自制斯特林發動機製作教程及斯特林發動機原理、圖紙
一杯咖啡不能化身為一杯汽油,但是它一樣可以用來驅動一個發動機,只不過這個發動機有點特別,是用硬紙板做成的小型發動機,當然也不是全部用硬紙板做成,還包括黃金衝件,激光切割的鋁片,低摩擦的塑料軸承以及彈性鋼絲。來自德國一家叫作Astromedia,以生產硬紙板小發明和小玩意為主的公司。
這個能在一杯熱咖啡上就能轉起來的發動機,正是斯特林發動機(Stirlingengine),由於能源,環境和可持續發展等人類問題的影響,人們開始熱衷發展斯特林發動機,由RobertStirling(羅伯特斯特林)在1816年發明的外燃發動機。前不久我們網絡文摘收過一篇文章,講著名的發明家DeanKamen(Segway的發明者)也在挪威成立一個公司,投身於他的下一個大項目,就是使用斯特林發動機的交通工具的計劃。
斯特林發動機是活塞式熱氣發動機,在外部加熱密封氣室,裏面的氣體(氫氣或氦氣)膨脹推動活塞做功,膨脹後的氣體在冷氣室冷卻,然後進入下一個流程。同樣只要有一定值的温度差存在,都可以形成斯特林發動機,比如上面這個咖啡杯上的斯特林發動機,如果下面是冰塊,它也能轉起來,而且比裏面是熱咖啡(或熱水)還要持久,一個小時左右。斯特林發動機可以使用多種的燃料,各種可燃氣體估計是最佳材料,DeanKamen還用牛糞來作過燃料。而且排氣潔淨,還有一個優勢相對於內燃機來説,因為沒有氣體爆炸,所以大大降低了噪音污染。
這個“玩意”是不是設計也沒什麼值得討論的,以前人們總是很難分辨設計師或者發明家,但現在來説好像足夠分明瞭,設計師是明星,藝術家……,而在國內發明家基本都是農民。如果你既是設計師,又是發明家,那麼肯定會得到更多人的敬佩(人人喜歡hardcore),如果你還有商業頭腦,那你就是下一個Dyson了。雖然説學科細分很難讓普通人精通幾般武藝,但這不是100%的,因為一方面設計本來就是知識面廣泛的學科,有深入鑽研的機會,另外還有想成為非普通人的普通人呢。下面是這個咖啡杯上的斯特林發動機一個gif小動畫。
斯特林發動機簡介:斯特林引擎(Stirling Engine)的優勢特色與問題
從 Stirling Engine 的原理與結構來看,它有幾項頗具優勢的特點:
1.、其使用外部熱源,因此只要是能夠產生熱,皆可用來做為推動的能源,
所以並不僅限於可燃燒的燃料。而由於內燃機常令人詬病其排放的廢氣,會產環境污染的問題,因此能夠使用地熱、太陽能等自然的能源來運作StirlingEngine,顯然在此方面是具有優勢的。
斯特林發動機原理
2.、雖然Stirling Engine 常被歸類於外燃機,但實際上,只要能夠產生温差,
就能夠成為運作的能源,因此使用低温流體,如乾冰、或冰水,同樣可使Stirling Engine 進行運作。
3.、由於Stirling Engine 外部熱源與工作氣體(Working gas)是分開的,因
此沒有燃燒廢棄物堆積於內部的問題,使用的潤滑油週期較持久。
4、由於熱源位於外部,因此在調整控制上,比內燃機容易得多。
5、 熱源的提供是連續性的,較不會有燃料燃燒不全的情形。
6、比起其他引擎,它的構造很簡單,不需要閥門,也沒有化油器等機構。
7、運作的温度與壓力比起蒸氣引擎或內燃式引擎要低且安全的多,因此引擎強度與重量不需要很要求很高。
8、沒有燃燒爆炸的作用,運作也很安靜,沒有劇烈的震動。
以上就是 Stirling Engine 的發展優勢。然而,既然Stirling Engine 具有優勢,但為何當初它並沒有成為普遍的動力系統?顯然它仍然有一些問題有待克服或替代方桉:
斯特林發動機原理
1、無法避免熱源對熱室的侵蝕。畢竟高温差使得其運作效率提高,但也相對的會使活塞機構產生高温或低温侵蝕性的影響,引響運作壽命。
2、雖然在低温差可以運作,但要在低温差下產生大量的動能時,引擎的體積就會很巨大。
3、高低温差的控制很困難,尤其取決於引擎的隔熱包裝技術。如果無法有效控制,會徒增能源的散逸,減低效率。
4、剛開始Stirling Engine 無法迅速運轉,它必須經過一段“暖機時間”。
5、要改變它的能量輸出等級是很難的,它無法像內燃機一樣用燃油多寡直接去控制動力的大小。
6. 最好的工作氣體是使用氫等分子量小的氣體,但這些氣體不易保存。
所以,以上的這些特性與問題,造成了 Stirling Engine 發展的興衰。儘管如此,Stirling Engine 仍被利用在進行乾淨、環保的長時期穩定運作的電力生產與低温冷凍上。
斯特林發動機原理
第一步:材料與工具準備:首先要準備的材料與工具如表1、表2 所示。
表1 材料表
名稱 規格 數量 備註
試管 18 x 150mm 1支 附橡皮塞
玻璃針筒 10 ml 1 支 作為活塞
銅管 內徑約φ2mm 2段
銅棒 φ2mm 1根
光碟片 1片
鉛線 約φ1.5mm 1包 曲軸
鐵絲 細 固定鋼絲絨用
鋼絲絨 1包 移氣活塞
塑膠軟管 φ3 mm 1段
木條 180 x 10 x 8 mm 1支 木條
木板 若干 基座
熱熔膠 若干
橡皮筋 2 條 固定試管及針筒
小螺帽 內徑約φ1.5mm 若干
小鐵釘 約φ1.5mm 若干 軸用
冰棒棍 若干
表二:工具表
名稱 數量 備註
剪刀 1
美工刀 1
剪嘴鉗 1 製作曲軸
虎鉗 1 製作曲軸
線鋸 1 切割木板
電鑽 1
直尺 1
記號筆 1 做記號
實驗室酒精燈 3~5組 亦可用蠟燭代替
工業酒精 2瓶
鐵鎚 1 釘制基架
材料圖:
第二步:製作步驟
(一)利用手搖鑽(或小電鑽)將橡皮塞鑽出兩個孔,一為連通氣室用,一為交換器用
(二)將鋼絲絨以小鐵絲綁繞在銅棒上,製成移氣活塞。活塞長度約為試管
長度的一半。
(三)將做好的移氣活塞組合上試管。並裝上塑膠軟管與鑽孔的小木塊(連
結軸用)。
(四)將玻璃針筒以熱熔膠固定在木條上,並用橡皮筋加強固定。針筒後方
黏上鑽孔的小木塊,以備之後連結軸用。
斯特林發動機
(五)同樣將試管固定在木條上。然後以塑膠軟管連接。
(六)此時可以稍作測試。加熱試管前端,拉動移氣活塞,看看針筒是否會前後伸縮移動。如沒有,則應該檢查是否出現漏氣現象。
(七)在木條前 10mm 鑽一φ1.5mm 的孔,接着依下列尺寸,將鉛線彎曲製作曲軸,並黏合光碟片。要注意針筒與移氣活塞必須有相差90 度的相位角。
(八)計算移氣活塞的活動長度,在冰棒棍上適當鑽孔以符合,將木條與冰棒棍切割鑽孔。
(九)最後將鑽孔完畢的冰棒棍以小鐵釘組合上去,即完成本次活動製作。
第三步:測試與完成
要使自制的Stirling Engine運作,首先在試管下至一酒精燈,待燒熱約1分鐘,試着轉動光碟片即可。如果旋轉不夠順利,試着微調相位角度;又或者旋轉的連續性(貫性)不夠,可在光碟片上夾上小夾子,以增加其慣性轉動力量。
注意事項:
雖然,本次製作的 Stirling Engine 教具結構簡單,但整個史特靈引擎製作的關鍵,就在曲軸與活塞,因此有幾點影響製作成功與否的關鍵要點要注意:
1. 氣體交換室(試管)的密閉性要高,儘量不要有漏氣現象。
2. 曲軸角度要呈90 度,移氣活塞的相位角要比活塞提前90 度。
3. 移氣活塞的銅棒管接合處,要儘量能滑順,但又不能有大量漏氣現象,挑選銅管與銅棒時,公差要配合好。
4. 曲軸旋轉的流暢度是關鍵,這個部份需要的精密度較高,儘量能以模具或電動工具製作。
5. 連結曲軸的冰棒棍要儘量平行推動,不要有分向力量減低推動。
6. 光碟片的目的是要增加其旋轉慣性,如慣性不足,可用小夾子夾住光碟片來調整。斯特林發動機
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