月刊ポピュラーサイエンス/第13巻/1878年5月号/蒸気機関の発展6
第6節
未来の蒸気機関と、その製作者
[編集]このように、蒸気機関の歴史と、その最も重要な用途のいくつかを急速に概説してきたが、次に、この問題を取り上げることにしよう。
技師がここで解決しようとしている問題は、正確に、最も一般的な形で述べると何だろうか。
そして、過去から未来を判断することができる限り、推論によって、現在および近い将来において、どのような方向に進むと思われるかを見極めようとする。さらに、蒸気機関を完成させる上で、我々の進歩に最も役立つ物理的、知的な条件は何であるかを問うことになる。
この重要な問題は、最も一般的な形で次のように表現することができ 、燃料の燃焼から得られる熱運動の運動エネルギーを、その熱の受け皿および伝達手段として蒸気を用いて機械的動力に変換する機械を、可能な限り完全な方法で構築することである。
この問題には、2つの異なる、そして同様に重要な問いが含まれている。第一に、この問題に関わる科学的原理は何か？もう一つは、既知の科学的原理だけでなく、工学的実践の確立された原則を最も効率的に体現し、合致するような機械をどのように構築するかということである。
この問題は、科学者に向けられたものであり、技術者に向けられたものでもある。この2つの質問に満足のいく答えが得られるのは、現在の知識が許す限りにおいて、科学が与えてくれる最善の光のもとで、蒸気機関の理論に含まれる科学的原理を注意深く研究し、すでに行われたさまざまな改良の段階とそれに伴う構造の変化を慎重に研究し、それぞれの変化の影響を分析し、その理由を追跡した後でのみ可能なことなのである。蒸気機関の理論は、大学の講義一コマ分のスペースで扱うには、あまりにも重要で広範なテーマであり、ここでは、蒸気機関の経済効率を高める努力に適用できるものとして、科学が指摘する原理を極めて簡潔に述べることだけを試みることができる。
科学の教えでは、現代の蒸気機関において、熱運動のエネルギーから経済的に機械的動力を得る成功は、より広く隔てられた温度限界の間で作業すればするほど、また、動力の生産に利用できない方向への熱の放散による損失に対してより完全に備えれば備えるほど、大きくなるとされている。
科学的な研究によって、あらゆる種類の熱機関において、温度の絶対零度よりはるかに高い点より低い温度の下限を下げることができないという事実から、非常に大きな効果の喪失が避けられないことが証明された。しかし、蒸気がエンジンに入るときの温度が高ければ高いほど、またシリンダーから出るときの温度が低ければ低いほど、そして伝導と放射による熱の浪費と摩擦による動力の浪費に対してより徹底的な対策を施せば施すほど、我々の成功はより大きなものとなるのである。
さて、蒸気機関の歴史を振り返ってみると、顕著な改良点と最も顕著な形状の変化を速やかに記録することができ、それによって、さらなる進歩を求めるべき一般的な方向性をある程度把握することができる。
「デ・コウス」の機械から始めて、この時点で初めて切れ目のない糸を取り上げることができる。そこには、現代の揚水発電機のすべての部品の機能を果たす単一の容器があったことが思い出される。それは、ボイラー、蒸気筒、凝縮器であると同時に、揚水ポンプと強制ポンプの役割も果たす。
ウスター侯爵や、それ以前のダ・ポルタは、 エンジンを二つに分け、一方を蒸気ボイラーとして、もう一方を独立した水容器として使用したのである。
セイヴリーは、ポンプ、蒸気シリンダー、コンデンサーの役割を果たす初期のエンジンの部品を複製し、急速な凝縮を実現するために水の噴射を追加したのである。
ニューコーマンとコーリーは、次に近代的なエンジンを導入し、ポンプを蒸気エンジン本体から分離した。彼らのエンジンでは、セイヴリーのエンジンと同様に、まず表面凝縮が用いられ、その後、凝縮される蒸気の中に水を噴射することが行われていることに気がつく。
ワットはついに単気筒エンジンを改良し、復水器を蒸気シリンダーから分離してエンジンの構造を完成させ、この分化の動きを完成させた。
ここでこの動きは止まり、蒸気機関のいくつかの重要な工程は、それぞれ別の容器で行われるようになった。ボイラーは蒸気を供給し、シリンダーはそこから機械的な力を得て、蒸気は最後に別の容器で凝縮され、蒸気シリンダーで得られた動力は、さらに別の部品を介してポンプや作業を行う場所に伝達された。
ワットはまた、別の方面でもイニシアチブをとった。彼は、部品の比率や製造工程を改善することによって、機械の効率を高め続けた。こうして、部品が巧みに作られて初めて役立つ、細部の改良の多くを利用できるようにしたのである。
ワットとその同時代の人々は、より高圧の蒸気を用い、より大きく膨張させるという動きも始めたが、これは彼の時代以降の蒸気機関の進歩において最も顕著な特徴である。ニューコメンは大気圧よりわずかに高い蒸気を使い、1ポンドの石炭を消費して、10万5千ポンドの水を1フィートの高さにまで上昇させた。スミートンは、蒸気圧を8ポンドに上げ、義務を12万ポンドに引き上げた。ワットはニューコメンの2倍の関税でスタートし、蒸気を10ポンドとして石炭1ポンドあたり32万フィートポンドに引き上げた。今日、コーニッシュ・エンジンはワットと同じ設計であるが、40から60ポンドの蒸気で作動し、3から6倍に膨張するため、優れた通常のエンジンで、おそらく石炭1ポンドにつき平均60万フィートポンドを負担する。
ワットの時代以来見られる蒸気圧と膨張の増大は、工作技術の非常に大きな改善を伴っている。これは、工作機械の完成度と適応範囲の急速な拡大、エンジンとボイラーの設計におけるより高い技能と知能、ピストン速度の増大、乾燥蒸気を得ること、およびそれをシリンダーから排出されるまで乾燥状態に保つこと(過熱、蒸気ジャケット、あるいは両方の手段を組み合わせて )の結果として生じるものである。また、伝導や放射、内部の無駄な熱の移動による損失に対して慎重に提供する重要な問題へのより大きな注意を伴っている。また、複式機関や二段膨張機関は、摩擦を減らすだけでなく、内部の凝縮や大きな膨張による再蒸発の結果として通常失われる熱の一部を保存する目的で、船舶用エンジンを扱う際にすでに検討されている。
しかし、この下限に近づくことによって得られる一度は、最高温度を上げることによって得られる利用可能な温度の範囲内の一度よりも有益であることは明らかである。したがって、四半世紀前にフランスの発明家デュトレンブリーが行った試み、またそれ以来の他の発明家による、下限に近づいてより大きな割合の熱を利用する試みは、現在よく知られている科学的原則に従ったものであった。
ここでいうエンジンは、技術者の間ではバイナリ・ベイパー・エンジン(Binary Vapor-Engine)と呼ばれている。この機関では、通常、蒸気機関の復水器から送られる水によって運ばれる熱が、エーテルや二硫化炭素などの非常に揮発性の高い液体を蒸発させ、その蒸気の膨張によって、さらに機械的な力を発生させるのである。しかし、今後、発明家がこのシステムを商業的に価値あるものにすることは不可能とは言えない。
現代の蒸気機関において、ピストン速度の上昇が依然として抑制されていないことの重要な帰結は、現在標準的な形式の「ドロップカットオフ」または「デタッチャブル」弁装置が使用できない限界に近づいていることである。なぜなら、その限界速度では、ドロップバルブが弁座に着く前にピストンがストロークエンドに達してしまい、カットオフのポイントや膨張の度合いをガバナーで正確かつ確実に決定することができなくなるからである。この限界は、おそらくいくつかのエンジンではすでに達成されており、毎分1000フィート以上のピストン速度を採用する技師は、古いタイプの「ポジティブモーション」弁装置リングの使用に逆戻りして、感度を持ちながら、これらの扱いにくい種類のメカニズムを制御するのに十分な力を持つ特別な形式のガバナーを考案し、信頼性と耐久性のあるバランスバルブを発明し、バルブと調整器によるその調整を完全に容易にするためのあらゆる実践的便宜を図る必要に迫られる。したがって、積極的な運動と調整装置による調整の容易さは、今日の標準的なエンジンの後継となるであろうエンジンのための成功した弁装置の必要条件であることは明らかである。
さて、蒸気機関の成長について検討した結果を、このようにまとめることができる。
1.改良の過程は、主に、 「分化」の一つであった。」部品の数は絶えず増加し、各部の仕事は単純化され、動作サイクルの各プロセスに別々の器官が割り当てられた。
2.一次工程の完成に続いて、一種の二次工程である「分化」がある程度進行しており、この二次工程では、ある動作が機械の一部と別の部分で行われる。このことは、複合エンジンの2つのシリンダーや、二元蒸気エンジンで見られる複製によって説明される。
3.改良の方向は、蒸気圧の絶え間ない上昇、より大きな膨張、乾燥蒸気を得るための特別な設備、より高いピストン速度、伝導や放射による熱損失に対する慎重な保護、そして船舶用エンジンでは表面結露によって特徴づけられてきた。
科学が示す改善方向と、すでに行われた実際の措置のレビューから、次のように思われる。つまり、到達可能な最も広い温度範囲での作業と、これまで装置内で浪費されていた熱や装置から排出される熱を節約することである。
蒸気は、できるだけ高い温度で機械に入り、熱の浪費や損失から保護され、排気の前に、もともと利用可能な熱の最小限の割合を保持しなければならない。より高い蒸気を安全に使用すること、熱を無駄なくより効果的に機械的な力に変換すること、あるいは、排出される作動流体の温度を仕事に変換することによって下げること、これらの目的のいずれかを達成するために、発明の才能や機械技術が貢献する者は、人類に計り知れない利益をもたらす。
詳細には、エンジンにおいては、少なくとも近い将来、より高い蒸気、複数のシリンダーにおけるより大きな膨張、蒸気ジャケット、過熱、無駄に対する非伝導性保護装置の慎重な使用、急速回転によるピストン速度の向上、およびそのような高速エンジンに適合する特別な比率と弁装置の形式の採用という傾向があり、今後もその傾向が続くと予想される。
ボイラーでは、炉を通過する空気を過剰にすることなく、より完全に燃焼させ、炉のガスからより徹底的に熱を吸収することが求められている。後者は、煙突で熱を消費して得るというはるかに無駄の多い方法の代わりに、機械的に生成されたドラフトを使用することによって、最終的に最も満足のいく形で達成されると思われる。
構造面では、鉄を軟鋼に置き換えたように、より良い材料を使い、特にボイラーではより丁寧な仕事をし、細部の形状や比率もさらに改善することが期待される。
管理には、改善のための広大な分野がある。 改善は急速に行われると確信できる。注意、技能、および知性が、安全と同様に経済的な管理に絶対不可欠であり、それらを確保するために必要な時間と資金のすべての支出に十分に報いることが、現在よく理解されつつあるからである。最良のものは最も安い」というのは、市場における他のどんなものよりも、労働力について真実である。
これまで述べてきたような方向で改良を試みる場合、そのいずれかが限界に達しているとか、あるいは通過不可能な限界に近づいていると考えるのは、愚かさの極みであろう。もし、不十分な収益によってさらなる進歩が阻まれるようであれば、どんな有望な方向であれ、現在の慣行を超えて前進しようとする努力がなされたとき、そのような妨げの原因を発見し、それを発見したら、その除去が物理的に不可能でないならば、除去する方法を見つけることが技術者の義務になるのである。
数年前、高蒸気の拡大運転への動きは、ある点を超えて進むと不利になることを証明するかのような実験によって阻止された。しかし、この結果は、当時よく見られたように、蒸気を使用する際に守るべきすべての原則や、より高圧の蒸気を賢く使うことで得られるはずだと科学が教えてくれた利益を保証するために必要な予防措置をまったく無視して作られたエンジンにのみ当てはまるものであることが明らかになった。障害物は純粋に物理的、機械的なものであり、それを取り除くのは技術者の役目である。
現代の蒸気機関の運転における熱の浪費の方法を分析すると、非常に大きな割合、実際にはほとんどすべてが、未利用の熱を排気蒸気として放出することに起因していることがわかるだろう。一般に使用されている最良のエンジンでは、この損失は燃料から得られる熱の総量の10分の8から10分の9に相当する。現代の蒸気機関では、伝導や放射による損失は比較的小さく、ほぼすべての無駄な熱がこの方法で失われている。このことは、非常に大きな経済性を確保する唯一の方法は、排気弁の開口部に残る熱量を最小にすることであり、この排熱を可能な限りシステム内に保持し、システムからの逃亡による浪費を防ぐことであることが一目瞭然である。ピストンストロークの終わりに拒絶されたままの大量の熱を減らすには、大きな膨張で、供給された熱の膨大な量を未利用のまま凝縮器に移す内部凝縮と再蒸発をチェックする手段によってのみ、重要な程度まで効果を上げることができる。すでに述べたように、これらの方法は、乾燥蒸気の使用、蒸気ジャケットの採用、エンジン速度の高速化、シリンダーの内張りにできるだけ伝導率の低い材料を使用することである。
シリンダーから実際に排出された熱を保持し、再加工によって完全に利用することは、確実に不可能というわけではないが、実質的に 難しい問題である。[1]そのため、著者は新しいタイプの蒸気機関を提案した。その機関では、凝縮水と機関から排出される蒸気が分離され、適切な割合と構造のポンプによって、ボイラーに戻されることになる。水を戻すのに必要な動力は微々たるものである。内部凝縮と再蒸発による排気への熱の移動がすべて防止されていると仮定すると、燃料の燃焼によって発生する全熱量のうち、通常非常に大きな割合を占める熱を持った排出蒸気を戻すには、その膨張によって発生した量の動力を正確に消費しなければならない。したがって、このタイプの理想的なエンジンでは、効率は完璧で、すべての熱エネルギーが機械的エネルギーに変換されて利用されるが、このエンジンは、同じサイズの一般的なタイプのエンジンと同じだけの動力を発生させることはできない。エンジンの大きさは、このエンジンと通常のタイプのエンジンで同じような条件下では、「流体の効率」にほぼ反比例する。シリンダーから排出された熱は、もはや動力の生産に利用できないほど温度的に低下しているが、ボイラーに戻されると、より高い温度で炉から得られる熱という形で「利用可能なエネルギーの新しいストック」を積み上げるための基盤として完璧な効率で機能するのである。
この理論的には完璧なエンジンの実現を阻むものは、内部結露と再蒸発を減らすことを非常に難しくしているものと、このタイプのエンジンを例外的にかさばり、機械的に非効率なものにしている現実の条件である。
この種の熱機関が実用的な価値を持つかどうかは、抵抗するピストンに抗して膨張する蒸気の凝縮速度、高圧と大膨張が実際上どこまで可能か、仕事をせずに熱の内部伝達をどこまで減らせるか、機関速度の実用限度、機構としてみた機関の完成度によって決定される。これらの条件はすべて実験的に決定されなければならない。「未来の蒸気機関」が効率において今日の機関を大きく超えるかどうか、そしてこの新しく提案されたタイプが最終的に成功するかどうかは、これらの条件の決定によってのみ知ることができるのである。
すでに述べたような実践の変化は、ほとんど無限に続くと思われる。この蒸気機関の後者の改良が実際に行われ、一般に採用されるようになるかどうかについては、それほどはっきりと断言することはできない。少なくとも、そうなることを期待することはできる。
我々は、技師が解決するために 、最も重要な問題は二重の問題であり、その解決には科学者と機械学者の両方の助けが必要であることを見てきた。
しかし、技術者がこれらの自然の力を完全に制御するのに最適な機械の形式を決定する前に、どのような科学的原理を利用できるようにするか、また、自分が利用し、有用に応用しようとする力の生成に自然のどのような現象が作用しているかを理解できるような科学の知識を十分に持っていなければならないことは十分に明らかである。そうでなければ、彼は暗闇の中で手探りし、費用のかかる失敗の苦い経験によって、完璧に向かってゆっくりと前進することを学ぶだけであろう。
我々は、蒸気機関において現在までに行われた主要な改良の大部分は、ジェームズ・ワットの技術、経験、科学的才能の結集によるものであることを見てきた。彼の改良は、知的で真に科学的な研究を長い間続けてきたこと、そしてこの研究の結果に導かれ、この偉大な発明家の工学的才能と機械的知識が、一生の間に、それまで文明の歴史に含まれていた全期間で達成された以上の成果を上げたことを見てきた。
この偉大な例は、この問題自体の性質から推測されることを裏付けている。
機械技師という職業で最も成果をあげようとする者は、科学的な業績、特に実験的な知識、機械的な趣味と能力、工学的な経験によって磨かれた優れた判断力を、最もうまく組み合わせなければならない。
私たちの最も古い技術者の一人[2]は、「物理法則の知識を養わなければならない。それなしには、この職業における高名は決して確実に達成されない」と語っている。彼は、科学と芸術に精通するだけでなく、一方が他方を助けるように訓練しなければならない。彼は、自分の仕事を計画する際に科学の原理を利用する方法と、自分の仕事の全体像を決定したときに、最も徹底的、効率的、経済的に仕事を行う方法を学ばなければならないのである。また、標準的な設計がどこまで正しい科学的、機械的原則に従っているかを判断し、その欠陥とその原因を発見し、原則的に正しく、機械的に効率のよい救済策を提供できなければならない。科学と芸術は、常に手を携えて取り組まなければならない。
しかし、新世代の技術者たちは、この両分野の知識の熟練をどのようにして身につけるのだろうか。どのようにして精神的、肉体的に熟達させ、彼らに課せられた偉大な仕事に適合させるのだろうか。
どんな技術であれ、無知で器用貧乏な職人が、手だけでなく頭脳を持ち、それを使いこなし、頭脳を他のものに向かわせ、助ける方法を知っている職人にさえ太刀打ちできる時代は過ぎ去った。今日、私たちは、学校に精通し、同時に工房でくつろいでいる人が、決定的な有利な立場を占めていることを発見している。若者は、芸術のどの部門を目指すにしても、将来の成功を保証するために、以前は「学校か工房のどちらかで」という選択肢があったが、そうではなく、学校と工房で教えられなければならないのである。
そこで、技術・商業学校の必要性が生じる。技術・商業学校は、適切に運営されれば、知識を与えることによって、思考と学習の習慣を身につけさせ、論理的推論と情報の迅速な取得の能力を与えるだけでなく、同時に生徒が実践することになる技術の原理を熟知させ、作業場や工場で教えられることを迅速かつ十分に習得できるよう準備させるものでなければならない。
このような事実、この不可欠な必要性の認識が遅れたために、製造や有用な芸術の分野で他のどの国よりもはるかに進んでいた大国が、隣国と比較して、より知的な国民やすべての政治家に最大の不安を与えている立場に置かれているのである。以前ははるかに遅れていた他の国々が、国民に技術教育制度を早くから導入した結果、すでにリードしているとは言わないまでも、今や急速に追い抜かれているのを目の当たりにしているのである。
200年前、エドワード・サマセット、ウスター侯爵、発明家、その作品は私たちによく知られるようになったが、彼は同胞に、このような国民教育制度の必要性が高まっていることを説き、技術学校の設立を強く勧めたのである。このことは、蒸気機関の改良よりも高く評価されるべきことである。しかし、この制度は、1世紀前にヨーロッパ大陸で初めて明確な形をとった。この半世紀の間に、西ヨーロッパ諸国の成長とともに成長し、力とともに強化され、今日、国力の最も重要な要素になっている。
わが国では、この大きな必要性は長い間認識されていたが、わが国の政府の政策は、ヨーロッパ諸国で行われているような、国家の費用で教育制度を制定することを許さなかったため、かなりの程度、教育が行われないままであった。この点におけるわが国の悲しい欠陥と、教育者と立法者(真の政治家の資質を備えた者はほとんどいないと思われる)の遅滞と無警戒な行動のせいで、今日、わが国は若者の産業教育において大陸諸国に大きく後れを取っており、将来的には深刻な害悪に脅かされているのである。一般的で体系的な技術教育や貿易教育がなければ、地球上で最も進取の気性に富んだ人々が、世界の市場でより優れた人々と競争することになる。
脚注
[編集]- ↑ R. H. サーストン著 "On a New Type of Steam-Engine," etc., Journal of the Franklin Institute, October, November, December, 1877. "Proceedings of the American Association for the Advancement of Science", 1877.
- ↑ チャールズ・ハズウェル
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