斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)模型制作大全

1、制作熱聲效應(yīng)斯特林引擎十九世紀(jì)的吹玻璃工人，偶爾會(huì)聽到被加熱的玻璃管自然發(fā)出神秘的單音，這令人費(fèi)解的聲音其實(shí)是熱機(jī)的另一種輸出形式。一般的引擎以轉(zhuǎn)動(dòng)的形式輸出能量;聲音也具有能量，只不過以空氣作為傳遞的媒介。熱聲效應(yīng)的原理空氣振動(dòng)形成聲音，聲音發(fā)生時(shí)，為方便討論，將傳播聲音的空氣分成無(wú)數(shù)小塊空氣，應(yīng)用牛頓力學(xué)來(lái)分析空氣振動(dòng)的情形，會(huì)得到聲音的波動(dòng)方程式，此方程式的解顯示：聲音傳播時(shí)，各個(gè)小塊空氣都會(huì)發(fā)生膨脹收縮和位移。如果小塊空氣被壓縮后，再被加熱膨脹，對(duì)周圍空氣作較大的正功;之后這小塊空氣又先被冷卻，再被壓縮，作較小的負(fù)功 (周圍空氣對(duì)這小塊空氣作較小的功) 。雖然這小塊空氣并非對(duì)活塞或渦輪

2、作功，而是對(duì)周圍空氣作功，事實(shí)上也完成了工作流體加熱后膨脹，冷卻后被壓縮的熱機(jī)循環(huán)，把熱能轉(zhuǎn)換成聲音振動(dòng)的能量，增加聲音的強(qiáng)度，此即所謂“熱聲效應(yīng)”。凡是利用工作流體在冷、熱區(qū)間移動(dòng)，執(zhí)行壓縮的工作流體經(jīng)加熱而膨脹作正功，膨脹后先冷卻再壓縮作負(fù)功的熱機(jī)循環(huán)，這樣的機(jī)構(gòu)都被歸類為斯特林引擎。利用熱聲效應(yīng)把熱能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的裝置，也就稱為熱聲效應(yīng)斯特林引擎(thermoacoustics stirling heat engine) ，熱聲效應(yīng)斯特林引擎大致可分為駐波(standing wave)和行波(traveling wave)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

3、，一端開口的管狀共振腔，在共振腔內(nèi)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，于是延共振腔軸向的溫度梯度(temperature gradient)相當(dāng)大。當(dāng)駐波發(fā)生時(shí)，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(shí)移向熱片堆較高溫處，該小塊空氣在熱穿透深度(thermal penetration depth)以內(nèi)的部分，會(huì)被熱片堆加熱，使得溫度升高，隨即膨脹對(duì)周圍空氣做較大的正功，駐波的能量于是加大，小塊空氣也隨著膨脹，同時(shí)移至熱片堆的冷端，當(dāng)能量增加的駐波再度壓縮這小塊空氣時(shí)，此小塊空氣已先被較低溫的

4、熱片堆冷卻，只消耗較少的聲波能量即可被壓縮。于是，熱能便不斷地變成駐波的能量。動(dòng)手做駐波型斯特林引擎本文介紹一種駐波型熱聲效應(yīng)斯特林引擎的制作方法，所需材料都是一般實(shí)驗(yàn)室常見的東西：一、內(nèi)徑2cm、長(zhǎng)22cm試管一支。二、直徑0.250.4mm的鎳鉻線和直徑0.8mm的漆包線。三、內(nèi)徑11.2mm玻璃毛細(xì)管。四、AB膠及膠帶等。五、木材、螺絲釘?shù)取Ａ硗膺€須要準(zhǔn)備電源供應(yīng)器。本實(shí)驗(yàn)的電源供應(yīng)器最好選擇能大范圍調(diào)整電壓和電流的類型。首先將玻璃毛細(xì)管切成約23公分長(zhǎng)，再用AB膠黏成一束(圖一)，裁切玻璃管時(shí)需留意切口鋒利傷人。玻璃毛細(xì)管束要能輕松塞入試管中，并且注意AB膠不要堵住毛細(xì)管口，玻璃毛細(xì)管

5、束于是構(gòu)成許多軸向穿孔(圖二) ，AB 膠黏合處盡可能靠近玻璃毛細(xì)管束的一端 (不須整支毛細(xì)管都涂滿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后，鎳鉻線兩端分別連接漆包線，確保鎳鉻線和漆包線能導(dǎo)通。再用藍(lán)色膠帶將漆包線裹在玻璃毛細(xì)管束上，避免漆包線拉扯鎳鉻線或鎳鉻線松脫。圖一：黏結(jié)完成的玻璃毛細(xì)管束。 圖二：玻璃毛細(xì)管構(gòu)成許多軸向穿孔。圖三：玻璃毛細(xì)管束的一端纏繞鎳鉻線。用木材制作一具簡(jiǎn)易的支架，以適當(dāng)方式將試管置于支架上，將一端纏繞鎳鉻線的玻璃毛線管置于試管中，導(dǎo)通鎳鉻線兩端的漆包線從試管口伸出即可。玻璃毛細(xì)管用鎳鉻線加熱的那頭向著試管封閉的底部，玻璃毛細(xì)管

6、加熱區(qū)域的位置，大約在靠近試管底部三分之一試管總長(zhǎng)度的地方(圖四) 。圖四：玻璃毛細(xì)管束的加熱區(qū)靠近試管底部約三分之一處。自制斯特林引擎的操作操作時(shí)需加熱，試管內(nèi)外的溫度都可能很高，務(wù)必小心，以免燙傷。先把電源供應(yīng)器的電壓調(diào)到最小，用鱷魚夾接通電源供應(yīng)器的輸出端和兩條從試管伸出的漆包線 (圖五)。逐漸調(diào)高電源供應(yīng)器的電壓，透過試管可以看到纏在玻璃毛細(xì)管一端的鎳鉻線開始發(fā)出暗紅色的光，再調(diào)高電源供應(yīng)器的輸出功率，使鎳鉻線發(fā)出亮橘色的光(急速再升溫)(圖六)。注意不可使鎳鉻線發(fā)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(fā)出很響的單音。圖五：電源供應(yīng)器提供電力使鎳鉻線加熱。 圖六：從鎳

7、鉻線發(fā)光的顏色和亮度，可大致判斷鎳鉻線的溫度。如果一直未發(fā)出聲響，可從試管垂直的方向，對(duì)試管口大力地吹口氣，或在試管口附近鼓掌，誘發(fā)熱聲效應(yīng)。通常如果對(duì)著空的試管這樣吹氣，就會(huì)像吹排笛時(shí)而發(fā)出的單音一般，試管只會(huì)發(fā)出聲音，但試管內(nèi)放入一端加熱的毛細(xì)管束制成的熱片堆，試管發(fā)出的聲音就會(huì)有好似回音一般的聲音，持續(xù)一段時(shí)間，這表示整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置完全正確，熱聲效應(yīng)也正常發(fā)生。此時(shí)再稍提高電源供應(yīng)器的輸出電壓使鎳鉻線溫度升高，試管就會(huì)持續(xù)發(fā)出相當(dāng)響的聲音了;或者也可經(jīng)過更急熱的程序先關(guān)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(huì)發(fā)出響聲。熱聲效應(yīng)引擎的改良與展望駐波型熱聲斯特林引擎的工作流體

8、，并未完全符合熱機(jī)循環(huán)的過程，所以效率較低。1998年左右C. M. de Blok等人發(fā)明行波型熱聲斯特林引擎，使其工作流體更合乎熱機(jī)循環(huán)的方式，將熱能轉(zhuǎn)換成聲音的能量，有效提高熱聲效應(yīng)斯特林引擎的效率。熱聲效應(yīng)斯特林引擎是一項(xiàng)新的能源技術(shù)，可以使用多元能源作為動(dòng)力，目前美國(guó)和中國(guó)在此領(lǐng)域有較出色的研究成果，所產(chǎn)生的聲波可用來(lái)推動(dòng)熱聲致冷機(jī)液化氣體或冷卻電子設(shè)備，也可用來(lái)發(fā)電雙缸斯特林引擎發(fā)電 極客迷（）在偏遠(yuǎn)地區(qū)，收聽廣播可能是唯一的娛樂，也是與文明世界溝通的管道，但偏遠(yuǎn)地區(qū)常無(wú)電力供應(yīng)，甚至連電池都難以取得。雖收音機(jī)本身輕巧耐用，因缺乏適當(dāng)?shù)碾娏?，收聽廣播變得十分麻煩，于是有人就想到利用

9、發(fā)條經(jīng)變速齒輪驅(qū)動(dòng)微型發(fā)電機(jī)，提供收音機(jī)所需微不足道的電力。斯特林引擎在某些場(chǎng)合也具有類似的功能，盡管至今為止小型輕巧的斯特林引擎之輸出功率，仍無(wú)法與尺寸相仿的內(nèi)燃機(jī)匹敵(極其微小的斯特林引擎與同尺寸內(nèi)燃機(jī)之比較，又另當(dāng)別論)，就收音機(jī)或小型照明設(shè)備而言，斯特林引擎之輸出功率卻恰到好處，并且具有燃料多元化、安靜、污染少、構(gòu)造簡(jiǎn)單耐用、保養(yǎng)方便等優(yōu)點(diǎn)。玻璃制的透明斯特林引擎作為教具，固然可以寓教于樂，令學(xué)生印象深刻，但如果能進(jìn)一步利用斯特林引擎作為動(dòng)力，制作相關(guān)的動(dòng)力機(jī)械，例如，裝配一輛汽車模型(注一)，或驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，并以此電力驅(qū)動(dòng)小功率電器，除了完整介紹引擎之原理、構(gòu)造和用途，更能演示熱學(xué)

10、原理、能量守恒原理、發(fā)電機(jī)負(fù)載原理，使斯特林引擎教具不但在高中、大學(xué)之物理學(xué)教學(xué)有用，也能應(yīng)用在技職課程之教學(xué)和科普教育。本文介紹這一部雙缸水平并臥透明試管引擎發(fā)電設(shè)備，由兩具特別設(shè)計(jì)的斯特林引擎(注二)組合而成，其內(nèi)部構(gòu)造和運(yùn)轉(zhuǎn)情形一目了然。盡管乍見其外觀(圖一)，構(gòu)造似乎有些復(fù)雜，裝配過程好像頗棘手，但其獨(dú)特的設(shè)計(jì)已降低了精度的要求，不難成功自制，正適合有興趣的讀者大顯身手。圖一：試管引擎的實(shí)物照片，攝于2004年4 月14 日。一、自制這款引擎所需的材料：1. 外徑1.85 cm、內(nèi)徑1.7 cm 的試管二個(gè)，外徑1.63 cm，內(nèi)徑1.45 cm 的試管二個(gè)(化學(xué)實(shí)驗(yàn)室或玻璃儀器行一定

11、有，價(jià)格各約二、三十元臺(tái)幣);2. 粗約0.4 mm(0.016 號(hào))的吉他鋼弦(樂器行有售，35 元一條);3. 長(zhǎng)約16 cm，橫截面2×3 mm2 的鋁桿二支;4. 玻璃毛細(xì)管(外徑5.8 mm，內(nèi)徑0. 45mm，學(xué)校實(shí)驗(yàn)室找得到);5. 直徑1.5 mm，長(zhǎng)10 cm 的鋼棒兩根(就是尚未攻牙的鉆頭，鉆頭工廠有賣);6. 內(nèi)徑1.3 cm，長(zhǎng)約7cm 的玻璃管二個(gè);7. 內(nèi)徑8 mm 的玻璃管;8. 內(nèi)徑2.2 mm，長(zhǎng)約20 cm 的橡皮管;9. 內(nèi)徑15 mm，長(zhǎng)約20 cm 的鋁棒一根;10. 直徑20 mm，長(zhǎng)約20 cm 的PE 棒(以上五項(xiàng)，臺(tái)北市太原路都找得到

12、);11. 白楊木條若干(五金行有售)。二、自制附屬發(fā)電機(jī)所需的材料：1. 直徑0.3 mm 的漆包線80 m;2. 直徑3 cm，厚6 mm 的銣鐵硼稀土磁鐵(俗稱強(qiáng)力磁鐵)兩塊。3. 雙面膠。三、所需的工具：小型車床和鉆床、鉆石輪鋸(五金工具行有售，售價(jià)僅臺(tái)幣數(shù)百元);美工刀、砂紙;AB 膠、熱熔膠等。四、純手工裝配的制程：圖一為本車的全貌，雙缸水平并臥，以95度藥用酒精為燃料。利用具有彈性的吉他琴鋼弦，經(jīng)內(nèi)徑很細(xì)(約0.4 mm)的玻璃毛細(xì)管伸入試管制成的溫差氣室中，牽移其中以較小試管制成的移氣胴體，借著空氣的黏滯性達(dá)到很好的氣密效果。汽缸為內(nèi)徑1.3 cm，長(zhǎng)7 cm 的玻璃管，活塞以

13、鋁棒車制;吉他鋼弦連接白楊木制移氣連桿的部位，又受一內(nèi)徑8 mm 的玻璃管局限，俾能確保高轉(zhuǎn)速時(shí)引擎之正常運(yùn)轉(zhuǎn)。裝配時(shí)，車體大致可分為五大部分：(一)鋁制活塞和玻璃管構(gòu)成的汽缸;(二)套合大小兩試管構(gòu)成的溫差氣室;(三)曲軸和軸承組件;(四)發(fā)電機(jī);(五)發(fā)光二極管負(fù)載。首先，用白楊木制成H 型支架，支架上方有兩PE棒車成的軸承，兩塊直徑3cm，厚6mm的銣鐵硼稀土磁鐵，夾在直徑1.5 mm，長(zhǎng)10 cm的鋼棒中段，此稀土磁鐵兼有發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子和飛輪的功能，鋼棒作為轉(zhuǎn)軸置于軸承中，轉(zhuǎn)軸兩端分別裝上由白楊木制成的曲柄，兩曲柄的相對(duì)角度可以隨意，把另一根直徑1.5mm 的鋼棒鋸成兩截，各長(zhǎng)2.5 cm

14、，作為曲軸，曲軸裝在曲柄上。整個(gè)H 型支架安裝在木板底座上(圖二)。圖二：白楊木制成H型支架，支架上方有兩PE棒車成的軸承，轉(zhuǎn)軸兩端分別裝有白楊木制成的曲柄和鋼棒曲軸。選用兩支內(nèi)徑1.3 cm，長(zhǎng)約7.0 cm的玻璃圓管，作為汽缸。再將直徑約1.5 cm的鋁棒，車成恰可在汽缸中滑動(dòng)的活塞，活塞長(zhǎng)2.5 至4.0 cm。用鉆頭將此活塞中心掏出一個(gè)直徑約0.9 cm 的圓穴，使此活塞成為圓柱形杯狀物(圖三)。圖三：鋁制活塞、玻璃汽缸和鋁制動(dòng)力連桿的特寫鏡頭，活塞和動(dòng)力連桿以習(xí)用方式連接。在圓穴中塞入一支PE制成的小圓管，此小圓管橫向穿有一小截直徑1.0 mm的鋼棒，作為活塞插銷，將其穿過鋁制動(dòng)力連

15、桿一端的小孔。動(dòng)力連桿長(zhǎng)約8cm，橫截面2×3 mm2，被充分鏤空，一方面保留其強(qiáng)度和剛性，另一方面減輕其重量，動(dòng)力連桿另一端的小孔套在曲軸上。兩個(gè)汽缸下方都以適當(dāng)大小的PE棒制成的杯狀物塞住，此PE杯狀物杯口朝向汽缸，側(cè)面鉆一小孔恰容內(nèi)徑2.2mm的橡皮管塞入， 兩個(gè)汽缸都位于轉(zhuǎn)軸兩端之曲柄下方，用AB 膠垂直黏在木板底座上(圖四)。圖四：兩個(gè)汽缸都位于轉(zhuǎn)軸兩端曲柄下方，用AB膠垂直黏在木板底座上。其次，取內(nèi)徑1.7cm和外徑1.63 cm的試管各一個(gè)，將較小試管的長(zhǎng)度裁短成12 cm，并將管口以PE棒車成的塞子塞住。此塞子中心鉆一小孔，小孔中插入吉他鋼弦，以這個(gè)較小的試管作為移氣

16、胴體。被鋸成長(zhǎng)14.2cm的較大試管作為溫差氣室，將移氣胴體置于其中，較大試管管口也用PE棒制成的塞子塞住，但此塞子中心鉆一恰容玻璃毛細(xì)管(外徑5.8 mm，內(nèi)徑0.4 mm)的孔，將玻璃毛細(xì)管塞入，自然密封其間隙。同時(shí)另外鉆一恰容內(nèi)徑2.2 mm的橡皮管塞入的小孔，將內(nèi)徑2.2mm，適當(dāng)長(zhǎng)度的橡皮管，分別塞入該小孔和汽缸底部杯狀物的小孔，以連通汽缸和溫差氣室。玻璃毛細(xì)管再套上一截內(nèi)徑8mm的玻璃管，牽動(dòng)小試管的吉他鋼弦由玻璃毛細(xì)管穿出，并以AB膠將吉他鋼弦與白楊木制長(zhǎng)20cm的移氣連桿牢牢黏好。白楊木制移氣連桿與吉他鋼弦連接處制成膨大的金針菇形，此金針菇頭的部分局限在內(nèi)徑8mm的玻璃管中往復(fù)

17、運(yùn)動(dòng)(圖五)，白楊木制移氣連桿另一端有一小孔套在曲軸上。兩溫差氣室完成后，分別以適當(dāng)高度的支架水平安裝妥當(dāng)。圖五：白楊木制移氣連桿與吉他鋼弦連接處制成膨大的金針菇形，此金針菇頭的部分局限在內(nèi)徑8mm的玻璃管中往復(fù)運(yùn)動(dòng)。再則，將漆包線纏繞在直徑4cm的圓柱體，漆包線再覆上一層雙面膠，雙面膠上再纏繞一層漆包線，即以一層雙面膠一層漆包線的方式纏繞約三百匝，之后把直徑4cm的圓柱體取出，即制成線圈，并以熱熔膠黏在盡可能靠近稀土磁鐵的地方，使稀土磁鐵轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)線圈的磁通量變化愈大愈好。最后，線圈連接發(fā)光二極管，即大功告成(圖六)。圖六：發(fā)電機(jī)線圈和發(fā)光二極管特寫。五、運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)電：以酒精燈火焰直接加熱試管底部約

18、30秒，試管被燒燙之后，試管內(nèi)壁會(huì)達(dá)到適當(dāng)溫度，用手推動(dòng)磁鐵，引擎啟動(dòng)，至高速時(shí)打開發(fā)電機(jī)開關(guān)，發(fā)電機(jī)發(fā)電后可點(diǎn)亮發(fā)光二極管(圖七)。圖七、引擎運(yùn)轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，電力供給發(fā)光二極管發(fā)光。六、改進(jìn)的空間：此引擎設(shè)備具有兩項(xiàng)特點(diǎn)：(1)引擎為雙缸，功率較大;(2)以簡(jiǎn)易發(fā)電機(jī)發(fā)電，成功驅(qū)動(dòng)小功率電器。當(dāng)然，此原型機(jī)仍有改進(jìn)空間，例如：(a)為降低成本，此原型機(jī)使用極廉價(jià)的試管，高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)有震破之虞。若要長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)，宜再縮小試管尺寸，減輕其重量，以降低各種運(yùn)動(dòng)狀況時(shí)之受力，或選用較堅(jiān)韌的試管。(b)此原型機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，雖力量不小，但可加裝散熱裝置和飛輪，使引擎運(yùn)轉(zhuǎn)更為順利。(c)因?yàn)橐孀罴压β?/p>

19、輸出發(fā)生在高轉(zhuǎn)速時(shí)(引擎空轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)速可高800 rpm)，發(fā)電機(jī)負(fù)載的大小可更進(jìn)一步最佳化。球管式斯特林熱機(jī) 極客迷（）請(qǐng)先觀看“球管式斯特林熱機(jī)”的視頻演示：同時(shí)也請(qǐng)大家猜想一下它的工作原理應(yīng)該是什么呢? 該裝置(如圖)是利用空氣作為工作物質(zhì)，用玻璃球作為移氣物體。初始狀態(tài)，調(diào)節(jié)橡皮筋在支柱上的高度，使試管左端低右端高，玻璃球位于左端。點(diǎn)燃酒精燈，在試管右端加熱片刻，管內(nèi)空氣受熱膨脹，推動(dòng)注射器的外管逐漸升高，改變了試管的傾斜角度。試管左端升高后，試管內(nèi)玻璃球向右端滾動(dòng)。當(dāng)玻璃球剛滾動(dòng)到右端時(shí)，注射器和試管左端突然下降，球又重新回到試管的左端。之后又重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)過程，其動(dòng)作十分有趣。加熱幾秒鐘

20、，當(dāng)撤掉酒精燈后，它還可以利用試管余熱工作一段時(shí)間。此裝置巧妙地利用了玻璃球在試管中的滾動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)空氣的移動(dòng);其次，利用了注射器的密封性好，摩擦力小的特性來(lái)實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使人拍案叫絕! 在該裝置的啟發(fā)下，又有人制作了金屬管式的“斯特林”熱機(jī)模型(如上圖)，其特點(diǎn)在于堅(jiān)固耐用，更具神秘感，而動(dòng)作效果與球管式大體相同，以上示例中的球管式“斯特林”熱機(jī)模型由日本學(xué)者鹿兒島工作高等專科學(xué)校江崎秀司教授制作，金屬管式“斯特林”熱機(jī)模型由廣西師范大學(xué)科學(xué)教育研究所韓長(zhǎng)明教授制作。高速斯特林引擎 極客迷（）石油總會(huì)有用完的一天!屆時(shí)所有依賴石化油料的引擎都將停擺，雖然世人抱著今朝有酒今朝醉的心態(tài)，但這個(gè)無(wú)可避

21、免的問題終究必須解決。即使油料不虞匱乏，敢于超越現(xiàn)狀的人都不禁要問：有沒有比現(xiàn)有引擎更好的引擎?真有像“回到未來(lái)”電影那樣連燒鞋子、寶特瓶等廢物也都能發(fā)動(dòng)，又無(wú)污染的引擎嗎?有的!這引擎叫作斯特林引擎，不但燒垃圾就能運(yùn)轉(zhuǎn)，而且可以使用包括工廠廢熱、酒精、天然氣、煤、再生能源、核能、地?zé)?、太?yáng)能、海水溫差、甚至日夜溫差等在內(nèi)的一切熱能;不但能用在工廠、家庭中，也能用在深海、外太空。隨著近年科技之進(jìn)步，面對(duì)必須惜用周遭一切能源的未來(lái)，斯特林引擎基于其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，很可能是真的“去到未來(lái)”之后最理想的引擎。先進(jìn)各國(guó)正在積極開發(fā)應(yīng)用在各領(lǐng)域的新機(jī)型，大規(guī)模人力物力的投入方興未艾，相關(guān)的專利如雨后春筍。但

22、臺(tái)灣在這方面的研究稍嫌落后，大眾對(duì)此引擎十分陌生。斯特林引擎除了排放廢氣污染空氣的程度可以降到最低、運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)噪音小、可使用多元能源之外，構(gòu)造簡(jiǎn)單也是這款引擎的重要特征，簡(jiǎn)單到用小玻璃試管、木材、和吉他的鋼弦就能自制一具不折不扣的斯特林引擎;用到最精密的工具也不過是高中工藝教室就能找到的小型車床。喜歡嗎?何不靠自己動(dòng)手制作一具。DIY高速斯特林引擎所需器材·內(nèi)徑10mm、8mm、1.2mm的玻璃管各一支。·直徑約1.5cm的鋁棒(建議在臺(tái)北市太原路可貨比三家)。·直徑0.6mm的玻璃纖維桿一支(釣具店有售，日本進(jìn)口的最好，價(jià)錢也合理)。·木條和木板(B&am

23、p;Q特立屋貨色齊全)。·內(nèi)徑2.2mm、外經(jīng)約3.5mm、長(zhǎng)約20cm的橡皮管一條，以及制作試管塞子的PE棒一根(臺(tái)北市太原路塑膠材料行內(nèi)均可見)。·外徑約15.4mm的玻璃試管一支(要能置于內(nèi)徑16mm的玻璃試管中滑動(dòng))。·直徑約0.35mm(0.016號(hào))的吉他鋼弦一根(樂器行有售，挑選沒有生銹的)。·內(nèi)徑約16mm的玻璃試管一支(化學(xué)實(shí)驗(yàn)室或玻璃儀器行都一定有玻璃試管和玻璃管，價(jià)格約2030元臺(tái)幣)。·外徑5.8mm、內(nèi)徑約0. 4mm的玻璃毛細(xì)管一支(學(xué)校實(shí)驗(yàn)室應(yīng)該找的到，以能容納吉他鋼弦從中穿過為原則)。·直徑1.0mm的

24、鋼棒二根(鋼棒可向賣鉆頭的廠商買，事實(shí)上就是尚未車制出螺紋的鉆頭，鋼棒用作轉(zhuǎn)軸，內(nèi)徑1.2mm的玻璃管用作軸承。當(dāng)然，同樣粗細(xì)的碳纖維桿也可作為轉(zhuǎn)軸)。·制作飛輪用的珍珠板和銅片。·用到的工具包括有：小型車床和鉆床、鉆石輪鋸(五金工具行有售，售價(jià)僅臺(tái)幣數(shù)百元);美工刀、砂紙;AB膠等。斯特林引擎的制作過程圖一為本引擎的全貌，約3.9 cc單汽缸，以95°醫(yī)用酒精為燃料(當(dāng)然98 或95 無(wú)鉛汽油也成，但燃燒汽油非常危險(xiǎn)，不僅揮發(fā)性高，熱量驚人，因而安全堪慮;使用無(wú)煙蠟燭作燃料是最佳的選擇，因?yàn)榧词勾蚍膊恢掠趧×胰紵?。圖一：分別從自制斯特林引擎的前方(A)和后方

25、(B)拍下的實(shí)物照片，這引擎看起來(lái)十分簡(jiǎn)潔。利用鉆石輪鋸，將外徑1.2 cm 、內(nèi)徑1.0 cm 的玻璃圓管鋸成約7 cm 長(zhǎng)，作為汽缸。并且使用小型車床，將直徑約1.5 cm的鋁棒，車成恰好可在汽缸中滑動(dòng)的活塞，活塞長(zhǎng)約2.2 cm。用鉆頭將此活塞中心掏出一個(gè)直徑約0.6 cm 的圓穴，使此活塞成為圓杯狀。在圓穴中塞入小圓木柱，木柱中心有一孔，塞入直徑0.6 mm 的玻璃纖維桿，用AB 膠黏合木柱、活塞和玻璃纖維桿，此玻璃纖維桿待組裝時(shí)再與白楊木制成的動(dòng)力連桿黏合。以PE 棒制成的底座塞住汽缸底部， PE 棒軸心挖出一個(gè)直徑6 mm 朝向汽缸的穴，側(cè)面再鉆直徑3.5 mm 的孔通入穴中，此孔

26、恰容外徑約3.5 mm 的橡皮管塞入，使橡皮管可經(jīng)PE棒連通汽缸(圖二)。圖二：鋁制活塞、活塞上的玻璃纖維桿、橡皮管、玻璃汽缸、汽缸下方PE底座的特寫鏡頭。其次，將外徑15.4 mm 玻璃試管的長(zhǎng)度裁短成5cm，并將管口以PE棒車成的塞子塞住，此塞子中心鉆一小孔，塞入吉他鋼弦，使吉他鋼弦牽動(dòng)這個(gè)較小試管作成的移氣胴體。內(nèi)徑約16 mm 的較大玻璃試管作為溫差氣室，將較小試管置于其中，大試管管口也用PE 棒制成的塞子塞住，此塞子一端密合大試管，另一端較細(xì)，直徑略小于8 mm ，塞子軸心鉆一恰容玻璃毛細(xì)管(內(nèi)徑0.4 mm ，外徑5.8 mm)的孔，將玻璃毛細(xì)管塞入，塞子較細(xì)一端再套上一截內(nèi)徑8m

27、m 的玻璃管。塞子另外鉆一恰容外徑3.5 mm 的橡皮管塞入的小孔。牽動(dòng)小試管的吉他鋼弦由玻璃毛細(xì)管穿出，并以AB 膠與白楊木制的移氣連桿(長(zhǎng)13cm)牢牢黏好，小試管被移氣連桿牽動(dòng)，在大試管中至少要能夠往復(fù)移動(dòng)17 mm 。白楊木連桿與吉他鋼弦連接處雕刻成一金針菇形的膨大結(jié)構(gòu)，金針菇形的膨大結(jié)構(gòu)于往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)均在內(nèi)徑8 mm長(zhǎng)約3 cm的玻璃管中，以確保吉他鋼弦順利伸入內(nèi)徑0.4 mm 玻璃毛細(xì)管(圖三)。圖三：移氣胴體、溫差氣室、內(nèi)徑8 mm玻璃管和其中金針菇形膨大結(jié)構(gòu)的特寫鏡頭。內(nèi)徑1.2 mm ，鋸成4 cm 長(zhǎng)的玻璃管作為軸承，直徑1 mm 的鋼棒恰可于其中輕易轉(zhuǎn)動(dòng)，作為轉(zhuǎn)軸。鋼棒轉(zhuǎn)軸

28、一端裝有白楊木制的曲柄，曲柄上設(shè)有另一根較短的(直徑也是1 mm )鋼棒，作為曲軸。曲軸和轉(zhuǎn)軸的垂直距離約8mm，兩者雖不在同一直線上，但應(yīng)力求平行;鋼棒轉(zhuǎn)軸另一端裝有飛輪(圖四)，飛輪用珍珠板制成，飛輪黏在鋼棒轉(zhuǎn)軸上由PE 棒制成的圓盤，飛輪外緣則黏上銅片以增加其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(rotational inertia)。圖四：曲柄、曲軸、轉(zhuǎn)軸、飛輪、玻璃軸承的特寫鏡頭。組裝時(shí)，鏤空一木質(zhì)支架，支架上方鉆一孔，孔中插入玻璃軸承，鋼棒轉(zhuǎn)軸、飛輪、曲柄、曲軸均安裝妥當(dāng)，這個(gè)軸承支架先固定在木質(zhì)底座上，軸承距木質(zhì)底座的高度約12.5 cm 。另外再用木條制作氣室支架，用AB 膠將試管制成的溫差氣室直接黏在支

29、架上，具有膨大結(jié)構(gòu)之移氣連桿另一端的小孔先套在曲軸上，用手撥動(dòng)轉(zhuǎn)軸，調(diào)整氣室支架位置，使較小試管制成的移氣胴體在溫差氣室中被牽動(dòng)而往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，不會(huì)撞到較大試管的底部，也不會(huì)撞到試管管口的塞子，由此確定這氣室支架的位置之后，將其用AB膠黏在底座上。汽缸則固定于轉(zhuǎn)軸正下方，活塞置于其中，動(dòng)力連桿一端的小孔也套在曲軸上，活塞上的玻璃纖維桿先暫時(shí)用雙面膠黏在動(dòng)力連桿上，試著轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)軸，看看活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)不會(huì)撞到汽缸底部或超出汽缸管口，再用AB膠黏合玻璃纖維桿和動(dòng)力連桿。最后用外徑3.5 mm 的橡皮管連通汽缸和溫差氣室，引擎即告完成。發(fā)動(dòng)引擎這具經(jīng)筆者簡(jiǎn)化的引擎，零件特別少，只有寥寥幾樣;組裝容許較大誤

30、差，頂多用上直尺作參考來(lái)目測(cè)一下，看看該垂直的地方是否大概垂直，該平行的地方是否大概平行而已，根本無(wú)需精密工具，所花的時(shí)間大多用在等待每一步驟的AB 膠完全硬化(約半小時(shí));連軸承甚至都用現(xiàn)成的玻璃管，各項(xiàng)零件之制程簡(jiǎn)單，唯一要求精度的地方是活塞要與汽缸維持一定的氣密，但這精度幾乎任何車床加工活塞時(shí)都可以辦到。因此，發(fā)生失誤而盡棄前功的機(jī)率微乎其微。走筆至此，所有膠都應(yīng)該硬化穩(wěn)定了吧，可以開始點(diǎn)著酒精燈，用火焰直接加熱試管底部，約3040 秒后，撥動(dòng)飛輪，這具手工制作的引擎隨即靜靜地加速運(yùn)轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速可以快到每分鐘 600 轉(zhuǎn)以上(圖五)。圖五：引擎轉(zhuǎn)動(dòng)的情形，底片曝光時(shí)間1秒。最佳化的空間這具高

31、速斯特林引擎還有改進(jìn)的空間。例如，在不增加飛輪重量的前提下，增加飛輪的剛性和其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;盡可能減輕連桿的重量;最佳化直徑0.6mm 玻璃纖維桿的彈性;改變儀器胴體的材質(zhì)，使其又輕又強(qiáng)韌;乃至于用散熱面積大、導(dǎo)熱性高的材質(zhì)制作溫差氣室的支架，使溫差氣室可以長(zhǎng)時(shí)間保持溫度差。第一步：材料與工具準(zhǔn)備：首先要準(zhǔn)備的材料與工具如表1、表2 所示。表1 材料表名稱 規(guī)格 數(shù)量 備注試管 18 x 150mm 1支 附橡皮塞玻璃針筒 10 ml 1 支 作為活塞銅管 內(nèi)徑約2mm 2段銅棒 2mm 1根光碟片 1片鉛線 約1.5mm 1包 曲軸鐵絲 細(xì) 固定鋼絲絨用鋼絲絨 1包 移氣活塞塑膠軟管 3 mm

32、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(nèi)徑約1.5mm 若干小鐵釘 約1.5mm 若干 軸用冰棒棍 若干表二：工具表名稱 數(shù)量 備注剪刀 1美工刀 1剪嘴鉗 1 制作曲軸虎鉗 1 制作曲軸線鋸 1 切割木板電鉆 1直尺 1記號(hào)筆 1 做記號(hào)實(shí)驗(yàn)室酒精燈 35組 亦可用蠟燭代替工業(yè)酒精 2瓶鐵鎚 1 釘制基架材料圖：第二步：制作步驟(一)利用手搖鉆(或小電鉆)將橡皮塞鉆出兩個(gè)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?；钊L(zhǎng)度約為試管長(zhǎng)度的一半。(三)將做好的移氣活塞組合上試管

33、。并裝上塑膠軟管與鉆孔的小木塊(連結(jié)軸用)。(四)將玻璃針筒以熱熔膠固定在木條上，并用橡皮筋加強(qiáng)固定。針筒后方黏上鉆孔的小木塊，以備之后連結(jié)軸用。斯特林發(fā)動(dòng)機(jī) (五)同樣將試管固定在木條上。然后以塑膠軟管連接。 (六)此時(shí)可以稍作測(cè)試。加熱試管前端，拉動(dòng)移氣活塞，看看針筒是否會(huì)前后伸縮移動(dòng)。如沒有，則應(yīng)該檢查是否出現(xiàn)漏氣現(xiàn)象。(七)在木條前 10mm 鉆一1.5mm 的孔，接著依下列尺寸，將鉛線彎曲制作曲軸，并黏合光碟片。要注意針筒與移氣活塞必須有相差90 度的相位角。 (八)計(jì)算移氣活塞的活動(dòng)長(zhǎng)度，在冰棒棍上適當(dāng)鉆孔以符合，將木條與冰棒棍切割鉆孔。 (九)最后將鉆孔完畢的冰棒棍以小鐵釘組合上去，即完成本次活動(dòng)制作。 第三步：測(cè)試與完成要使自制的Stirling Engine運(yùn)作，首先在試