เครื่องจักรเสตอริ่ง

         เครื่องจักรสเตอริ่ง เป็นเครื่องจักรความร้อนชนิดหนึ่ง  ที่แตกต่างจากเครื่องจักรสันดาปภายใน  ซึ่งใช้อยู่ในรถยนต์ทั่วๆไป    นายโรเบิร์ต สเตอริ่งเป็นผู้ประดิษฐ์เครื่องจักรสเตอริ่งได้เป็นคนแรก เมื่อปี ค.ศ. 1816   น่าแปลกใจที่ว่า เครื่องจักรสเตอริ่งนี้มีประสิทธิภาพสูงกว่า  เครื่องจักรก๊าซโซลีนหรือดีเซล   และยังไม่มีเสียงอีกด้วย  

         เครื่องจักรสเตอริ่งมีการทำงานเป็นลักษณะวนไปมา  ที่เรียกว่า วัฏจักรสเตอริ่ง  ซึ่งมีความแตกต่างจากเครื่องจักรสันดาปภายใน  ดังต่อไปนี้

  •          ก๊าซที่บรรจุอยู่ภายในกระบอกสูบของเครื่องจักรสเตอริ่ง  จะถูกผนึกอยู่ภายใน ไม่สามารถรั่วไหลออกมาได้  จึงไม่ต้องมีวาวล์ไอเสีย  เหมือนกับเครื่องจักรก๊าซโซลีน  หรือดีเซล  และไม่มีการจุดระเบิดของหัวเทียนหรือน้ำมันเชื้อเพลิง เครื่องจึงเดินเงียบมาก

  •          พลังงานของเครื่องจักรสเตอริ่งมาจากความร้อนภายนอกกระบอกสูบ  จึงไม่มีการเผาไหม้ภายในกระบอกสูบ

        วัฏจักรสเตอริ่ง

        หลักการสำคัญของเครื่องจักรสเตอริ่ง  อาศัยการเปลี่ยนแปลงความดันของก๊าซที่อยู่ภายในกระบอกสูบ  ดันลูกสูบให้เคลื่อนที่  ไปหมุนเพลาของเครื่องจักร  เกิดงานทางกลศาสตร์ขึ้น

        คุณสมบัติของก๊าซที่ทำให้เกิดงานทางกลศาสตร์ขึ้นคือ

  •         ถ้าให้ปริมาตรของก๊าซที่อยู่ในกระบอกสูบคงที่  เมื่อเราเพิ่มอุณหภูมิของก๊าซ  ความดันของก๊าซจะเพิ่มขึ้น

  •         ถ้าให้ความดันของก๊าซที่อยู่ในกระบอกสูบคงที่  เมื่อกดลูกสูบให้ปริมาตรในกระบอกสูบลดลง  อุณหภูมิของก๊าซจะเพิ่มขึ้น

        ทดลองสร้างแบบจำลองเครื่องจักรสเตอริ่ง ที่ประกอบด้วยลูกสูบจำนวน  2  อัน    ลูกสูบอันแรก เรียกว่าลูกสูบร้อน  ได้รับความร้อนจากแหล่งความร้อนภายนอก  เช่น เผาด้วยไฟ  เป็นต้น  ส่วนลูกสูบอันที่สอง เรียกว่า ลูกสูบเย็น   โดยความร้อนถูกระบายออกจากลูกสูบเย็น  ด้วย น้ำแข็ง หรืออากาศก็ได้   ลูกสูบทั้งสองไปต่อเข้าเพลาข้อเหวี่ยง  เพื่อจะไปหมุนเครื่องจักรอีกทีหนึ่ง

         

         วัฏจักรสเตอริ่งแบ่งการทำงานออกเป็น  4   ขั้นตอน  ดังต่อไปนี้

         ขั้นตอนที่ 1     ให้ความร้อนกับลูกสูบทางซ้าย  ทำให้ความดันของก๊าซเพิ่มขึ้น  ดันลูกสูบเคลื่อนที่ลง  

         ขั้นตอนที่ 2     ลูกสูบซ้ายเคลื่อนที่ขึ้นขณะที่ลูกสูบขวาเคลื่อนที่ลง  ทำให้ก๊าซร้อนไหลเข้าไปในกระบอกสูบขวา  ซึ่งจะถูกทำให้เย็นตัวอย่างรวดเร็วโดยน้ำแข็ง  ทำให้ความดันลดลง  ง่ายต่อการอัดตัวในขั้นตอนต่อไป

         ขั้นตอนที่ 3    ลูกสูบเย็นจะเริ่มเคลื่อนที่ขึ้นอัดก๊าซ   ความร้อนที่เกิดจากการอัดตัวจะระบายออกสู่ภายนอกกระบอกสูบซึ่งเย็นกว่า

         ขั้นตอนที่ 4    ขณะที่ลูกสูบขวาเลื่อนขึ้น  ลูกสูบทางซ้ายก็เลื่อนลง  ดันก๊าซให้เข้าไปที่ลูกสูบร้อน  วัฏจักรเข้าสู่ขั้นตอนที่ 1  

         กำลังของเครื่องจักรสเตอริ่งได้ใน ขั้นตอนที่ 1   กับขั้นตอนที่ 3  ซึ่งเราสามารถเพิ่มกำลังของเครื่องจักรสเตอริ่งได้ใน 2 ขั้นตอนดังต่อไปนี้

  •          เพิ่มกำลังในขั้นตอนที่ 1   โดยเพิ่มความร้อนให้มากขึ้น  จะทำให้ความดันของก๊าซเพิ่มขึ้นตาม  หรือจะใช้ อุปกรณ์เสริม เรียกว่า รีเจนเนอร์เรเตอร์ (Regenerator)  ช่วยกักเก็บความร้อนของก๊าซไว้ก่อน

  •           เพิ่มกำลังในขั้นตอนที่ 3    โดยทำให้อุณหภูมิในกระบอกเย็นลดลงไปให้มากที่สุด  ซึ่งจะช่วยให้การอัดตัวของก๊าซง่ายขึ้นและกำลังที่ได้เพิ่มขึ้น

         การทำงาน  4  ขั้นตอนข้างต้น  เป็นเครื่องจักรสเตอริ่งในอุดมคติ  ซึ่งการทำงานจริงของเครื่องจักร  แตกต่างจากรูปบนไปเพียงเล็กน้อย  ดังที่จะได้อธิบายต่อไป

         เครื่องจักรสเตอริ่งแบบลูกสูบดิสเพลสเซอร์  ( Displacer  type   stirling  engine)

          เครื่องจักรแบบนี้จะมีลูกสูบแตกต่างกัน  2  อัน  โดยทำหน้าที่แตกต่างกัน  ลูกสูบตัวแรกมีขนาดเล็กการขึ้นลงของลูกสูบนำไปหมุนเครื่องจักร ส่วนลูกสูบตัวที่สอง เป็นลูกสูบตัวใหญ่   เรียกว่า ลูกสูบดิสเพลสเซอร์    ดังรูปข้างล่างเป็นแบบจำลองของเครื่องจักรขนาดเล็ก

            เครื่องจักรสเตอริ่งดังรูป  สามารถหมุนได้  โดยอาศัยความร้อนที่ได้จากมือ และความเย็นจากอากาศรอบนอกระบายความร้อนเท่านั้น

            ถ้าจะให้เครื่องจักรสเตอริ่งแบบดิสเพลสเซอร์หมุน จะต้องมีความแตกต่างของอุณหภูมิ  ซึ่งเกิดอยู่ที่ด้านบนและล่างของลูกสูบดิสเพลสเซอร์

  •               รอบข้างของลูกสูบตัวเล็กจะป้องกันให้ไม่ก๊าซรั่วออกภายนอก  และจะเคลื่อนที่ขึ้นเมื่อความดันของก๊าซมากขึ้น

  •               ลูกสบดิสเพลสเซอร์  ซึ่งเป็นลูกสูบตัวใหญ่  ด้านข้างของลูกสูบ ก๊าซสามารถผ่านได้  ระหว่างด้านเย็นและด้านร้อน   เมื่อลูกสูบดิสเพลสเซอร์เคลื่อนมาอยู่ด้านบน   ความร้อนจากภายนอกจะเผาก๊าซให้ขยายตัวดันลูกสูบตัวยเล็กให้วิ่งขึ้น  แต่เมื่อลูกสูบดิสเพลสเซอร์เคลื่อนที่มาอยู่ข้างล่าง  ก๊าซก็จะหดตัวเนื่องจากความเย็น  ทำให้ความดันลดลง  ลูกสูบตัวเล็กจึงเคลื่อนที่ลง  

         เครื่องจักรสเตอริ่ง 2 ลูกสูบ

         เครื่องจักรแบบนี้  ลูกสูบร้อนจะถูกเผาด้วยไฟ  ส่วนลูกสูบเย็นจะระบายความร้อนออกด้านนอก  โดยอาศัยครีบที่ทำไว้อยู่รอบกระบอกสูบเพื่อเพิ่มพื้นที่ระบายความร้อน  และลูกสูบทั้งสองจะต่อเข้ากับเพลาข้อเหวี่ยง  นำไปหมุนเครื่องจักร

            ขั้นตอนที่ 1    ให้ความร้อนกับลูกสูบตัวล่าง  ความดันของก๊าซจะเพิ่มขึ้น  ดันให้ลูกสูบร้อนเคลื่อนที่ไปทางซ้าย   ส่วนลูกสูบเย็นยังคงหยุดนิ่ง  เพราะเพลาข้อเหวี่ยงยังอยู่ในช่วงการหมุนเปลี่ยนทิศทาง

            ขั้นตอนที่ 2   ลูกสูบทั้งคู่เคลื่อนที่   โดยลูกสูบร้อนจะเคลื่อนที่ไปทางขวา  และลูกสูบเย็นจะเคลื่อนทีขึ้น  ก๊าซจะถูกลูกสูบร้อนดันผ่านห้องรีเจนเนอร์เรเตอร์ (regenerator)  ไปยังลูกสูบเย็น   ห้องรีเจนเนอร์เรเตอร์ คือ  ห้องที่สามารถเก็บกักความร้อนไว้ได้ชั่วคราว  ซึ่งภายในทำด้วยเส้นลวดมากมาย เพื่อเพิ่มพื้นที่ผิวสัมผัส   ขณะที่ก๊าซร้อนพุ่งผ่าน  เส้นลวดเหล่านี้จะดูดกลืนความร้อนอย่างรวดเร็ว  และระบายความร้อนออกทางครีบด้านบนของกระบอกสูบเย็น

           ขั้นตอนที่ 3    ลูกสูบเย็นจะเคลื่อนที่อัดก๊าซ    ความร้อนของก๊าซที่เกิดจากการอัดตัวจะถูกถ่ายเทออกทางครีบ

           ขั้นตอนที่ 4   ซึ่งเป็นขั้นตอนสุดท้ายของวัฏจักร    ลูกสูบเย็นจะเคลื่อนที่ลง  ขณะที่ลูกสูบร้อนจะเคลื่อนที่ไปทางซ้าย   ดูดก๊าซจากห้องรีเจนเนอร์เรเตอร์เข้าไปในกระบอกสูบของลูกสูบร้อน   วัฏจักรเข้าสู่ขั้นตอนแรก           

            สุดท้ายนี้มีคำถามว่า ทำไมเครื่องจักรสเตอริ่งจึงไม่เป็นที่นิยมมากนัก  ดังเช่น  รถยนต์เก๋งทุกประเภท  ไม่มีคันไหนนำไปใช้เลย   ทั้งข้อดีคือเสียงเงียบ  และไม่ก่อให้เกิดมลพิษ     เหตุผลนั้นเกิดจาก

  •             แหล่งกำเนิดความร้อนอยู่ภายนอก  ทำให้การส่งถ่ายความร้อนเข้าไปในกระบอกสูบต้องใช้เวลา  ทำให้ ในช่วงการสตาร์ทของเครื่องจักรสเตอริ่ง  ต้องมีการอุ่นเครื่องยนต์ให้เครื่องยนต์ร้อนถึงระดับหนึ่งก่อน  จึงจะมีกำลังถึงจุดที่ต้องการ   และขณะที่ขับเคลื่อนการเปลี่ยนถ่ายกำลังยังไม่ดีเท่าที่ควร ตอบสนองได้ช้า

         ฉะนั้นอนาคตอันใกล้นี้   เครื่องจักรสเตอรริ่งยังแทนเครื่องจักรสันดาปภายในยังไม่ได้   แต่ใช้ในรถยนต์พวกไฮบริด  ซึ่งเป็นเครื่องจักรผสมผสานได้  แต่ก็ไม่แน่ในประเทศไทยที่มีอากาศค่อนข้างร้อนอาจจะนำเครื่องจักรนี้มาใช้ได้ น่าที่จะมีการวิจัยทดลองดู

 

   

 

 

 

 

ครั้งที่

เซ็นสมุดเยี่ยม

ธรรมชาติมหัศจรรย์