スターリングエンジンは、閉じ込めた気体を外部から加熱・冷却し、膨張と圧縮を繰り返して仕事を取り出す外燃機関です。この章では、理想スターリングサイクルと、実機で重要になる再生器、位相差、熱交換の制約を見ます。
スターリングサイクル
理想スターリングサイクルは、二つの等温過程と二つの等積過程からなります。
- 高温側で等温膨張
- 等積冷却
- 低温側で等温圧縮
- 等積加熱
線図では、上側の等温膨張と下側の等温圧縮が曲線になり、等積過程は縦線になります。 囲まれた面積が正味仕事です。 等温膨張では外部から熱を受け取りながら気体が仕事をし、等温圧縮では外部へ熱を捨てながら気体を押し戻します。
線図では、高温等温過程と低温等温過程が水平線になります。 理想的な再生器がある場合、等積冷却で作動気体から取り出した熱を再生器に蓄え、次の等積加熱で戻します。 外部から入れる熱は高温等温膨張の分だけになり、熱効率はカルノー効率
に一致します。
線図で見る作動気体の移動
スターリングエンジンでは、作動気体が高温空間と低温空間を移動しながら圧力を変えます。 線図で囲まれた面積が仕事である点はピストン機関と同じですが、燃焼はシリンダ内ではなく外部で起こります。 したがって、線図を読むときは「いつ熱を入れるか」だけでなく「気体がどちらの温度空間に多くいるか」を見る必要があります。
理想サイクルでは、高温側にいる間に等温膨張し、低温側にいる間に等温圧縮します。 実機では、ディスプレーサや二つのピストンの位相差によって、この移動を近似します。 位相差が適切でないと、膨張時に十分高温にならず、圧縮時に十分低温にならないため、線図の面積が小さくなります。
再生器
スターリングエンジンの性能を決める中心部品は再生器です。 再生器は、作動気体が高温側から低温側へ移動するときに熱を一時的に受け取り、逆向きに移動するときにその熱を返します。
再生が不完全だと、等積加熱に必要な熱を外部から追加で入れなければならず、等積冷却で捨てる熱も増えます。 この場合、理想サイクルのようなカルノー効率には届きません。 再生器を細かくすると熱交換は良くなりますが、流路抵抗が増えてポンピング損失が大きくなります。
再生器を線図で読む
理想スターリングサイクルの 線図では、等積冷却と等積加熱の熱は外部とやり取りしません。 この熱を内部で受け渡しするのが再生器です。 再生器が完全なら、外部から受け取る熱は高温等温膨張の分だけになり、外部へ捨てる熱は低温等温圧縮の分だけになります。
再生が不完全な場合、等積加熱の一部を外部熱源から追加で受け取る必要があります。 また等積冷却の一部を外部へ捨てることになります。 このため、 線図で理想的には内部で閉じていた熱のやり取りが、外部熱交換として増えます。 効率低下は、再生器の温度効率と圧力損失の両方から見ます。
実機
実機では、作動気体が完全な等温状態で膨張・圧縮することはありません。 熱交換器の面積には限りがあり、回転数を上げるほど気体と壁面の温度差が大きくなります。 また、デッドボリューム、シール漏れ、圧力損失、機械摩擦が正味出力を下げます。
スターリングエンジンでは、熱効率だけでなく比出力が課題になります。 外燃機関なので燃焼をきれいに制御しやすく、太陽熱や廃熱の利用にも向きますが、熱を壁越しに入れるため、内燃機関のような急速な熱入力は難しくなります。
アルファ型
アルファ型は、高温側と低温側に別々のピストンを持つ構成です。 二つのピストンの位相差によって、作動気体を高温空間と低温空間の間で移動させます。 出力を出しやすい一方、高温側ピストンのシールが難しくなります。
ベータ型
ベータ型は、同じシリンダ内にパワーピストンとディスプレーサを持ちます。 ディスプレーサは主に気体を高温側と低温側へ移動させ、パワーピストンが圧力変化を仕事として取り出します。 構造をまとめやすく、模型や小型機にもよく使われます。
ガンマ型
ガンマ型は、ディスプレーサ用シリンダとパワーピストン用シリンダを分けた構成です。 作りやすく低温度差でも動かしやすいですが、デッドボリュームが増えやすく、高出力化では不利になります。
効率の見方
スターリングエンジンの理想効率は温度比で決まりますが、実機では次の損失を分けて考える必要があります。
- 再生器で回収できない熱
- 加熱器・冷却器の有限温度差による不可逆性
- 作動気体の流路抵抗
- デッドボリュームによる圧力変動の低下
- ピストン、リンク、発電機の機械損失
線図で見た図示仕事から、これらの損失を差し引いたものが軸出力になります。 理想サイクルは高効率に見えますが、実用設計では熱交換器と再生器をどこまで大きく重くできるかが支配的です。
出力を制限する要因
スターリングエンジンは理想効率が高く見えますが、実機では熱を壁越しに入れるため、単位時間あたりに入れられる熱量が限られます。 出力を上げるには、作動気体の圧力を上げる、ヘリウムや水素のように熱伝導率の高い気体を使う、熱交換器面積を増やす、といった方法があります。
しかし、圧力を上げるとシールと機械強度が難しくなります。 熱交換器を細かくすると熱は入りやすくなりますが、流路抵抗が増えます。 線図で見れば、理想的な等温線から外れて、膨張時の温度が下がり、圧縮時の温度が上がることで、囲む面積が小さくなります。