Introductie
De belangrijkste kenmerken van dit Stirling ontwerp zijn:
1. De verdringer is vrijlopend en wordt aangedreven door een magneetsysteem. De verdringer heeft daardoor geen naar buiten uitgevoerde as met als voordelen dat er geen lekkage is en ook dat de wrijving minimaal is.
2. Het model heeft geen kruk-as; de koppeling van de verdringer met de werkzuiger met de 90 graden faseverschuiving wordt gerealiseerd door middel van twee tandwieltjes met krukpennetjes.Onderstaande CAD figuren illustreren dit ontwerp:
Toelichtingen op het ontwerp:
1. De verdringer.
De verdringer is van grafiet met ingelijmde Neodymium magneet met een diameter en lengte van 8mm. Grafiet heeft geen magnetische eigenschappen het kan met zeer lage wrijving heen en weer lopen in glazen cilinder. Om de wrijving nog verder te minimaliseren heb ik de speling van de verdringer zijn cilinders enkele tienden van een millimeter gemaakt, omdat die immers niet luchtdicht moet afsluiten. De verdringer heeft ook nog een zestal ondiepe sleuven in de lengte richting waarlangs de opgewarmde, resp. de afgekoelde lucht zich cyclisch van rechts naar links verplaatst in de cilinder zoals dat gebruikelijk is bij het Stirling proces; zie de foto rechts op deze pagina.
De Neodymium magneet mag niet warmer worden dan ca 80° Celsius omdat die anders zijn magnetisme verliest. Zonder voorziening is de kans groot dat dit gebeurt als gevolg van de warmte geleiding door het grafiet. Om dit te voorkomen heb ik twee maatregelen genomen:1. De magneet in een glazen buisje gelijmd met Loctite 603 en deze samenstelling is in de grafiet verdringer gelijmd. Omdat de warmtegeleiding van glas is heel erg slecht is wordt de magneet daardoor veel minder warm.
2. De verdringer is uit twee delen gemaakt die met een spleet van 2 mm aan de glazen buis zijn gelijmd. Dit "warmteslot" voorkomt de warmtegeleiding door het grafiet heen naar het gedeelte waar de magneet zich bevindt.
Onderstaande figuur demonstreert deze constructie:
De ruimte tussen de magneet en de glazen buis moet worden dichtgemaakt met een weinig siliconen kit omdat anders de ruimte in de glazen buis achter de magneet deel gaat uitmaken van het volume aan de rechterkant van de warme cylinder en dit zal het motorvermogen wat negatief beinvloeden. Het gemakkelijkst is om de magneet eerst helemaal aan de rechterkant vast te zetten in de glazen buis met wat Loctite en na het doorharden daarvan de openingen tussen de magneet en het glas dicht te smeren met wat siliconen kit.
2. De schuif met magneet.
De schuif die onder de glazen cilinder heen en weer beweegt is ook van grafiet gemaakt met daarin ook een Neodymium magneet die wat kleiner is dan die in de verdringer; 6 x 6 mm. Deze schuif loopt in een open glazen buisje uitsluitend als geleiding en ook met enkele tienden van een millimeter speling om de wrijving verwaarloosbaar klein te maken. De magneet in de schijf trekt aan de die in de verdringer zodat de verdringer met de schuif mee op en neer loopt met dezelfde slag.
Proefondervindelijk heb ik bepaald dat de optimale hartafstand van beide magneten 20 mm is waarbij de verdringer betrouwbaar wordt meegenomen terwijl de trekkracht niet zo groot is dat de verdringer met te sterk tegen de glazen buis wordt getrokken waardoor er te veel wrijving zou ontstaan.
onderstaande figuur toont de schuif constructie:
De magneet in de schuif moet precies in de verticale richting worden ingelijmd zoals op de figuur te zien is. De magneet in de verdringer zal automatisch ook deze richting aannemen omdat de verdringer ook vrij kan roteren.
De glazen geleide cilinder voor de schuif is met acrylaat lijm op zijn steun bevestigd.4. De werkzuiger.
De werkzuiger is ook van grafiet en loopt met goede passing (minder dan 0,03mm) en lage wrijving in de koude messing cilinder.5. Het aandrijfsysteem.
Deze Stirling heeft geen krukas maar twee tandwieltjes met krukpennen. Aan het ene tandwiel is de werkzuiger gekoppeld en aan het andere tandwiel de schuif met magneet. De tandwielen moeten zodanig in elkaar grijpen dat de faseverschuiving tussen de werkzuiger en de schuifmagneet (en daarmee ook de verdringer) precies 90° is zoals dat altijd voorwaarde is bij een goed lopende Stirling.
De krukpennetjes voor beide drijfstangen zijn op de tandwieltjes gesoldeerd (of gelijmd met Loctite 603) op een straal van 8 mm zodat de slag van de verdringer en ook die van de werkzuiger 16 mm is. Ik heb kleine kogellagertjes in de drijfstangen gemaakt, hoewel dat wellicht niet perse nodig is.
De twee drijfstangen moeten netjes uitgelijnd worden om wringing en daarmee te veel wrijvingen te voorkomen.De tandwieltjes op de vliegwiel-as en op het daaronder liggende asje komen uit mijn verzameling tandwieltjes die ik uit klokken en ander drijfwerk gesloopt heb. Ik kan zelf geen fatsoenlijke tandwieltjes maken omdat ik daarvoor de moduulfreesjes niet heb en ook de ervaring niet. De verticale hartafstand tussen de asjes moet gelijk zijn aan de hartafstand van de magneten in de verdringer en in de schuif (20) mm. De diagonale afstand moet zodanig zijn dat de tandwieltjes goed in elkaar lopen. Deze twee voorwaarden bepalen dus de plaats van de asjes in het blokje met de kogellagertjes voor deze twee asjes. Het is dus een kwestie van "Pythagorassen" met de 20 mm als de ene verticale rechte zijde en twee maal de loopstraal van de tandwieltjes als schuine zijde om de maat van de tweede horizontale rechte zijde uit te rekenen.
Met zelf gemaakte of gekochte tandwieltje van ongeveer dezelfde diameter is de rekensom overeenkomstig. Ik acht het wel uitgesloten dat iemand anders precies dezelfde tandwieltjes zal hebben zodat het aanpassen wordt voor iemand die dit motortje wil nabouwen en dat geldt niet alleen voor de diameter maar ook voor de breedte van de beschikbare tandwieltjes.5. De glazen cilinder.
De glazen cilinder voor de verdringer is gezaagd uit een hittebestendige reageerbuis die luchtdicht en licht klemmend over een rubber O-ring in de messing cilinderkop is geschoven. De glazen cilinder voor de schuif hoeft niet van hittebestendig materiaal te zijn omdat die niet warm wordt.
6. Het stalen plaatje boven de glazen cilinder.
De verdringer wordt door de magneten en de zwaartekracht tegen de onderkant van de glazen cilinder gedrukt waardoor er toch nog zoveel wrijving ontstond dat de motor niet sneller liep dan ca 200 toeren per minuut. Het was Huib Visser die met het idee kwam om boven de cilinder een stalen plaatje te maken waardoor de verdringer wat wordt opgetild als gevolg van de aantrekkende kracht van de magneet in de verdringer. Afhankelijk van de afstand van van het plaatje tot de verdringer gaat de verdringer dan meer of minder "zweven" waardoor de wrijving belangrijk minder wordt. Het effect van deze truck was groot: de motor loopt daarmee ruim 3x sneller met een toerental van ca 650 slagen per minuut ! Met dank aan Huib voor deze tip.
7. Het materiaal voor de de koude cilinderkop en de steunen.
De koude cilinder als ook de steunen voor zowel deze cilinderkop als voor de glazen geleide cilinder van de schuif moeten van niet magnetisch materiaal zijn gemaakt (messing of aluminium) omdat anders de bewegingen van de magneten sterk afgeremd zullen worden, met name die van de schuif.Tenslotte
- Het motortje loopt werkelijk perfect met ca 650 toeren per minuut met een relatief klein vlammetje van een waxine lichtje. Het ontbreken van een as aan de verdinger en daarmee het elimineren van wrijving en lekkage daarlangs draagt mijn inziens belangrijk bij aan het zeer goed en betrouwbaar loopgedrag van deze Stirling.
- Ik heb van deze Stirling een CAD tekenpakket gemaakt dat beschikbaar is voor eenieder die dit merkwaardig tuigje wil nabouwen; klik hier voor een aanvraag.
Mooie versie van Dieter Koerner:
Prachtige versie van Huib Visser:
Schitterende replica van Ken Condal:
Prachtige replica van
Ken Toonz:
