มาสร้างเครื่องจักรสเตอร์ลิงเล่นกันเถิด

                   ใครจะไปนึกว่ากระป๋องน้ำอัดลม และวัสดุเครื่องใช้รอบๆตัวเรา สามารถนำมาสร้างเครื่องจักรได้ ใช่ครับ เครื่องจักรที่มีลูกสูบ มีข้อเหวี่ยง สามารถเดินเครื่องได้ด้วยพลังงานความร้อนแม้น้อยนิด เช่น เปลวไฟจากเทียน เป็นสิ่งเพลิดเพลิน และให้ความรู้แก่ผู้สร้างไปพร้อมกัน

ภาพ ๑

คลิ๊กดูการทำงานขณะวางบนเตาไฟฟ้า (hot plate)

               เครื่องจักรสเตอร์ลิง (stirling engine) ในเว็บนี้เป็นชนิด displacer ซึ่งสามารถอธิบายการทำงานได้ด้วยภาพเคลื่อนไหวที่ได้จาก เว็บไซต์ของ Koichi Hirata ตามคลิ๊กนี้ http://www.bekkoame.ne.jp/%7Ekhirata/english/anime_c.htm

               เครื่องที่ผมทำขึ้นนี้ตัวกระบอกสูบ (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(หาซื้อได้จากร้านขายขนมเด็ก พร้อมเบ็ดซองละ 3 บาท) 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 (เมื่อสวมเรียบร้อยแล้วในขั้นตอนประกอบให้เชื่อมรอยแยกนี้ด้วยแผ่นอลูมิเนียมทากาว epoxy)   

ภาพ ๒

ขั้นที่ 2 ทำกระบอกสูบ (cylinder)

               ทำจากกระป๋อง 2 ใบมาต่อกัน โดยส่วนบนทำจากกระป๋องตัดฝาออกแล้วตัดส่วนล่างทิ้งให้มีส่วนสูง 6.5 ซม.

ภาพ ๓

ส่วนล่างทำจากกระป๋องอีก 1 ใบ ตัดส่วนบนออกทำให้ส่วนของกระป๋องที่เหลือมีความสูง 7 ซม.

ภาพ 4

และให้ทำแถบคาดจากส่วนของกระป๋องที่เหลือให้มีความกว้าง 2 ซม. เพื่อใช้สำหรับคาดระหว่างกระป๋องส่วนบนและส่วนล่างให้ต่อกัน

ภาพ ๕

ขั้นที่ 3 ทำลูกสูบ (displacer)

                  นำกระป๋องมา 1 ใบ ตัดส่วนบน และส่วนล่างออกให้เหลือแต่ทรงกระบอกตรงกลางสูง 6.5 ซม. จากนั้นให้ผ่าทรงกระบอกตามแนวดิ่งได้ผลดังรูปนี้

ภาพ ๖

จากนั้นทากาว epoxy เชื่อมรอยผ่าเข้าด้วยกันโดยให้รอยต่อแผ่นอลูมิเนียมซ้อนกัน 1 ซม. เป็นการลดขนาดของทรงกระบอกให้เล็กลงจากเดิม เพื่อจะได้ใส่ลงในกระป๋องกระบอกสูบได้

ภาพ ๗

ทำฝาปิดส่วนบน และส่วนล่างของ displacer ขึ้นจากส่วนก้นกระป๋องน้ำอัดลม 2 ชิ้น โดยตัดให้แต่ละชิ้นมีเส้นผ่าศูนย์กลางพอดีในการวางลงไปในกระบอก displacer ได้พอดี

ภาพ ๘

ชิ้นที่เป็นฝาบนจะต้องเจาะรูขนาดรูเข็มไว้ตรงกลาง ซึ่งในการนี้จะต้องหาจุดศูนย์กลางเสียก่อน วิธีการหาจุดศูนย์กลางทำได้โดยใช้กระดาษตัดเป็นวงกลมขนาดเดียวกับทรงกระบอก displacer แล้วพับครึ่ง 2 ครั้ง เกิดรอยพับตัดกันที่จุดศูนย์กลาง

ภาพ ๙

นำกระดาษวงกลมนี้ไปทาบกับฝาที่จะหาจุดศูนย์กลาง แล้วใช้เข็มเจาะทะลุศูนย์กลางกระดาษลงไปที่ฝา กดปลายเข็มลงไปให้เกิดรอย จากนั้นจึงใช้ตะปูเข็มตอกที่รอยจนเป็นรู ทำการประกอบ displacer โดยใช้เอ็นตกปลายาว 20 ซม. โดยประมาณ  ผูกลวดเล็กๆไว้ที่ปลาย ปลายอีกด้านร้อยผ่านรูที่เจาะไว้บนฝา แล้วใช้กาว epoxy ทาไว้ให้แน่น ประกอบฝาบนและฝาล่างเข้ากับทรงกระบอกตามภาพโดยเชื่อมจุดต่างๆด้วยกาว epoxy (ใช้เทปกาวช่วยแปะตามจุดต่างๆไว้ก่อนทากาว) ระวังอย่าให้มีรอยรั่วได้

ภาพ ๑๐

หลังจากกาวแห้งแล้วให้ขูดเช็ดกาวที่เปื้อนด้านข้าง displacer ให้เกลี้ยง แล้วเช็คขั้นสุดท้ายว่า displacer สมดุลหรือไม่ โดยถือเส้นเอ็นยก displacer ขึ้น สังเกตว่า displacer ไม่เอียงด้านใดด้านหนึ่งเป็นใช้ได้

ภาพ ๑๑

ขั้นที่ 4 ทำไดอะแฟรมลูกโป่ง (แผ่นยางจากลูกโป่งที่ใช้ขึงปากกระป๋องกระบอกสูบ)

              นำลูกโป่งมาตัดครึ่งตามในภาพ เลือกครึ่งหนึ่งไปใช้ (ส่วนจุกให้ทิ้งไป)

ภาพ ๑๒

หาจุดศูนย์กลางของแผ่นลูกโป่งโดยทำการพับแผ่นลูกโป่ง 2 ทบ แต้มจุดตรงมุมที่พับปากกา กำหนดให้เป็นจุดศูนย์กลาง

ภาพ ๑๓

จากนั้นเขียนสเกลแกนตั้งและแกนนอนแต่ละช่องห่าง 0.5 ซม.จะได้ผลลัพธ์ดังภาพ

ภาพ ๑๔

ตัดแผ่นอลูมิเนียมจากเศษกระป๋องมา 4 ชิ้น ขนาด กว้างxยาว = 0.5x2.5 ตร. ซม. แต่ละชิ้นให้พับปลายหักขึ้น 2 มม. ทั้ง 2 ด้าน จากนั้นนำไปติดบนแผ่นลูกโป่งด้วยกาวช้าง แผ่นอลูมิเนียมจะทำหน้าที่พยุงแผ่นลูกโป่งขณะขับเคลื่อนให้มีโครงสร้างรูปร่างคงเดิม ส่วนปลายของแผ่นอลูมิเนียมที่หักขึ้นก็เพื่อป้องกันความคมไม่ให้บาดแผ่นลูกโป่งเสียหาย

ภาพ ๑๕

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 

ภาพ ๑๖

ขั้นที่ 6 ทำก้านสูบ (rod)

             ทำจากปากกาที่หมึกหมดแล้วโดยใช้เลื่อยตัดทางด้านก้นออกเหลือปลายด้านเขียนไว้พร้อมฝาปิด โดยให้มีความยาว 6 ซม. แล้วให้ตัดเลาะก้านหนีบกระเป๋าเสื้อของฝาปิดทิ้งไป

ภาพ ๑๗

นำลวดทองแดง(ขนาดเส้นผ่าศูนย์กลาง 1.2 มม.) ยาว 10 ซม. มาขด 2 รอบพันข้อเหวี่ยง(ใช้คีมช่วย)ได้ผลดังรูป

ภาพ ๑๘

จากนั้นติดปลายอีกด้านของลวดทองแดงเข้ากับปากกาโดยสอดเข้าไปในปากกาที่ตัดไว้ ให้เหลือปลายที่ยื่นออกมา 2 ซม. แล้วติดให้แน่นโดยหยอดกาวลงไป (ผมใช้กาวจากปืนยิงกาวเพราะสะดวกที่กาวแห้งช้าพอมีเวลาจัดระยะได้ และเมื่อแห้งแล้วจะรื้อก็ทำง่าย แต่ถ้าไม่มีก็ใช้กาวอื่นๆได้) มีผลให้ rod ทั้งแท่ง(คือปากกาและลวดที่ยื่นออกมา)ยาวทั้งสิ้น 8 ซม. จากนั้นทำ rod อีกข้างด้วยวิธีเดียวกันจะได้ผลตามภาพนี้

ภาพ ๑๙

ขั้นที่ 7 ดัดลวดส่วนที่เหลือ

7.1 ทำตะขอ

              นำลวดทองแดงมาดัดเป็นตะขอรูปตัว S เพื่อใช้แขวน displacer

ภาพ ๒๐

7.2 ทำลวดล๊อคข้อเหวี่ยง

                นำข้อเหวี่ยงไปตั้งบนแท่นรับข้อเหวี่ยง(บนร่องที่บากไว้) จากนั้นล๊อคไว้โดยพันลวดทองแดงรอบแท่นเหนือข้อเหวี่ยง ปลายลวดทองแดงให้ขัดกันไว้ ขั้นนี้ให้ระวังว่าลวดทองแดงจะไม่ไปกดข้อเหวี่ยงจนเกิดความฝืดขึ้น

ภาพ ๒๑-๑    

 ภาพ ๒๑-๒

7.3 ทำส่วนกันเลื่อน

              ทำส่วนกันเลื่อนบนจุดต่างๆของข้อเหวี่ยง เพื่อป้องกันไม่ให้ชิ้นส่วนต่างๆที่จับกับข้อเหวี่ยงเลื่อนไปมา ทำโดยการใช้ลวดทองแดงไปพันรอบข้อเหวี่ยงในบริเวณที่หมายไว้โดยพันให้แน่นประมาณ 2-4 รอบ (ใช้คีมบีบให้รัดแน่น แต่ระวังอย่าใช้แรงมากไปจนข้อเหวี่ยงเสียรูป)

ภาพ ๒๒-๑

ขั้นที่ 8 ประกอบเครื่อง

              วางแผ่นลูกโป่งลงบนปากกระป๋องกระบอกสูบ โดยวางให้ศูนย์กลางของทั้งสองตรงกัน(สเกลที่เขียนไว้จะมีประโยชน์ตอนนี้) วางแผ่นลูกโป่งให้หย่อน(ไม่มีการขึงตึง) ตรงกลางแผ่นจะแอ่นโค้งลงไปในกระบอกสูบใช้ยางรัดไว้ ลองหย่อน rod ทั้งสองลงไปในตำแหน่งลึก 0.6 ซม.จะวางได้พอดีโดยไม่มีแรงขึงตึง ถ้าตึงไปก็ปรับให้หย่อนจนพอดี จากนั้นใช้ปากกาเขียนหมายตำแหน่งของแท่ง rod ตามภาพ

ภาพ ๒๒-๒

ภาพ ๒๒-๓

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

ภาพ ๒๓-๑  

 ภาพ ๒๓-๒

ติด rod เข้ากับแผ่นลูกโป่ง โดยปลดส่วนฝาปิดปากกาทั้งสองด้ามมาติดกับแผ่นลูกโป่งตามตำแหน่งที่เขียนกำหนดไว้ตามภาพ ๒๒-๒ ด้วยกาวช้าง

นำแท่นรับข้อเหวี่ยงพร้อมข้อเหวี่ยงที่ติดตั้งแล้วมาสวมเข้ากับกระป๋องกระบอกสูบ โดยต่อ rod ทั้งสองด้วยการให้ปากกาปิดฝาเสีย ใช้เทปกาวปิดยึดส่วนแท่นรับข้อเหวี่ยงเข้ากับกระป๋องกระบอกสูบบริเวณร่องของแท่นที่ตัดแยกไว้(จะเห็นว่าพยายามใช้เทปกาวแต่น้อย เพราะไม่ต้องการให้เกิดฉนวนซึ่งจะไปลดประสิทธิภาพการระบายความร้อนของเครื่องจักร)(เมื่อทุกอย่างเรียบร้อยดีให้เปลี่ยนเทปกาวเป็นแผ่นอลูมิเนียมทากาว  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

ภาพ ๒๔

ขั้นที่ 9 เดินเครื่อง

              ใช้น้ำมันเครื่อง เช่นน้ำมันจักรหยอดบริเวณรูเข็มที่เอ็นผ่านแผ่นลูกโป่งสัก 1 หยด และตามจุดสัมผัสต่างๆของข้อเหวี่ยง

               นำเครื่องจักรไปตั้งบนเตาไฟฟ้า (หรือเปลวไฟ) ใช้ ตัวยึด (clamp)จับไว้ (เนื่องจากตัวเครื่องเบามากถ้าไม่มีการยึดจับไว้ ขณะเดินเครื่องจะล้ม ทางปฏิบัติอาจทำฐานยึดให้มั่นคงด้วยลวดดัดหรือบล๊อคไม้) เมื่อเครื่องร้อนเพียงพอ (กรณีใช้เปลวเทียนใช้เวลาประมาณ 1 นาที) ให้ใช้มือหมุนให้เดินรอบแรกโดยหมุนแกนตุ้มน้ำหนักในทิศทางทวนเข็มนาฬิกา(มองจากด้านลูกตุ้ม)

ภาพ ๒๕

เครื่องสามารถหมุนได้ด้วยความเร็วประมาณ 100 รอบต่อนาทีกรณีใช้เตาไฟฟ้าเป็นแหล่งให้พลังงาน แต่ถ้าใช้เปลวเทียนขนาดเล็กจะหมุนได้ 60 รอบต่อนาที

หมายเหตุ     ถ้าเครื่องไม่เดิน มีสาเหตุที่มักพบบ่อย 2 ประการ คือเรื่องความฝืด และรั่ว

                  กรณีความฝืดให้เช็คตามส่วนสัมผัสว่ามีอะไรทำให้ฝืด มีเศษกาวหลงเหลือตามส่วนสัมผัสหรือไม่ รูรองรับข้อเหวี่ยงเล็กไปไหม หยอดน้ำมันเครื่องแล้วหรือยัง displacer ตั้งไว้ไม่ได้ศูนย์กลางทำให้ครูดผนังกระป๋องด้านใดด้านหนึ่งมากเกินไปหรือไม่ (ปกติ displacer จะครูดผนัง 2 ด้านของกระป๋องเท่าเทียมกันใน 1 รอบ และไม่ครูดรุนแรง) displacer ชนหรือกระทบด้านบนและด้านล่างของกระป๋องหรือไม่

                 สาเหตุประการที่สองคืออาจมีรูรั่วโดยเฉพาะเมื่อเดินเครื่องไปได้ระยะหนึ่ง รูเข็มที่เอ็นร้อยผ่านจะถูกเอ็นตัดจนฉีกกว้างขึ้น อากาศรั่วได้มาก ถึงจุดหนึ่งเครื่องจะหยุดเดิน ในกรณีนี้อาจปรับปรุงโดยใช้ลูกโป่งคุณภาพดีชนิด helium grade ซึ่งมีความหนาของยางมากกว่า ซึ่งนักประดิษฐ์บางท่านก็แก้โดยติดตั้งแผ่นเทฟลอนเจาะรูไว้ตรงตำแหน่งที่เอ็นผ่านนี้แทนรูบนแผ่นยาง

เว็บต้นฉบับ   เครื่องจักรสเตอร์ลิงกระป๋องที่ผมทำขึ้นนี้ได้ดัดแปลงจากเครื่องจักรสเตอร์ลิงกระป๋องที่ปรากฏในเว็บไซต์ต่อไปนี้

http://www.bobblick.com/techref/projects/stirling/can/can.html

http://www.bobblick.com/techref/projects/stirling/stirling.html

http://www.oocities.org/Yosemite/Rapids/2068/LBQuartz.html?200616

http://www.oocities.org/therecentpast/

             สุดท้ายนี้หวังว่าท่านทั้งหลายจะโชคดี และเพลิดเพลินกับเครื่องจักรสเตอร์ลิงกระป๋องที่ท่านทำขึ้นเองครับ สำหรับกรณีท่านใดมีปัญหาสอบถามได้ที่

บรรเทิง ศิลป์สกุลสุข

banterngs@yahoo.com

ภาควิชาวิทยาศาสตร์พื้นฐาน คณะวิศวกรรมศาสตร์

มหาวิทยาลัยสยาม

เว็บไซต์นี้จัดทำขึ้นเมื่อ 12 พฤษภาคม 2549