蒸気機関の発明は、古代に始まる長い発見の歴史の物語です。1679年、フランスのドゥニ・パパンは気体の圧力を研究するために、一種の蒸気圧力鍋（スチーム・ダイジェスター）を設計しました。1712年にはトーマス・ニューコメンが最初の実用的な蒸気機関を開発し、イングランドのダドリー炭鉱の排水ポンプに用いられました。そしてイギリスのジェームズ・ワットが、もう一つの偉大な革新、すなわち高圧蒸気の利用を実現し、機関の性能を飛躍的に向上させました。ワットの特許が保護期間を終えると、多くの製造業者が性能と工作精度を競って改良を重ねていきました。蒸気機関は産業革命の直接の起源ではありませんでしたが、19世紀の産業革命に多大な貢献を果たしたのです。
蒸気で機械的エネルギーを生み出す仕組み
蒸気機関の原理は、可動するピストンを備えたシリンダー内で蒸気が膨張・冷却される際に、蒸気の熱エネルギーを機械的エネルギーへと変換することにあります。エネルギーや熱の生成に必要な蒸気は、通常ボイラーによって供給されます。最も単純なボイラーは、水を入れた容器を加熱して飽和蒸気を得るというものです。
一般家庭の暖房システムにも、こうしたタイプのボイラーが使われています。一方、工業用のエネルギー生産に用いられる火力発電所などでは、設計も補助設備もはるかに複雑になります。蒸気機関の効率は往々にして低いため、多くの場面で蒸気タービンに取って代わられることになりました。
蒸気機関への長い道のり
蒸気に関する最初の研究は古代にさかのぼります。それまで機械的な動力は大きな進歩を遂げられませんでした。利用できる原動力は、人間や家畜という常に限られた物理的エネルギー、あるいは地理的条件や気候に大きく左右される風や水といった自然の力だけだったからです。古代から、蒸気の弾性力が温度の上昇とともに増大することが知られていました。アレクサンドリアのヘロン（1世紀頃）は著書『プネウマティカ』の中で、中空の金属球から管を通じて蒸気が噴き出し、その反動で球が回転する装置「アイオロスの球（アエオリピレ）」について記述しています。
17世紀初頭になると、水蒸気を工業的な動力源として利用する構想が現れます（ジョヴァンニ・バッティスタ・デッラ・ポルタの研究、1601年／サロモン・ド・コーの研究、1615年頃／エドワード・サマセットの研究、1663年）。同じ17世紀のトリチェリとゲーリケの研究は、蒸気を凝縮させることの可能性に焦点を当てたものでした。
フランスの物理学者ドゥニ・パパンは、著書『揚水のための新機械の記述と使用法』の中で、水を加熱して得られる蒸気の圧力によって、シリンダー内でピストンが往復運動する機械の構想を示しました。最初のピストン式機関は1690年に開発され、揚水に用いられました。パパンの機関は単なる珍奇な装置ではなく、大気圧下で作動し蒸気を圧縮しない、基本となる機関だったのです。
これらの研究の最初の実用化は、炭鉱や銅山から水を排出する蒸気ポンプでした。1698年、トーマス・セイヴァリが蒸気を利用した最初の揚水機を発明します。さらに精巧だったのがトーマス・ニューコメンの機関（1705年）で、ピストンの運動が振り子を揺らし、ロッドを通じて坑底に置かれたポンプを作動させる仕組みでした。
この機関は1711年から1712年頃にかけてイングランドの鉱山に導入され、半世紀以上にわたって幅広く使われました（1760年頃には約160基が稼働していたといわれます）。しかし、その原理はシリンダー内部に真空をつくり、外気の圧力でピストンを押し込むというものでした。そのためにはシリンダーを交互に加熱・冷却し続けなければならず、燃料の損失が甚だしいという欠点がありました。
ジェームズ・ワットによる画期的な改良
蒸気機関の最大の制約は、信頼でき、かつ経済的に成立する実物を造るために必要な冶金技術にありました。ここで突破口を開いたのが、スコットランドの機械技師ジェームズ・ワットです。1763年、グラスゴー大学が実験用に使っていたニューコメン機関の模型の修理を依頼された彼は、次のようなことに気づきました。「無駄な凝縮を一切避けるためには、蒸気がピストンに作用するシリンダーは、常に蒸気そのものと同じ温度に保たれていなければならない。求める真空を得るための凝縮は、別の容器の中で行うべきであり、そこでは必要なだけ温度を下げても、シリンダーの温度は変化しないようにする」。
そこで早くも1765年、ワットはシリンダーとは独立した復水器（コンデンサー）を機関に取り付けます。1769年には最初の改良の特許を取得しました。しかし完成までには、さらに13年の試行錯誤が必要でした。1782年についに完成させたのが両作用機関です。これはピストンの両側に交互に蒸気を送り込むもので、さらにピストンの往復運動を回転運動へと変換する装置を備えていたため、あらゆる種類の用途に応用できる機関となりました。
この発明が広く普及したのは、ワットの協力者マシュー・ボールトンがバーミンガム近郊のソーホーに組織した専門職人チームのおかげでした。同工場は18世紀末までに約500台のワット機関を製造しています。
蒸気機関の緩やかな普及
イングランドやその他のヨーロッパ諸国の鉱山や紡績工場に蒸気機関が早くから導入されたことは、その一般化を意味するものではありません。ニューコメン機関は1722年にはスロバキアのシェムニッツに、1726年にはフランスのパシーに据え付けられていますが、それでもイギリス国内でさえ、平均的な工業体への普及は進みませんでした。19世紀前半のイギリス産業において蒸気機関が使われたのは、綿工業、冶金、機械製造、鉱業といった最も先進的な部門にとどまります。
伝統的な原動力、すなわち水車や風車、そして馬力（回転馬場）は依然として主流でした。移動式の蒸気機関車（トラクション・エンジン）が農業の脱穀に使われることもありましたが、それは例外でした。皮肉なことに、蒸気機関が本格的に普及するのは、1873年から1896年の「大不況」期、イギリス経済が減速し、生産性における優位を失った時期のことでした。
フランス、ドイツ、スイス、アメリカ合衆国における蒸気機関の導入は、さらに遅く、時間を要しました。地形が河川に十分な流速を与え、流量が安定していて、旱魃や凍結の被害を受けない地域では、19世紀末まで水車が支配的な工業用原動力であり続けました。事業者が水車を選んだのは、より経済的だったからです。水車は導水路を掘削する必要があるため設置費用は非常に高額ですが、その後の運転コストはごくわずかしかかかりません。一方、蒸気機関は購入価格こそ低いものの、運転・維持費は高くつきます。燃料代に加えて常勤の機械技師を雇う必要があり、加圧に時間がかかるため連続操業しなければならないからです。
石炭の価格が高い国では、蒸気機関は大企業を除いてあまり普及しませんでした。それでも、パリのフォーブール・サンタントワースのように、動力賃貸会社が街路の回転軸に各工房のベルトをつないで動力を配給するという例も存在しました。フランスで蒸気機関が最も広く使われる工業用原動力となったのは、とりわけ1920年代のことです。1930年代には総出力はピークに達したものの、台数は減少していきました。これは、発電用火力発電所のもののような、高出力の大型機だけが残存したためです。
今も生き続ける駆動原理
ピストンの往復運動を回転運動に変換する機関の原理と技術は、19世紀末には、外燃をガスや石油による内燃へと置き換えた内燃機関に受け継がれました。クランクシャフトが油の中で回転するクランクケースや、航空機エンジンに見られる星型多気筒システムなど、数多くの技術は蒸気機関に由来するものです。
同時に、蒸気機関は、ベノワ・フルネロン（1802〜1867）らの技師が19世紀を通じて水力学の分野で発展させてきた連続回転の技術とも結びついていきました。極めて高速で回転するローターの製造が可能になった20世紀初頭、蒸気タービンは産業界と海軍に登場します。そして最後に、原子力発電所は、蒸気という流体を使ってタービンを回転させる、いわば外燃機関なのです。
参考文献
- 『蒸気機関の歴史』ロバート・ヘンリー・サーストン著、Decoopman、2014年
- 『蒸気機関』ルイ・フィギエ著、CIPP、2015年