PDF《介绍、制作与教学活动设计》

90 度曲轴的移气活塞,被带动旋转,将气体推回冷室. 4. 压缩:活塞收缩,同样带动曲轴及飞轮惯性旋转.如此进行循环. 而从循环当中我们可以发现,第一个步骤与第三个步骤是循环能量大 小的关键.要增加其循环能量的大小,即要提升热室温度与降低冷室温 度,即冷热温差,使膨胀与收缩作用加剧,产生更大的压力. Stirling 热循环图 (图片来源:取自 Koichi Hirata,2002)

三、史特灵引擎(Stirling Engine)的结构形式 虽然史特林引擎的类型众多 , 但大致上不脱主要的两大类型 , 兹介绍如下 : 生活科技教育月刊 二六年 三十九卷 第五期

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(一)双活塞型(Two-Piston) 或称为α型,是由两组活塞室所构成,一组为热室,一组为冷室,中 间以管将气体相连.若两组活塞气室的温差很大,其产生的能量与效率转 换是相当可观的. (图片来源:取自 Karim Nice,1995)

(二)交换器型(Displacer) 或称为γ型,将原本的活塞改用一移气活塞代替,使冷热气体在同一 室内进行冷热的交替.此形式的优点是,可以在温差较低的情形下运作, 减少高与低温度控制的困难度. (图片来源:取自 Karim Nice,1995) 另外史特林引擎还有其他各式各样的形式,但多为以上型式的组合或制作材 料的转变与更换: 生活科技教育月刊 二六年 三十九卷 第五期

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(一)β型:将活塞汽缸与交换器是结合为一的型态. (图片来源:取自 Web 科学工作馆,1998)

(二)Free Piston 式:利用重力与惯性来推动移气活塞的运动. (图片来源:取自 Karim Nice,

1995、) 生活科技教育月刊 二六年 三十九卷 第五期

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四、史特灵引擎(Stirling Engine)的优势特色与问题 从Stirling Engine 的原理与结构来看,它有几项颇具优势的特点: 1. 其使用外部热源,因此只要是能够产生热,皆可用来做为推动的能源, 所以并不仅限於可燃烧的燃料.而由於内燃机常令人诟病其排放的废 气,会产生环境污染的问题,因此能够使用地热、太阳能等自然的能 源来运作的 Stirling Engine,显然在此方面是具有优势的. 2. 虽然 Stirling Engine 常被归类於外燃机,但实际上,只要能够产生温差, 就能够成为运作的能源,因此使用低温流体,如乾冰、或冰水,同样 可使 Stirling Engine 进行运作 . (可参考 : http://jlnlabs.imars.com/cfr/html/ cfrstir.htm) 3. 由於 Stirling Engine 外部热源与工作气体(Working gas)是分开的,因 此没有燃烧废弃物堆积於内部的问题,使用的润滑油周期较持久. 4. 由於热源位於外部,因此在调整控制上,比内燃机容易得多. 5. 热源的提供是连续性的,较不会有燃料燃烧不全的情形. 6. 比起其他引擎,它的构造很简单,不需要阀门,也没有化油器等机构. 7. 运作的温度与压力比起蒸气引擎或内燃式引擎要低且安全的多,因此 引擎强度与重量不需要很要求很高. 8. 没有燃烧爆炸的作用,运作也很安静,没有剧烈的震动. 以上就是 Stirling Engine 的发展优势.然而,既然 Stirling Engine 具有优 势,但为何当初它并没有成为普遍的动力系统?显然它仍然有一些问题有待克 服或替代方案: 1. 无法避免热源对热室的侵蚀.毕竟高温差使得其运作效率提高,但也 相对的会使活塞机构产生高温或低温侵蚀性的影响,引响运作寿命. 2. 虽然在低温差可以运作,但要在低温差下产生大量的动能时,引擎的 体积就会很巨大. 3. 高低温差的控制很困难,尤其取决於引擎的隔热包装技术.如果无法 有效控制,会徒增能源的散逸,减低效率. 4. 刚开始 Stirling Engine 无法迅速运转,它必须经过一段 暖机时间 . 5. 要改变它的能量输出等级是很难的,它无法像内燃机一样用燃油多寡 直接去控制动力的大小. 生活科技教育月刊 二六年 三十九卷 第五期