スターリング エンジン 仕組み。 スターリングエンジン:透明で作動原理が見える実験観察用|環境物理学

【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).

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スターリングエンジンとは?そうりゅう型潜水艦のAIP推進機関は何故燃料電池ではないのか?

スターリング エンジン 仕組み

2016年09月03日 21時00分 「スターリングエンジン」とは別の珍しい機構を持つ卓上ミニチュアエンジン「Nano Disc Manson engine」 手のひらに乗るほどの大きさで、正確なリズムを刻んで淡々と回るエンジンの模型には独特の魅力が備わっています。 ミニチュアエンジン愛好家の間でも人気の「スターリングエンジン」とは異なる「マンソンエンジン」と呼ばれる珍しい機構を持つエンジンのミニチュアモデルが「 Nano Disc Manson engine」です。 Nano Disc Manson Hot Air Engine - by Kontax Engineering by Kontax Engineering Ltd — Kickstarter この2つのミニチュアエンジンが、Kontax EngineeringのNano Disc Manson engine Nano Disc。 金属製のシリンダーとピストン、そしてコンロッドとフライホイールを持つ構造はエンジンそのもので、土台のプレートの上には熱源として用いられるアルコールランプが置かれています。 フライホイールの置き方で縦型モデル 左 と横型モデル 右 の2種類があります。 エンジン模型に少し詳しい人なら「おっ、 かな?」と思ってしまいそうですが、実はNano Discはスターリングエンジンとは仕組みが異なる「 マンソンエンジン」と呼ばれるタイプのエンジンです。 スターリングエンジンに良く似た見た目を持つマンソンエンジンですが、スターリングエンジンとは異なる「吸排気を行う」と「ピストンロッドが一本だけ」という特長を備えています。 詳しい説明は省きますが、マンソンエンジン、または「マンソン・ホットエア・エンジン」を簡単に説明すると「吸排気を行うスターリングエンジン」と言うことができます。 エンジン本体の中には排気用と出力用のピストンが巧みに配置されており、温められた空気で出力用のピストンを押し、その後に排気を行うサイクルを繰り返すことで回転するエンジンです。 吸排気が行われるため、スターリングエンジンにはない、エンジンらしい稼働音がするのが特長です。 実際に動いている様子は、以下のムービーでも見ることができます。 空気の加熱と冷却を利用して回転を生みだすスターリングエンジンは、「2つのピストンを90度のクランク角で連結しなければならない」という機構上、エンジンの回転方法が一方向に固定されてしまいます。 しかし、2つのピストンが同位相で動くマンソンエンジンは、以下のようにどちらの方向にも回転できるのも特長となっています。 ミニチュアエンジン愛好家なら思わず「おっ」と言ってしまいそうなNano Disc Manson engineは、クラウドファンディングサイトの で出資を募集中。 目標金額の5000ポンド 約69万円 に対し、記事作成時点では世界中の500人弱の出資者から約4万2000ポンド 約580万円 の出資が集まっています。 Early Birdプランはすでに全て枠が埋まっていますが、スタンダードプランに60ポンド 約8300円 の出資で1個ゲットすることが可能で、フライホイールが縦置きになるタイプは65ポンド 約9000円 となっています。 また、ピストンをタングステンでコーティングすることで、以下のように摩擦を軽減したモデルもラインナップされており、横置きタイプが70ポンド 約9700円 、縦置きタイプが75ポンド 約1万500円 となっています。 さらに、モデル全体を覆うガラスドーム付きモデルも用意されています。 こちらのタイプは横置きタイプが80ポンド 約1万1000円 、横置きタイプが85ポンド 約1万2000円 となっています。 このほかにも、土台のベースプレートに刻印を施したモデルや、ベースプレートがゴールド仕上げになったプレミアムモデルも用意されています。 主な仕様は以下の通り。 素材はガラスとブラス 真ちゅう 、ステンレス、アルミが用いられています。 また、製造は全てイギリスで行われているとのこと。 なお、Nano Disc Manson engineを製作したKontax Engineeringは、スターリングエンジンをはじめとするさまざまなミニチュアエンジン模型を販売している企業です。 すでにKickstarterでのキャンペーンも2回目とのこと。 出資の締め切りは日本時間で2016年9月15日 木 0時28分となっており、出荷時期は2016年10月ごろが予定されています。 Nano Disc Manson Hot Air Engine - by Kontax Engineering by Kontax Engineering Ltd — Kickstarter.

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太陽光で回る スターリングエンジン模型

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2016年09月03日 21時00分 「スターリングエンジン」とは別の珍しい機構を持つ卓上ミニチュアエンジン「Nano Disc Manson engine」 手のひらに乗るほどの大きさで、正確なリズムを刻んで淡々と回るエンジンの模型には独特の魅力が備わっています。 ミニチュアエンジン愛好家の間でも人気の「スターリングエンジン」とは異なる「マンソンエンジン」と呼ばれる珍しい機構を持つエンジンのミニチュアモデルが「 Nano Disc Manson engine」です。 Nano Disc Manson Hot Air Engine - by Kontax Engineering by Kontax Engineering Ltd — Kickstarter この2つのミニチュアエンジンが、Kontax EngineeringのNano Disc Manson engine Nano Disc。 金属製のシリンダーとピストン、そしてコンロッドとフライホイールを持つ構造はエンジンそのもので、土台のプレートの上には熱源として用いられるアルコールランプが置かれています。 フライホイールの置き方で縦型モデル 左 と横型モデル 右 の2種類があります。 エンジン模型に少し詳しい人なら「おっ、 かな?」と思ってしまいそうですが、実はNano Discはスターリングエンジンとは仕組みが異なる「 マンソンエンジン」と呼ばれるタイプのエンジンです。 スターリングエンジンに良く似た見た目を持つマンソンエンジンですが、スターリングエンジンとは異なる「吸排気を行う」と「ピストンロッドが一本だけ」という特長を備えています。 詳しい説明は省きますが、マンソンエンジン、または「マンソン・ホットエア・エンジン」を簡単に説明すると「吸排気を行うスターリングエンジン」と言うことができます。 エンジン本体の中には排気用と出力用のピストンが巧みに配置されており、温められた空気で出力用のピストンを押し、その後に排気を行うサイクルを繰り返すことで回転するエンジンです。 吸排気が行われるため、スターリングエンジンにはない、エンジンらしい稼働音がするのが特長です。 実際に動いている様子は、以下のムービーでも見ることができます。 空気の加熱と冷却を利用して回転を生みだすスターリングエンジンは、「2つのピストンを90度のクランク角で連結しなければならない」という機構上、エンジンの回転方法が一方向に固定されてしまいます。 しかし、2つのピストンが同位相で動くマンソンエンジンは、以下のようにどちらの方向にも回転できるのも特長となっています。 ミニチュアエンジン愛好家なら思わず「おっ」と言ってしまいそうなNano Disc Manson engineは、クラウドファンディングサイトの で出資を募集中。 目標金額の5000ポンド 約69万円 に対し、記事作成時点では世界中の500人弱の出資者から約4万2000ポンド 約580万円 の出資が集まっています。 Early Birdプランはすでに全て枠が埋まっていますが、スタンダードプランに60ポンド 約8300円 の出資で1個ゲットすることが可能で、フライホイールが縦置きになるタイプは65ポンド 約9000円 となっています。 また、ピストンをタングステンでコーティングすることで、以下のように摩擦を軽減したモデルもラインナップされており、横置きタイプが70ポンド 約9700円 、縦置きタイプが75ポンド 約1万500円 となっています。 さらに、モデル全体を覆うガラスドーム付きモデルも用意されています。 こちらのタイプは横置きタイプが80ポンド 約1万1000円 、横置きタイプが85ポンド 約1万2000円 となっています。 このほかにも、土台のベースプレートに刻印を施したモデルや、ベースプレートがゴールド仕上げになったプレミアムモデルも用意されています。 主な仕様は以下の通り。 素材はガラスとブラス 真ちゅう 、ステンレス、アルミが用いられています。 また、製造は全てイギリスで行われているとのこと。 なお、Nano Disc Manson engineを製作したKontax Engineeringは、スターリングエンジンをはじめとするさまざまなミニチュアエンジン模型を販売している企業です。 すでにKickstarterでのキャンペーンも2回目とのこと。 出資の締め切りは日本時間で2016年9月15日 木 0時28分となっており、出荷時期は2016年10月ごろが予定されています。 Nano Disc Manson Hot Air Engine - by Kontax Engineering by Kontax Engineering Ltd — Kickstarter.

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