コーリス蒸気機関
コーリス蒸気機関 - バルブギアはシリンダーブロックの右側、写真の左側にあります

コーリス蒸気機関（またはコーリスエンジン）は、ロータリーバルブと可変バルブタイミングを備えた蒸気機関で、1849年に特許を取得しました。ロードアイランド州プロビデンスの米国人技師、ジョージ・ヘンリー・コーリスによって発明され、その名にちなんで名付けられました。コーリスは、米国特許庁で1829年に特許を取得していたフレデリック・エルズワース・シケルズ（1819-1895）から、このオリジナルの発明を引き継ぎました。

コーリス弁装置を備えた機関は、20世紀にユニフロー蒸気機関と蒸気タービンが改良されるまで、あらゆる固定式蒸気機関の中で最も高い熱効率を誇っていました。コーリス機関は、固定遮断弁を備えた従来の蒸気機関に比べて、一般的に約30%も燃料効率が優れていました。 [ 1 ]この効率向上により、蒸気動力は水力よりも経済的になり、製粉池から離れた場所での産業発展が可能になりました。[ 2 ]

コーリスエンジンは、工場や製粉所のラインシャフトに機械動力を供給したり、発電機を駆動して発電したりするための定置エンジンとして一般的に使用されていました。多くのエンジンは非常に大型で、高さは数メートルにも達し、低速ながらも数百馬力を発揮し、数トンの巨大なフライホイールを毎分約100回転で回転させていました。これらのエンジンの中には、機械のレガシーシステムとして珍しい役割を担っているものもあり、比較的高い効率と低いメンテナンス要件のため、21世紀初頭まで稼働し続けているものもあります。例えば、稼働中のエンジン一覧にある フック・ノートン醸造所とディロン蒸留所のエンジンをご覧ください。

コーリスエンジンのメカニズム

コーリスエンジンは、シリンダーごとに4つのバルブを備え、両端に蒸気バルブと排気バルブが配置されています。コーリスエンジンは、バルブ自体と、バルブを操作する連結機構であるバルブギアの両方に独自の改良が施されています。

蒸気の吸排気に別々のバルブを使用することで、動力サイクルと排気サイクルの間、バルブ自体もシリンダーとバルブ間の蒸気通路も温度変化の必要がなくなり、吸排気バルブの開閉タイミングを独立して制御できます。一方、従来の蒸気エンジンでは、スライドバルブまたはピストンバルブが備えられており、シリンダーの両端に交互に蒸気を供給・排出します。これらの通路はエンジン運転中に大きな温度変化にさらされ、バルブ機構内には大きな温度勾配が生じます。

クラーク（1891）は、コーリス歯車装置について「本質的には、シリンダーとバルブ装置に作用する、以前から知られ、別々に使用されていた要素の組み合わせである」と述べている。[ 3 ]コーリス歯車装置とそれ以前の蒸気バルブ装置の起源は、イングリス（1868）によって明らかにされている。[ 4 ]

コーリスバルブギア

「ゴードンの改良型コーリスバルブギア」、詳細図。リストプレートは中央のプレートで、そこから4つのバルブそれぞれにロッドが放射状に伸びている。

ジョージ・コーリスは1849年3月10日にバルブ装置で米国特許6,162号を取得した。この特許は、リストプレートを使用して単一の偏心装置からエンジンの4つのバルブにバルブの動きを伝えることと、コーリスエンジンの特徴である調速機制御による可変カットオフのトリップバルブの使用を含んでいた。[ 5 ]後のエンジンのほとんどが水平であったのとは異なり、この特許は垂直シリンダービームエンジンについて説明しており、シリンダーの両端で吸気と排気に個別のスライドバルブを使用していた。

吸気バルブは偏心駆動の爪によって開かれます。爪が作動すると、ダッシュポットによって急速な閉止が抑制されます。多くのエンジンでは、このダッシュポットが真空バネとして機能し、バルブを閉じますが、コーリスの初期のエンジンは速度が遅かったため、ダッシュポットのピストンとロッドの重さによってバルブが閉じられました。

コーリスエンジンの速度は、スロットルを常に全開にしたまま、各パワーストロークにおける蒸気の遮断量を変化させることで制御されます。これを実現するために、遠心調速機は各吸気バルブに1つずつ、計2つのカムに接続されています。これらのカムは、ピストンストローク中のどの時点で爪が解放され、バルブが閉じるかを決定します。

カットオフを調節できるすべての蒸気機関と同様に、カットオフを調節することの利点は、吸気弁が閉じた後のシリンダー内の蒸気の膨張によって、パワーストロークの大部分が駆動される点にあります。これは、パワーストローク全体にわたって吸気弁が開き、速度がスロットルバルブによって調節される機関よりも、理想的なカルノーサイクルにはるかに近づきます。

コーリスバルブギアは、より均一な速度と負荷変化への応答性を向上させ、圧延工場や紡糸工場などの用途に適しており、製造業での使用が大幅に拡大しました。[ 6 ] [ 7 ]

コーリスバルブ

回転バルブを示す断面シリンダー
コーリス型バルブギアとシリンダー断面の詳細。高圧蒸気（赤）と低圧蒸気（青）の経路を示しています。1ストロークごとに4つのバルブが交互に開閉し、ピストンを前後に駆動します。

コーリスバルブはシリンダーに直接開きます。バルブはシリンダーを蒸気プレナムと排気プレナムに分け、接続します。当初、コーリスはリニアアクチュエータ付きのスライドバルブを使用していましたが、1851年までにセミロータリーバルブアクチュエータに移行し、米国特許8253に記載されています。[ 8 ] このエンジンでは、後のコーリスエンジンと同様に、リストプレートがシリンダー側面の中央に移動されました。しかし、これは依然としてビームエンジンであり、セミロータリーバルブアクチュエータはエンジンの4つのバルブチェスト内のリニアスライドバルブを操作しました。

コーリスバルブは、円筒形のバルブフェイス内で回転する小さな円弧状の形状をしています。作動機構はバルブの軸方向にオフセットされているため、ポペットバルブのステムのような「デッドスペース」がほとんどなく、ポート領域全体をガスの流れに効率的に使用できます。

コーリスバルブの面積はポート面積に比べて小さいため、ガス流の影響によるバルブ軸へのトルクは、他の種類のバルブと比較して比較的小さくなります。これらの利点により、コーリスバルブは、コーリスギアを備えた蒸気機関以外にも、様々な用途で使用されています。

ロールス・ロイス・マーリン航空エンジンは、スロットルとして長方形のバタフライバルブを採用していました。このバタフライバルブに作用するガス流の力は非対称であり、状況によっては出力制御が不十分になることがありました。134型以降の後期型では、この問題を回避するためにコーリススロットルバルブが採用されました。[ 9 ]

禁止と禁止エンジン

大型のコーリスエンジンに共通する特徴は、フライホイールの縁に1組または2組の狭い歯があることです。[ 10 ]これらの歯により、フライホイールをバールで回すことができます。[ 11 ]これは、エンジンのメンテナンス中、たとえばカットオフバルブと吸気バルブ のタイミングを設定するときに必要になることがあります。また、エンジンの始動時にも必要になることがあります。

始動時のエンジンのロックの必要性は、単気筒エンジンにおいて最も顕著です。不注意なエンジンオペレーターは、ピストンが死点付近、あるいは死点付近にある状態でエンジンを停止させてしまう可能性があります。この状態でエンジンが停止すると、エンジンは自力で始動できなくなるため、始動に適した位置にロックする必要があります。

大型のコーリスエンジンは冷間状態では安全に始動できないため、シリンダーの両側に低圧蒸気を送り込み、金属部分を温めるのが一般的です。この過程でエンジンをゆっくり回すことで、エンジン全体が均一に暖まり、動力を加える前にオイルが機構全体に均一に行き渡ることが保証されます。[ 12 ]これもバーリングによって行われる場合もありますが、オペレーターがバルブを慎重に手動で操作して行う場合もあります。[ 13 ]

大型エンジンでは、筋力によるバーリングは非常に困難であるため、バーリングエンジンが頻繁に搭載されています。[ 14 ] バーリングエンジンとは、フライホイールの歯と噛み合うように歯が切られた小型エンジンです。一般的に、バーリングエンジンの駆動ギアは、バーリングギアが噛み合った状態でエンジンが自力で始動すると、自動的に噛み合うように設計されています。

会社沿革

コーリス蒸気機関会社は、1830年代にはフェアバンクス・クラーク社として知られていました。1843年、エドワード・バンクロフトが入社した際にフェアバンクス・バンクロフト社に改名されました。1846年にはジョージ・H・コーリスが入社した際にバンクロフト・ナイチンゲール社に改名され、1847年にはコーリス・ナイチンゲール社に改名されました。1848年、会社はロードアイランド州プロビデンスのチャールズ・ストリート鉄道踏切に移転しました。

コーリスの競合他社が開発したエンジンに典型的なバルブギア。ダッシュポットの水平配置とリストプレートの欠如により、コーリスの特許における重要なクレームを回避できた。

1857年、会社はコーリス蒸気機関会社に改名され、これが最後の変更となりました。1864年までにコーリスは共同経営者らの株式を買収し、会社の単独所有者となりました。

1859年までに、現在コーリス機関として知られる主要な特徴はすべて完成していました。コーリスらに与えられた特許には、シリンダーと直列に配置されたロータリーバルブとクランクシャフトが組み込まれていました。例えば、1859年7月5日に付与されたコーリスの米国特許24,618号をご覧ください。[ 15 ]競合する発明家たちは、コーリスの機構に代わる発明を熱心に研究しました。彼らは一般的にコーリスのリストプレートの使用を避け、蒸気バルブに代替の解放機構を採用しました。例えば、1858年3月16日に付与されたジェイミソンの米国特許19,640号が挙げられます。[ 16 ]

コーリスの1849年の特許は1870年に失効したが、この特許の有効期間は1851年5月13日の米国特許再発行200号、1859年7月12日の米国特許再発行758号および763号によって延長されていた。B.ヒック・アンド・サン社は1864年頃、英国で初めてコーリスエンジンを導入した。1870年以降、数多くの企業がコーリスエンジンの製造を開始した。その中には、ウィリアム・A・ハリス蒸気機関会社[ 17 ] 、ワージントン・ポンプ・アンド・マシナリー会社[ 18 ]、アリス・チャーマーズ[ 19 ]などがある。一般に、これらの機械は製造元に関わらずコーリスエンジンと呼ばれていた。

1895年に同社は80万ドルの負債を抱えて閉鎖され、1900年に実業家ジョセフ・H・ホードリーが経営するインターナショナル・パワー・カンパニーに売却された。[ 20 ] 1905年にホードリーの別の会社であるアメリカン・アンド・ブリティッシュ・マニュファクチャリング・コーポレーションに移管された。

1925年、同社はフランクリン・マシン・カンパニーと合併しました。当時、フランクリン・マシン・カンパニーは既にウィリアム・A・ハリス・スチーム・エンジン・カンパニーの所有でした。

2024年現在、オリジナルのスライドバルブ機構を備えた機関車が約6台現存しており、その中にはマサチューセッツ州デダムのマザーブルック沿いのサウスストーンミルドライブ7番地にあるものも含まれています。[ 21 ]

センテニアルエンジン

コーリス・センテニアル・エンジンは、1876年にフィラデルフィアで開催されたアメリカ合衆国建国100周年記念博覧会において、全長1マイル（約1.6キロメートル）を超えるシャフトを通して、ほぼすべての展示品に動力を供給した、特別に設計されたオールインクルーシブの回転ビームエンジンでした。ユリシーズ・S・グラント大統領とブラジル皇帝ペドロ2世によって点火されたこのエンジンは、博覧会期間中、一般公開されました。

このエンジンは2つのシリンダーを並列に配置した構造で、各シリンダーの内径は44インチ（112cm）、ストロークは10フィート（3.0m）でした。センテニアル・エンジンは高さ45フィート（14m）、フライホイールの直径は30フィート（9.1m）、出力は1,400馬力（1,000kW）でした。博覧会後、エンジンは分解され、プロビデンスのコーリス工場に送り返されました。7年後、売却され、ジョージ・プルマン所有のシカゴ工場で1910年まで動力源として使用されましたが、[ 22 ]スクラップとして売却されました。[ 23 ]

このエンジンは文化的な象徴となり、多くの現代の歴史家にとって、コーリスエンジン（またはコーリス蒸気エンジン）という用語は、コーリスバルブギアを装備した幅広いエンジンのクラスではなく、この特定のエンジンを指します。[ 24 ]

センテニアル蒸気機関

運用エンジン一覧

英国イングランド、ロンドンの科学博物館で稼働中の、1903 年バーンリー製鉄所のコーリス製鉄所エンジン。
位置製造日設置日馬力回転数引用
アルバートシティ・スレッシャーマン＆コレクターショー1920年頃 未知125 120 [ 25 ]
アマドール製材所1904200760100[ 26 ]
アンティークガス＆蒸気機関博物館19111978未知80[ 27 ]
アンティークガス＆蒸気機関博物館19001986未知未知[ 28 ]
リールのアール・エ・メティエ工科学校1900 1900 75 60
バンクロフトシェッド1920192060068
ボルトン蒸気博物館1902199218075[ 29 ]
ボルトン蒸気博物館19141995250未知[ 30 ]
ブラッチポンプ場1894年または1895年1895年か1896年未知24[ 31 ]
コールドハーバー・ミル1910未知300未知[ 32 ]
コネチカットアンティーク機械協会19102008100未知[ 33 ]
デントンファームパーク1905未知350未知[ 34 ]
ディロン蒸留所1922未知未知未知[ 35 ]
エレンロード・リング・ミル1892未知265059[ 36 ]
グラッドストーン陶器博物館未知1925未知未知
グレン・ビーディ農業産業博物館19231992100100[ 37 ]
グランドラピッズ公共博物館1905未知未知未知[ 38 ]
グレンウッド リソース センター 1907 1907年12月19日 未知120
ヘストン蒸気博物館未知未知未知未知[ 39 ]
フック・ノートン醸造所未知189925未知[ 40 ]
マーカム・グランジ蒸気博物館1909199870080[ 41 ]
ミル・ミース・ポンプ場未知未知未知未知[ 42 ]
ミシシッピ産業遺産博物館19052008未知未知[ 43 ]
Museo de la Caña de Azucar - アシエンダ ピエデチンチェ未知1950未知未知[ 44 ]
国立産業史博物館1913 2015 400 42 [53]
ニューイングランド無線蒸気博物館1892197815080[ 45 ]
ニューイングランド無線蒸気博物館1892197715080[ 46 ]
ニューイングランド無線蒸気博物館1911196915080[ 47 ]
ニタニーアンティーク機械協会1900年頃1981年頃150約100～120
オールド・スレッシャーズ・リユニオン・ヘリテージ・ミュージアム未知未知75036[ 48 ]
オールド・スレッシャーズ・リユニオン・ヘリテージ・ミュージアム1920未知600150[ 48 ]
オールド・スレッシャーズ・リユニオン・ヘリテージ・ミュージアム1903未知125110[ 48 ]
オールド・スレッシャーズ・リユニオン・ヘリテージ・ミュージアム未知未知未知未知[ 48 ]
オールド・スレッシャーズ・リユニオン・ヘリテージ・ミュージアム未知未知未知未知[ 48 ]
アウルズヘッド交通博物館1895年頃未知600未知[ 49 ]
ポーニー郡フェアグラウンド1912未知未知150[ 50 ] [ 51 ]
クイーンストリートミル1895189550068
サラヤ製糖工場未知1925未知未知[ 52 ]
ロンドン科学博物館：バーンリー製鉄所のエンジン1903190370076
イリノイ州フリーポートのスティーブンソン郡アンティークエンジンクラブ19141989150045[ 53 ]
ヘンリー・フォード1859未知50070[ 54 ]
蒸気博物館1900198610090[ 55 ]
東光丸蒸気館1916197633560[ 56 ]
トレンチャーフィールドミル19071907250068
西部鉱業博物館1895未知500100[ 57 ]

著名人

参照

参考文献

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  13. ^ニューイングランド無線蒸気博物館のこの写真ではバルブの操作が紹介されている
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  • 1907 年 4 月の『Popular Mechanics Monthly Magazine』の 416 ページ右下では、ボイラー圧力を上げたり、速度を上げたり、蒸気バルブのラップ数を減らしたりすることで、コーリス エンジンの作業量を増やすことができると解説されています。
ウィキメディア・コモンズには、コーリス蒸気機関に関連するメディアがあります。
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