スターリングエンジン

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（これは、内燃機関のように、一サイクルだけシリンダ内に多くの燃料を送り込むといった操作ができない為である）。内燃機関のような爆発がないので作動が静粛である。

歴史

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・スターリングが発明した^[1]。それまでにもホットエアエンジンと称する機関を作ろうとする試みはあったが、スターリングが1818年に製作して採石場の排水ポンプとして使ったものが世界初の実働する機械である^[2]。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。スターリングの元々の特許の主題は、様々な用途で燃料消費を節約する "economiser" と当人が呼んだ熱交換装置であった。特許には、彼の独創的なクローズド・サイクルのエアエンジン設計^[3]におけるeconomiserの一形式の詳細を描いており、それは今日「リジェネレータ」と呼ばれているものに他ならない。ロバート・スターリングと兄弟のジェームズはその後も開発を続け、様々な改良について特許を取得した。例えば、1843年には与圧式のものを完成し、スターリングの所有するダンディーの工場内の全ての機械を十分駆動できる出力が得られるようになった^[4]。

異論はあるが^[5]、スターリングエンジンは燃費向上と同時に、当時の蒸気機関のボイラーが頻繁に爆発を起こし、死傷者をだしていたため、より安全な動力源を作るという意図があったと一般に言われている^[6][7][8]。スターリングエンジンで出力と効率を最大にするには非常に高温で運用する必要があり、当時の材料では限界があった。初期に作られた少数のエンジンは、蒸気機関のボイラーのような危険さはないものの、頻繁に故障を繰り返した^[9]。実際、スターリングのダンディー工場でも4年間で3回、シリンダーを交換するような故障が発生し、その後蒸気機関に置き換えたという^[10]。

19世紀後半

ダンディー工場でのスターリングエンジンが失敗に終わったあと、スターリング兄弟が更なる開発を行ったという記録はなく、蒸気機関全盛時代となった。技術の進展に伴って蒸気機関のボイラーが安全になり^[11]、効率も良くなったためである。しかし1860年ごろ、水を汲み上げるポンプや教会のパイプオルガンへの空気供給など、それほど出力を必要としない用途でスターリングエンジンが使われ続けていたという事実もある^[12]。安価な素材を使っているため高温では運用できず、したがって効率も低かった。スターリングエンジンの蒸気機関に対する利点は、火を扱える人間なら誰でも操作できるという点である^[13]。20世紀になってもいくつかの機種が生産され続けたが、若干の瑣末な改良を除いてこの間のスターリングエンジンの進歩はほとんどなかった^[14]。

20世紀における復権

20世紀初め、スターリングエンジンは家庭用発動機として使われており^[15]、徐々に電動機や小型内燃機関に取って代わられつつあった。1930年代末には忘れられた存在となり、玩具や小型換気扇用に細々と製造されていただけだった^[16]。そのころ、フィリップスはラジオを拡販するため、電力網が届いておらず、電池も入手が難しい場所で使えるラジオを作れないか考えていた。フィリップス経営陣は携帯可能な小型発電機の開発を決め、アイントホーフェンの研究所の技術者らに実用化の検討を命じた。

各種動力源を体系的に比較し、静か（音も静かだし、電波ノイズ源となるスパークプラグがない）で様々な熱源（ランプ用オイルなど、安価でどこでも入手できるもの）を使えるということで、スターリングエンジンが選ばれた^[17]。彼らはまた、蒸気機関や内燃機関とは異なり、スターリングエンジンは何年も改良されていないため、最新の素材とノウハウを応用すれば劇的に改良できると考えた^[18]。

最初に製作した実験用エンジンは、口径とストロークは 30mm×25mm で、エンジンとしての出力は16ワットだった^[19]。これに気をよくして、フィリップスはさらに開発を進めた。第二次世界大戦中も開発は続き、1940年代末ごろ Type 10 がフィリップスから子会社 Johan de Witt に渡され、発電機に組み込まれた。それが口径とストロークが55mm×27mmで出力200Wの MP1002CA である。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。1951年に生産開始となったが、価格面で同様のスペックの発電機に太刀打ちできないことが明らかで、しかも当初の目的だったラジオもトランジスタ化によって消費電力がずっと低くなっていた（つまり、電池で十分になっていた）。結局150台だけ生産され^[20]、一部は世界各地の大学が購入し、学生にスターリングエンジンを教えるための教材となった。

フィリップスは様々な用途の実験用スターリングエンジンを1970年代末まで開発し続けた。しかし商業的に成功したのは「逆スターリングエンジン」を使った低音クーラーだけだった。しかし一連の開発で多数の特許を取得し、知識も蓄えた。フィリップスはこれを他社にライセンス供与し、それがその後の開発の基盤となった^[21]。

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。20世紀末にかけて、いくつかの企業が中出力のプロトタイプを開発し、中には少量ながら販売されたものもあった。しかし、高価であることと未解決の技術的問題が存在することから、大量に出回ることはなかった。21世紀に入ってエコロジーの観点からコジェネレーション用として実用化の検討が始まっている^[22]。

低出力エンジンの分野では、キットや組み立て済みのものも含めて様々なものが入手可能である。従来型の小型機種や実用に耐える大型機種以外に、1980年代には低温で動作する平板型が登場した。

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

脚注・出典

参考文献

• A. Nesmith (1985). "A Long, Arduous March Toward Standardization". Smithsonian Magazine. 2009-01-18 閲覧。
• C.M. Hargreaves (1991). The Philips Stirling Engine. Elsevier Science. ISBN　0-444-88463-7. 
• R. Chuse; B. Carson (1992). Pressure Vessels, The ASME Code Simplified. McGraw–Hill. ISBN　0-070-10939-7. 
• R. Sier (1995). Reverend Robert Stirling D.D: A Biography of the Inventor of the Heat Economiser and Stirling Cycle Engine. L.A Mair. ISBN　0-9526417-0-4. 
• R. Sier (1999). Hot Air Caloric and Stirling Engines: A History, 1st (Revised) 1, L.A. Mair. ISBN　0-9526417-0-4. 
• T. Finkelstein; A.J. Organ (2001). Air Engines. Professional Engineering Publishing. ISBN　1-86058-338-5. 
• A.J. Organ (2008a). "1818 and All That". Communicable Insight. 2009-01-18 閲覧。

外部リンク

• 日本スターリングエンジン普及協会
• スターリングエンジンて何？

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