特徴と技術的工夫

ウィキペディア小見出し辞書

特徴と技術的工夫

出典: フリー百科事典『ウィキペディア（Wikipedia）』 (2022/06/01 23:52 UTC 版)

「トーマス・ニューコメン」の記事における「特徴と技術的工夫」の解説

ニューコメン機関にはいくつかの技術的工夫がされていた。その主なものを下記に示す。 シリンダとピストンの使用 パパンの機関はボイラとシリンダが一体であり、シリンダを直接加熱するため、動作を反復することが困難である。セイヴァリの機関はシリンダとピストンがなく、蒸気が揚水に接触して出し入れしていた。ニューコメン機関はピストンとシリンダを持ち、分離したボイラからの蒸気（と大気の圧力）でピストンを駆動した。 当時のポンプなどで使われていたシリンダの直径はせいぜい7インチ程度であり、直径20インチを越えるシリンダの製作は至難の業であった。ニューコメンらは、砂やグリスを使って内面を研磨した真鍮鋳物のシリンダを用い、ピストンとの隙間を埋めるために、ピストンの周囲に皮ひもや麻繊維（オーカム）を巻いて、さらにピストンの上に水を張ることにより空気の進入を防いだ。 水噴射による凝縮 当初の試作段階でニューコメンらは、シリンダの側面を取り巻くように鉛製のジャケットを巡らし、そこに冷水を流してシリンダ中の蒸気を冷却していた。その場合は蒸気の凝縮速度は遅く、機関の動作は極めてゆっくりしたものにならざるを得なかった。 実験中のある時、突然ピストンが急に下方へ引かれて鎖を引きちぎり、シリンダの底とボイラの蓋を破壊してしまった。その事故の原因を調べてみると、シリンダ壁の鋳物欠陥を補修して埋めていたハンダ（またはフラックス）が溶け、その穴から冷水がシリンダ内へ噴き出して蒸気が急速に凝縮し、ピストンが下方へ急に動かされたことが分かった。この発見がもとになって、シリンダの底に冷水の噴射管を取り付け、冷水の噴射で蒸気を直接凝縮する方法に変更されたとされている 。 スニフティング弁（漏らし弁） 蒸気を凝縮して凝縮水だけを取り除きながら繰り返していると、蒸気や冷水と共に持ち込まれる空気がシリンダ内に溜まって濃縮され、やがて機関は動かなくなる。ニューコメンらは試行錯誤するうちにこのことに気づいて、対策を考えていた。 シリンダへ蒸気を入れる行程の間、凝縮水を排水管 (eduction pipe) から排出するが、その行程の後半で数秒間だけ蒸気と空気をシリンダから噴き出すことで、空気の濃縮を防ぐことができる。排水管の先をU字形に曲げて出口に逆止弁をつけて水槽中へ入れ、そこから空気の泡が出ることから、空気が除去されていることが分かる。この弁は、動作時に発する音から「スニフティング弁」（snifting valve; 漏らし弁）と呼ばれた。 自動運転機構 この機関の動作のためには、シリンダ内でピストンが上端に来たとき蒸気弁を閉じて、冷水弁を開き、下端に来たときに逆の操作をして、冷水の噴射や蒸気の注入を正確に行うことが不可欠である。試験段階ではこれを手動で行っていたが、1712年の最初の機関では、ビームの動きに応じて弁操作を自動的に行うようになっていた。 ニューコメンらはピストンと共に上下に揺動する頭上のレバーに棒（プラグ・ロッド）をぶら下げ、プラグ・ロッドに取り付けた留め釘とリンクとを組み合わせて弁を開閉した。特に冷水噴射弁は、おもりの落下を用いて急速に開き、プラグ・ロッドで重りを持ち上げながらゆっくり閉じるように工夫されていた。さらに、当時のボイラの蒸発量が不足気味であったため、蒸気量（ボイラ圧力）が不足する際は冷水弁を閉じたまま機関を待機状態とする工夫（スコガン scoggan）もあり、その動作を紐を用いて行っていたため、多少複雑となっていた。この自動運転機構は、ヘンリー・バイトン (Henry Beighton) による1717年のニューカースル・アポン・タイン機関で、さらに改良された（上の概略図では、この機構は省略されている）。 ボイラ ボイラは当時使われていた醸造用の銅製ボイラ（いわゆるヘイスタック・ボイラ haystack boiler）であり、給水のための固定配管、1対のゲージ管を用いた水面位置検出器、パパンの発明による安全弁などが追加された。 必要な多量の蒸気をまかなうために、ニューコメンはボイラの背丈を高くして保有水量を増やした。当時は、ボイラの水量に比例して沸騰水から蒸気が立ち上がるとの誤った理解がなされていたようで、ニューコメンも例外ではなかった。伝熱面増加を含めたボイラの改良は、その後の発明家まで待たねばならなかった。 廃熱の回収 ピストンが上端にくるたびに、ピストン背面上の温水がオーバーフローして配管から流下する。また、シリンダから排水された凝縮水も温度が高い。これらを集めて、ボイラへの給水の一部として利用していた。 冷却水の補給 ビームの別の位置に補助ポンプ棒Mを取り付け、補助ポンプで貯水槽Lに水を補給していた。