仿真透明蒸汽機
周鑑恆
私立萬能科技大學航空機電系 本文介紹一種由作者原創的蒸汽機 教具。此蒸汽機教具通體透明，可以透視 蒸汽機內外的所有活動零件，而且真的利 用水蒸氣推動，連透明燒瓶中沸騰的水產 生蒸氣的情形也一目了然。這項國際首見 的作品，曾於 2013 年莫斯科國際發明展中 獲得金牌獎。 壹、前言 蒸汽機的發明經過一段相當漫長的 歲月，其中充滿著巧奪天工的靈感和堅毅 不拔的奮鬥。蒸汽機衝破了人類受獸力、 人力和簡單自然力量的局限，揭開 7 人類 使用能源的序幕，引發了人類社會驚天動地的變革，在人類歷史仍至於物理學發展
的進程上，影響深撞，其重要性無庸贅言。 早期的蒸汽機除了提供各種工廠， 例如紡織廠或鋸木工廠所需的動力之外， 蒸汽機還可作為輪船和火車的動力，又另 外翻開了大眾交通運輸的新頁。現在世界各地蒸氣火車頭大多已經淘汰，但許多懷
古的工程師們仍不時製作縮小比例的真實 火車頭，其中蒸汽機通常是用金屬製的， 無法透視蒸汽機內部零件之運作。雖然往復式蒸汽機現在多已不再實
用，但蒸氣渦輪機仍是世界各大火力、水 力發電廠和核能發電廠的主角，蒸汽機事 實上仍與人們的生活息息相關。 蒸汽機之所以深受世界各地見童和 學生之青睞，原因之一就是蒸汽機不像內 燃機，內燃機的連桿等結構都被包覆在引 擎內，蒸汽機許多零件都暴露在外，運轉 時各活動的組件協調作動，非常有趣，其 中巧妙又古樸的設計尤其令人驚嘆。 作者曾研製一款透明蒸汽機教具，足 寸大小故意設計得與小朋友的身高相當， 全機不用金屬，並且用家用吸塵器或實驗 室常用的鼓風機驅動，大朋友和小間友在 操作之餘，都覺得趣味盎然，印象深刻。 為進一步逼近真實的蒸汽機，作者於 是設計出通體透明，內部零件運動以及透 明鍋爐中的沸水均歷歷在目，又能像真的 蒸汽機一樣利用蒸氣驅動，而且製作過程 相對簡單，成本也不高的蒸汽機。在課堂 上備齊這一系列蒸汽機教具，提攜道來蒸 汽機的發展史、熱學原理、工業革命和能 源開發的進程，既生濃厚的思古幽情，又 有前瞻文明進程的雄心。 貳、首見的作品 國際上雖然有不少人成功製成鋼鐵 袖珍蒸汽機，但價格昂貴和製程繁複，都造成普及的困難，也有原原本本依照大型 蒸汽機之設計、用玻璃製作的蒸汽機模 刑，但氣閥、活塞均要求氣密，而摩擦力 不能太大，製作難度頗高，非得經驗老到 的玻璃燒製高手不能完成，成品數量自然 非常有限，無法作為科學教具。 國內也有車床高手，製作許多縮小版 的蒸汽火車，這些手工打造的蒸汽火車真 的用燃煤燒水，可以在小鐵軌上行駛，甚 至還可以連載大小朋友。不過其作品的重 點在於﹒保存台灣蒸汽火車發展的歷史， 複製並收藏各時代蒸汽車頭的設計。所有 的蒸汽火車均用鋼鐵製作，完全不能目視 其內部結構。 仿真透明恭)~機 這款仿真透明蒸汽機之設計理念雖 然與真實蒸汽機相同，但為了降低製作過 程及生產的難度，作者靈活運用縮小足寸 而衍生出可資變通的創作空間，而設計出 這款蒸汽機。此蒸汽機教具實為國際上首 見的原創作品。
參、藍圖與製程大要
圖一為仿真蒸汽機模型的立體圖。其 運轉原理基本上與真的蒸汽機無異，但為 了避免使用精密的零件，排除高壓蒸氣之 危險，克服維持各活動零件氣密狀態的困 難度，設計上有幾項巧思，使得此蒸汽機 能夠順利運轉。 圖一:仿真透明蒸汽機教兵的立體透視圈。由於比蒸汽機通體透明，實物也正如此 透視 圈，可以透視。科學教育月刊 第 381 期 中華民國 104 年 8 月 左側汽缸由透明玻璃管製成，汽缸以 AS 膠黏在一塊長方形玻璃上，在氣缸底 部的位置，此長方形玻璃鑽有一個直徑約 8mm 的圓孔，玻璃管汽缸之內徑約 22mm 。用剪刀剪出兩片鋁圓片，鋁圖片厚 度約 O.5mm' 此兩圓片中間均有一孔，一 根直徑約 2.5mm 的木棒穿過兩圓片中問 的孔，並以 AB 膠黏牢，製成的活塞。活 塞置於汽缸中，木棒上端鑽有一小孔，可 容一根直徑約 O.8mm 的短鋼棒穿過，藉此 鋼棒，活塞與其上方的重直連桿樞接在一 起。 動力連桿則由三支連桿構成，中間那 支連桿有如水平之槓桿。左側垂直的連桿 樞接活塞，右倒垂直的連桿則樞接飛輪的 曲柄。 汽缸底下長方形玻璃片的一側黏在 底盤上凸起的正立方體木塊上。破璃片下 方透明燒瓶中沸騰的水產生蒸氣，穿過玻 璃片的圓孔而沖人汽缸，產生推力，驅動 活塞。 控制氣閥上則有一個方孔，曲柄樞接 氣閥連桿，氣閥連桿牽動控制氣閥，於是 整個控制氣閥可以在同一水平高度往復運 動(參見圖二)。 由上端略縮小管徑的玻璃管製成噴 嘴，燒瓶中之蒸氣經噴嘴向上快速噴出， 清晰可見燒瓶中沸騰的水。 見圖二，飛輪順時針轉動。在 (a) 的情形， 控制氣閥方形開口的位置，恰巧在汽缸底 部圓孔的正下方，容許蒸氣通過控制氣閥 的方孔、汽缸底部的圓孔，進而沖人汽缸， 推動活塞向上，經動力連桿之連動，驅動 曲柄，轉動飛輪。當飛輪轉至(b) 的情形 時，活塞幾乎已經被蒸氣推到最高點，飛 輪繼續轉動，活塞即將向下運動，此時因 為曲柄牽動氣閥連桿，氣閥連桿連動控制 氣閥，控制氣閥於是會先向圖的左方運動 (見圖二(
c))
， 使得控制氣閥的開口不再位於汽缸下方圓孔的正下方，氣閥於是先
擋住了向上噴出的蒸氣，以致於活塞緊接 著下降時，蒸氣不會沖人汽缸而抵抗活塞 下降，而對活塞作負功，減少飛輪的動能。 待活塞降到最低點，活塞又要開始向 上運動之前，飛輪就又轉回到圖二(a)的位 置，同時控制氣閥上的方孔又移到汽缸底 部的正下方，讓蒸氣沖人汽缸，再次對活 塞做正功，如此週而復始，此蒸汽機即持續轉動下去。
組裝時，先用 AB 膠將破璃管汽缸黏 在長方形玻璃上，長方形玻璃再黏在底盤 的正立方體凸起上。其次，再完成活塞的 部份，測量玻璃管汽缸之內徑，以圓規E 出圓鋁片之圓周，用剪刀剪成二片圓鋁鬥 即可。再其次，安裝飛輸、支架和動力連 桿。最後才裝設控制氣閥和氣閥連桿'燒 瓶瓶口以塞子封住，塞子中間有一孔，噴 嘴玻璃管插在孔中。用迷你瓦斯爐或酒精 燈加熱燒瓶中的水。仿真透明蒸汽機 動力連桿 飛輪轉動的方向
L
(6)
蒸氣ω
氣閥連桿 控制氣閥 擋住蒸氣 國二:此蒸汽機教兵運轉的原理與實際蒸汽機雷同，只不過氣閥、蒸氣通道等零件 不必保持氣密。肆、此蒸汽機的特色
此蒸汽機初始設計目標就是:既要像 真的蒸汽機那樣用蒸氣推動，又要玲瓏剔 透，同時遺要保留與真實蒸汽機雷同的工 作原理，以增加其趣味性及教學價值，因 此，此蒸汽機教具具下列特色: I.由於模型尺寸不大，所以用低壓蒸氣 即足以驅動蒸汽機，於是可用透明玻科學教育月刊 第 381 期 中攀民國 104 年 8 月 璃燒瓶作為鍋爐，連其中沸水也能目 視，操作時安全性高。
2
整具蒸汽機所有零件和它們運動的情 形，均清楚可見，趣味盎然。 3. 製作材料除玻璃管和玻璃板，須用較 專業的工真作簡易加工之外，木材和 鋁片均十分容易加工，製程簡易。厚 5mm 的玻璃板鑽一個直徑 8mm 的 孔，工錢不到一百元臺幣。 4. 由於材料都非常便宜，造價低廉，巧 妙的設計，已經克服了精度問題，製 作的精度要求不高，引擎也能成功轉 動。 5. 運轉的原理與真實蒸汽機相差無幾， 可用於教學。伍、設計的巧恩
此項作品的構造簡單，成本低廉，製 作精度要求相當低，卻能成功運轉，事實 上背後是經過精心考量，是靈活運用相關 物理原理的結果。茲列舉設計的巧思如下:l
在小型他之後，大型機器的許多必要 條件都會發生改變，充分利用這些因 為總量變化而衍生的創作空間。因為 重量正比於體積，尺寸變小後，重量 大幅下降，所有與重量有關的摩擦力 都大幅減少。 2. 重新設計蒸氣產生壓力的機制。如果 蒸氣通道以及可動氣閥的氣密 (sealing) 都能維持，當然就能將蒸氣 壓力施加在活塞上。但如果為放寬製 作的精度而放棄氣密的要求，男闢釀 徑，利用白努力定律，先加速蒸氣， 使蒸氣以高速噴人氣缸而非壓人氣缸 的方式，進人汽缸，在汽缸中速度變 慢，蒸氣也能產生推動活塞的壓力。 3. 蒸氣如果部份凝結成小水滴，肉眼看 起來就像白霧，這些凝結成液體的小 水滴，因為仍真有蒸氣的動量，在不 封閉的情形下衝擊活塞，更能夠造成 對活塞的壓力。 4. 熱機(包括蒸汽機〉在沒有負載的情 形下，動力源其實是不斷對渦輪或活 塞作正功，不斷將能量傳輸給熱機。 這情形有一點像共振現象，但共振時 周期變化的外力必須與振動系統的頻 率接近，才能始終對振動系統做正 功。因此，只須克服摩擦力，引擎就 必能輕易運轉。針對這真微型蒸汽 機，作者很容易減少各種摩擦力造成 的能量損失，例如:進一步減少飛輪、 連桿等的質量(重量) ，就能減少各轉 軸和樞接處的摩擦力;例如:採用直 徑很小的轉軸或插銷，則所有摩擦力 造成的力短都很小，消耗的能量也會大滅。
5. 由於成本的考慮，這仿真透明蒸汽機 的汽缸只用最便宜的破璃管製作，所 以活塞的製作就不容易兼顧氣密與降 低摩擦，以兩片鋁丹製成的活塞取代 常見的環狀活塞，以取得下列優點: (1)汽缸的平行度和真圓度因此都不 需要十分嚴格要求; (2) 水蒸氣必然會在氣缸中凝結，恰好可以用來加強活塞與汽缸之間氣 密，同時還能作為潤滑劑， (3) 又因為活塞是由兩片薄薄鋁片構 成的，鋁片接觸氣缸的面積極少， 即使水也有黏滯性，因為接觸面 很小，水的黏滯性造成的拖曳力很 作者曾以此項蒸汽機作品搭配其他 外燃引擎於 2013 年莫斯科阿基米德發明 展中榮獲金牌(見圖三)。
