手機(jī)版
一、環(huán)保的工業(yè)革命
從十八世紀(jì)初葉開始，一連串對(duì)往復(fù)式蒸汽機(jī)的改良，確定了動(dòng)力機(jī)械的實(shí)用性，促成能源科技的突飛猛進(jìn)，人類從此掙脫了人力和獸力的限制，生產(chǎn)力一夕暴增，引發(fā)了以碳能源為基礎(chǔ)的第一次工業(yè)革命，深遠(yuǎn)改變?nèi)w人類的文明軌跡。
人類于是發(fā)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(yùn)藏量有限，不可逆的大量消耗，原本即非長(zhǎng)久之計(jì)。再加上近年來金磚四國(guó)經(jīng)濟(jì)起飛，大量人口也競(jìng)相使用能源，近日油價(jià)于是屢創(chuàng)歷史新高，新一波能源危機(jī)隱隱浮現(xiàn)。
值得注意的是，70年代的石油危機(jī)，是產(chǎn)油國(guó)在以巴沖突中藉高油價(jià)杯葛英美之中東政策，人為制造出來的，幾經(jīng)外交折沖，油價(jià)不難復(fù)歸平穩(wěn)。但最近油價(jià)居高不下，則是市場(chǎng)上的確存在供不應(yīng)求的客觀因素所造成，長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，這樣的趨勢(shì)只會(huì)日益嚴(yán)峻，高油價(jià)時(shí)代實(shí)已無可避免。
另一方面，由于大量消耗化石能源，也對(duì)環(huán)境造成極大的沖擊，二氧化碳的濃度和排放量都創(chuàng)下了前所未有的記錄，衍生的各種后果不堪設(shè)想，于是而有京都議定書的簽署，減少依賴化石能源勢(shì)在必行。
平常就以賽球?qū)古抛l競(jìng)爭(zhēng)本性的人類，立刻露出爭(zhēng)取珍貴石油的沖動(dòng)，國(guó)際間暗潮洶涌，甚至爆發(fā)戰(zhàn)爭(zhēng)。面對(duì)能源危機(jī)和其連鎖所引發(fā)的糧食、環(huán)保、氣候變遷、生態(tài)威脅、國(guó)際關(guān)系等難題，憑借第一次工業(yè)革命以降暴增的科技實(shí)力，賦予與蒸汽機(jī)幾乎同時(shí)誕生，卻蟄伏近兩世紀(jì)的一種外燃引擎——斯特林引擎——新的生命，展開著眼于永續(xù)非碳能源的下一場(chǎng)工業(yè)革命，相信必能和平的為當(dāng)前困局找到兩全其美的解決方案。
二、從熱機(jī)談起
除了早期的蒸氣機(jī)之外，各種精巧的內(nèi)燃引擎也陸續(xù)問世。這些能將熱能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的機(jī)器統(tǒng)稱“熱機(jī)(heat engine)”。從物理學(xué)的角度來看，盡管各種引擎的構(gòu)造大異其趣，但所有熱機(jī)的主角都是工作流體(working fluid)。熱能進(jìn)入工作流體之后，透過工作流體之運(yùn)作，轉(zhuǎn)換成動(dòng)能。打個(gè)比方來說，熱機(jī)好似公司行號(hào)，工作流體好似員工，無論公司之體制，聘雇方式如何，也無論員工領(lǐng)薪水的方式是用支票，還是給現(xiàn)金，總而言之，公司的營(yíng)運(yùn)方式都是員工領(lǐng)薪水然后辦理公事。
老式火車頭上的往復(fù)式活塞蒸汽機(jī)，現(xiàn)代核能電廠中的渦輪蒸汽機(jī)，不用火星塞的柴油引擎，常見的汽油引擎，戰(zhàn)機(jī)或客機(jī)搭載的噴射引擎（圖2-1），推動(dòng)高空偵察機(jī)SR-71以三倍音速巡戈的沖壓引擎，不用連桿的轉(zhuǎn)子引擎，無論這些熱機(jī)的構(gòu)造復(fù)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(nèi)燃），還是經(jīng)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(zhì)；也不論他們是重復(fù)循環(huán)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(tài)時(shí)，膨脹作正功，工作流體降溫或較低溫的狀態(tài)時(shí)，被壓縮作負(fù)功。”把工作流體的壓力和體積關(guān)系的封閉曲線畫在ＰＶ圖上，無論Rankine循環(huán)、Otto循環(huán)、Diesel循環(huán)，或者圖2-1所示的Brayton循環(huán)，工作流體狀態(tài)之變化都必須隨著相似的順時(shí)鐘方向。
圖2-1 噴射引擎之工作流體，由外界吸入，PV狀態(tài)經(jīng)0－23（壓縮）－34（燃燒升溫）－45（膨脹對(duì)渦輪(turbine)作工）－58（回到外界降溫），順時(shí)針變化其狀態(tài)，完成熱機(jī)循環(huán)
（數(shù)據(jù)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
熱力學(xué)第二定律則指出，工作流體被加熱之后，又必然恢復(fù)到原來狀態(tài)時(shí)，被加熱時(shí)獲得的熱能，因?yàn)闄C(jī)率的原故，不可能完全經(jīng)做功轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，所以沒有完美的熱機(jī)。
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(dāng)然也是工作流體，也就是進(jìn)出引擎的空氣。
過程1：混合著少量汽油的空氣（此時(shí)溫度較低）被壓縮后，點(diǎn)火爆燃油氣，使空氣溫度升高。
過程2：加熱后的高溫空氣膨脹作正功，推動(dòng)活塞，經(jīng)連桿驅(qū)動(dòng)飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)。
過程3：飛輪繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)則將推動(dòng)活塞壓縮工作流體，所以在此先吸入混著汽油的低溫空氣，并把高溫的空氣（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：較冷的工作流體于是再被活塞壓縮，作負(fù)功，并繼續(xù)過程１。
如此周而復(fù)始，此二行程汽油引擎即不停運(yùn)轉(zhuǎn)。四行程汽油引擎只不過是經(jīng)由較徹底的先排氣，再吸氣，完成降溫過程而已，工作原理與二行程的汽油引擎完全一樣。
|
三、斯特林引擎的工作原理
1816年蘇格蘭牧師羅伯特斯特林，申請(qǐng)了現(xiàn)今稱為斯特林引擎的一種外燃機(jī)專利。有別于以水蒸汽作為工作流體的蒸汽機(jī)，當(dāng)時(shí)的斯特林引擎１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(qū)，溫度較高；上方冷區(qū)的溫度較低；兩側(cè)斜線部分代表熱再生器(regenerator)。引擎運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，要持續(xù)維持熱區(qū)和冷區(qū)的溫差。溫差氣室中的移氣胴體(displacer)可上下移動(dòng)。移動(dòng)時(shí)顯然不會(huì)改變引擎中工作流體的體積，但移氣胴體在上方時(shí)，工作流體被移往熱區(qū)，移氣胴體在下方時(shí)，工作流體被移往冷區(qū)。熱再生器的功能是，當(dāng)工作流體從熱區(qū)移到冷區(qū)時(shí)預(yù)先冷卻工作流體，并暫時(shí)儲(chǔ)存工作流體釋出的熱能，當(dāng)工作流體從冷區(qū)移到熱區(qū)時(shí)，利用儲(chǔ)存的熱能預(yù)先加熱工作流體。工作流體預(yù)冷后停留在冷區(qū)繼續(xù)冷卻，預(yù)熱后停留在熱區(qū)繼續(xù)加熱。
活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)則會(huì)改變工作流體的體積，工作流體膨脹時(shí)對(duì)活塞作正功，工作流體被壓縮時(shí)作負(fù)功。 圖3-1 斯特林引擎示意圖，右方溫差氣室兩側(cè)斜線部分代表“熱再生器(regenerator)”
這型斯特林引擎的運(yùn)轉(zhuǎn)過程，與后來才出現(xiàn)的汽油內(nèi)燃機(jī)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(qū)趕，經(jīng)熱再生器移到下方熱區(qū)加熱。
過程2：高溫的工作流體壓力增加，膨脹對(duì)活塞作較大的正功。
過程3：工作流體將被壓縮，先被移氣胴體驅(qū)趕，經(jīng)熱再生器移到上方冷區(qū)冷卻。汽油引擎則在此過程中，排掉高溫廢氣，并吸入混有燃料的低溫空氣，以進(jìn)行降溫。
過程4：低溫的工作流體于是被活塞壓縮作負(fù)功。 圖3-2 理想化的斯特林引擎工作流體PV圖
對(duì)照的汽油引擎和這型斯特林引擎，兩者不同之處在于：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(qū)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(shí)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桿等構(gòu)成的連動(dòng)機(jī)構(gòu)(drive mechanism)，但許多巧妙的方法也可達(dá)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(tài)），活塞假設(shè)不動(dòng)，被壓縮的工作流體經(jīng)熱再生器由冷區(qū)移到熱區(qū)，工作流體被加熱，等體積升溫；過程2（圖中2→3狀態(tài)），活塞向外運(yùn)動(dòng)，工作流體停留在熱區(qū)等溫膨脹；過程3（圖中3→4狀態(tài)），活塞假設(shè)不動(dòng)，工作流體經(jīng)熱再生器，由熱區(qū)回到冷區(qū)，等體積降溫；過程4（圖中4→1狀態(tài)），活塞向內(nèi)運(yùn)動(dòng)，工作流體停留在冷區(qū)，作等溫壓縮。
如果熱再生器在工作流體等體積降溫時(shí)（3狀態(tài)→4狀態(tài)），熱能完全儲(chǔ)存在熱再生器中，等體積升溫時(shí)（1狀態(tài)→2狀態(tài)），儲(chǔ)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(tài)至3狀態(tài)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(shù)，R為氣體常數(shù)，VL和VS分別是工作流體的膨脹后和壓縮后之體積。
根據(jù)熱力學(xué)第一定律，等溫膨脹所作的功等于所獲得之熱能
(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(huán)一次所作的凈功為：
(3.5)等于PV圖中封閉曲線所包圍的面積。在完美熱再生器的前提之下，斯特林引擎的效率為
(3.6)即等于卡諾循環(huán)的效率。
然而，斯特林引擎有許多不同的設(shè)計(jì)，不同構(gòu)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。
此外，在真實(shí)的斯特林引擎中，活塞大多以近似時(shí)間正弦函數(shù)的方式運(yùn)動(dòng)，鮮少完全靜止，所以工作流體能經(jīng)歷一段等體積過程，實(shí)為簡(jiǎn)化的假設(shè)；通常熱再生器的效率亦難達(dá)到100%；而在溫差氣室冷區(qū)的工作流體也不容易完全移到熱區(qū)加熱，反之亦然，在熱再生器中也會(huì)滯留一部分工作流體，這些沒有參與溫度變化的工作流體，形成所謂滯留體積(dead volume)，PV曲線圖實(shí)際上會(huì)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(dòng)時(shí)，各種阻滯力造成動(dòng)能的損失(flow loss)，以及外燃加熱時(shí)，熱傳導(dǎo)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(shè)亦顯有瑕疵，更使得實(shí)際斯特林引擎的效率與卡諾循環(huán)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(shè)計(jì)成不同的型式，原創(chuàng)性的全新構(gòu)想和細(xì)部改良的專利，至今仍不斷被提出。嚴(yán)格而言，凡是利用工作流體在冷、熱區(qū)之間移動(dòng)，遂行壓縮的工作流體經(jīng)加熱而膨脹作正功，膨脹后先冷卻再壓縮作負(fù)功的熱機(jī)循環(huán)，這樣的機(jī)構(gòu)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）這型斯特林引擎的溫差氣室和汽缸分開，利用連桿和曲軸等連動(dòng)機(jī)構(gòu)，使溫差氣室中的移氣胴體和汽缸中的活塞，近似時(shí)間正弦函數(shù)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，有大約90°的相位差，以確保熱機(jī)循環(huán)3。
由于溫差氣室的尺寸可以比汽缸的尺寸大很多，極小的溫差即可運(yùn)轉(zhuǎn)此型斯特林引擎，常用來制作教學(xué)用的熱學(xué)教具，或針對(duì)低溫差之熱源設(shè)計(jì)所需的機(jī)型。圖4-1是作者設(shè)計(jì)的大型型斯特林引擎（高度約60公分），十幾度溫差即可運(yùn)轉(zhuǎn)。
型斯特林引擎（高度約60公分），十幾度溫差即可運(yùn)轉(zhuǎn)。圖4-1 作者設(shè)計(jì)的斯特林引擎之一
（數(shù)據(jù)源：wmc62490000@yahoo.com.tw（德盟工作室））
（二）
型斯特林引擎
型斯特林引擎汽缸和溫差氣室合二為一，其中移氣胴體和活塞運(yùn)動(dòng)的相位差，由連桿和曲軸等構(gòu)成的連動(dòng)機(jī)構(gòu)完成，但控制移氣胴體的連桿須穿過活塞，制程精度要求較高。
著名的連動(dòng)機(jī)構(gòu)，是1953年梅杰（R. J. Meijer）發(fā)明的菱形連動(dòng)機(jī)構(gòu)（Rhombic Drive Mechanism），這型斯特林引擎的連動(dòng)機(jī)構(gòu)可以減少活塞所受的應(yīng)力。（見圖4-2）4。
圖4-2 型斯特林引擎之菱形連動(dòng)機(jī)構(gòu)（淺藍(lán)）、活塞（藍(lán)）和移氣胴體（綠）
型斯特林引擎之菱形連動(dòng)機(jī)構(gòu)（淺藍(lán)）、活塞（藍(lán)）和移氣胴體（綠）（數(shù)據(jù)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(shè)計(jì)之一。相較于型和型，這型斯特林引擎舍棄了移氣胴體。工作流體借著兩個(gè)活塞密封在高溫和低溫的兩個(gè)汽缸之內(nèi)。兩個(gè)活塞利用適當(dāng)?shù)倪B動(dòng)機(jī)構(gòu)，作相位差90°的時(shí)間正弦函數(shù)往復(fù)運(yùn)動(dòng)。使工作流體在高溫和低溫汽缸中移動(dòng)而改變溫度，兩個(gè)活塞又共同決定工作流體的體積，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)一樣能達(dá)成加熱膨脹，冷卻壓縮的熱機(jī)循環(huán)。
型斯特林引擎之設(shè)計(jì)之一。相較于型和型，這型斯特林引擎舍棄了移氣胴體。工作流體借著兩個(gè)活塞密封在高溫和低溫的兩個(gè)汽缸之內(nèi)。兩個(gè)活塞利用適當(dāng)?shù)倪B動(dòng)機(jī)構(gòu)，作相位差90°的時(shí)間正弦函數(shù)往復(fù)運(yùn)動(dòng)。使工作流體在高溫和低溫汽缸中移動(dòng)而改變溫度，兩個(gè)活塞又共同決定工作流體的體積，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)一樣能達(dá)成加熱膨脹，冷卻壓縮的熱機(jī)循環(huán)。 圖4-3 型斯特林引擎，示意圖顯示工作流體借著兩個(gè)活塞密封在高溫（左下方火焰處）和低溫的兩個(gè)汽缸之內(nèi)，兩個(gè)活塞作相位差90°的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。透視圖顯示實(shí)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(gè)活塞密封在高溫（左下方火焰處）和低溫的兩個(gè)汽缸之內(nèi)，兩個(gè)活塞作相位差90°的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。透視圖顯示實(shí)際引擎的造型。（數(shù)據(jù)源：blogs.ibibo.com/discovermiracle/Two-Cylinder-...）
利用最初級(jí)的分析模式5，即所謂的Schmidt mode，假設(shè)工作流體在高溫汽缸中即與高溫汽缸等溫，設(shè)為Th，在低溫汽缸中即與低溫汽缸等溫，設(shè)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）�；钊诘蜏仄字袙哌^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(zhuǎn)動(dòng)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?yàn)槊芊庠谝嬷懈魈幍墓ぷ髁黧w壓力一致，設(shè)為P。根據(jù)氣體方程式，工作流體的總莫耳數(shù)為
（4-4）為簡(jiǎn)化起見，令，
，
，
，，
n于是可簡(jiǎn)化為
，，，，， n于是可簡(jiǎn)化為 （4-5）則
（4-6）其中
；；；；而工作流體的體積可以化簡(jiǎn)為
（4-7）其中
；；計(jì)算
和
，可見在α型斯特林引擎中的工作流體，大致符合熱機(jī)循環(huán)，其PV曲線包圍出的一塊面積代表每次循環(huán)（轉(zhuǎn)動(dòng)一圈）所作的功，寫成W，則引擎功率P即等于W乘以轉(zhuǎn)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(jī)循環(huán)，其PV曲線包圍出的一塊面積代表每次循環(huán)（轉(zhuǎn)動(dòng)一圈）所作的功，寫成W，則引擎功率P即等于W乘以轉(zhuǎn)速f，即P=W×f （4-8）
除了用一般的曲軸及連桿構(gòu)成的連動(dòng)機(jī)構(gòu)，維持兩活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)的相位差（
）之外，羅斯（Ross）等人還發(fā)明兩種連動(dòng)機(jī)構(gòu)（Ross-Yoke drive mechanism）和Rocker-V mechanism），可以發(fā)揮同樣的效果6。
）之外，羅斯（Ross）等人還發(fā)明兩種連動(dòng)機(jī)構(gòu)（Ross-Yoke drive mechanism）和Rocker-V mechanism），可以發(fā)揮同樣的效果6。α型斯特林引擎另外有個(gè)更實(shí)用的變型，稱為瑞尼那組合（Rinia arrangement）（圖4-4），將四個(gè)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復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)的相位差（）
）
圖4-4 瑞尼那組合（示意圖）；實(shí)際運(yùn)用時(shí)將四個(gè)汽缸和活塞組合成環(huán)形，利用斜盤（透視圖的左方）維持相鄰活塞運(yùn)動(dòng)的相位差
（數(shù)據(jù)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(shí)活塞和移氣胴體之間，未必要用機(jī)械式的連動(dòng)機(jī)構(gòu)來保持運(yùn)動(dòng)時(shí)適當(dāng)?shù)南辔徊�，公�?/span>1974年貝爾（W.Beale）利用共振現(xiàn)象（resonance）以及巧妙的氣壓差和機(jī)械彈簧，使得活塞和移氣胴體往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)具有必要的相位差。自由活塞型的斯特林引擎也有許多不同的設(shè)計(jì)，其中美國(guó)太空總署葛林實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的自由活塞型斯特林引擎，在極有限之尺寸之內(nèi)，簡(jiǎn)潔處里這型引擎的諸多難點(diǎn)，堪稱杰作（圖4-5）。
圖4-5 美國(guó)太空總署研發(fā)的自由活塞型斯特林引擎，無機(jī)械式的連動(dòng)機(jī)構(gòu)，活塞（紅色）和移氣胴體（右方淡藍(lán)色）之運(yùn)動(dòng)仍具有必要的相位差
（數(shù)據(jù)源：www.grc.nasa.gov/WWW/tmsb/stirling.html）
（五）熱聲效應(yīng)（thermo acoustic）斯特林引擎9
十九世紀(jì)的吹玻璃工人，偶爾會(huì)聽到被加熱的玻璃管自然發(fā)出神秘的單音，這聲音其實(shí)是熱機(jī)的另一總輸出形式�？諝庹駝�(dòng)形成聲音，聲音發(fā)生時(shí)，各“局部空氣”（parcel）會(huì)發(fā)生膨脹和位移。如果“局部空氣”被壓縮后，被加熱，再膨脹，對(duì)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(fù)功（周圍空氣對(duì)其作較小的功）。雖然這“局部空氣”并非對(duì)活塞或渦輪作功，而是對(duì)周圍空氣作功，事實(shí)上也完成了工作流體加熱后膨脹，冷卻后被壓縮的熱機(jī)循環(huán)，而把熱能轉(zhuǎn)換成聲音振動(dòng)的能量，增加聲音的強(qiáng)度。此即所謂的熱聲效應(yīng)。
熱聲效應(yīng)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(nèi)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，于是延軸向的溫度梯度（temperature gradient）相當(dāng)大。當(dāng)駐波發(fā)生時(shí)，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(shí)移向熱片堆高溫處，該局部空氣在熱穿透深度（thermal penetration depth）以內(nèi)的部分會(huì)被熱片堆加熱，使溫度升高，隨即膨脹對(duì)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(shí)移至熱片堆之冷端，當(dāng)能量增加的駐波再度壓縮這“局部空氣”時(shí)，此“局部空氣”已先被較低溫的熱片堆冷卻，只消耗較少的聲波能量即可被壓縮。熱能于是不斷變成駐波的能量。這聲波的機(jī)械能可用來推動(dòng)熱聲致冷機(jī)（見圖4-6）或用來發(fā)電。
圖4-6 駐波型熱聲斯特林引擎之熱片堆（stack）。實(shí)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(jī)。駐波型熱聲斯特林引擎產(chǎn)生的駐波可用來推動(dòng)熱聲斯特林致冷機(jī)，液化氣體
（數(shù)據(jù)源：New varieties of thermo-acoustic engines）
駐波型熱聲斯特林引擎的工作流體，并未完全符合熱機(jī)循環(huán)的過程，所以效率較低。約1998年開始Ceperley、日本Yazaki、大陸羅二倉(cāng)、邱利民等人發(fā)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(zhuǎn)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(nèi)部構(gòu)造示意圖
（數(shù)據(jù)源：New varieties of thermo-acoustic engines；www.nature.com/.../fig_tab/399303a0_F1.html；www.lanl.gov/thermoacoustics/TASHE.html）
（六）旋轉(zhuǎn)型（rotary）的斯特林引擎
雖然此型斯特林引擎尚未臻實(shí)用，但其設(shè)計(jì)構(gòu)想也是頗具價(jià)值的研發(fā)方向。其中一種設(shè)計(jì)，利用旋轉(zhuǎn)的移氣胴體，將工作流體以連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的方式11，交替移到溫差氣室的熱區(qū)和冷區(qū)。（圖4-8）
圖4-8 旋轉(zhuǎn)型斯特林引擎之構(gòu)造，其移氣胴體之橫截面如右方插圖
（數(shù)據(jù)源：www.bekkoame.ne.jp/~khirata/english/rotarye.htm）
（七）斯特林引擎的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)
具有以下優(yōu)點(diǎn)的斯特林引擎，有助于開發(fā)新的、多元的初級(jí)能源，因此受到科學(xué)家和先進(jìn)國(guó)家的政府的重視：
因?yàn)樗固亓忠媸峭馊紮C(jī)，可以使用任何足以維持必要溫差的燃料：包括傳統(tǒng)的各種燃料、太陽(yáng)能、地?zé)�、核能、甲烷冰、生質(zhì)燃料、農(nóng)業(yè)廢棄物、垃圾衍生燃料、工廠廢熱等。
如果使用潔凈能源，斯特林引擎根本沒有污染；如果燃燒燃料，由于可以連續(xù)燃燒，相對(duì)容易降低廢氣之污染，燃料的制備成本也相對(duì)較低。
斯特林引擎理論上有很高的效率，隨著研究成果的進(jìn)步和實(shí)際應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)累積，斯特林引擎的實(shí)際效率也會(huì)逐漸逼近理論值。
斯特林引擎的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，沒有氣閥、正時(shí)點(diǎn)火和相關(guān)的零組件，潤(rùn)滑和軸承的部份均可避免設(shè)計(jì)在引擎高溫的部份，因此性能可靠，適于長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)，堅(jiān)固耐用，維修成本低。
因?yàn)椴挥帽己透咚賴娏�，斯特林運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，噪音低、安全性高。
然而斯特林引擎進(jìn)一步實(shí)用化，若干設(shè)計(jì)上的難點(diǎn)亦有改良的空間。例如：
為了增加熱機(jī)的效率或功率，都須要提高工作流體的溫度，內(nèi)燃機(jī)讓燃料在工作流體中燃燒，直接加熱工作流體到相當(dāng)?shù)母邷�，而引擎本身仍能維持低溫。但斯特林引擎必須透過引擎本身的高溫來加熱工作流體。耐高溫、剛性大、抗氧化腐蝕，導(dǎo)熱性高，不易老化，又廉價(jià)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(jī)型的斯特林引擎不容易長(zhǎng)時(shí)間密封高壓的工作流體。
五、已有實(shí)際應(yīng)用
除了在能源方面的應(yīng)用之外，斯特林引擎在若干特殊領(lǐng)域，例如：國(guó)防、低溫致冷等，也扮演著不可取代的角色。
用外力倒轉(zhuǎn)斯特林引擎，斯特林引擎就變成致冷機(jī)(Stirling Cryocooler)。熱聲斯特林致冷機(jī)可以用來液化氮?dú)�、氧氣等，特殊設(shè)計(jì)的斯特林致冷機(jī)具有10K的冷卻效果，微型斯特林致冷機(jī)12已被廣泛用于冷卻夜視系統(tǒng)的紅外線感測(cè)芯片。
現(xiàn)役的瑞典海軍哥德級(jí)(Gotland Class)潛艇（圖6-1），其絕氣推進(jìn)系統(tǒng)(Air Independent Propulsion)，以燃燒液態(tài)氧和柴油的斯特林引擎提供輔助動(dòng)力，可將下潛時(shí)間延長(zhǎng)至數(shù)周之久，具有極佳的靜音匿蹤性能。
圖6-1 瑞典海軍哥德級(jí)(Gotland Class)潛艇
（數(shù)據(jù)源：www.silent.se/labels.php）
至于斯特林引擎在能源方面的應(yīng)用，現(xiàn)階段只是剛剛起步，方興未艾，但初期的成果已經(jīng)十分亮眼。
暖氣機(jī)是寒帶地區(qū)必要的設(shè)備，借著斯特林引擎冷區(qū)散發(fā)出來的熱能，加熱熱水或供應(yīng)暖氣，而斯特林引擎本身的動(dòng)力就用來發(fā)電，組合成同時(shí)提供電力和熱源的電熱共生系統(tǒng)(Combined heat and power system)13（圖6-2）。Whisper Gen公司在2004年曾生產(chǎn)80,000具住家用微型電熱共生的商業(yè)產(chǎn)品。
圖6-2 微型斯特林引擎電熱共生(CHP)的商業(yè)產(chǎn)品
（數(shù)據(jù)源：www.micropower.co.uk/about/mchp.html）
圖6-3 總統(tǒng)布什視察斯特林能源系統(tǒng)公司的陽(yáng)光聚焦碟-斯特林引擎發(fā)電裝置
（數(shù)據(jù)源：www.pureenergysystems.com/news/20...）
2005年8月8日，美國(guó)總統(tǒng)布什視察斯特林能源系統(tǒng)(Stirling Energy Stytem)公司在圣地亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的陽(yáng)光聚焦碟-斯特林引擎發(fā)電原型裝置（圖6-3），并于當(dāng)?shù)睾炇鹉茉捶ò浮Ｒ钊漳霞又輴鄣仙?/span>(Southern California Edison)與斯特林能源系統(tǒng)公司簽約，預(yù)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(yáng)能發(fā)電廠，采用陽(yáng)光聚焦碟-斯特林引擎發(fā)電技術(shù)，藉總和直徑約39英尺(11m)的82片組合反射鏡聚焦，加熱位于焦點(diǎn)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(xì)管制成的熱區(qū)(receiver)，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)溫度高達(dá)700゜C以上，高壓氫氣最高壓可達(dá)200倍大氣壓，轉(zhuǎn)速約1800rpm，在每平方公尺1,000W的陽(yáng)光下，能產(chǎn)生25KW的電力。從2007年底開始為期4年，將裝設(shè)20,000具，總發(fā)電量達(dá)500MW，超過全美所有太陽(yáng)能發(fā)電裝置的總和，足可滿足一個(gè)小鎮(zhèn)的電力需求。若雙方同意，還再多花兩年，增加陽(yáng)光聚焦碟-斯特林引擎發(fā)電機(jī)組至34,000具，發(fā)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(shí)物攝影（鎳基超合金細(xì)管制成的熱區(qū)(receiver)清晰可見）
（數(shù)據(jù)源：www.pureenergysystems.com/news/20...）
這座全球最大的太陽(yáng)能發(fā)電廠，發(fā)電效率是一般太陽(yáng)能光電池的兩倍，電價(jià)也比其他太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)便宜許多，不需加州政府補(bǔ)貼即可商業(yè)運(yùn)轉(zhuǎn)，為人類大規(guī)模利用太陽(yáng)能立下劃時(shí)代的里程碑，也揭開斯特林引擎商業(yè)化的序幕。
六、璀璨的未來
幾乎沒有其他的引擎，像斯特林引擎這樣，在這么廣的領(lǐng)域中均具有實(shí)際應(yīng)用的可行性，而又可針對(duì)工作條件，在尺寸、構(gòu)造、性能等方面有如此大的設(shè)計(jì)彈性。
隨著材料科學(xué)和加工工藝日新月異，石油價(jià)格節(jié)節(jié)攀高，減碳環(huán)保逐漸形成國(guó)際社會(huì)的共識(shí)；再加上大規(guī)模量產(chǎn)斯特林引擎已經(jīng)開始，社經(jīng)條件更臻成熟，除了太陽(yáng)能發(fā)電的前景可期之外，斯特林引擎在其他能源領(lǐng)域也深具潛力，在新的能源時(shí)代，勢(shì)必扮演更全面的角色。
（一）核能
探測(cè)離太陽(yáng)1.5天文單位（大約火星軌道）之外的太空，因陽(yáng)光強(qiáng)度減弱，一般太陽(yáng)能電池的發(fā)電量就不敷使用。美國(guó)太空總署于是成功研發(fā)了一系列使用核燃料的自由活塞斯特林引擎15，并驅(qū)動(dòng)線性交流發(fā)電機(jī)(linear alternator)發(fā)電（見圖4-5），以提供深太空探測(cè)任務(wù)所需的電力。2004年美國(guó)布什總統(tǒng)宣布2018年重登月球的計(jì)劃，月球表面甚至火星表面的核能斯特林引擎發(fā)電站又受到矚目16。事實(shí)上，地面的核能電廠，若以斯特林引擎取代蒸汽渦輪機(jī)，可簡(jiǎn)化電廠之設(shè)備，提高安全性和降低維修成本，并充分發(fā)揮核能技術(shù)進(jìn)步的成果。
（二）地?zé)?/span>
根據(jù)統(tǒng)計(jì)，地?zé)崮茉吹奶N(yùn)藏量，約為煤能源總量的1.7億倍，地?zé)岚l(fā)電具有潔凈、占地面積有限、不受天候及天災(zāi)影響，24小時(shí)全年無休穩(wěn)定供電等優(yōu)點(diǎn)。
斯特林引擎設(shè)計(jì)的彈性很大，在不同溫差之下均能運(yùn)轉(zhuǎn)，恰能配合壓力、溫度個(gè)別差異很大的地?zé)帷Ｒ话愕責(zé)醿H100~200゜C，已可直接用來推動(dòng)斯特林引擎（如果采用汽渦輪機(jī)，則須采用閃蒸法這類技術(shù)和設(shè)備）。1970年代Los Alamos Labs提出干熾熱巖(Hot Dry Rock)地?zé)岚l(fā)電，使地?zé)岚l(fā)電更不受地點(diǎn)之限制；未來如果大深度鉆井和熔巖(Molten Rock)地?zé)岬拈_采技術(shù)有所突破，斯特林引擎地?zé)岚l(fā)電將為人類提供長(zhǎng)期的潔凈能源17。
（三）分散型獨(dú)立電力系統(tǒng)18
未來人類使用能源的方式會(huì)更為精致，現(xiàn)在以大型集中型電廠為主的電力系統(tǒng)勢(shì)必有所調(diào)整，更為合理的分散型小區(qū)電廠將成為主流，廢物利用或就地取材附近的多元能源，以潔凈能源及傳統(tǒng)燃料搭配就近適當(dāng)處理的垃圾或農(nóng)業(yè)廢棄物，作為燃料，就近提供附近用戶電力，省去長(zhǎng)途運(yùn)輸大量燃料和大規(guī)模配電的成本，避免大型電廠故障的風(fēng)險(xiǎn)，斯特林引擎恰好可以實(shí)現(xiàn)這樣的轉(zhuǎn)型。
（四）交通用的斯特林引擎
雖然在某些場(chǎng)合，斯特林引擎有預(yù)熱時(shí)間長(zhǎng)，不易立即停機(jī)、迅速變換輸出功率的限制，但斯特林引擎可用爆炸性較低的燃料、污染少、振動(dòng)小、噪音低、效率不因爬升高度而變化、安全可靠，正符合航空引擎的要求，航空用斯特林引擎曾也被提出。此外除了作為軍事潛艇的推進(jìn)系統(tǒng)之外，研究人員也評(píng)估過斯特林引擎作為大型船只動(dòng)力的效益19。即便現(xiàn)代人已習(xí)慣了大馬力的汽油引擎車，美國(guó)能源部(DOE)早期仍提供經(jīng)費(fèi)支持相關(guān)研究，美國(guó)太空總署、福特汽車公司都曾參與，發(fā)展出Mod I，Mod II，P-40等車用斯特林引擎20。2007年底，使用固態(tài)生質(zhì)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(gè)社經(jīng)條件的慣性偏好汽油引擎車，但斯特林引擎在時(shí)機(jī)成熟時(shí)應(yīng)用在交通動(dòng)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?yàn)橐环矫嫠悄茉炊嘣目尚屑夹g(shù)21，實(shí)用化和商業(yè)價(jià)值均可預(yù)期；另一方面，即便先進(jìn)國(guó)家已投入龐大的資源全力研發(fā)，但仍有極大的原創(chuàng)及改良空間，后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(nèi)容可深入淺出、可簡(jiǎn)可繁，適合各級(jí)學(xué)校學(xué)生參與，也適合大眾加入，參與者置身制作小引擎的童話世界，享受驚奇和創(chuàng)作樂趣，在印象深刻的寓教于樂中，啟發(fā)下一代日后開發(fā)新能源的興趣與眼界，厚植研發(fā)潛力，培養(yǎng)民眾以科學(xué)力量解決能源問題的態(tài)度，進(jìn)而充實(shí)國(guó)家能源政策。
今日世界的先進(jìn)國(guó)家，多是工業(yè)革命起步較早的國(guó)家，能源關(guān)乎整個(gè)國(guó)家的盛衰。負(fù)責(zé)任的能源政策，除了要有解決燃眉之急的方案之外，更要有前瞻的縱深。能源科技的研發(fā)和教育，都應(yīng)該是能源政策的重要環(huán)節(jié)，開發(fā)潔凈的永續(xù)能源是石油能源危機(jī)的唯一出路，國(guó)際社會(huì)全體成員均責(zé)無旁貸，我們更應(yīng)迎頭趕上。
參考數(shù)據(jù)：
[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(xué)物理的第一本書”，如何出版社，民國(guó) 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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證”，萬(wàn)能學(xué)報(bào)第三十期，民國(guó)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(yīng)史特林引擎動(dòng)手做”，科學(xué)月刊，2008年8月號(hào)。
[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(jìng)能源的商業(yè)化”，能源報(bào)導(dǎo)，民國(guó) 95年 9月，24-28頁(yè)。
[18] 方明山， “分散型電力發(fā)展之內(nèi)涵與制度課題”，臺(tái)灣經(jīng)濟(jì)研究月刊，第26卷第7期， 29-38頁(yè)，民國(guó) 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(yáng)能發(fā)電”，論文彙編，244-250頁(yè)，第二屆電資科技應(yīng)用與發(fā)展學(xué)術(shù)研討會(huì)(2007年)， 萬(wàn)能科技大學(xué)。
[22] 高晞均，”非華麗一族的微笑理論”，科學(xué)月刊，2007年11月號(hào)，834-839頁(yè)。
