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熱気機関[ 1 ] （歴史的には空気機関または熱機関[ 2 ]と呼ばれていた）は、温度変化の影響下での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あらゆる熱機関である。これらの機関は、サー・ジョージ・ケイリー[ 3 ]やジョン・エリクソン[ 4 ]のような開放サイクル装置と、ロバート・スターリング[5]の閉鎖サイクル機関の両方を含む、多くの熱力学サイクルに基づいている可能性がある。熱気機関は、よりよく知られている内燃機関や蒸気機関とは異なる。
一般的な実装では、シリンダー内で空気が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し、有用な機械的仕事を生み出すために利用される。
「熱気エンジン」という用語は、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を明確に除外する。また、作動シリンダー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る。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型エンジンは、境界例とみなせるかもしれない。
加熱された空気の膨張性は古代の人々に知られていました。アレクサンドリアのヘロンの『プネウマティカ』には、犠牲祭壇で火が灯されたときに神殿の扉を自動的に開けるために使用された可能性のある装置が記述されています。熱気エンジン、また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ます。1699 年、ギヨーム・アモントン(1663–1705) は、パリの王立科学アカデミーに、熱によって回転するように作られた車輪という自身の発明に関する報告書を提出しました。[ 6 ]車輪は垂直に取り付けられました。車輪のハブの周りには水で満たされたチャンバーがありました。車輪のリムにある空気で満たされたチャンバーは、車輪の片側の下で火によって加熱されました。加熱された空気は膨張し、チューブを介して水を一方のチャンバーからもう一方のチャンバーに押し出し、車輪のバランスを崩して回転させました。
見る：
ロバート・スターリングが1818年に発明した空気エンジンは、革新的なエコノマイザー（1816年に特許取得）を組み込んだもので、実用化された最初の空気エンジンであった可能性が高い。 [ 11 ]現在再生器として知られるエコノマイザーは、空気がエンジンの高温部分を通過する際に熱を蓄え、高温部分に戻る際に冷却された空気に熱を放出する。この革新によりスターリングエンジンの効率が向上し、正式にスターリングエンジンと呼ばれる空気エンジンには必ず搭載されているべきである。
スターリングは1827年に弟のジェームズとともに2番目の熱気機関の特許を取得した。彼らは設計を反転させ、ディスプレーサーの高温端が機械の下になるようにし、内部の空気を約20気圧まで加圧できるように圧縮空気ポンプを追加した。チェンバースによれば、この機関は機械的な欠陥と「再生器の低温部分にあるふるいや小さな通路で完全に除去されなかった予期せぬ熱の蓄積」のために失敗に終わったという。再生器の外面は、機関が高圧空気で動作しているときに回収されなかった熱を放出するのに十分な大きさではなかった。
パーキンソンとクロスリーは、1828年にイギリスで特許を取得し、独自の熱気機関を考案した。この機関では、空気室の一部が冷水に浸されることで外部の冷気にさらされ、上部は蒸気で加熱される。内部の容器がこの空気室の中で上下に動き、その動きによって空気が押し出され、冷水と高温蒸気の熱と冷気の影響を交互に受けることで、空気の温度と膨張状態が変化する。この変動によって、空気室が交互に接続されたシリンダー内のピストンが往復運動する。
1829年、アーノットは空気膨張機の特許を取得した。この装置では、密閉された円筒の底部近くの火格子に火を置き、円筒内には最近取り込まれた新鮮な空気が満たされている。緩いピストンを上に引き上げると、上部の円筒内の空気はすべて管を通って火の中を通過し、火が与えることのできる膨張または体積増加につながる弾力性の増加を受ける。
翌年（1830年）、エリクソン大尉が2番目の熱気機関の特許を取得した。その特許明細書には、より詳細に次のように記載されている。「円形のチャンバー内に円錐が配置され、その内部で羽根または翼が交互に蒸気圧にさらされることで、シャフトまたは軸を中心に回転する。これらの羽根または翼は、円錐の側面に斜めに回転し、それによって円錐の側面と接触を保つ円形平面のスリットまたは開口部を通過するように構成されている。」
エリクソンは1833年に3番目の熱気機関（カロリックエンジン）を製作した。「これは数年前、イギリスで大きな関心を集めたものであり、もし実用化されれば、人類がこれまでに考案した中で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社会に大きな恩恵をもたらすだろう。なぜなら、その目的は、極めて少ない燃料消費で熱を利用して機械的動力を生み出すことであり、燃料がほとんど存在しないような地域でも、人間はほぼ無限の機械的力を自在に操ることができるようになるからだ。」
1838年にはフランショーの熱気機関の特許が取得された。これは間違いなくカルノーの原理に最も忠実に従った熱気機関であった。
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っているが、技術は成熟しつつあった。1842年、ロバート・スターリングの弟であるジェームズ・スターリングは、有名なダンディー・スターリングエンジンを製作した。このエンジンは少なくとも2～3年間は稼働したが、不適切な技術的仕掛けのためにその後製造中止となった。熱気エンジンは試行錯誤の歴史であり、熱気エンジンが工業規模で利用できるようになるまでにはさらに20年を要した。最初の信頼性の高い熱気エンジンは、ショー、ローパー、エリクソンによって製造された。数千台が製造された。
高温ポンプは、取水口から得られる冷気が温度差を維持するために必要なため、主に家庭用貯水槽への送水に利用され、給水ポンプとして市場を開拓した。また、その他の商業分野でも活用された。
熱気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。これらのプロセスは、以下のいずれかです。
以下にいくつかの例を示します（上記で定義したすべての熱風サイクルではありません）。
もう一つの例は、ヴュイユミエのサイクルである。 [ 17 ]