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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。 ミルは水車を動力源にする工場と考える方がより的確です。
ヨーロッパのミル (水車) の代表的なものは製粉ミルですが、これには通常、臼は 2 組あり、一組が皮をはぐためのもので、もう一組が粉にするために使用し、 どちらも臼を回転することによって機能を実現しています。 日本の水車は「つく」機能しかないので、ヨーロッパの製粉ミル (製粉水車) とは機能的には異質なものになり、 むしろ水力ミルのトリップ・ハンマーやスタンプ・ミルの方に類似している。 しかし、後者は鉱石の粉砕をすることが目的なので、馬力が違いすぎ、比較することの意味がなさそうです。 (水車の冒頭で説明をしています。)
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)
関連項目：
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； 製粉ミル (gristmills, 製粉所)、 鋸ミル (sawmills、製材所)、 製紙ミル (paper mills)、 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。
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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 (水車) 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 or 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) は潮の動きを利用し； 船舶ミルは船上の (且つ船を構成する) 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。
水力ミルには 2 つの基本的な形式があり、 1 つは歯車機構を経由する垂直水車によって駆動され、 もう 1 つはそのような仕組みがない水平水車を装備している場合である。 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)、 逆掛け (reverse shot) の水車ミル (waterwheel mills) がある。
ギリシャ人は水力ミルの 2 つの主要部品 -- 水車と歯車装置 (toothed gearing) -- を発明し、 ローマ人と共に、下掛け、上掛け、そして胸掛け水車ミル (waterwheel mill) を使用した。
水力駆動の水車の最も初期の証拠は 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 に登場している。 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、以前はアラビア人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) 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始めて証明されていた。
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 (grain mill) 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) のカビラ (Cabira, /kəˈbaɪrə/) の宮殿の近くに存在していたことである。
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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 (石臼) (上階) は 歯車機構を通して、下掛け水車 (下階) で駆動される。 |
ローマの技術者である ウィトルウィウス (Vitruvius) は BC 40 年/10 年の水車の最初の技術説明を与えている； 装置には下掛け水車が取り付けられ、動力が歯車機構を経由して伝達されている。 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。
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) で言及していることは、 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る。 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。
南フランス、バルブガルの AD 2 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 記述されている。 ここには 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、再び クランクと連接棒 (connecting rod) により駆動されるものが、 ゲラサ (Gerasa) と エフェソス (Ephesus) の 6 世紀の水力石鋸ミルで、考古学的に示されている。 現在のドイツにおける水力駆動の大理石鋸に関しての文学的言及が アウソニウス (Ausonius) の 4 世紀の詩モセラ (Mosella) に見い出せる。 これらは同時期にキリスト教の聖者である アナトリア (Anatolia) 出身の 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。
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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 (turbine mill) 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 世紀始めのものである。 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) により示された) が、 縮充 (fulling) と大理石を鋸でひくような産業使用にも応用された。
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 (水平軸を持つ) 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、石臼の直径が小さい場合のみにうま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追跡されただけであるが、 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、 もっと多くがまだ発見されることである。 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 基の潮汐ミルと 水道 (aqueduct) で動作した一連のミルと思われるもので、 これは フリート川 (River Fleet) の片側を走っていた。
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 巧妙に使用されたが、この時包囲する 東ゴート族 (Goths) がミルの水源を切断していた。 これらの浮遊ミルには流れの速い川に係留したボートに取り付けられた水車があった。
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下掛け水車、BC 1 世紀
以来、水力ミルに使用 |
上掛け水車、BC 1 世紀
以来、水力ミルに使用 |
胸掛け水車、AD 3 世紀
以来、水力ミルに適用 |
現存する水車の証拠が急速に増えたのは： 修道院の認可状 (monastic charters)、 キリスト教の 聖者伝 (hagiography)、 とドイツの 法典 (legal codes) のようなジャンルの文書の登場につれてであった。 これらは、 古代の都会を中心とした文人階級 (literary class) よりも 水力ミル -- 田舎の作業工程 -- を扱う傾向がもっとあった。 カロリング朝までに、水力ミルの言及は、 フランク人の記録 (Frankish record) で無数になった。 1086 年に編纂された ドゥームズデイ・ブック (Domesday Book) には イングランドだけで 5,624 基の水力ミルが記録されている。 後の研究で、最低でも 6,092 基のより少ない控えめの数が見積もられている、 というのはイングランドの北端では決して適切に記録されなかったからであった。 1300 年に、この数は 10,000基と 15,000 基の間に上昇した。 7 世紀始めまでに、アイルランドにも水力ミルが十分に確立した。 1 世紀後に、以前のローマ帝国のライン川とドナウ川の辺境を越えて、ドイツの他の部分に拡散し始めた。 船舶ミルと潮汐ミルは、どちらも古代にはまだ存在したことが示されていないが、6 世紀には導入された。
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| 中世の水力ミル |
ライン川のドイツの船舶ミル
1411 年頃 |
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 年頃の双子フルーム (twin flume) の 水平水車ミルがリトルアイランド (Little Island) で発掘された。 このそばに、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。 この石臼は直径 830 mm で、水平水車はピーク時に 7 - 8 馬力を出力したと見積もられている。 より以前の 619 年のミルの遺構もこの場所で見つかった。
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使用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 | ||
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| ミルの形式 | 日付 | 国 |
| 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 |
| ふいご (Bellows) | 1269年, 1283年 | スロバキア, フランス |
| 製紙ミル (Paper mill) | 1282年 | スペイン |
| 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 |
水車は中国で AD 30 年以後に見いだされ、 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 ( 張衡 (Zhang Heng) 参照) であった。 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石臼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 祖沖之 (Zu Chongzhi) 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。 隋 (Sui Dynasty) の技術者の 楊素 (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したことである。 AD 737 年に書かれた 唐 (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。 他の8 世紀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。 唐の 玄宗 (Emperor Xuanzong of Tang) に仕える 1 人の宦官は 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。
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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、 |
ギリシャの歴史的言い伝えによれば、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、メトロドロス (Metrodoros) とか言う人が「彼ら (ブラーマン (Brahman)、[訳注： 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。
イスラム帝国 (Caliphate) の技術者は、 ビザンティン帝国の以前のプロビンス (province) の水力ミル技術を採用し、 これはイスラム帝国の征服以前に、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ていた。 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； 製粉ミル (gristmill, 製粉所)、 もみすり機 (huller)、 鋸ミル (sawmill)、 船舶ミル (ship mill)、 スタンプ・ミル (stamp mill)、 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ていた。 イスラム教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。
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第二次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 |
300 基以上の水力ミルが 1960 年まで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 の水力ミルがあり、 ヤズド (Yazd) 市の水力ミルは今でも小麦粉を製造している。
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、 水路あるいはパイプを経由する。 (これらはフルーム (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。) 水の動きの力は水車 (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。 水車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水車、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なんらか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。
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ハンガリー、
ヴェスプレーム県
(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 つは水平水車で垂直回転軸を持つもの、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, 外輪) に当たり、リンド (rynd) の上で平衡を取る 回転石 (runner stone) を回転させ、 リンドはホイールから直接上に延伸する軸 (shaft) の上に乗っている。 ベッド・ストーン (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には垂直水車があり、これは 4 種類の中の 1 形式で、 下掛け、胸掛け、上掛け、そして逆ピッチ (pitchback) の水車である。 この垂直水車は、水平軸の周りに回転運動を生成し、 これが使用されて、 (カムと共に) 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) 等を持ち上げることができた。
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下掛け水車、BC 1 世紀
以来、水力ミルに応用 |
上掛け水車、BC 1 世紀
以来、水力ミルに応用 |
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、水力ミルに応用 |
しかしながら、穀物ミルでは垂直軸の周りの回転は石を駆動することが要求される。 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 ランナー・ストーン (runnner stone, 回転石) 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 ピット・ホイール (pit wheel) が搭載されている。 このピット・ホイールが垂直軸に搭載された 転がり歯車 (wallower) 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) を回転する。 この大きな歯車はピン (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 (lantern gear) のようなもの) を回転する。 ストーン・ナットは ランナー・ストーン (runner stone, 回転石) を 駆動する回転軸に取り付けられている。 回転させることができるランナー・ストーン (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。 水車技術が改善すると、ミル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、 一台の水車が 4 つもの石を駆動することが可能になった。 工程の各段階でギア比が増大し、これにより ランナー・ストーン (回転石)の最大スピードが増大した。 導水路ゲート、従ってメイン水車を通過する水の流れを調節することにより、 製粉業者が給水の季節変動を補償することを可能にしている。 より繊細な速度調節は、テンタリング (tentering) により製粉工程の最中になされる。、 すなわち、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る。
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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,驚異のミル), 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. デザギュリエ (J. T. Desaguliers) により出版された。
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 倍半効率がよい。 下掛け水車は、 メイン水車が単にミル水路 (mill race) の流れの中に沈み、 内在する非効率性がある： 水車自身は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、 実際は自分自身の動作を邪魔している。 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、下掛け水車の単純なパドル・ホイール (paddle wheel, 外輪) の デザインではなく、水車 (wheel) に組み込まれたバケット (bucket) である。 バケットがいっぱいになると、水の重さが水車 (wheel) の回転を開始する。 水は下側でバケットから排水路にこぼれて川に戻る。 水車自身は排水路の上に設置されているため、水は水車の速度を決して邪魔しない。 水車に対する水の推進力 (impulse) も、バケットに一旦収まった時の水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； ダムを川の上流に建設すること、 もっと手の込んだミル池、 導水路ゲート (sluice gate)、 ミル水路 (millrace)、 及び排水路 (spillway or tailrace) である。
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スロベニア (Slovenia) の
ムール川
(Mura) の船舶ミル (shipmill) |
英国、エアシア (Ayrshire) の
ダルガーベン・ミル (Dalgarven Mill) |
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。 給水路の フルーム (flume) 末端に樋 (launder) が置かれ、 これがエネルギーの多く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) の近くのダニエルズ・ミル (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。
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英国、ダルガーベン・ミル
(Dalgarven Mill)の胸掛け水車 |
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。
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、上掛け水車と下掛け水車を ペンストック (penstock) が駆動する ペルトン水車で置き換えることが奨励された。
水力ミルの異なる形式に潮汐ミルがある。 このミルはどのような種類 -- 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 つの水車 (wheel)、あるいは複数の水車を駆動する。 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訪れることができる： 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) である。
Run of the river (川の速い流れ) の計画は水の進路をまったく変えることがなく、 下掛け水車に関連し、 大抵ミルはかなり大きな川、あるいは速く流れる川の堤防にある。 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のに邪魔であると不平をこぼした。
1870 年に、水力ミル (watermill) は 英国の穀物ミル (grain milling) で利用可能な動力の 2/3 のなお生成した。 20 世紀始めまでに、安い電力エネルギーが利用可能になって、 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。
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クーサモ (Kuusamo)
(フィンランド) の水車 |
Jahodná (
スロバキア (Slovakia))
における水車 |
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。 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。 これらは新型コロナウィルスのパンデミック (Covid pandemic) の最中に小麦粉不足を克服するために増進された。
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、デザインが良好な金属製で交換して 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。
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ブラジル、 カルダス・ノバス
(Caldas Novas) の水力ミル |
エストニア、コヒラ
(Kohila) の以前の水車 |