研究製作了2個月，終於成功啦！靠著熱水蒸汽的熱量，史特林引擎飛快的旋轉了起來，辛苦終於有了代價。來好好說一說設計與製作的過程吧！
首先用cad軟體畫出零件的設計圖。
史特林引擎最重要的一個組件，就是提供空氣加熱、冷卻的氣室，這個氣室最好用透明壓克力管製作，偏偏學校沒有；所以只好動腦筋到壓克力塊上面，材料室有一些130x130x30大小的，拿來試試看，首先用CAM軟體模擬加工。
上CNC銑床加工，剛加工下來的氣室表面不夠光滑，還要用細砂紙跟研磨膏拋光。氣室最好是透明的，才可以觀察裡面移氣器的動作。
接著是氣室的上下蓋板，跟板金科要到3mm厚的鋁板，上下蓋板是熱量進出的管道，太厚的話會阻礙熱量傳遞。原先打算銑到1mm厚，後來決定在上面銑出2mm深的凹槽，於是便形成鰭片狀的構造，如此一來可以增加接觸面積並形成紊流，有助於熱量的傳遞。
上CNC加工。
壓克力氣室跟鋁板間必須墊上防漏氣的墊片，我是使用1 mm厚的矽膠片，用雷射切割，真是方便。
這個就是氣室的構造。
還有一個很重要的零件--移氣器，顧名思義就是用來移動氣室內的空氣，靠著移氣器的上下運動，可以把氣室內的空氣趕上趕下，空氣就可以受熱膨脹跟冷卻收縮。移氣器重點在於重量要輕，不然會損耗能量，所以我用雷射切割珍珠板來製作。移氣器的厚度採用氣室高度的一半。
下面來簡單的說明一下動作的原理。根據熱力學的定律，熱機引擎要在兩個有溫差的熱源中才可以運作，從高溫的熱源吸收能量，再把廢熱排到低溫的熱源。
所以史特林引擎氣室的上下蓋板，底邊必須要加熱，上端則需要冷卻。看看下一張圖，我是用40W燈泡的燈組來提供熱能，上端則是用散熱片來散熱，史特林引擎就是在這兩個溫差中運作。
用示意圖來說明一下，當移氣器位於氣室的頂端時，大多數的空氣被趕到底部，被底部熱源加熱而膨脹，膨脹的空氣便會推動活塞往上運動。
活塞經由一根連桿連接到飛輪，造成飛輪的旋轉。
看仔細，運動中的活塞與飛輪。
飛輪與飛輪支柱，飛輪直徑100mm，材質為3mm厚鋁板，都是用CNC加工，才會精確。飛輪如果不是真圓，高速旋轉時會產生震動。
採用雙滾珠軸成來支承飛輪，讓摩擦阻力降到最低。
飛輪上面另有一根連桿連接到移氣器，於是推動移氣器往下。
移氣器往下的過程，會將氣室內之前被加溫的空氣趕到上方，被冰冷的鋁板冷卻，於是空氣收縮對活塞形成吸力，往下運動的活塞又會去轉動飛輪，然後又導致移氣器往上運動，空氣被加熱而膨脹...
如此一來，週而復始，史特林引擎便可以持續的轉動了。
從下面這張照片可以看見氣室內的白色移氣器，按照我的經驗，在不影響運動的條件下，移氣器的直徑越大越好。
為了增加氣室上方的散熱效果，我到電腦教室去要了一片散熱片，確實有一點效果，感覺裝上散熱片之後，轉動的速度會比較快。如果是工業用的史特林引擎，都還會裝水套來水冷，我就裝個散熱鰭片，聊勝於無。
史特林引擎的效能跟氣室上下表面的溫差成正比，加熱的溫度越高、或是散熱的溫度越低，效果就越好。有幾次我在散熱片上放幾塊冰塊降溫，小引擎很明顯的用高速飆了起來，過癮啊！
儘管已經製作完成，但還有不少可供研究改進之處。例如活塞與汽缸的材質、直徑大小？我就TRY了銅、鋁、鐵弗龍這3種材質，還有不同的大小。效果最好的，應該是銅汽缸加上鐵弗龍活塞，不過因為學校工場有很多的鋁棒，所以我最後是採用銅汽缸加上鋁活塞，鋁比較輕。
至於活塞的直徑，目前的心得是"越大越好"，這樣才可以提供大推力來克服摩擦阻力。
還有比較需要研究的是活塞連桿推動飛輪的力臂，力臂長的會推動的力矩會比較高，但是活塞運動的行程也會變長，不過這樣比較容易轉動，但是應該無法達到高速。
如果力臂短一點，理論上活塞變成在高速上下震盪，飛輪的轉速應該可以變快！？這些都需要慢慢的TRY啦！如果想要做到最佳化，就要慢慢TRY這些參數，夠我玩了！
在B＆Q買了一個燈組，用40W的燈泡當熱源，模擬利用太陽能的情況，小史特林引擎就可以飛快的轉動起來。我為了要TRY出極限，還用100W的燈泡驅動了15分鐘，轉起來真的是飛快，但是珍珠板作的移氣器也因高溫而變形了，所以還是乖乖的用回40W燈泡，看樣子25W的應該也可以。
飛輪這個零件佔有舉足輕重的地位，我也TRY了不同的大小跟材質，下圖中左邊的飛輪是3mm雷射切割的壓克力，右邊則是3mm鋁板。簡單說一下，活塞在上下運動的過程中，會把能量儲存在飛輪裡面，而飛輪的能量則可以驅動移氣器的上下運動。
但是因為我們身處在地球的重力場，所以往上的運動一定是越來越慢，往下的運動則是越快，有就是說活塞與移氣器並非等速運動，而是往上慢而往下快，因此與他們相連接的飛輪，自然也不是等速度轉動，看起來就不順眼了。要怎樣克服呢？
方法有2個，第一是配重，第2則是增加飛輪的轉動動能。壓克力製作的飛輪，因為質量小、轉動動能小，所以要加上配重，在飛輪轉動比較困難的角度時，利用配重的重量來幫助轉動。
至於鋁合金的飛輪，因為質量高所以轉動慣量就比較大。不過轉動的動能還要考慮到角速度，如果轉速不高則轉動的動能也就不高，說不定儲存能量的效果還不如壓克力飛輪。
如果飛輪的轉動動能夠高，那麼可以輕易的抵銷移氣氣與活塞上下運動的位能差，這樣運轉就會很順暢。這裡面能量轉移的理論很值得探討，留著未來10年慢慢TRY吧！
至於移氣器的材質，重點在於質量輕又具備足夠的強度；所以一開始我是使用游泳池的水道海綿棒，趁著游泳的時候帶著一把小折刀，再偷偷的切一段下來，然後再切片作移氣器。後來懶了就改用珍珠板，雷射切一切還比較方便。
不過珍珠板不耐高溫，說不定還要換回海綿！？
慶幸已經順利完工，有了一個好的起點；往後靠這個題目，可以連續混10年了，耶！當初就是想到這一點，我才會這般打拼的。
接著就是讓學生分組來作，每一組作的參數都不一樣，例如活塞直徑、材質、力臂...，慢慢幫我TRY到最佳化，順便教學生瞭解史特林引擎，教學生CAD/CAM/CNC，這樣可以混十年了～
十年後，史特林作膩了，改教學生作坦克車，又可以混十年～
下學期，我終於有時間可以繼續作坦克車、作折刀了～
不敗叫主重出江湖，誰與爭鋒。耶！
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