Het idee voor dit ontwerp
Zoekend op Internet naar artikeltjes over Stirling motoren kwam ik een foto tegen van een apparaatje dat volgens de begeleidende tekst wel werd gebruikt om op scholen het principe van de Stirling motor te demonstreren. Verder werd er nog gezegd dat het een aardig presentje kon zijn voor "jonge studenten met affectie voor machines".
De foto toonde een reageerbuis met glazen kogels die daarin op en neer kunnen rollen. De reageerbuis was middels een rubberen slangetje verbonden met iets dat op een cylinder leek. Meer tekst en uitleg was er echter niet bij. Het model zag er, met alle respect overigens, wel erg "elementair" uit.
Omdat ik al enkele Stirling motortjes heb gemaakt meende ik echter wel te begrijpen hoe het apparaatje er uit zou moeten zien, althans hoe het zou kunnen werken. Ik heb vervolgens een eigen ontwerp gemaakt op mijn tekentafeltje en ben toen aan de slag gegaan. Uiteindelijk heb ik er twee varianten van gemaakt. Eén ervan heb ik bij wijze van verjaardags cadeau geschonken aan mijn schoonzoon; zie model nr.7.
Bij deze Stirling modellen is er sprake van een op en neer gaande beweging in plaats van een draaiende. Mede omdat het gedrag ervan enigszins labiel is heb ik deze modellen de naam "Stirling Onrust" meegegeven.

Video:

 

Beschrijving van het principe
Een glazen reageerbuis is met een rubber o-ring zodanig in een metalen klemstuk gevat dat die daar zowel mechanisch als luchtdicht stevig ingeklemd zit. Aan dit klemstuk is een asje bevestigd dat in een lagerbusje kan draaien. Aldus kan de reageerbuis op en neer kantelen in het verticale vlak. In de reageerbuis bevinden zich vier glazen of (bij voorkeur) vier keramische kogels, die door de kantelbeweging van links naar rechts kunnen rollen. Het klemstuk heeft een relatief kleine doorboring waardoor de kogels niet uit de reageerbuis kunnen rollen. Deze boring loopt uit in een tubelure waarop een dun en flexibel slangetje is gestoken. Het andere eind van het slangetje is verbonden met een metalen cilinder waarin een metalen zuiger op en neer kan bewegen. De zuigerstang ervan is op zijn beurt weer middels een drijfstang verbonden met het klemstuk voor de reageerbuis, zodat die reageerbuis op en neer kantelt bij het op en neer gaan van de zuiger.
Een vlammetje verwarmt het dichte einde van de reageerbuis, waardoor de lucht erin heet wordt, uitzet en via het slangetje druk uitoefent op de zuiger, die daardoor naar boven wordt gedrukt. Daardoor kantelt de reageerbuis, waardoor de kogels naar het dichte eind rollen en de warme lucht zodoende naar het relatief koude gedeelte verdringen. De warme lucht koelt daar af, waardoor er een onderdruk ontaat in de cilinder zodat de zuiger weer naar beneden gedrukt wordt. Aldus ontstaat er een op en neer gaande beweging van de zuiger en dientengevolge de kantelbeweging van de reageerbuis. En zo is de proceskring rond, als de zaak tenminste goed is ingeregeld. Het systeem werkt dus weer geheel volgens het basis principe van de Stirling motor.
Het inregelen heeft mij wel wat hoofdbrekens gekost. Zo heb ik b.v. een slinger aan aan het systeem toegevoegd, die verstelbaar aan het asje is bevestigd. Daarmee kan het evenwicht fijn worden nagesteld. Dit nastellen bleek nodig omdat na enige tijd de hoeveelheid lucht in het systeempje wat verminderd, omdat door de overdruk geleidelijk wat lucht ontsnapt langs de zuiger, die natuurlijk geen absoluut vacuumdichte afdichting heeft in de cilinder. Er stelt zich zodoende na enkele minuten een nieuw evenwicht in, waardoor de kogels aan een van de uiteinden van de reageerbuis zouden blijven liggen als er niet gecorrigeerd wordt. Door de slinger wat te verstellen kan de reageerbuis weer in het oorspronkelijke evenwicht terug komen. Het apparaat blijft daarna keurig op en neer kantelen waarbij de kogels als een treintje van links naar rechts rollen.
Aanvankelijk gebruikte ik glazen knikkers zoals die overal in speelgoed winkels te koop zijn. Die bleken echter nogal gemakkelijk stuk te springen door de temperatuurverhoging. Ik heb ze vervangen door keramische kogels, zoals die o.a. wel gebruikt worden in molens voor het fijnmalen van poeders en als projectielen bij het katapult schieten. Het probleem van sprong knikker en/of reageerbuis was hiermee geheel opgelost.

Alles bij elkaar een grappig ding dat op een waxine lichtje of op een olie lampje op en neer beweegt met een tempo van ca 1 kanteling per seconde.

Het hittebestendig glas
Ik heb mijn hittebestendige glazen buisjes betrokken van mijn voormalige werkgever Philips Roosendaal. Het zijn standaard hittebestendige (pyrex) reageer buizen maar het is wel even zoeken waar je ze kunt kopen. Er zijn wel groothandelaren die ze verkopen (type maar eens “Duran pyrex reageerbuizen” in bij Google). Maar dit soort bedrijven verkopen meestal alleen groot verpakkingen (eenheden van 100 of nog meer) en dat is ook weer niet zo handig. Per stuk zijn ze goedkoop (ca 20 cent) maar als je er erg veel moet kopen wordt het toch weer duur en wat doe je met de rest? Soms zijn ze wel bereid om een paar gratis monsters te sturen als je ze opbelt en een beetje “schooit voor het goede doel”. Ik heb dat scholieren al enkele keren met succes zien doen.
Ik kort mijn buisjes als volgt in:
-Voorzichtig inspannen in de spantang van de draaibank en het buisje met lage snelheid laten ronddraaien;
-Het bekend dunne rode slijpschijfje (of beter nog een diamant slijpschijfje) in de Dremel slijptol zetten en met hoge snelheid licht tegen het draaiende glas zetten zodat daar een groef in komt op de plaats die je tevoren met en viltstift heb aangetekend (komt niet op 1 mm aan)
-Tijdens dit slijpen van de groef het schijfje voortdurend wat nat houden met een penseeltje met terpentine eraan;
-Net zo lang slijpen tot het glas afbreekt ter plekke van de groef; dit kan wel even duren met hittebestendig hardglas;
-De kopse kant van het snijvlak wat naschuren met fijn waterproof schuurpapier op een met water bevochtigd glasplaatje.

Als je dit voorzichtig en met beleid doet gaat het bijna altijd goed. Wel een bril opzetten, je weet maar nooit !

Keramische kogels
Oorspronkelijk maakte ik gebruik van keramische kogels die voor dit doel wel ideaal zijn omdat ze licht van gewicht zijn en daardoor de kop van de glazen buis niet stuk slaan als ze daar daar tegen stoten. Ik heb er ooit paar kunnen bemachtigen bij mijn voormalige werkgever waar ze gebruikt werden om poeders mee fijn te malen in een trommel.
Deze keramische kogels zijn echter nergens meer te koop voor zover ik kan nagaan.
Het kan ook wel goed met speelgoed knikkers, maar die gieren meestal van thermische spanning zodat ze daardoor gemakkelijk springen als ze heet worden gemaakt. Soms lijkt het toch te lukken als ze netjes spanningsvrij zijn gemaakt. Die schijnen wel te bestaan, maar het is natuurlijk niet zichtbaar aan de buitenkant.
Het is mij later gebleken dat het ook goed werkt met stalen kogels met een diameter van ca 13mm en die zijn overal op internet wel te vinden. Omdat het tempo van het heen en weer rollen van de kogels in de glazen buis laag is zullen ze de kop daarvan meestal ook niet stuk slaan.

Tekening pakket
Ik heb van deze Stirling een CAD tekening pakket gemaakt dat bechikbaar is voor iedere geinteresseerde;
klik hier voor een aanvraag daarvan.

Publicatie
Over deze Stirling Onrust heb ik een artikeltje geschreven met foto's en tekeningen in het maandblad "De Modelbouwer" nr. 8; jaargang 2004 van de Nederlandse Vereniging van Modelbouwers (NVM).

Varianten
Ik heb later twee varianten gemaakt van deze Stirling met ceramische kogels:
1. "Onrust Maarten"; vrijwel dezelfde uitvoering als verjaardags cadeau voor mijn schoonzoon Maarten.
2. "Ja Knikker"; een vliegwiel type met een geheel ander karakter en gedrag.