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Uniflow steam engine - Wikipedia
ユニフロー蒸気エンジン (Uniflow steam engine)

ユニフロー形式の蒸気エンジンが使用する蒸気はシリンダーの各々半分のみで一方向のみを流れるものである。 多段膨張複合形式の蒸気エンジンでは、別々のシリンダーの中で、 膨張を段階に分離することによって熱効率が増大されるが、 ユニフロー・デザインでは熱効率はシリンダーに沿った温度勾配を持たせることによって達成される。 蒸気は常にシリンダーの熱い末端で進入し、 中心の冷たいポート (port, 蒸気口) から排出される。 これにより、シリンダーの壁の相対的な加熱・冷却が削減される。

ユニフロー蒸気エンジンの概念動画
poppet valve は上端の回転するカムシャフトで制御される。
高圧蒸気の進入 (赤) と排気 (黄色)
  1. デザインの詳細
  2. 歴史
デザインの詳細

蒸気の進入はカムシャフト (camshaft) で操作される ポペットバルプ -- 内燃機関で使用されるものと同様に作用 -- により制御される。 注入バルブが開いて蒸気を受け入れ、 この時、最小の膨張体積がストロークの開始時点で達成される。 クランク・サイクル中に蒸気が受け入れられ、 次に ポペットバルプ が閉鎖されて、ストローク中に蒸気の連続した膨張を可能にし、ピストンを駆動する。 ストロークの終わり近くで、シリンダーの中央付近に放射状に搭載された 排気ポート (ports、蒸気口) の輪がピストンの影から表に出る。 これらのポートは 多岐管 (manifold) と パイプ (piping) により、コンデンサー (condenser、凝縮器) に接続され、 隔室 (chamber) の圧力を大気圧よりも下げ、急激な排気を引き起こす。 クランクの連続した回転はピストンを動かす。 動画から、ユニフローエンジンの造作を見ることができ、 大きなピストンはシリンダーの長さのほとんど半分近くあること、 ポペットバルブが両端にあること、 カムシャフト (この動きは駆動シャフトに由来する) と排気ポートの中央リングを見ることができる。

ギャロウェー・ユニフロー蒸気エンジン (Galloway uniflow steam engine)
今では、バーミンガム・サイエンス博物館のシンクタンク (Thinktank) にある。
利点

ユニフロー・エンジンは 1 回のシリンダーで、比較的大きな膨張を可能にし、 排気ストローク中に、 比較的冷たい排気蒸気が、動作中のシリンダーの熱い末端、と通常の「流れが逆になる」 ("counterflow") 蒸気エンジンのポート (蒸気口) を越えて流れることがない。 この条件により、より高い熱効率が可能である。 排気ポート (port、蒸気口) はピストン・ストロークの非常に短い期間中に開放され、 ピストンがシリンダーの吸入側に向けて動き始めた後は閉鎖される。 シリンダー内に残っている蒸気は排気ポートが閉鎖された後は捕捉され、 捕捉された蒸気は復帰するピストンで圧縮される。 これは熱力学的には望ましく、蒸気を入れる前にシリンダーの熱い末端を再加熱するのである。 しかしながら、過度に圧縮する危険から、しばしば、 小さな補助排気ポートがシリンダー・ヘッドに組み込まれている。 このようなデザインは、しばしば半ユニフロー・エンジン (semi-uniform engine) と呼ばれる。

この形式のエンジンは通常、直列配置で複数のシリンダーがあり、 単動式 (single acting) と複動式 (multiple acting) がある。 この形式の特有の利点はバルブを複数のカムシャフト (cam shaft) で操作できることで、 これらのカムシャフトの相対段階を変えることにより、 吸入される蒸気量を増加して、低速・高トルクにしたり、 あるいは巡航速度で (蒸気量を) 減少して、経済操業にする。 あるいは、もっと複雑なカムの表面を使用するデザインにより、 カムシャフト全体を縦方向にシフトして、タイミングを変化させることが可能で、 吸入タイミングを変化させることが可能である。 そして絶対段階を変えることにより、エンジンの回転方向を変えることが可能である。 ユニフロー・デザインはシリンダー内の一定の温度勾配も維持でき、 冷たい蒸気と熱い蒸気がシリンダー内の同じ末端を通過するのを避けることができる。

不利な点

実際には、ユニフロー・エンジンには幾つかの操業上の欠陥がある。 大きな膨張比率は大きなシリンダー体積を必要とする。 このエンジンから潜在的に最大の仕事を得るためには、高い往復運動量が必要とされ、 「流れが逆になる」通常の復動式エンジン (double-acting counterflow-type engine) よりは典型的には 80% 速いことが 必要とされる。 これにより吸入バルブの開放時間がとても短くなり、 これによりデリケートな機械部品に多大な負担が生じる。 遭遇する巨大な機械力に耐えるために、エンジンはどっしりと作る必要があり、 トルクの変動を滑らかにするために、大きなはずみ車が必要となる。 というのは蒸気圧はシリンダー内で急激に上昇・下降するからである。 シリンダーに沿って温度勾配があるため、壁の金属は異なる比率で膨張する。 これにより、シリンダーの内腔は熱い両端よりも冷たい中央で、より広く穴を開けることが必要となる。 もしもシリンダーが正しく加熱されなかったり、水が進入することがあれば、デリケートな バランスが崩れ、ストローク中に詰まり、潜在的には破壊される。

歴史

ユニフロー・エンジンは 1827 年にジェイコブ・パーキンズ (Jacob Perkins) により始めて使用され、 レオナード・ジェネット・トッド (Leonard Jennett Todd) により 1885 年に特許が取られた。 これは 1909 年にドイツの技術者のヨハン・シュトゥンフ (Johann Stumpf) により一般的になった。 最初の商的な固定蒸気エンジンはその前年の 1908 年に製造された。

蒸気機関車

ユニフロー原理は主に産業発電に使用されたが、 イングランドの少々の鉄道機関車でも試行され、 例えば 1913 年のノース・イースタン鉄道 (North Eastern Railway) のユニフロー機関車 No 825 と 1919 年の No 2212、 及びミッドランド鉄道 (Midland Railway) のパジェット機関車 (Paget) がある。 実験はフランス、ドイツ、米国、そしてロシアでも実施された。 どの場合にも、更なる開発に着手することを奨励するものではなかった。

蒸気ワゴン (Steam wagons)

ユニフロー・エンジンの最初の大規模な利用は 1918 のアトキンソン (Atkinson) の 蒸気ワゴンであった。

スキナー・ユニフロー・エンジン (Skinner Uniflow)

ユニフロー・エンジンの最後の商的な発展は 1930 年代と 1940 年代に米国で起き、 スキナー・エンジン会社 (Skinner Engine Company) が複合ユニフロー海洋蒸気エンジン (Compound Uniflow Marine Steam Engine) を開発した。 このエンジンはスティープル複合エンジン (steeple compound) の形状で動作し、 当時のディーゼル・エンジンに近い効率を提供した。 五大湖の多くのフェリー (car ferries) がこれを装備し、この 1 つが現在でも操業している 1952 年の SS バジャー (Badger) である。 カサブランカ・クラス (Casablanca-class) の護衛空母 (escort carrier) -- 歴史上最も多産な空母のデザイン -- は 5 シリンダーのスキナー・ユニフロー・エンジン (Skinner Uniflow) を使用したが、 スティープル複合エンジン (steeple compounde) ではなかった。 複合エンジン (compound) ではないスキナー・ユニフロー・エンジン (Skinner Uniflow) は 2013 年まで五大湖のセメント輸送船 SS セント・メリーズ・チャレンジャー (St Marys Challenger) で 就任したままであった、これは、この船が動力を変更した 1950 年に装着されていた。

小さなサイズ (1000 馬力 (750 kW) よりも小さければ)、 レシプロ蒸気エンジンは蒸気タービンよりももっと効率が高い。 ホワイト・クリフス太陽光発電所 (White Cliffs Solar Power Station、) は 3 シリンダーのユニフロー・エンジンで、 Bash 形式の入力バルブを持つものを使用し、およそ 25 kW の電力を生成した。

訳注
ホワイト・クリフス太陽光発電所の発電は、パラボラで太陽光を集め、これで蒸気を生成して蒸気エンジンを駆動した (1981 年、オーストラリア)。 現在は太陽電池を使用している。
2 ストロークエンジンの自家製変換 (Home-made conversions of two-stroke engines)

単動式 (single-acting) のユニフロー蒸気エンジンの形状 (configuration) は 2 ストロークの内燃エンジンのものに密接に類似しており、 2 ストローク・エンジンで、 点火プラグ (spark plug) のかわりに装着したバッシュ・バルブ (bash valve) を経由する蒸気をシリンダーに供給すれば、 ユニフロー・エンジンに変換することが可能である。 上昇するピストンがストロークの上端に近くなると、バッシュ・バルブを打って開放し、 蒸気パルス (pulse、脈) を受け入れる。 バルブはピストンが下降すると自動的に閉鎖し、蒸気は既存のシリンダー・ポートから排気される。 はずみ車の惰性がピストンをストロークの頂上に押し戻して圧縮し、 これはエンジンの元々の (変換前の) 状態と同じである。 更に変換された装置 (conversion) は元々と同様に自己起動 (self-starting) することがなく、 開始するために外部の力で回転しなければならない。 このような変換装置の実例には 蒸気動力 モペッド (steam-powered moped) があり、これはペダルを踏んで開始する。