汽缸反复冷却的问题
十八世纪的纽科门蒸汽机广泛用于矿井排水。蒸汽进入汽缸后，注入冷水使它凝结，大气压力再推动活塞做功；下一次循环又要重新加热汽缸。詹姆斯·瓦特在研究和修理模型时关注这种热量损失，寻找能够保留汽缸温度、同时让蒸汽迅速凝结的办法。
让冷凝发生在另一处
瓦特把冷凝过程移到与汽缸相连的独立容器中。汽缸尽量保持高温，冷凝器则保持低温，蒸汽流入后在那里变成水；空气和冷凝水还要被排走。这个安排减少了汽缸反复冷却造成的燃料浪费。1765年前后，他已经制作试验装置，随后继续解决密封、抽气和机器制作等问题。
1769年的专利
1769年1月5日，瓦特获得减少蒸汽机蒸汽与燃料消耗的专利。说明书在同年4月29日登记，详细列出保持汽缸温度、使用独立冷凝器等原则。专利把一套热量管理办法转化成受到法律保护的技术方案，但把试验模型做成可靠的大型机器，仍需要资金、精确加工和长期的现场调试。
合作把机器送入生产
1775年，瓦特与马修·博尔顿建立合作。博尔顿组织资金、订单和制造网络，瓦特继续改进设计，工程人员负责安装与维修。较省燃料的排水机在矿区获得需求，后来转动式设计又把动力送入磨坊和工厂。独立冷凝器因此通过专利、工匠和商业组织进入工业生产，成为蒸汽动力扩展的重要技术基础。