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Watermill - Wikipedia

水力ミルとは水車による工場の事で、 日本語では水車と同一視されたり、 水車小屋と誤訳されることが多いと思われます。 ミルは工場と翻訳する方がより的確です。 日本の水車は、水車の回転でカムが上下して「つく」動作しかしません。 これでは工場とは到底言えない。 しかしヨーロッパの製粉用の水力ミルは重量が 0.5 トン (以上) もあるような ミル・ストーン (mill stone、臼石) が 毎分 100 回転 (以上) も回転するので、見ていても工場の機械という印象になる。 (高い出力を得るために、 専用の水路ダム (落差) を作りますから当然のことになる。) 更に水力ミルは地域住民全員のために (大量の) パン粉を作り、 日本の昔の水車がごく限られた人間 (人口の 1 割未満) のために玄米を白米に変えたこととはわけが違うと思われ、 本当に産業工場である必要があった。(第二次世界大戦前にも日本の農民は玄米を食べることが多かったと思われる。)

ミルには通常、臼は 2 組以上あり、一組が皮をはぐためのもので、もう一組が粉にするためのものと思われます。 (イングランドでは国産の臼が前者の機能を実現し、フランスからの輸入品が後者の機能を実現していたようです。) 日本の水車では前者の機能のみが関連していると思われ、製粉用には別の装置を使用しているような気がします。

更に水力ミル (watermill) には製材所 (水力製材所、製材水車) のようなものもあるので、 ミルを工場と理解するのは、 ごく自然な受け取り方ではないかと思う。但し、水力ミルは動力源が一ヶ所なので動力伝達の仕組みが必要になる。 (ラインシャフト)

水車には色々な用途があり、その起源は 1 つではありませんが、 製粉用に限定すれば、製粉用の臼はミルストーンから明らかなように 水平回転します。そのため製粉を目的とした水車は水平回転するものが先に登場するのが自然で、 本文の記述からわかるように、これは歴史的事実と思われます (BC 3 世紀前半の水平水車 ?) 。 垂直回転をする水車を製粉に使用するためには、歯車を利用して、垂直回転を水平回転に 変換する必要がありますが、この歯車が登場した時期が歴史的にとても重要で、 それがサキア歯車の形で 登場したのであろうとされているようです。 (水車も参照の事)

水力ミル (Watermill、水車工場)

水力ミル (watermill or water mill) は水力を使用するミル (mill、工場) である。 ミルとは水車あるいは 水力タービン (water turbin) を使用して、機械工程を駆動する構造である。 このような工程には、 製粉したり (milling) (すり砕いたり (grinding))、 ローラーをかけたり (rolling)、 あるいはハンマーで打ったり (hammering) すること等がある。 このような工程は多くの資材を製造するのに必要とされ、 このような資材に含まれるものに、小麦粉、木材、紙、繊維、 そして、多くの金属製品がある。 これらの水力ミルに含まれるものに;  穀物ミル (gristmills)、 鋸ミル (sawmills)、 繊維ミル (textile mills)、 ハンマー・ミル (hammer mills)、 トリップ・ハンマー・ミル (trip hammering mills)、 ローラー・ミル (rolling mills)、 針金製造ミル (wire drawing mills) がある。

ベルギー、 ブレン・ル・シャトー
(Braine-le-Château) の水車 (12 世紀)
英国、ライム・レジス (Lyme Regis)
の水車 (14 世紀) の内部

水力ミルを分類する 1 つの主要な方法はホイールの向き (垂直 or 水平) であり、 一方は、歯車機構の付いた垂直な水車 (waterwheel) であり、 もう一方はその歯車機構のない水平な水車を装備したものである。 前者の形式は、 水が水車のパドル (paddle、羽根) にあたる場所に応じて、更に分割されて;  下掛け (undershot)、 上掛け (overshot)、 胸掛け (breastshot)、 そして逆ピッチ (pitchback) (逆掛け (backshot) あるいは反対掛け (reverse shot)) の水車ミル (waterwheel mills) がある。 水車を分類する別の方法は場所に関して本質的な特徴によっている:  潮汐ミル (tide mill) は潮の動きを使用し;  船舶ミルは船上の (あるいは船を構成する) 水力ミルである。

水力ミル (watermill) は、設置されている川の水流の力学に影響する。 水力ミルが操業中に、水路では、とりわけよどみでは、沈殿する傾向があり、 よどみの場所では、隣接する氾濫原 (floodplain) で、氾濫と沈殿が増える。 しかしながら、時間と共にこれらの効果は、川の堤防が高くなって相殺される。 ミルが取り除かれると、川の切れ込みが増え、水路が深くなる。

  1. 歴史
  2. 操業
  3. 現在の状態
  4. 応用
歴史
古代の近東

テリー S. レイノルズ (Terry S. Reynolds) と R. J. フォーブス (R. J. Forbes) によると、水車 (water wheel) は、 BC 3 世紀の古代の近東に起源があり、 臼石を動かして小規模な穀物のすり砕き (grain grinding) に使用した。 レイノルズ (Reynolds) の示唆することでは、 最初の水車はノーリア (noria, 縁にバケットが付いた水車) で、 BC 2 世紀までにシリアと小アジアで垂直水車に進展し、 この場所から、これが古代ギリシャとローマ帝国に広がった。 S. アヴィツァ (S. Avitsur) も水力ミルが近東起源であることを支持している。

ウィトルウィウス (Vitruvius) により叙述されたローマの
水力穀物ミルのモデル、 ミスストーン (臼石) (上階) は
歯車機構を通して、下掛け水車 (下階) で駆動される。
スウェーデン、Dalama の水力ミルの動画
(ミルストーンが駆動する所のみで、水車は見えません。 ミルストーンの置いてある場所は確かに「小屋」ですが、 この施設を「水車小屋」とするのは違和感がある。)
この動画は vertical axle (垂直軸) .. の説明があるので水平水車のようです。従って、これには歯車が付いていない。
古典近代 (Classical antiquity)
古代の水力ミルの一覧を参照。

ヘレニズム世界 (Hellenistic world) の技術者は水力ミルの 2 つの主要部品 -- 水車と歯車装置 (toothed gearing) -- を使用し、 ローマ帝国と共に、下掛け、上掛け、そして胸掛け水車ミル (waterwheel mill) を操業した。

水車駆動のホイールの初期の証拠は恐らくギリシャのペラコーラ・ホイール (Perachora wheel、BC 3 世紀、[訳注:ペラコーラ = 島の名称]) である。 初期の記述された参考文献はギリシャの技術者である ビザンチウムのフィロン (Philo of Byzantium、BC 280 年 - 220 年頃) の 技術論文であるネウマティカ (Pneumatica) と Parasceuastica である。 英国の技術史家である M.J.T. ルイス (M.J.T. Lewis) が示したことは、 ビザンチウムのフィロン (Philo of Byzantium) の機械論文は、 水車を説明し、以前はアラビアの挿入と見なされていたものが、 実際は BC 3 世紀のギリシャのオリジナルにさかのぼることであった。 サキア歯車 (sakia gear、[訳注:スクープ・ホイールに類似の装置]) はすでに完全に開発されており、 プトレマイオス朝 (Ptolemaic Egypt) における BC 2 世紀の ヘレニズム時代の壁画に証明されていた。

ルイス (Lewis) が水平水車ミルの発見の日付を割り当てたのは、 BC 3 世紀前半のギリシャの植民地であった ビュザンティオン (Byzantium) であり、 垂直水車ミルに関しては BC 240 年頃のプトレマイオス朝の アレクサンドリアであった。

ギリシャの地理学者である ストラボン (Strabon) が彼の「地理書」 (Geography) の中で報告したことは、 水力の穀物ミルは BC 71 年以前の小アジアにおける 国王 ミトリダテス6世 (Mithradates VI Eupator) のカバイラ (Cabira, /kəˈbaɪrə/) の宮殿の近くに存在していたことである。 この装置には下掛け水車が取り付けられ、動力は歯車機構により伝達されていた。 彼は水力による練る機械 (kneading machines) の存在も示しているように思われる。

ギリシャの警句家 (epigrammatist) の テサロニカのアンティパテル (Antipater of Thessalonica) は BC 20 年/AD 10 年頃に先進的な上掛け水車のことを述べている。 彼はこれで穀物をすり砕くことに使用することと、人力の削減をほめている。

臼ひき女よ (grinding girls)、臼から手を放せ。 雄鶏が夜明けを告げても、眠り続けろ。 デーメーテール (Demeter) はお前の手作業をニンフ (nymphs) に課した; ニンフはホイールの一番上に飛びついて、これを回転させる; 周りを取り巻く歯車と共に、ニシロシュ島 (Nisyros) の臼石の中空な重さを回転する。 大地の恵みを骨折りなしに楽しむことを学べば、 我々は再び黄金時代を味わうことになる。

ローマの百科事典編集者の 大プリニウス (Pliny) が AD 70 年頃の彼の 博物誌 (Naturalis Historia) で言及したことは、 水力駆動の トリップ・ハンマー (trip hammer) がイタリアの大多数の場所で操業していることであった。 AD 73/74 年のローマ領シリアの アンティオキア (Antioch) で縮充ミル (fulling mill) があった証拠がある。 別のローマの著述家である アウソニウス (Ausonius) が言及していることは、 ライン川とその支流の流域における多くの水力ミル (watermill, molina と呼ばれる) である。 (このような複雑な技術構造はこの時期のこの辺りには極めて驚くべきことであった、 というのは地元の ゲルマン人は土の家 (earthhouse) に住み、漆喰も石造りの建物 (neither mortar nor masonry) も知らなかったからである。

あり得ることは、 水力駆動のスタンプ・ミル (stamp mill、粉砕ミル) はドライコシで 使用されて、金を含む石英 (gold-bearing quartz) を粉砕し、使用された時期は 1 世紀末から 2 世紀始めである。 粉砕は大きな礫岩のブロック -- 今では ピムサイント石 (Carreg Pumpsaint) と呼ばれる -- に対して、 4 回繰り返して操作した。 類似のアンビル (anvil、金床) の石はヨーロッパ中の他のローマの鉱山 -- とりわけスペインとポルトガル -- で見受けられる。

水を持ち上げるための Bombillo、労働者の動き、
バレンシア民俗学博物館 (Valencian Museum of Ethnology) のイラスト

南フランス、バルブガルの AD 1 世紀の多重ミル複合施設は 「古代世界の機械力の最大の既知の集積地」 として 記述された。 これは 16 基の」上掛け水車の造作があり、同数の小麦粉ミルに動力を与えていた。 ミルの容量は 1 日当たり 4.5 トンと見積もられ、当時アレラーテ (Arelate) の町を占有していた 12,500 人の住民に十分なパンを供給した。 類似のミル複合施設は ジャニコロ丘 (Janiculum hill) に存在し、 皇帝 アウレリアヌス (Aurelian) により、 ローマ住民の小麦粉の供給にとり十分に重要であると判断され、3 世紀末に アウレリアヌス城壁 (Aurelian wall) の 内部に含められた。

AD 2 世紀末の胸掛け水車ミルがフランスのレ・マルトル=ド=ヴェール (Les Martres-de-Veyre) で発掘された。

AD 3 世紀のヒエラポリスの水力駆動の石鋸ミルは、 クランクと連接棒 (connecting rod) の仕組みを組み込んだ最も初期の既知の機械である。 更なる鋸ミルで、クランクと連接棒 (connecting rod) により駆動するものが、 ゲラサ エフェソス (Ephesus) の 6 世紀の水力石鋸ミルで、考古学的に証明されている。 現在のドイツにおける水力駆動の大理石鋸に関しての言及は アウソニウス (Ausonius) の 4 世紀の詩 Mosella に見ることができる。 これらは同時期にキリスト教の聖者である ニュッサのグレゴリオス (Gregory of Nyssa) によっても示されたようで、 彼はローマ帝国の多くの場所で、水力の多様な使用を実演した。

ローマのヒエラポリスの鋸ミルの概念図、
これはクランクと連接棒の仕組みを組み
込んだ最も初期の既知の機械である。
チュニジア、シャムトウのローマの
タービン・ミル。水の取り入れ口
の接線方向からの水の流入が
シャフトの水平水車を本当の
タービンのように回転した。

最も初期のタービン・ミルはローマ領北アフリカのシャムトウ (Chemtou) とテストゥール (Testour) で見つかり、 AD 3 世紀末あるいは 4 世紀のものである。 水力駆動の溶鉱炉らしきものが、フランス、マルセーユで確認された。

ミルは一般に穀物を小麦粉にひくのに使用された (これは 大プリニウス (Pliny the Elder) により証明された) が、 縮充 (fulling) と大理石を鋸でひくような産業使用にも適用された。

ローマ人は固定水車と浮遊水車 (floating water wheels) のどちらも使用し、 水力をローマ帝国の他のプロビンス (province, 属領) に導入した。 いわゆる 「ギリシャ・ミル」 (Greek Mill) は水平水車 (で垂直軸) を使用した。 「ローマ・ミル」 (Roman Mill) は (水平軸に乗った) 垂直水車の造作があった。 ギリシャ様式のミルは 2 つのデザインの中でより古く、より単純であるが、 水の速度が速く、臼石の直径が小さい場合のみに良く動作するのみである。 ローマ様式のミルはもっと複雑である、というのは、 これらは水平な回転軸から垂直な回転軸に動力を伝達する歯車が必要だからである。

今日まで、ほんの数ダースのローマのミルが考古学的に調べられただけであるが、 この時代に水道 (aqueduct) が広範囲に使用されたことが示唆することは、 もっと多くが発見されることであろう。 例えば、ローマ領ロンドンの最近の発掘から発見されたものは、 1 基の潮汐ミル フリート川 (River Fleet) の片側を走る水道 (aqueduct) で動作する一連のミルと思われるものであった。

AD 537 年に船舶ミルは、東ローマ帝国の将軍である べリサリウス (Belisarius) により 巧妙に使用され、これは包囲する 東ゴート族 (Goths) がミルの水源を切断してからである。 これらの浮遊ミルのホイール (水車) は流れの早い川に係留したボートに取り付けられた。

古代の東アジア

水車は中国で AD 30 年以後見出せ、 これが使用されたのは;  トリップ・ハンマーの動力、 鉄の溶鉱炉のふいご、 そしてある場合には天体観測のための渾天儀の回転 (Zhang Heng 参照) である。 英国の化学者で、中国学者の ジョセフ・ニーダム (Joseph Needham) は AD 1 世紀までの漢に水力駆動の臼石が存在していたと憶測しているが、 AD 5 世紀までには十分な文芸の証拠がない。 AD 488 年に、数学者で技術者の Zu Chongzhi (祖沖之) は水力ミルを設置し、 これは 武帝 (南朝斉) ( Emperor Wu of Southern Qi、在位 482 年 - 493 年) が視察した。 (Sui Dynasty) の技術者の Yang Su (AD 581 年 - 618 年) は 6 世紀初めまでに、 これらを何百基も操業したと言われている。 AD 612 年に記述された情報が言及することは、仏教の修道僧 (monk) が水力ミルからの収入で議論することである。 AD 737 年に書かれた (Tang Dynasty、AD 618 年 - 907 年) の「水路局の布告」 (Ordinances of Department of Waterways) によると、水力ミルは河川輸送を妨害してはいけないことと、ある場合には 1 年のある季節には使用が制限された。 8 世紀の他の唐時代の情報源からわかることは、 これらの布告はとても深刻に受け止められた、というのは政府が破壊した多くの水力ミルを所有していたものに;  布告を認識したり、政府の規則に応じることを忘れた著名な一族、商人、そして仏教修道院 (buddhist abbey) があったからである。 唐玄宗 (Emperor Xuanzong of Tang) の宦官は AD 748 年に水力ミルを所有しており、 これは 5 基の水車を駆動し、1 日小麦 300 ブッシェル (bushel) をひいた。 AD 610 年あるいは 670 年に、水力ミルは朝鮮半島経由で日本に導入された。これは少なくとも AD 641 年までにチベットにも知られた。

宋時代 (960 年 - 1127 年) における
水平水車で穀物の殻をとる水力ミル、
古代インド

ギリシャの歴史によれば、AD 4 世紀始めにインドはローマの皇帝から水力ミルを受けとり、 この時、ある Metrodoros は「彼ら (ブラーマン (Brahman)、カーストで一番上の身分) の間に知られていなかった水力ミルと浴場」を導入した。

イスラム世界

イスラム帝国 (Caliphate) の技術者は、 以前のビザインティン帝国のプロビンス (province) の水力ミル技術を採用し、 これにはイスラム帝国の支配以前に、これらのプロビンスで何世紀も採用されていたものであった、 このような場所に含まれるのは;  現代のシリア、ヨルダン、イスラエル、アルジェリア、チュニジア、モロッコ、そしてスペインがある。 (古代の水力ミルの一覧を参照。)

イスラム世界における水力ミルの産業使用は 7 世紀にさかのぼり、 一方、水平水車と垂直水車はどちらも 9 世紀まで広範囲に使用された。 色々な種類の産業水力ミルがイスラム世界で使用され、 これに含まれたのは;  穀物ミル (gristmill, 製粉所)、 もみすり機 (huller)、 鋸ミル (sawmill)、 スタンプ・ミル (stamp mill、鉱石の粉砕ミル)、 鋼ミル (steel mill)、 砂糖ミル (sugar mill)、 及び潮汐ミル (tide mill) があった。 11 世紀までに、イスラム世界上のすべてのプロビンス (province) では、 これらの産業水車ミルが操業され、 アンダルス (al-Andalus) と北アフリカから、中東、および中央アジアに至った。 イスラム世界と中東のキリスト教技術者が更に使用したものは;  クランク軸と水力タービン、 水力ミルの歯車、 そして揚水機、水源としてのダムであり、 後者は水力ミルと揚水機に追加の動力を提供することに使用された。 縮充ミル (fulling mill) と鋼ミル (steel mill) は アンダルス (al-Andalus) からキリスト教スペイン (Christian Spain) に 12 世紀に広がったかもしれない。 産業水力ミルは 11 世紀から 13 世紀までの アンダルス (al-Andalus) で建設された大きな工場複合施設 (factory complex) でも採用された。

イスラム世界の技術者は一台の水力ミルから最大出力を達成するために幾つかの解決を使用した。 一つの解決は橋の橋脚に搭載することで、増大した水流を利用した。 別の解決は船舶ミル (ship mill) で、これは流れの中央に係留した船の舷側に搭載した水車により動力を与えられる水力ミルの 1 形式である。、 このテクニックは 10 世紀のイラクのチグリス川 (Tigris) とユーフラテス川 (Euphrates) で採用され、 ここではチーク材と鉄で作られた大きな船舶ミルがバグダッドの穀物貯蔵所のために、 毎日穀物から 10 トンの小麦粉を製造した。

第二英国アフガニスタン戦争 (Second Anglo-Afghan War
(1878 年 - 1880 年)) の間に撮影されたアフガニスタン
の水力ミル、長方形の水力ミルには藁ぶきの屋根、石、
あるいは恐らくドロレンガで建設された小さな水平水車の
小屋の伝統デザイン
スロベニア (Slovenia) の Mura の
船舶ミル (shipmill)
中世ヨーロッパ
中世初期の水力ミルの一覧が中心記事。

ドゥームズデイ・ブック (Domesday Book、1086 年) が編纂された時に、 イングランドだけでも 5,624 基の水力ミル (watermill) があり、 現代的考古学調査によって場所を特定されていないのは、このうち 2% のみである。 後の調査から、それほど控えめではない 6,082 基と見積もられ、 これは最小でも、とみなすべきであると指摘された、というのはイングランドの北端は適切に記録されていなかったからである。 1300 年に、この数は 10,000 基と 15,000 基の間に上昇した。 7 世紀初めまでに、水力ミルはアイルランドで定着し、 1 世紀後には (ローマ) 帝国のかっての領域から、ドイツのローマ化されなかった部分に拡散した。 船舶ミル潮汐ミルは 6 世紀に導入された。

イタリア、サン・ヴィットーレ・オローナ (San Vittore Olona) の
ムリーノ・メラヴィーヤ (Mulino Meraviglia、Wonder mill)、オローナ川 (Olona river) 沿い。
訳注
イタリア、オローナ川沿いのミルは中世以来多くあり、17 世紀にピークを迎えた。
Mulini ad acqua sul fiume Olona (イタリア語)
Watermills on the Olona River (上のページの Google 翻訳 (英文))
潮汐ミル

近年に、幾つかの新しい考古学的発見から、 最も初期の潮汐ミルの時代が引き続いて押し戻され、 このいずれもアイルランドの海岸で見つかった。 6 世紀の垂直水車の潮汐ミルがウォーターフォード (Waterford) の近くのキロタラン (Killoteran) で突き止められた。 630 年頃の双子の用水路水平水車ミルがリトルアイランド (Little Island) で発掘された。 同時に、別の潮汐ミルが発見され、 これは垂直下掛け水車で駆動されていた。 787 年のネンドラム修道院 (Nendrum Monastery) の水車は北アイルランドのストラングフォード湖 (Strangford Lough) の島にあった。 この臼石は直径 830 mm で、水平ホイールはピーク時に 7 - 8 馬力を出力したと見積もられている。 619 年のより以前のミルの遺構もこの場所で見つかった。

産業ミルの調査 (Survey of industrial mills)

2005 年の調査で、学者のアダム・ルーカス (Adam Lucas) は西ヨーロッパの色々な産業ミルの 最初の登場時期を次のように特定した。 注目すべきは、新しい革新的な水力形式の導入におけるフランスの傑出した役割である。 しかしながら、彼は他の幾つかの国における、このテーマの研究不足に注意を向けている。

中世ヨーロッパの色々な産業ミルの最初の登場 AD 770 年 - 1443 年
ミルの形式日付
麦芽ミル
(Malt mill)
770年 フランス
縮充ミル
(Fulling mill)
1080年 フランス
なめしミル
(Tanning mill)
1134年頃 フランス
フォージ・ミル
(Forge mill、鍛冶屋の炉)
1200年頃 イングランド, フランス
刃物研磨ミル
(Tool-sharpening mill)
1203年 フランス
ヘンプ・ミル
(Hemp mill)
1209年 フランス
製紙ミル
(Paper mill)
1238年, 1273年 スペインの シャティバ (Xativa)
フイゴ
(Bellows)
1269年, 1283年 中世ハンガリー, フランス
鋸ミル
(Sawmill)
1300年頃 フランス
鉱石粉砕ミル
(Ore-crushing mill)
1317年 ドイツ
高炉
(Blast furnace)
1384年 フランス
切断・細断ミル
(Cutting and slitting mill)
1443年 フランス
ペルシャ

700 基以上の水力ミルが 1960 年までのイランで稼働していた。 現在では、ほんのわずかが、なお稼働している。 有名なものに Askzar の水力ミルと Yard 市の水力ミルがあり、今でも小麦粉を製造している。

操業

典型的には、水の流れを変えて、 川、貯水池 (impoundment)、あるいはミル池 (mill pond) から、 タービンや水車に導き、経由する 水路あるいはパイプは フルーム (flume), 給水路 (head race), ミル水路 (mill race), リート (leat), リート (leet), レイド (lade) (スコットランド) あるいは ペンストック (penstock) などと呼ばれる。 水の動きの力はホイール (wheel) やタービンの羽根 (blade) を駆動し、羽根 (blade) は 今度は軸を回転し、軸がミルの他の機械を駆動する。 ホイールやタービンを離れる水は排水路 (tail race) を通じて排水されるが、 この水路はもう一つ別のホイール、タービンあるいはミルの給水路 (head race) となることもある。 水の通過は導水路ゲート (sluice gate) によって制御され、 これにより保守と洪水制御の方法が可能となる; 大きなミル複合施設では、複雑な互いに接続された水路を制御するための何十もの導水路があることがあり、 水路は複数の建物と産業工程に給水する。

ハンガリー、ベスプレーム・カウンティ
(Veszprém County)
のタポルツァ (Tapolca) の水力ミル
カナダ、トロントの
ブラック・クリーク開拓村
(Black Creek Pioneer Village)
のロビンズ・ミル (Robin's Mill)
ボスニア・ヘルツェゴビナ
ヤイツェ市 (Jajce) のプリヴァ川
(Pliva) の水力ミル

水力ミル (watermill) は 2 種類に分割することができ、 1 つは水平水車と垂直回転軸を持つもので、もう 1 つは垂直水車で水平回転軸を持つものである。 これらのうちの最古のものは水平ミルで、水の力は 流れの方向に水平にそろえた単純なパドル・ホイール (paddle wheel) に当たり、外殻の上で平衡を取る 回転石 (runner stone) を回転させ、 この石はホイールから直接上に延伸するシャフトの上に乗っていた。 (臼石の) 下の石 (bedstone) は回転しない。 この形式のミルの問題は、歯車がないことから生じる;  水の速度は回転石の最高速度を直接設定し、今度はこれが製粉 (milling) の速度を設定する。

英国と米国の大半の水力ミルは垂直水車と 4 種類の中の 1 形式であり、 この種類には、下掛け、胸掛け、上掛け、そして逆ピッチ (pitchback) の水車がある。 この垂直水車は、水平軸の周りに回転運動を生成し、 これが (カムと共に) 使用されて持ち上げたのは; フォージ (forge, 鍛冶屋の炉) のハンマー、 縮充ミル (fulling mill) の木製ハンマー (stock) 等である。

穀物製粉 (Milling corn)

しかしながら、穀物ミルでは垂直軸の周りの回転が石を駆動するのに要求される。 水平回転は、歯車によって垂直回転に変換され、これにより回転石 (runnner stone) が 水車 (waterwheel) よりも速く回転することが可能である。 英国と米国の穀物ミルの通常の配置では、水車が水平軸の周りで回転し、 この水平軸の上に大きな立坑ホイール (pit wheel) が搭載されていた。 この立坑ホイールが垂直軸に搭載された転がり歯車とかみ合い、 後者が (同じ軸に搭載された) (より大きな) 大平歯車 (great spur wheel) を回転した。 この大きな歯車は釘 (peg) で固定され、今度はストーン・ナット (stone nut) と呼ばれる小さな歯車 (例えばランタン歯車のようなもの) を回転する。 ストーン・ナットは回転石 (runner stone) を駆動する回転軸に取り付けられていた。 回転させることができる回転石の数は利用できる水の供給量に直接依存している。 ミルを改造した水車技術はもっと効率が高くなり、 19 世紀までに、大平歯車が幾つかのストーン・ナットを駆動するのが普通になり、 一つの水車が 4 つもの石を駆動することができた。 工程の各段階でギア比が増大し、これにより回転石の最大スピードが増大した。 導水路ゲートの調節、従って、メイン・ホイールを通過する水の流れにより、 給水における幾つかの変動を製粉業者が補償することを可能にした。 より繊細な速度調節は、テンタリング (tentering, 幅出し) により製粉工程の最中になされ、 水流、製粉する穀物、要求される粉の等級に応じて、石の間のスキマを調節して実施された。

訳注
上で説明された英国、米国の穀物水車 (垂直水車) の仕組みは、 風車の仕組みと同じです。 風車のブレーキホイールの代りに、 立坑ホイール (pit wheel) があるだけです。 水車・風車工場の機械用語集を参照のこと。
ウィールド・ダウンランド野外博物館
(Weald and Downland Open Air Museum)
の稼働水力ミルの内部
イタリア、サン・ヴィットーレ・オローナ
(San Vittore Olona) の
ムリーノ・メラヴィーヤ (Mulino
Meraviglia)、 オローナ川沿い

多くのミルでは (最も初期のものも含め)、大平歯車 (great spur wheel) は一つの石しか回転しなかったが、 一つの屋根の下に幾つかのミルがあることがあった。 一つの水車が一セット以上の石を駆動する最も最初のイラストは 1723 年にヘンリー・バイトン (Henry Beighton) によって描かれ、 1744 年に J. T. デサギュリエ (J. T. Desaguliers) により出版された。

上掛けと逆ピッチミル (Overshot and pitchback mill)

上掛け水車は水車では後の新機軸 (innovation) で、下掛けよりも、およそ 2 倍半効率がより。 下掛け水車は、 メイン水車がミル水路 (mill race) の流れの中に単に沈み、 水車を駆動する流れの押し出しによって水に入り、その後で押し出しの先頭で水車が水から持ち上がり、 実際は自身の動作を阻害する事実から生じる非効率性がある。 上掛け水車はホイールの頂上に水の流れを移して、この問題を解決した。 水が満たすのは、パドル・ホイールではなく、ホイールに建設されたバケットである。 バケットがいっぱいになると、水の重さがホイールの回転を開始する。 水は下り側でバケットから排水路にこぼれて川に戻る。 ホイール自身は排水路の上に設置されているため、水はホイールの速度を邪魔しない。 ホイールに対しての水の衝撃 (impulse) も水が一旦バケットに収まった時の重さに付け加えて利用される。 上掛け水車で必要なものは;  川の上流のダム、もっと優雅な導水路ゲート (sluice gate)、 ミル水路 (millrace)、 及び排水路 (spillway or tailrace) である。

上掛け水車で内在する問題は、これがホイールの回転を逆にすることである。 もしも製粉業者が胸掛けミルを上掛けミルに変更しようとすれば、 回転の向きを考慮して、ミルのすべての機械を作り直さなければならない。 代替の解決は逆ピッチ (pitchback) あるいは逆掛け (backshot) であった。 導水路の末端に樋 (launder) が置かれ、これが多くのエネルギーの損失無しに、水の向きを変え、 回転の向きが維持された。 ウスターシャー (Worcestershire) のビュードリー (Bewdley) の近くの Daniels Mill は 元々胸掛け水車を使用したが、 逆ピッチ (pitchback) に変換された小麦粉ミルの実例である。 今日、これは胸掛けミルとして操業している。

下掛け水車、BC 1 世紀
以来、水力ミルに適用
上掛け水車、BC 1 世紀
以来、水力ミルに適用
逆ピッチ水車、しばしば
胸掛け水車で生成される
動力を増やすために使用
胸掛け水車、AD 3 世紀
以来、水力ミルに適用

大きな水車 (通常は上掛け鋼ホイール) は、ホイールの外側に搭載された 歯の付いた環状リングから動力を伝達している。 これは軸に搭載された平歯車 (spur gear) を使用して、機械を駆動し、 中央軸から動力を取らない。 しかしながら、操業の基本モードは同じままで、重力が流れる水の動きを通じて機械を駆動する。

注意
上の文章で「鋼ホイール」とあるのは「ホイール」自身は恐らく鋳鉄製で、リムが錬鉄製と思われます。 これはサスペンション・ホイールと呼ばれる水車です。(クオリー・バンク・ミル訳注:サスペンション・ホイールとリム歯車で説明を加えています。

19 世紀の終わりにかけて、 ペルトン水車 (Pelton wheel) の発明により、 ミルの所有者によっては、上掛けホイールと下掛けホイールをペンストック (penstock) で駆動する ペルトン水車で置き換えることが奨励された。

潮汐ミル (Tide mills)

水力ミルの異なる形式に潮汐ミルがある。 これはどのような種類 -- 下掛け、上掛け、あるいは水平ミル -- であってもよいが、 動力源としては川を利用しない。 その代わり、小さな湾の入り口に防波堤、もしくは土手道 (causeway) を建設する。 引き潮時に防波堤のゲートが開放されて、湾が到来する潮で満たされる。 満潮時にゲートが閉鎖され、水を内部に閉じ込める。 ある時点で、防波堤の導水路ゲート (sluice gate) が開放され、排水される水が ミルの 1 つのホイール、あるいは複数のホイールを駆動する。 これは潮汐差がとても大きい場所でとりわけ効果的であるり、 例えば、カナダのファンディ湾 (Bay of Fundy) では潮は 50 フィート上昇する。 あるいは今では遺棄された、イースト・サセックス (East Sussex) のタイド・ミルズ村 (Tide Mills) がある。 英国で最後の 2 つの実例は稼働状態まで復元されて、 ハンプシャー (Hampshire) のエリング (Eling)、 サフォーク (Suffolk) のウッドブリッジ (Woodbridge) で訪れることができる。

訳注
原文には以下の段落があるが、上と関連がない。 また「Run of the river」に関しては Run-of-the-river hydroelectricity - Wikipedia から判断すると、 ダムを作らずに利用する方法を指すようである。しかし以下には十分な説明がない。

「Run of the river」計画はまったく水の進路を変えることがなく、 ミルが大抵、大きな川、あるいは速く流れる川の堤防にあるような 下掛け水車に関係している。 他の水車は大きな橋の下に設置され、ここでは支柱の間の水の流れがより速かった。 一時期、ロンドン橋には、橋の下にあまりに多くの水車があり、 ハシケ乗りは橋を通過することが邪魔されていると不平をこぼした。

現在の状態

20 世紀初めまでに、安い電力エネルギーの利用可能性により、 水力ミルが先進国では時代遅れなものとなったが、 田舎の小さなミルによっては、その後の世紀を通じて商的に操業し続けた。 少々の歴史的ミルは、 例えば、米国のウォーター・ミル (Water Mill), ニューリン・ミル (Newlin Mill), 及びイェーツ・ミル (Yates Mill), と英国のダーリー・ミル・センター (Darley Mill Center) のように、 実演目的のために操業し続けている。 小規模な商的生産は英国の ダニエルズ・ミル (Daniels Mill), リトル・サルケルド・ミル (Little Salkeld Mill) 及びレッドボーンベリー・ミル (Redbournbury Mill) で実施されている。

古いミルによっては、現代の水力技術で上級化されており、例えば英国の サウス・サマセット・ハイドロパワー・グループ (South Somerset Hydropower Group) により操業されているものがある。

発展途上国によっては、水力は穀物を処理するのになお広く利用されている。 例えば、ネパールには 25,000 基が操業し、インドには 200,000 基が操業していると思われている。 これらの多くはなお伝統的な様式であるが、幾つかは木造部品を良くデザインされた金属製で交換して 効率を改善している。 例えば、ネパールの田園技術センター (Centre for Rural Technology) は 2003 年と 2007 年の間に 2,400 基のミルを上級化した。

応用
英国、エアシア (Ayrshire) の
ダルガーベン・ミル (Dalgarven Mill)
英国、ダルガーベン・ミル
(Dalgarven Mill)の胸掛け水車
Jahodná ( スロバキア (Slovakia))
における水車
ブラジル、 カルダス・ノバス
(Caldas Novas) の水車
エストニア、コヒラ
(Kohila) の以前の水車