燃料を燃焼させて熱を取り出し、動力として利用するものを熱機関といいます。熱機関には様々な種類がありますが、大きく外燃機関と内燃機関の二つに分かれます。
この記事では外燃機関と内燃機関の違いやそれぞれの特徴について解説していきたいと思います。
外燃機関とは
外燃機関は作動流体そのものではなく、外部で熱を得た気体によって動力を得る機関です。
例えば、蒸気発電機などが代表的です。
蒸気を使って発電を行う場合は、ボイラーで燃料を燃焼させて水を高圧の蒸気に変換します。その蒸気をタービンに供給して翼を回転させることによって電力を得ることができます。
この時、作動流体は蒸気ですが、蒸気そのものは燃焼するわけではなく、外部機器のボイラーで燃料を熱源としてエネルギーを得ます。このような機関を外燃機関と呼びます。
蒸気発電以外にも、蒸気機関車、スターリングエンジンなどが外燃機関に当たります。
外燃機関の特徴として次の項目が挙げられます。
- 燃焼できれば燃料は何でもいい（石炭、ゴミ、木くずなど）
- 内燃機関に比べ機器構成が大きくなる
- 主に大型の工業プラントや発電所で利用される
- 間接的なため全体の熱効率は悪くなる（約20%程度）
外燃機関では、タービンから出てきた蒸気をそのまま加熱源として利用することで全体の効率を向上させます。
原子力発電なども原子炉で発生させた熱で蒸気を作り出すことで発電しています。
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内燃機関とは
内燃機関は作動流体そのものを燃焼させて動力を得る機関です。
同じく発電を例に挙げると、ガスタービン発電がこれに当たります。ガスタービン発電は、液化された天然ガス（LNG）などを気化させ、燃焼器によって空気と混合させて燃焼させます。
ガスは燃焼すると酸素と結びつくことで膨張し、圧力が上昇します。この高圧の燃焼ガスでタービンの翼を回転させることで電力を得ます。このように、作動流体そのものを燃焼させて動力を得る機関を内燃機関と呼びます。
身近な熱機関は、ほとんどが内燃機関を占めており、車のガソリンエンジン、ディーゼルエンジン、飛行機のジェットエンジンなどがこれに当たります。
内燃機関の特徴としては次の項目が挙げられます。
- 燃料は気体や液体の化石燃料のみ
- 外燃機関に比べ機器構成が小さくなる
- 輸送機器に利用されることが多い
- 直接燃焼するため熱効率が高い（最大60%以上）
内燃機関には身近なものも多いので理解しやすいですね。
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外燃機関と内燃機関の組み合わせ
外燃機関と内燃機関は用途によって使い分けがされます。
結局のところ、目的は発生したエネルギーを如何に効率よく使うかということになります。
例えば、ガスタービン発電を行うと、タービンから出てくる高温の排ガスは煙突から捨てられますが、この熱を利用してボイラーから蒸気を発生させれば、熱を有効に利用することができます。
このような外燃機関と内燃機関の組み合わせはコンバインドサイクルと呼ばれ、近年の大規模工場で多く利用されています。
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まとめ
- 外燃機関と内燃機関の違いは作動流体を燃焼させるかどうか
- 外燃機関は大規模工場などで多く、内燃機関は輸送機器に多い
- 外燃機関と内燃機関を組み合わせることで効率が上がる
色々な熱機関を勉強する時に、外燃機関と内燃機関の違いが分かっていればより理解しやすくなりますね。
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