Het idee
Op enkele websites over Stirling motortjes kwam ik motortjes tegen die gaan lopen als men die op een kop met hete koffie plaatst. Zoals gewoonlijk wel een enkele foto en ook wel aanbiedingen van zelfbouw pakketjes, maar nergens tekeningen. Nu vind ik dat niet zo erg, omdat ik het eigenlijk wel leuk vind om zelf ontwerpen te maken. In dit geval was dat ook niet zo moeilijk, omdat deze modellen eigenlijk vrij simpel te maken zijn. Ze zijn daarom zeker niet minderwaardig. Integendeel, het succes bij een demonstratie op een kop koffie is verzekerd, zelfs bij niet technisch aangelegde toeschouwers ! Met een beetje fantasie en goede wil zijn ze ook nog fraai vorm te geven. Bijna sierraadjes, die hun kunstje vertonen op een uiterst vriendelijke manier op de huiskamertafel.
Video:
Typering
Karakteristiek voor dit "Koffiekop" motortje is het relatief grote oppervlak van de warme cilinder en de verdringer. Typerend is ook dat de cilinderwand en ook de verdringer van kunststof zijn gemaakt. Omdat de warmtegeleiding daarvan slecht is wordt een zo groot mogelijk temperatuurverschil bereikt en gehandhaafd tussen de ruimte onder de verdringer en die daarboven.
De lucht in de cilinder wordt verwarmd als de motor met de 5 mm dikke aluminium onderplaat op een kop hete koffie of kokend water wordt geplaatst. Die lucht zet daardoor uit waardoor de werkzuiger naar boven wordt gedreven. Als de verdringer naar beneden beweegt wordt de warme lucht langs de spleet weer in de ruimte boven de verdringer gedreven. Door de relatief koude bovenplaat koelt de lucht daar weer gedeeltelijk af, waardoor die weer krimpt. Daardoor wordt de werkzuiger weer naar beneden gedrukt door de overdruk van de buitenatmosfeer.
De drijfstangen van de verdringer en van de werkzuiger zijn middels een krukas mechanisch aan elkaar gekoppeld. De twee excentrieken ervan staan haaks op elkaar waardoor de werkzuiger de vereiste 90º voorloopt t.o.v. de verdringer. Een vliegwiel op deze krukas helpt de beweging door het dode punt heen zodat de cyclus zich blijft herhalen zolang er voldoende warmte aan de onderplaat wordt toegevoerd.
De maximaal toelaatbare temperatuur van de kunststof onderdelen is weliswaar beperkt, maar die wordt zeker niet bereikt als de motor op een kop hete koffie of kokend water wordt geplaatst.Enkele technische gegevens
Dit is de eerste van de negen koffie kop motortjes die ik tot nu toe gemaakt heb. Voor de kunststof onderdelen heb ik gebruik gemaakt van algemeen en gemakkelijk verkrijgbare materialen. De kunststof cilinderwand is in feite een plak uit de bekende grijze PVC buis met een buitendiameter van 100mm en een wanddikte van 2mm en die in elke bouwmarkt te koop is.
In beide aluminium platen zijn groeven gedraaid waarin het stuk PVC buis past. In die groeven liggen rubber ringen die klem komen te zitten tussen de kopse randen van de PVC buis en de aluminium platen als het geheel met de zes klemstukjes langs de omtrek op elkaar wordt geschroefd. Aldus ontstaat de luchtdichte afsluiting van de warme cilinder. Deze ringen kunnen b.v. gemaakt worden van een relatief dikwandig brandstofslangetje van siliconrubber met een diameter van 2mm door daar een stuk van te snijden met de lengte gelijk aan de omtrek van de groeven. Dit slangmateriaal is doorgaans wel verkrijgbaar bij hobbywinkels waar b.v. vliegtuigmotortjes worden verkocht. Door de snijvlakken een weinig te bevochtigen met siliconenkit bij de montage wordt ook daar de afdichting verzekerd. Een paar stipjes siliconenkit langs de omtrek van de groef vergemakkelijkt de montage van de cilinder onderdelen.
Voor de verdringer heb ik fijnkorrelig polystyreenplaat gebruikt van 4,5 mm dikte. Dit "piepschuim" is in de meeste goede hobbywinkels verkrijgbaar. Om de verdringer goed vlak te houden heb ik dit materiaal geklemd tussen twee CD schijfjes. Door de centrale gaten daarvan steekt een aluminium doorn waarin ook de as van de verdringer is geschroefd. Met deze as in de draaibank wordt het geheel dan op de juiste diameter afgedraaid met een scherp beiteltje.
De vliegtuigpropeller is ook een standaard produkt dat in elke modelbouw winkel te koop is. (fabrikaat Graupner; spanwijdte 120 mm). In feite heeft deze propeller slechts decoratieve betekenis; de koelende werking ervan op de bovenplaat moet als een ondergeschikt effect worden beschouwd.
De overige onderdelen van het motortje zijn van messing en van een roestvrije staalsoort; zie het tekeningpakket voor alle details.
De motor prestaties
Geplaatst op een kop met kokend water kan het motortje na ca 1 minuut in gang worden gezet door een zetje aan het vliegwiel. Na enkele minuten wordt het maximale toerental bereikt van zo'n 300 omwentelingen per minuut. Van dit motortje heb ik het toerental gemeten in relatie tot de temperatuur van de bodemplaat; zie grafiek.
De looptijd is afhankelijk van de snelheid waarmee het (aanvankelijk kokend) water afkoelt in de koffiekop. Op een stenen koffiemok loopt het ca 25 minuten, op een roestvrijstalen dubbel wandige mok, zoals die in de meeste warenhuizen te koop zijn, ca 45 minuten. Koffie is doorgaans wat minder heet waardoor het motortje dan ook iets minder snel aanloopt en ook wat minder lang doorloopt. Maar het is in elk geval steeds weer een fascinerend gezicht dat iedere huisvriend(in), met of zonder technisch gevoel, hogelijk verbaasd doet staan !
Deze demontraties zijn mij al op een aantal nabestellingen komen te staan. Nu houden de meeste modelbouwers niet van seriewerk, maar voor een goede vriend doe je wel eens wat. En in dit geval is het te overzien, omdat je zo'n motortje met een beetje doorwerken in ca 50 manuur wel klaar hebt. De koffie-kop motortjes nr. 10 t/m 16 waren het gevolg van nabestellingen door net zo vele, meer of minder technische aangelegde familie leden. Daarbij heb ik wel steeds wat verbeteringen en / of "toegiften" aangebracht; zie daarvoor de betreffende pagina's.
Opm. Op het filmpje is dit motortje halverwege een update, waarmee ik wil bereiken dat het op mijn (warme) hand gaat lopen. Dit wordt Stirling nr.15; zie Overzicht Stirling motoren. Ik kom al een aardig eind in de richting !
Hoofd afmetingen
Outlines: diameter: 110 mm; hoogte 140 mm;
Diameter PVC warme cilinder:100mm uitw.; 96 mm inw.;
Diameter kunststof verdringer: 94 mm; slag 10 mm;
Diameter werkcilinder : 13 mm; slag 10 mm;
Tussen de boring en slag van de werkzuiger enerzijds en het volume van de warme cilinder anderzijds bestaat een zeker optimum. Zie voor een beschouwing daarover de pagina "Ervaringen & tips met Stirlings".
Publicatie
Over deze Koffiekop Stirling verscheen een artikeltje in het maandblad "De Modelbouwer" van de Vereniging van Modelbouwers (NVM); nr. 7 / jaargang 2004 . Daarin werd ook het tekeningpakket afgedrukt, waarin nog een diameter van 16mm voor de werkzuiger vermeld staat. Die bleek achteraf wat te groot waardoor de zuiger ietwat onder- resp. overdruk veroorzaakt en de beweging daardoor enigszins afremt. Ik heb die diameter daarom later gewijzigd van 16 naar 13mm, waardoor de motor bijna 2 keer zo lang bleef lopen ! De verhouding luchtvolume / zuiger- verplaatsing veranderde van 40 naar 60. Deze ervaring heb ik verwerkt in de pagina "Ervaringen en tips met Stirlings"
Probleem analyse & oplossingen
Ik ben een paar keer benaderd door modelbouwers die dit motortje in eerste instantie niet of niet goed aan de praat kregen. Soms zit er een funest foutje in een heel klein hoekje. Hieronder een soort standaard checklist om een of meer van die foutjes op te sporen en die te elimineren:A. Wrijvingen.
1. Smeren met dunne olie lijkt vaak voor de hand te liggen maar het is in dit geval echt funest ! Olie is namelijk altijd in meer of mindere mate viskeus en veroorzaakt daardoor juist enige weerstand. Al mijn koffiekop motortjes stopten meteen als ik ook maar een vleugje dunne naaimachine olie op de zuiger aanbracht. Ook het verdringer-asje niet smeren. Gewoon alles goed glad en schoon maken.
2. De kogellagertjes moeten goed schoon zijn. Ik heb een keer meegemaakt dat na veel zoeken gewoon bleek dat een van de kogellagertjes soms "haakte" omdat er een vuiltje in zat. Sindsdien maak ik de lagertjes altijd eerst goed schoon door ze op een asje rond te draaien in wasbenzine of terpentine.
3. Er moet geen zijdelingse druk staan op de kogellagertjes; m.a.w. zorg voor enige speling van het krukasje in horizontale richting tussen de lagertjes.
4. Let er op dat er geen onderdelen van de krukas (vliegwiel, afstandbusjes e.d.) aanlopen tegen de stilstaande lagerhouders (pilaren).Als alles hierop gecontroleerd en goed bevonden is moet het onbelaste krukasje (dus zonder de drijfstangen met verdringer en zuiger) tenminste 4 minuten rond blijven draaien als men het vliegwiel een ferme zet heeft gegeven.
5. Het verdringerasje moet met een lichte zijdelingse druk nog soepel op en neer te bewegen zijn. Als er gemakkelijk wrijving wordt geconstateerd moet men de passing van het asje in het bronzen busje verbeteren.
6. De verdringer mag nergens aanlopen. Zorg voor ca 1mm ruimte tussen de verdringer en de onder- resp. de bovenplaat en dat langs de gehele omtrek. Ditzelfde geldt voor de ruimte tussen de buitendiameter van de verdringer en de inwendige diameter van de cilinderwand.
7. De drijfstangen mogen niet aanlopen tegen de krukwangen. Ik heb daartoe later twee dunne (ca 0.3mm) afstandringetjes aangebracht tussen de drijfstangen en de krukwangen. Ook hier 1 of 2 tienden van een millimeter speling maken om afklemmen te voorkomen. Hier kan eventueel wel wat gesmeerd worden met een weinig naaimachine olie. De toevoeging met de ringetjes staat niet op de tekening.
8. Het is tamelijk lastig om alle asjes van de krukas zuiver haaks en parallel aan elkaar te maken. Bij een kleine afwijking en met erg krappe as-gaatjes in de drijfstangen kan er dan wringing ontstaan tijdens het ronddraaien van de krukas. Dit is op te lossen door de drijfstangen dunner te maken en/of de gaatjes iets op te boren. Door die kleine speling kan dan wel een licht tikkend geluid ontstaan bij het ronddraaien. Men moet wel eens een compromis sluiten tussen het pure vakmanschap en het aan de praat krijgen van een model !
Als ook hier alles gecontroleerd en goed bevonden is blijft de krukas met alléén de verdringer daaraan gekoppeld ca 15 seconden doordraaien na een ferme zet aan het vliegwiel. Ditzelfde geldt als alléén de werkzuiger aan de krukas gekoppeld is.
Met de verdringer én de zuiger eraan gekoppeld loopt het geheel 5 tot 10 seconden door na zo'n ferme zet, oftewel 10 tot 20 slagen.B. Lekkages
Een 100% luchtdichtheid langs het verdringer-asje en de werkzuiger is in de praktijk feitelijk niet haalbaar, maar dat blijkt ook niet nodig om het motortje goed te laten lopen. Het is een compromis tussen zo goed mogelijk afdichten en een minimale wrijving.
Op de andere stationaire plaatsen moet de zaak wel wel 100% dicht zijn.
Dit is te kontroleren door wat overdruk in het motortje te maken met een luchtpompje of fietspomp, aangesloten op een rubber slangetje dat in of over de koude werkcilinder is geschoven. Met de gehele motor onder water mogen dan alleen wat kleine belletjes zichtbaar zijn langs de verdringer-as in de orde van 1 tot 5 per seconde, afhankelijk van de aangelegde druk. De kwaliteit van de afdichting tussen de werkzuiger en de cilinderwand daarvan kan hiermee natuurlijk niet gecontroleerd worden.Een laatste test die hier ook nog wat informatie over verschaft:
Koppel de drijfstang van de werkzuiger los van de krukas en verwarm de onderplaat van de motor door die op een kop met kokend water te zetten. Wacht tot de onderplaat zo warm is dat die duidelijk niet meer met de hand kan worden vastgehouden (meer dan 70 °C). Draai het vliegwiel handmatig rond en kontroleer of de zuiger dan ook vlot op en neer beweegt in de cilinder. Het kan zijn dat men de zuiger daarvoor eerst in de middenpositie moet trekken. Met de duim en wijsvinger aan de drijfstang moet dan ook enige kracht in beide richtingen worden gevoeld.
Opmerking:
Het model zoals getoond op de foto's en de videoclip wijkt enigszins af van het tekenplan. Ik heb een nieuw CAD-tekenplan gemaakt voor deze Coffee Cup Stirling, waarbij ik tegelijkertijd enkele verbeteringen heb doorgevoerd, gebaseerd op mijn ervaringen met de Low Temp Stirling. Dit plan is beschikbaar voor iedereen die geïnteresseerd is; klik hier voor een aanvraag.
Mooie replica van Txema Egizabal:
Mooie replica van Antinio Fattore:
