ワットの複動作蒸気エンジンの後期のバージョン
D. ネイピア & サンズ (ロンドン) により 1850 年に製造
現在はマドリード工科大学の Superior Technical School of
Industrial Engineers のロビーにある。この種の
蒸気エンジンが英国と世界の産業革命を駆動した。
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Watt steam engine - Wikipedia
ワットの蒸気エンジン (ボウルトン・ワットの蒸気エンジンとも呼ばれ) は分離凝縮器を使用した最初の蒸気エンジンの型式であった。 これは真空あるいは大気圧のエンジンで、 ピストンの下に部分的な真空を作るために、大気圧よりもわずかに高い圧力を持つ蒸気を利用するものである。 ピストンの上の気圧とピストンの下の部分的な真空の圧力差から、 ピストンがシリンダー内部に駆動される。 ジェームズ・ワットは安全性の懸念から高圧蒸気の使用を避けた。
1712 年のニューコメン・エンジンのデザインを改良するために、 ワットの蒸気エンジンは 1763 年から 1775 年にかけて散発的に開発され、 蒸気エンジンの開発で偉大な次の一歩となった。 ワットの発明は産業革命のカギとなる点であった。
ワットの最も重要な 2 つの改良は分離凝縮器と回転運動であった。
分離凝縮器はシリンダーの外にあるため、 蒸気を凝縮しても ニューコメン・エンジンの内部噴霧のように、 ピストンやシリンダーの壁を冷却することがなかった。 回転運動はニューコメン・エンジンの振動するビームよりは産業動力にもっと適したものであった。
ジェームズ・ワットのデザインは蒸気エンジンと同義なものとなり、 これには共同事業者のマシュー・ボウルトンの大いなる貢献があった。
1699 年に英国の技術者であるトーマス・セイヴァリは蒸気ポンプ装置を発明し、 真空によって井戸から直接に水を汲み上げ、蒸気圧により更に高層に送った。 この装置は鉱山の排水にも提案された。 しかし、およそ 25 フィートしか水を引き上げることしかできないので、 鉱山の底から、この距離以内に装置を置く必要があった。 鉱山はますます深くなっていたのでこの方法は現実的ではなかった。 これは後のエンジンと比べると、大量の燃料も消費した。
深い鉱山から排水する解決法はトーマス・ニューコメンにより発明され、 彼も真空の原理で仕事をして、大気圧エンジンを開発した。 これは可動なピストンを包含するシリンダーを使用し、 ピストンは揺れるビームの一つの端に鎖で接続され、 ビームはもう一つの端で機械的なリフト・ポンプを動かした。 各ストロークの最下点で、蒸気がピストンの下のシリンダーに進入して、 ピストンを持ち上げる。 ストロークの最上点でシリンダーに蒸気を入れるバルブが閉鎖され、 冷水が短時間シリンダーに注入される。 この水は蒸気を凝縮させ、 ピストンの下に部分的な真空を作って、ピストンを引き下ろし、 ビームの反対側を持ち上げる。 ピストンが最下点に降りればサイクルが繰り返される。
ニューコメン・エンジンはセイヴァリのエンジンよりも、もっと強力であった。 水は始めて 150 フィート以上の深さから持ち上げることができた。 1711 年の最初の実例は、鉱山で排水用に使用されていた 500 匹の馬のチームに取って代わることができた。 75 台のニューコメン揚水エンジンが設置された鉱山は： 英国、フランス、オランダ、スウェーデン、そしてロシアにあった。 これに続く 50 年間に、エンジン・デザインにはほとんど変化がなかった。 これは偉大な進展であった。
ニューコメン・エンジンは実際的な恩恵をもたらしたが、 これは動力を与えるエネルギーの観点からは非効率であった。 蒸気ジェットと冷却水をシリンダーに交互に送り込むシステムにより シリンダーの壁がストロークごとに交互に加熱・冷却される。 蒸気が充満するごとに、蒸気は凝縮し続け、そのうちにシリンダーが再び動作温度に近づく。 従って、ストロークごとに蒸気の持つ潜在エネルギーの一部分が失われる。
1763 年に、ジェームズ・ワットはグラスゴー大学で装置製造家として働いていた。 この時、彼はニューコメン・エンジンのモデルを修理する仕事を割り当てられた。 そして、この装置がどれほど非効率かを述べることになった。
1785 年に、ワットは分離した凝縮隔室 (condensation chamber) をエンジンに備える考えを持った。この隔室のことを、彼は凝縮器 (condenser) と呼んだ。 凝縮器と動作するシリンダーは分離されているため、凝縮する時にシリンダーから多くの熱を奪うこがなかった。 凝縮器はいつでも冷たく、大気圧よりも低い圧力のままであり、 一方シリンダーはいつでも熱いままであった。
蒸気はボイラーからピストンの下のシリンダーに進入する。 ピストンがシリンダーの上端に達すると、蒸気の吸入バルブが閉鎖され、 凝縮器への通過を制御するバルブが開放される。 シリンダーの蒸気は冷たい凝縮器に引きずり込まれて水に凝縮し、 部分的な真空を引き起こし、 真空は接続パイプによりピストンの下の空間に伝達された。 次に、外部の気圧がピストンをシリンダーの底に押し下げた。
シリンダーと凝縮器の分離が熱の損失を取り除いた。 この熱の損失は蒸気がニューコメン・エンジンの動作シリンダーで凝縮する時には起きていたのである。 ワット・エンジンの熱効率の改良により、ニューコメン・エンジンと同等な仕事をする場合に、 消費する石炭の量を削減した。
ワットのデザインでは、冷却水は凝縮器のみに注入される。 この型式の凝縮器はジェット凝縮器 (jet condenser) と呼ばれる。 凝縮システムの更なる改良は、冷却水のジェットをなくし、 凝縮器を冷却水のタンクに沈めることである。 この型式の凝縮器は表面凝縮器 (surface condenser) と呼ばれる。
各ストローク毎に、真空ポンプにより、 熱い凝縮水は凝縮器から引きずり出されて「熱水だめ」に送られる。 真空ポンプは蒸気を動力シリンダーから排出するのにも使用される。 まだ熱い凝縮水はボイラーに給水して、リサイクルされる。
ニューコメン・エンジンへのワットの次の改良は、 シリンダーの上部を密閉し、シリンダーのまわりを (蒸気) ジャケットで囲むことであった。 蒸気はピストンの下に進入する前に、これらを通り抜け、 ピストンとシリンダーを温かく保ち、この中で凝縮することを防いだ。 ワットは安全性の懸念から高圧蒸気を使用しなかった。 もっとも彼はその可能性に気づき、1782 年の彼の特許に膨張仕事を含めている。
これらの改良により 1776 年の完全開発版となり、これは実際に製造された。
分離凝縮器はニューコメン・エンジンの改良で劇的な可能性を示したが、 ワットは明らかに乗り越えられない問題に直面し、 市場向けのエンジンを完成させることができなかった。 これが現実のものとなったのは、マシュー・ボウルトンとの共同事業に参加した後のことであった。 ワットはエンジンを改良するアイデアをボウルトンに話し、 ボウルトンは熱心な起業家 (entrepreneur) であったため、 バーミンガムの近くのソーホーで試作エンジンを開発する資金の提供をすることに同意した。 終に、ワットは施設と熟練職人の現実的な経験を手に入れた。 職人たちはすぐにも動作エンジンを作ることができた。 ワットのエンジンが完全に開発され、類似のニューコメン・エンジンよりも燃料の使用が 75% 少なかった。
1775 年に、ワットは 2 台の大きなエンジンをデザインした： 1 台はティプトン (Tipton) のブルームフィールド炭鉱 (Bloomfield Colliery) のもので、 これは 1776 年 3 月に完成し、 もう 1 台はシュロップシャー州ウィリー (Willy) のジョン・ウィルキンソンの製鉄所のものであり、 これは翌月に稼働していた。 第 3 のエンジンは、東ロンドンのストラトフォード=ル=ボウ (Stratford-le-Bow) のもので、 これも、その年の夏に稼働していた。
ワットは蒸気エンジンのために、 正確に穴を開けたシリンダーを手に入れようとして数年間試みたが成功せず、 ハンマーで成型した鉄 (のシリンダー) を使用することを余儀なくされた。 このシリンダーは丸くなく、ピストンの周りに漏れを引き起こしていた。 次はロー (Roe) の本 (1916 年) からの引用である：
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。 これは当時使用されていたカンチレバー方式の穴あけ機とは違っていた。 ボウルトンが 1776 年に書いたことによれば： 「ウィルキンソン氏は我々のためにエラーなしに幾つかのシリンダーに穴を開けてくれました。 これは直径が 50 インチでティプトン (Tipton) に設置しましたが、 どの部分も旧シリング硬貨の厚さの狂いがありませんでした。」
ボウルトンとワットがしたことは、 鉱山主などの顧客のために、エンジン建設の手助けをして、 設置するための人と幾つかの特別な部品を提供することであった。 しかしながら、彼らの主な利益は特許からのもので、 エンジンの所有者に特許使用料を課金することで得られた。 この使用料は節約された燃料コストに基づいていた。 彼らのエンジンは燃料効率がより高かったため、 燃料が高価である場所、とりわけコーンウォールで魅力的であった。 コーンウォールでは 1777 年に 3 台のエンジンが注文され、 ウィール・ビジ (Wheal Busy), Ting Tang, チェースウォーター (Chasewater) の各鉱山に設置された。
低圧蒸気と部分的な真空の圧力差によるエンジンの駆動は往復エンジンの発展の可能性を引き起こした。 バルブの配置により、どちら側にも蒸気を入れることができ、 どちら側も凝縮器につなぐことができた。 複動作のエンジンの恩恵には効率の拡大、より速い速度、より一定な回転があった。
複動作ピストンの開発以前には、 ビームとピストン棒の接続は鎖によっていた。 これが意味する所は、動力は一方向 -- 即ち引くことにより -- に適用できるのみであった。 これは揚水に使用するエンジンには効果的であったが、 ピストンの複動作では引くことのみならず、押すこともできた。 これはビームと (ポンプ) 棒を鎖のみで接続している限りでは不可能であった。 更には密閉されたシリンダーのピストン棒とビームを直接接続することは不可能であった。 というのは (ピストン) 棒は垂直方向に直線状に動くが、 ビームの両端は中心の周りに回転して円弧を描くからであった。 ビームとピストンの矛盾する振舞いの橋渡しをするために、 ワットは平行運動を開発した。 この工学の名作は 4 本棒の接続にパンタグラフを付けたものを使用し、 要求された直線運動を生成した。 この方法はスライダー型式の接続よりも、ずっと安くできた。 彼はこの解決法をとても誇りにした。
ビームをどちらの方向にも交互に力を適用する方法によりピストン軸と接続することで ビームの動きをホイールの回転に使用することも可能となった。 ビームの動作を回転運動に変換する最も単純な解決法はビームをホイールにクランクで接続することである。 しかし別のグループがクランクの使用で特許を取っていたため、 ワットは別の解決法を見つけることを余儀なくされた。 彼は雇用者のウィリアム・マードックにより提案された 周転円的な太陽・惑星歯車装置を採用し、 (クランクの) 特許の期限が切れた時に、 現代の大半のエンジンで見られるもっと馴染みなクランクに復帰した。 クランクに取り付けた主ホイールは大きくて重く、はずみ車として振舞い、 一旦動き出すと、一定の力を維持し、交互ストロークの振舞いを滑らかにした。 主ホイールの回転軸にベルトや歯車を取り付けて非常に色々な機械を駆動することができた。
工場の機械は一定の速度で操業する必要があったため、 蒸気調節バルブに遠心力ガバナーを接続した。 遠心力ガバナーは風車工場の速度を自動制御することに使用された装置を改造したものであった。 これらの改造により、蒸気エンジンは英国の産業の主要な動力源として、 水車や馬の代わりになることができ、 (産業の) 地理的制約を開放し、産業革命の主要な駆動源の一つになった。
ワットは蒸気エンジン機能の基礎的な研究にも関心を持っていた。 彼の最も顕著な測定装置は今日でも使用されているワット・インジケーターであり、 これは圧力計を組み込み、ピストンの位置に応じて、蒸気圧を測定するもので、 一周期を通して、蒸気圧を体積の関数としてグラフを描くことが可能となる。
現存する最も古いワットの蒸気エンジンは 1777 年のオールド・ベス (Old Bess) であり、 今ではロンドンのサイエンス・ミュージアムにある。 世界で最も古い可動なエンジンはスメスィック・エンジンで 1779 年 5 月に任務に就き、 現在はバーミンガムのシンクタンク (Thinktank) -- かってのバーミンガムの 「サイエンスと産業の博物館」(Museum of Science and Industry) -- にある。 元々のエンジン棟にあって、設置目的の仕事をいまだにすることが可能なエンジンで最も古いものは クリフトン揚水所の 1812 年のボウルトン・ワットのエンジンである。 これはケネット・エイボン運河に水を汲み上げるのに使用され、 一年中、特定の週末に現代的なポンプのスイッチが切られ、 クロフトンの 2 台の蒸気エンジンが、今なお、この仕事を遂行している。 現存する最も古い回転蒸気エンジンであるホイットブレッド・エンジン (Whitbread Engine, 1785 年製、かって建造された 3 番目の回転エンジン) はオーストラリアのシドニーの 「動力博物館」 (Powerhouse Museum) にある。 1788 年製のボウルトン・ワット蒸気エンジンはロンドンの サイエンス・ミュージアムで見ることができる。 一方 1817 年製の送風エンジン -- かって M. W. グラゼブルック社 (M. and W. Grazebrook) のネザートン (Netherton) 製鉄所で使用された -- は、今では A38(M) 自動車道のバーミンガムの開始点にあるダートマス・サーカス・ ラウンドアバウトで 飾りとして使用されている。
ミシガン州ディアボーン (Dearborn) のヘンリー・フォード博物館にはチャールズ・サマーフィールド (Charles Summerfield) によって 1788 年に製造されたワット蒸気エンジンを収容している。 これは実物大の可動なボウルトン・ワット・エンジンである。 米国の産業家であるヘンリー・フォードが 1930 年頃にエンジンをディアボーンに持ってきた。
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1817 年のエンジン イングランド、バーミンガム |
ワットの回転エンジン ヘンリー・フォード博物館 |