エデュケイション Q
エデュケイションＱ「機械製作実習 スターリングエンジン」の テキスト
Education Q: A Textbooklet for “Exercise for Machine Shop Practice - Stirling Engine-”

牧野 俊郎（京都大学）
Toshiro MAKINO (Kyoto University)
私どもの大学の工学部(学部課程)は 6 つの学科からなる．
その1つが学年定員235名の物理工学科である．
学生は 3 年進級時に 4 つのコース(学科目)のいずれかに進級する．そのコースの 1 つが定員 105 名の機械シ
ステム学コースである．そのコースに進級直後の３年生に課す実験・実習科目の 1 つに「機械製作実習」という半期(１セメスター)1 単位の科目がある．学内の実習工場で旋盤・フライス盤などを用いて，曲がりなりにも機能をもつ 1 つのミニ機械を自分の手でつくる体験をさせる科目である．
2 年前までは，小型バイスを製作させてきた．これは，私が学生の時から不動の，“伝統の課題”であったが，昨年，それを標記の“スターリングエンジン”に置き換えた．この課題は，全国の大学あるいはむしろ高専でポピュラーなものであったと聞く．ともあれ，私
どもは，
遅れて，
この課題を実習教育の課題に選んだ．
ついては，学生を実習工場に送る前に，「安全工学」に加えて，「工作機械」と「熱力学」のおさらいくらいの座学は必要である．かくして，「熱力学」の担当者が100 分くらいのスターリングエンジンの講義をすることになった．次以降のページに示すのは，その講義のために準備したテキストのコピーである．ふだんの 2
年生への
「熱力学」
講義のテキストのときとは違って，
より学生に近づいて書いたつもりである．教室の理想的な「熱力学」と実習工場で作る現物との距離を考えて，あるいは，自分がこれまでよく解らなかったあたりについては，くどく書いた．いろんなご批判・ご指摘をいただければありがたい．あて先は，
e-mail: toshiro.makino.52s@st.kyoto-u.ac.jp
さて，その講義であるが，テキストの内容に入る前に，できあがったスターリングエンジンを運転して見せ，さらに，1 つの実験をやって見せることにしている．教室に，2L ビーカーに入れた液体窒素を準備し，その中に膨らませた風船を漬けて縮ませ，その縮んで100K くらいになった風船を 300K の熱浴(そのあたり)にさらし，風船が見る間に大きくなるようすを見せる．

伝熱2004 年 5 月

その後，おまけで，残った液体窒素を教室の床にまき散らす．学生はワーっと叫んでよろこぶ．
この実験を見せる趣旨は，講義の雰囲気づくりのこともあるが，
その主たる部分は，“気体を加熱するとその体積が増す” という熱力学の基本を実感させる，というところにある．その基本は，学生の誰もが知っていることであるが，それを実感として身につけている者は実は少なく，中学か高校の理科の先生がそうだと言ったから，知識として知っているという者が大部分であるようである．もしそうであるとすると，それは次の世代の人たちにとって危険である．これが，この実験を加えた意図である．
いっぽう，この風船の実験を通じて，教える側の私自身が気づかせられたことがある．私は，それまで，気体の圧力ｐが増すと，その体積Ｖは減るか変わらな
いかのいずれかであり，ｐが増加してＶも増加するという現象は，ふつうには起こらないと思っていた．イ
ンジケーターが描くエンジンのサイクル図の角が丸いこと(私の理解に照らしての矛盾)については，燃焼にともなう物質量(mol 数)の変化や燃焼ガスの空間的な非均質さに起因するのであろうなどと，いい加減に考えていた．上述の簡単な実験では，しかし，その起こらないはずの現象が，いとも簡単にそのあたりで起ってしまった．(風船内の気体の)温度が上がると，(風船内の気体の)体積は増加し，(風船の張力が増加して風船内の気体の)圧力が増加する．これは，圧力ｐと体積Ｖがともに増加するという，教科書の理論サイクルのpV 図には見られない熱力学変化である．この「熱力学」の担当者は，ここで，自分で教えられてしまった．
なお，このテキストを書いた時点で，後ろめたく思っていることがある．それは pv 図と pV 図，Ts 図と TS図を，きちんと説明することなく，その都度その場の都合に応じて使い分けていることである．次年度版のテキストでは，なんとかしたい．

-34-

エデュケイション Q------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

機
機械
械製
製作
作実
実習
習ス
スタ
エン
ター
ンジ
ーリ
ジン
リン
ン
ング
グエ
－
熱
力
学
か
ら
の
－
I
n
t
r
o
d
u
c
t
i
o
n
－ 熱 力 学 か ら の I n t ro du ct io n －MMMaaakkkiiinnnoootttooossshhh iro040413------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

0. はじめにのとき，流体は外部に仕事をする．逆に，低温低圧の状態 1’にある流体を圧縮して，比較的高温高圧の状態 2’に至らせる(図 1)．このとき，流体は外部から仕事をされる．これらの状態変化の過程
では，熱エネルギーと力学的なエネルギーの変換(energy conversion)が行われる．
1.3 熱力学サイクル“機械製作実習” では，実際に形になって動く“もの” をつくることを体験してほしい．“もの”
ができることを頭で理解することと，自分の手で作った “もの” を動かせることとの間には，テレ
ビのお料理番組を見るのと，ネタの仕入れから始めて自分で作った料理を味わうのとの違いくらいのものがある．教室で学んだ “熱力学” がきょうの自分の作業につながるあたりを頭と体で納得するのは，実に楽しい．スターリング(Stirling)エン
ジンは，そのような目的のための実習の課題としての すぐれもの である．
この講義では，これからつくる “もの” が 熱力
学的にはどのように説明されるかを考え始められるように Introduction する．はじめにお断りするが，“熱力学” 講義の理想的なエンジンと実習で作る実際のエンジンとの間には(とくに Stirling エン
ジンの場合)かなりの距離がある．どこがどれだけ違うのかを考えながら実習に当たると，こんどは“熱力学” を見直したくなるかもしれない．

図 1 におけるようなエネルギー変換過程は，しかし，単発的なものであり，連続的に自動車を動かしあるいは連続的に電力を供給できるたぐいのものではない．(熱エネルギー → 力学的エネルギー)の変換を連続的に行うためには，図 2 に示すような熱力学サイクルを実現する装置を準備することが必要である．熱力学サイクルは，流体がその熱力学的な状態を変化させてもとの状態にもどることを繰り返させて，エネルギー変換を継続させるものである．

1. “熱力学” のおさらい
1.1 機械工学における機関 (エンジン)
機械工学は，熱エネルギーから力学的なエネル
ギーを得て自動車や航空機を動かし，あるいは，その力学的なエネルギーからさらに電気のエネル
ギーを得て，現代の生活・生産の基礎を作り出してきた．これらのエネルギー変換の装置・からくり・機械が機関(エンジン, engine)であり，その動作原理は熱力学によって説明される．日常語のエンジンは，多くの場合，自動車や航空機のエンジンを指すが，機械工学でいう機関には火力発電
所・原子力発電所などの大型・設地型のエンジンも含まれる．
1.2 熱力学状態変化

図 1. 作動流体の膨張と圧縮

いま，高温高圧の状態 1 にある流体を膨張させて，比較的低温低圧の状態 2 に至らせる(図 1)．こ図 2. 熱力学のサイクル-35-

Jour. HTSJ, Vol. 43, No. 180

エデュケイション Q

図 3. 熱 力 学サ イ ク ル にお け る 熱 エネ ル ギ ー と仕 事 の 収 支

1.4 サイクルにおけるエネルギー変換

流体が外部から(絶対仕事/工業仕事)をされる
外部が流体から(絶対仕事/工業仕事)をされるの，主語と目的語，能動態と受動態，絶対仕事と工業仕事を注意深く使い分けることが重要である．いっぽう，サイクルについて仕事の有効部を考えるときには，絶対仕事をもとにして考えても工業仕事をもとにして考えても結果は同じになるので，あいまいに “仕事” と呼んでも誤解を生
むことはない．
1.5 工業熱力学のサイクル

熱力学サイクルにおける熱エネルギーと力学的エネルギーのやりとりは，pv 図と Ts 図に表される．図 3 は，そのやりとりを図示するものである．絶対仕事や工業仕事(単位: J/kg)は pv 図上の面積で表され，熱エネルギー(単位: J/kg)は Ts 図上の面積で表される．その仕事と熱エネルギーの収支(有効部)はたがいに等しい．ここで，仕事を考えるときには，
流体が外部に(絶対仕事/工業仕事)をする
外部が流体に(絶対仕事/工業仕事)をする

もっとも基礎的な熱力学のサイクルとしては，

表 1 工 業熱 力 学 の サイ ク ル *---------------------------------------------------------------------------------------(閉 鎖 系 ) 密閉 /容 積 型(開 放系) 定 常 流 動系
往 復 (reciprocal)運 動
回 転 (rotary)運 動… 小規模も , 可動型も… 大規模ｴﾈﾙｷﾞｰも , 設地型も---------------------------------------------------------------------------------------内燃機関
Otto/ Diesel サ イ ク ル
Brayton サ イ ク ル… エ ネ ル ギー 源 ： 高級燃料
… のりもの… 航空機・火力発電
作動流体：
燃焼ガス
燃焼ガス
---------------------------------------------------------------------------------------外燃機関
Stirling サ イ ク ル
Rankine サ イ ク ル… エ ネ ル ギー 源 ： なんでもあり… エネルギー・環境 ?
… 火力 / 原子力発電
作動流体：
空気
H2O
---------------------------------------------------------------------------------------(*: こ の 表 は ， サ イ ク ル の ポ ピ ュ ラ ー な 機 構 ・ 用 途 を 示 す も の で あ り ， サ イ ク ル を 厳 密 に 分 類 す る も の で は な い )伝熱2004 年 5 月-36-

エデュケイション Q
Carnot サイクルが挙げられる．しかし，実際の人間の生活・生産活動を支えるサイクルとしては，
表１に示すものがより重要である．そのなかで，Stirling サイクルは，他のサイクルに匹敵する歴史をもつが，いまだ，Otto サイクルや Rankine サイ
クルに並ぶものにはなっていない．Stirling サイク
ルは，密閉/容積型の外燃機関(external combustion
engine)のサイクルである．外燃機関では，熱エネ
ルギーが作動流体の(内からではなく)外から供給される．外燃の “燃” は，字義的には燃焼を意味
するが，より広くは熱エネルギー源の意味であり，
図 4. 4 行程ガソリン火花点火機関

このような機関では，たとえば太陽エネルギーの利用も考えられる．ごみ処理工場の発生する熱エネルギーを利用するなど，安価で環境に配慮する
燃料を選ぶことも可能である．手に持てるくらいに小規模で可動型のものも可能である．Stirling サ
イクルは，今後ともに期待されるサイクルである．
1.6 身近かな機関(エンジン)
Stirling エンジンを説明するまえに，身近かな自動車のエンジン(内燃機関)のしくみとその理論サイクル(Otto サイクル)について確認する．図 4 は，

図 5. Otto サイクル (pv 図と Ts 図)

小型自動車に用いられる 4 行程のガソリン火花点
火機関のしくみを表すものである．そこでは，エネルギー源は作動流体のなかにある．<燃料と空2. Stirling エンジン

気の予混合気をシリンダー内に吸気し(a→ b)>，<2.1 往復運動する密閉型の外燃機関

圧縮して(b→ c)>，<火花点火・燃焼させて(c→ d) 燃

§1.5 の表 1 に見たように，Stirling エンジンは，焼ガスを膨張させ(d→ e)>，<シリンダー外に排気

基本的に，往復運動する密閉型の外燃機関である．

する(f→ g)> という 4 行程(ピストンの 2 往復/クラ§1.6 に見たガソリンエンジンと比較すると，“往ンクシャフトの 2 回転)を繰り返す．ここで，気づ復運動する密閉型の”までは同じであるが，ガソリいてほしいのは，エンジンが積極的にピストンをンエンジンの場合のようにゴマカシの“密閉型”で駆動する力を発揮するのは，4 行程の内の 1 行程

はなく，Stirling エンジンは厳密に“密閉型”である(膨張過程)においてだけであり，他の 3 行程では，のがふつうである．往復運動する外燃機関を実現

ピストンは はずみ車の慣性力に依って従動的にするには，原理的には図 6 に示すような機構が実動くことである．言い換えると，自動車は，スタ

現できればよい．シリンダー内の気体は，暖めらーターがないと動き出さない (同様に，これかられると膨張し，冷やされると収縮する．ピストン

作る Stirling エンジンも，手ではずみをつけてやは往復運動する．この図はわかりやすいが，しからないと動き出さない)．図 5 に，Otto サイクルのし，このままでは，高温熱浴と低温熱浴を１サイ

pv 図と Ts 図を示す．そこでは，図 4 の吸気・排クルあたりに 2 回交換しなければならないので現気部が省略され，曲線が理想化され，燃焼による実的ではない．

物質量(mol 数)の変化もないとして，あたかも一定

2.2 ディスプレーサー

量の作動流体が密閉系のなかで同一のサイクルの

図 6 における高温熱浴と低温熱浴の交換作業を過程を繰り返すかのように(ゴマかして)表現されうまく行う工夫として，流体室内に加熱部(heater)ている．

と放熱部(cooler)を設け，その間を動く可動式の-37-

Jour. HTSJ, Vol. 43, No. 180

エデュケイション Q

図 6. 密閉型外燃機関の考え方 [3]物体としてディスプレーサー(displacer, DP)を置

共通の回転軸の運動に変換するとき，その回転運

く方法が考えられる．図 7 で，加熱部では気体が動の位相を，ディスプレーサーの位相の方が 90o

加熱される．放熱部には放熱フィンなどが設けらだけ先行するように設定する．このディスプレー

れ気体の冷却が促進される．ディスプレーサーとサーは力の発生には直接に寄与しない．その動き

シリンダーの間にはすきまがあって，気体はそのは，パワーピストンの動力とはずみ車の慣性力にすきまを行き来する．この行き来は素早く起こり，従動する．いったん上り切った/下り切ったディス

気体の温度は，流体室の全域にわたって一様にな

プレーサーやパワーピストンが，こんどは下向き/るように変化する．流体室にある気体の全体の体上向きに運動を始めるのは，その慣性力による．

積 V は，パワーピストン(power piston, PP)の位置

2.3 再生器つきの Stirling エンジンによって決まり，ディスプレーサーの位置にはよらない．ディスプレーサーは，加熱部にある気体

図 8 は ， さ ら に 再 生 器 (regenerator) を 備 え たと放熱部にある気体の割合を制御する．ディスプ

Stirling エンジンの構造を表すものである．この図

レーサーの位置に応じて，気体は，おもに状態のエンジンの場合には，ディスプレーサーとシリ

1’→3’の過程で加熱され，状態 3’→1’の過程で冷ンダーの間に気体が行き来するすきまはない．気却される．ディスプレーサーの動作のタイミング

体は，図の左側の迂回路を通ってディスプレーサ

は機構的に自動化できる．すなわち，ディスプレーの上部(加熱部)と下部(放熱部)の間を行き来す

ーサーとパワーピストンの往復運動を，連結棒る．迂回路には再生器が設けられている．再生器(connecting rod)を介してはずみ車(flywheel)つきの

図 7. ディスプレーサーつきの外燃機関

伝熱2004 年 5 月-38-

エデュケイション Q
は熱容量の大きい金網などの気体透過性の固体層はエンジンの内部で一様であると見なせるものでであり，その層のなかには大きい温度勾配が生じあったが，図 8 の再生器つきのものの場合，圧力る．すなわち，この再生器つきのエンジンの場合，p は流体室の全域で一様であるとしても，温度 T

エンジン内の気体は，理想的には，再生器の層をや比体積 v (あるいは質量密度 )は再生器の両側境にして，温度がほぼ一様に TH である高温の気体

でたがいに大きく異なる．そのため，図 8 のエンと，温度がほぼ一様に TL である低温の気体に二分

ジンについて，無理やり１つずつの pv 図や Ts 図

される．その層の加熱部側の温度は加熱部の気体を描くときには，T や v は，気体の混合平均されの温度 TH に近く，放熱部側の温度は放熱部の気体た温度や比体積であるとして扱う．このときには，の温度 TL に近い．ディスプレーサーが上に進んで，気体の質量を m として， v=V/m である．しかし，気体が加熱部から放熱部に流れるとき，再生器を

この‘無理やり’は実に乱暴なやり口であるので，通る気体は，温度差(TH -TL)に相当する熱エネルギ

図 8 を見せられて，次に(T や v についての断りもーをこの再生器に残して(蓄熱して)冷やされる．

なく)，これがそのサイクルの pv 図や Ts 図である

逆に，ディスプレーサーが下に進んで，気体が放という図を見せられても，それで納得できるわけ

熱部から加熱部に流れるとき，再生器を通る気体がない．ついては，‘そういう’ものである―教科

は，温度差(TH -TL)に相当する熱エネルギーをこの書は ときに不親切である―と思って§2.4 に進再生器から得て(再生加熱されて)暖められる．まんでほしい．

とめていうと，再生器は，気体の冷却過程で放出すべき熱エネルギーの一部をいったんそこに蓄え，

2.4 熱力学の理論 Stirling サイクル
熱力学の教科書には，Stirling サイクルの理論サ追って(2 過程分の時間(180o 分の位相)を経て)そのイクルとして図 9 に示すようなものが示される．

熱エネルギーを気体の加熱に用いる蓄熱器(heatこのサイクルは，定積加熱(1→2)，定温膨張(2→3)，

storage)・熱交換器(heat exchanger)として機能する．

定積冷却(3→4)，定温冷却(4→1)の４過程からなる．

その結果，再生器を用いるエンジンでは，エン§2.3 に示したような，なにかのすぐれた熱交換

ジンを動作させるのに必要な，気体への熱エネル

手法を用いて，定積冷却過程で放出される熱エネ

ギーの出入りの分の一部を，作動流体の内部でのルギーのすべてを定積加熱過程における加熱に利

熱エネルギーのやりとりで賄うことができる．す用することができれば，この両定積過程における

なわち，再生器つきのエンジンの熱効率は高い．

熱エネルギーの収支は相殺され，このサイクルのところで，図 7 のエンジンでは，気体の p, v, T

熱効率は Carnot サイクルの熱効率に等しくなる．
すなわち，サイクルの最高温度と最低温度が指定される場合には，Stirling サイクルは Carnot サイクルと同一の最高の熱効率を実現する．ただし，この理論サイクルにおける定温過程や定積過程を直接的かつわかりやすく実現する外燃機関の実機

図 9. 熱力学の Stirling サイクル
(pv 図と Ts 図)

図 8. 再生器つきの Stirling エンジン [3]-39-

Jour. HTSJ, Vol. 43, No. 180

エデュケイション Qが想定されてきたわけではない．この意味で，図に加熱しても温度が上がらないのは，いっけん不9 のサイクルは多分に理想的・非現実的なもので思議なことであるが，非現実的なことではない(cf.

ある．図 8 のエンジンは，現実的なもののなかで§3.2)．逆にいうと，流体に熱エネルギーを加えは比較的 図 9 に表すものに近いサイクルをとるることなく(断熱)膨張させると，流体の温度は下が，定温・定積・混合平均などに関して，その間がるが，流体に適切な熱エネルギーを加えながらにはかなりの距離がある．

膨張させれば，定温膨張過程は実現できる．定温

2.5 熱力学の理想： 定温過程
理論上のことがらとして，Carnot サイクルや膨張過程で，流体は，その比内部エネルギーのう

Stirling サイクルは，サイクルの最高温度と最低温(f1-f2) をすべて絶対仕事 W12 [J/kg] に変換する．

度が指定される場合に(限り)最高の熱効率を実現

その比エンタルピーのうちの Gibbs の比自由エ

するサイクルである．それは，これらのサイクル

ネルギーの減少分 (g1-g2) をすべて工業仕事 Wt12が定温過程(温度が一定の変化過程)を含み，その[J/kg] に変換する．外部から流体に加えられる熱過程は熱エネルギーと力学的なエネルギーの変換

エネルギー q12 [J/kg] は，すべて比束縛エネルギ

を最高度に実現するからである．Note １は，このーの増加分 T1(s2-s1) になる．なお，Note 1 の説明ことを，状態 1 から状態 2 への定温膨張過程につは，理想気体のみならず実在気体・液体について，

いて説明する．この過程で，流体は加熱されるが，また，相変化があっても成立する．

ち の Helmholtz の 比 自 由 エ ネ ル ギ ー の 減 少 分

流体の温度は上がらない．流体の相変化がないの
Note 1. 熱力学の理想： 定温過程---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------一般に，熱力学の第一法則
dq=du+dW
dq=dh+dWt
において，次の関係が成立する．
dq=Tdsdq=Tdsdu=df+Tds+sdT
dh=dg+Tds+sdT
dW=pdv
dWt=-vdp
定温変化(dT=0)の場合，式(1)～(3)から，次の式が得られる．
Tds=df+Tds+sdT+dW
Tds=dg+Tds+sdT+dWt

(1)
(2)
(3)
(4)

式(4)をあわせると，仕事については，次のとおりである：
dW=-df=pdv
dWt=-dg=-vdp
W12=-(f2-f1) =∫12 pdv
Wt12=-(g2-g1) =-∫ 12 vdp(5)式(2)から，熱エネルギーについては，次のとおりである：
dq=d(Ts) =Tds
dq=d(Ts) =Tds
q12=T(s2-s1)
q12=T(s2-s1)(6)----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

伝熱2004 年 5 月-40-

エデュケイション Q
3.“機械製作実習” でつくる Stirling エンジン
3.1 2 ピストン型の外燃機関である．そして，このようなエンジンをスターリ“機械製作実習” でつくる Stirling エンジンは，はむしろ一般的である．すなわち，現場の理解と図 10 の図面に示すものである．図 11 には，この熱力学の講義における理解との間にはかなりの距エンジンの動きを模式図的に示す．図 10 の突起部

離がある．

②が外から加熱(外燃)され，エンジン内部の作動
流体(空気)が加熱される．それは，図 7, 8 のエン

3.2 2 ピストン型エンジンの動作の位相図
図 11 に，“機械製作実習” でつくる Stirling エジ

ジンとは異なり，放熱フィンもディスプレーサーン(2 ピストン型外燃機関)の動作の位相図を示す．

も再生器(熱交換器)も明らかには(陽には)備えて

高温側ピストン(HP)と低温側ピストン(LP)がある．

いない．ディスプレーサーの代わりに高温側のピ

HP の位相が LP の位相より 90o だけ先行するよう

ストン(high temperature piston, HP)④がある．このに動く．図中に示す時刻が，両ピストンの動作のピストンは，ディスプレーサーとは異なり力を伝位相に対応する．zHP と zLP は，それぞれ HP と LPえることができる．図 7,8 におけるパワーピストの位置座標である．上死点が時刻 0:00 に対応し，

ン は ， こ の 場 合 に は ， 低 温 側 の ピ ス ト ン (low

下死点が時刻 6:00 に対応する．時計は時計まわり

temperature piston, LP)⑤と呼ばれる．このエンジに回転する．この図における zHP 曲線(破線)と zLP

ンは２ピストン型の外燃機関である．放熱器や再曲線(実線)の間の距離が作動流体の体積 V に対応

生器の機能の一部は，エンジン構造体によって代する．図 11 の下部に流体室内の気体の p, V, T の用される．このエンジンは，熱力学の教科書のも変化のようすを表示する．

ングエンジンと呼ぶのは，機械設計製作の現場での(図９)にはほど遠いが，Stirling エンジンとは往気体の体積 V は，おもに状態 2’→3’の過程で増復運動する密閉型の外燃機関である(表 1)という

加し，状態 3’→4’の過程で最大 Vmax になる．状態

基本的な理解に立てば，立派な Stirling エンジン

4’→1’の過程で減少し，状態 1’→2’の過程で最小
Vmin に な る ． 2 つ の ピ ス ト ン が 回 転 の 駆 動 力(power)を発生するのは，状態 2’→3’の過程であり，他の過程では，ピストンは慣性(inertia)に依って動く．気体の圧力 p と温度 T は，流体室の全域にわたって一様に変化する．温度 T は，おもに状態 1’→2’の過程で増加し，状態 2’→3’の過程で最大になる．状態 3’→4’の過程で減少し，状態 4’→1’の過程で最小になる．
気体がおもに加熱(heating)されるのは，むしろ温度があまり変化しない状態 2’→3’の過程においてであり，おもに冷却(cooling)されるのは，むしろ温度があまり変化しない状態 4’→1’の過程においてである．気体の加熱・冷却という熱エネルギ
ーの出入りと，気体の温度の増加・減少が，一対一には対応しない．それは，科学(science)における現象というより，工学(engineering)の智恵が創り出した機械の機能に属するものである．
3.3 2 ピストン型エンジンのサイクル図
さて，“機械製作実習” でつくるエンジンにおいて，作動流体は空気であり，その熱力学状態は理想気体の状態式で表される．その空気は大気
圧・室温の状態にあるものを体積既知の流体室に封入するので，その質量 m は評価できる．サイク

図 10. “機械製作実習”でつくる
Stirling エンジン

-41-

Jour. HTSJ, Vol. 43, No. 180

エデュケイション Q
ク角 の関数として測定すれば，そのサイクルのpV 図や TS 図を描き，その性能を熱効率の形で定量的に評価することができるはずである．

ルにおける流体室の体積 V の変化は，クランク角(あるいは位相)の関数として計算できる．それゆえ，気体の圧力 p あるいは温度 T の変化をクラン

図 11. 2 ピストン型外燃機関の位相図

図 12. 2 ピストン型の外燃機関のサイクル (pV 図と TS 図)伝熱2004 年 5 月-42-

エデュケイション Q
図 12 には，一般的かつアバウトに，２ピストン型

謝辞 と 参考文献の外燃機関のサイクルの pV 図と TS 図を示す．

このテキストを書くにあたり，本学の吉田英生

Stirling サイクルの理論サイクル(実線)と実際のサ教授からは貴重なご示唆・ご助言を得た．また，イクル(一点鎖線)との違いは大きい．

次の web sites を参照し，一部の図 (図 6, 8) [3]を拝借した．そもそも，この実習でつくるスターリ
ングエンジンは，本学のオリジナルではない．web

4. おわりに細かいことは，あるいは定量的にはともかく，

sites [4,5] には，すでに，基本的に同種のものが発“機械製作実習” でつくる Stirling エンジンがなぜ表されている．ここに記して，先達の方々に感謝

動くのかについて，納得し解ったであろうか？ もする．

し “Yes” ならよし，そうでなければ，エンジンを[1] http://www.nmri.go.jp/eng/khirata/stirling/index_j.html

作りながらそれを考えて，もしエンジンが動いた[2] http://jenny.mes.titech.ac.jp/jshinozu/Engine/

ら，まず，よろこんで，つぎに，“なぜ動き出した

engine_j.htmlのか” を考えてみてほしい．そして，“なぜ動きつ[3] http://www.rmkoubou.mce.uec.ac.jp/contents/

づけるのか” をより真剣に考えてみてほしい．ところで，このテキストの図 11 の位相図は，貴兄のkisokougi/stirling/st2.html

Stirling エンジンの位相図と同じであったであろ[4] http://www.bekkoame.ne.jp/~khirata/academic/
seminar/index.html

うか？

[5] http://www.bekkoame.ne.jp/~khirata/index.htm-43-

Jour. HTSJ, Vol. 43, No. 180