史特林引擎實作
教授：康尚文
學生：楊博宇、許嵩群
壹、前言
這次是為了專題才來參與史特林引擎的製作，一開始沒有對這方面很有了解，聽到其他先加入康尚文教授研究的同學在討論他們所做的史特林引擎，引起了我們的興趣，所以跟教授討論過後決定加入製作史特林引擎的行列，對於史特林引擎我們等於從零開始，開始接觸關於熱力學方面的知識，經過資料的查找又了解到史特林引擎不是單單的教學器材，他甚至可以解救現在的能源危機，他跟一般燃燒石油的內燃機不一樣，他是以外燃機的形式，只要可以燃燒的能源都可以使用，而且史特林引擎基於其低污染、高效率的優點，十分有潛力成為未來引擎科技的明日之
星。
貳、認識史特靈引擎（Stirling Engine）
史特林引擎是一種外燃式的熱循環引擎，或稱為熱機。它是基於史特林熱循
環的原理來產生運作，和一般汽車內燃式汽柴油引擎運作方式不同，目前已發展
出多種類型，以下從其歷史發展、原理，與特性問題，對其作一整理介紹：
一、史特靈引擎（Stirling Engine）的歷史與發展
蒸氣引擎的發明，加速了社會工業化發展的腳步，也促使人類科技進步的
加速。但是由於蒸氣引擎是透過高壓蒸氣來推動渦輪進行運作，因此會有鍋爐
因壓力過高而無承受的爆炸潛在風險。鑒於此，有人便開始想要去發展一種更
安全、更有效率的引擎機械。
早在 1699 年，氣體引擎（Air Engine）這個名詞就已經出現了。1816 年，
Robert
Stirling 改革了前人所發展出的氣體引擎，採用了將熱室氣體送往冷室
的循環方法，製作出名為“Economiser”的引擎，代表其比以往更加有效率之
意。此後這類型的引擎就被稱作為史特靈引擎（Stirling Engine）。
史特靈引擎的理論效能幾乎接近熱機的最大理論效能－卡諾循環
（CARNOT）效能。卡諾循環是所有熱機運作期盼達到的理論，即由兩個等
溫過程和兩個絕熱過程所組成的循環，此時功可以完全轉變為熱，且熱能完全
轉變為功，這期間是可逆的。而當按照相反的順序實行操作，系統和外界都恢
復原狀。事實上，這樣完全理想的循環，在現實上目前是不存在的。但從史特
靈熱機的熱循環來看，是相當接近理論值的。
史特靈引擎發展到了 19 世紀，其在很多方面的應用隨處可見。像早期的
冷藏機器就是用它來驅動，直到電動機出現為止。而1940 年，荷蘭飛利浦公
司就曾經研發多功能的發電機，在公共設備電力不完善的地區進行販售，並且
也利用相反的原理製出the Stirling Cryocooler 的冷藏機器，提供需低溫保存的
物品。亦有瑞典的Kockums 船艦製造公司，利用它來製造潛艇。
但由於史特靈引擎屬於外燃機，有幾項缺點：需外部熱源、啟動時間長，
高低溫差的持續保持、無法立即改變能量等級…等問題，使得史特靈引擎的利
用隨著內燃引擎與電動機的出現，而漸漸被取代。雖然如此，但是不得不承認
史特靈引擎的運作效率是很高的。
而近來由於環保意識的抬頭，史特靈引擎低污染、高效率的特點促使它再
度被注意。像是2005 年8 月11 日，Southern California Edison 電力公司就宣
布購買太陽能Stirling 發電系統作為電力提供的設施，為民眾提供乾淨、環保
的電力。
史特靈引擎雖然是發明已久的引擎，但是由於它的特性與潛力，使得它至
今仍不斷研究改進，尤其是溫度控制技術與製作材料的突破，使得史特靈引擎
的魅力依舊存在。目前主要用於靜音潛艇和低溫冷凍上。
二、史特靈引擎（Stirling
Engine）工作原理
從熱力學理論來看，系統所做的功是可以 100%轉變為熱能，但是引擎的
運作是利用熱能來轉換成功，而實際上這樣的轉換是無法達到100%。通常熱
機引擎的運作是利用高低溫差來吸收與釋放熱量，將其間的溫差轉變為所輸出
的功。利用輸出的功，我們便可以使用來推動運作其他機械，形成動力。
為了各詳細的介紹，我們將一步步從氣體的熱脹冷縮特性來介紹：
（一）氣體的熱脹冷縮
根據熱學理論，具有質量的物質，會有熱脹冷縮的效應，因此，當氣
體遇熱會產生膨脹，遇冷則收縮。
1. 氣體遇熱時：膨脹
2. 氣體遇冷時：收縮
因此，若能使氣體反覆進行膨脹與收縮，那將可以得到一種機械式的
往復運動，並利用它來推動活塞。於是可設計出高、低溫室如下：
1. 當冷室氣體被擠往熱室後，氣體會膨脹，推動活塞
2. 當熱室氣體被擠往冷室後，氣體會收縮，活塞縮回
（二）曲軸機構與相位差
有了往復運動之後，活塞便可以連結曲軸，將移動的形式轉換成旋轉
形式，帶動飛輪進行轉動。
活塞推動曲軸（圖片來源：取自 Web
科學工作館，1998）
為了能夠讓熱室的氣體交換自動進行，因此我們亦將移氣活塞連結至
曲軸，讓旋轉的飛輪帶動其進行交換運作。
由於氣體在膨脹與收縮的過程中，與活塞間會出現一個90 度的相位
時間差，因此，要使機構能沒有停滯地順利運作。連結活塞的兩曲軸柄必
須設置相差90 度角。
（三）Stirling
Cycle（史特靈循環）
根據上述的想法，Robert
Stirling 於是設計出了這樣一種熱循環引擎
的機構，而這樣的循環模式則被稱為Stirling Cycle（史特靈循環）。整個
Stirling Cycle（史特靈循環）基本上歸納為下列四個循環步驟：
1. 加熱：將氣體推往熱室，因而氣體膨脹，室內的壓力增加。
2. 膨脹：活塞被推動，帶動曲軸與飛輪。
3. 冷卻：連結90 度曲軸的移氣活塞，被帶動旋轉，將氣體推回冷室。
4. 壓縮：活塞收縮，同樣帶動曲軸及飛輪慣性旋轉。如此進行循環。
而從循環當中我們可以發現，第一個步驟與第三個步驟是循環能量大小的關鍵。要增加其循環能量的大小，即要提升熱室溫度與降低冷室溫度，即冷熱溫差，使膨脹與收縮作用加劇，產生更大的壓力。
三、史特靈引擎（Stirling
Engine）的結構形式
雖然史特林引擎的類型眾多，但大致上不脫主要的兩大類型，茲介紹如下：
（一）雙活塞型（Two-Piston）
或稱為α型，是由兩組活塞室所構成，一組為熱室，一組為冷室，中
間以管將氣體相連。若兩組活塞氣室的溫差很大，其產生的能量與效率轉換是相當可觀的。
（二）交換器型（Displacer）
或稱為γ型，將原本的活塞改用一移氣活塞代替，使冷熱氣體在同一室內進行冷熱的交替。此形式的優點是，可以在溫差較低的情形下運作，減少高與低溫度控制的困難度。
另外史特林引擎還有其他各式各樣的形式，但多為以上型式的組合或製作材
料的轉變與更換：
β型：將活塞汽缸與交換器是結合為一的型態。
肆、史特林引擎的優點與缺點
01.史特林引擎的優點
A. 可使用多元燃料
史特林引擎不但燒垃圾就能運轉，而且可以使用包括工廠廢熱、酒精、天然氣、煤、再生能源、核能、地熱、太陽能、海水溫差甚至日夜溫差等在內的一切熱能。
B. 噪音小
C. 污染少
史特林引擎運轉時，並無爆炸或高速氣流，因此非常安靜，震動和噪音都很小。
史特林引擎使用的燃料，如果可以控制在最佳的燃燒狀態下，燃燒所產生的廢氣對環境的污染微乎其微。如果使用太陽能、地熱、海水溫差、日夜溫差等則根本沒有污染。
D. 能源利用效率高
史特林引擎在將熱能轉換成動能的效率相當高，不會浪費能源。
E. 安全
史特林引擎運作過程中沒有一般汽油引擎的燃燒爆炸過程，所以在使用上較為安全。
F. 構造簡單
史特林引擎免除汽柴油引擎須吸氣、爆炸、排氣等複雜過程，因而將引擎本身的構造簡化。
02.史特林引擎的缺點
A. 預熱時間長
史特林引擎為外燃引擎，熱能透過汽缸壁傳給工作流體的熱傳導過程需要較長的時間，不能像汽油引擎一樣，一發動就能立刻產生動力。然而這點對於須長時間穩定運轉的場合，例如發電設備、長程海陸空交通工具就不再是個問題。
B. 馬力有限
史特林引擎與其他馬力相同的內燃機比較，因為不能將燃料混在工作流體中以爆燃的方式直接把熱快速傳給工作流體，外燃的史特林引擎熱能須透過汽缸壁才能傳給工作流體。所以就一般尺寸的引擎而言，相同重量的史特林引擎和內燃機比較，史特林引擎馬力較有限，但微型化之後又另當別論。
C. 耐高溫材料價格昂貴
外界的熱能必須透過汽缸壁才能傳到史特林引擎內部，所以製作史特林引擎的材料必須耐得住高溫，又不致於減低材料的強度或者迅速老化，並且還要有很高的導熱率。但可惜的是這些材料的價格昂貴，導致史特林引擎的製作成本提高。
D. 高壓工作流體密封不易
為了增加的馬力，工作流體要改用高壓的氦氣，但要完全防止高壓氦氣洩漏並不容易
伍、製作過程
參考資料：
1：生活科技教育月刊 二○○六年 三十九卷 第五期
極速引擎的魅力 –史特靈引擎（Stirling Engine）的
介紹、製作與教學活動設計
3：網路搜索引擎
沒有留言:
張貼留言