自制斯特林发动机制作教程及斯特林发动机原理、图纸
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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(Stirlingengine),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RobertStirling(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DeanKamen(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,DeanKamen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。
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:
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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