膨張弁（蒸気機関）

膨張弁は蒸気機関の バルブ装置に備わった装置で、エンジンの効率を向上させる。ピストンがフルストロークを終える前に蒸気の供給を早めに遮断することで作動する。この遮断により、蒸気はシリンダー内で膨張する。^[1]この膨張した蒸気は、膨張するにつれて圧力が下がるにもかかわらず、ピストンを動かすのに十分である。^[i]バルブが開いている時間が短くなり、供給される蒸気が少なくなるため、膨張弁を使用すると消費される蒸気が減り、必要な燃料も減る。^[2]エンジンは（1875年の数字では）蒸気の3分の1で、3分の2の仕事をこなすことができる。^[2]

膨張弁は、蒸気エンジン内の二次バルブです。膨張弁は、非膨張作動の蒸気エンジンと、単一のバルブの動きを制御することで膨張を可能にする後のバルブギアとの間の中間段階を表します。

膨張弁は定置式エンジンや船舶用エンジンに使用されていました。^[1]後に可変膨張弁装置を使用することで膨張作業が実現しましたが、機関車には使用されませんでした。

膨張した蒸気の圧力は、ボイラーから直接供給される蒸気の圧力よりも低くなります。したがって、膨張弁を早期遮断に設定したエンジンは、弁が完全に開いている場合よりも出力が低くなります。したがって、エンジンを駆動して、エンジンの負荷が変化すると弁を手動で調整する必要があります。負荷が軽いエンジンは早期遮断で効率的に動作できますが、負荷が重いエンジンでは、遮断時間を長くする必要があり、蒸気消費量が増えるというコストがかかります。

トレビシックが1801年にトレデガー製鉄所の圧延工場にエンジン^[ii]を納入したとき^[3]、エンジンは膨張せずに稼働させた方が強力であり、製鉄業者のサミュエル・ホムフレーは石炭のコストを節約できる可能性があるにもかかわらず、余分なパワーを使うことを好んだ^[4]。

グリスアイアンバルブ^[5]は、膨張弁の最初の形態の 1 つでした。^[1]グリスアイアン バルブは、スラットが重なり合う 2 つのプレートの配置です。一方のプレートは、そのスラットがもう一方のプレートのスラットまたはそれらの間のスロットと重なるように移動して、開いたり閉じたりすることができます。このバルブの利点は、比較的大きな開口部 (全面積の半分まで) と、完全に開いた状態から完全に閉じた状態に変更するのに 1 つのスラット幅だけ移動するだけで済むという迅速な開口部です。欠点は、密閉性がそれほど高くないことです。グリスアイアン バルブの作動距離が短いため、偏心装置などと併用すると、バルブ タイミングが比較的不正確になります。後に、大型蒸気機関の一部で、LP シリンダーの排気バルブ^{[6]として、または}トリップ^[7]またはカム バルブ ギア と組み合わせた吸気バルブとして、プライマリ バルブとして使用されました。^{[8] [iii]}

グリッドアイアン バルブが二次バルブとして使用される場合は、通常、一次スライド バルブのバルブ室の入口側に取り付けられます。これらは別のバルブ ギア、通常はメイン偏心弁より前に設置された別の偏心弁によって駆動されます。^[1]作動中、追加の前進によりグリッドアイアン バルブが移動し、メイン バルブより先に遮断が適用されます。グリッドアイアン バルブが提供する膨張量を変えるには、調整可能なリンケージによって偏心弁のストロークを変えることができます。これをゼロ スローに調整すると、膨張弁は完全に開いたままになり、エンジンは膨張なしで動作します。^[1] 二次グリッドアイアン バルブの使用は初期の技術でしたが、定置型エンジンの歴史を通じて、ますます洗練されたバルブと作動装置とともに使用され続けました。マッキントッシュ エンジンとシーモアエンジンは、カムとトグルの配置によって駆動されるバルブを使用していました。このバルブは断続的に動き、開いているときは静止しているため、正確なタイミングと各バルブの動きの独立した調整が可能でした。^[9]

グリディロンバルブは、マイヤーバルブと同様に、スライドバルブの背面にも使用されました。^[7]これは、1869年にグラスゴーのジョン・ターンブルが特許を取得しました。^[10]

膨張弁の最もよく知られた設計は、フランスの技術者ジャン＝ジャック・マイヤー（1804-1877）が発明したマイヤー式で、彼は1841年10月20日に特許を申請した。同様の弁はジェームズ・モリスによって特許が取得された。^[11] 2番目のスライド弁は、改造されたメインスライド弁の背面に乗り、追加の偏心器によって駆動される。マイヤー弁では、エンジンの稼働中にハンドホイールで膨張弁の有効長^[iv]を変更できる。弁には、ハンドホイールの弁棒の左ねじと右ねじに取り付けられた2つのヘッドがあり、ホイールを回すとヘッドが近づいたり離れたりする。^{[12] [13]}この配置では、カットオフは通常手動で制御されます。自動制御も試みられましたが、効果を発揮するには動作が遅すぎました。

スニブストンディスカバリー博物館とコールハムポンプ場に展示されているエンジンにはマイヤー膨張弁が付いています。^[14]

膨張弁は複合蒸気エンジンにも取り付けられました。どちらの技術も、複雑さを犠牲にしてでも、より高い効率を達成しようとする試みです。

膨張弁は、通常、HP (高圧) シリンダーにのみ取り付けられていました。後続の LP (低圧) シリンダーに供給される蒸気はすでにエンジンに供給されているため、それを節約するメリットはほとんどありません。LP シリンダーへの蒸気入口を早期に遮断すると、先行する HP シリンダーの排気が絞られ、そのシリンダーの効率が低下する可能性があります。

後期の複合ミルエンジンは、高度なバルブギアを備え、高圧シリンダーには複雑なギアを取り付け、低圧シリンダーにはよりシンプルな従来のスライドバルブを採用することが多くなりました。例としては、ドロップバルブ高圧入口、コーリス高圧排気、およびマイヤー膨張弁付き低圧スライドバルブの4種類のバルブセットがありました。^[15]

独立した膨張弁の後の発展により、単一のバルブで入口ラップを変えるという同じ目的を達成できる、より洗練されたバルブ装置が生まれました。これらの最初のものはリンクバルブ装置、特にスティーブンソンリンクバルブ装置でした。これは、機械的な追加装置として機能する、その間のスライドリンク機構を備えた一対の偏心器を使用します。中間位置を選択すると、カットオフを増やす効果のあるバルブ作動が提供されます。このようなバルブ装置は、逆転も提供し、最初は逆転のために開発されたため、機関車で広く使用されました。理論的には、正確な効果は、より早いカットオフではなく、バルブの移動量が減少することです。これは、全体的なバルブ開度を減らし、初期の蒸気供給を減らす効果があり、純粋な膨張ではなくワイヤードローイングの効果があります。^[16]それにもかかわらず、スティーブンソンギアは、機関車で最も広く使用される2つのギアの1つになりました。

「自動」エンジン、つまり高速エンジンは、速度が上昇するにつれて運転速度が上昇し、変化する負荷の下で速度をより正確に制御する必要がありました。このため、調速機を膨張弁装置に連結する必要がありました。ワットの遠心調速機とスロットル バルブを備えた初期のエンジンは、低出力で運転すると効率が悪くなります。

リチャードソン調速機^[17]は、彼の雇用主であるロビー社^{[18]が製造した定置型およびポータブル型エンジンに使用されました。これは、}遠心調速機によって自動的に制御される単純なリンクバルブギアです。スティーブンソンが振動リンク内のダイブロックの位置を手動で制御する代わりに、リチャードソン調速機はエンジン速度に応じてこれを調整します。通常はマイヤーバルブと同様に動作し、2つの偏心器によって2つのバルブが駆動され、マイヤーの手動ハンドルの代わりにリチャードソン調速機が使用されました。^[19]これにより、スティーブンソンのバルブ移動量減少によるワイヤ引きの問題が回避され、長時間低出力で稼働する可能性のある定置型エンジンの効率が向上しました。

しかし、高速エンジンが完全に開発された形態（1900年頃から）では、膨張は独立した膨張弁ではなく、単一のバルブのタイミングを制御することによって制御されました。これにより、ポペットバルブなどのさらに複雑なバルブタイプが生まれ、リンクではなくカムベースのバルブギアによって駆動されることがよくありました^。[ vi ^]

過熱の使用が増えると、高温の動作温度でも潤滑しやすいピストンバルブがスライドバルブに取って代わるようになりました。また、プライマリバルブの背面で動作するマイヤーのようなセカンダリバルブの使用は実用的ではなくなりました。セカンダリバルブを膨張弁として使用した最後の新しい設計は、おそらくミッドランド鉄道のパジェット機関車で、鋳鉄製のロータリーバルブの周りに膨張弁として青銅のスリーブを使用しました。 ^[20]この設計は、2つのバルブ材料の熱膨張率の差による機械的な問題のために失敗しました。^[21]

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