تطبيقات محرك ستيرلينغ

كثيرًا ما يُزعم أن محرك ستيرلينغ يتميز بنسبة قدرة إلى وزن منخفضة للغاية، وتكلفة عالية جدًا، ووقت تشغيل طويل جدًا بالنسبة لتطبيقات السيارات. كما أنه يحتوي على مبادلات حرارية معقدة ومكلفة. يجب أن يُبدد مُبرد محرك ستيرلينغ ضعف كمية الحرارة التي يُبددها مُبرد محرك أوتو أو مُبرد محرك الديزل . يجب أن يُصنع المُسخن من الفولاذ المقاوم للصدأ، أو سبيكة متطورة، أو السيراميك لدعم درجات حرارة التسخين العالية اللازمة لكثافة طاقة عالية ، ولاحتواء غاز الهيدروجين الذي يُستخدم غالبًا في محركات ستيرلينغ للسيارات لزيادة الطاقة إلى أقصى حد. تتمثل الصعوبات الرئيسية التي تواجه استخدام محرك ستيرلينغ في تطبيقات السيارات في وقت التشغيل، واستجابة التسارع، ووقت الإيقاف، والوزن، وجميعها لا تتوفر لها حلول جاهزة.

مع ذلك، تم تقديم محرك ستيرلينغ مُعدّل يستخدم مفاهيم مُستوحاة من محرك احتراق داخلي حاصل على براءة اختراع، مزود بغرفة احتراق جانبية (براءة الاختراع الأمريكية رقم 7,387,093)، والذي يُتوقع أن يتغلب على مشاكل انخفاض كثافة الطاقة والطاقة النوعية، بالإضافة إلى مشكلة بطء استجابة التسارع المتأصلة في جميع محركات ستيرلينغ. ^{[ 5 ]} من الممكن استخدام هذه المحركات في أنظمة التوليد المشترك للطاقة التي تستغل الحرارة المهدرة من عادم محرك مكبسي تقليدي أو محرك توربيني غازي، وتستخدمها إما لتشغيل الملحقات (مثل المولد الكهربائي ) أو حتى كنظام توربيني مُركب يُضيف طاقة وعزم دوران إلى عمود المرفق.

طُوّرت سيارات تعمل حصريًا بمحركات ستيرلينغ في مشاريع تجريبية لوكالة ناسا ، بالإضافة إلى مشاريع سابقة لشركة فورد موتور باستخدام محركات من إنتاج شركة فيليبس ، ^{[ 6 ]} وشركة أمريكان موتورز (AMC) التي جهّزت عدة سيارات بوحدات من شركة يونايتد ستيرلينغ السويدية المصنّعة بموجب ترخيص من شركة فيليبس. صُمّمت مشاريع اختبار المركبات التابعة لناسا من قبل متعاقدين، وسُمّيت MOD I وMOD II.

تم بناء المركبات الهندسية التي تعمل بمحرك ستيرلينغ MOD 1 التابع لوكالة ناسا بالتعاون مع وزارة الطاقة الأمريكية ووكالة ناسا، بموجب عقد مع شركة AM General التابعة لشركة AMC لتطوير وعرض بدائل عملية للمحركات القياسية. ^{[ 7 ]} خضعت سيارة AMC Spirit المزودة بمحرك P-40 من شركة United Stirling AB لاختبارات مكثفة لمسافة تزيد عن 50,000 ميل (80,467 كم) وحققت متوسط ​​كفاءة في استهلاك الوقود _يصل إلى 28.5 ميلًا _{للغالون} (8.3 لتر/100 كم؛ 34.2 ميلًا _{للغالون} ) . ^{[ 8 ]} كما تم تحويل سيارة VAM Lerma ذات الأربعة أبواب موديل 1980 _إلى محرك United Stirling P-40 لعرض محرك ستيرلينغ للجمهور وللترويج لبرنامج الحكومة الأمريكية للمحركات البديلة. ^{[ 9 ]}     

أظهرت الاختبارات التي أُجريت على سيارة AMC Spirit موديل 1979، بالإضافة إلى سيارة أوبل موديل 1977 وسيارة AMC Concord موديل 1980 ، أن محركات ستيرلينغ "يمكن تطويرها لتصبح نظام نقل حركة للسيارات، وأنها قادرة على تحقيق نتائج إيجابية". ^{[ 10 ]} ومع ذلك، فقد تحقق تقدم ملحوظ في محركات الاحتراق الداخلي ذات القدرة المتساوية منذ عام 1977، كما تم رفع متطلبات متوسط ​​استهلاك الوقود للشركات (CAFE) التي كان من المفترض أن تحققها السيارات المباعة في الولايات المتحدة. ^{[ 11 ]} علاوة على ذلك، استمر تصميم محرك ستيرلينغ في إظهار قصور في كفاءة استهلاك الوقود. ^{[ 11 ]} كما واجه مستخدمو محركات ستيرلينغ عيبين رئيسيين: أولهما الوقت اللازم لتسخين المحرك  - لأن معظم السائقين لا يفضلون الانتظار قبل بدء القيادة؛ وثانيهما صعوبة تغيير سرعة المحرك  - مما يحد من مرونة القيادة على الطريق وفي حركة المرور. ^{[ 12 ]} كما تم التشكيك في عملية قيام مصنعي السيارات بتحويل مرافقهم وأدواتهم الحالية للإنتاج الضخم لتصميم ونوع جديدين تمامًا من المحركات. ^{[ 11 ]}

أنتج مشروع MOD II عام 1980 أحد أكثر محركات السيارات كفاءة على الإطلاق. فقد بلغت كفاءة المحرك الحرارية القصوى 38.5%، مقارنةً بمحرك الاحتراق الداخلي الحديث (الذي يعمل بالبنزين) والذي تتراوح كفاءته القصوى بين 20 و25%. حلّ مشروع MOD II محل محرك الاحتراق الداخلي التقليدي في سيارة شيفروليه سيليبريتي ذات الأربعة أبواب موديل 1985. وأظهر تقرير تصميم MOD II لعام 1986 (الملحق أ) زيادة في معدل استهلاك الوقود على الطرق السريعة من 40 إلى 58 ميلًا _{للغالون} (5.9 إلى 4.1 لتر/100 _كم ؛ 48 إلى 70 ميلًا _{للغالون} ) _{في الولايات المتحدة ،} ووصوله إلى معدل استهلاك داخل المدن من 26 إلى 33 ميلًا _{للغالون} (9.0 إلى 7.1 لتر/100 كم؛ 31 إلى 40 ميلًا _{للغالون} ) دون أي تغيير في الوزن الإجمالي للسيارة. كان زمن بدء التشغيل في مركبة ناسا 30 ثانية كحد أقصى، بينما استخدمت مركبة فورد البحثية سخانًا كهربائيًا داخليًا لتشغيل المحرك بسرعة، مما أتاح زمن بدء تشغيل لا يتجاوز بضع ثوانٍ. وقد أدى عزم الدوران العالي لمحرك ستيرلينغ عند السرعات المنخفضة إلى الاستغناء عن محول عزم الدوران في ناقل الحركة، مما أسفر عن انخفاض الوزن وفقدان الطاقة في نظام نقل الحركة، وبالتالي التخفيف من عيب الوزن الذي يعيب محرك ستيرلينغ في السيارات. وقد نتج عن ذلك زيادة في الكفاءة، كما أشارت نتائج الاختبارات. ^{[ 13 ] [ 14 ]}          

أشارت التجارب إلى أن محرك ستيرلينغ يُمكنه تحسين كفاءة تشغيل المركبة من خلال فصله، في الوضع الأمثل، عن متطلبات الطاقة المباشرة، مما يُلغي الحاجة إلى وصلة ميكانيكية مباشرة كما هو الحال في معظم المركبات الحالية. وتتمثل وظيفته الأساسية في مركبة هجينة كهربائية متسلسلة ذات مدى ممتد في توليد الكهرباء لتشغيل محركات جر المركبة الكهربائية وشحن مجموعة بطاريات احتياطية. أما في المركبة الهجينة التي تعمل بالوقود الهيدروليكي، فيؤدي محرك ستيرلينغ وظيفة مشابهة لوظيفته في المركبة الهجينة الكهربائية المتسلسلة، حيث يقوم بتشغيل مضخة لشحن خزان هيدروليكي احتياطي. وعلى الرغم من نجاح التجارب في المرحلتين الأولى والثانية (MOD 1 وMOD 2)، إلا أن تقليص تمويل الأبحاث الإضافية وعدم اهتمام شركات صناعة السيارات حال دون إمكانية تسويق برنامج محرك ستيرلينغ للسيارات. ^{[ 7 ]}

قد تتمكن محركات ستيرلينغ، كجزء من نظام القيادة الكهربائية الهجينة، من تجاوز تحديات التصميم أو عيوب سيارة ستيرلينغ غير الهجينة.

في نوفمبر 2007، أعلن مشروع Precer في السويد عن سيارة هجينة نموذجية تستخدم الوقود الحيوي الصلب ومحرك ستيرلينغ. ^{[ 15 ]}

ذكرت صحيفة "نيو هامبشاير يونيون ليدر" أن دين كامين طور سيارة هجينة قابلة للشحن باستخدام محرك فورد ثينك . ^{[ 16 ]} تُسمى هذه السيارة "ديكا ريفولت"، ويمكنها قطع مسافة 97 كيلومترًا تقريبًا بشحنة واحدة من بطاريتها الليثيومية . ^{[ 16 ]} 

ابتكر روبرت ماكوناغي أول طائرة تعمل بمحرك ستيرلينغ في أغسطس 1986. ^{[ 17 ]} كان وزن محرك بيتا 360 غرامًا، وينتج 20 واطًا فقط من الطاقة. ^{[ 18 ]} تم تركيب المحرك في مقدمة طائرة شراعية معدلة من طراز سوبر ماليبو تعمل بالتحكم عن بعد، ويبلغ وزنها الإجمالي عند الإقلاع  كيلوغرامًا واحدًا. استغرقت أفضل رحلة تجريبية موثقة 6 دقائق، وأظهرت "قوة كافية بالكاد لإجراء منعطفات طفيفة والحفاظ على الارتفاع". ^{[ 18 ]}

يُعدّ محرك ستيرلينغ مناسبًا تمامًا لأنظمة الطاقة تحت الماء، حيث يتطلب الأمر طاقة كهربائية أو ميكانيكية بشكل متقطع أو مستمر. وقد أجرت شركة جنرال موتورز أبحاثًا على محركات دورة ستيرلينغ المتقدمة، والتي تتضمن تخزينًا حراريًا للتطبيقات تحت الماء. وتعمل شركة يونايتد ستيرلينغ، في مالمو بالسويد ، على تطوير محرك تجريبي رباعي الأسطوانات يستخدم بيروكسيد الهيدروجين كمؤكسد في أنظمة الطاقة تحت الماء. دخلت غواصة ساغا (الغواصة ذات الاستقلالية العالية) الخدمة في التسعينيات، وهي تعمل بمحركي ستيرلينغ مزودين بوقود الديزل والأكسجين السائل . يتمتع هذا النظام أيضًا بإمكانية استخدامه في دفع السفن السطحية، نظرًا لأن حجم المحرك ليس مصدر قلق كبير، كما أن وضع قسم المبرد في مياه البحر بدلًا من الهواء الطلق (كما هو الحال في المحركات الأرضية) يسمح بتصغير حجمه.

قامت شركة كوكمز السويدية لبناء السفن ببناء ثماني غواصات ناجحة تعمل بمحركات ستيرلينغ منذ أواخر ثمانينيات القرن الماضي. ^{[ 19 ] [ 20 ]} تحمل هذه الغواصات أكسجينًا مضغوطًا يسمح باحتراق الوقود تحت الماء، مما يوفر الحرارة لمحرك ستيرلينغ. وتُستخدم حاليًا في غواصات من فئتي غوتلاند وسودرمانلاند . وهي أولى الغواصات في العالم التي تتميز بنظام الدفع المستقل عن الهواء ( AIP) من ستيرلينغ، مما يُطيل مدة بقائها تحت الماء من بضعة أيام إلى عدة أسابيع. ^{[ 20 ]}

كما أن محرك كوكمز يزود الغواصة اليابانية من فئة سوريو بالطاقة . ^{[ 21 ]}

كانت هذه القدرة متاحة سابقاً فقط للغواصات التي تعمل بالطاقة النووية .

تستطيع محركات ستيرلينغ تشغيل المضخات لنقل السوائل مثل الماء والهواء والغازات. فعلى سبيل المثال، تبلغ قدرة محرك ST-5 من شركة ستيرلينغ تكنولوجي 5 أحصنة (3.7 كيلوواط) ، وهو ما يكفي لتشغيل مولد كهربائي بقدرة 3 كيلوواط أو مضخة مياه طاردة مركزية. ^{[ 22 ]}  

في نظام التوليد المشترك للحرارة والطاقة ، تُولّد الطاقة الميكانيكية أو الكهربائية بالطريقة المعتادة، إلا أن الحرارة المهدرة الناتجة عن المحرك تُستخدم لتشغيل نظام تدفئة ثانوي. ويمكن أن يكون هذا النظام أي استخدام للحرارة المنخفضة، وغالبًا ما يكون استخدامًا قائمًا للطاقة، مثل تدفئة المساحات التجارية، أو تسخين المياه في المنازل ، أو العمليات الصناعية.

تستخدم محطات الطاقة الحرارية المتصلة بشبكة الكهرباء الوقود لإنتاج الكهرباء . ومع ذلك، تُنتج كميات كبيرة من الحرارة المهدرة التي غالبًا ما تبقى غير مستغلة. في حالات أخرى، يُحرق وقود عالي الجودة في درجات حرارة عالية لتطبيقات تتطلب درجات حرارة منخفضة. ووفقًا للقانون الثاني للديناميكا الحرارية ، يمكن لمحرك حراري توليد الطاقة من فرق درجات الحرارة هذا. في نظام التوليد المشترك للحرارة والطاقة، تدخل الحرارة الأولية ذات درجة الحرارة العالية إلى سخان محرك ستيرلينغ، ثم يُحوّل جزء من الطاقة إلى طاقة ميكانيكية في المحرك، بينما يمر الجزء المتبقي إلى المبرد، حيث يخرج بدرجة حرارة منخفضة. وتأتي الحرارة "المهدرة" في الواقع من المبرد الرئيسي للمحرك ، وربما من مصادر أخرى مثل عادم الموقد، إن وُجد.

يمكن استخدام الطاقة الناتجة عن المحرك لتشغيل عملية صناعية أو زراعية، مما ينتج عنه نفايات عضوية يمكن استخدامها كوقود مجاني للمحرك، وبالتالي تقليل تكاليف التخلص من النفايات. ويمكن أن تكون العملية برمتها فعالة واقتصادية.

شركة "إنسبيريت إنرجي"، ومقرها المملكة المتحدة، لديها وحدة توليد طاقة حرارية وكهربائية تعمل بالغاز تُسمى "إنسبيريت تشارجر"، وقد طُرحت للبيع في عام 2016. تُنتج هذه الوحدة الأرضية 3  كيلوواط من الطاقة الكهربائية و15  كيلوواط من الطاقة الحرارية. ^{[ 23 ] [ 24 ]}

طوّرت شركة WhisperGen، وهي شركة نيوزيلندية مقرها في كرايستشيرش ، محرك دورة ستيرلينغ صغير الحجم يعمل بنظام التوليد المشترك للحرارة والطاقة. هذه الوحدات الصغيرة عبارة عن غلايات تدفئة مركزية تعمل بالغاز، وتبيع الطاقة الفائضة إلى شبكة الكهرباء . أعلنت WhisperGen في عام 2004 أنها تنتج 80,000  وحدة للسوق السكنية في المملكة المتحدة  . وأُجريت تجربة على 20 وحدة في ألمانيا عام 2006. ^{[ 25 ]}

عند وضع محرك ستيرلينغ في بؤرة مرآة مكافئة، فإنه يحول الطاقة الشمسية إلى كهرباء بكفاءة تفوق كفاءة الخلايا الكهروضوئية غير المركزة ، وتضاهي كفاءة الخلايا الكهروضوئية المركزة . في 11 أغسطس/آب 2005، أعلنت شركة "ساوثرن كاليفورنيا إديسون" عن اتفاقية مع شركة "ستيرلينغ إنرجي سيستمز " (SES) لشراء الكهرباء المولدة باستخدام أكثر من 30,000 محرك ستيرلينغ يعمل بالطاقة الشمسية على مدى عشرين عامًا، تكفي لتوليد 850  ميغاواط من الكهرباء. ستستخدم هذه الأنظمة، الواقعة في مزرعة شمسية مساحتها 8,000  فدان (19  كيلومترًا ^مربعًا )، مرايا لتوجيه ضوء الشمس وتركيزه على المحركات التي بدورها ستشغل المولدات. في يناير/كانون الثاني 2010، وبعد أربعة أشهر من بدء أعمال الإنشاء، أكملت شركة "تيسارا سولار"، الشريكة لشركة "ستيرلينغ إنرجي"، محطة "ماريكوبا سولار" للطاقة الشمسية بقدرة 1.5 ميغاواط في بيوريا، أريزونا ، بالقرب من فينيكس. تتكون المحطة من 60 وحدة من وحدات "سان كاتشر" (SunCatchers) التابعة لشركة "ستيرلينغ إنرجي". ^{[ 26 ]} يُوصف مشروع "صائد الشمس" بأنه "مجمع شمسي كبير مُركّز يعمل بتقنية التتبع، يُولّد 25 كيلوواط من الكهرباء في ضوء الشمس الكامل. يحتوي كل مُجمّع، بقطر 38 قدمًا، على أكثر من 300 مرآة مُقوّسة (هيليوستات ) تُركّز ضوء الشمس على وحدة تحويل الطاقة، التي تحتوي على مُحرك ستيرلينغ. يستخدم الطبق نظام تتبع ثنائي المحور لمتابعة الشمس بدقة أثناء حركتها في السماء." ^{[ 26 ]} وقد نشبت خلافات حول المشروع ^{[ 27 ]} بسبب مخاوف من تأثيره البيئي على الحيوانات التي تعيش في الموقع. وقد أُغلقت محطة ماريكوبا للطاقة الشمسية. ^{[ 28 ]}

توجد إمكانية لاستخدام محركات ستيرلينغ التي تعمل بالطاقة النووية في محطات توليد الطاقة الكهربائية. قد يؤدي استبدال التوربينات البخارية في محطات الطاقة النووية بمحركات ستيرلينغ إلى تبسيط المحطة، وزيادة كفاءتها، وتقليل النفايات المشعة. تستخدم العديد من تصاميم مفاعلات التوليد الصوديوم السائل كمبرد. إذا كان سيتم استخدام الحرارة في محطة بخارية، فسيلزم وجود مبادل حراري من الماء والصوديوم، مما يثير بعض المخاوف في حال حدوث تسرب، لأن الصوديوم يتفاعل بشدة مع الماء. يُغني محرك ستيرلينغ عن الحاجة إلى الماء في أي مرحلة من مراحل الدورة. وهذا من شأنه أن يوفر مزايا للمنشآت النووية في المناطق الجافة.

طوّرت مختبرات حكومية أمريكية تصميمًا حديثًا لمحرك ستيرلينغ، يُعرف باسم مولد ستيرلينغ للنظائر المشعة، لاستخدامه في استكشاف الفضاء. صُمم هذا المحرك لتوليد الكهرباء لمسبارات الفضاء البعيدة في مهمات تستغرق عقودًا. يستخدم المحرك مُزيحًا واحدًا لتقليل الأجزاء المتحركة، ويعتمد على الصوتيات عالية الطاقة لنقل الطاقة. مصدر الحرارة عبارة عن قرص من الوقود النووي الصلب الجاف، بينما يتم تبديد الحرارة عن طريق الإشعاع في الفضاء الحر نفسه.

يمكن لأي محرك ستيرلينغ أن يعمل أيضًا بشكل عكسي كمضخة حرارية : فعند تطبيق طاقة ميكانيكية على العمود، يظهر فرق في درجة الحرارة بين الخزانين. المكونات الميكانيكية الأساسية لمبرد ستيرلينغ المبرد هي نفسها في محرك ستيرلينغ. في كل من المحرك والمضخة الحرارية، تتدفق الحرارة من حيز التمدد إلى حيز الضغط؛ ومع ذلك، يلزم بذل شغل لكي تتدفق الحرارة "عكس التدرج الحراري"، وتحديدًا عندما يكون حيز الضغط أسخن من حيز التمدد. يمكن وضع الجانب الخارجي لمبادل حرارة حيز التمدد داخل حجرة معزولة حراريًا مثل قارورة مفرغة من الهواء. تُضخ الحرارة فعليًا من هذه الحجرة، عبر غاز التشغيل في المبرد المبرد، إلى حيز الضغط. سيكون حيز الضغط أعلى من درجة حرارة المحيط، وبالتالي ستتدفق الحرارة إلى الخارج.

يُستخدم مُبرّد ستيرلينغ حاليًا في مجال التبريد المُبرّد ، وبدرجة أقل في مجال التبريد العادي. عند درجات حرارة التبريد المُعتادة، لا تُعدّ مُبرّدات ستيرلينغ مُنافسة اقتصاديًا لأنظمة تبريد رانكين الشائعة الأقل تكلفة ، نظرًا لانخفاض كفاءتها في استهلاك الطاقة. مع ذلك، عند درجات حرارة أقل من -40 إلى -30  درجة مئوية تقريبًا، يصبح تبريد رانكين غير فعّال لعدم وجود مُبرّدات مُناسبة ذات نقاط غليان مُنخفضة إلى هذا الحد. تستطيع مُبرّدات ستيرلينغ خفض الحرارة إلى -200  درجة مئوية (73 كلفن)، وهي درجة كافية لتسييل الهواء (وتحديدًا غازاته الأساسية: الأكسجين والنيتروجين والأرجون ). يُمكنها الوصول إلى درجات حرارة منخفضة تصل إلى 40-60 كلفن في الأجهزة أحادية المرحلة، وذلك حسب التصميم. أما مُبرّدات ستيرلينغ ثنائية المرحلة، فتستطيع الوصول إلى درجات حرارة 20 كلفن، وهي كافية لتسييل الهيدروجين والنيون . ^{[ 32 ]} تُعدّ المبردات المبردة المستخدمة لهذا الغرض منافسةً إلى حدٍّ ما لتقنيات التبريد المبردة الأخرى. يبلغ معامل الأداء عند درجات الحرارة المنخفضة جدًا عادةً 0.04-0.05 (ما يُعادل كفاءةً تتراوح بين 4 و5%). عمليًا، تُظهر الأجهزة اتجاهًا خطيًا، حيث يكون معامل الأداء عادةً = 0.0015 T_{_c} - 0.065 ، حيث T _{_c} هي درجة الحرارة المنخفضة جدًا. عند هذه الدرجات، تتميز المواد الصلبة بقيم حرارية نوعية منخفضة، لذا يجب تصنيع المُجدِّد من مواد غير متوقعة، مثل القطن . 

طُوِّر أول مُبرِّد تبريد فائق يعمل بدورة ستيرلينغ في شركة فيليبس خلال خمسينيات القرن الماضي، وسُوِّق تجاريًا في أماكن مثل محطات إنتاج الهواء السائل . تطورت أعمال شركة فيليبس للتبريد الفائق حتى انفصلت عام ١٩٩٠ لتُشكِّل شركة ستيرلينغ للتبريد الفائق في هولندا. ولا تزال هذه الشركة نشطة في تطوير وتصنيع مُبرِّدات التبريد الفائق وأنظمة التبريد الفائق التي تعمل بدورة ستيرلينغ.

تتوفر تجارياً مجموعة واسعة من مبردات ستيرلينغ الصغيرة الحجم، والتي تُستخدم في مهام مثل تبريد أجهزة الاستشعار الإلكترونية ، وأحياناً المعالجات الدقيقة . في هذا التطبيق، تُعدّ مبردات ستيرلينغ التقنية الأفضل أداءً، نظراً لقدرتها على رفع الحرارة بكفاءة عالية عند درجات حرارة منخفضة جداً. فهي تعمل بهدوء تام، وخالية من الاهتزازات، ويمكن تصغير حجمها، كما تتميز بموثوقية عالية جداً وقلة الصيانة. وحتى عام ٢٠٠٩، كانت مبردات ستيرلينغ تُعتبر الأجهزة الوحيدة الناجحة تجارياً من بين أجهزة ستيرلينغ واسعة الانتشار.

تُشبه مضخة ستيرلينغ الحرارية إلى حد كبير مُبرّد ستيرلينغ، والفرق الرئيسي هو أنها تعمل عادةً في درجة حرارة الغرفة. حاليًا، يتمثل استخدامها الرئيسي في نقل الحرارة من خارج المبنى إلى داخله، وبالتالي تدفئته بتكاليف طاقة أقل.

كما هو الحال في أي جهاز ستيرلينغ آخر، يتدفق الحرارة من حيز التمدد إلى حيز الانضغاط. إلا أنه على عكس محرك ستيرلينغ ، يكون حيز التمدد عند درجة حرارة أقل من حيز الانضغاط، لذا بدلاً من إنتاج شغل، يحتاج النظام إلى مدخلات من الشغل الميكانيكي (لتحقيق القانون الثاني للديناميكا الحرارية ). يمكن توفير مدخلات الطاقة الميكانيكية بواسطة محرك كهربائي، أو محرك احتراق داخلي، على سبيل المثال. عندما يتم توفير الشغل الميكانيكي لمضخة الحرارة بواسطة محرك ستيرلينغ ثانٍ، يُطلق على النظام الكلي اسم "مضخة حرارة تعمل بالحرارة".

يرتبط جانب التمدد في المضخة الحرارية حراريًا بمصدر الحرارة، والذي غالبًا ما يكون البيئة الخارجية. أما جانب الضغط في جهاز ستيرلينغ فيُوضع في البيئة المراد تدفئتها، كالمبنى مثلاً، حيث تُضخ الحرارة إليه. وعادةً ما يكون هناك عزل حراري بين الجانبين، مما يؤدي إلى ارتفاع درجة الحرارة داخل الحيز المعزول.

تُعدّ المضخات الحرارية أكثر أنواع أنظمة التدفئة كفاءةً في استهلاك الطاقة، إذ إنها "تستمد" الحرارة من البيئة المحيطة، بدلاً من تحويل الطاقة المُدخلة إليها إلى حرارة فقط. ووفقًا للقانون الثاني للديناميكا الحرارية، تتطلب المضخات الحرارية دائمًا مدخلات إضافية من الطاقة الخارجية "لضخ" الحرارة المُجمّعة "عكس اتجاه فرق درجة الحرارة".

بالمقارنة مع المضخات الحرارية التقليدية، تتميز مضخات ستيرلينغ الحرارية عادةً بمعامل أداء أعلى . وقد شهدت أنظمة ستيرلينغ استخداماً تجارياً محدوداً؛ إلا أنه من المتوقع أن يزداد استخدامها بالتزامن مع ازدياد الطلب في السوق على ترشيد استهلاك الطاقة، ومن المرجح أن تتسارع وتيرة اعتمادها بفضل التحسينات التكنولوجية.

مبرد ستيرلينغ ذو المكبس الحر (FPSC) هو نظام نقل حرارة مغلق تمامًا، يتكون من جزأين متحركين فقط (مكبس ومُزيح)، ويمكنه استخدام الهيليوم كسائل تشغيل . يُدار المكبس عادةً بواسطة مجال مغناطيسي متذبذب، وهو مصدر الطاقة اللازمة لتشغيل دورة التبريد. يسمح التشغيل المغناطيسي بتحريك المكبس دون الحاجة إلى أي موانع تسرب أو حشيات أو حلقات دائرية ، أو أي تعديلات أخرى على النظام المحكم الإغلاق . ^{[ 33 ]} تشمل المزايا المزعومة لهذا النظام تحسين الكفاءة وقدرة التبريد، وخفة الوزن، وصغر الحجم، وسهولة التحكم. ^{[ 34 ]}

اخترع ويليام بيل (1928-2016)، أستاذ الهندسة الميكانيكية بجامعة أوهايو في أثينا، أوهايو ، نظام التبريد المرن ذي الطور الثابت (FPSC) عام 1964. أسس بيل شركة Sunpower Inc. ^{[ 35 ]} التي تُعنى بالبحث والتطوير لأنظمة FPSC للتطبيقات العسكرية والفضائية والصناعية والتجارية. استخدمت وكالة ناسا مُبرّد FPSC من إنتاج Sunpower لتبريد أجهزة القياس في الأقمار الصناعية . ^{[ 36 ]} باعت عائلة بيل الشركة عام 2015 لتصبح جزءًا من شركة Ametek . ^{[ 37 ]}

ومن بين الموردين الآخرين لتكنولوجيا FPSC شركة Twinbird اليابانية ^{[ 34 ]} وشركة Global Cooling الهولندية، التي (مثل شركة Sunpower) لديها مركز أبحاث في أثينا، أوهايو. ^{[ 38 ]}

لعدة سنوات، بدءًا من عام 2004 تقريبًا، باعت شركة كولمان نسخة من مُجمد التبريد المحمول "SC-C925" من توينبيرد بسعة 25 لترًا تحت علامتها التجارية الخاصة، ^{[ 39 ] [ 40 ]} لكنها توقفت عن إنتاجه لاحقًا. يمكن تشغيل هذا المُجمد المحمول لأكثر من يوم، محافظًا على درجات حرارة تحت الصفر باستخدام بطارية سيارة . ^{[ 41 ]} لا يزال هذا المُجمد يُصنع، وتتولى شركة غلوبال كولينغ حاليًا تنسيق توزيعه في أمريكا الشمالية وأوروبا. ^{[ 42 ]} تشمل الأنواع الأخرى التي تقدمها توينبيرد مُجمدًا محمولًا عميقًا (يصل إلى -80  درجة مئوية)، ومُجمدات قابلة للطي، ونموذجًا لنقل الدم واللقاحات . ^{[ 43 ]}

طوّر مختبر لوس ألاموس الوطني "محرك ستيرلينغ الحراري الصوتي" ^{[ 47 ]} بدون أجزاء متحركة. يحوّل هذا المحرك الحرارة إلى طاقة صوتية مكثفة، والتي (بحسب المصدر المذكور) "يمكن استخدامها مباشرة في الثلاجات الصوتية أو ثلاجات الأنابيب النبضية لتوفير تبريد يعمل بالحرارة بدون أجزاء متحركة، أو ... لتوليد الكهرباء عبر مولد تيار متردد خطي أو محول طاقة كهروصوتي آخر".

شركة WhisperGen (أُعلنت إفلاسها عام ٢٠١٢ ^{[ ٤٨ ]} )، وهي شركة نيوزيلندية، طورت محركات ستيرلينغ تعمل بالغاز الطبيعي أو الديزل. وقد وُقّع اتفاق مع شركة Mondragon Corporación Cooperativa الإسبانية لإنتاج وحدات التوليد المشترك للحرارة والطاقة (microCHP) من WhisperGen وتوفيرها للسوق المحلية في أوروبا. وكانت شركة E.ON UK قد أعلنت سابقًا عن مبادرة مماثلة في المملكة المتحدة. وستوفر محركات ستيرلينغ المنزلية للمستهلك الماء الساخن والتدفئة، بالإضافة إلى فائض من الطاقة الكهربائية يُمكن تغذيته إلى شبكة الكهرباء.

استنادًا إلى مواصفات الأداء المنشورة من قبل الشركات، تُنتج الوحدة التي تعمل بوقود الديزل خارج الشبكة طاقة حرارية (5.5  كيلوواط) وكهربائية (800 واط)، وذلك بتغذيتها بـ 0.75  لتر من وقود الديزل المستخدم في السيارات في الساعة. ويُزعم أن وحدات Whispergen تعمل كوحدة توليد طاقة مشتركة تصل كفاءتها التشغيلية إلى حوالي 80%.

مع ذلك، أشارت النتائج الأولية لمراجعة أجرتها مؤسسة توفير الطاقة لأداء وحدات WhisperGen microCHP إلى أن مزاياها هامشية في أحسن الأحوال في معظم المنازل. ^{[ 49 ]} في المقابل، يُظهر باحث آخر أن توليد الطاقة المصغر باستخدام محرك ستيرلينغ هو الأكثر فعالية من حيث التكلفة بين تقنيات التوليد المصغر المختلفة من حيث خفض انبعاثات ثاني أكسيد _{الكربون} . ^{[ 25 ]}

طورت شركة MSI (تايوان) نظام تبريد مصغر لمحرك ستيرلينغ لرقائق الكمبيوتر الشخصي ، يستخدم الحرارة المهدرة من الرقاقة لتشغيل مروحة. ^{[ 50 ]}

في جميع محطات الطاقة الحرارية، لا بد من تصريف الحرارة المهدرة . ومع ذلك، لا يوجد ما يمنع استخدام هذه الحرارة المهدرة لتشغيل محركات ستيرلينغ لضخ مياه البحر عبر وحدات التناضح العكسي، إلا أن أي استخدام إضافي لهذه الحرارة سيرفع درجة حرارة المشتت الحراري الفعال لمحطة الطاقة الحرارية، مما يؤدي إلى انخفاض في كفاءة تحويل الطاقة . في محطة الطاقة النووية النموذجية، يُمثل ثلثا الطاقة الحرارية المُنتجة من المفاعل حرارة مهدرة. أما في وحدة ستيرلينغ، فيمكن استخدام هذه الحرارة المهدرة كمصدر إضافي للكهرباء.