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エンジンを通して学ぶ熱力学

東京大学生産技術研究所

Scientists for the Next Generation鳥井亮高間信行清水和利

http://ketch.iis.u-tokyo.ac.jp/sng

1999年12月16日

埼玉県立浦和高等学校

SNG Group, I.I.S. Univ. of Tokyo

Contents

• はじめに

• スターリングエンジンとは？

• 実験～動かしてみよう～

• 実用化への課題とエネルギー問題

• 質問など


はじめに

• 科学の発展に伴う諸問題

– エネルギー資源問題

代替エネルギーの開発今あるエネルギーの有効利用

– 環境汚染

クリーンなエネルギーの利用廃棄物を出さない工夫


エネルギー問題への対策

• 代替燃料の開発

– 風力・太陽・原子力等

• 今あるエネルギーの有効利用

– 高効率機関の開発

– エネルギーの再利用


環境汚染への対策

• クリーンなエネルギーの利用

• 廃棄物を出さない工夫– 低NOxエンジン

– 電気自動車（ハイブリッドカー）

• 廃棄物を出しても再利用する

– リサイクル活動


科学者が目指すもの

• 無駄がない

• クリーン

• 音が小さい

• コンパクト

• 安い！…etc

無駄がない

クリーン

音が小さい

スターリングエンジン


スターリングエンジンとは？

1816年　ロバート・スターリング（英）　発明

外部からの加熱により動力を発生する「外燃機関」


熱機関

内燃機関

　　内部で燃料を燃焼・爆発させ

　　動力を取り出す

　　（例）ガソリンエンジン，

　　　　ディーゼルエンジン

熱機関･･･熱エネルギーを機械的エネルギーに変換


熱機関

外燃機関

　　外部から熱をもらうことで動力を取り出す

　　（例）スターリングエンジン，蒸気エンジン


スターリングエンジンの利点

高い熱効率　　　　　カルノーサイクルと理論的に等しい

熱源を選ばない　　　　　外燃機関であるので排熱，太陽熱，バイオマス…

きれいな排ガス　　　　　外部燃焼のためきれいに燃やすことができる

（NOx，SOxの低減）

振動・騒音が少ない　　　　　シリンダー内の爆発がない


スターリングエンジン（ディスプレーサ型）

ディスプレーサピストンパワーピストン

フライホイル

ディスプレーサシリンダ

パワーシリンダ

加熱部

冷却部

クランク板


スターリングエンジンの動き


スターリングエンジンの原理

気体の性質　　　　空き缶に風船をつけて缶を暖めたり冷やしたりすると

…

図協力：平田宏一氏（運輸省船舶技術研究所）



ボイル・シャルルの法則

):::( 温度体積，圧力，

一定

TVPT

VP=

×

温度が上昇圧力は上昇

温度が低下圧力は低下



ディスプレーサピストン上下することで空気を移動させる

ディスプレーサピストンの動きにより内部圧力が変化する



クランク機構

ピストンの上下運動を回転運動に変換する



パワーピストン

駆動力を取り出す



フライホイル慣性によりスムーズに動かす


スターリングエンジンの動きディスプレーサ型

①空気が高温側に移動②エンジン内圧力が上昇③空気が膨張してパワーピスト

ンを上に押す④クランク軸を回す（仕事）⑤フライホイルの慣性でクラン

ク軸が回る⑥空気が低温側に移動⑦エンジン内圧力が低下⑧空気が圧縮してパワーピスト

ンが下に押される⑨クランク軸を回す（仕事）⑩フライホイルの慣性でクラン

ク軸が回る


スターリングエンジンの動き


スターリングエンジンと熱力学

熱力学の第一法則

Q U W= +∆Q:外部から加えた熱量ΔU：内部エネルギー変化量（内部エネルギー ∝ 温度）W:外にした仕事

ΔUQ W



等積変化

　　　体積が変わらない

　　　Q=ΔUQ

W=0

等圧変化

　　　圧力が変わらない

　　　Q=ΔU＋WQ W

ΔU

ΔU



等温変化

　　　温度が変化しない ΔU＝0

　　　　　Q＝W

断熱変化

　　　熱の出入りがない Q=0

　　　　　ΔU＋W＝0

Q W

W<0

ΔUW



熱効率　　

HQL

=η

）（ LH QQL −=

H

LH

QQQ −

=η

熱機関

高温熱源

低温熱源

HQ

LQ

L

HT

LT



スターリングサイクル

（D→A）等積加熱（A→B）等温膨張（B→C）等積冷却（C→D）等温圧縮

H

LH

H

LH

TTT

QQQ −

=−

=η

可逆サイクル



カルノーサイクル

　　　　理論上最高の熱効率を持つ

（A→B）等温膨張（B→C）断熱膨張（C→D）等温圧縮（D→A）断熱圧縮

H

LH

H

LH

TTT

QQQ −

=−

=η

可逆サイクル



熱機関の熱効率

蒸気機関 10～20%ガソリン機関 20～30%蒸気タービン 20～40%ディーゼル機関 30～40%スターリング機関 25～35%


スターリングエンジンの実用化

• 工学的な実用化の手順

– 問題点を知る

– 解決法を考える

• 量産上の問題


スターリングエンジンの問題点

比出力が小さい

　　　　エンジンの単位重量あたりの出力が小さい

サイズが大きい

大がかりである

コストが高い

　　　　製造コストが高い


問題解決の方法


まとめ

• スターリングエンジンは理論上，理想的な熱機関である

• スターリングエンジンの実用化には解決すべきさまざまな課題がある

• スターリングエンジンは次世代の「地球にやさしい」熱機関としての可能性を大いに秘めている


チェックポイント by R.TORII

• スターリング冷凍機について

• なぜカルノーサイクルが理論上最高効率なのか？

• スターリングエンジンの出力（他と比べて）


地球環境問題

温暖化

オゾン層破壊

酸性雨

森林破壊

砂漠化

環境汚染


地球環境問題

温室効果ガス　　赤外線を吸収するガス

　　　　　大気中に１％程度

　　　　　地上平均温度１５[℃]（なければ－１８[℃]）

　　　二酸化炭素（CO2）

　　　メタン（CH4）

　　　亜酸化窒素（N2O）

　　　フロンなど 300亜酸化窒素

10000フロン

25メタン

1二酸化炭素

温暖化係数温室効果ガス


地球環境問題

温室効果ガス（1995年）

二酸化炭素64%

メタン19%

亜酸化窒素6%

その他1%

フロン＆代替フロン

10%


地球環境問題

大気中の二酸化炭素濃度


地球環境問題

二酸化炭素排出量（1995年）

中国14%

その他45%

アメリカ24%

旧ソ連12%

日本5%

全世界5.89 Gt-C


エネルギー問題

世界人口の推移

01,000,0002,000,0003,000,0004,000,0005,000,0006,000,0007,000,0008,000,0009,000,000

10,000,0001950

1960

1970

1980

1990

2000

2010

2020

2030

2040

2050

年

人口

（千

人）

アフリカ

アジア

ヨーロッパ

中南米

北米

オセアニア



世界のエネルギー消費量

0

2,000

4,000

6,000

8,000

10,000

12,000

14,000

1971 1993 2000 2010

年

消費

量

（石

油換

算百

万ト

ン）その他の発展途上国

（日本を除く）アジア

旧ソ連及び中東欧

OECD諸国



世界のエネルギー消費（資源別）

0

2,000

4,000

6,000

8,000

10,000

12,000

14,000

1971 1993 2000 2010

年

消費

量

（石

油換

算百

万ト

ン）地熱他

水力

原子力

ガス

石油

石炭



日本のエネルギー消費量

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

73 79 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96

年度

消費

量

（百

万 k

l）

運輸

民生

産業



日本のエネルギーの石油依存度

0

100,000

200,000

300,000

400,000

500,000

600,0001955

1965

1971

1973

1975

1977

1979

1981

1983

1985

1987

1989

1991

1993

1995

年度

供給

量

（１

０１

０ k

cal）

0102030405060708090

石油

依存

度

（％

）

一次エネルギー総供給石油依存度（％）



石油埋蔵量(1996

7%

8%

9%

5%

5%

2%

64%

0%

アフリカ北米南米アジア旧ソ連ヨーロッパ中東オセアニア

可採年数　５０年？



石炭埋蔵量(1996)

6%

27%

2%

21%

23%

12%

0%

9%


可採年数　２３０年？



天然ガス埋蔵量(1996)

7%6%

4%

8%

36%4%

34%

1% アフリカ北米南米アジア旧ソ連ヨーロッパ中東オセアニア

可採年数　７０年？



ウラン埋蔵量(1996)

13%

37%

5%

4%

23%

3%

0%

15%アフリカ北米南米アジア旧ソ連ヨーロッパ中東オセアニア

可採年数　１１０年？



利用可能水力(1996)

14%

14%

19%24%

17%

10%

1%

1%


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