スターリングエンジンて何?

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1.スターリングエンジンはなぜ動く?

@気体を加熱したり、冷却したり

 気体は温めれば膨張し、冷やせば収縮します。この膨張・収縮で物を動かすなどの仕事をさせれば熱機関になります。ところが、容器ごと素早く加熱したり冷却したりするのは、なかなか難しいことです。

A素速く加熱・冷却する工夫

 そこで考え出されたのがディスプレーサです。

 右図のように、容器の一端を熱し続け、反対側は冷やし続けることにします。容器の中には、ディスプレーサピストンというものを置きます。ピストンといっても容器とピストン壁の間には隙間があります。
 このピストンを右や左に動かすと、ピストンとケースとの隙間を通って気体は左や右に移動します。

  (右図)…ボタンをクリックして、ディプレーサピストンを動かしてみよう。

      ←→

 

 ディスプレーサピストンを右に動かした時、気体は左側の高温部に流れ込み、高温の壁で温められるので膨張。出力ピストンは伸びます。

 逆に、左に動かした時は、気体は右側の低温部に流れ込み、壁に冷やされて縮むわけです。

 このようにしてディスプレーサは、気体の素早い加熱・冷却によって、気体に膨張・収縮を素早く行わせます。

 

B自力で動き続けるためのしくみ…スターリングエンジンの完成

☆機械リンク型スターリングエンジン

クランク機構を使って、出力ピストンの往復運動を、回転運動に変換しましょう。フライホィールとは「はずみ車」のことです。これがあると、回転の急な加速や減速を妨げ、回転をなめらかにします。

手をタイミング良く動かすと、フライホィールは回りつづけます。

 

 ディスプレーサを手で動かすかわりに、フライホィールに取り付けたクランクで動かすようにします。そうすると、エンジンは自力で動き続けます。

 ディスプレーサと出力ピストンの動きにはタイミングのズレ(位相差)があります。 

速度

☆フリーピストン型スターリングエンジン

 クランク機構などの機械じかけを使わずにディスプレーサを動かす方法も考え出されました。

ビール式 (1964 William Beale)

中身の気体の圧力の変化でディスプレーサを動かします。バネAとバネBを調節して振動の速さを合わせる必要があります。

図をクリックするとアニメーション(animationGIF)がスタート

小林式(2001)

出力ピストンを固定すると、エンジン容器の方が動きます。容器全体が振動すると、それに対する衝突と慣性によってディスプレーサピストンが往復運動をします。

図をクリックすると
アニメーション(animationGIF)がスタートします。

 

 

2.古いけれど、未来のエンジン

 1816年、スコットランドの牧師、ロバート・スターリングは当時、全盛であった蒸気機関に対抗して、新しい熱機関を発明しました。高圧の蒸気ボイラーが爆発する事故をしばしば引き起こしていた蒸気機関に対して、低圧空気を使うスターリングエンジンは爆発の危険性がないことで、注目を集め、たくさん生産されました。
 数十年後、ガソリンエンジンやディーゼルエンジンが発明されてからは、スターリングエンジンは動力の主流でなくなりました。しかし、その後も、研究は続けられ、原理的に高い熱効率も実証されました。
 近年、省エネルギー、石油以外のエネルギー利用を目的とした研究の中で、スターリングエンジンの研究はさらに発展しました。

3.未来のエンジンと言われるわけ

静かなエンジン
  車やバイクのエンジンは爆発音のために騒音が発生します。そのため、消音マフラーや遮音材などの工夫をしていますが、完全に消すことは出来ません。スターリングエンジンは爆発音が発生しないので、きわめて静かです。

原理的に高効率
 熱エネルギーの何%を仕事に変えられるか、という値が熱効率です。スターリングエンジンは爆発を行わずスムーズに気体を変化させるので、原理的に非常に熱効率の高いエンジンです。企業が実際に試作した際のデータでも、ディーゼルエンジン並みの熱効率がすでに得られています。

排気ガスがクリーン
 ガソリンやディーゼルの内燃機関は燃料と空気を混ぜて、密室で爆発させるため、高温高圧下で様々な化合物が生じてしまい、窒素酸化物(NOx)をはじめ有害な成分が排気ガスに含まれてしまいます。スターリングエンジンでは、燃料を使う場合でも爆発によって発生する有害成分は出ません。静かに燃焼させクリーンな排ガスを得ることが可能です。

熱源を選ばない
 スターリングエンジンは温度差を作り出せば動くので、バイオマスなどのあらゆる可燃物、地熱、太陽熱など、色々な熱源の利用が可能です。
 また、設計によって数十度、あるいは数度の温度差でも動く低温度差型のエンジンを製作することが出来ます。温排水などの現在捨てられている熱を利用する方法の一つになります。

 

 

4.スターリングエンジンの技術的課題

重さ大きさ(比出力)
 
気体の熱膨張・熱収縮を利用するのですから、たくさんの仕事をさせるために必要な気体の量は多くなります。したがって、どうしても出力の割に大型なエンジンになってしまいます。このことは初期のスターリングエンジンがガソリンエンジンなどの手軽な内燃機関に押されてしまった原因の一つです。
 現在では、中身の作動気体として大気圧の空気ではなく、ヘリウムガス等を高圧で詰め込み、この問題を解決できる事が知られています。しかし、それに伴って、気体漏れなどの新たな問題点も生まれます。

気体シールの難しさ
 ヘリウムガスなどを使用する理由は、軽い分子(小さな分子)の方が熱の伝わる速度が速いためです。また、ピストンの力は気体の圧力に比例して大きくなるので、気体をたくさん詰め込み、高圧(10気圧〜100気圧程度)にしています。こうして、小型でも出力の大きなスターリングエンジンを作ることが出来ます。
 しかし、スターリングエンジンは気体を気密に保ったままで膨張・収縮を行なわなければなりません。小さな分子の気体はせまい隙間を通過して漏れやすいのです。そういう気体を高圧に詰め込んで高レベルな気密を保ちながら、ピストンや出力軸を摩擦なく動かすようにすることは、非常に難しい技術になります。

 

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