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斯特靈發動機

斯特靈發動機（英語：Stirling Engine）[1]又名熱空氣引擎，是一種基於士他令循環（英語：Stirling cycle）的閉循環活塞式熱機。閉循環的意思是膨脹和壓縮介質一直保存在氣缸內；而開循環，如內燃機需要與大氣交換氣體。

長型士他令機剖面圖：
  • 粉紅–高溫汽缸壁
  • 深灰–低溫汽缸壁（透過黃色通道注入和排出冷卻液）
  • 深綠–溫度隔離壁
  • 淺綠–配氣活塞
  • 深藍–活塞
  • 淺藍–曲柄和齒輪
不在圖上的：熱源和冷源。

歷史

倫敦的牧師羅拔·士他令（Robert Stirling）於1816年發明的，所以命名為「斯特靈發動機」（Stirling engine）。

工作原理

斯特靈發動機2種─大學生5分鐘
士他令引擎

士他令引擎透過氣體吸收熱源的內能，熱脹冷縮做功，然後接觸冷源，氣體壓縮，使活塞復位。引擎內的工作氣體處於封閉中，因此可以用惰性氣體來作為介質。以簡單的雙缸士他令為例，士他令引擎的工作過程可以分為如下幾個階段[2]：

  1. 右側氣缸與熱源接觸，缸內氣體受熱膨脹，對右側活塞做功，活塞上升，接近於等溫膨脹過程。
  2. 左側活塞上升，右側活塞下降，工作氣體進入左側氣缸，接近於等容放熱過程。
  3. 左側氣缸與冷源接觸，缸內氣體冷卻收縮，左側活塞下降，接近於等溫壓縮過程。
  4. 左側活塞繼續下降，工作氣體返回右側氣缸，接近於等容吸熱過程，完成一個循環。

理想情況下，等容放熱量與等容吸熱量相同，等溫膨脹吸熱量高於等溫壓縮放熱量，輸出機械能。

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    共用活塞的活塞士他令引擎
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    冷熱雙活塞分離的活塞士他令引擎

配氣活塞式士他令引擎的原理，配氣活塞士他令引擎有配氣活塞和動力活塞兩個活塞。其中配氣活塞並不密封，氣體可以從其和氣缸間的縫隙中自由流動：

  1. 底部氣體受熱，配氣活塞向上運動。
  2. 配氣活塞上部氣體受到壓迫，一部分推動動力活塞運動，一部分從縫隙中進入配氣活塞底部受熱膨脹繼續推動配氣活塞。
  3. 動力活塞轉動，帶動飛輪，飛輪帶動配氣活塞向下運動。
  4. 配氣活塞壓迫氣體進入上方，氣體被冷卻收縮，配氣活塞上升，完成一個循環。

背景

在將熱變成機械功的轉換上，士他令引擎在真實的熱機中可達最高的熱效率，至多80%，僅受工作氣體和引擎材料的不理想性質限制，例如摩擦、熱傳導性、抗張強度、緩慢、熔點等。

只要提供充足熱源，此引擎理論上可用被任何熱源推動，包括太陽能、化學能和核能。

與內燃機相比，士他令引擎往往維修需求較低，更高效、更安靜、而且更可靠。它們傾向被應用於某些特殊用途以發揚其獨特優點。特別是首要目標非減低每單位功率的投資成本（金錢/千瓦），而是減低引擎產生每單位能量的成本（金錢/度）的時候。

在額定功率下，士他令引擎的投資成本目前比內燃機引擎高，而且通常更大更重，因此這引擎科技很少單獨以此作為競爭基準。然而在一些用途上（例如需要靜音的潛艇[3]），適當的本益分析可令士他令引擎優於內燃機引擎。

近年來，鑑於能源成本普遍上漲，能源短缺和全球暖化之類的環境問題，士他令引擎的優點愈來愈顯著。也有人將士他令引擎運用在了實驗車輛上。[4] 對士他令引擎科技提高興趣促進了士他令裝置的研發。其應用涵蓋藉由不相容於內燃機的豐富能源抽水、宇基太空航行、發電，像是太陽能、農業廢料還有家庭垃圾。

另一個士他令引擎的潛力是，若供應機械功，它可以作為一種熱泵。已有實驗利用風能驅動士他令熱泵作為家用冷暖空調。

 
很小的士他令引擎

問題在於（1）散熱器巨大，無法用於移動機器如汽車，（2）材料要求過高，沒有材料可平價用於大功率引擎。

相關條目

資料來源

  1. ^ 邓迪的史特林引擎. hotairengines.org. [2020-06-19]. （原始內容存檔於2020-06-06）. 
  2. ^ 士他令引擎工作原理 互聯網檔案館的存檔，存檔日期2009-07-11.
  3. ^ 零距离细看日本最强AIP潜艇工艺. [2009-05-18]. （原始內容存檔於2010-03-04）. 
  4. ^ 萬能科大光電系周鑑恆教授成功研發出載人的史特林引擎車. [2009-05-19]. （原始內容存檔於2009-07-11）. 

延伸閱讀

外部連結

 
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