−等温放熱)間を繋ぐものです。カルノーサイクルの断熱的方法以外にもやり方があると言うことです。理想的な場合には、その過程の熱の流入と流出は再生器を通して行われるので量的に必ず同じになる。そのため高温熱源温度と低温熱源温度がカルノーサイクルと同じなら熱効率はカルノーサイクルと同じになります。この再生という考え方は一般的な(つまり等温過程でない)サイクルでも、熱効率を改善する有力な方法です。後ほど2.(6)5.6.で詳しく説明します。Stirling:26歳)が発明したもので、空気を作動流体とするガスエンジンです。これはカルノーがカルノーサイクルの着想を得た1824年より8年も前のことです。当時水蒸気を作動流体とする蒸気機関が隆盛であったが、ボイラーの爆発事故が多発した。そのため、スターリングは効率は低いが安全性の高い大気圧空気を作動ガスとした熱機関を考案したのです。彼が最初(1816年))に考案したもの(β型)は、熱効率8%程度であったようです。Stirlingsと共に1843年に圧縮機を利用した高圧空気(12気圧)を使用する複動γ型エンジンを開発して、熱効率を18%へ向上させた。原理は簡単ですが、一つのシリンダー中の作動流体に対して短時間に加熱・冷却を交互に実施するのは難しい。そのため、実用化には独創的なアイディアが必要で、スターリングの発明の価値はまさにその点にある。(1859)”をご覧ください。この本はネットからダウンロードできます。スターリングの発明の要点は二つある。目は、動力を発生させるパワーピストンと作動流体を高温熱源側と低温熱源側の間で交互に移動させるディスプレーサピストンの二つのピストンを用いること。サイクルを近似的に実現して動力を取り出せることを見つけたことです。具体的な形式としては下記の三タイプがある。[α型]両方のピストンが仕事のやり取りをするが、作動流体膨張時の仕事の取り出しは主に高温側のピストンが、圧縮時の仕事の注入は主に低温側のピストンが担う。ピストンの気密性は必要だがピストン軸のシールは必要ない。高温側ピストンは耐熱性と熱膨張を考慮した気密性の達成に困難さがある。別図で紹介する物ではその当たりが工夫されており、ピストン自身が蓄熱式再生器の働きもしているようです。[β型]ディスプレーサピストンの気密性は不要ですが、パワーピストンを貫通する駆動軸のシールが必要。気密性が必要なパワーピストンが低温側にあることは有利なことです。小型化に適しており、多くの実用スターリングエンジンで採用されている。クランクによる出力取り出し機構にはロンビック機構を初めとして様々な機構が工夫されている。[γ型]ディスプレーサピストンの気密性は不要ですが、駆動軸のシールは必要。気密性が必要なパワーピストンが低温側にあることは有利なことです。基本構造はβ型と同じですが、パワーピストンを別のシリンダーに収納しているため、加熱部・冷却部の配置に自由度が大きく熱伝導部に工夫をこらし易い。ディスプレーサ部の容量をパワーピストン部より大容量化し易い。熱伝導部を大きくした少温度差用のエンジンに適している。β型、γ型のディスプレーサは気体を移動させるためのものですが、蓄熱式再生器の働きも兼ねている。α型の両ピストンも工夫すると再生器の働きをさせることができる。具体的なα型、γ型スターリングエンジンのメカニズムを示す。[2.(4)3.に示すp-v線図、T-s線図と比較されたし]各過程の詳細をα型を例にして説明する。1→2:等温冷却(低温圧縮)気体は冷却されながら体積を減少する。このときピストンやフライホィールの慣性力で両方のピストンにより外から仕事を加えられて圧縮されていく。この過程は冷却されながら圧縮されるので、ほぼ等温圧縮(低温)と見なせる。右側のピストンは上死点に近づき、左側のピストンは上死点から離れるために、両ピストンが左方に動き、ほぼ等体積が実現され外界との正味の仕事のやり取りは無い。作動気体は再生器から熱を受け取りながら左の加熱室へ移動させられ、加熱室でさらに加熱される。3→4:等温加熱(高温膨張)気体は左側の加熱部にいるので、気体は加熱されて圧力が高まる。そのとき右側のピストンは上死から下死点に向かい、左側のピストンは下死点に向かって動く。両方のピストンは、気体の圧力増大の効果を受けて仕事をされながら左右へ離れていき、気体は膨張する。このとき外に対して仕事がなされる。この過程は加熱されながら膨張するので、ほぼ等温膨張(高温)と見なせる。左側のピストンは下死点から上死点へ向かい、右側のピストンは上死点から下死点へ向かう。そのため両ピストンは等容積を保ったまま右に移動する。シリンダー内容積はほぼ一定に保たれるために正味の仕事はなされない。作動気体は再生器に熱を移して冷却されながら右の冷却室へ移動し、さらに冷却される。ここで注意してほしいことは、加熱室と冷却室中の作動気体の温度は異なるが両室の圧力は常に等しい状態を保ちながら変化する事です。過程2→3で流入する熱量と過程4→1で流出する熱量は再生器を仲介にしてやり取りされる熱量なのでその絶対値は等しくなる。圧縮行程の圧力は低温のため、高温の膨張行程時の圧力より小さい。そのため同じピストンストロークでも外への仕事が大きくなり、正の仕事が取り出せる。α型では両方のピストンが仕事のやり取りに係わっていたが、β型やγ型では仕事を取り出すピストンが低温(冷却)室側のパワーピストンに限定されている。二つのピストンの位相関係もα型と異なる。γ型については上右図を、β型については次図を参照。いずれも動作原理はα型と同じです。こちらも同様なβ型の例です。二つのピストンクランクの最適な回転位相差角度は、装置の特質や運転状況により60〜110度の間で少し変化します。下図の装置では60〜70度が最適であるということです。理想スターリングサイクルのダイヤグラムを示す。これらのダイヤグラムも2.(1)4.と同様にして描ける。参考のためにカルノーサイクルも並記する。各過程で出入りする仕事と熱量はとなる。これを熱効率の定義式に代入するととなる。ここで重要なことは、T-sダイヤグラムの過程2→3で流入する熱量(図のq23)と過程4→1で流出する熱量(図のq41)は再生器を仲介にしてやり取りされる熱量なのでその絶対値は等しくなることです。そのため高温熱源と低温熱源における熱移動が完全に等温可逆的に行われれば、理想スターリングサイクルの熱効率はカルノーサイクルと同じになります。再生器の熱容量やその伝達面積が小さい場合には再生過程の加熱・冷却が十分にいかず2→3や4→1の過程での気体温度変化幅が(TH−TL)まで達しなくなる。すると効率は悪くなります。十分な再生過程を利用できて初めて作動流体の体積変化がカルノーサイクルより少なくても、同じ熱効率が実現できるということです。4.スターリングエンジンの長所と短所[長所]熱源を選ばない。外燃機関であるため、太陽熱、バイオマス、廃熱・・・等々なんでも利用できる。100°C程度の温度差でも作動可能。燃焼が連続燃焼であるため完全燃焼が達成でき一酸化炭素や炭化水素などを排出しない。シリンダー内での高温・高圧燃焼を利用する内燃機関で発生する窒素酸化物(強い酸化作用を持つ酸性公害物質)を出さない。[窒素は本来化学的に不活性なのですが、高温・高圧の窒素は酸素と反応するようになる。