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ワット蒸気機関は、産業革命の原動力となったジェームズ・ワットの発明品である。[ 1 ]ブリタニカ百科事典によれば、それは「真に効率的な最初の蒸気機関」であった。[ 2 ]
ワットの蒸気機関は、1712年にトーマス・ニューコメンが発表したニューコメン式大気圧機関に着想を得たものです。動力行程の終わりに、機関によって動かされる物体の重さによってピストンがシリンダーの上部まで引き上げられ、同時に蒸気がシリンダー内に導入されます。次に、シリンダーは水の噴霧によって冷却され、蒸気が凝縮してシリンダー内に部分的な真空状態が形成されます。ピストンの上部にかかる大気圧によってピストンが押し下げられ、作業対象物が持ち上げられます。ジェームズ・ワットは、シリンダーを蒸気がすぐに凝縮せずにシリンダー内に入ることができる温度まで再び温めるには、かなりの量の熱が必要であることに気づきました。シリンダーが蒸気で満たされるほど十分に温まると、次の動力行程を開始できます。
ワットは、シリンダーを温めるのに必要な熱を、別の凝縮シリンダーを追加することで節約できることに気づいた。動力シリンダーに蒸気が満たされると、二次シリンダーへのバルブが開かれ、蒸気が二次シリンダーに流れ込んで凝縮される。これにより、主シリンダーから蒸気が引き出され、動力行程が発生する。凝縮シリンダーは水冷式で、蒸気の凝縮状態を維持する。動力行程の終わりにバルブが閉じられ、ピストンが最上部に移動する際に動力シリンダーに蒸気が満たされる。結果として、ニューコメンの設計と同じサイクルが実現したが、動力シリンダーを冷却する必要はなく、すぐに次の行程に備えることができた。
ワットは数年かけて設計に取り組み、凝縮器を導入し、設計のほぼすべての部分に改良を加えた。特に、ワットはシリンダー内のピストンを密閉する方法について長期間にわたる一連の試験を実施し、動力行程中の漏れを大幅に減らし、動力損失を防いだ。これらの変更により、同じ量の電力を生成するのに必要な石炭の量が半分になる、より信頼性の高い設計が実現した。[ 3 ]
この新しい設計は1776年に商業的に導入され、最初の試作品はスコットランドのフォルカーク近郊のキャロン社製鉄所に販売された。ほぼ同時期に、ワットは仕事の効率、つまり動力の新しい測定単位である馬力を導入するきっかけとなったビジネス上の問題に直面した。彼の以前のビジネス契約では、蒸気機関の顧客が節約した石炭の量で彼の収入が決められていたが、ロンドンの醸造業者に蒸気機関を設置することを話し合った際、その業者は石炭を使用せず、馬を使って製粉所を動かしていた。[ 4 ]
ワットはエンジンの改良を続け、1781年には太陽歯車と遊星歯車を用いてエンジンの直線運動を回転運動に変換するシステムを導入した。これにより、エンジンは本来の揚水用途だけでなく、従来水車が使われていた用途においても直接代替できるようになった。これは産業革命における重要な転換点であり、動力源は以前のように適切な水源や地形を必要としなくなり、どこにでも設置できるようになった。ワットのパートナーであるマシュー・ボールトンは、この回転動力を利用した数多くの機械の開発に着手し、最初の近代的な工業工場であるソーホー鋳造所を設立した。この工場は、新たな蒸気機関の設計を生み出した。
ワットの初期のエンジンは、低圧蒸気を使用し、すべての動力が大気圧によって生み出されるという点で、ニューコメンの初期のエンジンの設計に似ていました。1800 年代初頭に他の会社が高圧蒸気エンジンを導入したとき、ワットは安全上の懸念からそれに倣うことに消極的でした。[ 5 ]エンジンの性能を向上させたいと考えたワットは、高圧蒸気の使用と、複動式と多段膨張式の両方で複数のシリンダーを使用する設計を検討し始めました。これらの複動式エンジンには平行運動の発明が必要でした。これにより、個々のシリンダーのピストンロッドが直線上を移動し、ピストンがシリンダー内で正確に保たれる一方、ウォーキングビームの端が弧を描いて移動し、後の蒸気エンジンのクロスヘッドにいくらか類似していました。
1698年、イギリスの機械設計者トーマス・セイヴァリーは、蒸気を凝縮して作り出す真空を利用して井戸から直接水を汲み上げるポンプ装置を発明した。この装置は鉱山の排水にも提案されたが、流体を約25フィート（7.5メートル）までしか汲み上げることができなかったため、排水する鉱山の床からこの距離内に設置する必要があった。鉱山が深くなるにつれて、これはしばしば非現実的になった。また、後のエンジンに比べて大量の燃料を消費した。[ 6 ]
深い鉱山の排水問題を解決する手段として、トーマス・ニューコメンは真空の原理を利用した「大気圧式」エンジンを開発しました。このエンジンは、可動ピストンを内蔵したシリンダーと、チェーンで連結された揺動梁の一端から構成され、揺動梁の反対側の端から機械式揚水ポンプを駆動します。各ストロークの最下点では、ピストンの下からシリンダー内に蒸気が流入します。ピストンはカウンターバランスによってシリンダー内で上昇し、大気圧の蒸気を吸い込みます。ストロークの最上点では蒸気弁が閉じられ、蒸気を冷却するために冷水がシリンダー内に短時間注入されます。この水によって蒸気が凝縮し、ピストンの下に部分的な真空状態が生じます。エンジンの外部の大気圧はシリンダー内の圧力よりも高くなるため、ピストンがシリンダー内に押し込まれます。チェーンで連結され、揺動梁の一端に接続されたピストンは、梁の端を引き下げ、反対側の端を持ち上げます。こうして、ロープとチェーンで梁の反対側の端に接続された、鉱山の奥深くにあるポンプが駆動されるのです。ポンプは水の柱を上に引っ張るのではなく押し上げるため、どんな高さまででも水を汲み上げることができた。ピストンが底に達すると、サイクルが繰り返された。[ 6 ]
ニューコメン機関はセイヴァリー機関よりも強力だった。初めて300フィート（90メートル）以上の深さから水を汲み上げることができた。[ 7 ] 1712年に作られた最初のものは、それまで鉱山の排水に使われていた500頭の馬のチームを置き換えることができた。[ 8 ] イギリス、フランス、オランダ、スウェーデン、ロシアの鉱山に75台のニューコメン揚水機関が設置された。その後50年間、機関の設計にはわずかな変更が加えられただけだった。
ニューコメン機関は実用的な利点をもたらしたが、動力源としてのエネルギー効率は悪かった。シリンダー内に蒸気と冷水を交互に噴射する方式では、シリンダー壁がストロークごとに交互に加熱と冷却を繰り返す。導入された蒸気は、シリンダーが再び作動温度に達するまで凝縮し続ける。そのため、ストロークごとに蒸気の持つエネルギーの一部が失われていた。
1763年、ジェームズ・ワットはグラスゴー大学で計器製作者として働いていたとき、ニューコメン機関の模型の修理を任され、その非効率性に気づいた。[ 9 ]
1765年、ワットはエンジンに独立した凝縮室（彼はこれを「コンデンサー」と呼んだ）を設けるというアイデアを思いついた。コンデンサーと作動シリンダーが分離されていたため、シリンダーからの熱損失を大幅に抑えながら凝縮が行われた。コンデンサーは常に低温で大気圧以下を保ち、一方シリンダーは常に高温を保っていた。
蒸気はボイラーからピストン下のシリンダーへと吸い込まれた。ピストンがシリンダーの最上部に達すると、蒸気入口弁が閉じ、凝縮器への通路を制御する弁が開いた。凝縮器は圧力が低いため、シリンダーから蒸気を吸い込み、そこで水蒸気は冷却されて液体の水へと凝縮した。このとき、凝縮器内には部分的な真空状態が維持され、その真空状態は接続通路を通してシリンダー内部へと伝達された。その後、外部の大気圧によってピストンがシリンダー内を押し下げられた。
シリンダーと凝縮器を分離することで、ニューコメン機関の作動シリンダー内で蒸気が凝縮する際に発生する熱損失が解消された。これにより、ワット機関はニューコメン機関よりも効率が向上し、ニューコメン機関と同じ量の仕事をしながら石炭の消費量を削減することができた。
ワットの設計では、冷水は凝縮室にのみ注入されました。このタイプの凝縮器はジェット凝縮器として知られています。凝縮器はシリンダーの下の冷水浴に配置されています。噴霧として凝縮器に入る水の量は蒸気の潜熱を吸収し、凝縮蒸気の体積の7倍と決定されました。凝縮水と注入された水はエアポンプによって除去され、周囲の冷水は残りの熱エネルギーを吸収して、凝縮器の温度を30～45 ℃（85～115 °F）、圧力を0.04～0.1バール（4.0～10.0 kPa、0.6～1.5 psi）に維持する役割を果たしました。[ 10 ]
各ストロークごとに、温かい凝縮水は真空ポンプによって凝縮器から吸い出され、ホットウェルに送られた。このポンプは、動力シリンダーの下部から蒸気を排出するのにも役立った。まだ温かい凝縮水は、ボイラーの給水として再利用された。
ワットがニューコメン式蒸気機関に施した次の改良は、シリンダー上部を密閉し、シリンダーをジャケットで覆うことでした。蒸気はピストン下部に導入される前にジャケットを通過し、ピストンとシリンダーを温かく保つことで内部の結露を防ぎました。2つ目の改良は、ピストンの反対側の真空に対する蒸気膨張の利用でした。蒸気供給はストローク中に遮断され、蒸気は反対側の真空に対して膨張しました。これにより機関の効率は向上しましたが、シャフトに可変トルクが発生し、特にポンプ用途など多くの用途では好ましくありませんでした。そこでワットは膨張比を1:2（つまり、蒸気供給はストロークの半分で遮断）に制限しました。これにより理論効率は6.4%から10.6%に向上し、ピストン圧力の変動はわずかでした。[ 10 ]ワットは安全上の懸念から高圧蒸気を使用しませんでした。[ 5 ]： 85
これらの改良により、実際に生産された1776の完全開発版が誕生した。[ 11 ]
ジェームズ・ワットは、ファルカーク近郊のキャロン製鉄所のロバック博士と提携し、ワット機関の利益の3分の2を譲り受けた。ロバック博士はワットの負債を清算し、キニール・ハウスでの試作機関の建設資金を提供し、1769年の特許取得を支援した。独立した凝縮器はニューコメン機関の改良に大きな可能性を示したが、ワットは市場性のある機関を完成させる前に克服できないと思われる問題に依然として落胆していた。ニューコメン機関のピストンは、ピストンの上に水を溜めてシールを補助するのが慣例であったため、シリンダーとの精密なシールを必要としなかったが、ワット機関が効率的に機能するためにはシリンダーを蒸気温度に保つ必要があったため、ピストンは上部の水なしでシールする必要があった。ワットは、蒸気機関用の正確な穴あけ加工されたシリンダーを入手するために5年間試みたが、成功しなかった。ジョセフ・ウィッカム・ローは1916年に次のように述べている。「ジョン・スミートンが最初のエンジンを見たとき、彼は技術者協会に『そのような複雑な機械を十分な精度で製造できる工具も職人も存在しない』と報告した」。[ 12 ]
1773年、ローバック博士は炭鉱の浸水などが原因で深刻な財政難に陥り、破産の危機に直面した。そこで彼はマシュー・ボルトンと、ワット特許における自身の3分の2の権利をボルトンに譲渡する代わりに、1200ポンドの負債を帳消しにしてもらうことで合意した。
そして1774年、ジョン・ウィルキンソンは、切削工具を保持するシャフトが両端で支えられ、シリンダーを貫通するボーリングマシンを用いて、大径シリンダーを鋳造し精密に穴あけする方法を発明した。マシュー・ボルトンは、試作機のキニールエンジンをソーホーの工場に移設し、ウィルキンソンが穴あけしたシリンダーと、設備と職人の実務経験を活用して、試作機をすぐに正常に作動させることができた。完全に開発されたエンジンは、同様のニューコメンエンジンに比べて燃料消費量が約75%少なかった。1775年、ボルトンとワットは事業提携を結び、ボルトン・アンド・ワットエンジンの生産が始まった。しかし、エンジンを量産化するのに14年間の特許期間のうち6年を要したため、1775年にボルトンとワットは、残りの8年間では量産化に投じた莫大な費用を回収するには不十分であると主張し、特許期間を1800年まで延長する議会法を成立させることに成功した。
1775年、ワットは2つの大型エンジンを設計した。1つはティプトンのブルームフィールド炭鉱向けで、1776年3月に完成。もう1つはシュロップシャー州ブロズリーのジョン・ウィルキンソン製鉄所向けで、翌月には稼働を開始した。3つ目のエンジンはロンドン東部のストラトフォード・ル・ボウにあり、その夏に稼働していた。[ 13 ]
ボルトンは1776年に「ウィルキンソン氏はほぼ誤差なくいくつかの円筒を掘削してくれた。ティプトンに設置した直径50インチの円筒は、どの部分も古いシリング硬貨の厚さの誤差はない」と記した。[ 12 ]
ボルトンとワットの事業は、鉱山所有者やその他の顧客がエンジンを組み立てるのを手伝い、組み立てる人員と特殊部品を供給することだった。主なハードウェアは他の供給業者から供給され、特にジョン・ウィルキンソンは、今後20年間シリンダーを供給するほぼ独占契約を結んでいた。しかし、特許からの主な利益は、節約した燃料費に基づいてエンジン所有者にライセンス料を請求することから得られた（ほとんどの場合、彼らはニューコメンエンジンを置き換えていた）。彼らのエンジンの燃費効率が高かったため、燃料が高価な地域、特にコーンウォールでは最も魅力的であり、1777年にはウィール・ビジー、ティング・タン、チャスウォーターの鉱山用に3台のエンジンが注文された。[ 14 ]新しい設備がある場合は、エンジンのサイズと用途に基づいて料金を交渉し、1784年頃にワットはエンジンの馬力（HP）の概念を導入し、特許期間中は1HPあたり年間5ポンドを請求した。
最初のワットエンジンは、ニューコメンエンジンのような大気圧エンジンでしたが、凝縮はシリンダーとは別に行われました。ワットは高圧蒸気（例えば2気圧）の使用に反対し、 1790年代後半にリチャード・トレヴィシックなどの人々がそれを開発しましたが、その理由の一つは、凝縮器なしで蒸気を膨張的に使用することでワットの特許を回避できたからです。低圧蒸気と部分真空の両方を使用してエンジンを駆動することで、往復エンジンの開発の可能性が高まりました。[ 15 ]バルブの配置により、低圧蒸気を交互にシリンダーに導入し、その後凝縮器に接続することができました。その結果、動力行程の方向を反転させることができ、回転運動を得やすくなりました。複動エンジンのその他の利点は、効率の向上、高速化（出力の向上）、およびより規則的な動作でした。
複動ピストンが開発される以前は、ビームとピストンロッドの連結はチェーンで行われており、動力は一方向、つまり引く方向にしか加えることができませんでした。これは揚水用のエンジンでは効果的でしたが、ピストンの複動機構は、引くだけでなく押すこともできることを意味していました。ビームとロッドがチェーンで接続されている限り、これは不可能でした。さらに、ピストンロッドは垂直方向に直線的に動くのに対し、ビームは中心で回転し、両側が円弧を描くため、密閉シリンダーのピストンロッドをビームに直接接続することもできませんでした。ビームとピストンの相反する動作を解決するために、ワットは平行運動機構を開発しました。この装置は、パンタグラフと組み合わせた4節リンク機構を使用し、スライダー式リンク機構を使用する場合よりもはるかに安価に必要な直線運動を実現しました。彼はこの解決策を非常に誇りに思っていました。
ビームをピストンシャフトに、両方向に交互に力を加える手段で接続することで、ビームの動きを利用して車輪を回転させることも可能になった。ビームの作用を回転運動に変換する最も簡単な解決策は、ビームをクランクで車輪に接続することだったが、クランクの使用に関する特許権を別の者が持っていたため、ワットは別の解決策を考案せざるを得なかった。[ 17 ]彼は従業員のウィリアム・マードックが提案した遊星歯車機構を採用したが、特許権が失効した後、今日ほとんどのエンジンで見られるより一般的なクランクに戻した。[ 18 ]クランクに取り付けられたメインホイールは大きく重く、フライホイールとして機能し、一度回転し始めると、その慣性によって一定の動力を維持し、交互のストロークの動作を滑らかにした。回転する中央シャフトには、ベルトやギアを取り付けて、さまざまな機械を駆動することができた。
工場の機械は一定速度で稼働する必要があったため、ワットは蒸気調整弁を風車の速度を自動制御するために使用されていた遠心ガバナーに連結した。 [ 19 ]遠心ガバナーは負荷の変化に応じて設定速度を維持できなかったため、真の速度制御装置 ではなかった。 [ 20 ]
これらの改良により、蒸気機関はイギリス産業の主要な動力源として水車や馬に取って代わり、地理的な制約から解放され、産業革命の主要な原動力の一つとなった。
ワットは蒸気機関の作動原理に関する基礎研究にも力を注いでいた。彼が開発した最も有名な測定装置は、現在でも使用されているワット式圧力計である。この圧力計は、ピストンの位置に応じてシリンダー内の蒸気圧を測定するマノメーターを備えており、サイクル全体を通して蒸気圧を体積の関数として表す図を作成することができる。
現存する最古のワットエンジンは、 1777 年製のオールド・ベスで、現在はロンドンの科学博物館にあります。世界最古の稼働中のエンジンは、1779 年 5 月に運用を開始し、現在はバーミンガムのシンクタンクにあるスメスウィックエンジンです (以前は、現在は閉鎖されたバーミンガム科学産業博物館にありました)。オリジナルのエンジンハウスにまだ残っていて、設置された目的の作業を今でも行うことができる最古のエンジンは、ウィルトシャーのクロフトン揚水場にある 1812 年製のボルトン・アンド・ワットエンジンです。これはケネット・アンド・エイボン運河の水を汲み上げるために使用されていました。年間を通じて特定の週末には、現代のポンプが停止され、クロフトンにある 2 台の蒸気エンジンが今でもその機能を果たしています。現存する最古の回転式蒸気エンジンであるホワイトブレッドエンジン(1785 年製、史上 3 番目に製造された回転式エンジン) は、オーストラリアのシドニーにあるパワーハウス博物館にあります。 1788年製のボルトン・ワットエンジンはロンドンの科学博物館に所蔵されている[ 21 ]一方、かつてMWグレイズブルックのネザートン製鉄所で使用されていた1817年製の送風機は、現在バーミンガムのA38(M)高速道路の起点にある交通島、ダートマス・サーカスを飾っている。
ミシガン州ディアボーンにあるヘンリー・フォード博物館には、 1788年製のワット回転エンジンのレプリカが収蔵されています。これはボルトン・ワットエンジンの実物大の稼働モデルです。アメリカの実業家ヘンリー・フォードは、1932年にイギリスの製造業者チャールズ・サマーフィールドにこのレプリカエンジンの製作を依頼しました。 [ 22 ]また、同博物館には、元々はバーミンガムの運河の揚水に使われていたボルトン・ワット大気圧ポンプエンジンのオリジナルも収蔵されています。[ 23 ]下記に図示されています。このエンジンは、1796年から1854年までボウヤー・ストリート揚水場で実際に使用され、その後1929年にディアボーンに移設されました。[ 24 ] [ 25 ]
もう1つはフランスのフュメル工場に保存されている。
1880年代、リーズのハソーン・デイヴィー社は、 外部凝縮器を備えた1馬力/125rpmの大気圧エンジンを製造したが、蒸気膨張はなかった。これはおそらく最後に製造された商用大気圧エンジンであったと主張されている。大気圧エンジンであるため、加圧ボイラーは備えていなかった。これは小規模事業者向けに設計されたものであった。[ 26 ]
ワットの膨張機関は、一般的には歴史的興味の対象としか考えられていません。しかし、この技術の復活につながる可能性のある最近のいくつかの開発があります。今日、産業界からは100～150 ℃（210～300 °F）の温度の大量の廃蒸気と廃熱が発生しています。さらに、太陽熱集熱器、地熱エネルギー源、バイオマス反応器もこの温度範囲の熱を発生させます。このエネルギーを利用する技術があり、特に有機ランキンサイクル（ORC）が挙げられます。原理的には、これらは水ではなく、100 ℃（212 °F）以下の温度で蒸発する流体（冷媒）を使用する蒸気タービンです。ただし、このようなシステムはかなり複雑です。6 ～20バール（600～2,000kPa 、87～290psi ）の圧力で動作するため、システム全体を完全に密閉する必要があります。
膨張エンジンは、特に2～100kWの低出力定格において大きな利点を提供できます 。膨張比が1:5の場合、理論効率は15%に達し、これはORCシステムの範囲内です。膨張エンジンは作動流体として水を使用します。水はシンプルで安価で、無毒、不燃性、非腐食性です。大気圧に近い、またはそれ以下の圧力で動作するため、シールは問題になりません。また、シンプルな機械であるため、コスト効率が高くなります。英国サウサンプトン大学の研究者は現在、廃蒸気と廃熱からエネルギーを生成するためにワットエンジンの現代版を開発しています。彼らは理論を改良し、理論効率が最大17.4%（実際の効率は11%）になることを実証しました。[ 27 ]
原理を実証するために、25ワットの実験用モデルエンジンが製作され、テストされました。このエンジンは蒸気膨張に加え、電子制御などの新機能も組み込んでいます。写真は2016年に製作・テストされたモデルです。 [ 28 ]現在、2kWにスケールアップした エンジンを製作・テストするプロジェクトが準備中です。[ 29 ]
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