蒸気エンジンの発明 は、古代に始まった長い発見の過程の物語です。 1679 年、 フランス人のドニ・ パパンが 一種の蒸気圧力鍋を設計します。 ガス圧を勉強するためです。 1712 年にトーマス・ ニューコメンが 最初の蒸気エンジンを開発します。 、ダドリーから水を汲み上げるために使用されます。 イギリスの炭鉱。イギリス人のジェームズ・ ワット これは、もう 1 つの大きな革新の源となるでしょう。それは、機械の動作を大幅に改善する加圧蒸気の使用です。ワットの特許はパブリックドメインとなり、多くの建築業者が性能と仕上がりを改善しました。蒸気エンジンはその起源ではありませんが、19 世紀の産業革命に大きく貢献しました。
蒸気を使用して機械エネルギーを生成する
蒸気エンジンの原理は、膨張と冷却によって蒸気からの熱エネルギーを機械エネルギーに変換することです。可動ピストンを備えたシリンダー内の蒸気。エネルギーまたは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、飽和蒸気を得るために加熱される水の入った容器で構成されています。
通常の家庭用暖房システムには通常、このタイプのボイラーが付いていますが、産業用エネルギー生産に使用される蒸気発電所には、より複雑な補助装置の設計と機器が付いています。蒸気エンジンの効率は低いことが多いため、蒸気エンジンは蒸気タービンに置き換えられることがよくあります。
蒸気エンジンの調整
蒸気に関する最初の研究は古代に遡ります。それまで、機械生産は大きな進歩を遂げることができませんでした。それは、利用できる唯一の推進力が人間または動物の常に限られた物理的エネルギーだったためです。風や水などの自然の力は、地理的および気候的要因に大きく依存します。蒸気の弾性力は温度の影響で増大することが古くから認識されてきました。アレキサンドリアのサギ (西暦 1 世紀頃) は、著書『空気学』の中で、チューブ内の蒸気の漏れによって回転運動が引き起こされる一種の中空の金属球であるアオリピレについて説明しました。
17 世紀の初期から、人々は産業用エネルギー源として水蒸気を使用することを考えていました (研究)ジョヴァンニ・バティスタ・デリア・ポルタ作、1601年、サロモン・デ・コース作、1615年頃、エドワード・サマセット作、1663年）。 17 世紀のトリチェッリとゲリッケの研究は、蒸気の凝縮の可能性に焦点を当てています。
フランスの物理学者 Denis Papin が、水を汲み上げるための新しい機械の説明と使用法の中で明らかにしています。 、水の塊を加熱することによって得られる蒸気の圧力下で、シリンダー内で交互に動くピストンで動作する機械という彼のアイデア。最初のピストン エンジンは 1690 年に開発され、水を汲み上げるために使用されました。パパンの機械は単なる好奇心ではなく、大気圧下で動作する基本的な機械であり、したがって蒸気は圧縮されていません。
この研究の最初の実用化は、石炭鉱山と銅鉱山から水を排出するための蒸気ポンプでした。 1698 年、トーマス セイバリーは蒸気を使用した最初のポンプ機械を発明しました。はるかに独創的なトーマス ニューコメンの機械 (1705) は、井戸の底に設置されたポンプにロッドで接続された振り子を振動させるピストンを作動させました。
この機械は 1711 年から 1712 年頃に英国の鉱山に導入され、半世紀以上にわたり多くの用途に使用されました (1760 年頃には約 160 例がありました)。しかし、その基礎となった原理は、シリンダー内に真空を作り出し、その中でピストンが外気の圧力によって押されるというものでした。このためにはシリンダーの加熱と冷却を交互に行う必要があり、燃料の多大な損失を伴いました。
James Watt の改善点
蒸気エンジンの主な制約は、蒸気エンジンを実際に実現し、信頼性が高く経済的に実行可能な結果を達成するために必要な冶金技術にあります。この突破口を作ったのはスコットランド人のメカニック、ジェームス・ワット氏だった。 1763 年にグラスゴー大学の実験に使用されたニューコメンの機械のモデルを修理するために呼び出された彼は、「不必要な結露を避けるために、蒸気がピストンに作用するシリンダーを常に温度と同じくらい熱く保つ必要がある」と述べました。蒸気自体...望ましい真空を得るには、シリンダーの温度を変更することなく、必要なだけ温度を下げることができる別の容器で凝縮を行う必要がありました。
そこで、ワットは 1765 年という早い時期に、シリンダーとは別のコンデンサーを機械に取り付けました。 1769 年に、彼は最初の改良品の特許を取得しました。しかし、1782 年にピストンの両側に蒸気を交互に流す複動エンジンを完成させるまで、さらに 13 年間の実験が必要でした。この機械には、ピストンの振動運動を円運動に変換することであらゆる用途に使用できる装置も装備されていました。この発明が広く流通することができたのは、ワットのパートナーであるマシュー・ボールトンがバーミンガム近郊のソーホーに創設した専門の整備士チームのおかげであり、その工場は 18 世紀末までに約 500 台のワット機械を生産していました。
蒸気機関のゆっくりとした普及
イギリスやその他のヨーロッパ諸国の鉱山や紡績工場で蒸気エンジンがいち早く導入されたことを確認するには、早くもニューコメンの機械がスロバキアのシュムニッツに設置されました。 1722年として。 1726 年からフランスのパッシーで開発されましたが、これはイギリスにおいてさえ、平均的な産業構造への一般化を意味するものではありません。英国の産業では、蒸気エンジンは 19 世紀前半に、綿花産業、冶金、機械工学、鉱業などの最も近代的な分野でのみ使用されました。
水車、風車、乗馬などの伝統的なモーターの形式が今も普及しています。機関車は農業の脱穀に使用されますが、一般的なものではありません。逆説的ですが、蒸気機関は 1873 年から 1896 年の「大恐慌」の間に普及し、英国経済が減速し、生産性でのリードを失いました。
フランス、ドイツ、スイス、米国では、蒸気エンジンの導入が遅れています。水車は、起伏によって川に十分な速度が与えられ、干ばつや霜に悩まされず、川の流れが規則的である地域では、19 世紀の終わりまで主要な産業エンジンであり続けました。メーカーは、より経済的であるため、この選択を行いました。水車は、水を汲むために範囲を掘る必要があるため、設置には非常に費用がかかりますが、その運営にはほとんど費用がかかりません。蒸気機関は購入価格は安いが、運転・維持費が高い。燃料代に加え、加圧時間が長いため常勤の整備士に賃金を支払い、継続的に運転する必要がある。 .
石炭のコストが高い国では、大企業を除いて蒸気エンジンは普及していません。それにもかかわらず、パリのフォーブル・サン・タントワーヌのように、電力レンタル会社は、ベルトを街路の回転軸に接続する職人の作業場にエネルギーを分配することができます。フランスでは、蒸気エンジンが産業用エンジンとして最も普及したのは特に 1920 年代でした。 1930 年代には、総出力がピークに達し、その数は減少しました。これは、何よりも発電用の火力発電所など、単位出力の高い機械が残っていたためです。
今も使われている原動力
レシプロ エンジンを回転運動に変換する原理と技術は、19 世紀末に外部燃焼がガスや内燃機関に置き換えられたエンジンに見られます。油。多くのプロセスは、クランクシャフトが油中で回転するクランクケースや、航空機エンジンの複数のスター シリンダーのシステムなど、蒸気エンジンから発生します。
同時に、蒸気エンジンは、ブノワ フルネロン (1802-1867) などの技術者が 19 世紀に進歩させた連続運動技術と徐々に関連付けられるようになりました。油圧学の世紀。蒸気タービンは 20 世紀初頭に産業界や海軍に登場し、非常に高速で回転するローターを製造することが可能になりました。最後に、原子力発電所は、蒸気流体を使用してタービンを動かす外燃機関です。
参考文献
- 蒸気エンジンの歴史、ロバート・ヘンリー・サーストン著。デコーマン、2014 年
- 蒸気エンジン、ルイ・フィギエ作。 CIPP、2015 年