ビームエンジン

ビームエンジンは蒸気エンジンの一種で、垂直ピストンからの力を垂直コネクティングロッドに加えるために、枢動する頭上ビームが使用される。エンジンが直接ポンプを駆動するこの構成は、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排出するために初めて使用した。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た。ビームエンジンは最初、鉱山から水を汲み上げたり運河に流したりするために使用されたが、工場を動かす水車の水量を補うために汲み上げることもできる。

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）によってフライホイールを駆動します。これらのビームエンジンは、工場のラインシャフトに直接動力を与えるために使用できます。また、蒸気船の動力源としても使用できます。

最初のビームエンジンは水力で駆動され、鉱山から水を汲み上げるために使用されました。保存された例は、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で見ることができます。

ビームエンジンは、産業革命初期に閘門によってイギリスの運河システムが拡張された際に、運河システムのポンプに動力を与えるために広く使用され、また同時期には鉱山からの排水や巻上げエンジン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た。厳密に言えば、これは蒸気で動いていたわけではなく、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が作られ、大気圧がピストンを押し下げることが可能だった。そのため、大気圧エンジンと呼ばれた。ニューコメンの大気圧エンジンはコーンウォールやその他の地域の多くの鉱山で採用されたが、比較的効率が悪く、大量の燃料を消費した。このエンジンはジョン・スミートンによって改良されたが、ジェームズ・ワットはニューコメンエンジンの主な非効率性を、独立した凝縮器を追加してシリンダーを熱いままにすることで解決した。技術的には、これはまだ大気圧エンジンであったが、（その後の特許で）彼が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なった。これにより、真の蒸気エンジン^{[疑わしい–議論の余地あり]となり、彼が蒸気エンジンの発明者であることがほぼ確実となった。彼はまた、}遠心調速機と平行運動の特許も取得した。後者は、アーチヘッドの周りのチェーンの交換を可能にし、回転エンジンとして使用できるようになりました。

彼の特許は 19 世紀初頭まで有効であり、これが開発の妨げになったと言う人もいます。しかし、実際には、開発は他の人たちによって進められており、特許期間の終了時には、新しいアイデアや改良が爆発的に増えました。ワットのビーム エンジンは商業的に大量に使用され、その多くは 100 年以上も稼働し続けました。

ワットはエンジン設計の重要な側面について特許を保有していたが、彼の回転エンジンは、ジェームズ・ピカードの単純な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、イングランド南西部の錫と銅が豊富な地域で大幅に改良され、拡大され、そこに存在していた深い鉱山の排水が可能になった。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、これまでに作られたビームエンジンの中で最も巨大なものの一つとなっている。

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により、どの部品にもメーカー名が記されていないビーム エンジンの例が存在します (Hollycombe Steam Collection)。

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 ロッドが従来どおりビームを駆動します。ビームのもう一方の端にあるコネクティング ロッドは、ポンプ ロッドを駆動するのではなく、フライホイールを駆動します。

初期のワットのエンジンは、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ました。後者の使用は、ジェームズ・ピカードが所有する特許によって保護されていたためです。特許の期限が切れると、単純なクランクが広く採用されました。回転運動が実現されると、駆動ベルトをフライホイールの横に取り付けることができます。これにより、他の駆動シャフトに動力が伝達され、これらの他のベルトから、脱穀機、粉砕機、製粉機などのさまざまな静的機械に動力を供給するために取り付けられました。

最初の蒸気船は、回転ビームエンジンの派生型を使用していました。サイドレバー、グラスホッパー、クロスヘッド、ウォーキングビームなどと呼ばれるこれらの船舶用蒸気エンジンは、船上で占めるスペースを少なくするためにビームをさまざまな位置に配置することで、元の陸上マシンとは異なっていました。

複合化には2つ以上のシリンダーが関係する。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提供する。これが複合効果である。この廃蒸気は、通常の方法で凝縮器に送られると、さらなる仕事を生み出すことができる。複合化の最初の実験は、 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た。それは2つのシリンダーを持っていた。1つは直径21インチ (0.53 m) で6フィート (1.8 m) のストローク、もう1つは直径27インチ (0.69 m) で8フィート (2.4 m) のストロークで、ビームの一端に並んで配置されていた。初期のエンジンは、蒸気圧が低すぎ、相互接続パイプの直径が小さく、凝縮器が効果的でなかったため、パフォーマンスの向上はほとんど見られなかった。^[1]

当時は熱力学の法則、特に絶対零度の概念は十分に理解されていなかった。アーサー・ウルフなどの技術者は、物理学の不完全な理解で工学上の問題に取り組もうとしていた。特に、彼らのバルブギアはストロークの間違った位置でカットインし、シリンダー内での膨張作業を可能にしていなかった。成功したウルフ複合エンジンは1814年にウィール・アブラハム銅鉱山とウィール・フォー錫鉱山向けに生産された。 ^[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ました。ボルトン & ワットの標準設計のビーム エンジンに、彼は既存の単一シリンダーの反対側のビームに高圧シリンダーを配置しました。このシリンダーは通常は水ポンプが取り付けられていました。この方法には 2 つの重要な効果がありました。ビームにかかる圧力が大幅に軽減され、接続する蒸気管が長いため膨張レシーバーとして機能しました。これはウルフの設計には欠けていた要素です。^[3]この変更は後からでも行うことができ、このように変更されたエンジンは「マクノート化」されたと言われました。複合エンジンの利点は 60 ポンド/平方インチ (410 kPa) 未満の圧力では顕著ではありませんでしたが、100 psi (690 kPa) を超えると顕著になりました。^[要出典]

• アビー揚水所（レスター、イングランド） -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4台を収容している。 ^[4]
• ボルトン蒸気博物館（ボルトン、イギリス） – もともと工場を動かすために使われていた回転ビームエンジンがいくつか展示されています。
• クレイミルズ揚水所(バートン・アポン・トレント、イングランド) - ウルフ複合回転ビーム揚水エンジン 4 台、ランカシャー ボイラー 5 台、敷地内に 30 台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駆動ダイナモも含まれています。
• コールドハーバー ミル(アフカルム、デボン) - 1867 年製キットー アンド ブラザーフッド ビーム エンジンとポリット アンド ウィグゼル 300 馬力クロス複合エンジン。ほとんどの銀行休業日に蒸気機関車がロープ レースを駆動し、他の小型機械も運転します。
• コールターショウ ビーム ポンプ(ウェスト サセックス、イングランド) – 1782 年に保存された水力ビーム エンジン。
• クロフトン揚水機場(グレート・ベドウィン、イングランド) – 2 台のエンジンがあり、その中には世界最古の稼働中の「コーンウォール」エンジンが、元々の場所 (1812 年) にあります。
• クロスネス揚水機場(アビーウッド、イングランド) - 回転ビームエンジン 4 台のセット: 現存する最大の稼働例。
• ドッグダイク エンジン(タターシャル、イングランド) – 排水エンジンとスクープ ホイール、夏の週末に蒸気運転。
• イーストニー ビーム エンジン ハウス(ポーツマス、イングランド) – 1887 年に建てられた、下水汲み上げ用の回転ビーム エンジンが 2 台あります。
• エルセカー ヘリテージ センター(エルセカー、イギリス) - 元の場所 (1795 年) に残っている、世界で唯一のニューコメン エンジン。
• ガーロギー ビーム エンジン(アバディーンシャー) - 1805 年製のビーム付きボウルトン アンド ワットエンジン。
• ゴールバーン水道局 (オーストラリア、ゴールバーン) - アップルビー兄弟ビームエンジン (1883) 120 馬力、現在も元のポンプ室の建物内で稼働中。
• グレイズブルック ビーム エンジン- イギリス、バーミンガムのA38(M)にあるダートマス ラウンドアバウトに静態展示されている、直径 42 インチ (1.1 m) の Boulton & Watt 社設計の大型ポンプ エンジン。
• ホリーコム蒸気機関車コレクション(リップフック、イングランド) - 1850 年頃に作られた、農業機械の動力源として使われていた小型 (約 5 馬力) の回転式豆エンジンで、動力を補うために水車が取り付けられていました。
• レヴァント鉱山とビームエンジン（トレウェラード、イングランド） -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(トッテナム、イギリス) - 複合回転エンジン。
• ミドルトントップエンジンハウス、ミドルトン・バイ・ワークスワース、ダービーシャー。ツインビームエンジン（1829年建造）は、現在もオリジナルのエンジンハウスに残る世界最古の稼働中の往復巻上エンジンです。^{[5] [6]}
• クルキウス博物館（クルキウス、オランダ） -クルキウスの8本のビームを持つエンジンは、これまでに作られた中で最大の蒸気エンジンであると考えられています。
• ニューコメン記念エンジン(ダートマス、イギリス) - 1725 年頃のものです。デモンストレーション用に油圧機構が追加されました。
• ノッティンガム産業博物館(ノッティンガム、イングランド) - 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、ニューカッスル アポン タインのR&W ホーソン社が 1858 年に製造した 2 台のエンジンのうちの 1 台です。このエンジンは、バスフォード ポンプ場に設置され、砂岩から 110 フィート (34 メートル) の水を汲み上げてノッティンガム市に真水を供給するために使用されました。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され、1975 年に初めて点火されました。
• ピンチベック エンジン(スポルディング、イギリス) – 静的に保存された「A」フレーム エンジン。
• ポルダーク鉱山（トレニア、イングランド） - 1850年頃のバニー・ティン鉱山とその後のグリーンスプラット・チャイナ・クレイ・ピットから出土したハーヴェイ・オブ・ヘイル・コーニッシュ・ビーム・エンジン。デモンストレーション用に油圧機構が追加されている。1959年12月までコーンウォールで最後に商業運転され、1972年にポルダークに移転した。^[7]
• ライホープ エンジン博物館(ライホープ、イギリス) – ツイン ロータリー ビーム エンジン。1868 年建造。
• スメスウィック エンジン(スメスウィック、イギリス) - 世界最古の稼働中の蒸気機関 (1779 年)。
• ストレサム オールド エンジン(ストレサム、イギリス) – 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 (ストランプショー、イギリス) - 現在は圧縮空気で駆動するアディントン社の旧ビームエンジンを展示しています。
• ティーズ・コテージ揚水所 (ダーリントン、イングランド) - キルマーノックのグレンフィールド・アンド・ケネディが設計し、ロンドンの土木技術者 T&C ホークスリーの傘下のティーズデール兄弟が建造した、稼働中の 回転式2気筒ウルフ複合エンジン。
• スコットランド国立博物館にあるボールトン・アンド・ワットの回転ビームエンジン（太陽と惑星型）（1786年）。^{[8] [9]}時折空気圧で作動する
• スコットランド国立博物館にあるカプリントン炭鉱のニューコメンエンジン。時折空気圧に関する作業も行われます。
• 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 エンジン。
• ロンドン水蒸気博物館(ブレントフォード、イングランド) - 5 台の「コーンウォール」エンジン (元の場所) のうち 4 台が稼働中。さらに 2 台の稼働中の回転ビーム エンジン (博物館内) があり、その中には 90 インチ (2,286 mm) シリンダーを備えた世界最大の稼働中の「コーンウォール」エンジンも含まれています。
• ウエスタン スプリングス ウォーター ワークス(オークランド、ニュージーランド) – 1877 年製のダブル ウルフ複合エンジン。元の場所にあり、動作可能な状態に復元され、その周りに交通技術博物館が建てられています。ポンプ室と元のエンジニア コテージの復元は、ユネスコのアジア太平洋文化遺産保護プログラムから 2009 年の功労賞を受賞しました。

• クロウリー、TE（1982）。ビームエンジン。Senecio Publishing。ISBN 0-906831-02-4。

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ウィキメディア・コモンズには、ビームエンジンに関連するメディアがあります。

• ワットビームエンジンのアニメーション。
• コーンウォールに現存する最古の鉱山用エンジン。
• 廃止の 1 年前の 1973 年 7 月のアディントンポンプ場のエンジンのアーカイブ映像。
• ビームエンジンの実用モデル