コロナ禍で注目 「新幹線」の「換気装置」がたびたび止まる理由とは?

■最も強力な換気装置を搭載しているのは


 新型コロナウイルス感染症の拡大で鉄道車両の換気が注目されるようになった。国は鉄道車両の客室の換気について基準を定めている。基準によると、鉄道車両は自然換気といって窓や開口部から車内の空気を入れ替えるか、換気装置を用いて換気を行わなくてはならない。最も強力な換気装置を搭載している新幹線の換気装置で起こる「現象」について検証してみた。

 自然換気の場合、窓などの開口部の総面積は客室の床面積の20分の1以上としなければならない。

 一方で、換気装置の換気能力は旅客1人1時間当たり13立方メートル以上なくてはならない。

 なお、通勤電車のように混雑率が定員を超える鉄道車両の場合、換気能力は定員の2倍の旅客が乗車したときを基準とする。

 ただし書きが続いて恐縮ながら、自然換気だけ、または換気装置だけでいま挙げた換気能力を満足できない場合、両者を組み合わせてもよい。

 現在、通勤電車の多くは窓を開けて営業に就いている。これは換気装置だけでは定員の2倍の旅客が乗車したときに換気能力が不足するからだ。

 全国各地の鉄道車両のなかで最も強力な換気装置を搭載しているのは、新幹線の車両である。

 というのも、新幹線では客室をはじめとする車内の密閉状態を保ちながら換気を行えるよう、高い換気能力が求められているからだ。

 換気能力はたとえば、東海道・山陽・九州の各新幹線で用いられているN700系という車両では1時間当たり最大で1800立方メートルに達する。

 N700系で1両当たりの定員が最も多い車両は100人であるから、旅客1人1時間当たりの換気能力は18立方メートル以上、確保されている計算だ。

■「音が止んだかと思うとすぐに動き出す」現象は?


 新幹線の車両の換気装置は多くは空調装置と一緒に働いていて、席に座っていてもゴーンとかウォーンといった低い音を立てているのがよく聞こえる。

 本来ならば機器の作動音は聞こえないほうがよいのだが、コロナ禍で換気に神経質になりがちな昨今、換気装置の働く音が頼もしく感じられるようになったという人も多いかもしれない。

 さて、新幹線の車内で換気装置の作動音に耳を澄ませていると、時折「音が止んだかと思うとすぐに動き出す」という現象が、結構頻繁に繰り返されることに気づく。

 これは気のせいではない。本当に作動を止めているのだ。

 何分おきとは言いづらいのだが、距離にして10kmから30km程度走るたびに起きる。

「換気装置はいつも目一杯働いているから時折休ませているのかな?」と思いたくもなるが、そうではない。

 新幹線の車両に搭載されている換気装置は連続換気装置というくらいタフで、数時間程度であれば問題なく動き続ける。

 答えを言うと、換気装置が時たま作動を止めてしまうのは、動かすための電力が止まってしまう、つまり停電が起きているからだ。

 となると、次のような疑問を抱く人もいるだろう。

「新幹線の車両が使用する電力は車両の上空に張られた架線から供給されますよね? 停電が起きているのならば、換気装置だけでなく、モーターは回転を止め、車内の照明も消えるはずです。まさかそんなことはないでしょうね?」

 新幹線ではそのまさかが起きていて、ほんのわずかな時間だが、モーターも動かなくなる。

 客室の照明は瞬時にバックアップ用のバッテリーからの電源に切り替えられるので消えることはないけれども、客室とデッキとの仕切壁に付いている車内案内表示器のなかには流れるテロップがいったん動きを止め、もう一度表示されるものも多い。

■なぜ停電が起きるのか?


 なぜ停電が起きるのであろうか。

 それは新幹線の車両への電力の供給方法と関係が深い。

 新幹線の車両が使用する電気はすべて電力会社から供給される。

 電力会社は、たとえば交流27万5000Vだとか交流18万7000Vといった非常に高圧の電気を新幹線が走るJR旅客会社に送電していて、JR旅客会社は自社で設置した変電所で電気を受け取ると同時に電圧を下げ、架線に流す。

 新幹線の架線に流れている電気は公式には交流2万5000Vだが、実際にはもう少し高い交流3万Vが供給されている。

 新幹線では変電所はおよそ20kmから50kmごとに設置され、数が多い。

 というのも、新幹線の車両は超高速で走るためにほぼ常に加速している状態なので、たくさんの数の変電所を置いておかないと架線を流れる電圧が下がり、スピードを出せなくなってしまうからだ。

 難しい話は置いておいて、要するに新幹線の換気装置が頻繁に作動を止めてしまうのは、それぞれの変電所が受け持つ送電範囲の境界を通過しているからだ。

 境界地点では変電所から供給される電気を切り替えていて、このとき0.5秒以内と一瞬ではあるが車両への電力の供給が止まってしまう。

 換気装置も車内の照明のようにバックアップ電源で作動させ続けられればよいが、いかんせん消費電力が大きいので、バッテリーで動かすことは無理だ。

 停電している時間は0.5秒以下で、換気装置自体は再起動まで1秒前後を要しているものの、この程度の時間ならば別に車内が息苦しくなることはない。

 実はJRの在来線や私鉄、地下鉄などの電車も変電所の境界を頻繁に通過する。

 しかし、大多数の電車の換気装置は止まらない。これは新幹線の換気装置と比べて消費電力が少ないからではなく、架線に供給されている電気の種類が異なるからだ。


■リニア中央新幹線の場合はどうか?


 先に示したように新幹線の架線には交流が流れている。

 交流は電流の強さと流れる向きとが周期的に変化する電気で、新幹線用の交流では1秒間に50回または60回変わっていく。

 変化のリズムというか波形は変電所ごとに異なっているので、複数の変電所からの電気をまとめて車両に送ることはできない。

 一方でJRの在来線の多く、私鉄の大多数、すべての地下鉄の架線には直流が流れている。

 直流とは電流の大きさと方向とが時間的に変わらない電気で、複数の変電所からの電気が混じり合って車両に供給されても問題は起きないのだ。

 ところで、JR東海は2027(令和9)年の開業を目指して中央新幹線品川-名古屋間の建設を進めている。

 中央新幹線は通称、リニア中央新幹線と呼ばれ、超電導磁石の力で車体が浮上する超電導リニアの車両が最高速度時速500kmで営業する予定となっているのは知ってのとおりだ。

 当然のことながら、超電導リニアの車両にも換気装置は搭載されている。

 この場合は、浮き上がって走行する車両に対してどのようにして電気が供給されているのであろうか。

 答えを言うと、ガイドウェイと呼ばれる線路の底の部分から車両に向けてワイヤレスで電気が送られているのだ。

 このような仕組みを誘導集電と言い、鉄道車両用としては超電導リニアが世界で初めての採用例となる。

 超電導リニアではガイドウェイの底の部分に敷いたコイルに交流6000Vの電気が流れていて、車両は電気をあたかも吸い上げるように車内に採り入れていく。

 新幹線の場合は走行用の電力と一緒であったので変電所の境界が存在したが、超電導リニアの場合には境界はなく、車両に連続して電気を供給することが可能となった。

 JR東海は理由をはっきりとは言わないが、どうやら換気装置など走行用に比べれば消費電力の少ない機器用に限られているので、一つの変電所で全線をカバーできるようだ。

 ともあれ、超電導リニアの車両に搭載されている換気装置は途中で止まることも、再び動き出すこともなく、ずっと動き続けている。

 こちらのほうが落ち着くという人は多いかもしれない。

梅原 淳
1965(昭和40)年生まれ。三井銀行(現在の三井住友銀行)、月刊「鉄道ファン」編集部などを経て、2000(平成12)年に鉄道ジャーナリストとしての活動を開始する。著書に『新幹線を運行する技術』(SBクリエイティブ)ほか多数。新聞、テレビ、ラジオなどで鉄道に関する解説、コメントも行い、NHKラジオ第1の「子ども科学電話相談室」では鉄道部門の回答者を務める。

週刊新潮WEB取材班編集

2020年11月23日 掲載

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