スチーブンソン式弁装置

スチーブンソン式弁装置

スチーブンソン式弁装置は、蒸気機関において広く用いられた弁装置の一種です。その構造は比較的単純でありながら、効率的な蒸気の制御を実現できるため、様々な種類の蒸気機関車に採用されました。この弁装置は、ジョージ・スチーブンソンによって特許が取得されましたが、実際の発明者は彼の従業員であったとされています。

歴史

1830年代、蒸気機関車で主流だった弁装置は、イギリスではガブ・モーション、アメリカではVフック・モーションでした。しかし、これらの機構は操作が難しく、弁の動作タイミングを柔軟に変更できないという欠点がありました。

1841年、ロバート・スチーブンソン・アンド・カンパニーの従業員であるウィリアム・ホーとウィリアム・ウィリアムズが、ガブ・モーションに代わる、より簡素な方法を考案しました。彼らは、エキセントリックロッドの末端をリンクで接続し、リンクの位置を調整することで、蒸気のカットオフタイミングを変化させるというアイデアを提案しました。この機構により、蒸気機関車は、出発時や勾配を登る際には長いカットオフで最大の力を発揮し、速度が上がるとカットオフを短くして燃費を向上させることが可能になりました。この操作は「リンキング・アップ」や「ノッチング・アップ」と呼ばれました。

スチーブンソン式弁装置の大きな利点の一つは、可変リードであることです。低速時にはピストンの行程末端での圧縮を減らし、高速時には圧縮を増やしてクッション効果を高めることができます。

アメリカでは、1900年頃まで内側スチーブンソン式弁装置が広く用いられましたが、その後ワルシャート式弁装置が普及しました。ヨーロッパでは、動輪の外側または台枠の内側に設置され、エキセントリックまたはリターンクランクで駆動されました。

特徴と利点

アブナ・ドブルは、スチーブンソン式弁装置を「大小様々な機関車に使える、最も普遍的に適した弁装置」と評価しています。その単純さと正確さ、そして支点間の正確な関係がバルブの動作に影響されない点が、高く評価されています。特に、すべてのシリンダーが同一平面上にある機関車において、スチーブンソン式は最適な選択肢とされていました。

スチーブンソン式のもう一つの重要な利点は、フルギア時にゼロになり、カットオフが短くなるにつれて増加する可変リードです。この特性により、スチーブンソン式弁装置は、逆転動作を必要とする様々な蒸気機関、例えば定置式蒸気機関、蒸気機関車、トラクションエンジン、蒸気自動車、舶用蒸気機関などで広く利用されました。

舶用機関では、ローンチ・リンクと呼ばれる特殊なリンクが用いられることがありました。これは、通常の機関車用リンクよりも長く、ピストンロッドへの直線的な運動をより確実にし、必要に応じて長いバルブトラベルを実現するために使用されました。

派生型

スチーブンソン式弁装置は、リンクモーション式弁装置の中で最も優れた配置の一つと考えられていますが、リンクを上下に動かす必要があるため、垂直方向のスペースを必要とするという欠点があります。初期の機関車では、重心を低く保つためにボイラーの中心線をできるだけ下げていたため、弁装置を台枠の内側に配置する必要があり、保守が困難でした。また、リンクとエキセントリック・ロッドの末端を一緒に持ち上げる必要があるため、逆転動作に大きな力が必要でした。

これらの問題に対処するために、グーチ式弁装置とアラン式弁装置という2つの派生型が開発されました。

グーチ式弁装置

ダニエル・グーチによって発明されたグーチ式弁装置は、固定されたリンクと、回転するラジアスロッドを組み合わせることで、逆転とカットオフの機能を果たします。この方式の利点は、弁装置の高さを抑えられることと、逆転動作が軽いことです。ただし、グーチ式ではカットオフに関わらずリードが一定であるという欠点があります。

アラン式弁装置

アレキサンダー・アランによって発明されたアラン式弁装置は、スチーブンソン式とグーチ式の利点を組み合わせたものです。ラジアスロッドを上げ下げすると同時にリンクを上下させることで、逆転とカットオフを実現します。グーチ式のようにスペースを節約しながら、スチーブンソン式に近い性能を発揮します。

スチーブンソン式弁装置は、その後の蒸気機関の発展に大きな影響を与えた、重要な発明の一つと言えるでしょう。

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