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熱音響エンジン（「TAエンジン」と呼ばれることもある）は、高振幅の音波を利用して熱をある場所から別の場所へ移動させる（これには仕事が必要であり、その仕事はスピーカーによって提供される）か、または熱差を利用して音波の形で仕事を生み出す（これらの音波はマイクロフォンと同じように電流に変換できる）熱音響装置である。
これらの装置は、定常波または進行波のいずれかを利用するように設計することができる。
蒸気式冷凍機と比較して、熱音響式冷凍機は冷却剤がなく、可動部品も少ない（スピーカーのみ）ため、動的な密閉や潤滑を必要としません。[ 1 ]
熱が音を発生させる能力は、何世紀も前にガラス職人によって注目されていました。[ 2 ] 1850年代の実験では、温度差がこの現象を引き起こし、音響の音量と強度は管の長さと球の大きさによって変化することが示されました。
ライケは、管の4分の1の高さに加熱された金網を追加すると音が大きく増幅され、管内の空気の圧力が最も高い点でエネルギーが供給されることを実証した。さらに実験を行ったところ、空気の圧力が最小となる点で空気を冷却すると、同様の増幅効果が得られることがわかった。[ 2 ]ライケ管は、自然対流を利用して熱を音響エネルギーに変換する。[ 3 ]
1887年頃、レイリー卿は音波を用いて熱を伝達する可能性について論じた。
1969年、ロットはこのテーマを再び取り上げた。[ 4 ]流体のナビエ・ストークス方程式を用いて、熱音響に特化した方程式を導出した。[ 5 ]
線形熱音響モデルは、基本的な定量的理解を形成するために開発され、数値モデルは計算のために開発されました。Swift はこれらの方程式を継続し、熱音響デバイスにおける音響パワーの式を導出しました。[ 6 ]
1992年には、スペースシャトル・ディスカバリー号で同様の熱音響冷凍装置が使用された。[ 2 ]
ユタ大学のオレスト・シムコは、 2005年に熱音響圧電エネルギー変換（TAPEC）と呼ばれる研究プロジェクトを開始しました。 [ 7 ]
小規模から中規模の極低温アプリケーションなどのニッチなアプリケーション。Score Ltd. は、発展途上国で使用するために、電気と冷却も提供する調理用ストーブの研究のために、2007 年 3 月に 200 万ポンドの助成金を受けました。[ 8 ] [ 9 ]
エアバス社は、深宇宙探査ミッション向けに放射性同位体加熱式熱音響システムを提案し、試作した。このシステムは、既存の熱電対ベースのシステムや、ASRG試作機で使用されているスターリングエンジンなどの他の発電機システムに比べて、理論的に若干の優位性がある。[ 10 ]
SoundEnergy社は、通常は廃熱や太陽熱などの熱を、他の動力源なしで冷房に変換するTHEACシステムを開発しました。この装置はアルゴンガスを使用します。廃熱によって発生した音を増幅し、結果として生じる圧力を再び熱差に変換し、スターリングサイクルを使用して冷却効果を生み出します。[ 2 ]
熱音響装置は、音波において気体の塊が断熱的に交互に圧縮と膨張を繰り返し、圧力と温度が同時に変化するという性質を利用しています。圧力が最大値または最小値に達すると、温度もそれに合わせて変化します。この装置は基本的に、熱交換器、共振器、およびスタック（定在波装置の場合）または再生器（進行波装置の場合）で構成されています。エンジンの種類によっては、音波を発生させるために駆動装置またはスピーカーが使用される場合があります。
両端が閉じた管内では、特定の周波数で逆方向に伝わる2つの波が干渉を起こすことがあります。この干渉によって共鳴が生じ、定常波が発生します。スタックは、小さな平行なチャネルで構成されています。定常波を持つ共振器内の特定の位置にスタックを配置すると、スタック全体に温度差が生じます。スタックの両側に熱交換器を配置することで、熱を移動させることができます。逆の現象も起こり得ます。スタック全体の温度差によって音波が発生するのです。最初の例はヒートポンプ、2番目の例は原動機です。
冷たい熱源から暖かい熱源へ熱を移動させるには、仕事が必要です。音響パワーはこの仕事を提供します。煙突によって圧力降下が生じます。入射音波と反射音波の干渉は不完全になります。振幅の差によって定常波が伝播し、音波に音響パワーが与えられます。
定在波装置内のスタックに沿った熱輸送は、ブレイトンサイクルに従う。
冷蔵庫の反時計回りブレイトンサイクルは、スタックの2枚のプレート間のガス塊に影響を与える4つのプロセスから構成されます。
進行波装置は、スターリングサイクルを用いて説明することができる。
エンジンとヒートポンプはどちらも、一般的に煙突と熱交換器を使用します。原動機とヒートポンプの境界は、温度勾配演算子によって決まります。これは、平均温度勾配を臨界温度勾配で割った値です。
平均温度勾配は、煙突全体の温度差を煙突の長さで割った値である。
臨界温度勾配は、周波数、断面積、ガス特性などの装置の特性に依存する値である。
温度勾配演算子が1を超える場合、平均温度勾配は臨界温度勾配よりも大きく、煙突は原動機として動作します。温度勾配演算子が1未満の場合、平均温度勾配は臨界勾配よりも小さく、煙突はヒートポンプとして動作します。
熱力学において達成可能な最高効率はカルノー効率である。熱音響エンジンの効率は、温度勾配演算子を用いてカルノー効率と比較することができる。
熱音響エンジンの効率は次のように表される。
熱音響ヒートポンプの成績係数は次式で与えられる。
最も効率的な熱音響デバイスの効率はカルノー限界の40%に近づき、全体で約20%から30%になります（熱機関の温度によって異なります）。[ 11 ]
熱音響装置は可動部品がないため、高温部の温度をより高くすることが可能であり、結果としてカルノー効率を高めることができる。これにより、従来の熱機関と比較してカルノー効率が低いという欠点を部分的に補うことができる可能性がある。
進行波装置で近似される理想的なスターリングサイクルは、定在波装置で近似される理想的なブレイトンサイクルよりも本質的に効率的です。しかし、定在波スタックでは意図的に不完全な熱接触が必要となるのに対し、進行波装置では良好な熱接触を得るために細孔が狭くなるため、摩擦損失が大きくなり、実用効率が低下します。また、進行波装置でよく用いられるトロイダル形状は、定在波装置では必須ではありませんが、ループ内を流れるゲデオン流によって損失が増大する可能性もあります。
