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スターリングエンジン(Stirling engine) は、シリンダー内のガス(もしくは空気等)を外部から加熱・冷却して仕事を得る外燃機関。スコットランドの牧師ロバート・スターリングが1816年に発明した。熱交換をすることによってカルノーサイクルと同じ理論効率となる。

◆ 概要

スターリングエンジンは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。また、同様に運動エネルギーを熱エネルギーに変換する事もできる。熱エネルギーを運動エネルギーに変換する効率はカルノーサイクルを超える事は出来ないが、スターリングエンジンによる熱エネルギーからの変換効率はカルノーサイクルに最も近い。

◆ 特徴

熱エネルギーから運動エネルギーに高効率で変換できる。また、その逆も同様に高効率で変換できる。多種多様な熱源を利用できる。負荷追従性に劣る(急激な負荷変動に弱い)。内燃機関のような爆発がないので作動が静粛である。

◆ 経緯

1816年、スコットランドの牧師であり、発明家であるロバート・スターリングによって発明された。それまでにもホットエアエンジンと称する機関は存在した。スターリングエンジンという呼称が当初から広く使われていたわけではない。

フィリップス社では当初、製品であるMP1002CAの取り扱い説明書では空気機関と称している。スターリング自身は特許の書類上では「Heat Economiser(熱節約装置)」と称している。1818年に揚水用のポンプを技術者である兄弟のジェームズと開発した。

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だった。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。これはガソリンエンジンと異なり、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ためである。

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、実用化はされなかった。

◆ 熱源の多様性

スターリングエンジンの理想気体における熱効率はカルノーサイクルのそれと同じく

:

である。つまり、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。

外燃機関であるために熱源を選ばないという特長があるが、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、低温側の温度に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、そうりゅう型に搭載されている。

熱源として、太陽熱や地熱、放射性同位体の核分裂により発生する熱や内燃機関等の廃熱等も利用できる。体温程度の低温度差でも作動する。

温度差から運動エネルギーを取り出すだけでなく、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、赤外線設備の冷却などに利用されている。

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。

◆ 関連項目

・非大気依存推進

・外燃機関

・理想気体

◆ 外部リンク

・[外部リンク] 日本スターリングエンジン普及協会

・[外部リンク] スターリングエンジンて何?

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・スターリングエンジン page1