スターリングエンジンの動作原理

もっとも初歩的なモデル

　この図はスターリングエンジンの動作原理を非常に模式的に示しています。スターリングエンジンは、気体が暖まると膨張し、冷やされると圧縮する性質をうまく利用して動いています。しかしこのように一つのピストンを加熱・冷却することは実際には困難なため、実用的なスターリングエンジンでは９０度の位相差をつけた２つのピストンと温度差をつけた２つの空間によってこの性質を得ています。

動作原理

P-V線図

1-2：等容加熱過程: 容積一定で加熱されます。エンジン内のガス圧力が高まります。
2-3：等温膨張過程: 温度を一定に保ちながら膨張させます。エンジンは外部に仕事を行います。
3-4：等容冷却過程: 容積一定で冷却します。エンジン内のガス圧力は下がります。
4-1：等温圧縮過程: 温度を一定に保ちながら圧縮します。エンジンは外部に熱を捨てます。

ディスプレーサ形スターリングエンジンの動作原理

　ディスプレーサ形スターリングエンジンはディスプレーサピストンによって、作動ガスを高温空間と圧縮空間の間を往復させ、それによって生じた圧力変化をパワーピストンによって動力として取り出します。

ディスプレーサスターリングエンジンの動作原理

1：等容加熱過程: ディスプレーサピストンが圧縮側に移動することで、エンジン内の作動ガスが加熱器を通過し、高温となり膨張空間へ流れ込みます。エンジン内のガス圧力が高まります。
2：等温膨張過程: 高まったエンジン内圧力により、パワーピストンが押されます。エンジンは外部に仕事を行います。
3：等容冷却過程: ディスプレーサピストンが膨張側に移動することで、エンジン内の作動ガスが冷却器を通過し、低温となり圧縮空間へ流れ込みます。エンジン内のガス圧力が低下します。
4：等温圧縮過程: パワーピストンが押し込まれ、エンジンは外部より仕事をされ、外部に熱を捨てます。

　実際のエンジンでは、両ピストンはこのような間欠的な運動ではなく、正弦的な運動を行いますが、両ピストンの動きの間に90°の位相差を付けることで、上のような動きに近づけることができます。

2ピストン形スターリングエンジンの動作原理

　2ピストン形スターリングエンジンでは、作動ガスの移動と動力の取り出しを2つのパワーピストンによって行います。両パワーピストンにはその動作に90°の位相差が付けられています。

2ピストン形スターリングエンジンの動作原理

1：等容加熱過程: この過程では圧縮側パワーピストンは上に、膨張側パワーピストンは下に移動します。エンジン内の作動ガスが加熱器を通過し、高温となり膨張空間へ流れ込みます。エンジン内のガス圧力が高まります。
2：等温膨張過程: 次の過程では両パワーピストンは下向きに移動し,作動ガスは膨張します。エンジンは外部に仕事を行います。
3：等容冷却過程: 次の過程では圧縮側パワーピストンは下に、膨張側パワーピストンは上に移動します。エンジン内の作動ガスが冷却器を通過し、低温となり圧縮空間へ流れ込みます。エンジン内のガス圧力が低下します。
4：等温圧縮過程: 次の過程では両パワーピストンは上に移動し、作動ガスは圧縮されます。エンジンは外部より仕事をされ、外部に熱を捨てます。

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