コーリス蒸気機関

コーリス蒸気エンジン（またはコーリスエンジン）は、ロータリーバルブと可変バルブタイミングを備えた蒸気エンジンで、1849年に特許を取得し、ロードアイランド州プロビデンスの米国技術者ジョージ・ヘンリー・コーリスによって発明され、同氏にちなんで名付けられました。コーリスは、米国特許庁で特許（1829年）を保持していたフレデリック・エルズワース・シケルズ（1819年 - 1895年）から元の発明を引き継ぎました。

コーリス弁装置を装備したエンジンは、 20世紀にユニフロー蒸気エンジンと蒸気タービンが改良されるまで、あらゆるタイプの固定式蒸気エンジンの中で最も優れた熱効率を提供しました。コーリスエンジンは、一般に、固定カットオフを備えた従来の蒸気エンジンよりも約30％燃料効率が優れていました。^[1]この効率の向上により、蒸気動力は水力よりも経済的になり、工場池を離れた場所での産業開発が可能になりました。^[2]

コーリス エンジンは、通常、工場や製粉所のライン シャフトに機械的な動力を供給したり、発電機を駆動して発電したりするための固定エンジンとして使用されていました。多くは非常に大きく、高さが数メートルもあり、低速ではあるものの数百馬力を発揮し、数トンの巨大なフライホイールを毎分約 100 回転で回していました。これらのエンジンの中には、機械的なレガシー システムとして珍しい役割を担っているものもあり、効率が比較的高く、メンテナンスの必要性が低いため、21 世紀初頭でも使用されているものもあります。たとえば、稼働中のエンジンの一覧にある フック ノートン醸造所やディロン蒸留所のエンジンを参照してください。

コーリス エンジンには、シリンダーごとに 4 つのバルブがあり、両端に蒸気バルブと排気バルブがあります。コーリス エンジンでは、バルブ自体とバルブ ギア(バルブを操作するリンクシステム)の両方に明確な改良が取り入れられています。

蒸気の吸入と排気に別々のバルブを使用することで、動力と排気のサイクル中にバルブもシリンダーとバルブ間の蒸気通路も温度を変える必要がなくなり、吸入バルブと排気バルブのタイミングを独立して制御できます。対照的に、従来の蒸気エンジンにはスライド バルブまたはピストン バルブがあり、シリンダーの両端の通路を交互に通って蒸気を供給および排出します。これらの通路はエンジンの動作中に大きな温度変動にさらされ、バルブ機構内には高い温度勾配があります。

クラーク（1891）は、コーリスギアは「本質的には、シリンダーとバルブギアに作用する、以前から知られ、別々に使用されていた要素の組み合わせである」とコメントした。^[3]コーリスギアの起源は、以前の蒸気バルブギアに関してイングリス（1868）によって追跡された。^[4]

ジョージ・コーリスは、1849年3月10日にバルブ装置で米国特許6,162を取得した。この特許は、リストプレートを使用して単一の偏心器からエンジンの4つのバルブにバルブの動きを伝えることと、コーリスエンジンの特徴である調速機制御による可変カットオフのトリップバルブの使用をカバーしていた。 ^[5]後のエンジンのほとんどが水平であったのとは異なり、この特許は垂直シリンダービームエンジンについて説明しており、シリンダーの両端で吸気と排気に個別のスライドバルブを使用していた。

吸気バルブは偏心駆動の爪で引き開かれ、爪が外れると、ダッシュポットで急速な閉止が抑えられます。多くのエンジンでは、同じダッシュポットが真空バネとして機能してバルブを引き閉じますが、コーリスの初期のエンジンは速度が遅かったため、ダッシュポットのピストンとロッドの重さでバルブが閉じられました。

コーリス エンジンの速度は、スロットルを常に全開にしたまま、各パワー ストローク中に蒸気の遮断量を変化させることによって制御されます。これを実現するために、遠心調速機は、各吸気バルブに 1 つずつ、1 組のカムにリンクされています。これらのカムは、ピストン ストローク中に爪が解放され、バルブが閉じるポイントを決定します。

カットオフを調節できるすべての蒸気エンジンと同様に、カットオフを調節する利点は、吸気バルブが閉じた後、シリンダー内の蒸気の膨張によってパワー ストロークのほとんどが駆動されるという事実にあります。これは、パワー ストロークの長さにわたって吸気バルブが開いており、速度がスロットルバルブによって調節されるエンジンで可能なものよりも、理想的なカルノー サイクルにはるかに近づきます。

コーリスバルブギアは、より均一な速度と負荷変化への応答性を向上させ、圧延工場や紡績工場などの用途に適しており、製造業での使用が大幅に拡大しました。^{[6] [7]}

コーリスバルブはシリンダーに直接開きます。バルブはシリンダーを蒸気プレナムと排気プレナムに分離して接続します。当初、コーリスはリニアアクチュエーター付きのスライドバルブを使用していましたが、1851年までにコーリスはセミロータリーバルブアクチュエーターに移行し、米国特許8253に記載されています。^[8] このエンジンでは、後のコーリスエンジンと同様に、リストプレートがシリンダーサイドの中央に移動されました。ただし、これはまだビームエンジンであり、セミロータリーバルブアクチュエーターはエンジンの4つのバルブチェスト内のリニアスライドバルブを操作しました。

コーリス バルブは、円筒形のバルブ面内で回転する小さな円セグメントの形をしています。 作動機構はバルブの軸に沿ってずれているため、ポペット バルブのステムのような「デッド スペース」がほとんどなく、ポート領域全体をガスの流れに効率的に使用できます。

コーリス バルブの面積はポート面積に比べて小さいため、ガス流の影響によってバルブ軸に生じるトルクは、他の種類のバルブに比べて比較的小さくなります。これらの利点により、コーリス ギアを備えた蒸気エンジン以外にも、コーリス形式のバルブが他の用途で使用されています。

ロールスロイス・マーリン航空エンジンは、スロットルとして長方形のバタフライバルブを使用していました。このバタフライに非対称に作用するガス流の力は、状況によっては出力の制御を悪くする可能性があります。134以降の後期モデルでは、この問題を回避するために、代わりにコーリススロットルバルブが使用されました。^[9]

大型のコーリスエンジンに共通する特徴は、フライホイールの縁に1組または2組の狭い歯車の歯があることです。^[10]これらの歯により、フライホイールをバールで回すことができます。 [ 11 ^{]これは、エンジンのメンテナンス中、たとえばカットオフバルブと吸気}バルブ のタイミングを設定するときに必要になる場合があり、エンジンの始動時にも必要になることがあります。

始動時にエンジンをロックする必要性は、単気筒エンジンで最も顕著です。単気筒エンジンでは、不注意なエンジン操作者がピストンを死点またはその近くでエンジンを停止させる可能性があります。この状態で停止すると、エンジンは自力で始動できなくなるため、始動に適した位置にロックする必要があります。

大型のコーリスエンジンは冷えた状態では安全に始動できないため、^{[なぜ? ]}シリンダーの両側に低圧蒸気を送り込んで金属部分を温めるのが一般的です。このプロセス中にエンジンをゆっくり回すと、エンジン全体が均一に暖まり、動力を加える前にオイルがメカニズム全体に均一に行き渡るようになります。^[12]また、このためにバーリングが使用されることもありますが、オペレーターがバルブを慎重に手動で操作してこれを行うこともあります。^[13]

大型エンジンの場合、筋力によるバーリングは非常に難しいため、バーリングエンジンが頻繁に設置されます。^[14] これらは、フライホイールの歯と噛み合うようにギアの歯が切られた小型エンジンです。通常、バーリングエンジンの駆動ギアは、バーリングギアが噛み合っている状態でエンジンが自力で動き始めると、自動的に切り離されるように設計されています。

コーリス蒸気機関会社は、1830年代にはフェアバンクス・クラーク社として知られていました。1843年にエドワード・バンクロフトが入社した際にフェアバンクス・バンクロフト社に改名されました。1846年にジョージ・H・コーリスが入社した際にバンクロフト・ナイチンゲール社に改名され、1847年にはコーリス・ナイチンゲール社に改名されました。1848年に会社はロードアイランド州プロビデンスのチャールズ・ストリート鉄道踏切に移転しました。

1857 年に、この会社は最後にコーリス蒸気機関会社に改名されました。1864 年までにコーリスはパートナーから会社を買い取り、会社の単独所有者となりました。

1859年までに、現在コーリスエンジンとして知られているものの主要な特徴はすべて整っていました。コーリスと他の人に与えられた特許には、シリンダーと直列に配置されたロータリーバルブとクランクシャフトが組み込まれていました。たとえば、1859年7月5日に付与されたコーリスの米国特許24,618を参照してください。^[15]競合する発明家は、コーリスのメカニズムに代わるものを発明するために懸命に努力しました。彼らは通常、コーリスのリストプレートの使用を避け、1858年3月16日に付与されたジェイミソンの米国特許19,640のように、蒸気バルブの代替リリースメカニズムを採用しました。^[16]

コーリスの1849年の特許は1870年に失効したが、この特許の有効期間は1851年5月13日の米国特許再発行200号、および1859年7月12日の米国特許再発行758号と763号によって延長されていた。B .ヒック・アンド・サン社は1864年頃にコーリスエンジンを英国に初めて導入した。1870年以降、数多くの他の企業がコーリスエンジンの製造を開始した。その中には、ウィリアム・A・ハリス蒸気機関会社^[17]、ワージントン・ポンプ・アンド・マシナリー会社^[18]、アリス・チャーマーズ^[19]などがある。一般に、これらの機械は製造元に関係なくコーリスエンジンと呼ばれていた。

1895年に同社は80万ドルの負債を抱えて閉鎖され、1900年に実業家ジョセフ・H・ホードリーが経営するインターナショナル・パワー・カンパニーに売却された。^{[20] 1905年に同社はホードリーの別の会社、アメリカン・アンド・ブリティッシュ・マニュファクチャリング・コーポレーション} [de]に移管された。

1925 年に同社はフランクリン マシン カンパニーと合併しました。その時点でフランクリン マシン カンパニーはすでにウィリアム A. ハリス スチーム エンジン カンパニーの所有となっていました。

コーリス センテニアル エンジンは、 1876 年にフィラデルフィアで開催された米国建国 100 周年博覧会で、全長 1 マイルを超えるシャフトを通じてほぼすべての展示品に動力を供給した、特別に製造されたオールインクルーシブの回転ビーム エンジンです。ユリシーズ S. グラント大統領とブラジル皇帝ペドロ 2世によってエンジンが始動され、博覧会の期間中、一般公開されました。

このエンジンは、2つのシリンダーが並んでいる構成でした。各シリンダーは、10フィート (3.0 m) のストロークで、44インチ (112 cm) にボアされていました。センテニアル エンジンは、高さ45フィート (14 m)、フライホイールの直径は30フィート (9.1 m) で、1,400馬力(1,000 kW) を出力しました。フェアの後、エンジンは分解され、プロビデンスのコーリスの工場に送り返されました。7年後、エンジンは売却され、ジョージ プルマンが所有するシカゴの工場で1910年まで動力源として使われましたが、^[21]スクラップとして売却されました。^[22]

このエンジンは文化的な象徴となり、多くの現代の歴史家にとって、コーリスエンジン（またはコーリス蒸気エンジン）という用語は、コーリスバルブギアを装備したエンジンの広いクラスではなく、この特定のエンジンを指します。^[23]

• ウィリアム・ライト（エンジニア）

• 1907 年 4 月の『Popular Mechanics Monthly Magazine』の 416 ページ右下近くに、ボイラー圧力を上げたり、速度を上げたり、蒸気バルブのラップ数を減らしたりすることで、コーリス エンジンの作業量を増やすことができるとコメントされています。

ウィキメディア・コモンズには、コーリスエンジンに関連するメディアがあります。

• Frank D. Graham 著『Audel's Engineer's and Mechanic's Guide』の第 14 章。
• ニューイングランド無線蒸気博物館のコーリスの歴史。
• Camp Creek Threshers の Stationary Steam Preservation Web ページからの Corliss Steam Engine の基礎。
• Corliss Steam Engine Co. の Centennial エンジンの画像は、New England Wireless and Steam Museum の Web サイトにあります。
• デントン ファーム パーク、ノースカロライナ州デントン
• サイエンティフィック・アメリカン補足号 286 ニューヨーク、1881 年 6 月 25 日: 1000 馬力のコーリス エンジン、サルテア エンジン、ヒック ハーグリーブス エンジン、イラスト付き。