レスター・アラン・ペルトン
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Lester Allan Pelton - Wikipedia
ペルトンの発明したペルトン・ホイール (Pelton wheel) は日本では「ペルトン水車」と呼ばれます (琵琶湖疎水で発電に使用され、現在は琵琶湖疏水記念館に展示)。 しかし、これは水力タービン (インパルス・タービン) なので、 混乱を避けるために、本文中ではカナ表記の「ペルトン・ホイール」を使用することにします。
レスター・アラン・ペルトン (1829 年 9 月 5 日 - 1908 年 3 月 14 日) はアメリカの発明家で、アメリカの古い西部 (American Old West) と、ひいては世界中で 水力発電と水力の開発に重大な貢献をした。 1870 年代後半に彼はペルトン・ホイール (Pelton Water Wheel) を発明した。 これは当時は最も効率の良いデザインのインパルス水力タービンであった。 彼は水力発電の父達の 1 人と認められ、存命中に エリオット・クレソン・メダル (Elliott Cresson Medal) を授与され、 米国発明家栄誉殿堂 (National Inventors Hall of Fame) に殿堂入りしている。
レスター A. ペルトンはオハイオ州 エリー・カウンティの田舎のバーミリオン・タウンシップ (Vermilion Township) の丸太小屋で生まれた。 彼の祖父のジョサイア・ペルトン船長 (Captain Josiah Pelton) は 米英戦争 (War of 1812) 中の船長の時に、財産をほとんど失い、 その後まもなく家族をオハイオ州に連れてきた。 レスターの父親はアレン・ペルトン (Allen Pelton)、母親はファニー・カドバック (Fanny Caddeback) で、 初期の別の地方開拓者家族の出身であった。 子供の時はレスターは家族の農場で働き、恐らく近くのカドバック小学校 (Caddeback grade-school) で学んだ。
1850 年に若いペルトンは他の何人かの地方の男たちと一緒にオハイオ州から移住して カリフォルニアのゴールド・ラッシュに参加した。 彼は金山の坑夫としては成功することがなく、 サクラメント川 で釣りをして近くで魚を売った。 また、彼は製材所で働き、大工として働いた。 1860 年に、近くの シエラ・ネバダ山脈 (Sierra Nevada) の金山のストライキのあとで、 キャンプトンビル (Camptonville) に移住した。キャンプトンビルはユバ川 (Yuba River) の近くで、 カリフォルニア州のマザー・ロウド (Mther Lode, 母鉱床 [訳注、金の主鉱脈]) の土地 (country) にある。 そこで彼はミルライト且つ大工として生計を立てた。 ペルトンは本を読み、鉱山活動を観察することに多くの時間を費やした。 仕事と研究により、彼は鉱山装置と工程、および関連する技術原理に関しての 重要な知識を身に着けた。
タービン水車改良のペルトンのアイデアはゴールド・ラッシュで沸き返るカリフォルニアの 鉱山装置と操作に関する彼の研究に由来した。 ここから生じるのが、ペルトンが観察した地方技術の要約であり、 彼のタービン水車が勢いよく流れる山の川から運動エネルギーを抽出する科学の要約である。
蒸気 - 熱は地方鉱山活動の多くに動力を与えたが、 燃料のために多くの木材が必要であり、 近くの森は日常的に消え失せていた。 タービン水車 (turbine water wheels) も動力を供給するのに使用された。 しかし、これは渓流 (mountain streams) の運動エネルギーを馬力に変換することで非効率であった。 D. P. スターン (D. P. Stern) は次のように述べている：
実験と模型の制作により、ペルトンは ナイト・ホイール (Knight wheel)の効率に改良を加えた、 このナイト・ホイールは近くのサッター・クリーク (Sutter Creek) のナイト鋳造工場 (Knight Foundry) でこれ以前に開発されていたものである。 ナイト・ホイールは河川水流ジェット (streamflow jet) を 1 個のタービン・カップで、中心からわずかにずれた点で角度 を持って受け止めた。 この代わりにペルトン・ホイールは -- 分割 2重カップ (split double cup, 実際は 2 つのカップを横に並べたもの) を配置し、衝突するウォーター・ジェット (water-jet) を 2 重カップの共通する境界 (vane) で直接受け止めて分割し -- 水流の運動エネルギーをもっと効率的に捉えた。 ペルトンのデザインには 2 つの重要な結果があった： 一つには水力を開発する古代からの人類の追及に新しい物理科学導入の地固めをした。 即ち、反作用タービンに対するインパルス・タービンの科学である。 そして高水頭 (すなわち高位置エネルギー) に適合したタービンの使用に革命を与えた。 ペルトン以前には、ほとんどすべての水力タービンは水圧あるいは水頭によって 動力を得る反作用タービンであった。一方ペルトンのホイールは高速なウォーター・ジェット (water-jet) の 運動エネルギーによって動力を得るものであり、 この動力は小さな渓流 (mountain stream) から簡単に開発できるものであった。
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| ペルトンの元々の特許の図 |
ペルトン・ホイール、1880 年頃
ネバダ市マイナーズ鋳造所で製造 |
1870 年代の後半に、 カリフォルニア州ネバダ市のマイナーズ・ファウンドリー (Miners Foundry, 坑夫の鋳造所) で、 ペルトンは彼の最初のタービン・ホイール (turbine wheel) の雛形を 作り、試験をして、製造をした。その時はタービンのことをペルトン・ランナー (Pelton Runner) と呼んでいたが、 後にはペルトン・ランナーはタービンのブレード (羽根、blade) のことのみを指すようになった。 1878 年に、ネバダ市のメイフラワー鉱山 (Mayflower Mine) で、ペルトンは最初の可動なペルトン・ホイールを設置した。 この時は、ナイト鋳造所のホイールが業界標準として売られていた。 しかし、近くのグラス峡谷 (Grass Valley) のアイダホ鉱山で 1883 年に開催された直接対決で、 ペルトンのデザインがもっと効率が高いことが判明した。 ペルトンのデザインは (水流の運動エネルギーを馬力に変換することにおいて) 90% の 効率を与えた。一方、次に良かった競合相手は 77% 以下しか達成しなかった。 この時代では、現存する大半の水車 (water wheel) は典型的には 40% もの効率もなかった。
更に、ペルトン・ホイールは渓流の (典型的な) 低水量状態でも持続した動力を提供した。 1887 年には、1 人の坑夫がペルトン・ホイールに発電機を取り付け、 シエラ・ネバダで始めて水力発電をした。
1895 年には、ペルトンの生涯の中で、最大のペルトン・ホイールがカリフォルニア州 グラスバレー (Grass Valley) の ノース・スター鉱山の動力棟に設置された。 装置をデザイン・設置したのは技術者のアーサー・ド・ウィント・フット (Arthur De Wint Foote) で、 直径 30 フィートの特大のホイールであった。 これは成功裏に稼働し、ペルトン・ランナーによって生成される水力を著しく増大し、 鉱山活動のための圧縮空気を製造した。
ペルトンは彼の水車はもとよりのこと、 二重カップ・ランナー (double cup runner) の斬新なデザインの特許も取り、 1888 年には、サン・フランシスコにペルトン水車会社 (Pelton Water Wheel Company) を設置し、西洋や世界中で増大し続ける水力や水力発電の需要に応じた。 「ペルトン」は会社の製品の商標名であるが、 この用語は一般的に類似のインパルス・タービンに広く使用された。
ペルトンはカリフォルニア州で 78 才で亡くなり、オハイオ州バーミリオン (Vermilion) の家族墓地に埋葬されている。 彼のペルトン・ランナー (Pelton Runner) は米国と世界中で、 水力発電の動力を生成するために、 ここで示されるように今なお使用されている。 後のデザイン、例えばターゴ・タービン (Turgo turbine) -- 1919 年に特許 -- やバンキ・タービン (Banki turbine) はペルトン・ホイールによってインスピレーションを受けた。
1895 年に、ペンシルバニア州フィラデルフィアのフランクリン協会 (Franklin Institute) は、 技術分野における発明の業績から、 レスター・ペルトンにエリオット・クレソン・メダル (Elliot Cresson Medal) -- 現在は、 ベンジャミン・フランクリン・メダル (Bejamin Franklin Medal) に改名 -- を贈呈した。 2006 年に、彼はバージニア州 アレクサンドリア (Alexandria) の 米国発明家栄誉殿堂 (National Inventors Hall of Fame) に殿堂入りした、 これは以前はオハイオ州 アクロン (Akron) にあったものである。 ペルトンをたたえる記念碑やモニュメントが随分あり、 ペルトン・ランナー (Pelton Runner) が据え付けてあるのは： カリフォルニア州キャンプトンビル (Camtonville)、 カリフォルニア州 ネバダ・シティー (Nevada City) のマイナーズ・ファウンドリー (Miners Foundry, 鉱夫の鋳造所)、 そして ワシントン DC の スミソニアン博物館 (Smithonian Museum)、 アナハイム (Anaheim) の ディズニーランドのカリフォルニア・リゾート (California Resort) などである。
1958 年に、俳優の ウィリアム・ハドソン (William Hudson) は、 「幸運のホイール」 ("Wheel of Fortune") のエピソード (episode) でペルトンを演じた。 これは スタンリー・アンドリュース (Stanley Andrews) が司会する テレビ配信 (syndicated television) の「デス・バレーの日々」 (Death Valley Days) の選集シリーズ (anthology series) の一話であった。 このエピソードは水力採鉱原理 (principles of hydraulic mining) のペルトンの開発に焦点を合わせていた。