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d i y自制斯特林引擎

发电机

自制斯特林引擎发电机

在偏远地区，收听广播可能是唯一的娱乐，也是与文明世界沟通的管道，但偏远地区常无电力供应，甚至连电池都难以取得。虽收音机本身轻巧耐用，因缺乏适当的电力，收听广播变得十分麻烦，于是有人就想到利用发条经变速齿轮驱动微型发电机，提供收音机所需微不足道的电力。斯特林引擎在某些场合也具有类似的功能，尽管至今为止小型轻巧的斯特林引擎之输出功率，仍无法与尺寸相仿的内燃机匹敌（极其微小的斯特林引擎与同尺寸内燃机之比较，又另当别论），就收音机或小型照明设备而言，斯特林引擎之输出功率却恰到好处，并且具有燃料多元化、安静、污染少、构造简单耐用、保养方便等优点。玻璃制的透明斯特林引擎作为教具，固然可以寓教于乐，令学生印象深刻，但如果能进一步利用斯特林引擎作为动力，制作相关的动力机械，例如，装配一辆汽车模型（注一），或驱动发电机发电，并以此电力驱动小功率电器，除了完整介绍引擎之原理、构造和用途，更能演示热学原理、能量守恒原理、发电机负载原理，使斯特林引擎教具不但在高中、大学之物理学教学有用，也能应用在技职课程之教学和科普教育。

本文介绍这一部双缸水平并卧透明试管引擎发电设备，由两具特别设计的斯特林引擎（注二）组合而成，其内部构造和运转情形一目了然。尽管乍见其外观（图一），构造似乎有些复杂，装配过程好像颇棘手，但其独特的设计已降低了精度的要求，不难成功自制，正适合有兴趣的读者大显身手。

图一：试管引擎的实物照片，摄于2004年4 月14 日。

一、自制这款引擎所需的材料：

1. 外径1.85 cm、内径1.7 cm 的试管二个，外径1.63 cm，内径1.45 cm 的试管二个（化学实验室或玻璃仪器行一定有，价格各约二、三十元台币）；

2. 粗约0.4 mm（0.016 号）的吉他钢弦（乐器行有售，35 元一条）；

3. 长约16 cm，横截面2×3 mm2 的铝杆二支；

4. 玻璃毛细管（外径

5.8 mm，内径0. 45mm，学校实验室找得到）；

5. 直径1.5 mm，长10 cm 的钢棒两根（就是尚未攻牙的钻头，钻头工厂有卖）；

6. 内径1.3 cm，长约7cm 的玻璃管二个；

7. 内径8 mm 的玻璃管；

8. 内径2.2 mm，长约20 cm 的橡皮管；

9. 内径15 mm，长约20 cm 的铝棒一根；

10. 直径20 mm，长约20 cm 的PE 棒（以上五项，台北市太原路都找得到）；

11. 白杨木条若干（五金行有售）。

二、自制附属发电机所需的材料：

1. 直径0.3 mm 的漆包线80 m；

2. 直径3 cm，厚6 mm 的铷铁硼稀土磁铁（俗称强力磁铁）两块。

3. 双面胶。

三、所需的工具：

小型车床和钻床、钻石轮锯（五金工具行有售，售价仅台币数百元）；美工刀、砂纸；AB 胶、热熔胶等。

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四、纯手工装配的制程：

图一为本车的全貌，双缸水平并卧，以95度药用酒精为燃料。利用具有弹性的吉他琴钢弦，经内径很细（约0.4 mm）的玻璃毛细管伸入试管制成的温差气室中，牵移其中以较小试管制成的移气胴体，借着空气的黏滞性达到很好的气密效果。汽缸为内径1.3 cm，长7 cm 的玻璃管，活塞以铝棒车制；吉他钢弦连接白杨木制移气连杆的部位，又受一内径8 mm 的玻璃管局限，俾能确保高转速时引擎之正常运转。装配时，车体大致可分为五大部分：（一）铝制活塞和玻璃管构成的汽缸；（二）套合大小两试管构成的温差气室；（三）曲轴和轴承组件；（四）发电机；（五）发光二极管负载。

首先，用白杨木制成H 型支架，支架上方有两PE棒车成的轴承，两块直径

3cm，厚6mm的铷铁硼稀土磁铁，夹在直径1.5 mm，长10 cm的钢棒中段，此稀土磁铁兼有发电机转子和飞轮的功能，钢棒作为转轴置于轴承中，转轴两端分别装上由白杨木制成的曲柄，两曲柄的相对角度可以随意，把另一根直径1.5mm 的钢棒锯成两截，各长2.5 cm，作为曲轴，曲轴装在曲柄上。整个H 型支架安装在木板底座上（图二）。

图二：白杨木制成H型支架，支架上方有两PE棒车成的轴承，转轴两端分别装有白杨木制成的曲柄和钢棒曲轴。

选用两支内径1.3 cm，长约7.0 cm的玻璃圆管，作为汽缸。再将直径约1.5 cm 的铝棒，车成恰可在汽缸中滑动的活塞，活塞长2.5 至4.0 cm。用钻头将此活塞中心掏出一个直径约0.9 cm 的圆穴，使此活塞成为圆柱形杯状物（图三）。

图三：铝制活塞、玻璃汽缸和铝制动力连杆的特写镜头，活塞和动力连杆以习用方式连接。

在圆穴中塞入一支PE制成的小圆管，此小圆管横向穿有一小截直径1.0 mm的钢棒，作为活塞插销，将其穿过铝制动力连杆一端的小孔。动力连杆长约

8cm，横截面2×3 mm2，被充分镂空，一方面保留其强度和刚性，另一方面减

轻其重量，动力连杆另一端的小孔套在曲轴上。两个汽缸下方都以适当大小的PE棒制成的杯状物塞住，此PE杯状物杯口朝向汽缸，侧面钻一小孔恰容内径2.2mm的橡皮管塞入，两个汽缸都位于转轴两端之曲柄下方，用AB 胶垂直黏在木板底座上（图四）。

图四：两个汽缸都位于转轴两端曲柄下方，用AB胶垂直黏在木板底座上。

其次，取内径1.7cm和外径1.63 cm的试管各一个，将较小试管的长度裁短成12 cm，并将管口以PE棒车成的塞子塞住。此塞子中心钻一小孔，小孔中插入吉他钢弦，以这个较小的试管作为移气胴体。被锯成长14.2cm的较大试管作为温差气室，将移气胴体置于其中，较大试管管口也用PE棒制成的塞子塞住，但此塞子中心钻一恰容玻璃毛细管（外径5.8 mm，内径0.4 mm）的孔，将玻璃毛细管塞入，自然密封其间隙。同时另外钻一恰容内径2.2 mm的橡皮管塞入的小孔，将内径2.2mm，适当长度的橡皮管，分别塞入该小孔和汽缸底部杯状物的小孔，以连通汽缸和温差气室。玻璃毛细管再套上一截内径 8mm的玻璃管，牵动小试管的吉他钢弦由玻璃毛细管穿出，并以AB胶将吉他钢弦与白杨木制长20cm的移气连杆牢牢黏好。白杨木制移气连杆与吉他钢弦连接处制成膨大的金针菇形，此金针菇头的部分局限在内径8mm的玻璃管中往复运动（图