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Beam engine - Wikipedia
ビーム・エンジン (Beam engine)

ビーム・エンジンとは蒸気エンジンの一型式で、軸の周りに回転する (装置の) 上のビーム (梁, beam) を使用して、 垂直なピストンの力を垂直な (ポンプの) 接続棒に加えるものである。 エンジンが直接ポンプを駆動するこの配置は 1705 年頃 始めてトーマス・ニューコメンによって使用され、 コーンウォールの鉱山から水が取り除かれた。 エンジンの効率は何人かの技術者によって改善され、 このような技術者には分離凝縮器を付け加えたジェームズ・ワット、 ジョナサン・ホーンブローアー (Jonathan Hornblower)、 シリンダーを複合化したアーサー・ウルフ (Arthor Woolf)、 既存のエンジンを複合化する方法を考案したウィリアム・マクノート (William McNaught) がいる。 ビーム・エンジンは最初は鉱山から水を汲み上げたり、運河に水を汲み入れたりすることに使用されたが、 工場 (mill) の動力源である水車の水を補うための揚水にも使用された。


ワットのエンジン、
蒸気と水の進入を示している。

回転ビーム・エンジンはビーム・エンジンの後のデザインで連接棒がクランク (あるいは歴史的には太陽・惑星歯車装置) によってはずみ車を回転するものであった。 この回転ビーム・エンジンは工場 (mill) のライン・シャフトを直接駆動することに使用でき、 蒸気船の動力を与えることに使用できた。

  1. 歴史
  2. 回転ビーム・エンジン
  3. 複合化
  4. マクノート・エンジン
  5. 保存されているビーム・エンジン
歴史

最初のビーム・エンジンは水を動力とし、 鉱山から水を汲み上げるのに使用された。 保存されている実例はスコットランドの ワンロックヘッド (Wanlockhead) で見ることができる。

水を動力としたビーム・エンジン
の遺跡、 ワンロックヘッド 		クロフトン揚水所の 1812 年製の
ボウルトン・ワット・エンジンの
鋳鉄製のビーム。元々の場所で
可動なものでは世界で最も古い実例

イングランドの運河システムが産業革命初期に水門により拡張された時に、 ビーム・エンジンはイングランドの運河システムでポンプに動力を与えるために使用され、 また同時期に鉱山からの排水にも使用され、巻き上げエンジンとしても使用された。

最初に蒸気に関連したビーム・エンジンはトーマス・ニューコメン (Thomas Newcomen) により開発された。 これは厳密には蒸気力によっているわけでなく、 ピストンの下に導入された蒸気が凝縮されて部分的な真空ができ、 これで大気がピストンを押し下げるのである。 このため、これは大気圧エンジンと呼ばれる。 ニューコメンの大気圧エンジンはコーンウォール等の多くの鉱山で使用されたが、 比較的効率が悪く、大量の燃料を消費した。 エンジンはジョン・スミートンによって改良されたが、 ジェームズ・ワットはニューコメン・エンジンの主に非効率な点をワット蒸気エンジンで改良し、 このために分離凝縮器を付け加えて、シリンダーを熱い状態のままにした。 技術的には、これはまだ大気圧エンジンのままであったが、 (幾つかの追加の特許の下に) シリンダーの上部を閉じ込めて、 ここに蒸気を導入して、ピストンを押し下げるようにした。 これにより、エンジンは真の蒸気エンジンとなり、ワットが蒸気エンジンの発明者となったが、 これには異論がある。 彼は遠心力ガバナーと平行運動の特許も取り、 後者は (ピストンの) 上のチェーンの代わりとなり、回転エンジンとして使用することができた。

ワットの特許は 19 世紀始めまで有効であり、 ある人達はこれにより進展が阻害されたと言っている。 しかしながら、実際には進展が他の人々によって継続され、特許期間の終了時には、 爆発的な新しいアイデアと改良があった。ワットのビーム・エンジンはもっと大量に商的に使用され、 多くは 100 年以上も走り続けた。

ワットは彼のエンジンのデザインのキーとなる部分で特許を持っていたが、 彼の回転エンジンも同様に、他の人の特許である単純なクランクにより制限を受けていた。 ビーム・エンジンはイングランド南西部のスズと銅の鉱山で随分と改良され、大きくなり続け、 これにより、ここに存在していた深い鉱山の排水が可能となった。 その結果、コーンウォール・ビーム・エンジンは世界的に有名となった。 これは、これらがかって建造されたビーム・エンジンの中で最も巨大なものであり続けたからであった。

回転ビーム・エンジン

回転ビーム・エンジンではピストンは垂直に搭載され、 ピストン棒は以前と同様にビームを駆動する。ビームの他の端から伸びる連接棒がポンプの棒を駆動するのではなく、 今やはずみ車を駆動する。

初期のワットのエンジンはワットの特許である 太陽・惑星歯車装置を使用して、 単純なクランクを使用しなかった。 というのは後者の使用はジェームス・ピカードが所有する特許で保護されていたからである。 一旦この特許の期限が切れると、単純なクランクが普遍的に使用された。


小さな回転ビーム・エンジン
1870 年にトーマス・ホーンがジェームズ・ワットのデザインで建造
クランクが前に見え、はずみ車がエンジンで半分隠れている。
元々アッシュフォード上水道に設置され、今や可動で
ブレドガー・ウォームズヒル (Bredgar & Wormshill) 軽鉄道で保存
海洋ビーム・エンジン

最初の蒸気動力船は回転ビーム・エンジンの変形版を使用した。 これらの海洋蒸気エンジン -- サイド・レバー、グラスホッパー、クロスヘッド、あるいはウォーキング・ビーム等 -- はすべて元々の陸上の機械の変形で、ビームを違う場所に置いて、船上で場所をふさがないようにした。

複合化

複合化には 2 つ以上のシリンダーが必要となる： 最初の高圧シリンダーから低圧蒸気が第 2 のシリンダーに手渡され、 そこで更に膨張して、もっと駆動力を提供する。 ここから排蒸気が通常のように凝縮器に手渡されればもっと仕事をすることになる。 複合化の最初の実験はジョナサン・ホーンブローアーによって実施され、 彼は 1781 年に特許を取った。 彼の最初のエンジンはコーンウォールのティンクロフト鉱山 (Tincroft Mine) に設置された。 これには 2 つのシリンダーがあり、 1 つは直径 21 インチ (0.53 m) でストロークは 6 フィート (1.8 m)、 もう 1 つは直径 27 インチ (0,69 m) でストロークは 8 フィート (2.4 m) でビームの一方の端に並べて設置された。 初期のエンジンでは性能は向上しなかった。蒸気圧が低すぎたからであり、 相互に接続するパイプが細すぎて、凝縮器は効果がなかった。

この時点では熱力学の色々な法則は適切に理解されておらず、とりわけ絶対 0 度の概念は理解されていなかった。 アーサー・ウルフ (Arthur Woolf) のような技術者は物理学の不完全な理解の下に、 技術的な問題に取り組もうとした。 とりわけバルブ装置はストロークの間違った場所に取り付けてあったため、 シリンダー内で膨張仕事がされなかった。。 ウルフの複合エンジンは 1814 年に成功裏に建造され、 これはホイール・エイブラハム銅鉱山 (Wheal Abraham) と ホイール・ヴォア・スズ鉱山 (Wheal Vor)のためのものであった。

訳注
  1. 熱力学では絶対温度で記述されるため、絶対 0 度の概念を知っていないと熱力学を理解できないことになります。
  2. 上の wheal は 「コーンウォールの鉱山」 (Cornish Mine) の意味 (Wheal - Wikipedia)。
マクノート・エンジン

ウィリアム・マクノート (William McNaught) は 1845 年に複合ビーム・エンジンの特許を取った。 標準のボウルトン・ワットのビーム・エンジンのデザインで、彼は高圧蒸気シリンダーを既存のシリンダーのビームの反対側に置いた。 ここは通常は揚水ポンプを設置する場所であった。 これにより 2 つの重要な効果があった： 圧力を随分下げ、蒸気の接続パイプは長かったため膨張受け取り器 (expansive receiver) として機能した -- これはウルフのデザインではなかったものである。 この改造は後からでもでき、 このように改造されたエンジンはマクノート化 (McNaughted) されたと呼ばれた。 複合エンジンの利点は圧力が 60 psi よりも小さければ大したことがなかったが、100 psi を越えると効果が現れた。

保存されているビーム・エンジン

ビーム・エンジンの基盤とマホガニーの保温材
ブライトンの 英国エンジニアリウム (British Engineerium)