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Nov 18, 2008

スターリングエンジンといえば、私が大学生の頃、設計テーマのひとつとなったエンジンである。
内燃エンジンよりは、とてもシンプルで、設計しやすいエンジンだったことを思い出す。

今では、CO2削減に寄与するエンジンとして、大変注目されているようである。
某テレビでも、今朝特集されていた。

昔は、効率はいいものの、スピードや大きな出力が出ないということであきらめられていたエンジンなのであるが、近年では、コンパクト化もできるようになり、いたるところに組み入れて、補助発電なりに役立てることが考えられているらしい。

時代を経てみれば、使える、使える可能性が広がっているという点は、大変、素晴らしいことである。

時代を経て、技術も進歩したのであろうし、また、環境も前提も変化したのであろう。

今では、
・太陽光

・工場での廃熱
・至る所での廃熱
により、小型のスターリングエンジンが活躍できる時代になりつつあるようだ。

日本のCO2排出カット目標の四割をこれで担えるとの話もあるようで喜ばしい。

YouTube　スターリングエンジンで見てみれば、おおむね働き方や動き方は理解できるでありましょう。

スターリングエンジンは、古い発明ではあるが、「未来のエンジン」ともいわれている。

そのわけは・・・・
--
スターリングエンジンは
フリーピストン型ではクランク機構などを使用せず、ピストンの直線運動を直接利用しており、そのため、構造が簡単で効率ガよいし、
うまく調整すると、マグカップ一杯のお湯で、約1時間くらい（お湯の温度が50度くらいに下がるまで）運転することができる。

-原理的に高効率
　現実に存在しうる熱機関の中で最も高い効率で熱エネルギーを運動エネルギーに変換
　する事ができる。
　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。
　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

　エンジン並みの熱効率がすでに得られている。

-逆に、その逆も同様に高効率で変換できる。
　(運動エネルギーから熱エネルギーへの変換)
　運動エネルギーから温度差を作り出すことも出来るという性質を持ち、
　その性質を利用した冷凍機が既に実用化されている。
　中には到達温度100Kを切るものもあり、液体窒素冷却や、赤外線設備の冷却等
　に利用可。

-熱源を選ばない
　外燃機関であるために熱源を選ばない。多種多用な熱源を利用できる。
　熱源として、バイオマスなどのあらゆる可燃物、太陽熱や地熱、
　放射性同位体の核分裂により発生する熱など、色々な熱源の利用が可能。
　内燃機関等の廃熱等も利用できる。
　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る。
　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うる。

-静かなエンジン
　急激な負荷変動に弱いが、内燃機関のような爆発音が無く作動が静粛である。
　車やバイクのエンジンは爆発音のために騒音が発生する。
　消音マフラーや遮音材などの工夫をしているが、完全に消すことは出来ない。

-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う。
　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
　成分は出ないので、静かに燃焼させクリーンな排ガスを得ることが可能。
--

しかし、いくつかの技術的課題もあるようだ。

-重さ大きさ（比出力）
　気体の熱膨張・熱収縮を利用するので、沢山の仕事をさせるために必要な気体
　の量多く、どうしても出力の割に大型なエンジンになってしまう。
　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る。
　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ている。

-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、小さな分子の方が熱の伝わる速度が速
　いため。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）にすれば、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る。
　しかし、小さな分子の気体はせまい隙間を通過して漏れやすい。
　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、非常に難しい技術となる。

歴史を紐解いてみると、
スターリングエンジンは、1816年にスコットランドの牧師ロバート・スターリングが発明。
その後、蒸気機関の高圧化によってボイラーの爆発事故が相次いだことから安全な動力源として開発推進されたが、スターリングエンジンの効率を上げる為には高熱に耐える素材が必要であったが、当時はそのような素材は得られず充分な性能を発揮させる事が出来なかった為、やがて蒸気機関の高効率化により姿を消した。

20世紀初頭の商用電力や内燃機関が一般化するまでは、1馬力程度の動力を得るために使用されたこともあった。
第二次世界大戦中にはフィリップス社が屋外での無線用発電機としてスターリングエンジンを用いた。(ノイズ源となるスパークプラグをスターリングエンジンは持たないことかららしい)

その後、オイルショックの時や1970年代に自動車の排ガス規制が強化された時やそれ以降も自動車用エンジンとして開発されたが、近年まで実用化はされなかったようだ。

実用化の例としては、
高温側の温度が高く、低温側の温度が低いほど熱効率が高くなると同時に外燃機関であるために高温側の温度を高くしにくく、低温側の温度で熱効率が大きな影響を受ける。
そのために低温側の冷熱源に無尽蔵の海水を用いることが出来る船舶用として開発が進められた。
潜水艦ではスウェーデンのゴトランド級潜水艦に最初に搭載。
現在日本のはるしお型の練習艦あさしおに搭載し試験中。平成21年3月に海上自衛隊に配備予定の新鋭艦、そうりゅう型にも搭載されているようだ。

近年日本においても、電力会社やベンチャー企業によって、主に小型発電（バイオマス発電)としてその研究・開発が進められている。

--

とある試算では、ディーゼルエンジンの排ガスと同等の400℃以上の熱を排出する工場すべてに、こういったスターリングエンジンを用いた発電システムを設置することで削減できるCO2は、京都議定書での日本の削減目標の44.1％に及ぶという。

太陽光発電や風力発電などに加えて、この先もっと技術が進み、より低い温度での発電が可能になれば、身の回りのあらゆる熱をスターリングエンジンで電気に変えられる時代もくるかもれしない。
一家に一台、いや、家中、街中のすべての機械・機器に、スターリングエンジンが組み込まれる時代もくるかもしれませんね。

-memo-

http://www.nmri.go.jp/eng/khirata/stirling/highse/index.html
http://members.jcom.home.ne.jp/kobysh/stirling/stirlingIntro.html
http://www.conceptplus.jp/products/stirling-engine/
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%82%B9%E3%82%BF%E3%83%BC%E3%83%AA%E3%83%B3%E3%82%B0%E3%82%A8%E3%83%B3%E3%82%B8%E3%83%B3
http://members.jcom.home.ne.jp/kobysh/stirling/stirlingIndex.html#stirling%20menu
科学工作館　Original Model Stirling Engines
http://panasonic.co.jp/ism/eco/engine/index.html

外燃機関
代表的なものとして、蒸気機関・蒸気タービン・スターリングエンジンがある。
原子炉を使った原子力機関も外燃機関の一種である。

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