双缸斯特林引擎发电机制作方法

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。

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（图五），白杨木制移气连杆另一端有一小孔套在曲轴上。两温差气室完成后，分别以适当高度的支架水平安装妥当。

图五：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。

再则，将漆包线缠绕在直径4cm的圆柱体，漆包线再覆上一层双面胶，双面胶上再缠绕一层漆包线，即以一层双面胶一层漆包线的方式缠绕约三百匝，之后把直径4cm的圆柱体取出，即制成线圈，并以热熔胶黏在尽可能靠近稀土磁铁的地方，使稀土磁铁转动时线圈的磁通量变化愈大愈好。最后，线圈连接发光二极管，即大功告成（图六）。

图六：发电机线圈和发光二极管特写。

五、运转发电：

以酒精灯火焰直接加热试管底部约30秒，试管被烧烫之后，试管内壁会达到适当温度，用手推动磁铁，引擎启动，至高速时打开发电机开关，发电机发电后可点亮发光二极管（图七）。

图七、引擎运转，驱动发电机发电，电力供给发光二极管发光。

六、改进的空间：

此引擎设备具有两项特点：（1）引擎为双缸，功率较大;（2）以简易发电机发电，成功驱动小功率电器。当然，此原型机仍有改进空间，例如：（a）为降低成本，此原型机使用极廉价的试管，高速运转时有震破之虞。若要长时间运转，宜再缩小试管尺寸，减轻其重量，以降低各种运动状况时之受力，或选用较坚韧的试管。（b）此原型机高速运转时，虽力量不小，但可加装散热装置和飞轮，使引擎运转更为顺利。（c）因为引擎最佳功率输出发生在高转速时（引擎空转时转速可高800 rpm），发电机负载的大小可更进一步最佳化。