煙突

煙突は、ボイラー、ストーブ、炉、焼却炉、暖炉などから発生する高温で有毒な排気ガスや煙を居住空間から隔離するために、石材、粘土、金属などで作られた建築的な換気構造物です。煙突は通常、垂直、またはできるだけ垂直に近い形で設置され、ガスがスムーズに流れ、煙突効果と呼ばれる現象によって燃焼室に空気が引き込まれるようになっています。煙突内部の空間は煙道と呼ばれます。煙突は、大規模な工業用精製所、化石燃料燃焼施設、あるいは建物、蒸気機関車、船舶などに隣接して設置されています。

米国では、 「煙突産業」という用語は、産業社会による化石燃料の燃焼による環境への影響を指し、その初期の歴史における電力産業も含まれます。煙突（口語では「スタック」）という用語は、機関車の煙突や船舶の煙突を指す場合にも使用され、「漏斗」という用語も使用できます。^{[ 1 ] [ 2 ]}

煙突の高さは、煙突効果によって排ガスを外部環境に放出する能力に影響を与えます。さらに、汚染物質が高高度に拡散することで、周辺環境への影響を軽減できます。汚染物質がより広い範囲に拡散することで、濃度が低下し、規制基準の遵守が容易になります。

工業用煙突の使用はローマ時代に遡り、ローマ人は壁に埋め込んだ管でパン屋から煙を排出していました。しかし、家庭用煙突が初めて北ヨーロッパの大きな住居に現れたのは12世紀のことです。現存するイギリスの煙突の最古の例は、ヨークシャーのコニスバラ城の天守閣にあり、西暦1185年に建てられたものですが^{[ 3 ]} 、 16世紀から17世紀になるまで家庭で一般的ではありませんでした^{[ 4 ]} 。煙突に煙を集める初期の方法として、煙突フードがありました。これらは通常、現代の煙突よりもはるかに幅が広く、火の比較的高い位置から始まっていたため、より多くの熱が室内に逃げることができました。煙突を上昇する空気は冷たいため、耐火性の低い材料で作ることができました。煙突の発展におけるもう1つのステップは、家庭でパンを焼くことができるビルトインオーブンの使用でした。工業用煙突は18世紀後半に一般的になりました。

一般住宅の煙突は、当初は木材と漆喰または泥で造られていました。その後、大小を問わず、煙突は伝統的にレンガまたは石で造られるようになりました。初期の煙突はシンプルなレンガ造りでしたが、後の煙突はタイルライナーの周りにレンガを積み上げて造られるようになりました。下降気流を制御するために、様々なデザインの通気キャップ（煙突ポットと呼ばれることが多い）が煙突の頂上に取り付けられることがあります。

18世紀と19世紀には、鉛鉱石から鉛を抽出する方法によって大量の有毒ガスが発生しました。イングランド北部では、長さが3km  （2 マイル）を超える、ほぼ水平な長い煙突が建設され、通常は煙による害が少ない遠隔地の短い垂直の煙突で終端していました。鉛と銀の鉱床がこれらの長い煙突の内側に形成され、定期的に作業員が煙突に沿って派遣され、これらの貴重な鉱床を削り取っていました。^{[ 5 ]}

レンガでは横方向の荷重に耐える能力が限られていたため、住宅の煙突はしばしば「スタック」と呼ばれる構造で建設され、各階の暖炉が1本の煙突を共有する形が一般的でした。このようなスタックは、家の正面と背面に設けられることが多かったのです。今日ではセントラルヒーティングシステムが普及したことで、煙突の設置場所はそれほど重要ではなくなり、非構造的な排気管を使用することで、障害物の周囲や壁を貫通して排気管を設置できるようになりました。

最新の高効率暖房機器のほとんどは煙突を必要としません。こうした機器は通常、外壁の近くに設置され、不燃性の壁貫通部材を使用することで、排気管を外壁に直接通すことができます。

煙突が屋根を貫通する傾斜屋根では、継ぎ目を密閉するためにフラッシングが使用されます。下り勾配の部分はエプロンと呼ばれ、側面にはステップフラッシングが取り付けられ、フラッシングの下の煙突の上部を迂回して水を流すためにクリケットが使用されます。^{[ 6 ]}

工業用煙突は一般的に排煙筒と呼ばれ、建物の壁に組み込まれる煙突とは異なり、通常は外部構造物です。これらは通常、蒸気発生ボイラーや工業炉の隣接場所に設置され、排気ガスはダクトを通してこれらの炉に送られます。今日では、工業用煙突の構造部材として、鉄筋コンクリートがレンガにほぼ完全に取って代わりました。耐火レンガは、特に燃焼される燃料の種類によって酸性の排ガスが発生する場合に、内張りとしてよく使用されます。現代の工業用煙突は、内部に複数の煙道を備えたコンクリート製の風防で構成されている場合もあります。

南アフリカ共和国セクンダにあるセクンダCTLの合成燃料プラントの、高さ300メートル（980フィート）の蒸気発電所煙突は、直径26メートル（85フィート）の風防と、直径4.6メートルのコンクリート製煙道4本から構成されています。煙道の内側は、10メートル間隔で配置された持ち送り構造のリング上に耐火レンガで覆われています。鉄筋コンクリートは、従来型の型枠またはスライド式型枠で打設できます。この高さは、汚染物質がより広い範囲に拡散し、法的要件やその他の安全要件を満たすようにするためです。    

煙突ライナーは、煙突内の二次的な遮蔽物であり、燃焼によって生じる酸性生成物からレンガ造りの壁を保護し、排気ガスが家の中に侵入するのを防ぎ、大きすぎる煙突のサイズを小さくする役割を果たします。1950年代以降、多くの地域で建築基準法により、新築の煙突には煙突ライナーの設置が義務付けられています。ライナーなしで建てられた煙突にも通常はライナーを追加できますが、ライナーの種類は、それが使用する機器の種類に合致している必要があります。煙突ライナーには、粘土タイル、コンクリートタイル、金属、または現場打ちコンクリートなどがあります。

粘土製の煙道ライナーは米国では非常に一般的ですが、Underwriters Laboratories 1777 の承認を満たしていない唯一のライナーであり、ひび割れたタイルや不適切な設置などの問題が頻繁に発生します。^{[ 7 ]}粘土製のタイルは通常長さ約2 フィート (0.61 m)で、さまざまなサイズと形状があり、煙突の建設時に新築工事で設置されます。各タイルの間には耐火セメントが使用されます。 

金属ライナーは、ステンレス鋼、アルミニウム、または亜鉛メッキ鉄でできており、フレキシブルパイプまたはリジッドパイプの場合があります。ステンレス鋼は、いくつかの種類と厚さで作られています。タイプ 304 は薪、木質ペレット燃料、および非凝縮石油器具に使用され、タイプ 316 および 321 は石炭に使用され、タイプ AL 29-4C は高効率凝縮ガス器具に使用されます。ステンレス鋼ライナーは、固体燃料器具にサービスを提供する場合は、キャップと断熱が必要ですが、製造元の指示に注意深く従う必要があります。^{[ 7 ]}アルミニウムと亜鉛メッキ鋼の煙突は、クラス A およびクラス B 煙突として知られています。クラス A は、断熱された二重壁ステンレス鋼パイプまたは三重壁空気断熱パイプのいずれかであり、一般化された商標名 Metalbestos としてよく知られています。クラス B は、B ベントと呼ばれることが多い断熱されていない二重壁パイプであり、非凝縮ガス器具の排気にのみ使用されます。これらは、アルミニウムの内層と亜鉛メッキ鋼の外層を持つ場合があります。

コンクリート製の煙道ライナーは粘土製のライナーに似ていますが、耐火セメントで作られており、粘土製のライナーよりも耐久性に優れています。

現場打ちコンクリートライナーは、既存の煙突に型枠を用いて特殊なコンクリートを流し込んで作られます。これらのライナーは非常に耐久性が高く、あらゆる暖房器具に対応し、弱い煙突を補強することができますが、元に戻すことはできません。

煙突の頂部に設置される煙突笠は、煙突の長さを安価に延長し、煙突のドラフト（通風）を改善するために使用されます。煙突笠が複数設置されている場合は、異なる階にある複数の暖炉が同じ煙突を共有していることを示しています。

煙突の上部には、鳥やその他の動物が煙突に巣を作るのを防ぐために煙突カバーが設置されます。多くの場合、雨や雪が煙突内に入り込むのを防ぐために雨よけが備え付けられています。金属製のワイヤーメッシュは、燃焼残骸が煙突から飛び出して屋根に落ちるのを最小限に抑えるための火花防止器としてよく使用されます。煙突内部の石積みは大量の水分を吸収し、それが後に蒸発しますが、雨水は煙突の底に溜まることがあります。溜まった水を排出するために、煙突の底に排水口が設けられることもあります。

煙突フードまたは風向調整キャップとは、ヘルメット型の煙突キャップで、風向きに合わせて回転し、煙や風が煙突内を下降するのを防ぐものです。

H型キャップは、H字型の煙突パイプで構成された煙突の頂部です。これは、卓越風や乱流によって下降気流や逆流が発生する状況で、ドラフトを調整するための古くからある方法です。H型キャップは他のほとんどの下降気流キャップに比べて明確な利点がありますが、かさばる設計のため、あまり使われなくなりました。主に船舶で使用されていますが、省エネ機能により人気が再燃しています。H型キャップはドラフトを増加させるのではなく、安定させます。他の下降気流キャップはベンチュリ効果に基づいており、上昇気流を継続的に増加させることで下降気流の問題を解決しますが、その結果、燃料消費量が大幅に増加します。

煙突ダンパーは、使用していないときに煙突を塞いで外気が室内に入り込むのを防ぐように配置できる金属板で、火が燃えているときは開けて熱いガスを排出することができます。トップダンパーまたはキャップダンパーは、煙突の上部に設置された金属製のバネ式ドアで、長い金属チェーンで暖炉からダンパーを開閉できます。スロートダンパーは、暖炉の底部、燃焼室のすぐ上にある金属板で、レバー、ギア、またはチェーンで開閉して暖炉と煙突を密閉できます。トップダンパーの利点は、閉じたときに気密性の高い耐候性シールを提供することで、冷たい外気が煙突を通って居住空間に流れ込むのを防ぐことです。これは、スロートダンパーによる金属同士の密閉ではなかなか実現できない特徴です。さらに、スロートダンパーは真下の火からの強い熱にさらされるため、金属が時間とともに歪み、スロートダンパーの密閉性がさらに低下することがよくあります。しかし、スロートダンパーの利点は、居住空間を煙突内の空気塊から遮断することです。特に家の外壁に設置された煙突の場合、この空気塊は一般的に非常に冷たくなります。実際には、トップダンパーとスロートダンパーの両方を使用して、両方の利点を得ることが可能です。現在市販されているトップダンパーの設計は、Lyemance（回転ドア）とLock Top（スライドドア）の2種類です。

中世後期の西ヨーロッパでは、煙突の頂上へのメンテナンスアクセスを可能にするために、特に城や大きな荘園邸宅のような高い建造物において、階段状の切妻屋根のデザインが生まれた。

石炭、石油、天然ガス、木材、その他の燃料がストーブ、オーブン、暖炉、温水ボイラー、または工業炉で燃焼されると、発生する高温の燃焼生成物ガスは排ガスと呼ばれます。これらのガスは通常、煙突または工業用排ガス筒（煙突とも呼ばれる）を通して外気中に排出されます。

煙突内部の燃焼排ガスは、外気よりもはるかに高温であるため、密度が低くなります。そのため、高温の排ガスの垂直柱の底部は、対応する外気柱の底部よりも圧力が低くなります。煙突の外側のこの高い圧力が、必要な燃焼用空気を燃焼ゾーンに送り込み、排ガスを煙突から押し出す原動力となります。この燃焼用空気と排ガスの動きまたは流れは、「自然通風」、「自然換気」、「煙突効果」、または「煙突効果」と呼ばれます。煙突が高くなるほど、通風は強くなります。ただし、効果が逓減する場合もあります。煙突から放出される熱量に対して煙突が高すぎると、排ガスが煙突の頂上に到達する前に冷えてしまうことがあります。この状態は排気効率の低下につながり、薪燃焼器具の場合、排気前にガスが冷却されることで、煙突の上部付近にクレオソートが凝縮することがあります。クレオソートは排気ガスの排出を妨げ、火災の原因となる可能性があります。

適切な量​​の自然通風を確保するための煙突や排気筒の設計には、多くの設計要素が関係しており、その多くは試行錯誤を繰り返す方法を必要とする。

「最初の推測」として、排気ガスと外部空気の分子量（すなわち分子量）が等しく、摩擦による圧力損失と熱損失が無視できると仮定すると、次の式を使用して自然通風/通風流量を推定できます。 $${\displaystyle Q=C\,A\,{\sqrt {2\,g\,H\,{\frac {T_{i}-T_{e}}{T_{e}}}}}}$$ どこ：

• Q = 煙突のドラフト/ドラフト流量、m³ ^/ s
• A = 煙突の断面積、m² ^（断面積が一定であると仮定）
• C = 流量係数（通常0.65～0.70の範囲）
• g =重力加速度、9.807  m/ ^s²
• H = 煙突の高さ (m)
• T _i = 煙突内部の平均温度、K
• Te = 外気温度、K _。

煙突への 2 つの流れを合流させる: A _t + A _f < A、ここでA _t =7.1 インチ²は給湯器タンクからの最小必要流量面積であり、A _f =19.6 インチ²はセントラルヒーティングシステムの炉からの最小流量面積です。

ガス燃焼器具には、煙突に入る燃焼生成物を冷却し、上昇気流や下降気流を防ぐためのドラフトフードが必要です。^{[ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]}

煙突の近くを飛行する航空機の場合、排気や煙は乱気流、視界不良、酸素欠乏、エンジン汚染、ガス状酸化物への曝露、着氷を引き起こす可能性があります。これらの影響は、煙が熱い冷たく穏やかで安定した空気中でより顕著になります。パイロットは、影響を最小限に抑えるために、煙突から風上に向かって飛行するように指示されています。^{[ 11 ]}

煙突特有の問題として、薪を燃料として使用すると、煙突の壁にクレオソートが付着することが挙げられます。この物質の付着は空気の流れを妨げるだけでなく、可燃性であるため、煙突内で引火すると危険な煙突火災を引き起こす可能性があります。

天然ガスを燃焼するヒーターは、天然ガスが従来の固体燃料よりもはるかにクリーンかつ効率的に燃焼するため、クレオソートの蓄積量を大幅に削減します。ほとんどの場合、ガス煙突を毎年掃除する必要はありませんが、煙突の他の部分が故障しないという意味ではありません。時間の経過とともに腐食によって外れたり緩んだりした煙突の継手は、一酸化炭素が家の中に漏れるため、居住者に深刻な危険をもたらす可能性があります。^{[ 12 ]}したがって、これらの問題を防ぐために、煙突は毎年点検し、定期的に掃除することが推奨されており、一部の国では義務付けられています。この作業を行う労働者は、煙突掃除人またはスティープルジャックと呼ばれます。この作業はかつて主に児童労働によって行われており、そのためビクトリア朝文学に登場します。中世のヨーロッパの一部では、はしごを使用せずに煙突にアクセスできるようにするため、階段状の切妻デザインが開発されました。

レンガ造りの煙突は、地震の際に特に崩れやすいことが分かっています。サンフランシスコ、ロサンゼルス、サンディエゴなど地震の多い都市の住宅当局は、金属製の煙道管を囲むようにスタッドフレーム構造の煙突を備えた新築住宅を推奨しています。古いレンガ造りの煙突を補強したり、ストラップで固定したりしても、地震による損傷や負傷を防ぐ効果はあまり期待できません。現在では、こうした現代的な煙突構造を覆うための「擬似レンガ」の外装材を購入することも可能です。

その他の潜在的な問題点としては、以下のようなものがある。

• 「剥離」レンガとは、水分がレンガ内部に浸透し、凍結することでレンガにひび割れや剥離が生じ、モルタルの密着性が損なわれる現象である。
• 地盤のずれにより、煙突の石積み構造の健全性が損なわれる可能性がある。
• リス、アライグマ、アマツバメなどの望ましくない動物による巣作りや侵入
• 煙突からの漏れ
• 設計上の問題により、建物内に煙が侵入する可能性がある^{[ 13 ]}
• 暖炉や暖房器具に問題が発生すると、煙突の劣化や危険が生じる可能性があります。

二酸化硫黄や窒素酸化物を除去する設備を備えた発電所では、冷却塔を煙突として利用することが可能です。ドイツのグロースクロッツェンブルク発電所やロストック発電所では、このような冷却塔を見ることができます。二酸化硫黄を除去する設備を備えていない発電所では、冷却塔をこのように利用すると、深刻な腐食問題が発生する可能性があり、その防止は容易ではありません。

• CICIND – 国際産業煙突委員会
• アメリカ煙突安全協会
• コナコフスカヤGRES発電所（煙突が送電鉄塔の役割を果たしている）
• 煙突壁の撤去に関する記事
• 煙突のメンテナンス情報
• 欧州煙突協会（ECA）：煙突に関する詳細情報はこちらをご覧ください。
• 全英煙突技術者協会（National Association of Chimney Engineers）：英国の煙突工学業界の業界団体
• Skyscraperpage.comに掲載されている、送電鉄塔として使用されている煙突のコレクション。