高度な蒸気技術

先進的な蒸気技術(現代の蒸気とも呼ばれる) は、近年よりも幅広い用途を意図した蒸気機関の技術開発へのアプローチを反映しています。小規模から中規模の商業用途で蒸気動力の衰退につながった固有の問題、つまり過度の汚染、保守費用、労働集約的な操作、低い出力/重量比、および低い全体熱効率に特に注意が払われてきました。現在では、蒸気動力は一般に内燃機関または電力網から引き出された電力に取って代わられています。広く使用されている唯一の蒸気設備は、大規模な発電に使用される高効率の火力発電所です。対照的に、提案されている蒸気エンジンは、定置式、道路、鉄道、または船舶用の可能性があります。

「現代の蒸気」に関する言及のほとんどは 1970 年代以降の開発に適用されますが、高度な蒸気技術の特定の側面、特に自動ボイラー制御と迅速な起動は 20 世紀を通じて認識できます。

1922年、アブナー・ドーブルは蒸気の温度と圧力に同時に反応し、ボイラー圧力に応じてバーナーを点火・遮断しながら給水ポンプを起動・停止する電気機械システムを開発した。^[1]逆流モノチューブボイラーの作動圧力は750～1,200  psi (5.17～8.27  MPa )であったが、循環する水はごく少量であったため爆発の危険はなかった。このタイプのボイラーは1930年代から1950年代にかけて米国、英国、ドイツで継続的に開発され、自動車、バス、トラック、貨車、入換機関車（米国ではスイッチャー）、高速艇、そして1933年には改造されたトラベルエア2000複葉機に使用された。^{[2] [3]}

英国では、センチネル・ワゴン・ワークスが275  psi (1.90  MPa ) で稼働する垂直水管ボイラーを開発し、道路車両、入換機関車、鉄道車両に使用されました。従来の機関車ボイラーよりもはるかに速く蒸気を発生させることができました。

1930年から1935年にかけて、イギリスのサザン鉄道でアンダーソン凝縮システムの試験が行われた。^[4] 凝縮装置は複雑さと重量が増すため、蒸気機関車では広く使用されていないが、4つの潜在的な利点がある。

• 熱効率の向上
• 水の消費量の削減
• 石灰スケール除去のためのボイラーメンテナンスの削減
• ノイズの低減

アンダーソン凝縮システムは、機械的蒸気再圧縮と呼ばれるプロセスを使用しています。これは、グラスゴーの海洋技術者、ハリー・パーシバル・ハーヴェイ・アンダーソンによって考案されました。^[5] 理論は、1ポンドの蒸気に含まれる970英国熱量単位のうち約600（ 1キログラムあたり2260キロジュールのうち1400 ）を除去することで、排気蒸気をポンプでボイラーに戻すことが可能になり、エンジンの出力のわずか1～2％しか消費しないというものでした。1925年から1927年にかけて、アンダーソンとグラスゴーのもう一人の技術者、ジョン・マッカラム（一部の情報源ではマッカラムとされています）は、定置式蒸気プラントの実験を行い、有望な結果を得ました。Steam Heat Conservation（SHC）という会社が設立され、アンダーソンのシステムのデモンストレーションがサービトン発電所で行われました。^{[4] [6]}

SHC は、このシステムを鉄道機関車に適用することに興味を持ち、サザン鉄道のリチャード・マウンセルに連絡を取った。マウンセルはサービトンで制御されたテストを実施するよう要請し、これは 1929 年頃に実施された。マウンセルの技術アシスタントであるハロルド・ホルクロフトが立ち会い、従来の大気圧での作業と比較して 29% の燃料節約が記録された。サザン鉄道は、 1930 年にSECR N クラス機関車 A816 番 (後に 1816 番および 31816 番) をアンダーソン システムに改造した。機関車は試験を受け、初期の結果は有望なものだった。イーストリーからリッチフィールド サミットまでの上り坂の試験の後、ホルクロフトは次のように語ったと伝えられている。

「通常であれば、これは大きな騒音と蒸気の雲を生み出すだろうが、凝縮装置が作動すると、炉で雪が溶けるのと同じくらい簡単に、すべてが吸収された。エンジンは電気機関車のように静かで、かすかな音はロッドがわずかに叩かれる音とピストン グランドへの小さな打撃によるものだけだった。これは実際に体験してみなければ信じられなかったが、レギュレーターが完全に開き、リバーサーが十分に回転していなかったため、2 番目のエンジン (バックアップとして提供されていたLSWR T14 クラス) が 1 番目のエンジンを動かしているように思われただろう。」 ^[7]

試験は1934年まで続けられたが、主に強制通風用のファンに関するさまざまな問題が発生し、プロジェクトはそれ以上進められなかった。^[4]機関車は1935年に標準形式に戻された。^[8]

フランスの機械技術者アンドレ・シャプロンによる科学的分析の応用と熱効率の追求は、先進的な蒸気技術の初期の例であった。^{[9] [10]}シャペロン氏の弟子リヴィオ・ダンテ・ポルタがシャペロン氏の研究を引き継いだ。^[9]

戦後の1940年代後半から1950年代にかけて、何人かの設計者が蒸気機関車の近代化に取り組みました。先進的な蒸気技術を取り入れたスティーブンソン鉄道機関車の開発に携わったアルゼンチンの技術者リヴィオ・ダンテ・ポルタは、1948年の「モダン・スチーム」運動の先駆者でした。^{[11] : 3–6}ポルタは可能な限り新しい機関車を設計することを好んだが、実際には新しい技術を取り入れるために古い機関車を大幅に改良せざるを得ないことが多かった。

英国では、オリバー・ブレイドによる1949年頃のSRリーダー級蒸気機関車と、ロバート・リドルズによる1950年代の英国鉄道「スタンダード」級蒸気機関車、特にBRスタンダード級9Fが、フランコ・クロスティ・ボイラーを含む新しい蒸気機関車の設計特徴の試験に使用されました。アイルランドに移ったブレイドは、多くの斬新な特徴を持つCIÉ No. CC1も設計しました。

DLM社^[12]のロジャー・ウォーラー氏が2003年に機械技術者協会^[13]で行ったサー・ビスコー・トリットン講演では、蒸気動力の問題がどのように対処されているかが示されています。ウォーラー氏は主に、1992年から1998年にかけて新造されたラック・アンド・ピニオン^{[アップデート]}式の山岳鉄道機関車について言及しています。これらの機関車はスイスおよびオーストリアの3社向けに開発され、2008年現在も2つの路線で稼働しています。新しい蒸気機関車はディーゼル機関車と同じグレードの軽油を燃焼し、いずれも入手しやすさや人件費の削減といった同じ利点を備えています。同時に、大気汚染や土壌汚染を大幅に削減できることも実証されています。経済的な優位性から、これまで路線を運行していたディーゼル機関車や貨車に大きく取って代わっており、さらに蒸気機関車は観光名所となっています。

並行して進められた発展の流れは、1960年代にディーゼル電気エンジンに改装された古いレマン湖の外輪船モントルーの蒸気動力への回帰であった。 ^[14]ラック式機関車で達成されたものと同様の経済的な目標が、軽油ボイラーの自動制御とブリッジからのエンジンの遠隔制御によって追求され、蒸気船はモーター船と同じ規模の乗組員によって操縦されるようになった。

化石燃料を燃焼させる高度な蒸気技術に基づく発電ユニットは、_必然的に長期的な温室効果ガスである二酸化炭素を排出します。しかし、蒸気は爆発的な燃焼を伴わないため、他の燃焼技術と比較してCOやNOxなどの他の汚染物質を大幅に削減することができ、^[15]フィルターなどの追加機能や特別な燃料準備の必要がなくなります。

木材やその他のバイオ燃料などの再生可能な燃料を使用すれば、システムはカーボン ニュートラルになる可能性があります。バイオ燃料の使用は依然として議論の的となっていますが、液体バイオ燃料はディーゼル インジェクターを保護するために必要な厳格な燃料基準を必要としないため、ディーゼル用よりも蒸気プラント用の方が製造が容易です。

原則として、蒸気プラントの燃焼と動力供給は別々の段階と考えることができます。燃焼と動力供給の間に作動流体を生成する余分な段階（主に漏れと熱損失に起因する）があるため、全体的に高い熱効率を達成するのは難しいかもしれませんが、^{[11] ：54〜61}プロセスを分離することで、システム全体を毎回見直すことなく、各段階で特定の問題に対処することができます。たとえば、ボイラーや蒸気発生器は、固体、液体、気体燃料から得られる熱源を使用するように適合させることができ、廃熱を使用することもできます。どのような選択をしても、蒸気のみを扱えばよいため、エンジンユニットの設計に直接影響はありません。

このプロジェクトには、主に木材や竹のチップを燃やして、個人宅や小さな村落に発電と暖房を組み合わせたシステムが含まれています。これは、2ストロークドンキーエンジンと小型ディーゼル発電所の置き換えを目的としています。蒸気で動く小型発電所の直接的な利点の1つは、騒音レベルの大幅な低下です。オーストラリアのメルボルンのテッド・プリチャードは、2002年から2007年に亡くなるまで、このタイプのユニットを集中的に開発していました。プリチャードパワー社（現ユニフローパワー社）^[16]は、2010年に、据置型S5000の開発を継続しており、プロトタイプが構築されてテストされており、市場投入可能な製品に向けて設計が改良されていると述べました。^[17]

2006年まで、 Enginionというドイツの会社が、家庭用のPCタワーほどの大きさのマイクロCHPユニットであるSteamcellを積極的に開発していました。2008年までにベルリンの会社AMOVISと合併したようです。^{[18] [19]}

2012年以来、フランスの企業EXOESは、工業企業に特許取得済みのランキンサイクルエンジンを販売しています。このエンジンは、集光型太陽熱発電、バイオマス、化石燃料など、多くの燃料で動作するように設計されている。「SHAPE」（持続可能な熱と電力エンジン）と呼ばれるこのシステムは、熱を電気に変換します。SHAPEエンジンは、埋め込み型および固定型のアプリケーションに適しています。SHAPEエンジンは、バイオマスボイラーと集光型太陽熱発電システムに統合されています。同社は、自動車メーカー、長距離トラックメーカー、鉄道会社との協力を計画しています。^[20]

同様のユニットは、Spillingの子会社であるPowertherm ^[21]によって販売されています（下記参照）。

インドのある会社^[22]は、4馬力から50馬力までのさまざまなサイズの蒸気動力発電機を製造しています。また、同社のエンジンで駆動できるさまざまな製粉所も提供しています。

技術面では、クアジタービンは、蒸気が熱い場所で吸入され、冷たい場所で排出されるユニフローロータリー蒸気エンジンであることに注意してください。

スピリング社は、バイオマス燃焼や廃熱・圧力回収による電力に適した様々な小型固定式プラントを生産しています。^{[23] [24]}

フィンランドの会社 Steammotor Finland は、800 kW の蒸気発生器で稼働する小型ロータリー蒸気エンジンを開発した。このエンジンは、木材チップ燃焼発電所で電力を生産する計画である。同社によると、Quadrumと名付けられた蒸気エンジンは、8 bar の圧力で 180 °C の蒸気で稼働し、27% の効率を生み出す。一方、対応する蒸気タービンは、240 °C の蒸気温度と 40 bar の圧力を必要とし、効率はわずか 15% である。この高い効率は、スムーズで脈動のないトルクを生み出す特許取得済みのクランク機構によるものである。同社は、構造をさらに開発することで、30～35% という高い効率を達成できる可能性があると考えている。^[25]

1970 年代前半の石油危機の間、大手自動車企業によって蒸気技術に関する数多くの調査が開始されましたが、危機が沈静化すると、その推進力はすぐに失われました。

オーストラリアのエンジニア、テッド・プリチャード^[26]が1950年代後半から1970年代にかけて主に研究したのは、小型トラックと2台の車に適応したユニフローシステムで動作するいくつかの効率的な蒸気動力ユニットの構築だった。そのうちの1台の車は、当時最も低い排出量を達成していた。

ベルリンに拠点を置き、後にスチームセルを開発した研究開発会社IAVは、1990年代に単気筒ZEE（ゼロエミッションエンジン）に取り組んでおり、続いてシュコダ・ファビアの小型ファミリーサルーンのエンジンルームに収まるように設計されたコンパクトな3気筒EZEE（ゼロエミッションエンジン） ^[27]を開発しました。これらのエンジンはすべて、蒸気発生器と、蒸気がシリンダーに注入される戦略的なブーストポイントの両方で、 無炎セラミックヒートセルを多用していました。

• No. 52 8055、^[28]既存の機関車の再建 (1943 年: 52 1649 (DRB) として製造、1962 年: 52 8055 (DR) として再建、1992 年: 52 8055 (EFZ - アイゼンバーンフロインデ ツォレルンバーン eV)、2003 年: 再建そして52として近代化されました8055 NG (DLM - Dampflokomotiv- und Maschinenfabrik)。
• 5ATプロジェクト^[29]は、まったく新しい機関車の提案（イギリス、2000年代）。
• ACE 3000プロジェクト^{[30]は、1970年代の石油危機の際に機関車愛好家}ロス・ローランド によって提案された。この機関車はディーゼル機関車に似ており、当時石油よりはるかに安価だった石炭を使用することで、現在のディーゼル機関車に対抗できるように設計された。ACE 3000には、自動点火や水位制御など、多くの新技術が採用される予定だった。機関車はディーゼル機関車に接続して同期して走行できるため、同一の機関車を2台接続する必要がなかった。ACE 3000は、現代の蒸気機関車として最も注目を集めた試みの1つであったが、最終的には資金不足でプロジェクトは失敗した。
• CSRプロジェクト130 ^[31]は、時速100マイル以上の高速旅客輸送が​​可能な最新の蒸気機関車（既存のATSF 3460クラスの機関車をベースにしたもの）の開発を目的としており、時速130マイルまでのテストが行​​われている（そのためプロジェクト130という名前が付けられている）。この蒸気機関車は、固体燃料として焙焼バイオマスで稼働するため、カーボンニュートラルとなることが提案されている（液体燃料を必要とする他のすべての現代の設計とは異なり）。この開発は、ミネソタ大学環境研究所（IonE）と、この目的のために設立された鉄道専門家と蒸気エンジニアを雇用する非営利団体であるSustainable Rail Internationalとの共同作業である。

1930 年代の Sentinel設計に似た、コンパクトな水管ボイラーを備えた動力台車に搭載された設計。例: Sentinel-Cammell 機関車 (右)。

52  8055 と提案された 5AT はどちらも従来のレイアウトで、キャブが後ろにありますが、ACE  3000 ではキャブが前にあります。特に液体燃料の点火では、他のアプローチも可能です。例:

キャブフォワード型

これは十分に試行された設計で、大きな出力が可能で、運転士に良好な視界を提供します。シングルエンドなので、ターンテーブルまたは三角形のジャンクションで回転する必要があります。例: Southern Pacific 4294。

ガレット型

大きなパワーの潜在能力を持つ、もう 1 つの実績のある設計。例:南オーストラリア鉄道 400 クラス。将来の設計では、水タンクを短くし、両端に運転室を設けて、運転手がどちらの方向でも良い視界を確保できるようにすることが考えられます。

動力台車付き

先進的な蒸気技術のもう一つの提案は、事前に独立して生成された貯蔵蒸気で動く無火機関車を復活させることです。一例として、カリフォルニア州サクラメントのソーラー蒸気機関車プロジェクト^[32]があります。

• ガスと蒸気の複合サイクル。ガスタービンからの無駄な熱を利用して蒸気を生成し、蒸気タービンを駆動する複合サイクル。
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