증기 기관

증기 기관(蒸氣機關)은 외연 열기관으로, 수증기의 열에너지를 기계적인 일로 바꾸는 장치이다. 1705년 토마스 뉴커멘이 발명, 1769년에 제임스 와트가 개량했다.

[편집] 발전 과정

[편집] 초기 구상

[편집] 기원전

• 알렉산드리아의 헤론이 가열한 공기 또는 물의 힘에 대한 예시를 '아에올리스의 공'으로 구상하여 기록했다. 이 장치는 증기 제트에 의해 돌아가는 회전 공으로 이루어져 있으며 약간의 힘은 제작할 수 있었으나 실제 사용은 불가능했다. 그럼에도 불구하고 증기 압력으로 움직이는 최초의 장치로 기록되어 있다. 그는 증기압을 이용해 물을 한쪽 용기에서 다른 쪽으로 옮기는 방법 또한 고안했다. 사원 문을 열 때 쓰던 연장의 무게만큼의 양동이에 물을 채우고 닫은 후 무거운 물건을 올려놓으면 처음 용기의 냉각으로 발생한 진공에 의해 양동이 안의 물이 빨려나오게 된다.

[편집] 중세

• 1551년: 타키 알딘이 모래톱을 회전시키기 위해 증기 터빈을 닮은 장치를 고안했다.
• 1601년: 지오바니 바티스타 델라 포르타가 압력 혹은 진공을 만들기 위해 증기를 사용한 실험을 했다.
• 1615년: 루이 13세 밑에서 일하던 기술자였던 살로몽 드 코는 포르타가 고안한 장치와 비슷한 장치가 기술된 책을 출간하였다.
• 1629년: 지오반니 브란카는 타키 알딘이 고안한 유사 증기 터빈 장치를 사용하여 반죽에 사용하는 방아장치를 개발했다.
• 1630년: 데이비드 렘시는 아무런 설명도 없으며 그가 개발한 어떠한 장치와도 관련이 없는 많은 증기 관련 특허를 취득하였다. 그는 증기 기관을 '불 기관'이라 불렀으며. 이 용어는 오랫동안 사용된다.

[편집] 증기 기관의 상용화

• 1663년: 에드워드 서머셋 우스터 후작은 그의 발명품들의 모음집을 발간했다. 하나는 본질적으로는 살로몽 드 코가 만든 것과 비슷하지만 한 개의 보일러에만 부착되어 있었던 새로운 종류의 증기 기관이었다. 이 발명품의 열쇠는 증기를 강제로 농축시키기 위한 용기 주위의 냉각 장치이다. 이는 파이프를 통해 용기로 물을 끌어 넣는 데 사용되던 방의 일부를 진공으로 만들었다. 고로 펌프를 만든 것이다. 그는 래글랜 성 한 곳에 상당히 큰 크기의 장치를 만들었는데, 이것이 최초의 공업용 크기 증기 기관이었다. 그는 채광 작업을 하기 위해 장치를 만들고 있었지만, 회사를 세우기도 전에 사망했다.
• 1698년: 토마스 서베리는 〈광부의 친구〉라는 증기 펌프를 소개했다. 이것은 서머셋의 디자인과 거의 같았는데, 나중에 추가된 한가지 중요한 개선점은 냉각수가 장치 안에 있는 스프레이로 실린더 밖으로 직접 뿌려져서 교체된다는 것이다. 이 펌프는 대부분 실험작으로 몇몇개가 만들어졌으나, 흡인력을 이용하여 물을 끌어올리는 다른 구조와 마찬가지로 32피트(10미터) 혹은 그보다 낮은 높이까지만 들어올릴 수 있었다. 실생활에 사용되도록 하기 위해 펌프들을 쌓아놓고 실린더의 맨 꼭대기까지 강제로 물을 끌어 올리는 추가 증기 압력도 사용할 수 있도록 하였다. 하지만 많은 광산업자들은 폭팔의 위험을 생각하여 이 옵션은 피했다.
• 1705년: 토마스 뉴커먼은 대기압식 증기기관을 만들었는데, 서베리 펌프와는 달리 실린더 안에 피스톤을 두어 물이 안으로 뿌려질 때 진공이 피스톤을 실린더의 바닥으로 밀어 내리도록 했다. 이 기관은 작동 높이와 탄광 채굴에 많은 향상을 가져왔다. 당시 증기 기관에 대한 모든 사용에 대한 특허는 세버리가 쥐고 있었으므로 뉴커먼은 그의 동료였던 존 컬리와 함께 1733년에 특허가 만료될 때까지 동업하자고 세버리를 설득했다.
• 1707년: 드니 파팽은 수 많은 아이디어를 담은 증기 기관 연구집을 발간했다. 그 중 하나는 물레방아에 물을 올리기 위해 세버리 기관과 비슷한 것을 사용한 것이었다. 또한 실린더 속 증기가 농축된 후의 진공에 의해 올라가는 피스톤이 있는 세버리 기관의 물을 대체하는 것도 제안했으나 그 장치를 만드는 데는 실패했다.
• 1718년: 드사귈리예는 안전 밸브와 이전엔 두 밸브로 나눠져 있었던 증기와 냉수를 동시에 관리하는 이중 밸브가 포함된 향상된 세버리 기관을 소개했으나 상업적으로 사용되지는 않았다.
• 1720년: 리에폴드는 확장에 기반하여 두 실린더가 증기를 받고 대기로 배출하는 것을 번갈아하는 기관을 고안했다.

[편집] 토마스 뉴커멘의 증기 기관 기관

• 1712년: 뉴커멘은 그의 첫번째 상업 기관을 설치했다.
• 1713년: 뉴커멘 기관을 조작하던 험프리 포터라는 소년은 작동 밸브들을 자동으로 열고 닫게 하는 간단한 시스템을 설치했다. 이제 뉴커먼 기관은 1분에 15번 운동할 수 있게 되었다.
• 1718년: 헨리 베이턴은 포터의 시스템보다 더 향상되고 믿을 수 있는 시스템을 제작했다.
• 1733년: 뉴커멘의 특허가 만료되었다. 이 때까지 100개의 뉴커멘 기관이 만들어졌다. 만들어진 후 50여년간 이 기관들은 영국 전역의 탄광에서 사용되었으며, 또한 지방 지역의 물 공급과 물레 방아를 이용한 물 끌어올리기 등에 사용되었다.
• 1769년: 존 스미턴은 뉴커멘 기관을 이용한 실험을 하며 이전보다 더 길게 피스톤 운동할 수 있는 향상된 기관들을 만들기 시작했다. 뉴터멘 기관의 최고점이었던 후기 기관들은 최대 80마력까지 낼 수 있었다.
• 1775년: 이 때까지 영국에는 600개의 뉴커멘 기관들이 사용되었다.
• 1779년: 제임스 피카드의 제안으로 회전 운동을 하는 뉴커먼 기관에 처음으로 크랭크가 제작되었다. 피카드는 이것을 수년간 특허를 내었으나, 시행할 수는 없었다.
• 1780년 - 1800년: 뉴커멘 기관은 1775년부터 1800년까지 1000대가 넘는 양이 제작되었으며, 특히 탄광이나 공장 등에서 사용이 급증했다.

[편집] 제임스 와트의 증기 기관

• 1765년: 제임스 와트는 응축기를 분리하는 아이디어를 내놓았다. 이 아이디어의 열쇠는 이전 뉴커멘 엔진에서 증기를 응축시키고 진공을 만들어주던 물 분사 장치를 다시 배치하는 것이었다.

물통에 둘러싸인 더 작은 크기의 추가 원통 용기 안에 있는 응축기는 여전히 따뜻한 응축액을 미리 데워진 물을 보일러로 되돌려 보내게 해 주는 흡입 펌프로 온수통으로 보내게 한다.

이는 뉴커멘 기관에서 실린더를 매 운동마다 차갑게 식히던 것과는 달리 주 실린더를 언제나 뜨겁게 유지시킴으로써 열 능률을 상당히 향상시켰다. 와트는 또한 아래에 만들어진 진공에 반하여 피스톤의 윗부분이 움직이도록 대기압보다 조금 많은 압력밖에 만들 수 없었던 실린더의 윗부분을 밀봉했다. 이러한 이유로, 증기 기관은 더 이상 대기압의 어떤 요소의 영향도 받지 않게 되었다.

• 1765년: 매튜 볼튼은 영국 핸즈워드에 '소호 공장'을 열었다.
• 1769년: 제임스 와트는 그의 기계로 특허를 얻었다. 능률의 향상은 와트와 그의 동료 매튜 볼튼에게는 값비싼 수리비와는 대조적으로 매년 사용하는 석탄의 양을 절약하는 이런 디자인을 라이센스받기엔 충분했다. 예전에는 이 발명이 산업혁명의 시작으로 잘못 알려졌었다.
• 1775년: 와트와 볼튼이 형식적인 협력관계에 들어섰다. 와트의 특허는 의회법에 의해 1800년까지 25년 연장되었다.
• 1776년: 첫 상업용 볼튼 & 와트 증기기관이 만들어졌다.