臺灣博碩士論文加值系統

本研究採用史特林引擎的理論及工作原理，設計製作一組可供教學及研究的史特林引擎，因γ型史特林引擎較容易理解及製作，而且只要用水蒸氣便可驅動，相對安全，適合組裝作為教學與研究，因此選定γ型史特林引擎為設計對象，本研究探討史特林引擎的設計參數，包括溫差氣室直徑、溫差氣室高度、動力活塞行程、移氣行程、工作流體體積、熱再生器、相位角、新增移氣通道等引擎設計參數，分析各參數對引擎輸出轉速的影響，其中溫差氣室直徑、相位角，新增移氣通道三項參數有顯著影響，進而了解如何將γ型史特林引擎的效能優化。
關鍵詞：史特林引擎、外燃機、溫室效應

This study used the theory and working principles for Stirling engines to design and manufacture a Stirling engine that can be used for both teaching and research. Gamma type Stirling engines are suitable for use in teaching and research as they are more easily understood and produced, and are relatively safer because they can be operated using water vapor; therefore, a gamma type Stirling engine was selected for this study. This study investigated the design parameters for the Stirling engine, including heat exchanger chamber diameter, heat exchanger chamber height, power piston stroke, displacement, working fluid volume, regenerator, phase angle, and expansion space, to analyze the influence of each parameter on engine output speed. Heat exchanger chamber diameter, phase angle, and expansion space had significant influences; this can help with the energy optimization for gamma type Stirling engines.
Keywords: Stirling engine, Outboard engines, The greenhouse effect

總目錄
中文摘要 I
Abstract II
誌謝 III
總目錄 IV
表目錄 IX
圖目錄 X
第一章 前言 1
1-1、研究動機： 1
1-2、研究目的： 2
第二章 文獻回顧 4
2-1、人類面臨的能源問題 4
2-2、從熱機談起 5
2-2-1外燃機 6
2-2-2內燃機 6
2-3、引擎簡史 6
2-4、史特林引擎簡介 7
2-5、史特林引擎的優點和缺點 11
2-6、史特林引擎的形式 13
2-6-1、α型—又稱雙氣缸型（twin-cylinder Stirling engine） 13
2-6-2、β型—又稱為同軸活塞型（coaxial piston-displacer Stirling engine） 14
2-6-3、γ型移氣活塞式 15
2-7、移氣活塞式(γ型)史特林引擎的工作原理 17
2-7-1、氣體的特性 17
2-7-2、移氣器 18
2-7-3、曲柄機構 20
2-7-4、動力活塞 21
2-7-5、相位角 22
2-7-6、飛輪 23
2-7-7、熱再生器 24
2-8、γ型史特林引擎的工作原理進一步說明 25
2-8-1、利用活塞和汽缸取代先前的橡皮 25
2-8-2、γ型史特林引擎的循環過程 26
2-9、史特林引擎已有實際應用 27
2-10、璀璨的未來 31
2-10-1、核能 32
2-10-2、 地熱 32
2-10-3、分散型獨立電力系統 33
2-10-4、 史特林引擎應用在汽車 33
第三章 材料與方法 35
3-1、研究器材及設備 35
3-2零件製作 36
3-2-1、汽缸 36
3-2-2、活塞 37
3-2-3、動力連桿 38
3-2-4、動力驅動盤 40
3-2-5、飛輪 41
3-2-6、飛輪固定座 41
3-2-7、轉軸 42
3-2-8、軸承 43
3-2-9、移氣驅動盤 43
3-2-10、移氣連桿 45
3-2-11、移氣器 47
3-2-12、主支架 48
3-2-13、溫差氣室壁 49
3-2-14、溫差氣室上蓋 50
3-2-15、溫差氣室下蓋 51
3-2-16、固定螺絲 52
3-2-17、連桿轉軸 52
3-3組裝 53
第四章 結果與討論 58
4-1、各項研究變因 58
4-2、數據測量 58
4-2-1實驗裝置 58
4-2-2、注意事項： 59
4-2-3、移氣器及移氣行程的搭配，如表3(單位mm ) 60
4-2-4、數據整理 61
4-3、各項變因對史特林引擎轉速的影響 63
4-3-1、探討溫差氣室直徑對γ型史特林引擎轉速的影響 63
4-3-2、探討溫差氣室高度對γ型史特林引擎轉速的影響 64
4-3-3、探討動力活塞行程對γ型史特林引擎轉速的影響 64
4-3-4、探討移氣行程對γ型史特林引擎轉速的影響 67
4-3-5、探討工作流體體積對γ型史特林引擎轉速的影響 68
4-3-6、探討熱再生器對γ型史特林引擎轉速的影響 69
4-3-7、探討相位角對γ型史特林引擎轉速的影響 71
4-3-8、探討新增移氣通道對γ型史特林引擎轉速的影響 73
第五章、結論 76
參考文獻 78
附錄：原始數據 86

表目錄
表 1、研究器材及設備表 35
表 2、組裝步驟表 53
表 3、移氣器及移氣行程的搭配表 60
表 4、實驗數據表 61
表 5、移氣行程對轉速的影響 67
表 6、熱再生器對轉速的影響 69
表 7、相位角對γ型史特林引擎轉速的影響 71
表 8、新增移氣通道對轉速影響 74

圖目錄
圖 1、α型史特林引擎1 14
圖 2、α型史特林引擎2 14
圖 3、β型史特林引擎1 15
圖 4、β型史特林引擎2 15
圖 5、γ型史特林引擎1 16
圖 6、γ型史特林引擎2 16
圖 7、容器與橡皮 17
圖 8、空氣加熱圖 18
圖 9、冷卻空氣圖 18
圖 10、移氣器 19
圖 11、移氣器運作圖 20
圖 12、曲柄機構 20
圖 13、曲柄機構的運作圖 21
圖 14、橡皮的力量圖 22
圖 15、施力給曲軸旋轉圖 22
圖 16、圓形飛輪圖 23
圖 17、飛輪配重圖 24
圖 18、史特林循環圖 25
圖 19、理想化的史特林引擎工作流體PV 圖 26
圖 20、瑞典海軍哥德級(Gotland Class)潛艇 28
圖 21、汽缸圖 36
圖 22、活塞 37
圖 23、活塞設計圖 37
圖 24、車用活塞圖 37
圖 25、動力連桿圖1 38
圖 26、動力連桿圖2 38
圖 27、動力連桿圖3 39
圖 28、動力驅動盤圖 40
圖 29、飛輪圖 41
圖 30、飛輪固定座 41
圖 31、轉軸 42
圖 32、軸承 43
圖 33、移氣驅動盤 43
圖 34、移氣驅動盤設計圖 44
圖 35、移氣連桿1 45
圖 36、移氣連桿2 45
圖 37、移氣連桿3 46
圖 38、移氣器1 47
圖 39、移氣器2 47
圖 40、主支架 48
圖 41、溫差氣室壁 49
圖 42、溫差氣室上蓋 50
圖 43、溫差氣室上蓋設計圖 50
圖 44、溫差氣室下蓋 51
圖 45、固定螺絲 52
圖 46、連桿轉軸 52
圖 47、實驗裝置圖 59
圖 48、溫差氣室高度對轉數的影響 64
圖 49、動力活塞高度對轉速的影響 65
圖 50、熱再生器圖 69
圖 51、相位角對轉速的影響 72
圖 52、新增移氣通道圖1 73
圖 53、新增移氣通道圖2 74

1.小林義行、賴光哲、松尾政弘、平尾尚武，模型熱空氣引擎圖面集，2006。
2.方明山，分散型電力發展之內涵與制度課題 ，台灣經濟研究月刊，2003。
3.王真真，各種能源都能驅動的熱機-淺論史特林引擎，國立澎湖海事職校，2008。
4.石光偉，利用焚化爐能源推動史特靈引擎發電之可行性分析，成功大學機械研究所碩士論文，2000。
5.史特林引擎工作原理，http://www.logicsys.com.tw/cwrkbas.htm。
6.朱辰元、彭小方，碟式斯特林太陽能熱發電的技術發展，上海齊耀動力技術有限公司，2012。
7.朱榜榮，斯特林機的優化設計及模擬研究，華北電力大學碩士學位論文，2008。
8.沈建平、金東寒、顧根香，Stirling發動機燃燒及換熱分析，1998。
9.林育煌，使用菱形驅動機構之同軸式史特靈引擎研究，大同大學 機械工程研究所碩士論文，2005。
10.李修寶、徐讓書、蒲甯、吳超，一維斯特林發動機數值分析方法研究，瀋陽航空工業學院飛行器動力與能源工程學院，2009。
11.李亞奇、許行、李海偉、宋鴻傑，不同優化準則下斯特林發動機的性能分析，第二炮兵工程學院，2011。
12.李修寶，斯特林發動機工作過程模擬，審陽航空工業學院，2009。
13.李安定、李斌、楊培堯、臧春城，碟式聚光太陽熱發電技術，太陽能學報，2003。
14.周鑑恆，輕鬆學物理的第一本書，如何出版社，2005。
15.周鑑恆，能源之星-史特林引擎，物理雙月刊，2008。
16.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，2006。
17.周鑑恆，熱聲效應史特林引擎動手做，科學月刊，2008。
18.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，萬能科技大學，2007 。
19.周鑑恆，史特林引擎與潔淨能源的商業化，能源報導，2006。
20.周鑑恆，自製史特林引擎，科學月刊，2002。
21.周鑑恆，試管引擎，科學月刊，2002。
22.周鑑恆，茶杯上的引擎，科學月刊，2003。
23.周鑑恆，透明引擎敞篷跑車，科學月刊，2003。
24.周鑑恆，袖珍引擎，科學月刊，2003。
25.周鑑恆，史特靈收音機，科學月刊，2005。
26.周鑑恆，象真史特靈引擎車，科學月刊，2005。
27.周鑑恆，燭火史特靈引擎車，科學月刊，2006。
28.周鑑恆，雙缸史特林引擎發電，科學月刊，2007。
29.侯冠志、呂致瑋、王懷敏，史特林你真酷，中華民國第51屆科展，2012。
30.徐業良，淺談史特林引擎， 汽車購買指南雜誌，五月號史丹福專欄， 2007。
31.高晞均，非華麗一族的微笑理論，科學月刊，2007。
32.胡志泓，淺析潛艦 AIP系統。
33.吳鋒、孫豐瑞、陳林根，太陽能驅動斯特林熱機的最優性能，海軍工程學院，1997。
34.姜源、徐菁華、趙騫、內川英雄，斯特林熱機演示教具，瀋陽工業大學，2010。
35.周兵、程雪濤、梁新剛，斯特林循環輸出功率優化分析，清華大學航太航空學院，2013。
36.國立台中二中生活科技科網頁（2004），史特靈教學研究，2006。
37.黃組洽，探索原子核的奧秘，牛頓出版社，1993。
38.黃護林，太陽能斯特林發動機的性能類比，南京航空航太大學能源與動力學，2004。
39.陳宜生、劉書聲，談談熵，牛頓出版社，1998。
40.許世宗，利用史特靈引擎回收焚化爐廢熱之熱傳分析，成功大學機械研究所碩士論文，2001。
41.曾玉泉，極速引擎的魅力–史特靈引擎（Stirling Engine）的介紹、製作與教學活動設計，生活科技教育月刊，2006。
42.教育部學習加油站（2003），高中生活科技科學習資源-能源與運輸，2006。
43.康尚文、盧玟銨，Gama型態史特靈引擎的研製與測試，淡江大學機電與機械工程學系，2010。
44.超高溫史特林引擎，http://logicsys.com.tw/cultrahot.htm。
45.趙剛，碟式太陽能熱動力發電系統的研究，哈爾濱理工大學碩士論文，2006。
46.張志國，一維斯特林發動機的數值模型，華中科技大學交通科學與工程學，2006。
47.賴建宏，史特靈式密閉低溫致冷器的模擬分析，清華大學動機研究所碩士論文，1991。
48.楊征，斯特林發動機及碟式太陽能熱發電系統的模擬和優化，北京工業大學碩士學位論文，2008。
49.A Collection of Stirling Engine Reports from General Motors Research-1958-1970: Part2-Stirling Cycle Analysis and Engine Design Studies-Gov.Cont. Repts m.GMR-2690
50.American Institute of Physica Handbook. 2nd Edition:222-227.
51.B. Ross "Status of the Emerging Technology of Stirling Machines," IEEE AES System Magine June 1995.
52.C. M. Hargreaves The Philips Stirling Engine Chap.4 Elsevier New York 1991。
53.Crouthamel M.S. and Shelpuk B. Regenerative Gas Cycle Air Conditioning Using Solar Energy. Advanced Technology Laboratories. No.ATL-CR-75-10 August 1975
54.D.G. Thombare and S.K. Verma “Technological development in the Stirling cycle engines” Renewable and Sustainable Energy Reviews Vol.12 Issue 1 pp1-38 2008。
55.Gorring Robert L. Churchill Stuart W. “Thermal Conductivity of Heterogeneous Materials.Chemical Engineering Progress” Vol.57 No.7. July 1961
56.G. Walker Stirling-Cycle Machines Clarendon Press. Oxford University of Calgary Canada 1973。
57.G. Walker and J. R. Senft Free Piston Stirling Engine Springer-Verlag New York 1985。
58.Heffner F E Additional Dimensions of 4L23 Engine. Personal Communication 30 October 1978.
59.http://www.silent.se/labels.php
60.http://www.mnd.gov.tw/division/defense/mil/mnd/
61.http://www.twocw.net/mit/Mechanical-Engineering/。
62.http://203.71.212.6/。
63.http://content1.edu.tw/query/resource.do?position=/senior/life_tech/tc_t2/&position1=/senior/life_tech/&levelId=2
64.http://www.ent.ohiou.edu/~urieli/stirling/engines/engines.html
65.http://www.sesusa.org/history.1816.htm
66.http://www.emachineshop.com/engine/
67.http://ranier.oact.hq.nasa.gov/sensors_page/Cryo/Cryo1Q95report/CryoGSFC/Q95.html/
68.http://enertechreview.com/
69.http://pesn.com/2005/08/11/9600147_Edison-Stirling_largest_solar/
70.http://www.grc.nasa.gov/WWW/tmsb/stirling.html
71.http://freeenergynews.com/.../StirlingEngine/index.html
72.I. Kolin “Low temperature difference Stirling engine” Proc. Intersociety energy conversion engineering conference Vol/Issue:3 San Francisco CA USA 19 Aug 1984。
73.J. Wurm et al. Stirling and Vuilleumier Heat Pumps Mc Graw-Hill New York 1990。
74.Koichi HIRATA and Masakuni KAWADA “Discussion of Marine Stirling Energy Systems” Proc. 7th International Symposium on Marine Engineering Tokyo 2005。
75.K. Hirata "Development of a Small 50W Class Stirling Engine," Sixth International Symposium On Marine Engineering 2000。
76.Kays W.M. London A.L. Compact Heat Exchangers. McGraw-Hill 1964: 33 169 123 129
77.Leo B. Designer’s Handbook for Spaceborne Two-Stage Vuilleumier Cryogenic Refrigerators. Air Force Flight Dynamics Laboratory. Report No.AFFDL-TR-70-54 June 1970
78.Mohamed Abbas Bousaad Boumeddane Noureddine Said Ahmed Chikouche Dish Stirling technology: A 100 MW solar power plant using hydrogen for Algeria international journal of hydrogen energy 36 2011。
79.Martini W.R.and Ross B.A. An Isothermal Second Order Stirling Engine Calculation Method.Joint Center For Graduate Study. IECEC Record:1091-1097 1979
80.N. Singh "Effect of solar collector design parameters on the operation of solar Stirling power system " Fuel and Energy Abstracts 1997。
81.Percival W.H.. Historical Review of Stirling Engine Development in the United States from1960 to 1970. ERDA,No.NASA-CR-121097. July 1974.
82.Ross Andrew M. “Compact crank drivemechanism with guided pistons” United States Patent 4738105。.
83.R.J. Meijer “The Philips Stirling Thermal Engine” Thesis Technische Hogeschool Delft November 1960。
84.Rios P.A. An Approximate Solution to the Shuttle Heat-Transfer Losses in a Reciprocating Machine. Journal of Engineering for Power. April 1971
85.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。
86.S. Backhaus and G. W.Swift “A thermoacoustic Stirling heat engine” Nature.Vol.339 No.6734 pp335-338 1999。
87.S. Bockhans and G. W.Swift “A thermoacoustic-Stirling heat engine” J.Acoust.Soc.Am. Vol.107 No.6 2000。
89.Urieli I “A general purpose program for Stirling engine simulation” Proc.15th IECEC Seattle Washington Paper 809336 pp1701-5 1980。
90.W. Beale W. Homes S. Lewis and E. Cheng “Free-piston Stirling Engine—A progress Report” SAE Paper No:730647 1973。
91.W.D. Ernst and R.K. Shaltens “Automotive Stirling Engine Development Project” DOE/NASA/0032-34 NASA CR-190780 MTI Report 91TR15 1997。
92.Yazaki T Iwata A Maekawa T “Travelingwave thermo-acoustics engine in a looped tube ” Physical Review Letters 1998。