ジェームズ・ワットと蒸気機関の改良

5分でわかるジェームズ・ワット

ジェームズ・ワット（1736〜1819年）は、スコットランド出身の技術者です。よく「蒸気機関の発明者」と紹介されますが、正確には、すでにあった蒸気機関を大きく改良した人です。ワットの工夫のおかげで、蒸気機関は少ない石炭で動くようになり、鉱山の排水ポンプだけでなく、紡績工場や製鉄所の動力としても使えるようになりました。

ワットの名前が出てくるのは、主に産業革命の場面です。人や馬、水車に頼っていた仕事を、石炭で動く機械に置きかえていく流れの中心に、ワットの改良がありました。この記事では、ワットが何を改良したのか、なぜそれが大きな意味を持ったのかを、順番に見ていきます。

ワットは何をした人か：短い答え

ワットの主な仕事は五つあります。1765年に思いついた分離凝縮器、1781年の遊星歯車（サン・アンド・プラネット歯車）、1782年の複動式機関、1784年の平行運動機構、そして1788年ごろに取り入れた遠心調速機（ガバナー）です。さらに、機関の力を馬の力にたとえて示したことから、「馬力」という考え方にも、仕事率の単位「ワット」にも名前が残っています。

ワットの生い立ちとグラスゴー大学の工房

ワットは1736年1月、スコットランドの港町グリーノックに生まれました。父は造船や商い、町の役職などを手がける人でした。ワットは子どものころ体が弱く、学校に通いつめることはできませんでしたが、家の作業場で道具や模型に親しみ、数学や手仕事を身につけていきました。

若いころにはロンドンで一年ほど、科学の器具をつくる修業をしました。そして1757年、グラスゴー大学の敷地の中に工房を持つことを許され、教授たちのために数学や天文の器具をつくったり、直したりする仕事を始めます。

この大学の工房が、ワットの人生を変えました。教授たちとの会話の中で、熱の性質を研究する化学者ジョセフ・ブラックと親しくなり、熱について深く考える習慣がつきます。職人の腕と、科学者のような好奇心。この二つがそろっていたことが、ワットの強みでした。機械がなぜむだに熱を使うのかを考えることができ、そのうえで直すための部品を自分の手でつくることもできたのです。

ニューコメン機関のどこが問題だったのか

ワットより前にも、蒸気で動く機械はありました。1698年にはトーマス・セイヴァリが蒸気ポンプの特許を取り、1712年には、トーマス・ニューコメンの機関が、ダドリー城の近くの炭鉱で水をくみ上げ始めました。ニューコメン機関の仕組みはこうです。まずシリンダーの中に蒸気を入れ、次にシリンダーの中へ冷たい水をふきかけて蒸気を冷やし、水に戻します。すると中が真空に近くなり、外の空気の重さでピストンが押し下げられます。その動きを大きなてこ（ビーム）が受けて、ポンプの棒を引き上げるわけです。

ここに大きな欠点がありました。一回動くたびに、シリンダーは蒸気で熱せられ、次の瞬間には水で冷やされます。そのため、石炭から取り出した熱の大部分が、金属の筒をあたため直すためだけに使われてしまいました。炭鉱では、売り物にならない小さな石炭がほとんどただで手に入るので、それでも使えました。しかし、石炭が高い場所では、燃料代が高すぎて採算が合いませんでした。

1765年のひらめき：分離凝縮器

1763年から1764年ごろ、ワットは、大学で授業に使うニューコメン機関の小さな模型の修理を頼まれました。動かしてみると、わずかな仕事のために、おどろくほど大量の蒸気を使うことに気づきます。そこで何か月も、蒸気の性質を調べる実験を続けました。

答えにたどりついたのは1765年です。シリンダーはいつも熱いままにしておき、蒸気を冷やして水に戻す作業は、別の冷たい容器で行う。二つの容器は弁でつなぐ。これが分離凝縮器です。ワットは後年の回想で、グラスゴーの公園を散歩している最中に思いついたと語っています。

機関の基本的な原理は変わりませんが、むだな熱の損失は大きく減りました。ワットはさらに、シリンダーの上にふたをして、まわりを蒸気の入ったおおいで包み、シリンダーの温度を保ちました。こうして蒸気の圧力もピストンを押す力に使えるようになりました。1769年に取った特許の題名は、「火力機関における蒸気と燃料の消費を減らす新しい方法」です。多くの現場で、ワットの機関は、同じ仕事をするのにニューコメン機関の約4分の1の石炭ですむ、と見積もられました。

ただ、よい考えを思いつくことと、実際に動く機関をつくることは別でした。最初の出資者は製鉄業者のジョン・ローバックで、スコットランドで試験機をつくりました。しかし当時の職人の技術では、大きなシリンダーを、蒸気がもれないほど正確に丸く仕上げることができませんでした。ローバックは1773年に破産します。ワットは生活のために測量や運河の仕事で働いており、機関の開発をあきらめかけました。

ボールトンとの出会い：ソーホーでの実用化

救いの手は、バーミンガムから来ました。製造業者のマシュー・ボールトンが、1775年にローバックの持っていた権利を引き継ぎます。同じ年に議会が、ワットの特許の期間を1800年まで延ばしました。これにより、二人は25年間、競争相手なしで機関をつくって売れるようになりました。ボールトンには資金と取引先、そして大きな工場であるソーホー工場がありました。ワットには設計がありました。

もう一つの足りないものは、加工の精度でした。製鉄業者のジョン・ウィルキンソンは、大砲の砲身にまっすぐで正確な穴をあける技術を持っており、同じ機械でシリンダーも加工できました。1776年、ボールトン・ワット社の最初の商業用機関が動き始めます。一台はスタッフォードシャーのブルームフィールド炭鉱の排水用、もう一台はウィルキンソンの製鉄所で炉に風を送る用でした。

売り方にも工夫がありました。お客さんには機関の代金に加えて、ニューコメン機関に比べて節約できた石炭代の約3分の1を使用料として払ってもらったのです。得をした分から払うので、お客さんは安心して導入できました。

回転運動へ：ポンプから工場の動力へ

初期のワット機関は、まだポンプでした。ところが工場や製粉所が求めていたのは、回り続ける軸です。てこのゆれる動きを回転に変えるには、クランクを使うのが分かりやすい方法でした。しかし1780年にジェームズ・ピカードがクランクの特許を取っていたため、ワットは別の仕組みを考えます。それが1781年に特許を取った遊星歯車で、二つの歯車を組み合わせて、ビームの動きを回転に変えました。

その後も改良が続きます。1782年には、蒸気がピストンを両方向に押す複動式機関の特許を取りました。これにより、一往復のあいだに力を出す回数が増えます。1784年には、ビームに取りつけたピストンの棒を、ほぼ一直線に動かすための平行運動機構を考え出しました。1788年ごろには、回転する重りの開き方で蒸気の弁を調節し、速さを一定に保つ遠心調速機をつけました。

こうして、速さが安定して回り続ける機関ができました。紡績機や製粉機、製鉄所、醸造所など、さまざまな機械を同じ動力で動かせます。工場は、水の流れが速い川のそばにしか建てられない、という制約から解放され、働く人や市場のある町の中につくれるようになりました。

馬力と「ワット」の由来

初期のお客さんの多くは、馬に製粉機の車を回させていました。そこでワットは、機関の仕事量を、お客さんがよく知る馬にたとえて説明しました。力の強い馬が1分間にする仕事を、約33,000フィートポンドと見積もり、これを1馬力と呼んだのです。今の単位でいうと、英国の1馬力は約746ワットです。

「ワット」という単位は、もっとあとに生まれました。1880年代に、イギリスの科学者たちが仕事率の単位にワットの名前をつけることを提案し、のちに国際単位系（SI）に組み入れられました。1ワットは1秒あたり1ジュールのエネルギーです。電球や電気ケトルが「〇〇ワット」と書かれているのは、このためです。

よくある誤解

• 蒸気機関の発明者ではありません。セイヴァリやニューコメンのほうが先です。ワットは機関を効率のよい、使いやすいものに変えた人です。
• 電気を発見した人ではありません。「ジェームズワット　電気」で検索する人もいますが、電気との関係は、単位に名前が残っていることだけです。発電所ができるのは、ワットの死後のことです。
• やかんの話は伝説です。少年のワットがやかんのふたが持ち上がるのを見て蒸気機関を思いついた、という話は、記録で確かめられていません。実際の発見は、熱を調べる実験から生まれました。
• 高圧蒸気には慎重でした。ワットは高圧の蒸気を危険だと考えました。特許が切れた1800年以降に、リチャード・トレビシックやオリバー・エバンズが小型の高圧機関をつくり、これが蒸気機関車につながります。

ワットの評価と影響

ワットの機関は、天気や川の流れ、人や馬の力に左右されない動力を、産業に与えました。鉱山はより深くまで掘れるようになり、製鉄所は大きくなり、綿工場は町の中へ移ることができました。ワットは1785年に王立協会の会員に選ばれ、1800年に仕事から退きます。1819年8月25日、バーミンガム近くのヒースフィールドの自宅で亡くなりました。

一方で、批判もあります。ボールトンとワットは特許を強く守り、このために技術の進歩が遅れたと考える技術者もいました。実際、コーンウォールなどでは、独占が終わるとすぐに新しい機関が次々と設計されました。どちらの見方も成り立ちます。特許はリスクの高い発明を守りましたが、同時に、ほかの人の挑戦を四半世紀のあいだ止めたのです。

試験に出るポイント

• 改良の名前：共通テストや定期テストでは、「分離凝縮器」（または、ワットによる蒸気機関の改良）が答えになる場合がほとんどです。シリンダーを熱いままにして、燃料を節約したことを押さえましょう。
• 順番：ニューコメン（1712年）が先で、ワットの特許（1769年）がそのあと、さらに後にトレビシックの高圧機関が来ます。
• 意義：石炭から安く動力を得られるようになり、工場制機械工業の広がり、都市の成長、そして鉄道の時代につながった、と説明できると得点になります。
• 協力者：資金と工場を出したボールトン、精密なシリンダーをつくったウィルキンソン、設計をしたワットの組み合わせです。

次に読む

• 蒸気機関の発明者は誰か：仕組みと歴史：セイヴァリやニューコメンから、ワットが改良するまでの流れを詳しく知りたい人に。
• ジョージ・スティーブンソンと最初の蒸気機関車：ワットの特許が切れたあと、高圧蒸気が線路に出ていく話です。
• イーライ・ホイットニーと綿繰り機：ワットの機関が動かすことになる綿工業を、別の面から変えた発明です。