蒸気機関

蒸気機関 （じょうききかん）は、蒸気の圧力を機械的エネルギーに変換する原動機の一種。熱機関・外燃機関の一種であり、ボイラなど機関外部で発生させた蒸気を用いる。

蒸気機関には、蒸気をシリンダに導き、ピストンを動かして往復運動をさせるレシプロ機関型のものと、蒸気で羽根車をまわすタービン型のものとが存在する。本稿では主としてレシプロ機関型のものを説明する。タービン型のものについては蒸気タービンを参照のこと。

歴史

古代アレクサンドリアの工学者・数学者であったヘロン（10年頃 - 70年頃）が考案したさまざまな仕掛けの中に、「ヘロンの蒸気機関」と呼ばれるものが存在する。これは、蒸気を円周で回転力を得るものである。これが記録に残っているものとしては人類史上に蒸気機関が登場した最初のものであるとされる。なお、これは蒸気タービンの概念に含まれるものであり、レシプロ式のものではなかった。

ドニ・パパンの真空エンジン

フランス生まれでのちに宗教的理由からイギリスに亡命した物理学者であるドニ・パパン(Denis Papin 1647年-1712年頃)は、1695年に、蒸気を使った最初のエンジンを試作した。これは、それまで蒸気圧を動力として使うことが主に考えられていたが（そして技術的な理由で頓挫していたが）、発想を転換し蒸気が液化することによって気圧が減少するという現象を利用することにしたものであった。これは、実験には成功したものの実用化はなされず、ドニ・パパンは貧窮のうちに死亡したと伝えられている。

セイヴァリの熱機関

イギリスの陸軍大尉で発明家のトーマス・セイヴァリ(Thomas Savery、1650年頃-1715年)は、1698年に「鉱夫の友(セイヴァリ機関)」を開発し、国王の前での実験に成功し、特許を取得した。これは、ドニ・パパンの真空エンジンと同様の原理によるものだが、ドニ・パパンの影響があったかどうかは定かではない。また、このシステムは負圧によって直接に揚水するもので、ピストンやシリンダなどは持たなかった。セイヴァリの特許は「火力によって揚水する装置」という実に広範かつアバウトなものであったため、後続のニューコメンらはこの特許に対しての支払いを余儀なくされたと伝えられている。

ニューコメンの蒸気機関

イギリスの発明家・企業家であるトーマス・ニューコメン（Thomas Newcomen 、1664年2月24日-1729年8月5日)は、1712年に、鉱山の排水用として蒸気機関を製作した。

この蒸気機関は、パパンやセイヴァリの蒸気機関をさらに発展させたものであった。蒸気に冷水を吹き込んで冷やし、蒸気が水に戻るときに生じる負圧（真空減圧）でピストンを吸引する方式である。依然、蒸気圧を積極的に使うアイデアは多数あったのだが、まだ圧力に耐えうる蒸気釜が作れなかったためにことごとく破裂や蒸気漏れで失敗し、唯一この真空減圧方式が商用化することができた。発明の動機はニューコメンが住んでいた村の鉱山のわき水を汲み出す、自動の「つるべ井戸」であったために往復運動を回転運動に変えていない。運転速度は、毎分12サイクル程度であったという。ニューコメンはこれで商売的に大成功した。なお冷水で冷やすときシリンダーも冷えるので燃料効率は低く、掘り出した石炭のうち実に1/3程度がこの揚水ポンプのために消費され，熱効率は1％にも達しない程度であった．

動作

錘Kの重さでピストンDが上がり、ボイラーAの蒸気がシリンダーBの中に入る。
ピストンDが上死点になったところで栓Cが閉じられる。
タンクLから管Pを通ってシリンダーB内に冷水が導かれ、シリンダーB内の蒸気が水に戻される。この水は管Rを通ってSに溜められる。
3.によりシリンダー内部の圧力が下がり、大気圧によってピストンDが下げられる。（負圧の発生）
4.のシリンダーDが下がる時の力により、反対側にある錘KとピストンMを引き上げる（負圧の利用）。ピストンMによって汲み上げられた水の一部はNを通ってタンクLに溜められ、3.の行程に使われる。
ピストンが下死点になったところで再び1.に戻り、このサイクルを繰り返す。

参考
- 細川武志『蒸気機関車メカニズム図鑑』グランプリ出版　10頁

ワットの蒸気機関と普及

スコットランドの数学者・エンジニアであるジェームズ・ワット（James Watt, 1736年1月19日 - 1819年8月19日）は、1769年に新方式の蒸気機関を開発した。これはニューコメンの蒸気機関の効率の悪さに目をつけて改良したもので、復水器で蒸気を冷やす事でシリンダーが高温に保たれることとなり効率が増した。さらに負圧だけでなく正圧の利用、往復運動から回転運動への変換、フィードバックとしての調速機の利用による動作の安定などの改良をしている。用途の広がったワットの蒸気機関は、産業革命・工業化社会の原動力になるとともに、燃料である石炭を時代の主役に押し上げた。

蒸気機関の誕生以前の炭鉱では馬が動力として利用されていたが、飼葉代が高騰した際に、炭鉱経営者が馬に代わる動力として安価に入手出来る石炭を利用できる蒸気機関に着目したことが蒸気機関の普及を促進させたとも言われている。

蒸気機関には爆発事故が多く起きたということがあり、ワットはある程度以上の高圧の使用に反対した。蒸気圧を大きく高めて使う時代がきたのはワットの特許が切れてからである。

レシプロ式蒸気機関の落日と蒸気タービンへの移行

しかしその後、19世紀から20世紀にはいる頃から、電気動力・内燃機関動力が発達をしはじめた。蒸気機関は、ボイラー,復水器などの付帯設備が大きいこと、（それらの新動力と比べると）エネルギー効率が悪く対重量比出力が低いこと、起動・停止に手間がかかることなどが災いして、地位の低下を余儀なくされた。

大型化にシビアな制限のある小型の移動機関、特に自動車については早期に内燃機関に移行した。自動車ほど小型軽量化にシビアではない機関車は、20世紀中盤まで蒸気機関車が主役の座にあり続けたが、それもその後減少し、21世紀になる頃には世界的に見てもごくわずかなところに残るにすぎなくなっていた。

なお、大きさや起動・停止の手間などが問題にならない大型のシステムについては、レシプロ蒸気機関から蒸気タービンへの移行も発生した。発電用としては、大規模な発電プラントではおもに蒸気タービンが用いられ、規模の小さいプラントや移動用施設ではディーゼルエンジンやガスタービンが使用されるという形で特性に応じた住み分けが生じている。船舶では、レシプロ蒸気機関は蒸気タービンに対して負荷変動への適応性の高さと保守の容易さが、内燃機関に対しては燃料の多種性（石炭を使用でき、石油系資源に依存しない）が優位性を持ち、20世紀中盤までは共存状態が続いたが、石油供給の拡大と内燃機関の改良普及、負荷変動の多い用途でのディーゼル・エレクトリック推進の普及等により現在ではほとんど用いられていない。

蒸気タービンは、発電施設用の原動機をはじめとして、現在も多用されている。特に、外燃機関特有の熱源の多様性を活かして原子力発電やRDF、ごみ焼却場の廃熱を利用して発電に用いられている。

機構

蒸気機関の分類

単動式蒸気機関

単動式蒸気機関とはピストンの下がる時、或いは上がる時のみに蒸気が供給され力を出す蒸気機関である。単式蒸気機関とは異なる。

複動式蒸気機関

複動式蒸気機関とはピストンが下がる時だけでなく上がる時にも反対側から蒸気が供給される事により出力する。単動式よりも同じシリンダ径の場合力が強いが蒸気の消費量は倍増する。複式蒸気機関とは異なる。

単式蒸気機関

一度使用した蒸気は再利用せずに放出される。単動式蒸気機関とは異なる

複式蒸気機関

一度利用した蒸気を低圧シリンダで再度膨張させる事によって利用する。低圧シリンダの方が直径が大きい。三段膨張機関、四段膨張機関もあった。膨張段数を増やす事によって単式機関よりもエネルギー効率が高まった。複動式蒸気機関とは異なる。

「複式機関」を参照

ユニフロー式蒸気機関

吸気口が上死点側にあり蒸気の流入のみを受け持つ。下死点側に排気口があり排気のみを受け持つ。蒸気は常に吸気口から排気口へ一方方向へ流れるのでこの名称で呼ばれる。

定置式蒸気機関

定置式蒸気機関は主に揚水や工場の動力等に使用された。揚水用の蒸気機関はクランクがなく往復運動を利用してポンプで水をくみ上げる。

可搬式蒸気機関

移動して運転する事が出来る蒸気機関で農業などで使用された。搭載される動力で自走できる機能を持つものもあった。

リード

蒸気機関におけるリードとは死点に達する直前に吸気口が開き蒸気が流入する事である。リードが大きいと始動が困難になる。一般的に運転中は変えられない。

ラップ

蒸気機関におけるラップとは流入する蒸気を下死点に達するよりも早く締め切る事である。ラップが大きい方が蒸気の利用効率は高まるが始動は困難になる。一般的に運転中は変えられない。

カットオフ

蒸気機関におけるカットオフとは蒸気が流入して回転力が最大に達した時点で吸気弁を締め切る事である。回転速度に応じてカットオフは変えることが可能である。

蒸気機関の応用

18世紀初頭以来、蒸気機関は動力源としてさまざまな分野で使われた。最初は蒸気ポンプなど簡単なものが多かったが、19世紀に入ると蒸気船、蒸気機関車など大規模な輸送機械として人類の生活に無くてはならないものとなった。

なお、蒸気船・蒸気機関車に関しては、レシプロ式蒸気機関のものだけではなく、蒸気タービンを用いたものも存在する。