スターリングエンジンはどのように動作するのでしょうか?

スターリング エンジンは熱エンジンの一種で、1816 年に最初に成功した設計の特許を取得したスコットランドの発明家ロバート スターリングにちなんで名付けられました。このエンジンは気体または液体の周期的な圧縮と膨張で動作し、熱エネルギーを機械的仕事に変換します。スターリング エンジンの仕組みを簡単に説明すると、次のようになります。

1. クローズドサイクル :スターリング エンジンは蒸気エンジンとは異なり、閉サイクルで動作します。つまり、作動流体 (通常は空気やヘリウムなどの気体) がエンジン内に封入され、逃げることなく一連のプロセスを経ます。

2. 加熱と冷却のプロセス :エンジンは、高温シリンダーと低温シリンダーの 2 つのシリンダーで構成されています。高温のシリンダー内では、作動流体が外部熱源によって加熱され、ガス分子がより速く移動して膨張します。冷たいシリンダー内では作動流体が冷却され、ガス分子の速度が低下して収縮します。

3. 再生器 :高温シリンダーと低温シリンダーの間には、熱を蓄える多孔質材料である蓄熱体と呼ばれるコンポーネントがあります。作動流体が高温シリンダーから低温シリンダーに移動する際、再生器を通過し、その熱の一部が材料に伝達されます。同様に、作動流体が低温シリンダーから高温シリンダーに戻る際、再生器から熱を吸収し、外部熱源から必要な熱量が減少します。

4. 拡張と圧縮 :加熱および冷却のプロセスにより作動流体が膨張および収縮し、エンジンのピストンを駆動します。作動流体が高温のシリンダー内で膨張すると、ピストンが外側に押し出され、動力が発生します。作動流体が冷たいシリンダー内で収縮すると、ピストンが内側に移動してガスを圧縮します。

5. 発電 ：ピストンの往復運動はクランクシャフトを介して回転運動に変換され、発電や機械的仕事に利用できます。

スターリング エンジンは、太陽、バイオマス、産業プロセスからの廃熱など、さまざまな熱源で動作できる熱力学的に効率的なエンジンです。しかし、他の内燃機関に比べて設計が複雑でコストが比較的高いため、商用利用は限られています。それにもかかわらず、これは熱機関技術のユニークで興味深い例です。