月刊ポピュラーサイエンス/第12巻/1877年11月号/蒸気機関の発展1
蒸気機関の発展[1]
単純な機械としての蒸気機関
編集
[機械は、遠く離れた時代から、多くの人の手によって新しい組み合わせや改良を受け、ついには人類に大きな利益をもたらすようになるが、それは、小川にたとえることができる。海との合流点から流れを遡るときにも、十分な支流の威厳さえも、大河への賞賛の中に融合される。しかし、上昇を続けると、海の近くでは重要でないと見なされていた水が、親流と大きさを競い始め、私たちの関心を二分する。やがて、川の泉に近づくと、岩からちょろちょろと、あるいは谷の花の間からにじみ出るように見えるようになるのだ。このように、機械が発展していく過程で、粗末な道具や玩具が、機械工学の天才の産物であり、その力と有用性が我々の好奇心を刺激して、その変化を記録し、その起源をたどるための萌芽として認識されることがある。大河が湧き出る場所に神聖さを与えたのと同じ感謝の気持ちが、神性をまとい、のこぎり、鋤、ろくろ、織機に敬意を表して祭壇を掲げた」-Stuart.］
[. . . . そして最後に、比類なき力と「つむじ風の音」をもって、蒸気という強力な機関が登場する。過去と比較すると、50年という短い期間に、このたった一つの機関が、何世紀もの改良を成し遂げてきたことか。あらゆる場所で実用的であり、あらゆる場所で効率的であり、ヘラクレスの腕の千倍も強く、人間の創意工夫によってブリアレオスの手の千倍も取り付けることが可能である。蒸気は海上で勝利を収め、その強力な推進力の影響を受けて、勇壮な船は、「風にも負けず、船にも負けず」。
風にも潮にも負けず 直立したキールでまだ安定している」。
河川では船頭がオールの上で休息し、高速道路では土地運搬路に沿って力を発揮し、地表から1000フィート下にある鉱山の底にあり、工場や商売の作業場にもあるのです。漕ぎ、汲み、掘り出し、運び、引き、持ち上げ、打ち、紡ぎ、織り、刷り。それは人間、少なくとも職人クラスにはこう言っているようだ：「肉体労働から離れよ、肉体労働を放棄せよ、あなたの技術と理性を私の力の指揮に委ねよ、私は労苦に耐えよう、疲れる筋肉も弛む神経も、衰えを感じる胸もない！」と。この驚くべき力の使い方に、さらにどんな改良が加えられるかは知る由もなく、推測することも無駄である。われわれが知っているのは、この力が最も本質的に事態の様相を変えたということと、この力の進歩が不可能と見られる限界はまだ現れていないということだ」-ダニエル・ウェブスター]。
第1節 推測の時代. 蒸気機関の歴史は、すべての知的な心を大いに刺激するテーマである。
宗教が世界を文明化する上で、常に、そして現在も、偉大な道徳的作用者であるように。
宗教が世界を文明化する上で、また科学が文明の偉大な知的推進者であるように、蒸気機関は現代において、この偉大な仕事における最も重要な物理的役割を担っているのである。
このエンジンが人類に与えた恩恵を数え上げようとするのは余計なことで、そのような列挙をすれば、あらゆる快適さが増し、現在我々が享受しているほとんどすべての贅沢が生み出されることになるからだ。
「新しい快楽を生み出すだけでなく，以前の楽しみを安くして，以前はそれを共有することを望めなかった人々にも到達できるようにすることによって，人間の幸福の総和を増大させた」のである[2]。
2. 今世紀の素晴らしい進歩は、非常に大きな程度で、蒸気機関の発明と改良、および以前は人類の肉体的エネルギーが必要とされた種類の仕事に、その力を独創的に応用したことに起因している。産業のどの分野の手法や工程を調べても、この素晴らしい機械の支援やサポートを発見することができない。
人類を肉体労働から解放し、かつて肉体労働に吸収された力を他のもっと有益な経路に向ける特権を知性に残したのである。こうして自然の力に打ち勝った知性は、今や自由に頭脳労働をすることができる。かつて水を運んだり木を切ったりするのに使われていた力は、今や神業のような思考の仕事に費やされているのである。
この素晴らしい発明の成長の歴史をたどること以上に興味深いことはないだろう。この発明は、神が人間に与えた最も有益な贈り物の1つである発明力が生み出した数多くの偉大な作品の中で、最も偉大な作品である。
3. 蒸気機関の記録と伝統を追いながら、その歴史が、偉大な発明は決して一人の頭脳によるものではなく、偉大な発見もめったにないという非常に重要な真実を示しているという事実に、私は注意を喚起することを提案したい。
すべての偉大な発明は、実際には小さな発明の集合体であり、また進歩の最終段階である。それは通常、創造ではなく、森の中の木々の成長と同じように、成長なのである。
それゆえ、同じ発明が複数の国で、複数の個人によって同時に行われることがよくある。
重要な発明が、世の中がそれを受け入れる準備が整わないうちに行われることがよくある。不幸な発明家は、その失敗によって、時代に先行することも、時代に遅れることも、同じくらい不幸なことであることを教えられた。
発明は、それが必要とされるだけでなく、人類がその必要性を理解し、表明し、直ちにそれを利用できるほど知能が発達したときに初めて成功するのである。
4. 半世紀ほど前、ニューイングランドの有能な作家が、英国の工学雑誌に寄稿し、ロードアイランドのニューポートでジョン・バブコックとロバート・L・サーストンが、同市とニューヨークの間を走った最初の蒸気船のために建造した新しい機械について説明したことがある。彼はその説明の前に、よく引用される言葉として、「ミネルバがジュピターの頭から、精神も肉体も完全な武装も成熟して飛び出してきたように、蒸気機関もジェームズ・ワットの脳から、その誕生とともに完璧な状態で生まれてきたのだ」という趣旨のことを言っている。
しかし、その歴史の記録を調べると、ジェームズ・ワットは発明家であり、おそらく蒸気機関の発明家の中で最も偉大な人物であったが、それでも蒸気機関の完成を助けた多くの人物の一人に過ぎず、今ではその驚異的なパワーと労働への容易な適応に慣れ親しませ、我々は蒸気機関を賞賛することも、それをここまで完成させたより優れた知性の働きのこの産物に驚くこともほとんどしなくなったことがわかるであろう。
5. 21世紀前、ギリシャの政治力は、ギリシャ文明がその頂点に達していたにもかかわらず、崩壊してしまった。
ローマは洗練された隣人よりも粗野で、絶えず強くなり、弱い国家を吸収することによって急速に領土を拡大していた。
ギリシャやローマよりも古い文明を持つエジプトは、2世紀後に若い国々の攻撃の前に陥落し、ローマの属国となった。この時、エジプトの主要都市はアレキサンドリアであり、その名を冠した偉大な兵士が、その繁栄が最高潮に達した時に築いた都市である。アレキサンドリアは、世界の商業の中心であり、学生や学識経験者の故郷であり、当時の世界で最も裕福で文明化した都市であった。
この古代エジプト文明の遺物の中に、蒸気機関の初期の歴史の最初の記録がある。
6. 6.偉大な幾何学者ユークリッドの故郷であるアレクサンドリアで、おそらくあの才能あるエンジニアで数学者のアルキメデスと同時代の、学識ある作家ヘロが、"Spiritalia seu Pneumatica" と題した原稿を作成した。
この作品は現存しており、何度か再版されている。この原稿には、原始的ではあるが興味深い水車や熱機関が数多く記載されており、中でも図2[3]に示すものは、蒸気の力によって動く装置である。
この初期の蒸気機関は、地球儀aをトラニオンG Lの間に吊り下げたもので、そのうちの1つを経由して、下のボイラーDからパイプC M F Eを通って蒸気が入ってくる。
中空の曲がったアームHとKは、蒸気をその方向に噴出させ、ちょうど水が噴出することによって水車が回転するように、その反応によって球体を回転させるものである。
この機械が単なる玩具であったかどうかは定かではないが、ギリシャの神官たちが神殿の中で他の装置の動きを作り出すために実際に使用したとする説もある。
7. 人間が地球上に存在した何世紀もの間、蒸気の力は自然変化の現象の多くに普遍的に現れていたにもかかわらず、人類が玩具にさえ動きを与えるのに役立つことなく、ほとんどキリスト教の時代まで生きてきたことは十分に注目に値する。しかし、英雄の時代から何百年にもわたって、その実用化のための良い証拠を目にすることがなかったことはさらに大きな驚きをもたらすはずである。
しかし、伝記作家や歴史家が、この発明や機械工学におけるその他の重要な発明や改良の進展に関する情報を探し、記録する作業にほとんど時間を割いていないことは、まったくもって信用に値しないことなのである。
8. 1825年、シマンカスにあるスペイン王立公文書館の館長は、そこで発見された、1543年にシャルル1世時代のスペイン海軍士官ブラスコ・デ・ガライが行った、蒸気機関によって駆動するパドルホイールで船を動かす試みが記された報告書を提供した[4]。
この話がどの程度信用できるかはわからないが、もし本当なら、現在知られている限り、蒸気を実用的な動力の開発に役立てようとした最初の試みであったといえる。使用されたエンジンの形式については何もわかっておらず、「沸騰した水の容器」がその一部を構成していたとだけ述べられている。
しかし、この記述は他の点では状況証拠に富んでおり、多くの人が信用しているが、このテーマについて書く人の大半は非常に疑わしいと見ている。1825年にM. de Navarreteが、スペインのSimancasにある王立文書館館長Tomás Gonzalesからの書簡という形で発表したものである。
9. 1601年、ジョバンニ・バティスタ・デラ・ポルタは、その著作「スピリタリ」の中で、蒸気の圧力で水柱を上昇させることができる装置について記述しており、その操作方法は、蒸気の凝縮を利用して、水が流れ込む真空状態を作り出すというものであった。ボイラーは別個のものを使用した。図3は、彼の著作の後期の版に掲載された図版からのコピーである[5]。
10. 1615年、フランスのルイ13世の下でエンジニア兼建築家として活躍し、後にイギリスの皇太子に雇われたサルモン・ド・コースは、フランクフォートで「Les Raisons des Forces Mouvantes avec diverses machines tant utile que plaisantes」という著作を発表し、「水は火の助けによってその水準よりも高くなる」という彼の提言を、スチームの拡張力によって水を上げるよう設計された機械の説明によって説明しています(図4参照)。(図4参照)
この機械は、金属製の容器の一部を水で満たし、その中に、ほぼ底までつながっていて、上部が開いているパイプを取り付けたものである。
火をつけると、その弾性力によってできた蒸気が垂直のパイプを通して水を押し出し、建設者の希望や容器の強さによって、その高さを決めることができる。
11. 1629年、イタリアのロヴェットのジョバンニ・ブランカは、ローマで出版した著作の中で、多くの独創的な機械仕掛けを説明している。その中に、蒸気機関（図5）があり、ボイラーから出る蒸気が水平な車輪の羽根に衝突するようになっている。
この蒸気機関は、多くの有用な用途に応用することが提案されている。
12. この発明は、ある気鋭の発明家がごく最近に発表したもので、彼は既存の蒸気機関の大きな改良と考え、かなりの金額を投じてこれを完成させた。
ヘロ機関もまた頻繁に再発明され、「蒸気タービン」という名称で、非常に速い回転速度を生み出すために、ある程度満足のいく効果を上げて応用されてきた。
13. ここで、蒸気の膨張力が実際に重要で有用な仕事に応用されたとされる最初の例について 蒸気の力は、重要かつ有用な仕事をするために実際に応用されたと考えられている。
1663年、第2代ウスター侯爵エドワード・サマセットは、「私がすでに実践した発明の名称と寸評の世紀」と呼ばれる、不明瞭かつ特異な言葉で表現された、自身の発明に関する興味深い説明を集めた本を出版した。
その中のひとつに、蒸気で水を汲み上げる装置がある。この説明には図面が添付されていないが、ここに示したスケッチ（図(j)）は、おそらく彼の考案に非常によく似ている。
ボイラーDで蒸気を発生させ、それをすでに水でほぼ満たされている容器Aの中に導く。この蒸気は、水を噴射しながらパイプFまたはF'を通して外に送り出す。その後、容器Aはボイラーから遮断され、蒸気はパイプGを通って凝縮した後、再び「吸引によって」満たされ、容器BがAと交互に使用され、この操作が繰り返される。
ポルタとデ・コースの装置は「蒸気噴水」であり、使用されるとしても単に装飾的な用途に限られたものであった。
ウスター侯爵のものは、ロンドン近郊のヴォクスホールで実用的な昇温のために使用されたものである。さらにその昔、ウスター侯爵の故郷ラグラン城で使用され、図7.14のように、水を受けるために壁に開けられた開口部が今も残っている。
14. このように、独立したボイラーは、ポルタが考案したものではあるが、それ以前の形式の装置に対して非常に重要な改良を加えたものである。
発明者がそう呼んだように、この「水車」は、蒸気機関の歴史の中で、発明者が「発明を実用化」したことが知られている最初の例である。
しかし、この発明が重要であったとしても、多くの権威者が主張するように、侯爵が蒸気機関の発明者であるという栄誉を得る資格がないことは明らかである。サマセット侯爵は、蒸気機関を完成させた人物の一人に過ぎないのである。
第二節 初期型蒸気機関の適用時期。モーランド、サヴェリ、デサグリエ-14. ウスター侯爵の発明は、20年後、サミュエル・モーランド卿によって復活したが、どのような形で復活したかは、現在では知られていない。
1683年にこのテーマについて書いた回想録[6]の中で、彼は蒸気の性質について、その初期の時点の誰にも期待できないほどの精通ぶりを示している。
現在、大英博物館のハーレム・コレクションに保存されている彼の手稿には、1時間当たり所定の量の水を汲み上げるために必要なシリンダーの大きさが記されており、大気圧下における等重量の水と蒸気の相対的な体積が非常に正確に示されている。
彼は、直径6フィート、長さ12フィートのシリンダーを持つ彼のエンジンの1つが、6インチの高さから3,240ポンドの水を1時間に1,800回くみ上げることができたと述べている。
15. この時から、多くの機械技術者の頭脳は、この問題、すなわち蒸気の助けによる水の上昇に真剣に取り組むようになった。
それまでは、蒸気機関の原理を個別に、時にはある程度まとめて具現化した独創的な玩具が数多く提案され、時には建設されたが、世界はこの方向での発明家たちの労働によって利益を得る準備ができたばかりであった。
しかし、17世紀末、イギリスの鉱山労働者は、かなりの深さまで掘った坑道で出会う大量の水を取り除くのに最大の困難を感じ始め、その作業で当時よりも強力な助っ人を見つけることが、彼らにとって極めて重要な問題になっていたのである。
したがって、彼らはその必要性から、そのような発明が提供されたときに、それを利用するために迅速に準備するように刺激された。
16. パパンの実験と、サヴェリによる既知の原理の実用化によって、必要な装置が彼らの手に渡った。
ルイ14世がナントの勅令を破棄し、アンリ4世がフランスのプロテスタントに保護を保証すると、すぐに教皇派による恐ろしい迫害が始まり、フランスの偉人たちが王国から追い出された。
ブロワ出身のドゥニー・パパンもその一人で、優れた哲学者であった。彼はパリで医学を学び、国外追放された後、イギリスに渡り、有名な哲学者ボイルに出会った。ボイルは彼を王立協会に紹介し、パパンはその会員となり、「トランザクション」に貴重な論文をいくつか寄稿した。
1680年、彼は「消化器」を発明した。大気圧で沸騰する水の影響を受けない物質を、高圧で沸騰する水の作用で完全に「消化」または「調理」することができるものである。
これらの容器が破裂する危険性があったため、1681年に彼はレバー式安全弁[7]を発明し、現在ではすべての蒸気ボイラーに不可欠な付属品として適用している。
17. 1690年、彼は、蒸気シリンダーと、蒸気圧によって上昇し、蒸気の凝縮によってその下が真空になると再び下降するピストンから成るエンジンの実用的なモデルを製作した。
この装置を発明者はポンプを作動させたり、外輪船を駆動するためのモーターとして使用することを提案したが、我々が確認できる限りでは、この計画で成功する機械を作ることはなかった。そして、彼は、別のボイラーを提案せず、同じ容器をボイラー、蒸気筒、凝縮器として同時に機能させ、シリンダー自体で水を蒸発させ、ピストンの上昇後、火からまたはシリンダーの下から火を取り除き、放射によって徐々に熱が失われることにより凝縮をもたらすようにした[8]。
18. 実際の構造における最も重要な進歩は、トーマス・セイヴリーによるものであった。
イギリスの鉱山、特にコーンウォールの深い坑道を水から解放しておく必要があるため、常に厄介な費用がかかり、工学的に困難であること、また、効果的で経済的な揚水装置を提供しようとするこれまでのすべての試みが失敗していることに、サヴェリーは注目し、1698年7月25日にこの仕事に実際に使われた最初の機関の設計特許を取得したのである。
1699年にロンドン王立協会に実用的な模型が提出され[9]、実験に成功した。
このエンジンは、1702年にセイヴリー自身が "Miner's Friend "に記述したもので、図8に示されている。
L Lはボイラーで、その中で蒸気が上げられ、パイプO Oを通して容器P Pに交互に通される。
最初に左側の容器に入ったとする。弁Mが閉じられ、弁rが開かれると、Pの中に入っていた水は追い出され、管Sを上って目的の高さまで行き、そこで排出される。
次に弁Mを開き、コックYで復水をPの外側に向け、貯水槽Xから水を導き、Pの中の蒸気が凝縮して真空になると、新しい水を大気圧で管Tに送り込む。
その間に、ボイラーからの蒸気が右側の容器Pに入り、コックWはまず閉じられ、Rは開かれる。一方、もう一方の容器には水を補給し、順番に動作するように準備します。
このようにして、2つの容器は必要な限り交互に充電と放電を繰り返す。サヴェリィのボイラーへの給水方法は、単純かつ独創的であった。
小型ボイラーDに、スタンドパイプSなど便利なところから水を入れ、その下に火を入れ、Dの蒸気の圧力が主ボイラーLより大きくなったら、両者の下端間に連絡口を開き、水は圧力を受けて小型ボイラーから大型ボイラーに流れ、作業を中断することなく「給水」される。GとNはボイラー内の水の高さを決めるゲージコックであり、これらの取り付けはセイヴリーが最初に採用したものである。
19. ここに、本当に実用的で商業的に価値のある最初の蒸気機関がある。トーマス・セイヴリーは、蒸気を媒介として作用する熱の力を利用した機械を初めて一般に導入したという栄誉に浴することができる。
セイヴリーは、ウスター侯爵やポルタと同様に、貯水槽とは別にボイラーを使用していた。
彼は、侯爵の「水車」に、表面凝縮装置と副ボイラーを加えて、水を補給する必要が生じたときに容器を交換できるようにし、ボイラーの働きを中断させることなく作動中のボイラーに水を供給できるようにした。
この機械は、それ自体の耐久性によってのみ制限された期間、中断することなく作動することが可能であった。
サヴェリーは自分のボイラーに安全弁を取り付けなかったが、その後、デサグリエがサヴェリーのエンジンに安全弁を使用した。
そのため、鉱山労働者が彼のボイラーの爆発を恐れて、彼の機械の導入が大幅に遅れた。実際、そのような爆発は一度や二度では起きなかった。
20. 彼は、パパンの安全弁を取り付け、サヴェリーのオリジナルの配置の表面凝縮の代わりに、スタンドパイプから「強制容器」へのジェット噴射を代用したのである。
21. しかし、セイバリー・エンジンは、設計と構造が改善されたとはいえ、実用的な機械でありながら、非常に無駄の多いものであった。ボイラーからの蒸気は、冷たく湿った水槽または強制容器に入り、水そのものと実際に接触することによって、大量に、しかも非常に深刻な程度に凝縮されるのである。
パパンは1707年に、蒸気と水の間に介在するピストンを使って、少なくともこの損失をある程度回避することを提案した[10]（図9はパパン自身が描いたスケッチからのコピー）。
このエンジンは、原理的にはウスター侯爵のエンジンで、ピストンEを導入することによって、蒸気を推進する水から分離し、凝縮による損失の量を減らすことができる。
しかし、このエンジンは実験的に作られただけで、建設されることはなく、蒸気機関史の中で興味深いのは、後進の発明家たちに有益な示唆を与えたという事実である。
パパンは、1698年の時点で、片側を蒸気圧で駆動し、もう片側を真空で補助するピストンという、より先進的ではあったが初期のプロジェクトを放棄していた。したがって、彼は、才能と学識は認められたものの、発明家としては成功せず、不幸にも独創的で知的な投機家と見なされるだけである。
脚注 編集
- ↑ このスケッチは、1871年から72年の冬にスティーブンス工科大学で技術者や機械学者を前に行った講義と、その後機械工学科の授業で行った講義をもとに、現在に至るまで改訂を加えてまとめたものである。完全な蒸気機関」の実用化に関する最も新しい部分は、これまでよりもさらに完全に発展させ、論文全体として、ここで初めて出版されたものである。図版は、主にStuartとFareyから、また、この講演の筆者がAppletons' Cyclopædia, new editionのために準備した記事「Steam-Engine」から引用しています。蒸気機関の成長」については、同じ著者によって非常に完全な歴史が作成され、「インターナショナル・シリーズ」に細かく図解されて出版されるところである。
- ↑ ラードナー博士
- ↑ ウッドクラフトの "英雄の翻訳 "による
- ↑ ドイツ皇帝シャルル5世は、スペイン皇帝シャルル1世でもあった
- ↑ "I Tre Libri Spiritali", Napoli, 1606.
- ↑ "Elévation des Eaux, par toutes Sortes de Machine, reduite à la Mesure, au Poids et à la Balance."
- ↑ 他の形の安全弁は以前から使われていた
- ↑ "Recueil des diverses Pièces touchant quelques nouvelles Machines et autres Sujets philosophiques," M. D. Papin, Cassel, 1695.
- ↑ "王立協会紀要", 1699.
- ↑ "火の力で水を汲む新しい方法 ルミエール式" Par M. D. Papin, Docteur en Médecine, Professeur en Mathematique à Cassel, 1707.
原文の著作権・ライセンスは別添タグの通りですが、訳文はクリエイティブ・コモンズ 表示-継承ライセンスのもとで利用できます。追加の条件が適用される場合があります。詳細については利用規約を参照してください。