ビー玉スターリングエンジン
１ はじめに
蒸気機関，ガソリンエンジンなどの熱機関は，私たちの生活になくてはならないものである。熱機関の一つであるスターリングエンジンは，身近な材料を用いて比較的簡単に製作することができる。スターリングエンジンの製作と実験を通して，熱機関についての理解を深める。
２ 原理
ビー玉スターリングエンジンは，アルコールランプ，試験管，ビー玉，ガラス製注射器などから構成されており（図１），試験管底部を加熱することによって，試験管と注射器が上下運動を繰り返す装置である。
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| 図１ ビー玉スターリングエンジンの構造 |
［ビー玉スターリングエンジンの動作原理］（図２）
| ① | はじめ，試験管は口側を下にして傾いており，ビー玉が口側にあるため，試験管内部の気体の大部分は底側に存在する。試験管の底側を加熱することにより，内部の空気が暖められて膨張する。膨張した空気は，ビー玉と試験管壁の隙間を通って注射器へ移動し，注射器のピストンを押すため，注射器が上昇する。 |
| ② | 注射器が上昇すると，それに押されて試験管の口側が持ち上げられる。それに伴って，中のビー玉も底側へ移動する。 |
| ③ | ビー玉が底側へ移動すると，試験管内の空気の大部分は口側へ移動する。 試験管の口側は熱せられていないため，中の空気は冷やされ，収縮する。 |
| ④ | 中の空気が収縮すると，注射器内の空気が試験管へ流入し，注射器は下降するため，①の状態に戻る。 |
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図２ ビー玉スターリングエンジンの動作原理
３ 準備
表１に示した器具と材料を用意する。
表１ 必要な器具と材料
| 品 名 | 規 格 | 個数 | 品 名 | 規 格 | 個数 |
| 試験管 | 内径15mm | 1 | ゴム板 | 厚さ2mm×18mm×36mm | 1 |
| ガラス製注射器 | 5mL | 1 | 両面テープ | 長さ18mm | 1 |
| ビー玉 | 直径12.5mm | 5 | アルコールランプ | 理科実験用 | 1 |
| 輪ゴム | No.16（通常のもの） | 2 | 接着剤 | エポキシ樹脂系 | 1 |
| ゴム栓 | No.2 | 1 | 木材A | 15mm×90mm×280mm | 1 |
| 真ちゅうパイプ | 外径3mm×長さ30mm | 1 | 木材B | 12mm×30mm×180mm | 2 |
| シリコンチューブ | 内径3mm×長さ40mm | 1 | 木材C | 12mm×30mm×90mm | 1 |
４ 製作方法
（１）木材Ａ～Ｃを図３のように組み立て，支柱を作る。（エポキシ樹脂系接着剤を用いると容易に接着できるが，釘でも可）
（２）ゴム栓に穴を開け，真ちゅうパイプを通し，パイプにシリコンチューブを取り付ける。（図４）
（３）図５のように，ゴム板，ガラス製注射器を両面テープで取り付ける。このとき，注射器を傾けることができるように接着する。（図６）
（４）試験管にビー玉５個を入れる。
［注意］ 試験管の底は非常に割れやすいので，ビー玉が試験管の底に勢いよく当たらないように気をつける。
（５）試験管にゴム栓を取り付け，図７のように，輪ゴム２本を重ねて支柱に取り付け，その中に試験管を通す。
（６）シリコンチューブの先を注射器の先端に接続する。注射器と反対側にアルコールランプを置き，試験管が口を下にしてやや傾くように，輪ゴムの高さを調整する。（図８）
（７）アルコールランプに点火する。
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| 図３ 支柱の組み立て | 図４ ゴム栓の組み立て | 図５ ゴム板，注射器の接着 |
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| 図６ 横から見た模式図 | 図７ 試験管の取り付け | 図８ 完成図 |
５ 結果
アルコールランプに点火すると，試験管内の空気が暖められて膨張し，注射器のシリンダーが上昇する。その後，動画１のように試験管は上下に振動を繰り返す。
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| 動画１ 動作の様子 |
６ 参考
スターリングエンジンは，1816年にロバート・スターリングが発明した熱機関である。
密閉した気体を外部から加熱・冷却して，内部の気体を膨張・収縮させることにより仕事を得る。（図９）
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| 図９ スターリングエンジンの原理 |
ディスプレーサと呼ばれる装置を用いると，効率よく容器内部の気体を加熱・冷却することができる。（図10）
ディスプレーサは密閉容器の内部を上下に動き，内部の気体を移動させる働きをもつ。
ディスプレーサが上に動くと，容器内部の気体の大部分は容器下部へ，ディスプレーサが下に動くと，容器内部の気体の大部分は容器上部へ移動する。
（※ディスプレーサと容器壁面との間には気体が通ることのできる隙間がある）
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| 図10 ディスプレーサ型スターリングエンジン |
図11に示すように，左側容器の上部を加熱し，下部を冷却し続ける。
| ① | ディスプレーサを上に動かすと，容器内の気体は容器下部へ移動するため冷却されて収縮し，出力ピストンが上に動く。 |
| ② | ディスプレーサを下に動かすと，容器内の気体は容器上部へ移動するため加熱されて膨張し，出力ピストンが下に動く。 ディスプレーサの動きと出力ピストンの動きを連動させると，連続的に出力ピストンを上下に動かすことができる。 |
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| 図11 ディスプレーサ型スターリングエンジン動作の様子 |
ビー玉スターリングエンジンの場合，ビー玉がディスプレーサ，注射器が出力ピストンとしての役割を果たしている。加熱を続けて試験管全体が温まってくると，やがて動きが止まる。熱機関が動作するためには，高温熱源だけでなく，低温熱源が必要であることが理解できる。
７ 参考文献
小林義行：はじめてのスターリングエンジン（誠文堂新光社，2007）