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，鐳射切割的鋁片，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。前不久我們網路文摘收過一篇文章，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專案，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，裡面的氣體（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溫度差存在，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，而且比裡面是熱咖啡（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說，因為沒有氣體爆炸，所以大大降低了噪音汙染。

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，但現在來說好像足夠分明瞭，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。雖然說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，會產環境汙染的問題，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，只要能夠產生溫差，

就能夠成為運作的能源，因此使用低溫流體，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、運作的溫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。畢竟高溫差使得其運作效率提高，但也相對的會使活塞機構產生高溫或低溫侵蝕性的影響，引響運作壽命。

2、雖然在低溫差可以運作，但要在低溫差下產生大量的動能時，引擎的體積就會很巨大。

3、高低溫差的控制很困難，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，但這些氣體不易儲存。

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溫冷凍上。

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。然後以塑膠軟管連線。

(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，接著依下列尺寸，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，試著轉動光碟片即可。如果旋轉不夠順利，試著微調相位角度;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