手機版
一、環保的工業革命
從(cong)十(shi)八(ba)世(shi)紀(ji)初(chu)葉(ye)開(kai)始(shi)，一(yi)連(lian)串(chuan)對(dui)往(wang)複(fu)式(shi)蒸(zheng)汽(qi)機(ji)的(de)改(gai)良(liang)，確(que)定(ding)了(le)動(dong)力(li)機(ji)械(xie)的(de)實(shi)用(yong)性(xing)，促(cu)成(cheng)能(neng)源(yuan)科(ke)技(ji)的(de)突(tu)飛(fei)猛(meng)進(jin)，人(ren)類(lei)從(cong)此(ci)掙(zheng)脫(tuo)了(le)人(ren)力(li)和(he)獸(shou)力(li)的(de)限(xian)製(zhi)，生(sheng)產(chan)力(li)一(yi)夕(xi)暴(bao)增(zeng)，引(yin)發(fa)了(le)以(yi)碳(tan)能(neng)源(yuan)為(wei)基(ji)礎(chu)的(de)第(di)一(yi)次(ci)工(gong)業(ye)革(ge)命(ming)，深(shen)遠(yuan)改(gai)變(bian)全(quan)體(ti)人(ren)類(lei)的(de)文(wen)明(ming)軌(gui)跡(ji)。
人類於是發展出一種極度依賴能源的生活方式。然而，人們慣用的化石能源（如煤、石油、天然氧等）蘊(yun)藏(zang)量(liang)有(you)限(xian)，不(bu)可(ke)逆(ni)的(de)大(da)量(liang)消(xiao)耗(hao)，原(yuan)本(ben)即(ji)非(fei)長(chang)久(jiu)之(zhi)計(ji)。再(zai)加(jia)上(shang)近(jin)年(nian)來(lai)金(jin)磚(zhuan)四(si)國(guo)經(jing)濟(ji)起(qi)飛(fei)，大(da)量(liang)人(ren)口(kou)也(ye)競(jing)相(xiang)使(shi)用(yong)能(neng)源(yuan)，近(jin)日(ri)油(you)價(jia)於(yu)是(shi)屢(lv)創(chuang)曆(li)史(shi)新(xin)高(gao)，新(xin)一(yi)波(bo)能(neng)源(yuan)危(wei)機(ji)隱(yin)隱(yin)浮(fu)現(xian)。
值得注意的是，70niandaideshiyouweiji，shichanyouguozaiyibachongtuzhongjigaoyoujiabeigeyingmeizhizhongdongzhengce，renweizhizaochulaide，jijingwaijiaozhechong，youjiabunanfuguipingwen。danzuijinyoujiajugaobuxia，zeshishichangshangdequecunzaigongbuyingqiudekeguanyinsusuozaocheng，changyuanlaikan，zheyangdequshizhihuiriyiyanjun，gaoyoujiashidaishiyiwukebimian。
lingyifangmian，youyudaliangxiaohaohuashinengyuan，yeduihuanjingzaochengjidadechongji，eryanghuatandenongduhepaifangliangdouchuangxialeqiansuoweiyoudejilu，yanshengdegezhonghouguobukanshexiang，yushieryoujingdouyidingshudeqianshu，jianshaoyilaihuashinengyuanshizaibixing。
pingchangjiuyisaiqiuduikangpaiqianjingzhengbenxingderenlei，likeluchuzhengquzhenguishiyoudechongdong，guojijiananchaoxiongyong，shenzhibaofazhanzheng。mianduinengyuanweijiheqiliansuosuoyinfadeliangshi、環保、氣候變遷、生態威脅、國際關係等難題，憑借第一次工業革命以降暴增的科技實力，賦予與蒸汽機幾乎同時誕生，卻蟄伏近兩世紀的一種外燃引擎——斯特林引擎——新的生命，展開著眼於永續非碳能源的下一場工業革命，相信必能和平的為當前困局找到兩全其美的解決方案。
二、從熱機談起
除了早期的蒸氣機之外，各種精巧的內燃引擎也陸續問世。這些能將熱能轉換成機械能的機器統稱“熱機(heat engine)”。從物理學的角度來看，盡管各種引擎的構造大異其趣，但所有熱機的主角都是工作流體(working fluid)。熱re能neng進jin入ru工gong作zuo流liu體ti之zhi後hou，透tou過guo工gong作zuo流liu體ti之zhi運yun作zuo，轉zhuan換huan成cheng動dong能neng。打da個ge比bi方fang來lai說shuo，熱re機ji好hao似si公gong司si行xing號hao，工gong作zuo流liu體ti好hao似si員yuan工gong，無wu論lun公gong司si之zhi體ti製zhi，聘pin雇gu方fang式shi如ru何he，也ye無wu論lun員yuan工gong領ling薪xin水shui的de方fang式shi是shi用yong支zhi票piao，還hai是shi給gei現xian金jin，總zong而er言yan之zhi，公gong司si的de營ying運yun方fang式shi都dou是shi員yuan工gong領ling薪xin水shui然ran後hou辦ban理li公gong事shi。
laoshihuochetoushangdewangfushihuosaizhengqiji，xiandaihenengdianchangzhongdewolunzhengqiji，buyonghuoxingsaidechaiyouyinqing，changjiandeqiyouyinqing，zhanjihuokejidazaidepensheyinqing（圖2-1），推動高空偵察機SR-71以三倍音速巡戈的衝壓引擎，不用連杆的轉子引擎，無論這些熱機的構造複雜與否；也不論它們加熱工作流體的方式，是直接在工作流體中燃燒燃料（內燃），還是經由鍋爐或汽缸來加熱工作流體（外燃）；也不論他們的工作流體是氦氣、氫氣、空氣、水蒸氣或其他物質；也不論他們是重複循環使用工作流體，或不斷使用用過即拋的工作流體，他們的工作原理都是一樣的：“工作流體被加熱或高溫狀態時，膨脹作正功，工作流體降溫或較低溫的狀態時，被壓縮作負功。”把工作流體的壓力和體積關係的封閉曲線畫在ＰＶ圖上，無論Rankine循環、Otto循環、Diesel循環，或者圖2-1所示的Brayton循環，工作流體狀態之變化都必須隨著相似的順時鍾方向。
圖2-1 噴射引擎之工作流體，由外界吸入，PV狀態經0－23（壓縮）－34（燃燒升溫）－45（膨脹對渦輪(turbine)作工）－58（回到外界降溫），順時針變化其狀態，完成熱機循環
（數據源：www.grc.nasa.gov；WWW/K-12/airplane/brayton.html；encyclozine.com/Science/Physics/Thermodynamics/）
|
圖2-2 二行程汽油引擎示意圖
熱(re)力(li)學(xue)第(di)二(er)定(ding)律(lv)則(ze)指(zhi)出(chu)，工(gong)作(zuo)流(liu)體(ti)被(bei)加(jia)熱(re)之(zhi)後(hou)，又(you)必(bi)然(ran)恢(hui)複(fu)到(dao)原(yuan)來(lai)狀(zhuang)態(tai)時(shi)，被(bei)加(jia)熱(re)時(shi)獲(huo)得(de)的(de)熱(re)能(neng)，因(yin)為(wei)機(ji)率(lv)的(de)原(yuan)故(gu)，不(bu)可(ke)能(neng)完(wan)全(quan)經(jing)做(zuo)功(gong)轉(zhuan)換(huan)成(cheng)機(ji)械(xie)能(neng)，所(suo)以(yi)沒(mei)有(you)完(wan)美(mei)的(de)熱(re)機(ji)。
就以大家最熟悉的汽油引擎為例，圖2-2是理想化的二行程汽油引擎，汽油引擎的主角當然也是工作流體，也就是進出引擎的空氣。
過程1：混合著少量汽油的空氣（此時溫度較低）被壓縮後，點火爆燃油氣，使空氣溫度升高。
過程2：加熱後的高溫空氣膨脹作正功，推動活塞，經連杆驅動飛輪轉動。
過程3：飛輪繼續轉動則將推動活塞壓縮工作流體，所以在此先吸入混著汽油的低溫空氣，並把高溫的空氣（廢氣）排出。排出廢氣，吸入新鮮空氣的過程，其主要效果是冷卻工作流體。
過程4：較冷的工作流體於是再被活塞壓縮，作負功，並繼續過程１。
如(ru)此(ci)周(zhou)而(er)複(fu)始(shi)，此(ci)二(er)行(xing)程(cheng)汽(qi)油(you)引(yin)擎(qing)即(ji)不(bu)停(ting)運(yun)轉(zhuan)。四(si)行(xing)程(cheng)汽(qi)油(you)引(yin)擎(qing)隻(zhi)不(bu)過(guo)是(shi)經(jing)由(you)較(jiao)徹(che)底(di)的(de)先(xian)排(pai)氣(qi)，再(zai)吸(xi)氣(qi)，完(wan)成(cheng)降(jiang)溫(wen)過(guo)程(cheng)而(er)已(yi)，工(gong)作(zuo)原(yuan)理(li)與(yu)二(er)行(xing)程(cheng)的(de)汽(qi)油(you)引(yin)擎(qing)完(wan)全(quan)一(yi)樣(yang)。
|
三、斯特林引擎的工作原理
1816年nian蘇su格ge蘭lan牧mu師shi羅luo伯bo特te斯si特te林lin，申shen請qing了le現xian今jin稱cheng為wei斯si特te林lin引yin擎qing的de一yi種zhong外wai燃ran機ji專zhuan利li。有you別bie於yu以yi水shui蒸zheng汽qi作zuo為wei工gong作zuo流liu體ti的de蒸zheng汽qi機ji，當dang時shi的de斯si特te林lin引yin擎qing１以空氣作為工作流體，所以也稱為熱空氣引擎(hot air engine)。
圖3-1顯示一種很容易理解其原理的斯特林引擎，右方容器稱之為溫差氣室。溫差氣室的下方為熱區，溫度較高；上方冷區的溫度較低；兩側斜線部分代表熱再生器(regenerator)。引擎運轉時，要持續維持熱區和冷區的溫差。溫差氣室中的移氣胴體(displacer)可ke上shang下xia移yi動dong。移yi動dong時shi顯xian然ran不bu會hui改gai變bian引yin擎qing中zhong工gong作zuo流liu體ti的de體ti積ji，但dan移yi氣qi胴dong體ti在zai上shang方fang時shi，工gong作zuo流liu體ti被bei移yi往wang熱re區qu，移yi氣qi胴dong體ti在zai下xia方fang時shi，工gong作zuo流liu體ti被bei移yi往wang冷leng區qu。熱re再zai生sheng器qi的de功gong能neng是shi，當dang工gong作zuo流liu體ti從cong熱re區qu移yi到dao冷leng區qu時shi預yu先xian冷leng卻que工gong作zuo流liu體ti，並bing暫zan時shi儲chu存cun工gong作zuo流liu體ti釋shi出chu的de熱re能neng，當dang工gong作zuo流liu體ti從cong冷leng區qu移yi到dao熱re區qu時shi，利li用yong儲chu存cun的de熱re能neng預yu先xian加jia熱re工gong作zuo流liu體ti。工gong作zuo流liu體ti預yu冷leng後hou停ting留liu在zai冷leng區qu繼ji續xu冷leng卻que，預yu熱re後hou停ting留liu在zai熱re區qu繼ji續xu加jia熱re。
活塞的往複運動則會改變工作流體的體積，工作流體膨脹時對活塞作正功，工作流體被壓縮時作負功。 圖3-1 斯特林引擎示意圖，右方溫差氣室兩側斜線部分代表“熱再生器(regenerator)”
這型斯特林引擎的運轉過程，與後來才出現的汽油內燃機模擬，非常容易加以解釋。（比較圖3-1和圖2-2）
過程1：在此過程中，工作流體已被壓縮，必須先獲得熱能，再膨脹作正功。汽油引擎利用燃燒少量的汽油，加熱汽缸中的工作流體（空氣）；斯特林引擎中的工作流體，則是被移氣胴體驅趕，經熱再生器移到下方熱區加熱。
過程2：高溫的工作流體壓力增加，膨脹對活塞作較大的正功。
過程3：工gong作zuo流liu體ti將jiang被bei壓ya縮suo，先xian被bei移yi氣qi胴dong體ti驅qu趕gan，經jing熱re再zai生sheng器qi移yi到dao上shang方fang冷leng區qu冷leng卻que。汽qi油you引yin擎qing則ze在zai此ci過guo程cheng中zhong，排pai掉diao高gao溫wen廢fei氣qi，並bing吸xi入ru混hun有you燃ran料liao的de低di溫wen空kong氣qi，以yi進jin行xing降jiang溫wen。
過程4：低溫的工作流體於是被活塞壓縮作負功。 圖3-2 理想化的斯特林引擎工作流體PV圖
對照的汽油引擎和這型斯特林引擎，兩者不同之處在於：汽油引擎以混合燃料燃燒的方式直接加熱工作流體，以排氣吸氣的方式冷卻工作流體；斯特林引擎則是利用工作流體接觸不同溫度的區域，來升降其溫度。
(3.1)
(3.2)
＜ 0 (3.3)
(3.4)
(3.5)
(3.6)
移氣胴體和活塞如何在時序上恰好配合，使得工作流體先加熱再膨脹，先冷卻再壓縮呢？最常用的是曲軸和連杆等構成的連動機構(drive mechanism)，但許多巧妙的方法也可達到同樣的效果。
圖3-2 顯示斯特林引擎的工作流體理想化的PV圖。在過程1（圖中1→2狀態），活塞假設不動，被壓縮的工作流體經熱再生器由冷區移到熱區，工作流體被加熱，等體積升溫；過程2（圖中2→3狀態），活塞向外運動，工作流體停留在熱區等溫膨脹；過程3（圖中3→4狀態），活塞假設不動，工作流體經熱再生器，由熱區回到冷區，等體積降溫；過程4（圖中4→1狀態），活塞向內運動，工作流體停留在冷區，作等溫壓縮。
如果熱再生器在工作流體等體積降溫時（3狀態→4狀態），熱能完全儲存在熱再生器中，等體積升溫時（1狀態→2狀態），儲存在熱再生器中的熱能又完全釋入工作流體中，即Q3→4=-Q1→2。在2狀態至3狀態的等溫膨脹（溫度較高，以Th表示），所做的功為：
(3.1)其中n為工作流體莫耳數，R為氣體常數，VL和VS分別是工作流體的膨脹後和壓縮後之體積。
根據熱力學第一定律，等溫膨脹所作的功等於所獲得之熱能
(3.2)同理，低溫（TC不變）被壓縮的過程中，工作流體所作的功和獲得之熱能分別為
＜ 0 (3.3) (3.4)因此，工作流體每循環一次所作的淨功為：
(3.5)等於PV圖中封閉曲線所包圍的麵積。在完美熱再生器的前提之下，斯特林引擎的效率為
(3.6)即等於卡諾循環的效率。
然而，斯特林引擎有許多不同的設計，不同構造的斯特林引擎，其工作流體的PV圖與圖3-2中顯示者多少有些出入。
此(ci)外(wai)，在(zai)真(zhen)實(shi)的(de)斯(si)特(te)林(lin)引(yin)擎(qing)中(zhong)，活(huo)塞(sai)大(da)多(duo)以(yi)近(jin)似(si)時(shi)間(jian)正(zheng)弦(xian)函(han)數(shu)的(de)方(fang)式(shi)運(yun)動(dong)，鮮(xian)少(shao)完(wan)全(quan)靜(jing)止(zhi)，所(suo)以(yi)工(gong)作(zuo)流(liu)體(ti)能(neng)經(jing)曆(li)一(yi)段(duan)等(deng)體(ti)積(ji)過(guo)程(cheng)，實(shi)為(wei)簡(jian)化(hua)的(de)假(jia)設(she)；通常熱再生器的效率亦難達到100%；而(er)在(zai)溫(wen)差(cha)氣(qi)室(shi)冷(leng)區(qu)的(de)工(gong)作(zuo)流(liu)體(ti)也(ye)不(bu)容(rong)易(yi)完(wan)全(quan)移(yi)到(dao)熱(re)區(qu)加(jia)熱(re)，反(fan)之(zhi)亦(yi)然(ran)，在(zai)熱(re)再(zai)生(sheng)器(qi)中(zhong)也(ye)會(hui)滯(zhi)留(liu)一(yi)部(bu)分(fen)工(gong)作(zuo)流(liu)體(ti)，這(zhe)些(xie)沒(mei)有(you)參(can)與(yu)溫(wen)度(du)變(bian)化(hua)的(de)工(gong)作(zuo)流(liu)體(ti)，形(xing)成(cheng)所(suo)謂(wei)滯(zhi)留(liu)體(ti)積(ji)(dead volume)，PV曲線圖實際上會比圖3-2所示的曲線平滑許多。
再加上工作流體在溫差氣室中移動時，各種阻滯力造成動能的損失(flow loss)，以及外燃加熱時，熱傳導過程中的各種損失(heat transfer loss)，而工作流體等溫膨脹或壓縮的等溫假設亦顯有瑕疵，更使得實際斯特林引擎的效率與卡諾循環的效率不完全相等。
四、斯特林引擎的型式
斯特林引擎可以設計成不同的型式，原創性的全新構想和細部改良的專利，至今仍不斷被提出。嚴格而言，凡是利用工作流體在冷、熱區之間移動，遂行壓縮的工作流體經加熱而膨脹作正功，膨脹後先冷卻再壓縮作負功的熱機循環，這樣的機構都稱為斯特林引擎。
常見的斯特林引擎可以分為以下幾種：
（一）
型斯特林引擎（見圖3-1）
型斯特林引擎（見圖3-1）zhexingsitelinyinqingdewenchaqishiheqigangfenkai，liyonglianganhequzhoudengliandongjigou，shiwenchaqishizhongdeyiqidongtiheqigangzhongdehuosai，jinsishijianzhengxianhanshudewangfuyundong，youdayue90°的相位差，以確保熱機循環3。
由you於yu溫wen差cha氣qi室shi的de尺chi寸cun可ke以yi比bi汽qi缸gang的de尺chi寸cun大da很hen多duo，極ji小xiao的de溫wen差cha即ji可ke運yun轉zhuan此ci型xing斯si特te林lin引yin擎qing，常chang用yong來lai製zhi作zuo教jiao學xue用yong的de熱re學xue教jiao具ju，或huo針zhen對dui低di溫wen差cha之zhi熱re源yuan設she計ji所suo需xu的de機ji型xing。圖tu4-1是作者設計的大型型斯特林引擎（高度約60公分），十幾度溫差即可運轉。
型斯特林引擎（高度約60公分），十幾度溫差即可運轉。圖4-1 作者設計的斯特林引擎之一
（數據源：（德盟工作室））
（二）
型斯特林引擎
型斯特林引擎qiganghewenchaqishiheerweiyi，qizhongyiqidongtihehuosaiyundongdexiangweicha，youlianganhequzhoudenggouchengdeliandongjigouwancheng，dankongzhiyiqidongtidelianganxuchuanguohuosai，zhichengjingduyaoqiujiaogao。
著名的連動機構，是1953年梅傑（R. J. Meijer）發明的菱形連動機構（Rhombic Drive Mechanism），這型斯特林引擎的連動機構可以減少活塞所受的應力。（見圖4-2）4。
圖4-2 型斯特林引擎之菱形連動機構（淺藍）、活塞（藍）和移氣胴體（綠）
型斯特林引擎之菱形連動機構（淺藍）、活塞（藍）和移氣胴體（綠）（數據源：www.answers.com/topic/reciprocating-engine）
（4-1）
（4-2）
（4-3）
（4-4）
（4-5）
（4-6）
；
；
；
；
（4-7）
；；
（三）
型斯特林引擎
型斯特林引擎圖4-3為型斯特林引擎之設計之一。相較於型和型(xing)，這(zhe)型(xing)斯(si)特(te)林(lin)引(yin)擎(qing)舍(she)棄(qi)了(le)移(yi)氣(qi)胴(dong)體(ti)。工(gong)作(zuo)流(liu)體(ti)借(jie)著(zhe)兩(liang)個(ge)活(huo)塞(sai)密(mi)封(feng)在(zai)高(gao)溫(wen)和(he)低(di)溫(wen)的(de)兩(liang)個(ge)汽(qi)缸(gang)之(zhi)內(nei)。兩(liang)個(ge)活(huo)塞(sai)利(li)用(yong)適(shi)當(dang)的(de)連(lian)動(dong)機(ji)構(gou)，作(zuo)相(xiang)位(wei)差(cha)90°的(de)時(shi)間(jian)正(zheng)弦(xian)函(han)數(shu)往(wang)複(fu)運(yun)動(dong)。使(shi)工(gong)作(zuo)流(liu)體(ti)在(zai)高(gao)溫(wen)和(he)低(di)溫(wen)汽(qi)缸(gang)中(zhong)移(yi)動(dong)而(er)改(gai)變(bian)溫(wen)度(du)，兩(liang)個(ge)活(huo)塞(sai)又(you)共(gong)同(tong)決(jue)定(ding)工(gong)作(zuo)流(liu)體(ti)的(de)體(ti)積(ji)，運(yun)轉(zhuan)時(shi)一(yi)樣(yang)能(neng)達(da)成(cheng)加(jia)熱(re)膨(peng)脹(zhang)，冷(leng)卻(que)壓(ya)縮(suo)的(de)熱(re)機(ji)循(xun)環(huan)。
型斯特林引擎之設計之一。相較於型和型(xing)，這(zhe)型(xing)斯(si)特(te)林(lin)引(yin)擎(qing)舍(she)棄(qi)了(le)移(yi)氣(qi)胴(dong)體(ti)。工(gong)作(zuo)流(liu)體(ti)借(jie)著(zhe)兩(liang)個(ge)活(huo)塞(sai)密(mi)封(feng)在(zai)高(gao)溫(wen)和(he)低(di)溫(wen)的(de)兩(liang)個(ge)汽(qi)缸(gang)之(zhi)內(nei)。兩(liang)個(ge)活(huo)塞(sai)利(li)用(yong)適(shi)當(dang)的(de)連(lian)動(dong)機(ji)構(gou)，作(zuo)相(xiang)位(wei)差(cha)90°的(de)時(shi)間(jian)正(zheng)弦(xian)函(han)數(shu)往(wang)複(fu)運(yun)動(dong)。使(shi)工(gong)作(zuo)流(liu)體(ti)在(zai)高(gao)溫(wen)和(he)低(di)溫(wen)汽(qi)缸(gang)中(zhong)移(yi)動(dong)而(er)改(gai)變(bian)溫(wen)度(du)，兩(liang)個(ge)活(huo)塞(sai)又(you)共(gong)同(tong)決(jue)定(ding)工(gong)作(zuo)流(liu)體(ti)的(de)體(ti)積(ji)，運(yun)轉(zhuan)時(shi)一(yi)樣(yang)能(neng)達(da)成(cheng)加(jia)熱(re)膨(peng)脹(zhang)，冷(leng)卻(que)壓(ya)縮(suo)的(de)熱(re)機(ji)循(xun)環(huan)。 圖4-3 型斯特林引擎，示意圖顯示工作流體借著兩個活塞密封在高溫（左下方火焰處）和低溫的兩個汽缸之內，兩個活塞作相位差90°的往複運動。透視圖顯示實際引擎的造型。
型斯特林引擎，示意圖顯示工作流體借著兩個活塞密封在高溫（左下方火焰處）和低溫的兩個汽缸之內，兩個活塞作相位差90°的往複運動。透視圖顯示實際引擎的造型。（數據源：blogs.ibibo.com/discovermiracle/Two-Cylinder-...）
利用最初級的分析模式5，即所謂的Schmidt mode，假設工作流體在高溫汽缸中即與高溫汽缸等溫，設為Th，在低溫汽缸中即與低溫汽缸等溫，設為Tc，在熱再生器中的工作流體的溫度即與熱再生器的平均溫度相等。
如果熱再生器中容納工作流體的空間體積為VR，活塞在高溫汽缸中掃過（swept）的體積為Vsh，高溫汽缸中的滯留體積為VDh （活塞未掃到的體積）。活塞在低溫汽缸中掃過的體積為Vsc，低溫汽缸的滯留體積為VDC，工作流體在高溫汽缸中的體積為
（4-1）在低溫汽缸中的體積為
（4-2）其中θ為轉動的角度，
為相位差，約90°。
為相位差，約90°。在熱再生器中的體積為VR，則工作流體的總體積為
（4-3）因為密封在引擎中各處的工作流體壓力一致，設為P。根據氣體方程式，工作流體的總莫耳數為
（4-4）為簡化起見，令
，
，，
，， n於是可簡化為
，，，，， n於是可簡化為 （4-5）則
（4-6）其中
；；；；而工作流體的體積可以化簡為
（4-7）其中
；；計算
和
，可見在α型斯特林引擎中的工作流體，大致符合熱機循環，其PV曲線包圍出的一塊麵積代表每次循環（轉動一圈）所作的功，寫成W，則引擎功率P即等於W乘以轉速f，即
和，可見在α型斯特林引擎中的工作流體，大致符合熱機循環，其PV曲線包圍出的一塊麵積代表每次循環（轉動一圈）所作的功，寫成W，則引擎功率P即等於W乘以轉速f，即P=W×f （4-8）
除了用一般的曲軸及連杆構成的連動機構，維持兩活塞往複運動時的相位差（
）之外，羅斯（Ross）等人還發明兩種連動機構（Ross-Yoke drive mechanism）和Rocker-V mechanism），可以發揮同樣的效果6。
）之外，羅斯（Ross）等人還發明兩種連動機構（Ross-Yoke drive mechanism）和Rocker-V mechanism），可以發揮同樣的效果6。α型斯特林引擎另外有個更實用的變型，稱為瑞尼那組合（Rinia arrangement）（圖4-4），將四個汽缸和活塞組合起來7，利用“斜盤”（swash plate）或齒輪裝置維持相鄰活塞往複運動時的相位差（）
）
圖4-4 瑞尼那組合（示意圖）；實際運用時將四個汽缸和活塞組合成環形，利用斜盤（透視圖的左方）維持相鄰活塞運動的相位差
（數據源：www.sesusa.org/DrIz/engines/engines.html；pepei.pennnet.com/articles/article_display.cf...）
四）自由活塞型（free-piston）斯特林引擎８
其實活塞和移氣胴體之間，未必要用機械式的連動機構來保持運動時適當的相位差，公元1974年貝爾（W.Beale）利用共振現象（resonance）以yi及ji巧qiao妙miao的de氣qi壓ya差cha和he機ji械xie彈dan簧huang，使shi得de活huo塞sai和he移yi氣qi胴dong體ti往wang複fu運yun動dong時shi具ju有you必bi要yao的de相xiang位wei差cha。自zi由you活huo塞sai型xing的de斯si特te林lin引yin擎qing也ye有you許xu多duo不bu同tong的de設she計ji，其qi中zhong美mei國guo太tai空kong總zong署shu葛ge林lin實shi驗yan室shi研yan發fa的de自zi由you活huo塞sai型xing斯si特te林lin引yin擎qing，在zai極ji有you限xian之zhi尺chi寸cun之zhi內nei，簡jian潔jie處chu裏li這zhe型xing引yin擎qing的de諸zhu多duo難nan點dian，堪kan稱cheng傑jie作zuo（圖4-5）。
圖4-5 美國太空總署研發的自由活塞型斯特林引擎，無機械式的連動機構，活塞（紅色）和移氣胴體（右方淡藍色）之運動仍具有必要的相位差
（數據源：www.grc.nasa.gov/WWW/tmsb/stirling.html）
（五）熱聲效應（thermo acoustic）斯特林引擎9
shijiushijidechuiboligongren，ouerhuitingdaobeijiaredeboliguanziranfachushenmidedanyin，zheshengyinqishishirejidelingyizongshuchuxingshi。kongqizhendongxingchengshengyin，shengyinfashengshi，ge“局部空氣”（parcel）會發生膨脹和位移。如果“局部空氣”被壓縮後，被加熱，再膨脹，對周圍空氣作較大的正功；這“局部空氣”又先被冷卻，再被壓縮，作較小的負功（周圍空氣對其作較小的功）。雖然這“局部空氣”並(bing)非(fei)對(dui)活(huo)塞(sai)或(huo)渦(wo)輪(lun)作(zuo)功(gong)，而(er)是(shi)對(dui)周(zhou)圍(wei)空(kong)氣(qi)作(zuo)功(gong)，事(shi)實(shi)上(shang)也(ye)完(wan)成(cheng)了(le)工(gong)作(zuo)流(liu)體(ti)加(jia)熱(re)後(hou)膨(peng)脹(zhang)，冷(leng)卻(que)後(hou)被(bei)壓(ya)縮(suo)的(de)熱(re)機(ji)循(xun)環(huan)，而(er)把(ba)熱(re)能(neng)轉(zhuan)換(huan)成(cheng)聲(sheng)音(yin)振(zhen)動(dong)的(de)能(neng)量(liang)，增(zeng)加(jia)聲(sheng)音(yin)的(de)強(qiang)度(du)。此(ci)即(ji)所(suo)謂(wei)的(de)熱(re)聲(sheng)效(xiao)應(ying)。
熱聲效應斯特林引擎大致可分為駐波（standing wave）和行波（traveling wave）兩種。
圖4-6所示為駐波型斯特林引擎，基本上是一端閉口，一端開口的管狀共振腔，在共振腔內近閉口端裝有熱片堆（stack），熱片堆中有許多平行共振腔軸向的密集穿孔。熱片堆近共振腔閉口端溫度較高，另一端溫度較低，於是延軸向的溫度梯度（temperature gradient）相當大。當駐波發生時，熱堆片中的“局部空氣”（工作流體）向閉口端位移，而被壓縮，同時移向熱片堆高溫處，該局部空氣在熱穿透深度（thermal penetration depth）以內的部分會被熱片堆加熱，使溫度升高，隨即膨脹對周圍空氣做較大的正功，駐波之能量加大，“局部空氣”隨即膨脹，同時移至熱片堆之冷端，當能量增加的駐波再度壓縮這“局部空氣”時，此“局部空氣”yixianbeijiaodiwenderepianduilengque，zhixiaohaojiaoshaodeshengbonengliangjikebeiyasuo。renengyushibuduanbianchengzhubodenengliang。zheshengbodejixienengkeyonglaituidongreshengzhilengji（見圖4-6）或用來發電。
圖4-6 駐波型熱聲斯特林引擎之熱片堆（stack）。實物照片的左方為駐波型熱聲斯特林引擎；右方為熱聲斯特林致冷機。駐波型熱聲斯特林引擎產生的駐波可用來推動熱聲斯特林致冷機，液化氣體
（數據源：New varieties of thermo-acoustic engines）
駐波型熱聲斯特林引擎的工作流體，並未完全符合熱機循環的過程，所以效率較低。約1998年開始Ceperley、日本Yazaki、大陸羅二倉、邱利民等人發明、改良了行波型熱聲斯特林引擎10（圖4-7），使其工作流體以近似完美α型斯特林引擎的方式，將熱能轉換成聲音的能量，有效提高了熱聲斯特林引擎之效率。
圖4-7 行波型熱聲斯特林引擎及內部構造示意圖
（數據源：New varieties of thermo-acoustic engines；www.nature.com/.../fig_tab/399303a0_F1.html；www.lanl.gov/thermoacoustics/TASHE.html）
（六）旋轉型（rotary）的斯特林引擎
雖sui然ran此ci型xing斯si特te林lin引yin擎qing尚shang未wei臻zhen實shi用yong，但dan其qi設she計ji構gou想xiang也ye是shi頗po具ju價jia值zhi的de研yan發fa方fang向xiang。其qi中zhong一yi種zhong設she計ji，利li用yong旋xuan轉zhuan的de移yi氣qi胴dong體ti，將jiang工gong作zuo流liu體ti以yi連lian續xu轉zhuan動dong的de方fang式shi11，交替移到溫差氣室的熱區和冷區。（圖4-8）
圖4-8 旋轉型斯特林引擎之構造，其移氣胴體之橫截麵如右方插圖
（數據源：www.bekkoame.ne.jp/~khirata/english/rotarye.htm）
（七）斯特林引擎的優點和缺點
具有以下優點的斯特林引擎，有助於開發新的、多元的初級能源，因此受到科學家和先進國家的政府的重視：
因為斯特林引擎是外燃機，可以使用任何足以維持必要溫差的燃料：包括傳統的各種燃料、太陽能、地熱、核能、甲烷冰、生質燃料、農業廢棄物、垃圾衍生燃料、工廠廢熱等。
如果使用潔淨能源，斯特林引擎根本沒有汙染；如果燃燒燃料，由於可以連續燃燒，相對容易降低廢氣之汙染，燃料的製備成本也相對較低。
斯特林引擎理論上有很高的效率，隨著研究成果的進步和實際應用的經驗累積，斯特林引擎的實際效率也會逐漸逼近理論值。
斯特林引擎的結構相對簡單，沒有氣閥、正(zheng)時(shi)點(dian)火(huo)和(he)相(xiang)關(guan)的(de)零(ling)組(zu)件(jian)，潤(run)滑(hua)和(he)軸(zhou)承(cheng)的(de)部(bu)份(fen)均(jun)可(ke)避(bi)免(mian)設(she)計(ji)在(zai)引(yin)擎(qing)高(gao)溫(wen)的(de)部(bu)份(fen)，因(yin)此(ci)性(xing)能(neng)可(ke)靠(kao)，適(shi)於(yu)長(chang)時(shi)間(jian)運(yun)轉(zhuan)，堅(jian)固(gu)耐(nai)用(yong)，維(wei)修(xiu)成(cheng)本(ben)低(di)。
因為不用爆燃和高速噴流，斯特林運轉時，噪音低、安全性高。
然而斯特林引擎進一步實用化，若幹設計上的難點亦有改良的空間。例如：
為(wei)了(le)增(zeng)加(jia)熱(re)機(ji)的(de)效(xiao)率(lv)或(huo)功(gong)率(lv)，都(dou)須(xu)要(yao)提(ti)高(gao)工(gong)作(zuo)流(liu)體(ti)的(de)溫(wen)度(du)，內(nei)燃(ran)機(ji)讓(rang)燃(ran)料(liao)在(zai)工(gong)作(zuo)流(liu)體(ti)中(zhong)燃(ran)燒(shao)，直(zhi)接(jie)加(jia)熱(re)工(gong)作(zuo)流(liu)體(ti)到(dao)相(xiang)當(dang)的(de)高(gao)溫(wen)，而(er)引(yin)擎(qing)本(ben)身(shen)仍(reng)能(neng)維(wei)持(chi)低(di)溫(wen)。但(dan)斯(si)特(te)林(lin)引(yin)擎(qing)必(bi)須(xu)透(tou)過(guo)引(yin)擎(qing)本(ben)身(shen)的(de)高(gao)溫(wen)來(lai)加(jia)熱(re)工(gong)作(zuo)流(liu)體(ti)。耐(nai)高(gao)溫(wen)、剛性大、抗氧化腐蝕，導熱性高，不易老化，又廉價且易加工的材料，目前尚難盡如人意。
為提高引擎的功率，常需用到非常高壓的工作流體，有些機型的斯特林引擎不容易長時間密封高壓的工作流體。
五、已有實際應用
除了在能源方麵的應用之外，斯特林引擎在若幹特殊領域，例如：國防、低溫致冷等，也扮演著不可取代的角色。
用外力倒轉斯特林引擎，斯特林引擎就變成致冷機(Stirling Cryocooler)。熱聲斯特林致冷機可以用來液化氮氣、氧氣等，特殊設計的斯特林致冷機具有10K的冷卻效果，微型斯特林致冷機12已被廣泛用於冷卻夜視係統的紅外線感測芯片。
現役的瑞典海軍哥德級(Gotland Class)潛艇（圖6-1），其絕氣推進係統(Air Independent Propulsion)，以燃燒液態氧和柴油的斯特林引擎提供輔助動力，可將下潛時間延長至數周之久，具有極佳的靜音匿蹤性能。
圖6-1 瑞典海軍哥德級(Gotland Class)潛艇
（數據源：www.silent.se/labels.php）
至於斯特林引擎在能源方麵的應用，現階段隻是剛剛起步，方興未艾，但初期的成果已經十分亮眼。
nuanqijishihandaidiqubiyaodeshebei，jiezhesitelinyinqinglengqusanfachulaidereneng，jiarereshuihuogongyingnuanqi，ersitelinyinqingbenshendedonglijiuyonglaifadian，zuhechengtongshitigongdianlihereyuandedianregongshengxitong(Combined heat and power system)13（圖6-2）。Whisper Gen公司在2004年曾生產80,000具住家用微型電熱共生的商業產品。
圖6-2 微型斯特林引擎電熱共生(CHP)的商業產品
（數據源：www.micropower.co.uk/about/mchp.html）
圖6-3 總統布什視察斯特林能源係統公司的陽光聚焦碟-斯特林引擎發電裝置
（數據源：www.pureenergysystems.com/news/20...）
2005年8月8日，美國總統布什視察斯特林能源係統(Stirling Energy Stytem)公司在聖地亞國家實驗室的陽光聚焦碟-斯特林引擎發電原型裝置（圖6-3），並於當地簽署能源法案。翌日南加州愛迪生(Southern California Edison)與斯特林能源係統公司簽約，預定在洛杉磯北方建造一座占地45,00英畝(1.9 km2)的巨型太陽能發電廠，采用陽光聚焦碟-斯特林引擎發電技術，藉總和直徑約39英尺(11m)的82片組合反射鏡聚焦，加熱位於焦點的4氣缸α型斯特林引擎(4-95 Mark Ⅱ )（圖6-4），以72支鎳基超合金(Inconel)細管製成的熱區(receiver)，運轉時溫度高達700゜C以上，高壓氫氣最高壓可達200倍大氣壓，轉速約1800rpm，在每平方公尺1,000W的陽光下，能產生25KW的電力。從2007年底開始為期4年，將裝設20,000具，總發電量達500MW，超過全美所有太陽能發電裝置的總和，足可滿足一個小鎮的電力需求。若雙方同意，還再多花兩年，增加陽光聚焦碟-斯特林引擎發電機組至34,000具，發電量增至850MW14。
圖6-4 4氣缸α型斯特林引擎(4-95 Mark Ⅱ)之示意圖，以及實物攝影（鎳基超合金細管製成的熱區(receiver)清晰可見）
（數據源：www.pureenergysystems.com/news/20...）
這zhe座zuo全quan球qiu最zui大da的de太tai陽yang能neng發fa電dian廠chang，發fa電dian效xiao率lv是shi一yi般ban太tai陽yang能neng光guang電dian池chi的de兩liang倍bei，電dian價jia也ye比bi其qi他ta太tai陽yang能neng發fa電dian技ji術shu便bian宜yi許xu多duo，不bu需xu加jia州zhou政zheng府fu補bu貼tie即ji可ke商shang業ye運yun轉zhuan，為wei人ren類lei大da規gui模mo利li用yong太tai陽yang能neng立li下xia劃hua時shi代dai的de裏li程cheng碑bei，也ye揭jie開kai斯si特te林lin引yin擎qing商shang業ye化hua的de序xu幕mu。
六、璀璨的未來
幾乎沒有其他的引擎，像斯特林引擎這樣，在這麼廣的領域中均具有實際應用的可行性，而又可針對工作條件，在尺寸、構造、性能等方麵有如此大的設計彈性。
隨著材料科學和加工工藝日新月異，石油價格節節攀高，減碳環保逐漸形成國際社會的共識；zaijiashangdaguimoliangchansitelinyinqingyijingkaishi，shejingtiaojiangengzhenchengshu，chuletaiyangnengfadiandeqianjingkeqizhiwai，sitelinyinqingzaiqitanengyuanlingyuyeshenjuqianli，zaixindenengyuanshidai，shibibanyangengquanmiandejiaose。
（一）核能
探測離太陽1.5天文單位（大約火星軌道）之(zhi)外(wai)的(de)太(tai)空(kong)，因(yin)陽(yang)光(guang)強(qiang)度(du)減(jian)弱(ruo)，一(yi)般(ban)太(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)池(chi)的(de)發(fa)電(dian)量(liang)就(jiu)不(bu)敷(fu)使(shi)用(yong)。美(mei)國(guo)太(tai)空(kong)總(zong)署(shu)於(yu)是(shi)成(cheng)功(gong)研(yan)發(fa)了(le)一(yi)係(xi)列(lie)使(shi)用(yong)核(he)燃(ran)料(liao)的(de)自(zi)由(you)活(huo)塞(sai)斯(si)特(te)林(lin)引(yin)擎(qing)15，並驅動線性交流發電機(linear alternator)發電（見圖4-5），以提供深太空探測任務所需的電力。2004年美國布什總統宣布2018年重登月球的計劃，月球表麵甚至火星表麵的核能斯特林引擎發電站又受到矚目16。事shi實shi上shang，地di麵mian的de核he能neng電dian廠chang，若ruo以yi斯si特te林lin引yin擎qing取qu代dai蒸zheng汽qi渦wo輪lun機ji，可ke簡jian化hua電dian廠chang之zhi設she備bei，提ti高gao安an全quan性xing和he降jiang低di維wei修xiu成cheng本ben，並bing充chong分fen發fa揮hui核he能neng技ji術shu進jin步bu的de成cheng果guo。
（二）地熱
根據統計，地熱能源的蘊藏量，約為煤能源總量的1.7億倍，地熱發電具有潔淨、占地麵積有限、不受天候及天災影響，24小時全年無休穩定供電等優點。
斯特林引擎設計的彈性很大，在不同溫差之下均能運轉，恰能配合壓力、溫度個別差異很大的地熱。一般地熱僅100~200゜C，已可直接用來推動斯特林引擎（如果采用汽渦輪機，則須采用閃蒸法這類技術和設備）。1970年代Los Alamos Labs提出幹熾熱岩(Hot Dry Rock)地熱發電，使地熱發電更不受地點之限製；未來如果大深度鑽井和熔岩(Molten Rock)地熱的開采技術有所突破，斯特林引擎地熱發電將為人類提供長期的潔淨能源17。
（三）分散型獨立電力係統18
weilairenleishiyongnengyuandefangshihuigengweijingzhi，xianzaiyidaxingjizhongxingdianchangweizhudedianlixitongshibiyousuotiaozheng，gengweihelidefensanxingxiaoqudianchangjiangchengweizhuliu，feiwuliyonghuojiudiqucaifujindeduoyuannengyuan，yijiejingnengyuanjichuantongranliaodapeijiujinshidangchulidelajihuonongyefeiqiwu，zuoweiranliao，jiujintigongfujinyonghudianli，shengquchangtuyunshudaliangranliaohedaguimopeidiandechengben，bimiandaxingdianchangguzhangdefengxian，sitelinyinqingqiahaokeyishixianzheyangdezhuanxing。
（四）交通用的斯特林引擎
雖然在某些場合，斯特林引擎有預熱時間長，不易立即停機、迅速變換輸出功率的限製，但斯特林引擎可用爆炸性較低的燃料、汙染少、振動小、噪音低、效率不因爬升高度而變化、安(an)全(quan)可(ke)靠(kao)，正(zheng)符(fu)合(he)航(hang)空(kong)引(yin)擎(qing)的(de)要(yao)求(qiu)，航(hang)空(kong)用(yong)斯(si)特(te)林(lin)引(yin)擎(qing)曾(zeng)也(ye)被(bei)提(ti)出(chu)。此(ci)外(wai)除(chu)了(le)作(zuo)為(wei)軍(jun)事(shi)潛(qian)艇(ting)的(de)推(tui)進(jin)係(xi)統(tong)之(zhi)外(wai)，研(yan)究(jiu)人(ren)員(yuan)也(ye)評(ping)估(gu)過(guo)斯(si)特(te)林(lin)引(yin)擎(qing)作(zuo)為(wei)大(da)型(xing)船(chuan)隻(zhi)動(dong)力(li)的(de)效(xiao)益(yi)19。即便現代人已習慣了大馬力的汽油引擎車，美國能源部(DOE)早期仍提供經費支持相關研究，美國太空總署、福特汽車公司都曾參與，發展出Mod I，Mod II，P-40等車用斯特林引擎20。2007年底，使用固態生質燃料的電力-斯特林引擎混合(hybrid)車（原型）在瑞典推出。雖然整個社經條件的慣性偏好汽油引擎車，但斯特林引擎在時機成熟時應用在交通動力的可行性，無庸置疑。
七、能源政策和能源教育
斯特林引擎作為能源研究的主題，之所以值得投入更多的資源，是因為一方麵它是能源多元化的可行技術21，實用化和商業價值均可預期；另一方麵，即便先進國家已投入龐大的資源全力研發，但仍有極大的原創及改良空間，後起者仍可作出重大成就22。
斯特林引擎作為能源教育的主題，內容可深入淺出、可ke簡jian可ke繁fan，適shi合he各ge級ji學xue校xiao學xue生sheng參can與yu，也ye適shi合he大da眾zhong加jia入ru，參can與yu者zhe置zhi身shen製zhi作zuo小xiao引yin擎qing的de童tong話hua世shi界jie，享xiang受shou驚jing奇qi和he創chuang作zuo樂le趣qu，在zai印yin象xiang深shen刻ke的de寓yu教jiao於yu樂le中zhong，啟qi發fa下xia一yi代dai日ri後hou開kai發fa新xin能neng源yuan的de興xing趣qu與yu眼yan界jie，厚hou植zhi研yan發fa潛qian力li，培pei養yang民min眾zhong以yi科ke學xue力li量liang解jie決jue能neng源yuan問wen題ti的de態tai度du，進jin而er充chong實shi國guo家jia能neng源yuan政zheng策ce。
今jin日ri世shi界jie的de先xian進jin國guo家jia，多duo是shi工gong業ye革ge命ming起qi步bu較jiao早zao的de國guo家jia，能neng源yuan關guan乎hu整zheng個ge國guo家jia的de盛sheng衰shuai。負fu責ze任ren的de能neng源yuan政zheng策ce，除chu了le要yao有you解jie決jue燃ran眉mei之zhi急ji的de方fang案an之zhi外wai，更geng要yao有you前qian瞻zhan的de縱zong深shen。能neng源yuan科ke技ji的de研yan發fa和he教jiao育yu，都dou應ying該gai是shi能neng源yuan政zheng策ce的de重zhong要yao環huan節jie，開kai發fa潔jie淨jing的de永yong續xu能neng源yuan是shi石shi油you能neng源yuan危wei機ji的de唯wei一yi出chu路lu，國guo際ji社she會hui全quan體ti成cheng員yuan均jun責ze無wu旁pang貸dai，我wo們men更geng應ying迎ying頭tou趕gan上shang。
參考數據：
[1] D. G. Thom bare and S. K. Verma, “Technological development in the Stirling cycle engines”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, Vol. 12 Issue 1, pp1-38, 2008.
[2] 周鑑恆, ”輕鬆學物理的第一本書”，如何出版社，民國 95年。
[3] I. Kolin, “Low temperature difference Stirling engine”, Proc., Intersociety energy conversion engineering conference, Vol/Issue: 3, San Francisco, CA, USA, 19 Aug 1984.
[4] R. J. Meijer, “The Philips Stirling Thermal Engine” Thesis, Technische Hogeschool Delft, November 1960.
[5] Urieli I, “A general purpose program for Stirling engine simulation”, Proc. 15th IECEC, Seattle, Washington, Paper 809336, pp1701-5, 1980.
[6] Ross, Andrew M., “Compact crank drive mechanism with guided pistons”, United States Patent 4738105.
[8] W. Beale, W. Homes, S. Lewis, and E. Cheng, “Free-piston Stirling Engine — A progress Report” SAE, Paper No: 730647, 1973；周鑑恆，”自由活塞型史特林引擎之理論分析和實驗驗證”，萬能學報第三十期，民國九十七年七月。
[9] S. Backhaus, and G. W. Swift, “A thermoacoustic Stirling heat engine”, Nature. Vol. 339, No. 6734, pp 335-338, 1999；S. Bockhans and G. W. Swift, “A thermoacoustic-Stirling heat engine”, J. Acoust. Soc. Am., Vol. 107 No. 6, 2000； 周鑑恆, “熱聲效應史特林引擎動手做”，科學月刊，2008年8月號。
[10] Yazaki T, Iwata A, Maekawa T, et al., “Traveling wave thermo-acoustics engine in a looped tube ”, Physical Review Letters, 1998, 81(15):3128-3131 [DOI].
[16] R. Cataldo, “Surface Nuclear Power Systems for Future NASA Missions” Session 73-88-8 3rd International Energy Conversion Engineering Conference, San Francisco, CA, August, 2005.
[17] 周鑑恆，”史特林引擎與潔淨能源的商業化”，能源報導，民國 95年 9月，24-28頁。
[18] 方明山， “分散型電力發展之內涵與製度課題”，台灣經濟研究月刊，第26卷第7期， 29-38頁，民國 92年7月。
[19] Koichi HIRATA and Masakuni KAWADA, “Discussion of Marine Stirling Energy Systems”, Proc.7th International Symposium on Marine Engineering, Tokyo, 2005.
[20] W. D. Ernst and R. K. Shaltens, “Automotive Stirling Engine Development Project”, DOE/NASA/0032-34, NASA CR-190780 MTI Report 91TR15 (1997).
[21] 周鑑恆，”微型史特林引擎太陽能發電”，論文彙編，244-250頁，第二屆電資科技應用與發展學術研討會(2007年)， 萬能科技大學。
[22] 高晞均，”非華麗一族的微笑理論”，科學月刊，2007年11月號，834-839頁。
