ワット蒸気機関

ワットの蒸気機関の設計はジェームズ・ワットの発明であり、産業革命中に蒸気機関の代名詞となりましたが、基本的なワットの設計を大幅に新しい設計に置き換えるまでには何年もかかりました。

1712 年にトーマス ニューコメンが発表した最初の蒸気エンジンは、「大気圧」設計でした。動力行程の終わりに、エンジンによって動かされている物体の重量によって、蒸気が導入されるとピストンがシリンダーの上部に引っ張られます。次に、シリンダーは水スプレーによって冷却され、蒸気が凝縮してシリンダー内に部分的な真空が形成されます。ピストン上部の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、蒸気がすぐに凝縮することなくシリンダーに入ることができるまでシリンダーを再び温めるには、かなりの量の熱が必要であることに気づきました。シリンダーが十分に温まって蒸気で満たされると、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は、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きました。パワーシリンダーが蒸気で満たされた後、二次シリンダーへのバルブが開かれ、蒸気がそこに流れ込んで凝縮し、メインシリンダーから蒸気が引き出されてパワーストロークを引き起こします。凝縮シリンダーは、蒸気の凝縮を維持するために水冷されています。パワーストロークの終わりにバルブが閉じられ、ピストンが上まで移動するとパワーシリンダーが蒸気で満たされます。結果はニューコメンの設計と同じサイクルでしたが、パワーシリンダーは冷却されず、すぐに次のストロークの準備ができました。

ワットは数年にわたって設計に取り組み、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、ピストンをシリンダー内に密閉する方法について長期にわたる一連の試験を実施し、これにより動力行程中の漏れが大幅に減少し、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ために半分の量の石炭を使用する、より信頼性の高い設計が生まれた。^[1]

新しい設計は 1776 年に商業的に導入され、最初の例はキャロン会社の製鉄所に販売されました。ワットはエンジンの改良を続け、1781 年に太陽歯車と遊星歯車を使用し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ました。これにより、エンジンは元々の揚水の役割だけでなく、以前は水車が使用されていた役割の直接的な代替品としても使用できるようになりました。これは産業革命の重要な瞬間でした。以前のように適切な水源と地形を必要としなかったため、今ではどこにでも動力源を配置できるようになったからです。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する多数の機械の開発を開始し、最初の近代的な工業化工場であるソーホー鋳造所を開発し、今度は新しい蒸気エンジン設計を生み出しました。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成されるという点で、元のニューコメン設計に似ていました。 1800年代初頭、他社が高圧蒸気エンジンを発表したとき、ワットは安全上の懸念から追随することに消極的でした。^[2]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、複動コンセプトと多重膨張コンセプト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。これらの複動エンジンには、平行運動の発明が必要でした。平行運動により、個々のシリンダーのピストンロッドが直線上に移動し、ピストンがシリンダー内で真っ直ぐに保たれ、ウォーキングビームの端が円弧を描いて移動します。これは、後の蒸気エンジンの クロスヘッドに似ています。

1698年、イギリスの機械設計者トーマス・セイヴァリは、蒸気を凝縮して真空を作り、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使用できると提案されたが、水を汲み上げられるのは約25フィートまでで、排水する鉱山の床からこの距離以内に設置する必要があった。鉱山が深くなるにつれ、これは実用的ではなくなった。また、後のエンジンに比べて大量の燃料を消費した。^[3]

深部鉱山の排水の解決策は、真空原理で動作する「大気圧」エンジンを開発したトーマス・ニューコメンによって発見されました。このエンジンは、可動ピストンを含むシリンダーを採用し、可動ピストンはチェーンでロッキング ビームの一方の端に接続され、反対側の端から機械式リフト ポンプを作動させます。各ストロークの底部で、蒸気がピストンの下のシリンダーに入ります。ピストンがカウンターバランスによって上方に引っ張られてシリンダー内で上昇すると、大気圧の蒸気が吸い込まれます。ストロークの頂点で蒸気バルブが閉じられ、蒸気を冷却する手段として冷水がシリンダーに短時間注入されます。この水によって蒸気が凝縮され、ピストンの下に部分的な真空が作られます。エンジンの外側の大気圧はシリンダー内の圧力よりも高くなり、ピストンがシリンダー内に押し込まれます。チェーンに取り付けられ、さらに「ロッキング ビーム」の一方の端に取り付けられたピストンは、ビームの端を引き下げ、ビームの反対側の端を持ち上げます。こうして、ロープとチェーンを介してビームの反対側の端に接続された鉱山の奥深くのポンプが駆動されます。ポンプは水柱を引き上げるのでなく押し上げるので、水を任意の距離まで持ち上げることができます。ピストンが底に達すると、サイクルが繰り返されます。^[3]

ニューコメン エンジンはサヴェリー エンジンよりも強力でした。初めて 300 フィート以上の深さから水を汲み上げることができました。^[4] 1712 年の最初の例では、鉱山の汲み上げに使用されていた 500 頭の馬のチームを置き換えることができました。75 台のニューコメン ポンプ エンジンがイギリス、フランス、オランダ、スウェーデン、ロシアの鉱山に設置されました。その後 50 年間で、エンジンの設計にわずかな変更が加えられただけでした。

ニューコメン エンジンは実用的な利点をもたらしましたが、動力源としてのエネルギーの使用という点では非効率的でした。シリンダーに蒸気と冷水を交互に噴射するシステムでは、ストロークごとにシリンダーの壁が交互に加熱され、冷却されます。導入された蒸気は、シリンダーが再び作動温度に近づくまで凝縮し続けます。そのため、ストロークごとに蒸気の潜在能力の一部が失われます。

1763年、グラスゴー大学で計器製作者として働いていたジェームズ・ワットは、ニューコメンエンジンの模型を修理する仕事を任され、その非効率さに気づきました。^[5]

1765 年、ワットはエンジンに独立した凝縮室を装備するというアイデアを思いつき、これを「コンデンサー」と名付けました。コンデンサーと作動シリンダーが別々だったため、シリンダーからの熱の大幅な損失なしに凝縮が起こりました。コンデンサーは常に冷たく大気圧より低い状態を保ち、シリンダーは常に熱い状態を保ちました。

蒸気はボイラーからピストンの下のシリンダーに引き込まれました。ピストンがシリンダーの上部に達すると、蒸気入口バルブが閉じ、コンデンサーへの通路を制御するバルブが開きました。コンデンサーは低圧であるため、シリンダーから蒸気を引き込み、そこで蒸気は冷却されて水蒸気から液体の水に凝縮し、接続通路によってシリンダーの空間に伝達されたコンデンサー内の部分的な真空を維持します。その後、外部の大気圧がピストンをシリンダー内に押し下げました。

シリンダーと凝縮器を分離することで、ニューコメン エンジンの作動シリンダー内で蒸気が凝縮されるときに発生する熱損失がなくなりました。これにより、ワット エンジンはニューコメン エンジンよりも効率が高くなり、ニューコメン エンジンと同じ量の作業を行いながら、消費される石炭の量を減らすことができました。

ワットの設計では、冷水は凝縮室にのみ注入された。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る。凝縮器はシリンダーの下の冷水浴に設置されている。噴霧として凝縮器に入る水の量は蒸気の潜熱を吸収し、凝縮蒸気量の7倍と測定された。凝縮液と注入された水はその後エアポンプによって除去され、周囲の冷水が残りの熱エネルギーを吸収して凝縮器の温度を30℃～45℃、等価圧力を0.04～0.1バールに保つ役割を果たした^[6]。

各ストロークごとに、温かい凝縮水が凝縮器から引き出され、真空ポンプによって高温の井戸に送られました。このポンプは、動力シリンダーの下から蒸気を排出するのにも役立ちました。まだ温かい凝縮水は、ボイラーの給水として再利用されました。

ワットがニューコメンの設計に施した次の改良は、シリンダーの上部を密閉し、ジャケットでシリンダーを囲むことだった。蒸気はジャケットを通り、ピストンの下に導入され、ピストンとシリンダーを暖かく保ち、内部の結露を防いだ。2 つ目の改良は、ピストンの反対側の真空に対する蒸気の膨張を利用することだった。ストローク中に蒸気の供給がカットされ、反対側の真空に対して蒸気が膨張した。これによりエンジンの効率は向上したが、シャフトに変動トルクが発生し、特にポンプなどの多くの用途では望ましくなかった。そこでワットは膨張率を 1:2 に制限した (つまり、蒸気の供給はストロークの半分でカットした)。これにより理論上の効率は 6.4% から 10.6% に向上し、ピストン圧力の変動はわずかだった。^[6]ワットは安全上の懸念から高圧蒸気を使用しなかった。^{[2] : 85}

これらの改良により、1776の完全開発バージョンが完成し、実際に生産が開始されました。^[7]

別個のコンデンサーはニューコメンエンジンを大幅に改良する可能性を示していたが、市場価値のあるエンジンを完成させるまでに、ワットは克服できない問題に直面して意気消沈していた。それが現実になったのは、マシュー・ボールトンと提携した後のことである。ワットはボールトンにエンジン改良のアイデアを伝え、熱心な起業家であるボールトンはバーミンガム近郊のソーホーでテストエンジンを開発するための資金提供に同意した。ついにワットは、施設と職人の実践的な経験を手に入れ、すぐに最初のエンジンを稼働させることができた。完全に開発されたこのエンジンは、同様のニューコメンエンジンよりも約75%少ない燃料で済んだ。

1775年、ワットは2台の大型エンジンを設計した。1台はティプトンのブルームフィールド炭鉱用で、1776年3月に完成し、もう1台はシュロップシャーのブロズリーにあるジョン・ウィルキンソンの製鉄所用で、翌月から稼働していた。3台目のエンジンは東ロンドンのストラトフォード＝ル＝ボウでもその夏稼働していた。^[8]

ワットは蒸気機関用の正確な穴あけシリンダーを入手しようと何年も試みたが失敗し、打ち出し鉄を使用せざるを得なかったが、これは真円ではなくピストンからの漏れを引き起こした。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機関を見たとき、彼は技術者協会に『このような複雑な機械を十分な精度で製造できる工具も作業員も存在しない』と報告した」。^[9]

1774年、ジョン・ウィルキンソンは、当時使用されていた片持ち式のボーリングマシンとは異なり、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発明しました。ボールトンは1776年に「ウィルキンソン氏は、ほとんど誤差なくシリンダーをいくつかボーリングしてくれました。ティプトンに設置した直径50インチのシリンダーは、どの部分でも古いシリング硬貨の厚さの誤差がありません」と書いています。^[9]

ボウルトン・アンド・ワットの業務は、鉱山所有者やその他の顧客がエンジンを製造するのを手伝うことであり、エンジンを組み立てる人員といくつかの特殊な部品を供給することであった。しかし、特許による主な利益は、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ていた。彼らのエンジンは燃料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最も魅力的であり、1777年にウィール・ビジー、ティン・タン、チェイスウォーターの鉱山向けに3台のエンジンが発注された。^[10]

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。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、往復エンジン開発の可能性が高まりました。^[11]バルブの配置により、低圧蒸気をシリンダーに交互に取り入れ、次に凝縮器に接続することができます。その結果、パワーストロークの方向が逆転し、回転運動が得られやすくなります。複動エンジンのその他の利点は、効率の向上、速度の向上（より大きなパワー）、より規則的な動きです。

複動ピストンが開発される前は、ビームとピストンロッドの連結はチェーンで行われていたため、力は引っ張るという一方向にしか加えることができませんでした。これは水を汲み上げるエンジンでは効果的でしたが、ピストンの複動は押すことも引くこともできるということを意味していました。ビームとロッドがチェーンでつながっている限り、これは不可能でした。さらに、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は不可能でした。ロッドが垂直方向に直線的に動くのに対し、ビームは中心で旋回して各辺が円弧を描くためです。ビームとピストンの相反する動作を埋めるために、ワットは平行運動を発明しました。この装置は、パンタグラフと連結した4 節リンクを使用して、スライダータイプのリンク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生み出しました。彼はこの解決策に非常に誇りを持っていました。

ビームを両方向に交互に力を加える手段でピストンシャフトに接続することで、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。ビームの動作を回転運動に変換する最も簡単な方法は、ビームをクランクで車輪に接続することだが、クランクの使用に関する特許を他社が持っていたため、ワットは別の解決策を考えざるを得なかった。^[13]彼は従業員のウィリアム・マードックが提案した遊星 太陽歯車システムを採用したが、特許権が失効した後、今日のほとんどのエンジンで見られるより馴染みのあるクランクに戻した。^[14]クランクに取り付けられたメインホイールは大きくて重く、フライホイールとして機能し、いったん動き出すと、その運動量によって一定の力を維持し、交互のストロークの動作を滑らかにした。回転する中心軸にベルトやギアを取り付けて、多種多様な機械を駆動することができた。

工場の機械は一定の速度で作動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ものを改造した遠心調速機に接続した。 ^[15] 遠心調速機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。 ^[16]

これらの改良により、蒸気機関は水車と馬に代わってイギリス産業の主な動力源となり、地理的制約から解放されて産業革命の主な推進力の一つとなった。

ワットは蒸気機関の機能に関する基礎研究にも取り組んでいました。彼の最も有名な計測装置は、現在でも使用されているワットインジケーターです。これは、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圧力計を組み込んだもので、サイクル全体を通じて蒸気の圧力をその容積の関数として表す図表を作成することができます。

現存する最古のワット製エンジンは1777 年製のオールド ベスで、現在はロンドンのサイエンス ミュージアムに展示されています。世界最古の稼働中のエンジンはスメスウィック エンジンで、1779 年 5 月に運用が開始され、現在はバーミンガムのシンクタンク(以前は現在は閉鎖されているバーミンガム科学産業博物館に展示) にあります。オリジナルのエンジン室にまだ設置され、設置された目的を遂行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所にある 1812 年製のボールトン アンド ワット エンジンです。このエンジンはケネット アンド エイボン運河の水を汲み上げるために使用されました。年間を通じて特定の週末には現代のポンプのスイッチがオフになり、クロフトンにある 2 台の蒸気エンジンが引き続きこの機能を果たします。現存する最古の回転蒸気エンジンであるホイットブレッド エンジン(1785 年製、これまでに製造された 3 番目の回転エンジン) は、オーストラリアのシドニーにあるパワーハウス ミュージアムにあります。 1788年製のボルトン・ワット製エンジンはロンドンのサイエンス・ミュージアムで見ることができます^[17]。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年製の送風エンジンは現在、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ます。

ミシガン州ディアボーンのヘンリー・フォード博物館には、1788ワットの回転エンジンのレプリカが収蔵されている。これは、ボルトン・ワットエンジンの実物大の実働モデルである。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を発注した。^[18]この博物館には、ボルトン・ワットの大気圧ポンプエンジンのオリジナルも収蔵されている。これは、もともとバーミンガムの運河の汲み上げに使われており、^{[19]下の写真のとおり、ボウヤー・ストリートのポンプ場[20] [21]}で1796年から1854年まで現地で使用され、その後1929年にディアボーンへ移された。

もう1台はフランスのフュメル工場に保存されています。

• 
  イギリス、バーミンガムの1817年製エンジン
• 
  ヘンリー・フォード博物館のワット大気圧ポンプエンジン（1796年）

1880年代、ハソーン・デイビー・アンド・カンパニー/リーズは、外部コンデンサーを備え、蒸気膨張装置のない1馬力/125rpmの大気圧エンジンを製造した。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ると言われている。大気圧エンジンであるため、加圧ボイラーは搭載されておらず、小規模企業向けに設計された。^[22]

ワットの膨張エンジンは、一般的には歴史的な興味の対象に過ぎないと考えられています。しかし、この技術の復興につながる可能性のある最近の開発がいくつかあります。今日、産業では 100 ～ 150 °C の温度の廃蒸気と廃熱が大量に発生しています。さらに、太陽熱コレクター、地熱エネルギー源、バイオマスリアクターはこの温度範囲の熱を生成します。このエネルギーを利用する技術、特に有機ランキンサイクルがあります。原理的には、これらは水ではなく 100 °C 未満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 bar 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の低出力定格で大きな利点があります。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、シンプルで安価、無毒、不燃性、非腐食性の水を作動流体として使用します。大気圧付近および大気圧以下の圧力で動作するため、密閉の問題はありません。また、シンプルな機械であるため、コスト効率に優れています。サウサンプトン大学（英国）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、ワットのエンジンの最新バージョンを開発しています。彼らは理論を改良し、理論効率は最大17.4%（実際の効率は11%）が可能であることを実証しました。^[23]

この原理を実証するために、25ワットの実験モデルエンジンが製作され、テストされました。このエンジンには蒸気膨張と電子制御などの新機能が組み込まれています。写真は2016年に製作されテストされたモデルです。 ^[24]現在、スケールアップした2kWエンジンを製作してテストするプロジェクトが準備中です。^[25]

• カルノーサイクル
• コーリス蒸気機関
• 熱機関
• 熱力学
• 保存されたビームエンジン
• イヴァン・ポルズノフは1766年にデュアルピストン蒸気エンジンを製作したが、大量生産する前に亡くなった。

• ウィキメディア・コモンズのワット蒸気機関に関連するメディア
• ワット大気圧エンジン – ミシガン州立大学、化学工学
• ワットの「完璧なエンジン」 - ニューコメン協会紀要からの抜粋。
• スコットランド国立博物館のボールトン・アンド・ワットのエンジン
• シドニーのパワーハウス博物館にあるボールトン・アンド・ワットの蒸気機関
• 英国議会のウェブサイトにあるジェームズ・ワット蒸気機関法