自制斯特林发动机制作教程及斯特林发动机原理、图纸

生活DIY | 电子 / 作者:可乐 / 时间:2014-05-10 /74841℃

一杯咖啡不能化身为一杯汽油,但是它一样可以用来驱动一个发动机,只不过这个发动机有点特别,是用硬纸板做成的小型发动机,当然也不是全部用硬纸板做成,还包括黄金冲件,激光切割的铝片,低摩擦的塑料轴承以及弹性钢丝。来自德国一家叫作Astromedia,以生产硬纸板小发明和小玩意为主的公司。        

这个能在一杯热咖啡上就能转起来的发动机,正是斯特林发动机(Stirling engine),由于能源,环境和可持续发展等人类问题的影响,人们开始热衷发展斯特林发动机,由Robert Stirling(罗伯特斯特林)在1816年发明的外燃发动机。前不久我们网络文摘收过一篇文章,讲著名的发明家Dean Kamen(Segway的发明者)也在挪威成立一个公司,投身于他的下一个大项目,就是使用斯特林发动机的交通工具的计划。         

斯特林发动机是活塞式热气发动机,在外部加热密封气室,里面的气体(氢气或氦气)膨胀推动活塞做功,膨胀后的气体在冷气室冷却,然后进入下一个流程。同样只要有一定值的温度差存在,都可以形成斯特林发动机,比如上面这个咖啡杯上的斯特林发动机,如果下面是冰块,它也能转起来,而且比里面是热咖啡(或热水)还要持久,一个小时左右。斯特林发动机可以使用多种的燃料,各种可燃气体估计是最佳材料,Dean Kamen还用牛粪来作过燃料。而且排气洁净,还有一个优势相对于内燃机来说,因为没有气体爆炸,所以大大降低了噪音污染。        

这个“玩意”是不是设计也没什么值得讨论的,以前人们总是很难分辨设计师或者发明家,但现在来说好像足够分明了,设计师是明星,艺术家……,而在国内发明家基本都是农民。如果你既是设计师,又是发明家,那么肯定会得到更多人的敬佩(人人喜欢hardcore),如果你还有商业头脑,那你就是下一个Dyson了。虽然说学科细分很难让普通人精通几般武艺,但这不是100%的,因为一方面设计本来就是知识面广泛的学科,有深入钻研的机会,另外还有想成为非普通人的普通人呢。下面是这个咖啡杯上的斯特林发动机一个gif小动画。

斯特林发动机简介:斯特林引擎(Stirling Engine)的优势特色与问题

  从 Stirling Engine 的原理与结构来看,它有几项颇具优势的特点:

  1.、其使用外部热源,因此只要是能够产生热,皆可用来做为推动的能源,

  所以并不仅限于可燃烧的燃料。而由于内燃机常令人诟病其排放的废气,会产环境污染的问题,因此能够使用地热、太阳能等自然的能源来运作StirlingEngine,显然在此方面是具有优势的。


斯特林发动机原理

  2.、虽然Stirling Engine 常被归类于外燃机,但实际上,只要能够产生温差,

  就能够成为运作的能源,因此使用低温流体,如乾冰、或冰水,同样可使Stirling Engine 进行运作。

  3.、由于Stirling Engine 外部热源与工作气体(Working gas)是分开的,因

  此没有燃烧废弃物堆积于内部的问题,使用的润滑油周期较持久。

  4、由于热源位于外部,因此在调整控制上,比内燃机容易得多。

  5、 热源的提供是连续性的,较不会有燃料燃烧不全的情形。

  6、比起其他引擎,它的构造很简单,不需要阀门,也没有化油器等机构。

  7、运作的温度与压力比起蒸气引擎或内燃式引擎要低且安全的多,因此引擎强度与重量不需要很要求很高。

  8、没有燃烧爆炸的作用,运作也很安静,没有剧烈的震动。

  以上就是 Stirling Engine 的发展优势。然而,既然Stirling Engine 具有优势,但为何当初它并没有成为普遍的动力系统?显然它仍然有一些问题有待克服或替代方桉:


斯特林发动机原理

  1、无法避免热源对热室的侵蚀。毕竟高温差使得其运作效率提高,但也相对的会使活塞机构产生高温或低温侵蚀性的影响,引响运作寿命。

  2、虽然在低温差可以运作,但要在低温差下产生大量的动能时,引擎的体积就会很巨大。

  3、高低温差的控制很困难,尤其取决于引擎的隔热包装技术。如果无法有效控制,会徒增能源的散逸,减低效率。

  4、刚开始Stirling Engine 无法迅速运转,它必须经过一段“暖机时间”。

  5、要改变它的能量输出等级是很难的,它无法像内燃机一样用燃油多寡直接去控制动力的大小。

  6. 最好的工作气体是使用氢等分子量小的气体,但这些气体不易保存。

  所以,以上的这些特性与问题,造成了 Stirling Engine 发展的兴衰。尽管如此,Stirling Engine 仍被利用在进行乾淨、环保的长时期稳定运作的电力生产与低温冷冻上。


斯特林发动机原理

第一步:材料与工具准备:首先要准备的材料与工具如表1、表2 所示。

  表1 材料表

  名称 规格 数量 备注

  试管 18 x 150mm 1支 附橡皮塞

  玻璃针筒 10 ml 1 支 作为活塞

  铜管 内径约φ2mm 2段

  铜棒 φ2mm 1根

  光碟片 1片

  铅线 约φ1.5mm 1包 曲轴

  铁丝 细 固定钢丝绒用

  钢丝绒 1包 移气活塞

  塑胶软管 φ3 mm 1段

  木条 180 x 10 x 8 mm 1支 木条

  木板 若干 基座

  热熔胶 若干

  橡皮筋 2 条 固定试管及针筒

  小螺帽 内径约φ1.5mm 若干

  小铁钉 约φ1.5mm 若干 轴用

  冰棒棍 若干

  表二:工具表

  名称 数量 备注

  剪刀 1

  美工刀 1

  剪嘴钳 1 制作曲轴

  虎钳 1 制作曲轴

  线锯 1 切割木板

  电钻 1

  直尺 1

  记号笔 1 做记号

  实验室酒精灯 3~5组 亦可用蜡烛代替

  工业酒精 2瓶

  铁鎚 1 钉制基架

  材料图:

  第二步:制作步骤

  (一)利用手摇钻(或小电钻)将橡皮塞钻出两个孔,一为连通气室用,一为交换器用

  (二)将钢丝绒以小铁丝绑绕在铜棒上,製成移气活塞。活塞长度约为试管

  长度的一半。

  (三)将做好的移气活塞组合上试管。并装上塑胶软管与钻孔的小木块(连

  结轴用)。

  (四)将玻璃针筒以热熔胶固定在木条上,并用橡皮筋加强固定。针筒后方

  黏上钻孔的小木块,以备之后连结轴用。

斯特林发动机

(五)同样将试管固定在木条上。然后以塑胶软管连接。

(六)此时可以稍作测试。加热试管前端,拉动移气活塞,看看针筒是否会前后伸缩移动。如没有,则应该检查是否出现漏气现象。

(七)在木条前 10mm 钻一φ1.5mm 的孔,接着依下列尺寸,将铅线弯曲制作曲轴,并黏合光碟片。要注意针筒与移气活塞必须有相差90 度的相位角。

(八)计算移气活塞的活动长度,在冰棒棍上适当钻孔以符合,将木条与冰棒棍切割钻孔。

(九)最后将钻孔完毕的冰棒棍以小铁钉组合上去,即完成本次活动制作。

第三步:测试与完成

  要使自制的Stirling Engine运作,首先在试管下至一酒精灯,待烧热约1分钟,试着转动光碟片即可。如果旋转不够顺利,试着微调相位角度;又或者旋转的连续性(贯性)不够,可在光碟片上夹上小夹子,以增加其惯性转动力量。

  注意事项:

  虽然,本次制作的 Stirling Engine 教具结构简单,但整个史特灵引擎制作的关键,就在曲轴与活塞,因此有几点影响制作成功与否的关键要点要注意:

  1. 气体交换室(试管)的密闭性要高,尽量不要有漏气现象。

  2. 曲轴角度要呈90 度,移气活塞的相位角要比活塞提前90 度。

  3. 移气活塞的铜棒管接合处,要尽量能滑顺,但又不能有大量漏气现象,挑选铜管与铜棒时,公差要配合好。

  4. 曲轴旋转的流畅度是关键,这个部份需要的精密度较高,尽量能以模具或电动工具製作。

  5. 连结曲轴的冰棒棍要尽量平行推动,不要有分向力量减低推动。

  6. 光碟片的目的是要增加其旋转惯性,如惯性不足,可用小夹子夹住光碟片来调整。斯特林发动机


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