写真提供：American Stirling Companyこのエンジンは、手の熱だけで作動します。エンジンの写真をご覧ください。
スターリングエンジンは、車の内燃エンジンとは大きく異なる熱機関です。 1816年にロバートスターリングによって発明されたスターリングエンジンは、ガソリンエンジンやディーゼルエンジンよりもはるかに効率的である可能性があります。しかし今日、スターリングエンジンは、潜水艦やヨット用の補助発電機など、静かな動作が重要となる非常に特殊な用途でのみ使用されています。スターリングエンジンのマスマーケットアプリケーションは成功していませんが、非常に強力な発明家が取り組んでいます。
スターリングエンジンはスターリングサイクルを使用します 、これは内燃機関で使用されるサイクルとは異なります。
- スターリングエンジン内で使用されるガスがエンジンから出ることはありません。ガソリンエンジンやディーゼルエンジンのように高圧ガスを排出する排気バルブはなく、爆発も起こりません。このため、スターリングエンジンは非常に静かです。
- スターリングサイクルは外部熱源を使用します。外部熱源は、ガソリンから太陽エネルギー、腐敗した植物によって生成される熱まで、何でもかまいません。エンジンのシリンダー内では燃焼は起こりません。
スターリングエンジンを組み立てる方法は何百もあります。この記事では、スターリングサイクルについて学び、このエンジンの2つの異なる構成がどのように機能するかを確認します。
コンテンツ スターリングサイクル ディスプレーサタイプのスターリングエンジン - 2ピストンスターリングエンジン
- スターリングエンジンが一般的ではないのはなぜですか？
>スターリングサイクル
スターリングエンジンの主な原理は、一定量のガスがエンジン内に密封されることです。 。スターリングサイクルには、エンジン内のガスの圧力を変化させてエンジンを作動させる一連のイベントが含まれます。
スターリングエンジンの動作に重要なガスのいくつかの特性があります：
- 一定の空間に一定量のガスがあり、そのガスの温度を上げると、圧力が上昇します。
- 一定量のガスがあり、それを圧縮する（その空間の体積を減らす）と、そのガスの温度が上昇します。
簡略化されたスターリングエンジンを見ながら、スターリングサイクルの各部分を見ていきましょう。私たちの簡略化されたエンジンは2つのシリンダーを使用しています。一方のシリンダーは外部の熱源（火など）によって加熱され、もう一方のシリンダーは外部の冷却源（氷など）によって冷却されます。 2つのシリンダーのガス室は接続されており、ピストンは、相互にどのように動くかを決定するリンケージによって機械的に相互に接続されています。
スターリングサイクルには4つの部分があります。上のアニメーションの2つのピストンは、サイクルのすべての部分を実行します。
- 加熱されたシリンダー（左）内のガスに熱が加えられ、圧力が発生します。これにより、ピストンが強制的に下降します。これは、作業を行うスターリングサイクルの一部です。
- 左ピストンが上に移動し、右ピストンが下に移動します。これにより、高温のガスが冷却されたシリンダーに押し込まれ、ガスが冷却源の温度まで急速に冷却され、圧力が低下します。これにより、サイクルの次の部分でガスを圧縮しやすくなります。
- 冷却されたシリンダー（右）のピストンがガスの圧縮を開始します。この圧縮によって生成された熱は、冷却源によって除去されます。
- 右ピストンが上に移動し、左ピストンが下に移動します。これにより、ガスが加熱されたシリンダーに押し込まれ、そこで急速に加熱されて圧力が発生し、その時点でサイクルが繰り返されます。
スターリングエンジンは、サイクルの最初の部分でのみ動力を供給します。スターリングサイクルの出力を上げるには、主に2つの方法があります。
- ステージ1で出力を上げる -サイクルのパート1では、ピストンを押す加熱ガスの圧力が仕事を実行します。サイクルのこの部分で圧力を上げると、エンジンの出力が上がります。圧力を上げる1つの方法は、ガスの温度を上げることです。この記事の後半で2ピストンスターリングエンジンを見ると、再生器と呼ばれるデバイスがどのようになっているのかがわかります。 一時的に熱を蓄えることで、エンジンの出力を向上させることができます。
- ステージ3で電力使用量を減らす -サイクルのパート3では、ピストンはパート1で生成された電力の一部を使用してガスの仕事を実行します。サイクルのこの部分で圧力を下げると、サイクルのこの段階で使用される出力を減らすことができます（エンジンの出力を効果的に上げることができます）。圧力を下げる1つの方法は、ガスをより低い温度に冷却することです。
このセクションでは、理想的なスターリングサイクルについて説明しました。実際に動作するエンジンは、設計上の物理的な制限により、サイクルがわずかに異なります。次の2つのセクションでは、いくつかの異なる種類のスターリングエンジンを見ていきます。ディスプレーサタイプのエンジンはおそらく最も理解しやすいので、そこから始めましょう。
特別な感謝
この記事を手伝ってくれたAmericanStirlingCompanyのBrentVanArsdellに特に感謝します。
>ディスプレーサタイプのスターリングエンジン
ディスプレーサタイプのエンジンは、ピストンが2つではなく、ピストンが1つとディスプレーサが1つあります。 ディスプレーサ ガス室がいつ加熱され、いつ冷却されるかを制御するのに役立ちます。このタイプのスターリングエンジンは、教室でのデモンストレーションで使用されることがあります。キットを購入して自分で作成することもできます！
上記のエンジンを実行するには、温度差が必要です。 大きなシリンダーの上部と下部の間。この場合、手の温度と周囲の空気の差でエンジンを動かすことができます。
このページの図では、2つのピストンを見ることができます：
- パワーピストン -これはエンジン上部の小さいピストンです。これは、エンジン内のガスが膨張するにつれて上昇する、しっかりと密閉されたピストンです。
- ディスプレーサ -これは図面の大きなピストンです。このピストンはシリンダー内で非常に緩んでいるため、ピストンが上下に移動するときに、エンジンの加熱部分と冷却部分の間を空気が簡単に移動できます。
ディスプレーサは上下に動き、エンジン内のガスが加熱されているか冷却されているかを制御します。 2つのポジションがあります：
- ディスプレーサが大きなシリンダーの上部近くにある場合、エンジン内のガスの大部分は熱源によって加熱され、膨張します。エンジン内部に圧力がかかり、パワーピストンが押し上げられます。
- ディスプレーサが大きなシリンダーの底の近くにあるとき、エンジン内のほとんどのガスは冷えて収縮します。これにより圧力が低下し、パワーピストンが下に移動してガスを圧縮しやすくなります。
エンジンはガスを繰り返し加熱および冷却し、ガスの膨張と収縮からエネルギーを抽出します。
次に、2ピストンスターリングエンジンを見てみましょう。
> 2ピストンスターリングエンジン
このエンジンでは、加熱されたシリンダーは外部の炎によって加熱されます。冷却されたシリンダーは空冷式であり、冷却プロセスを支援するためにフィンが付いています。各ピストンから生じるロッドは小さなディスクに接続され、ディスクは大きなフライホイールに接続されます。これにより、エンジンによって電力が生成されていないときにピストンが動き続けます。
炎は継続的に下部シリンダーを加熱します。
- サイクルの最初の部分で圧力が発生し、ピストンが左に移動して作業が行われます。冷却されたピストンは、回転の方向が変わるポイントにあるため、ほぼ静止したままです。
- 次の段階では、両方のピストンが動きます。加熱されたピストンが右に移動し、冷却されたピストンが上に移動します。これにより、ほとんどのガスが再生器を通過します。 そして冷却されたピストンに。再生器は一時的に熱を蓄えることができる装置です-それは加熱されたガスが通過するワイヤーのメッシュであるかもしれません。金網の大きな表面積は、ほとんどの熱をすばやく吸収します。これにより、冷却フィンによって除去される熱が少なくなります。
- 次に、冷却されたシリンダーのピストンがガスの圧縮を開始します。この圧縮によって生成された熱は、冷却フィンによって除去されます。
- サイクルの最後のフェーズでは、両方のピストンが移動します。つまり、冷却されたピストンが下に移動し、加熱されたピストンが左に移動します。これにより、ガスは再生器を横切って（前のサイクルでそこに蓄えられた熱を吸収します）、加熱されたシリンダーに押し込まれます。この時点で、サイクルが再開されます。
スターリングエンジンのマスマーケットアプリケーションがまだないのはなぜか疑問に思われるかもしれません。次のセクションでは、この理由のいくつかを見ていきます。
>スターリングエンジンが一般的ではないのはなぜですか？
スターリングエンジンを、ほとんどの車やトラックを含む多くのアプリケーションでの使用に実用的でないものにする重要な特性がいくつかあります。
熱源が外部にあるため 、エンジンがシリンダーに加えられる熱量の変化に反応するのに少し時間がかかります-熱がシリンダー壁を通ってエンジン内のガスに伝導されるのに時間がかかります。これは次のことを意味します：
- エンジンが有用な出力を生成する前に、エンジンがウォームアップするのに少し時間がかかります。
- エンジンは出力をすばやく変更できません。
これらの欠点は、車の内燃エンジンに取って代わるものではないことを保証するものです。ただし、スターリングエンジンを搭載したハイブリッド車は実現可能かもしれません。
スターリングエンジンと関連トピックの詳細については、次のページのリンクを確認してください。
初版：2001年5月4日
スターリングエンジンに関するFAQ
スターリングエンジンは何に使用されますか？
スターリングエンジンを使用する方法は何百もあります。現在、スターリングエンジンは、潜水艦やヨット用の補助発電機など、特殊な用途でのみ使用されています。
スターリングエンジンが使用されないのはなぜですか？
スターリングエンジンのマスマーケットアプリケーションはまだ成功していません。
スターリングエンジンで何に動力を供給できますか？
スターリングエンジンはさまざまな方法で使用できます。それらは通常潜水艦やヨットに見られますが、おもちゃ、薪ストーブ、冷暖房システムなどにも使用できます。
スターリングエンジンとはどのような種類のエンジンですか？
スターリングエンジンは、内燃エンジンで使用されるサイクルとは異なり、スターリングサイクルを使用します。スターリングサイクルは外部熱源を使用します。外部熱源は、ガソリンから太陽エネルギー、腐敗した植物によって生成される熱まで、何でもかまいません。エンジンのシリンダー内では燃焼は起こりません。
スターリングエンジンはどのくらいの時間稼働できますか？
スターリングエンジンは何年も稼働することができます。
>その他の情報
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