科技小製作 熱聲效應斯特林引擎動手做方法圖解

利用實驗室常見的物品，應用熱聲效應將熱能轉爲機械能的原理，完成駐波型斯特林引擎的裝置。

（原載：《科學月刊》（臺灣），2008年第8期）

十九世紀的吹玻璃工人，偶爾會聽到被加熱的玻璃管自然發出神祕的單音，這令人費解的聲音其實是熱機的另一種輸出形式。一般的引擎以轉動的形式輸出能量；聲音也具有能量，只不過以空氣作爲傳遞的媒介。

熱聲效應的原理

空氣振動形成聲音，聲音發生時，爲方便討論，將傳播聲音的空氣分成無數小塊空氣，應用牛頓力學來分析空氣振動的情形，會得到聲音的波動方程式，此方程式的解顯示：聲音傳播時，各個小塊空氣都會發生膨脹收縮和位移。如果小塊空氣被壓縮後，再被加熱膨脹，對周圍空氣作較大的正功；之後這小塊空氣又先被冷卻，再被壓縮，作較小的負功（周圍空氣對這小塊空氣作較小的功）。雖然這小塊空氣並非對活塞或渦輪作功，而是對周圍空氣作功，事實上也完成了工作流體加熱後膨脹，冷卻後被壓縮的熱機循環，把熱能轉換成聲音振動的能量，增加聲音的強度，此即所謂“熱聲效應”。

凡是利用工作流體在冷、熱區間移動，執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，這樣的機構都被歸類爲斯特林引擎。利用熱聲效應把熱能轉換成機械能的裝置，也就稱爲熱聲效應斯特林引擎(thermoacousticsstirlingheatengine)，熱聲效應斯特林引擎大致可分爲駐波(standingwave)和行波(travelingwave)兩種。

駐波型斯特林引擎的作功原理

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。熱片堆在靠近閉端溫度較高，另一端溫度較低，於是延共振腔軸向的溫度梯度(temperaturegradient)相當大。

當駐波發生時，熱堆片穿孔中的各小塊空氣（工作流體）向閉口端位移，而被壓縮，同時移向熱片堆較高溫處，該小塊空氣在熱穿透深度(thermalpenetrationdepth)以內的部分，會被熱片堆加熱，使得溫度升高，隨即膨脹對周圍空氣做較大的正功，駐波的能量於是加大，小塊空氣也隨着膨脹，同時移至熱片堆的冷端，當能量增加的駐波再度壓縮這小塊空氣時，此小塊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。於是，熱能便不斷地變成駐波的能量。

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周鑑恆博士專欄

利用實驗室常見的物品，應用熱聲效應將熱能轉爲機械能的原理，完成駐波型斯特林引擎的裝置。

駐波型斯特林引擎動手做

本文介紹一種駐波型熱聲效應斯特林引擎的製作方法，所需材料都是一般實驗室常見的東西：

一、內徑2cm、長22cm試管一支。

二、直徑0.25~0.4mm的鎳鉻線和直徑0.8mm的漆包線。

三、內徑1~1.2mm玻璃毛細管。

四、AB膠及膠帶等。

五、木材、螺絲釘等。

另外還須要準備電源供應器。本實驗的電源供應器最好選擇能大範圍調整電壓和電流的類型。

首先將玻璃毛細管切成約2~3公分長，再用AB膠黏成一束（圖一），裁切玻璃管時需留意切口鋒利傷人。玻璃毛細管束要能輕鬆塞入試管中，並且注意AB膠不要堵住毛細管口，玻璃毛細管束於是構成許多軸向穿孔（圖二），AB膠黏合處儘可能靠近玻璃毛細管束的一端（不須整支毛細管都塗滿AB膠），在另一端，纏繞鎳鉻線（圖三）。先將漆包線與鎳鉻線連接處的漆刮除後，鎳鉻線兩端分別連接漆包線，確保鎳鉻線和漆包線能導通。再用藍色膠帶將漆包線裹在玻璃毛細管束上，避免漆包線拉扯鎳鉻線或鎳鉻線鬆脫。

圖一：黏結完成的玻璃毛細管束。

圖二：玻璃毛細管構成許多軸向穿孔。

圖三：玻璃毛細管束的一端纏繞鎳鉻線。

用木材製作一具簡易的支架，以適當方式將試管置於支架上，將一端纏繞鎳鉻線的玻璃毛線管置於試管中，導通鎳鉻線兩端的漆包線從試管口伸出即可。玻璃毛細管用鎳鉻線加熱的那頭向着試管封閉的底部，玻璃毛細管加熱區域的位置，大約在靠近試管底部三分之一試管總長度的地方（圖四）。

圖四：玻璃毛細管束的加熱區靠近試管底部約三分之一處。

利用實驗室常見的物品，應用熱聲效應將熱能轉爲機械能的原理，完成駐波型斯特林引擎的裝置。

自制斯特林引擎的操作

操作時需加熱，試管內外的溫度都可能很高，務必小心，以免燙傷。先把電源供應器的電壓調到最小，用鱷魚夾接通電源供應器的輸出端和兩條從試管伸出的漆包線（圖五）。逐漸調高電源供應器的電壓，透過試管可以看到纏在玻璃毛細管一端的鎳鉻線開始發出暗紅色的光，再調高電源供應器的輸出功率，使鎳鉻線發出亮橘色的光（急速再升溫）（圖六）。注意不可使鎳鉻線發出白熾的亮光，否則鎳鉻線可能燒斷。再稍等約十秒鐘，試管就發出很響的單音。

圖五：電源供應器提供電力使鎳鉻線加熱。

圖六：從鎳鉻線發光的顏色和亮度，可大致判斷鎳鉻線的溫度。

如果一直未發出聲響，可從試管垂直的方向，對試管口大力地吹口氣，或在試管口附近鼓掌，誘發熱聲效應。通常如果對着空的試管這樣吹氣，就會像吹排笛時而發出的單音一般，試管只會發出聲音，但試管內放入一端加熱的毛細管束製成的熱片堆，試管發出的聲音就會有好似迴音一般的聲音，持續一段時間，這表示整個實驗裝置完全正確，熱聲效應也正常發生。此時再稍提高電源供應器的輸出電壓使鎳鉻線溫度升高，試管就會持續發出相當響的聲音了；或者也可經過更急熱的程序︰先關掉電源，待其冷卻二十分鐘，再打開電源急速升溫，試管不久也會發出響聲。

熱聲效應引擎的改良與展望

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。1998年左右ok等人發明行波型熱聲斯特林引擎，使其工作流體更合乎熱機循環的方式，將熱能轉換成聲音的能量，有效提高熱聲效應斯特林引擎的效率。

熱聲效應斯特林引擎是一項新的能源技術，可以使用多元能源作爲動力，目前美國和中國在此領域有較出色的研究成果，所產生的聲波可用來推動熱聲致冷機液化氣體或冷卻電子設備，也可用來發電。