蒸気ポンプ

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18世紀の夜明けに、 トーマスニューコメンは、鉱山から水を汲み上げる最初の有用な蒸気機関を発明しました 。彼の機械は、空気の重さからエネルギーを得て、蒸気を凝縮しました。その行動は、前世紀にトリチェリ、パスカル、フォンゲリケなどによって得られた科学的知識に基づいていました。そのため、圧力の科学は完全に一巡しました。鉱山用ポンプの作成で提起された質問は、解決後、改良されたポンプの開発に役立ちました。この物語では、この有用なメカニズムと哲学的な質問が何度も織り交ぜられているのを見るでしょう。



しかし、トリチェッリからニューコメンに移った工学思想は、直接の道を歩むことはありませんでした。ピストンの動きを組織化するために外部ボイラーから高温蒸気を注入することは、空気の重量を利用する完全に非自明な方法でした。最初に、発明者らは、より単純なアプローチ、すなわちピストン自体で燃料を燃焼させることを試みた。

パウダーマシン

1661年、 オットーフォンゲリッケは最初の吸引ポンプを発明しました。この吸引ポンプは、その下から空気が送り出されたため、ピストンで荷物を持ち上げました。それは空気の重さの優れたデモンストレーションでしたが、そのような装置を有用と呼ぶことは困難でした-それは単にある機械的仕事（空気を送り出す）を別のものに変え、損失を被りました。



その時代、発明者が火薬に目を向けるのは自然なことでした。火薬は、シリンダーを空にする問題を解決することが知られている最も強力なエネルギー源です。数キログラムの火薬は、石の壁を突き破ったり、船のオークの側面に突っ込んだり、兵士の列を散乱させたりするような力で砲弾を投げつけることができます。このエネルギーを飼いならしてよりスムーズに運用できれば、水や風車の新しい代替手段となるでしょう。そして、 クリスティアーン・ホイヘンスは、粉末機械の最も熱心な支持者として、火薬の助けを借りてはるかに多くのことが達成できると信じていました。



ホイヘンスは生涯のほとんどをハーグで過ごし、イギリス海峡の向こう側にある王立学会の会員になりました。しかし、1666年に彼はパリに誘われ、フランス科学アカデミーでの地位を提供しました。君主に雇われた紳士の私的なコミュニティであった英国の機関とは異なり、フランスのアカデミーはルイ14世の首相ジャンバティストコルベールによって組織され資金提供された公的機関でした 。ホイヘンスは、真空、蒸気と風のエネルギー、および「火薬のエネルギー、その一部が非常に厚い鉄または銅のケースに封入されている」ことを研究することになっている彼の大規模な研究プログラムを提案しました[2]。 。



彼の1673年の原稿の中で、彼は彼の新しい車（当時はプロトタイプの形で存在していた）が混合物の使用に革命をもたらし、当時は暴力にのみ使用されていたと主張しました。

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ホイヘンスは17世紀の最も偉大な精神の1つでした。彼は数学、光学、力学、天文学に関する作品を書き、その時代で最も正確なクロノメーターである振り子時計を発明しました。しかし、彼の熱心な保証のために、パウダーマシンは彼の最大の成功の中に数えられません。それは、一方向弁のようなものを備えた、上部に2つの丸い穴がある金属シリンダー内のピストンを使用しました。底部には、プレートを粉末チャージと接続するための別の穴がありました。チャージが点火されると、膨張するガスの影響でピストンが上昇し、ガスはピストンの上部に開いたバルブを通って逃げました（ホイヘンスはバルブとしてウェットレザー製のスリーブを使用していました）。ほとんどの空気がシリンダーから逃げたので、内部の圧力が劇的に低下し、大気がシリンダーを押し下げました。





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各サイクル後の火薬の交換と点火を自動化するという問題に加えて、この機械は実際の使用には十分に効率的ではありませんでした。17世紀末のイギリスの火薬は、決して安価なエネルギー源ではありませんでした。2ポンドの火薬の費用は平均日給と同じでした[4]。しかし、最大の問題は、ガスの一部だけがシリンダーから逃げ出し、空気がピストンを弱く押し付け、システムが数サイクル後に平衡に達したということでした。しかし、他の発明者が蒸気凝縮が同じ目的をより効率的に果たすことができることを理解するのにそれほど時間はかかりませんでした、そしてこれのためにあなたはどんな燃料でも燃やすことができます-安いほど良いです。

蒸気機関

蒸気が物を動かすことができるという事実は古くから知られていました。哲学者、数学者、教師である アレクサンドリアのヘロンは、ローマ帝国の支配下で衰退する前にプトレマイオス王国に現れた最後の偉大な知識人 であり、消防ポンプについて説明したものと同じで、蒸気を動力源とするエンジンについても説明しました。それは、蓋から中空の金属球の反対側の点まで伸びる2つのチューブを備えた閉じたケトルで構成され、これらのチューブの軸を中心に回転できるように作られています。上下に直角に曲がった2本のチューブが出てきました。水で満たされた大釜が下から熱くなり始めると、蒸気はボールに入り、曲がったチューブから逃げ出し、球を回転させました。





ヘロンのエンジン。ボイラー内の水は蒸気に変わり、2本のパイプを通って球体に入り、2本の曲がったパイプから抜け出して回転しました。



これを最初の蒸気エンジンと呼ぶ人もいますが、この機械は多くの現代の芝生スプリンクラーと同じ原理で動作しました。スプリンクラーで工場を稼働させてみてください。そうすれば、ヘロンの機械が蒸気機関として実用的に重要であったかどうかがわかります。ヘロンは本発明の研究を特に拡張しなかったが、明らかに、それはゲストのための娯楽または哲学的講義の実例としてのみ役立った。



より実用的なのは、風の神に捧げられ、古典世界のもう1つの偉大な機械工であるウィトルウィウスによって記述された「アイオロスの球」であるアイオロスの球でした。 （これらの用語が混同されることがあり、Heronのエンジンはeolipilと呼ばれます[5]）。それは「ブリーザー」としても知られており、その回路はジェロンのボールよりも単純でした。それは小さな開口部のある金属製の容器で構成されていました。水を入れて加熱すると、蒸気が噴き出しました。このジェットは、ベローズの代わりに炎を扇動するために使用でき、ルネッサンスのヒューマニストがウィトルウィウスの作品を広めた後、ヨーロッパでエオリピルが人気を博しました。それらはあらゆる種類の美しい形で作られ（多くの場合、口から蒸気を吹き出す人間の頭の形で）、錬金術師や吹きガラスの装飾品や装置の両方として明確に使用されていました。





人間の頭の形をしたEolipilus、16世紀のイタリアから



ヘロンのエンジンとアイオロスの球は蒸気を風のように扱いましたが、17世紀の新しい圧力科学は、体積を圧縮および膨張できる物質としての蒸気の可能性に新たな注目を集めました。 1683年、英国のサミュエル準男爵 は、蒸気が液体の水の同じ質量の2000倍の体積を占めること、およびそのような蒸気は「静力学の法則に従って、および科学は重量とバランスの尺度にまで減少し、良い馬のように平和的に彼の仕事をします。したがって、特に水を上げることに関して、人類に大きな利益をもたらすことができます」[6]。これらの声明に照らして、ホイヘンスの元王立アカデミー助手である デニス・パパンが、何年も後に、彼の元メンターの火薬エンジンを再考し始めました。



ホイヘンスより18歳年下のパーペンは、最初は医者になることを学び、1673年にホイヘンスの助手になりました。しかし、彼は、ユグノーのように、ルイ14世の下での君主制のカトリック専制政治の雰囲気の中で展開する機会はないと信じて いました。したがって、1675年に彼はロンドンに移住し、王立学会で活発な仕事を始めました。しばらくの間、彼はイギリスで最も著名な空気と真空の研究者であるロバートボイルの助手として働きました 。 1687年、彼はユグノー難民のディアスポラがあったヘッセン-カッセルの土地墓地にあるドイツのマールブルクで科学的な地位に就きました。



方伯は彼の州の噴水を作るのにパーペンの助けを求めていました、そして1690年までにパーペンはこの目的のために直径6cmのシリンダーを備えた蒸気機関のモデルを開発しました[7]。彼はパウダーエンジンを改良することから開発を始めましたが、1670年代に彼とホイヘンスだけで成功したことはほとんどありませんでした。明らかに、火薬を蒸気に置き換えるというアイデアは、1679年に彼自身が発明したダブルボイラーのおかげで彼に思いついたようです。これは、蒸気によって持ち上げられる安全レバーをすでに備えていた現代の圧力鍋の祖先です[8]。 Papenエンジンは、下に少量の水が入ったシリンダーと従来のピストンで構成されていました。十分に加熱されると、水は蒸気に変わり、ピストンを上向きに押し上げました。上部では、蒸気が冷却されて凝縮する間、ピストンがラッチによって保持され、その後、ピストンが開き、空気圧によってピストンが押し下げられました。彼は、1つの火を使用して、共通のクランクシャフトに接続された複数のシリンダーを加熱し、1つのシリンダーを沸点まで加熱してから別のシリンダーに移し、最初のシリンダーを冷却する時間を確保して、結果として連続運動を行うことを望んでいました。 [9]。





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しかし、このエンジンは、PapenがLandgraveのために行った他のいくつかの発明（ブローイングマシン、蒸気船、蒸気砲）と同様に、プロトタイプ段階から抜け出すことはありませんでした。パーペンはマールブルクの敵からの圧力が高まっていると感じました。 1707年に蒸気砲で数人の重要な人物が事故で負傷した後、彼は去ることを決心しました。彼の蒸気船の原型が彼らのギルドの特権を手放したくない船頭によって没収され破壊されたという不快な旅の後、彼はロンドンに再び現れました。彼の前の常連客であるボイルは長い間死んでいたので、パーペンは貧困に沈み、1712年1月の直後に亡くなりました-彼の活動の最後の記録はその月に残されました[10]。



当時の歴史的記録には、蒸気機関についての考えの痕跡が他にもありますが、Papenは、実際にそのようなエンジンを（プロトタイプの形でのみ）構築し、真剣なスポンサー（方伯）を持った最初の信頼できる人物でした。 ）。なぜパーペンは名声と富を獲得せず、貧困で亡くなったのですか？彼のダブルボイラーの例に焦点を合わせたので、パーペンはピストンを押す高圧蒸気を拒否することができませんでした-そしてこれは17世紀の冶金学の能力を超えました。これがおそらく彼がエンジンをスケーリングできなかった理由です。その上、彼の車は単純すぎた。シリンダー内のその場で水を加熱することにより、それは多くの時間と燃料を要した一定の冷却と加熱のサイクルに結び付けられました。しかし、彼の死の時までに、2人のイギリス人は完全に異なる仕事に従事していました。彼の仕事を上回り、最初の実用的な蒸気機関を製造しました。

ニューカメン

1698年、デヴォンシャーの起業家家族のイギリス軍技術者、 トーマス・セヴェリ彼の「鉱夫の友人」の特許を取得しました。これは、商業目的で蒸気の流動性を利用することを私たちが知っている最初の真剣な試みです。しかし、彼の作品は、厳密に言えば、エンジンではなく、蒸気を動力源とするポンプでした。彼は別のボイラーからの蒸気でチャンバーを満たし、次に蒸気を凝縮するために外に水を注ぎました。結果として生じる真空は、水をパイプに引き上げました。他のポンプと同様に、このような推力は水を約10 mの高さまで上げるのに十分であったため、水をさらに地表に汲み上げるには、高圧蒸気の次の部分の衝撃に依存していました。その結果、噴射ポンプと同じ問題が発生しました。効率を最大化するには、鉱山の奥深くに設置する必要があり、当時の冶金学の能力によって水位上昇の高さが制限されていました。船やパイプを作る必要がありました、必要な圧力に耐えることができます。彼の車のいくつかは継ぎ目で引き裂かれ、時には致命的な結果をもたらすことが知られています。





セヴェリの機械を描いた彫刻で、鉱山でどのように使用できるかを示しています。水を表面に運ぶために必要な背の高い垂直パイプに注意してください。卵形のタンクは、連続的なポンプ輸送に使用されました。1つは高圧蒸気で満たされ、水を上向きに絞り、もう1つは蒸気が凝縮して、水を下から吸い出しました。



Severiスキームは、水圧の源としてさまざまな場面で使用されました。たとえば、貴族の庭などです。他の発明者は、数十年にわたってポンプの改良を続けました。しかし、セヴェリが彼の発案者に付けたニックネームにもかかわらず、「鉱山労働者の友人」が爆発の危険なしにかなりの高さまで水を上げることができなかったため、彼は鉱山の人気のある機器になることができませんでした。



その間、別のトーマスが蒸気機関の別の計画に取り組んでいました。 トーマス・ニューコメンセヴェリのように、デボンシャー出身で、金物類や鍛冶屋、そして鉱業用の道具で取引されていました。彼がセヴェリ蒸気ポンプの存在を知っていたかどうかは不明です-彼らは確かにデボンシャーで横断する機会がありました。いずれにせよ、彼の機械は完全に異なるスキームを持っていることが判明し、機械的な力を生み出す作動流体として蒸気を使用するというアイデアを除いて、セヴェリからは何もありませんでした。ニューコメンにとって残念なことに、セヴェリは非常に一般的な特許を申請し、「貯水池やモーターを製造、シミュレート、使用、使用して水を上げたり、火の力でミルを回転させたりする」独占権を与えました。ニューコメンは、彼の考えの起源に関係なく、セヴェリと彼の相続人のパートナーにならなければなりませんでした[11]。





コベントリー近くのグリフコリエリ美術館でのニューコメンの車の彫刻。左側のシリンダー内で凝縮し、蒸気がロッカーアームの左側を引き下げ、ポンプを右側に押し付けました。蒸気が追加されると、ロッカーの重量が右側を下げました。ピストンの上には、上げられた水の貯水池があり、その下には、レンガで裏打ちされたボイラーがあります。



Newcomenの完全に実現されたプロジェクト（さまざまな情報源でガラス吹き工またはいじくり回しと呼ばれることもあるJohn Callieの助けを借りて構築された）には、2つの重要な利点がありました。



第一に、彼はピストンを動かすために蒸気凝縮のみを使用したので、彼は高圧蒸気タンクに問題はありませんでした。彼はフォンゲリッケの元の概念に戻り、それを裏返しにしました。ピストンは重い木製のロッカーアームの一方の端に取り付けられ、もう一方の端にはポンプが取り付けられていました。蒸気がシリンダー内で凝縮すると、空気がピストンに押し付けられ、ロッカーアームのもう一方の端を持ち上げて、ポンプを駆動します。新鮮な低圧蒸気を注入してもピストンは上昇しませんでしたが、上下の圧力が均等になり、ロッカーアームが自重で元の位置に持ち上げられました。



第二に、シリンダーへの冷水の注入により蒸気凝縮が発生しました。これにより、セヴェリのタンクの外部冷却と比較して、ピストンストロークがより速く、より強力になりました。どうやら、ニューコメンは、シリンダーを外側から冷却するはずだった水が誤って内部に漏れたときに、そのような計画に偶然出くわしたようです。



しかし、これらの改善に加えて、ニューコメンの発明は、彼のすべての前任者よりもはるかに優れた機械の天才の実証でした。長年の実験の後、彼はエンジンを完全に自動化することに成功しました。蒸気の入口と出口を制御するすべてのバルブは、エンジン自体を回転させる回転ロッドのペグによって制御されていました。



機械が自律的に動くことを可能にする装置は、この仕事のために雇われた少年によって発明されたと時々彼らは書きます。彼はおそらく疲れていて、それを改善することに決めました。彼は、すでにほぼ自己完結型のユニットにわずかな改善を加えた可能性が高いです。残念ながら、このマシンの開発時の文書は見つからなかったため、この問題が何らかの方向で解決される可能性は低いです。



蒸気を冷却するための冷水源の必要性も考慮されました。小さな補助ポンプがサンプから水を汲み上げ、シリンダーを出てエンジンの上のタンクに水を排出しました。その後、重力によって下げて再利用することができます。



喘鳴、パチパチ、喘鳴、蒸気食の供給源が乾くまで何度も前後に揺れるニューコメンエンジンは、当時人間が発明した人工生命体に最も近いものでした。ある詩人はボイラーを呼吸する「鉄の子宮」と比較しました[13]。もう1人のエラズマスダーウィン（チャールズの祖父）は、マシンをうなずく巨人と比較しました。



冷たい水の流れが拡大を停止し、

巨大な蒸気の雲が液滴に変わります。

ピストンは、空中で最後まで重く

なり、鉄の壁にくっつかないため、すぐに下降し ます。

巨大な人工の

梁が素早く巧みに揺れ、 ポールが揺れ、手を振ってうなずくようです。



冷たい流れで急いで膨張が止まり、

大量の蒸気を一滴に沈めます。

ピストンが

抵抗力なく落下し、鉄の壁をすべり抜ける、重厚な空気に押されます。

巨人の誕生のバランスの取れたビームを素早く動かし、

彼の大きな手足を振り回し、うなずいて地球を揺さぶる[14]。



ニューコメンの機械によって駆動されるポンプ自体の正確な設計は不明です。見つかったすべての説明は、ペイロードではなく、マシン自体に焦点を当てていました。それは、機械が同時に持ち上げることができるすべてのピストンを備えた一連のポンプ、またはビームが上向きの動きの間に引っ掛かり、逆方向の動きの間に切り離されたある種のバケット持ち上げ装置であったと推測できます。 。



Newcomenマシンの最初の確実に文書化された使用法は、1712年にバーミンガム近くの炭鉱に設置されたと考えられていますが、Newcomenはそれを開発するのに何年も費やしたに違いありません。彼は、生まれ故郷のデボンシャーの西にあるコーンウォールのスズ鉱山でその初期モデルを構築した可能性があります。[15]セヴェリの特許が1733年にようやく失効したとき、100台のニューコメンマシンがイギリスだけで製造されました。いくつかはベルギー、フランス、ドイツおよびヨーロッパの他の部分で建てられました。ニューコメン自身は1729年に亡くなりました[16]。 1753年、最初の蒸気エンジンがアメリカに到着しました。コーンウォールで製造された部品からニュージャージー州のシューラー銅鉱山で組み立てられました。



ニューコメンは前任者のパーペンのように貧困で死ぬことはなかったが、偉大な発明家の名声を得ることができなかった。彼の時代には、偉大な発明者の概念はまだ発明されていませんでした。機械的な考え方と新しいアイデアを持った男は、天才というよりはむしろフリークと見なされます。しかし、ニューコメンの機械はほとんどの場合、採掘用の機器としてのみ使用されていたことを覚えておく必要があります。車の一方向の動きは、それを他のものに適応させることをほとんど不可能にしました。もちろん、それは鉱山労働者がますます深い鉱山を水から解放するのに苦労しているときに非常に役立ちましたが、「蒸気機関」に期待されるように、それは明白な方法で社会を変えませんでした。彼が後で生まれて、エンジンのより一般的なバージョンを発明するために必要な知識を習得できたという理由だけで、ジェームズ・ワットはトーマス・ニューコメンよりもはるかに有名になりました。



何人かの発明者は、水駆動ミルの代わりとしてニューコメンマシンを使用しようとしました。しかし、車をフライホイールに取り付ける試みは、その後継続的に何かを回さなければならなかったため、失敗しました。水を特定の高さまで汲み上げるために蒸気エンジンを使用する方が便利であることが判明しました。これにより、降下時に水車が回転します。この機械の使用の最も有名な例は、ブリストル近くのワームリーにある銅製のピンミルで、アーサー・ヤングは1771年に次のように書いています。それぞれ3000個のホッグスヘッドを持ち上げる 毎分」。このようなプロセスは、水が少なく、安価な燃料が多く、石炭につながる場合にのみ経済的に意味がありました。しかし、蒸気機関自体の話を続ける前に、次の世紀にそれを動かす燃料の話をしなければなりません。

リンク

[2]フリードリヒクレム、西洋技術の歴史（ケンブリッジ、マサチューセッツ州：MIT Press、1964年）、212。



[3]クレム、213-215。



[4]火薬の価格： www.gutenberg.org/files/54411/54411-h/54411-h.htm#Page_184（〜11ペニー/ポンド1695）;収益： www.jstor.org/stable/pdf/1819834.pdf（〜20ペニー/日1683-1692）



[5] WL Hildburgh、「Aeolipiles as Fire-blowers」、Archaeologia 94（1951）、27-55。



[6]サミュエル・モーランド、「新しい火の力の原則」（1683）。



[7] David CA Agnew、フランスからのプロテスタント亡命者、主にルイ14世の治世、第1巻（1886）、151-153。



[8] [Papin



andHeroに関する2004年の記事への参照] [9] Alfred Auguste Ernouf、Denis Papin、Sa Vie et Son Oeuvre（1874）、76-68。



[10] Ernouf、131-33、



[11] James Greener、「Newcomen and his Great Work」、The Journal of the Trevithick Society（2015）、67。



[13] John Dalton、「A Descriptive Poem：Addressed to TwoLadies。 、ホワイトヘブンの近くの鉱山を見ることから彼らの帰りを待ってください。」



[14]エラズマス・ダーウィン、植生の経済、編編I：254行目から263行目。



[15] GreenerのNewcomenと彼の偉大な業績は、コーンウォールにNewcomenマシンの前身があったことを証明することに専念しています。



[16]リチャード・L・ヒルズ、「蒸気からの力：静止蒸気エンジンの歴史」（ケンブリッジ：ケンブリッジ大学出版局、1989年）、30。



[17]アーサー・ヤング、イングランドとウェールズの南郡を巡る6週間のツアー（ 1771）、184-185。