スターリングエンジン

スターリングエンジンのシンプルさを示す模型。蒸気機関や内燃機関とは異なり、バルブやタイミングトレインを備えていない。熱源（図示なし）は真鍮シリンダーの下に設置される。

スターリングエンジンは、空気やその他のガス（作動流体）を異なる温度にさらすことで周期的な膨張と収縮によって作動する熱機関であり、その結果、熱エネルギーが機械的仕事に変換されます。[ 1 ] [ 2 ]

より具体的には、スターリングエンジンは、永久的に気体作動流体を使用する閉サイクル再生型熱機関です。ここで言う閉サイクルとは、作動流体がシステム内に永久的に封じ込められた熱力学システムを意味します。再生型とは、再生器と呼ばれる特殊な内部熱交換器と蓄熱器の使用を指します。厳密に言えば、再生器を備えているかどうかが、スターリングエンジンを他の閉サイクル熱風エンジンと区別するものです。[ 3 ]

スターリングエンジンでは、作動流体（例えば空気）がエンジン内部空間（シリンダー）の外部から供給されるエネルギーによって加熱されます。作動流体が膨張すると、ディスプレーサーに連結されたピストンによって機械的仕事が抽出されます。ディスプレーサーは作動流体をエンジン内の別の場所に移動し、そこで冷却されます。これにより作動シリンダーに部分的な真空状態が生じ、より多くの機械的仕事が抽出されます。ディスプレーサーは冷却された作動流体をエンジンの高温部に戻し、サイクルが継続されます。

ユニークな特徴は再生器です。再生器は、熱をヒートシンクに放出するのではなく、機械内部に保持することで一時的な蓄熱器として機能し、効率を高めます。

熱は外部から供給されるため、エンジンの高温部分は外部熱源で温めることができます。同様に、エンジンの低温部分は流水や空気流などの外部ヒートシンクで保温できます。ガスはエンジン内に恒久的に保持されるため、ヘリウムや水素など、最適な特性を持つガスを使用できます。吸気も排気もないため、機械は実質的に無音です。

この機械は可逆性があり、シャフトを外部電源で回転させると、機械全体に温度差が生じ、ヒートポンプとして機能します。

スターリングエンジンは、 1816年にスコットランド人のロバート・スターリング[ 4 ]によって蒸気機関に対抗する産業用原動機として発明されましたが、その実用化は1世紀以上にわたって主に低出力の家庭用に限られていました。[ 5 ]

再生可能エネルギー、特に太陽エネルギーへの最近の投資により、集光型太陽熱発電やヒートポンプとしての応用が進んでいます。

歴史

ロバート・スターリングが1816年に出願した、後にスターリングエンジンとして知られることになる空気エンジン設計の特許出願のイラスト

初期の熱気エンジン

ロバート・スターリングは、 1699年に最初の実用的な熱気エンジンを作ったギヨーム・アモントン[ 6 ]などの初期の革新者とともに、熱気エンジンの父の一人と考えられています。[ 7 ]

アモントンの次にはジョージ・ケイリー卿が続いた。[ 8 ]このエンジンのタイプは、火が囲まれ、火格子の下に送り込まれた空気が燃焼を維持するのに十分な量で供給されるタイプであり、空気の大部分は火の上に入り、加熱され膨張する。そして、その全体が燃焼生成物とともにピストンに作用し、作動シリンダーを通過する。動作は単純な混合のみであるため、金属の加熱面は必要なく、加熱される空気が直接火に接触する。

スターリングは1816年に最初の空気エンジンを発明しました。[ 9 ]スターリング空気エンジンの原理は、ジョージ・ケイリー卿（1807年）の原理とは異なります。ケイリー卿の原理では、空気は炉に強制的に送り込まれて排気されますが、スターリングのエンジンでは空気は閉回路内で作動します。発明者はこの点に最も注力しました。

1818年にエアシャーの採石場で水を汲み上げるために製造された2馬力（1.5kW）のエンジンは、しばらく稼働を続けましたが、不注意な作業員がヒーターを過熱させてしまいました。この実験により、発明者は得られる作動圧力が低いため、当時需要がなかった低出力にしかエンジンを適合させることができないことを知りました。

スターリングの1816年の特許[ 10 ]もまた、再生器の前身となる「エコノマイザー」に関するものでした。この特許（#4081）では、「エコノマイザー」技術と、その技術を応用できるいくつかの用途について説明されています。これらの技術から、熱風エンジンの新しい構成が生まれました。

スターリングは1827年に兄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。[ 11 ]彼らは設計を反転させて、ディスプレイサーの熱い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を約20標準気圧（2,000 kPa）に加圧できるようにしました。

スターリング兄弟のすぐ後（1828年）にはパーキンソン＆クロスリー[ 12 ]、そして1829年にはアーノット[ 13 ]が続いた。

エリクソン[ 14 ]を含むこれらの先駆者たちは、熱気エンジン技術と、蒸気エンジンに対するその大きな利点を世界にもたらしました。それぞれが独自の技術を持っていましたが、スターリングエンジンとパーキンソン＆クロスリーエンジンは非常に似ていましたが、ロバート・スターリングは再生器を発明したことで際立っていました。

パーキンソンとクロスリーは、大気よりも密度の高い空気を利用するという原理を考案し、同じ範囲でより強力なエンジンを実現しました。ジェームズ・スターリングもこのアイデアを踏襲し、有名なダンディーエンジンを開発しました。[ 15 ]

1827年のスターリング特許は、1840年のスターリング第三特許の基礎となった。[ 16 ] 1827年の特許からの変更点は小さいが重要なものであり、この第三特許がダンディーエンジンの誕生につながった。[ 17 ]

ジェームズ・スターリングは1845年に土木技術者協会に自作のエンジンを提出した[ 18 ]。これはこの種のエンジンとしては最初のもので、様々な改良を経て効率的に製造され、加熱も可能となった。シリンダーの直径は30センチメートル（12インチ）、ストローク長は60センチメートル（2フィート）、1分間に40ストローク（40回転）を回転させた。このエンジンはダンディー鋳造会社の工場にあるすべての機械を8ヶ月から10ヶ月間動かし、1分間に32万キログラム（70万ポンド）の重量を60センチメートル（2フィート）持ち上げる能力があることが以前に確認されていた。これは約16キロワット（21馬力）の出力である。ダンディー鋳造会社は、この動力では作業に不十分であると判断し、シリンダー径40センチメートル（16インチ）、ストローク1.2メートル（4フィート）、1分間に28ストロークの2台目のエンジンを建設しました。このエンジンは2年以上連続運転され、鋳造所の作業を極めて満足のいく形でこなしただけでなく、（3台目のムーバーに摩擦ブレーキを取り付けて）約687トン（ 150万ポンド）、約34キロワット（45馬力）の重量を持ち上げられるというテストも実施されました。

発明と初期の開発

スターリングエンジン（当時はスターリングの空気エンジンと呼ばれていた）は1816年に発明され、特許を取得しました。[ 19 ]これはそれ以前の空気エンジン製作の試みに倣ったものでしたが、おそらく実用化された最初のエンジンは1818年にスターリングが製作したエンジンが採石場で水を汲み上げるために使用されたことです。[ 20 ]スターリングの最初の特許の主な対象は熱交換器で、彼は様々な用途で燃料効率を高めることから「エコノマイザー」と呼んでいました。この特許では、彼独自の密閉サイクル空気エンジン設計におけるエコノマイザーの一形態の採用についても詳細に説明されており、[ 21 ]現在では一般的に「再生器」として知られている用途です。その後、ロバート・スターリングと彼の弟で技術者のジェームズが開発を進め、加圧を含む様々な改良型エンジンの特許を取得。1843年までにダンディーの鉄工所のすべての機械を動かすのに十分な出力を実現した。[ 22 ]

1845年6月にジェームズ・スターリングが土木技術者協会に提出した論文では、彼の目的は燃料を節約するだけでなく、当時の蒸気機関に代わるより安全な代替手段を作ることだったと述べられている。当時の蒸気機関のボイラーは頻繁に爆発し、多くの死傷者を出していた。[ 23 ] [ 24 ] [ 25 ]しかし、これには異論がある。[ 26 ]

スターリングエンジンは、出力と効率を最大限に高めるために非常に高温で作動させる必要があったため、当時の材料の限界が露呈し、初期に製造された数少ないエンジンは、許容できないほど頻繁に故障した（ボイラーの爆発ほど悲惨な結果ではなかったが）。[ 27 ]例えば、ダンディー鋳造所のエンジンは、4年間で3回の高温シリンダー故障が発生した後、蒸気エンジンに置き換えられた。[ 28 ]

19世紀後半

ライダー・エリクソン・エンジン社による19世紀後半から20世紀初頭にかけての典型的な揚水エンジン

ダンディー鋳造所のエンジンが置き換えられた後、スターリング兄弟が空気エンジンの開発に関与したという記録はなく、スターリングエンジンが産業規模の動力源として蒸気と競合することは二度となかった（蒸気ボイラーはより安全になり、蒸気エンジンはより効率的になったため、ライバルの原動機にとっての標的とはなりにくくなった）。しかし、1860年頃から、教会のオルガンへの空気の汲み上げや揚水など、低～中出力の信頼性の高い動力源が求められる用途向けに、スターリング/熱風式の小型エンジンが大量に生産されるようになった。[ 29 ]

これらの小型エンジンは、利用可能な材料に負担をかけないように、一般的に低温で作動するため、比較的効率が低かった。蒸気エンジンとは異なり、火を扱うことができる人なら誰でも安全に操作できることがセールスポイントだった。1906年のライダー・エリクソン・エンジン社のカタログには、「庭師や一般家庭の人でも、これらのエンジンを操作でき、資格や経験豊富な技術者は不要」と謳われていた。いくつかのタイプは19世紀末まで生産が続けられたが、いくつかの小さな機械的改良を除けば、スターリングエンジンの設計は全体としてこの時期に停滞した。[ 30 ]

20世紀の復興

フィリップス MP1002CA スターリング発電機（1951年製）

20世紀初頭、スターリングエンジンは「家庭用モーター」としての役割を担っていましたが[ 31 ] 、徐々に電気モーターや小型内燃機関に取って代わられました。1930年代後半には、スターリングエンジンはほとんど忘れ去られ、玩具用や小型換気扇用にのみ生産されていました[ 32 ] 。

フィリップス MP1002CA

当時、フィリップスは、電力網やバッテリーが安定的に供給されていない地域へのラジオ販売拡大を目指していました。経営陣は、低出力のポータブル発電機を提供することで販売を促進できると判断し、アイントホーフェンにある同社の研究所のエンジニアグループに、この目標を達成するための代替手段の評価を依頼しました。様々な原動機を体系的に比較した結果、チームはスターリングエンジンの採用を決定しました。その理由として、その静かな動作音（音と無線干渉の両方において）と、様々な熱源で動作できること（「安価でどこでも入手できる」一般的なランプオイルが好まれました）を挙げました。[ 33 ]また、蒸気機関や内燃機関とは異なり、スターリングエンジンについては長年にわたり本格的な開発が行われていなかったことを認識しており、現代の材料とノウハウによって大幅な改良が可能になると主張しました。[ 34 ]

1951年までに、MP1002CAと呼ばれる180/200W発電機セット（通称「バンガローセット」）の生産準備が整い、最初のロットは250台が予定されていましたが、すぐに競争力のある価格で製造できないことが明らかになりました。さらに、トランジスタラジオの登場と消費電力の大幅な削減により、このセットの当初の目的は消え去りました。最終的に約150台が生産されました。[ 35 ]一部は世界中の大学や工科大学に導入され、何世代にもわたる学生たちにスターリングエンジンの貴重な入門を提供しました。1961年3月、ロンドンWC1のResearch and Control Instruments Ltd.からノースデボン工科大学に宛てた手紙には、「残りの在庫を…貴社のような機関に…特別価格75ポンドで提供します」と書かれていました。

バンガローセットと並行して、フィリップスは様々な用途に向けた実験的なスターリングエンジンを開発し、1970年代後半までこの分野で研究を続けましたが、商業的な成功を収めたのは「逆スターリングエンジン」と呼ばれる極低温冷凍機でした。同社は多数の特許を申請し、豊富な情報を蓄積しました。これらの情報は他社にライセンス供与され、現代の開発作業の多くを支える基盤となりました。[ 36 ]

潜水艦の使用

1996年、スウェーデン海軍はゴトランド級潜水艦3隻を就役させた。水上ではこれらの潜水艦は船舶用ディーゼルエンジンで推進するが、潜水時にはスウェーデンの造船会社コックムス社が開発したスターリング駆動発電機を使用してバッテリーを充電し、推進用の電力を供給する。[ 37 ]ディーゼル燃料の燃焼をサポートしてエンジンに動力を供給するため、液体酸素が搭載されている。スターリングエンジンは、スウェーデンのセーデルマンランド級潜水艦、シンガポールで運用されているアーチャー級潜水艦、日本のそうりゅう級潜水艦にも搭載されており、エンジンは川崎重工業でライセンス生産されている。潜水艦に応用された場合、スターリングエンジンは運転中に非常に静かであるという利点がある。

21世紀の発展

21世紀に入ると、スターリングエンジンは集光型太陽光発電システムの皿型に利用されるようになりました。大型の衛星放送受信アンテナに似た鏡面皿が太陽光を集光器に導き、集熱器が熱を吸収・集熱し、流体を介してスターリングエンジンに伝達します。この機械動力は発電機または交流発電機を駆動し、発電に利用されます。[ 38 ]

マイクロコージェネレーション（CHP）ユニットの中核部品は、同等の蒸気エンジンよりも効率が高く安全性の高いスターリングサイクルエンジンで構成できます。2003年までに、家庭用発電機などの家庭用アプリケーションにCHPユニットが商業的に導入されるようになりました。[ 39 ]

2013年には、6つの特性無次元群に基づくフリーピストンスターリングエンジンのスケーリング則に関する論文が発表された。[ 40 ] 2025年のScience Advancesの記事では、研究者らが地球の周囲放射を利用してスターリングエンジンで機械的動力を生成する方法を検討し、温室内の循環管理や住宅内の温度調節におけるこの方法の有用性を実証した。[ 41 ]

名称と分類

スターリングエンジンの稼働

ロバート・スターリングは1816年に密閉サイクル熱風エンジンの最初の実用例の特許を取得しました。そして、フリーミング・ジェンキンは早くも1884年に、この種のエンジンはすべてスターリングエンジンと総称すべきだと提案しました。この命名案はあまり支持されず、市場に出回った様々なタイプのエンジンは、ライダー、ロビンソン、ハインリツィ（熱風）エンジンなど、それぞれの設計者や製造業者の名前で知られ続けました。 1940年代、フィリップス社は、その時点で空気以外の作動流体でテストされていた「空気エンジン」の独自のバージョンに適切な名前を探しており、1945年4月にスターリングエンジンに決定しました。 [ 42 ]しかし、約30年後、グラハムウォーカーは、熱風エンジンなどの用語がスターリングエンジンと互換性があり、それ自体が広く無差別に適用されたという事実を嘆く理由がありました。 [ 43 ]この状況は今日まで続いています。[ 44 ]

蒸気機関と同様に、スターリングエンジンは伝統的に外燃機関に分類されます。これは、作動流体との間の熱伝達がすべて固体境界（熱交換器）を介して行われるため、燃焼プロセスとそれによって発生する汚染物質がエンジンの作動部品から隔離されるためです。これは、作動流体内での燃料の燃焼によって熱が入力する内燃機関とは対照的です。スターリングエンジンの多様な実装形態のほとんどは、往復ピストンエンジンのカテゴリーに分類されます。

理論

理想的なスターリング サイクルの圧力/体積グラフ。

理想的なスターリング サイクルは、作動流体に作用する 4 つの熱力学プロセスで構成されます。

  1. 等温膨張。膨張空間と関連する熱交換器は一定の高温に維持され、ガスは高温源から熱を吸収しながらほぼ等温膨張します。
  2. 定容（等容または等容積とも呼ばれる）熱除去。ガスは再生器を通過し、そこで冷却され、次のサイクルで使用するために再生器に熱が伝達されます。
  3. 等温圧縮。圧縮空間と関連する熱交換器は一定の低温に維持されるため、ガスはほぼ等温圧縮され、熱はコールドシンクに放出されます。
  4. 定容（等容または等容積とも呼ばれる）加熱付加。ガスは再生器に戻り、プロセス2で伝達された熱の大部分を回収し、膨張空間へ向かう途中で加熱されます。

理想的で最大効率のスターリングエンジンでは、熱貯蔵器への熱の流入と流出の比が理想的なカルノーサイクルの効率となります。これはカルノー効率であり、低温貯蔵器と高温貯蔵器のケルビン温度の比です。理想的で最大効率のカルノーサイクルでは、等容積（一定容積）が断熱（熱伝達がないため、正味の熱伝達はゼロ）に置き換えられます。理想的なスターリングサイクルでは、温度が上昇する等容積区間で流入した熱はすべて、温度が低下する等容積区間で放出されます（正味の熱伝達はゼロ）。

エンジンは、作動ガスが通常、エンジンのより冷たい部分で圧縮され、より熱い部分で膨張するように設計されており、その結果、熱が仕事に正味変換されます。[ 2 ]内部の再生熱交換器により、この機能のないより単純な熱風エンジンと比較して、スターリングエンジンの熱効率が向上します。

スターリングエンジンは、高温端と低温端の温度差を利用して、一定量のガスを加熱・膨張させ、冷却・圧縮するサイクルを形成し、熱エネルギーを機械エネルギーに変換します。高温源と低温源の温度差が大きいほど、熱効率は高くなります。理論上の最大効率はカルノーサイクルの効率に相当しますが、実際のエンジンの効率は摩擦などの損失によりこの値よりも低くなります。

スターリングエンジンは密閉サイクルであるため、「作動流体」と呼ばれる一定量のガス（通常は空気、水素、またはヘリウム）が封入されています。通常動作では、エンジンは密閉されており、ガスの出入りはありません。他のピストンエンジンとは異なり、バルブは不要です。スターリングエンジンは、ほとんどの熱機関と同様に、冷却、圧縮、加熱、膨張という4つの主要プロセスを循環します。これは、高温熱交換器と低温熱交換器の間をガスが往復移動することによって実現され、多くの場合、加熱器と冷却器の間に再生器が配置されます。高温熱交換器は、燃料バーナーなどの外部熱源と熱的に接触し、低温熱交換器は、エアフィンなどの外部ヒートシンクと熱的に接触します。ガス温度の変化は、それに応じてガス圧力の変化を引き起こし、ピストンの動きによってガスは膨張と圧縮を繰り返します。

気体は、気体の圧力、温度、体積の関係を規定する気体法則に従って挙動します。気体が加熱されると（密閉されたチャンバー内にあるため）、圧力が上昇し、この圧力がパワーピストンに作用してパワーストロークが発生します。気体が冷却されると圧力が低下し、この低下により、戻りストロークでピストンがガスを圧縮するために必要な仕事量が減少します。このストローク間の仕事量の差が、正味の正の出力を生み出します。

ピストンの片側が大気に開放されている場合、動作は若干異なります。密閉された作動ガスが高温側と接触すると膨張し、ピストンと大気の両方に仕事を行います。作動ガスが低温側と接触すると、その圧力は大気圧より低くなり、大気がピストンを押し、作動ガスに仕事を行います。

コンポーネント

菱形駆動ベータ構成スターリングエンジン設計の断面図:
  1: 高温のシリンダー壁
  2: 冷たいシリンダー壁
  3: 冷却剤入口および出口パイプ
  4: 2つのシリンダー端を隔てる断熱材
  5:ディスプレーサーピストン
  6: パワーピストン
  7: リンケージクランクとフライホイール
図示されていないもの：熱源とヒートシンク。この設計では、ディスプレーサーピストンは専用の再生器なしで構築されています。

閉サイクル運転のため、スターリングエンジンを駆動する熱は、熱源から熱交換器を介して作動流体へ、そして最終的にヒートシンクへと伝達される必要があります。スターリングエンジンシステムは、少なくとも1つの熱源、1つのヒートシンク、そして最大5つの熱交換器で構成されています。一部の機種では、これらの熱交換器を組み合わせたり、一部を省略したりしています。

熱源

スペインのアルメリア太陽広場(PSA)にある、中心にスターリング エンジンと太陽追跡装置を備えた点焦点パラボラ鏡。

熱源は燃料の燃焼によって供給され、燃焼生成物は作動流体と混合せず、したがってエンジンの内部部品と接触しないため、スターリングエンジンは、従来のエンジンでは研磨性の二酸化ケイ素を堆積させる可能性のあるシロキサンを含む可能性のある埋立地ガスなど、他のタイプのエンジンの内部部品を損傷する燃料で動作することができます。[ 45 ]

その他の適切な熱源としては、集光太陽熱エネルギー、地熱エネルギー、原子力エネルギー、廃熱、バイオエネルギーなどが挙げられます。太陽エネルギーを熱源として使用する場合は、通常の太陽光反射鏡や太陽光皿を利用できます。フレネルレンズや反射鏡の使用も、例えば惑星表面探査などで推奨されています。[ 46 ]太陽光発電スターリングエンジンは、環境に配慮した発電方法であるため人気が高まっており、開発プロジェクトにおいては経済的なメリットも期待できます。[ 47 ]

熱交換器

スターリングエンジンの熱交換器の設計は、高い熱伝達と低い粘性ポンプ損失、そして低いデッドスペース（掃引されない内部容積）のバランスをとることが重要です。高出力・高圧で動作するエンジンでは、高温側の熱交換器は高温でも十分な強度を維持し、腐食やクリープを起こさない合金で作られている必要があります。

小型で低出力のエンジンでは、熱交換器は単に高温室と低温室の壁だけで構成されますが、より大きな出力が求められるエンジンでは、十分な熱を伝達するためにより大きな表面積が必要になります。典型的な実装としては、高温側には内外のフィン、または複数の小口径チューブが使用され、低温側には液体（水など）を用いた冷却器が用いられます。

再生器

スターリングエンジンにおいて、再生器は内部熱交換器であり、高温空間と低温空間の間に配置された一時的な熱貯蔵庫です。作動流体はまず再生器を一方向に通過し、次に反対方向に通過することで、一方向の流体から熱を奪い、反対方向に戻します。再生器は金属メッシュや発泡体のような単純なものでもよく、大きな表面積、高い熱容量、低い伝導率、低い流動摩擦といった利点があります。[ 48 ]その機能は、最大サイクル温度と最小サイクル温度の中間の温度で環境と交換されるはずの熱をシステム内に保持することです。 [ 49 ]これにより、サイクルの熱効率（ただし、実用的なエンジンの熱効率ではありません[ 50 ]）を限界カルノー効率に近づけることができます。

スターリングエンジンにおける再生の主な効果は、本来であればエンジンを不可逆的に通過してしまう内部熱を「リサイクル」することで熱効率を向上させることです。副次的な効果として、熱効率の向上により、所定の温水側および冷水側の熱交換器からの出力が向上します。これらの熱交換器は通常、エンジンの熱スループットを制限します。しかし実際には、再生器に固有の「デッドスペース」（掃引されない空間）とポンピング損失によって、再生による潜在的な効率向上が減少するため、この追加出力は十分に発揮されない可能性があります。

スターリングエンジンの再生器の設計上の課題は、内部容積（「デッドスペース」）や流動抵抗を過度に増加させることなく、十分な熱伝達能力を確保することです。これらの固有の設計上の矛盾は、実用的なスターリングエンジンの効率を制限する多くの要因の一つです。典型的な設計は、デッドスペースを減らすために多孔度を低くした細い金属ワイヤーメッシュを積み重ね、ワイヤーの軸をガスの流れに対して垂直にすることで、その方向への伝導を低減し、対流による熱伝達を最大化します。[ 51 ]

再生器はロバート・スターリングによって発明された重要な部品であり、その存在こそが真のスターリングエンジンを他の閉サイクル熱風エンジンと区別するものです。多くの小型の「おもちゃ」スターリングエンジン、特に低温差型（LTD型）は、明確な再生器部品を備えておらず、熱風エンジンと見なされることもあります。しかし、ディスプレーサー自体の表面と近くのシリンダー壁、あるいはアルファ構成エンジンの高温シリンダーと低温シリンダーを結ぶ通路によって、少量の再生が行われます。

ヒートシンク

スターリングエンジンの高温部と低温部の温度差が大きいほど、エンジンの効率は向上します。ヒートシンクは通常、エンジンが稼働する周囲温度です。中出力から高出力のエンジンの場合、エンジンの熱を外気へ伝達するためにラジエーターが必要です。船舶用エンジンは、海水、湖水、河川水などの冷たい水を利用できるという利点があり、これらの水は通常、外気よりも低温です。熱電併給システムの場合、エンジンの冷却水は直接的または間接的に暖房に利用され、効率が向上します。

あるいは、熱は周囲温度で供給され、極低温流体（液体窒素の経済性を参照）や氷水など の手段によってヒートシンクはより低い温度に維持される。

ディスプレイサー

ディスプレーサは特別な目的のピストンで、ベータ型およびガンマ型のスターリングエンジンで、作動ガスを高温と低温の熱交換器の間で往復移動させます。エンジン設計のタイプによって、ディスプレーサはシリンダーに密閉されている場合とされていない場合があります。つまり、シリンダー内にゆるくフィットしていて、作動ガスが移動してシリンダーのその部分を占有するときに、ディスプレーサの周りを通過できるようにします。アルファ型エンジンは高温側に高い応力がかかるため、その側にハイブリッドピストンを使用し始めた発明者はほとんどいません。ハイブリッドピストンには、通常のアルファ型エンジンのように密閉された部分がありますが、その周りのシリンダーよりも直径が小さいディスプレーサ部分が接続されています。圧縮比は元のアルファ型エンジンよりも少し小さくなりますが、密閉部分の応力係数はかなり低くなっています。

構成

スターリング エンジンには、熱い領域と冷たい領域の間で空気を移動させる方法によって、主に 3 つの種類があります。

  1. アルファ構成には 2 つのパワーピストンがあり、1 つはホットシリンダーに、もう 1 つはコールドシリンダーにあります。ガスはピストンによって 2 つのシリンダー間で駆動されます。通常は、ピストンがクランクシャフトの同じポイントで結合された V 字型の構成になっています。
  2. ベータ構成は、ホットエンドとコールドエンドを備えた単一のシリンダーで構成され、パワーピストンと、ホットエンドとコールドエンド間のガスを駆動する「ディスプレーサー」が内蔵されています。通常、ディスプレーサーとパワーピストンの位相差を実現するために菱形駆動装置と組み合わせて使用​​されますが、クランクシャフト上で90度位相をずらして接続することもできます。
  3. ガンマ構成には 2 つのシリンダーがあります。1 つはホット エンドとコールド エンドを備えたディスプレーサーを内蔵し、もう 1 つはパワー ピストン用です。これらのシリンダーは 1 つのスペースを形成するように結合されているため、シリンダーの圧力は均等になります。ピストンは通常は平行になっており、クランクシャフト上で 90 度位相がずれて結合されています。

アルファ

アルファ型スターリングエンジン。2つのシリンダーがあり、膨張シリンダー（赤）は高温に保たれ、圧縮シリンダー（青）は冷却されます。2つのシリンダー間の通路には再生器が設置されています。

アルファスターリングエンジンには、2つのパワーピストンが別々のシリンダー内にあり、1つはホットシリンダー、もう1つはコールドシリンダーです。ホットシリンダーは高温熱交換器内に、コールドシリンダーは低温熱交換器内にあります。このタイプのエンジンは出力対容積比が高いですが、ホットピストンは通常高温であり、シールの耐久性に技術的な問題があります。[ 52 ]実際には、このピストンには通常、デッドスペースを増やす代わりにシールをホットゾーンから遠ざけるための大きな断熱ヘッドが付いています。クランク角度は効率に大きな影響を与え、最適な角度は実験的に見つけなければならないことがよくあります。90°の角度ではロックすることがよくあります。

このプロセスを 4 つのステップで説明すると次のようになります。

  1. 作動ガスの大部分は高温シリンダー内にあり、高温シリンダーの壁との接触面積が広くなります。その結果、ガス全体が加熱され、圧力が上昇して膨張します。高温シリンダーは最大容積、低温シリンダーは中間ストローク（部分容積）にあるため、低温シリンダーへの膨張によってシステムの容積が増加します。
  2. システムは最大容積に達し、より多くのガスが冷たいシリンダーと接触します。これによりガスが冷却され、圧力が低下します。フライホイールの運動量、または同一シャフト上の他のピストンペアの影響により、熱いシリンダーが上昇ストロークを開始し、システムの容積が減少します。
  3. ほぼすべてのガスが冷たいシリンダーに入り、冷却が継続します。これによりガスの圧力が低下し続け、収縮が起こります。熱いシリンダーの容積は最小で、冷たいシリンダーの容積は最大であるため、冷たいシリンダーが内側に圧縮されることで、システムの容積はさらに減少します。
  4. システムの容積は最小となり、ガスは高温シリンダーとより多く接触します。システムの容積は高温シリンダーの膨張によって増加します。

ベータ

ベータ型スターリングエンジンは、シリンダーが1つしかなく、片側が高温、もう片側が低温です。ゆるくフィットするディスプレーサーが、シリンダーの高温端と低温端の間で空気の流れを切り替えます。シリンダーの開放端にあるパワーピストンがフライホイールを駆動します。

ベータスターリングには、ディスプレーサピストンと同じシリンダー内に、同じシャフト上にパワーピストンが1つ配置されている。ディスプレーサピストンはゆるみ嵌め込み式で、膨張するガスから動力を取り出すことはなく、高温熱交換器と低温熱交換器の間で作動ガスを往復させる役割のみを果たす。作動ガスがシリンダーの高温端に押し出されると膨張し、パワーピストンを押し出す。作動ガスがシリンダーの低温端に押し出されると収縮し、通常はフライホイールによって増幅される機械の運動量によってパワーピストンが反対方向に押し出され、ガスが圧縮される。アルファ型とは異なり、ベータ型ではパワーピストンが高温ガスと接触しないため、高温可動シールの技術的問題を回避できる。[ 53 ]

  1. パワーピストン (濃い灰色) がガスを圧縮し、ディスプレーサーピストン (薄い灰色) が移動して、ガスの大部分が高温の熱交換器に隣接します。
  2. 加熱されたガスの圧力が上昇し、パワーピストンをパワーストロークの最限界まで押し上げます。
  3. ディスプレーサーピストンが動き、ガスをシリンダーの冷たい端に送ります。
  4. 冷却されたガスはフライホイールの運動量によって圧縮されます。冷却されると圧力が低下するため、エネルギー消費量は少なくなります。

その他のタイプ

水平ピストンを駆動する2つの回転式ディスプレーサーを上から見た図。再生器と放熱器は分かりやすくするために省略されている。

その他のスターリング構成も、エンジニアや発明家の関心を集め続けています。

  • ロータリースターリングエンジンは、ロータリー燃焼エンジンと同様に、スターリングサイクルからの動力を直接トルクに変換することを目指しています。実用的なエンジンはまだ製造されていませんが、クアジタービンエンジンなど、多くのコンセプト、モデル、特許が開発されています。[ 54 ]
  • ピストンとロータリー構造を組み合わせたものが、複動式エンジンです。この設計では、パワーピストンの両側にあるディスプレーサーが回転します。このレイアウトは、伝熱面積の大きな設計自由度を実現するだけでなく、出力軸の外部シールとピストンの内部シールをそれぞれ1つだけ残すことなく、両側を高圧にすることができます。また、両側のシールが互いにバランスしているため、高圧にすることができます。
  • もう一つの選択肢は、フルイダインエンジン（またはフルイダインヒートポンプ）です。これは、油圧ピストンを用いてスターリングサイクルを実行します。フルイダインエンジンによって生み出される仕事は、液体のポンプ送りに使われます。最もシンプルな形態では、エンジンには作動ガス、液体、そして2つの逆止弁が含まれています。
  • 1907年に発表されたリングボムエンジンのコンセプトには、ディスプレーサー用の回転機構やリンケージは存在しません。代わりに、ディスプレーサーは小型の補助ピストン（通常は太いディスプレーサーロッド）によって駆動され、その動きはストッパーによって制限されます。[ 55 ] [ 56 ]
  • エンジニアのアンディ・ロスは、特殊なヨークを使用して接続された2気筒スターリングエンジン（90°ではなく0°に配置）を発明しました。[ 57 ]
  • フランショーエンジンは、19世紀にシャルル＝ルイ＝フェリックス・フランショーによって発明された複動式エンジンである。複動式エンジンでは、作動流体の圧力がピストンの両側に作用する。複動式エンジンの最も単純な形態の一つであるフランショーエンジンは、2つのピストンと2つのシリンダーで構成され、2つの独立したアルファマシンのように動作する。フランショーエンジンでは、各ピストンが2つのガス相で作動するため、単動式アルファマシンよりも機械部品を効率的に使用できる。しかし、このエンジンの欠点は、片方のコネクティングロッドにエンジンの高温側で摺動シールを設ける必要があり、高圧・高温下ではシールが困難であるという点である。[ 58 ]

フリーピストンエンジン

さまざまなフリーピストン スターリング構成... F.「フリー シリンダー」、G. フルイダイン、H.「複動型」スターリング (通常 4 シリンダー)。

フリーピストン型スターリングエンジンには、液体ピストンを使用するものと、ダイヤフラムをピストンとして使用するものがあります。フリーピストン型スターリングエンジンでは、電気式リニアオルタネーター、ポンプ、またはその他の同軸装置によってエネルギーを増減できます。これにより、リンケージが不要になり、可動部品の数を削減できます。一部の設計では、非接触ガスベアリングや平面ばねによる非常に精密なサスペンションを使用することで、摩擦と摩耗をほぼ排除しています。

フリーピストン スターリング エンジンのサイクルの 4 つの基本的なステップは次のとおりです。

  1. パワーピストンは膨張したガスによって押し出され、それによって仕事を行います。このサイクルにおいて重力は影響しません。
  2. エンジン内のガス容積が増加し、圧力が低下するため、ディスプレーサーロッド両端の圧力差がディスプレーサーを高温側へ押し進めます。ディスプレーサーが移動すると、ピストンはほぼ静止するため、ガス容積はほぼ一定になります。このステップにより定容冷却プロセスが発生し、ガスの圧力が低下します。
  3. 圧力の低下によりピストンの外向きの動きが停止し、ピストンは再び高温端に向かって加速し始め、自身の慣性により、主に冷たい空間にある冷たいガスを圧縮します。
  4. 圧力が上昇するにつれ、ディスプレーサーロッドを挟む圧力差が大きくなり、ディスプレーサーロッド（ひいてはディスプレーサーも）がピストンに向かって押し出され始めるまでになります。これにより、コールドスペースが潰れ、圧縮された冷たいガスがほぼ一定容積でホットサイドへと移動します。ガスがホットサイドに到達すると、圧力が上昇し、ピストンが外側へ移動し始め、(1)で説明したように膨張段階が開始されます。

1960年代初頭、オハイオ州アセンズにあるオハイオ大学のウィリアム・T・ビールは、クランク機構の潤滑の難しさを克服するために、スターリングエンジンのフリーピストンバージョンを発明しました。[ 59 ]基本的なフリーピストンスターリングエンジンの発明は一般的にビールによるものとされていますが、同様のタイプのエンジンは英国AEREのハーウェル研究所のEHクック・ヤーボローとC・ウェストによって独立して発明されました。[ 60 ] G.M.ベンソンも初期の重要な貢献をし、多くの斬新なフリーピストン構成の特許を取得しました。[ 61 ] [ 62 ]

自由ピストン型スターリングサイクル装置に関する最初の記録は、1876年の英国特許公開である[ 63 ]。この装置は冷蔵庫（すなわち、逆スターリングサイクル）として構想された。自由ピストン型スターリング装置を採用した最初の消費者製品は、日本のツインバード社が製造し、2004年に米国でコールマン社が販売したポータブル冷蔵庫であった。

水平対向エンジン

フラット スターリング エンジンの断面図: 10: 高温シリンダー。11: 高温シリンダーの A 容積。12: 高温シリンダーの B 容積。17: 高温ピストン ダイアフラム。18: 加熱媒体。19: ピストン ロッド。20: 低温シリンダー。21: 低温シリンダーの A 容積。22: 低温シリンダーの B 容積。27: 低温ピストン ダイアフラム。28: 冷却媒体。30: 作動シリンダー。31: 作動シリンダーの A 容積。32: 作動シリンダーの B 容積。37: 作動ピストン ダイアフラム。41: A 容積の再生器の質量。42: B 容積の再生器の質量。48: 蓄熱装置。50: 断熱材。60: 発電機。63: 磁気回路。64: 電気巻線。

フラット型複動スターリングエンジンの設計では、ディスプレイサーの熱いピストンと冷たいピストンの領域が異なるという事実を利用して、ディスプレイサーの駆動を解決します。

この駆動は機械的な伝達機構を一切使用せずに行われます。ダイヤフラムを使用することで摩擦がなくなり、潤滑剤も不要になります。

ディスプレーサーが作動しているとき、発電機は作動ピストンを限界位置に保持し、エンジンの作動サイクルを理想的なスターリングサイクルに近づけます。フラット設計の採用により、熱交換器の面積と機械容積の比率が向上します。

作動シリンダーのフラットな設計により、膨張と圧縮の熱プロセスが等温プロセスに近づきます。

欠点は、温かい空間と冷たい空間の間に断熱材の面積が広いことです。[ 64 ]

熱音響サイクル

熱音響装置はスターリング装置とは大きく異なりますが、作動ガス分子が移動する個々の経路は真のスターリングサイクルに従います。このような装置には、熱音響エンジンや熱音響冷凍機などがあります。高振幅の音響定在波は、スターリングパワーピストンと同様に圧縮と膨張を引き起こし、位相のずれた音響進行波は、スターリングディスプレーサーピストンと同様に温度勾配に沿った変位を引き起こします。そのため、熱音響装置には通常、ベータスターリングやガンマスターリングに見られるようなディスプレーサーは備えていません。

その他の展開

NASAは、太陽系外への長期ミッションのために、原子核崩壊加熱スターリングエンジンを検討している。 [ 65 ] 2018年、NASAと米国エネルギー省は、KRUSTYと呼ばれる新しいタイプの原子炉のテストに成功したと発表した。KRUSTYは「Kilopower Reactor Using Stirling TechnologY」の略で、深宇宙船や探査機、太陽系外惑星のキャンプに電力を供給できるように設計されている。[ 66 ]

ケーブル通信技術者協会（SCTE）が主催する2012年のケーブルテック・エキスポで、ディーン・ケイメン氏はタイム・ワーナー・ケーブルの最高技術責任者マイク・ラジョイ氏とともに壇上に立ち、彼の会社デカ・リサーチとSCTEによる新たな取り組みを発表しました。ケイメン氏はこれを「スターリングエンジン」と呼んでいます。[ 67 ] [ 68 ]

最小のスターリングエンジンは、シュトゥットガルト大学の2人のドイツ人科学者によって開発されました。このエンジンは、ミクロン単位の長さで動作します。[ 69 ] [ 70 ]

運用上の考慮事項

非常に小型のスターリングエンジンのコンプレッサーとディスプレイサーが動作している様子を示すビデオ

サイズと温度

0.5 K ほどの温度差でも動作する非常に低出力のエンジンが作られている。[ 71 ]ディスプレーサ型スターリングエンジンには、ピストンとディスプレーサが 1 つずつある。エンジンを動作させるには、大きなシリンダーの上部と下部の間に温度差が必要である。低温度差(LTD) スターリングエンジンの場合、手と周囲の空気との温度差でエンジンを動作させることができる。[ 72 ]ディスプレーサ型スターリングエンジンのパワーピストンはしっかりと密閉されており、内部のガスが膨張すると上下に動くように制御される。対照的に、ディスプレーサは非常に緩く取り付けられているため、ピストンが上下に動くと、エンジンの高温部分と低温部分の間を空気が自由に移動できる。ディスプレーサが上下に動くことで、ディスプレーサシリンダー内のガスのほとんどが加熱または冷却される。

スターリングエンジン、特に小さな温度差で動作するものは、発生する電力量に対して非常に大きい（つまり、比出力が低い）。これは主に気体対流の熱伝達係数によるもので、一般的な冷熱交換器で達成できる熱流束は約 500 W/(m 2 ·K) に制限され、高温熱交換器では約 500～5000 W/(m 2 ·K) に制限される。[ 73 ]内燃機関と比較すると、このことがエンジン設計者にとって作動ガスとの間で熱を移動させることをより困難にしている。熱効率のため、必要な熱伝達は温度差が小さいほど大きくなり、1 kW 出力あたりの熱交換器面積（およびコスト）は (1/ΔT) 2とともに大きくなる。したがって、温度差が非常に小さいエンジンの比コストは非常に高い。温度差や圧力が増加すると、熱交換器が熱負荷の増加に合わせて設計され、必要な対流熱流束を供給できると仮定すると、スターリング エンジンはより多くの電力を生成できます。

スターリングエンジンは瞬時に始動できません。始動には「暖機運転」が必要です。スターリングエンジンは定速エンジンとして使用するのが最適です。

スターリングエンジンの出力は一定である傾向があり、それを調整するには慎重な設計と追加の機構が必要になる場合があります。通常、出力の変更は、エンジンの排気量（多くの場合、スワッシュプレート式クランクシャフト構造を使用）を変化させるか、作動流体の量を変えるか、ピストン/ディスプレーサーの位相角を変えるか、あるいは場合によってはエンジン負荷を変えるだけで実現されます。この特性は、一定の出力が求められるハイブリッド電気推進や「ベースロード」発電においては、それほど大きな欠点にはなりません。

ガスの選択

ベンチトップスターリングエンジンの速度とパワーを示すビデオ。

水素とヘリウムは、あらゆる気体の中で最も高い熱伝導率と熱容量を有しています。空気は作動流体として有効ですが[ 74 ]、高圧の空気エンジン内の酸素は、潤滑油の爆発による致命的な事故を引き起こす可能性があります[ 75 ] 。このような事故の後、フィリップスは爆発のリスクを回避するために他のガスの使用を先駆的に進めました。

  • 水素は粘度が低く熱伝導率が高いため、最も強力な作動ガスとなっています。これは主に、エンジンが他のガスよりも高速で動作できるためです。しかし、水素の吸収と、この低分子量ガスに伴う拡散率の高さ（特に高温時）により、H 2はヒーターの固体金属を通過して漏れます。炭素鋼を通過する拡散率は高すぎて実用的ではありませんが、アルミニウムやステンレス鋼などの金属であれば、許容できるほど低い可能性があります。特定のセラミックも拡散を大幅に低減します。失われたガスを補充することなくエンジン内の圧力を維持するために、密閉圧力容器が必要です。高温度差（HTD）エンジンでは、高圧作動流体を維持するために補助システムが必要になる場合があります。これらのシステムには、ガス貯蔵ボトルやガス発生器などがあります。水素は、水の電気分解、赤熱した炭素系燃料への水蒸気の作用、炭化水素燃料のガス化、または金属に対する酸の反応によって生成できます。水素は金属の脆化を引き起こすこともあります。水素は可燃性ガスであり、エンジンから放出されると安全上の懸念があります。
  • 米国政府の研究所向けに開発されたものなど、技術的に進歩したスターリングエンジンのほとんどは、作動ガスとしてヘリウムを使用しています。これは、ヘリウムの効率と出力密度が水素に近いためであり、物質封じ込めの問題が少ないためです。ヘリウムは不活性であるため、可燃性ではありません。ヘリウムは比較的高価なため、ボンベガスとして供給する必要があります。あるテストでは、GPU-3スターリングエンジンにおいて、水素はヘリウムよりも5%（絶対値）（相対値で24%）効率的であることが示されました。[ 76 ]研究者のアラン・オーガンは、適切に設計された空気エンジンは理論的にはヘリウムエンジンや水素エンジンと同等の効率ですが、ヘリウムエンジンと水素エンジンは単位体積あたりで数倍強力であることを実証しました。
  • 一部のエンジンでは、作動流体として空気または窒素を使用します。これらのガスは出力密度がはるかに低いため（エンジンのコストが増加します）、使い勝手が良く、ガスの封じ込めと供給の問題を最小限に抑えることができます（コストを削減できます）。圧縮空気は高分圧の酸素を含んでいるため、可燃性物質や潤滑油などの物質と接触させて使用すると爆発の危険があります。しかし、酸化反応によって空気から酸素を除去するか、ほぼ不活性で非常に安全な窒素ボンベを使用することもできます。
  • その他の空気より軽いガスとしては、メタンやアンモニアなどがあります。

加圧

ほとんどの高出力スターリングエンジンでは、作動流体の最小圧力と平均圧力はどちらも大気圧よりも高くなっています。この初期のエンジン加圧は、ポンプ、圧縮ガスタンクからエンジンに流体を充填すること、あるいは平均温度が平均動作温度よりも低いときにエンジンを密閉するだけで実現できます。これらの方法はすべて、熱力学サイクルにおける作動流体の質量を増加させます。必要な熱伝達率を供給できるように、すべての熱交換器のサイズを適切に設定する必要があります。熱交換器が適切に設計され、対流熱伝達に必要な熱流束を供給できる場合、エンジンは、ウェスト数とビール数によって予測されるように、最初の近似で平均圧力に比例した出力を生成します。実際には、最大圧力も圧力容器の安全圧力に制限されます。スターリングエンジン設計のほとんどの側面と同様に、最適化は多変量であり、しばしば相反する要件があります。[ 73 ]加圧の難しさは、出力が向上する一方で、必要な熱が増加電力に比例して増加することです。この熱伝達は加圧によってますます困難になります。圧力が増加するとエンジンの壁の厚さも増加しなければならなくなり、その結果、熱伝達に対する抵抗も増加するからです。

潤滑剤と摩擦

熱電併給用途向けの、55kW の電気出力を備えた最新のスターリング エンジンと発電機のセットです。

高温高圧下では、空気加圧クランクケース内や熱風エンジンの作動ガス内の酸素がエンジンの潤滑油と結合して爆発する可能性がある。このような爆発で少なくとも1人が死亡している。[ 75 ]潤滑剤は熱交換器、特に再生器を詰まらせることもある。これらの理由から、設計者は、特に摺動シールには、可動部品への垂直抗力が低い、潤滑されていない低摩擦係数の材料（ルーロンやグラファイトなど）を好む。設計によっては、密閉ピストンにダイヤフラムを使用することで、摺動面を完全に回避している。これらは、スターリングエンジンが内燃機関よりもメンテナンス要件が少なく、寿命が長い要因の一部である。

効率

理論上の熱効率は理想的なカルノーサイクルの熱効率、すなわちあらゆる熱機関で達成可能な最高効率に等しい。しかし、この理論は一般原理を説明する上で有用であるものの、実際のスターリングエンジンは理想から大きく逸脱している。[ 77 ] [ 78 ]多くの工学熱力学の標準的な書籍でこの理論が無差別に使用されていることが、スターリングエンジン全体の研究に悪影響を及ぼしているとの議論もある。[ 79 ] [ 80 ]

スターリングエンジンは、内燃機関に典型的な総合効率を達成することができず、主な制約は熱効率です。内燃機関では、短時間で温度が約1,500～1,600℃（2,730～2,910℉）に達するため、熱力学サイクルの平均熱供給温度は、どのスターリングエンジンでも達成できる温度よりも高くなります。スターリングエンジンのように、伝導によってこれほど高温の熱を供給することは不可能です。なぜなら、これほど高温の燃焼熱を伝導する材料は、膨大な熱損失と材料の熱変形に関連する問題なしには存在しないからです。

スターリングエンジンは静粛運転が可能で、ほぼあらゆる熱源を利用できます。熱エネルギーは、オットーサイクルエンジンやディーゼルサイクルエンジンのように内燃機関によって生成されるのではなく、スターリングエンジンの外部で生成されます。このタイプのエンジンは現在、マイクロコージェネレーション（CHP）ユニットの中核コンポーネントとして注目を集めており、同等の蒸気エンジンよりも効率的で安全です。[ 81 ] [ 82 ]しかし、出力重量比が低いため、[ 83 ]スペースと重量がそれほど重要でない静的設備での使用に適しています。

その他の現実世界での課題は、対流熱伝達と粘性流（摩擦）の限界により、実際のエンジンの効率を低下させます。また、実用的な機械的な考慮事項もあります。たとえば、理想的なサイクルを再現するために必要なより複雑なメカニズムよりも、単純な運動学的リンクが好まれる場合があります。また、作動ガスの非理想的な特性、熱伝導率、引張強度、クリープ、破断強度、融点など、利用可能な材料によって課される制限もあります。よく生じる疑問は、等温膨張と圧縮を伴う理想的なサイクルが、実際にスターリングエンジンに適用する正しい理想的なサイクルであるかどうかです。CJ Rallis教授は、膨張空間と圧縮空間が等温挙動に近づくような条件を想像するのは非常に難しく、これらの空間を断熱的であると想像する方がはるかに現実的であると指摘しています。[ 84 ]膨張空間と圧縮空間が断熱的であり、等温熱交換器と完全再生が考慮されている理想的な解析がラリスによって解析され、スターリング機械のより理想的な基準として提示された。彼はこのサイクルを「擬似スターリングサイクル」または「理想断熱スターリングサイクル」と呼んだ。この理想的なサイクルの重要な結論は、カルノー効率を予測できないことである。この理想的なサイクルのさらなる結論は、低圧縮比で最大効率が得られることであり、これは実際の機械で観察される特性である。T.フィンケルシュタインも独立した研究で、スターリング機械の解析において断熱膨張空間と圧縮空間を仮定した。[ 85 ]

理想的なスターリングサイクルは、他の熱機関と同様に、現実世界では実現不可能です。スターリングエンジンの効率は環境温度にも左右されます。気温が低いほど効率が高くなるため、温暖な地域ではこのタイプのエンジンはあまり魅力的ではありません。他の外燃機関と同様に、スターリングエンジンは燃料の燃焼以外の熱源も利用できます。例えば、太陽光発電式スターリングエンジンの様々な設計が開発されています。

内燃機関との比較

内燃機関とは対照的に、スターリングエンジンは再生可能熱源をより容易に利用でき、より静かで信頼性が高く、メンテナンスの手間も少ないという利点があります。これらの独自の利点が重視される用途、特に単位出力あたりの資本コストよりも単位エネルギーあたりのコストが重視される場合に、スターリングエンジンは好まれます。この点を踏まえると、スターリングエンジンは約100kW（130馬力）までコスト競争力があります。[ 86 ]

同じ出力定格の内燃機関と比較すると、スターリングエンジンは現在、資本コストが高く、通常は大きくて重い。しかし、ほとんどの内燃機関よりも効率的である。[ 87 ]メンテナンス要件が低いため、全体的なエネルギーコストは同程度である。熱効率も同程度であり (小型エンジンの場合)、15% ～ 30% の範囲である。[ 86 ]マイクロ CHPなどの用途では、スターリングエンジンは内燃機関よりも好ましい場合が多い。他の用途には、水ポンプ、宇宙飛行、太陽エネルギーや農業廃棄物などのバイオマス、家庭ごみなどのその他の廃棄物など、内燃機関と互換性のない豊富なエネルギー源からの発電がある。しかし、スターリングエンジンは、単位電力あたりのコストが高く、電力密度が低いため、一般に自動車エンジンほど価格競争力がない。

基本的な解析は、閉じた形式のシュミット解析に基づいています。[ 88 ] [ 89 ]

内燃エンジンと比較したスターリングエンジンの利点は次のとおりです。

  • スターリング エンジンは、燃焼によって生成される熱源だけでなく、利用可能なあらゆる熱源で直接動作できるため、太陽熱、地熱、生物熱、原子力熱、または工業プロセスからの廃熱で動作できます。
  • 燃焼を使用して熱を供給する場合、それは連続的なプロセスになる可能性があるため、往復内燃機関の断続的な燃焼プロセスに関連する排出量を削減できます。
  • ベアリングとシールはエンジンの冷たい側に配置できるため、他の往復エンジンタイプの同等品よりも潤滑油の必要量が少なく、寿命が長くなります。
  • スターリングエンジンの機構は、他の往復動エンジンに比べていくつかの点でシンプルです。バルブは不要で、バーナーシステム（もしあれば）も比較的シンプルです。基本的なスターリングエンジンは、一般的な家庭にある材料を使って作ることができます。[ 90 ]
  • スターリングエンジンは、内部圧力を設計圧力に近い値に維持する単相作動流体を使用するため、適切に設計されたシステムであれば爆発のリスクは低くなります。一方、蒸気エンジンは気液二相作動流体を使用するため、過圧安全弁の故障は爆発を引き起こす可能性があります。
  • 低い作動圧力で作動するため軽量シリンダーの使用が可能です。
  • 潜水艦の空気非依存推進用に、静かに空気供給なしで作動するように製造することもできます。
  • 内燃機関は暖かいときにはすぐに始動しますが、寒いときには始動しません。これとは対照的に、エンジンは簡単に始動し（暖まった後はゆっくりですが）、寒いときには効率的に動作します。
  • 水の汲み上げに使用されるスターリングエンジンは、水が圧縮空間を冷却するように構成できます。これにより、冷水の汲み上げ効率が向上します。
  • 非常に柔軟性が高く、冬はCHP（熱電併給発電）、夏は冷房として使用できます。
  • 廃熱は簡単に回収できるため（内燃機関からの廃熱と比較して）、スターリング エンジンは熱と電力の二重出力システムに役立ちます。
  • 1986年、NASAはスターリングエンジンを開発し、シボレー・セレブリティに搭載しました。燃費は45%向上し、排出量は大幅に削減されました。加速性能（パワーレスポンス）は標準的な内燃機関と同等でした。Mod IIと名付けられたこのエンジンは、スターリングエンジンが重く、高価で、信頼性が低く、性能が低いという主張を覆しました。[ 91 ]触媒コンバーター、マフラー、頻繁なオイル交換は不要です。[ 91 ]

内燃機関と比較したスターリングエンジンの欠点は次のとおりです。

  • スターリングエンジンの設計には、熱入力用と熱出力用の熱交換器が必要であり、これらの熱交換器は作動流体の圧力を保持する必要がある。この圧力はエンジン出力に比例する。さらに、膨張側熱交換器はしばしば非常に高温になるため、材料は熱源の腐食作用に耐え、低クリープ性でなければならない。通常、これらの材料要件はエンジンのコストを大幅に増加させる。高温熱交換器の材料費と組立費は、通常、エンジン総コストの40%を占める。[ 75 ]
  • あらゆる熱力学サイクルは、効率的な動作のために大きな温度差を必要とします。外燃機関では、ヒーター温度は常に膨張温度と同等かそれ以上になります。これは、ヒーター材料に対する冶金学的要件が非常に厳しいことを意味します。これはガスタービンに似ていますが、オットーエンジンやディーゼルエンジンとは対照的です。オットーエンジンやディーゼルエンジンでは、入力熱源がエンジンを伝導しないため、膨張温度がエンジン材料の冶金学的限界をはるかに超えることがあります。そのため、エンジン材料は作動ガスの平均温度に近い温度で動作します。
  • スターリングサイクルは実際には実現不可能です。スターリングマシンの実際のサイクルは、理論上のスターリングサイクルよりも効率が低くなります。スターリングサイクルの効率は、周囲温度が穏やかな場所では低下しますが、北半球の冬のような寒冷な環境では最高の結果が得られます。
  • 廃熱の放散は、熱効率を最大化するために冷却水の温度を可能な限り低く抑える必要があるため、特に複雑です。そのためラジエーターのサイズが大きくなり、パッケージングが困難になる可能性があります。材料費と並んで、これがスターリングエンジンを自動車の原動機として採用する上での制約要因の一つとなっています。船舶推進や熱電併給発電（CHP）を利用した定置型マイクロ発電システムなどの他の用途では、高い電力密度は必要とされません。[ 39 ]

アプリケーション

SESのDish Stirling

スターリングエンジンの用途は、暖房・冷房から水中発電システムまで多岐にわたります。スターリングエンジンは、暖房または冷房用のヒートポンプとして逆方向に機能することもできます。その他の用途としては、熱電併給発電、太陽光発電、スターリング冷凍機、ヒートポンプ、船舶エンジン、低出力模型航空機エンジン、[ 92 ]、低温度差エンジンなどがあります。

参照

引用

  1. ^「スターリングエンジン」、G. ウォーカー (1980)、クラレンドン プレス、オックスフォード、1 ページ：「スターリングエンジンは、異なる温度レベルで作動流体の周期的な圧縮と膨張を伴う *閉じた* 再生熱力学サイクルで動作する機械装置です。」
  2. ^ a b W.R. マルティーニ (1983)。「スターリングエンジン設計マニュアル（第2版）」（17.9MB PDF）。 NASA。 p. ６．2009 年1 月 19 日に取得。
  3. ^ 「19世紀の熱気エンジン」hotairengines.org .
  4. ^ 「スターリングの1816年エンジン」hotairengines.org .
  5. ^ T. フィンケルスタイン; AJ オルガン (2001)、第2章と第3章
  6. ^ 「アモントンズ・ファイアーホイール」 . hotairengines.org .
  7. ^ 「 Guillaume Amontons | ホットエアエンジン」hotairengines.org .
  8. ^ 「Cayley 1807 エアエンジン」hotairengines.org .
  9. ^ 「スターリング1816熱気エンジン」hotairengines.org .
  10. ^ 「スターリング1816熱風エンジンの特許」hotairengines.org。
  11. ^ 「スターリング1827空気エンジン」hotairengines.org。
  12. ^「パーキンソン＆クロスリー熱風エンジン」hotairengines.org .
  13. ^ 「アーノットの空気エンジン」hotairengines.org .
  14. ^「エリクソン熱量エンジン」hotairengines.org .
  15. ^ 「ダンディー・スターリング・エンジン」hotairengines.org .
  16. ^ 「スターリングダンディーエンジンの特許」hotairengines.org。
  17. ^ 「ダンディー・スターリング・エンジンのレビューと議論」hotairengines.org。
  18. ^ 「1845年6月10日にジェームズ・スターリングが土木技術者協会に提出した1842年型スターリングエンジン - 全文と解説」hotairengines.org。
  19. ^ R. Sier (1999).熱風熱量エンジンとスターリングエンジン：歴史. 第1巻（第1版（改訂版））. LA Mair. ISBN 0-9526417-0-4。
  20. ^ T. フィンケルスタイン; AJ オルガン (2001)、第2章2
  21. ^ 1816年の英国特許第4081号燃料の消費を減らすための改良、特に全く新しい原理で動く機械類に適用できるエンジン。CM Hargreaves(1991) の付録 B に一部転載、R. Sier (1995) のテキスト全転写、p.
  22. ^ R. Sier (1995)、93ページ
  23. ^ Sier (1995)、92ページ。
  24. ^ A. Nesmith (1985). 「標準化に向けた長く困難な道のり」 .スミソニアン・マガジン. 2009年1月18日閲覧。
  25. ^ R. Chuse; B. Carson (1992). "1".圧力容器 ASME規格簡易版. McGraw-Hill. ISBN 0-07-010939-7。
  26. ^ AJ Organ (2008a). 「1818年とそのすべて」 . Communicable Insight . 2009年1月18日閲覧。
  27. ^ R. Sier (1995)、94ページ
  28. ^ T. フィンケルスタイン; AJ オルガン (2001)、30ページ
  29. ^ T. フィンケルスタイン; AJ オルガン (2001)、第2章4節
  30. ^ T. フィンケルスタイン; AJ オルガン (2001)、64ページ
  31. ^ T. フィンケルスタイン; AJ オルガン (2001)、34ページ
  32. ^ T. フィンケルスタイン; AJ オルガン (2001)、55ページ
  33. ^ CMハーグリーブス（1991年）、28～30ページ
  34. ^フィリップス技術評論（1947年）、第9巻第4号、97ページ。
  35. ^ CMハーグリーブス（1991）、61ページ
  36. ^ CMハーグリーブス（1991）、77ページ
  37. ^ Kockums. 「スターリングエンジン：未来のエンジン」 . 2008年8月30日時点のオリジナルよりアーカイブ。2009年1月18日閲覧。
  38. ^ 「再生可能エネルギーについて学ぶ」 NREL（国立再生可能エネルギー研究所）。2016年5月2日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2016年4月25日閲覧。
  39. ^ a b「Power from the people」 BBCニュース2003年10月31日オリジナルより2003年11月1日時点のアーカイブ。このボイラーは、1816年にスコットランドの発明家ロバート・スターリングが考案したスターリングエンジンをベースにしている。[...] この用途の専門用語は、マイクロ熱電併給発電（Micro Combined Heat and Power）またはマイクロCHPである。
  40. ^ Formosa, Fabien; Fréchette, Luc G. (2013年8月1日). 「フリーピストン・スターリングエンジン設計におけるスケーリング則：小型化の利点と課題」. Energy . 57 : 796–808 . Bibcode : 2013Ene....57..796F . doi : 10.1016/j.energy.2013.05.009 .
  41. ^ Deppe, Tristan; Munday, Jeremy (2025年11月12日). 「地球の周囲放射を利用した機械的発電」 . Science Advances . 11 (46) eadw6833. アメリカ科学振興協会. Bibcode : 2025SciA...11w6833D . doi : 10.1126/ sciadv.adw6833 . PMC 12609158. PMID 41223289 .  
  42. ^ CMハーグリーブス（1991）、第2.5章
  43. ^ G. Walker (1971). 「スターリングエンジンセミナーの講義ノート」,バース大学. 1978年再版. 1.1ページ「命名法」
  44. ^ 「前回の調査結果 – StirlingBuilder.com」 . stirlingbuilder.com . 2014年5月26日時点のオリジナルよりアーカイブ。
  45. ^ジェルジ、ドゥデク;クリメク、ピョートル。コウォジェヤク、グジェゴシュ。ニエムチェフスカ、ジョアンナ。ザレスカ＝バルトシュ、ジョアンナ（2010）。「埋立地ガスエネルギー技術」(PDF)。グローバルメタンイニシアチブ。 Instytut Nafty i Gazu / 米国環境保護庁。2015 年 7 月 25 日のオリジナルからアーカイブ(PDF) 。2015 年7 月 24 日に取得。
  46. ^ HW Brandhorst; JA Rodiek (2005). 「月面探査のための25kWソーラースターリングコンセプト」(PDF) . 国際宇宙航行連盟(編).第56回国際宇宙会議議事録. IAC-05-C3.P.05. 2012年1月7日時点のオリジナル(PDF)からアーカイブ。 2012年3月18日閲覧。
  47. ^ B. Kongtragool; S. Wongwises (2003). 「太陽光発電スターリングエンジンと低温度差スターリングエンジンのレビュー」.再生可能エネルギー・持続可能エネルギーレビュー. 7 (2): 131– 154. Bibcode : 2003RSERv...7..131K . doi : 10.1016/S1364-0321(02)00053-9 .
  48. ^ 「スターリングエンジン再生器用最適化金属フォームの製造」(PDF) 。 2014年5月26日時点のオリジナル(PDF)からアーカイブ。 2014年5月25日閲覧。
  49. ^ AJオルガン（1992年）、58ページ
  50. ^スターリングサイクルエンジン、AJ Organ（2014）、p.4
  51. ^平田耕一 (1998). 「プロトタイプエンジンの設計と製造」国立研究開発法人海上技術安全研究所. 2008年12月24日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2009年1月18日閲覧。
  52. ^ M. Keveney (2000a). 「2気筒スターリングエンジン」 . animatedengines.com . 2009年1月18日閲覧。
  53. ^ M. Keveney (2000b). 「単気筒スターリングエンジン」 . animatedengines.com . 2009年1月18日閲覧。
  54. ^クアシタービン・エージェンス. 「クアシタービン・スターリング – 熱気エンジン」 . 2009年1月18日閲覧。
  55. ^「リングボム・スターリングエンジン」、ジェームズ・R・センフト、1993年、オックスフォード大学出版局
  56. ^オシアン・リングボム（フィンランド、ボルゴ出身）「熱風エンジン」Archived 2015年10月17日 at the Wayback Machine米国特許第856,102号（出願日：1905年7月17日、発行日：1907年6月4日）。
  57. ^ 「Animated Engines」 . animatedengines.com . 2011年11月11日時点のオリジナルよりアーカイブ。
  58. ^ティエリー・ラバランド (2007). 「注出マシンの容積とピストン振動のコンセプトを確立するためのフェイサビリテの練習」(PDF)。ボルドー大学(フランス語): 12–14。2008年 12月3 日のオリジナルからアーカイブ(PDF) 。
  59. ^「フリーピストン・スターリングエンジン」、G.ウォーカー他、Springer 1985、Stirling Machine World（西オーストラリア州ウェストリッチランド）より転載
  60. ^「熱機械発電機...」、EH Cooke-Yarborough、(1967) Harwell Memorandum No. 1881および(1974) Proc. IEE、第7巻、pp. 749-751
  61. ^ GM Benson (1973). 「熱発振器」.第8回IECEC議事録. フィラデルフィア: アメリカ機械学会. pp.  182– 189.
  62. ^ GM Benson (1977). 「熱発振器」、米国特許4044558、Wayback Machineで2008年6月21日アーカイブ。1977年8月30日にNew Process Indに特許付与。
  63. ^ D. ポストル (1873). 「動物の食物を保存するための冷気の発生」、英国特許709号、1873年2月26日付与。
  64. ^「二重作用ディスプレーサと独立した温冷空間および二重作用ディスプレーサを備えた熱機関」 2015年1月14日アーカイブ、Wayback MachineにてWO/2012/062231 PCT/CZ2011/000108
  65. ^ Schimdt, George (2003年11月13日). 「新領域のためのラジオアイソトープ発電システム。新領域プログラム事前提案会議でのプレゼンテーション」(PDF) . 2006年6月16日時点のオリジナル(PDF)からアーカイブ。 2012年2月3日閲覧。
  66. ^ Brumfiel, Geoff (2018年5月3日). 「NASA​​、将来の宇宙旅行者向けに新型原子炉を試験」 . NPR .
  67. ^ Mari Silbey. 「新たな提携により、ケーブルがよりクリーンな電力供給の促進剤となる可能性」ZDNet .
  68. ^ 「DEKA研究開発 - 技術と応用 - スターリングエンジン」。2012年11月25日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2012年11月28日閲覧。
  69. ^ 「世界最小の蒸気機関がドイツで製造」 BBCニュース、2011年12月12日。 2025年5月24日閲覧。
  70. ^ Noack, Rick (2011年12月13日). 「科学者が世界最小の蒸気エンジンを開発」 . CNN . 2025年5月24日閲覧。
  71. ^「低温差圧スターリングエンジン入門」ジェームズ・R・センフト、1996年、守屋出版
  72. ^ Romanelli, Alejandro (2020). 「低温度差で動作するスターリングエンジン」. American Journal of Physics . 88 (4). American Association of Physics Teachers (AAPT): 319– 324. arXiv : 2003.07157 . Bibcode : 2020AmJPh..88..319R . doi : 10.1119/10.0000832 . ISSN 0002-9505 . S2CID 212725151 .  
  73. ^ a b A.J. Organ (1997). 『再生器とスターリングエンジン』 Wiley. pp. ??. ISBN 1-86058-010-6。
  74. ^ AJ Organ (2008b). 「なぜ空気なのか？」 Communicable Insight. 2008年12月7日時点のオリジナルよりアーカイブ。2009年1月18日閲覧。
  75. ^ a b c C.M. ハーグリーブス (1991)、p.??
  76. ^ LG Thieme (1981年6月). 「GPU-3スターリングエンジンの高出力ベースラインおよびモータリングテスト結果」(PDF) . NASA技術覚書: 23544.書誌コード: 1981ntrs.rept23544T . OSTI 6321358. 2010年5月24日時点のオリジナル(PDF)からアーカイブ。 2009年1月19日閲覧。 
  77. ^ A. Romanelli (2017). 「スターリングマシンのための代替熱力学サイクル」. American Journal of Physics . 85 (12): 926– 931. arXiv : 1704.01611 . Bibcode : 2017AmJPh..85..926R . doi : 10.1119/1.5007063 . S2CID 119090897 . 
  78. ^ A. Romanelli (2024). 「エントロピーとスターリングエンジン」. European Journal of Physics . 45 (3): 035102. Bibcode : 2024EJPh...45c5102R . doi : 10.1088/1361-6404/ad312d .
  79. ^ T. フィンケルスタイン; AJ オルガン (2001)、66ページと229ページ
  80. ^ AJ オルガン (1992)、第 3.1 章 – 3.2 章
  81. ^ AJ Organ (2007). 『エアエンジン：持続可能な未来のためのスターリングサイクル発電』 Woodhead Publishing. pp. スリーブノート. ISBN 978-1-84569-231-5。
  82. ^ F. Starr (2001). 「Power for the People: Stirling Engines for Domestic CHP」(PDF) . Ingenia (8): 27–32 . 2009年3月6日時点のオリジナル(PDF)からアーカイブ。 2009年1月18日閲覧。
  83. ^「スターリングエンジン」mpoweruk.com。
  84. ^ Rallis CJ、Urieli I.、Berchowitz DM「新しいポート付き定容外部熱供給再生サイクル」、第12回IECEC、ワシントンDC、1977年、1534～1537ページ。
  85. ^フィンケルシュタイン、T. スターリングエンジンの一般化熱力学解析。論文118B、自動車技術者協会、1960年。
  86. ^ a b WADE . 「スターリングエンジン」 . 2008年11月18日時点のオリジナルよりアーカイブ。2009年1月18日閲覧。
  87. ^クルップとホーン『地球：続編』57ページ
  88. ^ Z. Herzog (2008). 「シュミット分析」 . 2009年4月26日時点のオリジナルよりアーカイブ。2009年1月18日閲覧。
  89. ^ K. Hirata (1997). 「スターリングエンジンのシュミット理論」 . 2009年1月18日閲覧。
  90. ^ MAKE: Magazine (2006). 「2缶スターリングエンジン」 . 2012年3月18日閲覧。
  91. ^ a b Nightingale, Noel P. (1986年10月). 「自動車用スターリングエンジン：Mod II設計報告書」(PDF) . NASA技術報告書サーバー. 2017年4月29日時点のオリジナルよりアーカイブ(PDF) .
  92. ^マコナギー、ロバート (1986). 「模型飛行機用スターリングエンジンの設計」IECEC : 490–493 .

一般的な参考文献と引用文献

  • EH Cooke-Yarborough、E. Franklin、J. Geisow、R. Howlett、C. D. West (1974). 「Harwell熱機械発電機」.第9回IECEC議事録. サンフランシスコ：アメリカ機械学会. pp.  1132– 1136. Bibcode : 1974iece.conf.1132C .
  • EH Cooke-Yarborough (1970). 「熱機関」、米国特許3548589。Wayback Machineで2008年6月21日アーカイブ。1970年12月22日に英国原子力庁に付与。
  • EH Cooke-Yarborough (1967). 「熱駆動非回転式電気発電機の提案」、Harwell覚書AERE-M881。
  • T. フィンケルスタイン、AJ オルガン (2001). 『エアエンジン』 プロフェッショナル・エンジニアリング・パブリッシング. ISBN 1-86058-338-5。
  • CMハーグリーブス（1991年）『フィリップス・スターリングエンジン』エルゼビア・サイエンス社ISBN 0-444-88463-7。
  • AJ・オルガン（1992年）『スターリングサイクルマシンの熱力学と気体力学』ケンブリッジ大学出版局、ISBN 0-521-41363-X。
  • R. Sier (1995). 『ロバート・スターリング牧師伝：熱エコノマイザーとスターリングサイクルエンジンの発明者の伝記』 LA Mair. ISBN 0-9526417-0-4。

さらに読む

ウィキメディア コモンズには、スターリング エンジンに関連するメディアがあります。
「 https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=スターリングエンジン&oldid =1336438204」より取得