
2026/01/19 5:45
**スターリングサイクル機械の解析** - スターリングサイクルと主要部品の概要 - 熱力学的解析:熱移動、仕事出力、効率計算 - 高温材料およびシールメカニズムに関する設計上の考慮点 - 圧力・温度など異なる運転条件下での性能評価 - 他の熱力学サイクル(例:ランキンサイクル、ブレイトンサイクル)との比較 - 発電、冷却、および推進システムへの応用可能性 *注: 説明をわかりやすくするために余分な空白と句読点は除去しています。*
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要約▶
日本語訳:
パッケージは、ウィリアム T. ビールを記念し、単相ピストン/シリンダー式スティルリングサイクル機械をシミュレートする無料で自己完結型の学習ツールです。元の FORTRAN シミュレーションモジュールを MATLAB に再現しており、直接的なグラフィカル出力と学生・教育者がより簡単に操作できるようになっています。コードは熱力学、熱伝達、流体摩擦、および熱交換器や圧力損失の詳細なパラメトリック解析をカバーしています。
章立ては以下の通りです:
- 背景 – スティルリングエンジンとその物理学を紹介します。
- 基本構成 – サイン波駆動、ロス・ヨークドライブ、およびロス・ローッカ―V のアルファ機械について説明しています。
- 理想等温解析 – このモデルがすべての熱交換器を冗長と誤って予測することを指摘します。
- 理想断熱解析 – 閉形式解が存在しないため、コンピュータシミュレーションが必要であると述べています。
- 単純パラメトリック解析 – 断熱基礎を用いて、三つの熱交換器セクション(管状、円環ギャップ、スロット)の実際の性能を予測し、パラメトリック研究を可能にします。
また、再生器マトリックス(スクリーンメッシュまたは巻き上げフィル)と作動ガス(空気、ヘリウム、水素)についても詳細に説明しています。実際のスティルリングサイクルシミュレーションの複雑さを示すことを目的としており、熱伝達プロセスに焦点を当てていますが、Sage Software の代替とは意図していません。
33 KB の MATLAB m‑ファイルは Creative Commons Attribution‑NonCommercial‑ShareAlike 4.0 International ライセンスの下で利用可能であり、OhioOpen(https://ohioopen.library.ohio.edu/opentextbooks/9)からダウンロードできます。この作業はイスラエル・ウリエリ氏の 2020 年度テキスト「Stirling Cycle Machine Analysis」(OHIO Open Faculty Textbooks, vol 9)で引用されています。
このオープン配布により、商用ソフトウェアを使用せずに実践的な熱伝達効果や小型エンジン・エネルギー変換設計に興味のある学生、教育者、エンジニア、および研究者がハンズオンでシミュレーションできるようになります。
本文
大学
ラス・工学技術大学(Russ College of Engineering and Technology)
ダウンロード
- 全文(61.8 MB) – ダウンロード
- MATLAB 用 Stirling エンジン解析 m‑ファイル(33 KB) – ダウンロード
- ウィリアム・ビール(William Beale)の伝記回想録(3.0 MB) – ダウンロード
説明
フリーピストン Stirling エンジンの発明者であり、メンター兼友人であったウィリアム T. ビール(1928–2016)に捧げるものです。このウェブリソースは、単相ピストン/シリンダー型 Stirling サイクル機械のコンピュータ シミュレーション解析・開発を学ぶための完全自立的な教材として設計されています。熱力学・熱伝達・流体フロー・摩擦解析などを網羅しており、2012 年まで進化した機械工学の高度講義で使用されていました。
元々は FORTRAN で書かれたモジュールが MATLAB に更新・改修されました。MATLAB は対話型の便利な言語で、直接グラフィカルに出力できるため Stirling サイクル解析には不可欠です。すべての m‑ファイルを含む完全セットが提供され、必要に応じて特定のエンジン/冷凍機構設定へ拡張・適応できます。
本リソースは Creative Commons Attribution‑NonCommercial‑ShareAlike 4.0 International ライセンスの下で公開されており、自由に利用可能です。著者はコメントや建設的な批判を歓迎します。
目次
- 背景と導入
- 基本エンジン構成
- 理想等温解析 – 理想等温モデルの定義・分析、シュミット解析(Schmidt analysis)を含み、その限界について議論します。誤った結論として「すべての熱交換器は冗長である」というものがありますが、実際には等温圧縮・膨張領域で必要な熱移動が行われるため、熱交換器は死活空間を生むだけです。とはいえ、オーラン・オーガン(Allan Organ)の粒子質量流解析と組み合わせることで特定設計の理解が深まります。
- 理想断熱解析 – 等温モデルでは熱交換器が冗長と予測されるため、実際機械の理想性能を予測するには不適切です。その代わりに圧縮・膨張領域を断熱としたモデルへ移行します。このモデルは解析解が閉形式でなく、コンピュータ シミュレーションが必要です。再生器(レジスタ―ガー)の重要性についての洞察を提供し、長らく不明だった側面が明らかになります。
- 単純解析 – 理想断熱モデルに基づき、3 区域の熱交換器(熱伝達・圧力損失)を実際性能として予測します。非定常流熱交換よりは簡略化されていますが、特定機械のパラメトリック解析を可能にします。
学習資料
MATLAB を用いて特定 Stirling エンジン構成をシミュレートするチュートリアルモジュールが含まれています。すべての m‑ファイルは
sea.zip(sea=Stirling Engine Analysis)としてダウンロードできます。モジュールは拡張・適応して特定エンジン設計をシミュレートすることが可能です。現在のモジュールでカバーされている内容は次のとおりです。
- 機械タイプ:アルファ型(正弦駆動、ロス Yoke‑drive、ロス Rocker‑V エンジン)
- 熱交換器タイプ:チューブ状、アノラルギャップ、スロット熱交換器
- 再生器行列タイプ:スクリーンメッシュ、巻きつけフィルムマトリックス
- 作動ガス:空気、ヘリウム、水素
注意点として、本学習資料は Stirling サイクル機械の実際性能シミュレーションに伴う熱伝達プロセスの複雑さを理解し感謝するためのものです。Sage Software を置き換えるものではなく、Stirling サイクル機械の工学モデリング・最適化には別途専用ソフトが必要です。
キーワード
Stirling エンジン、熱解析
推奨引用
Urieli, Israel, Stirling Cycle Machine Analysis (2020). OHIO Open Faculty Textbooks, 9.
https://ohioopen.library.ohio.edu/opentextbooks/9