史特林引擎科學教育模組-火龍翔鷹

1. 群別：機械群
參賽作品名稱：火龍翔鷹-史特林引擎科學教育模組
關鍵詞：史特林引擎、外燃機、替代能源

2. 火龍翔鷹 - 史特林引擎科學教育模組
壹、 摘要
19 世紀初 蒸汽機鍋爐爆炸事件發生頻繁 時常造成人員傷亡 Robert Stirling
，
，
，
牧師因而利用空氣熱脹冷縮原理發明了外燃機 -史特林引擎。由於其產生之動力
較小，無法與蒸汽機及內燃機引擎相提並論。但近來替代能源的需求以及科普教
學與技術教育的應用，然而再被世人所重用。目前國內高中職與大專院校學生對
其研究之報告非常多，但缺乏實作與驗證的能力，為了發揮高職實作的專業，本
專題嘗試以不同的設計及製作方式，以當今製作小型史特林引擎模組最好的德國
Bohm 公司產品為挑戰對象，製造一台低成本而能產生極高效能的史特林引擎，
並提供國中、高中生活科技教育及高職汽修科能源與動力專題教學使用。在技術
創造力指標：創新、實用、精密三大指標全面挑戰當今世上所有小型之史特林引
擎模組。
本模組已榮獲台北市立建國中學之生活科技教師採用，做為生活科技教育與
能源教育教材，也獲得泰山高中機械科做為技術教育教材。它是技術與藝術的完
美結合，具有獨一無二的造形美感。
貳、 研究動機
我們專題製作是以史特林引擎作為基本題目，上網找相關資料時可以發現國
外做的成品非常精緻，但國內一般國中、普通高中所做的成品卻非常簡漏，我們
希望發揮高職實作的能力，以德國Bohm公司產品為挑戰對象，嘗試不同的設計
與製作方法，製作一台極高速、低成本、又有創新獨一無二的史特林引擎，並可
供國、高中生活科技教育所使用。在技術創造力指標：創新、實用、精密三大指
標全面挑戰當今世上所有小型之史特林引擎模組。
一、 研究對象
以當今全球製造史特林引擎模型最佳之德國Bohm公司編號HB11產品(如圖1所
示，原廠單價198歐元，超貴的)為挑戰目標，在技術創造力指標：創新、實用、
精密三大指標全面挑戰。
圖1

3. 二、 文獻探討
史特林引擎其作動原理是利用空氣的熱脹冷縮，近來由於替代能源的需求以
及技術教育的應用，使其再被世人所重視，史特林引擎理論上可用任何足量的熱
源運行，包括太陽能、化學能和核能。它們傾向被應用於某些特殊用途以發揚其
獨特優點，比如環保特性，可利用回收廢熱、地熱、太陽光來發電，比如結構簡
單，可應用於科普以及能源教育上。
史特林引擎的原理和汽車中的內燃機引擎卻大大的不同。所謂「內燃」機
是指燃料在引擎內部燃燒、產生動力，而史特林引擎卻是一部「外燃」機，也就
是熱源在引擎的外部。內燃機引擎有一連串進氣－壓縮－爆炸－排氣的循環，史
特林引擎中的氣體是完全密封在引擎中，作為熱轉換成機械功的媒介，引擎動作
過程中汽缸內沒有爆炸或燃燒發生，也不需要進氣排氣閥來排放燃燒後的高壓廢
氣，也因為如此，史特林引擎的構造相對比較簡單，運轉也非常安靜。
史特林引擎作動的原理非常簡單，(如圖 2)所示，我們把一塊橡皮套在一個
罐子上。很簡單的，當罐子被加熱，空氣因熱膨脹使橡皮鼓出來，而冷卻的時候
則會縮進去。
圖2
我們把一個活塞放入罐中，然後我們加熱罐子的底部，冷卻罐子的上部。當
產生了足夠的溫差後改變活塞的位置，當活塞向上移動的時候，會有更多的空氣
流到底部被加熱而使橡皮鼓起。當活塞向下移動時，更多的空氣流到上部被冷卻
而使橡皮收縮，在史特林引擎中，這個讓冷熱空氣上下交換而改變內部壓力的活
塞，就叫做移氣器。依移氣器位置及形狀史特林引擎分為 α、β、γ 三種型。
完整的史特林引擎，包括了加熱器(heater)、移氣器(displacer)、作動活塞
(working pistion)、曲柄軸及一個慣性飛輪(如圖 3)。
圖3

4. (如圖 4 左圖)，當移氣器往上時空氣受熱膨脹而推動活塞(power piston)向
上，此時被推動的飛輪會因慣性而繼續轉動，相差 90 度相位角的移氣器被曲柄
軸往下帶動，空氣移至冷卻端後因冷卻活塞收縮向下，依此一直往復做循環運
動，也就是加熱→擴張→冷卻→收縮…..。
一般史特林引擎模型是藉由酒精燈來加熱空氣，(如圖 4 右圖)為麻省理工學
院網路開放課程史特林引擎製作模型，從此模型我們也可以以此說明史特林引擎
的基本結構：加熱時藉由紅色移氣器改變位置，加熱器內空氣被加熱膨脹時就會
(流竄到)推動藍色的活塞使飛輪轉動，飛輪因慣性轉動藉由連桿使移氣器往左
移，使空氣移到引擎較冷的一邊時空氣冷卻收縮使藍色活塞到左邊。
圖4
史特林引擎的應用非常廣泛，目前主要應用在替代能源與技術教育上，譬如美國
有一家「史特林能源系統公司(Stirling Energy System, Inc.)已經發展出成熟的技
術，利用一個 37 英尺直徑的碟型反射鏡，將陽光聚焦在史特林引擎的受熱器上，
驅動史特林引擎發電(如圖 5)。
圖5
史特林引擎在技術教育喻為「夢想中的引擎」，因為製作史特林引擎除了
要有基本加工技能外也考驗著製作者的問題解決能力，故非常適合做為技職學
校機械科系專題製作的題目。很多日本工業高校、專門學校以及美國大專院校
以史特林引擎做為機械科系學生專題製作的題目，(如圖 6)為美國麻省理工學院
大二機械系史特林引擎專題製作選修課程。
4

5.
圖6
目前市售微小型史特林引擎只要有低溫及高溫(如圖7)二大類 低溫只要放置
，
於熱水杯上即可作動，高溫一般可用酒精燈即可產生動力。
從ebay搜尋可以發現它的價錢都很貴。
圖7
三、 研究工具
研究所需機器設備有：車床、銑床(附光學尺)、鑽床、測速器、雷射切割機、
CNC銑床、CNC車床
CAD/CAM軟體：AutoCAD、SolidWorks、CamWorks
5

6. 參、 研究過程
(一)設計圖：我們設計藍本除了德國Bohm生產之史特林引擎外(我們學校有買
型號HB7最簡易型)，也包括去年學長所設計製作之史特林引擎， 初步以仿製
Bohm及學長之前所做的成品，做出一個概念成品再做精進與改良，整個設計與
改良分為三大階段。
1.仿製階段：(如圖8)為去年學長設計圖面及作品，比研究對象HB11網路資料大
一些也高一些，主因是汽缸套要自己做不拿去外面搪磨，而且要便於用般酒精燈
燒所以高一點。
圖8
2.造型改良與創新階段
為避免仿製太多，我們將本體固定板改為老鷹及龍的造型(如圖9)，對將所有造
型儘量美化處理。
圖9
3.藝術與科技、趣味結合進階版：
最後我們將二足暴龍結合至史特
林引擎本體上面，在引擎運轉時帶
動暴龍做奔跑的動作(如圖10)。
圖10

7. 引擎作動之基本原理如圖 11 所示，整個為加熱→擴張→冷卻→收縮作動流程，
如圖黃色移氣器移向右側時，紫色加熱器左側空器一受熱便膨脹而擴張推動活
塞。
圖11
(二)零件製作
本專題零件非常多總共有 30 件(不含固定螺絲)，史特林引擎最重要的零件有四
件，(如圖 12)所示，件 1 為活塞、件 2 為汽缸本體、件 3 為加熱器、件 4 為移氣
器，製作的過程如下：
圖 12
7

8. 1.活塞與汽缸套製作：
活塞的材料選用質輕的鋁來製作，除了表面粗糙度要很低，與汽缸的配合公差也
是很重要，因為配合的太鬆會導致漏氣而無法產生動力，太緊活塞移動困難，可
能就完全無法運轉，製作過程如下:(如圖 13)
(1)車端面後先鑽中心孔及大孔。
(2)車削外徑至 Φ19mm。
(3)在切斷處先切一個溝槽，深度 2mm，再精車外徑。
(4)再以拋光劑拋光。
圖 13
汽缸套選用不會生鏽的青銅來製作(黃銅太軟、鋁拋光不亮、鐵會生鏽)，理由是
學校沒有內孔研磨或搪磨機，再加上車床要搪一般碳鋼 Φ18mm 內孔，受限內孔
刀剛性所以粗糙度不是很好，故選用不會生鏽且比較軟的青銅，在車床搪完孔後
直接以 2000 號砂紙研磨，降低內孔粗糙度(或者直接拿到外面工場做搪磨)。製
作過程如下:(如圖 14)
(1) 節省材料費，用外徑 Φ22mm、內徑約 17mm 青銅管先以內孔刀搪出內徑
Φ18.5mm。(內孔不能太大，但又要有真圓處，18.5 是至少值)
(2)切斷，切斷力要小一點。
(3)由於搪孔刀搪出來的表面不好，以#1200~2000 號砂紙研磨。
(4)再以拋光劑來回 Φ18.5mm 內孔。
圖 14
2.汽缸本體製作：
汽缸本體的複雜度是我們念高職三年來加工過最難的工件，製作過程如下:(如圖
15)
(1)參考學長之前所做的史特林引擎工件進美化設計，為使造形更美化、更精準，
使用 CNC 車床及 CNC 銑床來加工，所以以 CAMWorks 完成 CAM 後處理。
(2)先以 CNC 車床車出曲線外形(由老師完成，因數控車床下學期才會學到)，然
8

9. 後我們再拋光處理。
(3)以傳統銑床加工底部四個面(先加工如此到 CNC 銑床不用重複校刀長補正)
(4)底部四個面有三個加工程式，以 CNC 銑床來加工。
(5)螺絲孔攻螺紋後修毛邊。
圖 15
3.加熱器製作：
一般史特林引擎模型加熱器材質會選用不鏽鋼或玻璃，為了使加熱端(加熱器)
與冷卻端(氣缸)使持一定的溫差，加熱器熱導係數比較小的不鏽鋼或玻璃，實際
車削可以發現不鏽鋼的切削性比一般碳鋼還難車，而且不鏽鋼很貴故加熱器直徑
選用 Φ25mm 不鏽鋼材料製作加熱端，固定的法蘭座則另以鋁材車製。不鏽鋼加
熱器必須先鑽內孔再車外徑，若先控制外徑再鑽孔可能因為管壁很薄而爆掉(破
掉)，管壁厚只有 0.3mm，越薄越好。製作過程如下:(如圖 17)
(1)車端面後先鑽中心孔及內孔 Φ22mm。
(2)搪孔至 Φ23mm。
(3)車削外徑至 Φ23.6mm，由於壁很薄，車時會產生很大的共震聲音，可用木鎚
柄壓住工件再精車外徑。
9

10. (4)在切斷處先切一個溝槽，在左側直接切斷，最後再以耐熱 AB 膠接合鋁製的
法蘭座。
圖 16
(如圖 17)為所製作出來的玻璃及不鏽鋼加熱器
圖 17
圖 18
4.移氣器製作：移氣器可以使用鋼絲絨、壁厚 0.15mm 的鋁製試管或直接以鋁材
車削空心管做為移氣器，鋁製試管是很輕，但以帶鋸機切斷很難鋸直，所以最後
選用鋁棒直接車削成薄管，以耐熱 AB 膠接合於鋁製固定座(如圖 18)。
5.連桿與本體支架雷射切割：
連桿與本體支架因為造型曲線所以由學校所購買之低功率雷射切割機完成(如圖
19)，實驗組裝發現強度不太夠，因此連桿部份我們交給外面雷射切割工場完成，
本體支架造形由原本板厚 4.7mm 壓克力改為 6mm 壓克力。為追求美觀與獨特
性，本體支架我們前後設計了：仿德國 Bohm 外形、龍的造型、火的造型及老鷹
的造型，最後因老鷹比較漂亮，所以最終版是老鷹的造型(複雜的圖形是先在
AutoCAD 做樣圖套描再轉到 SolidWorks 立體成形)。
圖19
10

11. 6.飛輪的製作(如圖20)，為了製作一個造型比較好看的飛輪先在電腦做完設計後
以CAM執行加工路徑模擬後再做CNC加工。
圖20
(三)組裝
所有零件修整毛邊後進行組裝，組裝過程如下所示，不合格不行的工件就重做，
從失敗到成功至最後完成品修改過很多次(單是活塞前後就做了 10 次)，當然其
中也學到很多東西。
重要零件的完整組裝流程如下所示：
(1)飛輪軸承支架裝上編號 623 的滾珠軸承
(2)移氣器與移氣座，氣缸套與氣缸本體，加熱器與加熱器座，移氣器軸與氣缸
本體用 AB 膠結合(如圖 21)。
圖 21
(3)移氣器與加熱器裝入氣缸本體(如圖 22)。
圖 22
11

12. (4)氣缸本體與老鷹本體支架結合(如圖 23)。
圖 23
(5)將活塞放入汽缸本體內，連桿支架結合於氣缸本體並鎖定與老鷹本體(如圖
24)。
圖 24
(6)飛輪軸承座及飛輪結合於氣缸本體(如圖 25)。
圖 25
(7)移氣器的軸鎖上曲柄在連結連桿(如圖 26)。
圖 26

13. (8)所有連桿接合(如圖 27)。
圖 27
(9)試運轉，一定要很順，不可以卡卡的。
(10)將暴龍所有零件結合於氣缸本體。
(11)試運轉，再做修改。
為追求更進一步的創新與更改，在這個模組上裝一個微型發電機及發組二極體證
明它是可以做事做功的，好像太普通了，因此我們想如何做一台舉世獨一無二的
史特林模型呢？因為我們機三甲專題採分組作業，每一組皆要完成一台簡單的史
特林引擎(如圖28左圖)及簡易2足暴龍(仿TAMIA)設計(如圖28右圖)
圖28
最終版是取班上最佳二位同學的設計圖(如圖29為班上同學設計的各式暴龍組)
融合成我們的專龍「火龍翔鷹」，由火所驅動的史特林引擎，它的動力取代馬達
組，帶動一隻奔跑的暴龍。
圖29

14. 由於設計有誤，第一次組合發現暴龍變成「落跑龍」了，轉向方向錯誤，而且發
現原設計有很多要修改的地方(如壓克力太尖會刺到人、火燒時可能會燒到壓克
力本體支架…..)，最後完整成品(如圖30)所示，整個龍作動其實是利用簡單的
四連桿機構。
圖30

15. 肆、研究結果
本專題成品以當今全球製造史特林引擎模型最佳之德國Bohm公司成品為挑
戰目標，在技術創造力指標：創新、實用、精密三大指標全面挑戰當今世上所有
。
微小型之史特林引擎模組 以這三大指標來衡量的話 我們獲得的結果說明如下
，
：
一、精密
和一般普通高中生或工學院學生最大的不同是我們具有很強的實作能力與技
術，一般國中生、普通高中生由於沒有車床、銑床(更別說是 CNC、雷射切割、
CAD/CAM)，所製作出來的史特林引擎非常粗糙，但我們使用 CAD/CAM 可以
做精密的設計與金屬加工(曲面也可以)，不要說是 CNC 機器，用傳統車床車出
來的移氣器與移氣器座，由於間隙只有 0.01mm(頭髮直徑的 1/6)，直接壓合配合
就可以，不需要用 AB 膠，這就是我們的技術力。精密等級 0.01mm，不會輸給
德國 Bohm 公司成品。相關引擎效能實驗的數據如附表 1：
引擎效能最佳化實驗(附表 1)
汽缸與活塞間隙(註 1)
0.03mm
0.04mm
0.05mm
0.06mm
0.07~
瞬間最高轉速
轉速大幅下
9023
11826
8052
6692
(rpm)
降，甚至無法
平均最高轉速
約 4000
約 6000
約 2500
約 1500 運轉
(rpm)
加熱器壁厚薄(汽缸與活塞間隙 0.04mm 條件下測試)
玻璃試管(壁厚
0.1mm
0.3mm
0.5mm
1mm)
啟動所需時間 不可行，因為太
10
13
30
薄會變形
瞬間最高轉速
10879
8975
6210
註1:影響轉速的原因有汽缸與活塞間隙、活塞的重量、飛輪重量、零件干涉狀
況……，而且相同汽缸與活塞間隙，但表面粗糙度不同所得之轉速數據就會
不同。
註2:以上數據皆是以酒精燈加熱，未帶動暴龍情況下所得到的數字。
(如圖 31)為學校以前購買的德國 Bohm HB7 史特林引擎及測速照，表 2 為
我們做的引擎與此模型之性能差別比較(比較僅供參考，因為兩者大小有差異)。
圖 31

16. (附表 2)
起動耗時
最高轉速
滾珠軸承
成本
德國 Bohm HB7
31sec
約 850rpm
4顆
購買成本 5000 元
三重商工機械科
10sec
平均 6000rpm
2顆
材料成本約 1000 元
(一)最佳的汽缸與活塞間隙為 0.02~0.04mm(最佳的間隙和汽缸與活塞表面粗糙
度有關，表面越光滑最佳的間隙就可以小一點)，活塞與汽缸配合太鬆一定不能
動，它會漏氣，太緊因為摩擦力太大運轉也是有問題。我們實驗的結果最理想的
間隙公差是 0.02~0.04mm，(如圖 32)所示，簡單的比喻就是他們之間的間隙只有
頭髮直徑的一半。
汽缸
活
塞
直徑
0.06mm
頭髮
圖 32
(二)瞬間最高轉速為約 12000rpm，平均最高轉速可達 6000rpm 以上(德國 Bohm
公司原廠型錄轉速數據最高為 2000~3000rpm)。
圖 33

17. 二、實用
本模組已獲得泰山高中機械科做為技術教育教材，也榮獲得台北市立建國中
學之生活科技教師採用，做為生活科技教育與能源教育教材。
史特林引擎在效率上不如內燃機汽油引擎，但它仍有一定的教育價值，尤其
是現在替代能源研究讓它又被世人重視 (如圖 34)為高中生活科技教科書有關史
，
特林引擎的描述，本專題模組低成本(材料費約 1 千元，國外網購至少要 200 美
元)，可提供國中、高中生活科技教育及高職汽修科能源與動力專題教學使用。
圖 34
三、創新
上 google 或 e-bay 可以搜尋到一堆史特林引擎模型的圖片及資料，我們這個模型
獨特之處有：
1.以動物(老鷹、龍)為造型主題的構造，具有獨特的美觀性。(如圖 35)，為本體
支架經過壓克力顏料上色後的樣子。
圖 35

18. 2.為可擴充模組：有(購買)此「火龍翔鷹」史特林引擎模型的玩家或教育單位，
可藉由此引擎，帶動諸如二足機器人(動物)作動(沒有機械加工能力的人或以以
簡單的木工完成暴龍設計與製作，然後裝上去，如圖 36 所示為不同造型)，或者
裝上微型發電機從事能源教育，或者當作一個動力源做其它的事。而非只是加熱
然後空轉而已。
圖 36
如圖 37，也是簡易四連桿應用，一隻會奔跑的馬。
圖 37
如圖 38，也是簡易四連桿應用，為鬥牛作動流程。
圖 38

19. 總之，本模組可應用於下面幾個方向：
1. 國、高中生活科技、能源及科學教育教材
2. 玩具(如樂高積木，可自行組裝，做設計變更，如上面的馬及鬥牛。
3. 展示品(如彩繪玻璃一般，對透明壓克力上色，呈現獨一無二的美感，若是
要更有用途，可在如老鷹本體加上一電子時鐘，兼具有時鐘、藝術展示品、
史特林引擎玩具三個功能。
如圖 39 為最終成品圖
圖 39
伍、討論
從試做到達到運轉非常順，我們發現製作失敗的原因不外乎有：
一、 加工精度不夠，如果運轉組合件有 5 件，每一件都有 0.1mm 的公差，那
組合起來就有 0.5mm，有可能產生干涉無法做動。
二、 所有配合螺絲孔一定要在銑床配合光學尺鑽孔，或者以 CNC 銑床完成才會
準。
三、 鋁材切削特性與鐵不同，而且容易變形，鑽孔也會刃口積屑，比如鋁活塞
在車削切斷時，就可能因切斷力太大材料變形而與汽缸無法配合。
四、 真圓度、同心等幾何公差如果太差也不行，否則零件配合後會打架產生干
涉。
五、 加熱器壁越薄，加熱端熱量越難從加熱端傳到活塞處，壁可以多薄呢，我
們可以車到壁 0.2mm 以下。
六、 活塞與汽缸配合精度不夠，太鬆一定不能動，它會漏氣，太緊因為摩擦力
太大運轉也是有問題。我們實驗的結果最理想的公差是 0.02~0.04mm。
七、 國外市售的史特林引擎為產生較高轉速都會裝 4~6 顆滾珠軸承，為了省錢
但引擎也要跑得快，至少飛輪軸承支架一定要加裝滾珠軸承，否則運轉效
果也不好。
八、 雷射切割是用高熱去融解材料，所以一個直徑 10mm 的圓，切割下來直徑

20. 可能只剩 9.7mm，所以要注意，螺絲孔或一般的孔在切割前都要微調尺
寸，比如 M4 螺絲孔一般預鑽 3.3mm，但雷射切割前畫的圖孔要改為
3.15mm。
為了追求最高的運轉速率以及低成本，我們採取了幾項措施：
一、 材質輕量化：大量採用鋁材，如活塞及移氣器。
二、 採用最適合的材料：如加熱器以不鏽鋼，因其熱導係數小，所以可以提高
溫差，增加動力，以這台引擎來說，我們測到的轉速，以普通碳鋼所做的
加熱器轉速只能到達約 1000rpm，但以不鏽鋼所做的加熱器轉速可以達到
6000rpm 以上。
三、 搪磨以及拋光處理減少摩擦係數，活塞要拋光處理，而汽缸內孔則予以搪
磨。
四、 為了輕量化及造形美化，連桿採雷射切割。
陸、結論
整個製作過程除了展現也是考驗我們基本的機械加工能力，多個零件組合產
生的問題超出我們的想像，要應付干涉問題以及讓整個運轉效率達到高水準，零
件一再重做重修改，活塞至少做了10顆以上，但成果是讓我們很滿意的，幾個零
件組合後就能產生運轉的動力，這真的是很神奇，好還要更好，持續的做下去，
我們的技術也更精熟。專題製作讓我們有這機會展現出機械科學生所擁有的技術
能力，雖然過程有許多的困難、阻礙 但是「失敗乃成功之母」，在失敗中能夠
有所收穫讓我們了解如何去解決問題。本專題製作是技術與藝術的完美結合，我
們展現了機械加工堅強實作的能力,也獲得建國中學生活科技教師的肯定，也感
謝班上幾位同學的美術造形指導。
柒、參考文獻
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
小林義行、賴光哲等著(2006)。模型熱空氣引擎圖面集。世茂出版
周鑑恆(2008)。能源之星-史特林引擎。物理雙月刊(卅卷四期)
維基百科-史特林發動機http://zh.wikipedia.org/wiki
http://www.kanagawa-th.pen-kanagawa.ed.jp/mechanics_course/mechanics_top_index.html
http://www.tamiya.com.tw
http://www.en.boehm-stirling.com/
http://tw.myblog.yahoo.com/jw!38.gq_GFHRT.YwEw_4YGB5QSPA--/德盟工作室
http://www.bekkoame.ne.jp/~khirata/indexe.htm
http://www.animatedengines.com/ltdstirling.shtml