そうりゅう型潜水艦のAIP（非大気依存）推進機関には、スターリングエンジンと呼ばれる珍しいエンジンが発電機として搭載されています。
このエンジンは非常に燃費が良く、省エネで排気ガスも少ないエコロジーなエンジンとして近年注目され始めています。しかしその反面、パワー不足やエンジンの大型化などの問題を抱えており、未だに広く普及していません。
そうりゅう型潜水艦でも当初は燃料電池を搭載しようとしていたほどで、スターリングエンジンの採用はある意味仕方なく搭載しただけに過ぎませんでした。現場でもやたら場所を取る割には出力が出ないので使い勝手が悪いと言う不平も上がっているとか。
日本の自動車には燃料電池を搭載している車が既に存在し、ドイツの潜水艦でも燃料電池が採用されています。日本の潜水艦にも搭載できそうなものですが、では何故そうりゅう型には燃料電池ではなくスターリングエンジンが搭載されたのでしょうか？
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スターリングエンジンとは？
スターリングエンジンがそうりゅう型に搭載されていると聞いて、「最新の潜水艦に搭載されているのだから、きっとスターリングエンジンと言うのは新しいエンジンに違いない」と思われるかも知れません。しかし、このスターリングエンジンは新しく発明されたエンジンというわけではなく、原案はディーゼルエンジンなどの内燃機関よりも早い1816年には既に存在していました。
何故、古くに発明されたエンジンを今になって使うのかというと・・・スターリングエンジンは理論的には非常に優れたエンジンであったにも関わらず、技術が追いつかずになかなか陽の目を見ることがなかった悲運のエンジンで、現代になって何とか使えるようになったエンジンだからなのです。
まず、スターリングエンジンはディーゼルエンジンなどとは違った外燃機関です。
エンジンと言うのは何らかの方法でピストンなどを動かして運動エネルギーを得る機関ですが、殆どのエンジンにおいて、熱を加えると気体が膨張することを利用してピストンなどを動かし、運動エネルギーを得ています。
内燃機関が外燃機関かの違いはどうやって気体を膨張させるかの違いにあり、シリンダーの中で燃料を燃やして直接気体を膨張させるディーゼルエンジンは内燃機関で、ボイラーを温めて蒸気を発生させることで間接的に気体を膨張させる蒸気機関は外燃機関となります。ちなみに、内燃機関は燃料を直接膨張させてパワーが高いもののガンガン燃やすので燃費が悪く、外燃機関はわざわざ別の気体を温めているのでパワーが低いものの熱が排気などで逃げずに無駄にならないので燃費が良い傾向にあります。
そして、スターリングエンジンと言うのは、その外燃機関の中でも特に燃料効率の良いエンジンなのです。
スターリングエンジンの原理
スターリングエンジンでは、シリンダー内部の気体を温めると同時に冷やしているというのが一番の特徴だと言えます。
(Astatine211[Wikipedia])
上の図はスターリングエンジンの機構の一例ですが、基本的には温かい空気と冷たい空気を交互に入れ替えるような構造になっているのが特徴です。赤い部分が暖められている空気で青い部分が冷やされている空気です。かなり面白い動き方をしているのがわかりますね。
これには二つのモノの動きが相互に作用しあっています。
ピストンが動くと空気が入れ替わり、空気が入れ替わって膨張するとピストンの動きが入れ替わります。
ピストンの移動： [冷たい空気]←→[温かい空気]
空気の移動 ： [冷却シリンダーのピストン]←→[加熱シリンダーのピストン]
まず、温かい空気が膨張することで加熱シリンダーを左方向に押して、冷却シリンダーを上方向に引っ張り温かい空気を冷却シリンダーに流し込みます。一方、冷たい空気は縮こまろうとすることでシリンダーを下方向に引っ張り、加熱シリンダーを左方向に引っ張って冷たい空気を加熱シリンダーに送り返します。
これがうまく順番に作用する様になっていて、スターリングエンジン内部の空気は「ある程度温まったら冷やし、ある程度冷やしたら温める」の繰り返しになっています。その度にピストンが上下され、運動エネルギーが得られると言う仕組みです。
実はこのスターリングエンジンの仕組み、カルノーサイクルと呼ばれる「熱と仕事を交互にやりとりしたら理論上はこうなる」と言う理論でしかなかった効率動作に近い働きをするため、現在考案されているエンジンの中で最も無駄のないエンジンだという事が出来るのです。
