月刊ポピュラーサイエンス/第10巻/1877年2月/セントゴッタルドトンネルの圧縮空気機関車

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セントゴッタルドトンネルの圧縮空気機関車^[1]

C.M.GARIEL著．

重要なトンネルの掘削には様々な困難が伴うが，中でも坑道の掘削で発生した瓦礫の除去は，トンネルがかなりの長さに達し，かつ作業が活発に行われている場合には必ず挙げられる．モン・セニス・トンネルの掘削はこのような条件の下で行われたが、有能な請負人であるM.ファーブルは、現在行われているセント・ゴッタルドトンネルの掘削でも同様の困難に遭遇した。

作業は、将来のトンネルの両端であるアイロロとグッシェネンという2つの地点から始められた。活発に進められている坑道の前進では、2つの掘削作業面でそれぞれ1日に約400立方メートルの瓦礫が出る。この大量の瓦礫を運び出すためには、レールの上を走るトロッコに定期的に投入しなければならないが、坑道が袋小路になっているため効果的な換気ができず、煙を出す蒸気機関車を使用することができないのである。また、馬の値段が高く、数も多いので使えない。そこで、セント・ゴッタルドでは、圧縮空気で動く機械を利用することを思いついた。まず、トンネルを掘るための穿孔機を動かすのに圧縮空気が使われていることはよく知られている。次に、圧縮空気機関車を使えば、純粋な空気だけを逃がすことができるので、坑道の換気が可能になる。また、馬よりも強力な電動機を使えば、より迅速に瓦礫を取り除くことができる。

図1 調圧器の構造

最初の試みは、2台の普通の機関車をトンネルの両側に配置し、ボイラーにはもちろん水は入っていないが、4気圧の圧力で凝縮した空気を入れた。この空気は、通常の蒸気の役割を果たし、スライドバルブを通り、ピストンの表裏で交互にシリンダーに入り、運動させた後、大気中に放出される。

しかし、機関車のボイラーは、あくまでも熱で絶えず発生する蒸気で動くためのものであって、使用するのに十分な量の空気を入れておくためには小さすぎた。各機関車には、長さ8メートル、直径1.5メートルの長い鉄製のシリンダーが炭水車のように付いており、その両端部は2台の台車で支えられていた。この機関車は、ボイラーからではなく、蓄圧器から圧縮空気を供給する以外は、以前と同じように動作した。ロイス号とテッシン号の2台の機関車は、長いシリンダーの不便さにもかかわらず、約2年間、経済的に働いた。ある数の観測結果の平均値から、いくつかの興味深い数字を挙げることができる。出発時、蓄圧器の圧力は1平方センチメートルあたり約7キログラムだったが、機関車が12個の荷馬車を乗せた列車を約600メートル引いたところ、圧力は4.5キログラムに低下したことが判明した。

図2 セントゴッタルドトンネルの掘削で使用された圧縮空気機関車

比較的有利な結果が得られたにもかかわらず、蒸気機関車に圧縮空気を採用することにはいくつかの欠点があった。気体の膨張には熱の損失が伴うことが知られており、その損失は圧力に比例して大きくなるからだ。この条件を満たすには、空気を抑制して作用させること、つまり、蓄圧器から送られてくる圧縮空気をピストンの一部だけに流入させることである。しかし、蓄圧器内の圧力は連続的に減少するため、同じ最終的な効果を得ようとするならば、空気の入り方は変化しなければならない。しかし、流入する圧搾空気の圧力を調節する装置は、所定の圧力のみで作動し、連続的には変化しないように設定されていたため、必要以上に空気が消費され、その結果、機関車が走行距離が短くなってしまった。

というのも、この装置ではスライドバルブで最大の損失が発生し、その損失は圧力に比例して大きくなるからである。しかし、蓄圧器の圧力を下げる方法は思いつかなかった。この方法では、機械ができる仕事を大幅に減らしてしまうことになるが、ただでさえ異常に大きい蓄圧器の容積を大幅に増やすしかなかった。

この段階で、トンネルの技術者であるM.Ribourtは、蓄圧器の圧力にかかわらず、圧縮された圧搾空気を一定の圧力で流すことができる仕組みを考案した。蓄圧器から出た圧搾空気はシリンダーB（図1）に入り、その壁の一定範囲には開口部m mがあり、同じ範囲を取り囲んでいる別のシリンダーCと連絡している。片側にはピストンEがあり、シリンダーを閉じて空気の流出を防ぎます。このピストンは、外部にシャフトFを持ち、このシャフトFは、外部に螺旋状の発条Hを支えており、その力はスクリューによって調整されている。内部では、別のシャフトLによって第2のピストンNと接続されている。このピストンNには、主ポンプの内部で移動可能なシリンダーMが取り付けられており、一種の内部シースを形成している。このシースには開口部があり、これはすでに言及したものと正確に一致する場合があり、その場合には圧搾空気は蓄圧器から使用される点で問題なく通過する。しかし、圧力変動により、シースの位置が移動すると、開口部が一致しなくなり、通過に抵抗が生じ、結果的に流出する圧搾空気の量が減少し、外部シリンダーの圧力が低下する。シースの位置を連続的に変化させることで、入口の連続的な変化にもかかわらず、出口の圧力を一定にすることができる。しかし、この装置は自動である。実際、シリンダーBの底部とピストンNの間の部分は、開口部p（圧搾空気の逃がし管で覆われることはない）によって、その後面でピストンNが圧搾空気の流れる瞬間の圧力を受けるようになっており、この圧力を一定にしようとしているのである。ピストンEは、その前面で、任意に調整できる発条の作用を受けます。2つのピストンの他の面には、圧搾空気が入ってきたときの圧力からくる作用が等しく働いており、その作用によって互いに収縮している。したがって、可動装置の位置を決定する力は、一方では発条の張力であり、一定の決定された力であり、他方では流れる圧搾空気の圧力であり、したがって、この2つの力が等しくなければ平衡は生じない。気体の流量が多すぎると、ピストンNの後面で圧力が高まり、バネが打ち勝って、可動部が左に少し進むが、その後、オリフィスが一部覆われて流量が減る。その後、出口で圧力が弱くなりすぎると、今度はバネが勝って鞘を右に押し、開口部を開けて、より多くの空気が入るようになる。

現在、セント・ゴッタルド・トンネルで使用されている圧縮空気機関車は、M.リブールの装置を使用している。それらは以下の部品で構成されている。圧縮空気を入れるための鉄板製の貯水槽は、小型の機関車のような骨組みに取り付けられており、眼鏡、シリンダー、分配装置などを運んでいる。空気を受けるためのチューブには、運転手の手の届くところに、M.リブール社の自動弁が付いている。スクリューは簡単に調節できるので、決められた圧力で装置から空気を確実に出すことができます。この空気はその後、小さな蓄圧器（約3分の1メートルの立方体）に送られ、機械のセット時や停止時に常に発生する衝撃を和らげるために使用されている。最後に、この小さな蓄圧器はシリンダーと接続され、シリンダーに到達した空気は、通常の機関車の蒸気と同じように作用する。

出口の主要蓄圧器の圧力は、圧縮装置の力に依存し、セントゴッタルドでは1平方センチメートルあたり14キログラムに達することもあるが、通常は約7.35キログラムである。小さな蓄圧器の圧力は、スクリューの調節により任意で調整可能であり、セントクトゴッタルドでは平均4.20キログラムである。装置全体の重量は約7トンである。

-ネイチャー

脚注

1. La Natureからの翻訳