ビームエンジン

ビームエンジンは、旋回式のオーバーヘッドビームを使用して垂直ピストンからの力を垂直コネクティングロッドに伝達するタイプの蒸気機関です。この構成は、エンジンがポンプを直接駆動するもので、 1705 年頃にトーマス・ニューコメンがコーンウォールの鉱山から水を汲み出すために初めて使用しました。エンジンの効率は、独立した凝縮器を追加したジェームズ・ワット、シリンダーを複合化したジョナサン・ホーンブロワーとアーサー・ウルフ、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・マクノートなどの技術者によって改善されました。ビームエンジンは当初、鉱山から水を汲み出したり、運河に水を送ったりするために使用されましたが、水車を動かして製粉所を稼働させるための水の流れを補うために水を汲み上げるためにも使用できました。

回転ビームエンジンは、ビームエンジンの後期の設計であり、コネクティングロッドがクランク（または、歴史的には太陽歯車と遊星歯車）を介してフライホイールを駆動する。これらのビームエンジンは、製粉所のラインシャフトを直接駆動するために使用できた。また、蒸気船の動力源としても使用できた。

最初のビームエンジンは水力で駆動し、鉱山から水を汲み上げるために使用されました。スコットランドのワンロックヘッドにあるストレイトステップス鉛鉱山には、保存状態の良いビームエンジンが展示されています。

ビームエンジンは、産業革命初期に閘門によって拡張されたイギリスの運河システムのポンプの動力として広く使用され、同時期には鉱山からの排水や巻き上げ機としても使用されました。

最初の蒸気関連ビームエンジンはトーマス・ニューコメンによって開発されました。厳密に言えば、これは蒸気動力ではなく、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状態を作り出し、それによって大気圧がピストンを押し下げる仕組みでした。そのため、これは大気圧エンジンと呼ばれていました。ニューコメンの大気圧エンジンはコーンウォールをはじめとする多くの鉱山で採用されましたが、効率が悪く、燃料を大量に消費しました。このエンジンはジョン・スミートンによって改良されましたが、ジェームズ・ワットは、独立した凝縮器を追加することでシリンダーを高温に保つことができるワット式蒸気エンジンにおいて、ニューコメンエンジンの主な非効率性を解消しました。技術的には、これはまだ大気圧エンジンでしたが、（その後の特許で）シリンダーの上部を密閉し、蒸気を導入してピストンを押し下げるようにしました。これにより、真の蒸気エンジンとなり、彼が蒸気エンジンの発明者であるという説が有力になりました。彼はまた、遠心ガバナーと平行運動の特許も取得しました。後者は、アーチヘッドの周りのチェーンを交換することを可能にし、回転エンジンとしての使用を可能にしました。

彼の特許は19世紀初頭まで有効であり、これが発展を阻害したという意見もある。しかし実際には、他の人々によって開発は継続的に進められており、特許期間の終了時には、新たなアイデアや改良が爆発的に増加した。ワットのビームエンジンは商業的に大幅に普及し、多くは100年以上も稼働し続けた。

ワットはエンジンの設計における重要な部分について特許を取得していたが、彼の回転式エンジンは、ジェームズ・ピカードの単純クランクの特許によって同様に制限されていた。ビームエンジンは、錫と銅が豊富なイングランド南西部で大幅に改良・大型化され、そこに存在していた深い鉱山の排水を可能にした。その結果、コーンウォールのビームエンジンは世界的に有名になり、現在でも建造されたビームエンジンの中で最も巨大なものの1つとなっている。

エンジンのさまざまな部品に関する特許の数と、特許侵害の結果のため、部品に製造者名が一切記載されていないビームエンジンの例が存在する（ホリーコム蒸気機関コレクション）。

回転ビームエンジンでは、ピストンは垂直に取り付けられ、ピストンロッドは従来と同様にビームを駆動します。ビームの反対側の端から伸びるコネクティングロッドは、ポンプロッドを駆動する代わりに、フライホイールを駆動します。

初期のワットエンジンは、単純なクランクではなく、ワットの特許である太陽歯車と遊星歯車を使用していた。これは、単純なクランクの使用がジェームズ・ピカードの特許によって保護されていたためである。特許が失効すると、単純なクランクが広く使用されるようになった。回転運動が実現すると、フライホイールの横に駆動ベルトを取り付けることができた。これにより、動力が他の駆動軸に伝達され、そこからさらに別のベルトが接続されて、脱穀機、粉砕機、製粉機などのさまざまな静止機械を駆動することができた。

複式機は2つ以上のシリンダーを使用します。最初の高圧シリンダーからの低圧蒸気は2番目のシリンダーに送られ、そこでさらに膨張してより大きな駆動力を生み出します。これが複式効果です。この時の廃蒸気を通常の方法で凝縮器に送ると、さらに仕事を生み出すことができます。複式機の最初の実験は、1781年に特許を取得したジョナサン・ホーンブロワーによって行われました。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に設置されました。このエンジンには、直径21インチ（0.53m）、ストローク6フィート（1.8m）のシリンダーと、直径27インチ（0.69m）、ストローク8フィート（2.4m）のシリンダーの2つが、梁の一端に並んで配置されていました。初期のエンジンは、蒸気圧が低すぎ、接続パイプの直径が小さく、凝縮器が効果的ではなかったため、性能向上はほとんど見られませんでした。^{[ 1 ]}      

当時、熱力学の法則、特に絶対零度の概念は十分に理解されていませんでした。アーサー・ウルフのような技術者は、物理学の理解が不十分なまま、工学上の問題に取り組もうとしていました。特に、彼らのバルブ機構はストロークの間違った位置で作動し、シリンダー内での膨張動作を妨げていました。ウルフ式複式エンジンは、1814年にウィール・エイブラハム銅鉱山とウィール・ヴォール錫鉱山向けに成功裏に製造されました。^{[ 2 ]}

ウィリアム・マクノートは1845年に複合ビームエンジンの特許を取得した。標準的なボルトン＆ワット設計のビームエンジンにおいて、彼は既存の単一シリンダーの反対側、つまり通常ウォーターポンプが取り付けられている場所に高圧シリンダーを配置した。これにより2つの重要な効果が得られた。ビームにかかる圧力が大幅に低下し、接続蒸気管が長いため膨張式レシーバーとして機能した。これはウルフ設計に欠けていた要素である。^{[ 3 ]}この変更は後から行うことができ、このように変更されたエンジンは「マクノート化」されたと言われた。複合エンジンの利点は60ポンド/平方インチ（410 kPa）以下の圧力では顕著ではなかったが、100 psi（690 kPa）を超える圧力では顕著であった。    

• アビー揚水場（イングランド、レスター）には、レスターのギムソン・アンド・カンパニーが製造したウルフ複合回転ビームエンジンが4基設置されている。^{[ 4 ]} 
• ボルトン蒸気博物館（イングランド、ボルトン）–製粉所の動力源として使われていた回転式ビームエンジンが複数展示されている。 
• クレイミルズ揚水場（イングランド、バートン・アポン・トレント）–ウルフ式複式回転ビーム揚水ポンプ4基、ランカシャー式ボイラー5基、敷地内には30基以上の補助エンジンがあり、その中には国内最古の稼働中の蒸気発電機も含まれている。 
• コールドハーバー・ミル（デボン州アフルカム）– 1867年製キトー・アンド・ブラザーフッド社製ビームエンジンとポリット・アンド・ウィグゼル社製300馬力クロスコンパウンドエンジン。ほとんどの祝日には蒸気機関が稼働し、ロープレースの動力源として、他の小型機械とともに使用されている。  
• コールターショー・ビームポンプ（イングランド、ウェストサセックス）– 1782年製の保存された水力ビームエンジン。 
• クロフトン揚水場（イングランド、グレート・ベドウィン）–世界最古の稼働中の「コーンウォール式」ポンプ（1812年建造）を含む2基のポンプが、元の場所に設置されている。 
• クロスネス揚水場（イングランド、アビーウッド） – 4基の回転ビームエンジン：現存する稼働中のエンジンの中で最大規模。 
• ダルトン旧ポンプ小屋（イングランド、ダラム州） – 1879年製のコーンウォール式非回転式ポンプエンジン2基が静的に保存されている。 
• ドッグダイク・エンジン（イングランド、タッターシャル）–排水用エンジンと水車。夏の週末に蒸気機関で稼働。 
• ダグラスフィールド漂白工場のダンディー・ボルトン・アンド・ワット製エンジン（1801年製）は、現在ヴァーダント・ワークスに展示されている^{[ 5 ]。}
• イーストニー・ビーム・エンジン・ハウス（イングランド、ポーツマス）には、 1887年製の汚水汲み上げ用回転式ビームエンジンが2基設置されている。 
• エルセカー・ヘリテージ・センター（イングランド、エルセカー）–世界で唯一、元の場所（1795年）に現存するニューコメン式蒸気機関。 
• ガーロギー・ビームエンジン（アバディーンシャー）–ボルトン・アンド・ワット社製のエンジンで、ビーム部分は1805年製。 
• ゴールバーン水道局（オーストラリア、ゴールバーン） –アップルビー・ブラザーズ製ビームエンジン（1883年製）、120馬力、稼働状態、元のポンプ小屋の建物内に現存。  
• グレイズブルック・ビームエンジン- ボルトン＆ワット社が設計した、口径42インチ（1.1m ）の大型ポンプ。イングランド、バーミンガムのA38(M)号線沿いのダートマス・ラウンドアバウトに静態展示されている。 
• ホリーコム蒸気機関コレクション（イングランド、リップフック）– 1850年頃に作られた小型（約5馬力）の回転式豆エンジン。農機具の動力源として使用され、動力を補うために水車が取り付けられている。 
• レバント鉱山とビームエンジン（イングランド、トレウェラード）–イングランド、西コーンウォールのナショナル・トラスト所有地にある、稼働中のビームエンジン 
• マークフィールド・ビームエンジン（イングランド、トッテナム）–複合回転式エンジン。 
• ミドルトン・トップ・エンジン・ハウス、ミドルトン・バイ・ウィークスワース、ダービーシャー。ツインビームエンジン（1829年建造）は、オリジナルのエンジンハウスに現存する世界最古の稼働往復巻き上げエンジンである。^{[ 6 ] [ 7 ]}
• クルキウス博物館（オランダ、クルキウス）–クルキウスにある8本の梁を持つ蒸気機関は、これまでに建造された中で最大の蒸気機関と考えられている。 
• ニューコメン記念機関（イギリス、ダートマス） – 1725年頃の建造。実演用に水力機構が追加された。 
• ノッティンガム産業博物館（イングランド、ノッティンガム）–蒸気ギャラリーには、印象的なバスフォード・ビームエンジンが展示されています。これは、1858年にニューカッスル・アポン・タインのR&Wホーソーン社によって製造された2基のエンジンのうちの1基です。バスフォード揚水場に設置され、地下の砂岩から110フィート（34メートル）の高さまで水を汲み上げ、ノッティンガム市に真水を供給していました。このエンジンは1965年に交換され、専用に建設された蒸気ギャラリーに移設され、1975年に初めて火が入れられました。   
• ピンチベック・エンジン（イングランド、スポルディング）–静的に保存されている「A」型フレームのエンジン。 
• ポルダーク鉱山（イングランド、トレニア）–ハーベイズ・オブ・ヘイルのコーンウォール式ビームエンジン。バニー錫鉱山、後にグリーンスプラット陶土採掘場で使用されていたもので、1850年頃のもの。デモンストレーション用に油圧機構が追加されている。コーンウォールで最後に商業的に稼働したのは1959年12月で、1972年にポルダークに移設された。^{[ 8 ]} 
• ライホープ・エンジン博物館（イングランド、ライホープ）– 2基の回転ビームエンジン。1868年製。 
• サンフランシスコ国立海洋博物館（米国サンフランシスコ） - 1890年にユカイア号として建造されたサンフランシスコ湾フェリー「ユーレカ号」を所蔵している。同船にはウォーキングビームエンジンが搭載されており、現存する最後の船舶用ウォーキングビームエンジンの例である。
• シェルバーン博物館（米国シェルバーン） - 1906年に建造されたシャンプレーン湖のフェリー「ティコンデロガ号」を所蔵している。船内には、世界に2基しか残っていない船舶用ウォーキングビームエンジンのうちの1基が搭載されている。
• スメスウィック・エンジン（イングランド、スメスウィック）–世界最古の稼働中の蒸気機関（1779年）。 
• ストレタム旧エンジン（イングランド、ストレタム）–静的に保存されたエンジンとスクープホイール。 
• ストランプショー蒸気博物館（イングランド、ストランプショー）–アディントンから移設された、現在は圧縮空気で動く元ビームエンジンが展示されている。 
• ティーズ・コテージ揚水場（イングランド、ダーリントン）-稼働中の 回転式2気筒ウルフ複式エンジン。キルマーノックのグレンフィールドとケネディが設計し、ロンドンの土木技師T&Cホークスリーの指揮の下、ティーズデール・ブラザーズが建設した。 
• スコットランド国立博物館所蔵のボルトン・ワット回転ビームエンジン（太陽・惑星型）（1786年）。^{[ 9 ] [ 10 ]}空気圧による時折の動作
• スコットランド国立博物館に展示されている、キャプリントン炭鉱のニューコメン式蒸気機関。時折、空気圧の仕組みを研究している。
• ヘンリー・フォード博物館（米国ミシガン州ディアボーン）–フェアボトム・ボブス、1760年代のニューコメン式蒸気機関。 
• ロンドン水蒸気博物館（イングランド、ブレントフォード）には、 5基の「コーニッシュ」エンジン（元の場所に設置）があり、そのうち4基は稼働中である。また、2基の回転ビームエンジン（博物館内）も稼働中で、その中にはシリンダー径90インチ（2,286mm ）の世界最大の稼働中の「コーニッシュ」エンジンも含まれている。  
• ウェスタン・スプリングス浄水場（ニュージーランド、オークランド）– 1877年製ウルフ式複式ポンプ車。元の場所に設置され、稼働可能な状態に復元されており、その周囲には運輸技術博物館が建てられている。ポンプ小屋と元の技師小屋の復元は、ユネスコのアジア太平洋文化遺産保全賞プログラムにおいて、2009年度優秀賞を受賞した。 

• クロウリー、TE（1982）。ビームエンジン。セネシオ出版。ISBN 0-906831-02-4。

• ワットビームエンジンのアニメーション。
• コーンウォールで現存する最古の鉱山用エンジン。
• 1973年7月、アディントン揚水場のエンジンを撮影したアーカイブ映像。これは、揚水場が廃止される1年前のものである。
• 動作モデルビームエンジン