雙缸斯特林引擎發(fā)電機(jī)制作方法

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發(fā)條經(jīng)變速齒輪驅(qū)動微型發(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力，制作相關(guān)的動力機(jī)械，例如，裝配一輛汽車模型（注一），或驅(qū)動發(fā)電機(jī)發(fā)電，并以此電力驅(qū)動小功率電器，除了完整介紹引擎之原理、構(gòu)造和用途，更能演示熱學(xué)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，外徑1.63 cm，內(nèi)徑1.45 cm 的試管二個（化學(xué)實(shí)驗室或玻璃儀器行一定有，價格各約二、三十元臺幣）;

2. 粗約0.4 mm（0.016 號）的吉他鋼弦（樂器行有售，35 元一條）;

3. 長約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)驗室找得到）;

5. 直徑1.5 mm，長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，長約7cm 的玻璃管二個;

7. 內(nèi)徑8 mm 的玻璃管;

8. 內(nèi)徑2.2 mm，長約20 cm 的橡皮管;

9. 內(nèi)徑15 mm，長約20 cm 的鋁棒一根;

10. 直徑20 mm，長約20 cm 的PE 棒（以上五項，臺北市太原路都找得到）;

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，售價僅臺幣數(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7 cm 的玻璃管，活塞以鋁棒車制;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)速時引擎之正常運(yùn)轉(zhuǎn)。裝配時，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，兩曲柄的相對角度可以隨意，把另一根直徑1.5mm 的鋼棒鋸成兩截，各長2.5 cm，作為曲軸，曲軸裝在曲柄上。整個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的活塞，活塞長2.5 至4.0 cm。用鉆頭將此活塞中心掏出一個直徑約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、玻璃汽缸和鋁制動力連桿的特寫鏡頭，活塞和動力連桿以習(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，將其穿過鋁制動力連桿一端的小孔。動力連桿長約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，動力連桿另一端的小孔套在曲軸上。兩個汽缸下方都以適當(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，將較小試管的長度裁短成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，以這個較小的試管作為移氣胴體。被鋸成長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)運(yùn)動（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。

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)動時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30秒，試管被燒燙之后，試管內(nèi)壁會達(dá)到適當(dāng)溫度，用手推動磁鐵，引擎啟動，至高速時打開發(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)備具有兩項特點(diǎn)：（1）引擎為雙缸，功率較大;（2）以簡易發(fā)電機(jī)發(fā)電，成功驅(qū)動小功率電器。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)使用極廉價的試管，高速運(yùn)轉(zhuǎn)時有震破之虞。若要長時間運(yùn)轉(zhuǎn)，宜再縮小試管尺寸，減輕其重量，以降低各種運(yùn)動狀況時之受力，或選用較堅韌的試管。（b）此原型機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時，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）因為引擎最佳功率輸出發(fā)生在高轉(zhuǎn)速時（引擎空轉(zhuǎn)時轉(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。