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Line shaft - Wikipedia

以下のプーリー (pulley) は動力伝達のためにベルトをかける装置 (車輪) です。

なおライン・シャフト、あるいはその類似物は 水車動力の工場 (水力ミル) や蒸気動力の工場 (共にミル (mill) と呼ばれる) では是非とも必要だったものです。 蒸気エンジンは規模を大きくすれば効率が高くなるので、大きな蒸気エンジンを工場に 1 台設置して、 回転する軸で多くの機械に動力を供給するのがライン・シャフトで、 これを設置するのが ミルライトです。 ライン・シャフトの動力伝達では平面的な広がりはロスを生じます。 そのため中央動力と各機械の距離を縮めるために、工場は多層建築物 (multistory building) にするのが普通でした。後世の電動工場 (ファクトリー (factory)) ではこのような制約がないため工場は 1 階建てにできますが これが水力や蒸気動力の工場と、電動工場の基本的な外見上の違いになる。 このような多層工場は工場全体が動力の負荷を支え、全体が一つの機械になる。

ラインシャフトは基本的にはミル (mill, 水車工場と風車工場) に起源があり、 英国産業革命の時に、ミルに木綿の繊維工場 (水力ミル、木綿ミル) が含まれ、これが急速にヨーロッパ全土に普及した。 ミルの動力伝達は：　ラインシャフト (回転軸) + [歯車、ベルト、あるいはロープ (時代と共に変化)] 。

英語で工場を表す言葉はミル (mill) とファクトリー (factory) があり、ここで述べる工場はすべてミルで、 昔の蒸気動力の工場もすべてここに含まれます。

ライン・シャフトあるいはミルワーク (millworks, 工場装置) とは動力で駆動する回転シャフト (軸) で、 動力伝達を目的とし、産業革命から 20 世紀初めまで広範囲に使用された。 個々の機械に直接接続できるほど小さな電動モーターが広範囲に使用されるまでは、 大きな中央の動力源から 拡張ベルトや歯車駆動を通して (無数の) 機械に動力を分配するためにライン・シャフトが使用された。 中央の動力源として使用されるのは： 水車, タービン, 風車, 動物の力, あるいは 蒸気エンジンである。 動力をシャフト (軸) から機械に伝えるものはベルト、プーリー、及び歯車のシステムで (総称して) ミルワーク (millwork) と呼ばれた。

4 台のウールを紡ぐ機械が頭上のライン・シャフト で駆動 (ドイツ、ライプツィヒ、1925 年頃)	ミューラー・ミル (Mueller Mill) の ベルトドライブ、 模型と実際が稼働。

典型的なライン・シャフトはある領域の天井から吊り下げられ、この領域の全長を走る。 ライン・シャフトの 1 つのプーリーは建物の別の場所にある上流のライン・シャフトから動力を受け取る。 他のプーリーは個々の機械や、下流のライン・シャフトのプーリーに動力を伝達する。 製造業の場合には同じ仕事を実行する大量の機械があり、システムのデザインは極めて規則的で、繰り返されていた。 機械工場や木工場のような他の応用では、 色々な機械があり、(機械の) 向きも、必要とされる動力も異なっていたため、 システムは一貫性がなく、不規則で多くの異なる軸方向とプーリーのサイズがあった。 ライン・シャフトは通常は水平で頭上にあったが、時には垂直で地下にもあった。 シャフトは通常は堅い鋼で、幾つかの部分がフランジ (輪縁) でボルト付けされていた。 シャフトは適当な間隔をおいて、ベアリングの付いた吊り具で支えられていた。 間隔はシャフトの重さとプーリーの数に依存していた。 シャフトは向きをそろえる必要があり、そうでないと、負荷がベアリングを加熱してシャフトを壊す可能性があった。 ベアリングは通常はすべり軸受け (friction type) で潤滑油をさす必要があった。 プーリーに潤滑油をさす従業員が必要で、ベアリングの凍結や誤動作を防止した。

最も初期の応用ではプーリー間の動力の伝達は、溝の付いたプーリーとロープの輪を利用した。 この方式は今日では極めてまれで、大半が 18 世紀からのものである。 平坦なプーリーやドラムの上の平坦なベルトは 19 世紀あるいは 20 世紀初頭始めに最も普通な方法であった。 ベルトは一般的にはなめし皮かゴムをしみ込ませた綿帆布 (cotton duck) であった。 皮のベルトをループ状にするには：生の皮でするか、ワイヤーで締める (wire lacing) か、重ね継いでノリを使用する (lap joints and glue) か、 あるいは幾つかのタイプの鋼の留め具を使用した。 綿帆布のベルトは普通金属製の留め具を使用するか、あるいは加熱して融合した。 皮のベルトは摩擦を高めるために毛のある方をプーリー側にして走らせた。 ベルトは良好な状態に保つために、定期的な洗浄と調整が必要であった。 ベルトはしばしば一区間で 180 度ねじって受けのプーリーで逆向きにして、 第 2 のシャフトを逆向きに回転させた

プーリーを建造する材料は : 木、鉄、鋼、あるいはこれらの組み合わせであった。 色々な大きさのプーリーが回転速度の変更に連動して使用された。 例えば 40 インチのプーリーが 100 rpmで 20 インチのプーリーを 200 rpm で動かした。 シャフトに強固に取り付けたプーリー (固定プーリー、fast pulley) に 隣接するプーリーで自由回転するもの (空回りプーリー、loose pulley) を組み合わせることもできた。(これをアイドラーと呼ぶ。) この配置ではベルトを動かして、 アイドラーの上で動力伝達を停止して、固定プーリーの上で動力伝達をした。 この配置は、しばしば機械の近くで使用され、機械の不使用時に機械を停止する方法として提供された。 通常、機械に動力供給する最後のベルトで、大きさの違うプーリーが使用されて、 機械の色々な速度設定に使用された。

時には速度変更のために、シャフト間でベルトとサイズの違うプーリーを使用するのではなく 歯車も使用されたが、 これはあまり一般的でないようである。

旋盤の可変速のベルト駆動。上部シャフトの固定プーリーは 動力源からのベルトで一定速度で駆動する。空回りプーリー (アイドラー) は機械を孤立させて停止 -- 速度変更に必要。多段プーリー (左) は、 工作機械 (非表示) に 3 段階速度を提供、 ベルトでどのプーリーを接続するかに依存。

マサチューセッツ州, ローウェルのサフォーク・ミル (Suffolk Mills) で タービンからライン・シャフト	マサチューセッツ州, ローウェルのブーツ・ミル (Boott Mills) で ライン・シャフトから動力織機

ライン・シャフトの初期のバージョンは 18 世紀にさかのぼるが、 19 世紀末の産業化と共に広範囲に使用された。 ライン・シャフトが広く使用されたのは：製造業、木工場、機械工場、 製材所、製粉所であった。

1828 年に、マサチューセッツ州 ローウェル (Lowell) でポール・ムーディ (Paul Moody) は水車から走るメイン・シャフトの動力伝達に皮のベルトの代わりに金属歯車を使用した。 この新機軸は米国で急速に広まった。

平らなベルトによる駆動システムは英国では 1870 年代に人気が出て、 J & E ウッド (J & E Wood) と W & J ギャロウェイ & サンズ (W & J Galloway & Sons) がこの導入で著名であった。 このどちらの会社も固定エンジンを製造し、 より大きな動力と信頼性の絶えざる要求に応えるには、 単にエンジン技術の改良のみではなく、 エンジンが貢献する織機などの機械への動力伝達の改良も必要であった。 平坦なベルトの使用は米国ではすでに普通なものとなっていたが、 英国ではこの時まではまれであった。 これを使用する利点は、 それ以前の普通のドライブ・シャフトと付随する歯車に付きものであった、 騒音と、 摩擦によるエネルギー損失が少ないことであった。 また、保守もより単純・安価で、動力の配置には、もっと便利なことになった。 というのは、一か所が故障しても工場全体の動力の喪失に至らなかったからである。 これらのシステムは今度は、ロープ駆動方式により、人気で座を奪われた。

1870 年代の印刷プレス機

19 世紀の終わり近くには、工場によっては単一の建物内に 1 マイル以上のライン・シャフトがあった。

小さな仕事場や軽産業に動力を提供するために、特別に作られた 「動力ビル」 ("power building") が建設された。 動力ビルでは中央の蒸気エンジンを使用して、ライン・シャフトで賃貸部屋すべてに動力を提供した。 動力ビルは電化初期の時代にも建設され続け、ライン・シャフトをなお使用したが、電動モーターで駆動した。

工場によっては一つの蒸気エンジンで動力を得るには、大きくなり過ぎ、複雑になりすぎたため、 動力を分割したシステムが使用されるようになった。 これは幅広い速度制御が、微妙な操作に必要な場合にも重要であった。 このような作業にはワイヤー・ドローイング (wire drawing, 【訳注：型を通してワイヤーを引っ張り、断面を小さくする作業】) や鉄のハンマー打ち (hammering iron) のようなものが含まれる。 分割された動力では蒸気は中央のボイラーから必要とされる場所の小さな蒸気エンジンまでパイプで運ばれた。 しかしながら、小さな蒸気エンジンは大きな蒸気エンジンよりずっと効率が悪かった。 ボールドウィン蒸気機関車工場 (Baldwin) の 63 エイカーの場所は分割された動力に変更されたが、 非効率なため、グループに分けて、幾つかの大きな蒸気エンジンによってラインシャフトを駆動した。 最終的にボールドウィンは電動に変換し、労働力と建築スペースを随分節約した。

1900 年代初期の工場の電化で、多くのライン・シャフトは電動駆動に変換され始めた。 初期の工場電化では大きなモーターしか利用可能でなく、新しい工場は大きなモーターを設置して、 ラインシャフトと工場の機械を駆動した。 1900 年の後では、より小さな産業用モーターが利用可能となり、 大半の新しい設備では個別の電動モーターを使用した。

蒸気タービンがライン・シャフトを駆動して通常、速度制御のために製紙機械の駆動に使用され、 1980 年代に精密電気モーターの経済的方法が利用可能になるまで継続した。 これ以来、多くが部門ごとの電動駆動になった。 電動モーター利用の経済的な可変速度制御は、シリコン制御の整流器 (silicon controlled rectifiers, SCRs) により可能となって直流を生成し、 可変周波数駆動 (variable frequency drives) がインバーターを使用して、 直流を変換し、必要な速度に要求される周波数の交流に変える。

大半のシステムは 20 世紀中頃に任務から離れ、比較的少数が 21 世紀に残り、 元々の場所と配置のままであるのはもっとずっと少ない。

個々の電動モーターや単独駆動と比較すると、 ライン・シャフトには次のような不利な点がある。

• ライン・シャフトによる動力の損失は随分と変化するが、典型的には 25% で、 しばしばこれよりも多い。しかしながらローラー・ベアリングと良好な潤滑油を使用すれば、 損失を最小にできる。 ローラ・ベアリングと球面ベアリングは工場の電化が始まる前の十年間に受け入れられていた。
• 連続する騒音。
• 保守費用が高かった。
• システムはもっと危険であった。
• 機械的問題による停止時間が長い。
• 速度変更がやさしくない。
• 工場のレイアウトはライン・シャフトへの接続でデザインされ、 最も効率の良い仕事の流れによっているのではない。
• ライン・シャフトと工場機械は多くの場所を占有した。 ボールドウィン機関車工場は電動の場合よりも 40% 以上の場所をとると評価された。。
• シャフトとベルトは：採光, 頭上クレーン, 排気管の通り道にあった。
• システムの向き付けは致命的で、長いシャフトには問題があり、 拡張, 収縮, 沈下, そして振動にさらされた。
• ベルトはほこりを出し、連続的に空中にほこりを浮遊させた。
• オイルが頭上シャフトからたれ落ちた。

電動に転向した会社では、従業員の病欠が少なくなり、 同じ装置を使用しても製造量が随分と増大した。1909 年にジェームス・ホバート (James Hobart) の 書くことによると、

ライン・シャフトの距離・摩擦の制限を乗り越えるために、ワイヤー・ロープのシステムが 19 世紀末に開発された。 ワイヤー・ロープはライン・シャフトより高速で動作し、数マイルあるいは数キロの距離を 機械的に動力伝達する実用的な方法であった。 これらは間隔が広く、大きな直径のホイールを使用して、ライン・シャフトより摩擦の損失がずっと少なく、 初期コストは 1/10 であった。

個々の蒸気エンジンでは非実用的な小規模動力の供給用に中央方式の水圧 (油圧) 装置が開発された。 水圧 (油圧) 動力は英国の港やヨーロッパの他の場所でクレーンなどの機械を操作するために使用された。 最も大きな水圧 (油圧) システムはロンドンにあった。 水圧 (油圧) 動力はベッセマー方式の鋼製造に随分と使用された。

19 世紀末には幾つかの中央方式の圧縮空気の動力もあった。

初期の実例である ジェディダイア・ストラットの 水力木綿工場である ベルパーのノース・ミルは、 1776 年に建造され、機械を操作するすべての動力は 18 フィート (5.5 m) の水車から得られた。

1819 年のベルパーにおけるジェディダイア・ストラットの ノース・ミル。 垂直シャフトが 18 フィート (5.5 m) の水車から、各階の全長を走る駆動シャフトに至っている。

英国

• エラン・バレー (Elan Valley) ―― 古い作業場に元々あった場所に可動でないライン・シャフトが現存、現在はビジター・センターとして使用
• エレンロード・リング・ミル ―― 6 馬力のナショナル・オイル・エンジンからの ライン・シャフトが 1910 年の仕事場のレプリカを駆動。 仕事場にはフォージ (鍛冶場)、動力ハンマー、旋盤、ラジアル・アーム・ドリル、 形削り機 (shaper) が設置されている。
• クイーン・ストリート・ミル、バーンリー ―― ライン・シャフトで 600 台のランカシャー織機を操作、 石炭を燃料とする 500 馬力の蒸気エンジンにより駆動
• シェルズリー水力ミル (Shelsley Watermill)、シェルズリー・ウォルシュ (Shelsley Walsh)、 英国 ウースター ―― 部分的に稼働な製粉所
• ストット・パーク糸巻きミル、イングランド、カンブリア ―― ??
• ティーズ・コッテージ揚水所、イングランド、カウンティ・ダラム、 ダーリントンの近く ―― 完全な元々の保守作業場、可動状態
• 国立スレート博物館、ウェールズ ―― 英国本土最大の稼働水車が駆動するライン・シャフトが、元々の装置になお動力を与えている。

米国

• オースティン・オルガンズ、コネチカット州ハートフォード
• 巡洋艦オリンピア (Cruiser Olympia, 現在は博物館船)、 ペンシルバニア州フィラデルフィア ―― 可動な機械作業場
• イースト・ブロード・トップ鉄道石炭会社、 ペンシルバニア州ロックヒル・ファーネス、 ―― 部分的に可動、機械仕事場、シート・メタル仕事場、木工仕事場、鍛冶屋仕事場、鋳造所
• エンパイア鉱山州立公園機械仕事場、 カリフォルニア州グラス・バレー ―― 工具 ??
• ハグリー博物館、デラウェア州ウィルミントン
• ハンフォード・ミル博物館、 ニューヨーク州イースト・メレディス ―― 可動 ; 製材所、製粉所、木工作業場
• クリーゲル風車工場博物館、 ネブラスカ州ネブラスカ・シティー ―― 可動 ; 風車工場
• ロングリーフ製材会社/サザン・フォレスト歴史遺産博物館 (Longleaf Lumber Company/Southern Forest Heritage Museum)、 ルイジアナ州ロングリーフ ―― 部分的に可動 ; 工具、製材所
• ミンガス・ミル (Mingus Mill)、サウスカロライナ州、 グレート・スモーキー山脈国立公園 ―― 部分的に可動 ; 製粉工場
• ロック・ラン穀物ミル (Rock Run Grist Mill)、 サスケハナ州立公園 (メリーランド州) (Susquehanna State Park (Maryland))、 メリーランド州 ハバディグレイス ―― 可動、水力穀物ミル
• シエラ鉄道作業場/ 1897年鉄道の町州立歴史公園、 カリフォルニア州ジェームス・タウン ―― 可動 ; 工作機械、鍛冶屋作業場
• スレーター・ミル歴史遺跡、ロードアイランド州ポータケット ―― ???
• トーマス・エディソン国立歴史公園、ニュージャージー州ウェスト・オレンジ ―― 工作機械 ???
• W.A.ヤング&サンズ鋳造工場&機械作業場 ( W.A.Young and Sons Foundry and machine shop), ペンシルバニア州、ライシズ・ランディング (Rices Landing) ―― 工作機械、鋳造工場
• W J ドラン会社 (W J Doran Company)、ウィスコンシン州ワウパカ (Waupaca) ―― 完全可動な工作機械

米国

• ハンコック・シェイカー村 (Hancock Shaker Village), マサチューセッツ州ピッツフィールド (Pittsfield)、 水力タービンで駆動される機械作業場で木工機械を走らせる。
• スミソニアン博物館、技術産業館 (Arts and Industries Building)、ワシントン DC ―― 工作機械 (machine tools)
  訳注

  スミソニアン博物館の Arts and Industries Building の arts は 「技術」の意味。 英国・米国の産業革命時代の arts は技術の意味、 school of arts は技術学校の意味で、 機械工協会と同じ意味です。 この時代には「技術」 (technology) のような言葉が一般的でなく、 art が使用された。
• ホワイト・リバー峡谷アンティーク協会 (White River Valley Antique Association)、 インディアナ州エルノーラ (Elnora) ―― 工作機械、木工機械
• デントン農場公園、ニューコネチカット州デントン (Denton) ―― 工作機械
• シンシナティー歴史博物館、オハイオ州シンシナティー ―― 工作機械
• ハグリー博物館・図書館、 デラウェア州ウィルミントン (元々のデュポン火薬工場) ―― 工作機械
• ヘンリー・フォード博物館とグリーンフィールド村、 ミシガン州ディアボーン ―― 工作機械
• Molly Kathleen 鉱山 (Molly Kathleen Mine), コロラド州 クリップルクリーク ―― 製材所
• 鉱山と産業のウェスターン博物館 (Western Museum of Mining & Industry)、 コロラド州、コロラド・スプリングス ―― スタンプ・ミル、鍛冶屋作業場、圧縮機。
• ブート・ミル群、マサチューセッツ州 ローウェル ―― 動力木綿織機
• シルバー・ドル・シティー (Silver Dollar City)、ミズーリ州 ブランソン ―― 木工工具、製パン機械
• タッカホー蒸気ガス協会 (Tuckahoe Steam & Gas Association)、メリーランド州イーストン (Easton) ―― 動作機械作業場博物館
• バージニア歴史協会 (Virginia Historical Society)、バージニア州リッチモンド ―― ??
• ボルティモア産業博物館 (Baltimore Museum of Industry)、メリーランド州ボルティモア ―― 工作機械
• デントン農業公園 (Denton Farmpark)、ノースカロライナ州デントン ―― 工作機械
• マスキーゴン歴史遺産博物館 (Muskegon Heritage Museum)、 ミシガン州マスキーゴン (Muskegon) ―― コーリス・エンジン、工作機械
• 粗野で乱雑な技術者たち (Rough and Tumble Engineers)、 ペンシルバニア州キンザーズ (Kinzers) ―― 工作機械

ブート・ミル群のライン・シャフトと動力織機 マサチューセッツ州ローウェル

日本には蒸気動力の工場はほとんどなかったと思われます。 (生糸を製造する製糸工場のみが例外です。) その理由は蒸気動力の工場ではライン・シャフトが必要で、 これに関しての記述が日本語のホームページで皆無であるからです。 これに比べるとインターネットの英文ページを対象にして line shaft で検索すると途方もないくらいのページがヒットします。 だから日本人で蒸気動力の工場のことを知っている人が皆無なのです。

日本人が蒸気動力の工場をまるで分っていない事を示す事実は多々ありますが、 例えば ミルライト (millwright) の用語があります。 英和辞典では 水車大工、機械設置工 のような意味が載っています。 水車大工は馬鹿たらしい誤訳ですが、機械設置工 の意味でも不十分です。 蒸気動力の時代にはミルライトの重要な仕事の 1 つにライン・シャフトの配置を決める仕事があったからです。 これは機械設置の 1 部のようにも見えますが、むしろミルライトの直訳をして、工場製造者と訳す方が正確です。 いずれにせよ、日本人は蒸気動力の工場を理解していないから多々誤訳が生じている。

日本で本格的に工場ができるのは小型の電動モーターが蒸気エンジンの代わりに使用されるようになった後のことなのです。 従って 20 世紀初頭までは日本には製糸工場以外の本格的な動力工場が存在していない。 しかも生糸の製造に関してはその仕組みが非常に単純で基本的には 13 世紀イタリアの技術 (ロンベのミルを参照) なので、 ラインシャフトの配置も単純なものと思われ、ラインシャフトの全容は日本人には理解されていなかったと思われます。

日本で本格的な工場ができるのは小型の電動モーターが工場で使用されるようになってからだとわかりましたが、 これはいつごろ始まったのでしょうか ? 工場が少々できれば、すぐにも多量な電気が必要となり、 日本で電気エネルギーが確実に手に入るようになるのは 1950 年代末に水力発電所が大量に作られた時なのです。 これがなければ日本で工場ができなかった。 従って工場が日本で本格的に作られるようになったのは第二次大戦後なのです。

他にも本格的な工場建設が第二次大戦後であることを示す事実があります。 製糸工場の女工は小学校卒でもよかったと思われますが、 一般に工場で採用される人は高卒以上が適当と思われ、日本では人材不足であったと思われるからです。 知識が必要であるか否かよりは、より高学歴の方が複雑な仕事をすることができるためです。

更に単に学歴ではなく知識が必要とされる場合があります。 現代でもミルライトの仕事があり、彼らの学歴は高等専門学校卒に相当します。 英国産業革命の時には成人教育のための機械工協会がありました。 多分これも高等専門学校ないしは大学に相当するものと思われます。

更に別の角度からも第二次世界大戦前に日本にほとんど工場がなかったことが自明です。 農業が非効率なため、産業に回せる余剰の人口がない。 日本に本格的に工場ができるのは、農業が少々効率的になった後のことなのです。