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水車小屋とは、水力発電を利用する製粉所のことです。水車や水力タービンを使って、製粉（粉砕）、圧延、鍛造などの機械加工を行う構造物です。こうした加工は、小麦粉、木材、紙、繊維製品、多くの金属製品など、様々な製品の生産に不可欠です。水車小屋には、製粉所、製材所、製紙工場、繊維工場、鍛造工場、圧延工場、伸線工場などがあります。
水車を分類する主な方法の1つは、車輪の向き（垂直または水平）によるもので、垂直水車と歯車機構による駆動方式があり、水平水車は歯車機構なしで駆動されます。前者のタイプは、水が水車の羽根に当たる位置によって、アンダーショット、オーバーショット、ブレストショット、ピッチバック（バックショットまたはリバースショット）水車にさらに細分化できます。水車を分類するもう1つの方法は、設置場所に関する重要な特徴によるもので、潮汐水車は潮の流れを利用し、船水車は船上に設置された（そして船を構成する）水車です。
水車は、設置されている水路の河川力学に影響を与えます。水車が稼働している間、特に後背水域では、水路に堆積物が蓄積する傾向があります。[ 1 ]また、後背水域では、浸水現象と隣接する氾濫原の堆積が増加します。しかし、時間の経過とともに、これらの影響は河岸が高くなることで相殺されます。[ 1 ]水車が撤去された場所では、河川の侵食が増加し、水路が深くなります。[ 1 ]
水車には大きく分けて2種類あり、1つは歯車機構を介して垂直水車を駆動するタイプ、もう1つは歯車機構を介さずに水平水車を用いるタイプである。前者のタイプは、水が水車の羽根に当たる位置によって、下掛け式、上掛け式、胸掛け式、逆掛け式にさらに分類できる。
ギリシャ人は水車の2つの主要構成要素である水車と歯車を発明し、ローマ人と共にアンダーショット、オーバーショット、ブレストショットの水車を使用した。[ 2 ]
水車に関する最古の証拠は、ギリシャの技術者ビザンティウムのフィロン（紀元前280～220年頃）の技術論文『プネウマティカ』と『パラスケウアスティカ』に見られる。 [ 3 ]イギリスの技術史家MJTルイスは、ビザンティウムのフィロンの機械論論文のうち、水車を記述し、これまで後世のアラビア語による加筆と考えられていた部分が、実際には紀元前3世紀のギリシャの原典に遡ることを示した。[ 4 ]サキア歯車は、すでに完全に発達した状態で、紀元前2世紀のプトレマイオス朝エジプトのヘレニズム時代の壁画に初めて登場する。[ 5 ]
ルイスは水平車輪式水車の発明時期を紀元前3世紀前半のギリシャ植民地ビザンティウム、垂直車輪式水車の発明時期を紀元前240年頃のプトレマイオス朝アレクサンドリアとしている。 [ 6 ]
ギリシャの地理学者ストラボンは、紀元前71年以前に小アジアのカビラにあるミトリダテス6世エウパトル王の宮殿の近くに水力穀物製粉所が存在していたことを、彼の地理書の中で報告している。[ 7 ]
ローマの技術者ウィトルウィウスは、紀元前40/10年に水車の最初の技術的記述を残している。この装置には下掛け水車が取り付けられており、動力は歯車機構を介して伝達される。[ 8 ]彼はまた、水力で動く練り機の存在を示唆しているようだ。[ 9 ]
ギリシャのエピグラム作家テッサロニケのアンティパテルは、紀元前20年頃/紀元後10年頃に高度なオーバーショット式水車について述べている。 [ 10 ]彼は穀物を挽くのに役立ち、人手による作業を軽減したことを称賛した。[ 11 ]
粉挽きをする娘たちよ、粉挽き機から手を離しなさい。鶏が夜明けを告げても、眠り続けなさい。デメテルは、あなたたちの手の労働をニンフたちに課した。ニンフたちは車輪の最上部に飛び降り、車軸を回転させ、歯車で囲み、[ 12 ]ニシリアの粉挽き石の空洞の重りを回す。もし私たちが、大地の恵みを労苦なく味わうことを学ぶならば、私たちは再び黄金時代を味わうだろう。
ローマの百科事典編纂者プリニウスは、著書『博物誌』の中で、西暦70年頃にイタリアの大部分で水力式のトリップハンマーが稼働していたことを述べている。 [ 13 ]西暦73/74年にはローマ領シリアのアンティオキアに縮絨工場があったという証拠がある。[ 14 ]
フランス南部のバルベガルにある2世紀の複合製粉所は、 「古代世界における既知の機械動力の最大の集中」と評されている。[ 15 ]そこには、同数の製粉所を動かすための16基のオーバーショット水車が備えられていた。製粉所の生産能力は1日あたり4.5トンの小麦粉と推定されており、当時アレラーテの町に住んでいた12,500人の住民に十分なパンを供給するのに十分であった。 [ 16 ]同様の製粉所はジャニコロの丘にも存在し、ローマの住民への小麦粉の供給は、 3世紀後半にアウレリアヌス帝によってアウレリアヌスの城壁に組み込まれるほど重要であると判断された。
フランスのレ・マルトル・ド・ヴェールでは、西暦2世紀後半に遡る胸当て式水車が発掘された。[ 17 ]
紀元3世紀のヒエラポリスの水力式石材製材機は、クランクと連結棒の機構を組み込んだ最古の機械として知られている。[ 18 ]クランクと連結棒の機構で動く他の製材機は、紀元6世紀のゲラサとエフェソスの水力式石材製材機として考古学的に証明されている。[ 19 ]現在のドイツにあたる地域での水力式大理石製材機に関する文学的言及は、紀元4世紀のアウソニウスの詩「モゼッラ」に見られる。また、アナトリア出身のキリスト教の聖人ニュッサのグレゴリウスもほぼ同時期に言及しているようで、ローマ帝国の多くの地域で水力が多様に利用されていたことを示している。[ 20 ]
最古のタービンミルは、ローマ領北アフリカのケムトゥーとテストゥールで発見され、紀元3世紀後半から4世紀初頭のものとされている。[ 21 ]フランスのマルセイユでは、水力で動く可能性のある炉が確認されている。[ 22 ]
製粉機は穀物を粉に挽くために一般的に使用されていましたが（大プリニウスによって証明されています）、大理石の縮絨や切断などの工業用途にも使用されていました。[ 23 ]
ローマ人は固定式と浮動式の両方の水車を使用し、ローマ帝国の他の属州にも水力を導入しました。いわゆる「ギリシャ式水車」は水平方向の水車（垂直軸付き）を使用していました。「ローマ式水車」は垂直方向の水車（水平軸付き）を特徴としています。ギリシャ式水車は2つの設計のうち古くて単純なものですが、水流速度が速く、直径の小さい石臼でしかうまく機能しません。ローマ式水車は、水平軸の軸から垂直軸の軸に動力を伝達するために歯車が必要なため、より複雑です。
現在までに考古学的に確認されているローマ時代の水車は数十基に過ぎないが、この時代に水道橋が広く利用されていたことから、まだ発見されていない水車が多数存在すると考えられる。例えば、ローマ時代のロンドンで行われた最近の発掘調査では、潮力水車と思われるものと、フリート川沿いに走る水道橋によって稼働していたと思われる一連の水車が発見されている。[ 24 ]
西暦537年、東ローマの将軍ベリサリウスは、包囲していたゴート族が水車への給水を遮断した際に、船上の水車を巧みに利用した。 [ 25 ]これらの浮遊式水車は、流れの速い川に係留された船に取り付けられた水車を備えていた。
水車小屋の現存する証拠は、修道院の勅許状、キリスト教の聖人伝、ゲルマン法典などの文書ジャンルの出現とともに急激に増加した。これらは、古代の都市中心の文学階級よりも、主に農村で行われていた水車小屋の作業工程について言及する傾向が強かった。 [ 26 ] [ 27 ]カロリング朝時代には、フランク王国の記録に水車小屋への言及が「数えきれないほど」あった。[ 28 ] 1086年に編纂されたドゥームズデイ・ブックには、イングランドだけで5,624の水車小屋が記録されている。[ 29 ]後の研究では、イングランド北部は適切に記録されなかったため、6,082という控えめではない数字が推定されているが、これは最小値とみなすべきである。[ 30 ] 1300年には、この数は10,000から15,000に増加した。[ 31 ] 7世紀初頭には、アイルランドでも水車小屋は十分に確立されていた。 1世紀後、それらはかつてのローマ帝国のライン川とドナウ川の国境を越えてドイツの他の地域に広がり始めた。[ 32 ]船水車と潮力水車はどちらも古代にはまだ確認されておらず、[ 33 ] 6世紀に導入された。
近年、数々の新たな考古学的発見により、最古の潮力水車の年代が次々と遡り、それらはすべてアイルランド沿岸で発見された。6世紀の垂直水車式潮力水車はウォーターフォード近郊のキロテランに位置していた。[ 34 ] 630年頃の二連水路水平水車式潮力水車がリトル島で発掘された。[ 35 ] [ 36 ]その隣には、垂直下掛け水車で動く別の潮力水車が発見された。[ 35 ] [ 36 ] 787年のネンドラム修道院の水車は北アイルランドのストラングフォード湾の島に位置していた。その水車石は直径830mmで、水平水車は最大で7/8馬力（650W ）を発揮したと推定されている。619年のより古い水車の遺構もこの場所で発見された。[ 37 ] [ 38 ]
2005年の調査で、学者アダム・ルーカスは、西ヨーロッパにおける様々な工業用製粉機の初出現時期を以下のように特定した。注目すべきは、水力の革新的な利用法の導入においてフランスが果たした卓越した役割である。しかしながら、彼は他のいくつかの国ではこのテーマに関する研究が不足していることを指摘している。
水車は西暦30年以降中国で発見され、トリップハンマー[ 41 ]、鉄を精錬する際のふいご[ 42 ] [ 43 ] 、そしてある事例では天体観測のために天球儀を機械的に回転させるために使用されました（張衡を参照）[ 44 ] [ 45 ] 。イギリスの化学者で中国学者のジョセフ・ニーダムは、水力で動く石臼が西暦1世紀までに漢王朝の中国に存在していた可能性があると推測していますが、西暦5世紀まで十分な文献上の証拠はありません[ 46 ] 。西暦488年、数学者で技術者の祖崇之は水車を建設し、南斉の武帝（在位482～493年）が視察しました。[ 47 ]隋王朝（西暦581～618年）の技師楊素は、6世紀初頭までに数百もの水車を操業していたと言われている。[ 47 ]西暦612年に書かれた資料には、仏教僧が水車から得られる収入について議論している様子が記されている。[ 48 ]唐王朝（西暦618～907年）の737年に書かれた「水路部令」には、水車は河川輸送を妨げてはならないと記されており、場合によっては特定の季節にのみ使用が制限されることもある。[ 47 ] 8世紀の唐時代の他の資料から、これらの令は非常に真剣に受け止められていたことが分かっている。政府は、令を認めなかったり、政府の規制に従わなかったりした大貴族、商人、仏教寺院が所有する多くの水車を破壊した。[ 47 ]唐の玄宗皇帝（在位712～756年）に仕えた宦官は、748年までに水車を所有しており、5つの水車を使って1日に300ブッシェルの小麦を挽いていた。[ 47 ] 610年か670年までに、水車は朝鮮半島を経由して日本に伝わった。[ 49 ]また、少なくとも641年までにはチベットでも知られるようになった。 [ 49 ]
ギリシャの歴史的伝承によれば、インドは西暦4世紀初頭にローマ帝国から水車を受け継ぎ、メトロドロスという人物が「それまで彼ら（バラモン）の間では知られていなかった水車と浴場」を導入したという。[ 50 ]
カリフ制下の技術者たちは、ビザンツ帝国の旧属州から水車技術を採用した。この技術は、イスラム教徒の征服以前に、現代のシリア、ヨルダン、イスラエル、アルジェリア、チュニジア、モロッコ、スペインなど、これらの属州で何世紀にもわたって使用されていた（古代の水車一覧を参照）。[ 51 ]
イスラム世界における水車の産業利用は7世紀に遡り、水平車輪式水車と垂直車輪式水車は9世紀までに広く普及した。イスラム世界では、製粉所、脱穀機、製材所、造船所、スタンプミル、製鉄所、製糖所、潮力水車など、さまざまな産業用水車が使用された。11世紀までに、アル・アンダルスや北アフリカから中東や中央アジアに至るまで、イスラム世界のすべての州でこれらの産業用水車が稼働していた。[ 52 ]イスラム教徒と中東のキリスト教徒の技術者は、クランクシャフトと水力タービン、水車と揚水機の歯車、そして 水源としてのダムも使用し、水車と揚水機に追加の動力を供給した。[ 53 ]縮絨工場や製鉄所は、12 世紀にアル・アンダルスからキリスト教スペインに広まった可能性がある。工業用水車も、11 世紀から 13 世紀にかけてアル・アンダルスに建設された大規模な工場複合施設で使用されていた。[ 54 ]
イスラム世界の技術者たちは、水車から最大限の生産量を得るためにいくつかの解決策を用いました。一つの解決策は、水車が橋脚に取り付けられ、水流の増加を利用することでした。もう一つの解決策は、船に係留された船の側面に取り付けられた水車によって動力を得るタイプの水車である船水車でした。この技術は、 10世紀のイラクのティグリス川とユーフラテス川沿いで用いられ、チーク材と鉄で作られた大型の船水車は、バグダッドの穀物倉庫のために、トウモロコシから毎日10トンの小麦粉を生産することができました。[ 55 ]
1960年までイランでは300以上の水車が稼働していた。[ 56 ]現在ではごくわずかしか稼働していない。有名なものとしては、アスクザールの水車とヤズド市の水車があり、現在も小麦粉を生産している。
通常、水は川や貯水池、製粉所の池から水路やパイプ（フルーム、ヘッドレース、ミルレース、リート、リート[ 57 ] 、レード（スコットランド語） 、ペンストックなどと呼ばれる）を通ってタービンや水車に導かれる。水の動きの力で水車やタービンの羽根が回転し、それが車軸を回転させて製粉所の他の機械を動かす。水車やタービンから出た水はテールレースを通って排水されるが、この水路は別の水車、タービン、製粉所のヘッドレースになっている場合もある。水の流れは、メンテナンスやある程度の洪水制御を可能にする水門によって制御される。大規模な製粉所複合施設では、複数の建物や工業プロセスに水を供給する複雑に相互接続された水路を制御する数十の水門がある場合がある。
水車は大きく分けて2種類あり、1つは垂直軸に水平の水車が付いているもの、もう1つは水平軸に垂直の水車が付いているものです。最も古いものは水平水車で、水の流れに沿って水平に設置された単純なパドルホイールに水が当たる力で、ホイールから直接上方に伸びるシャフトの上にあるリングの上にバランスよく置かれたランナーストーンが回転します。ベッドストーンは回転しません。このタイプの水車の問題点は、ギア機構がないことでした。水の速度がランナーストーンの最大速度を直接決定し、それが製粉速度を決定してしまうのです。
イギリスとアメリカ合衆国のほとんどの水車小屋には、垂直水車が備え付けられており、その種類はアンダーショット、ブレストショット、オーバーショット、ピッチバックの4種類に分けられた。この垂直水車は水平軸を中心とした回転運動を生み出し、その回転運動は（カムと組み合わせることで）鍛冶場でハンマーを持ち上げたり、縮絨工場で縮絨台を持ち上げたりするのに利用された。
しかし、製粉所では、石臼を回転させるために垂直軸を中心とした回転が必要でした。水平回転は歯車によって垂直回転に変換され、これによりランナー石が水車よりも速く回転することができました。イギリスとアメリカの製粉所では、水車が水平軸を回転させ、その軸には大きなピットホイールが取り付けられていました。これは垂直軸に取り付けられたウォロワーと噛み合い、ウォロワーは（より大きな）大平歯車（同じ軸に取り付けられている）を回転させます。この大きなフェースホイールはペグで固定され、今度はストーンナットと呼ばれる小さなホイール（ランタンギアなど）を回転させ、このストーンナットはランナー石を回転させる軸に取り付けられていました。回転できるランナー石の数は、利用可能な水の供給量に直接依存していました。水車の技術が向上するにつれて製粉所はより効率的になり、19世紀までには、大平歯車が複数のストーンナットを駆動し、1つの水車で最大4つの石臼を駆動することが一般的になりました。[ 59 ]工程の各段階でギア比が上昇し、ランナーストーンの最高速度が上昇した。水門を調整して主水車を通過する水の流れを調整することで、製粉業者は水供給の季節変動を補正することができた。製粉工程では、より細かい速度調整がテンタリングによって行われた。これは、水の流れ、製粉する穀物の種類、および必要な小麦粉の等級に応じて、石と石の間の隙間を調整することである。
多くの水車小屋（最も初期のものを含む）では、大きな平歯車が1つの石臼だけを回していましたが、1つの屋根の下に複数の水車小屋がある場合もありました。1つの水車が複数の石臼を駆動している様子を描いた最も初期の図は、 1723年にヘンリー・ベイトンによって描かれ、1744年にJTデサグリエによって出版されました。[ 60 ]
オーバーショット水車は、水車の後期の革新であり、アンダーショット水車よりも約 2.5 倍効率的でした。[ 59 ]アンダーショット水車は、主水車が水路の流れの中に単純に設置されているため、水車自体が水流の主推力の後ろで水に入り、その後、主推力の前に水車が水から持ち上げられることで、実際に自身の動作が妨げられるという事実から生じる本質的な非効率性に悩まされています。オーバーショット水車は、水流を水車の上部に持っていくことでこの問題を解決します。水は、アンダーショット水車の単純なパドルホイール設計ではなく、水車に組み込まれたバケットを満たします。バケットが満たされると、水の重みで水車が回転し始めます。水は下側のバケットから川に戻る放水路に流れ出ます。水車自体は放水路の上に設置されているため、水が水車の速度を妨げることはありません。水車にかかる水の衝撃も、バケットに入った後の水の重量に加えて利用されます。オーバーショット水車には、製粉所の上流の川にダムを建設し、より複雑な水車池、水門、水路、放水路または放水路を建設する必要があります。[ 61 ]
オーバーショットミルの根本的な問題は、水車の回転方向が逆になることです。製粉業者がブレストショットミルをオーバーショット水車に改造したい場合、回転方向の変化に対応するために、製粉所のすべての機械を再構築する必要があります。代替案として、ピッチバックまたはバックショット水車がありました。ヘッドレースの水路の端に樋を設置すると、エネルギーの損失をほとんどせずに水の方向が変わり、回転方向が維持されます。ウスターシャー州ビュードリー近郊のダニエルズミルは、元々はブレストショット水車を使用していたが、ピッチバック水車を使用するように改造された製粉所の例です。現在ではブレストショットミルとして稼働しています。[ 58 ]
大型の水車（通常はオーバーショット式の鋼製水車）は、水車の外周付近に取り付けられた歯付きの環状リングから動力を伝達します。これにより、中央の車軸から動力を得るのではなく、シャフトに取り付けられた平歯車を使って機械を駆動します。しかし、基本的な動作原理は同じです。重力によって流れる水の動きを利用して機械を駆動するのです。
19世紀末頃、ペルトン水車の発明により、一部の製粉所経営者は、水門を通して駆動されるペルトン水車タービンで、上掛け水車や下掛け水車を置き換えるようになった。
水車には潮汐水車という別の種類があります。この水車は、アンダーショット式、オーバーショット式、水平式など、どのような形でも構いませんが、動力源として川を利用しません。代わりに、小さな湾の入り口に防波堤または堤防が築かれます。干潮時には防波堤の水門が開かれ、湾に満ちてくる潮が流れ込みます。満潮時には水門が閉じられ、水が湾内に閉じ込められます。ある時点で防波堤の水門が開かれ、排水された水が水車を回します。これは、潮位差が非常に大きい場所で特に効果的です。例えば、カナダのファンディ湾では潮位が50フィートも上昇することがあります。また、現在は廃墟となっているイースト・サセックス州のタイド・ミルズ村もその一例です。イギリスで稼働状態に復元された最後の2つの例は、ハンプシャー州のエリングとサフォーク州のウッドブリッジにあります。
流れ水車方式は水を全く迂回させず、通常は下掛け水車を使用するため、水車は大抵、大きな川や流れの速い小川の岸辺に設置される。また、橋脚間の水の流れが速い大きな橋の下にも水車が設置された。かつてロンドン橋の下には水車があまりにも多く設置されていたため、船頭たちが橋の通行が妨げられていると苦情を申し立てたほどだった。
1870年当時、水車は依然としてイギリスの穀物製粉に利用できる動力の3分の2を供給していた。[ 62 ] 20世紀初頭には、安価な電気エネルギーが利用可能になったことで、先進国では水車は時代遅れとなったが、小規模な農村部の水車は世紀後半まで商業的に操業を続けた。
米国のウォーターミル、ニューリンミル、 イェーツミル、英国のダーリーミルセンターなど、歴史的な製粉所のいくつかは、現在も実演目的で稼働している。英国では、ダニエルズミル、リトルサルケルドミル、レッドボーンベリーミルで小規模な商業生産が行われている。これは、コロナ禍における小麦粉不足を克服するために強化された。[ 63 ]
英国のサウス・サマセット水力発電グループが手がけているような、古い製粉所の中には、最新の水力発電技術を用いて改修されているものもある。
一部の発展途上国では、水車は依然として穀物の加工に広く使用されています。たとえば、ネパールでは25,000基、インドでは200,000基が稼働していると考えられています。[ 64 ]これらの多くは依然として伝統的な様式ですが、効率を向上させるために木製部品をより優れた設計の金属製部品に交換して改良されたものもあります。たとえば、ネパールの農村技術センターは2003年から2007年の間に2,400基の水車を改良しました。[ 65 ]
この時期は、水車がかつての帝国領外に広がり始めた時期でもある。ケドレヌス（『歴史概説』）によれば、西暦325年頃にインドへ行ったメトロドロスという人物が、「それまでバラモンたちの間では知られていなかった水車と浴場を建設した」という。