スターリング機関は、外燃機関の特徴を生かし、熱源の多様性や低公害性の面から近年再び注目を浴びている。その理論熱効率はカルノーサイクルの熱効率に等しく、低温度差熱源においても十分高い熱効率が期待できる機関である。従って、スターリング機関は太陽エネルギのようなてい密度の熱源や廃熱などの質の低い熱源の動力変換にも適している。農業の現場には、未利用のバイオマスや廃材が多く存在しており、これらを有効利用するという観点からも、農業用スターリング機関の開発研究は重要な課題である。スターリング機関の開発研究においては、作動ガスの漏れ並びに摺動抵抗の低減など問題がいまだに解決しておらず、実用化に向けて大きな障害になっている。本研究では、ロッドシール並びにパワーピストン部での作動ガスの漏れを抑えながら摺動摩擦抵抗を低減するため、折り返し式ベローズ(以下ベロフラムと呼ぶ)を利用したスターリング機関を考案し、機関特性予測のためのシミュレーションを行うとともに、構造が簡単で保守管理が容易な機関を試作し、運転試験と実施して機関特性を明らかにした。論文は5章からなっている。

　第1章ではバイオマスを燃料とするスターリング機関の開発という本研究の目的と背景について述べ、既往の研究をレビューした。

　第2章ではスターリング機関の設計および試作を行うためのシミュレーションを行った。シュミットモデルを修正し、機関性能に大きく影響する作動流体の漏れ、流動損失などを考慮した機関性能を予測するための圧力数式モデル、流動抵抗による圧力損失数式モデルおよび出力トルク数式モデルを作成した。

　また、これらの数式モデルから機関の作動ガス温度比、作動ガス圧力、作動ガス漏れ係数、クランク位相遅れ角度、圧力損失係数、死容積比、行程容積比、ロッドシール行程容積比などが機関軸仕事パラメータおよび機関出力トルクパラメータに与える影響を計算し、その変化特性を検討した結果は以下のとおりである。

　1)再生器流路面積の増大につれて、作動ガス流速が大きくなり、逆に、再生器流路面積が小さくなり過ぎると、作動ガスの流動抵抗が増え機関の出力が低減することがわかった。

　2)作動ガスの漏れ係数の増大に伴い、機関軸仕事パラメータが低下することがわかった。

　3)ディスプレーサピストンロッドシールの行程容積は機関の死容積になるので、死空間による機関軸仕事パラメータへの影響と同様に、ロッドシールの行程容積が大きくなるにつれて、機関軸仕事パラメータが低下する。従ってスターリング機関の機関性能の向上のためにはロッドシール行程容積をできるだけ少なくすることが必要である。

　4)作動ガス圧力損失係数の増大に従い、機関出力トルクパラメータの変動幅が小さくなる。これはスターリング機関の流路の直管部、曲管部、急拡大部、急縮小部及び再生器内部流路における圧力の損失によるものである。したがって、スターリング機関の設計の指針として、機関内のガス流路の直管部、曲管部、急拡大部、急縮小部をできる限り少なくすることが必要である。

　5)以上のシミュレーションの結果により、実験機関の設計に関する指針を得た。

　第3章では試作機関の出力特性および考察について検討を行うための実験機関の設計と試作について述べた。機関の主要な部分である熱再生器をディスプレーサ内に組み込んで一体としたことにより、機関の構造を簡単にし、死空間を減らすことができた。また、ディスプレーサピストンにテフロン樹脂ルーロンJ素材で作ったシールリングを用い、無潤滑で運転が行えるようにした。クランク機構の円盤には10度ごとにピンの差し替え孔を設けて、クランク位相を簡単に変化させることができるようにした。さらに、優れた性能を持つベロフラムシリンダをスターリング機関のディスプレーサロッドシールおよびパワーピストンに利用することにより作動ガスのシール性を向上するとともに摺動摩擦力の低減を図った。

　実験方法については、実験機関の出力特性に影響する作動ガス温度、充填圧力、位相遅れ角度などのパラメータを組み合わせることにより、機関の自立運転実験、負荷運転実験および機関の動力損失に関する諸データを測定し、機関の出力特性を調べた。

　第4章では全勝の実験結果に基づき機関の出力特性を評価した。試作スターリング機関の出力特性および考察をまとめると以下のとおりである。

　1)自立運転実験において、作動ガス温度および充填圧力が高くなるに従い、機関の回転速度および図示仕事が大きくなることがわかった。また、ディスプレーサピストンに対しパワーピストンのクランク位相遅れ角度が110°の時、図示仕事が大きいことがわかった。

　2)負荷運転実験において、作動ガス温度が高くなるに従い、機関の軸仕事および図示仕事が大きくなることがわかった。また、ディスプレーサピストンに対しパワーピストンのクランク位相遅れ角度が110°の時、軸仕事および図示仕事が最大になることがわかった。

　3)損失動力測定の実験において、クランク機構の機械損失がその他の損失より相対的に大きかった。これは工作精度などの影響もあるものと考えられる。また、連接管の流動損失も比較的大きいので、ディスプレーサピストンとパワーピストンの間の距離が短くすることが必要である。

　4)機関出力特性の評価については、ベロフラムシリンダを用いたスターリング機関とステンレスベローズスターリング機関との性能比較を行った結果、ベロフラムシリンダを用いたスターリング機関が、機関回転数は低いが、軸出力パラメータは高いことがわかった。

　第5章では結論として本研究で得られた成果と残された問題点をまとめた。様々な特長を持つスターリング機関に関して、性能のシミュレーション、機関の試作、改良および運転実験を行って機関の特性を調べた。主な研究成果は以下のとおりである。

　外燃機関であるスターリング機関は、熱源の多様性や低公害性の面から近年再び注目を集めている。その理論熱効率はカルノーサイクルの熱効率に等しく、低温度差熱源においても十分高い熱効率が期待でき、太陽エネルギのような低密度の熱源や廃熱などの質の低い熱源の動力変換にも適している。農業の現場には、未利用のバイオマスや廃材が多く存在しており、これらを有効利用するという観点からも、農業用スターリング機関の開発研究は重要な課題である。スターリング機関の開発研究においては、作動ガスの漏れ並びに摺動抵抗の低減などの問題がいまだに解決しておらず、実用化に向けて大きな障害になっている。本研究では、ロッドシール並びにパワーピストン部での作動ガスの漏れを抑えながら摺動摩擦抵抗を低減するため、折り返し式ベローズシリンダを利用したスターリング機関を考案し、機関特性予測のためのシミュレーションを行うとともに、構造が簡単で保守管理が容易な機関を試作し、運転試験を実施して機関特性を明らかにした。論文は5章からなっている。

　第1章では農業用スターリング機関の開発という本研究の目的と背景について述べ、既往の研究をレビューしている。

　第2章ではスターリング機関の設計および試作を行うための指針を得るため、機関性能予測シミュレーションを行っている。理想化された状態におけるモデルであるシュミットモデルを改良し、実機関の性能に大きく影響する作動流体の漏れ、流動損失などを考慮した数式モデルを作成した。これらの数式モデルから機関の作動ガス温度比、作動ガス圧力、作動ガス漏れ係数、クランク位相遅れ角度、圧力損失係数、死容積比、行程容積比、ロッドシール行程容積比などの諸パラメータが機関出力トルクパラメータおよび機関軸仕事パラメータに与える影響についてシミュレーションを行い、その出力特性を検討している。

　第3章では出力特性を評価するための実験機関の設計と試作について述べている。本機関では、スターリング機関の主要な部分である熱再生器をディスプレーサ内に組み込んで一体としたことにより、機関の構造を簡単にするとともに、死空間を減らすことを試みている。また、ディスプレーサピストンにテフロン樹脂ルーロンJ素材のシールリングを用い、無潤滑で運転が行えるようにした。さらに、折り返し式ベローズシリンダをスターリング機関のディスプレーサロッドシールならびにパワーピストンに利用することにより作動ガスのシール性を向上させるとともに摺動摩擦力の低減をはかった。

　実験では、実験機関の出力特性に影響する作動ガス温度、充填圧力、位相遅れ角度などのパラメータを組み合わせることにより、機関の自立運転実験、負荷運転実験および機関の動力損失に関する諸データを測定し、機関の出力特性を調べた。

　第4章では前章の実験結果に基づき機関の出力特性を評価した。その結果、1)自立運転および負荷運転実験においては、作動ガス温度が高くなるに従い、機関の軸仕事およぴ図示仕事が大きくなった。また、ディスプレーサピストンに対しパワーピストンのクランク位相遅れ角度が110°の時、軸仕事および図示仕事が大きくなることがわかった。2)損失動力については、クランク機構の機械損失がその他の損失より相対的に大きく、工作精度に改善の余地があるとしている。また、連接管の流動損失も比較的大きいことから、ディスプレーサピストンとパワーピストンの間の配管距離を短くすることが出力特性向上に効果があるとしている。3)試作機関出力特性の評価については、折り返し式ベローズシリンダを用いたスターリング機関とステンレスベローズシリンダを用いたスターリング機関との性能比較を行っており、折り返し式ベローズシリンダを用いたスターリング機関は、機関回転速度は低いが、軸出力パラメータが高いことを明らかにし、折り返し式ベローズシリンダを用いることにより出力特性を改善できることを示している。

　第5章では結論として本研究で得られた成果と残された問題点をまとめており、折り返し式ベローズシリンダを用いることにより、作動ガス漏洩を防止するとともに摩擦損失を低減させるという相反する課題の解決法を試み、農業用原動機としての可能性を示している。

　以上要するに本研究は、スターリング機関を試作し、その出力特性についてシミュレーションと実験を行い、諸特性を明らかにするとともに機関の性能向上をはかったもので、この分野の学問及び技術に新しい知見を加え、発展に貢献するところが少なくない。よって審査員一同は本論文が博士(農学)の学位論文として価値あるものと認めた。