เครื่องยนต์สเตอร์ลิง (Stirling Engine)
เครื่องยนต์สเตอร์ลิงเป็นเครื่องยนต์ความร้อนระบบปิด2 จังหวะ
ใช้ความร้อนจาก
ภายนอก และใช้ก๊าซเป็นสารทำงาน ประดิษฐ์ขึ้น
เป็นเครื่องแรกในปี 1816 โดย
Robert Stirling ติดตั้งในโรงงานอุตสาหกรรม เครื่องยนต์สเตอร์ลิงรุ่นต่อมามี ขนาดเล็กลงปลอดภัย
และเงียบเป็นที่แพร่หลายในอุตสาหกรรมขนาดเบาและตามบ้าน
เรือนเช่น พัดลม จักรเย็บผ้าและเครื่องสูบน้ำ เครื่องยนต์สเตอร์ลิงรุ่นแรก ๆ ใช้อากาศเป็นสารทำงาน (Working substance) และ เป็น
ที่รู้จักกันในชื่อ เครื่องยนต์อากาศร้อน
(Hot
air engine)อากาศจะบรรจุอยู่ในกระบอกสูบรูป ทรงกระบอกเพื่อรับความร้อน การขยายตัวการระบายความร้อน และการอัด โดยการเคลื่อนที่ของ
ส่วนต่างๆ ในเครื่องยนต์
 |
Dr.Robert Stirling
( 1790-1878)
|
 |
| พัดลมทำงานด้วยเครื่องยนต์สเตอร์ลิง |
 |
| เครื่องสูบน้ำทำงานด้วยเครื่องยนต์สเตอร์ลิง |
เครื่องยนต์อากาศร้อนขนาดเล็กยังคงผลิตใช้จนกระทั่งต้นทศวรรษที่ 1900 จงถูกแทนที่
ด้วยเครื่องยนต์สันดาปภายในและความก้าวหน้าทางด้านไฟฟ้า
ในปัจจุบันไม่มีการผลิต เครื่องยนต์สเตอร์ลิงขนาดใช้งานแต่ยังคงมีการวิจัยและพัฒนาเนื่องจากเป็นเครื่องยนต์ที่มีศักยภาพทางด้านประสิทธิภาพสูงและเป็นเครื่องยนต์ทำงานเงียบและสะอาด
เครื่องยนต์สเตอร์ลิงรุ่นที่ทดลองในปัจจุบันมีความสำเร็จทางด้านสมรรถนะในระดับที่น่าพอใจ จากการใช้โลหะอัลลอยด์ทนความร้อนสูงกลไกขับแบบใหม่การใช้คอมพิวเตอร์ช่วยออกแบบอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อน และบรรจุด้วยHelium หรือHydrogenที่ความดันสูงเป็นสารทำงาน เครื่องยนต์สเตอร์ลิงรุ่นใหม่สามารถนำหน้าเครื่องยนต์ก๊าซโซลีนและเครื่องยนต์ดีเซลขนาดเล็ก ได้ทางด้านประสิทธิภาพและอัตราส่วน
กำลังต่อน้ำหนัก ในเรื่องของความเงียบและมลภาวะระดับต่ำยังไม่มีเครื่องยนต์
แบบไหนเป็นคู่แข่งที่น่ากลัวในอนาคตเครื่องยนต์สเตอร์ลิงสามารถที่จะใช้เป็นเครื่องยนต์สะอาด เครื่องตัดหญ้าที่เงียบ และเครื่องกำเนิดไฟฟ้าจากพลังงานแสงอาทิตย์
กำลังต่อน้ำหนัก ในเรื่องของความเงียบและมลภาวะระดับต่ำยังไม่มีเครื่องยนต์
แบบไหนเป็นคู่แข่งที่น่ากลัวในอนาคตเครื่องยนต์สเตอร์ลิงสามารถที่จะใช้เป็นเครื่องยนต์สะอาด เครื่องตัดหญ้าที่เงียบ และเครื่องกำเนิดไฟฟ้าจากพลังงานแสงอาทิตย์
เครื่องยนต์ความร้อน
เครื่องยนต์ความร้อนคืออุปกรณ์ซึ่งทำหน้าที่แปลงผันพลังงานความร้อนหรือความร้อน
เป็นพลังงานกลหรืองานอย่างต่อเนื่อง
ความร้อนจะถูกป้อนให้กับเครื่องยนต์ทางด้านใดด้านหนึ่ง
แล้วผลิตงานออกมา
เครื่องยนต์ความร้อนจะผลิตพลังงานกลออกมาตราบเท่าที่ยังคงมีความ ร้อนป้อนอยู่
 |
| แผนภาพเครื่องยนต์ความร้อน |
คุณลักษณะของเครื่องยนต์สเตอร์ลิง
การทำงานของเครื่องยนต์มีการสั่นสะเทือนน้อย
มีเสียงเงียบ จึงเป็น มิตรต่อ
สิ่งแวดล้อมลักษณะเครื่องยนต์นี้มีอุปกรณ์ส่วนหนึ่งที่ใช้รับ ความร้อน
และอีก
ส่วนหนึ่งใช้ระบายความร้อน ซึ่งขบวนการภายในของเครื่องยนต์จะเปลี่ยนพลัง
งานความร้อนส่วนหนึ่งนั้นให้เป็นงานที่ใช้ ประโยชน์ได้
(useful
work) ในรูป
งานเพลาที่หมุน เป็นเครื่องยนต์ในแบบระบบปิด (closed
system)ไม่มีลิ้นไอ
ดีและไอเสีย อย่างเช่น เครื่องยนต์เบนซิน หรือดีเซลโดยทั่วไปซึ่งการ ทำงาน
เป็นระบบเปิด
(open system) ส่งผลให้มีเสียงเงียบมากขณะ ทำงานสิ่งใด
ก็ตามที่ให้พลังงานความร้อนได้ สามารถใช้เป็นแหล่งพลังงานของเครื่องยนต์
ได้เช่น ถ่านหิน น้ำมัน
แอลกฮอล์ ก๊าซไม้หรือเศษไม้ แม้แต่วัสดุทางการเกษตร
เช่น ฟางข้าว แกนฝักข้าวโพด
กะลามะพร้าวพลังงานแสงอาทิตย์ เป็นต้น
พลังงานความร้อนที่ใช้ดังกล่าวนั้น ไม่จำเป็นต้องได้จากการเผาไหม้
เพียงแต่
อยู่ในรูปความร้อน หรือมีความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างส่วน รับความร้อน
และส่วนระบายความร้อนเท่านั้นด้วยลักษณะดังกล่าวจึง ทำให้เครื่องยนต์
สเตอร์ลิง ทำงานโดยใช้พลังงานแสงอาทิตย์ (Solar
energy) ความร้อนใต้
พื้นผิวโลก (Geothermal
energy ) หรือแม้แต่ความร้อนจากขบวนการ
อุตสาหกรรมรวมทั้ง น้ำหล่อเย็นของโรงงานไฟฟ้านิวเคลียร์ได้
ลักษณะของเครื่องยนต์สเตอร์ลิง
องค์ประกอบของเครื่องยนต์มีส่วนประกอบสำคัญ 3 ส่วนคือ ลูกสูบกำลัง
(power
piston) ชุดกระบอกสูบและลูกสูบไล่อากาศ
(displacer) โดยชุด
กระบอกนี้มีปลายด้านที่ร้อน (hot
end) และอีก ด้านหนึ่งเย็น (cold end)
ซึ่งตัวลูกสูบอยู่ภายในจะเคลื่อนที่กลับไป กลับมา เพื่อแทนที่อากาศภายใน
กระบอกให้ไหลไปมาระหว่างปลาย กระบอกส่วนร้อนและส่วนเย็น โดยมีรีเจน
เนอเรเตอร์คั่นอยู่ระหว่างปลาย ทั้งสองเพื่อทำหน้าที่เก็บรักษาพลังงานไว้ใช้
ในจังหวะต่อไป ระบบการทำงานเป็นระบบปิด โดยปกติใช้อากาศ ถ้าออกแบบ
ให้ ป้องกันการรั่วไหลได้ มักใช้ก๊าซฮีเลียม
หรือก๊าซไฮโดรเจน เพราะจะทำให้
มีประสิทธิภาพการทำงานสูงกว่าอากาศ
หลักการทำงานของเครื่องยนต์สเตอร์ลิง
การทำงานของเครื่องยนต์เป็นไปตามวัฎจักรสเตอร์ลิง ประกอบไป ด้วยขบวนการทำงาน 4 ขบวนการ คือ
1.ขบวนการอัดแบบอุณหภูมิคงที่ภายใต้การระบายความร้อน
2.ขบวนการปริมาตรคงที่ภายใต้การได้รับความร้อน
3.ขบวนการขยายตัวแบบอุณหภูมิคงที่ภายใต้การได้รับความร้อน
4.ขบวนการปริมาตรคงที่ภายใต้การระบายความร้อน
ส่วนประกอบของเครื่องยนต์สเตอร์ลิง
 |
| แสดงส่วนประกอบของเครื่องยนต์สเตอร์ลิง
เครื่องยนต์สเตอร์ลิงมีลูกสูบ 2 อัน มีเฟสต่างกัน 90o และมีบริเวณที่อุณภูมิต่างกัน 2 แห่ง ก๊าซหรืออากาศซึ่งเป็นสารทำงานจะถูกปิดไม่ให้มีการรั่วไหลออกมาภายนอกลูกสูบที่มีขนาดเล็กกว่าเป็นลูกสูบกำลัง
(Power piston) กำลังที่ออกจากเครื่องยนต์สเตอร์ลิงทั้งหมดได้จากลูกสูบกำลัง ลูกสูบที่มีขนาดใหญ่กว่าเรียกว่า ลูกสูบไล่
หรือดิสเพลสเซอร์ (Displacer piston) ลูกสูบไล่จะมีขนาดเล็กกว่าตัวกระบอกสูบเล็กน้อยอากาศภายในกระบอกสูบสามารถเคลื่อนที่ผ่านด้านข้างของลูกสูบไล่ได้หน้าที่ของลูกสูบไล่ ก็คือ
ไล่อากาศในกระบอกสูบให้เคลื่อนที่อยู่ระหว่างด้านร้อนกับด้านเย็น ลูกสูบไล่
ไม่ได้สร้างกำลังให้กับเครื่องยนต์
|
หลักการทำงานของเครื่องยนต์สเตอร์ลิง
หลักการพื้นฐานของเครื่องยนต์สเตอร์ลิงคือมี
2 กระบอกสูบปลายด้านหนึ่งของกระบอกสูบหนึ่งจะร้อนตลอดเวลา
อีกกระบอกสูบหนึ่งจะเย็นตลอดเวลา มีลำดับการทำงานง่ายๆ อยู่
4 ขั้นตอน คือ
ขั้นที่ 1
 |
| แผนภาพ ความดัน-ปริมาตร |
ลูกสูบกำลังอยู่ที่ตำแหน่งศูนย์ตายบน ขั้นนี้เป็นการให้ความร้อนกับอากาศภายใน กระบอกสูบโดยการเคลื่อนที่ของลูกสูบไล่ (Displacer piston) เพื่อให้อากาศส่วนใหญ่ไปรวมอยู่ทางด้านร้อนอากาศได้รับความร้อนมีอุณหภูมิสูงขึ้นและความดันเพิ่มขึ้นขั้นตอนนี้เป็น กระบวนการให้ความร้อนที่ปริมาตรคงตัว (Isovolumetric heating process) ดูแผนภาพ ความดัน-ปริมาตร
ขั้นที่ 2
 |
| แผนภาพ ความดัน-ปริมาตร |
เมื่ออากาศทางด้านร้อนมีอุณหภูมิเพิ่มขึ้นมีผลทำให้ความดันเพิ่มขึ้น เกิดแรงดันลูกสูบ กำลังเคลื่อนที่ไปที่ศูนย์ตายล่าง
อากาศยังคงได้รับความร้อนขณะที่ปริมาตรของอากาศเพิ่มขึ้น ความดันลดลงโดยที่อุณหภูมิคงตัว ขั้นที่ 2 เป็น กระบวนการขยายตัวที่อุณหภูมิคงตัว
(Isothermal expansion process)
ขั้นที่ 3
 |
| แผนภาพ ความดัน-ปริมาตร |
ผลของความต่างเฟส 90o ระหว่างลูกสูบทั้งสองทำให้ลูกสูบไล่เคลื่อนที่และไล่อากาศ
จากด้านร้อนไปทางด้านเย็นเพื่อทิ้งความร้อนให้กับสิ่งแวดล้อมทำให้อุณหภูมิของอากาศลดลง ความดันลดลงลูกสูบกำลังอยู่ที่ศูนย์ตายล่าง
ขั้นที่ 3 เป็นกระบวนการระบายความร้อนที่ปริมาตรคงตัว (Isovolumetric cooling
process)
ขั้นที่ 4
 |
| แผนภาพ ความดัน-ปริมาตร |
ลูกสูบกำลังเลื่อนไปที่ศูนย์ตายบนอากาศถูกอัดให้มีปริมาตรเล็กลง และระบายความร้อนให้กับสิ่งแวดล้อมด้วยอุณหภูมิคงตัว ผลของความต่างเฟส90oทำให้ลูกสูบไล่เคลื่อนที่ไล่อากาศจากด้านเย็นกลับไปทางด้านร้อน แล้วเครื่องยนต์สเตอร์ลิงก็กลับไปสู่จุดตั้งต้นขั้นที่ 1 ซึ่งขั้นที่
4 นี้เป็นกระบวนการอัดที่อุณหภูมิคงตัว (Isothermal compression process)
เครื่องยนต์สเตอร์ลิงแบบต่าง ๆ
จากการวิจัยและพัฒนาอย่างต่อเนื่องได้มีการประดิษฐ์คิดค้น
กลไกอย่างหลากหลาย สำหรับเครื่องยนต์สเตอร์ลิง กลไก
ส่วนใหญ่ที่ออกแบบใช้สำหรับเครื่องยนต์สเตอร์ลิงชนิดที่
กระบอกสูบแยกกัน ซึ่งนิยมใช้ทำแบบจำลองขนาดเล็ก
และของเล่นเครื่องยนต์อากาศร้อนดัง แสดงเป็นตัวอย่างในดังรูป
กลไกอย่างหลากหลาย สำหรับเครื่องยนต์สเตอร์ลิง กลไก
ส่วนใหญ่ที่ออกแบบใช้สำหรับเครื่องยนต์สเตอร์ลิงชนิดที่
กระบอกสูบแยกกัน ซึ่งนิยมใช้ทำแบบจำลองขนาดเล็ก
และของเล่นเครื่องยนต์อากาศร้อนดัง แสดงเป็นตัวอย่างในดังรูป
 |
| เครื่องยนต์สเตอร์ลิงแบบริงบอมบ์ |
 |
| เครื่องยนต์สเตอร์ลิงที่ใช้ความร้อนอุณหภูมิต่ำ |
 |
| เครื่องยนต์สเตอร์ลิงที่ใช้พลังงานแสงอาทิตย์เป็นแหล่งพลังงานความร้อน |
 |
| เครื่องยนต์สเตอร์ลิงแบบอื่น ๆ |
เครื่องยนต์สเตอร์ลิงแบบริงบอมบ์
หลักการทำงาน
ทำงานด้วยความร้อนของแสงอาทิตย์ ทำให้อากาศภายใน
ลูกสูบมีอุณหภูมิสูงขึ้นทำให้อากาศขยายตัวเมื่อให้แรงกระตุ้น
เพียงเล็กน้อยก็ทำให้เกิดการทำงานของเครื่องยนต์อย่างต่อ
เนื่องซึ่งความเร็วรอบจะแปลผันตรงกับความร้อนที่ได้รับจาก
แสงอาทิตย์เราสามารถนำหลักการนี้มาพัฒนาต่อให้มีขนาด
ใหญ่ขึ้น เพื่อใช้งานในแง่อื่นๆ เช่น เครื่องผลิตไฟฟ้า เป็นต้น
เครื่องยนต์สเตอร์ลิงแบบอื่่น ๆ
เครื่องยนต์พลังงานความร้อนสามารถทำงานได้จริงเป็นสิ่ง
ประดิษฐ์ที่ทำงานด้วยอากาศร้อน ทำให้ความหนาแน่นของ
อากาศแตกต่างกัน ทำให้เกิดแรงสปริงขับลูกสูบของเครื่อง
ยนต์ เครื่องยนต์สเตอร์ลิงเป็นเครื่องยนต์ความร้ิอนระบบปิด
2 จังหวะใช้ความร้อนจากภายนอก
การนำเครื่องยนต์Stirling มาใช้ประโยชน์ในปัจจุบัน
เครื่่องยนต์สเตอร์ลิงเป็นอุปกรณ์ที่มีเสน่ห์น่าสนใจ ปลายด้านหนึ่งของกระบอกสูบถูกทำ ให้ร้อนปลายที่เหลือรักษาไว้ให้เย็น
งานที่เอาไปใช้ประโยชน์ได้มาจากการหมุนของเพลาของเครื่องยนต์สเตอรลิงเป็นเครื่องยนต์ระบบปิดไม่มีการดูดไอดีและปล่อยไอเสย
ความร้อนถูกป้อนจากภายนอกอะไรก็ตามที่สามารถเผาและให้ความร้อนได้จะใช้
เพื่อให้เครื่องยนต์สเตอร์ลิงทำงาน เช่น ถ่านหิน
ไม้ ฟางข้าว แกลบ ก๊าซโซลีน แอลกอฮอล์ ก๊าซ ธรรมชาติ ก๊าซมีเทน และอื่นๆ เครื่องยนต์สเตอร์ลิงไม่ต้องการการเผาไหม้ ความร้อนเท่านั้นที่สามารถทำให้เครื่องยนต์สเตอร์ลิงสามารถทำงานได้ ความร้อนจากพลังงานแสงอาทิตย์ ความร้อนใต้พิภพ และความร้อนเหลือทิ้งจากโรงงานอุตสาหกรรม สามารถนำมาใช้กับเครื่องยนต์สเตอร์ลิงได้ กำลังจากเครื่องยนต์สเตอร์ลิงสามารถใช้ขับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าหรือจักรกลอื่นๆ อย่างไรก็ตามเครื่องยนต์สเตอร์ลิงก็ยังมีข้อจำกัดคือต้องการเวลาสำหรับอุ่นเครื่องยนต์ก่อนที่จะสร้างกำลังที่สามารถเอาไปใช้ประโยชน์ได้
และเครื่องยนต์ไม่สามารถเปลี่ยนแปลงกำลังเอาต์พุต
หรือเร่งเครื่องได้อย่างรวดเร็ว
วิธีทำเครื่องจักรStirling จากของเหลือใช้
เครื่องที่ทำขึ้นนี้ตัวกระบอกสูบ (cylinder) ทำจากกระป๋อง 2 ใบต่อเข้าด้วยกัน ภายในมีลูกสูบ (displacer) ซึ่งทำขึ้นจากกระป๋องเช่นกัน วิ่งขึ้นลงได้โดยแขวนไว้กับเอ็นตกปลา ปลายเอ็นอีกด้านจะจับกับข้อเหวี่ยงที่อยู่ด้านบน โดยเอ็นจะร้อยผ่านแผ่นลูกโป่งซึ่งปิดกระป๋องกระบอกสูบอยู่ นอกจากนี้ยังมีปากกา 2 ด้ามทำหน้าที่เป็นก้านสูบ (rod) ของแผ่นลูกโป่ง ซึ่งในที่นี้ แผ่นลูกโป่งจะขยับขึ้นลงได้ตามความดันอากาศที่เกิดขึ้นในกระบอกสูบ ปลายด้านล่างของปากกาจับกับแผ่นลูกโป่ง ส่วนด้านบนก็จับกับข้อเหวี่ยง
อุปกรณ์และวัสดุ
เป็นของที่หาได้ง่ายๆ ราคาถูก ได้แก่กระป๋องอลูมิเนียมน้ำอัดลมประมาณ 3 ใบ ลูกโป่ง เอ็นตกปลาเส้นเล็ก ปากกาที่หมึกหมดแล้ว 2 ด้าม คลิปดำ ลวดตากผ้า(เส้นผ่าศูนย์กลาง 1.5 มม.) ลวดทองแดง(เส้นผ่าศูนย์กลาง 1.2 มม.) กาวช้าง และกาวอีป๊อกซี(epoxy)ซึ่งถือว่ากาว epoxy เป็นวัสดุที่แพงที่สุดในการนี้ ราคาประมาณชุดละร้อยบาท แต่ก็ใช้ไม่มากนัก
ขั้นตอนการทำ
ขั้นที่ 1 ทำแท่นรับข้อเหวี่ยง
นำกระป๋องน้ำอัดลม 1 ใบมาตัดฝาด้านบนออก และตัดส่วนล่างออก ผลที่ได้จะมีส่วนสูง11 ซม. แล้วตัดช่องหน้าต่าง 2 ด้าน ให้เหลือแถบเหมือนเสา 2 ต้น เสาแต่ละต้นกว้าง 3.8 ซม. แถบของฐานหน้าต่างกว้าง 2 ซม. (การตัดแผ่นอลูมิเนียมให้ใช้กรรไกรเหล็กคมๆ เช่นกรรไกรที่ใช้ตัดแต่งกิ่งไม้) จากนั้นบากร่องสำหรับเป็นรูรับข้อเหวี่ยง 2 ข้างบริเวณปากกระป๋องสำหรับเป็นรูรับข้อเหวี่ยง ร่องนี้ให้มีความยาว 0.6 ซม. (ให้ใช้สว่านไฟฟ้าทำร่องนี้โดยใช้ปากกาช่วยจับยึดชิ้นงาน) บริเวณแถบอลูมิเนียมซึ่งเป็นฐานของช่องหน้าต่างทั้งสองให้ตัดแยกออกจากกัน เพื่อสวมเข้ากระป๋องกระบอกสูบได้ (เมื่อสวมเรียบร้อยแล้วในขั้นตอนประกอบให้ เชื่อมรอยแยกนี้ด้วยแผ่นอลูมิเนียมทากาว epoxy)
 |
ขั้นที่ 2 ทำกระบอกสูบ (cylinder)
ทำจากกระป๋อง 2 ใบมาต่อกัน
โดยส่วนบนทำจากกระป๋องตัดฝาออกแล้วตัดส่วนล่างทิ้งให้มีส่วนสูง 6.5 ซม.
ส่วนล่างทำจากกระป๋องอีก
1 ใบ ตัดส่วนบนออกทำให้ส่วนของกระป๋องที่เหลือมีความสูง
7 ซม.
และให้ทำแถบคาดจากส่วนของกระป๋องที่เหลือให้มีความกว้าง
2 ซม. เพื่อใช้สำหรับคาดระหว่างกระป๋องส่วนบนและส่วนล่างให้ต่อกัน
ขั้นที่ 3 ทำลูกสูบ (displacer)
นำกระป๋องมา 1 ใบ ตัดส่วนบน
และส่วนล่างออกให้เหลือแต่ทรงกระบอกตรงกลางสูง 6.5 ซม. จากนั้นให้ผ่าทรงกระบอกตามแนวดิ่งได้ผลดังรูปนี้
จากนั้นทากาว
epoxy เชื่อมรอยผ่าเข้าด้วยกันโดยให้รอยต่อแผ่นอลูมิเนียมซ้อนกัน
1 ซม. เป็นการลดขนาดของทรงกระบอกให้เล็กลงจากเดิม เพื่อจะได้ใส่ลงในกระป๋องกระบอกสูบได้
ทำฝาปิดส่วนบน
และส่วนล่างของ displacer ขึ้นจากส่วนก้นกระป๋องน้ำอัดลม 2 ชิ้น
โดยตัดให้แต่ละชิ้นมีเส้นผ่าศูนย์กลางพอดีในการวางลงไปในกระบอก displacer ได้พอดี
ชิ้นที่เป็นฝาบนจะต้องเจาะรูขนาดรูเข็มไว้ตรงกลาง
ซึ่งในการนี้จะต้องหาจุดศูนย์กลางเสียก่อน
วิธีการหาจุดศูนย์กลางทำได้โดยใช้กระดาษตัดเป็นวงกลมขนาดเดียวกับทรงกระบอก displacer แล้วพับครึ่ง 2 ครั้ง เกิดรอยพับตัดกันที่จุดศูนย์กลาง
นำกระดาษวงกลมนี้ไปทาบกับฝาที่จะหาจุด
ศูนย์กลาง แล้วใช้เข็มเจาะทะลุศูนย์กลางกระดาษลงไปที่ฝา กดปลายเข็มลงไปให้เกิดรอย
จากนั้นจึงใช้ตะปูเข็มตอกที่รอยจนเป็นรู ทำการประกอบ displacer โดยใช้เอ็นตกปลายาว 20 ซม. โดยประมาณ ผูกลวดเล็กๆไว้ที่ปลาย
ปลายอีกด้านร้อยผ่านรูที่เจาะไว้บนฝา แล้วใช้กาว epoxy ทาไว้ให้แน่น
ประกอบฝาบนและฝาล่างเข้ากับทรงกระบอกตามภาพโดยเชื่อมจุดต่างๆด้วยกาว epoxy (ใช้เทปกาวช่วยแปะตามจุดต่างๆไว้ก่อนทากาว) ระวังอย่าให้มีรอยรั่วได้
หลังจากกาวแห้งแล้วให้ขูดเช็ดกาวที่
เปื้อนด้านข้าง displacer ให้เกลี้ยง แล้วเช็คขั้นสุดท้ายว่า displacer สมดุลหรือไม่ โดยถือเส้นเอ็นยก displacer ขึ้น สังเกตว่า displacer ไม่เอียงด้านใดด้านหนึ่งเป็นใช้ได้
ขั้นที่ 4 ทำไดอะแฟรมลูกโป่ง
(แผ่นยางจากลูกโป่งที่ใช้ขึงปากกระป๋องกระบอกสูบ)
นำลูกโป่งมาตัดครึ่งตามในภาพ
เลือกครึ่งหนึ่งไปใช้ (ส่วนจุกให้ทิ้งไป)
หาจุดศูนย์กลางของแผ่นลูกโป่งโดยทำการพับแผ่นลูกโป่ง
2 ทบ แต้มจุดตรงมุมที่พับปากกา
กำหนดให้เป็นจุดศูนย์กลาง
จากนั้นเขียนสเกลแกนตั้งและแกนนอนแต่ละช่องห่าง
0.5 ซม.จะได้ผลลัพธ์ดังภาพ
ตัดแผ่นอลูมิเนียมจากเศษกระป๋องมา
4 ชิ้น ขนาด กว้างxยาว = 0.5x2.5 ตร. ซม. แต่ละชิ้นให้พับปลายหักขึ้น 2 มม. ทั้ง 2 ด้าน จากนั้นนำไปติดบนแผ่นลูกโป่งด้วยกาวช้าง
แผ่นอลูมิเนียมจะทำหน้าที่พยุงแผ่นลูกโป่งขณะขับเคลื่อนให้มีโครงสร้างรูป
ร่างคงเดิม ส่วนปลายของแผ่นอลูมิเนียมที่หักขึ้นก็เพื่อป้องกันความคมไม่ให้บาดแผ่น
ลูกโป่งเสียหาย
ขั้นที่ 5 ทำข้อเหวี่ยง(crankshaft)
นำลวดตากผ้าขนาดเส้นผ่าศูนย์กลาง
1.5 มม. มาดัดเป็นข้อเหวี่ยงตามนี้ (มุมแต่ละมุมในภาพเป็นมุมฉากทั้งสิ้น) ผมพบว่างานนี้ต้องใช้คีมล็อคและคีมปากจิ้งจกมากที่สุด
เป็นขั้นตอนที่ใช้เวลามากต้องอาศัยทักษะจากการทำค่อนข้างมาก เริ่มต้นให้ตัดลวดมา 25.8 ซม.จากนั้นดัดลวดให้ตรง
(มันจะโค้งเพราะเขาขายมาเป็นขดวงกลม) ใช้ปากกาจับลวดไว้ให้ปลายลวดยี่นออกมาจากปากกาทีละประมาณ 1ซม. (ปลายลวดด้านในปากกาควรงอปลายไว้ 1 ซม. เป็นมุม 90 องศาเพื่อให้ง่ายต่อการจับชิ้นงาน)
แล้วใช้ไม้บรรทัดทาบมองจากด้านบนใช้คีมดัดให้ตรงตามไม้บรรทัดไปเรื่อยๆทีละ 1 ซม. ทำอย่างนี้โดยไม่ต้องหมุนลวดจนตลอดลวดทั้งแท่ง
จะเห็นว่าลวดตรงแล้วเพียง 1 มิติ
ให้ดัดให้ตรงอีกมิติหนึ่งโดยหมุนแกนลวดจากเดิม 90 องศา แล้วทำการดัดลวดซ้ำแบบเดิมอีกรอบทีละ 1 ซม. จนตลอดแท่ง ถึงตรงนี้ลวดทั้งแท่งจะตรงแล้วสามารถทาบกับแนวเส้นตรงของไม้บรรทัดได้พอดี จากนั้นใช้ปากกาแต้มจุดที่จะดัดลงบนลวดให้ครบทุกจุดในตำแหน่ง
และสัดส่วนตามภาพข้างล่าง แล้วจึงใช้คีมไล่ดัดไปทีละจุดจนครบ
จากนั้นดัดและเช็คขั้นสุดท้ายให้จุดทั้ง 6 ของข้อเหวี่ยง(ตามภาพ)อยู่บนเส้นตรงของไม้บรรทัดเดียวกัน
ขั้นที่ 6 ทำก้านสูบ (rod)
ทำจากปากกาที่หมึกหมดแล้วโดยใช้เลื่อยตัดทางด้านก้นออกเหลือปลายด้านเขียนไว้พร้อมฝาปิด
โดยให้มีความยาว 6 ซม.
แล้วให้ตัดเลาะก้านหนีบกระเป๋าเสื้อของฝาปิดทิ้งไป
นำลวดทองแดง(ขนาดเส้นผ่าศูนย์กลาง
1.2 มม.) ยาว 10 ซม. มาขด 2 รอบพันข้อเหวี่ยง(ใช้คีมช่วย)ได้ผลดังรูป
จากนั้นติดปลายอีกด้านของลวดทองแดง เข้ากับปากกาโดยสอดเข้าไปในปากกาที่ตัดไว้
ให้เหลือปลายที่ยื่นออกมา 2 ซม. แล้วติดให้แน่นโดยหยอดกาวลงไป
(ผมใช้กาวจากปืนยิงกาวเพราะสะดวกที่กาวแห้งช้าพอมีเวลาจัดระยะได้
และเมื่อแห้งแล้วจะรื้อก็ทำง่าย แต่ถ้าไม่มีก็ใช้กาวอื่นๆได้) มีผลให้ rod ทั้งแท่ง(คือปากกาและลวดที่ยื่นออกมา)ยาวทั้งสิ้น 8 ซม. จากนั้นทำ rod อีกข้างด้วยวิธีเดียวกันจะได้ผลตามภาพนี้
ขั้นที่ 7 ดัดลวดส่วนที่เหลือ
7.1 ทำตะขอ
นำลวดทองแดงมาดัดเป็นตะขอรูปตัว
S เพื่อใช้แขวน displacer
7.2 ทำลวดล๊อคข้อเหวี่ยง
นำข้อเหวี่ยงไปตั้งบนแท่นรับข้อเหวี่ยง(บนร่องที่บากไว้) จากนั้นล๊อคไว้โดยพันลวดทองแดงรอบแท่นเหนือข้อเหวี่ยง ปลายลวดทองแดงให้ขัดกันไว้
ขั้นนี้ให้ระวังว่าลวดทองแดงจะไม่ไปกดข้อเหวี่ยงจนเกิดความฝืดขึ้น
7.3 ทำส่วนกันเลื่อน
ทำส่วนกันเลื่อนบนจุดต่างๆของข้อเหวี่ยง
เพื่อป้องกันไม่ให้ชิ้นส่วนต่างๆที่จับกับข้อเหวี่ยงเลื่อนไปมา
ทำโดยการใช้ลวดทองแดงไปพันรอบข้อเหวี่ยงในบริเวณที่หมายไว้โดยพันให้แน่น ประมาณ 2-4 รอบ (ใช้คีมบีบให้รัดแน่น
แต่ระวังอย่าใช้แรงมากไปจนข้อเหวี่ยงเสียรูป)
ขั้นที่ 8 ประกอบเครื่อง
วางแผ่นลูกโป่งลงบนปากกระป๋องกระบอกสูบ
โดยวางให้ศูนย์กลางของทั้งสองตรงกัน(สเกลที่เขียนไว้จะมีประโยชน์ตอนนี้)
วางแผ่นลูกโป่งให้หย่อน(ไม่มีการขึงตึง) ตรงกลางแผ่นจะแอ่นโค้งลงไปในกระบอกสูบใช้ยางรัดไว้ ลองหย่อน rod ทั้งสองลงไปในตำแหน่งลึก 0.6 ซม.จะวางได้พอดีโดยไม่มีแรงขึงตึง
ถ้าตึงไปก็ปรับให้หย่อนจนพอดี จากนั้นใช้ปากกาเขียนหมายตำแหน่งของแท่ง rod ตามภาพ
ทำการร้อยเอ็นของ
displacer ผ่านทะลุจุดศูนย์กลางแผ่นลูกโป่งโดยใช้เข็มเย็บผ้า
(จะเห็นว่าเอ็นมีขนาดเล็กมากขนาดสนเข็มได้ทีเดียว)
ใช้ยางรัดแผ่นลูกโป่งเข้ากับปากกระป๋องกระบอกสูบให้แน่นขึ้น(เพิ่มอีก
1-2 เส้น)
แล้วตามด้วยพันเชือกฟางให้แน่น จากนั้นขลิบขอบแผ่นลูกโป่งให้เรียบ
บรรจุ displacer ไว้ภายในกระป๋องกระบอกสูบ
แล้วทำการซีลกระป๋องกระบอกสูบทั้งส่วนบนและส่วนล่างเข้าด้วยกัน
โดยใช้แถบคาดอลูมิเนียม(กว้าง 2 ซม.)ตามด้วยการพันปิดด้วยเทปใส
ระวังไม่ให้มีการรั่วได้
ทำแถบคาดกระป๋องขึ้นอีก
1 แถบขนาดกว้าง 1 ซม. เพื่อทำหน้าที่รองรับแท่นรับข้อเหวี่ยง
นำไปพันกระบอกสูบบริเวณต่ำลงมาจากไหล่กระป๋อง 1 ซม. แล้วติดเทปกาวไว้เฉพาะขอบล่างของแถบอลูมิเนียมเข้ากับกระป๋อง
ติด rod เข้ากับแผ่นลูกโป่ง
โดยปลดส่วนฝาปิดปากกาทั้งสองด้ามมาติดกับแผ่นลูกโป่งตามตำแหน่งที่เขียนกำหนดไว้ด้วยกาวช้าง
นำแท่นรับข้อเหวี่ยงพร้อมข้อเหวี่ยงที่ติดตั้งแล้วมาสวมเข้ากับ
กระป๋องกระบอกสูบ โดยต่อ rod ทั้งสองด้วยการให้ปากกาปิดฝาเสีย
ใช้เทปกาวปิดยึดส่วนแท่นรับข้อเหวี่ยงเข้ากับกระป๋องกระบอกสูบบริเวณร่องของ
แท่นที่ตัดแยกไว้(จะเห็นว่าพยายามใช้เทปกาวแต่น้อย เพราะไม่ต้องการให้เกิดฉนวนซึ่งจะไปลดประสิทธิภาพการระบายความร้อนของ
เครื่องจักร)(เมื่อทุกอย่างเรียบร้อยดีให้เปลี่ยนเทปกาวเป็นแผ่นอลูมิเนียม ทากาว
epoxy เพื่อเพิ่มความแข็งแรง)
ทำการผูกเอ็นของ
displacer เข้ากับตะขอตัว S แล้วนำไปแขวนไว้กลางข้อเหวี่ยง
โดยกะความยาวของเส้นเอ็นให้พอเหมาะ คือเมื่อหมุนข้อเหวี่ยงแล้ว ตัว displacer สามารถเคลื่อนขึ้นลงโดยไม่ชนส่วนล่าง
และส่วนบนของกระป๋อง (เหลือระยะก่อนชน 1.5-2 มม.)
ลองหมุนข้อเหวี่ยงไปที่ตำแหน่งยก
displacer ขึ้นสูงสุด สังเกตว่าปลาย rod ทั้งสองจะอยู่ที่ระดับเดียวกับปากกระป๋องพอดี ถ้าไม่เป็นตามนี้
ให้ทำการปรับระดับของแท่นรับข้อเหวี่ยงเสียใหม่จนปลาย rod ทั้งสองจะอยู่ที่ระดับเดียวกับปากกระป๋องพอดี
ติดตั้งตุ้มน้ำหนักที่ปลายข้อเหวี่ยงด้านยาว
โดยใช้คลิปดำเป็นตุ้มน้ำหนักหนีบไว้ที่ปลายข้อเหวี่ยงดังภาพ
ขั้นที่ 9 เดินเครื่อง
ใช้น้ำมันเครื่อง
เช่นน้ำมันจักรหยอดบริเวณรูเข็มที่เอ็นผ่านแผ่นลูกโป่งสัก 1 หยด และตามจุดสัมผัสต่างๆของข้อเหวี่ยง
นำเครื่องจักรไปตั้งบนเตาไฟฟ้า
(หรือเปลวไฟ) ใช้ ตัวยึด (clamp)จับไว้
(เนื่องจากตัวเครื่องเบามากถ้าไม่มีการยึดจับไว้ ขณะเดินเครื่องจะล้ม
ทางปฏิบัติอาจทำฐานยึดให้มั่นคงด้วยลวดดัดหรือบล๊อคไม้) เมื่อเครื่องร้อนเพียงพอ
(กรณีใช้เปลวเทียนใช้เวลาประมาณ 1 นาที)
ให้ใช้มือหมุนให้เดินรอบแรกโดยหมุนแกนตุ้มน้ำหนักในทิศทางทวนเข็มนาฬิกา(มอง
จากด้านลูกตุ้ม)
เครื่องสามารถหมุนได้ด้วยความเร็วประมาณ
100 รอบต่อนาทีกรณีใช้เตาไฟฟ้าเป็นแหล่งให้พลังงาน
แต่ถ้าใช้เปลวเทียนขนาดเล็กจะหมุนได้ 60 รอบต่อนาที
หมายเหตุ ถ้าเครื่องไม่เดิน มีสาเหตุที่มักพบบ่อย 2 ประการ คือเรื่องความฝืด และรั่ว
กรณีความฝืดให้เช็คตามส่วนสัมผัสว่ามีอะไรทำให้ฝืด
มีเศษกาวหลงเหลือตามส่วนสัมผัสหรือไม่ รูรองรับข้อเหวี่ยงเล็กไปไหม
หยอดน้ำมันเครื่องแล้วหรือยัง displacer ตั้งไว้ไม่ได้ศูนย์กลางทำให้ครูดผนังกระป๋องด้านใดด้านหนึ่งมากเกินไปหรือ
ไม่ (ปกติ displacer จะครูดผนัง 2 ด้านของกระป๋องเท่าเทียมกันใน 1 รอบ และไม่ครูดรุนแรง) displacer ชนหรือกระทบด้านบนและด้านล่างของกระป๋องหรือไม่
สาเหตุประการที่สองคืออาจมีรูรั่วโดยเฉพาะเมื่อเดินเครื่องไปได้ระยะหนึ่ง
รูเข็มที่เอ็นร้อยผ่านจะถูกเอ็นตัดจนฉีกกว้างขึ้น อากาศรั่วได้มาก
ถึงจุดหนึ่งเครื่องจะหยุดเดิน ในกรณีนี้อาจปรับปรุงโดยใช้ลูกโป่งคุณภาพดีชนิด helium grade ซึ่งมีความหนาของยางมากกว่า
ซึ่งนักประดิษฐ์บางท่านก็แก้โดยติดตั้งแผ่นเทฟลอนเจาะรูไว้ตรงตำแหน่งที่
เอ็นผ่านนี้แทนรูบนแผ่นยาง
ขั้นตอนการประดิษฐ์และการทำงานของเครื่องจักรที่เราสร้างขึ้น
โดยใช้เตา Hotplate เป็นตัวให้ความร้อน เพื่อนๆ อาจใช้เปลวเทียนก็ได้นะครับ
แหล่งที่มา
Senft, J. R., “An Introduction to Stirling Engines”, River Falls, Wisconsin, 1995.
Senft, J. R., “An Introduction to
Low Temperature Differential Stirling Engines”, River Falls, Wisconsin, 1996.
West, C. D., “Principles and
Applications of
Stirling Engines”,
Van Nostrand Reinhold, New
York, 1986.
http://powerelement4.blogspot.com/
http://www.bobblick.com/techref/projects/stirling/can/can.html
http://www.bobblick.com/techref/projects/stirling/stirling.html
http://www.oocities.com/Yosemite/Rapids/2068/LBQuartz.html?200616
http://www.oocities.com/therecentpast/
http://www.fwdder.com/topic/316040
http://www.bekkoame.ne.jp/%7Ekhirata/english/anime_c.htm
*** ขอขอบคุณแหล่งที่มาที่แบ่งปันสิ่งใหม่ๆ ให้กับเพื่อนๆ
ได้ดูผ่าน blogger ขอให้สนุกกับเครื่องจักรที่สามารถสร้างขึ้นได้จากมือท่านนะครับ ***
