蒸気機関：ニューコメンとワット

1769年1月5日に特許が取られたジェームズ・ワットの分離凝縮器によって、蒸気機関は同じ仕事を、約3分の2少ない石炭でこなせるようになりました。

鉱山の水

1700年までに、イギリスはますます多くの石炭を燃やすようになり、地表近くの掘りやすい炭層は尽きかけていました。深い鉱山には水がたまり、馬で水をくみ出すのは遅く、費用もかかりました。1698年にトマス・セイヴァリは「鉱夫の友」と名づけた蒸気ポンプの特許を取りましたが、水を高くまで上げられず、ボイラーも危険でした。デヴォン州ダートマスの金物商トマス・ニューコメンは、よりよい方法を見つけました。1712年、彼は共同者のジョン・カレーとともに、ウェスト・ミッドランズのダドリー近くのコニグリー炭鉱の水をくみ上げる機関を造りました。この種の蒸気機関として最初に成功したものと一般に認められていて、同じ敷地にあるブラック・カントリー・リビング・ミュージアムでは、今も実物大の復元機関が動いています。

ニューコメンの機関のしくみ

ニューコメンの機関は、蒸気の押す力ではなく、空気の重さを使いました。ボイラーからの低圧の蒸気が、ピストンの下の大きなシリンダーを満たします。次にシリンダーの中へ冷水が吹きかけられます。蒸気はわずかな水滴に凝縮して部分的な真空ができ、外側の大気圧がピストンを押し下げます。ピストンは巨大な木製ビームの一端に鎖でつながれていて、下がると反対の端が上がり、鉱山の立坑のポンプ棒を引き上げました。再び蒸気を入れるとポンプ棒の重さでビームが戻り、この繰り返しが毎分約12回行われました。蒸気がごく低圧なので、ボイラーが破裂する危険は小さいものでした。ニューコメンが亡くなるころには、イングランドに100台以上、ヨーロッパのほかの地域にも彼の機関がありました。

ワットが見た問題

ジェームズ・ワットはグラスゴー大学に工房を持つ数学器械の製作者で、化学者のジョゼフ・ブラックが友人であり師となりました。1763年から1764年の冬、彼は大学が持つニューコメン機関の小さな模型が故障を繰り返すので、修理を頼まれました。ワットは、蒸気の熱の約80%が、冷水の吹きかけで冷えたシリンダーを再び温めるためだけに使われていることを見つけました。1765年までに彼が考え出した答えは、蒸気を別の場所で凝縮させることでした。常に冷たく保たれ、管でシリンダーにつながれた分離凝縮器が、蒸気を引き出して水に変え、その間シリンダー自体は熱いままでした。1769年1月5日、ワットは「火力機関における蒸気と燃料の消費を減らす新しい方法」に特許を与えられました。科学博物館は、これを蒸気機関に加えられた最大の単独の改良と呼んでいます。

ボールトンとワット

模型を実際に動く機関にするには、何年もの時間と資金が必要でした。1774年にワットはバーミンガムに移り、1775年には、ワットが必要とする熟練の鉄工がいるソーホー工場を持つ製造業者マシュー・ボールトンと組みました。最初のボールトン・ワット機関は1776年に動き始め、1台はティプトン近くの炭鉱で水をくみ上げ、1台はブロズリーのジョン・ウィルキンソンの製鉄所に送風しました。1777年から、石炭が高価で燃料の節約が最も重要だったコーンウォールの銅山と錫山に多く売られました。ワットの凝縮器を持つ機関は、ニューコメンの機関より約3分の2少ない石炭で動きました。ワットはさらに、ビームの上下運動を回転に変える方法を設計し、機関がポンプだけでなく、工場、醸造所、製鉄所の機械も動かせるようにしました。ワットの特許は1800年まで続き、それが切れると、ほかの製造者が競って分離凝縮器を使いました。今日、仕事率の単位ワットは、彼の名にちなんでいます。