エレベーターの仕組み

油圧エレベーター

エレベーターの概念は信じられないほどシンプルです。エレベーターは昇降システムに取り付けられた単なるコンパートメントです。ロープを箱に結び付けると、基本的なエレベーターが完成します。

もちろん、現代の旅客用および貨物用エレベーターはこれよりもはるかに精巧です。かなりの重量のエレベータかごやその荷物を扱うには、高度な機械システムが必要です。さらに、乗客がエレベーターを操作できるように制御機構が必要であり、すべてがスムーズに動作するように安全装置も必要です。

今日一般的に使用されている 2 つの主要なエレベータ設計があります。それは、油圧エレベータとロープ式エレベータです。

油圧エレベータ システムは、シリンダ内に取り付けられた流体駆動のピストンである油圧ラムを使用してかごを持ち上げます。

シリンダーは流体ポンプ システムに接続されています (通常、このような油圧システムではオイルが使用されますが、他の非圧縮性流体も使用できます)。油圧システムは 3 つの部分から構成されます。

ポンプはタンクからシリンダーにつながるパイプに流体を送り込みます。バルブが開くと、加圧流体は最も抵抗の少ない経路を通り、流体リザーバに戻ります。しかし、バルブが閉じていると、加圧流体はシリンダー内以外に行く場所がありません。流体がシリンダー内に集まると、ピストンが押し上げられ、エレベータかごが上昇します。

かごが正しい階に近づくと、制御システムは電気モーターに信号を送り、ポンプを徐々に停止します。ポンプがオフになると、シリンダーに流体が流れ込むことはなくなりますが、既にシリンダー内にある流体は逃げることができません (ポンプを通って逆流することはできず、バルブは閉じたままです)。ピストンは流体の上に載っており、車はその場に留まります。

かごを下げるために、エレベータ制御システムはバルブに信号を送信します。バルブは基本的なソレノイドスイッチによって電気的に操作されます (ソレノイドの詳細については、「電磁石の仕組み」を参照してください)。ソレノイドがバルブを開くと、シリンダー内に溜まった流体が流体リザーバーに流出します。車と荷物の重量によってピストンが押し下げられ、液体がリザーバー内に押し込まれます。車は徐々に下がっていきます。かごをより低い階に停止するには、制御システムが再びバルブを閉じます。

このシステムは非常にシンプルで非常に効果的ですが、いくつかの欠点があります。次のセクションでは、油圧を使用することの主な欠点を見ていきます。

油圧の長所と短所

油圧システムの主な利点は、ポンプの比較的弱い力を簡単に増幅して、エレベータかごを持ち上げるのに必要なより強い力を生成できることです (方法については、 「油圧機械の仕組み」を参照してください)。

しかし、これらのシステムには 2 つの大きな欠点があります。主な問題は装置のサイズです。エレベータかごが高層階に到達できるようにするには、ピストンを長くする必要があります。車が最下階にあるときにピストンが完全に折りたためる必要があるため、シリンダーはピストンよりも少し長くする必要があります。つまり、階数が増えるとシリンダーが長くなります。

問題は、シリンダー構造全体を最下部のエレベーター停止の下に埋めなければならないことです。これは、高層ビルを建てるほど、より深く掘る必要があることを意味します。これは数階建て以上の建物を伴う高価なプロジェクトです。たとえば、10 階建ての建物に油圧エレベーターを設置するには、少なくとも 9 階分の深さを掘る必要があります。

油圧エレベーターのもう 1 つの欠点は、効率がかなり低いことです。エレベータかごを数階まで上昇させるには多大なエネルギーが必要ですが、標準的な油圧エレベータではこのエネルギーを蓄える方法がありません。位置エネルギー(位置エネルギー) は、流体をリザーバーに押し戻すためにのみ機能します。エレベータかごを再び上昇させるには、油圧システムが再度エネルギーを生成する必要があります。

ロープ付きエレベーターの設計は、これらの問題の両方を回避します。次のセクションでは、このシステムがどのように機能するかを見ていきます。

ケーブルシステム

最も人気のあるエレベーターの設計はロープ式エレベーターです。ロープ式エレベーターでは、かごは下から押すのではなく、牽引鋼製ロープによって昇降します。

ロープはエレベータかごに取り付けられ、シーブ( 3 ) の周りに巻き付けられます。シーブは、周囲に溝のある単なる滑車です。シーブはホイストロープを掴んでいるので、シーブを回転させるとロープも動きます。

シーブは電動モーター（ ２ ）に接続されている。モーターが一方向に回転すると、滑車がエレベーターを上昇させます。モーターが逆回転すると、滑車がエレベーターを下げます。ギアレスエレベーターでは、モーターがシーブを直接回転させます。ギア付きエレベーターでは、モーターが歯車列を回転させ、滑車を回転させます。通常、シーブ、モーター、および制御システム( 1 ) はすべて、エレベータ シャフトの上の機械室に収容されています。

かごを持ち上げるロープは、シーブの反対側に吊り下げられたつり合いおもり( 4 ) にも接続されています。カウンターウェイトの重量は、40% の積載量を満たした車両とほぼ同じです。言い換えれば、車が 40% (平均的な量) 充填されている場合、カウンターウェイトと車のバランスは完全に取れています。

このバランスの目的はエネルギーを節約することです。滑車の両側に等しい荷重がかかると、ほんの少しの力で天秤をどちらかの方向に傾けることができます。基本的に、モーターは摩擦を克服するだけで済みます。反対側の重量がほとんどの仕事を行います。言い換えれば、バランスはシステム全体の位置エネルギーレベルをほぼ一定に維持します。エレベータかご内の位置エネルギーを使い切る (地面に降下させる) と、おもりの位置エネルギーが蓄積されます (おもりはシャフトの最上部まで上昇します)。エレベーターが上がるときも逆に同じことが起こります。このシステムは、両端に同じように重い子供がいるシーソーのようなものです。

エレベータかごおよびつり合いおもりは両方とも、エレベータシャフトの側面に沿ったガイドレール（ ５ ）上に載っている。レールはかごや釣合おもりの前後の揺れを防ぎ、緊急時には安全装置と連動してかごを停止します。

ロープ式エレベーターは油圧式エレベーターよりもはるかに多用途であり、効率も優れています。通常、より多くの安全システムも備えています。次のセクションでは、何か問題が発生した場合に、これらの要素がどのように機能して、地面に落ちないようにするかを見ていきます。

安全システム

ハリウッドのアクション映画の世界では、ホイストロープが真っ二つに折れて、車と乗客がシャフトに突き落とされることも珍しくありません。実際には、このようなことが起こる可能性はほとんどありません。エレベーターには、エレベーターを所定の位置に保持するための複数の冗長安全システムが組み込まれています。

防御の第一線はロープ システムそのものです。各エレベーター ロープは、いくつかの長さの鋼材を互いに巻き付けて作られています。この頑丈な構造により、1 本のロープだけでエレベータかごと釣合おもりの重量を支えることができます。しかし、エレベーターは複数のロープ (通常は 4 ～ 8 本) で構築されています。万が一、ロープの1本が切れた場合でも、残りのロープがエレベーターを支えます。

たとえすべてのロープが切れたり、滑車システムがロープを解放したりしたとしても、エレベータかごがシャフトの底に落ちる可能性は低いです。ロープ式エレベーターかごには、かごがあまりにも速く移動するとレールにつかまるブレーキ システム (安全装置)が組み込まれています。

次のセクションでは、内蔵ブレーキ システムについて検討します。

安全システム: 安全装置

エレベーターの動きが速すぎると、ガバナーによって安全装置が作動します。ほとんどのガバナ システムは、エレベータ シャフトの上部に配置されたシーブの周囲に構築されています。調速機ロープは、調速機シーブとシャフトの底部にある別の加重シーブの周りに巻き付けられます。ロープはエレベータかごにもつながっており、かごが上昇または下降するときにロープが動きます。車がスピードを上げると、ガバナーもスピードを上げます。

ガバナの回転運動が増大すると、遠心力によってフライウェイトが外側に移動し、スプリングが押されます。エレベータかごが十分な速度で落下すると、遠心力が十分に強くなり、フライウェイトの端がガバナの外縁まで押し込まれます。この位置で回転すると、フライウェイトのフック付き端がシーブを囲む固定シリンダーに取り付けられたラチェットを掴みます。これはガバナーを止めるために機能します。

ガバナ ロープは、レバー リンク機構に取り付けられた可動アクチュエータ アームを介してエレベータかごに接続されています。ガバナ ロープが自由に動くことができる場合、アームはエレベータかごに対して同じ位置に留まります (引張りばねによって所定の位置に保持されます)。しかし、ガバナ シーブがロックすると、ガバナ ロープがアクチュエータ アームを押し上げます。これによりレバーリンケージが動き、ブレーキが作動します。

安全システム: さらなるバックアップ

エレベーターには、かごが停止するときに作動する電磁ブレーキも装備されています。電磁石は実際にはブレーキを閉じるのではなく、開いた位置に保ちます。この設計では、エレベーターが停電するとブレーキが自動的に閉まります。

エレベーターには、エレベーター シャフトの上部と下部付近にも自動ブレーキ システムが設置されています。エレベータかごがどちらかの方向に動きすぎると、ブレーキが停止します。

他のすべてが失敗し、エレベーターがシャフトに落下した場合、おそらく乗客を救う最後の安全対策が 1 つあります。シャフトの底部には頑丈なショックアブソーバー システム(通常はオイルが満たされたシリンダーに取り付けられたピストン) が装備されています。ショックアブソーバーは、エレベータかごの着地を和らげる巨大なクッションのように機能します。

これらの精巧な緊急システムに加えて、エレベーターは停止するだけでも多くの機械を必要とします。次のセクションでは、通常の状態でエレベーターがどのように動作するかを見ていきます。

ラウンドを行う

最新のエレベーターの多くはコンピューターによって制御されています。コンピューターの仕事は、エレベーターに関するすべての関連情報を処理し、モーターを適切な量回転させてエレベーターかごを必要な位置に配置することです。これを行うには、コンピュータは少なくとも 3 つのことを認識する必要があります。

人々が行きたい場所を見つけるのはとても簡単です。エレベーターのかご内のボタンと各階のボタンはすべてコンピューターに接続されています。これらのボタンのいずれかを押すと、コンピューターはこの要求を記録します。

エレベーターのかごがどこにあるかを知る方法はたくさんあります。 1 つの一般的なシステムでは、車の側面にある光センサーまたは磁気センサーが、シャフトの長い垂直テープにある一連の穴を読み取ります。コンピューターは、スピードを出して通過する穴を数えることにより、車がシャフトのどこにあるかを正確に把握します。コンピューターはモーターの速度を変化させ、かごが各階に到達するにつれて徐々に速度を落とすようにします。これにより、乗客のスムーズな乗り心地が維持されます。

多くの階がある建物では、コンピュータは車両を可能な限り効率的に動かし続けるための何らかの戦略を持たなければなりません。古いシステムでは、エレベーターの方向が逆になるのを避けることが戦略となります。つまり、上の階に上がりたい人がいる限り、エレベーターかごは上昇し続けます。車はすべての「上り通話」を処理した後でのみ「下り通話」に応答します。しかし、いったん下りが始まると、下の階での下り電話がなくなるまでは、上がろうとする人を乗せることはできません。このプログラムは、全員をできるだけ早く自分のフロアに誘導するという点で非常に優れていますが、柔軟性が非常に低いです。

より高度なプログラムでは、乗客の交通パターンが考慮されています。彼らは、どの階のどの時間帯に最も需要が多いかを把握しており、それに応じてエレベーターかごを誘導します。複数かごシステムでは、エレベータは他のかごの位置に基づいて個々のかごを誘導します。

ある最先端のシステムでは、エレベーター ロビーが駅のように機能します。エレベーターを待っている人は、単に上下を押すだけでなく、特定の階のリクエストを入力できます。すべての車両の位置とコースに基づいて、コンピューターは乗客にどの車両が目的地に最も早く到着するかを通知します。

ほとんどのシステムには、車両の床に荷重センサーが装備されています。荷重センサーは、車の満杯度をコンピューターに知らせます。車が定員に近づくと、何人かが降りるまでコンピュータはそれ以上停車しません。荷重センサーも優れた安全機能です。車に過積載がかかると、コンピュータは重量の一部がなくなるまでドアを閉めません。

次のセクションでは、エレベーターの最も優れたコンポーネントの 1 つである自動ドアについて見ていきます。

ドア

スーパーやオフィスビルの自動ドアは、主に利便性や障害者の補助として設置されています。一方、エレベーターの自動ドアは絶対に必要です。彼らは人々が開いた坑道に落ちないようにするためにあります。

エレベーターは、かご上のドアとエレベーター シャフトに開くドアの 2 つの異なるドア セットを使用します。かごのドアは、エレベータ コンピュータに接続された電気モーターによって操作されます。

電気モーターは長い金属アームに取り付けられた車輪を回転させます。金属製のアームはドアに取り付けられた別のアームにリンクされています。扉は金属レール上を前後にスライドできます。

モーターが車輪を回転させると、最初の金属アームが回転し、2 番目の金属アームと取り付けられたドアが左側に引っ張られます。ドアは 2 枚のパネルでできており、ドアが開くと互いに近づき、ドアが閉じると外側に広がります。かごが階に到着するとコンピューターがモーターを回転させてドアを開け、かごが再び動き始める前にドアを閉めます。多くのエレベーターには、ドアの間に人がいるとドアが閉まらないようにするモーションセンサーシステムが搭載されています。

かごのドアにはクラッチ機構があり、各階の外扉のロックを解除して引っ張って開きます。このようにして、外側のドアは、その階に車両がある場合 (または強制的に開けられた場合) にのみ開きます。これにより、外側のドアが空のエレベーターシャフトに開くことがなくなります。

比較的短期間で、エレベーターは不可欠な機械になりました。人々が記念碑的な超高層ビルを建設し続け、より多くの小さな建物がバリアフリー化されるにつれ、エレベーターは社会にさらに浸透する要素になるでしょう。これはまさに現代で最も重要なマシンの 1 つであり、最もクールなマシンの 1 つです。