綿繰り機

コネチカット州ハムデンのイーライ・ホイットニー博物館に展示されている 19 世紀の綿繰り機の模型

綿繰り機（コットンジン）とは、「綿のエンジン」[ 1 ] [ 2 ]を意味し、綿花を種子から素早く簡単に分離する機械で、手作業による綿花分離よりもはるかに高い生産性を実現します。 [ 3 ]分離された種子は、綿花の栽培や綿実油の生産に使用できます。手持ち式のローラージンは、インド亜大陸では500年頃から使用され、その後他の地域でも使用されるようになりました。 [ 4 ]インドのウォームギア式ローラージンは16世紀頃に発明され、 [ 5 ]ラクウェテによれば、現在までほとんど変わっていません。現代の機械式綿繰り機は、アメリカの発明家イーライ・ホイットニーによって1793年に開発され、1794年に特許を取得しました。

ホイットニーの綿繰り機は、金網と小さな金網フックを組み合わせて綿花を引っ張り出し、ブラシで綿花の糸くずを絶えず取り除いて詰まりを防いでいた。綿繰り機は綿花栽培の収益性を高め[ 6 ] 、効率化することでアメリカの綿花産業に革命をもたらしたが、収穫を奴隷に依存していたため、南部における奴隷制の拡大を招いた。そのため、この発明は南北戦争勃発の意図せぬ一因となったとされている[ 7 ]。現代の自動綿繰り機は、複数の電動洗浄シリンダーと鋸を使用し、手動式の前身機よりもはるかに高い生産性を実現している[ 8 ] 。

目的

綿花のボール。1つのボールには数十個の種子が含まれています。[ 9 ]

綿繊維は綿花の種子鞘（「ボール」）の中で生産されます。ボールの中の繊維（「リント」）は種子としっかりと絡み合っています。繊維を使えるようにするには、まず種子と繊維を分離する必要がありますが、この作業は以前は手作業で行われ、綿花の生産には分離に何時間もの労働が必要でした。多くの簡素な種子除去装置が発明されましたが、綿繰り機の発明までは、ほとんどが作業員の多大な注意を必要とし、小規模でしか稼働していませんでした。[ 10 ]

機構

ホイットニーの綿繰り機は2つの回転シリンダーで作られています。最初のシリンダーには円周に沿って歯が並んでおり、このシリンダーに対して斜めに、歯が最小限の隙間で収まる小さな穴（「綿繰りリブ」）が開いた金属板が取り付けられています。この歯は、機械が回転すると綿繊維を掴み、これらの小さな穴に引き込みます。綿花は穴を通れないほど大きいため、金属板によって回転する綿花から取り除かれ、集塵ポットに落ちます。最初のシリンダーの反対側には、ブラシが取り付けられた2つ目のシリンダーがあり、これも回転します。この2つ目のシリンダーは、最初のシリンダーから綿花を拭き取り、集塵バケットに集めます。

種子は植え付けに再利用されるか、搾油工場に送られて綿実油と綿実粕に加工されます。リントクリーナーは再び鋸とグリッドバーを用いて、未熟な種子と残留異物を繊維から分離します。その後、ベールプレスで綿花は圧縮され、保管・出荷用のベールに詰められます。現代の綿繰り機は、1時間あたり最大15トン（33,000ポンド）の綿花を処理できます。

歴史

1815年から1820年頃、綿花を繰り綿するインド人女性

インドでは5世紀までに単ローラー式の綿繰り機が使用されるようになりました。インドで発明された改良型は、2ローラー式の綿繰り機で、「チュルカ」、「チャルキ」、あるいは「木製のワームローラー」として知られています。[ 11 ]

初期の綿繰り機

最も初期の綿繰り機は、鉄製または木製のローラー1本と、平らな石または木片で構成されていました。綿繰り機の最古の証拠は5世紀に、インド西部のアジャンタ石窟群で単ローラーの綿繰り機を描いた仏教絵画の形で発見されています。[ 4 ]これらの初期の綿繰り機は使いにくく、高度な技術を必要としました。綿花の種子を潰さずに押し出すには、細い単ローラーが必要でした。そのデザインは、穀物を挽くのに使われた挽石に似ていました。綿繰り機の初期の歴史は曖昧で、考古学者は綿繰り機の部品を他の道具と間違えた可能性が高いです。[ 4 ]

中世および近世インド

アッサム産のウォームギア式綿繰り機の一種、ニューソニ。

12世紀から14世紀にかけて、インドと中国で二本ローラー式ジンが登場しました。インド版の二本ローラー式ジンは、16世紀までに地中海綿花貿易の全域で普及しました。この機械装置は、一部の地域では水力で駆動されていました。[ 12 ]

ウォームギアローラージンは、 13世紀から14世紀初期のデリー・スルタン朝時代にインド亜大陸で発明され、 16世紀頃にムガル帝国で使用されるようになり、 [ 13 ]、現在でもインド亜大陸で使用されています。[ 4 ]綿繰り機にクランクハンドルを組み込んだというもう一つの革新は、デリー・スルタン朝後期またはムガル帝国初期に初めて登場しました。[ 14 ]ローラー綿繰り機にウォームギアとクランクハンドルが組み込まれたことで、ムガル帝国時代にインドの綿織物生産が大幅に拡大しました。[ 15 ]

インド製の綿繰り機（半分は機械、半分は道具）を使えば、男性1人と女性1人で1日28ポンドの綿花を精錬できると報告されています。フォーブス誌が改良した綿繰り機を使えば、男性1人と少年1人で1日250ポンドの綿花を生産できます。もしこの機械16台に牛を動力として使い、数人の人々の労働力で餌を与えれば、かつて750人が行っていたのと同じ量の仕事をこなせるでしょう。[ 16 ]

アメリカ合衆国

「最初の綿繰り機」、ハーパーズ・マガジン誌の1869年の版画。この彫刻は、イーライ・ホイットニーの発明に先立って、アフリカ人奴隷が使用していたローラー式綿繰り機を描いている。[ 17 ]

チュルカまたはチャルカとして知られるインド式ローラー綿繰り機は、18世紀半ばにアメリカ合衆国南部で導入された。この装置は長繊維綿の洗浄に用いられたが、ジョージア州などの一部の州で一般的だった短繊維綿には適していなかった。1772年にヒューゴ・クレブス、1788年にジョセフ・イヴによってインド式ローラー綿繰り機にいくつかの改良が加えられたが、1793年にイーライ・ホイットニーが短繊維綿繰り機を開発するまで、その用途は長繊維綿に限られていた。[ 18 ]

イーライ・ホイットニーの特許

イーライ・ホイットニーの綿繰り機の特許（1794年3月14日）

イーライ・ホイットニー（1765–1825）は1793年10月28日に綿繰り機の特許を申請した。特許は1794年3月14日に付与されたが、1807年まで有効とされなかった。ホイットニーの特許には特許番号72Xが付与された。 [ 19 ]現代の綿繰り機とその構成要素のアイデアがイーライ・ホイットニーに帰属するかどうかについては、若干の議論がある。1883年に出版されたパンフレット「女性発明家」には、キャサリン・リトルフィールド・グリーンがホイットニーに、種子と綿花を分離するためのブラシのような部品の使用を提案したと記されている。[ 20 ] [ 21 ]

ホイットニーの綿繰り機の模型は、1日に50ポンド（23kg）の糸くずを除去できた。模型は、綿花の繊維を捕らえる細いワイヤーの列で覆われた木製の円筒から成っていた。ワイヤーの各列は櫛状の格子のバーの間を通り抜け、綿繊維を格子に引き寄せる。[ 22 ]格子の櫛状の歯は間隔が狭く、綿花の種子、乾燥した硬くなった萼片、繊維に付着した棒やその他のゴミが通り抜けるのを防いだ。2つ目の回転円筒に取り付けられた一連のブラシが、洗浄された繊維をワイヤーから払い落とし、機構の詰まりを防いだ。

同時代の多くの発明家が短繊維綿を加工する設計の開発を試み、ホッジス・ホームズ、ロバート・ワトキンス、ウィリアム・ロングストリート、ジョン・マレーは1796年までに綿繰り機の改良に関する特許を取得していた。[ 23 ]特許裁判所は数年にわたる法廷闘争の末、最終的にホッジス・ホームズの鋸繰り機の特許を無効にし、ホイットニーを発明者と宣言する決定を下した。ホイットニーは無許可で複製を作成した農園主に対して特許を執行しようと法廷で何年も費やしたが、特許法の改正により最終的に彼の主張は法的に執行可能となった。特許期限までの残り1年間で彼がこの装置から大金を稼ぐには遅すぎた。[ 24 ]

マッカーシーのジン

ホイットニーのジンは短繊維綿花から種子を取り除くのを容易にしましたが、超長繊維綿花（Gossypium barbadense）の繊維を損傷しました。1840年、フォーネス・マッカーシーはローラージン「スムース・シリンダー・コットンジン」の特許を取得しました。マッカーシーのジンは短繊維綿花と超長繊維綿花の両方に使用できるように販売されましたが、特に長繊維綿花の加工に効果的でした。マッカーシーの特許が1861年に失効した後、マッカーシー型のジンはイギリスで製造され、世界中で販売されました。[ 25 ]マッカーシーのジンは、フロリダ、ジョージア、サウスカロライナで栽培されたシーアイランド種の超長繊維綿花の洗浄に採用されました。このジンは従来のジンよりも数倍速く綿花を洗浄し、馬1頭で駆動すると、1日に150～200ポンドのリントを生産しました。[ 26 ]マッカーシー・ジンは、往復刃を用いて種を糸から剥がすという方法で綿繰り機を製造した。往復運動によって生じる振動により、ジンの稼働速度が制限された。20世紀半ばには、往復刃の代わりに回転刃を用いたジンが普及した。現在、アメリカ合衆国ではマッカーシー・ジンの後継機のみが超長繊維綿の生産に使用されている。[ 27 ]

マンガーシステムジン

テキサス州バートンにあるディーゼル動力のジン工場は、現在も稼働しているアメリカ最古のジン工場の一つです。

1865年の南北戦争終結後15年間、アメリカ合衆国では綿繰りに数多くの革新的な技術が広く使われるようになった。動物の力に代わる蒸気動力、綿繰り機の円滑な稼働を保証する自動供給装置、綿繰り機から出てくるきれいな綿花の取り扱いを容易にする凝縮器、綿花を梱包するために綿繰り場を横切って運ぶ必要がなくなる屋内プレスなどである。[ 28 ]その後、1879年、テキサス州ルータスビルで父親の綿繰り機を経営していたロバート・S・マンガーは、さらなるシステム綿繰り技術を発明した。ロバートと妻のメアリー・コレットは後にテキサス州メキシアに移り、システム綿繰り機を建設し、関連する特許を取得した。[ 29 ]

マンガー・システム・ジンニング・アウトフィット（またはシステムジン）は、綿繰り作業の全機械を統合し、綿花が機械内をスムーズに流れるようにしました。このようなシステムジンは、綿花を機械から機械へと空気で移動させます。[ 30 ]マンガーが発明の動機の一つは、綿繰り機における従業員の労働環境の改善でした。しかし、ほとんどの綿繰り機所有者にとってのセールスポイントは、より迅速かつ高品質な綿花を生産しながら、それに伴うコスト削減でした。[ 31 ]

1960年代までに、綿繰り機械には多くの進歩がありましたが、綿花が綿繰り機械を通過する方法は、マンガー方式のままでした。[ 32 ]

経済史家ウィリアム・H・フィリップスは、綿繰りシステムの開発を綿繰りにおける「マンガー革命」と呼んだ。[ 33 ]彼は次のように書いている。

マンガーの革新は、地理学者チャールズ・S・エイケンが「第二次綿繰り革命」と呼んだものの集大成であり、私有プランテーションの綿繰り機が大規模な公営綿繰り工場に取って代わられた。この革命は綿繰り産業の大規模な再編を招き、19世紀の小規模で散在していた綿繰り工場や店は、20世紀に入り、綿繰り事業全体を設計・建設する大規模企業へとその地位を譲り渡した。[ 34 ]

現存する数少ない（そしておそらく唯一の）マンガー ジンのうちの 1 つが、ルイジアナ州のフロッグモア プランテーションに展示されています。

米国における影響

ジャレル農園の綿繰り機

機械式綿繰り機が導入される前は、綿花を種子から洗浄・分離するのに相当の労力が必要でした。[ 35 ]イーライ・ホイットニーの綿繰り機の登場により、綿花は非常に利益の出る産業となり、南北戦争以前の南部で多くの富を築きました。ルイジアナ州ニューオーリンズ、アラバマ州モービル、サウスカロライナ州チャールストン、テキサス州ガルベストンなどの都市は主要な積出港となり、南部全域で栽培された綿花から大きな経済的利益を得ました。さらに、綿花の供給が大幅に増加したことで繊維機械への需要が高まり、木製部品を金属製に置き換える機械設計の改良が進みました。これが19世紀初頭の多くの工作機械の発明につながりました。 [ 3 ]

綿繰り機の発明により、アメリカ合衆国の綿花生産は飛躍的に増加し、主に南部で生産が集中しました。綿花生産量は1830年の75万俵から1850年には285万俵にまで増加しました。その結果、この地域は黒人奴隷を労働力とするプランテーションへの依存度がさらに高まり、プランテーション農業が経済の最大部門となりました。 [ 36 ] 1人の労働者が種子から1ポンドの繊維を分離するのに約10時間かかりましたが、2、3人の奴隷が綿繰り機を使って1日で約50ポンドの綿花を生産することができました。[ 37 ]奴隷の数も綿花生産の増加に伴って増加し、1790年の約70万人から1850年には約320万人にまで増加した。[ 38 ]綿繰り機の発明はアメリカ南部における奴隷労働の需要増加につながり、18世紀後半にこの地域で起こった経済衰退を逆転させた。[ 39 ]こうして綿繰り機は「綿花を作物として変革し、アメリカ南部を世界初の農業大国へと変貌させた」。[ 40 ]

1896年のラムス綿繰り機の広告

綿繰り機の発明は、南部のプランテーションにおける奴隷の活用の増加につながりました。この意図せぬ影響により、アメリカの奴隷制はプランテーションを基盤とした農業へと発展し、同時に北部など他の地域では繊維産業の成長も促進されました。そのため、綿繰り機の発明はアメリカ南北戦争の間接的な原因の一つとしてしばしば挙げられます。[ 41 ] [ 7 ] [ 42 ]

現代の綿繰り機

現代の綿繰り工場の図。生産のさまざまな段階を示している。
現代の綿繰り機

現代の綿花生産において、綿花はトレーラーで運ばれ、それぞれ最大10トンの重さの圧縮された長方形の「モジュール」 、あるいは最新世代の綿摘み機による摘み取り工程で作られる干し草の俵に似たポリエチレンで包まれた円形のモジュールの形で、工業用綿繰り機に到着します。トレーラーの綿花（つまり、モジュールに圧縮されていない綿花）は、綿花の上を旋回する直径約16インチ（41cm）のパイプを通して吸い込まれます。このパイプは通常手動で操作されますが、現代の綿花工場では自動化が進んでいます。モジュールの導入以来、製品を綿繰り機まで運ぶためのトレーラーの必要性は大幅に減少しました。綿花がモジュールの状態で出荷される場合、モジュールフィーダーはスパイクローラーを使ってモジュールを分解し、綿花から最も大きな異物を取り除きます。その後、モジュールフィーダーからばらばらになった綿花は、トレーラーの綿花と同じ出発点に吸い込まれます。

その後、綿花は乾燥機に入り、余分な水分が除去されます。シリンダークリーナーは、6～7本のスパイク付き回転シリンダーを用いて、綿花の大きな塊を砕きます。土や葉などの微細な異物は、ロッドやスクリーンを通して除去されます。スティックマシンは、高速回転する鋸シリンダーで綿花を挟み込み、遠心力を利用して棒やバリなどの大きな異物を除去します。

綿繰り機の内部

綿繰り機は回転鋸の歯を使って綿花を一連の「綿繰りリブ」に通します。このリブは、リブを通過できないほど大きい種子から繊維を引き抜きます。洗浄された種子は、スクリューコンベアシステムによって綿繰り機から取り出されます。種子は再び栽培に再利用されるか、製油工場に送られて綿実油や綿実粕に加工されます。リントクリーナーは再び鋸とグリッドバーを使用し、未熟な種子や残留異物を繊維から分離します。次に、ベールプレスで綿花を圧縮し、保管・出荷用のベールにします。現代の綿繰り機は、1時間あたり最大15トン（33,000ポンド）の綿花を処理できます。[ 43 ]

現代の綿繰り機は、綿棒、葉、土、未熟な綿花、綿実などからなる綿繰り残渣（CGR）を大量に排出します。現在、この廃棄物をエタノール生産に利用する研究が進められています。処理過程における化学組成の変動により、安定したエタノール生産プロセスを構築することは困難ですが、綿花生産における廃棄物の利用をさらに最大化できる可能性があります。[ 44 ] [ 8 ]

参照

参考文献

注記

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参考文献

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