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山下 巌・濱口和洋・香川 澄・平田宏一・百瀬 豊 共著 スターリングエンジンの設計 パワー社 2009 |
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本書は絶版となっていた「スターリングエンジンの理論と設計」（山海堂，1999年）が再出版されたものです。 資料A4，資料A5が省略されている以外は後者と同じ内容です。 CD-ROMも省略されていますが， 資料A1の"SCM20" スターリングサイクル機器設計プログラム（DOS版，Windows版） 8.7節のフリーピストン形エンジンの特性計算プログラム（Windows版） もちろん，これまでに見付かった誤字，誤植等のエラーは修正されています。 |
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スターリングエンジンの設計 目次と概要
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第1章 スターリングエンジンの概要 1.1 基本構造と動作原理 1.2 基本形式 1.3 誕生と開発経緯 1.4 基本特性とその特徴 1.5 技術的課題 |
スターリングエンジンは，ガソリンエンジン，ディーゼルエンジン，ガスタービンあるいは蒸気機関といつた在来のエンジンとはかなり違った構造を持ち，当然，特性や歴史も大きく異なる。本章では，基本構造，動作原理，開発経緯などを紹介することにより，その全体像を示した後，熱効率，出力特性，圧縮比などで代表されるエンジン特性における特徴，用途を考える際にポイントとなる多種燃料・熱源への適応性や環境への適合性，実用化を進める際に間題になる技術的課題などについて述べた。
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第2章 基礎理論 2.1 スターリングサイクル 2.2 スターリングサイクルの実現 2.3 等温モデル |
スターリングサイクルでは，通常，内部で完全な熱再生が行なわれることが仮定されているため，その熱効率はカルノーサイクルのものと一致し，これがスターリングエンジンが俗に“夢のエンジン”と言われる所以になっている。本章では，熱再生の有無に注目しながら，スターリングサイクルの特徴を示すとともに，再生オットーサイクルなどのより現実的なサイクルについても言及した。また，スターリングエンジンの特徴を近似的に予測する上で有効な等温モデルあるいはSchmidtモデルを計算例とともに示した。
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第3章 エンジン特性 3.1 エンジン特性の測定 3.2 実用形エンジンの特性 3.3 ヒートバランス解析 3.4 出力特性の相似則 |
スターリングエンジンの特性の測定や表示には統一的手法がないため，データの相互比較を行なう場合には十分な注意が必要になる。本章では，エンジン特性を把握しようとする際に推奨される測定項目，解析方法および特性の表示方法について述べるとともに，これに基づいて実施された実用形エンジンの運転試験結果とその解析結果を紹介した。また，既存エンジンについては出力の評価，新たに計画するエンジンについては出力予測に利用できる出力特性の相似則についても述べた。
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第4章 熱力学的設計・解析手法 4.1 設計・解析手法の概要 4.2 諸損失とその取り扱い手法 4.3 簡易モデル 4.4 多分割モデル |
スターリングエンジンの構成は熱機関の中では比較的単純なものに属すが，熱交換器のように高度な設計技術を要する要素が含まれている。すなわち，エンジン内に封入された作動ガスの流れは複雑な往復流れであり，その熱伝達や圧力損失を取り扱う熱交換器の設計がエンジン性能に大きな影響を及ぼす。要素試験などにより熱交換器単体の特性を確認することも有効であるが，数値解析モデルに基づく熱力学的設計・解析手法を用い，高精度なエンジン性能の予測を行なえば，エンジン開発を効率的に進めることができる。
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第5章 熱交換器の設計 5.1 熱交換器の構成 5.2 ヒータおよびクーラ 5.3 再生器 5.4 熱交換器設計における相似則 |
スターリングエンジンの性能は，ヒータ，クーラ，再生器といつた熱交換器の設計の適否に大きく依存している。ヒータおよびクーラは外部熱源と作動ガスとの間における熱の授受，再生器は作動ガスの往復流れにより発生する熱流の遮断に係わる大きな役割を担っている。本章では，各熱交換器の基本構成，材料そして圧力損失および伝熱性能の評価に必要な摩擦係数やヌセルト数等の実験式を紹介するとともに，熱交換器の設計指針について述べた。
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第6章 加熱および冷却システムの設計 6.1 加熱システムの概要 6.2 燃焼ガス加熱システム 6.3 太陽熱加熱システム 6.4 冷却システムの設計 |
実用面から見たスターリングエンジンの.最大の特徴は多種燃料・熱源を使用できることにある。したがって，スターリングエンジンの実用化をはかる場合には，外部熱源との熱交換システムすなわちヒータに付属する加熱システム，クーラに付属する冷却システムの最適設計が不可欠であり，応用システムの成否を左右する。本章では，現在，最も実用性が高いと考えられる燃焼ガスと太陽熱を利用する加熱システムおよび循環水を利用する冷却システムの設計法の概略について，実例に基づきながら述べた。
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第7章 シール機構の設計 7.1 動的シール機構の構成と要求性能 7.2 ピストンリング 7.3 ロッドシール 7.4 メカニカルシール 7.5 静止面シール 7.6 非接触式シール
7.7
シール性能の評価と測定例
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スターリングエンジンには運動部を密封する動的シールと静止部を密封する静止面シールが用いられるが，前者の方が特有の問題点があり重要性も高い。そこで，本章では，動的シールに重点を置いて，シール機構の開発の現状と設計指針について述べた。
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第8章 出力取出し機構の設計 8.1 出力取出し機構の構成と種類 8.2 クランク機構の力学 8.3 トルク変動とその平滑化 8.4 スターリングエンジンの潤滑特性 8.5 機械損失の評価 8.6 バッファ損失の評価
8.7
フリーピストン形エンジン
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スターリングエンジンでは，熱力学サイクルに駆動機構系を組み合わせることにより，作動ガスの膨張・圧縮から機械的仕事の出力までの一貫したサイクルが完成される。したがって，十分な検討に基づいて設計された出力取出し機構を用いることにより，はじめて高性能なエンジンが実現できる。また，複数のビストン間への適切な位相差の設定，無潤滑シールの適用なども不可欠とされるため，出力取出し機構の重要性が高まる。一方， 機械式の駆動系を用いないフリーピストン形スターリングエンジン（FPSE）と呼ばれる形式のエンジンもある。本章では，最も一般的な機械式の出力取出し機構の設計法を中心に取り扱うが，末尾ではFPSEの基本的な設計法についても触れた。
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第9章 出力制御装置の設計 9.1 出力制御のパラメータ 9.2 出力制御方式 9.3 動作点の決定（トルクマッチング） 9.4 ヒータ管温度制御方式 9.5 作動ガス圧力制御方式 9.6 作動空間死容積制御方式 9.7 ピストンストローク制御方式 9.8 ピストン位相差制御方式
9.9
作動ガス漏れ速度制御方式
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スターリングエンジンは外燃機関であるため，内燃機関に比べて，出力の制御性は本質的に劣るが，適切な方法を採用すれば自動車用エンジンとしても使用できる程度まで制御性を上げうることが実証されている。また，出力制御範囲の指標とされるターンダウン比（最大出力と最小出力の比）も比較的容易に10程度を達成できることが知られている。
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第10章 スターリングエンジン応用システムとその可能性 10.1 空調システム（SEHP） 10.2 地上用太陽熱発電システム 10.3 宇宙用太陽熱発電システム 10.4 コージェネレーション 10.5 自動車 10.6 海中動力源 10.7 その他の応用
10.8
応用システムの可能性
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スターリングエンジンは技術的にはほぼ確立され，対象として考えられる応用システムも内燃機関に比べはるかに幅広いにもかかわらず，実用化あるいは商品化という点では極めて不十分であると言わざるをえない。もちろん，エンジン発電機のように既に商品化されている例もあるが，現状では微々たる数量で，量産あるいは普及といつた水準からはほど遠いのが現状である。 また， 後述のようにスウェーデンの潜水艦でも実用化されているが， 民生用機器を基準にして見ると，おそらくコストが無視された特殊用途に過ぎないと考えられる。 本章では，近い将来におけるスターリングエンジン応用システムの発展の手がかりになることを期待して，これまでの開発状況をまとめて紹介した。また，末尾では，21世紀に向けて有望と考えられるいくつかの応用システムを提案した。
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資料A1. "SCM20" スターリングサイクル機器設計プログラム A1.1 SCM20の概要 A1.2 SCMのモデル化 A1.3 熱交換器のモデル化 A1.4 雑損失のモデル化 A1.5 SCM20の構成と使用方法 A1.6 SCM20の適用例
A1.7 SCM20の問題点
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再生スターリングサイクルを基礎とする機器は，エンジン（SEと略）としてばかりでなく，冷凍機・ヒートポンプ（SCRと略）としても動作する。また，同種の機器にヴィルミエサイクル機器（VMと略）がある。そこで，本章では，これらをスターリングサイクル機器（SCMと略）と総称し，いずれのSCMにも適用できる共通的な熱力学的設計プログラムSCM-code Ver.2.0 “SCM20”を紹介した。 SCM20はCD-ROMなどにより利用できる。
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資料A2. 100W級スターリングエンジンの設計・製作例 A2.1 設計の基本方針 A2.2 エンジンの構造 A2.3 要素設計 A2.4 熱サイクル解析
A2.5
運転試験結果
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本書に述べられている設計手法の適用例として，(社)日本機械学会RCI27研究分科会（1995～1997年度）の研究活動の一環として実施された100W 級小型スターリングエンジン“Ecoboy-SCM81”の設計・試作について紹介した。
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資料A3. ヴィルミエ機関とスターリング冷凍機 A3.1 ヴィルミエ機関 A3.2 スターリング冷凍機
A3.3
複合スターリング機関
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ヴィルミエ機関とスターリング冷凍機（ヒートポンプ機能を含む）はいずれもスターリングサイクルをベースに作動する。したがって，これらの構成はスターリングエンジンに極めて類似しており，設計要素にも共通する項目が多い。また，構成が比較的シンプルで，条件によっては蒸気圧縮式など他のサイクルに比べて高い効率を持つため，極低温の分野では既に多くの実績がある。また，近年ではフロン系冷媒を用いない冷凍・空調機器としても注目され，この分野における発展が期待されている。
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索 引 （和英）
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山下 巌（やました いわお） |
1940年生まれ。大阪大学大学院修士課程修了後，工業技術院機械技術研究所，東京電機大学を経て，現在，同大学名誉教授。理学博士（大阪大学） |
濱口和洋（はまぐち かずひろ） |
1950年生まれ。 明治大学大学院博士課程満期退学後，北海道職能開発短期大学校を経て，現在，明星大学理工学部教授。工学博士（明治大学） |
香川 澄（かがわ のぼる） |
1957年生まれ。慶応義塾大学大学院修士課程修了後，株式会社東芝 家電技術研究所を経て，現在，防衛大学校教授。工学博士（慶応義塾大学） |
平田宏一（ひらた こういち） |
1967年生まれ。埼玉大学大学院修士課程修了後，現在，海上技術安全研究所主任研究員。博士（工学）（埼玉大学） |
百瀬 豊（ももせ ゆたか） |
1944年生まれ。大阪市立大学工学部卒業後，アイシン精機株式会社開発部を経て，現在，百瀬機械設計株式会社代表取締役。 |