機関車の先頭車両はどうして円柱形なのですか

ふと気づいたのですが、機関車の先頭車両は、どれも円筒形をしています。
これには理由があると思うのですが、どういう理由でしょうか？

あの円筒がエンジン部分なのでしょうか？

よろしくお願いします。

No.1 回答者： usapy07 回答日時： 2004/01/13 07:02

蒸気機関車はどうやって走る？

http://www.sekitanland.com/anim/anim_2.html

参考URL：http://www.sekitanland.com/anim/anim_2.html

No.2 回答者： papa-ra-pa 回答日時： 2004/01/13 07:04

熱気を通す管た通っているみたいです

参考URL：http://superexpress999-c571.web.infoseek.co.jp/c …

No.3 回答者： Teleskope 回答日時： 2004/01/13 07:14

機関車とは蒸気機関車のことですね？形が円筒なのは蒸気の圧力（公称値１４気圧）に耐えやすいため。

動力を出す円筒（シリンダ）はそれとは別に動輪の先頭に付いている。ドラム缶に近い大きさ。

No.4 回答者： pen2san 回答日時： 2004/01/13 09:09

蒸気機関車の円筒の長い筒はボイラーと呼ばれ石炭やコークス（最近では豆炭）を燃やして発生した熱を効率良く水に伝える為に進化した物です。

発明当事のボイラーは五右衛門風呂に蓋をした様な格好をしておりましたが、その後効率を上げる為に過熱水蒸気（数百度に熱した水蒸気）を利用する様になり現在の形になりました。
輪切りにすると、数１０本と言った多くのパイプが通っており、そこを何度も通過させる事により燃料の熱を効率良く伝える様になっています。

エンジンは大きな車輪の前の方に付いている筒状の物で車輪とロッドと言われる鉄の棒で繋がっています。通常は左右に一組ありますが、過去には車輪の間にももう一組追加し合計３個のエンジンを搭載した機関車も設計されました。

No.5 回答者： PAP 回答日時： 2004/01/13 09:41

蒸気機関車の円筒部分は前の方から、煙室・ボイラ・火室になっていて、その後は運転室（キャブといいます）です。

さらにその後には石炭と水を積んでいます。（Ｅ１０形蒸気機関車は、ボイラのある側が後になるように設計されていますが、ここでは簡便の為円筒部分を前とします。）

円筒部分のほとんどはボイラで、中に水が入っています。蒸気機関車の後側には石炭が積んであるところがあるのをご存じだと思いますが、そこに大量の水も積んでいます。この水がボイラに導かれます。
一方火室というのは機関助手が後の石炭をくべているところで、ここで石炭を燃やして高温のガス（熱）を発生させます。このガスはボイラ内を多数走っている煙管という細い円筒形の管の中を通って前にある煙室に行き、そこから煙突へと抜けていきます。
ボイラ内にある水は、この煙管の熱によって水蒸気になります。Ｃ１１形蒸気機関車の場合、ボイラ内は１立方センチあたり約１３.５キログラムという圧力がかかっています。温度は約２００℃です。

このように、あの円筒部分のほとんどをしめるボイラ内は高圧になっているので、最も耐圧性能の高い形状である円筒形となっています。スプレーやプロパンガスのボンベが円筒形なのと同じ理由です。
それでも、戦後まもなくの国内が疲弊している状況で、何度がボイラが爆発して機関士が殉職するといった痛ましい事故が起きたこともあります。ただし、現在走行している蒸気機関車のボイラはきちんと整備されているので、爆発する心配はありません。

ボイラでできた蒸気は、ボイラの上に飛び出している蒸気ドームと言うところへ集まります。その蒸気はそのままではすぐに冷えて水に戻ってしまうので、蒸気を通す管で煙室に導かれそこでさらに加熱されます。この管を過熱管といいます。蒸気は過熱管を通って動輪の前方にあるシリンダに至り、ここでピストンを動かします。シリンダと動輪は連結棒でつながっていて、ピストンの往復運動を円運動に変えて機関車を動かします。シリンダは機関車前方の動輪と同じぐらいの高さでぶら下がって、枕木方向の断面がＵ字型をした、動輪につながっている連結棒が突き抜けている部分です。

ということで、広い意味で捉えると全部がエンジンですが、最終的に蒸気を動力に変える部分だとすると、シリンダがエンジンにあたります。

この回答への補足

ていねいな解説していただき感謝します。

他のみなさんにご紹介していただいたHPを見ています。
まず運転室がずいぶんと後ろにありますね。
あれでは前が見えないので、危険ではないでしょうか？
円筒部が先頭である必要性はないと思いました。

円筒部がボイラーだったとは知りませんでした。
機関車トーマスの丸顔の理由がわかりました。
そして水が入っていたのですね。
ところでこの水は循環させればいいわけですから、予備の水は必要ないのではないでしょうか？
意図せず抜けてしまうのですか？
あるいは冷却水の役目を果たすのでしょうか？

円筒部の上部に煙突がついています。
一方で石炭を焚く火部屋は円筒部の後ろにあり、煙突とは距離があります。
煙突から出るのは石炭を燃やした煙だと思いますが、煙もボイラーの中を通り抜けているのはなぜでしょうか？

ボイラーの両端には分厚い板が立ててありますね。
あれはボイラーを守っているのでしょうか？

＞ボイラが爆発して機関士が殉職するといった痛ましい事故が起きたこともあります。

　そんなことがあったのですか。
　いろいろと勉強になりました。
　

補足日時：2004/01/13 20:25

No.6 回答者： pen2san 回答日時： 2004/01/14 09:27

> まず運転室がずいぶんと後ろにありますね。

あれでは前が見えないので、危険ではないでしょうか？円筒部が先頭である必要性はないと思いました。

蒸気機関車の運転は相当神経を使わないと運転出来なかったと聞いております。同じ機種の機関車でも一台一台クセがあって重い貨車を牽引する際や長い上り坂では途中で止まってしまう事もあった様です。
で、運転手（運転士では無い）と機関助手は前方の確認もさることながら、吐き出される蒸気や煙突の煙をたえず監視しながら運転したと聞いています。運転台が一番前にあったら、前を見たり後ろを見たりしながら運転する必要があるのではないでしょうか？そこがボタンやコントローラ一つで運転できる電車との違いだと思います。

> 円筒部がボイラーだったとは知りませんでした。機関車トーマスの丸顔の理由がわかりました。そして水が入っていたのですね。

一般に水を蓄えておく所は石炭が積んである所の底の部分もしくはその近くです。石炭よりも水の消費量の方が多く（積載量も少ない為）、大きな駅では停車時間が長く、そこで水を補給していました。一度の補給で５０Ｋｍくらいは走行できたと記憶しております。石炭の補給は１５０Ｋｍくらいだったでしょうか。

> ところでこの水は循環させればいいわけですから、予備の水は必要ないのではないでしょうか？意図せず抜けてしまうのですか？あるいは冷却水の役目を果たすのでしょうか？

水を高温の水蒸気にして熱エネルギーを与え、ピストンに送り込んだ後は循環させないで外部に捨てていました。再利用しなかったのは外に捨てた方が温度差が大きく熱変換効率が良かったのと、水にしろ石炭にしろ安かったのが理由ではないでしょうか。再利用しようとするとその設備の重量と場所が負担になります。

> 円筒部の上部に煙突がついています。一方で石炭を焚く火部屋は円筒部の後ろにあり、煙突とは距離があります。煙突から出るのは石炭を燃やした煙だと思いますが、煙もボイラーの中を通り抜けているのはなぜでしょうか？

火室で発生した高温の空気（？）と煙は全て煙突から排出されます。火室から煙突までの距離が遠ければ水を温めるパイプとの接触面積(接触時間）が多くなり効率良く熱が伝わります。
煙＝高温の空気（？）で、煙に含まれている高温の空気を利用している訳です。

> ボイラーの両端には分厚い板が立ててありますね。あれはボイラーを守っているのでしょうか？

排煙板と呼びます。
排煙板で走行の際上昇気流を発生させ、煙が運転台や客車に流れて来ない様にしています。

この回答へのお礼

詳しい回答ありがとうございます。

　蒸気機関車の運転手は煙の様子を確認しながら運転していたとは知りませんでした。
　煙の様子で内燃機関の状態を把握していたわけですね。
　
　不思議だと思っていたことが、とても合理的なものだと理解できました。
　石炭の投入方法は手作業だったと思いますが、あれはもっと効率のよい投入方法がなかったのかと思います。
　レバーを引けば自動的に投入されるような仕組みはなかったのでしょうか。

＞同じ機種の機関車でも一台一台クセがあって重い貨車を牽引する際や長い上り坂では途中で止まってしまう事もあった様です。

　機械に対して愛着が湧く由縁ですね。
　SL人気の一端を知ることができました。
　どうもありがとうございました。

お礼日時：2004/01/14 10:39

No.7 ベストアンサー 回答者： PAP 回答日時： 2004/01/14 11:10

＃５のＰＡＰです。

運転室（キャブ）がうしろにあるうえ前方を監視する窓も小さいので視界がきかず、線路上に障害物（倒木など）があっても発見しづらく危険です。
さて、経験があると思いますが、火を燃やす為には空気の流れというのが非常に重要です。列車で一番空気の流れのいい所は一番前ですので、そこに煙突を持ってくるのが合理的です。このため運転室はうしろになってしまいました。ただ、トンネルなどでは列車に煙がまとわりつき、キャブの中はとんでもない状況になることが多々あるので、機関士さんたちは大変な苦労をしていました。
先の回答で書いたＥ１０型蒸気機関車だけは運転室が前方になるような設計ですが、これは峠の上り下りだけに使うという特殊用途で設計されたためです。

煙と水蒸気の経路は、煙が火室→煙管→煙室→煙突で、水蒸気はボイラ→蒸気ダメ→過熱管→シリンダ→煙室→煙突です。水蒸気については機関士が圧力調整の為に途中で抜くこともできます。発車の時などにシリンダ周りから勢いよく蒸気が出ているのを見たことがあるのではないでしょうか。
煙突からは煙だけでなく水蒸気もでています。もったいないような感じもしますが、蒸気が煙室を通って煙突から勢いよく放出されることで、火室側から煙突側への空気の流れができ、これが石炭を勢いよく燃やすのに役立っています。

煙突の脇に立っている板は除煙板（デフ）といって、空気を後に流れやすくする為のものです。ここでも空気の流れが関係しています。このデフは入れ替えや高速で走行しない機関車などには付いていない物もあります。また、地理的条件もあるのでしょうが、国鉄の各工場でいろいろ工夫したかたちの物が考案されて取り付けられていますので、何種類かのかたちがありますが、機能は同じです。ちなみに、このデフのある部分が煙室で、そのうしろがボイラといった感じとなります。

No.8 回答者： triones 回答日時： 2004/01/14 22:19

回答じゃありません、便乗質問です。

（いいのかなぁ？）
このスレッド（？）、大変興味深く読ませて頂きました。

一つ、びっくりしたのはpen2sanさん、PAPさんの御回答で、
蒸気機関車の蒸気機関は、一回シリンダーを動かした
蒸気は、そのまま捨ててしまう！ってとこです。

確か、大昔のニューコメン蒸気機関はこうなってたのを
ジェームズ・ワットが復水器をつけて効率が上昇した、
と言うようなのを読んだ記憶があります。

蒸気機関車のエンジンって、ジェームズ・ワット以前
のしろものなんですね。

No.9 回答者： Teleskope 回答日時： 2004/01/16 02:57

No8さん一問ずつ別に立てた方が回答つきやすいのでは。

No.10 回答者： pen2san 回答日時： 2004/01/16 05:35

発明当時の蒸気機関は飽和水蒸気（１００℃程度で、使用後はすぐ水に戻る）を使っていましたが、近代の（？）蒸気機関車は加熱水蒸気（３００℃だか４００℃だか）を使用しております。

それと、加圧量が異なっている事が大きな違いで、効率が当時の物とは全く異なります。
蒸気エンジンで最も問題なのはピストン内で水蒸気が水に戻る事で、水蒸気（気体）は２０倍程度に圧縮しても問題ありませんが、水（液体）をそこまで圧縮するとピストンが壊れてしまいます。

蒸気機関車が発車する際、「シュッシュ」と先頭の両側から白い湯気が勢い良く吐き出されますが、あれはピストンの中に溜まった水（液体）を吐き出している訳で、決して格好良く走る為ではありません（笑）。

また、復水器を付けると復水器で消費する圧力（１.数気圧）がありますが、外部に捨てると１気圧であり、その分効率が上がります。
熱機関の原理から言うと温度差が大きいほど効率が良くなります。