コラム: 採掘を目的とした初期の蒸気エンジン設計

Mar 07, 2023

2023 年 5 月 13 日

トーマス・セイヴァリーが 1689 年に蒸気エンジンの英国特許を取得したとき、それは完全に彼の発明ではありませんでした。 多くの歴史家によると、セイヴェリーはウースターの二代目マーキー、エドワード・サマセットの初期のアイデアに基づいてデザインを作成しました。 ロイヤル・コレクション・トラストによると、サマセット氏が「水を指揮するエンジン」と呼んだこのアイデアは、蒸気エンジンの先駆けだったという。同トラストは、これは大砲の砲身から作られた水力エンジンであると述べており、ウースター氏はそれが蒸気機関になることを望んでいたという。農業で灌漑を促進するために使用されます。

セイバリーはエンジンを灌漑用ではなく、コーンウォールの鉱山から水を汲み出すために設計しました。

皮肉なことに、彼が鉱山用に設計したセイヴァリーのエンジンは鉱山の汲み出しには使用されなかったが、彼の蒸気ポンプは地所や別荘に水を供給するのに役立ったものの、鉱山所有者の間では興味を示さなかった、とアメリカン・フィジカル紙は述べている。 『Society』2018年7月号、Vol. 27日、APSニュースの第7版。 記事「1698年7月2日：トーマス・セイヴァリーが初期の蒸気エンジンの特許を取得」

オンライン学術誌エコノミック・ヒストリアンの2022年7月31日の記事「蒸気エンジン」には、セイヴェリーのエンジンは火を使って鉱山から水を汲み出すことを目的としていたと記載されている。 これは、タンクを蒸気で満たし、その後タンクを蒸気源から隔離することで機能しました。 蒸気で満たされたタンク内の温度が隔離により低下すると、蒸気が凝縮してタンク内が真空になります。 真空は水の液相と気相の体積差によって形成されます。 真空を埋めるために鉱山からの水が流入し、真空システムは成功しましたが、浅い深さでしか効果的に機能しませんでした。 タンクに引き込まれた水は、蒸気圧を利用して最大 80 フィートまで押し出されます。

APSニュースによれば、エンジンにはいくつかの欠陥があったという。 水を持ち上げるには効率的ではありませんでした。その理由の 1 つは、密閉された接合部を機械加工する技術がまだ存在していなかったということです。 すべての部品は真鍮、銅、青銅で作られ、鋳造または成型部品から組み立てられ、はんだ付けまたはリベットで固定されています。 密閉が不完全なため、エンジンが爆発しやすくなっていました。 また、燃料の消費量が多すぎて、採掘用途として経済的に実行できませんでした。

トーマス・ニューコメンは鍛冶屋（鉄商）であり、セイベリーは自分のエンジンを鍛造するために雇われました。 NPSは、セイベリー氏が自身の裏庭研究のためにマシンのコピーを偽造することをニューコメン氏に許可したと述べている。 1712年、ニューコメンはセイヴェリーの設計に基づいて独自の蒸気エンジンを製造したが、ニューコメンの大気蒸気エンジンはセイヴェリーのものよりもはるかに優れていたとNPSは述べている。 ニューコメンのエンジンは、性能が大幅に向上し、機械的に大きな違いがあり、蒸気圧が不要で、真空の使用方法が異なっていました。

オリジナルのニューコメン エンジンを所蔵するスコットランド国立博物館によると、ニューコメン エンジンは上部が開いたシリンダー内で作動するピストンを利用していました。 ピストンはチェーンによって揺動梁に接続されていました。 もう一方の端では、ビームはロッドによって鉱山内のポンプに接続されていました。 上昇行程では、シリンダーはボイラーからの蒸気で満たされ、次に冷水をシリンダー内に注入して蒸気を水に戻し、真空を作ります（水が蒸気に変わるとき、1,500倍に膨張するので、含まれる体積は蒸気が凝縮して水に戻ると真空が生じます)。 次に、真空によりピストンが引き下げられ、揺動ビームを介してウォーターポンプ内のプランジャーが上昇しました。

ニューコメンのエンジンでロッカー ビームが使用されたことにより、このエンジンは後にビーム エンジンと呼ばれるようになりました。

経済史家が指摘しているように、ニューコメン エンジンの大きな欠陥は、加熱と冷却の各ストローク中にピストンを再加熱するために過剰な蒸気を消費することでした。 しかし、当時としては、それが入手可能な最高のデザインでした。

次の開発は、そしてそれが重要なものでしたが、スコットランドのジェームス・ワットという楽器製作者によってもたらされました。 ワットは蒸気エンジンを発明したわけではありません。 彼は蒸気復水器を発明しました。 彼は修理を依頼されたニューコメンのエンジンの 1 つを研究し、その欠陥を見つけ、独自の発明を使用してそれらを改良しました。 これは蒸気アプリケーションに革命をもたらしました。

ニューコメンのエンジン内の蒸気が凝縮して水に戻ると、シリンダーも冷却されました。 シリンダーを常に再加熱する必要があるため、過剰な量の石炭が使用されました。

著者のニコラス・ハッチは、学術論文「ジェームズ・ワットの蒸気エンジンと産業革命の始まり」（StMU Research ScholarsのWebサイトに掲載）の中で、新たに修理した蒸気エンジンをテストしているときに、ワットは蒸気エンジンの4分の1以上がエンジンによって生成された蒸気は放出されて無駄になっており、作業現場で使用する場合は非効率的でした。

最終的には、ワットの特許発明の 1 つであるコンデンサーによって、この非効率性が解消されるでしょう。

ベン・ラッセル氏は、科学博物館の 2019 年 1 月の記事「ジェームズ・ワットと分離コンデンサー」の中で次のように述べています。分離コンデンサーはエンジンの根本的な問題を解決しました。燃費を最大にするためには、蒸気シリンダーをできるだけ高温に保つ必要があり、熱効率を最大にするには、作業サイクルごとに 1 回冷却する必要があります。

恒久的に冷却された別個の凝縮器で蒸気を凝縮することにより、燃費と熱の効率的利用の両方が最大化された、とラッセル氏は述べています。 ワットのコンデンサーを備えた蒸気エンジンは石炭の燃焼量を 3 分の 2 削減し、鉱山だけでなく工場、工場、作業場、その他電力を必要とするあらゆる場所で稼働できるようにしました。 ラッセル氏は、ワッツの 1769 年コンデンサー特許は現在、英国でこれまでに取得された最も重要な特許の 1 つとみなされていると述べています。

このエンジンは採掘で人気があっただけでなく、他の用途にも応用できることがすぐにわかりました。 1800 年までに、コーンウォールを含む英国全土の工場や鉱山には 500 ワットを超えるエンジンが設置されていました。

コーンウォール移民の鉱山労働者や技術者は、19 世紀半ばからコーンウォールとイギリスの技術をスペリオル湖銅地域に輸入しました。 1853 年のマイニング マガジンは、キウィーノー ポイント近くのクリフ鉱山について論じ、次のように述べています。

「鉱山をポンプでくみ上げ、鉱石や岩石を引き上げる作業は蒸気エンジンによって行われ、一方、直立型で強力な別の大きなレバービームエンジンがスタンプ作業を実行します。この鉱山のスタンプには次のような特徴があります。 24頭あり、スペリオル湖では最も完璧で効率的です。」

1856 年に同じ出版物に国営鉱業会社の代理店の年次報告書が掲載されており、その中でコーニッシュ ビーム エンジンの動作を変更することが提案されています。

「40 インチのシリンダーと 12 フィートのストロークを備えたこのエンジンは、単にコーンウォールのエンジンをひっくり返したものであり、シリンダーはシャフトの口を覆う強力なソールプレートの上に置かれ、ピストンロッドは直接取り付けられているということは、ほぼ疑いの余地がありません。エアポンプは直径が小さく、ストロークがエンジンと同じであるため、シリンダー台座、レバー壁、エンジンの重い梁、平行運動、重い石材が不要になります。シリンダーとピストンロッドの長さを増やすだけで望ましいストローク長を得ることができ、それによってポンプの効率が向上し、より小さなポンプでも同じ仕事をすることができます。」

報告書はさらに、エンジンの動作に採用されている真空システムについて非常に専門的な用語で説明しました。 「素人向け」の用語に単純化すると、エージェントはスライド バルブの適用について説明していました。

コーンウォールでは、蒸気エンジンは鉱山の深部に水が入らないようにするために必要であったため、蒸気エンジンの効率を向上させる取り組みが絶えず行われていました。 しかし、ウェールズの炭鉱から購入され海運される石炭は高価であるため、経済的にするにはエンジンの効率を改善する必要がありました。

ミシガン州の銅鉱山は主にペンシルベニア州から石炭を購入しており、長距離輸送も必要だったため、スペリオル湖地区の鉱山も同じ問題に直面していました。

来週も、蒸気動力がスペリオル湖鉱山に与えた影響と、コーンウォールの鉱山と同様の課題について話を続けます。

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