Proposal for innovative low-temperature-differential Stirling engine technology based on dynamical systems and linear response theory

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 19K03651
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 13010:Mathematical physics and fundamental theory of condensed matter physics-related
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: Izumida Yuki 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 講師 (70648815)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: 低温度差スターリングエンジン / 力学系 / 線形応答理論 / 分岐現象 / 熱効率 / 仕事率 / 非平衡熱力学 / Onsager係数

Outline of Final Research Achievements

In this research, the physics of low-temperature-differential Stirling engines was developed based on nonlinear dynamics and linear response theory. In particular, a bifurcation mechanism underlying the onset of autonomous motion from a small temperature difference, which was predicted by a thermodynamic pendulum model of the engine, was verified experimentally. Moreover, the maximum thermal efficiency and the thermal efficiency at maximum power were formulated and the figure of merit that characterizes them was determined. These achievements are expected to contribute to the understanding and technology of the low-temperature-differential Stirling engines.

Free Research Field

非線形非平衡系の物理学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

低温度差スターリングエンジンはわずかな温度差から仕事を取り出す自律熱機関であり、持続可能社会に貢献する可能性を秘めた熱技術として知られる。本研究では特に、低温度差スターリングエンジンの運動メカニズムを力学系の解の分岐現象として予測した先行研究の結果を実験的に実証した。また最大熱効率・最大仕事率時の熱効率を定式化し、エンジンの機能とその原理的限界を定量化した。原理的・応用的な可能性を持つこれらの成果は、今後の低温度差スターリングエンジン技術に資する学術的・社会的意義を持つものであると考えられる。