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History of the steam engine - Wikipedia
蒸気エンジンの歴史
(History of the steam engine)

蒸気エンジンの歴史は紀元 1 世紀にまでさかのぼることができ、 記録されている最初の原始的な蒸気エンジンは アレクサンドリアのヘロンにより記述されているアイオロスの球 (aeolipile) である。 ヘロンの実験の 1000 年以上も後に、 幾つかの蒸気動力のエンジンが実験されたり、提案されたりした。 しかし商用的に成功した蒸気エンジン -- トーマス・ニューコメンの大気圧エンジン -- が終に開発されたのは 1712 年のことであった。 産業革命の最中に、 蒸気エンジンは支配的な動力源となり、20 世紀の最初の数十年間もそのままであり続けたが、 電気モーターと内燃エンジンが、そのデザインの進展により、急激に蒸気エンジンにとって代わった。 しかしながら、蒸気エンジンの別の形式である蒸気タービンは発電機を駆動する最も普通の方法となった。 「先進蒸気技術」の新しい (時代の) 波の基礎として、往復蒸気エンジンを復活させる実際の問題に関して調査されている。


1698 年のサヴェリー・エンジン
最初の商用的に有益な蒸気エンジン
トーマス・サヴェリーが建造
訳注
「先進蒸気技術」の意味がわかにくいが、原文ではこれにリンクが張ってあり、 関連する項目がたくさんあることがわかる。どうやら欧米には蒸気技術の復活を 研究している人がまだいるようです。
  1. 先駆け
  2. 大気圧凝縮エンジン
  3. 高圧エンジン
  4. コーリス・エンジン (Corliss engine)
  5. ポーター=アレン (Porter-Allen) の高速エンジン
先駆け
蒸気動力の初期の使用

知られている最も初期の原始的な蒸気エンジンは 反作用蒸気タービンであるアイオロスの球 (aeolipile) であり、 これはギリシャの数学者で技術者であったアレクサンドリアのヘロンによって記述されている。 彼は 1 世紀のローマ帝国のエジプトの人で、 彼の写本「Spiritalia seu Pneumatica」に記録されていることである。 蒸気が接線方向に放出されて、軸に取り付けたボールが回転している。 この熱効率は低かった。 これは、蒸気圧を機械的な動きに変換することが 1 世紀のローマ帝国のエジプトで知られていたことを示している。 ヘロンは、祭壇の火で温められた空気を利用して密閉容器から一定の水を移動する機械も考案している。 水の重さが、隠された綱を引くことに使用されて、神殿の扉が開かれた。 ある歴史家はこの 2 つの発明を合成して、 アイオロスの球が有益な仕事をすることができたと誤って結論した。


アイオロスの球

1125 年の マルムズベリーのウィリアムズ によると、 ランス (Reims) には教会が一つあり、 ここのオルガンは、「加熱水」が圧縮箇所から漏れ出すことで動力を得ていた。 これは明らかに ゲルベルトゥス教授 (professor Gerbertus) によりデザインされ建造されたものである。

15 世紀後半のレオナルド・ダヴィンチ (Leonardo da Vinci) の挿絵の中に蒸気動力の大砲のデザインがあり、 Architonnerre と呼ばれ、密閉して灼熱した大砲に、熱湯を突然注ぎ込むことによって動作した。

原始的なインパルス蒸気タービンが 1551 年にタキ・アルジンにより記述されている。 彼は 16 世紀のオットーマン帝国エジプトの哲学者、天文学者且つ技術者であり、 焼き串を回転する方法を述べており、 これは車輪の外周に回転する羽根をとりつけ、ここに蒸気ジェットを噴出するものである。 類似の焼き串を回転する方法が、後の 1648 年にジョン・ウィリアムズ (John Williams) によっても述べられている。 これらの装置は当時は「ミル」(mill) と呼ばれたが、現在では蒸気ジャック (steam jack) と呼ばれている。 別の類似の原始的な蒸気タービンがイタリアの技術者であるジョバンニ・ブランカ (Giovanni Branca) によって 1629 年に示されており、 これでは円筒状の装置 (cylindrical escapement device) が、臼の中の 1 対の杵を交互に持ち上げ、落としている。 しかしながら、これらの初期の蒸気タービンの蒸気の流れは集中したものでなく、 エネルギーの大半が周囲に拡散していた。 これにより、エネルギーが大量に浪費され、産業用として本気で考えられたわけではなかった。

1605 年に、フランスの数学者であるフローレンス・リヴォール (Florence Rivault) は 大砲に関しての彼の論文の中で、彼の発見を書いており、 それによると、水を砲弾の殻 (bomb shell) の中に閉じ込め加熱すると、殻を爆発させることになった。

1606 年に、 スペイン人のヘロニモ・デ・アヤンツ (Jerónimo de Ayanz y Beaumont) は蒸気力・水ポンプを 実演し、特許を得た。 ポンプは成功裏にスペインのグアダルカナル (Guadalcanal) の水浸しになった鉱山を排水した。

1663 年に、第 2 代ウスター侯爵であるエドワード・サマセットは 下の階から上の階に水を持ち上げる方法を出版した。 これは コーヒー・パーコレーターに類似の原理を使用するものである。 彼のシステムは始めてボイラーを揚水装置から分離した。 水を水槽から強化したタルに移し、 次にバルブを開いて、分離したボイラーから蒸気を取り入れた。 水にかかる圧力が増加すると、水がパイプを登った。 彼は自分の蒸気動力の機械をラグラン城 (Raglan Castle) のグレート・タワーの壁に設置し、 塔に水を供給した。 エンジンが設置された壁の溝は 19 世紀になってもいまだに見ることができた。 しかしながら、このような革命的な発想には、誰もが金をつぎ込むことがなく、 支持者がないまま、機械は発展することがなかった。

訳注
ラグラン城: グーグル・マップ フォト・スフィア
シリンダー

1670 年代中頃に、 ドニ・パピン (Denis Papin) はオランダの物理学者である クリスティアーン・ホイヘンス (Chistiaan Huygens) とエンジンに関して共同研究して、 シリンダー内部で火薬を爆発させることにより、シリンダーから空気を取り除くことを考えた。 この方法で作られる真空が不十分であることに気が付き、 1680 年にイングランドに移住してから、 パピンは同じシリンダーを用いて違うことを考案し、 水を沸騰させてから蒸気を凝縮することにより、もっと完全な真空を作った。 これにより、彼は重りを持ち上げることができた。 このためにピストンの端にロープを付け、ロープを滑車に通した。 実演モデルとしてはシステムは動作したが、 行程を繰り返すためには、 すべての装置を分解して、再構成する必要があった。 パピンがすぐにも気が付いたことは、 自動的に繰り返すには、蒸気はボイラーの中で別に生成する必要があることであった。 しかしながら、その計画をそれ以上は取り上げなかった。 パピンは外輪船もデザインし、 タキ・アルジンとサヴェリーの考えを組み合わせて、 水車に (蒸気) ジェットを噴出させて (船を) 駆動した。 パピンは例えば安全弁のような幾つかの重要な装置の発明者でもある。 パピンによる蒸気を利用するための何年もの研究は 最初の成功裏の産業エンジンの開発の鍵となる役目を演じることになった。 そして、これは彼の死後まもなくして起きたことであった。


ピストン・シリンダー・エンジン
ドニ・パピンによるデザイン、1680 年
サヴェリー蒸気ポンプ

産業に応用された最初の蒸気エンジンは「火炎エンジン」(fire-engine) とか「坑夫の友」(Miner's Friend) とか呼ばれ、1698 年にトーマス・サヴェリーによりデザインされたものである。 これはピストンのない蒸気ポンプで、ウスターで開発されたものと類似なものである。 サヴェリーは 2 つのキーとなる貢献をしており、デザインの実用性を大いに改善した。 第一に、水の供給をエンジンの下に置くために、 凝縮する蒸気が貯水場所 (ウスターの例のタルに相当) に部分的な真空を作り、 これにより水を汲み上げた。 第二に真空を作り出すための蒸気を急速冷却するために汲み上げ場所に冷水を走らせた。

操作には複数のバルブが必要である。 貯水場所が周期の開始時点で空の時、 1 つのバルブを開けて蒸気を受け入れる。 バルブが閉鎖されて貯水場所が密閉され、 冷却水のバルブが回されて蒸気を凝縮し、貯水場所に部分的な真空が作られる。 給水バルブが開けられて、貯水場所に水を汲み上げ、 典型的なエンジンでは 20 フィートまで水を汲み上げることができた。 給水バルブを閉じて、蒸気バルブを再度開け、水面に圧力を蓄積し、 ウスターのデザインと同様に水を上方に押し上げた。 このサイクルにより、与えれた蒸気圧で揚水できる高さを本質的に 2 倍にすることができ、 製造された実例ではおよそ 40 フィート持ち上げた。

サヴェリーのエンジンは当時始めて重大となった問題を解決した: これは南イングランドの鉱山がより深い深さまで到達し、ここから水を汲み上げる問題であった。 サヴェリーのエンジンはニューコメンのエンジンより効率がよくなかったが、 ニューコメンで使用される分離したポンプの効率の悪さにより埋め合わされ、 2 つのエンジンはおおよそ、同じ効率 -- 石炭 1 ブッシェル当たり 600 万フィート・パウンド (1% 以下) -- であった。 またサヴェリーのエンジンは安全とは言えなかった。 なぜならば、サイクルの 1 部で、ボイラーにより供給される加圧蒸気が使用されるからである。 当時の技術力のことを考えれば、 圧力容器は十分に強くすることができず、爆発しやすかった。 およそ 1705 年頃に (ウェンズベリーの近くの) ブロード・ウォーターズにあった彼のエンジンの 1 つが爆発したことにより、 彼の発明を活用する試みが恐らく終了した。

訳注
フィート・パウンドは 仕事 (物理学) の大きさの単位のことです。日本人にはキログラム・メートルの方がわかりやすいですが,...

サヴェリーのエンジンはニューコメンのエンジンほど高価ではなく、 より小さなサイズで製造された。 幾つかの製造業者は 18 世紀の後半になるまで、サヴェリーの改良版を生産し続けた。 王立学会フェロー (FRS) の「ポルトガルのモウラのベント」 (Bento de Moura Portugal) はサヴェリーの装置に巧妙な改良を導入し、 「自分自身で動作する」 ようにした。 このことは 1751 年に出版された哲学紀要 (Philosofhical Transaction) にジョン・スミートンが記述している。

大気圧凝縮エンジン
ニューコメン「大気圧」エンジン

トーマス・ニューコメンの1712 年の 「大気圧エンジン」 こそが、 パピンによって確立された大半の基本要素をひとまとめにし 最初に開発された実用的な蒸気エンジンであり、 商業上の需要があるべきものであった。 このエンジンは地表レベルで設置された往復運動をするビーム (梁) エンジンの形を取り、 ビームの一方の端で連続してポンプを駆動した。 エンジンはビームの別の端からチェーンで取り付けられ、 大気圧あるいは真空の原理で動作した。

ニューコメン・エンジンの彫版。これは デサグリエ
1744 年の本「A course of Experimental Philosophy」
(実験哲学のコース) からの裏返しにしたコピーと思わ
れ、これ自身ヘンリー・バイトンの 1717 年の彫刻の
裏返しにしたコピーと思われ、図が示すのは恐らく
ウォリックシャーのグリフ炭坑に 1714 年頃に設置
したニューコメンの 2 つ目のエンジンである。

ニューコメンのデザインは、より初期の考えのいくつかの要素を使用した。 サヴェリーのデザインのように、 ニューコメンのエンジンは水で冷却した蒸気を使用して真空を作った。 しかしながら、サヴェリーのポンプと違い、ニューコメンの 真空使用は直接水を吸引するのではなく、ピストンを引いた。 シリンダーの上端は大気圧に開放され、真空が形成された時に、 ピストン上部の大気はシリンダー内部に引き寄せられるのである。 ピストンは冷却水を供給する同じ水槽から潤滑用及び密閉用のほんの少しの水を得た。 更には冷却効果を高めるためにシリンダー内に水を吹き付けた。

ピストンは大きな回転ビームに鎖で取り付けられた。 ピストンがビームを引くと、ビームの反対側は上方に引き上げられた。 こちら側は棒に取り付けられ、棒は鉱山の一連の伝統的なポンプのハンドルを引いた。 この動力ストロークの最後で、 蒸気バルブが再び開放され、ポンプの棒の重さがビームを下に引き、 ピストンを持ち上げ、再びシリンダーの中に蒸気を引き入れた。

ピストンとビームを使用することで、ニューコメン・エンジンは鉱山の異なる水平区間にある 複数のポンプに動力を与えることができることはもとよりのこと、高圧蒸気の必要性を消し去った。 すべてのシステムは地表の単一の建物に孤立させた。 非効率で (後のエンジンと比べると) 石炭をよく食うが、 このエンジンは、それまで可能であったものよりは、 はるかに大量の水を、より深い場所から汲み上げた。 100 基以上のニューコメンのエンジンが 1735 年までにイングランドの周辺で設置され、 1800 年までには、(ワットのバージョンも含め) 2000 基もの機械が操業していたと 見積もられている。

ジョン・スミートンはニューコメン・エンジンに色々な改良を加え、 とりわけ密閉を改良した。 このような改良により、彼はエンジンの効率を 3 倍に上げた。 彼はシリンダーからの動力を伝達するためにビームの代わりにホイールを使用した。 これにより、彼のエンジンはもっとコンパクトになった。 スミートンは蒸気エンジンの操業に関しての厳密な理論を開発した最初の人である。 彼は意図した目的から逆方向に向けて作業し、 仕事に必要な動力を計算し、 これを提供するためのシリンダーのサイズと速度を計算し、 これに供給するためのボイラーの大きさを計算し、 これが消費する燃料の量を計算した。 これらは、コーンウォールやニューカッスルの何十基ものニューコメン・エンジンを研究した後で、 経験的に決定し、 1770 年にはオーソープ (Authorpe) の自宅に自分の実験用のエンジンを建設した。 ワットのエンジンが導入されるほんの数年前までに、 スミートンはますます大きくなる何十基ものエンジンを建設し、 100 馬力の領域に至っていた。

ワットの分離した凝縮器

ジェームス・ワットは 1759 年にグラスゴー大学で装置製造屋且つ修理屋として働いている時に、 ジョン・ロビソン教授 (Professor John Robison) によって蒸気の力を知った。 ワットは魅惑されてこのテーマに関しての話をできる限り読み、 独立して 潜熱の概念を発展させた。 この概念は同じ大学の ジョセフ・ブラックにより、ごく最近に出版されていたものであった。 ワットが、大学がニューコメンの小さな動作モデルを所有していることを知った時、 彼はそれをロンドンから取り戻すように迫った。 装置はロンドンで修理されていたが成功していなかった。 ワットがこの機械を修理したが、完全に修復されても、かろうじて機能しているだけだと気が付いた。


初期のワットの揚水エンジン

このデザインで仕事をした後で、ワットは エンジンで使用される蒸気の 80% が浪費されていると結論した。 蒸気は目的の力を供給する代わりに、シリンダーを加熱することに使用されていた。 ニューコメンのデザインでは、 動力ストロークは冷水を吹きかけることで開始し、 これは蒸気を凝縮するのみならず、シリンダーの壁も冷却していた。 この熱はシリンダーが再び蒸気を受け入れる前に元に戻さなければならない。 ニューコメンのエンジンでは熱は蒸気によってのみ供給され、 従って、蒸気バルブが再び開けられて蒸気がシリンダーに進入すると直ちに、 大半の蒸気は冷たい壁に凝縮した。 かなりの蒸気と時間の後に、シリンダが元のように熱くなり蒸気が満ち始めた。

ワットは冷水の吹きかけの問題を、冷水をパワー・シリンダーの横にある別のシリンダー に移すことにより解決した。 一旦、誘導ストロークが完了すると 2 つのシリンダーの間のバルブが開放され、 シリンダーの中に進入した蒸気は冷却シリンダーの中で凝縮した。 これは真空を作り、もっと多くの蒸気がシリンダーに導かれ、どんどんこれが続き、 蒸気の大半が凝縮した。次にバルブが閉鎖され、メイン・シリンダーの動作は 通常のニューコメン・エンジンのように継続した。 動力シリンダーはこの間に動作温度を維持するので、ピストンが上端に戻ってくれば、 直ちに次のストロークに入ることができた。 温度を維持するためにシリンダーの周りが覆い (jacket) で囲まれ、ここに蒸気が挿入された。 ワットは 1765 年に動作モデルを製造した。

ワットはこれが偉大な進展であると確信を持ち、 ベンチャー資金を手に入れるために共同事業とし、 ワットはデザインで働いた。 この一つだけの改良では満足せずに、ワットは一連の他の改良にも、 労苦を顧みず取り組み、事実上エンジンのすべての部分に及んだ。 ワットは更に小さな真空ポンプを追加してシステムを改良し、 (このポンプで) シリンダーから凝縮器に蒸気を吸引し、 更にサイクル時間を改良した。 ニューコメンのデザインからの、もっと過激な変更はシリンダーの上部を閉鎖して、 ピストンの上に低圧蒸気を導入することであった。 今や、動力は大気圧と真空の違いによるものではなく、 蒸気圧と真空の違いによるものとなり、少々高い値を取ることになった。 上方への復帰ストロークの時に、 ピストンの上の蒸気は、パイプによってピストンの下に移され、 下方ストロークの時に凝縮されることになった。 ニューコメンのエンジンの密閉は (ピストンの上に) 少量の水を維持することによって 達成されていた。 ワットのデザインでは (ピストンの上に) 蒸気があるため、この方法は最早可能ではなかった。 ワットは動作する密閉材を探すために随分と多くの努力を払い、 まもなく獣脂とオイルの混合物を使用することになった。 ピストン棒もシリンダー・カバー上部を詰物抑えで通過しており、 ここも同じように密閉した。

ピストンの密閉の問題は十分に丸いシリンダーを製造する方法がなかったことによっていた。 ワットは鋳鉄から穴を開けてシリンダーを作ろうとしたが、 あまりに円からかけ離れていた。ワットはハンマーで作った鉄のシリンダーを使うことを余儀なくされた。 次はロー (Roe) からの引用である (1916 年)。

(ジョン) スミートンが最初のエンジンを見た時に、彼は技術者協会 (Society of Engineers) に次のように報告している: 「どのような道具もどのような職人も、このような複雑な機械を十分な精度で製造できない」
訳注
技術者協会とあるのはスミートンが創設した土木技術者協会 (Society of Civil Engineers) のことと思われます。 これは夕食会 (dining club) のようなもので、 そのため土木者技術学会 (Institute of Civil Engineers) が別途できました。 土木技術者協会はスミートンの死後スミートン土木技術協会 (Smeatonian Society of Civil Engineers) に名称変更されました。

1774 年にワットは終にデザインが十分によくなり公表できると考え、 ワットのエンジンが市場に公表された。 デザインの幾つかの部分は既存のニューコメン・エンジンに容易に装着できたため、 鉱山では全く新しいエンジンを建造する必要がなかった。 その代わりに、ワットと彼の事業の共同出資者 (partner) であるマシュー・ボウルトンは エンジン技師に改良をライセンスし、燃料代を節約できる金額の一部を課金した。 デザインはむやみやたらに成功し、デザインをライセンスして、 エンジンを建造する新しい製造業者を助けるために、ボウルトン・ワット会社を設立した。 2 人は後にソーホー鋳造所を開設し、自分たちのエンジンを製造した。

1774 年に、ジョン・ウィルキンソン (John Wilkinson) は穴開け機を発明した。 この機械では切削工具を保持するシャフト (軸) は両端で支えられ、 シリンダーの中を伸びていた。 この機械によって、1776 年にウィルキンソンは ボウルトン・ワットの最初の商用エンジン・シリンダーの穴を開けることに成功した。

ワットは彼のエンジンの改良をやめようとはしなかった。 これによりサイクル速度の改善と色々なものを導入した:ガバナー (調速機)、 自動バルブ、複動作 (double-acting) ピストン、色々な回転式動力取り出し器 (rotary power takeoff) 等。 ワットの技術により固定式蒸気エンジンの広範囲な商用利用が可能となった。

ハンフリー・ゲーンズボロ (Humphrey Gainsborough) は 1760 年代に凝縮蒸気エンジンのモデルを製造した。 彼は ルナー・ソサエティ (Lunar Society) のメンバーであるリチャード・ラベル・エッジワース (Richard Lovell Edgeworth) にこの機械を見せた。 ゲーンズボロはワットが発明のために彼のアイデアを使用したと信じた。 しかしながら、ジェームス・ワットはこの時期にはルナー・ソサエティのメンバーではなく、 次から次に続く多くの思考過程のワットによる説明はこの話が間違っていることを示していると思われる。

動力はまだ限られていたがその理由は:低圧 (蒸気), シリンダーの容量、燃焼率、蒸発率、 そして凝縮器の容量であった。 理論的な最大効率はピストンの両側の比較的低温の温度差によっていた。 これの意味することは、ワットのエンジンは使用可能な動力を提供するが、 最初の製造エンジンはとても大きくする必要があり、建造と設置がとても高価であったことである。

ワットの複動作 (double-acting) ・回転エンジン

ボウルトン・ワットは往復エンジンを回転形式のエンジンに進展させた。 ニューコメンのエンジンとは違い、ワットのエンジンは十分に滑らかに動作するので、 -- 太陽・惑星歯車装置を経由して -- ドライブ・シャフトに接続して、 複動作 (double-acting) 凝縮器シリンダーと共に回転動力を提供できた。 最も初期の実例は実演用の機械として建造され、 ボウルトンの工場でボタン等を磨く (ラッピング、lapping) 機械として動作していた。 この理由から、このエンジンは常に「ラップ・エンジン」 (Lap Engine) と呼ばれた。 初期の蒸気エンジンでは、ピストンは棒により均衡を取るビーム (梁) に接続され、 はずみ車に直接接続されていなかった。それゆえ、これらのエンジンはビーム・エンジンと呼ばれている。

高圧エンジン

18 世紀が進展すると、呼び声は高圧エンジンになった: これにはワットが強く抵抗し、彼の特許が与える独占権を利用して、 他の業者が高圧エンジンを製造し、車両に使用することを防止した。 彼は当時の材質の抵抗力とボイラー技術を信じていなかったのである。

高圧エンジンの重要な利点は:

  1. それ以前の与えられた出力を持つエンジンよりもずっと小さくできる。 従って、開発される蒸気エンジンは潜在的に、小さくて十分に強力で自分自身や他のものを推進することが可能となる。 その結果、輸送のための蒸気力が今や船舶や陸上の車両に実用的となり、 これにより輸送産業、旅行、軍事戦略そして本質的に社会のすべての側面に大変革を起こした。
  2. 大きさが小さいため、ずっと廉価である。
  3. 大気圧エンジンに必要とされる大量の凝縮器の冷却水が必要ではなくなる。
  4. エンジンを高速で走らせるようにデザインでき、機械の動力にはもっと適したものとなる。

不利な点は

  1. 低圧領域では、凝縮エンジンほど効率が良くなく、 とりわけ蒸気を膨張的に使用しないとこうなる。
  2. ボイラー爆発が起きやすくなる。

高圧エンジンと低圧エンジンの動作で主に違っている点は、 ピストンを動かす力の源泉である。 ニューコメンとワットのエンジンでは、圧力の違いの大半を引き起こすのは蒸気の凝縮で、 (ニューコメンの場合には) 大気圧が、(ワットの場合には) 低圧蒸気がピストンを押し、 内部の圧力は決して大気圧をはるかに超えることがない。 高圧エンジンの場合には、圧力の違いの大半は、ボイラーからの高圧蒸気により提供される。 ピストンの低圧側は大気圧か、もしくは低圧側が凝縮器に接続されていれば、 圧力差のわずかな部分が提供されるのに過ぎない。

「強力蒸気」の最初の唱道者として知られている人はジェイコブ・リューポルド (Jacob Leupold) で、彼のエンジン計画で述べられており、 1725 年頃の百科全書的な本に登場している。 蒸気推進のボートや車両の色々な計画も 18 世紀を通じて登場し、 最も期待できたのはニコラス=ジョーゼフ・キュニョー (Nicolas-Joseph Cugnot) で、 彼は 1769 年にファルディエ (fardier, 蒸気馬車) を実演した。 この車両の動作圧力は知られていないが、 ボイラーが小さなサイズであったため蒸気の生成率が不十分で、 ファルディエは一度に数百メートルしか前進できず、 停止して蒸気を生成しないといけなかった。 他の計画やモデルも提案されたが、1784 年のウィリアム・マードック (William Murdoch) のモデルと 同様に、多くはボウルトン・ワットによって妨害された。

これは米国には当てはまらず、1788 年には、ジョン・フィッチ (John Titch) により建造された蒸気船が、 デラウェア川沿いのペンシルバニア州フィラデルフィアとニュージャージー州バーリントン (Burlington) の間で 商業的に定期運航し、30 名もの乗客を運んだ。 このボートは典型的には 1 時間に 7, 8 マイルを進み、短い運行期間中に 2000 マイル (3,200 km) を航行した。 フィッチの蒸気船は成功ではなかった。このルートには適当に舗装された比較的良好な馬車道があったからである。 1802 年にウィリアム・シミントン (William Symington) が実用的な蒸気船を建造し、1807 年にはロバート・フルトン (Robert Fulton) がワットの蒸気エンジンを使用し、これが商用的に成功した最初の蒸気船に動力を与えた。

オリバー・エバンス (Oliver Evans) は今度は「強力蒸気」を選び、 ボート・エンジンや固定式用途に適用した。 彼は円筒ボイラーの開拓者であった。しかしながら、エバンスのボイラーは 何回か深刻な爆発を引き起こし、ワットの懸念に重みを持たせた。 彼は 1811 年にペンシルバニア州ピッツバーグに「ピッツバーグ蒸気エンジン会社」を設立した。 会社はミシシッピ流域の川船交易に高圧蒸気エンジンを提供した。

訳注
1811 年にフルトンはリビングストン達とピッツバーグで蒸気ボートを建造して、 オハイオ川からミシシッピ川に抜けてニューオリンズまで 2,3 ヶ月かけて航行します。 フルトンはオリバー・エバンスにもボートの建造を打診したようですが、これは実現しなかったようです。 フルトンの蒸気ボート ニューオーリンズ を建造したのは ニコラス・ルーズベルト ( Nicholas Roosevelt) だそうです。 ミシシッピ川、オハイオ川を最初に遡上した蒸気ボートは エンタープライズ で、 このボートのエンジンはオリバー・エバンスのエンジンを改造したものです。

(熱力学的な観点からは) 圧力下で蒸気を生成する重要性は高温を達成できるからである。 従って、高圧蒸気を使用するどのエンジンも、低圧真空エンジンで可能であったよりも、 より高い温度と圧力差で動作する。 従って高圧蒸気は往復蒸気エンジンの更なる進展の大半の基礎となった。 そうであるにせよ、1800 年頃には、「高圧」 は今日では非常に低いもの、すなわり 40-50 psi (276-345 kPa) で、この圧力では問題となる高圧エンジンは凝縮せず、蒸気の膨張力のみで駆動し、 一旦蒸気が仕事をすれば、通常は大気圧よりは高い状態で排気した。 排気蒸気の煙突への爆風は火床を通り抜ける通気を誘導し、従って燃焼率を増大し、 小さな火床にもっと熱を提供した。但し、これはエンジンの排気側に 背圧 (back pressure) を引き起こした。

1804 年の 2 月 21 日に、サウス・ウェールズのマーサー・ティドビル (Merthyr Tydfil) のペン=ア=ダレン (Penydarren) 鉄工場で、 リチャード・トレビシックが製造した 最初の自己牽引する鉄道蒸気エンジン、あるいは蒸気機関車が実演された。

コーンウォール・エンジンと複合化

1811 年頃、リチャード・トレビシックはワットの蒸気エンジンを最新化して、 彼の新しい大きな円柱型のコーンウォール・ボイラー (Cornish boiler) に適合するように要求された。 1816 年にトレビシックが南米に去った時には、彼の改良をウィリアム・シムズ (William Sims) が継続した。 並行して、 アーサー・ウルフ (Arthur Woolf) が 2 つのシリンダーを持つ複合エンジンを開発し、 蒸気が高圧シリンダーで膨張してから、低圧シリンダーに解放された。 効率は更に Samuel Groase により改善され、 彼はボイラー、エンジン、パイプを隔離した。


トレビシックの揚水エンジン
(コーンウォール・システム)

ピストンの上側の蒸気圧はまもなく 40 psi (0.28 MPa) にまで、あるいは 50 psi (0.34 MPa) にまで 到達し、今や下方ストロークの動力の大半を提供し、 同時に凝縮器が改良された。 これは随分と効率を上げ、 コーンウォール・システム (しばしばコーンウォール・エンジンとも呼ばれる) に基づいた揚水エンジンが 19 世紀を通じて更に新たに建造され続けた。 古いワットのエンジンは最新化されて適合した。

これらのコーンウォールの改良を取り上げることは繊維産業地帯では遅かった。 ここでは石炭が安く、エンジンは資本コストが高く、(ボイラーは) 長い使用に耐えたからであった。 変化は 1830 年代にようやく起き始め、通常は別の (高圧) シリンダーを追加して複合化した。

初期のエンジンの別の限界は速度の変動で、 これにより多くの繊維への応用、とりわけ紡績に不適切であった。 安定した速度を手に入れるために、 蒸気エンジンを動力とする工場 (mill) では、水車に水を汲み上げるために蒸気エンジンを使用し、 水車が機械を駆動した。

これらのエンジンの多くは世界中に供給され、 信頼できて効率的な運転を非常に長い年月にわたり提供し、 しかも石炭の使用量が随分削減されていた。 これらの幾つかはとても大きく、この形式のエンジンは 1890 年代に至るまで建造され続けた。

コーリス・エンジン (Corliss engine)

コーリス蒸気エンジン (1849 年特許) はジェームス・ワット以来の最も偉大な改良であると言われた。 コーリス・エンジンは速度制御と効率を随分と改善し、すべての産業用途 -- 紡績を含む -- に適したものとなった。

コーリスは分離した蒸気の吸気口と排気口を使用し、 これにより排気が、熱い蒸気が使用する通り道を冷却しないようにした。 コーリスは部分的に回転するバルブも使用した。 これは速く作動し、圧力の喪失を軽減する助けになった。 バルブはそれ自身、マサツを減少する原因になった。 とりわけ、スライド・バルブと比較するとこうなっており、 スライド・バルブでは典型的にエンジンの動力の 10% を使用していた。

コーリスは自動的な (蒸気の) 可変遮断を使用した。 バルブ装置はガバナー (調速機) を使用してエンジン速度を制御し、遮断のタイミングを変動させた。 これが、より良い速度制御に付け加え、効率の向上を促したものの一つであった。


ゴードンの改良したコーリス・バルブ装置の詳細
「手首板」は中央の板でここから棒が 4 つの
バルブに放出。
ポーター=アレン (Porter-Allen) の高速エンジン

ポーター=アレン・エンジンは 1862 年に導入され、 ポーターのために例外的な能力を持った機械工のアレンが開発した先進的なバルブ装置を使用し、 最初は一般的にアレン・エンジンと呼ばれた。 高速エンジンはうまく均衡がとれた精密機械で、 工作機械と製造技術の進展により可能となった。

この高速エンジンはピストン速度で通常の機械の 3 倍から 5 倍速く、 速度の変動も少なかった。 この高速エンジンは製材所で円形のこぎりに動力を与えるために広く使用された。 後には発電に使用された。

このエンジンには幾つかの利点があった。 ある場合には直接連結できた。 もしも歯車ないしはベルトとドラムを使用すれば、 ずっと小さくすることができた。エンジンそれ自身も生成する動力に比べて小さかった。

ポーターは、はずみ車調速機の回転する重りを減らし、軸の周りに重りを付け加えて、大いに改良し、 随分と速度制御を改善した。 ポーターの調速機は 1880 年までに主要な形式になった。


ポーター=アレン高速エンジン
拡大してはずみ車の手前左に
見えるポーター・ガバナーを見よ

ポーター=アレン・エンジンの効率は良いが、コーリス・エンジンと同じではない。

ユニフロー・エンジン

ユニフロー・エンジンは高圧エンジンで最も効率の高い形式である。 これは 1911 年に発明され、船舶で使用されたが、 蒸気タービンに取って代わられ、後に海洋ディーゼル・エンジンに取って代わられた。