月刊ポピュラーサイエンス/第18巻/1881年1月号/家庭用原動機II

家庭用原動機II

CHARLES M. LUNGREN 著

II.蒸気機関と熱空気機関

2馬力から10馬力の小型の蒸気機関は，多くの機関製造業者によって作られ，かなり広範囲に使用されている。大形のものと同様に、その優劣はさまざまであり、ここで説明するまでもないほどよく知られている。しかし、家庭用、アマチュア用などに適した1馬力以下のものは、比較的まれである。爆発の危険性と、都市部では法律が課す熟練した係員の必要性が、その使用を阻んできた。一方、より大きく、より使いやすい機械のコストはわずかであるため、製造者は後者を好んで製造してきたのである。しかし、このような小型のエンジンもいくつか作られており、そのうちの2つの優れた設計を、H.S.マキシム氏の発明として、図4と図5に示している。最初の図に示されているものは、ポンプとしてのみ使用するもので、図5のものは動力用である。両者とも小型のものはガスを使用し、その動作は完全に自動的である。コンパクトで完成度が高く、騒音がほとんどないので、家中どこでも迷惑をかけずに使用できる。ボイラーのケーシングは、最も小さいものでも直径16インチ、高さ3フィートのもので、場所を取らない。機械の底面には、熱で床が焦げるのを防ぐための空洞がある。ポンプエンジンの構造と動作は、切断面を見れば明らかであろう。ヒーターBはボイラーC Cを取り囲んでおり、ボイラーC Cは水管G Gが突き出ていて、その間を燃焼ガスが循環しながら煙突に向かう仕組みになっています。ガスはダブル・アーガンド・バーナーHから燃焼されるが、その供給は巧妙な方法で蒸気圧によって自動的に制御される。ボイラーの圧力が高くなると、その圧力はピストンに伝わり、ピストンは上昇してバルブIを部分的に閉じ、ガスの供給量を減少させる。ボイラーの圧力が下がると、逆にガスの供給が増える。このようにして、消費される燃料の量は、エンジン自体によって発生する蒸気の量に正確に比例する。これは、間欠的に使用されるが、常に準備しておく必要がある動力機関において、大きな価値を持つ特徴である。石炭を使用する大型のボイラーでは、ガス供給を制御するバルブと同様の方法で作動する自動ダンパーによって火勢が調整される。

ボイラーへの給水も、非常に簡単な自動装置で制御される。給水室はヒーターシェルの上部にあり、そこで燃焼生成物の熱にさらされる。配管hはポンプとこの室の両方に通じている。給水ヒーターが部分的に満たされている間は、ポンプによって水が押し込まれ続けるが、満杯になると、その一部がボイラーに流れ込むまで、それ以上入ることができない。この後者への流入は、ロッドoを介してボイラーの底部にあるバルブを操作するフロート機構E、F、Dによって制御される。フロートEは平らな逆さ容器で、ボイラーが満杯になると部分的に水没する。しかし、水位が下がるとフロートは下がり、ロッドoによって弁が開き、ポンプの圧力によって水が供給ヒーターからボイラーに押し出される。このように、蒸気圧によって熱を制御し、その圧力を一定に保つ装置と、ボイラー内の水量を調節する装置の2つによって、この蒸気機関は、熱風やガスを使う簡単な形式の熱機関と同じくらい安全で、トラブルも少なくなるのです。さらに安全性を高めるために、ボイラーから続くパイプAには安全弁が設置されている。また、ガスのように熱を完全に制御できない石炭を使う機関では、可燃性金属のプラグがクラウンシートにセットされており、温度が一定以上になると溶けて水が流れ出し、消火するようになっている。

動力機関のボイラーの設計は、揚水機関のそれと多少異なっているが、蒸気圧と給水の両方を自動的に調節する手段は実質的に同じである。この機関には、さらに、大出力の最良の機械と同様に、遮断点に直接作用する非常に独創的な調速機がついている。この調速機はベルトプーリー内に設置されており、通常のベルトを使用しないため、ベルトの破損やスリップによってエンジンが急回復する危険性を回避することができる。ボールはベルトプーリーと共に回転する2つの重い錘で、渦巻き状のスプリングでバランスを取っている。この玉は、車輪の半径方向に自由に動くことができ、また中心からも自由に動けるので、速度の変動があっても、簡単な方法でカットオフ機構を作動させることができる。この調速機の働きは、実際に使ってみて非常に満足のいくものであり、大きな出力のエンジンによく適しているようである。このエンジンは、1/2、1、1/2、2、2/3馬力、5馬力までの大きさがあり、ポンプエンジンは1時間当たり250から1500ガロンの容量で、100フィートの高さに作られている。前者は1時間に25フィートのガスを消費して汲み上げる。このエンジンは市場に出てから5年ほど経ちますが、非常に満足のいく使用感であることが分かっています。

ごく最近、チャールズ・タイソン氏が発明した、非常に小型で斬新な構造のエンジンが発売されました。これは、ミシンや編み機、旋盤、巻き鋸、扇風機、コーヒーミルなどの軽機械の駆動によく適しているようです。安全性が高く、手入れもほとんど必要なく、簡単に故障することもなく、ミシンを使える人なら誰でも扱うことができる。デザインも装飾的で、仕上げも美しいので、住居のどの部屋でも便利に使用できる。現在作られているものは、約1/4人力（1分間に1000フィートポンド）ですが、この機械が使用に満足できることが証明されれば、より広い範囲の作業に適応する、より大きなサイズのものが作られるでしょう。燃料はガスを使用するが、石炭、薪、油のいずれでも燃焼できるようにすることができる。蒸気を発生させる構造および方法は、爆発が起こらないようになっており、したがって蒸気計、水計および安全弁が不要となり、コストがかなり安くなる利点がある。このエンジンの構造は、水を一度に少量ずつ蒸気に変えるというものである。蒸気機関では、大小を問わず、水の全体が火の作用にさらされ、常に相当量の蒸気が発生する。この機関では、少量の水が貯水池から高熱の管のコイルに順次押し出され、そこで蒸気に弾き出される。エンジンで駆動される強制ポンプは、常に貯水池に水を供給している。この装置の各部分の相互の関係とシステムの作動は、図6に明確に示されている。水が蒸気に変換される長い管は、空気室からエンジンのスチームチェストに通じている。この管は、まず排気蒸気が通過する容器に巻かれ、次に発電機に巻かれて、できるだけ完全に火の作用にさらされる。エンジンを始動するときは、フライホイールを手で回して空気室内に圧力を発生させる。これにより、水がコイルに押し出され、そこで急速に蒸気に変換され、ポンプで供給される圧力でスチームチェストに送られる。エンジンが動き出すと、ポンプを駆動し、圧力を維持する。エンジンを止め、火を燃やし続けると、コイル内の水は空気室に戻され、蒸気の発生は停止する。

水を使い切ると、供給が再開されるまでエンジンは停止するだけです。ポンプの右側には、圧力を制限するためのリリーフバルブが設置されている。これは安全弁ではなく、たとえこれがなくても、ポンプの機構が破裂圧力を発生させるほど強くないので、爆発は起こらない。発電機の構造を図7に詳しく示す。円筒形の殻の中に、約35フィートのシームレス銅管が巻かれている。この底部にはガスバーナーLがあり、その周囲には空気を入れるための環状の空間を残して、もう一つのシェルがある。空気はシェルの底にある開口部からも入れることができる。燃焼したガスはコイルの中心を通り、両者の間を下ってドラフト・パイプで外に出る。排気蒸気は再生器を通り、コイルの中の水を一部加熱して、このドラフトパイプに排出される。最初にガスに火をつけるときは、キャップA'を外し、炎を空中に燃え上がらせるが、蒸気の形成が始まるとすぐにキャップを付け替え、排気蒸気は燃焼ガスをコイルからドラフトパイプに運ぶのに十分なドラフトを作り出す。この発電機は、同じエンジンを動かすのに必要な普通のボイラーの50分の1の立方体容量しかない。エンジンは単純な振動タイプで、装置全体は壷形の容器の上部を形成するベッドプレートに取り付けられている。図8は、完成したモータの外観を示したものである。また、三脚の代わりに壁に取り付けたブラケットで花瓶を支持する形式もある。この花瓶は、ポンプから供給される水を溜めておくのに使われる。通常の使用では、何時間かに1回、4〜5リットルの水を入れれば十分である。

このサイズのエンジンは経済的とは言い難く、1時間に12立方フィートのガスを必要とし、馬力は3分の1しかない。しかし、このような小型のモーターでは、効率はあまり重要ではない。この量の燃料は、ガスが千円あたり2ドルで、1時間に2セント強しかかからないので、一般に使われているミシンの運転経費はたいしたことはない。このモーターは、最初のコストが低く、構造が簡単なので、かなり耐久性があるはずである。

加熱された空気で駆動するエンジンは、蒸気で駆動するエンジンに比べて、安全で、熟練工を必要とせず、効率が高いという利点があるため、早くからこの種のモータの開発に注意が向けられていた。しかし、その期待に反して、実用化にはほど遠かった。空気の急速な加熱と冷却を交互に行い、走行面が高温になることによる過度の摩耗を防ぐことは、満足に達成することが困難であることが判明したのである。この種のエンジンは、加熱された空気から得られる圧力が低いため、寸法が大きくならざるを得ず、蒸気機関やボイラーに比べてコンパクトになることはあってもほとんどない。このように作動部品が大きくなると摩擦も大きくなり、極端な温度差で作動する熱風エンジンの優れた効率は、機械そのものを動かすのに必要な動力では消えてしまうほどである。このエンジンは、大きな動力ではまだ蒸気エンジンに太刀打ちできないが、小さな動力では、かなり経済的で実用的なモーターであることが証明されている。この種のエンジンは、さまざまな時代に数多く発明され、いくつかは多かれ少なかれ実用化されてきた。最も早く関心を呼び、限定的に使用されるようになったのは、1816年にスターリング博士が発明したもので、博士とその兄弟によって1840年まで次々と改良が加えられた。多かれ少なかれ成功したエンジンには、この国のエリクソン、ウィルコックス、ローパー、ショー、ライダー、フランスのラウベロー、ベローのものがある。熱風機は、空気を利用する方法によって2つのクラスに大別される。一つは、大気から直接空気を吸い込み、使用した後、排出するものである。もうひとつは、同じ空気を連続的に使用し、加熱と冷却を交互に行うものである。後者は、より高い圧力の空気を使用できるという利点があるが、冷却装置が必要であり、前者には不要である。エンジンがポンプとして使用される場合は、シリンダーの冷却したい部分に水を流すことができるので、これは不利な点とはならない。熱機関の効率は、それが作動する両極端の温度によって決まるので、空気機関で使用する空気は、大気の温度で動力シリンダーを出るようにするか、あるいは、入ってくる空気に再び熱を与えるような装置に、その熱の一部を与えるようにしなければならない。前者は現実的でないため、再生器と呼ばれるこのような装置の建設に注意が払われてきた。この装置は、単純な多孔板からチューブの巣まで、さまざまな形でさまざまな機械に採用されてきた。実際、熱の一部だけを取り出そうとするのが最も経済的であることが分かっている。それ以上のことをすると、空気の通り道に大きな障害を与え、熱で得たのと同じだけの動力を失うからである。

熱風機が動力の貴重な補助装置として最も早く認知されたのは、エリクソン社の有名なエンジンで、長い間市場に出回っており、ある程度一般に使用されるようになってきた。このエンジンは、ストロークするたびに新鮮な空気を送り込むタイプで、空気はシリンダーに吸い込まれ、圧縮、加熱され、仕事を終えたら排出される。このエンジンは揚水用と動力用の両方があり、4馬力までの大きさで作られている。このエンジンはあまりにもよく知られているので、ここで説明する必要はないだろう。

最近、エリクソン氏は、ポンプ用に設計された新しい、より単純なエンジンを完成させ、現在製造中である。このエンジンは、同じ空気を何度も繰り返し使用し、交互に加熱と冷却を行うタイプのものである。シリンダーは直立し、テーブルの下に突き出ていて、それによって下に置かれた火袋の中に入っている。これは鉄の殻で、下端には石炭の場合は普通の火格子とレンガが敷かれ、ガスの場合はブンゼンバーナーが3つ付いている。後者の燃料は、クリーンでトラブルもなく、始動と停止が素早くでき、常に熱を完璧にコントロールできるので、最も望ましいものである。エンジンの作動部品は、シリンダーにぴったりとはまるピストン、その中をゆるく動くプランジャー、そしてこれらの部品の動きを伝達するクランクとコネクティングロッドのシステムである。シリンダーの上部は、ピストンだけが動くようになっていて、水ジャケットで覆われているため温度が低く、その下の部分は多かれ少なかれ高温になる。この加熱された部分でプランジャーが動き、火の上の空気を交互に追い出す。プランジャーは長い鉄の殻に羊毛などの不導体を詰めたもので、側面にスタッドが付いていて、シリンダーの壁から離すことができる。機械はフライホイールを数回回すと自走し始め、その動作は次の通りである。

プランジャーを上げると、その下の空気が加熱されて膨張し、ピストンを上方に押し上げる。プランジャーが上昇すると、下の空気が加熱されて膨張し、ピストンを上方に押し上げる。このとき、プランジャーは素早く下降し、空気はプランジャーとシリンダー壁の間の環状の空間を通ってシリンダーの上部に移動する。ここで空気は、水ジャケットの冷たい表面に触れて収縮し、ピストンの下は部分的に真空となり、大気圧で下降する。プランジャーが上方に動くと、空気は再び加熱されたシリンダーの底面と側面に接触し、同じ動作が繰り返される。プランジャロッドはピストンを貫通し、図に示すコンロッドとクランクの簡単なシステムによって、プランジャに適切な動きを与えることができる。ポンプはシリンダーの脇に置かれ、そのロッドはエンジンのビームに直接接続されている。水はポンプに吸い込まれ、ウォータージャケットを通して排出される。ウォータージャケットを通過する際に水がわずかに加熱されることは不利にならないが、新鮮な水が絶えず通過するため、シリンダーを容易に冷却することができる。このエンジンは今のところ揚水用にしか作られていないが、エンジンの動力の一部だけを揚水用に使えば、小さな動力のものにも容易に適用できる。直径6インチ、8インチ、12インチの単気筒の3種類と、後者の2気筒の1種類の計4種類のモーターが作られています。一号機は一時間に二百ガロンの水を五十フィート吸い上げ、十五フィートのガスを消費し、二号機は三百五十ガロン、三号機は八ガロン、四号機は一千六百ガロンを同じ高さで、燃料消費量は比例する。値段は小さいもので二百十ドル、大きいもので五百五十ドルとさまざまである。現在、ガスを燃焼させるのは小型の2種類だけである。このエンジンは完全に安全で、非常に簡単なので、経験の浅い人でも使うことができ、この特別な目的には、おそらくできるだけ安価で満足のいく機械でしょう。

もう一つのエンジンは、この種の機械の中で最も実用的なものの一つで、ライダー圧縮エンジンである。他の熱風機と同様、主として揚水用に作られるが、動力用として必要な場合は、わずかな費用の増加で調速機や必要なプーリーを取り付けたものを入手することが可能である。この揚水発電機は、鉄道、田舎の座敷、都市の建物などに広く普及し、燃料の節約とトラブルの少なさから、いずれの場合にも非常に満足のいくものであることが証明されている。石炭を燃やす炉にしか使えないので、ガスを使う場合よりは面倒だが、それでも普通の石炭ストーブよりは少しましである。火の補充と給油が唯一の仕事であり、これは未熟練者でもできる。床面積は中型の石炭ストーブとほぼ同じで、高さもほぼ同じである。シリンダーは6インチと10インチの2種類。前者は4ポンドの石炭で、1時間に5千ガロンの水を10フィートの高さまで、またはそれより少ない量を比例して高い高さまで汲み上げることができ、後者は8ポンドの石炭で、同じ時間に1万2千ガロンを同じ高さまで引き上げることができます。これらの石炭量は、エンジンを10時間連続して運転した場合に使用されるものである。これより短時間で運転する場合は、火をつけるため、1時間当たりの石炭消費量は多少多くなります。エンジンの重さは、小さいもので1,600ポンド、大きいものでは約2倍と、かなりのものである。価格は、1馬力から3馬力の蒸気機関と比べても、大きな違いはない。

このエンジンの内部構造と作動方法は、図10の断面図に示されている。これも与えられた空気を繰り返し使用するタイプであるが、エリクソンのモーターとは異なり、加熱と冷却が別々のシリンダーで交互に行われる。プランジャーCは、上部はシリンダーAにフィットしているが、下部はシリンダー壁との間に環状の空間ができるように縮んでいる。パワーピストンDも上部はそのシリンダーBに密着しているが、下部の加熱された部分は緩く密着している。各シリンダーには皮製のパッキンK Kがあり、他のエンジンと同様、これらの可動部分の完全な嵌合を保証している。2つのシリンダーの間には、多数の穴のあいた板からなる再生器Hが置かれ、空気が一方のシリンダーから他方のシリンダーへ移動する際にこれを通過する。シリンダーBの下部には水ジャケットEがあり、加熱シリンダーBの同じ部分を取り囲むように、基部が内側に湾曲した金属製のシェルFがある。円筒Bのこのシェルへの延長線Gは狭い環状の空間を形成し、この空間をヒーターに入る空気が薄いシート状で通過しなければならず、その結果、十分に加熱される。プランジャーCが下降して、その下の空気を3分の1に圧縮し、パワーピストンDがさらに上昇し、プランジャーがダウンストロークを完了すると、この空気はヒーターに送られる。加熱された圧縮空気は膨張し、パワーピストンをストロークエンドまで押し上げ、シリンダーA内に入りプランジャーをほぼ最上部まで運びます。ウォータージャケットに接触した空気は冷却されて収縮し、パワーピストンの下方で圧力が減少し、大気の力で下降する。下降が終わり上昇に転じると、プランジャーが下降し、この動作が繰り返される。空気はヒーターから冷えたシリンダーAに入るとき、再生器の板を熱し、この熱は再びヒーターに入るとき冷えた空気に与えられる。こうして、可能な限りの熱を利用するのである。熱風機やガスエンジンのように、始動は手で行わなければならないが、フライホイールを数回回すと、エンジンがその動きを維持する。

エンジンには、深い井戸用ポンプと、水が20フィートか25フィートより下にない場合に使用するポンプが付属しています。前者は単純な装置で、管状になっているので、容易に天 井に挿入することができる。それ以下の水深で使用するポンプは、特殊な構造で、ローリングバルブが装備されている。このポンプは冷却シリンダーにボルトで固定され、圧縮ピストンまたはプランジャーから直接作動させる。これらのポンプのどちらか一方を使用すれば、ある地点から水を汲み上げて別の地点に運ぶという、あらゆる状況にモーターを適応させることができる。田舎の家でも、都会と同じように完全な給水が可能で、便利な形をしており、費用もほとんどかかりません。

この種の原動機で最も優れたものの1つが、図11に断面図を示したシェリル・ローパーエンジンである。ピストンを動かすために加熱された空気を利用する方法は、前述のエンジンに採用されている方法とは多少異なり、蒸気機関において蒸気を利用する方法に近いものである。炉は密閉されており、大気から取り入れた空気はリールを通過してその上に押し出され、膨張した空気と燃焼生成物は、蒸気機関において蒸気を入れるのと全く同様の方法で、機関によって作動するバルブを通してシリンダーに入れられる。シリンダーは炉の上に置かれ、炉の側は耐火煉瓦で覆われた鉄の仕切りで仕切られている。この炉は底を除くすべての面が耐火煉瓦で覆われており、火の粉に直接さらされるものがないため、非常に耐久性のある構造になっています。空気は左側の小シリンダー内のピストンの上昇運動により、バルブ B を通して大気から吸引され、このピストンの下降運動により流路 G を通って炉内に送り込まれます。バルブHとEは、火の上を通過する量と通過する量を調節します。加熱された空気と燃焼生成物は、エンジンの右側の部屋にある人形弁を通してシリンダーに入り、シリンダーから排出されます。この加熱された気体によって、ピストンには徐々に減少する安定した圧力がかかり、ピストンはシリンダーの上端まで押し上げられる。そして、エンジンのメカニズムによって排気弁が開かれると、ピストンは大気圧によって下降し、気体を空気中に押し出す。ピストンが下降している間、供給ピストンが新しい空気を吸い込み、上昇ストロークで炉内に送り込まれる。フライホイールは、エンジンの動きを滑らかで均一にする。パワー・ピストンは2つのシェルからなり、上側のシェルはシリンダーのボア部分に合うように真直ぐに回転し、下側のシェルは緩くフィットする。また、シリンダーの上部は過熱しないので、水ジャケットは必要ない。炉は密閉されているので、火を補充するためにはエンジンを止めなければならない。しかし、これは一見したところそれほど不都合なことではなく、1日10時間連続運転する場合、朝と昼に1回ずつ焚けばよいのである。機械はコンパクトに作られており、騒音もほとんどない。価格は500ドル弱から1000ドル程度で、1.5馬力から7馬力のものがある。メーカーの発表によると、このエンジンは燃料が非常に経済的で、1.5馬力のものは1日10時間当たり40ポンド、3.5馬力のものは80ポンドの石炭を使用するとのことです。これは1時間当たり2ポンド強であり、これは蒸気機関では大型で完璧な構造の機械にしか達成できない結果である。