煙突（機関車）

煙突（アメリカ英語とカナダ英語ではsmokestackまたはstack ）は、蒸気機関車の一部で、煙がボイラーから出るときに通る部分です。また、蒸気機関車の排気システムは通常、シリンダーの蒸気排気を煙突から排出し、ボイラーを通る通風を強化します。煙突は、排気蒸気と煙を運転手の視界から遠ざけつつ、頭上の構造物に当たらないように短く設計されています。一部の煙突には、火花の拡散を抑える装置が備え付けられていました。

煙突は通常、機関車の先端、煙室の上に位置し、運転台や火室から最も離れている。初期の機関車の煙突は、機関車が停止している間、温度による密度差による風が火管ボイラーを通過するのに十分な高さであった。しかし、1804年のリチャード・トレビシックの最初の機関車の例に倣い、ほとんどの設計では蒸気シリンダーの排気を煙突から上方に流して煙室に真空を作り、機関車が動いている間に火室を通る空気の流れを加速させた。^[1]

低い踏板を備えた機関車の煙突が高いと、煙と凝縮蒸気を機関士の視界より上に保つという利点もあった。丘陵地帯を通る鉄道の勾配制限によりトンネルや高架橋が必要となり、煙突の高さを制限する荷重限界が課せられた。蒸気排気速度を上げると、火室を通る空気の流れが加速し、煙が煙突の上部より高く上がる傾向があった。1830年代までに、蒸気排気は、煙突を通る所望の速度を達成するために、ブラストパイプと呼ばれる収縮ノズルを通して導かれた。ブラストパイプノズルを通る圧力降下は、蒸気ピストンに利用できるボイラー圧力から差し引かれた。ロバート・スティーブンソンは、ブラストパイプの背圧によって一部の機関車が半分のパワーを失ったと推定した。^[2]

ボイラー設計の進歩により熱伝達効率が向上し、背圧を下げるためにブラストパイプの直径が大きくなり、ブラストパイプは短くなり、煙突内ではなく下から排気するようになりました。ロス・ウィナンズは1848年頃にブラストパイプの上に円錐形の「ペチコートパイプ」を設置してベンチュリ管の収束部を形成し、煙突が発散部を形成しました。^[3]圧縮性流れの理解が深まると、より洗練されたブラストパイプとベンチュリ煙突の設計が促進されました。グレート・ウェスタン鉄道のスウィンドンで働いていたジョージ・ジャクソン・チャーチワードは、煙突の理想的な寸法を計算する簡単な方程式を考案しました。これは20世紀初頭にはうまく機能しましたが、エンジン出力の増大とともに時代遅れになりました。フランスのアンドレ・シャペロンは煙突の寸法に関する研究を続け、ブラストパイプの寸法と併せて完全な排気システムとして研究しました。これが彼の有名なキルチャップシステムにつながりました。このシステムは世界中の多くのクラスの機関車に装備されました。先進国のほとんどで商用蒸気機関車の使用が終了した後も、アルゼンチンの技術者リビオ ダンテ ポルタは、煙突の寸法を改良するための方程式の改良など、蒸気機関車の排気システムの開発に取り組み続けました。

コークスが最も一般的な燃料であったイギリスで製造された機関車は、板金で作られた煙突よりも長持ちするため、鋳鉄製の煙突をよく使用しました。初期の北米の機関車は木材燃料を使用することが多く、その結果、大量の燃えさしが火室からボイラーを通って運ばれ、高速の排気蒸気によって煙突から吹き出しました。^[4]燃えさしが漏れて火災が発生する件数を減らすため、スパークアレスターが木材燃料機関車の煙突の一般的な特徴になりました。複雑なスパークアレスターを鋳造するのが難しいため、木材燃料機関車用の板金煙突が製造されるようになりました。^[5]

初期の火花防止装置は煙突内に設置された単純な鉄線のスクリーンでした。しかし、スクリーンはボイラーから煙と蒸気が逃げる速度を低下させました。また、スクリーンに捕らえられた燃えさしは蒸気が通過できるスペースをさらに狭め、燃えさしの煙と熱は金網を急速に溶かしました。煙突上部の直径を拡大してスクリーンの表面積を増やし、煙の速度を下げて、燃えさしがスクリーンから収集ホッパーに落ちるようにしました。1857年の特許侵害の申し立てに応えて、ボールドウィン機関車工場は57種類の火花防止煙突設計を示す図を作成しました。^[4]

最も一般的な設計はボンネット煙突でした。ボンネットは漏斗状の金属板コーンで、従来の円筒形煙突の上に取り付けられました。コーンの下部の小径部分は、落ちてくる残り火を集めるホッパーの役割を果たしました。コーンの上部には、円筒形煙突の上部にある内側コーンが隠れており、逃げる蒸気、煙、残り火を外側コーンの内壁に当てて外側に逸らします。重い残り火は下のホッパーに落ち、軽い蒸気と煙は外側コーンの上部の大きい径の端にある金網を通り抜けて上方に流れます。残り火が逸れるため、通常、スクリーンの寿命は 3 ～ 4 週間に限られていました。これらの煙突の中には、集めた残り火をサブトレジャリーと呼ばれる煙室の一部に落とすための設備を備えたものもありました。Radley & Hunter などの洗練された設計では、さまざまな遠心分離バッフルがボンネットに組み込まれました。石炭が木材燃料に取って代わると、ボンネットは単純なダイヤモンド型の煙突に縮小され、内部の偏向コーンを収容するようになった。上部の金網スクリーンの有無は問われなかったが、収集ホッパーはなかった。^[4]

ボンネット煙突は、19世紀のアメリカの機関車の最も特徴的な特徴の1つになりました。これは、大きな長方形の石油ヘッドランプとともに、機関車に壮大な雰囲気を与えました。^{[4]多くの設計者や鉄道会社は、19世紀の}ロンドン・アンド・サウス・ウェスタン鉄道のウィリアム・アダムスの「ストーブパイプ」煙突や、グレート・ウェスタン鉄道の銅製の蓋付き煙突など、独自の特徴的なスタイルを持っていました。

機関車のボイラーが大型化するにつれ、同じ積載限界内に収める必要があったため、煙突に利用できるスペースが減少しました。その結果、排気ガスを運転手の視界から遠ざける煙突の有効性が低下し、その結果、機関車に煙デフレクターなどの装置を取り付ける必要がありました。

• フィリップス、ランス（1965年）。『Yonder Comes the Train』 。ニュージャージー州クランベリー： AS Barnes and Company。ISBN 0-498-06303-8。
• シアーズ、フランシス・ウェストン; ゼマンスキー、マーク・W. (1964)。『大学物理学』（第3版）。マサチューセッツ州レディング：アディソン・ウェスレー出版。
• ホワイト、ジョン H. ジュニア (1979)。アメリカ機関車の歴史(ドーバー編)。ニューヨーク: ドーバー出版。ISBN 0-486-23818-0。

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