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Line shaft - Wikipedia

英和辞書を見れば、プーリー (pulley) の訳語は「滑車」とありますが、 日本語では「滑車」は重量物を持ち上げる装置のことを指すことが多いので、 プーリーを「滑車」と訳さず、カナ表記しました。 以下のプーリー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するほど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、 そこから無数に多くの機械に動力を供給するのがライン・シャフトです。だから原理としては水力ミルと同じになる。 ライン・シャフトを設置するのが ミルライトです。ミルライトは水車大工ではない。 工場で、平面的に広げて動力を伝達すると、ロスが生じます。 そのため中央の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。後世の電動の工場 (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 階建てにすることが 普通になり、これが水力や蒸気動力の工場と、電気を動力とする工場の基本的な外見の違いとなります。 このような多層工場は工場全体が動力の負荷を支えていると考えられ、工場全体を一つの機械とみなすことができる。

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、ヨーロッパでは中世中頃からあるものです。 英国産業革命の時に、このミルに木綿の繊維工場 (水力ミル、木綿ミル) が含まれることになり、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)] によっています。

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。ミル (mill) を『動力源が一ヶ所にある工場』と定義することもできますが、 これは日本人向けの定義となります。(英語ではミルとファクトリーは工場を表す別々の言葉なのでこの定義自身が意味を持ちません。)

ライン・シャフト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 世紀初頭に至るまで広範に使用された。 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仕事場中の、あるいは産業複合施設内の (無数の) 機械に動力を伝えるためにライン・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)

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親のライン・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に付いているプーリーに動力を伝達するか、後続のライン・シャフトに動力を伝達する。 製造業の場合には同じ仕事を実行する多くの機械があり、システムのデザインは随分規則的で、繰り返しがあった。 他の応用では、例えば機械作業場や木工作業場では、 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、 シャフトの向きが違い、プーリーのサイズも違うこととなり、 システムが間違いで、両立しないかのように思われた。 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つるされていた。 間隔はシャフトの重さとプーリーの重さに依存していた。 シャフトは向きをそろえる必要があり、そうでないとストレスがベアリングをオーバーヒート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はベアリングが凍結したり、誤動作しないようにすることが要求された。

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ループ状のロープによっていた。 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。 平らなプーリー、あるいはドラムの上の平らなベルトが 19 世紀から 20 世紀初頭にかけて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、ワイヤーで締めるか、重ね継いでノリを使用するか、 あるいは幾つか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がプーリーの向きになるようにして走った。 ベルトは定期的に洗浄し、良好な状態にする必要があった。 ベルトはしばしば支持部ごとに 180 度ひねって、受け取りプーリーで逆向きにし、 第 2 のシャフトが逆向きに回転するようにした。

プーリーの材料は木、鉄、鋼、あるいはこれらの合成であった。 異なるサイズのプーリーが回転速度を変えるために連動して使用された。 例えば 100 rpm の 40 インチのプーリーは 200 rpm の 20 インチのプーリーを動かした。 シャフトにしっかりと接続されたプーリー (固定プーリー、fixed 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) を取り付けることもできた。(これをアイドラーと呼ぶ。) この配置ではベルトは (空回りプーリーを使用して) 動力の伝達を停止したり、固定プーリーを使用して動力を伝達することもできた。 この配置は機械の近くで使用され、機械が使用されていない時に機械を停止するための方法として提供されていた。 通常、動力を供給する最後のベルトには段付きのプーリーが使用され、 機械に色々な速度を提供するために使用された。

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される。空回りプーリー
(アイドラー) により機械が孤立して停止する。-- これは
速度変更に必要である。段付きプーリー (左) により、
工作機械 (表示されていない) に 3 段階の速度が提供され、
ベルトでどのプーリーを接続するかに依存する。

時には、速度変更のためにシャフト間でベルト及び異なるサイズの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。

• マサチューセッツ州ローウェルにある サフォーク・ミルズ (Suffork Mills) の 水力タービンからライン・シャフトへの動力伝達の動画
• マサチューセッツ州ローウェルのブート・ミル群にある ライン・シャフトから動力織機への動力伝達の動画

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、本当に十分に発達したのは 19 世紀初頭の産業化と共に現れた。 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のローウェル (Lowell) でポール・ムーディ (Paul Moody) は水車から走っているメイン・シャフトからの動力伝達に金属の歯車の代わりに皮のベルトで置き換えた。 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の製造をしており、 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、 織機などの機械への動力伝達の改良が必要であり、これを彼らがしようとした。 平ら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、それまでは普通であったドライブ・シャフトと付随する歯車につきものの 摩擦による損失が少なくなり、騒音とエネルギーの損失が少なくなったことである。 保守も単純で、安くなり、動力の配置に、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損失につながらなかったからである。 これらのシステムはロープ駆動の方法で取って変わられた。

19 世紀の終わりには工場によっては 1 つの建物の中に 1 マイル以上ものライン・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 「動力ビルディング」 ("power building") が建設された。 動力ビルディングでは中央の蒸気エンジンを使用して、ライン・シャフトによりすべての賃貸された部屋に動力を提供した。 動力ビルディングは電化初期の時代にも建設され続け、電動モーターで駆動されるライン・シャフトを使用した。

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。 まもなくボールドウィンは電動に変換し、労力と建物空間で随分と節約できた。

1900 年代初頭の工場の電化により、多くのライン・シャフトは電動駆動になった。 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、 ラインシャフトとミルワークを駆動した。 1900 年以後、より小さな産業モーターが利用可能となり、 大半の新しい設備では個々の電動モーターを使用した。

製紙機械を駆動するためには、 速度制御の理由から蒸気タービンの動力を使用するライン・シャフトが普通に使用されたが、 電動モーターの精密速度制御の経済的な方法が 1980 年代に利用可能となった。 これ以来、多くが部門ごとの電動駆動で置き換えられた。 電動モーターを使用した経済的な可変速度制御は、シリコン制御の整流器により可能となり、 整流器が直流電流を生成し、直流電流を必要とされる周波数の交流電流に インバータで変換し、 これがモーターを駆動する。(これで精密速度制御が可能となった。)

大半のシステムは 20 世紀中頃に任務から離れ、21 世紀には比較的少数が残り、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あるいはユニット駆動と比較すると、 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し、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た。
• 連続する騒音。
• 保守費用が高い。
• システムはもっと危険である。
• 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・シャフトはミルワークの多くの場所をとる。 ボールドウィン機関車工場 (Baldwin Locomotive Works) は電動の場合よりも 40% 多くの場所をとると見積もっている。
• シャフトとベルトは：照明、オーバーヘッド・クレーン、排気管の邪魔になる。
• システムの向きは長いシャフトの場合には危機的で問題が多い。 長いシャフトは伸びたり縮んだりし、静かになったり振動したりする。
• ベルトはほこりを出しやすく、連続的に空中に (ほこりを) 浮遊させる。
• オイルが頭上のシャフトからたれ落ちる。
• 電動モーターに変更した会社は随分と病欠が少なくなった。
• 電動モーターに変更し同じ装置を使用していれば、随分と生産が増えた。

ライン・シャフトの距離と摩擦の制限を克服するために、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現実的な方法であった。 これらは間隔を広くあけた直径の大きなホイールを使用し、ライン・シャフトより摩擦による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現実的な小さな動力を供給するために中央方式の水圧 (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動力もあった。

ベルパー (Belper) のノース・ミルは、 ジェディダイア・ストラット (Jedediah Strutt) が所有した水車動力による 木綿工場で、 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 (Ellenroad Ring Mill)、 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、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 (Queen Street Mill)、バーンリー (Burnley)、 ライン・シャフトにより 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、製粉所)
• ストット・パーク糸巻き工場 (Stott Park Bobbin Mill)、イングランド、カンブリア
• ティーズ・コッテージ揚水所 (Tees Cottage Pumping Station)、イングランド、カウンティ・ダラム、 ダーリントンの近く -- (元々の保守作業場が可動状態で完備)
• ウェールズの国立スレート博物館 (National Slate Museum)、 元々の装置が、英国本土で最大の稼働水車で駆動されるライン・シャフトでなお動力を与えられている。

米国

• オースティン・オルガンズ (Austin Organs)、コネチカット州ハートフォード
• 巡洋艦オリンピア (Cruiser Olympia)、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 (East Broad Top Railroad and Coal Company)、 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 (Empire Mine State Park machine Shop)、カリフォルニア州グラス・バレー -- (??? - 工具)
• ハグリー博物館 (Hagley Museum)、デラウェア州ウィルミントン (Wilmington)
• ハンフォード・ミル博物館 (Hanford Mills Museum)、 ニューヨーク州イースト・メレディス (East Meredith) -- (可動 -- 製材所、製粉所、木工所)
• クリーゲル風車工場博物館 (Kregel Windmill Factory Museum)、 ネブラスカ州ネブラスカ・シティー (可動な風車工場)
• ロングリーフ材木会社/サザン・フォレスト歴史遺産博物館、 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)、 グレート・スモーキー・マウンテンズ国立公園 (Great Smokey Mountains National Park)、サウスカロライナ州 -- (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 (Havre de Grace) -- 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 (Sierra Railroad Shops/Railtown 1897 State Historic Park)、 カリフォルニア州ジェームス・タウン -- (可動 -- 工具、鍛冶屋作業場)
• スレーター・ミル歴史遺跡 (Slater Mill Historic Site)、ロードアイランド州ポータケット (Pawtucket) -- (???)
• 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 -- (??? - 工具)
• 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 -- 機械作業場)

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 -- (工具 (machine tools))
  訳注

  スミソニアン博物館の Arts and Industries Building のことを 芸術産業館と訳されることが多いですが、これは誤訳と思われます。 art には 「芸術」以外に 「技術」の意味があり、こちらの方が正確な訳です。大体、ここのライン・シャフトが 工具のためのものであることを考えれば自動的にはっきりする。 英国あるいは米国の産業革命の時に複数形の arts は技術を意味していることが多く、 school of arts は技術学校の意味で、 機械工協会と同じ意味です。 (機械工協会の本文の冒頭の訳注を参照のこと。) このような言葉の使用法は、この時代には技術 (technology) のような言葉が一般的に使用されていなかったことによっていると思われます。
• ホワイト・リバー峡谷古代協会 (White River Valley Antique Association)、 インディアナ州エルノーラ (Elnora) -- (機械工具、木工工具)
• デントン農業公園、ニューコネチカット州デントン (Denton) -- (機械工具)
• シンシナティー歴史博物館、オハイオ州シンシナティー -- (機械工具)
• ハグリー博物館・図書館 (Hagley Museum and Library)、 デラウェア州ウィルミントン (元々のデュポン火薬ミル) -- 機械工具
• 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 -- (機械工具)
• モーリー・キャザリン鉱山 (Molly Kathleen Mine), クリア川 (Clear Creek)、コロラド州 -- (製材所)
• ブート・ミル群 (Boott Mills)、マサチューセッツ州ローウェル (Lowell) -- (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、メリーランド州イーストン (Easton) -- (機械工具)
• 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 -- (機械工具)
• デントン農業公園 (Denton Farmpark)、ノースカロライナ州デントン -- (機械工具)
• 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、機械工具)

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 (ルームのミルを参照) 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。