「蒸気機関車」の版間の差分

'''蒸気機関車'''（じょうききかんしゃ）とは、[[蒸気機関]]を[[動力]]とする[[機関車]]のことである。

 

 

== 歴史 ==

[[File:Locomotive trevithick.jpg|thumb|[[リチャード・トレビシック]]による1802年製作の蒸気機関車]]

[[File:Stephenson's Rocket drawing.jpg|thumb|1829年に[[レインヒル・トライアル]]で勝利した[[ジョージ・スチーブンソン]]製作の[[ロケット号]]]]

 

1802年、[[リチャード・トレビシック]]がマーサー・ティドヴィルのペナダレン製鉄所で高圧蒸気機関を台車に載せたものを作った。これが世界初の蒸気機関車とされている。1803年、トレビシックはこの蒸気機関車の[[特許]]を[[サミュエル・ホンフレイ]]に売却。ホンフレイは、トレビシックの蒸気機関車が10トンの鉄を牽引して、とある区間（約16km）を運べるか賭けを行い、1804年2月21日、ペナダレン号が10トンの鉄と5両の客車、それに乗った70人の乗客を4時間5分で輸送することに成功した。

 

 

=== 蒸気機関車の発明・開発に関わった主要な人物 ===

: [[1804年]]に[[イギリス]]で蒸気機関車を走行させる。[[鉄道の歴史|鉄道史上]]初とされている。

; [[ジョージ・スチーブンソン]]

; [[ロバート・スチーブンソン]]

: ジョージ・スチーブンソンの息子。父とともに蒸気機関車の実用運転に貢献。

: 1812年、軌条の側面がラックレールの軌道を走る機関車[[:en:The Salamanca|サラマンカ号]]を走らせた。

; [[ナイジェル・グレズリー]]

; [[アンドレ・シャプロン]]

: キルシャップの開発やボイラの内的流線化等の、蒸気機関車の科学的改良を初めて行った。後にリビオ・ダンテ・ポルタら蒸気機関車技術者に多大な影響を与えた。

'''15.''' ドライブ・フレーム

 

 

 

'''18.''' ベアリング及び軸箱

火室は燃料を燃焼して高温のガスを作る場所である。火室の底（床）部分は燃え滓の灰が落ちるように格子状（いわゆる火格子）に作られている。

 

 

機関車の火室には、左右の台枠間に設置したいわゆる'''狭火室'''タイプと、より大型の機関車に設置される台枠の幅（[[軌間]]）より大きな'''広火室'''タイプのものがある。[[D52]]等、一部の形式では煙管の手前に燃焼室を備える。

 

石炭が燃える際の炎は、石炭の成分が分解・[[蒸発]]しながら空気中の[[酸素]]と反応しているため、燃焼ガスの温度は石炭自体から少し離れたところで最高となる。このため火室内には燃焼ガスの流れを迂回させて、ボイラーの各煙管の距離を稼いで最高温度の燃焼ガスを導くのと各煙管に均等に燃焼ガスが流れることができるように火室中央部を斜めに通るアーチ管に載せらた邪魔板 (煉瓦アーチ)<!--（左の写真の赤く塗られた斜めに設置された板）-->がある。火室の前後左右と上部は缶胴内の水で囲まれており'''内火室'''と呼ばれている、前述したアーチ管には、缶胴内の水が入り込むことで、缶胴内の水を循環させる役割を持たせており、ここの部分は'''外火室'''と呼ばれボイラーの一部となっている。また、燃焼ガスの火力を高めるために内火室とボイラーの煙管の間に'''燃焼室'''を設ける場合がある。これは、火室の邪魔板の上の空間が延長された構造となっている。

 

=== 自動給炭機 ===

{{main|自動給炭機}}

火格子面積の大きい広火室を備えた機関車に装備され、炭水車からスクリュー（送りねじ）で石炭を運転室まで搬送し、蒸気で火室内に飛ばした。

日本では蒸気機関車用の自動給炭機は、1948年（昭和23年）製のC62形、C61形を[[嚆矢]]として、戦時形のD52形についても、標準形への装備改造時およびD62形への改造時に装備された。熱量の低い石炭を使用する[[常磐線]]用のD51形の一部にも搭載された。

 

=== ボイラー ===

{{see also|ボイラー}}

 

 

 

なお、第二次世界大戦中のドイツで設計・製作された貨物用の52形では、軸配置1Eの大型機であったが構造簡素化による生産性の向上を目的としてインゼクタを複数搭載として従来のドイツ国鉄機で標準であった給水ポンプ+給水温め器の搭載が省略され、またイギリスのグレート・ウェスタン鉄道などではやはりインゼクタの複数搭載を標準としていたが、クラック弁と称する特殊な弁を使用することで、ボイラーに注水される水の温度が段階的に引き上げられる、つまり給水温め器を使用するのと同様の効果が得られるような機構を採用していた。

 

<gallery widths="180" style="font-size:90%">

ファイル:A48steam dome & valve.jpg|A48の煙管と上部にある蒸気溜めと加減弁

 

=== 煙室 ===

<gallery widths="180" style="font-size:90%">

ファイル:A48head2.jpg|煙室の構造、シリンダーで使われた蒸気は下部の白色の吐出管から煙突に吹き上げられる。煙突入口には火の粉よけのメッシュが装備されている

=== 弁装置・シリンダー・コントロール装置 ===

[[File:Steam Locomotive run device.png|thumb|400px|蒸気機関車の走り装置（ワルシャート式）のモデル図<br />１弁室、2蒸気弁、3蒸気室、4弁心棒、5合併テコ、6心向棒、7加減リンク（中央の支点をモーション・プレートに固定）、8釣りリンク腕、9シリンダー室、10ピストン､11ピストンロッド、12滑り棒、13クロスヘッド、14主連棒、15偏心棒、16返りリンク、17連結棒。]]

 

逆転機ハンドルは逆転棒と繋がっており、その先の釣りリンク腕と釣りリンクを介して心向棒と繋がっていて、さらに心向棒から加減リンクを通り蒸気室の蒸気弁と合併テコを介してクロスヘッドに繋がっている。逆転機ハンドルは回すことで、心向棒を介してシリンダー室上部にある蒸気室の蒸気弁を操作できるようになっている。蒸気機関車の速度制御は、蒸気溜にある加減弁での調整によっても可能であるが、実際の速度制御は、蒸気弁からシリンダーへの通路の開口部の開口率の変化によって行われる。その変化の動作に使用されるのが偏心棒、加減リンク、心向棒の3つであり、加減リンクは中央を支点としてモーション・プレートに取り付けられており、その下部に連結された偏心棒により、加減リンクが支点を中心として上部と下部で往復運動を行なって、心向棒と合併テコを介して蒸気弁の弁心棒に力を伝達する仕組みとなっている。心向棒の力点は、逆転機ハンドルにより加減リンク内を上下方向に動かすことが可能であり、加減リンクの支点に近い位置では、蒸気弁の往復運動の幅が小さくなり、加減リンクの支点から離れた位置では、蒸気弁の往復運動の幅が大きくなる。その幅の変化が開口率の変化となり、開口部の大きさと蒸気弁からシリンダーへの蒸気が入らないカットオフの時間が変化することで、シリンダーに入る蒸気量の調整を行い、シリンダー内の中のピストンが時々の状況に応じた速度に対応した往復運動をするようになっている（出発時は、心向棒を加減リンク中央から下に離れた位置に移動させて、開口率を大きくカットオフの時間を短くすることでシリンダー室に入る蒸気を多くして動輪の回転力を大きく回転数を小さくし、速度が上がるにつれて、心向棒を加減リンク下部から中央の位置に徐々に移動させて、開口率を小さくカットオフの時間を長くすることでシリンダー室に入る蒸気を少なくして動輪の回転力を小さく回転数を大きくする）。また、開口率は、80%-0%の間で表しており、全出力で80%、停止時や惰性運転時では0%としている。また、加減リンクは前進または後進の切り替えも行い、同じく逆転機ハンドルを回すことにより、心向棒を加減リンクの中央（支点の部分）から下に下げると前進、上に上げると後進となる（前後進の切替は停止時に行う）。その他に、発車時に常温まで冷えたシリンダー室に蒸気を送ると、蒸気の温度が下がり[[凝縮]]が発生してシリンダー室に水が溜まるため、溜まった水を排出するシリンダー排水弁や、蒸気室の前後をバイパス管で結びその中間に弁を設置し、惰性運転時に、逆転機ハンドルを操作して蒸気室とシリンダー室を結ぶ蒸気通路の開口率を80%にしてからその弁を開き、シリンダー室のピストンの前後の空気を行き来できるようにして、ピストンの空気抵抗を最小にするバイパス弁がある。

 

=== 動輪・先輪・従輪 ===

 

動輪以外に機関車に設置される車輪として'''[[先輪]]'''と'''[[従輪]]'''がある。先輪は動輪の前に設置され、カーブでのスムーズな方向転換に有効であり、機関車重量の一部を負担する効果もある。従輪は動輪より後ろに配置され、機関車後部の重量を受け持つ。大きな火室を必要とする高出力機では、小さな従輪の上に幅広の火室を装備する'''広火室'''タイプが採用された。

 

 

 

=== 補機類 ===

<gallery widths="180" style="font-size:90%">

ファイル:C61 20 turbine generator.jpg|C61 20号機のタービン発電機

 

=== 短所 ===

*始動に時間がかかる。煙缶式ボイラーが完全に冷え切った状態の場合、火入れ・蒸気の発生に数時間前から作業開始する必要がある。また走行終了後も石炭ガラの廃棄などの作業が必要。

*電気機関車やディーゼル機関車の場合1人でも運転可能であるが、蒸気機関車の運転には、走行操作をする[[動力車操縦者|機関士]]とボイラーに水や石炭を送る操作をする[[火夫|機関助士]]の2人が必要となるため、2倍の人員を必要とする。後年自動給炭が可能なものも登場したが、機関助士の乗務を不要とするには至っていない。なお、燃料を石油だけにすれば1人でも運転可能ということにはなるが、他の欠点を補えるわけではないので、そのような時代が来る前に電気機関車・ディーゼル機関車の時代になった。

<!--

*急激な出力の調整が困難。出力を減らすには蒸気を排気すれば比較的容易であるが、再度出力上がるためには時間が必要。

--><!-- ボイラ圧と出力を混同しているのでは? -->

*煙の火の粉が線路周囲の森林や草・家屋などに燃え移ることにより、時として火災を発生させる。藁葺きや木の屋根が普通であった時代には火災が多発し、これによる[[鉄道と政治#鉄道忌避伝説|鉄道忌避伝説]]もある。

**ボイラー部などの熱・高圧疲労・耐用年数による老朽化。

**水垢の蓄積。

*設計上逆向き運転が考慮されておらず、[[転車台]]・[[デルタ線]]・[[ループ線]]など方向転換のための設備を必要とする。ただし、後年には[[国鉄C11形蒸気機関車|C11形]]や[[国鉄C56形蒸気機関車|C56形]]など逆向き運転が容易な形式も出現した。また、石油だけを燃料とするなら必ずしも運転席をボイラーと炭水車との間に設ける必要はないので、理論的には逆向き運転も容易になる。

 

 

== 蒸気機関車の分類 ==

:: TE-3型ディーゼル機関車を改造する予定であり、1970年代には超広軌の巨大な機関車が計画された。

:; 旧[[西ドイツ]]

:; [[日本]]

:: 昭和30年代に[[鉄道技術研究所]]により、AH101という形式が計画された（形式のAはAtomicの略であると思われる）。

:

; 水管式

 

=== 火室による分類 ===

; 狭火室

; 広火室

: 火室の幅を線路の幅より広くした、近代の大型機では一般的な方式である。広い火格子面積を確保出来るため、特に低品質炭を常用せざるを得ない各国・各鉄道で蒸気機関車の出力向上に大きく貢献した。なお、そのまま火室の幅を広げると動輪が邪魔になるので、通常は以下の4つの手法を取られる。

:; 燃焼室の設置

::蒸気機関車の燃料として最も望ましい[[瀝青炭]]の燃焼時の炎は長く、火室内では収まりきらないので、火室前方に副室を設けこれを燃焼室と呼んだ。燃焼室を設けることにより高温の炎からの輻射熱を十分に吸収でき、効率が向上した。また、燃焼時間が長くなったことにより煤煙の発生が減少し、煙管の詰まりも防がれた。日本の国鉄では[[8200形]]製造時に導入のチャンスがあり、またメーカー側も推奨していたにもかかわらず、ドイツ流の長煙管設計に固執したため採用が著しく遅れ、戦時設計で極限性能発揮が求められた[[D52形]]でようやく採用された。外見から燃焼室の有無を知るには火室の前方にも洗口栓があるかどうかを調べればよい。

:

:: ベルギーの鉄道技術者、A・ベルペヤが考案した火室形状で、内火室と外火室の形状を相似形にしているため、内火室を支えるステイの形状を単純にでき、缶水の循環が良く水垢の付着が少ないという利点を持つ。上部が角張った形状が特徴であるが、円筒形の煙管部との接合工作が難しいという欠点がある。

:; 台形火室

:; ウーテン火室

:: 広火室の一種で、外見上は下部が大きく広がっているのが特徴である。泥炭など質の悪い石炭を燃焼させるためにアメリカで考案されたもので、日本では[[日本鉄道]]が質の悪い常磐炭を使用するために、一部の形式で採用した。

*宇佐美式 : [[国鉄C57形蒸気機関車|C57形]]で試用。自動可変リード弁の一種。

*マーシャル式（ヴィンターツール形、コッペル形）

*[[ワルシャート式弁装置|ワルシャート式]]（ヘルムホルツ形、ホイジンガー形）：近代の大型蒸気機関車のほとんどがこの方式で、動作機構が全て動輪の外側にあるため、整備性が良い。

 

: [[ギアードロコ]]ではV形配置のものも見られる。

; 3気筒・4気筒

<!--: 碓氷峠で使用されたアプト式機関車は、動輪用の駆動装置の他に歯車用の駆動装置を別に備えており、4気筒式であった。--><!--これは通常の4気筒機とは意味合いが異なります-->

: ギアードロコでは、ボイラー脇にシリンダーを垂直にむき出しに並べた、インライン（直列）配置が一般的で、整備性の問題がないことからこのタイプの3気筒は特例的にアメリカでも使用され続けた。

; 複式（2段膨張式）

: 単式に対して、一度使用した蒸気を、もう一度別のシリンダに送り込んで再使用するのが[[複式機関|複式]]である。一度使用した蒸気は圧力が下がるので、1次側（高圧）のシリンダより2次側（低圧）のシリンダの方が径が大きくなる。スイス人の[[アナトール・マレー]]が[[1874年]]に特許を取得し、[[1876年]]に実用化に成功した。<!--これそのものはいわゆるマレー式関節形機関車の開発とは別です。-->

; 復水式

:{{Main|復水式蒸気機関車}}

; [[マレー式機関車|マレー式]]

: ボイラーの下に2組の走り装置を設けた方式。後部動力台車はボイラーに固定されていて、高圧蒸気の供給を受けてシリンダーを駆動し、その排気を左右に首を振れる前部動力台車に送って径の大きな低圧シリンダーを再度駆動する[[#使用済み蒸気による分類|複式機関車]]である。

; [[単式膨張型関節式蒸気機関車|単式膨張型関節式]]（単式マレー式）

: 2組の走り装置を別々の車体に設け、その両車の間に跨ってボイラーを搭載した主台枠が首振り構造で載る方式。

; [[フェアリー式蒸気機関車|フェアリー式]]

=== アメリカ合衆国 ===

 

*[[ユニオン・パシフィック鉄道4000形蒸気機関車]]（ビッグボーイ）

*[[ユニオン・パシフィック鉄道800形蒸気機関車]]（FEF）

*[[USRA 0-6-0]]

*[[USRA 0-8-0]]

*[[USRA 2-6-6-2]]

*[[USRA 2-8-8-2]]

*[[ティムケン1111]]

 

=== イギリス ===

 

=== ドイツ ===

イギリスでは数々の先進技術を導入した最高速度200km/hの[[5AT先進技術蒸気機関車]]の計画が進められていたが、2012年に資金難で中止された。

 

{{脚注ヘルプ}}

{{reflist}}

== 参考文献 ==

*{{Cite book|和書|author=川辺謙一 |title=鉄道車両メカニズム図鑑 |year=2012 |publisher=学研 |isbn=978-4-05-405338-0}}

 

== 関連項目 ==

{{commonscat|Steam locomotives}}

 

*[[国鉄機関車の車両形式]]

*[[ギアードロコ]]

 

{{DEFAULTSORT:しようききかんしや}}

[[Category:蒸気機関車|*]]

[[Category:鉄道技術史]]