熱風エンジン

熱風エンジン[ ^1]（歴史的には空気エンジンまたは熱量エンジン^[2]と呼ばれていた）は、温度変化の影響による空気の膨張と収縮を利用して熱エネルギーを機械的な仕事に変換する熱機関です。これらのエンジンは、ジョージ・ケイリー卿^[3]やジョン・エリクソン^{[4]などのオープンサイクルデバイスとロバート}・スターリング^[5]のクローズドサイクルエンジンの両方を含むいくつかの熱力学サイクルに基づいています。熱風エンジンは、よりよく知られている内燃機関や蒸気エンジンとは異なります。

典型的な実装では、空気はシリンダー内で繰り返し加熱および冷却され、その結果生じる膨張と収縮がピストンを動かすために使用され、有用な機械的仕事が生成されます。

「熱風エンジン」という用語には、ランキンサイクルなど、作動流体が相転移を起こす熱力学サイクルを実行するエンジンは明確に含まれません。また、作動シリンダ内で燃料を燃焼させることで作動流体に熱を加える従来の内燃機関も除外されます。ジョージ・ブレイトンのレディモーターや関連するガスタービンなどの連続燃焼タイプは、境界線上のケースと見なすことができます。

熱せられた空気の膨張する性質は、古代人も知っていた。アレクサンドリアのヘロンの『空気学』には、犠牲の祭壇に火が灯されると自動的に寺院の扉が開く装置について記述されている。熱風エンジン、あるいは単に空気エンジンと呼ばれる装置は、1699年という早い時期から記録されている。1699年、ギヨーム・アモントン（1663年 - 1705年）は、パリの王立科学アカデミーに、熱で回転する車輪という発明の報告書を提出した。^[6]車輪は垂直に取り付けられていた。車輪のハブの周りには水で満たされた部屋があった。車輪の縁にある空気で満たされた部屋は、車輪の片側の下の火で加熱された。加熱された空気は膨張し、チューブを介して水を1つの部屋から別の部屋へと押し出し、車輪のバランスを崩して回転を引き起こした。

見る：

• アモントン (1699 年 6 月 20 日) 「Moyen de substituer commodement l'action du feu, à la Force des hommes et des chevaux pour mouvoir les machine」（人や馬の力を動かすために火の作用を都合よく置き換える手段） [つまり、パワー] マシン)、王立科学アカデミーの回想、ページ112-126。この回想録は、1732 年に出版された王立科学アカデミー史、年刊 1699 年に掲載されています。アモントンのムーラン・ア・フ(火工場)の操作は、123 ～ 126 ページで説明されています。彼のマシンは 126 ページに続くプレートに描かれています。
• アモントンの火力水車の英語での説明については、ロバート・スチュアート著『蒸気機関とその発明者および改良者に関する歴史的および記述的逸話』（ロンドン、イングランド：ワイトマン・アンド・クランプ、1829年）第1巻、130-132ページを参照。この機械の図解は、^{[7]に登場しており、}気体の法則が初めて定められた頃である。また、初期の特許には、シュロップシャー州コールブルックデール近郊のハイ・アーコールの牧師ヘンリー・ウッド（1759年の英国特許第739号）やヨークシャー州スカルコート出身の技術者トーマス・ミード（1791年の英国特許第979号）の特許があり、^{[8]特に後者には、}ディスプレーサー型エンジン（ミードはこれをトランスファーラーと呼んだ）の必須要素が含まれていた。これらの特許のいずれも実際のエンジンに結びついた可能性は低く、最も初期の実用的な例はおそらく 1807年頃のイギリスの発明家ジョージ・ケイリー卿のオープンサイクル炉ガスエンジンであった^{[9] [10]。}

ロバート・スターリングの1818年の空気エンジンは、彼の革新的なエコノマイザー（1816年に特許取得）を組み込んでおり、これが初めて実用化された空気エンジンであったと考えられます。 ^{[11]現在では}再生器として知られているこのエコノマイザーは、空気が冷気側に流れる際にエンジンの高温部分の熱を蓄え、冷気は高温側に戻る際に熱を放出します。この革新によりスターリングエンジンの効率が向上し、スターリングエンジンと呼ばれる空気エンジンにはすべて備わっているはずです。

スターリングは、1827 年に弟のジェームズとともに 2 番目の熱風エンジンの特許を取得しました。彼らは設計を逆にして、ディスプレーサーの高温端が機械の下にくるようにし、圧縮空気ポンプを追加して内部の空気の圧力を約 20 気圧まで上げられるようにしました。チェンバーズによると、このエンジンは、機械的な欠陥と「予期せぬ熱の蓄積が、再生器の冷たい部分にあるふるいや小さな通路によって完全には除去されず、エンジンが圧縮空気で作動しているときに、再生器の外側の表面積が回収されない熱を放出するのに十分な大きさではなかった」ために失敗に終わったとのことです。

パーキンソンとクロスリーは、1828 年にイギリス特許を取得し、独自の熱風エンジンを考案しました。このエンジンでは、空気室は冷水に浸すことで部分的に外部の冷気に晒され、上部は蒸気で加熱されます。内部の容器がこの室内で上下に動き、空気を押しのけ、冷水と熱い蒸気の熱と冷の影響に交互にさらして、空気の温度と膨張状態を変化させます。この変動により、空気室が両端に交互に接続されたシリンダー内のピストンが往復運動します。

1829 年、アーノットは空気膨張装置の特許を取得しました。この装置では、密閉シリンダーの底近くの格子に火が置かれ、シリンダーは新しく取り入れられた新鮮な空気で満たされます。緩いピストンが引き上げられ、上部のシリンダー内のすべての空気がチューブを通って火を通過し、火によってもたらされる膨張または体積増加につながる弾力性が高まります。

翌年 (1830 年) には、エリクソン大尉が 2 番目の熱風エンジンの特許を取得しました。仕様書では、このエンジンは「円形のチャンバーで構成され、その中で円錐が葉や翼によってシャフトまたは軸の上で回転し、交互に蒸気の圧力にさらされます。これらの翼や葉は、円錐の側面に対して斜めに回転し、円錐の側面と接触した状態を保つ円形の平面のスリットまたは開口部を通して作動します」とさらに詳しく説明されています。

エリクソンは 1833 年に 3 番目の熱風エンジン (熱量エンジン) を製作しました。「これは数年前にイギリスで大きな関心を呼び、実用化されれば人類が考え出した最も重要な機械的発明となり、これまでのどの発明よりも文明生活に大きな恩恵をもたらすものとなるでしょう。その目的は、熱の作用によって機械的動力を生み出すことであり、非常に少ない燃料で済むため、現在では燃料がほとんど存在しないと言われる地域でも、ほぼ無制限の機械的力を自由に利用できるようになります。」

1838 年にはフランショー熱風エンジンの特許が取得されました。これは確かにカルノーの要件に最もよく適合した熱風エンジンでした。

これまでのところ、これらの空気エンジンはすべて失敗に終わりましたが、技術は成熟しつつありました。1842 年、ロバートの兄弟であるジェームズ スターリングが有名なダンディー スターリング エンジンを製作しました。このエンジンは少なくとも 2 ～ 3 年は使用されましたが、不適切な技術的工夫により製造中止となりました。熱風エンジンは試行錯誤の連続であり、熱風エンジンが産業規模で使用できるようになるまでにはさらに 20 年かかりました。最初の信頼性の高い熱風エンジンは、ショー、ローパー、エリクソンによって製作されました。数千台が製造されました。

ホットエンジンは、水入口が温度差を維持するために必要な冷気を提供するため、水を汲み上げる（主に家庭用水タンクに）市場を見つけましたが、他の商業用途も見つかりました。

• ロンドンのヘイワード・タイラー社。揚水用エンジンとパンカー用エンジン、1876-1883年頃。^[12]
• ロンドンのヘイワード・タイラー社。家庭用給水装置（ライダーの特許）1888年～1901年頃。^[13]
• WHベイリー＆カンパニー、サルフォード。家庭用水の汲み上げと安定した機械の駆動用エンジン、1885-1887年頃^[14]
• アダム・ウッドワード＆サンズ、マンチェスター、アンコート。ロビンソンの特許。1887年頃^[15]
• ノリス＆ヘンティ、ロンドン。ロビンソン型揚水エンジンの再販業者。1898年頃-1901年^[16]
• CH デラマター& Co、デラマター鉄工所、ニューヨーク。ライダー型およびエリクソン型エンジン。1870 年代 - 1898 年
• ライダーエンジンカンパニー、ニューヨーク州ウォルデン。1879-1898
• ライダー・エリクソン・エンジン・カンパニー、ニューヨーク州ウォルデン。1898年-

熱風エンジンの熱力学サイクルは、（理想的には）3 つ以上のプロセス（通常は 4 つ）から構成されます。プロセスは次のいずれかになります。

• 等温過程（熱源または熱シンクから熱を加えたり除去したりして一定の温度を維持する）
• 等圧過程（一定圧力下）
• 等尺性/等容積性プロセス（一定容積）
• 断熱過程（作動流体に熱が加えられたり除去されたりしない）
  • 等エントロピー過程、可逆断熱過程（作動流体に熱が加えられたり除去されたりせず、エントロピーは一定である）
• 等エンタルピー過程（エンタルピーは一定）

いくつかの例（上記で定義したすべての熱風サイクルではありません）は次のとおりです。

さらに別の例としては、ヴュイユミエ・サイクルがある。 ^[17]

• スターリングエンジン
• 熱音響熱エンジン
• マンソン・ギーズエンジン
• 真空エンジン
• カルノー熱機関
• 熱機関技術のタイムライン

ウィキメディア・コモンズには、熱気エンジンに関連するメディアがあります。

ウィキソースには、1911 年のブリタニカ百科事典の記事「空気エンジン」のテキストがあります。

• スターリングサイクルマシンの紹介
• 航空エンジン設計の先駆者（希望する経歴を選択）
• 熱差別化法のための装置 ヴィルミエ特許
• 19世紀の熱気エンジンに関する調査