スターリングエンジンのソースを表示

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[[ファイル:Stirling Beta-Typ.png|thumb]]

'''スターリングエンジン'''（{{Lang-en-short|Stirling engine}}）とは、[[熱機関]]の形式のひとつで、[[シリンダー]]内の[[気体|ガス]]（もしくは[[空気]]等）を外部から[[熱|加熱]]・[[冷却]]し、その[[体積]]の変化（加熱による膨張・冷却による収縮）により[[仕事 (物理学)|仕事]]を得る[[外燃機関]]である<ref>[https://www.youtube.com/watch?v=H_Vnxapd5fs Stirling Cycle Engine: "The Stirling Engine: A Wave of the Future" 1992 NASA ]</ref>。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[[熱効率]]となる。[[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、名称はこれに由来する。<ref>[http://hotairengines.org/closed-cycle-engine/stirling-1827/stirling-dundee-engine Stirling Engine description]</ref>

== 概要 ==
[[ファイル:Alpha Stirling highres.gif|thumb|実際のエンジンではこのように高温部と低温部を分離した機構が用いられる]]
スターリングエンジンは、理想的には[[カルノーサイクル]]を実現する熱機関である。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仕事に変換できる可能性がある。[[熱エネルギー]]を[[仕事 (物理学)|仕事(力学的エネルギー)]]に変換する[[熱効率|効率]]はカルノーサイクルを超える事は出来ず、現実的には[[カルノーサイクル]]に等しい熱効率を実現することはできないが、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といわれている。実際の[[装置]]では、[[燃焼熱]]の多くはガス以外の部分に流れて浪費されてしまい、理論効率に近づけるためには、複雑な構造が必要である。

熱効率は高温部と低温部の温度差が大きいほど高くなり、内部に封入されているガスの[[熱容量]]によって[[出力]]の上限が制限されるため、体積あたりの出力が小さく、十分な出力を得るためには装置が大型化するという欠点があり、装置が大型化するほど内部の気体を移動させるために必要な[[エネルギー]]が大きくなり損失が増大する。

体積を比較的気にしなくて良い[[発電所]]などの固定設備用途であっても熱効率の高さによる[[燃料]]費節約のメリットよりも設備費が大きくなるデメリットの方が大きく、総合的な費用対効果は[[ディーゼルエンジン]]や[[蒸気タービン]]に劣るため、実際に使用される場面は非常に限られている。また、出力応答性も悪いため[[自動車]]や[[オートバイ]]などの[[乗り物]]に使用するのにも不向きで、[[潜水艦]]の補助動力（[[非大気依存推進|AIP]]）など効率よりも粛音性能を要求されるような特殊な事例でしか乗り物での実績がない。このような事情から理論上の効率は最高でも、現実には[[実用]]性が低い機関となっている。

潜水艦などでの利用に際しては、機関内部に気体の高圧[[ヘリウム]]を用いる。ヘリウムは比熱容量が大きいため高圧にして[[密度]]を高めることで体積あたりの出力を高め小型化を実現した。しかし、気体であるヘリウムはごくわずかな隙間からでも漏れるというリーク問題があり、製造には高度な[[シール (工学)|シーリング]]技術が必要であり<ref>{{Cite conference|year = 2008|title = Developments Towards a Liquid Piston Stirling Engine|conference = International Energy Conversion Engineering Conference|author1 = James D. Van de Ven|author2 = Paul B. Gaffuri|author3 = Ben J. Mies|author4 = Greg Cole|url = http://www.me.umn.edu/~vandeven/ConfPaper-Developments%20Towards%20a%20LP%20Stirling%20Engine.pdf|accessdate = 2015-08-12}}</ref>、コストを引き上げる要因にもなっている。粛音性が高いと言っても稼動部があることには変わりがなく、用途も限られるため従来の[[鉛蓄電池]]より高性能な[[リチウムイオン二次電池]]が実用化されたことにより[[非大気依存推進|AIP]]を[[おうりゅう_(潜水艦)|廃止した潜水艦]]が登場している<ref>[https://www.nikkei.com/article/DGXMZO36108410U8A001C1X12000/ 「潜水艦、音なしで長時間／三菱重 リチウムイオン電池搭載」]『日本経済新聞』朝刊2018年10月5日（企業1面）2018年10月7日閲覧。</ref>。
<!-- また、逆サイクルとして[[冷凍機]]（[[ヒートポンプ]]）として動作させることもできる。-->

== 特徴 ==
* カルノーサイクルに近い熱効率が実現できる。
* 冷凍サイクルとすれば、高い成績係数が実現できる。
* 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ためである）。
* 内燃機関のような[[爆発]]がないので作動が静粛である。
* 機関の体積あたりの出力が低く、大出力を得ようとすると機関が大型化、大重量化する。
** この欠点を補うために内部の気体に比熱容量の大きな物を使う、高圧ガスにして体積あたりの質量を増やすという対策が取られている。
* 高圧部が無いため爆発の危険性が低い（当初は[[蒸気機関]]と比べて最大のメリットであった）。
** 効率化のために内部の気体を高圧化するようになったためにメリットと言えなくなった。
* [[配管]]に耐熱耐圧構造を必要としないため作成や保守が容易である。
** このメリットは現代の実用装置では無くなってしまい、逆に耐圧シーリングや[[メンテナンス|保守]]の煩雑を招いている。

== 歴史 ==
[[ファイル:Robert Stirling's engine patent.gif|thumb|200px|ロバート・スターリングの1816年の特許申請書に添付されていた図]]
[[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{{Sfn|R. Sier|1999}}。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[[排水設備|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<ref>{{Harvnb|T. Finkelstein|A.J. Organ|2001}}, Chapter 2.2</ref>。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[[熱交換器|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<ref>[[1816年]]の英国特許第4081号({{ cite patent
 | country = UK
 | number =181604081}}) ''Improvements for diminishing the consumption of fuel and in particular an engine capable of being applied to the moving ''（of）''machinery on a principle entirely new.'' {{Harvnb|C.M. Hargreaves|1991}}, Appendix Bに部分的に掲載されている。全文は {{Harv|R. Sier|1995}}にある。</ref>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 (スコットランド)|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{{Sfn|R. Sier|1995|p=93}}。

異論はあるが{{Sfn|A.J. Organ|2008a}}、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出す危険な装置であり安全性が疑問視されていた（[[ボイラープレート]]を参照）ことから、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<ref>ジェームズ・スターリングが[[1845年]]6月に英国土木学会に送った論文にそのような一節がある。{{Harv|R. Sier|1995|p=92}}に掲載されている。</ref>{{Sfn|A. Nesmith|1985}}<ref>{{Harvnb|R. Chuse|B. Carson|1992}}, Chapter 1</ref>。しかし、スターリングエンジンの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{{Sfn|R. Sier|1995|p=94}}。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{{Sfn|T. Finkelstein|A.J. Organ|2001|p=30}}。
=== 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<ref>{{Cite web | author = Hartford Steam Boiler | title = Hartford Steam Boiler: Steam Power and the Industrial Revolution | url = http://www.hsb.com/about.asp?id=50 | year = a |publisher=Hartford Steam Boiler| accessdate = 2009-01-18}}</ref>、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<ref>{{Harvnb|T. Finkelstein|A.J. Organ|2001}}, Chapter 2.4</ref>。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<ref>[[1906年]]のRider-Ericsson Engine Co.のカタログによれば、「このエンジンは庭師でも召使でも操作でき、免許や経験のある技術者は不要」とある。</ref>。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{{Sfn|T. Finkelstein|A.J. Organ|2001|p=64}}。

=== 20世紀における復権 ===
[[File:Hot Air Engine Fan - Motive Power Gallery - BITM - Calcutta 2000 269.jpg|160px|thumb|石油ランプを熱源とするホットエアー・エンジン・ファン]]
[[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{{Sfn|T. Finkelstein|A.J. Organ|2001|p=34}}、アメリカでは石油ランプを熱源とするスターリングエンジンを動力とした[[扇風機]]（ホットエアー・エンジン・ファン）や[[石油ストーブ]]の上部に取り付けて熱源としつつ温風を送る[[エアサーキュレーター]]が一時期普及していたが、電気扇風機の出現と電力網の発達で役目を終え{{Sfn|T. Finkelstein|A.J. Organ|2001|p=55}}、発動機としても徐々に[[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{{Sfn|T. Finkelstein|A.J. Organ|2001|p=55}}。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（音も静かなうえ、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{{Sfn|C.M. Hargreaves|1991| pp=28–30}}。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<ref>{{Cite journal|journal=Philips Technical Review |volume=9 |issue=4 |page=97|year=1947}}</ref>。

[[ファイル:Philips Stirling 1.jpg|thumb|200px|フィリップス MP1002CA スターリング発電機（[[1951年]]）]]
最初に製作した実験用エンジンは、口径とストロークは30[[ミリメートル|mm]]×25mmで、エンジンとしての出力は16[[ワット]]だった<ref>{{Harvnb|C.M. Hargreaves|1991}}, Fig. 3</ref>。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の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電池で十分に事足りる程までにずっと低くなっていた。結局150台だけ生産され{{Sfn|C.M. Hargreaves|1991|p=61}}、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」を使った低温冷却器<!-- cryocooler -->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{{Sfn|C.M. Hargreaves|1991|p=77}}。

その後、[[オイルショック]]の時期や、1970年代に自動車の排ガス規制が強化された時期、さらに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、アクセルレスポンスが悪いなど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<ref>[http://www.nmri.go.jp/eng/khirata/stirling/highse/index.html 高性能スターリングエンジン] 海上技術安全研究所</ref>。

[[ファイル:MM-7 Stirling Engine.jpg|thumb|160px|小型のスターリングエンジン動作モデル]]
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
: <math> \eta_{\mathrm{th}} = \frac{W}{Q_H} = \frac{Q_H - Q_L}{Q_H} = 1-\frac{Q_L}{Q_H} = 1-\frac{T_L}{T_H} </math>
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1995年、[[スウェーデン]]の[[ゴトランド級潜水艦]]に最初に搭載された。日本では、[[はるしお型潜水艦|はるしお型]]の練習艦[[はるしお型潜水艦|あさしお]]にて試験され、その実用性が確認されたことから、[[そうりゅう型潜水艦]]に正式採用され、2009年3月から海上自衛隊で運用されている。

国内の船舶ディーゼル機関の排熱回収システムとしてはeスター([[パナソニック]]の社内ベンチャー会社)と[[海技研]]が共同で開発しており、内航船にて実運航が行われている<ref>[http://www.nmri.go.jp/main/news/press/press23.10.6.html セメント運搬船「鶴洋丸」に排気ガスから発電する排熱回収システムを搭載]-海上技術安全研究所</ref>。

熱源として、[[太陽熱利用|太陽熱]]や[[地熱]]、[[放射性同位体]]の[[放射性崩壊|放射性壊変]]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。

== スターリング冷凍機 ==
{{Main|冷凍機#スターリング冷凍機}}
スターリングエンジンのサイクルを逆サイクルとすれば[[冷凍機]]（ヒートポンプ）としても動作し、その性質を利用した冷凍機がある。極低温の用途で使用されており、<!---中には到達温度100[[ケルビン|K]]を切るものもあり、--->[[液体窒素]]冷却や、[[赤外線]]設備や[[超伝導磁石]]の冷却などに利用されている。

== 参考文献 ==
{{Refbegin|2}}
* {{Cite web | author = A. Nesmith | title = A Long, Arduous March Toward Standardization | url = http://www.asme.org/Communities/History/Resources/Long_Arduous_March_Toward.cfm | publisher = Smithsonian Magazine | year = 1985 | accessdate = 2009-01-18 |ref=harv}}
* {{Cite book | author = C.M. Hargreaves | title = The Philips Stirling Engine | publisher = Elsevier Science | year = 1991 | isbn=0-444-88463-7 |ref=harv}}
* {{Cite book | author = R. Chuse; B. Carson | title = Pressure Vessels, The ASME Code Simplified | publisher = [[マグロウヒル|McGraw–Hill]] | year = 1992 | isbn = 0-070-10939-7 |ref=harv}}
* {{Cite book | author = R. Sier | title = Reverend Robert Stirling D.D: A Biography of the Inventor of the Heat Economiser and Stirling Cycle Engine | publisher = L.A Mair | year = 1995 | isbn = 0-9526417-0-4 |ref=harv}}
* {{Cite book | author = R. Sier | title = Hot Air Caloric and Stirling Engines: A History | volume = 1 | edition = 1st (Revised) | publisher = L.A. Mair | year = 1999 | isbn = 0-9526417-0-4 |ref=harv}}
* {{Cite book | author = T. Finkelstein | author2 = A.J. Organ | title = Air Engines | publisher = Professional Engineering Publishing | year = 2001 | isbn = 1-86058-338-5 |ref=harv}}
* {{Cite web | author = A.J. Organ | title = 1818 and All That | url = http://web.me.com/allan.j.o/Communicable_Insight/1818_and_all_that.html | publisher = Communicable Insight | year = 2008a | accessdate = 2009-01-18 |ref=harv}}
* {{Cite book |和書|last=一色 |first=尚次 | authorlink=一色尚次 | title =[[B29より高く飛べ]]!<small>一色尚次博士の若き日の研究回想録</small>| publisher =原書房 | year =2010 |isbn=978-456204640-9 |ref=harv }} - 日本におけるスターリングエンジン研究者の回顧録。
{{Refend}}

== 脚注・出典 ==
{{脚注ヘルプ}}
{{Reflist|2}}

== 関連項目 ==
{{columns-list|2|
* [[非大気依存推進]]
* [[外燃機関]]
* [[理想気体]]
* [[そうりゅう型潜水艦]]
*{{仮リンク|グスタフ·シュミット|de|Gustav Schmidt (Ingenieur)|cs|Gustav Schmidt}}
* [[ジョン・エリクソン]]
* [[バキュームエンジン]]
}}

== 外部リンク ==
{{Commonscat|Stirling engines}}
* [http://www.eco-stirling.com/index.html 日本スターリングエンジン普及協会]
* [http://www.kob-sc.uh-oh.jp/stirling/stirlingIntro.html スターリングエンジンて何?]

{{Normdaten}}

{{DEFAULTSORT:すたりんくえんしん}}
[[Category:外燃機関]]
[[Category:往復動機関]]
[[Category:熱力学]]
[[Category:物理学のエポニム]]
[[Category:熱力学サイクル]]