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史特林引擎 工作原理

史特靈引擎(Stirling Engine 或 翻譯為 史特林或斯特林引擎)，是一高效率的能量轉換裝置。史特靈引擎並非新發明，蘇格蘭愛丁堡的牧師史特靈（Robert Sterling）於一八一六年為其發明的引擎申請專利權後，該種引擎近兩百年來出現至少百種不同機構型式，但大多以史特靈牧師的原始設計為基礎。
史特靈引擎屬於外燃引擎，只要高溫熱源溫度夠高，無論是使用太陽能、廢熱、核原料、牛糞、丙烷、天然氣、沼氣（甲烷）、丁烷與石油在內的任何燃料，皆可使之運轉，不同於必須使用特定燃料的汽油引擎、柴油引擎等內燃引擎。
  A. 基礎篇
A1 氣體的特性
     如圖1 把橡皮綁在容器口上，我們能容易瞭解到受熱時橡皮會膨脹(圖2)，冷卻時橡皮會縮收(圖3)，這是加熱時，內部氣體壓力作用在橡皮上(圖2)，當然人的眼睛是無法看到氣體壓力的。

A2移氣器
如果我們放入一個移氣器(Displacer)到容器內(圖4)，而這個移氣器的直徑比容器的內徑小一些，當移氣器自由上下移動時，即可以把容器內的氣體擠下或擠上。這個時候，如果我們在容器底端加熱，而在容器上端冷卻，使上下兩端具有足夠的溫差，即可看見此時橡皮會不斷膨脹及收縮。其原理如下：
  當移氣器上移，容器內的氣體被擠至容器底端，此時由於容器底端加熱，因此氣體受熱，壓力變大，此壓力經由活塞與容器間的空隙傳到橡皮，使得橡皮會膨脹(圖5)。
相反的，若施以適當的力量把移氣器下移，則容器內的氣體被擠至容器上端，此時由於容器上端為冷卻區，因此氣體被冷卻，使氣體溫度降低，壓力變小，而使得橡皮會縮收(圖5)。
   如此，不斷使移氣器自由上下移動，即可看見此時橡皮會不斷膨脹及收縮。
    由此，可知移氣器的功用主要在於移動氣體，使氣體在冷熱兩端之間來回流動。國立成功大學航太系鄭金祥教授把 Displacer 命名為 ”移氣器”，實在更為貼切，也比較不容易混淆，比較不會使人誤以為它的作用跟輸出功率的動力活塞一樣。

A3 曲柄機構
要讓移氣器上下移動，只要將移氣器與一曲軸連結(圖6) 。當曲軸旋轉時，移氣器就會被帶上及帶下。將移氣器與曲軸連結完畢之後，在容器底端加熱上端冷卻，只要用手轉動曲軸，使得移氣器移上及移下，此時橡皮便會重複膨脹及收縮(圖7)。

A4 動力活塞
  橡皮的膨脹及收縮運動，可以轉換為動力輸出，此時，橡皮的作用即如同一動力活塞。我們可以另加一根連桿接到上述的曲軸上，便可將橡皮的膨脹及收縮運動轉換為曲軸的旋轉運動。連接到移氣器的曲軸部位與連接到動力活塞的曲軸部位必須呈固定的角度差，一般是90度(圖8,9)。橡皮的膨脹及縮收所產生的曲軸的旋轉運動提供了移氣器上下移動的力量，多餘的力量則可以輸出。必須注意的是，移氣器本身不會動，而是被曲軸帶動，動力來源是動力活塞。

為何相位角是 90 度?
如圖 9 當移氣器移到最頂點的位置時，底部加熱空間最大，此時所產生的壓力也最大，當移氣器移到最底點的位置時，頂部冷卻空間最大，此時所產生的壓力也最小，如把動力活塞的曲柄連接到曲軸水平位置最遠的地方時可產生最大的扭力，此時可看到連接到移氣器的曲軸部位與連接到動力活塞的曲軸部位呈90度的角度差，該角度稱為 相位角。曲柄連接到曲軸水平的位置也決定了引擎旋轉方向 。
上述的條件為靜態環境的結果，當隨著引擎的轉速、負載、溫度及使用氣體的不同則會有不同的最佳相位角，一般以 90度作為通用的相位角。
 A5 飛輪
  如果只有上述的零件，引擎還是不能運轉。因為利用橡皮的膨脹或收縮 (圖8,9)，並無法讓曲軸旋轉一整圈。因此，必須加上一個有旋轉慣性的設備，即“飛輪”，才能達成連續的運轉。
  一般採用的飛輪，最常見的是圓形飛輪，如圖10所示。如果除了慣性需求外，還要考慮平衡問題，則在曲軸旋轉面的另一端加一配重物充當飛輪，便可解決平衡問題(圖11)。

B. 進階篇
史特靈引擎是一種高效率的能量轉換裝置，係採用封閉氣體循環（Closed gas cycle）及再生器（Regenerator）設計。理論上，理想史特靈引擎的熱效率Thermal efficiency)與卡諾引擎(Carnot engine)相當，二者皆屬可逆熱機（Reversible cycle），具最高熱力循環轉換效率。史特靈引擎的使用的工作氣體可為高壓之空氣、氮氣、氦氣、或氫氣。一般而言，大致分為兩種可能的配置：第一種配置利用一個動力活塞（Piston）壓縮或膨脹氣體，另利用一個移氣器（Displacer）使工作氣體在氣缸內來回流動；第二種配置則不用移氣器，完全利用兩個活塞來達到壓縮膨脹氣體與來回驅趕氣體的目的。當氣缸內部氣體被驅趕至加熱部而受熱時，即因膨脹推動動力活塞而對外作功。
  以氣缸數與動力活塞及移氣器的排列構型來區分，史特靈引擎又可以分為下列三種形式：
      (1)   α型—又稱雙氣缸型（twin-cylinder Stirling engine），此型無移氣器，然具有二個動力活塞，分別在二個獨立的氣缸內作動。

     (2)   β型—又稱為同軸活塞型（coaxial piston-displacer Stirling engine），具有一動力活塞與一移氣器，二者位於同一氣缸，且沿相同軸移動。自由活塞式史特靈引擎即屬此類。

    (3)   γ型—具有二個獨立氣缸，其中一氣缸內設置動力活塞，另一氣缸則設置一移氣器，本模型則屬於γ型。

     史特靈引擎在不同的額定功率下皆能表現出高效率，且因其乃屬常壓燃燒供熱之外燃機，燃燒較為完全，故排氣潔淨。最重要的是，它可以適用不同的熱來源，包括汽油、天然氣、太陽能、生質能、廢熱利用等。近年來，能源工程技術相關的研究者對史特靈引擎的研究興趣正逐漸加溫，極可能成為另一個未來可供選擇的動力來源之一。

配合上圖，理想史特靈引擎的熱力循環概念介紹如下：
    (1) a→b過程中，工作流體等體積吸熱升溫；
    (2) b→c過程中，工作流體等溫吸熱膨脹；
    (3) c→d過程中，工作流體等體積冷卻降溫；
    (4) d→a過程中，工作流體等溫冷卻收縮。
史特靈引擎與卡諾引擎比較，前者由兩個等溫過程和兩個等體積過程所構成，而後者係由兩個等溫過程和兩個絕熱過程所構成。換言之，史特靈引擎循環以兩個等體積的吸熱與排熱過程，取代卡諾循環的兩個絕熱過程。因此，若史特靈引擎循環欲達成卡諾引擎相同的熱效率，必須將c→d過程中，工作流體等體積排熱過程所排出的的熱量，必須用來提供在a→b過程中，工作流體等體積吸熱升溫所需的熱量，這個步驟，叫作再生( Regeneration )，所使用的裝置，稱為再生器(Regenerator)。  
值得注意的是，實際上史特靈引擎內部工作流體的溫度和壓力，在循環變化過程中並非是完全均勻的。因此，體積和壓力的變化也非如上圖所示那樣清楚分明。