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双缸斯特林引擎发电的实验过程

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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20044 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 mm0.016 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 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 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。

 

 

 


 

注:原文为繁体,本站发布时未转译,但为方便读者阅读,直接将繁体转为简体。

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