ニューコメン・エンジンの概要を示す動画
蒸気はピンク、水は青
バルブの開放 (緑) と閉鎖 (赤)
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Newcomen atmospheric engine - Wikipedia
1712 年にトーマス・ニューコメンによって発明された大気圧エンジンは、 しばしば単にニューコメン・エンジンと呼ばれる。 シリンダーに吸引された蒸気を凝縮させて操作するエンジンは、 これにより部分的な真空を作り、 これにより気圧がピストンを押し下げる。 これは蒸気が機械的な仕事を生み出すことを利用した最初の現実的な装置であった。 ニューコメン・エンジンは英国中で、そしてヨーロッパ中で使用され、主に鉱山の排水に使用された。 何百台もの機械が 18 世紀を通じて建造された。
ジェームズ・ワットの後のエンジン・デザインはニューコメン・エンジンの改良されたバージョンで、 大まかには効率を倍増した。多くの大気圧エンジンがワットのデザインに改造され、 料金は節約された燃料の一部分に基礎を置いていた。 その結果、ワットは蒸気エンジンの原点との関連で、今日ではニューコメンよりもよく知られている。
ニューコメン・エンジンが登場するまで、 色々な種類の小さな蒸気の装置が少々製造されたが、 大半は本質的に目先の変わったものでしかなかった。 1600 年頃に幾つかの実験で蒸気が使用され、 小さな泉を駆動し、これはコーヒー・パーコレーターのように動作した。 最初に気密容器が水で満たされ、加熱して沸騰させた。 容器の底に向けられたパイプが容器から上方に突き出ていた。 生成された蒸気は容器に圧力を加え、容器から水を排出し、容器の上のパイプの口から水を噴出した。 これらの装置は効用が限定され、原理を実演する役しかなかった。
1662 年に第 2 代ウスター公爵のエドワード・サマセット (Edward Somerset) は彼が仕事をしていた幾つかのアイデアを掲載した本を出版した。 1 つは蒸気動力ポンプで水を泉に供給するものであった： 装置は交互に部分的な真空と蒸気圧を使用した。 2 つの容器が交互に蒸気で満たされ、次に冷却水を噴霧して容器内の蒸気を凝縮させた。 これは部分的な真空を作り、井戸からパイプを経由して、水を容器に引き込んだ。 加圧した蒸気で力を加え、水を容器から別のパイプによって上層のタンクに持ち上げ、この時の蒸気が凝縮し、 ここまでの周期が繰り返された。 2 つの容器を交互に使用すれば、上層のタンクへの輸送量が増大した。
1698 年にトーマス・セイヴァリ (Thomas Savery (/ˈseɪvəri/)) は彼が 「坑夫の友」 と呼ぶ蒸気動力のポンプの特許を取った。 本質的にサマセットのデザインと同じで、ほとんど確実に直接のコピーである。 冷却して真空を作る工程は極めて遅く、セイヴァリは外部の冷却水の噴霧を付け加えて蒸気を急速に冷却した。
セイヴァリの発明は厳密には最初の蒸気 「エンジン」 とは見なされない。 というのは、これには動く部分がなく、どのような外部の装置にも動力を伝達できなかったからである。 明らかに 「坑夫の友」 には高い望みがあり、これにより議会は特許の有効期間を 21 年間延長し、 1699 年の特許が 1733 年まで効力を失うことがなかった。 セイヴァリの機械は望まれたほど成功しないことが判明した。
セイヴァリの装置の理論的な問題は真空が揚水できる最大の高さはおよそ 30 フィート (9 m) で、 これに更に蒸気圧で 40 フィート (12 m) を付け加えることができた。 これは鉱山から水を汲み上げるには不十分であった。 セイヴァリのパンフレットではボイラーと容器を立て坑の棚に設置し、 深い水平坑道には更に 2 基か 3 基のポンプを設置することを提案している。 明らかにこれは不便な解法で、 地表で動作する何らかの機械的ポンプ -- 水を吸い出すのではなく水を直接持ち上げるもの -- が望ましかった。 そのようなポンプはすでに一般的で、馬によって駆動していたが、 これには垂直方向の往復運動が必要で、セイヴァリのシステムが提供できるものではなかった。 ボイラーを加圧状態で操業することに関してはもっと現実的な問題があり、 ウェンズべりーのエンジンのボイラーが恐らく 1705 年に爆発した時に実証されていた。
ルイ・フィギエ (Louis Figuier) が彼の記念碑的な本の中でドニ・パパンが 1690 年にライプチヒの Acta eruditorum (【訳注：ドイツの最初の科学雑誌、学者の会報】) に出版した論文を完全に引用している。 題目は 「Nouvelle méthode pour obtenir à bas prix des forces considérables」 (廉価で相当な力を得る新しい方法) であった。 アイデアはロンドンの王立学会でロバート・ボイル (Robert Boyle) と共同研究をしているときに、パパンが思いついたようである。 パパンは次のように述べている： 最初に垂直なシリンダーの底に少量の水を注ぎ、棒に付けたピストンを挿入し、 ピストンの下の空気を追い出してから、シリンダーの下に火を置いて、 水を沸騰させ、十分な蒸気を作ってピストンをシリンダーの上端まで持ち上げた。 次にピストンを上端に一時的に固定するために、 バネの取っ手を棒のくぼみに食い込ませた。 次に火を取り除き、シリンダーを冷却させ、これにより蒸気が水となり、ピストンの下に真空ができた。 ピストン棒の端にはひもが取り付けられ、ひもは 2 つのプーリーを通過して、その端に重りが付けられた。 「取っ手」を外すと、大気圧と、作り出された真空の圧力差により、 ピストンはシリンダーの底部に鋭く引き下げられた： かくして、十分な力が生成され、60 ポンド (27 kg) の重りが持ち上げられた。 エンジンは確かにそこまでは動作したが、単に原理を実演するために考案され、 ここまでやり遂げてから、パパンはこれをそれ以上には決して発展させなかった。 もっとも論文の中で彼は 「火炎チューブ」 でボートを駆動する可能性について実際に記述している。 これを発展させる代わりに、彼はセイヴァリ・エンジンの変型版を開発することに気を散らしてしまった。
ニューコメンはパパンの実験を発展させて、これを動作可能にした。 もっとも、これが正確にどのようにして起きたのかに関しての情報は存在していない。 パパンが解答を与えていない主要な問題はいかにして定期的な間隔で動作を繰り返させることができるかという点である。 前進する道はセイヴァリがしたようにシリンダーに連続的に蒸気を確実に供給するボイラーを提供することであり、 蒸気が一旦凝縮したら水を処分することであった。 動力ピストンは鎖によって揺れるビームの端に吊り下げられていた。 セイヴァリの装置と違い、ポンプ動作は全く機械的なもので、 蒸気エンジンの仕事は揺れ動くビームの反対の端から吊り下げられている重い棒を持ち上げることであった。 棒は重力で鉱山の立て坑を降下し、 立て坑内部にあるフォース・ポンプ (押し上げポンプ、force pump) ないしは棒ポンプ (pole pump) とよばれるもの (あるいはもっとよくあったことだが、2 台のポンプ) を駆動した。 ポンプの吸入ストロークは上方ストロークの長さしかないが、 真空ポンプの 30 フィートの制限はもはやなく、 はるかに深いところから水を柱状に持ち上げることができた。 ボイラーは極端に低圧の蒸気を供給し、最初は動力シリンダーの直下にあった。 しかし連結パイプを使えば壁で隔てた場所に置くこともできた。 この仕事をすべてするには現実的な技術者の技量が必要であった。 ニューコメンの金属商人としての職業から、 どのような金属がこのようなエンジンに適しているか (すなわち蒸気圧に高い耐性を持つか) に関しての 十分に現実的な知識を持っていたのに違いなく、もっと詳しい知識を持った人に接触したことであろう。
最初のニューコメン・エンジンがコーンウォールで建造された可能性がある。 場所は不明であるが、一台が 1715 年にホイール・ヴォア (Wheal Vor) で操業していたことは知られている。 信頼できる記録が存在している最も早い実例はブラック・カントリーの二台のエンジンで、 このうちで、より有名なのがダドリー (Dudley) の近くのコニーグリー炭鉱 (Conygree Coalworks) の 1712 年に組み立てられたものである。 これは一般に最初に成功したニューコメン・エンジンと見なされている。 しかしウルヴァーハンプトンの 1.5 マイル東に建造された一台の方が先かもしれない。 このどちらもニューコメンと彼の共同事業者であるジョン・カリー (John Cally) が水に浸かった炭鉱を排水するのに使用した。 可動なレプリカが今日、近くのブラック・カントリー・リビング博物館で見ることができ、 博物館はダドリー卿のコニーグリー公園の別の部分にある。
すぐに英国中の水に浸かった鉱山から注文が舞い込んだ。 ある人は彼の業績の知らせが バプテストの関係から広まったと示唆している。 セイヴァリの特許はまだ無効とはなっておらず、ニューコメンはセイヴァリと取引をして、 セイヴァリの特許の下に操業することを余儀なくされた。 というのは特許の有効期限がニューコメンが簡単に手に入れることができるものよりもずっと長かったからである。 有効期限の後期には特許は法人化されていない会社 「火で水を持ち上げる発明の所有者」 に所属していた。
ニューコメン・エンジンが最初に使用されたのは炭鉱であったが、 彼の生まれたウエスト・カントリーの金属鉱山の排水にも使用され、 これには例えばコーンウォールの複数のスズの鉱山があった。 ニューコメンが亡くなるまでに、ニューコメン達は彼のエンジンを 100 台以上設置し、 ウェスト・カントリーのみならず、ミッドランドにも北ウェールズにも、 ニューキャッスルの近くにも、カンブリア州にも設置した。 少数のエンジンが他のヨーロッパの国々に建造され、 これにはフランス、ベルギー、スペイン、ハンガリー、 そしてスウェーデンのダンネモラ (Dannemora) にも建造された。 初期の炭鉱と結びついたニューコメン蒸気エンジンが使用された証拠が バージニア州ミッドロージアン (Midlothian) に 2010 年に発見された。 (これは米国における最初の炭鉱の場所である。) (「ダットンと仲間」 (Dutton and Associates) の 「文化的調査」、2009 年 11 月 24 日付)
単純な原理に基礎を置いているが、ニューコメン・エンジンは少々複雑で、 徐々に開発されたことの兆候があり、 問題は起きるたびに経験的に決着をつけている。 ニューコメン・エンジンにはボイラー A があり、通常はヘイスタック・ボイラー (干し草山ボイラー、haystack boiler) で、シリンダーの直下に置かれていた。 ボイラーは大量の非常に気圧の低い蒸気を生成し、蒸気圧は 1-2 psi (0.07 - 0.14 bar) よりも大きくなく、 これは一台のボイラーで可能な最大の圧力で、ボイラーは初期のバージョンでは銅製で、 丸い鉛の頂上が付き、後には小さなリベット打ちされた鉄板から完全に組み立てられていた。 エンジンの作用は揺れ動く 「偉大な平衡ビーム」 を通して伝達され、 ビームの支点 E はこの目的のために建設された建物の非常に分厚い壁の上にあり、 ポンプ側が建物の外に突き出て、エンジンは家屋の中に位置していた。 ポンプ棒は偉大なビームのアーチ・ヘッド F から吊り下げられていた。 屋内のアーチ・ヘッド D からピストン P が吊り下げられ、 ピストンはシリンダー B の中で動作し、シリンダーの上端は大気に開放され、 下端は閉鎖されている。但し下端には短い蒸気取り込み用のパイプがあり、シリンダーとボイラーを繋いでいた。 初期のシリンダーは鋳造された真鍮で製造されたが、 まもなく鋳鉄の方がもっと効果的で製造費用が安いことが判明した、 ピストンは皮の環による密閉材で囲まれ、シリンダーの穴は手作業で作られ、 完全な円ではなく、ピストン上面に常に水を張る必要があった。 エンジン棟上部の高い所に、水タンク C (ヘッダータンク と呼ぶ) が設置され、 より小さなアーチ・ヘッドから下げられた小さな屋内ポンプで給水された。 ヘッダー・タンク は スタンド・パイプ を経由して加圧した冷却水を供給し、 シリンダーの蒸気を凝縮し、 小さな分岐がシリンダーを密閉する水を供給した。 ピストンのストローク上端で、温かい余分な密閉水はあふれて 2 つのパイプに流れ込み、 重力により、1 本のパイプは屋内の井戸に流し、 もう 1 本のパイプはボイラーに供給した。
ポンプ装置は蒸気ピストンよりも重く、 従って、ビームの静止位置は、ポンプ側が下で、エンジン側が上の状態となり、この状態を 「家の外」 と呼ぶ。
エンジンを開始するには、調節バルブ V を開いて蒸気をボイラーからシリンダーに入れ、 ピストンの下の空間を埋める。次に調節バルブを閉じて、 水注入バルブ V' を短く開いて閉じ、 シリンダーに冷却水を噴霧する。 これにより蒸気が凝縮し、ピストンの下に部分的な真空ができた。 ピストンの上の大気とピストンの下の部分的な真空の圧力差から、 ピストンが押し下げられて、動力ストロークを形成し、ビームを 「家の中」 に持ち込み、 ポンプ装置を持ち上げる。
再度、蒸気をシリンダーに入れ、真空を破壊し、凝縮水を析出パイプ (eduction pipe) から流し去る。 ボイラーからの低圧蒸気がシリンダーに流れ込むと、ポンプ装置の重さがビームを初期状態に戻し、 同時に鉱山の水を上方に駆動する。
周期は 1 分間に 12 回程度繰り返される。
ニューコメンは彼の最初のエンジンがしばらくすると停止することに気が付き、 まもなく、これが蒸気と共にシリンダーに持ち込まれる少量の空気のせいであることに気が付いた。 水には通常少々空気が溶け込んでおり、水を沸騰させるとこの空気が蒸気と共に解放される。 この空気は冷却水で凝縮できないので、次第に蓄積し、最後にエンジンが「風停止」 (wind logged) の状態になる。 これを防止するためにスニフティング・バルブと呼ばれる解放弁がシリンダーの底部の近くに付け加えられた。 この名前は、これが動作して空気と蒸気を解放する時にたてる音に由来し、 「風邪をひいて鼻をすする」ような音がするからである。
初期のバージョンでは、バルブ (当時はプラグと呼ばれた) は プラグ屋 (plug man) が手動で操作したが、 繰り返し動作は正確なタイミングが要求され、自動操作が望ましくなった。 これはプラグ・ツリー (plug tree) によって達成された。 プラグ・ツリーとは鎖により小さなアーチ・ヘッドから垂直に吊り下げられたビームのことで、 シリンダーの横にあった。 プラグ・ツリーの機能は一定の位置に来た時に、 自動的にバルブを開閉することで、 バルブの開閉にはタペット (調節可能なブロック) と重さを使用した脱進機によっていた。 1712 年のエンジンには給水ポンプはプラグ・ツリーの底部に取り付けられていたが、 後のエンジンでは給水ポンプは (家の) 外に移動し、別の小さなアーチヘッドに吊り下げられた。 共通の伝説があり、1713 年にハンフリー・ポッターと呼ばれるコック・ボーイ (cock boy、【訳注：意味不明】) がバルブを開閉する義務を負っていたが、適当なコード (ひも) と取っ手を使用して、ビーム自身がバルブの開閉をするようにしてエンジンを自動化した (この装置はポッター・コードと呼ばれた)。 しかしながら、プラグ・ツリー装置 (バルブ装置の最初の形式) は 1715 年以前に確立していたことが大いにあり得ることで、 しかもニューコメン・エンジンの最も初期の絵の中にはっきりと描かれ、 1717 年のヘンリー・バイトン (Henry Beighton) による絵 (ハルス (Hulse) によると 1714 年のグリフ炭鉱 (Griff colliery) のエンジンの絵) と 1719 年のトーマス・バーニー (Thomas Barney) による絵 (1712 年のダドリー城のエンジンの絵) に描かれている。 蒸気が非常に多く必要とされたため、エンジンは定期的に停止して再スタートする必要があった。 しかもこの工程も自動化され、ボイラーに固定した垂直なパイプの中で上下する浮きを使用した (最初の圧力計 ?)。 浮きは重りの付いたレバーである scoggen に取り付けられ、 蒸気がもっと生成されるまで、水の注入バルブを閉鎖した。
大半の絵はエンジン側のみ見せて、ポンプに関しての情報を与えていない。 現在の意見では少なくとも初期のエンジンでは自重フォース・ポンプ (dead-weight force pumps) が使用され、 エンジンの仕事は次回の下方ポンプ・ストロークに備え、 ポンプ側を持ち上げることのみであった。 これがダドリー城のレプリカで使用されている配置であり、 レプリカは元々述べられている 1 分間 12 ストローク -- 1 ストロークあたり 10 ガロン (54.6 リットル) -- で効果的に動作している。 後のワットのエンジンはリフト・ポンプで動作し、エンジン・ストロークで動力が与えられた。 ニューコメン・エンジンの後のバージョンでもそうであった可能性が大いにあり得る。
大気圧エンジンは、その生涯を終える頃に、ジ ョン・スミートンにより機械的詳細と調和において、 随分と改良された。 スミートンは 1770 年代にこの形式の非常に大きな機械を多く建造した。 エンジンに回転運動を与える緊急な必要性はそれ自身を印象付け、 これは成功が限定されていたが、 ウォズブラ (Wasbrough) とピカード (Pickard) によってなされ、 ニューコメン・エンジンがクランクで 「はずみ車」 を駆動することで実施された。 クランクの原理は長い間知られていたが、ピカード (Pickard) は何とかして、 クランクの蒸気エンジンへの特別な応用として 1780 年に 12 年有効な特許を手に入れた。 これはボウルトン・ワットには妨害であり、 彼らは太陽・惑星歯車装置の特許で迂回して、1782 年に複動作回転エンジンに前進した。
1725 年までには、ニューコメン・エンジンは鉱山でありきたりなものとなり、 とりわけ炭鉱ではそうであった。 エンジンは、この地位を実質変化しないまま、18 世紀を通じて保持した。 ニューコメン・エンジンの使用はある場所では自治体の水の需要のために汲み上げられた。 例えばフランスの最初のニューコメン・エンジンは 1726 年にパッシー (Passy) に建造され、 セーヌ川からパリ市に汲み上げられた。 エンジンは機械の動力を得るために間接的に使用され、 水車の下から、その上の貯水池に汲み戻された。 これのもっとも初期の実例がコールブルックデールにあった。 馬が駆動するポンプが 1735 年に設置され、 オールド・ファーネス (古い溶鉱炉、Old Furnace) の上の貯水池に水を復帰した。 これが 1742 年 - 1743 年にニューコメン・エンジンで置き換えられた。 1750 年代にシュロップシャーで建造された幾つかの新しい高炉は同様な動力があり、 これにはホースヘイ (Horssehay) とケットリー (Kettley) の高炉と、 マデレー・ウッド (Madeley Wood) 高炉 (あるいはベッドラム (Bedlam) 高炉とも呼ばれた) があった。 後者は高炉の上方に貯水池がなく、単に水を汲み入れるタンクがあったようである。 他の産業で、エンジン汲み上げの方法はそれほど一般的ではなかったが、 リチャード・アークライト (Richard Arkwright) はエンジンが彼の木綿工場の追加の動力を与えるように使用した。
ニューコメン・エンジンで機械を駆動する試みがあったが、これは失敗であった。 というのは単動作の動力ストロークはとてもぎくしゃくした動きしか生成しなかったからである。
ニューコメンのデザインの主な問題は操業することが高価であることである。 真空を作るためにシリンダーが冷却されれば、シリンダーの壁は十分に冷たく、 次の吸入ストロークの時に吸入された蒸気の幾分かは凝縮する。 これが意味する所は大量の燃料が蒸気が満ち始める前にシリンダーを再加熱するために使用されるのである。 熱の損失は表面積に関係し、有効な仕事は体積に関係するため、 エンジンの大きさを増大すれば、効率が増大する。 ニューコメン・エンジンは時間と共に大きくなった。 しかしながら、効率は炭鉱の環境では問題ではなかった。 ここでは石炭が自由に手に入ったからである。
ニューコメン・エンジンが始めて取り換えられたのは、 ジェームズ・ワットが 1769 年に 機械を改良してこの問題を避けた時である。 (ワットはニューコメン・エンジンの修理をグラスゴー大学に依頼された。 これは小さなモデルで、問題を誇張していた。) ワットの蒸気エンジンでは凝縮は分離した容器で実施され、この容器はパイプで蒸気シリンダーに接続していた。 パイプのバルブが開けられると、 凝縮器の真空はピストンの下のシリンダーの部分を空にする。 これにより、主シリンダーでの冷却が無くなり、 劇的に燃料の使用を削減した。 これにより複動作エンジンの開発も可能となり、 上方ストロークも下方ストロークも動力ストロークとなり、 エンジンの大きさを随分と増大せずに、エンジンの動力を増大した。
1769 年に導入されたワットのデザインはニューコメン・エンジンを直ちに消し去らなかった。 ワットは自分の特許を活発に防御したため、特許料を支払うことを避けるために、 ニューコメン・エンジンが使用され続けた。 ワットの特許の有効期限が 1790 年代に終了した時に、ワット・エンジンの設置が殺到し、 ニューコメン・エンジンが炭鉱でさえ失墜した。
ニューコメン記念エンジンが ニューコメンの生まれたダートマスで操業しているのを見ることができる。 このエンジンは 1963 年にニューコメン協会がここに持ってきた。 これは 1724 年製造であると思われ、当初はコヴェントリーの近くのグリフ炭鉱 (Griff Colliery) に設置されていた。
一台のエンジンがおよそ 1760 年頃にアシュトン=アンダー=リン (Ashton-under-Lyne) の炭鉱に設置された。 地元では フェアボトム・ボブス (Fairbottom Bobs) と呼ばれ、 現在ではミシガン州ディアボーン (Dearborn) の ヘンリー・フォード博物館で保存されている。
元々の場所で今なお現存している唯一つのニューコメン・エンジンは、 バーンズリー (Barnsley) の近くの現在のエルセカー歴史遺産センター (Elsecar Heritage Cente) にある。 これはおそらくはニューコメン形式のエンジンで最後に商的に使用されたものである。 というのは、これは 1795 年から 1923 年まで走ったからである。 このエンジンは元々の立て坑とエンジン棟と共々に広範な保存工事が実施されている。 2014 年の秋には完成予定で、週ごとの進展は公式な産業新機軸プロジェクトの ウェッブサイトで追うことができる。 (【訳注：この工事はすでに完了しています】)
1986 年に実物大のニューコメン蒸気エンジンの可動レプリカがダドリーのブラック・カントリー・リビング博物館で完成した。 これは実物大の可動なレプリカとしては唯一つ存在しているものである。
他の実例はサイエンス・ミュージアムにある。