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Cornish engine - Wikipedia
コーンウォール・エンジン (Cornish engine)

コーンウォール・エンジンはイングランドのコーンウォールで開発された蒸気エンジンの一型式で、 主に鉱山から排水するのに使用された。 これはジェームス・ワットによってデザインされた 初期の蒸気エンジンよりも高い圧力の蒸気を使用するビーム・エンジンである。 更にこのエンジンはマン・エンジンの動力として使用し、 地下の鉱夫達が作業坑道に出入りする時の補助となり、 ウィンチで物資を鉱山から出し入れする時の動力となり、 また鉱石粉砕機の動力にもなった。


クルヴィウス揚水所
揚水エンジンの複数のビームが
支えられている壁から飛び出している。
  1. コーンウォール・エンジンの周期
  2. 特徴
  3. 背景:コーンウォールの蒸気エンジン
  4. コーンウォール・エンジンの進展
  5. 保存されているコーンウォール・エンジン
コーンウォール・エンジンの周期

コーンウォール・エンジンの周期は次のように動作する。

次の状態から開始するとする: ピストンがシリンダーの上端にあって、ピストンの下には直前のストロークからの蒸気が充満し、 ボイラーは正常な動作気圧で、凝縮器は正常な動作真空にあるとする。

  1. 吸入、排気バルブが開放される。 ボイラーからの蒸気がシリンダーのピストンの上部に進入し、 ピストンより下の蒸気は凝縮器に引き出され、 ピストンの下に真空を作る。 ピストンの上のボイラーの蒸気圧とピストンの下の真空の間の圧力差がピストンを下に駆動する。
  2. ストロークの中間で吸入バルブが閉鎖される。ピストンの蒸気はそれ以後のストロークで膨張する。
  3. ストロークの終端で排気バルブが閉鎖され、平衡バルブが開放される。 ポンプ装置の重さがピストンを引き上げ、ピストンが上に上がるにつれ、 平衡パイプを通じて蒸気がピストンの上からピストンの下のシリンダーの底に移される。
  4. ピストンがシリンダーの上端に達すると、次の周期が開始する。

次のストロークは直ちに起きるかもしれないし、カタラクトのようなタイミング装置で遅れるかもしれない。 もしもエンジンが最高速度で動作する必要がなければ、速度を落とす方が燃料の節約となる。

このエンジンは単動作 (single-acting) で、ピストンはポンプのピストンとその軸 (の重さ) により、 引き上げられる。 蒸気は 50 ポンド/平方インチ (340 kPa) までの圧力で供給できた。

特徴

コーンウォール・エンジンの主要な進展は膨張仕事 (expansive working) による効率の増大である。 効率の増大はコーンウォールでは石炭が高価であったため重要であった。 コーンウォールには炭田がなく、すべての石炭は他の州から持ち込まなければならなかった。

ジェームス・ワットによって使用された非常に低圧で事実上大気圧の蒸気圧を越えたボイラー圧が コーンウォール・エンジンの効率の本質的な要素である。 しかしながら、ボイラー圧を単純に上げればエンジンはもっと強力になるだけで、 効率は増大しない。 キーとなる進展は蒸気をシリンダー内で膨張させることであった。 ジェームス・ワットも蒸気の膨張仕事のアイデアを持っており、 これを 1782 年の特許に含めた。しかしながら、彼が使用している低い蒸気圧では効率の改良は無視でき、 彼はこれを追求しなかった。

ワットのエンジンでは、蒸気はストロークの最中に進入し続けた。 ストロークの最後で蒸気に含まれた全エネルギーは凝縮器の冷却水に失われた。

コーンウォール・エンジンでは蒸気の注入は下降ストロークの中途で遮断され、 すでにシリンダーに進入した蒸気を残りのストロークの最中に膨張させて低圧にする。 この結果、蒸気は多くのエネルギーを有益な仕事に変え、 ワットのエンジンよりも凝縮器の冷却水に失われる熱が少なくなる。

他の特徴には蒸気の通り道とシリンダーを断熱し、 シリンダーを「スチーム・ジャケット」 (蒸気の上着) で囲んだ。 このどちらも以前にワットによって使用されたものであった。

コーンウォール・エンジンは、エンジンが持ち上げた重りが落下することにより揚水する。 コーンウォール・エンジンは元々の場所にはほとんど残っておらず、 大半が関連した産業会社が閉鎖された時にスクラップにされた。

コーンウォール・エンジンは周期の最中に不規則な力を発揮し、 下方ストロークの急速な動きの最中のある時点で完全停止し、 回転運動と大半の産業への応用に不向きであった。

背景:コーンウォールの蒸気エンジン

コーンウォールにはスズ、銅などの鉱山が長期間あったが、 アディット (adit) -- これは本質的には採掘中に排水口且つ排気口を提供する水平坑道のこと -- よりも下で採掘する場合には、鉱山から排水するための何らかの方法を見つけなければならない。 ポンプの動力に馬や水車を使用できれば、これは可能である。 しかし、馬の力には限りがあり、 水車は適当な水の流れが必要である。 従って、石炭をポンプを動かす動力に変換することは、 鉱山産業にとり、とても望ましいことであった。


断面図、1877 年頃

Wheal Vor (鉱山) は 1714 年以前に最も初期のニューコメン・エンジン (低大気圧の圧力を使用するシリンダー内凝縮エンジン) の 1 つを所有していた。 しかしコーンウォールには炭田がなく、南ウェールズから輸入される石炭は高価であった。 従って、揚水用の燃料費は採鉱費用の重要な部分となった。 後に、もっと効率のよい初期のワットのエンジン (外部凝縮器を使うもの) の多くが、 ボウルトン・ワットによりコーンウォールで組み立てられた。 彼らは節約できた燃料費に応じて鉱山主に課金した。 エンジンの燃料の効率性は 1 ブッシェル (94 ポンド (43 kg)) の石炭で生成される仕事 (フィート・ポンド) で現されるデューティ (duty) で測ることができた。 初期のワットのエンジンは 2000 万デューティであり、 後のものは 3000 万デューティ以上であった。

コーンウォール・エンジンの進展

コーンウォール・エンジンは大気圧より大きな蒸気圧を使用することに依存し、 これは 19 世紀にリチャード・トレビシックが考案したものであった。 トレビシックの初期の 「パッファー」 エンジンは大気に蒸気を排出していた。 これはワットの蒸気エンジンとは異なり、 ワットの蒸気エンジンは低圧蒸気を使用し、従って蒸気が凝縮する時に生じる真空に部分的に依存していた。 トレビシックの後のエンジン (1810 年代) は 2 つの原理を結合させ、 高圧蒸気で開始したが、分離凝縮器で凝縮もした。 並行した開発で、アーサー・ウルフは複合蒸気エンジンを開発し、 ここでは蒸気は 2 つのシリンダーで順番に膨張した。

トレビシックが 1816 年に南米に去った時に彼は自分の最近の発明の特許をウィリアム・シムズ (William Sims) に手渡し、シムズは幾つかのエンジンを建設した (あるいは建設しなおした)。 これには Wheal Chance のエンジンが含まれ、大気圧以上の 40ポンド/平方インチ (280 kPa) で動作し、 5000 万近くのデューティを達成したが、デューティは後退してしまった。 1825 年に Wheal Alfred で、トレビシック形式の単一シリンダー・エンジンと ウルフの複合エンジンの間でテストが実施され、どちらも 4000 万よりもわずかに高いデューティを達成した。

次の改良は 1820 年代末にサミュエル・グロース (Samuel Grose) により達成された。 グロースはパイプ、エンジンのボイラーを断熱して熱の損失を減少し、Wheal Hope でデューティを 6000 万に改良し、 後に Wheal Towap でほとんど 8000万に改良した。 にもかかわらず、最良のデューティは通常は短命であった。これは一般的な機械の劣化によっており、 ボイラーからの漏れとボイラー・プレートの劣化 (こうなると圧力を減少しなければならない) によっていた。

小規模な改良がデューティを改良したが、1840 年代中ごろに現実的な限界に達したようである。 50 ポンド/平方インチ (340 kPa) より上の圧力では、振動が機械の破損を引き起こすことになるようであった。 デューティにおける改良が粉砕機とウィムを動かしているコーンウォール・エンジンでも起きたが、 一般にわずかに後になった。どちらの場合も、最良のデューティは揚水エンジンよりは低く、 とりわけウィム・エンジンの場合にこれが当てはまった。ウィム・エンジンの場合は仕事が連続的ではなかった。

蒸気エンジンの改良の勢いはコーンウォールから発生したが、 これはここでの石炭が高価であったからである。 しかし (コーンウォール・エンジンの) 設置費用も保守費用もワットの蒸気エンジンよりも高かった。 これにより、コーンウォールの外ではコーンウォール・エンジンの設置が長く遅れることになった。 中古のコーンウォール・エンジンが 1838 年に東ロンドン上水道に設置され、 ワットの蒸気エンジンと比較すると良好な結果となった。 これはロンドンでは石炭がコーンウォールよりも更に高価であったからである。 しかしながらマンチェスターやリーズのような主要な繊維産業地帯では、 石炭の価格は非常に低く、(エンジンを) 取り換えることが経済的ではなかった。 1830 年代末にようやく、繊維産業が高圧蒸気エンジンに移行し、 通常は高圧シリンダーを付け加えて、複合エンジンに変え、 通常のコーンウォールの実践に従うことがなかった。

訳注
上の文章から意外なことが分かる。 「マンチェスターやリーズのような繊維産業地帯」 とある点で、 共に運河が通っており、石炭の入手が易しく、これが 「繊維産業地帯」 となった理由かもしれません。元々の英国の 「繊維産業」 は水車が建設できるような場所でないといけなかったのですが、運河の建設により 石炭の入手が簡単となる場所ができ、ここが繊維産業地帯となったようです。 一方コーンウォールは 「イングランドの連結された運河網」 には属していないので 蒸気エンジンの効率を上げざるを得なかったようです。
保存されているコーンウォール・エンジン

幾つかのコーンウォール・エンジンがイングランドで保存されている。 「水と蒸気のロンドン博物館」 (London Museum of Water & Steam) には世界で最大のコーンウォール・エンジンのコレクションがある。 ウィルトシャー州のクロフトン揚水所はグレード I の指定建造物で 2 台のコーンウォール・エンジンを収容している。 そのうちの 1 つ (1812 年製のボウルトン・ワットを改造したもの) は 「元々のエンジン棟にあって、設置された時の仕事をすることができる最も古い可動なエンジン」 である。 この場合の 「設置された時の仕事」 とはケネット・エイボン運河の頂上区間に揚水することである。 コーンウォール州のプールの町の近くのイースト・プール鉱山にある 「コーンウォール鉱山とエンジンの博物館」 にも 2 台の実例が生き延びている。

プールで保存されているエンジン棟の
1 つ。30 インチのエンジンを収納
「水と蒸気のロンドン博物館」の
バルブ棒

別の実例がポルダーク鉱山 (Poldark Mine) (コーンウォール州トレニア (Trenear)) にある。-- これはヘイルのハーヴェイ社のコーンウォール・ビーム・エンジンで、 バニー・スズ鉱山 (Bunny Tin Mine) にあったが後にグリーンズプラット陶土立て坑 (Greensplat China Clay Pit) に移動した、 どちらもセント・オーステル (St. Austell) の近くにあり、およそ 1840 年 - 1850 年に製造された。 水圧機械が実演用に追加されている。 コーンウォールで商的に動いていた最後のエンジンで 1959 年のクリスマスの週まで動き、 1972 年にポルダークに移された。

オランダのクルヴィウス揚水所にはコーンウォール・エンジンがあり、 かってコーンウォール・エンジンに建造されたものとしては最大の直径 3.5 m (144 インチ) を持つシリンダーがある。

エンジンはイングランド、コーンウォール州ヘイルのハーヴェイ社によって建造され、 8 基のビームが一台のシリンダーに接続され、 各ビームは一つのポンプを駆動した。 エンジンは 1985 年から 2000 年にかけて可動状態に復元された。 もっとも今では油圧で操業している。というのは蒸気操業にすることは実行可能でなかったからである。

トレビシック協会は、産業考古学組織の先駆で、元々はレヴァント巻き上げエンジン (Levant Winding Engine) をスクラップから救済するために作られ、リチャード・トレビシックにちなんで名づけられた。 協会は別の巻き上げエンジンと 2 基の揚水エンジンを手に入れた。 彼らが出版しているのは: ニューズレター、雑誌、コンウォール・エンジンに関しての本、 鉱山産業に関しての本、 技術者に関しての本、そしてこれ以外の産業考古学に関しての話題の本である。