熱風エンジン
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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]）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ある。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装置と、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る。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る。
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の移動に使用され、有用な機械的仕事が生成されます。
意味
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「熱風エンジン」という用語には、ランキンサイクルのように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除外されます。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のような連続燃焼型は、境界例と見なすことができます。
歴史
熱せられた空気の膨張する性質は、古代人にも知られていた。アレクサンドリアのヘロンの『プネウマティカ』には、犠牲の祭壇に火が灯されると自動的に寺院の扉が開く装置が記述されている。熱風エンジン、あるいは単にエア 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(1663–1705) は、パリの王立科学アカデミーに、熱で回転する車輪の発明に関する報告書を提出した。[6]車輪は垂直に取り付けられ、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、チューブを通って水を 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 laforce des hommes et des chevaux pour mouvoir les machine」（機械を動かすために人馬の力を火の作用に都合よく置き換える手段）、王立科学アカデミー覚え書き、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。
- アモントンの火力車輪に関する英語の説明は、次を参照: 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、英国: ワイトマン・アンド・クランプ、1829年)、第1巻、130-132ページ。機械の図は[7]に登場し、気体の法則が初めて定められた頃であり、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(ミードはそれをトランスファーと呼んだ)の基本要素が含まれていた。これらの特許が実際にエンジンに応用された可能性は低く、最も初期の実用的な例は、おそらく 1807年頃にイギリスの発明家ジョージ・ケイリー卿が開発したオープンサイクル炉ガスエンジンであろう[9] [10]。
ロバート・スターリングが1818年に開発した空気エンジンは、革新的なエコノマイザー（1816年特許取得）を搭載しており、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]現在では再生器として知られるこのエコノマイザーは、空気が冷側へ流れる際にエンジンの高温部から熱を蓄え、冷えた空気が再び高温側へ戻る際に熱を放出する。この革新はスターリングエンジンの効率を向上させ、正当にスターリングエンジンと呼ばれるあらゆる空気エンジンに備わっているはずである。
スターリングは1827年、弟のジェームズと共に2つ目の熱風エンジンの特許を取得しました。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来るようにし、圧縮空気ポンプを追加することで内部の空気を約20気圧まで加圧できるようにしました。チェンバースによれば、このエンジンは機械的な欠陥と「再生器の冷却部にある篩や小さな通路では十分に除去できなかった予期せぬ熱の蓄積。再生器の外面が十分に広くなかったため、エンジンが高圧縮空気で作動している際に回収されなかった熱を放出できなかった」ために失敗に終わったとされています。
パーキンソンとクロスリーは、1828年に英国特許を取得し、独自の熱風エンジンを考案しました。このエンジンでは、空気室は冷水に浸漬することで部分的に外部の冷気にさらされ、上部は蒸気によって加熱されます。内部の容器が空気室内で上下に動き、空気を押しのけます。空気は冷水と高温の蒸気の温冷作用に交互にさらされ、温度と膨張状態が変化します。この変動によって、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。この装置は、密閉されたシリンダーの底部近くの格子に火を置き、シリンダー内に新鮮な空気を充填します。緩いピストンが引き上げられると、上部のシリンダー内の空気はすべてチューブを通って火の中を通過し、弾力性が向上し、火によって生じる膨張または体積増加につながります。
翌年（1830年）、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。明細書には、このエンジンはより具体的に、「円形のチャンバーで構成され、その中で円錐がシャフトまたは軸を中心に回転し、交互に蒸気圧にさらされるリーフまたはウィングによって回転する。これらのリーフまたはウィングは、円錐の側面に対して斜めに回転し、円錐の側面と接触し続ける円形の平面のスリットまたは開口部を通して作動する」と説明されています。
エリクソンは1833年に3番目の熱風エンジン（カロリックエンジン）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集め、実用化されれば人類が考案した最も重要な機械的発明となり、文明社会にこれまでのどの発明よりも大きな恩恵をもたらすでしょう。その目的は、熱を利用して極めて少量の燃料で機械力を生み出すことであり、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、人類はほぼ無限の機械力を自在に操ることができるようになるでしょう。」
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適した熱風エンジンでした。
これまで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・スターリングの兄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・エンジンを製作しました。このエンジンは少なくとも2～3年は稼働しましたが、不適切な技術的工夫のために製造中止となりました。熱風エンジンの開発は試行錯誤の連続であり、熱風エンジンが産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造されました。数千台が製造されました。
商業メーカー
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、他の商業的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駆動用エンジン（1876-1883年）。[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[13]
- WHベイリー社、サルフォード。家庭用水の汲み上げと厩舎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・アンド・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デラメーター社、デラメーター鉄工所、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ールデン。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-
熱力学サイクル
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。これらのプロセスは、以下のいずれかです。
- 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（定圧）
- 等尺性/等容積性過程（定容）
- 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。
| サイクル | 圧縮、1→2 | 熱の加算、2→3 | 拡張、3→4 | 熱遮断、4→1 | 注記 |
|---|---|---|---|---|---|
| 電力サイクルは通常、外燃機関またはヒートポンプサイクルで行われます。 | |||||
| ベル・コールマン | 断熱的 | 等圧 | 断熱的 | 等圧 | 逆ブレイトンサイクル |
| カルノー | 等エントロピー | 等温 | 等エントロピー | 等温 | カルノー熱機関 |
| エリクソン | 等温 | 等圧 | 等温 | 等圧 | 1853年の2番目のエリクソンサイクル |
| ランキン | 断熱的 | 等圧 | 断熱的 | 等圧 | 蒸気機関 |
| 吸湿性 | 断熱的 | 等圧 | 断熱的 | 等圧 | |
| スクデリ | 断熱的 | 可変圧力 と容量 | 断熱的 | 等容積 | |
| スターリング | 等温 | 等容積 | 等温 | 等容積 | スターリングエンジン |
| マンソン | 等温 | 等容積 | 等温 | 等容積、次に断熱 | マンソンエンジンとマンソン・ギーズエンジン |
| ストッダード | 断熱的 | 等圧 | 断熱的 | 等圧 | |
| 内燃機関による通常の動力サイクル： | |||||
| アトキンソン | 等エントロピー | 等容積 | 等エントロピー | 等容積 | V 1 < V 4という点でオットーサイクルと異なります。 |
| ブレイトン | 断熱的 | 等圧 | 断熱的 | 等圧 | ラムジェット、ターボジェット、プロペラ、シャフトエンジン。元々は往復動エンジン用に開発されました。このサイクルの外燃式バージョンは、 1833年の最初のエリクソンサイクルとして知られています。 |
| ディーゼル | 断熱的 | 等圧 | 断熱的 | 等容積 | ディーゼルエンジン |
| ハンフリー | 等エントロピー | 等容積 | 等エントロピー | 等圧 | シュクラムジェット、パルスおよび連続デトネーションエンジン |
| レノア | 等容積 | 断熱的 | 等圧 | パルスジェット。1→2は排熱と圧縮の両方を実現します。元々は往復エンジン用に開発されました。 | |
| オットー | 等エントロピー | 等容積 | 等エントロピー | 等容積 | ガソリンエンジン |
さらに別の例としては、ヴュイユミエサイクルがあります。 [17]
参照
参考文献
- ^ 「19世紀の熱気エンジンに関する調査」hotairengines.org。
- ^ Robert Sier (1999).熱風熱量エンジンとスターリングエンジン. 第1巻, 歴史(第1版 (改訂)). LA Mair. ISBN 0-9526417-0-4。
- ^ 「ケイリーの生涯と航空エンジン」hotairengines.org。
- ^ 「エリクソンの生涯と航空エンジン」hotairengines.org。
- ^ 「スターリングの生涯と空気エンジン」hotairengines.org。
- ^ 「アモントンの火の輪」hotairengines.org .
- ^ 351ページ。
- ^ Robert Sier (1999).熱風熱量エンジンとスターリングエンジン. 第1巻, 歴史, 56ページ(第1版 (改訂)). LA Mair. ISBN 0-9526417-0-4。
- ^ “スターリングエンジンの歴史”. 2009年9月20日時点のオリジナルよりアーカイブ。2007年7月9日閲覧。
- ^ 書籍『熱風熱量エンジンとスターリングエンジン。第1巻、歴史』の詳細な内容
- ^ Finkelstein, T; Organ, AJ (2001).第2.2章 空気エンジン. Professional Engineering Publishing. ISBN 1-86058-338-5。
- ^ 「広告」『Friend of India and Statesman』1877年11月30日、4ページ。
- ^ 「広告」、フィールド、1896年3月14日、64ページ。
- ^ 「広告」、フィールド、1886年7月10日、64ページ。
- ^ 「広告」.ウィドネス・エグザミナー. 1887年12月3日. p. 4.
- ^ 「広告」、フィールド、1901年1月26日、59ページ。
- ^ Wurm, Jaroslav (1991). 『スターリング・ヒートポンプとヴィユミエ・ヒートポンプ：設計と応用』McGraw-Hill. ISBN 0-07-053567-1。
外部リンク
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- 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パイオニア（希望する経歴を選択してください）
- 熱差別化法のための装置 ヴィユミエ特許
- 19世紀の熱気エンジンに関する調査
