Ctesibius' 力ポンプの製作 — 最初の複動ピストンポンプ

複動式フォースポンプは、並列で逆位相に動作する2つのシリンダーを備えています。これらをシリンダーAとシリンダーBと呼びます。ピストンAが下降する（吐出行程）とき、Aの吸入弁が閉じ（水源への逆流を防止）、Aの吐出弁が開いて（水を共通の吐出管へ送り出す）、同時にピストンBが上昇する（吸入行程）とき、Bの吸入弁が開いて（水源からシリンダーBへ水を吸い込む）、Bの吐出弁が閉じて（吐出された水がシリンダーBへ逆流するのを防止）します。戻り行程では、AとBの役割が入れ替わります。

その結果、吐出口では運転ビームの半行程ごとに水が送り出され、ほぼ連続的な流れが得られます。逆止弁は最も重要な部品です。どちらかの吸入弁が漏れる（吐出行程で逆流を許す）と、シリンダーは呼び水を失い、水ではなく空気を送り出すようになります。どちらかの吐出弁が漏れると吐出圧力が低下し、吸入行程中に流れが逆転します。4つの逆止弁はすべて、シリンダー本体と同等の注意を払って製作してください。

シリンダーは、ピストンシールが効果的に機能するよう、滑らかで均一な内径を持つ必要があります。青銅（銅と錫の合金で、通常は質量比で銅88～90%、錫10～12%）が適切な材料です。耐食性があり、ほぼ最終形状に鋳造でき、中ぐしと刮削によって内面を滑らかに仕上げることができます。各シリンダーは、内径約5 cm、長さ20 cm、肉厚1.5 cmの厚肉の管として鋳造してください。ポンペイのポンプでは、直径約4～5 cmのシリンダーが使われており、毎分60ストロークで毎分5～10リットルの実用的な流量を得るのに十分な大きさでした。

鋳造後は、スクレーパー刃を取り付けた硬木製の中ぐしバーを使い、弓ぎりまたは手ブレースで駆動して、シリンダー内部を滑らかに仕上げます。長いストロークで中ぐしバーを動かし、オリーブ油で潤滑しながら、内部に置いた炎の光に穴やすじが見えなくなるまで加工してください。内径の真円度は栓ゲージ（目標内径より0.5 mm小さい旋盤加工の青銅棒）で確認します。ガタつかず自由に滑り込めば合格です。

各ピストンは、シリンダー内径との間に0.5～1 mmのクリアランスで嵌合しなければなりません。これは、革製パッキンで隙間をシールできる程度に密着し、かつ熱膨張や内径のわずかな不整によって固着しない程度に緩やかである必要があります。実際のシリンダーをゲージとして常に確認しながら、ピストンを旋盤または鑢で、シリンダーにぴったり合うまで仕上げます。ポンペイのポンプのピストンは、高さ約3 cmのブロンズ円板で、上方の操作梁とは鉄製の連接棒で接続されていました。

各ピストンの外周面、上端から約1 cmの位置に、幅5 mm×深さ5 mmの周溝を機械加工します。この溝は、ピストンとシリンダー内径との隙間をシールする革製パッキンを受け入れるためのものです。厚さ2 mmの厚手の植物タンニンなめし革を、長さはピストン外周とちょうど同じ長さに、幅8 mmに切り出し、柔軟にするためにオリーブ油に30分間浸します。その後、それを溝に押し込みます。油で膨潤した革が溝を満たし、シリンダー内径に接触して、圧力を保持する摺動シールを形成します。

各逆止弁は、中央に直径1.5 cmの穴が開いた青銅円板（弁座）と、その穴を片側から覆うように配置された、直径2 cm・厚さ1 mmのやや大きい青銅円板（弁板）で構成される。座の下側から圧力がかかると弁板が持ち上がり、流れを通す。圧力が逆になると、弁板が座穴に密着して逆流を止める。弁座と弁板は、細かい研磨剤ペースト（オリーブ油に混ぜた粉末状のエメリー）を使って共摺り（研磨し合わせる）し、ろうそくにかざしたときに目に見える光の隙間がない、平面同士の密着シールになるようにしなければならない。

別の方法として、ボール式逆止弁を使うこともできる。座穴よりわずかに大きい青銅または鉄製のボール軸受を、座の上方の保持かごに緩く収める。ボールは重力と逆圧によって座に落ち、穴を密閉する。順方向の圧力がかかるとボールは座から持ち上がる。ボール弁は弁板式より製作が簡単で、固着しにくい。ポンペイのポンプは、弁板式に似た揺動板弁を使用していた。

各シリンダーには2つのバルブハウジングが必要です。下部には吸入逆止弁(吸入行程で水源からシリンダー内へ水を引き込む)、上部には吐出逆止弁(吐出行程で共通出口へ水を送り出す)を取り付けます。吸入側のバルブハウジングは、水源に浸漬された水中吸入管または吸込管に接続します。吐出側のバルブハウジングは、排出箇所へ通じる共通出口管に接続します。

バルブハウジングは青銅で鋳造またははんだ付けし、シリンダー端部へはねじ接続または圧入接続とします。吸入接続部は下向きまたは横向きとし、吐出接続部は上向きにして、両シリンダーの上方にある共通出口マニホールドに接続します。逆止弁は向きを正しくしてハウジングに装着してください。吸入逆止弁を逆向きに取り付けると(逆流を止める代わりにシリンダーへの流入を遮断してしまう)、最も多い組み立て誤りとなり、他の部分が正しく作られていても水が全く送られないポンプになってしまいます。

共通吐出マニホールドは、両方の吐出逆止弁からの加圧された吐出流を受け、それを単一の吐出管に合流させる青銅製の箱です。また、空気室（「脈動ダンパー」）としても機能します。マニホールド内の密閉された空気だまりは、各ピストン行程で吐出圧が上昇すると圧縮され、吸入半行程で膨張します。これにより圧力変動が平滑化され、より安定した流れが得られます。この空気クッションがなければ、流れは行程ごとに急増し脈動します。

マニホールドは、1つのシリンダーの掃引容積（ピストン面積に行程長を乗じたもの）にほぼ等しい内容積を持つように鋳造してください。時間の経過で水で満たされた場合に空気クッションへ空気を再充填できるよう、上部に取り外し可能な栓を設けてください。2つのシリンダーの吐出弁はマニホールドの下部に接続し、吐出管は一方の側面に接続します。吐出流を制限しないよう、吐出管の内径はシリンダーボア径以上としてください。

操作ビームは、中央で支柱（支点）に枢支された水平のてこであり、ビームの両端にはそれぞれピストンロッドが接続されている。ビームの一端が下がると（一方のピストンを押し下げる）、もう一端が上がる（もう一方のピストンを引き上げる）。このシーソー運動により、2つのシリンダーは正確に逆位相で駆動される。すなわち、ピストンAが吐出行程の最下点にあるとき、ピストンBは吸入行程の最上点にあり、その逆もまた同様である。ビームは、たわむことなくポンプの全推力を伝達できるだけの剛性を持たなければならない。

ビームは、断面がおよそ5 cm × 8 cmの直目のオーク材で作り、目的のストローク長を得られる長さにする。ピストンのストロークが10 cmの場合、ビーム端は垂直方向に10 cm移動しなければならない。支点から端までの半長が60 cmであるとき、端の垂直移動10 cmには arcsin(10/60) ≈ 10° の角度回転が必要であり、これは手動操作にとって無理のない角度である。ビームは、2つのシリンダーの上方かつ中間に取り付けた硬木または青銅製の支点ブラケットに通した青銅ピンで枢支する。

各ピストンは、直径約1cmの鉄製ピストンロッドで、対応するビーム端に接続されます。ロッドは押し力（吐出行程時）と引き力（吸入行程時）の両方を伝達しなければならず、そのためロッドは交互に引張と圧縮を受けます。したがって、両端の接続は確実なものでなければなりません（接触の維持を重力のみに頼ってはなりません）。ロッドの上端は、ビーム端を通す鉄製のクレビスピンでビームに固定します。ロッドの下端は、ピストン冠面に開けた穴を通すクロスピンでピストンに固定します。

ピストンロッドは、シリンダ内径と正確に垂直に揃えなければなりません。角度のずれがあると側方荷重が生じ、ピストンがシリンダ壁に押し付けられて摩擦が増し、皮革パッキンの摩耗が早まります。ビームを中間位置にした状態で、ピストンをロッドに付けたままシリンダ内に下ろして確認してください。ロッドはシリンダ壁に触れることなく鉛直に垂れ下がる必要があります。鉛直が得られるまで、ビームの支点位置またはシリンダの取付位置を調整してください。

入口弁ハウジングを、水源につながる共通の吸水管（または個別の吸水管）に接続してください。吸水側に空気漏れがあると、ピストンは水ではなく空気を吸い込んでしまい、呼び水が失われます。どのピストンポンプの理論上の最大吸上げ高さも10.3メートル（大気圧が水柱を支える高さ）ですが、実際に信頼できる限界は、革製パッキンのピストンと、機械加工された金属ではなく松ヤニで密封された継ぎ目を使用した場合、5〜6メートルです。

初回運転の前に呼び水を行ってください。各シリンダー上部の取り外し可能な栓から注水し、シリンダーと弁ハウジングを完全に水で満たします。この呼び水の水が液封を作り、逆止弁が機能し、ピストンが吸引圧力を生じられるようになります。呼び水をしないと、ピストンは空気を効果なく圧縮・膨張させるだけで、水を汲み上げることなく空気を出し入れするだけになります。全速での運転に入る前に、最初の20ストロークはてこをゆっくり手動で動かし、空気の泡を出口から排出させてください。

毎分60ストローク（ロッキングビームの完全サイクル30回）、ストローク10 cm、内径5 cmの場合（1ストロークあたりの掃引体積 = π/4 × 5² × 10 = 196 cm³ ≈ 0.2リットル）、理論流量は 0.2 × 30 × 2シリンダー = 毎分12リットルとなる。バルブの漏れ、ピストンのバイパス、配管の摩擦により、実際の流量は理論値の70～80%になると見込まれ、毎分8～10リットルが期待される。これはローマの消防用途と一致する。毎分10リットルは、直径1.5 cmのノズルから0.5～1バールのゲージ圧で送出された場合、十分に強力な放水である。

ポンプが出口マニホールドに取り付けた垂直の開放管にどの高さまで水を押し上げられるかを測定して、送出圧力を試験する。毎分10リットルの流量と5メートル（0.5バール）の送出水頭は、約8ワットの水力出力に相当する。現代の基準では控えめだが、重量がおよそ15～20 kgのコンパクトな手動式装置で、一人で操作できる点で達成されたものである。ローマの消防用装置（シフォ）では、より高い流量を得るために、ビーム側に二人の操作者が付いていた。

革製ピストンシールは、最も保守作業を要する部品です。革製パッキンは、水から出して乾燥させると収縮して硬化し、シール性能が失われます。ポンプを1週間を超えて停止させる場合は、乾燥を防ぐため、保管前に革製シールを亜麻仁油または動物性脂肪に浸してください。再稼働時には、ポンプを始動・運転する前に水中に30分間再浸漬してください。革がシール寸法まで膨潤し直すために時間が必要です。

チェックバルブのラッピング（弁座と弁フラップの接合面の再研磨）は、年に1回、または吐出量が試運転時の性能より25%を超えて低下した場合はいつでも実施してください。バルブハウジングの栓を外し、バルブフラップを取り出して、弁座とフラップを細かいエメリーペーストで一緒に研磨します。接合面の全周にわたって、均一な灰色の接触パターンが現れ、明るい（非接触の）部分がなくなるまで行ってください。適切にラッピングされたチェックバルブは、1バールの背圧を漏れなく保持できます。ベローズで空気圧をかけ、石けん水を用いて接合部に気泡がないことを確認して試験してください。

ローマのヴィギレス（消防隊）は紀元6年頃にアウグストゥスによって設立され、ローマの14の行政区にまたがる7個のコホルスに配置された。各コホルスは車輪付きの荷車に据え付けられた数基のシフォ（クテシビオス式の押し上げポンプ）を備え、最寄りの貯水槽や水道の取水点からバケツリレーで水を供給された。歴史記録には、一階部分の火災に向けて放水できるポンプが記されており、ノズルを通して水を4〜5メートル持ち上げるのに十分な作動圧力があったことを示唆している。これは本設計図の設計パラメータとも一致する。

現在ナポリ国立考古学博物館に所蔵されているポンペイのポンプ（目録番号75202）は、最も保存状態の良い例である。内径4.2cm、ストローク18cmの青銅製シリンダー2本を備え、両端のハンドルで操作される揺動梁を持つ。現存するポンプの重量は約12kgで、一人の人間が汲み上げる速度で毎分約7〜8リットルを送水できたと考えられる。人口が密集したインスラ（集合住宅）におけるローマの慢性的な火災リスクにより、押し上げポンプは、それに水を供給した水道橋と同じくらい都市インフラにとって重要であった。