熱機関

【スターリングサイクル】スターリングエンジンの熱サイクル

スターリングサイクルはスターリングエンジンに利用される熱サイクルでシリンダ内に封入されたガスを加熱・冷却することでピストン運動を行うサイクルです。スターリングサイクルの基本はカルノーサイクルと同様になります。

この記事では、スターリングサイクルとはどのようなサイクルなのか、カルノーサイクルとは何が違うのかについて解説していきたいと思います。

1. スターリングサイクルとは?

スターリングエンジンは2つの等温過程と2つの等容過程からなるサイクルです。スコットランドのロバート・スターリングによって1816年に発明されました。シリンダー内のガスを加熱・冷却することでシリンダーを動かします。

加熱と冷却の過程で理想的な熱交換が行われれば、カルノーサイクルと同じサイクルになります。スターリングエンジンについては、言葉で説明するよりも実際に動いているところを見ていただいたほうが分かりやすいと思うので、動画を載せておきます。

 

 

自作で作られている方も多く、調べるといろいろな動画が出てきます。それだけ簡易な熱サイクルということですね。

 

また、スターリングエンジンのミニチュアキットなどもたくさん販売されているので、インテリアや教材としていかがでしょうか?(笑)

 

2. スターリングサイクルの基本サイクル

スターリングサイクルの基本は次の4つの工程で表すことができます。

  • 1⇒2:等温圧縮
  • 2⇒3:等容加熱
  • 3⇒4:等温膨張
  • 4⇒1:等容放熱

4⇒1で加えられた熱量と2⇒3で放出される熱量を熱交換することができればカルノーサイクルと同じ捏効率になります。スターリングサイクルはディーゼルエンジンなどと同じように往復式のピストンとシリンダで構成されていますが、内部のガスを外部から加熱・冷却を行うことでさどうさせるので内燃機関ではなく外燃機関になります。

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3. スターリングサイクルのP-v線図、T-s線図

スターリングサイクルのP-v線図とT-s線図は次のようになります。見た目としてはカルノーサイクルと同じなので混同しないようにしましょう。

 

P-v線図では膨張と圧縮の間に等容変化が2つあるのが特徴的です。

T-s線図では等温変化が2つある一方で、断熱変化がないのでエントロピーが一定になることがありません。

4. スターリングサイクルの熱効率

スターリングサイクルの理想的な熱効率はカルノーサイクルと同じになります。

$$η=1-\frac{T12}{T34}$$

高温側の温度を高く、低温側の温度を低くすれば熱効率は高くなります。

熱効率の詳しい導出方法についてはカルノーサイクルの記事を参考にしてください。

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5. まとめ

  • スターリングサイクルはスターリングエンジンの熱サイクル
  • 2つの等温過程と2つの等容過程からなるサイクル
  • 理想的な熱効率はカルノーサイクルと同じになる

スターリングサイクルは出題頻度はあまり高くありませんが、カルノーサイクルと合わせて出題されることが多いです。

他の熱機関との違いをよく理解しておきましょう。

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