PDF《介绍、制作与教学活动设计》

19 世纪,其在很多方面的应用随处可见.像早期的 冷藏机器就是用它来驱动,直到电动机出现为止.而1940 年,荷兰飞利浦公 司就曾经研发多功能的发电机,在公共设备电力不完善的地区进行贩售,并且 也利用相反的原理制出 the Stirling Cryocooler 的冷藏机器,提供需低温保存的 物品.亦有瑞典的 Kockums 船舰制造公司,利用它来制造潜艇. 但由於史特灵引擎属於外燃机,有几项缺点:需外部热源、启动时间长, 高低温差的持续保持、无法立即改变能量等级…等问题,使得史特灵引擎的利 用随著内燃引擎与电动机的出现,而渐渐被取代.虽然如此,但是不得不承认 史特灵引擎的运作效率是很高的. 而近来由於环保意识的抬头,史特灵引擎低污染、高效率的特点促使它再 度被注意.像是

2005 年8月11 日,Southern California Edison 电力公司就宣 生活科技教育月刊 二六年 三十九卷 第五期

118 布购买太阳能 Stirling 发电系统作为电力提供的设施,为民众提供乾净、环保 的电力. (http://pesn.com/2005/08/11/9600147_Edison_Stirling_largest_solar/) 史特灵引擎虽然是发明已久的引擎,但是由於它的特性与潜力,使得它至 今仍不断研究改进,尤其是温度控制技术与制作材料的突破,使得史特灵引擎 的魅力依旧存在.目前主要用於静音潜艇和低温冷冻上.

二、史特灵引擎(Stirling Engine)工作原理 从热力学理论来看,系统所做的功是可以 100%转变为热能,但是引擎的 运作是利用热能来转换成功,而实际上这样的转换是无法达到 100%.通常热 机引擎的运作是利用高低温差来吸收与释放热量,将其间的温差转变为所输出 的功.利用输出的功,我们便可以使用来推动运作其他机械,形成动力. 为了各详细的介绍,我们将一步步从气体的热胀冷缩特性来介绍:

(一)气体的热胀冷缩 根妊Ю砺,具有质量的物质,会有热胀冷缩的效应,因此,当气 体遇热会产生膨胀,遇冷则收缩. 1. 气体遇热时:膨胀 2. 气体遇冷时:收缩 因此,若能使气体反覆进行膨胀与收缩,那将可以得到一种机械式的 往复运动,并利用它来推动活塞.於是可设计出高、低温室如下: 生活科技教育月刊 二六年 三十九卷 第五期

119 1. 当冷室气体被挤往热室后,气体会膨胀,推动活塞 2. 当热室气体被挤往冷室后,气体会收缩,活塞缩回

(二)曲轴机构与相位差 有了往复运动之后,活塞便可以连结曲轴,将移动的形式转换成旋转 形式,带动飞轮进行转动. 活塞推动曲轴(图片来源:取自 Web 科学工作馆,1998) 为了能够让热室的气体交换自动进行,因此我们亦将移气活塞连结至 曲轴,让旋转的飞轮带动其进行交换运作. 连结 Displacer 交换器(图片来源:取自 Web 科学工作馆,1998) 活塞 高温热室 低温冷室 活塞 高温热室 低温冷室 交换活塞 交换活塞 生活科技教育月刊 二六年 三十九卷 第五期

120 由於气体在膨胀与收缩的过程中,与活塞间会出现一个

90 度的相位 时间差,因此,要使机构能没有停厮忱俗.连结活塞的两曲轴柄必 须设置相差

90 度角.

(三)Stirling Cycle(史特灵循环) 根鲜龅南敕,Robert Stirling 於是设计出了这样一种热循环引擎 的机构,而这样的循环模式则被称为 Stirling Cycle(史特灵循环) .整个 Stirling Cycle(史特灵循环)基本上归纳为下列四个循环步骤: 1. 加热:将气体推往热室,因而气体膨胀,室内的压力增加. 2. 膨胀:活塞被推动,带动曲轴与飞轮. 3. 冷却:连结