スターリングエンジンの応用例

スターリングエンジンは、自動車用途には出力重量比が低すぎ、コストが高すぎ、始動時間が長すぎるとよく言われます。また、複雑で高価な熱交換器も必要です。スターリングエンジンの冷却器は、オットーエンジンやディーゼルエンジンのラジエーターの2倍の熱を放出する必要があります。ヒーターは、高出力密度に必要な高温に耐え、自動車用スターリングエンジンで出力を最大化するためによく使用される水素ガスを封じ込めるために、ステンレス鋼、特殊合金、またはセラミックで作られていなければなりません。自動車用途でスターリングエンジンを使用する際の主な課題は、始動時間、加速応答、停止時間、重量であり、これら全てに既製の解決策があるわけではありません。

しかし、改良型スターリングエンジンが導入され、側壁燃焼室を備えた特許取得済みの内燃機関（米国特許第7,387,093号）の概念を採用しており、すべてのスターリングエンジンに固有の出力密度と比出力の不足、および加速応答の遅さの問題を克服することが期待されています。^{[ 5 ]}これらは、従来のピストンエンジンまたはガスタービンエンジンの排気からの廃熱を使用するコージェネレーションシステムで使用でき、これを補助機器（オルタネーターなど）の動力源として使用したり、クランクシャフトに出力とトルクを追加するターボコンパウンドシステムとして使用したりできる可能性があります。

スターリングエンジンのみを搭載した自動車は、 NASAの試験プロジェクトで開発されたほか、フィリップス社から提供されたエンジンを使用したフォード・モーター・カンパニーの以前のプロジェクト[ ^{6 ]や、フィリップス社からライセンスを受けて製造されたスウェーデンのユナイテッド・スターリング社製のユニットを搭載した複数の車両を製造したアメリカン}・モーターズ・コーポレーション（AMC）のプロジェクトでも開発されました。NASAの車両試験プロジェクトは請負業者によって設計され、MOD IおよびMOD IIと指定されました。

NASAのスターリングMOD 1エンジン搭載のエンジニアリング車両は、米国エネルギー省（DOE）およびNASAとの提携により、AMCのAM Generalとの契約に基づき、標準エンジンの実用的な代替案を開発および実証するために製造されました。^{[ 7 ]} United Stirling ABのP-40エンジン搭載のAMC Spiritは、 50,000マイル（80,467 km）以上にわたって広範囲にテストされ、平均燃費は最大28.5 mpg _{- US} （8.3 L/100 km、34.2 mpg _{- imp} ）を達成しました。^{[ 8 ]} 1980年製の4ドアリフトバックVAM Lermaも、スターリングエンジンを一般に実証し、米国政府の代替エンジンプログラムを促進するために、United Stirling P-40エンジンに改造されました。^{[ 9 ]}     

1979年型AMCスピリット、1977年型オペル、1980年型AMCコンコードで行われたテストにより、スターリングエンジンは「乗用車用の自動車パワートレインに開発でき、好ましい結果が得られる可能性がある」ことが明らかになった。^{[ 10 ]}しかし、1977年以降、同等出力の火花点火エンジンで進歩が見られ、米国で販売される自動車が達成すべき企業平均燃費（CAFE）要件が引き上げられていた。 ^{[ 11 ]}さらに、スターリングエンジンの設計は、燃費効率の不足を示し続けていた。^{[ 11 ]}また、スターリングエンジンを使用する消費者にとって、2つの大きな欠点があった。1つ目は、暖機運転に時間がかかること （ほとんどのドライバーは運転開始を待つのが好きではないため）、2つ目は、エンジンの回転数を変更するのが難しいこと （道路や交通状況での運転の柔軟性が制限される）である。^{[ 12 ]}自動車メーカーが既存の設備や工具を、全く新しい設計とタイプの動力装置の量産用に転換するプロセスも疑問視された。 ^{[ 11 ]}

1980年のMOD IIプロジェクトでは、これまで製造された中で最も効率的な自動車用エンジンの1つが開発されました。このエンジンは、ピーク時の熱効率が38.5%に達し、ピーク効率が20～25%である現代の火花点火式（ガソリン）エンジンと比較して大幅に向上しました。MOD IIプロジェクトは、1985年型4ドア・シボレー・セレブリティ・ノッチバックの通常の火花点火式エンジンを置き換えました。1986年のMOD II設計レポート（付録A）では、高速道路での燃費が40～58mpg （_米国）（5.9～4.1L /100km 、48～70mpg （_英国））に向上し、車両総重量に変化がないまま、市街地での燃費が26 ～33mpg （_米国）（9.0 ～7.1L /100km 、31～40mpg _（英国））に達したことが結果から示されています。 NASAの車両の始動時間は最大30秒でしたが、フォードの研究車両は内部電気ヒーターを使用してエンジンを素早く始動し、始動時間はわずか数秒でした。スターリングエンジンの低速での高いトルク出力により、トランスミッションにトルクコンバーターが不要になり、重量とトランスミッション駆動系の損失が軽減され、自動車用途でのスターリングの重量の不利がいくらか相殺されました。これにより、テスト結果で言及されている効率の向上につながりました。^{[ 13 ] [ 14 ]}          

実験では、スターリングエンジンを直接的な動力要求から理想的に切り離し、現在のほとんどの車両で使用されているような直接的な機械的リンクを排除することで、スターリングエンジンが車両の運用効率を向上させることができることが示されました。航続距離延長型シリーズ電気ハイブリッド車で使用される主な機能は、電気自動車のトラクションモーターを駆動し、バッファバッテリーセットを充電するための電力を供給する発電機としてです。石油油圧ハイブリッドでは、スターリングは石油電気シリーズハイブリッドと同様の機能を果たし、ポンプを回転させて油圧バッファタンクを充電します。実験のMOD 1およびMOD 2フェーズでは成功しましたが、さらなる研究への資金削減と自動車メーカーの関心の欠如により、自動車用スターリングエンジンプログラムの商業化の可能性はなくなりました。^{[ 7 ]}

ハイブリッド電気駆動システムの一部としてスターリングエンジンを使用することで、非ハイブリッドのスターリングエンジン搭載自動車の設計上の課題や欠点を回避できる可能性がある。

2007年11月、スウェーデンのPrecerプロジェクトにより、固体バイオ燃料とスターリングエンジンを使用したハイブリッド車のプロトタイプが発表された。 ^{[ 15 ]}

ニューハンプシャー・ユニオン・リーダー紙は、ディーン・ケイメンがフォード・シンクを使用したシリーズプラグインハイブリッド車を開発したと報じた。^{[ 16 ]} DEKA Revoltと呼ばれるこの車は、リチウムイオンバッテリーの1回の充電で約60マイル（97km ）走行できる。^{[ 16 ]} 

ロバート・マコナギーは1986年8月に、スターリングエンジンを搭載した初の飛行可能な航空機を製作した。 ^{[ 17 ]}ベータ型エンジンは重量360グラムで、出力はわずか20ワットだった。^{[ 18 ]}エンジンは、総離陸重量1kgの改造スーパーマリブ無線操縦グライダーの前部に取り付けられた 。最もよく公表された試験飛行は6分間続き、「時折緩やかな旋回を行い、高度を維持するのにかろうじて十分な出力」を示した。^{[ 18 ]}

スターリングエンジンは、断続的または連続的に電気エネルギーまたは機械エネルギーを必要とする水中動力システムに最適である可能性がある。ゼネラルモーターズは、水中用途向けの蓄熱機能を備えた先進的なスターリングサイクルエンジンの開発に取り組んでいる。スウェーデンのマルメにあるユナイテッド・スターリングは、水中動力システムで酸化剤として過酸化水素を使用する実験的な4気筒エンジンを開発している。SAGA（Submarine Assistance Great Autonomy）潜水艦は1990年代に運用を開始し、ディーゼル燃料と液体酸素で駆動する2基のスターリングエンジンで動いている。このシステムは、エンジンのサイズがそれほど問題にならないため、水上艦艇の推進にも適しており、ラジエーター部を（陸上エンジンのように）開放された空気中ではなく海水中に配置することで、より小型化できる。

スウェーデンの造船会社コックムスは、1980年代後半から8隻のスターリングエンジン搭載潜水艦を建造し、成功を収めている。^{[ 19 ] [ 20 ]}これらの潜水艦は、水中での燃料燃焼を可能にするために圧縮酸素を搭載しており、スターリングエンジンに熱を供給する。現在、ゴットランド級とセーデルマンランド級の潜水艦に使用されている。これらは、スターリング非大気依存推進（AIP）を搭載した世界初の潜水艦であり、水中での航続時間を数日から数週間に延長している。^{[ 20 ]}

コックムスエンジンは日本の蒼龍型潜水艦にも搭載されている。^{[ 21 ]}

この機能はこれまで原子力潜水艦でのみ利用可能だった。

スターリングエンジンは、水、空気、ガスなどの流体を移動させるポンプの動力源として使用できます。例えば、スターリングテクノロジー社のST-5は、出力5馬力（3.7kW ）で、 3kWの発電機や遠心式ウォーターポンプを駆動できます。 ^{[ 22 ]}  

熱電併給（CHP）システムでは、機械動力または電力は通常の方法で発電されますが、エンジンから発生する廃熱は二次的な暖房用途に利用されます。これは、低温熱を利用するものであればほぼ何でも可能です。多くの場合、商業施設の暖房、住宅の給湯、工業プロセスなど、既存のエネルギー利用が対象となります。

電力網上の火力発電所は、燃料を使って発電します。しかし、大量の廃熱が発生し、多くの場合、利用されずにいます。また、低温用途のために、高品位燃料を高温で燃焼させる場合もあります。熱力学第二法則によれば、熱機関はこの温度差から動力を生み出すことができます。CHPシステムでは、高温の一次熱がスターリングエンジンのヒーターに入り、そのエネルギーの一部がエンジン内で機械動力に変換され、残りは冷却器を通過して低温で排出されます。この「廃熱」は実際にはエンジンのメイン冷却器から発生し、バーナーがある場合はその排気など他の発生源からも発生する可能性があります。

エンジンが生み出す動力は、工業プロセスや農業プロセスを稼働させるために利用でき、その結果、バイオマス廃棄物が発生しますが、これをエンジンの燃料として無料で利用できるため、廃棄物処理コストを削減できます。このプロセス全体は効率的かつ費用対効果に優れています。

英国に拠点を置くInspirit Energy社は、Inspirit Chargerと呼ばれるガス焚きCHPユニットを2016年に発売しました。床置き型のこのユニットは、3kW の電気エネルギーと15kW の熱エネルギーを生成します。^{[ 23 ] [ 24 ]}

クライストチャーチにオフィスを構えるニュージーランドの企業WhisperGenは、「ACマイクロ複合熱電併給」スターリングサイクルエンジンを開発しました。これらのマイクロCHPユニットは、余剰電力を電力網に売電するガス焚きセントラルヒーティングボイラーです。WhisperGenは2004年に、英国の住宅市場向けに8万台を生産すると発表しました。 2006年にはドイツで20台の試験が行われました。 ^{[ 25 ]}  

放物面鏡の焦点に配置されたスターリングエンジンは、非集光型太陽電池よりも効率が良く、集光型太陽電池に匹敵する効率で太陽エネルギーを電気に変換できます。2005年8月11日、サザン・カリフォルニア・エジソンは、スターリング・エナジー・システムズ（SES）と、20年間で850MWの発電量に相当する3万台以上の太陽光発電スターリングエンジンを使用して発電された電力を購入する契約を発表しました。8,000エーカー（19km2 ）^のソーラーファームにあるこれらのシステムは、鏡を使用して太陽光をエンジンに集光し、エンジンが発電機を駆動します。「2010年1月、着工から4か月後、スターリング・エナジーのパートナー企業であるテサラ・ソーラーは、フェニックス郊外のアリゾナ州ピオリアに1.5MWのマリコパ太陽光発電所を完成させました。この発電所は60台のSESサンキャッチャーで構成されています。」^{[ 26 ]}サンキャッチャーは、「日照が十分な時に 25 キロワット (kW) の電力を生成する、大型の追尾式集光型太陽光発電 (CSP) ディッシュ コレクター」と説明されています。直径 38 フィートの各コレクターには、300 枚以上の湾曲ミラー (ヘリオスタット) があり、太陽光をスターリング エンジンを内蔵した電力変換ユニットに集光します。このディッシュは、太陽が空を横切る動きに合わせて正確に追尾するために、二軸追尾を使用しています。^{[ 26 ]}このプロジェクトについては、敷地内に生息する動物への環境影響への懸念から論争がありました^{[ 27 ]}。マリコパ太陽光発電所は閉鎖されました。^{[ 28 ]}   

原子力発電所におけるスターリングエンジンの活用には大きな可能性が秘められている。原子力発電所の蒸気タービンをスターリングエンジンに置き換えることで、発電所の構造が簡素化され、効率が向上し、放射性副産物の発生量を削減できる可能性がある。多くの高速増殖炉設計では、冷却材として液体ナトリウムを使用している。発生した熱を蒸気発電所で利用する場合、水とナトリウムの熱交換器が必要となるが、ナトリウムは水と激しく反応するため、漏洩事故が発生した場合に懸念が生じる。スターリングエンジンは、サイクル全体を通して水を必要としないため、乾燥地帯の原子力発電所にとって有利となるだろう。

米国政府の研究所は、宇宙探査で使用するための最新のスターリングエンジン設計、スターリング放射性同位体発電機を開発した。これは、数十年にわたるミッションで深宇宙探査機に電力を供給するように設計されている。このエンジンは、可動部品を減らすために単一のディスプレーサーを使用し、高エネルギー音響を利用してエネルギーを伝達する。熱源は乾燥した固体核燃料であり、熱吸収源は自由空間への放射である。

スターリングエンジンは逆方向にもヒートポンプとして機能します。シャフトに機械エネルギーを加えると、熱源間に温度差が生じます。スターリング冷凍機の主要な機械部品はスターリングエンジンと同じです。エンジンとヒートポンプの両方で、熱は膨張空間から圧縮空間へと流れますが、特に圧縮空間が膨張空間よりも高温の場合、熱が温度勾配に逆らって「上り坂」を流れるためには入力仕事が必要です。膨張空間熱交換器の外側は、真空フラスコなどの断熱された容器内に配置できます。熱は、冷凍機の作動ガスを通して、この容器から圧縮空間へと送り出されます。圧縮空間は周囲温度よりも高いため、熱は周囲環境に流れ出します。

現代の用途の 1 つは極低温学であり、程度は低いものの冷凍にも使用されています。 一般的な冷凍温度では、スターリング冷却器はエネルギー効率が低いため、より安価な主流のランキン冷却システムと比べて経済的に競争力がありません。 ただし、約 -40 ～ -30  °C より低い温度では、沸点が低い適切な冷媒がないため、ランキン冷却は効果的ではありません。 スターリング極低温冷却器は、空気 を液化するのに十分な -200 °C (73 K)まで熱を「持ち上げる」ことができます(特に、主要な構成ガスである酸素、窒素、アルゴン)。 特定の設計によっては、単段式装置では 40 ～ 60 K まで下げることができます。 2 段式スターリング極低温冷却器は、水素とネオンを液化するのに十分な 20 K の温度に達することができます。^{[ 32 ]}この目的の極低温冷却器は、他の極低温冷却技術とほぼ同等の競争力があります。極低温における成績係数は通常0.04～0.05（効率4～5%に相当）です。経験的に、これらの装置は線形傾向を示し、通常COP = 0.0015 T _c − 0.065となります。ここでT _{cは極低温です。これらの温度では、固体材料の比熱値が低くなるため、再生器は}綿などの予想外の材料で作られなければなりません。 

最初のスターリングサイクル式冷凍機は1950年代にフィリップス社で開発され、液体空気製造工場などで商業化されました。フィリップス・クライオジェニックス事業はその後発展を続け、1990年にオランダのスターリング・クライオジェニックス社として分社化されました。同社は現在もスターリング式冷凍機および極低温冷却システムの開発・製造に携わっています。

電子センサーやマイクロプロセッサの冷却など、さまざまな用途向けに、小型のスターリング式冷凍機が市販されています。この用途において、スターリング式冷凍機は極低温で効率的に熱を放出できるため、最も高性能な技術と言えます。静音性、無振動性、小型化が可能で、信頼性が高くメンテナンスも容易です。2009年時点では、広く普及している商業的に成功したスターリング式冷凍機は、冷凍機のみと考えられていました。

スターリング式ヒートポンプは、スターリング式冷凍機と非常によく似ていますが、主な違いは、通常は室温で動作する点です。現在、その主な用途は、建物の外側から内側へ熱を送り込み、エネルギーコストを抑えて建物を暖めることです。

他のスターリング装置と同様に、熱の流れは膨張空間から圧縮空間へと向かいます。しかし、スターリングエンジンとは異なり、膨張空間は圧縮空間よりも温度が低いため、仕事を生み出すのではなく、システムには機械的な仕事の入力が必要となります（熱力学第二法則を満たすため）。この機械エネルギーの入力は、例えば電気モーターや内燃機関によって供給できます。ヒートポンプの機械的な仕事が2つ目のスターリングエンジンによって供給される場合、システム全体は「熱駆動型ヒートポンプ」と呼ばれます。

ヒートポンプの膨張側は、熱源（多くの場合、外部環境）と熱的に結合されています。スターリング装置の圧縮側は、例えば建物など、加熱される環境内に設置され、そこに熱が「送り込まれます」。通常、両者の間には断熱材が設けられるため、断熱された空間内部の温度が上昇します。

ヒートポンプは、入力エネルギーを単に熱に変換するだけでなく、周囲環境から熱を「回収」するため、暖房システムの中で最もエネルギー効率に優れています。熱力学第二法則によれば、ヒートポンプは、回収した熱を温度差に逆らって「上昇」させるために、常に外部からのエネルギー入力が必要となります。

従来のヒートポンプと比較して、スターリング式ヒートポンプは一般的に成績係数が高い。スターリングシステムは商業利用が限られているが、省エネルギーに対する市場ニーズの高まりとともに利用が拡大すると予想され、技術改良によって普及が加速される可能性が高い。

フリーピストンスターリングクーラー（FPSC）は、ピストンとディスプレーサーの2つの可動部品のみを持つ完全密閉型の熱伝達システムであり、作動流体としてヘリウムを使用できます。ピストンは通常、冷凍サイクルを駆動するために必要な動力源である振動磁場によって駆動されます。磁気駆動により、シール、ガスケット、Oリング、または密閉システムに妥協することなくピストンを駆動できます。^{[ 33 ]}このシステムの利点として、効率と冷却能力の向上、軽量化、小型化、および制御性の向上が挙げられます。^{[ 34 ]}

FPSCは、オハイオ州アセンズにあるオハイオ大学の機械工学教授であったウィリアム・ビール（1928年～2016年）によって1964年に発明されました。彼は軍事、航空宇宙、産業、商業用途向けのFPSCシステムの研究開発を行うSunpower Inc.を設立しました^{[ 35 ]} 。Sunpower製のFPSCクーラーは、NASAによって衛星の計測機器の冷却に使用されました^{[ 36 ]}。同社は2015年にビール家によって売却され、 Ametekの傘下となりました^{[ 37 ]}。

FPSC技術の他の供給元としては、日本のツインバード株式会社^{[ 34 ]}や、オランダのグローバルクーリング社（サンパワー社と同様にオハイオ州アセンズに研究センターがある） ^{[ 38 ]などがある。}

2004 年頃から数年間、コールマン社は自社ブランド名で Twinbird の「SC-C925 ポータブル冷凍クーラー 25L」を販売していましたが、^{[ 39 ] [ 40 ]}現在は販売を中止しています。このポータブルクーラーは、自動車用バッテリーで駆動し、氷点下の温度を維持したまま 1 日以上稼働できます。^{[ 41 ]}このクーラーは現在も製造されており、Global Cooling が北米とヨーロッパへの流通を調整しています。^{[ 42 ]} Twinbird が提供するその他のバリエーションには、ポータブル冷凍庫 (-80 °C まで)、折りたたみ式クーラー、血液やワクチン の輸送用モデルなどがあります。^{[ 43 ]}

ロスアラモス国立研究所は、可動部品のない「音響スターリング熱機関」^{[ 47 ]}を開発しました。これは熱を強力な音響エネルギーに変換し、（出典からの引用によると）「音響冷凍機やパルス管冷凍機に直接使用して、可動部品のない熱駆動冷凍を実現したり、線形オルタネータやその他の電気音響パワー変換器を介して発電したりすることができる」。

ニュージーランドに拠点を置くウィスパージェン社（2012年に破産^{[ 48 ]} ）は、天然ガスまたはディーゼルで駆動できるスターリングエンジンを開発しました。スペインのモンドラゴン・コーポラシオン・コオペラティバ社と、ウィスパージェン社のマイクロCHP（熱電併給）を製造し、ヨーロッパの国内市場に提供するための契約が締結されました。少し前に、E.ON UK社は英国向けに同様の取り組みを発表しました。家庭用スターリングエンジンは、顧客に温水、暖房、および余剰電力を供給し、余剰電力は電力網に送り返すことができます。

両社が公表している性能仕様によると、このオフグリッド型ディーゼル燃料ユニットは、 1時間あたり 0.75リットルの自動車用ディーゼル燃料を消費し、熱（5.5kW）と電力（800W）を複合的に出力します 。ウィスパーゲン社は、複合型コージェネレーションユニットとして動作し、最大約80%の運転効率を達成すると謳っています。

しかし、エナジーセービングトラストによるウィスパージェンマイクロCHPユニットの性能に関する予備的なレビュー結果では、ほとんどの家庭ではその利点はせいぜいわずかであることが示唆された。^{[ 49 ]}_{しかし、別の著者は、 CO2}削減の観点から、スターリングエンジンマイクロ発電がさまざまなマイクロ発電技術の中で最も費用対効果が高いことを示している。^{[ 25 ]}

MSI（台湾）は、パーソナルコンピュータのチップから発生する廃熱を利用してファンを駆動する小型スターリングエンジン冷却システムを開発した。 ^{[ 50 ]}

すべての火力発電所では、廃熱を排出する必要があります。しかし、廃熱をスターリングエンジンの動力源として利用し、海水を逆浸透装置に通すことは可能です。ただし、廃熱を余分に利用すると、火力発電所の有効熱吸収温度が上昇し、エネルギー変換効率が若干低下するという問題があります。一般的な原子力発電所では、原子炉で生成される熱エネルギーの3分の2が廃熱です。スターリングエンジンでは、廃熱を電力の追加供給源として利用できる可能性があります。