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1、 斯特林发动机（引擎）原理与手工制作及组装斯特林发动机（引擎）原理与手工制作及组装史特林引擎 工作原理史特灵引擎(Stirling Engine 或 翻译为 史特林或斯特林引擎)，是一高效率的能量转换装置。史特灵引擎并非新发明，苏格兰爱丁堡的牧师史特灵（Robert Sterling）於一八一六年为其发明的引擎申请专利权后，该种引擎近两百年来出现至少百种不同机构型式，但大多以史特灵牧师的原始设计为基础。史特灵引擎属於外燃引擎，只要高温热源温度够高，无论是使用太阳能、废热、核原料、牛粪、丙烷、天然气、沼气（甲烷） 、丁烷与石油在内的任何燃料，皆可使之运转，不同於必须使用特定燃料的汽油引擎、柴油引
2、擎等内燃引擎。A.基础篇手工制作A1 气体的特性如图1把橡皮绑在容器口上，我们能容易瞭解到受热时橡皮会膨胀(图2)，冷却时橡皮会缩收(图3)，这是加热时，内部气体压力作用在橡皮上(图2)，当然人的眼睛是无法看到气体压力的。A2移气器如果我们放入一个移气器(Displacer)到容器内(图4)， 而这个移气器的直径比容器的内径小一些，当移气器自由上下移动时，即可以把容器内的气体挤下或挤上。这个时候，如果我们在容器底端加热，而在容器上端冷却，使上下两端具有足够的温差，即可看见此时橡皮会不断膨胀及收缩。其原理如下：当移气器上移，容器内的气体被挤至容器底端，此时由於容器底端加热，因此气体受热，压力变大
3、，此压力经由活塞与容器间的空隙传到橡皮，使得橡皮会膨胀(图5)。相反的，若施以适当的力量把移气器下移，则容器内的气体被挤至容器上端，此时由於容器上端为冷却区，因此气体被冷却，使气体温度降低，压力变小，而使得橡皮会缩收(图5)。如此，不断使移气器自由上下移动，即可看见此时橡皮会不断膨胀及收缩。由此，可知移气器的功用主要在於移动气体，使气体在冷热两端之间来回流动。国立成功大学航太系郑金祥教授把 Displacer 命名为”移气器”，实在更为贴切，也比较不容易混淆，比较不会使人误以为它的作用跟输出功率的动力活塞一样。A3 曲柄机构要让移气器上下移动，只要将移气器与一曲轴连结(图6) 。当曲轴旋转时，
4、移气器就会被带上及带下。将移气器与曲轴连结完毕之后，在容器底端加热上端冷却，只要用手转动曲轴，使得移气器移上及移下，此时橡皮便会重复膨胀及收缩(图7)。A4 动力活塞橡皮的膨胀及收缩运动，可以转换为动力输出，此时，橡皮的作用即如同一动力活塞。我们可以另加一根连桿接到上述的曲轴上，便可将橡皮的膨胀及收缩运动转换为曲轴的旋转运动。连接到移气器的曲轴部位与连接到动力活塞的曲轴部位必须呈固定的角度差，一般是90度(图8,9)。橡皮的膨胀及缩收所產生的曲轴的旋转运动提供了移气器上下移动的力量，多餘的力量则可以输出。必须注意的是，移气器本身不会动，而是被曲轴带动，动力来源是动力活塞。为何相位角是 90 度
5、?如图 9 当移气器移到最顶点的位置时，底部加热空间最大，此时所產生的压力也最大，当移气器移到最底点的位置时，顶部冷却空间最大，此时所產生的压力也最小，如把动力活塞的曲柄连接到曲轴水平位置最远的地方时可產生最大的扭力，此时可看到连接到移气器的曲轴部位与连接到动力活塞的曲轴部位呈90度的角度差，该角度称为 相位角。曲柄连接到曲轴水平的位置也决定了引擎旋转方向 。上述的条件为静态环境的结果，当随著引擎的转速、负载、温度及使用气体的不同则会有不同的最佳相位角，一般以 90度作为通用的相位角。A5 飞轮如果只有上述的零件，引擎还是不能运转。因为利用橡皮的膨胀或收缩(图8,9)，并无法让曲轴旋转一整圈。
6、因此，必须加上一个有旋转惯性的设备，即“飞轮”，才能达成连续的运转。一般採用的飞轮，最常见的是圆形飞轮，如图 10 所示。如果除了惯性需求外，还要考虑平衡问题，则在曲轴旋转面的另一端加一配重物充当飞轮，便可解决平衡问题(图 11)。国外的参考：B.进阶篇史特灵引擎是一种高效率的能量转换装置，係採用封闭气体循环（Closed gas cycle）及再生器（Regenerator）设计。理论上，理想史特灵引擎的热效率(Thermal efficiency)与卡诺引擎(Carnot engine)相当，二者皆属可逆热机（Reversible cycle） ，具最高热力循环转换效率。史特灵引擎的使用的
7、工作气体可为高压之空气、氮气、氦气、或氢气。一般而言，大致分为两种可能的配置：第一种配置利用一个动力活塞（Piston）压缩或膨胀气体，另利用一个移气器（Displacer）使工作气体在气缸内来回流动；第二种配置则不用移气器，完全利用两个活塞来达到压缩膨胀气体与来回驱赶气体的目的。当气缸内部气体被驱赶至加热部而受热时，即因膨胀推动动力活塞而对外作功。以气缸数与动力活塞及移气器的排列构型来区分，史特灵引擎又可以分为下列三种形式：(1)型又称双气缸型（twin-cylinder Stirling engine） ，此型无移气器，然具有二个动力活塞，分别在二个独立的气缸内作动。(2)型又称为同轴活塞
8、型（coaxial piston-displacer Stirling engine） ，具有一动力活塞与一移气器，二者位於同一气缸，且沿相同轴移动。自由活塞式史特灵引擎即属此类。(3)型具有二个独立气缸，其中一气缸内设置动力活塞，另一气缸则设置一移气器，本模型则属於型。史特灵引擎在不同的额定功率下皆能表现出高效率，且因其乃属常压燃烧供热之外燃机，燃烧较为完全，故排气洁净。最重要的是，它可以适用不同的热来源，包括汽油、天然气、太阳能、生质能、废热利用等。近年来，能源工程技术相关的研究者对史特灵引擎的研究兴趣正逐渐加温，极可能成为另一个未来可供选择的动力来源之一。配合上图，理想史特灵引擎的热力循
9、环概念介绍如下：(1) ab过程中，工作流体等体积吸热升温；(2) bc过程中，工作流体等温吸热膨胀；(3) cd过程中，工作流体等体积冷却降温；(4) da过程中，工作流体等温冷却收缩。史特灵引擎与卡诺引擎比较，前者由两个等温过程和两个等体积过程所构成，而后者係由两个等温过程和两个绝热过程所构成。换言之，史特灵引擎循环以两个等体积的吸热与排热过程，取代卡诺循环的两个绝热过程。因此，若史特灵引擎循环欲达成卡诺引擎相同的热效率，必须将cd过程中，工作流体等体积排热过程所排出的的热量，必须用来提供在ab过程中，工作流体等体积吸热升温所需的热量，这个步骤，叫作再生( Regeneration )，所
10、使用的装置，称为再生器(Regenerator)。值得注意的是，实际上史特灵引擎内部工作流体的温度和压力，在循环变化过程中并非是完全均匀的。因此，体积和压力的变化也非如上图所示那样清楚分明。製作過程 1. 注意琴弦必須與上 板之板面垂直 2. 使用AB膠確實塗勻 後將厚紙板與珍珠 板黏合 3. 上後紙板必須無洞 使用圓規將厚紙板 開一小洞方便調整 弦與移氣膧體的垂 直度 史特林引擎模型組裝說明 前提 1. 檢查所有零組件是否齊全 2. 製作流程分為四步 移氣膧體組裝?引擎組裝?轉軸組裝?整體組裝 3. 史特靈模型對於整體的密封度有高度的要求所以請在組裝時密切注意密封程度以防漏氣造成無法運轉的情
11、形 步驟一、移氣膧體組裝 所需零件: 厚紙板 x 2 珍珠板 x 1 琴弦 x 1 上厚紙板使用目的 : 使弦與板面確實為 90 度直角 下厚紙板使用目的 : 固定弦與珍珠板 完成圖樣 琴 弦 珍珠板 厚紙板 請弦與上厚紙板保持90度的垂直厚紙板 步驟二、 溫差氣室組裝 所需零件 : 圓鐵板 x 2 壓克力圓環 x 1 毛細管 x 1 圓底座 x 1 移氣膧體 x 1 毛細管 圓底座 移氣膧體 有洞鐵板 壓克力 無洞鐵板 完成圖樣 製作過程 1. 先將毛細管、底座、有洞鐵板、移氣膧體，四樣物件如圖組合。使用 AB 膠將毛細管、底座、有洞鐵板徹底接合(請注意密封性)。上膠後請靜置 5 分鐘後再進
12、行移氣膧體的組裝。 2.請將壓克力邊緣的凹槽塗抹接著劑。接合時請用力擠壓使壓克力與鐵板平整接合。 3溫差氣室膠合 重複第 2 點的動作將第 1 點所完成的物品與第 2 點 完成之物品膠合並用力擠壓壓克力與鐵板使之間的空氣擠出 毛細管與底座請選擇與鐵板密閉度較 高的那面作膠合 使用 AB 膠充分接合 完成圖 黃色為強 力膠區域 完成圖樣 步驟三、轉軸與小活塞組裝 組裝所需材料 : 支架 x 1 軸承 x 1 底座 x 1 曲軸 x 4 鐵棒 x 3 小活塞 x 1 玻璃纖維棒 x 1 玻璃管 x 1 組裝流程 1 小活塞組裝 使用 AB 膠黏合 使用 AB 膠黏合 2.5cm 最短的曲軸 (一個
13、洞) 2 曲軸與鐵桿中軸的組合 各曲軸與鐵桿必須成 90 度角 鐵棒與曲軸接 合處使用 AB 膠 黏合 最長的鐵 棒穿入中 間的洞 請鐵棒穿出曲軸約 1mm 的長度 中短的曲軸 (兩個洞) 此穿入最 上面的孔 鐵棒與曲軸接 合處使用 AB 膠 黏合 兩曲軸間 關係為 90 度 鐵棒與曲軸接 合處使用 AB 膠 黏合 3 支架與底座的黏合 支架與底座必須成 90 度 4 溫差氣室 曲軸 汽缸 的黏合 1.5cm2.5cm 最長的曲軸 (一個洞) 玻璃管的圓心 位置必須與底 座的圓心同一 線上 使 用 強 力 膠 汽缸 步驟 四 整體組裝 將步驟13之半成品組裝並使用AB膠將 玻璃管 鐵板 壓克力
14、 間的接合處密封以防止漏氣 使用 AB 膠黏 使用 AB 膠黏 加上迴紋 針或銅片 幫助轉動 完成圖樣 組裝訣竅 1.氣移膧體 氣移膧體最重要要注意的地方就是琴弦與珍珠板是否有垂直 若沒有垂直 在加熱的過程中氣體膨脹壓縮所作的功就無法 100%透過氣移桐體 傳到轉軸上這樣就會耗損能量 而且它只靠滾水的水蒸氣運作 在能量傳導方面應盡量減少損耗 2.溫差氣室 垂直 若歪斜會造成力有別的方向的分力 絕對密封 在史特靈作工原理中其實很注重到氣密度的問題 因此會在溫差氣室方面出現的 問題就是氣密度 若有漏氣在氣體加熱的時候 就無法達到等溫壓縮等溫膨脹 因 為氣體受熱膨脹而逸出 導致無法將加熱的功完全傳導
15、至轉軸 判斷是否有漏氣 的方法就在於加熱時 溫差氣室內璧是否會凝結水蒸氣 因為有漏氣所以會跟外 界的空氣產生熱對流而導致水蒸氣的產生 3.轉軸 在轉軸部分曲軸與鐵桿中軸的組合 各曲軸與鐵桿必須成 90 度角如此才能完全 的把氣移膧體作功的部分完全帶動轉軸運動 進行固定時需等膠完全凝固才能使軸維持垂直。 4.相位角 此一模型會運轉重點部位就是這個曲軸部分有一個相位角 90 度，在等溫壓縮等 溫膨脹時會造成力量的帶動。 兩曲軸間 關係為 90 度 5.其他 ? 底部鋼板的素材若使用熱傳導較好的素材應該能增加此模型的運轉時間 ? 三點的中心點應該在同一線上這樣 ? 才能確保作功維持 90 度 史特林引擎模型組裝說明以上資料 構件設計周鑑恆博士 東吳大學物理系 說明書成稿羅志誠博士 中興大學機械系 編修葉蓉樺博士 國立自然科學博物館科學教育組 中心點在 同一線上
