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コーンウォール式蒸気機関は、主に鉱山から水を汲み上げるために、イングランドのコーンウォールで開発された蒸気機関の一種です。これは、ジェームズ・ワットが設計した初期の機関よりも高い圧力の蒸気を使用するビーム機関の一種です。この機関は、地下の鉱夫が作業レベルまで往復するのを補助する人力機関の動力源として、鉱山への資材の搬入・搬出のためのウインチの動力源として、また現場の鉱石粉砕機の動力源としても使用されました。[ 1 ]
コーンウォールには古くから錫、銅、その他の金属鉱石の鉱山があったが、より深い場所で採掘を行う場合、鉱山から水を抜く手段が必要となる。深い場所から水の重さを持ち上げるには、膨大な労力が必要となる。このエネルギーは、馬力や水車を使ってポンプを動かすことでわずかに供給されることもあるが、馬力には限界があり、水車には十分な水量が必要となる。そのため、石炭を燃料とする蒸気動力でポンプを動かすという革新的な方法は、原始的な手段よりも鉱業にとって汎用性が高く、効果的であった。
ウィール・ヴォール鉱山には、1714年以前に初期のニューコメン機関（シリンダー内凝縮機関、大気圧以下を利用する）が1台設置されていたが、コーンウォールには炭田がなく、南ウェールズから輸入される石炭は高価だった。そのため、揚水用の燃料費は採掘コストのかなりの部分を占めていた。その後、より効率的な初期のワット機関（外部凝縮器を使用）の多くが、ボルトンとワットによってコーンウォールに設置された。彼らは燃料節約額の一定割合に基づいて鉱山所有者から使用料を徴収した。機関の燃料効率は、石炭1ブッシェル（94ポンド（43kg ） ）によって発生する仕事量（フィートポンド）で表される「デューティ」で測定された。初期のワット機関のデューティは2000万で、後のものは3000万を超えていた。[ 2 ]
コーンウォール式機関の主な利点は、高圧蒸気をより経済的に利用することで効率が向上したことである。当時、コーンウォールでは石炭価格が高騰していたため、効率の向上は重要であった。コーンウォールには炭田がなく、使用される石炭はすべて郡外、主にウェールズから運ばなければならなかった。[ 2 ]： 3
ジェームズ・ワットが使用したほぼ大気圧の蒸気よりもボイラー圧力を高めることは、コーニッシュ機関の効率向上に不可欠な要素であった。単にボイラー圧力を上げるだけでは、効率を高めることなく機関の出力は向上するだけであった。重要な進歩は、シリンダー内で蒸気を膨張させることを可能にしたことであった。ジェームズ・ワットは蒸気の膨張作用を可能にするというアイデアを思いつき、1782年の特許にもそれを盛り込んだが、彼の特許出願における蒸気圧が低かったため、効率の向上はごくわずかであることに気づき、それを追求することはなかった。
ワットエンジンでは、ピストンの動力行程全体にわたって蒸気が供給されます。行程の終わりに蒸気が排出され、残りのエネルギーは凝縮器で無駄になり、そこで蒸気は水に冷却されます。[ 3 ]
一方、コーニッシュ式エンジンでは、吸気弁は動力行程の途中で閉じられ、シリンダー内の蒸気は残りの行程でより低い圧力まで膨張します。これにより、ワット式エンジンよりも多くのエネルギーが回収され、凝縮器への熱損失が少なくなります。
その他の特徴としては、蒸気管とシリンダーの断熱、シリンダーの蒸気ジャケット化などがあり、これらはどちらもワットによって以前に使用されていたものである。[ 4 ]
コーンウォールの機関車は元の場所に残っているものはほとんどなく、大部分は関連する工業会社が閉鎖した際に解体された。[ 1 ]
コーニッシュエンジンは、サイクル全体を通して不規則な出力を発し、下降行程で高速な動きをしながらある時点で完全に停止するため、回転運動やほとんどの産業用途には適していません。[ 4 ]また、このため特殊なバルブ機構が必要となります。コーニッシュエンジンのバルブ機構を参照してください。
コーンウォールサイクルは次のように機能します。[ 5 ]
ピストンがシリンダーの最上部にあり、ピストンの下のシリンダーが前のストロークからの蒸気で満たされ、ボイラーが通常の作動圧力であり、凝縮器が通常の作動真空である運転状態から始め、
次のストロークはすぐに発生する場合もあれば、エンジンが最大速度で稼働する必要がない場合は、タイミング装置（例えば、タイミング調整装置）によって遅延される場合もある。これにより、稼働速度が低下し、燃料が節約される。
このエンジンは単動式で、蒸気ピストンはポンプピストンとロッドの重量によって引き上げられます。蒸気は最大50ポンド/平方インチ（340 kPa）の圧力で供給できます。
概略設計の構成要素を示す実際の写真（イーストプール鉱山、テイラーズシャフト、ハーベイのエンジン）：
コーニッシュ機関は、19 世紀にリチャード・トレヴィシックによって考案された、大気圧を超える蒸気圧の使用に依存していた。彼の初期のパファー機関は蒸気を大気中に放出した。これは、凝縮した蒸気をシリンダーからシリンダーとは別の凝縮器に移動させるワットの蒸気機関とは異なっていた。したがって、ワットの機関は蒸気が凝縮されるときに真空を作り出すことに依存していた。トレヴィシックの後期の機関 (1810 年代) は、高圧蒸気から始めてピストンの反対側に送られ、そこで凝縮して、そこで大気圧以下の圧力機関として機能するという 2 つの原理を組み合わせた。並行して、アーサー・ウルフは複合蒸気機関を開発した。これは、蒸気が 2 つのシリンダーで順次膨張し、それぞれのシリンダーの圧力が大気圧を超えるものであった。[ 2 ]
トレヴィシックは1816年に南米へ出発した際、最新の発明の特許権をエンジニアのウィリアム・シムズに譲渡した。シムズは、ウィール・チャンスにある大気圧より40ポンド/平方インチ（280 kPa）高い圧力で動作するエンジンなど、数多くのエンジンを製造または改良し、 5000万近い負荷を達成したが、その後効率が低下した。1825年には、ウィール・アルフレッドでトレヴィシック型単気筒エンジンとウルフ複式エンジンのテストが行われ、両方とも4000万をわずかに超える負荷を達成した。[ 6 ]
次の改良は1820年代後半にサミュエル・グロースによって達成された。彼は機関のパイプ、シリンダー、ボイラーを断熱することで熱損失を減らし、ウィール・ホープでは6000万以上、後にウィール・トーワンでは8000万近くにまで給油量を向上させた。しかし、機械の全般的な劣化、ボイラーからの漏れ、ボイラープレートの劣化（つまり、圧力を下げなければならなかった）のため、最高の給油量は通常、短命に終わった。[ 6 ]
小規模な改良により負荷は多少増加したが、このエンジンは1840年代半ばまでに実用的な限界に達したようである。最大50ポンド/平方インチ（340 kPa）の圧力では、力が機械の破損を引き起こした可能性が高い。コーニッシュ・スタンプやウィムを駆動するエンジンでも同様の負荷の改善が見られたが、一般的にはやや遅れて実現した。どちらの場合も、最適な負荷はポンプエンジンよりも低く、特に断続的に動作するウィムエンジンではその傾向が顕著であった。[ 2 ]
蒸気機関の改良のきっかけは、コーンウォールの石炭価格の高さから生まれたが、設備投資と維持費の両方がワット式蒸気機関よりも高かった。このため、コーンウォール以外でのコーンウォール式機関の設置は長らく遅れた。 1838年、トーマス・ウィックステッドがイースト・ロンドン水道会社のオールド・フォード水道に中古のコーンウォール式機関を設置し、ワット式機関と比較して好ましい結果を得た。これは、ロンドンの石炭価格がコーンウォールよりもさらに高かったためである。[ 7 ]コーンウォール式機関は世界中で給水に広く使用されるようになった。マンチェスターやリーズなどの主要な繊維製造地域では、石炭価格が低すぎて代替が経済的ではなかった。1830年代後半になってようやく、繊維製造業者は高圧機関への移行を開始したが、これは通常、コーンウォールの慣習に従うのではなく、高圧シリンダーを追加して複合機関を形成することによって行われた。[ 2 ]
コーンウォール製のエンジンはイギリス国内にいくつか保存されている。ロンドン水蒸気博物館には世界最大のコーンウォール製エンジンのコレクションがある。ウィルトシャーのクロフトン揚水場には2台のコーンウォール製エンジンがあり、そのうちの1台（1812年製のボルトン・アンド・ワット社製）は「オリジナルのエンジンハウスにそのまま残っており、設置された目的であるケネット・アンド・エイボン運河の最高水位まで水を汲み上げる作業を実際に行うことができる、世界最古の稼働中のビームエンジン」である。[ 8 ]また、コーンウォールのプール近郊のイースト・プール鉱山跡地にあるコーンウォール鉱山・エンジン博物館にも2台現存している。
もう1つの例は、コーンウォールのトレニアにあるポルダーク鉱山にある、1840～1850年頃のハーベイ・オブ・ヘイル・コーンウォール・ビーム・エンジンです。元々はバニー錫鉱山で、後にグリーンスプラット陶土採掘場で使用されていました。どちらもセント・オーステルの近くです。現在は蒸気機関としては機能せず、油圧機構で動かされています。1959年までグリーンスプラットで使用されていたこのエンジンは、コーンウォールで商業的に稼働した最後のコーンウォール製エンジンです。1972年にポルダークに移設されました。[ 9 ]
オランダのクルキウス揚水場には、コーンウォール式エンジンとしては史上最大の直径3.5メートル（140インチ）のシリンダーを備えたコーンウォール式エンジンが設置されている。コーンウォール州ヘイルのハーベイ＆カンパニー社が製造したこのエンジンは、1つのシリンダーに8本の梁が接続されており、各梁が1つのポンプを駆動する。[ 10 ]このエンジンは1985年から2000年の間に稼働状態に修復されたが、蒸気運転への修復は実現不可能であったため、現在はオイル充填油圧システムで運転されている。[ 11 ]
ダラム州のダルトン揚水場に保存されている1879年製の一対のエンジンは、過熱蒸気で稼働するように設計された唯一のコーンウォール製エンジンであった。[ 12 ]最後に製造されたコーンウォール製エンジンの1つは、1904年にドロテア・スレート採石場に設置され、現在もエンジンハウス内に残っている。[ 13 ]
初期の産業考古学組織であるコーニッシュ・エンジン保存委員会は、レバント巻上機を保存するために1935年に設立されました。委員会は後にリチャード・トレヴィシックにちなんで改名されました。彼らは別の巻上機と2台のポンプ機を取得しました。[ 14 ]彼らはニュースレター、ジャーナル、そしてコーニッシュのエンジン、鉱業、エンジニア、その他の産業考古学のトピックに関する多くの書籍を発行しています。[ 15 ] [ 16 ]