スターリングエンジン

ロバート・スターリングは、 1699年に最初の実用的な熱気エンジンを製作したギヨーム・アモントン[ ^{6 ]}などの初期の革新者とともに、熱気エンジンの父の一人と考えられている^{[ 7 ] 。}

アモントンの後には、サー・ジョージ・ケイリーが続きました。^{[ 8 ]}このタイプのエンジンは、火が囲まれており、火格子の下から十分な量の空気が送り込まれて燃焼を維持する一方、空気の大部分は火の上部に入り、加熱されて膨張します。全体と燃焼生成物がピストンに作用し、作動シリンダーを通過します。動作は単純な混合のみであるため、加熱される空気が火と直接接触するため、金属の加熱面は必要ありません。

スターリングは1816年に最初の空気エンジンを考案した。^{[ 9 ]}スターリング空気エンジンの原理は、空気を炉に通して排出するサー・ジョージ・ケイリー（1807年）のエンジンとは異なり、スターリングのエンジンでは空気が閉回路内で作動する。発明家は、その点にほとんどの注意を払った。

1818年にエアシャーの採石場で水を汲み上げるために作られた2馬力（1.5kW ）のエンジンは、不注意な係員がヒーターを過熱させるまで、しばらくの間稼働し続けた。この実験によって、発明者は、得られる作動圧力が低いため、このエンジンは低出力にしか対応できず、当時そのような需要はなかったことを悟った。 

スターリングの1816年の特許^{[ 10 ]}もまた、再生器の前身である「エコノマイザー」に関するものでした。この特許（特許番号4081）では、「エコノマイザー」技術と、その技術が使用できるいくつかの用途について説明しています。そこから、熱風エンジンの新しい構成が生まれました。

スターリングは弟のジェームズと共に、1827年に2番目の熱気機関の特許を取得した。^{[ 11 ]}彼らは設計を反転させ、ディスプレーサーの高温端が機械の下になるようにし、内部の空気を約20標準気圧（2,000 kPa）まで加圧できるように圧縮空気ポンプを追加した。 

スターリング兄弟に続いて、1828 年にはパーキンソンとクロスリー^{[ 12 ]} 、 1829 年にはアーノット^{[ 13 ]}が続いた。パーキンソンとクロスリーは、大気よりも密度の高い空気を使用する原理を導入し、同じ容積でより大きな出力のエンジンを実現した。ジェームズ・スターリングは、有名なダンディーエンジンを製作した際に、この同じアイデアを採用した。^{[ 14 ]}

1827年のスターリング特許は、1840年のスターリング第3特許の基礎となった。^{[ 15 ]} 1827年の特許からの変更点はわずかであったが、重要なものであり、この第3特許はダンディーエンジンにつながった。^{[ 16 ]}

ジェームズ・スターリングは1845年に土木学会に自身のエンジンを発表した^{[ 17 ]。}これはこの種のエンジンとしては最初のもので、様々な改良を経て効率的に製造され加熱され、直径30センチメートル（12インチ）、ストローク長60センチメートル（2フィート）のシリンダーを持ち、1分間に40ストロークまたは回転（40rpm）した。このエンジンはダンディー鋳造会社の工場で8～10か月間すべての機械を動かし、以前は1分間に320,000 kg（700,000ポンド）を60 cm（2フィート）持ち上げることができ、出力は約16キロワット（21馬力）であった。 この動力では作業に不十分だと考えたダンディー鋳造会社は、直径40センチメートル（16インチ）、ストローク1.2メートル（4フィート）、毎分28ストロークのシリンダーを備えた2番目のエンジンを設置しました。このエンジンは2年以上連続運転され、鋳造工場の作業を非常に満足のいく形でこなしただけでなく、（3番目の動輪の摩擦ブレーキによって）約687トン（1,500,000ポンド）、約34キロワット（45馬力）を持ち上げるほどのテストも行われました。      

スターリングエンジン（当時はスターリングの空気エンジンとして知られていた）は1816年に発明され、特許を取得しました。^{[ 18 ]}これは空気エンジンを作るための以前の試みに続くものでしたが、おそらく1818年にスターリングが作ったエンジンが採石場で水を汲み上げるのに使われたとき、初めて実用化されたものでした。^{[ 19 ]}スターリングの最初の特許の主な主題は熱交換器で、さまざまな用途で燃料効率を高めることから、彼はこれを「エコノマイザー」と呼びました。この特許では、エコノマイザーの1つの形式を彼の独自の閉サイクル空気エンジン設計で使用することも詳細に説明されており^{[ 20 ]、}この用途では現在一般的に「再生器」として知られています。ロバート・スターリングと彼の兄弟でエンジニアのジェームズによるその後の開発により、加圧を含む元のエンジンのさまざまな改良構成の特許が取得され、1843年までに、ダンディーの鉄工所のすべての機械を駆動するのに十分な出力が得られました。 ^{[ 21 ]}

1845 年 6 月に土木学会に提出されたジェームズ・スターリングの論文では、彼の目的は燃料を節約することだけでなく、当時の蒸気機関に代わるより安全な代替手段を作り出すことであったと述べられている。 ^{[ 22 ]}蒸気機関のボイラーは頻繁に爆発し、多くの負傷者や死者を出していた。^{[ 23 ] [ 24 ]}しかし、これは異論もある。^{[ 25 ]}

スターリングエンジンの出力と効率を最大化するためには非常に高い温度で運転する必要があり、当時の材料の限界が露呈した。初期の頃に製造された少数のエンジンは、許容できないほど頻繁に故障した（ただし、ボイラー爆発ほど悲惨な結果にはならなかった）。^{[ 26 ]}例えば、ダンディー鋳造工場のエンジンは、4年間で3回の高温シリンダー故障の後、蒸気エンジンに置き換えられた。^{[ 27 ]}

ダンディー鋳造工場のエンジンが置き換えられた後、スターリング兄弟が空気エンジンの開発にさらに関わったという記録はなく、スターリングエンジンは産業規模の動力源として蒸気と再び競合することはなかった。（蒸気ボイラーはより安全になり、蒸気エンジンはより効率的になったため、ライバルの原動機の標的となることは少なくなった。）しかし、1860年頃から、教会のオルガンの空気の送風や水の汲み上げなど、低～中程度の信頼性の高い動力源が必要とされる用途向けに、スターリング/熱風タイプの小型エンジンが相当数生産されるようになった。^{[ 28 ]}

これらの小型エンジンは、利用可能な材料に負担をかけないように、一般的に低温で運転されたため、比較的効率が悪かった。そのセールスポイントは、蒸気機関とは異なり、火を扱える人なら誰でも安全に操作できることだった。1906年のライダー・エリクソン・エンジン社のカタログには、「庭師や一般の家庭人でもこれらのエンジンを操作でき、免許を持った熟練の技術者は必要ない」と記載されていた。数種類のエンジンは世紀末以降も生産され続けたが、いくつかの小さな機械的改良を除けば、スターリングエンジンの設計は概してこの期間停滞した。^{[ 29 ]}

20世紀初頭、スターリングエンジンの「家庭用モーター」^{[ 30 ]}としての役割は、徐々に電気モーターや小型内燃機関に取って代わられた。1930年代後半には、おもちゃや少数の小型換気扇にのみ使用されるようになり、ほとんど忘れ去られていた。^{[ 31 ]}

21世紀初頭には、スターリングエンジンは集光型太陽熱発電システムのディッシュ型バージョンで使用されていました。非常に大きな衛星放送受信アンテナに似た鏡面ディッシュが太陽光を熱受信機に集光し、熱受信機は熱を吸収して収集し、流体を使用してスターリングエンジンに伝達します。その結果得られた機械動力は、発電機またはオルタネーターを駆動して電気を生成するために使用されます。^{[ 37 ]}

マイクロ熱電併給（CHP）ユニットの中核となる構成要素は、同等の蒸気機関よりも効率が高く安全であるため、スターリングサイクルエンジンで構成することができる。2003年までに、CHPユニットは家庭用発電機などの家庭用用途で商業的に設置されるようになった。^{[ 38 ]}

2013年に、6つの特徴的な無次元群に基づく自由ピストン型スターリングエンジンのスケーリング法則に関する論文が発表された。^{[ 39 ]} 2025年のScience Advances誌の記事では、研究者らが地球の周囲放射を利用してスターリングエンジンで機械的動力を生成する方法を検討し、温室内の循環管理や住宅の温度調節におけるこの方法の有用性を実証した。^{[ 40 ]}

熱源は燃料の燃焼によって供給され、燃焼生成物は作動流体と混ざらないためエンジンの内部部品と接触しないので、スターリングエンジンは、従来のエンジンでは研磨性の二酸化ケイ素を沈着させる可能性のあるシロキサンを含む埋立地ガスなど、他のタイプのエンジンの内部を損傷する可能性のある燃料でも作動することができる。^{[ 44 ]}

その他の適切な熱源としては、集光型太陽エネルギー、地熱エネルギー、原子力エネルギー、廃熱、バイオエネルギーなどがある。太陽エネルギーを熱源として使用する場合、通常のソーラーミラーやソーラーディッシュを利用できる。フレネルレンズやミラーの使用も、例えば惑星表面探査などで推奨されている。^{[ 45 ]}太陽光発電式スターリングエンジンは、環境に優しい発電方法を提供するとともに、開発プロジェクトにおいて経済的に魅力的な設計もあるため、ますます人気が高まっている。^{[ 46 ]}

スターリングエンジンの熱交換器の設計は、高い熱伝達率と低い粘性ポンプ損失、そして低いデッドスペース（未掃気内部容積）とのバランスを取ることが重要です。高出力・高圧で運転されるエンジンでは、高温側の熱交換器は、高温でも十分な強度を維持し、腐食やクリープが発生しない合金で作られている必要があります。

小型で低出力のエンジンでは、熱交換器は高温室と低温室の壁だけで構成されている場合もありますが、より大きな出力が必要な場合は、十分な熱を伝達するために、より広い表面積が必要になります。一般的な構成としては、高温側には内外フィンまたは複数の小径チューブ、低温側には液体（水など）を用いた冷却器が用いられます。

スターリングエンジンでは、再生器は内部熱交換器であり、作動流体がまず一方の方向に、次に反対方向に通過するように高温空間と低温空間の間に配置される一時的な蓄熱器です。これにより、流体から一方の方向に熱が奪われ、反対方向に熱が戻されます。再生器は金属メッシュや発泡体のような単純なものでもよく、高い表面積、高い熱容量、低い熱伝導率、低い流体摩擦といった利点があります。^{[ 47 ]}その機能は、サイクルの最高温度と最低温度の中間の温度で環境と交換されるはずの熱をシステム内に保持することであり、 ^{[ 48 ]}これにより、サイクルの熱効率（ただし、実際のエンジンの熱効率は^{[ 49 ]}）を限界カルノー効率に近づけることができます。

スターリングエンジンにおける再生の主な効果は、エンジン内部で不可逆的に失われる熱を「再利用」することで熱効率を高めることです。二次的な効果として、熱効率の向上により、所定の高温側および低温側熱交換器からより高い出力が得られます。これらの熱交換器は通常、エンジンの熱スループットを制限します。実際には、実用的な再生器に固有の「デッドスペース」（未掃気容積）とポンピング損失によって再生による効率向上効果が相殺されるため、この追加出力は完全には実現されない場合があります。

スターリングエンジン再生器の設計上の課題は、過剰な内部容積（「デッドスペース」）や流れ抵抗を導入することなく、十分な熱伝達能力を提供することです。これらの固有の設計上の矛盾は、実用的なスターリングエンジンの効率を制限する多くの要因の 1 つです。典型的な設計は、デッドスペースを減らすために低多孔性の細い金属ワイヤーメッシュを積み重ね、その方向の伝導を減らし対流熱伝達を最大化するためにワイヤー軸をガスの流れに垂直にすることです。 ^{[ 50 ]}

再生器はロバート・スターリングによって発明された重要な構成要素であり、その存在によって真のスターリングエンジンは他の閉サイクル熱気エンジンと区別されます。多くの小型「おもちゃ」スターリングエンジン、特に低温差（LTD）タイプには明確な再生器がなく、熱気エンジンとみなされる可能性があります。しかし、ディスプレーサー自体の表面と近くのシリンダー壁、あるいは同様にアルファ構成エンジンの高温シリンダーと低温シリンダーをつなぐ通路によって、わずかな再生が行われます。

スターリングエンジンの高温部と低温部の温度差が大きいほど、エンジンの効率は高くなります。ヒートシンクは通常、エンジンが作動する周囲環境です。中出力から高出力のエンジンでは、エンジンから周囲の空気へ熱を伝達するためにラジエーターが必要です。船舶用エンジンは、周囲の空気よりも一般的に温度の低い海水、湖水、または河川水を利用できるという利点があります。熱電併給システムの場合、エンジンの冷却水は直接的または間接的に暖房に利用され、効率が向上します。

あるいは、周囲温度で熱を供給し、極低温流体（液体窒素経済を参照）や氷水などの手段を用いてヒートシンクをより低い温度に維持することもできる。

ディスプレーサーは、ベータ型およびガンマ型スターリングエンジンで使用される特殊なピストンで、作動ガスを高温熱交換器と低温熱交換器の間で往復させるために使用されます。エンジンの設計タイプによっては、ディスプレーサーがシリンダーに密閉されている場合とそうでない場合があります。つまり、シリンダー内に緩く嵌合している場合があり、作動ガスがディスプレーサーの周囲を通り抜けて、シリンダーの奥の部分を占めることができます。アルファ型エンジンは高温側に高い応力がかかるため、ハイブリッドピストンをその側に使用し始めた発明家はごく少数でした。ハイブリッドピストンは通常のアルファ型エンジンと同様に密閉部分を持ちますが、その周囲にシリンダーよりも直径の小さいディスプレーサー部分が接続されています。圧縮比は元のアルファ型エンジンよりも若干小さいですが、密閉部分にかかる応力係数はかなり低くなっています。

アルファスターリングエンジンは、高温シリンダーと低温シリンダーの2つの動力ピストンを別々のシリンダー内に備えています。高温シリンダーは高温熱交換器内に、低温シリンダーは低温熱交換器内に配置されています。このタイプのエンジンは出力対体積比が高いですが、高温ピストンの温度が通常高いこととシールの耐久性の問題により技術的な問題があります。^{[ 51 ]}実際には、このピストンには、シールを高温ゾーンから遠ざけるために、余分なデッドスペースを犠牲にして、通常大きな断熱ヘッドが取り付けられています。クランク角度は効率に大きな影響を与え、最適な角度は実験的に見つける必要があることがよくあります。90°の角度で固定されることがよくあります。

そのプロセスを4つのステップで説明すると以下のようになります。

1. 作動ガスの大部分は高温シリンダー内にあり、高温シリンダーの壁面との接触面積が大きくなっています。これによりガス全体が加熱され、圧力が上昇して膨張します。高温シリンダーは最大容積に達し、低温シリンダーは中間容積（部分容積）にあるため、低温シリンダーへの膨張によってシステム全体の容積が増加します。
2. システムが最大容積に達し、より多くのガスが冷たいシリンダーと接触します。これによりガスが冷却され、圧力が低下します。フライホイールの慣性や同じシャフト上の他のピストン対の影響により、高温のシリンダーが上昇行程を開始し、システムの容積が減少します。
3. ガスのほとんどすべてが冷たいシリンダー内に入り、冷却が続きます。これによりガスの圧力が低下し、収縮が起こります。熱いシリンダーは最小容積、冷たいシリンダーは最大容積になっているため、冷たいシリンダーが内側に圧縮されることで、システムの容積はさらに減少します。
4. システムは最小体積の状態にあり、ガスは高温シリンダーとの接触面積が大きくなる。高温シリンダーの膨張により、システムの体積は増加する。

ベータ型スターリングエンジンは、ディスプレーサーピストンと同じシリンダー内の同じシャフトに単一の動力ピストンが配置されています。ディスプレーサーピストンは緩く嵌合しており、膨張するガスから動力を抽出せず、作動ガスを高温側と低温側の熱交換器の間で移動させる役割のみを果たします。作動ガスがシリンダーの高温側に押し込まれると膨張し、動力ピストンを押します。作動ガスがシリンダーの低温側に押し込まれると収縮し、通常はフライホイールによって増幅される機械の慣性によって動力ピストンが反対方向に押し出され、ガスが圧縮されます。アルファ型とは異なり、ベータ型では動力ピストンが高温ガスに接触しないため、高温可動シールの技術的な問題を回避できます。^{[ 52 ]}

1. パワーピストン（濃い灰色）がガスを圧縮し、ディスプレーサーピストン（薄い灰色）が移動して、ガスの大部分が高温の熱交換器に隣接するようにした。
2. 加熱されたガスは圧力を上昇させ、動力ピストンを動力行程の最遠端まで押し出す。
3. ディスプレーサーピストンが動き、ガスをシリンダーの低温側に押し出す。
4. 冷却されたガスは、フライホイールの運動エネルギーによって圧縮される。冷却されると圧力が低下するため、圧縮に必要なエネルギーは少なくて済む。

自由ピストン式スターリングエンジンには、液体ピストン式とダイヤフラムピストン式がある。自由ピストン式装置では、電気式リニアオルタネータ、ポンプ、またはその他の同軸装置によってエネルギーを供給または除去することができる。これにより、リンク機構が不要になり、可動部品の数を減らすことができる。一部の設計では、非接触式ガスベアリングの使用や、平面ばねによる非常に精密なサスペンションによって、摩擦と摩耗がほぼ完全に排除されている。

自由ピストン式スターリングエンジンのサイクルにおける4つの基本的なステップは以下のとおりです。

1. 膨張するガスによって動力ピストンが外側に押し出され、仕事が行われる。重力はこのサイクルにおいて何ら役割を果たさない。
2. エンジン内のガス量が増加すると圧力が低下し、その結果、ディスプレーサーロッドの両端に圧力差が生じ、ディスプレーサーが高温側へ押し出されます。ディスプレーサーが移動している間、ピストンはほぼ静止しているため、ガス量はほぼ一定に保たれます。この過程により定容冷却が行われ、ガスの圧力が低下します。
3. 圧力が低下したことでピストンの外向きの動きが止まり、ピストンは再び高温側に向かって加速し始め、自身の慣性によって、主に低温空間に存在する冷えたガスを圧縮する。
4. 圧力が上昇すると、ディスプレーサーロッドの両端の圧力差がピストンに向かってディスプレーサーロッド（ひいてはディスプレーサー）を押し始めるのに十分な大きさになり、それによって冷間空間が収縮し、冷たく圧縮されたガスがほぼ一定体積のプロセスで高温側へ移動します。ガスが高温側に到達すると圧力が上昇し、ピストンが外側へ移動し始め、（1）で説明した膨張ステップが開始されます。

1960年代初頭、オハイオ州アセンズにあるオハイオ大学のウィリアム・T・ビールは、クランク機構の潤滑の難しさを克服するために、スターリングエンジンの自由ピストン版を発明した。^{[ 58 ]}基本的な自由ピストン・スターリングエンジンの発明は一般的にビールによるものとされているが、同様のタイプのエンジンの独立した発明は、英国AEREのハーウェル研究所のEHクック・ヤーボローとC・ウェストによって行われた。^{[ 59 ]} GMベンソンも重要な初期の貢献をし、多くの斬新な自由ピストン構成の特許を取得した。^{[ 60 ] [ 61 ]}

自由に動く部品を使用したスターリングサイクルマシンの最初の既知の記述は、1876年の英国特許開示である。^{[ 62 ] [ 63 ]}このマシンは冷蔵庫（つまり、逆スターリングサイクル）として構想された。自由ピストン式スターリング装置を使用した最初の消費者向け製品は、日本のツインバード株式会社が製造し、2004年にコールマンが米国で販売したポータブル冷蔵庫である。

平板型複動式スターリングエンジンの設計では、ディスプレーサーの高温ピストンと低温ピストンの面積が異なるという事実を利用して、ディスプレーサーの駆動問題を解決している。

この駆動方式は、機械的な伝動機構を一切使用していません。ダイヤフラムを使用することで、摩擦がなくなり、潤滑油も不要になります。

ディスプレーサーが作動している間、ジェネレーターは作動ピストンを限界位置に保持し、エンジンの作動サイクルを理想的なスターリングサイクルに近づけます。フラットな設計を採用することで、熱交換器の面積と機械の体積の比率が増加します。

作動シリンダーの平面形状は、膨張および圧縮の熱プロセスを等温プロセスにより近いものに近似させる。

欠点は、高温空間と低温空間の間の断熱面積が大きいことである。^{[ 64 ]}

熱音響装置は、作動ガス分子一つひとつがたどる経路は実際のスターリングサイクルに従うものの、スターリング装置とは大きく異なります。これらの装置には、熱音響エンジンや熱音響冷凍機などがあります。高振幅の音響定在波は、スターリング動力ピストンに類似した圧縮と膨張を引き起こし、位相のずれた音響進行波は、スターリングディスプレーサーピストンに類似した温度勾配に沿った変位を引き起こします。したがって、熱音響装置には、ベータ型やガンマ型スターリング装置に見られるようなディスプレーサーは通常ありません。

NASAは、太陽系外縁部への長期ミッション向けに、核崩壊加熱式スターリングエンジンを検討してきた。 ^{[ 65 ]} 2018年、NASAと米国エネルギー省は、深宇宙探査機やプローブ、さらには系外惑星の基地に電力を供給できるように設計された、 KRUSTY（Kilopower Reactor Using Stirling TechnologYの略）と呼ばれる新型原子炉の試験に成功したと発表した。^{[ 66 ]}

2012年にケーブル通信技術者協会が主催したケーブルテックエキスポで、ディーン・ケイメンはタイム・ワーナー・ケーブルの最高技術責任者マイク・ラジョイと共に登壇し、自身の会社Deka ResearchとSCTEとの新たな取り組みを発表した。ケイメンはこれをスターリングエンジンと呼んでいる。^{[ 67 ] [ 68 ]}

最小のスターリングエンジンは、シュトゥットガルト大学の2人のドイツ人科学者によって作られました。これはミクロン単位の長さで動作します。^{[ 69 ] [ 70 ]}

0.5 K 程度の温度差で動作する非常に低出力のエンジンが製造されています。^{[ 71 ]}ディスプレーサー型スターリングエンジンは、ピストン 1 つとディスプレーサー 1 つを備えています。エンジンを動作させるには、大きなシリンダーの上部と下部の間に温度差が必要です。低温度差(LTD) スターリングエンジンの場合、手と周囲の空気の間の温度差でエンジンを動作させるのに十分です。^{[ 72 ]}ディスプレーサー型スターリングエンジンの動力ピストンはしっかりと密閉されており、内部のガスが膨張するにつれて上下に動くように制御されています。一方、ディスプレーサーは非常に緩く取り付けられているため、ピストンが上下に動くと、エンジンの高温部と低温部の間を空気が自由に移動できます。ディスプレーサーが上下に動くと、ディスプレーサーシリンダー内のガスの大部分が加熱または冷却されます。

スターリングエンジン、特に温度差が小さいエンジンは、発生する出力に対してかなり大きい（つまり、比出力が低い）。これは主に気体対流の熱伝達係数によるもので、一般的な冷熱交換器で達成できる熱流束は約 500  W/(m ² ·K) に制限され、高温熱交換器では約 500〜5000  W/(m ² ·K) に制限される。^{[ 73 ]}内燃機関と比較すると、このためエンジンの設計者は作動ガスへの熱の伝達と作動ガスからの熱の伝達をより困難にしている。熱効率のため、必要な熱伝達は温度差が小さいほど大きくなり、1 kW の出力に対する熱交換器の表面積（およびコスト）は (1/ΔT) ²で増加する。したがって、非常に小さい温度差のエンジンの比コストは非常に高くなる。温度差や圧力を高めることで、スターリングエンジンはより多くの出力を生み出すことができる。ただし、熱交換器が増加する熱負荷に対応できるように設計されており、必要な対流熱流束を供給できることが前提となる。

スターリングエンジンは瞬時に始動することはできません。「暖機運転」が必要です。スターリングエンジンは定速エンジンとして最もよく使用されます。

スターリングエンジンの出力は一定に保たれる傾向があり、出力調整には慎重な設計と追加の機構が必要となる場合がある。一般的に、出力変更はエンジンの排気量を変化させる（多くの場合、斜板式クランクシャフト機構を用いる）、作動流体の量を変更する、ピストン／ディスプレーサーの位相角を変更する、あるいは場合によってはエンジン負荷を変更することによって行われる。この特性は、一定の出力が望ましいハイブリッド電気推進や「ベースロード」発電においては、それほど大きな欠点とはならない。

水素とヘリウムは、すべての気体の中で最も高い熱伝導率と熱容量を持っています。空気は実用的な作動流体ですが、^{[ 74 ]}高圧空気エンジン内の酸素は、潤滑油の爆発による致命的な事故を引き起こす可能性があります。^{[ 75 ]}このような事故の1つを受けて、フィリップスは爆発の危険性を回避するために他の気体の使用を先駆的に行いました。

• 水素は粘度が低く熱伝導率が高いため、最も強力な作動ガスであり、主に他のガスよりもエンジンを速く動かすことができる。しかし、水素の吸収と、この低分子量ガスに伴う高い拡散速度、特に高温では、H₂_がヒーターの固体金属を通して漏れる。炭素鋼の拡散は実用的ではないほど高いが、アルミニウムやステンレス鋼などの金属では許容できるほど低い可能性がある。特定のセラミックも拡散を大幅に低減する。エンジン内部の圧力を維持するためには、ガスの損失を補うことなく、気密性の高い圧力容器シールが必要である。高温差（HTD）エンジンでは、高圧作動流体を維持するために補助システムが必要になる場合がある。これらのシステムは、ガス貯蔵ボトルまたはガス発生器である。水素は、水の電気分解、赤熱した炭素系燃料への蒸気の作用、炭化水素燃料のガス化、または金属に対する酸の反応によって生成できる。水素は金属の脆化を引き起こすこともある。水素は可燃性ガスであり、エンジンから放出されると安全上の問題となる。
• 米国政府の研究所向けに開発されたものなど、技術的に高度なスターリングエンジンのほとんどは、作動ガスとしてヘリウムを使用しています。これは、ヘリウムが水素と同等の効率と出力密度を持ち、物質の封じ込めに関する問題が少ないためです。ヘリウムは不活性であるため、可燃性ではありません。ヘリウムは比較的高価であり、ボトル入りのガスとして供給する必要があります。あるテストでは、GPU-3 スターリングエンジンにおいて、水素はヘリウムよりも 5% (絶対値) 効率が高く (相対値で 24%) 高いことが示されました。^{[ 76 ]}研究者のアラン・オーガンは、適切に設計された空気エンジンは理論的にはヘリウムエンジンや水素エンジンと同等の効率であるが、ヘリウムエンジンと水素エンジンは単位体積あたり数倍の出力を持つことを実証しました。
• エンジンによっては、作動流体として空気や窒素を使用するものがあります。これらのガスは出力密度がはるかに低い（そのためエンジンのコストが高くなります）ものの、使い勝手が良く、ガスの封じ込めや供給に関する問題を最小限に抑えられる（そのためコストが下がります）。圧縮空気は酸素分圧が高いため、可燃性物質や潤滑油などの可燃物と接触すると爆発の危険性があります。しかし、空気から酸素は酸化反応によって除去できますし、ほぼ不活性で非常に安全な窒素ボンベを使用することもできます。
• 空気より軽いガスとしては、メタンやアンモニアなども考えられる。

ほとんどの高出力スターリングエンジンでは、作動流体の最小圧力と平均圧力の両方が大気圧よりも高い。この初期エンジン加圧は、ポンプ、圧縮ガスタンクからのエンジンへの充填、または平均温度が平均運転温度よりも低いときにエンジンを密閉することによって実現できる。これらの方法はすべて、熱力学サイクル内の作動流体の質量を増加させる。すべての熱交換器は、必要な熱伝達率を供給するために適切にサイズ設定する必要がある。熱交換器が適切に設計され、対流熱伝達に必要な熱流束を供給できる場合、エンジンは、第一近似として、ウエスト数とビール数によって予測されるように、平均圧力に比例した出力を生成する。実際には、最大圧力は圧力容器の安全圧力にも制限される。スターリングエンジンの設計のほとんどの側面と同様に、最適化は多変数であり、多くの場合、相反する要件がある。^{[ 73 ]}加圧の難しさは、出力が向上する一方で、必要な熱量が出力の増加に比例して増加することである。加圧が進むと、エンジンの壁の厚みを増す必要が生じ、その結果、熱伝達に対する抵抗が増加するため、熱伝達はますます困難になる。

高温高圧下では、空気加圧されたクランクケース内、または熱気エンジンの作動ガス中の酸素がエンジンの潤滑油と結合して爆発する可能性がある。このような爆発で少なくとも1人が死亡している。^{[ 75 ]}潤滑剤は熱交換器、特に再生器を詰まらせる可能性もある。これらの理由から、設計者は、特に摺動シールにおいて、可動部品にかかる垂直力が小さい、潤滑剤を使用しない低摩擦係数材料（ルーロンやグラファイトなど）を好む。一部の設計では、密閉ピストンにダイヤフラムを使用することで、摺動面を完全に回避している。これらは、スターリングエンジンが内燃機関よりもメンテナンス要件が少なく、寿命が長い理由の一部である。