再設計

最初の設計から、2年。梅茶翁のペチカの施行と運用のお手伝いをしてる間、自宅のペチカは放置だった。だけどお陰で、設計を見直す時間は沢山あって、設計図を何種類か書いて最新はNo.6になった。No.6の特徴は煙道がないこと。

ペチカNo.6のイメージ図

煙道の無いペチカ

図1 ペチカの煙道システムいろいろ

ペチカというと、燃焼室で薪を焚いて出た、高温の気体を曲がりくねった細長い煙道に通して、気体が煙道と熱を交換するというイメージが強いと思う。こういうのは煙道型ペチカと呼ぶ。

図1の右上の2つは煙道型とは別のシステム。これは、бесканальная Печь(煙道の無いペチカ)とか、Колпаковая Печь(鐘の形のペチカ)と呼ばれるもの。

曲がりくねった煙道が無く、煙突のない広い部屋の中で火を燃やすような形。部屋に熱いガスを淀ませて、淀んでいる間に気体が部屋と熱を交換をするシステム。

「燃焼ガスの自然な動き」システム

基本構造は図2 のように底がない箱。この中で火を燃やすと、ここで示すような、ガスの自然な動きが起きる。

図2 「燃焼ガスの自然な動き」システム。熱気が冷気で押し出されない仕組み。

このシステムでは、煙突のドラフトの有無に関わらず、燃焼ガスが重力に従い自然な動きをする。高温の気体は軽いので上部へ移動し、煉瓦と熱交換をして冷えた気体は重いので下部へ移動する。温度上昇と同時に過圧が生じ、最下部の低温の気体が下部の出口から押し出される。このような燃焼ガスの自然な動きを妨げない充分な時間と空間を用意すれば、気体の冷たい部分だけが外に排出され、大部分の熱は内部に保持される。この仕組みを「燃焼ガスの自然な動き」システムと呼ぶ。

部屋の中で焚き火をしたら、熱いのが天井めがけてバーッと上っていって、天井を暖めて、冷えたのはサァーッっと降りてくるアレ。

箱の形は高い筒、筒と水平なベンチ、筒の回りを取り囲んだベンチなど、様々な形をとることが出来る。

淀みペチカと呼ぼう

ロシア語の бесканальная Печь(煙道の無いペチカ)も、Колпаковая Печь(鐘の形のペチカ)も、日本語の名前としては、なんだかしっくり来ない。川の流れが一定ではなく、川の水が溜まるところを淀みと呼ぶことに例えて、この箱を「淀み」、このシステムのペチカのことを「淀みペチカ」と呼ぶことにしよう。

クズネツォワ型の淀みペチカ Кузнецова Колпаковая Печь

図3 1.燃焼室 2.縦長の隙間 3.淀み 4.淀み 5.煙突

ペチカの設計で有名なクズネツォワさん。彼が進化させた淀みペチカ(図3)の特徴は、1.燃焼室 と 3.淀み が 2.縦長の隙間 でつながっていること。

図1 の煙道なしペチカでは燃焼室の上に淀みがあるれど、クズネツォワ型は燃焼室と淀みを並列できるところがいい。

燃焼室と淀みは別の部屋

クズネツォワの設計のポイントは、「燃焼室」と「淀み」を分け、薪を狭い燃焼塔で集中して燃やすということ。そうすることで、完全燃焼に必要な高温を作り出す。「燃焼室」と「淀み」を1つの同じ部屋にすると、熱が拡散するので高温にならず不完全燃焼の煙が発生してしまう。「燃焼室」と「淀み」を別の部屋にしつつ、「縦長の隙間」のおかげで淀みペチカの特徴を保てる。

なぜ縦長の隙間が必要なのか

図4 隙間なし

図4 のように熱源が仕切りによって淀みから分離されて、燃焼室が隔離されているシステムでは、高温の気体と同時に低温の重い気体を、重力に逆らって持ち上げるために、煙突のドラフトのような外部の力を必要とする。また煙突のドラフトは全ての気体に影響し、熱い気体も淀みの外に引っ張り出してしまう。

図5 隙間あり

図5 のように燃焼塔と淀みの間に縦長の隙間がある場合は淀みペチカとして機能する。高温の軽い気体は高い位置の隙間を通り、低温の重い気体は低い部分の隙間を行き来するので、煙突からは主に低温の気体が排出される。

縦長の隙間を設計する上の注意点

「縦長の隙間」の幅は、毎日稼働するペチカでは2cm、週末利用では3cm。

低温の気体が通る「縦長の隙間」の断面積と高温の気体が通る「上部穴」の断面積を合計した面積は、淀みの下部から気体を排出する穴の断面積、および煙突の断面積以下でなければならない。

ドラフトに頼らないってなに?凄いの?

煙突の役目は排煙とドラフト。ドラフトとは、煙突内に生じる上昇圧のこと。この力でストーブに新鮮な空気を取り込み、燃焼を持続させる。薪ストーブはこれがないと薪が燃えてくれない。ドラフトはとっても大事。

ドラフトの力の強い煙突にするために、高価な断熱二重煙突を使ったり、煙が自然と抜けるように屋根に穴を開けて真っ直ぐな煙突を作ったりする。一重の煙突を二重にすると値段が2倍。屋根に穴を開けると、さらに倍でお値段4倍に!というくらい大事。ドラフトの力がちゃんとしてないと、煙が室内に逆流して、大変ということにもなる。

屋外に排煙する力は必要だけど、ドラフトに頼らずに薪が燃える淀みペチカは、煙突を低くできるのがいい。

クズネツォワ型の淀みペチカを一斗缶で実験

良いことずくめに思える淀みペチカだけど、淀みの上部に熱が集中するので部屋の高いところばかり温めてしまうところが弱点だと言われる。

作ってからダメでしたは、辛いので、実験をしてみよう。

写真1 一斗缶で作った淀みペチカ

図3 から 4.淀み を省いたシステムで実験する。淀みが1つのタイプはペチカにしては小さく作れて、こじんまりした家には十分な性能。背が低いペチカを作りたくて、設計をくり返してきたので、これはよいと思う。

部屋に必要なペチカの大きさはこちらの記事で

ペチカその1。設計。暖房能力の計算

一斗缶の蓋を取ってひっくり返し、焚き口、吸気口、排煙口の穴を開けて、中に写真2 の仕切りを入れて土間に置いた。土間との隙間は灰で埋める。焚き口扉はレンガ。パイプ煙突をいい具合にくっつけて置く。

写真2 「縦長の隙間」と「上部穴」の開いた、燃焼室と淀みを仕切る板
  1. 最初の実験では焚き口から煙が逆流した。写真1にある天板の焦げは、そのときのもの。淀み下部にある煙突への出口を広げると逆流が解消し、その後の実験では焚き口扉を開放しても逆流しなくなった。「縦長の隙間と上部穴の断面積の合計は、淀み下部からの出口穴の断面積および煙突の断面積以下でなければならない。」という公式を実証する結果となった。

  2. 燃焼室はある程度狭くて熱量が集中する方がよく、淀みは大きければ大きいほどよいという点を、燃焼室と淀みの体積割合を変えながら実験してみたが、違いは分からなかった。薄い鉄板では、熱伝導が良すぎて、熱を内部に保持することができないためと思われる。

  3. 逆流しなくなってからの実験では、ペチカの上下や前後で温度差がほとんど無いという結果だった。一斗缶はとても薄い鉄板だけど、逆流した実験の際は淀み側の温度がとても低かったことから、伝導熱や輻射熱で淀み側が暖まっているのではなさそう。

簡単な実験だけど、この構造で煙突からの排煙が出来ると分かったし、淀み全体が暖まるのを確認できた。では、実際に作ってみよう。

施行の様子

基礎コンクリート

写真3

基礎の下の地面をバサモルで水平にする。

写真4

バサモルの上に型枠を乗せてセメントモルタルを流し込んで基礎を作る。セメントは流し込み施行すると、不透水性が出る。コンクリクズやグリ石を中に詰めてかさ増し。最後にレーザーで水平を確認しながらモルタル仕上げをする。

炉扉を溶接で作る

電気溶接で燃焼炉の扉を作る。

写真5 溶接中

自宅のコンセントでは電圧が足らないので点溶接が出来なかった。

写真6 溶接した炉扉

下手くそなので、厚さ4mm×幅50mmのL字鉄板を溶接したら、扉が若干反ってしまう。炉扉は空気を吸うところなので、多少気密性が低くても大丈夫。

このあと耐火塗料を塗った。

でもサイズを変更したので、作り直し。

チーン

粘土モルタルを作る

赤レンガの目地材には、粘土と砂を混ぜた粘土モルタルを使う。セメントモルタルは不具合が出たとき直せないけど、粘土モルタルなら直せる。セメントは自分で作れないし、作るときに大量の熱エネルギーが必要だけど、粘土は生活圏内で採れるから環境負荷少なくていいよね。それから、セメントモルタルより粘土モルタルの方が、施行が早い。

写真7 日干しレンガで粘土の試験

赤土が耐火性能良いというので、掘って来て、乾かして、ふるっておいた。耐火性能の良い珪砂とブレンド。粘土と砂の割合を試験するために、日干しレンガを作って、焼く。結果は、全滅。ぼろぼろ崩れる。

おかしいので、シェイク沈殿試験をしてみたら、粘土が多いんだろうと思っていた赤土に、粘土がほぼ入っていない! 掘るときに粘土成分の試験をしておけばよかった。

さらに珪砂。袋が破れて安く売ってたものを使ったら、粒が大きい。おかしいので、新品の袋を開けると粒が細かい。どうも、袋が破れてこぼれてしまうのは細かい砂で、残ったのは大きい砂だけだったみたい。気づくまで時間を浪費してしまった。安売り品を買うときは慎重に!

写真8 粘土試験 可塑性(かそうせい)

庭の土の深い所から掘ったものを調べる。シェイク沈殿試験したら粘土が入ってるので先に進む。粘着試験、可塑性(かそうせい)試験(*4)に合格。日干しレンガ作ってる時間がないので、これで行くことにする。

湿式の団子落下試験(*5)で砂との割合を決める。今回は粘土2:砂5。

煉瓦積み

写真9 夢の実現に向けた記念すべき1段目

掃除口のように気密性の必要な開口部を作るときは、型枠に合わせてレンガを積むと、あとで蓋を作り易い。淀みと煙突の掃除口は気密性が大事。

上記写真の煉瓦を1段目としたら、その下に0段目のレンガを全敷する設計をよく見るけど、私はいつも基礎コンの上に直接、掃除口を設ける。1段でも高さを抑えたいときには有効。

写真10 4~5段目

長い薪が端々まで残らず燃えるように、傾斜をつけてロストルに転がり落ちるようにしてある。熾が一ヶ所に集まり空気が吹き付けられると温度が上がるので、ペチカに必要な高温燃焼に貢献する。

ロストルは、鉄鋳物の棒ロストルの270を10本。前後左右に鉄が膨張してもよいよう、空隙を5~6mmとる。

目地塗り

赤レンガと耐火レンガのサイズの違いを吸収するために、横目地の高さは、耐火煉瓦で2~3mm、赤煉瓦はそれに高さを合わせて7~8mmとした。粘土で作るモルタルの目地は、できるだけ薄い方がよく、3~5mmにしたいけど、日本の煉瓦規格ではしょうがない。

モルタルを塗る方法はいろいろあるけど、ロシアの教科書に習って手で塗っている。コテは熟練を要するけど、手は生まれてからずっと使って来たから感覚が良く分かる。コテで塗ると2~3mmのつもりがつい厚く塗ってしまうのに、手だと薄く塗れるし、モルタルに余計な塊が混じっていもすぐに分かるという仕掛け。

耐火モルタルも粘土モルタルも、水練りすれば再利用できるので、目地がある程度乾いたら、はみ出た分はかき取って使う。なので、左官バケツはそれぞれに用意する。

水平垂直

頂き物の木製の水準器を使っていたのだけど、1周積み終わるとレンガの高さがずれてしまう。水準器は精度に信頼性のあるものを使った方がいい。

水糸を張ったり、枠を作ってレンガ積みがねじれないようにすることが多いけど、高さ1300mmの直方体に枠を用意する方が大変なので、今回は用意していない。水平は水準器。垂直は目寸法で積んで、たまにレーザーで確認する。

夢を実現させるには

なんかもう、時間掛かり過ぎるからやめるかと思い始めてた。けどこれ、おれの夢だから。

アルケミスト に書いてあったよな。

夢が実現する前に、大いなる魂はおまえが途中で学んだすべてのことをテストする。それは悪意からではなく、夢の実現に加えて、夢に向かう途中で学んだレッスンを、お前が自分のものにできるようにするためだ。ここで、ほとんどの人があきらめてしまう。これは、われわれが砂漠のことばで、『人は地平線にやしの木が見えた時、渇して死ぬ』と言っている段階なのだ。

すべての探求は初心者のつきで始まる。そして、すべての探求は、勝者が厳しくテストされることによって終わるのだ。

もう一歩で夢が実現するというときが、一番困難に感じるとき。ガンバ炉ー!

ペチカとは

ペチカ(печка)とは、ロシアで広まった煉瓦で出来た蓄熱式の薪ストーブ。フィンランドのソープストーン・ストーブ、スエーデンのCronstedt Wrede kakelugn、ロシアのペチカ、アメリカのメイスンリー・ヒーターはどれも蓄熱式の薪ストーブ。

蓄熱式ってどういうことか説明するために、日本で薪ストーブといえば想像するだろう金属で出来たストーブの仕組みをおさらいしよう。

金属のストーブは蓄熱しない。分厚い金属板なら、ある程度は蓄熱するけど、蓄熱式ストーブと比べると、蓄熱しない。だから薪が燃えてる間は暖かいけど、火が消えると冷える。高級な金属ストーブには、2次燃焼の仕組みがあって。太い薪をゆっくり燃やすことができるので、ある程度長い時間暖かい。でもやっぱり、火が消えると冷える。

ペチカなどの蓄熱式ストーブは、薪を短時間に高温で燃やして、石や煉瓦に蓄熱させ、火が消えた後じわじわと放熱する方式。1日に1回か2回、例えば朝起きたら1回と夕方1回火を焚けば、あとは1日中放っといても部屋を暖かくしておける。そのかわり長期留守の後など、完全に冷えてる状態からだと、煉瓦がちゃんと暖まるまで2~3日かかる。

設計にもよるが、燃料を燃やして得られた熱量のうち90%以上を暖房として用いる事が出来るので、様々な暖房装置と比較しても極めて熱効率が良い。

私がペチカに惹かれたのは、古くからDIYされてきた歴史があって、自分で作りメンテナンスする方法がとても詳しく公開されている点。さらに、すごい種類の設計があって、どんな家にはどんな設計が向いているとか、これも、とっても詳しい情報が公開されている点。ロシア語分かんないけど、コンピューターが翻訳してくれる時代で、ほんと助かった。

参考

ペチカに使用する燃料は薪や石炭であるが、なるべく短時間に高温で燃やすことが求められるため通気は煙突ダンパー、空気調整口共に全開で燃やす。薪は温度を高くするために小割りにしたものが望ましく、燃料は暖炉や薪ストーブのように徐々に足して燃やさずに焚き口に入る量の燃料すべてを一度に燃やすのが肝心である。

燃料から明るい炎が見えなくなったら煙突ダンパー、空気調整口共に半ば閉じ、熾が暗赤色になったら煙突ダンパー、空気調整口共に完全に閉鎖し、ペチカに蓄熱された熱を閉じ込める。

  • 熱変形の係数が異なるため、耐火レンガ炉は外側の赤レンガの箱を壊す可能性があり、相互の隣接点で膨張避けの余白が必要。
  • 経験豊富なストーブメーカーは、積む前にレンガを浸水しない。
  • 窯の焼成はチップから始まり、数時間かけて少量ずつ燃料を加える。

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