スターリング エンジン 仕組み。 スターリングエンジンの動作原理

スターリングエンジンの原理

スターリング エンジン 仕組み

はやぶさ2などに搭載されている「」も、燃料あたりの推進力が圧倒的と言う理由で搭載されていますが、燃料効率と言うのは燃料に限りのある潜水艦や探査機では非常に重要度の高い関心事なのですね。 潜水艦で発電するなら最良は燃料電池 燃料効率が最も良いとされるスターリングエンジンですが、「 遅くて、大きくて、音が出る」と言う潜水艦的には致命的な欠陥があったため、潜水艦が潜水中に発電する機関としてはスターリングエンジンではなく燃料電池がベストであると考えられていました。 しかも、スターリングエンジンではピストンがガコガコ動いて音が出る上、排気も若干出るのに対して、燃料電池は無音で排気も水だけ。 潜水艦にとっては、完璧な発電装置といえます。 実際、そうりゅう型潜水艦でも燃料電池の研究が進められていました。 しかし、水素と酸素の反応から電気を得る燃料電池では、大量の水素と酸素を長期にわたって貯蔵する必要があり、その貯蔵方法が課題となっていました。 酸素はまだ良いのですが、水素を液化保存させて何らかの事故で水素が漏れだした場合、かなり簡単に引火して爆沈します。 飛行船に水素を使って爆発したヒンデンブル号の事故などは有名ですが、水素の扱いと言うのは非常に難しいのです。 無論、燃料電池車などのように安全対策がきちんとできれば良いのですが、潜水艦は車の事故とは違い、魚雷や爆雷で攻撃を受ける可能性があります。 その上、地上で水素漏れを起こしても軽い水素はどんどん高く登っていくので、車の周辺に充満して離れた場所の少しの火花で爆発するみたいなことにはなりませんが、 潜水艦の内部で水素漏れを起こしたら、水素が潜水艦の内部に充満してかなり爆発しやすくなります。 そのため、現在潜水艦で水素を貯蔵する方法として有効なのが、 水素吸蔵合金なのです。 (Space-Device株式会社HPより) 水素をそのまま貯蔵するのではなく、 水素を吸収する物質を使って水素を貯蔵すると言う方法です。 こうすれば、水素漏れや水素に引火しての爆発事故などを防げるようになり、より安全に燃料電池を運用することができます。 そこで、日本も水素吸蔵合金の研究を進めていたのですが、水素吸蔵合金の劣化や貯蔵量の問題が解決できず、日本の潜水艦への搭載は今のところ困難であると見られています。 ただ、ドイツの様に領海が狭く、活動範囲が狭い小型の潜水艦であれば水素の貯蔵量は少なくて済む上に劣化した合金の交換も容易なため、ドイツの潜水艦には燃料電池が採用されています。 残念ながら、ドイツの潜水艦のような小型モデルでは日本の広大な領海を守るのには不十分であり、日本の潜水艦にはまだ使えそうにありません。 だったらいっその事、電池だけ良い これはあくまでそうりゅう型の後期モデルの話で次世代潜水艦の事ではないのですが、そうりゅう型潜水艦は将来的には海上航行用のディーゼルエンジンと電池だけという昔ながらのスタイルに回帰するということです。 でもご説明していますが、日本のリチウムイオン電池技術は非常にレベルが高く、潜行中に発電せずとも予め充電しておいた電池だけで長期航行が可能であると考えれています。 ということですね。 まあ、それでも充電された「電気」は何らかの形で燃料から得られているんですけども。 電気と言うのは乗り物に積まれるような小型なものでその場で作るよりも、発電所などで大規模に作られたものを使うほうが実を言うと省エネ(太陽発電などは除いて)なのです。 戦争に省エネとかは関係ありませんが、兵器に使われる燃料の大部分が戦闘以外で使われていることを考えれば、そう言う省エネもありなのかもしれませんね。 とはいえ、そうりゅう型の後期型は省エネが目的ではなく、 大量のリチウムイオン電池による長時間の高速航行と生産コストを下げるのが目的です。 リチウムイオン電池は今ではなんにでも使われていて大量生産されていますし、 潜行しての航行に特化した現代の潜水艦は海の上をディーゼルエンジンで航海するよりも潜った方が速いので、本当に急いでいる時はさっさと潜って戦地へと向かいます。 港で充電しておいて、必要になったら素早く潜って展開する。 専守防衛を基本とする日本の戦い方であれば、そちらの方が賢いのかもしれません。 今回の話は結局の所、 「究極的に省エネらしいスターリングエンジンより潜水艦に丁度良い燃料電池を使いたかったけど、水素の貯蔵方法に問題があったよ」 というだけなんですよね。 ちなみに、スターリングエンジンを発電所で使えれば今よりもっと省エネになります。 そっちの研究もまた別のところで進められていますが、一度に発電出来る量が少なくてまだ使えないみたいですね。 <オススメ書籍>.

次の

【ゼロ戦と栄発動機】星形エンジンのクランクとコンロッド、どうなってるか知ってる?

スターリング エンジン 仕組み

スターリングエンジンの原理 スターリングエンジン スターリングエンジンという名称は,通常動力潜水艦の補助動力としての研究などで目にした方も多いと思います。 外燃式で音が静か,熱効率が高い,といった特徴もご存じかも知れません。 では,その原理・機構はどのようなものか? となると「よく分からない」という人が多いのではないでしょうか。 ここではスターリング・エンジンの原理について解説します。 例えば蒸気タービン・復動式蒸気機関は外燃機関,ガソリン・ディーゼルエンジンは内燃機関である。 では両者の違いは何か? 燃焼部[ボイラ・燃焼室]が出力取出し部[タービン・ピストン]から離れていれば外燃,近接しているものが内燃機関 と漠然と解釈している人が多いようである。 ではガス・タービンエンジンは内燃機関だという事実はどうなるだろう?このエンジンは燃焼室と出力タービンがはっきりと離れているので,上の解釈では外燃機関になってしまう。 理解のポイントは「 動作流体」である。 熱機関というものは全て,動作流体(ガス)を加熱し,その膨張しようとする力をピストンやタービンで受けとめて出力にする。 加熱には一般に燃焼を用いるが,この燃焼を動作流体の内部で起こすのが内燃機関,外部で起こしてその熱を伝熱面を通じて動作流体に伝えるのが外燃機関である。 内燃機関 Internal Combustion Engine ・動作流体の内部で燃焼を起こし,動作流体を加熱する。 ・動作流体は化学変化を生じるので,1サイクル毎に新し いものに代える必要がある。 外燃機関 External Combustion Engine ・動作流体の外部で発生した熱を,伝熱面を通じて与える。 ・動作流体は化学変化しないので,繰り返し使用できる。 つまり 内部燃焼機関,外部燃焼機関の「内・外」は「動作流体の内部・外部」で燃焼を行うことを意味する。 スターリングエンジンが外燃式であるということは,動作流体が大気から独立し,これを外部から伝熱面を通じて加熱・膨張させて動力を取り出す仕組みになっていることを意味する。 スターリングエンジンの概要 スターリングエンジンは1815年にイギリスのスターリング兄弟によって発明された,ガスを動作流体とする外燃式のピストンエンジンである。 外燃式であるため多種燃料が使用可能,騒音・振動が低い,低公害であるなどの特徴を持つ。 またそのサイクルが可逆過程のみからなるため理論熱効率が非常に高く,カルノーサイクルと同一である。 しかし実際の製作には困難が多く,出力・熱効率とも理論値より相当低いため,蒸気機関・内燃機関の発達に伴い使用されなくなった。 しかし近年環境意識の高まりと共にその低公害性・高効率性などが再注目され,近代技術を用いた実用化研究が行われるようになってきた。 スターリングエンジンの作動原理 1.ピストンエンジンの動力発生原理 ピストンエンジンから動力を取り出すには,ピストンが下がるときに動作流体の圧力を高く,上がるときに低くすればよい。 こうすれば下がるときには高圧のガスにより大きな力で押され,大きな正の仕事を得る。 上がるときには負の仕事をするが,このときガスを低圧にすれば仕事量は少なくて済む。 ピストンが下がるときにする正の仕事と,上がるときにする負の仕事の差し引きが動力として取り出される。 つまりピストンエンジンが出力を発生するには,ピストンの上下動に応じて動作ガスの圧力を変化させる必要がある。 動作ガスの圧力を変えるには温度を変化させればよい。 つまりピストンが下がるときは加熱して高圧に,上がるときには冷却して低圧にする。 内燃機関の場合は加熱するためにガスの内部で直接燃焼を起こし,冷却はガスを捨て外気と置換することにより行う。 外燃機関の場合,動作ガスの外部から壁面を通じて加熱・冷却し温度を変える。 しかしシリンダの壁面積は小さいため,ここからの伝熱で高速に加熱・冷却を行うのは困難である。 2.ディスプレーサ・シリンダによる圧力変動の発生 スターリング・エンジンでは伝熱面を通じて高速でガスの加熱・冷却を行うため,ディスプレーサ・シリンダと呼ばれる装置にガスを導く。 このシリンダと,パワーピストンのあるパワーシリンダとは管路で連結されているので,圧力は同じになる。 つまりディスプレーサシリンダ内の圧力を増減させれば,パワーシリンダ内の圧力も同時に変化する。 ディスプレーサ・シリンダ(Dシリンダ)の仕組みを 図1. aに示す。 シリンダ内部はディスプレーサ・ピストン(Dピストン)により上下に仕切られ,上下の空間は冷却器・蓄熱器・加熱器を通過する経路で連結されている。 図1 ディスプレーサ・シリンダとその機能 ディスプレーサピストンが上がるとガスは高温部が多くなって平均温度が上がるため,圧力が高くなる。 下がると低温部が多くなり圧力が低くなる。 ピストンの上下は圧力が同じであり,またピストンが移動してもガスの体積は一定であることに注意。 Dピストンを上昇させると,上部の低温ガスは冷却器を通り抜けるが,冷却器との温度差は小さいのでほとんど冷却はされない。 続いて通過する蓄熱器は温度が高いためガスは加熱され,その分蓄熱器の温度は下がる。 続いて加熱器を通過するとき加熱されて高温になり,シリンダ下部に入る。 ピストンが下降する場合は下部の高温ガスは加熱器を通過してもほとんど加熱されず,先程蓄冷された蓄熱器を通過する際に冷却され,蓄熱器は温度が上がる(もちろんガスよりは低い)。 ガスは冷却器でさらに冷却されて低温になってシリンダ上部に入る。 こうした機構によりDピストン上側にあるガスは常に低温,下側は高温になる。 この結果Dピストンを上げた状態ではDシリンダ内のガスは高温部の比率が多くなり,平均温度が上昇して高圧になる。 逆にピストンの下がった状態では平均温度は低下して低圧になる。 Dピストンの役割は,ガスを強制的に加熱器・蓄熱器・冷却器を通過させ,高速にガスの加熱・冷却を行わせることである。 この移動によりガスの温度・圧力は変化するが,体積は一定のままである。 Dピストンの位置と動作ガス圧の関係は 図1. bに示す。 なおピストンの上下は圧力が同じため,ディスプレーサピストンの移動にはほとんど動力を要さない。 3.パワーピストンによる動力取り出し 出力を取り出すために,Dシリンダの低温側から動作ガスをパワーシリンダに導く( 図2)。 低温側から取り出すのは放熱によるロスを防ぐためである。 パワーピストンの下降行程ではガスが高圧に,上昇行程では低圧になるようDピストンを移動させれば,パワーピストンから動力を取り出せる。 図2 ディスプレーサ・ピストンとパワー・ピストンの関係 パワーピストンのクランクが3時の位置にあるとき,ディスプレーサピストンは上死点にあるためガス圧力は高く,この膨張によりパワーピストンは大きな正の仕事を行う。 パワーピストンが9時の位置にあるとき,ディスプレーサピストンは下死点なのでガス圧力は低く,圧縮に要する負の仕事は小さい。 この結果差し引きではパワーピストンは正の仕事をし,これが出力として取り出される。 aではDピストンが上死点にあるためガスの圧力は最大になっている。 bではDピストンが下死点にあるためガスの圧力は最低である。 この間にパワーピストンは上昇するので,圧縮による負の仕事は小さく,エンジンは差し引きで正の仕事を行う。 サイクル中におけるガスの体積・圧力変化を 図3に示す。 図3 スターリングエンジンのインジケータ線図 パワーピストンの下がる行程(体積の膨張する行程)では圧力が高いため,大きな正の仕事を得る。 上昇する行程(体積が収縮する行程)では圧力が低いため負の仕事は小さい。 TDC Top Death Center :上死点 BDC Bottom Death Center :下死点 スターリングサイクル 図4 スターリング・サイクル 理論上のスターリングサイクルは,2つの等温変化と2つの等容変化からなる( 図4)。 そこでガスから排出されたQ34を再生熱交換器によりQ12としてガスに戻すと,スターリングサイクルは全て可逆過程で構成される。 スターリングサイクルが高い熱効率を持つのは,この再生熱交換器があるためである。 これによってサイクルは全て可逆過程となり,その理論熱効率はカルノーサイクルと同一となる。 またサイクルを逆回転させれば,動力により低熱源から高熱源へ熱を移動させるヒートポンプとしても機能する。 その他 1.性能に影響する要因 スターリングエンジンの熱効率を低下させる要因の一つとして,動作流体がヒータや熱交換器を通過する際の流動抵抗が挙げられる。 流動抵抗を減少させるには分子量の小さい気体が望ましく,それには水素,ヘリウムが適している。 しかし水素は漏洩しやすく爆発性もあるため,高価だが安全なヘリウムが用いられることが多い。 性能より価格を重視する場合は空気や窒素が用いられる。 出力を上げるには動作ガスの平均圧力を高くすることが有効なため,一般に100気圧以上の高圧に保たれる。 そのため摺動部などの気密性の確保が極めて重要となる。 ロッドのシリンダ貫通部にロッドシールを設けるか,クランク室も高圧にしてクランク軸の貫通部にメカニカルシールを用いることが多い。 熱機関であるため当然動作ガスの最高温度が高いと効率・出力とも向上する。 しかし間欠燃焼のディーゼル機関などと違い,連続燃焼のスターリングエンジンでは燃焼部の耐熱性が制限要因になるため,耐熱性の高い材料の開発も重要である。 2.その他のスターリングエンジン ディスプレーサ型以外の代表的なスターリングエンジンとしてL型がある。 両シリンダの間をクーラ・再生熱交換器・ヒータでつないであるため,2つのシリンダの一方は低温で他方は高温の動作ガスが入る。 L型配置のため,クランクが回転してクランクピンが低温シリンダ側に来ると動作ガスの高温部の容積が大きく,高温シリンダ側に来ると低温部が大きくなる。 またピンが上(シリンダに近い側)に来ると両シリンダの合計容積は小さくなり,下に来れば大きくなる。 クランクの回転に伴い動作ガスの高温部と低温部の比率が変わり,その結果圧力の変化が生じる。 クランクを高温シリンダから低温シリンダの向きに回転させると, 合計容積の増加するときに圧力が大きく,減少するときに小さくなって動力を取り出すことが出来る。 L型はディスプレーサ型に比べコンパクトに出来るが,ピストンの摩擦抵抗が大きいなどの欠点もある。 (初掲載:97. 19).

次の

スターリングエンジン(潜水艦)の仕組み

スターリング エンジン 仕組み

はやぶさ2などに搭載されている「」も、燃料あたりの推進力が圧倒的と言う理由で搭載されていますが、燃料効率と言うのは燃料に限りのある潜水艦や探査機では非常に重要度の高い関心事なのですね。 潜水艦で発電するなら最良は燃料電池 燃料効率が最も良いとされるスターリングエンジンですが、「 遅くて、大きくて、音が出る」と言う潜水艦的には致命的な欠陥があったため、潜水艦が潜水中に発電する機関としてはスターリングエンジンではなく燃料電池がベストであると考えられていました。 しかも、スターリングエンジンではピストンがガコガコ動いて音が出る上、排気も若干出るのに対して、燃料電池は無音で排気も水だけ。 潜水艦にとっては、完璧な発電装置といえます。 実際、そうりゅう型潜水艦でも燃料電池の研究が進められていました。 しかし、水素と酸素の反応から電気を得る燃料電池では、大量の水素と酸素を長期にわたって貯蔵する必要があり、その貯蔵方法が課題となっていました。 酸素はまだ良いのですが、水素を液化保存させて何らかの事故で水素が漏れだした場合、かなり簡単に引火して爆沈します。 飛行船に水素を使って爆発したヒンデンブル号の事故などは有名ですが、水素の扱いと言うのは非常に難しいのです。 無論、燃料電池車などのように安全対策がきちんとできれば良いのですが、潜水艦は車の事故とは違い、魚雷や爆雷で攻撃を受ける可能性があります。 その上、地上で水素漏れを起こしても軽い水素はどんどん高く登っていくので、車の周辺に充満して離れた場所の少しの火花で爆発するみたいなことにはなりませんが、 潜水艦の内部で水素漏れを起こしたら、水素が潜水艦の内部に充満してかなり爆発しやすくなります。 そのため、現在潜水艦で水素を貯蔵する方法として有効なのが、 水素吸蔵合金なのです。 (Space-Device株式会社HPより) 水素をそのまま貯蔵するのではなく、 水素を吸収する物質を使って水素を貯蔵すると言う方法です。 こうすれば、水素漏れや水素に引火しての爆発事故などを防げるようになり、より安全に燃料電池を運用することができます。 そこで、日本も水素吸蔵合金の研究を進めていたのですが、水素吸蔵合金の劣化や貯蔵量の問題が解決できず、日本の潜水艦への搭載は今のところ困難であると見られています。 ただ、ドイツの様に領海が狭く、活動範囲が狭い小型の潜水艦であれば水素の貯蔵量は少なくて済む上に劣化した合金の交換も容易なため、ドイツの潜水艦には燃料電池が採用されています。 残念ながら、ドイツの潜水艦のような小型モデルでは日本の広大な領海を守るのには不十分であり、日本の潜水艦にはまだ使えそうにありません。 だったらいっその事、電池だけ良い これはあくまでそうりゅう型の後期モデルの話で次世代潜水艦の事ではないのですが、そうりゅう型潜水艦は将来的には海上航行用のディーゼルエンジンと電池だけという昔ながらのスタイルに回帰するということです。 でもご説明していますが、日本のリチウムイオン電池技術は非常にレベルが高く、潜行中に発電せずとも予め充電しておいた電池だけで長期航行が可能であると考えれています。 ということですね。 まあ、それでも充電された「電気」は何らかの形で燃料から得られているんですけども。 電気と言うのは乗り物に積まれるような小型なものでその場で作るよりも、発電所などで大規模に作られたものを使うほうが実を言うと省エネ(太陽発電などは除いて)なのです。 戦争に省エネとかは関係ありませんが、兵器に使われる燃料の大部分が戦闘以外で使われていることを考えれば、そう言う省エネもありなのかもしれませんね。 とはいえ、そうりゅう型の後期型は省エネが目的ではなく、 大量のリチウムイオン電池による長時間の高速航行と生産コストを下げるのが目的です。 リチウムイオン電池は今ではなんにでも使われていて大量生産されていますし、 潜行しての航行に特化した現代の潜水艦は海の上をディーゼルエンジンで航海するよりも潜った方が速いので、本当に急いでいる時はさっさと潜って戦地へと向かいます。 港で充電しておいて、必要になったら素早く潜って展開する。 専守防衛を基本とする日本の戦い方であれば、そちらの方が賢いのかもしれません。 今回の話は結局の所、 「究極的に省エネらしいスターリングエンジンより潜水艦に丁度良い燃料電池を使いたかったけど、水素の貯蔵方法に問題があったよ」 というだけなんですよね。 ちなみに、スターリングエンジンを発電所で使えれば今よりもっと省エネになります。 そっちの研究もまた別のところで進められていますが、一度に発電出来る量が少なくてまだ使えないみたいですね。 <オススメ書籍>.

次の