月刊ポピュラーサイエンス/第18巻/1880年12月号/家庭用原動機I

家庭用原動機I

CHARLES M. LUNGREN 著

I.-風力と水力

比較的小さな動力の原動機が有利に使用できる場面は、すでに非常に多くなっており、必需品とさえいえる状況になっている。作業場、商家、農家だけでなく、家庭でも広い範囲で利用されている。ミシンによって生まれた家庭でのこのような機械の必要性は、他のさまざまな器具が使用されたり、使用されるようになったりして、さらに強化され、増大した。郊外や田舎の住宅、農家では、主に水を汲み上げる必要があり、これだけでも軽くて経済的な電力がほとんど不可欠となる。また、その他の機械操作の大部分についても、この動力は最も重要なものである。小工業の分野では、このような原動機の用途は、労働者のさまざまな職業と同じように数多くある。多数のアマチュアの必要性は、このような動力の活動範囲をさらに拡大する。これらの異なるクラスのユーザーの多様な需要に適した機械の種類は、必然的にそれぞれ異なっている。ほとんどの商売では、2馬力から5馬力以上の動力が要求され、農家では、実用的な機械は、一般にこれより少ないことはない。さらに、より複雑な機械は、家庭よりも作業場でうまく使うことができる。後者では一般に、機械の使用に熟練しているとはいえ、ほとんどいない付き人の世話になることになるからだ。しかし、ある種の一般的な条件は、すべてに共通するものである。機械が必要とされる仕事は、一般に断続的な性格のものであり、そのためには、いつでも仕事の準備ができる、あるいは急な呼び出しにもほとんど問題なく準備ができ、使用しないときには費用がかからないか、あってもごくわずかな費用で済む機械が必要とされるのである。さらに、完全に安全で、経済的に使用でき、最初のコストが低く、手入れをほとんど必要とせず、未熟練労働者でもできるようなものであることが必要である。

このようなさまざまな要求に応える機械を作ろうとする試みは数多くあり、それらは多かれ少なかれ成功を収めてきた。理想的な原動機が作られたとは言えないが、それでも現在では、家庭の主婦を含む軽動力使用者の需要によく合った、実に優れた、またいくつかの優れた機械が作られ、市場に出ている。大規模な製造業では、水車と蒸気機関という2つの機械しか使用できないが、これらの小動力の目的には、はるかに大きな幅がある。風と水、蒸気、熱風、ガス、電気、すべてが適しており、多かれ少なかれ利用可能である。この論文では、現在市販されている有望で成功した機械のいくつかを簡単に説明し、その大きさ、製造コスト、価格など、このような動力を必要とする家庭の人々にとって有益となるような情報を提供することだけを提案するものである。

風車は、人間が自然の力を利用しようとした最も古い装置の一つであるが、比較的最近まで、非常に粗雑で厄介な機械であった。初期には風車が固定されていたので、風が正しい方向に吹いているときだけ回転することができた。後に可動式になったときも、風が傾くたびに手でずらさなければならなかった。その主なものは、舵輪を風車の真後ろに、その面と直角の垂直面に設置したことと、帆布を風の強弱に応じて巻き上げたり広げたりするための遠心力制御装置を加えたことであった。この羽根にかかる風の圧力で自動的に風車が風に向かって動き、調速機の働きで帆の表面が大きくなったり小さくなったりして、風圧が変わっても一定の速度が保たれるようになっている。このような大きな改良がなされたにもかかわらず、風車は、アメリカの技術と創意工夫によって現在の非常に有用な機械に開発されるまで、不器用なままであった。現在の風車は軽くて丈夫で、風の向きや圧力が変わっても完全に自動で反応する。帆布の帆に代わって、軽い木製のスラットが短い間隔で風車の周りに放射状に配置され、機構全体が単純化され、構造とデザインの両方で大幅に改善された。塔は木または鉄の透かし彫りで、簡単に建てられ、必要なときに取り外せる。

風を受ける風車の表面積を調節する方法として、現在では2つの方法が用いられており、一つはヨーロッパの製粉所のように遠心力によって働き、もう一つはサイドベーンに対する風の直接圧力によって働くものである。遠心式粉砕機では、風車は金属製のハブにしっかりと固定された複数の放射状アームからなり、その間の部分は、スラットの端だけが風にさらされる位置にスイングできるように枢動しています。このアームは、カウンターウェイトによって風車の平面内に保持され、ボールガバナの作用でこの位置から押し出される。この調速機は風車の様々な位置に設置され、可動部に直接または連結棒を介して作用することができる。ある形式の風車では、ボールが枠の上に置かれ、風車が静止しているときはその表面に垂れ下がり、回転するにつれて飛び出して、そうすることでセクターを回転させるようになっている。このようにして、風速が変化するたびに、風車の表面が風にさらされる角度が変化し、その結果、風車の運動はほぼ均一に保たれ、蒸気機関の運動に似ている。風が時速何マイル以上になると、調速機の働きでスラットの端だけが風にさらされる状態に保たれる。風車が完全に閉じる速度は、塔の基部から適切な連結棒によってアーム上を移動可能なカウンターウェイトによって調節することができる。

この方法は、実際には非常によく機能することが分かっているが、いくつかの重大な欠点がある。この構造では、必然的に摩耗の激しい関節部分が多くなり、また可動部分が多いため、狂いが生じる可能性が非常に高くなる。強風のときにいずれかの部品が故障すると、風車の安全が脅かされ、おそらくは破壊の原因となる。2番目の形式であるベーン調速機を使用する粉砕機は、構造がはるかに単純で、部品が少なく、その結果耐久性に優れている。したがって、かなり古い形式のものに取って代わろうとしている。この風車は、可動部がない固体で、風の方向に対する角度が風の圧力によって変化するように、垂直軸を中心に回転させる。これを実現するための装置は、工場によって多少異なるが、その方法は基本的にすべて同じである。ある工場では、風車の後方に置かれた小さな羽根が、大きな舵取り羽根の枠に蝶番で固定されており、風車が静止しているときは垂直に下向きに垂れ下がっている。この羽根は風車とロッドで連結されており、これに一定以上の圧力がかかると、水平になるように持ち上げられる。風の圧力が十分に大きくなると、小さな羽根は水平な位置まで上がり、風車は舵と平行に揺れ動く。風車と舵を含めた装置全体が単なる風見鶏となり、風にはできるだけさらされず、風が非常に強いときに怪我をしないよう最適な位置にある。

この風車は、小羽根の腕の上にあるスライド式の錘によって、任意の風圧で閉じるように調整することができる。また，地上に張った鎖で風を受け，手で回転させることもできる。もう一つの優れた設計のベーン調速式粉砕機の作動部分を図1に示す。風車の一部をL Lに，舵輪をMに，小型の舵輪をNに示すが，この舵輪は車輪の面に対して平行に，その後方に少し離れて，その縁を越えて伸びている。車輪は鉄のフレーム1によって支持され、チューブ17と追加の軸受け18の中で回転する。車輪の軸は軸受2を通り、図示のようにクランク10によってポンプ・ロッドに運動を与える。フレーム1の片側には錘付きレバーが取り付けられており、このレバーは歯付きセグメントで終端しています。これは舵輪のフレームにある湾曲したラックと歯合しており、レバーを上に動かすと舵輪と車輪が互いに接近するようになっている。プーリー20の上を通るチェーン35は、ロッド25の下端にあるレバーを介して、必要なときに手でこれを行うことができる。この運動は、小羽根にかかる風圧が十分なときに起こる運動で、車輪は風圧に比例して舵輪の方へ丸く振られる。この圧力が大きいときは、他の羽根車と同様に、車輪は舵と平行に揺れ、その端だけを風に当てる。錘13はレバー26の上で可動であり、従って風車は見事に調整可能である。

風車は、風を確実に予測できる西部地域で大いに利用されている。東部でも、田舎でも都市でも、かなりの程度使われている。風車のメーカーは、ほとんどの地方で24時間のうち7時間は最大出力で働き、残りの時間の大部分は最大出力の一部を発揮すると主張している。安定した継続的な動力が必要な場合、決まった時間に、あるいはたまたま必要なときに、風車は適さない。しかし、水を汲み上げるなど、そのような条件が成立しないすべての用途には、見事に適応する。この目的のために、鉄道、農場、田舎の席、そして水圧不足で建物の上階まで水を運べない都市でもある程度使用されており、ニューヨーク市だけでも500台がこの目的で使用されています。農家では、水を汲み上げる以外にも、さまざまな用途に使用されるようだ。薪を割ったり、飼料を切ったり、攪拌したりといった作業は、経験上、風力発電に最も依存できる時期に行えば、容易に行うことができるだろう。2～5馬力のよくできた自動製粉機があれば、こうした作業はおそらく他のどの方法よりも少ない労力で行えるだろう。最初の費用の後は、修理と潤滑油の費用だけで、どちらも大したことはない。どのような車輪でも、その動力はもちろん風速に左右される。通常、風速20マイルで評価され、これに基づき作られるものの動力は、8分の1から40馬力に及び、小さいものは直径8.5フィートで、後者は60フィートである。優れた風車の最初のコストは、ボイラー付きの同出力の蒸気機関より25～50％高くなる。

風車は揚水やそれに関連する目的には特に適しているが、小さな動力が必要な用途にはまったく適していない。一方、水力はそのような用途に非常に適している。水車は単純で扱いやすく、既知のモータの中で最も効率的である。特に家庭での使用に適しており、適切な圧力で十分な水を調達できる場合には、店舗用の最も安価で最も便利な原動機となる。製造業で使われるような大きな動力の水車は、特定の地域でしか使えないが、比較的小さな動力の水車は、都市や町の建物に圧力下の水がごく普通に導入されているため、非常に多くの場所で使用することが可能である。しかし、ほとんどの水道が供給できる量は、常に需要を大きく上回っているわけではないので、家屋配管に使用する車輪は、まず第一に水の経済的でなければならない。また、水が凍結して破損することのないような構造でなければならないし、最初のコストも低くなければならない。これらの条件を満たすように設計されたいくつかの異なる水車が現在製造されており、多かれ少なかれ広く導入されている。その中で最も優れていて、市場でかなりの支持を得ているのが、O・J・バッカス氏の発明した図2に示すものである。これはO.J.バッカス氏の発明で、構造が極めて単純であり、使用上非常に満足のいくものであった。この車輪は、軽くて丈夫なもので、その縁にバケツや羽根を載せてあり、そこに水の噴射が衝突するようになっている。車輪は鉄の筐体に収められ、その中で自由に回転し、摩擦があるのは軸の軸受けのみである。水の使用方法がこの原動機の特徴であり、消費量を最小限に抑えることができるため、サービスパイプでの使用に適している。製造に使われる車輪は、タービン型であれ他の型であれ、かなりの量の水の連続的な圧力によって運動がもたらされる。この場合、運動は高速の小噴流の連続的な衝突によるもので、噴流の打撃力が利用されるため、比較的少ない水で大きな仕事を行うことができる。ミシンを動かすことのできる小型の原動機では、ウォータージェットの直径は16分の1インチであるが、大型の機械では半インチを超えることはない。車輪の安定した均一な運動は、バケットを非常に近くに配置することによって達成され、インパルスが互いに素早く連続するようになる。水は筐体の片側から入り、底部から出るが、ケーシングの4分の1を横切るだけである。水の流れを妨げるものは何もないので、車輪の中に残って寒さで凍ることはない。原動機の大きさは、車輪の直径が7インチから45インチまで、馬力は8分の1から8馬力までとさまざまである。もちろん、得られる動力は水の圧力に依存するが、1平方インチあたり15ポンド以上の圧力で作動するように設計されている。水道のあるところでは、たいてい20から40ポンドの圧力があり、もっと高いところもあるので、この圧力は簡単に得ることができる。この原動機をミシンに応用する方法を図3に示す。水の供給は、踏み板で操作するバルブによって完全に制御され、運転者は通常の足踏み動力と同様に容易に素早くミシンを停止、始動することができる。このように機械の速度を調節する方法は、常に必要な量の力しか使用しないので、水を最大限に節約できるという大きな利点がある。

同様に、あらゆる種類の軽機械、巻物用のこぎり、歯科用エンジン、宝石用旋盤、コーヒーミルなどの駆動に使用することができる。この機械が特に適している用途の1つに、オルガンの吹奏がある。非常に簡単な機構で、演奏者が完全に制御できるため、ふいごを常に満タンにしておくことができる。もっと重い用途としては、印刷機の運転、ビジネス・ハウスの商品エレベーターの昇降などに応用されている。これらの用途には、いつでも使用でき、運転中以外は費用がかからず、手入れが不要で、危険もないため、あらゆる面で適している。原動機が極めて単純であるため、メーカーはこれを非常に低い初期費用で市場に出すことができ、7インチの場合は15ドル、45インチの二重車輪の場合は275ドルとさまざまである。

これらの原動機の運転費用は、使用する地域によって異なる。ニューヨークやフィラデルフィアでは、水量不足のためにまったく使用できないが、この国の他のほとんどの場所では、わずかな料金で使用することができる。水盤の平均的な使用料は、1馬力あたり年間50ドルから75ドルであり、ミシンの場合は3ドルから6ドルの間である。風車の場合は、同じ時間で12ドルから20ドルの間である。原動機が業務用に使われる場合は、その所有者は通常、実際に使用される時間に応じて特別料金を得ることができる。この馬力あたりの価格は、大型の蒸気機関よりも高くはなく、他のどのような小型原動機の価格よりも非常に安価である。しかし、この価格は、原動機が現在よりはるかに多く使用された場合、維持できないような水道事業の状態に基づいている。しかし、この原動機が最も経済的な小動力であることに変わりはないのである。

タリー氏によって発明されたこの水車は、水車としても揚水機としても使用できる、やや特殊な構造をしている。水は薄いシート状になって水車に当たるようにかけられ、シートはうねった波状で、水車にエッジワイズに衝突する。水車の円周には、半径方向の線と30度の角度をなすようにバケットが設置されている。バケットの側面は、水車が前者の方法で使用されるときに、水が自由に逃げられるように、スカラップ加工が施されている。水車は筐体に対して偏心しており、入口側で筐体に密着している。この部分の筐体には、いくつもの湾曲した溝があり、バケットの反対側の面では、そこから水が水車にかかるような曲がりくねったスリットで終端している。吸入管は筐体の上部でこの波線シュートに入り、水は各所で終端するダクトによって全体に分配される。上部のバルブにより、水はこれらのダクトの1つまたは複数に適宜送られる。筐体の波線スリットは上部で広く、下部に向かって徐々に狭くなっているので、上部では水車にかかる水の重量が大きくなり、下部では水がより速い速度で噴出する。このため、従来の原動機のように衝撃を与えて動かすのではなく、水流が水車に連続的に圧力をかけている。揚水機として使用する場合は、底面にある出口から水を排出し、水車として使用する場合は、筐体の側面にある出口から水を排出する。この水車は水の節約にもなり、運転も楽だという。

ミシンのような軽い機械には、時折いろいろなぜんまい式動力が考案されるが、いずれも実用化されていないようである。時計に必要なようなわずかな動力でない限り、原動機と呼ぶにはふさわしくなく、全く無価値なものである。巻き上げに費やされる力のわずかな量しか出せないし、この作業は手作業で行わなければならないので、非常に不経済である。錘はもっと良い装置で、錘が落ちたときにそれを持ち上げるのに使われた動力の大きな割合を利用可能である。しかし、このような仕組みは、単純な計算でわかるように、完全に非現実的なものである。ミシンを動かすには、1分間に約400フットポンド必要なので、1時間に1回動かすには、1トンの5分の1の重さを60フィート（約15メートル）落下させなければならないことになる。重力を動力として利用する唯一の実用的な方法は、水車である。水車では、重量を継続的に落とすことができ、再び上げるためのコストは最低限である。