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Tuesday, April 12, 2005

史特靈引擎

主題:史特靈引擎
張鈞傑

  在第七周(上一周)上課的時候,我們探討了一些現在一般汽車內較常見的幾種動力引擎的形式。而在這一周,我們又繼續討論了另外的幾種引擎。在這諸多種引擎當中,我覺得屬於外燃式的史特靈引擎最是特別。雖然在實際應用上,由於史特靈引擎是靠著溫度差產生壓力的方式來提供動力,在以往會有引擎需要一段時間暖機才能產生動力,以及引擎無法迅速改變其動力的缺點。但在科技日新月異的現在,這種”只要有溫度差”就能產生動力的引擎,似乎又能有更新更奇特的應用方法。以下便來介紹史特靈引擎的分類,以及以後可能能有的有趣應用。

    
     基本史特靈引擎示意圖

  史特靈引擎依本體結構大致可分為三類:Alpha、Beta與Gamma Type。Alpha Type引擎具有兩個分離的活塞汽缸,汽缸與汽缸間以加熱器、再生器、冷卻器所連接。Beta Type引擎與Gamma Type引擎同樣具有位移滑塊(Displacer)與動力活塞結構,差別在於Beta Type引擎的位移滑塊與動力活塞位於同一汽缸,而Gamma Type引擎的位移滑塊與動力活塞位於不同汽缸。

  Alpha Type史特靈引擎主要由汽車相關產業所研發,最具代表的是福特公司與飛利浦公司所合作研發的4-215斜盤板驅動式引擎,與United Stirling Sweden公司所開發的P-40曲柄驅動式引擎。而最早的Alpha Type史特靈引擎則是於十九世紀即問世Ride引擎。Alpha Type引擎構造的主要優點在於簡單的多缸複合結構,可以產生極高的額定功率輸出。

    

  Beta Type引擎是史特靈引擎的典型構造,直到今日還是最常為人所使用的。最早於1816年所提出的史特靈引擎構想即是Beta Type的引擎。Beta Type史特靈引擎常用的機械傳動機構是1970年由飛利浦公司的工程師Meijer所提出的低震動菱形驅動裝置(vibrationless rhombic derive),另一個Beta Type史特靈引擎常用的傳動機構就是由Ohio University的William Beale於1960年代所提出的自由活塞結構。自由活塞結構的特點在於不使用任何傳統的機構連結元件,也因此引擎壽命更加延長。




  Gamma Type史特靈引擎比Alpha Type與Beta Type引擎具有較大的非掃動空間,這會導致其額定功率的降低,因此僅在位移滑塊與動力活塞必須位於不同汽缸時採用。由James and Robert Stirling於1830年提出之構想引擎,與Robinson引擎皆屬這類引擎。

  而在未來史特靈引擎之所以可能有廣泛的應用層面,原因在於它擁有”只要有溫度差,就有可能產生動力”的特性。若將史特靈循環應用在微機電領域的前提下,可能可設計出一個具有冷卻或發電效果的微型史特靈冷卻機/發電機(Micro Stirling Cooler/Generator)。其應用層面的簡介如下圖所示與說明。

1微型史特靈冷卻機  其中綠色方形即為微型史特靈冷卻機,若串接數顆微型史特靈冷卻機,再加上增進熱傳係數的散熱鰭片(heat sink),將此系統裝於一絕熱密閉容器中,即可當成一小冰箱,可設計成用於車上,或以手提方式量產。




2微型史特靈發電機  若可以將微型史特靈引擎做到約為10mm~5mm長,3mm~5mm厚,即可用於手機上,當作一隨時可以對電池充電的微發電機。當中冷端利用高效率的導熱機構(可能也是MEMS技術的產物)置於手機天線上,而引擎熱端則至於手機手持背面,當通話時,由於掌溫與天線的溫差,可以使發電機運轉發電。




  由以上的兩個例子可知,雖然史特靈引擎算是一種已經研發出來很久的技術,但是只要我們能夠有創意,再搭配新興的科技技術,是可以有很多寬廣的發展的。

參考資料: