スターリングエンジン・Q＆A Q51〜Q100

　1997年6月13日から1998年4月19日までのQ&Aです。

Q100: すばらしいページです。大変気に入りました。若干のスペルの間違いがありますが、よく理解することができました。このエンジンについてあまりよくは知らないのですが、また来ます。
19 April, 1998

A100: どうもありがとうございます。

A99: 残念ながら、私はまだ水スターリングエンジンを作ったことがありません。次のサイトで写真や簡単な図面を見ることができます。

• 土田先生の水スターリングエンジンのページ（日本）
• Mad Scientist's Lair（オーストラリア）

A98: 貴校のホームページ、見させていただきました。大変きれいに仕上がっているエンジンのように思います。機会がありましたら、是非実物を見させていただきたいと思います。

A97: 難しいですね。40%以上の熱効率というのは高すぎます。そのようなエンジンを探すのは難しいと思います。

A96: 初心者用の本（英語）はいろいろとありますが、とりあえずはインターネットで情報を探してみてはいかがでしょうか。

A95: はい、間違えていましたので、直しました。

A94: 私も低温度差スターリングエンジンには伝熱性能が高い熱交換器が必要だと思います。高性能な熱交換器ができれば、低温度差スターリングエンジンは小型化・高回転化ができると思います。残念ながら、今のところ、よいアイデアは浮かんできません。
仰るとおり、アルミニウムの金網は高性能な再生器になると思います。軽量なので、ディスプレーサピストンに内蔵するのも、問題はないと思います。

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  (--)     3 |        |

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 1 ||----  --|------/-| \

  |  |       |  ^   \---/4

  |  |     2 |  5    

1　2つのコーヒーの空き缶と1つのスプレーの空き缶。
スプレーの空き缶の中に2つのビールの空き缶があります。
2　3番を支持しています。
3　振り子。
4　木製のフライホイル。
5　真鍮製のロッド
20 March, 1998

A93: このエンジンの構造をあまりよく理解できていませんが、とてもおもしろいエンジンだと思います。このエンジンはシールがよくないのではないでしょうか。ビールの空き缶とスプレーの空き缶との間にガスの漏れがあるのではないですか。

A92: ST-5について、話には聞いたことがあるのですが、残念ながら見たことはありません。話に聞いた限りでは、かなり優秀なエンジンのように思えます。私の大型エンジンについてのコメントとして、大型エンジンは次の性能のうち、一つにでもに優れた点があれば「高性能」といえるのかと思います。
(1) 高効率
(2) 低公害な熱源の利用
(3) 小型かつ高出力
ST-5は(2)の性能をうまく引き出したエンジンだと思います。

A91: 模型スターリングエンジンの回転数制御の手法としては、貴方が仰るとおりの手法があるかと思います。それぞれの手法にはそれぞれの長所・短所があると思いますので、一概にどれが優れているかを判断するのは難しいと思います。
(1) ピストンの位相差制御；私が提案しているように、歯車を使った簡単な機構で実現することができます。しかし、歯車の強度に問題があるので、高出力エンジンには適していないように思えます。
(2) ピストンのストローク制御；回転数の応答性は非常によいと思いますが、ストロークを変化させるためには、その制御機構にかなりの荷重がかかります。その荷重をおさえる工夫が必要だと思います。
(3) シリンダ間の流路の制限；流路の抵抗を変化させるのはあまりよい方法とは思えません。
一方、高出力スターリングエンジンでは、エンジン内圧力を制御する手法がよく用いられています。これは実績のある手法ですので、これを模型スターリングエンジンに応用してみるのもよいのではないでしょうか。

A90: ここで答えるのには難しい質問です。等温モデルやシュミット理論などで計算すれば、簡単にわかると思います。
ただし、熱交換器の性能を考えた場合は、90度の位相差が最もよいとは限りません。

A89: ESE10の図面はまだ準備できていません。しかし、ESE10の基本構造はLSE01と同じです。最初にLSE01を作って、その次にあなた自身で改良した方が良いと思います。
外径が10mmの注射器を探して下さい。多分、試験管やフラスコなどを売っている科学屋さんで手に入ると思います。

再生器についての考えがあります。再生器を分割して配置するのではなく、ディスプレーサピストンに小さい穴を開けて、その中にひげ剃りの網を入れてはどうでしょうか。ピストンの重量を減らすことができるのではないでしょうか。
12 February, 1998

A88: ご提案、ありがとうございます。時間ができましたら、是非とも修正したいと思います。
ディスプレーサピストンの中に再生器を配置するというのは、以前からよくやられていることだと思います。その場合の問題点は、ヒータや加熱器の形状や配置が難しいことだと思います。「ひげ剃りの網」というのはおもしろいと思います。是非、試してみたいと思います。

A87: 確かな情報ではありませんが、東南アジアでそのようなスターリングエンジンが開発され、使われているという話を聞いたことがあります。残念ながら、それ以上の情報はありません。
また、デンマーク工科大学では、木材を燃料とした40kW級スターリングエンジンの開発が行われています。文献は次の通りです。
H. Carlsen, J. Bovin: Field Test of 40 kW Stirling Engine for Wood Chips, 8th International Stirling Engine Conference and Exhibition, p.525-530.

A86: 等温モデルのような簡単な計算をするのであれば、圧縮空間に含めてよいのではないかと考えています。しかし、厳密には、パワーピストンの空間はサイクルを通して、断熱膨張を行うので、内部のガス温度が低下する傾向にあります。詳細な解析をする場合は、それらを考慮して別の空間として扱うべきであると考えています。

A85: 発生炉ガスとは何かよくわからないのですが、多分燃焼ガスのことでしょう。
スターリングエンジンの理論熱効率nは、次式で表されます。
n=1-(Tc/Th)
ここで、Th(K)は高温側の温度、Tc(K)は低温側の温度です。
燃焼ガスの温度が1200 K（927℃）、低温側のガスが300 K（27℃）の場合、理論熱効率は75 %になります。
しかし、実際のスターリングエンジンには多くの熱損失が生じるため、正味の熱効率は、20〜30 %程度になるのではないでしょうか。

A84: スターリングエンジンは2ピストン形とディスプレーサ形に分類されます。一般に2ピストン形とはα形のことです。一方、ディスプレーサ形にはβ形とγ形とがあり、β形はパワーピストンとディスプレーサピストンとが同じシリンダに配置された形式であり、γ形はそれらのピストンが別のシリンダに配置された形式です。

A83: どういたしまして。お役に立てれば光栄です。

A82: 残念ながら、すぐには準備できません。
Ecoboy-SCM81のページをご覧になりましたか。
十分ではありませんが、より実用的なエンジンについての情報があります。

A81: 空き缶エンジンを回すコツは、ガス漏れを減らすことと摩擦を減らすことだと思います。まず、確認してもらいたいのは、
(1) 風船の穴が大きすぎないか。
(2) 風船の穴に一滴の油を垂らしたか。
ほとんどのガス漏れは、風船の穴から生じています。
次に、摩擦が大きくないか確認して下さい。
(3) クランク軸は、引っかかりがなく、軽く回るか。
(4) クランク軸が通る、フレームとコンロッドの穴が小さすぎないか。
(5) おもりがフレームに当たっていないか。
(6) ディスプレーサ（バルサ）が空き缶の側面あるいは上下面に当たっていないか。
以上で、ほとんどの場合、回るか、あるいは回りそうになるかすると思います。まだ調子が悪い場合は、次の方法でおもりを調整して下さい。
(7) エンジンが止まってしまうクランク位置の反対側が重くなるようにおもりの大きさと位置を調整する。

A80: あなた方のお役に立てて大変光栄です。
残念ながら、要望される情報がありません。ほとんどの私の模型スターリングエンジンの情報はすでに公開しています。要望される情報の準備が出来次第、公開したいと思います。

A79: 機械損が少ないとしたら、次の原因が考えられます。
(1) ガスの漏れが多い。
　ピストンとシリンダのシールは、空気バネになるようなシールが必要です。
(2) 温度差があまりついていない。
　高温部と低温部との距離が近い場合や、同一の部品で構成されている場合に低温空間の温度が高くなりすぎて、エンジンが回らないこともあります。
もちろん機械損もかなり少なくなければいけません。これらのことをクリアすれば、必ず回ると思います。

A78: 熱交換器の性能さえ考慮すれば、自由に容積を決めることができます。Q6を参照して下さい。

A77: 多分、高温側温度、低温側温度、最小容積と最大容積を設定すればよいと思います。

A76: 私は蒸気エンジンを作ったことがないので、よくわからないのですが、そのような1kWスターリングエンジンの最高温度は、蒸気エンジンと比べて非常に高いと思います。そのため、ヒータ材料には、ステンレス等のニッケル合金が用いられています。もし、そのようなニッケル合金を溶接する技術があるのであれば、高出力スターリングエンジンを作ることができると思います。

A75: 現在、1〜10kWのスターリングエンジンが売られているかどうかはわかりませんが、次の会社ではそのようなエンジンの開発をしています。
(1) Stirling Thermal Mortors, Inc., USA
(2) TEM Stirling engines, Sweden
(3) Sigma Elektroteknisk A.S, Norway
(4) Whisper Gen, New Zealand

A74: 熱いメッセージ、ありがとうございます。残念ながら、私は「真鍮用の炉」についてはわかりません。どなたかわかるか違いましたら、ご連絡下さい。

A73: 大変おもしろいと思います。確かに外気と室内との温度差を利用してスターリングエンジンは動くと思います。しかし、温度差が小さいので、有効な出力が得られるかどうかが問題になると思います。

A72: リンクのページをご覧下さい。模型エンジンや商業用エンジンを開発している会社を紹介しています。
スターリングエンジンは太陽熱や温泉熱を利用することができます。近い将来、そのような自然エネルギを利用するエンジンが開発されることを望んでいます。また、スターリングエンジンを使った家庭用発電機はすぐにでも実用化されると思います。

A71: どういたしまして。この情報は私やこれから模型スターリングエンジンを作る人にとても役立つと思います。

A70: 私の図面が悪いのか、少々勘違いしているように思います。実際に作ったエンジンでは、ディスプレーサとパワーピストンとの最小隙間は0.5mm程度です。また、フライホイルには穴は開いていません。多分、ディスプレーサの空間とパワーピストンの空間とをつないでいる穴のことだと思います。

A69: 質問がよくわかりません。

A68: 大変興味深い情報をありがとうございます。そのような古いテーラーエンジンについてよくわからないので、比べることはできませんが、空き缶エンジンは約60rpm程度で運転します。

A67: ピストンの温度があまり上がらなければ、金属製のピストンを使うことができると思います。その場合、ピストンリングの材質はテフロン系がよいと思います。一般に2ピストン形（α形）スターリングエンジンの高温側ピストンは、ヒータの近くに配置されます。しかし、それは機械損失を増やし、ガス漏れが大きくなる原因となるので、シールにとって好ましくありません。一方、ディスプレーサ形スターリングエンジンのディスプレーサピストンのシールはそれほど厳重でなくてもよいため、金属製ピストンを使う場合はディスプレーサ形スターリングエンジンの方がよいのではないでしょうか。

A66: 難しい質問ですね。すぐには答えることができません。すみません。

A65: 現在、どこでコジェネレーション用スターリングエンジンの開発が行われているかわかりません。日本でもそのような用途のスターリングエンジンの開発が行われていましたが、現在行われているかはわかりません。

A64: 以前、蒸気を利用したスターリングエンジンについて聞いたことがあります。確かに出力は上がるようです。しかし、エンジン内で蒸気に保つことは難しいのではないでしょうか。また、熱交換器内の圧力損失が増加してしまうのではないかと思います。

A63: 難しい質問です。私はスターリングエンジンの研究者の一人として、近い将来、このエンジンが実用化されると信じています。

A62: あなたのメッセージが聞けてとてもうれしいです。あなたが作ったエンジンが家族や友人を楽しませるであろうことを願っています。

A61: 申し訳ありませんが、私は商売について詳しくないので、この質問には答えられません。

A60: おもしろい情報をありがとうございます。私もこのような哲学を述べてみたいですね。

A59:
(1) ディスプレーサピストンとシリンダとが接触せず、3〜5ｍｍ程度の隙間を保っているのであれば、どのようなシリンダ寸法にしても問題はありません。
(2) エンジンを手で回したとき、止まってしまう位置と反対の位置におもりを付けて下さい。

A58: 察するところ、以下の質問は模型エンジンではなく、より実用的なエンジンについての質問だと思いますので、そのようにお答えしたいと思います。
1．ピストンとシリンダの圧力漏れに対する対策
ご存じかもしれませんが、実用的な高出力エンジンでは、カーボンを添加したテフロンを材料としたピストンリングを使用しているのが一般的です。そのピストンリングは3ピース、あるいは4ピースのリングを組み合わせているため、ガソリンエンジンのピストンリングと比べるとはるかにシール性能が高いものが使われています。
2．起動時に起動し難くい
確かに、高い圧力に加圧されたエンジンは確かに起動のためのトルクが大きくなります。あまり一般的なことは知らないのですが、私の場合は、ピストンの上下の空間（作動空間とクランク室）とを細い管でつなぎ、管の途中に設置したバルブを開いた状態でモータリングさせます。ある程度の回転数で、バルブを閉じるとエンジンは起動を始めます。 あるいは、低い圧力に加圧しておき、起動させ、その後に徐々に規定の圧力まであげていくという方法もあるかと思います。
3．スターリングエンジンを作る上での課題
課題はいろいろとあるかと思いますが、私は以下の2点が重要だと考えています。
(1) 小型・低コストな高性能熱交換器の開発
　スターリングエンジンの欠点は、熱交換器（ヒータ、クーラ）を高性能化させる場合に、その構造が複雑となることだと思います。そのため、小型・低コストな高性能熱交換器の開発が必要になります。
(2) 無潤滑で耐久性があるピストンリングの開発
　密閉サイクルのスターリングエンジンは、内部にオイルが入ると熱交換器の性能が著しく低下するため、ピストンのシールを無潤滑にしなければなりません。かつ、耐久性があり、シール性能が高くなければいけないのですから、私としては、非常に難しい課題だと思います。一般にはあまり問題となっていないようですが。
以上、単なる私の考えですので、参考までに。

A57: 残念ながら、そのような情報はわかりません。ご存じの方はご連絡下さい。

A56: はい、その試験管エンジンを見たことがあります。とてもおもしろいエンジンだと思います。このエンジンについての情報は次のサイトにあります。
Omniscience Futureneering

A55: 難しい質問です。ディスプレーサピストンの材料は軽くする必要があると思います。埼玉大学の低温度差スターリングエンジンには発砲ウレタンが使われています。再生器には黄銅製の積層金網が使われています。もっと検討すれば、さらに性能が高い再生器材料が見つかると思います。

A54: ご指摘、ありがとうございます。早速、見直してみます。

A53: 残念ですが、そのエンジンについてはわかりません。

A52: スターリングエンジンと蒸気エンジンとはともに外燃機関ですが、全く異なる形式のエンジンです。スターリングエンジンはバルブがなく、密閉サイクルですが、蒸気エンジンはバルブがあり、オープンサイクルです。

A51: 私はBominのHEATPULSEの構造を十分に理解していません。私が思うに、そのエンジンはフリーピストン形か水スターリングエンジンなのではないかと考えています。その場合、自己始動機構を設けたエンジンは高回転化が難しいのではないでしょうか。それは、高圧縮比のエンジンを自己始動させるのが難しいと考えられるためです。また、その他の情報、ありがとうございます。参考にさせていただきます。

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