第一章

序 論

1.1 前言

本研究之史特靈引擎於十八、十九世紀中曾被廣泛的應用，後來

由於內燃式奧圖引擎的發明，熱空氣引擎逐漸減少，近年來，由於中

國、印度等開發中國家石油消耗量增加，石化能源耗盡的危機也漸漸

浮現，也因為內燃機的過於廣泛使用，造成地球環境汙染也越來越嚴

重，尤其2008年後石油價格飆漲，全世界的科學家們再度檢視了各種

環保動力，目前很多學校也逐漸重視能源的課題，而史特林引擎這個

已經被世人遺忘許久的動力機關再度受到了重視。史特靈引擎一般在

學術上又稱為熱空氣引擎，是由英國蘇格蘭羅伯特·史特靈（Robert

Stirling）牧師於1816 年所發明的，熱空氣引擎雖具有熱效率高、

低噪音、低震動、低污染、熱源多樣化等優點，但目前熱空氣引擎比

不上其後所開發的汽油引擎等內燃機體積小、出力大，無法成為一般

常用的實用引擎。但在技術上而言，熱空氣引擎卻優異於內燃機，其

構造簡單且原理易懂，也很適合學術上的運用。

1

1.2 專題目的

關於Stirling引擎從氣缸與活塞就可分為四類（α型、β型、γ

型、自由活塞式），再從動力輸出又可以分為三大類（Crank滑塊－曲

柄機構、Scotch yoke滑塊－滑槽曲柄機構、Ross yoke旋轉加上平移

的運動）。在不同形式動力輸出機構，對引擎輸出性能所產生的影響，

在運用理想氣體方程與熱效率的關系求得壓力變化與體積變化。

而本次的專題報告主要是以Ｓtirling 引擎α型氣缸活塞，而動

力輸出是以Crank為主，但由於其做動條件非常嚴格，稍微的加工誤差

也將影響其做動特性，因此製作者就算根據相同的圖面，其製作結果

的特性也會產生很大的差異，Ｓtirling 引擎的特性非常的纖細，雖

然零件數不多，但一般皆必須在組裝上經過微量的調整，才能順利做

動。

所以本次的Ｓtirling 引擎製作過程非常艱難，也在從中瞭解日

常生活中的電取得是如此方便，但每一度電的產生確是如此的不簡

單；珍惜能源從這次的專題報告上讓我有很深的體悟。

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1.3 製作動機

在二十一世紀初，石油的消耗量大增，石化能源不足的危機逐漸浮

上檯面，成為現今世界即將面對的問題。另外，由於內燃機與石化燃

料的大量使用，也造成嚴重的環境污染，亦是現今人類必須嚴肅面對

的。因此，不同的替代能源技術近年來逐漸受到重視。在各種能源工

程技術中，史特靈引擎重新受到重視，很有可能成為未來能源應用的

選擇。

近年來台灣地區天災不斷，而中央集中式供電系統在線路上一旦出

現局部中斷的狀況，便造成下游用戶的供電中斷。不但造成一般民生

問題，也無法及時供給災區受災戶緊急用電。另一方面由於生活品質

的提升，無論在休閒娛樂、家庭設備、或是個人通訊上用電量的需求

都大幅增加，小型的發電系統的需求亦逐漸成長。現有的小型柴油發

電機存在了噪音、污染及效率的問題，因此追求更安靜、更低污染、

更高效率、以及更便利的發電系統勢在必行。

目前各先進國家有關史特靈引擎的研究十分活躍，無論是在發電工

業、軍事國防、以及航太工業等各方面皆有相當的投入和發展 。

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1.4 Stirling 引擎技術瓶頸

近幾年來，史特靈引擎的研發工作進展快速，惟其相關技術仍存在

有下列幾項瓶頸：

（1）史特靈引擎的加熱元件(包含加熱器、氣缸、再生器等)長期在高

溫的情況下工作，承受極高的熱負荷及機械負荷，必須使用高溫耐

熱的材料製造，所以造價較為昂貴。因此，尋找替代用材料及尋求

適合於大量製造的加工方法是當前存在的瓶頸。

（2）對於密閉式史特靈引擎的工作性能及使用壽命，密封裝置的可靠

性及耐久性影響很大。密閉循環系統中的工作流體壓力越高，對密

封的要求也隨之增高，而增大功率最好的方法即是進一步提高工作

流體的壓力。因此，更進一步的密封技術是當前史特靈引擎存在的

瓶頸。

（3）雖然史特靈引擎在理論上擁有極高的效率，但在實際應用上，各

機件接觸面的摩擦力使實際性能與理論值產生極大的差異。又由於

不同的機構形態產生的摩擦也不盡相同，因此如何降低史特靈引擎

的摩擦力，也是當前的困難之一。

（4）欠缺完整的理論預測模式，因此理論與實測間相互配合仍難達

成。理論模式應用在最佳化方面的研究，目前也因此停滯不前。

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（5）目前既有的史特靈引擎技術民生用小型發電應用的系統技術

相對不足。所謂小型系統係指100W至1KW的規格系統，其主要特徵為無

潤滑、重量輕、體積小，具備可攜帶之優點。以國內的現況而言，僅

有極少數研究人員投入從事相關研究，因此成果分散，欠缺設計技術

整合。

5

第二章

Stirling 引擎概論

2.1 Stirling 引擎的來由

史特靈引擎一般在學術上稱之熱空氣引擎，是一種外燃式的熱循

環引擎。即利用空氣的基本特性「熱脹冷縮」，與蒸汽引擎同樣是外

燃機的熱空氣引擎。但由於這種引擎不需要高壓的蒸氣，故對引擎運

作時的安全性有明顯的改善。因後來內燃式汽油引擎和電動引擎的發

明，熱空氣引擎才逐漸減少。

史特靈引擎發展到 20 世紀，在1937 年荷蘭飛利浦公司將史特

靈引擎應用於多功能的發電機，將其用在電力缺乏地區的電力供應。

不久瑞典的船艦製造公司也將史特靈引擎應用在潛艇上(圖1-1)，利用

鍋爐廢熱使其發電。目前在日本更是政府與民間企業甚至單人或多人

的私設研究所也不斷在試作與研究的重點。

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圖 2-1 將Stirling應用於潛艇上

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2.2 Stirling 熱空氣引擎作動原理

史特靈引擎可用移動氣體的方式來做區分，大致可分為兩種可能的

配置：

(1)第一種配置是由一個移氣器（displacer）和一個動力活塞（piston）

所組成。利用移氣器來驅趕工作流體，使工作流體在冷熱端來回的流

動，再利用動力活塞壓縮和膨脹氣體。

(2)第二種配置則是由兩個相同的動力活塞（piston）所組成，利用兩

個動力活塞來達成達成驅趕工作流體於冷熱端之間與壓縮、膨脹氣體。

當汽缸內部氣體被驅趕至加熱部分而受熱時，即因工作流體受熱

膨脹而推動動力活塞對外作功，即為史特靈引擎（Stirling engine），

可輸出動力；而活塞如用外部動力源（如馬達）來驅動，使氣體產生

壓縮膨脹，因而改變工作流體的溫度時，即為史特靈冷卻器或熱泵。

另外史特靈引擎也可以用汽缸數目和動力活塞及移氣器的組合方

式來區分，如此可以分為下列四種形式：

（1） α型：為雙汽缸型（twin-cylinder Stirling engine），此型

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無移氣器，具有二個動力活塞，分別在二個獨立的氣缸內作動。其

中一個靠近熱源的汽缸稱為膨脹室（expansion space），另一遠離

熱源的汽缸稱為壓縮室（compression space）。因為此型的史特靈

引擎的兩個活塞皆可傳遞動力，所以又稱為雙缸活塞式史特靈引擎。

（2） β型：為同軸式活塞型（coaxial piston-displacer Stirling

engine），具有一動力活塞與一移氣器，二者位於同一氣缸，且沿

相同軸移動。靠近冷卻器的是動力活塞，靠近熱源的為移氣器。移

氣器並不傳遞功率，其作用是使工作流體在冷缸及熱缸間來回流動。

（3） γ型：具有二個獨立氣缸，其中一氣缸內設置動力活塞，另一

氣缸則容置一移氣器。與β型相同的是，靠近冷卻器的為動力活

塞，靠近熱源的為移氣器。

（4） 自由活塞式：自由活塞型史特靈引擎嚴格來說在外型上的配仍

屬於β型，不過利用壓縮氣室及彈簧元件提供能量儲存，而取代了

曲柄、配重塊、及飛輪等結構，因此省去機構的複雜度及摩擦力。

其優點為機構簡單、且能自行啟動。

上述四種型式的史特靈引擎的主要差異在於外型及配置，至於

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其基本原理與作動方式都是相同的。

圖 2-2 史特靈引擎形式

在此以α型為主來講解如下圖所示，此型式包含了兩個動力活塞

在兩個獨立汽缸，並無使用移氣器，而汽缸間是連通的，一缸為加熱

室，另一缸為冷卻室，若冷熱兩端的溫度相差很大，則產生的能量與

效率轉換將相當可觀。

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圖 2-3 α型 熱空氣引擎

和其他熱力機構相比較，熱空氣引擎具有下列的優點特色：

（1） 熱源選擇多變化：

只要是能夠產生熱，都可以使用來作為推動熱空氣引擎的熱源，因

此熱源的燃料與種類不受限制，近來環保意識抬頭，如內燃機使用石

化燃油產生的廢氣，造成許多的環境污染及地球暖化等問題，其次石

化能源蘊藏量有限，預估不久將來便告枯竭，故熱空氣引擎可使用如：

太陽能、地熱、生質能等自然的能量，這方面較具有優勢。 11

（2） 震動、噪音小：因為沒有利用爆炸燃燒的過程，故相較於其他

內燃機而言，運作時產生的噪音就小很多，震動也相對很小。

（3） 構造簡單：相較於其他熱力機構，熱空氣引擎沒有化油器、閥

門等機構，且外部熱源與工作流體是隔離的，所以沒有燃燒所產生的

廢棄物堆積在內部，也沒有燃燒不完全產生的污染物，故使用潤滑油

的週期也較長，不需要經常更換潤滑油。

（4） 熱效率高：卡諾循環是所有熱機期盼達到的最大理論效能，理

想史特靈引擎循環是最接近卡諾循環，是由兩個絕熱過程與兩個等溫

過程所組成，兩者皆屬於可逆熱機，都具有高能量轉換的熱效率。

α型熱空氣引擎其熱效率在理論上與卡諾循環很接近，但實際上的性

能與理論值有很大的差異，製作熱空氣引擎時還有待克服的問題。

待克服的問題：

（1）內部零件長期在高溫環境下工作，使機構在高低溫差

之環境下，影響其壽命。

（2）機械損失降低，熱空氣引擎實際運作時，因摩擦力所造成的

能量損失有一定的影響，進而造成實際上的熱效率與卡諾循環

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的理論值有很大的差異。

（3） 高低溫差的保持是很困難的，如果無法有效控制能源的散失，

其效率提升有一定的瓶頸存在。

（4） 再生熱交換損失，使冷卻再生熱交換的損失不會發生的技術。

（5） 氣體流動損失的影響，流道大小及配置也將影響熱空氣引擎運

作的順暢度，對熱效率也有一定影響。

（6） 流體若產生漏氣，將導致熱空氣引擎效能大幅下降，故引擎整

體是否氣密，影響其效能與運作時間。

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2.3理想史特靈循環

圖 2-4 理想史特靈循環P-V圖

如上圖所示，理想史特靈引擎循環可分成四個過程：

（1）1→2 等溫壓縮排熱過程：假設此過程中溫度沒有變化，工作流

體將熱能 Q12 排放出，體積縮小。

（2）2→3 等容再生吸熱過程：假設過程中容積沒有變化，工作流體

流經再生器並吸收其所儲存的熱能Q23，所以使其溫度上升，壓力也上

升。

（3）3→4 等溫膨脹加熱過程：假設過程中容積沒有變化，工作流體

流經再生器並吸收其所儲存的熱能Q23，所以使其溫度上升，壓力也上

升。若過程中溫度也保持一定，工作流體吸收加熱源所提供的熱量

Q34，使其膨脹並對外作功。

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（4）4→1 等容再生放熱過程：

假設過程中容積也保持一定， 工作流體流經再生器並將熱能 Q41

儲存至其中，所以其溫度下降，壓力也下降。圖 2-4 中，過程（4）

工作流體所儲存於再生器的熱能，以虛線為路徑，於過程（2）由再生

器提供工作流體所吸收。這種過程稱之為再生。使用再生器

（Regenerator）可以提高史特靈引擎的熱效率。

如下圖所示，將熱空氣引擎循環分為四個步驟，藉此與圖2-4之P

－V 圖路徑相互對照：

圖 2-5 熱空氣引擎循環示意圖

（1）加熱：

此過程相對於圖 2-4 中路徑2→3 等容再生吸熱過程。

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（2）膨脹：

此過程相對於圖 2-4 中路徑3→4 等溫膨脹加熱過程。

（3）冷卻：

此過程相對於圖 2-4 中路徑4→1 等容再生放熱過程。

（4）收縮：

此過程相對於圖 2-4 中路徑1→2 等溫壓縮排熱過程。如圖 2-5，

當加熱端移到最高點的位置時，再生器會產生一加熱空間，此時所產

生的壓力與冷卻端移到最高點的位置時所產生的壓力是相同，如把加

熱端的曲柄連接到曲軸水平位置最遠的地方時可產生最大的扭力，此

時可看到連接到冷卻端的曲軸部位與連接到加熱端的曲軸部位呈90°

度的角度差，該角度稱為相位角，曲柄連接到曲軸水平的位置也決定

了引擎旋轉方向。

上述的條件為靜態環境的結果，當隨著引擎的轉速、負載、溫度

及使用氣體的不同則會有不同的最佳相位角，一般以 90°作為通用的

相位角。

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2.4 引擎之製造與測試

(一) 在日本的發展Stirling 引擎被運用在運輸船上，就同於現在的油

電混合車一樣，在航行時開始儲電，靠岸時在回饋供電給船身。

圖 2-6 Stirling 引擎 應用於運輸船

（二）而船本身所實用便是本專題所介紹的α型熱空氣引擎，

它為雙汽缸型（twin-cylinder Stirling engine），此型無移氣器，

具有二個動力活塞，分別在二個獨立的氣缸內作動。其中一個靠近熱

源的汽缸稱為膨脹室（expansion space），另一遠離熱源的汽缸稱為

壓縮室（compression space）。因為此型的史特靈引擎的兩個活塞皆

可傳遞動力，所以又稱為雙缸活塞式史特靈引擎。

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圖 2-7 α型 熱空氣引擎示意圖

（三）面對加熱問題，與密封氣密度問題，在技術上以有很大的突破，

除了增加熱的回收來提高熱效率，更減少碳的排放，但是材料的耗損

也增加了成本上的負擔。

（四）Stirling 排熱效果

圖 2-8 熱功效率圖。

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2.5 Stirling 引擎的理想氣體與α形之計算公式

圖 2-9 α形Stirling 引擎公式比較圖。

１．Stirling 引擎理想氣體:

Stirling引擎的基本性能，可由P-V圖得知。而Stirling 引擎體積V在

形式中它可以比較容易地獲得形狀。此外，理想氣體狀態方程的公式。

PV=mRT__(1) 通過設置的氣體，氣體溫度T和質量m和體積V，還未能確

定的是壓力P。也就是說，它可以通過基於以下假設來計算壓力P。

（1）在熱交換器中的壓力損失（加熱器，再生器，冷卻器）應忽略，

Stirling 引擎內的壓力是均勻的。

（2）壓縮過程,膨脹過程作為等溫變化。

（3）根據理想氣體的狀態，假設工作氣體沒有滲漏到Stirling 引擎

的外部。

（4）完整的再一次熱交換。

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(５)全部的無效空間氣體溫度TR 與膨脹空間氣體溫度TE和壓縮空間

氣體溫度TC的平均溫度保持不變。

２．α形式sterling engine算式:

首先,在α形式sterling engine上尋求各空間的瞬間容積。瞬間容積

以曲柄角θ的函數表示，把膨脹活塞上面死點作為曲柄角則θ=0°的

話，則膨脹活塞的上死點是（活塞的截面積×行程）由下面的公式表示。

___________________________________(2)

同樣地壓縮空間瞬間容量VC、壓縮活塞行程容積VSC,壓縮空間無效容

量VDC，達到採用來自膨脹活塞的活塞相位角α用下面公式表示

____________________________________(3)

因而引擎內瞬時全容量 V

______________________________(4)

在這裡，VDE是膨張空間無效容積，VDC是壓縮空間無效容積，VR是一

個再生器容積。在Stirling 引擎氣體的總質量為m如下：使用的氣體

壓力膨脹空間，空隙空間和壓縮空間，氣體溫度，氣體常數R的體積

（1），（2）和（3）假設如圖 2-9 所示。

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____________________(5)

還有,溫度比τ,行程容積比κ及用下面式定義全無效容積比 X 。

______________________________________________(6)

______________________________________________(7)

_______________________________________(8)

假設(6) 再生器空間氣溫度TR變成為下面式。

___________________________________________(9)

式(5)式(6)～代入(9)整理的話,成為下面式。

___________________(10)

式(10)代入式(2),(3)成為下面式。

_____________________________(11)

21

但是

_____________________________(12)

______________________________(13)

___________________________(14)

去除式(11)P的話成為下面式。

____________________________(15)

Pmean平均壓力這裡由下面的公式表示。

________________________(16)

還有

_____________________________________________(17)

以平均壓力為準的壓力變化用下面式被表示。

___________________(18)

22

還有,cos(θ-φ)=-1 時成為在式 (15)最小壓力Pmin。

___________________________________(19)

因此,以最小壓力為準的壓力以下式被表示。

____________________(20)

同樣,在式(15),cos(θ-φ)=1 的時成為最大壓力Pmax ,以最大壓力為

準的壓力用下面式被表示。

根據以上採用被要求的容量變化和壓力變化的公式,能製作α形式

sterling engine的P-V 線圖

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索引符號

名稱 記號 單位

壓力 P Pa

膨張活塞行程容積 VSE ㎥ 壓縮活塞行程容積 VSC ㎥ 膨張空間無效容積 VDE ㎥ 再生器容積 VR ㎥ 壓縮空間無效容積 VDC ㎥ 膨張空間瞬時容積 VE ㎥ 壓縮空間瞬時容積 VC ㎥ 瞬時全容積 V ㎥ 引擎熱氣質量 M ㎏

氣體常數 R J(kgK)

膨張空間氣體溫度 TE K

壓縮空間氣體溫度 TC K

再生器空間氣溫度 TR K

相位角 α deg

引擎轉速 N rpm

膨張空間指示功率 LE W

壓縮空間指示功率 LC W

指示功率 Li W

熱效率 η

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3.1 第三章

Stirling 引擎之製造與測試

3.1 Stirling 主體構造及組合圖

Stirling 主體結構因為這是我們第一次接觸Stirling 引擎所以

我們共做兩臺。先介紹我們的第一臺

圖 3-1 Stirling 主體結構組合圖。

(一)第一步先收集資料,工程圖是首要重點,有了圖面用Solid Works繪

製零件圖與組合圖開始加工。

圖 3-2 使用Solid Works 繪製

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(二)開始購買零件材料，安排時間到學校實習工廠準備加工。

圖 3-3 確認購買材料尺寸是否符合。

(三)學校的車床，三爪夾頭省下很多中心校正的時間。

圖 3-4 使用傳統車床車削鋁料。

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（三）面對問題，互相討論。

圖 3-5 討論加工流程、排除瓶頸。

（三）面臨物件要緊配合，或是物件是紅十字SCM440合金時，必須全

神貫注，否則一不心就會斷刀。

圖3-6 專注於車削精密配合的組員

（四）加熱器要薄要精確，使熱源能快速傳遞，活塞運動才會順暢。

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圖3-7 為精修內徑及切斷。

（五）銑床本體，表面的粗糙度是關鍵。

圖3-8 使用立式銑床銑削表面

(六)鑽孔時，先做記號，使用鑽床時須注意對準記號，否則會使工件

孔鑽歪、擴孔，甚至鑽頭斷裂。

圖3-9 做上記號並照工作圖鑽孔。

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(七)需要更高精密度的移氣連接器，就需要向校外的工廠借機器。

圖3-10 使用NC銑床做更精密之加工。

（八）部份零件組裝

圖3-11 組裝及成品

（九）測試運轉:因為體積略大所以運用瓦斯噴槍當熱源，因為酒精燈

熱源太低無法轉動，下圖是開運動。

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圖3-12 加熱及測試運轉

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3.2 Stirling 的第一次運作

SStirling 引擎第一運作雖可運轉，但轉速不快，轉速時間不長，

開始探討原因共分析幾項出來與以修改：

（一） 熱源過熱導致Pocking耐不住高溫變形，不易更換所以變更為Ｏ

形環容易更換也耐油不易變質。

（二） 本體部份所用為鋁(Al)也因耐不住高溫變形。

（三） 因常時間處於高溫，移氣器連桿開始乾澀，磨擦力變大，阻力

也變大。

（四） 動力飛輪應加大變輕，使慣習定律更大，助於轉動，降底震動。

（五） 加長冷却氣缸的長度，並車削出散熱構，如果可以用銅管車削

出散熱棑。

（六） 支架應固定動力飛輪與加熱器形狀如同ㄩ形，這樣轉動時才不

會因支撐點不夠，到置施力不平均使桿件變形。

（七） 加熱頭：加熱頭的作用在於吸收外部熱源供給史特靈引擎所需

的高溫熱能，因此須具備高熱傳導性質、能忍受持續性高溫（600℃以

上）的特性、及足夠的機械強度：

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a. 高熱傳導性：其目的在於能迅速傳熱，將汽缸內的工作流體加熱至

工作溫度，並將外界持續供應能量以最小的熱阻小通過加熱頭而進入

汽缸內。因此最好採用高傳導性材料，並且增加熱傳的表面積，讓更

多的熱能迅速的傳入。

b. 忍受持續性的高溫：一般而言史特靈引擎外部熱源溫度一般要在

600℃以上。因加熱頭是史特靈引擎中直接接觸高溫熱源的元件（通常

會被包覆在燃燒室之中），所以在材料性質方面需能承受長時間的高

溫加熱，且必須具備較低的熱膨脹率。

c. 機械強度：為了降低加熱頭的熱怎最常用的方法就是將加熱頭的

壁厚變薄（一般而言，為2mm-0.3mm）。但是在變薄的同時必須兼顧

加熱頭本身的機械強度。史特靈引擎本身是屬於封閉系統，因此當封

閉系統內的工作

流體受到高溫時會在封閉系統內產生極大的壓力，若加熱頭本身強度

不夠可能會造成變形或甚至是壁面破裂等無法預期的狀況。

(八)移氣器：往復移動。因此移氣器必須極輕巧、精準、有足夠的剛

性、能忍受持續性的高溫、並具低熱傳性質：

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a. 質輕：移氣器最好越輕越好，因為其功能只在於移動氣體，不能造

成過多的功損耗，因此不需要太複雜的結構。移氣器設計過

於笨重，只會造成史特靈引擎多餘的負荷而消耗了史特靈引

擎的輸出功率。

b. 精準：小型史特靈引擎通常不會外加複雜的再生器。因為如此一來，

將造成引擎整體的體積過大，成本也過高。在小型史特靈引

擎中一般的再生通道壁面的保熱及散熱功能取代再生器的功

用，因此移氣器與汽缸壁間的通道間隙的精度就變的極為重

要，因其必須維持狹细的再生通道的間隙不變，並且在高速

運轉時，移器器與汽缸壁不能產生碰撞，才不會增加引擎摩

擦力甚至破壞汽缸表面。

c. 足夠的剛性：通常為了要減輕移氣器的重量，在加工上都會將其

內部作掏空設計，使移氣器成薄壁狀，在其內部會

有氣體充滿。當史特靈引擎被加熱運轉時，移氣器

內部的氣體也會受汽缸內部的溫度影響而造成膨

脹，因此移氣器本身必須有足夠的剛性，其雹壁方

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能承受內部的壓力， 而不會造成過度變形。

d. 承受持續性的高溫：移器氣在運轉中，為了將位於膨脹室內高溫流

體移至壓縮室中，必須伸入膨脹室高溫區域，

因此也必須具備較高的熔點，方能承受持續性

的高溫。

e. 低熱傳性質：最理想的移氣器材質是絕熱材料，如此，加熱頭所提

供的熱能就能全部用來加熱史特靈引擎內部的工作

流體，而不會有過多的熱能分散到移氣器再傳至其他

構件而散失。

（九）動力活塞： 動力活塞扮演的角色是史特靈引擎動力的輸出元

件，當引擎內的封閉流體與外界產生壓力差時，

藉由動力活塞的往復運動而輸出動力。所以活塞

必須有足夠的硬度、輕巧、低摩擦力、高精度、

及氣密性，分別討論如下：

a. 足夠的硬度：活塞以外環面與汽缸接觸，且已內軸孔面與主軸摩擦，

在引擎運轉時，這些滑動面的摩擦必定會使光滑的表

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面產生磨耗。因此欲降低活塞接觸面之磨耗，其表面

硬度必須足夠。

b. 質輕：活塞的重量在小型史特靈引擎中也是會造成動力的損失，特

別是對小型史特靈引擎而言，其輸出功並不高， 多餘的重

量會消耗過高比率的輸出功。

c. 低摩擦力：活塞的滑動接觸面面在引擎運作時會不斷的摩擦，而摩

擦力越大，能量消耗的就越多。因此，應採用能減低表

面摩擦力的拋光或表面處理。

d. 高精度：α型同軸式活塞型引擎其主軸通過活塞的正中心，因此如

何精確維持主軸、活塞與氣缸的同軸性，是主要技術。最

理想的間隙精度為0.01mm，如此能讓活塞既能順暢的在汽

缸中移動且能維持氣密。

e. 氣密性：活塞與汽缸及活塞與主軸之間的氣密性要好才能保住史特

靈引擎內部工作流體產生的壓力，輸出更多的能量。此倚

賴尺寸的精度和表面處理技術的應用。

（十）汽缸：汽缸通常是史特靈引擎外殼主體部分，必須考慮剛性、

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足夠的表面硬度、高精度等。

a.剛性：汽缸必須承受來自史特靈引擎內部工作流體受熱所產生的龐

大壓力及來自加熱頭的高溫而不變形，才能將工作氣體的壓

力傳給活塞。

b.足夠的表面硬度：汽缸內壁面與活塞外環面為花動摩擦面，因此必

須有相當的表面硬度，才能耐磨耗並維持汽缸內

壁的尺寸和表面精度。

c. 高精度：汽缸與活塞的間隙一般的要求精度在0.01mm以下，如此能

讓活塞既能順暢的在汽缸中移動且能維持氣密。

（十一）α形驅動結構：α形驅動結構是由兩根等長的連桿所組成。

上、下水平桿的運動，分別與移氣器及動力

活塞相連，而造成90°相位差的運動。而α形

驅動機構的連桿必須具有質量輕、強度佳、

連桿加工精度夠等條件：

a.連桿質量：連桿的質量以輕者為佳，來降低機構本身的重量。

b.連桿強度：在機構設計上，經常為了減輕連桿的負載而減少了連桿

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強度。同時兼顧質輕及強度需求，方足以承受來自於活

塞的力量不至損壞。

c. 連桿精度：適當的公差便無法得到流暢的運動。

e.平移運動：運動物體內的所有直線被移動至平行的位置，則稱 該物

體的運動為平移（translation）。將Crank 的機構運動

逐一來分析，如圖3-13我們可以看出這個運動相當於連

桿BC 做平移運動至B2C1。

f.旋轉運動：若物體內各質點均與某垂直在一運動面之直線保持固定

距離運 動，該運動稱之為旋轉（rotation），則此直線稱之

為旋轉軸（axis of rotation），各質點則繞此軸作圓的軌跡

運動。如圖（b），此運動連桿先繞著C 從BC 旋轉至B3C，再

從上述平移運動B3C 平移至B1C1。

g.平移加旋轉運動：機件的運動很多是平移加旋轉的組合，如圖（c）

的連桿中，OB、BC 同時做動時，會產生上述兩種

運動狀態，OB 為旋轉軸半徑，做旋轉運動後，移

動至OB1，則連桿BC 作平行移動至B1C1，因此我

37

們可以得知圖（c）為平移加旋轉的運動。

圖 3-13平移加旋轉運動

圖 3-14平移加旋轉運動

圖 3-15平移加旋轉運動

38

3.3 Stirling 第二次修改主體構造及組合圖與運轉

(一)將冷却活塞變小

圖 3-16

(二)加熱器座與本體分開

圖 3-17

(三)動力飛輪

圖 3-18

39

(四)飛輪

圖 3-19

(五)本體

圖 3-20

(六)冷却器座

圖 3-21

40

(七)連桿

圖 3-22

(八)移氣器連桿與活塞

圖 3-23

(九)加熱器

圖 3-24

41

(十)開始加工,組裝,運轉..

圖 3-25

(十一)為什麼不能發電？

排除了第一次的困境，運轉成功，轉速隨著熱源的不同也有顯著

的改變，但我們會在下一章節提出數具加以佐證，而我們現在想試圖

讓飛輪轉動馬達發電，但也許是扭力太小或是角度不對，或者說還有

很多因素等著我們去發現，去學習；因為離交專題的時間接近，所以

把後續的問題留在暑假或者有空的時間去找資料，請教教授老師。

42

3.4 Sirling 引擎轉速與溫度

圖3-26 酒精燈當燃料

圖 3-27 貼上反光片並開始量測

43

圖 3-28 溫度忽高忽低跟手持測溫槍時的穩定有關

圖 3-29 轉速忽高忽低亦跟手持測速計時的穩定及反光片的反光程度

(2697.2rpm 為測偏了)

經由知量測後可得知：

酒精燈當燃料時，在150℃即開始運轉，最高溫度為194℃

平均轉速為1280～1350rpm

44

除了使用酒精燈外，我們亦使用瓦斯槍當第二種燃燒的能源。

圖 3-30

圖 3-31 測量火源若點不同則溫度將有差異

45

圖 3-32 第二次使用測速計時比較穩定

經由知量測後可得知：

瓦斯噴燈當燃料時，在85℃時開始運轉。最高溫度為170℃

平均轉速為 1350～1450 rpm

46

第四章 分析與討論

這次是為了專題才來參與一開始沒有對這方面很有了解所以跟教

授討論過後決定加入製作史特林引擎的行列對於史特林引擎我們等於

從零開始，開始接觸關於的知識，經過資料的查找又了解到史特林引

擎不是單單的教學器材，他甚至可以解救現在的能源危機，他跟一般

燃燒石油的內燃機不一樣，他是以也就是理想而且;但仍然還有很多因

素是目前無法突破以下是史特林引擎的優缺點的介紹：

4.1史特林引擎的優點

1.熱源多樣化 2.熱效率高 3.低污染 4.噪音低 5. 機構簡單

1. 熱源多樣化：

因史特林屬於外燃機，所以任何形式外部熱源都可以做熱功交換利

用，所以任何種類之燃料皆可成為史特林引擎的熱源，如：太陽能、

廢熱…等。

2.熱效率高：

史特林引擎是一種高效率的能量轉換裝置，採用封閉氣體循環及再

生器設計。

3.低污染：

47

史特林引擎之燃燒供熱過程通常為在一大氣壓之下長時間的燃燒

過程，故燃燒較為完全且廢氣中CO含量很少。因此史特靈引擎在環保

方面的特性遠優於內燃機。

4.噪音低：

內燃機的噪音主要是由於燃燒時氣缸內的壓力急速的升高，以及和

燃燒氣體在排氣時的壓力波傳遞有關。史特林引擎屬於封閉式外燃

機，並無氣缸內的燃燒爆炸及進、排氣行程，因此整體噪音很小。

5.簡單之機構：

史特林引擎並沒有容易出現故障的進、排氣閥裝置、高壓噴油系

統、及需要潤滑的活塞環等。同時，史特林引擎的潤滑系統與大氣隔

絕，不受燃燒物的污染，可以在相當長的時間內不需要更換潤滑油，

故潤滑油的消耗量低。

48

4.2史特林引擎的缺點

1. 預熱時間長: 史特林引擎為外燃引擎，熱能透過汽缸壁傳給工作流

體的熱傳導過程需要較長的時間，不能像汽油引擎一樣，一發動就

能立刻產生動力。然而這點對於須長時間穩定運轉的場合，例如發

電設備、長程海陸空交通工具就不再是個問題。

2.馬力有限: 史特林引擎與其他馬力相同的內燃機比較，因為不能將

燃料混在工作流體中以爆燃的方式直接把熱快速傳給工作流體，外

燃的史特林引擎熱能須透過汽缸壁才能傳給工作流體。所以就一般

尺寸的引擎而言，相同重量的史特林引擎和內燃機比較，史特林引

擎馬力較有限，但微型化之後又另當別論。

3.耐高溫材料價格昂貴: 外界的熱能必須透過汽缸壁才能傳到史特林

引擎內部，所以製作史特林引擎的材料必須耐得住高溫，又不致於

減低材料的強度或者迅速老化，並且還要有很高的導熱率。但可惜

的是這些材料的價格昂貴，導致史特林引擎的製作成本提高。

4.高壓工作流體密封不易: 為了增加的馬力，工作流體要改用高壓的

氦氣，但要完全防止高壓氦氣洩漏並不容易。

49

第五章 結論

在理論方面，本專題已建立了α形驅動結構之史特靈引擎的熱力學

模式。在實作方面，目前也建立了一定的技術，將來以此為基礎，追

求更完美的機體設計。另外更重要的是提供量測引擎性能，運用各種

能源來測試引擎運轉速度。

如下圖表

表1-1 火源溫度關係圖表

溫度

火源種類

150℃～194℃ 85℃～170℃

酒精燈 平均轉速為1280～

1350rpm

____________________

瓦斯噴燈 ________________________

平均轉速為 1350

～1450 rpm

50

參考文獻

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研究，大同大學機械工程研究所碩士論文，July 2005。

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6. 坂本 修、田原 妙子、坂口 諭、飯田 光利，平田 宏一＊、市川 泰久、仁木 洋一、赤澤 輝行，電気推進船に用いる排熱利用スター

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究所報告 第12 巻 第 3 号（平成 24 年度） 総合報告動力シス

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