Doelstelling
Eerder maakte ik een Lage Temperatuur Stirling die minimaal 12°C temeratuurverschil nodig had tussen de onderplaat en de bovenplaat, zie de betreffende pagina.
Ik had een paar redenen om een tweede versie te maken:
1. Sterk vereenvoudigen van de onderdelen en de algehele constructie;
2. Nog een paar graden Celsius afhalen van het minimaal vereiste temperatuurverschil;
3. Transparante cilinders voor de verdringer en voor de werkzuiger;
4. Een wat meer "oogstrelende" uitstraling.De uitwerking
``
1. Het maken van de onderdelen.a. De transparante cilinders.
Voor de transparante cilinder voor de verdringer zaagde ik een plak uit een een beschuitenbus die ik kocht bij de Hema en die een buitendiameter heeft van ca 100mm en een wanddikte van 2mm. Voorzichtig mooi vlak nagedraaid op de draaibank.
Voor de glazen cilinder van de werkzuiger zaagde ik een stuk uit een standaard reageerbuis met een buitendiameter van 16mm en wanddikte van 1mm. Voor dit afzagen klemde ik de reageerbuis voorzichtig in de spantang van de draaibank en liet die met lage snelheid ronddraaien. Met het bekende 0,5mm dikke rood-bruine slijpschijfje in de Dremel slijptol kan dan het glazen buisje mooi doorgeslepen worden. Hoog toerental van de slijptol en lichte druk uitoefenen op steeds dezelfde omtrek van de glazen buis en nat houden met een penseeltje gedrenkt in terpentine. De snijvlakken van de glazen cilinder wat naschuren met fijn waterproof schuurpapier op een glasplaat.b. Het vliegwiel.
Voor het vliegwiel gebruikte ik twee CD's die op een lichte aluminium kern zijn gelijmd. Een stuk eenvoudiger dan het draaien van een metalen vliegwiel en wel zo fraai als men mooi gekleurde of anderzins gedecoreerde exemplaren uitzoekt.c. De verdinger.
Hiervoor gebruikte ik deze keer balsa hout (5mm dik) dat zeer licht, stijf en mooi vlak is. Eerst de aluminium kern met daarin de schroefdraad voor het asje in de wat overmaatse verdringer gelijmd met seconde lijm. Daarna de verdringer met dubbelzijdig plakband tegen een vlakke plaat in de de kop van de draaibank gelijmd. Met een draadeindje in het schroefgat van de aluminium kern zorgde ik ervoor dat dit oplijmen mooi centrisch gebeurde. De buitenomtrek vervolgens afgedraaid met een zeer scherp beiteltje tot een diameter die 2mm kleiner is dan de binnendiameter van de transparante cilinderwand zodat er een spleet van 1mm ontstaat langs de omtrek van de verdringer in de cilinder.d. De aluminium cilinderplaten
Behalve de buitenste opstaande rand van de onderplaat waar, als allerlaatste bewerking, de transparante cilinderwand wordt ingekit is de dikte ervan slechts 1mm dik gemaakt om die zo snel mogelijk op te warmen op de warmtebron. Dit is vooral van belang als men de motor op de hand wil laten lopen.
De bovenplaat is relatief dik om de montage van de onderdelen daarop goed mogelijk te maken maar vooral ook om de warmtecapaciteit te vergroten. Dit draagt bij aan een zo groot mogelijk temperatuurverschil tussen de onderplaat en bovenplaat, almede het feit dat de bovenplaat gepolijst is en bevestigingspilaartjes tussen de onder- en bovenplaat ontbreken waardoor de warmtegeleiding naar de bovenplaat minimaal is.
e. De glijbus voor de verdringer-as.
Die heb ik van grafiet gemaakt om bij een nauwe passing voor de lekdichtheid toch een zeer lage wrijving te maken. Het lukt mij vrijwel nooit om dat goed te realiseren met zelfgemaakte bronzen busjes. Het grafieten busje kan eenvoudig in de bovenplaat worden gelijmd.f. De krukas.
Dit is het enige onderdeel dat wat (soldeer)vaardigheid en ervaring vereist, maar het is zeer goed te doen. Ik kan voor het maken van de onderdelen en het samenstellen ervan het best verwijzen naar de bladen 3 en 7 van het tekeningpakket en de opmerking 4 op blad 8.g. De puntlagering van de krukas
Ik heb hier kogellagertjes vervangen door puntlagers zoals die veel voorkomen in klokken en ook bij mijn EierdopStirling. Hoewel ik het niet kan meten heb ik sterk de indruk dat de wrijving daarvan zelfs lager is dan in kogellagertjes, zeker als ze zo worden ingesteld dat er een fractie ruimte in de lageringen ontstaat. Het is bovendien een zeer eenvoudige konstruktie waarbij de afgepunte uiteinden van de krukas rond draaien in kegelvormige holtes in M4 schroefjes boven in de twee vertikale staanders. Dit maakt het ook eenvoudig om de krukas in de horizontale richting zodanig op te sluiten dat de twee drijfstangen precies in lijn komen met de overeenkomstige cilinders.
2. Het samenstellen en uitbalanceren.a. Maak eerst alle onderdelen volgens de tekeningen, behalve het contra gewicht. Bij licht afwijkende afmetingen van de beschikbare transparante kunststof voor de verdringer-cilinder en/ of van de glazen buis voor de (kleine) werkcilinder de corresponderende maten in beide aluminium cilinderplaten conform aanpassen.
b. Lijm de transparante cilinder voor de verdringer, de glazen werkcilinder en de grafiet bus voor de verdringer-as in de daarvoor bestemde groef, resp. de twee holtes in de bovenste cilinder plaat met de bekende transparante huishoud siliconen kit. Verwijder meteen alle overtollige kit zorgvuldig in en om de cilinders en laat de kit minstens een dag uitharden.
c. Schroef de twee staanders zodanig op de boven plaat dat de schroefgaten voor de puntlagers mooi in lijn liggen. Kontroleer dat door een passend asje door beide M4 schroefgaten te steken. Zonodig een zeer dun rubber O-ringetje over het M4 draadeind onder aan de staanders schuiven om dit precies uitlijnen mogelijk te maken.
d. Stel de onderdelen van de krukas samen inclusief beide drijfstangen en de grafiet busjes daarvoor. Rijg de krukwangen met de enigzins klemmende gaatjes over de nog eendelige as met 84 mm lengte die tevoren voorzien is van de afgeschuinde uiteinden. Steek de twee korte asjes door de andere gaten van de krukwangen met daarover ook de grafiet busjes en de drijfstangen. Let er op dat de twee verschillende drijfstangen op de juiste korte asjes zitten! Zet de krukwangen precies op hun plaats volgens de bematingen op tekeningblad 3 en verdraai ze zo goed mogelijk 90° ten opzichte van elkaar. Soldeer alles voorzichtig aan elkaar, de korte asjes alleen aan de buitenkant van de krukwangen. Schuin de uiteinden van die korte asjes daartoe tevoren wat af om ze goed vast te kunnen solderen aan de krukwangen. Erg stevig hoeft dit alles niet te zijn want de krachten op de krukas zullen erg klein zijn. Slijp (of zaag) tenslotte de stukjes van de centrale (lange) as tussen de krukwangen voorzichtig weg.
e. Monteer alle resterende onderdelen zoals op tekeningblad 2 is aangegeven behalve de onderplaat en het kontra gewicht in de aan elkaar gelijmde CD's. Stel de puntlagers zo af dat beide drijfstangen precies op de hartlijnen liggen van hun overeenkomstige cilinders en maak een fractie ruimte in de puntlagers om de wrijving daar minimaal te maken. Draai aan de CD's en kontroleer of de verdringer nergens raakt en ca 1mm van de onder- resp. de bovenplaat vandaan blijft.
f. Het hele systeem moet nu mechanisch worden uitgebalanceerd om de tegenwerkende krachten als gevolg van de zwaartekracht op het asymetrische systeem geheel te compenseren. Dit moet gebeuren zonder de bodemplaat om verstorende drukschommelingen in het systeen te voorkomen. Als het uitbalanceren goed gebeurd is zal het vliegwiel met al het drijfwerk eraan steeds op een willekeurig andere positie stilvallen als er tevoren een zetje aan is gegeven. Het is een kwestie van "trial and error", maar het is met wat geduld zeer goed uitvoerbaar.
Voor dit uitbalanceren gaan we als volgt te werk:
- Maak de dikte van het contra gewicht eerst wat overmaats zodat het later stapsgewijs op het juiste gewicht kan worden nagedraaid.
- Geef het CD vliegwiel zonder contra gewicht een zet en wacht tot het systeem stil valt. Verdraai in die krukas positie het vliegwiel zodanig om de as dat het gat voor het contra gewicht precies bovenaan staat. Merk de positie van het vliegwiel t.o.v. van de krukas door op de as en op de aluminium kern van het vliegwiel merkstreepjes in te krassen die precies tegenover elkaar liggen. Daarmee kan dan later de juiste positie van het vliegwiel worden teruggevonden mocht die eventueel verdraaid zijn.
- Steek het overmaatse contragewicht in het gat van het vliegwiel en geef het vliegwiel weer een zet. Door het nog te zware contra gewicht zal het systeem nu steeds stil vallen op een punt waar het contra gewicht zich ergens onderaan zal bevinden. Nu moet stapsgewijs het contragewicht een fractie worden afgedraaid net zo lang tot het systeem stilvalt waarbij de positie van het contra gewicht geheel willekeurig wordt.
Een ietwat tijdrovend klusje, maar het is belangrijk om er voor te zorgen dat de tegenwerkende zwaartekracht zo veel mogelijk wordt geelimineerd om het nodige temperatuurverschil tussen onder- en bovenplaat daarmee zo klein mogelijk te maken.
g. De laatste montage betreft het kitten van de aluminium onderplaat aan de transparante cilinderwand. Daarbij moet voorkomen worden dat er siliconen kit binnen in de cilinder terecht komt waar de verdringer tegen aan zou kunnen lopen. Smeer daarom een heel dunne laag siliconen kit tegen de buitenomtrek van de groef in de bodemplaat en doe hetzelfde tegen de onderste buitenrand van de transparante cilinderwand. Druk de cilinderwand in de groef van de plaat en draai die een weinig weg en terug om de kit kit goed langs beide vlakken te verdelen. Smeer met een bevochtigde vinger de kit aan de buitenkant mooi glad uit over de gehele omtrek om er voor te zorgen dat de bevestiging luchtdicht is. Omdat er feitelijk geen serieuze krachten meer op de onderplaat zullen worden uitgeoefend zal deze aanhechting doorgaans meer dan voldoende sterk blijken na de uitharding van de siliconen kit.
Tenslotte: Geen enkel onderdeel smeren met olie, hoe dun ook!! Als alle in elkaar bewegende onderdelen superglad en schoon zijn is olie ook helemaal niet nodig en veroorzaakt de viscositeit van olie alleen maar meer en meestal fatale wrijving.
De motorprestaties.
Onderstaande grafiek geeft het verband weer tussen het verschil in temperatuur van de onder- en bovenplaat enerzijds en het toerental van het motortje anderzijds. Ik heb deze metingen gedaan door de motor met de onderplaat in een plasje water te zetten waarvan ik de temperatuur goed kon meten met een normale kwikthermometer. De temperatuur van de bovenplaat was daarbij steeds gelijk aan die van de omgeving.
Bij grotere temperatuurverschillen zoals die bv. op een mok met (oorspronkelijk) kokend water optreden wordt een maximaal toerental van ca 500 omw./min. bereikt. De looptijd varieert van ca 30 minuten tot meer dan een uur, afhankelijk van de afmetingen en de isolatie eigenschappen van de mok. Met een blokje ijs in het bakje op de bovenplaat kan deze looptijd nog fors verlengd worden omdat daarmee het onvermijdelijk opwarmen van de bovenplaat sterk wordt verminderd.
Condities voor het bedrijf op de hand.
De motor begint dus te lopen bij een temperaturrverschil tussen onder- en bovenplaat van van ca 8°C. Wel ca 4°C minder dan bij mijn vorige LTD Stirling, maar ik had op nog iets minder gehoopt om de motor bij normale kamertemperatuur op de hand te laten lopen. Omdat de onderplaat op een normaal warme hand niet warmer wordt dan ca 28°C moet de kamertemperatuur dus 28-8=20°C zijn of minder, hetgeen meestal niet het geval is. Om de motor in de huiskamer betrouwbaar op de hand te laten lopen is het dus nog steeds nodig om een bakje met een klein ijsblokje erin op de bovenplaat te zetten; niet zo erg maar wel iets minder fraai.Tekenpakket
Ik heb van deze Lage Temperatuur Stirling een tekening pakket gemaakt dat beschikbaar is voor iedere geinteresseerde; klik hier voor een aanvraag.
