られ て い ま す ． 例 え ば ， ボ イ ラ 破 裂 を 防 止 す る た め の 安 全 弁 ， 圧 縮 空 気 を 所 定 の 圧 力 ま で 下 げ る 給 気 弁 ， ブ レ ー キ に 使 わ れ る 分 配 弁 な ど 機 関 車 な ら で は の 多 彩 さ で す が ， そ の 中 で ち ょ っ と 変 わ っ た 弁 が あ り ま す ． 鉄 道 車 両 は 走 行 抵 抗 が 自 動 中二等 と比 べ 大 変 小 さ く ， 電 車 に せ よ機 関 屯 に せ よ エ ネ ル ギ ー を 使 っ て 加 速 し（力 行 と い う）， あ る 一 定 の 速 度 に 達 した 後 は ， か な り 長 い 距 離 を 惰 性 で 走 る こ と（惰 行 と い う）が 可 能 で す が ， も し蒸 気 機 関 車 が 力 行 か ら加 減 弁 を 閉 じ て 惰 行 に 移 ろ う とす る と ， そ の ま ま で は 自動 車 の よ う に 「エ ン ジ ン ブ レー キ 」 が か か っ て し ま い ， 鉄 道 車 両 の 長 所 が 活 か せ ませ ん ． こ の 惰 行 時 （絶 気 運 転 と い う）に 「エ ン ジ ン ブ レー キ 」 が 利 か な い よ う， シ リ ン ダ 内 が 真 空 に な ら な い よ う大 気 開 放 す る た め の 弁 ， す な わ ち 蒸 気 室 空 気 弁 （図6） が 付 い て い る の も蒸 気 機 関 車 の 特 徴 で す 。 こ の 他 ， 当 然 と 言 え ば 当 然 で す が ， 蒸 気 機 関 車 の ボ イ ラ の 性 能 を 表 す 指 標 は 多 く が 火 力 発 電 所 の そ れ と 同 じ で す ， 伝 熱 面 積 ， 火 格 子面 積 ， 火 炉 熱 発 生 率 ， 火 炉 断 面 熱 発 生 率 ， … ， 熱 工 学 的 鉄 道 フ ァ ン と し て は ， これ ら に つ い て も 語 りた い の で す が ， あ ま りに 各 論 に な り過 ぎ る の で 止 め ま す ． 弁 装 置 蒸 気 機 関 車 の 動 力 発 生 装 置 は シ リ ン ダ ・ ピ ス トン で す ． 蒸 気 機 関 車 の シ リ ン ダ で は ， ピ ス トン 両 面 か ら 交 層二に 高 圧 蒸 気 を 送 り込 む こ と で 常 にIEの 仕 事 が 発 生 す る よ うに し ま す ． こ れ はWatt が 考 案 した 技 術 で した が ， 当 時 ， 給 気 の 切 替 え は 手 動 で 行 っ て い ま した ． そ の 弁 の 自動 切 替 え 装 置 を 考 案 し た の は1784年 ， 彼 の 会 社 の 技 師W． Murdockで あ っ た と言 わ れ て い ま す ． そ の ア イ デ
(a) Near Left Dead Center
(b) Between (a) and (c)
(c) Near Right Dead Center
(d) Between (c) and (a)
Figure 14 Principle of Steam Injection to Cylinder (Walschaet's Valve Gear)
ア がR．Trevithickに よ っ て 最 初 の 蒸 気 機 関 車 に 応 用 さ れ ，GStephensonに よ っ て 完 成 され ま す ． 彼 の 滑 り弁 式 弁 装 置 ， い わ ゆ る ス チ ブ ン ソ ン 式 弁 装 置 は そ の 後19世 紀 末 ま で 多 く の 機 関 車 で 採 用 さ れ ま し た ． た だ こ の 装 置 は 耐 久 性 や 保 守 性 に 難 が あ り，1880年 ご ろ か ら 普 及 し始 め た ワ ル シ ャ ー ト （Walschaet）式 と 言 わ れ る 弁 装 置 が 開 発 さ れ て か ら は あ ま り使 わ れ な く な りま し た ． 日本 の 国 産 機 は 100％ ワ ル シ ャ ー ト式 で す ．図14に そ の 模 式 図 を 示 し ま す が ， ピ ス ト ン に 並 行 し て ピ ス トン 弁 と呼 ば れ る2つ の 弁 が 弁 室 に あ り， ピ ス トン 棒 の 往 復 動 に リ ン ク して 運 動 す る弁 心 棒 が 弁 室 内 を 左 右 に 動 き ，給 気 （高 圧 ）側 と排 気 （低 圧 ）側 の 流 路 を 制 御 す る こ と に よ り巧 み に ピ ス トン を 操 る も の で す ． す な わ ち ，図14（a）で は ピ ス トン 左 側 に 高 圧 蒸 気 が 入 り， 右 側 は 排 気 口 に 開 放 され る の で ， ピ ス トン は 右 に 動 き 始 め ，（b）を 経 て （c）に な りま す ． そ こ で は 蒸 気 通 路 が 反 対 に な る た め 左 に 動 き 始 め よ う と し て お り， や が て （d）を 経 て 元 の （a）に 戻 り ま す ． 図15は 弁 装 置 の 駆 動 に よ っ て シ リ ン ダ 内 で 起 き る 行 程 の 指 圧 線 図 （P−7線図 ）を 示 し た も の で す ． こ こ でPo，Plは そ れ ぞ れ 大 気 圧 お よ び ボ イ ラ圧 力 で ，Vcお よ び 恥 は す き ま 容 積 お よ び 行 程 容 積 と言 わ れ ま す ． こ の 系 は 以 下 の 行 程 で 構 成 され ま す ． 1→2：等 圧 膨 張 （給 気 口 が 開 い た 状 態 で 高 圧 蒸 気 が シ リ ン ダ 内 に 流 入 しな が ら ピ ス トン を 押 す ． 外 部 に 仕 事 を す る ．） 2→3：断 熱 膨 張 （給 気 口 が 閉 じた 状 態 で 高 圧 蒸 気 が ピ ス トン を 押 す ，膨 張 す る に つ れ 圧 力 が 低 下 ． 外 部 に 仕 事 を す る ．） 3→4：等 容 膨 張 （排 気 口 が 開 い た 状 態 で 蒸 気 が シ リ ン ダ 内 か ら排 出 され な が ら膨 張 し ，圧 力 が 低 下 ． 仕 事 は し な い ．） 4→5：等 圧 圧 縮 （排 気 口 が 開 い た 状 態 で ピ ス トン が 反 対 方 向 に 戻 り な が ら，蒸 気 が 排 出 さ れ 続 け る ． 圧 力 差 が な い の で 仕 事 は し な い ．） 5→6：断 熱 圧 縮 （排 気 口 が 閉 じ， 中 に 残 っ た 蒸 気 が 圧 縮 され る ． 外 部 か ら仕 事 を され る ．） 6→1：等 容 圧 縮 （給 気 口 が 開 き ，高 圧 蒸 気 が シ リ ン ダ 内 に 流 入 して く る ． 仕 事 は し な い ．） た だ し， こ れ は 理 想 的 な 場 合 の 状 態 変 化 で あ り， 実 際 に は 内 燃 機 関 と 同 様 ， 状 態 点3に お け る 給 排 気 弁 （ピ ス トン 弁 ）の 開 時 間 の オ ー バ ラ ッ プ や 蒸 気 の 慣 性 な ど に よ り指 圧 線 図 は 太 実 線 の よ うに な り
Figure 15 P-V Diagram of Cylinder System of
Steam Locomotive (Cited from [1]
with Minor Modifications)
ます ．ま た ，4→5の 行程 も ピス トン を移 動 す る た め の仕 事 を外 部 か ら して や らね ば な りま せ ん ． オ ー プ ンサ イ ク ル の 意 義 蒸 気機 関 車 が 火 力 発 電 所 と一 番 大 き く異 な る点 は オ ー プ ンサ イ クル ， す な わ ち作 られ た 蒸 気 は た か だ か 大 気 圧 （飽 和 温 度 100℃ ）ま で しか膨 張 で き ず に 大 気 に捨 て られ る こ とで す ． これ は蒸 気 機 関車 が熱 効 率 の 面 で 大 変 損 をす る ば か りか ， 走行 中 に燃 料 だ け で な く水 も定 期 的 に補 給 しな けれ ば な らな い こ とを意 味 しま す ． 確 か に これ は蒸 気 機 関車 の大 き な短 所 で は あ りま す が ， 実 は長 所 で もあ ります ．す な わ ち ， オ ー プ ンサ イ クル とす る こ とに よ り復 水 器 が不 要 に な り ま す ． 復 水 器 は火 力 発 電 所 で も非 常 に大 き な 寸 法 を 占め て い ます が， 鉄 道 の場 合 は冷 却 源 が大 気 し か な く， 海 水 を利 用 す る火 力 発 電 所 の も の よ りさ らに 大 型 に な って しまい ま す ．実 は これ が省 略 で き た か ら こそ 蒸 気 機 関が機 関 車 の 動 力 源 と して 実 用 化 され た の で した ． そ の 考 案 者 が 前 述 のR． Trevithickで す ．彼 はMurdockが 考 案 した弁 装 置 を使 っ て 作 っ た 模 型 の蒸 気 車 か らヒ ン トを得 て ， 蒸 気 機 関 車 を作 っ た の で す が ，Murdockの 蒸 気 車 が な けれ ば ，さ らにWattの 蒸 気機 関 が な けれ ば な か っ た か も知 れ な い機 関 車 で した ． そ して ， 実 際 にTrevithickの 機 関 車 は 陽 の 目を見 ず ， そ の 機i関 車 を改 良 し， ち ょ うど鉄 道 に機 関 車 の 必 要 性 が 叫 ばれ た 頃 に登 場 したG.Stephensonが 蒸 気機 関 車 の 父 と して後 世 ま で語 り継 がれ て い ま す ．「発 明 」と は，「発 明者 」とは 一体 何 な の か 考 え させ られ ま す ． 燃 料 と して の 石 炭 蒸 気 機 関 は外 燃 機 関 で す か ら， 作 動 媒 体 が所 定 の温 度 圧 力 に な りさえす れ ば 本 来 伝 熱2006年10月 ― 92― J. HTSJ, Vol. 45, No. 193
燃 料 は何 で も良 い の で す が ， 基本 的 に 石 炭 が 使 わ れ て い ます ．石 炭 は， 「燃 え る石 」と して 古 く か ら 用 い られ て きた 固 体燃 料 で ， か つ て は 一 般 家 庭 で も風 呂を沸 か した りス トー ブ の燃 料 に した り，粉 に した もの を固 めた 豆 炭 （ま め た ん），練 炭 （れ ん た ん）とい う形 に して 調 理 や 暖 房 に 用 い られ ま した が ， 現在 で は 発 電 所 の燃 料 や 製 鉄 所 の コー ク ス の 原 料 な ど産 業 界 で しかお 目に かか りま せ ん 。 蒸 気機 関 車 で 石 炭 が使 われ た理 由 と して ， 固 体 燃 料 で ハ ン ドリン グ が楽 だ っ た か らな ど とい う人 もい ま す が ， そ れ はお か しな話 です ，蒸 気 機 関 車 で は ， ボ イ ラ に石 炭 を供 給す る た め に ， か な り後 の 時 代 まで 機 関助 士 に よる投 炭 作 業 ， す な わ ち石 炭 貯 蔵 タ ン ク か ら石 炭 を 定期 的 に シ ャベ ル で す く い ， ボイ ラ の火 室 に投 げ 込 む 作業 が必 要 で した ． これ が 石 油 で あれ ば タ ンク か ら配 管 し，途 中 に 弁 を取 り付 け て流 量 を制 御 す るだ け で燃 焼 が 可 能 で す ． 石 炭 が燃 料 と して採 用 され た の は ， お そ ら く 蒸 気 機 関車 が石 炭 の採 掘 が さか ん に行 わ れ燃 料 と して最 も普 及 して い た 英 国 で 開発 され た か らだ と 思 われ ます 。 これ が 中近 東 で 開 発 され て い た ら最 初 の蒸 気 機 関 車 は 石 油 を燃 料 と して い た か も知 れ ませ ん ． 鉄 道 マ ニ ア の 中 に は 自分 で 超 小 型 の 蒸 気 機 関車 を所 有 す る人 が い ま す が ， そ の 中 には ア ル コー ル を燃 料 と して 走 る も の も あ ります し， 第 二 次 世 界 大戦 中 の 日本 の 鉄 道 で は， 輸 送 用 燃 料 にす る石 炭 不 足 の た め木 を燃 料 と した 時 期 も あ りま した ．著 者 の 吉 田は 箱 根 越 え の御 殿 場 線 を薪 燃 料 で走 る蒸 気 機 関 車 の 写 真 を見 た こ とが あ ります ． た だ し， 薪 な ら石 炭 と同 じ熱 量 を得 る の に10倍 近 い体 積 を必 要 とす る の で， 燃 料 搭 載 スペ ー ス を 考 え た だ けで も現 実 的 で な い こ とは 明 らか です ． 実 は 著 者 ら も最 近 ま で気 がっ か な か っ た の で す が ， 今 の若 い人 は産 業界 で石 炭 と関 わ っ て い る人 以 外 に石 炭 を 見 る機 会 が あ りませ ん 。 か つ て の 日 本 は石 炭 を た く さん 産 出 して い ま した ．図12に 示 す よ うに ， 北海 道 ， 福 島 ， 山 口， 北部 九 州 な どが 代 表 的 です が ， この 他 に も国 内 至 る と こ ろで 産 出 され ， それ ら を使 っ て 蒸 気 機 関 車 は 走 っ て い ま し た ．石 炭 は そ の 成 分 や 燃 え方 に よっ て 泥 炭 ，褐 炭 ， 亜瀝 青 炭 ，瀝 青 炭 ， 無 煙 炭 に分 類 され ， 後 者 に な るほ ど石 炭 中 の炭 素 の割 合 が増加 して 燃 焼 時 に煙 の発 生 が 少 な くな る一 方 ，揮 発 成 分 が 少 な くな る
Figure 16 Major Coal Mines in Japan (1960s)
Figure 17 Replica of the First Miniature of SL in Japan Manufactured in 1855 by the Saga Clan.[**] た め 着 火 し に く く な り ま す ． 蒸 気 機 関 車 で は そ の う ち ，瀝 青 炭 や 無 煙 炭 が 使 わ れ ま し た ． た だ ， 石 炭 は 他 の 燃 料 に 比 べ 産 地 に よ る 発 熱 量 の 差 が 大 き い こ と（20∼35MJ／kg（低 位 発 熱 量 ）），燃 焼 時 に 煙 （正 確 に は 灰 が 含 ま れ た 煙 ）が 出 る こ と，燃 焼 後 に 燃 え 殻 が 出 て そ の 処 理 が 煩 雑 な こ と ， な ど か ら ， 鉄 道 用 燃 料 と し て 決 し て す ば ら しい も の で は あ りま せ ん で し た ． 工 夫 を 凝 ら した 投 炭 作 業 を 行 っ て も ， 燃 料 の 発 熱 量 不 足 で 所 定 の 圧 力 の 蒸 気 発 生 に 手 間 取 り， 列 車 が 延 着 す る とい う こ と も あ りま した ． 日 本 に お け る 蒸 気 機 関 車 の 歴 史 鉄 道 フ ァ ン で な く て も 日本 の 鉄 道 は1872年 （明 治5年 ）10月14日 に 新 橋 （現 在 の 日本 テ レ ビ社 屋 辺 り）∼ 横 浜 （現 在 の 根 岸 線 桜 木 町 駅 ）間 で 開 業 し た の が 始 ま り で あ る こ とは 多 く の 方 が ご 存 知 と思 い ま す ． こ の と き に 伝 熱2006年10月 ― 93― J. HTSJ, Vol. 45, No. 193
英 国 か ら輸 入 さ れ た の が150形 式 蒸 気 機 関 車 で す が ，実 は こ れ に 先 立 つ こ と17年 ，佐 賀 鍋 島 藩 で は 1855年 に 蒸 気 機 関 車 の ミニ チ ュ ア が 公 開 運 転 さ れ て い ま す ． お そ ら く これ が 日本 人 に よ る 蒸 気 機 関 車 の 初 め て の 走 行 で あ っ た も の と 思 わ れ ま す ． そ の と き の 機 関 車 は 現 存 せ ず ， 性 能 等 も 不 明 で す が ， 燃 料 は ア ル コ ー ル で あ っ た よ うで す ． な お ， 大 阪 市 に あ るJR西 日本 の 交 通 科 学 博 物 館 に そ の 複 製 が 置 い て あ りま す （図17） ． 日本 で は 明 治 維 新 後 の 近 代 化 政 策 に よ り 日本 全 国 に 鉄 道 が 敷 設 され て い き ま す が ， 官 営 鉄 道 の 建 設 だ け で は 資 金 の 面 も あ り建 設 ス ピー ドが 上 が ら な い と い う こ と で ， 民 営 鉄 道 の 敷 設 が 奨 励 され て い き ま す ． 特 に 日本 鉄 道 ， 山 陽 鉄 道 ， 九 州 鉄 道 な ど は 有 名 で す ． 鉄 道 敷 設 の 話 を し て い る と 「伝 熱 」 と は か け 離 れ る の で 止 め ま す が ， こ の 民 営 鉄 道 の 敷 設 が ， 鉄 道 関 係 技 術 が 未 熟 で 欧 米 諸 国 の 技 術 に 頼 っ て い た 当 時 の 日本 で ， い ろ い ろ な 蒸 気 機 関 車 が 輸 入 され る原 動 力 に も な りま した ． 有 名 な と こ ろ で は ， ミ カ ド型 と 呼 ば れ た 日本 鉄 道9700形 式 機 関 車 （ア メ リ カ 製 （1897年 ））， 山 陽 鉄 道5900形 式 （ア メ リカ 製 （1897年 ））， 九 州 鉄 道10形 式 （ドイ ツ 製 （1989 年 ））， 官 鉄 の 北 海 幌 内 鉄 道 で 義 経 号 ， 弁 慶 号 な ど と 呼 ば れ た7100形 式 （ア メ リ カ 製 （1880年 ）な ど が あ り ま す ． 当 時 は 蒸 気 機 関 車 発 祥 の 地 で あ る イ ギ リ ス だ け で な く ， フ ラ ン ス や ドイ ツ ， ス イ ス ， イ タ リ ア な どで も蒸 気 機 関 車 が 製 造 され て い ま し た し，ア メ リ カ で も1869年 に 大 陸 横 断 鉄 道 が 太 平 洋 側 ま で 到 達 し て お り ， 高 性 能 な 蒸 気 機 関 車 が 製 造 され て い ま し た ． 日本 の 蒸 気 機 関 車 が 国 産 化 され た の は ， 日清 戦 争 の 前 年 の1893年 で ， 前 出 のR.F.Trevithickの 指 導 に よ り330PSの 機 関 車860形 式 が 官 営 鉄 道 の 神 戸 工 場 で 製 造 さ れ ま した ． こ の よ う に ， 最 初 の こ ろ は 官 営 鉄 道 や 民 営 鉄 道 の 鉄 道 工 場 で 製 造 され て い た ， と い う よ りそ うい う と こ ろ で しか 製 造 で き な か っ た の で す が ， だ ん だ ん 鉄 道 会 社 以 外 の 会 社 が ビ ジ ネ ス と して 製 造 す る よ う に な っ て き ま す ． 今 は あ りま せ ん （川 崎 重 工 業 に 吸 収 さ れ て い ま す ） が ， 鉄 道 マ ニ ア な ら 誰 も が 知 っ て い る 「汽 車 製 造 会 社 （後 の 汽 車 会 社 ）」 は そ の よ うな 中 で1896年 に 設 立 され た 会 社 で ，1901年 に 最 初 の 蒸 気 機 関 車 を 製 造 して い ま す ．そ れ は 台 湾 向 け の も の で あ り，
Figure 18 First Japanese Locomotive
manufactured in Japan (Type 230) [**]
最 初 に 日本 国 内 に 納 め た の は1902年 に 製 造 され た 官 営 鉄 道230形 式 か ら で ， 前 述 の 交 通 科 学 博 物 館 に233号 機 （1903年 ）が 保 存 さ れ て い ま す （図18） ． 当 時 の 国 産 と い うの は ま だ 外 国 の 機 関 車 と 同 じか 類 似 の も の を 元 図 面 を 参 照 し な が ら製 造 す る と い う，今 で 言 え ば 「技 術 提 携 」の よ う な も の で した ． 蒸 気 機 関 車 は 多 く の 鋼 材 を 使 い ま す が ， そ の 鋼 材 は1901年 に 官 営 八 幡 製 鉄 所 の 高 炉 が 稼 動 し始 め た こ と に よ り 国 産 化 の 条 件 が 整 っ て き ま す ，18世 紀 の 蒸 気 機 関 車 開 発 の 時 代 と 違 い ， 熱 工 学 な ど の 学 問 に 裏 打 ち され た 理 論 的 検 討 も 可 能 に な り始 め る と と も に ， 工 作 技 術 の 進 展 と相 ま っ て ， 国 産 機 関 車 製 造 の 機 運 が 高 ま っ て い き ま す ．折 し も1906 年 に 公 布 され た 鉄 道 国 有 法 に よ り ， 前 述 の よ うな 多 く の 民 鉄 が 国 鉄 （以 下 ， 国 有 鉄 道 の 意 味 で 使 用 ） に 繰 り入 れ られ ま す ． そ の 際 ， 各 民 鉄 が 有 し て い た 輸 入 機 関 車 の 形 式 が ま ち ま ち で 運 用 や 保 守 に 困 る た め ， そ れ ら に 代 わ る 標 準 機 の 導 入 が 必 要 と な っ た こ と も 国 産 化 に と っ て 追 い 風 と な り ま す ． そ の よ う な 中 ， 国 鉄 が 自主 設 計 に よ り製 造 した 最 初 の 国 産 機 が1911年 （明 治44年 ）の6700形 式 で し た ， しか し 一 般 的 に は ， そ の2年 後 の1913年 （大 正2 年 ）に 初 め て 作 られ た9600形 式 蒸 気 機 関 車 （図19） が 本 格 的 な 初 め て の 国 産 車 と言 わ れ て い る よ うで す ． こ れ は そ の 性 能 が 当 時 輸 入 さ れ て い た 高 性 能 な 外 国 製 機 関 車 に 匹 敵 す る も の で あ っ た た め で す ． 国 鉄 （と機 関 車 メ ー カ ） は そ の 後 も 日本 の 発 展 と と も に 高 性 能 な 蒸 気 機 関 車 を 続 々 と設 計 ， 製 造 し 続 け ， 蒸 気 機 関 車 の 黄 金 時 代 を 築 い て い き ま す ． 主 な も の を 挙 げ る と ，貨 物 用 の9600形 式 と 時 を ほ ぼ 同 じ く し て 製 造 され た 旅 客 用 機 関 車8620形 式 ， 大 正8年 に 製 造 され た 高 速 旅 客 用 機 関 車 で 特 急 「燕 」や お 召 し列 車 を 引 い たC51形 式 （1919年 ）， 伝 熱2006年10月 ―94― J. HTSJ, Vol. 45, No. 193
Figure 19 Front View of Steam Locomotives (Type C11, 9600. D51) [*] 強 力 貨 物 用 機 関 車D50形 式 （1923年 ），昭 和 に 入 り， ア メ リ カ で 多 数 採 用 さ れ た3シ リ ン ダ方 式 を 取 り 入 れ た 大 型 旅 客 用 機 関 車C53形 式 （1928年 ）， 国 鉄 の 標 準 機 と も 言 わ れ た 貨 物 用D51形 式 （1936年 ， 図19） ， 旅 客 用C57形 式 （1937年 ），C58形 式 （1938 年 ），C59形 式 （1941年 ）な ど で し ょ う． な お ， こ こ で 貨 物 用 ， 旅 客 用 とい う言 葉 を 使 い ま し た が ， 同 じ性 能 の ボ イ ラ で 蒸 気 機 関 車 を 作 る 場 合 ， 貨 物 用 は ス ピー ドよ り牽 引 力 を 重 視 す る た め 動 輪 を 小 さ め に して 数 を 増 や し， 旅 客 用 は 牽 引 力 よ りス ピー ドを 重 視 す る た め 直 径 の 大 き な 動 輪 に して そ の 数 を 減 らす 設 計 が な され ま した ．上 記 の 機 関車 は す べ て 貨 物 用 が 動 輪4つ で 旅 客 用 が3 つ で す 。 国 鉄 で は 機 関車 形 式 の 呼 び 方 と し て ， 冒 頭 に 動 輪 数 （軸 数 ）を ア ル フ ァ ベ ッ トで 標 記 し ま す ． A，B．C，D， … ， は ，動 輪 が そ れ ぞ れ1，2，3，4， …， 個 （軸 ）で あ る こ と を 示 し ま す ． こ の 規 則 は 今 で も使 わ れ て い ま す ．例 え ばC51と は 動 輪 が3つ の 蒸 気 機 関 車 で ，DD51と は 動 輪 が4つ の デ ィ ー ゼ ル 機 関 車 ，EH200と は 動 輪 が8つ の 電 気 機 関 車 の こ とで す ． ア ル フ ァ ベ ッ トの 後 の 数 字 の 付 し方 に も規 則 が あ り ま す が ， こ れ 以 上 は 本 稿 と 関 係 な い の で 止 め ます （こ の た め 鉄 道 マ ニ ア は 国 鉄 関 係 者 と 同 じ よ うに 形 式 名 だ け で 機 関 車 の 仕 様 が わ か り ま す ）． と こ ろ で ， 日本 は1941年 （昭 和16年 ）暮 れ か ら い わ ゆ る 大 東 亜 戦 争 に 突 入 し ま す が ， す べ て の 鉄 道 事 業 は 「戦 時 体 制 」 の 名 の 下 ， 戦 時 物 資 輸 送 の 確 保 と物 資 不 足 へ の 対 応 が 至 上 命 令 と な り ま す ． 蒸 気 機 関 車 も 貨 物 輸 送 量 の 増 加 対 応 の た め に 増 備 され ま す が ，既 存 形 式D51な どは 材 料 を 節 約 し た り代 替 材 料 に す る な ど の 「減 量 」 製 造 を 余 儀 な く さ れ ， さ ら に 戦 時 設 計 車 と してD52形 式 （1943年 ） が 製 造 され ます ． こ のD52形 式 機 関 車 は 戦 時 体 制 に お け る 極 限 設 計 を 目 指 した もの で し た が ， そ れ が 原 因 で ボ イ ラ の 破 裂 事 故 を 起 こ し た り した も の の ， 結 果 的 に こ の 機 関 車 で 生 ま れ た 技 術 が そ の 後 の 機 関 中設 計 は も と よ り， 広 く鉄 道 車 両 設 計 手 法 の 発 展 に 大 き く 寄 与 し た こ と は 大 変 皮 肉 で す ． 戦 争 が 敗 戦 で 終 わ り ， 戦 時 設 計 や 製 造 に よ る 耐 久 力 不 足 や 戦 時 中 の 酷 使 で 走 れ な い 蒸 気 機 関 車 が 多 く残 り ま した ． ま た ， 貨 物 輸 送 が 激 減 してD51， D52な ど の 機 関 車 が 余 る 一 方 で ， 買 出 しな ど の 旅 客 需 要 が 増 加 して い き ， 旅 客 用 の 蒸 気 機 関 車 が 不 足 し ま した ． そ の よ う な 戦 後 の 混 乱 期 に 設 計 され た の が 旅 客 用C61お よ びC62形 式 で あ り，D51， D52形 式 機 関 車 の 部 品 が 数 多 く流 用 され ま した ． し か し な が ら， 戦 後 の 国 鉄 は これ 以 上 新 し い 蒸 気 機 関車 を 作 ろ う と は し ま せ ん で し た ． 結 局 ， 幹 線 の 交 通 ネ ッ ク で あ る 急 勾 配 区 間 （具 体 的 に は 奥 羽 本 線 の 板 谷 峠 ） へ の 対 応 の た め 作 ら れ た 機 関 車 E10形 式 （1948年 ）が 最 後 の 新 設 計 機 関 車 と な りま し た ． 1949年 に 国 鉄 は 国 営 鉄 道 か ら 日本 国 有 鉄 道 公社 ， い わ ゆ る 国 鉄 に 変 身 し ま す ． 国 鉄 は 無 煙 化 政 策 ， す な わ ち 幹 線 の 電 化 と非 幹 線 の デ ィー ゼ ル 化 に よ り蒸 気 機 関 車 を 廃 止 して い き ま す ． 蒸 気 機 関 車 の 製 造 も1950年 が 最 後 と な り，そ れ 以 降 は 前 述 伝 熱2006年10月 ― 95― J. HTSJ, Vol. 45, No. 193
Table 1 Performances of Major Steam Locomotives made in Japan [4]
Table 2 Performances of Major Diesel and Electric Locomotives made in Japan [3]
のD52形 式 な ど 幹 線 用 大 型 機 関 車 が 線 路 規 格 の 低 い ロ ー カ ル 線 区 に入 れ る よ う改 造 し， そ れ に 新 形 式 を 与 え る に 留 ま りま す ． こ うや っ て 生 ま れ た の がD60，D61，D62，C60形 式 な ど で1950年 か ら 1961年 頃 に か け て の こ とで す ．1964年10． 月1日 に は 東 海 道 新 幹 線 が 開 業 し ま す ． 新 幹 線 生 み の 親 と し て あ ま りに も 有 名 な 元 国 鉄 技 師 長 の 島 秀 雄 氏 はC10，C11，C12，C54，C55，C56，C57，D51形 式 の 蒸 気 機 関 車 の 主任 設 計 技 師 で もあ りま した ． 日本 の蒸 気 機 関 車 の 父 と も言 え る彼 の 新 幹線 で の名 声 は ，蒸 気 機 関 車 時 代 の 終 焉 を象 徴 して い た と も言 え る よ うです ． さて ，電 化 の進 展 と とも に ロー カル 線 に 追 い や られ た蒸 気 機 関 車 は ， デ ィー ゼル 機 関 車 の完 成 ， そ してモ ー タ リゼ ー シ ョンに よ る ロー カル 線 の 凋 落 に よっ て さ らに行 き場 が な くな ります ．新 幹線 伝 熱2006年10月 ― 96― J. HTSJ, Vol. 45, No. 193
Figure 20 Early Developed Electric Diesel
Locomotive Type DF50 [**]
が 博 多 ま で 延 伸 さ れ る1975年 に は 蒸 気 機 関 車 が 牽 引 す る列 車 が 完 全 に な く な りま した ， そ し て ， 1976年3月2日 に は 室 蘭 線 追 分 駅 に お い て 入 れ 替 え機 と して 使 用 さ れ て い た9600形 式 蒸 気 機 関 車 が 現 役 を 引 退 し， 日本 か ら蒸 気 機 関 車 が 消 え ま し た ． 日本 のSLの 歴 史 は103年 余 り で 幕 を 閉 じ た こ と に な りま す ， な お 蒸 気 機 関 車 の 運 命 は 世 界 中 同 じで ， 現 在 も 現 役 で 本 格 的 に 蒸 気 機 関 車 を 走 らせ て い る の は 中 国 な ど ご く一 部 に な り ま し た ．中 国 に 世 界 中 のSL 好 き の 「鉄 ち ゃ ん 」 が 集 ま っ て い る 映 像 を 最 近 良 く 見 か け ま す ． 一 性 能 で は ， そ の 性 能 は ど の 程 度 だ っ た の で し ょ うか ， 表1お よ び 表2は ， 国 産 の 代 表 的 な 蒸 気 機 関 車 お よ び デ ィ ー ゼ ル 機 関 車 と 電 気 機 関 車 の 性 能 を そ れ ぞ れ 示 し た も の で す ． こ うや っ て み る と ， 我 々 が 考 え て い る ほ ど 蒸 気 機 関 車 は性 能 的 に 劣 っ て い る と は 言 い 難 い も の で す ． 1960年 代 に 非 電 化 幹 線 で 特 急 列 車 牽 引 ま で 任 さ れ て い たDF50型 デ ィ ー ゼ ル 機 関 車 （図20） な ど 出 力 は9600形 式 蒸 気 機 関 車 に も及 び ま せ ん ．後 述 す るDD51で もD51蒸 気 機 関 車 よ り 「非 力 」で す ， 著 者 ら は 特 に 自分 た ち の 体 験 か ら 「汽 車 は 遅 い 」 と い うイ メ ー ジ が あ りま す が ， 必 ず し も そ うで は な さ そ う で す ．1956年 か ら 運 転 さ れ た 東 京 ∼ 博 多 間 約1200㎞ を 走 る 寝 台 特 急 「あ さ か ぜ 」 が 山 陽 本 線 や 鹿 児 島 本 線 が 電 化 さ れ て い な か っ た 当 時 か ら17時 間25分 で 両 都 市 を 結 ん だ こ と を 考 え れ ば ， そ れ は 理 解 し て お くべ き で し た ． ち な み に ， 表 定 速 度 （距 離 を 停 車 時 間 を 含 む 所 要 時 間 で 除 し た 平 均 速 度 ）は68．7km／hで ， 現 在 で も こ の 速 度 が 出 せTable 3 Changes in Boiler Pressure and Power of Steam Locomotives [4] 注 ）日 … 日 本 ， 英 … イ ギ リス ， 仏 … フ ラ ン ス ， 独 … ドイ ツ ， 中 … 中 国 ， ソ … 旧 ソ連 な い 特 急 は 日本 中 い た る と こ ろ に い ま す ． 一 方 ， 表3は 日本 を 含 む 世 界 の 主 な 機 関 車 を 年 代 別 に 示 し， ボ イ ラ 圧 力 と 出 力 の 変 遷 を み た も の で す が ， 開 発 当 初 は 飽 和 式 で あ っ た た め 高 圧 化 （＝ 蒸 発 温 度 の 高 温 化 ）が 進 み ，Schmittの 過 熱 器 が 開 発 され た 段 階 で 高 圧 化 が 鈍 化 し ， そ の 後 は 蒸 発 量 の 増 大 と蒸 気 の 有 効 利 用 で 対 応 し て い っ た と い う の が 機 関 車 高 出 力 化 の 傾 向 の よ うで す ． な お ， ボ イ ラ の 高 圧 化 に つ い て は ， 日 本 で は16atg以 上 に 圧 力 を 上 げ る 試 験 を 経 て16atgに 落 ち 着 い た こ と ， 海 外 で は 米 英 で20∼21atgに 達 した も の の ， 他 の 国 々 の 大 部 分 は 日本 と 同 程 度 圧 力 の 蒸 気 機 関 車 が 設 計 上 妥 当 で あ る と して 製 造 され た こ と を 述 べ て お き ま す ， 大 出 力 蒸 気 機 関 車 の 頂 点 は1941年 に ア メ リ カ 伝 熱2006年10月 ― 97― J. HTSJ, Vol. 45, No. 193
で 製 造 され た4000形 機 関 車 （通 称 ビ ッ グ ボ ー イ ） で ，6020PSと い う超 高 出 力 を 誇 りま した ． 日本 の 最 大 出 力 蒸 気 機 関 車D52形 式 （1660PS）の3．6倍 ， 最 新 鋭 の 大 型 電 気 機 関 車EH500（ 交 流 時 ）と比 較 し て も1．1倍 で す ． こ の 機 関 車 はUnion Pacific鉄 道 （1，435mmゲ ー ジ ）で 動 い て い た も の で す の で ， ボ イ ラ 寸 法 を 大 型 化 し て 蒸 発 量 （＝出 力 ）を 増 大 し難 い 日本 の 鉄 道 事 情 （1，067mmゲ ー ジ ）と 単 純 に は 比 較 で き ま せ ん し， 旧 満 州 鉄 道 （1，435mmゲ ー ジ ）用 に 日本 が 製 造 した パ シ ナ 形 蒸 気 機 関 車 （1934年 ）で も2，700PSで あ っ た こ と を 考 え る と ， 技 術 力 の 差 と い う よ り鉄 道 需 要 や 設 計 に 対 す る 考 え 方 の 差 と 考 え た 方 が 良 い と思 い ま す が ， い ず れ に し て も蒸 気 機 関 車 の 力 強 さ を 認 識 せ ざ る を 得 な い デ ー タ で す ． 一 方 ， エ ネ ル ギ ー 変 換 効 率 の 点 か ら は ど うだ っ た の で し ょ う か ．電 気 機 関 車 が80％ 程 度 ， デ ィ ー ゼ ル 機 関 車 が30％ 程 度 に 対 し て ， 蒸 気 機 関 車 は 10％ 程 度 と 言 わ れ て い ま す ． 後 述 す る よ う に ， こ の 効 率 は 諸 条 件 で 大 き く 変 わ る も の で す が ， 一 応 の 目安 に は な る も の で す ． 電 気 機 関 車 の 場 合 ， 火 力 発 電 所 で の 熱 → 電 気 の 変 換 の 際 の 熱 効 率 が 40％ 程 度 と考 え れ ば ， デ ィ ー ゼ ル 機 関 車 と 大 差 あ り ま せ ん ． そ れ に 比 し て ， 蒸 気 機 関 車 の 熱 効 率 10％ 程 度 と い うの は 明 ら か に 悪 過 ぎ ま す ． す な わ ち ， 蒸 気 機 関 車 は 地 球 温 暖 化 や 省 エ ネ ル ギ ー を 叫 ぶ ま で も な く燃 料 代 が か さ ん だ の で す ． こ れ に 水 の 補 給 や 運 転 操 作 の 難 し さ な ど を 考 え れ ば ， 他 の 機 関 車 が 出 現 し て き た 時 点 で 蒸 気 機 関 車 に は 勝 ち 目 が あ りま せ ん ． 実 は ， 本 稿 を 執 筆 す る に あ た り， 国 内 外 の 種 々 の 機 関 車 の 熱 効 率 を 調 査 し よ う と し た の で す が ， い ろ い ろ な 書 物 を 見 て も ， 関 係 者 に 聞 い て も わ か り ま せ ん で し た ．1932年 に 発 行 さ れ た 「最 新 機 関 車 の 構 造 と理 論 」 と い う本 ［19］の115ペ ー ジ に も 「飽 和 蒸 気 機 関 車 に あ り て は 大 体9∼12％ ， 過 熱 蒸 気 機 関 車 は 従 来 の 試 験 成 績 に よ る と10∼ 14％ の 範 囲 で あ る」 と の 記 述 が あ る 程 度 で ， 個 々 の 機 関 車 に 対 す る情 報 は 得 られ ま せ ん で し た ． そ れ で は と ， せ め て 過 熱 蒸 気 温 度 が わ か ら な い か ， と調 べ て み ま し た が ， こ れ も 「350℃ ∼400℃ の 範 囲 で あ る 」 と し か 分 か りま せ ん で した ． こ れ で は SLを 設 計 した 関係 者 か ら 情 報 を 頂 く しか 方 法 が あ り ま せ ん で した ． が ， こ こで 大 事 な こ とに気 が つ き ます ．す な わ ち，熱 機 関 に対 して は既 に熱 力 学 的 な 考 察 が 可 能 で あ っ た1910年 代 以 降 に お い て さ え もそ れ らの 情 報収 集 が 困 難 な こ と 自体 が ，鉄 道 車 両 用 原 動 機 と して の蒸 気 機 関 の 特 徴 を示 して い る とい うこ と です ． 実 際 の設 計 や 運 転 に は お そ ら く理 論 熱 効 率 な る もの を そ こま で して計 算 す る必 要 は な か った とい うこ とで し ょ う． それ は ，不 可 逆過 程 が 多 く 存 在 す る た め 実 際 の熱 効 率 を測 定 しな い と意 味 が な い こ とや ， 原 動 機 の熱 効 率 を知 る こ と よ りボ イ ラ効 率 や 機 械 効 率 な どをす べ て考 慮 した総 合 効 率 で 考 え る必 要 が あ る こ と， さ らに は負 荷 変 動 の激 しい 原 動 機 で は全 負 荷 時の 熱 効 率 の優 劣 は あ ま り 意 味 が な い こ と， ま た種 々 の機 器 を主 蒸 気 に よ っ て 駆 動 す る 以 上 ， 動 輪 （シ リン ダ ・ピス トン）以 外 に よ る蒸 気 消 費 が 無 視 で きず ， しか もそ れ が 運 転 条 件 に よっ て 大 き く異 な る こ と， そ して 投 炭 作 業 を行 う機 関助 士 と シ リンダ へ の蒸 気 供 給 制御 を行 う機 関手 の 技 量 差 に よっ て 同 じ区 間 を運 転 して も 燃 料 消費 量 が 大 き く変 わ る こ と， な どが そ の 理 由 で し ょ う．蒸 気 機 関 車 の 石炭 消 費 量 は1km走 行 あ た り10∼20kg［4］，あ る い はD51が40kg（ 梅 小 路蒸 気 機 関 車 館 の 展 示 ）な ど とい う大 雑 把 な情 報 しか ない こ とや ， 蒸 気 機 関車 に 関す る多 くの書 物 で は 「蒸 発 圧 力 を高 圧 に上 げ て も理 論 どお りに燃 料 は 節 約 で き ない 」 な どの表 記 が あ る こ とも， そ れ を 裏 付 けて い る よ うです ．そ うい え ば， か つ て は 自 動 車 の カ タ ロ グ に もエ ン ジ ン性 能 曲線 が 載 っ てお り，そ こに燃 料 消 費 率 （g／PS／hr）とい う，一 応 熱 効 率 に対 応 す る物 理 量 も掲 載 して あ りま した が ， 今 で は 見 る こ とが な く，10モ ー ド燃 費 （＝km／L）や15 モ ー ド燃 費 とい う非 常 に 大雑 把 な ， しか し実 際 に は経 済 性 の 目安 と して 分 か りや す い物 理 量 に 置 き 換 わ っ て い ます ． しか も我 々 は ， これ らの値 が あ くま で 目安 で あ り， そ の優 劣 が実 際 の燃 費 の優 劣 に直 結 せ ず ， む しろ運 転 者 や 道 路 条 件 に よ っ て決 定 され る こ とを経 験 的 に知 って い ます ． 蒸 気機 関 を熱 機 関 と して学 問的 に見 て い る と， つ い 熱 効 率 とい う概 念 だ けで 見 て しまい ます が ， 鉄 道 につ い て はや は り出力 ，牽 引力 ，重 量 （質 量 ）， 実 際 の 動 力 費 ， 運 転 ・保 守 の しや す さな どの性 能 を総 合 的 に 判 断 す る必 要 が あ る こ とを， 蒸 気 機 関 車 は教 え て くれ ま す ． と ころ で ， 表1お よび 表2に は機 関 車 の 出力 だ 伝 熱2006年10月 ― 98― J. HTSJ, Vol. 45, No. 193
けで な く出力 重 量 比 も示 してい ます が ， デ ィー ゼ ル機i関車DD51を 蒸 気 機 関車D52と 比 較 す る と， 前者 は 重 量 が ほ ぼ 同 じに も か か わ らず 出力 が 後 者 の0．7倍 しか な く， これ か ら見 る 限 りで は蒸 気 機 関 車 の ほ うが 良 好 で す ．実 は 国鉄 の無 煙 化 で はデ ィー ゼル 機 関 車 の 開発 が大 き な 問題 とな りま した ． デ ィー ゼ ル機 関 は 蒸 気 機 関や モ ー タ と異 な り， あ る回 転 数 （ア イ ド リン グ 回転 数）以 下 で は使 用 で き ず ， 車 両 の 原 動 機 と して 使 うに は停 止 状 態 か ら 徐 々 に加 速 す るた め の変 速 機 構 が必 要 に な ります ． そ の 主 な 方 法 と して ，（a）小 型 自動 車 に使 用 され る よ うな ク ラ ッチ 板 を 断続 させ て車 輪 に動 力 を伝 え る方 法 （機 械 式 ）， （b）トル ク コ ンバ ー タ と呼 ばれ る 流 体 変 速 機 を介 して 車 輪 を 回 す 方 法 （流 体 式 ）， （c） デ ィー ゼ ル機 関で 発 電 機 を 回 して発 電 し， そ の電 力 で モ ー タ を回 す 方 法 （電 気 式 ）， の 三つ が あ りま す ．（a）は 機 関車 の よ うに 出力 が 大 き い車 両 に は 向 か ず ，（c）は重 量 が 大 き く な るた め，線 路 規 格 が低 い 非 幹 線 へ の 対 応 と して （b）を採 用 す る必 要 が あ った の で す が ， 大 容 量 トル ク コ ンバ ー タ の 開発 が 困難 を極 め ま した ．DD51は そ の 目処 が よ うや く つ き，中型 の流 体 式 デ ィー ゼ ル 機 関 車 と して1962 年 に投 入 され た も の です が ，製 造初 年 か ら40年 以 上 経 た 現 在 で も 日本 の 至 る所 で 見 か け ます ．蒸 気 機 関 車 は 同程 度 の距 離 を 走 るた め にデ ィ ーゼ ル 機 関車 の 数 倍 の重 量 の石 炭 と水 を積 ま ね ば な らな い こ とを考 えれ ば， デ ィ ー ゼル 機 関 車 の この程 度 の 性 能 が そ れ ま で製 造 され た蒸 気 機 関車 の性 能 と同 程 度 で あ った と考 え るべ きで し ょ う． 3． なぜSLは な くな ったか で は，改 め て “SLは なぜ な くなっ た ”の か考 え てみ ま し ょ う．それ は鉄 道 が 電化 した か らで あ り， 電 車 はエ ネ ル ギー 変 換 効 率 が 高 い か ら ？ それ も 確 か に答 え の一 つ で は あ るで し ょ う．馬 力 が弱 い か ら ？ これ も 間違 い で は あ りませ ん が ，今 ま で 見て き たSLは 非 力 で な い もの も多 くあ りま した ． そ の答 え と して ，SLは 火 力 発 電 所 を 一 緒 に 抱 い て走 っ て い た よ うな もの で あ り，構 造 が複 雑 で か っ運 転 が大 変 難 しか っ た か ら と筆者 らは 考 えて い ます ． こ こで は蒸 気 機 関 車 が 無 くな る原 因 とな っ た構 造 や 運 転 に 関 す る問 題 点 の い くつ か を取 り上 げ て み た い と思 い ま す ． 前 に蒸 気 機 関 車 はオ ー プ ンサ イ クル で あ る と述 べ ま した が ， これ に起 因す る構造 的な面倒 （敢 え て 欠 陥 とは言 い ませ ん ）に “水 補 給 ”が あ ります ． 有 名 なD51形 式 で 見 る と，平 均 的 な 走行 時 に1 km 当 た り約100Lの 水 を必 要 と しま した か ら，炭 水 車20m3の 水 タ ン ク を満 タ ン に して も連 続 して 走 れ る距 離 は高 々200km， 東 京 一 静 岡 間程 度 で した ． 燃 料 で あ る石 炭 も機 関助 士 の投 炭 作 業 ，機 関 車 へ の補 給 ， 地 上 側 で の運 搬 ，貯 蔵 と他 の機 関 車 に 比 べ 大 幅 に人 ・時 間 ・場 所 を必 要 と し不利 で した ． 特 に夏 場 の焚 火 作 業 ， い わ ゆ る 「カ マ焚 き 」 が過 酷 を極 め た重 労 働 で あ っ た こ とは 有名 です ． 乗 務 員 の窒 息 事 故 も軽 重 含 め頻 発 して い ま した ． 特 に1928年 の北 陸 本 線 ・柳 ヶ瀬 トンネ ル （現存 せ ず ）内 で の事 故 は ，重 量 貨 物 を引 い て登 坂 中のD50 形 式 が登 り切 れ ず 停 止 ，機 関助 士 らが 窒 息 死す る とい う悲 惨 な も の で した ． 運 転 の 難 し さは 電 気 ・デ ィ ー ゼ ル 機 関 車 の比 で は な く，機 関士 と機 関助 士 の 技 量 や 努 力 で機 関 車 の発 揮 で き る性 能 や 消 費 燃 料 に 大 差 が 出 ま した ． こ の点 は熱 工 学 ， いや 機械 工 学 を 学 ん だ者 に とっ て興 味 の尽 き な い例 が無 数 に あ りま す ． 一例 を挙 げれ ば ，登 り勾 配 で重 量列 車 を始 動 す るた め ， ア ク セル に 当 た る加 減 弁 とギ ア に 当た る逆 転機 （こ れ で弁 の 開度 を調 整 出 来 ま す ） の ハ ン ドル を微 妙 に調 節 し，動 輪 が滑 る 限界 で砂 を撒 く とい っ た操 作 で設 計 値 を上 回 る 牽 引性 能 を引 き出 す こ と も よ くあ っ た よ うです ． これ らの 操 作 に よ り， 結果 的 に シ リ ンダ 内 の圧 力 や 温度 ， 或 い は 車 輪 と線 路 の 摩 擦 とい っ た も の を経 験 的 に しか も見 事 に 最適 制 御 して い た事 実 は驚 嘆 に値 しま す ． この 例 か ら も 解 る よ うに蒸 気 機 関 車運 転 は 非 常 にや り甲斐 の あ る仕 事 で も あ っ た こ とは 関係 者 の 一 致 した 見解 で す ． さて ，話 は蒸 気 機 関 車 が 無 く な る理 由か ら脱 線 しか け た の で本 題 に 戻 しま す ． 保 守 面 で も大 変 苦 労 の 掛 か る車 両 で した ． ほぼ 2日 毎 の仕 業 検 査 か ら数 年 に一 度 ， 解 体 して行 う 全 般 検 査 ま で数 々 の検 査 が あ るの は最 新 の 新 幹 線 車 両 に 至 る ま で 同 じで す が ， 蒸 気 機 関車 固 有 の 困 難 な 作 業 を伴 う検 査 が 幾 つ も あ りま した． そ の 内 作 業者 に とっ て 最 も過酷 な作 業 は，約11000km（40 ∼60日 ピ ッチ ） の走 行 毎 に行 わ れ る 「無火 検 査 」 と呼 ば れ る もの で あ った よ うで す ． こ の検 査 は文 字 通 りボ イ ラの火 を落 と し， 煙 管 の煤 を一 本 ず つ 払 い 除 く と共 に ， ボ イ ラ 内 の湯 垢 や ス ケー ル を洗 伝 熱2006年10月 ― 99― J. HTSJ, Vol. 45, No. 193
