エリクソンサイクル

エリクソンサイクルは、様々な熱力学サイクルに基づいて多くのユニークな熱機関を設計・構築した発明家ジョン・エリクソンにちなんで名付けられました。彼は、2つのユニークな熱機関サイクルを発明し、これらのサイクルに基づいて実用的なエンジンを開発したとされています。彼の最初のサイクルは現在、クローズドブレイトンサイクルとして知られており、2番目のサイクルは現在エリクソンサイクルと呼ばれています。エリクソンはオープンサイクルエンジンを構築した数少ない人物の1人ですが、^[1]クローズドサイクルエンジンも構築しました。^[2]

以下は、理想的なエリクソン サイクルの 4 つの段階の間に発生する 4 つのプロセスのリストです。

• プロセス 1 -> 2:等温圧縮。圧縮空間は中間冷却されていると想定されるため、ガスは等温圧縮されます。圧縮された空気は一定圧力で貯蔵タンクに流れ込みます。理想的なサイクルでは、タンク壁を介した熱伝達はありません。
• プロセス 2 -> 3:等圧熱付加。圧縮空気はタンクから再生器を通過し、加熱されたパワーシリンダーに向かう途中で一定圧力で熱を受け取ります。
• プロセス3 -> 4:等温膨張。パワーシリンダーの膨張空間が外部から加熱され、ガスが等温膨張します。
• プロセス 4 -> 1: 等圧熱除去。空気は排気として放出される前に再生器に戻され、低い一定圧力でガスを冷却し、次のサイクルのために再生器を加熱します。

理想的なオットーサイクルとディーゼルサイクルは、不可逆な等容積/等圧熱付加および等容積熱排出プロセス中に有限の温度差を介した熱伝達を伴うため、完全に可逆ではありません。前述の不可逆性により、これらのサイクルの熱効率は、同じ温度制限内で動作するカルノーエンジンの熱効率よりも低くなります。等圧熱付加および熱排出プロセスを特徴とする別のサイクルは、エリクソンサイクルです。エリクソンサイクルは、カルノーサイクルの改変版であり、カルノーサイクルで特徴付けられる 2 つの等エントロピープロセスが 2 つの等温再生プロセスに置き換えられています。

エリクソンサイクルはスターリングサイクルと比較されることが多い。これは、これらのそれぞれのサイクルに基づくエンジン設計が両方とも再生器を備えた外燃エンジンであるためである。エリクソンはおそらく、ディスプレーサピストンがパワーピストンとしても機能する、いわゆる「複動」タイプのスターリングエンジンに最も似ている。理論的には、これらのサイクルは両方とも、熱力学の第二法則で許される最高の、いわゆる理想効率を持っている。最もよく知られている理想サイクルはカルノーサイクルだが、有用なカルノーエンジンが発明されたことは知られていない。同じ制限内で動作するエリクソンサイクルとスターリングサイクルの両方の理論上の効率は、同じ制限内でのカルノー効率に等しい。

エリクソンが開発した最初のサイクルは現在「ブレイトンサイクル」と呼ばれ、ガスタービンエンジンによく適用されています。

第 2 エリクソン サイクルは、単に「エリクソン サイクル」と呼ばれることが多いサイクルです。(第 2) エリクソン サイクルは、理想的なガスタービン ブレイトン サイクルの限界でもあり、多段中間冷却圧縮と、再加熱および再生を伴う多段膨張で動作します。断熱圧縮および膨張を使用するブレイトン サイクルと比較して、第 2 エリクソン サイクルは等温圧縮および膨張を使用するため、ストロークあたりの正味仕事量が多くなります。また、エリクソン サイクルで再生を使用すると、必要な熱入力が減るため、効率が向上します。熱力学サイクルのさらなる比較については、熱エンジンを参照してください。

エリクソン エンジンはエリクソン サイクルに基づいており、外部加熱のため「外燃エンジン」として知られています。効率を向上させるために、エンジンにはコンプレッサーとエキスパンダーの間に再生器または復熱器があります。エンジンはオープン サイクルまたはクローズド サイクルで動作できます。ピストンの反対側で、圧縮と同時に膨張が起こります。

エリクソンは、混合流向流熱交換器を独自に発明したことから、「再生器」という用語を作り出した。しかし、ロバート・スターリング牧師はエリクソンより前に同じ装置を発明していたため、この発明はスターリングの功績とされている。スターリングは、この装置がさまざまなタイプの熱プロセスの燃料効率を向上させることから、この装置を「エコノマイザー」または「エコノマイザ」と呼んだ。この発明は、他の多くの装置やシステムで有用であることがわかり、スターリング エンジンよりも他のタイプのエンジンが好まれるようになったため、より広く使用されるようになった。「再生器」という用語は、現在、スターリング エンジンのコンポーネントに付けられた名前である。

「復熱装置」という用語は、分離流の向流熱交換器を指します。これだけでは混乱が足りないかのように、混流再生装置は、準分離流復熱装置として使用されることがあります。これは、可動バルブの使用、固定バッフル付きの回転再生装置、またはその他の可動部品の使用によって行うことができます。排気ガスから熱を回収し、燃焼空気を予熱するために使用する場合は、2 つの流れが別々であるため、通常、復熱装置という用語が使用されます。

1791 年、エリクソンより前に、ジョン・バーバーが同様のエンジンを提案しました。バーバー エンジンはベローズ コンプレッサーとタービン エキスパンダーを使用していましたが、再生器/復熱器はありませんでした。バーバー エンジンが動作した記録はありません。エリクソンは 1833 年にブレイトン サイクルの外部バージョンを使用した最初のエンジンを発明し、特許を取得しました (番号 6409/1833 ブリティッシュ)。これはジュールより 18 年前、ブレイトンより 43 年前のことです。ブレイトン エンジンはすべてピストン エンジンで、その大部分は非回復型エリクソン エンジンの内燃バージョンでした。「ブレイトン サイクル」は現在ガス タービンサイクルとして知られていますが、タービン コンプレッサーとエキスパンダーを使用する点で元の「ブレイトン サイクル」とは異なります。ガスタービンサイクルは、すべての現代のガスタービンおよびターボジェットエンジンに使用されていますが、単純サイクルタービンは効率を向上させるために回生されることが多く、これらの回生タービンはエリクソンの研究によく似ています。

エリクソンは最終的にオープンサイクルを放棄し、従来のクローズドスターリングサイクルを採用しました。

エリクソンのエンジンは、元の排気口と吸気口の間に 2 つ目の低圧の冷却容器を使用することで、簡単に閉鎖サイクル モードで動作するように変更できます。閉鎖サイクルでは、低圧を周囲圧力より大幅に高くすることができ、He または H ₂作動ガスを使用できます。作業ピストンの上下運動の圧力差が大きいため、バルブのないスターリング エンジンよりも比出力が高くなります。追加コストはバルブです。エリクソンのエンジンは機械的損失も最小限に抑えます。圧縮に必要な動力はクランク ベアリングの摩擦損失を経由せず、膨張力から直接適用されます。ピストン タイプのエリクソン エンジンは、これまでに構築された熱機関の中で最も効率の高い配置になる可能性があります。確かに、これは実際のアプリケーションではまだ証明されていません。^{[引用が必要]}

エリクソンは、蒸気、スターリング、ブレイトン、外部加熱ディーゼル空気流体サイクルなど、さまざまなサイクルで動作する多数のエンジンを設計および製造しました。彼は、石炭や太陽熱など、さまざまな燃料でエンジンを稼働させました。

エリクソンはまた、1842年から1843年にかけて建造されたUSSプリンストンにおいて、船舶の推進力としてスクリュープロペラを早期に採用した人物でもある。

1851年、エリクソンサイクルエンジン（ここで説明する2つのうちの2番目）が2,000トンの船、カロリー船エリクソン号の動力源として使用され、^[3] 73時間にわたって完璧に稼働しました。^[4]この複合エンジンは約300馬力（220kW）を出力しました。4つのデュアルピストンエンジンを組み合わせたもので、直径14フィート（4.3m）の大きな膨張ピストン/シリンダーは、おそらく史上最大のピストンでした。噂によると、これらのピストンの上にテーブルが置かれ（明らかに、熱い動力室ではなく、冷たい圧縮室）、エンジンが全力で稼働している間に夕食が配られ、食べられたそうです。^[要出典] 6.5  RPMでは、圧力は8 psi（55 kPa）に制限されていました。公式レポートによると、24時間あたりの石炭消費量はわずか4,200 kgでした（当初の目標は8,000 kgでしたが、それでも当時の蒸気エンジンよりはましです）。一度の海上試験で、エンジンは問題なく作動したが、船のパワーが不足していることが判明した。試験からしばらくして、エリクソン号は沈没した。船が引き上げられたとき、エリクソンサイクルエンジンは取り外され、蒸気エンジンがその代わりに搭載された。船は1892年11月にカナダのブリティッシュコロンビア州バークレー湾の入り口で座礁し、難破した。 ^[5]

エリクソンサイクル（および類似のブレイトンサイクル）は、ガス（および発生ガス）エンジンと太陽熱集光器の排熱から電力を抽出するために、今日新たな関心を集めています^{[6] 。広く知られている}スターリングエンジンに対するエリクソンサイクルの重要な利点は、しばしば認識されていません。それは、熱交換器の容積が効率に悪影響を及ぼさないことです。

（...）スターリングエンジンに比べて大きな利点があるにもかかわらず、エリクソンエンジンの熱交換器はデッドボリュームではないことに注目すべきである。一方、スターリングエンジンの熱交換器の設計者は、熱伝達面積をできるだけ大きくしながら、熱交換器の容積をできるだけ小さくするという難しい妥協点に直面しなければならない。^[7]

中型および大型エンジンの場合、この利点に比べるとバルブのコストは小さくて済みます。MWe範囲ではターボ コンプレッサーとタービンの実装が適しているようです。Nx100 kWe 電力では容積式コンプレッサーとタービン、100 kW 未満では容積式コンプレッサーとエキスパンダーです。高温油圧流体の場合、コンプレッサーとエキスパンダーの両方を400 °C まで 液体リング ポンプにすることができ、最高の効率を得るために回転ケーシングを使用します。

• エリクソンの特許。1833年英国、1851年米国（US8481）
• 熱機関の進化、著者：イヴォ・コリン、出版：モリヤ・プレス、1972年、ロングマン社
• 『Hot Air Caloric and Stirling Engines』、著者: Robert Sier。1999 年、LA Mair 発行。
• ニューヨークタイムズ 1853-03-01 カロリー船エリクソン - 公式報告書と通信

ウィキメディア・コモンズには、エリクソンサイクルに関連するメディアがあります。

• 1979年RANDによる新しい「エリクソンサイクルガスタービン発電所」設計に関する報告書[1]
• 19世紀の熱気エンジンに関する調査