Moteur Stirling



Cette vieille invention, contemporaine de la machine à vapeur, se retrouve mise à la mode par la prochaine crise énergétique. Il est probable que d'ici une trentaine d'années, les réserves de pétrole seront épuisées. Le moteur Stirling se trouve parmi les solutions les plus écologiques envisagées à tel point que la NASA s'y interresse.
Comment ca marche ?
Imaginez une enceinte close fermée par un piston. Si on chauffe le gaz ( l'air) contenu dans l'enceinte, ce gaz se dilate et crée une pression suffisante pour actionner le piston. A présent, si on refroidi le dispositif, l'air se contracte, la pression baisse, le piston revient (aspiré) à sa position de départ. Toute l'astuce consiste donc à faire varier la quantité d'air chaud (et donc la pression)dans un cylindre de façon cyclique. Trois grands principes sont mis en application :
1 - Un gaz chauffé se dilate
2 - Les gaz transmettent instantanément les pressions
3 - Les gaz sont mauvais conducteurs de chaleur et il est possible dans un même volume de faire cohabiter gaz chaud et gaz froid.
Les grands principes posés, je reviendrai sur le fonctionnement du moteur en fin d'article.
Ma réalisation
Vous trouverez sur la toile pas mal de modéles plus ou moins faciles à réaliser. Autant vous prévenir: Je n'ai rien inventé ! J'ai simplement "pompé" les astuces pour adapter la construction aux moyens que je possédais !
Ne vous affolez pas, si certains élements vous sont difficiles à trouver, improvisez !! Toute solution menant aux mêmes effets sera heureuse.
Je vais tenter de détailler le plus possible la construction de l'engin cependant si un point reste obscur n'hesitez pas à me le signaler, le lien pour m'écrire est dans la page d'accueil
Le matériel:
Pour l'outillage :
Scie à métaux, perceuse, forets de 4,6,8 mm, cutter, colle epoxy, colle super glue, eventuellement joint silicone ( pour sanitaire), papier abrasif (papier de verre),lime
Pour les éléments de l'engin :
Tole d'aluminium ou d'acier epaisseur mini 1mm de 90mm x290 mm
Un rayon de roue de velo (diamétre = 2mm) à récupérer ou à trouver chez un marchand de cycle
Cinq "ecrous" pour rayon de vélo ( ceux qui servent à tendre les rayons côté jante)
Quelques centimétres de carré de sapin ( 10mm X 10mm) en vente pas cher par longueur de 2 métres !)
Un emballage de pellicule 24X36 (blanc ! car les noirs sont de forme inadaptée).
Une boite en fer blanc (vide !) d'emballage de café moulu (250gr)
Un morceau de gant en latex ( mais on vous vendra une boite de 10 !)
Vingt centimétre de fil electrique rigide 16/10° utilisé dans les installations domestiques
La tige d'un Q tip ( en plastique et creuse)
Une petite chute de caoutchouc ( chambre à air ou autre) Un morceau de polystiréne expansé ( emballage, dalle de plafond..) de 10 mm d'épaisseur 10cm X 10 cm
De la colle epoxy ( genre Araldite), eventuellement de la colle cyanolite ( Super Glue ...) Une bouteille en plastique d'eau gazeuse ( Badoit va bien)
Un disque pour le volant moteur, n'importe quoi fera l'affaire pourvu que l'on puisse le fixer sur le rayon de velo ( diamétre 2mm)
Le ventilateur, récupéré dans un vieux four à chaleur tournante n'est là que pour le décor mais son inertie s'ajoute à celle du volant.
un petit boulon de 2mm de diametre et 10 à 15 mm de long avec deux rondelles acier de 20mm environ.
Une bonne dose de patience et un moral de vainqueur !
Vous remarquerez que la majorité des elements peut se trouver dans.....une poubelle !
Le bâti:

Dans une tole de 290x90 mm, découpez la forme représentée sur le dessin.
Les extrémités seront arrondies à la lime pour être moins "agressives". Réaliser deux traits de scie (à metaux) à mi-epaisseur sur les lignes de pliage des montants.
Percer les passages de paliers et de l'axe du déplaceur qui recevront les "ecrous" de rayon ( 4mm)
Percer le trou central de l'event du piston (8mm), tracer l'emplacement de la boite de pellicule ( diam = 32mm)
Percer les autres trous de l'event (6mm) comme indiqué sur le dessin ( ou autrement si ca vous chante !)
Pratiquer deux traits de scie à mi métal sur les lignes de pliage.Ces affaiblissements garantiront un pliage bien droit sans trop d'efforts.
Placer le centre du bati dans un étau et plier les deux montants à 90°
Les paliers de vilebrequin sont des ecrous de rayon de vélo sectionnés, il ne faut garder que la tête des écrou sur 5mm.
Mettre les paliers en place (ils entrent en forcant)S'assurer avec un morceau de rayon bien droit que les paliers "tombent" bien en face, les fixer par collage ( Super Glue ou Epoxy).
Le déplaceur
Réaliser une bande de papier de 22mm de large et la coller autour de la bouteille plastique ( la partie cylindrique bien entendu !)La bande de papier va servir de guide pour découper un cylindre bien droit.
Dans la plaque de polystiréne, tracer (au compas en repérant bien le centre) un cercle de diamétre égal à celui de la bouteille moins 4 mm ( si le diamétre bouteille est de 80 mm il faudra un déplaceur de 76 mm)
Découper au cutter, le disque du déplaceur. A partir du centre, tracer un cercle de 30 mm de diametre et évider ( cutter) un logement d'environ 2mm. Ce logement recevra le fond de la boite de pellicule.
Couper le fond de la boite de pellicule en conservant 2 mm de bord.Conservez soigneusement le haut de la boite de pellicule et son couvercle.
Dans le rayon de vélo, couper une longueur de 60mm, vérifiez que l'axe obtenu est bien droit ( en le faisant rouler sur une surface plane) corriger un eventuel défaut et bien ebavurer la coupe.
Coller le fond de boite pellicule dans son logement, percer l'ensemble fond de boite - déplaceur et mettre l'axe de 60mm en place.Vous pouvez renforcer le collage en évidant le dessous du déplaceur et en y coulant de la colle.
Poncer le déplaceur au papier abrasif pour lisser les surfaces et la tranche.
Verifier que l'axe est bien vertical au disque déplaceur,il suffit de faire tourner l'ensemble pour detecter un voile et le corriger. Rassurez vous, en fonctionnement, l'ensemble ne tournera pas.
Le cylindre:

Avec une vieille paire de ciseaux (costauds) decouper la boite de café pour conserver :
- Le sertissage superieur ( là ou le couvercle plastique s'emboitait). Il faut obtenir un anneau sans bavures capable de passer autour de la section de bouteille.
- Le fond de la boite en conservant un ou deux millimétres du corps de la boite. Ce fond sera celui du cylindre.Ebavurer les bords de coupe afin d'éviter les coupures aux doigts !
Si vous ne saisissez pas bien regardez les schémas et les photos.
Limer ou meuler la tête d'un écrou de rayon pour la ramener à 1mm d'épaisseur. Il faut que la partie qui restera saillante puisse être acceuillie par le creu du déplaceur ( le fond de boite photo).
Engager l'ecrou par le dessous du bati, l'assemblage doit être serré. Engager un morceau bien droit de rayon dans l'ecrou et verifier que l'axe est bien perpendiculaire au plan du bâti.Coller l'ecrou en place à l'époxy.
Aller prendre un café ou une boisson fraiche pendant que ca séche ( patience !).
Lorsque la colle est bien prise, introduire l'axe du déplaceur dans l'écrou.
Le rayon de vélo doit coulisser librement mais sans jeux sinon passer doucement un foret de 2mm dans l'ecrou pour en eroder le filetage.Pour guide: une section de rayon de 60 mm doit passer par son propre poid au travers de l'ecrou.Le but est d'obtenir un ajustage glissant bien, tout en restant étanche au maximum.
La fixation de l'ecrou sur le bâti pourra être renforcée par le dessus en collant un troncon de tube plastique ( tiré d'un corps de stylo feutre !) à l'epoxy ( visible en bleu sur les photos)
Mettre le bati tête en bas, vous pouvez le tenir dans cette position en engageant les deux montants dans des boites de conserve ou des grands verres.
Engager l'axe du déplaceur dans son passage, positionner le tronçon de bouteille en le centrant bien,il doit rester un espace de 2mm sur tout le tour. Emboiter l'anneau tiré de la boite à café autour de la bouteille, l'anneau doit être bien plat. Centrer l'anneau puis le fixer temporairement par quatre gouttes de colles ( Super Glue ou epoxy).
Retirer doucement, le troncon de bouteille et le déplaceur. La structure d'acceuil ( l'anneau) est en place.
Attendre que l'anneau soit suffisament fixé par la colle puis encoller généreusement toute sa circonférence à l'époxy.
Attention! Pas (ou trés peu)de colle à l'intérieur de l'anneau, le bourelet de colle doit être limité à la partie extérieure et doit assurer l'étancheité sur toute la circonférence.
Une fois de plus, patience ! Un autre café peut être ?
L'assemblage du cylindre déplaceur est ensuite simple: Mettre le déplaceur en place, il doit plaquer sur toute sa surface sur le dessous du bâti. Coller le troncon de bouteille à l'anneau sur toute sa circonférence; le collage doit assurer l'étanchéité ( epoxy).
Ne pas coller le fond, il sera mis en place plus tard

Le cylindre moteur:

De la boite de pellicule, récupérer la partie haute et le bouchon. Couper (bien droit) un cylindre de 15 mm de haut Mettre le couvercle en attente. Coller le cylindre (epoxy) sur son emplacement du bâti. Là encore, ne pas hésiter sur la colle ! L'assemblage devra rester étanche et résister aux manipulations de mises en place du "piston"
Découper le centre du couvercle de boite photo pour ne conserver que la partie s'emboitant sur le cylindre moteur.
Le vilebrequin :

C'est la partie la plus délicate à réaliser. D'autres solutions sont envisageables mais la linéarité de la ligne d'arbre reste un probléme dans tous les cas.
Vous pouvez tenter de "forger" un morceau de fil de fer ( fil galvanisé pour cloture de 2mm de diamétre)
Vous remarquerez rapidement que la ligne d'arbre est assez complexe à réaliser et pourtant tout "voile" est à éviter.
La solution que j'ai adoptée est celle des paliers rapporté ( comme les vilebrequins de GS Citroen !).
Dans le rayon de vélo, sectionner, bien droit, des elements de 60,40 et 25 mm (3) comme illustré sur le schéma.
Dans le profilé en bois de 10X10, réaliser les 4 manetons. Il faut percer les axes bien droits ! Si vous ne possedez pas de perceuse à colonne, il vous faudra un peu de patience et d'astuce.

Avant d'assembler le vilebrequin, il faut confectionner les bielles; en effet les têtes de bielles doivent être montée sur les manetons pendant l'assemblage.
Les bielles : je les ai construites à partir d'un demi "domino" d'electricien. Il faut choisir un petit modéle présentant des trous de 2mm pour les fils electriques.
Extraire le manchon de raccordement en laiton de l'isolant plastique et le couper par le milieu. On doit obtenir deux petites piéces d'environ 9mm de long.Les vis ne sont pas conservées.
Couper deux longueurs de fil electrique (rigide) de 16 dixiéme: une de 25mm (bielle moteur) l'autre de 50mm (bielle déplaceur). Souder ces fils aux têtes de bielles, on y arrive facilement en introduisant l'extrémité de fil dans le trou fileté qui portait la vis.

Monter le vilebrequin en prenant bien soin de décaler les manetons de 90°.En fait il faut entre 90° et 100° mais pas moins de 90 !

Il est préférable de coller les axes aux manetons à la Super Glue, cependant la colle à deux composants fait l'affaire à condition d'éviter tout déplacement pendant la prise de l'epoxy.
Le piston : Il est constitué d'un petit disque découpé dans un gant en vinyl, prévoir 60 mm de diamétre, il sera toujours temps ensuite de couper le surplus.
Le montage est expliqué par le dessin ci dessous
Le percage de la membrane est réalisé en présentant le centre de la membrane sur la vis, forcer pour tendre le vinyl puis "ouvrir" le trou en piquant le vinyl avec la pointe d'un compas ou une épingle.
L'affaiblissement créé par la piqure suffit pour que la membrane épouse la tige de la vis.
L'étanchéité du piston doit être irreprochable, toute fuite empêcherai le fonctionnement du moteur.
Vous pouvez mettre votre piston en place. La membrane est placée sur la boite photo puis coiffée par le couvercle percé. (voir photo).
La membrane ne doit pas être tendue mais ne doit pas présenter trop de plis afin que le couvercle soit bien étanche.
Tirez et poussez doucement sur la vis; une course de 6mm doit être effectuée sans forcer.
La bielle moteur est simplement constituée par une tige creuse de Q Tip (coton tige).Evaser une extrémitée ( sur un objet pointu ( pointe de pince, gros clou ....) puis engager la tige sur la vis du piston en la "vissant".
Couper la tige de telle sorte qu'elle puisse s'engager dans la tête de bielle (voir le schéma en coupe)
La bielle déplaceur est plus complexe, en effet la course de 12mm exige un angle de dégagement en pied de bielle. Prendre deux chutes de gaine de fil electrique de 25mm et 35mm. Dans le caoutchouc chambre à air, découper une forme pouvant se fixer aux morceaux de gaine (sur le schéma en coupe c'est la piéce bleue) bien enfoncer le caoutchouc dans les gaines en poussant avec un bout de fil et coller. Engager une des gaines sur l'axe du déplaceur puis l'autre sur le nez de bielle.
Poser le montage sur le fond du cylindre déplaceur et faire tourner lentement le vilebrequin. Régler la longueur de la bielle pour que le déplaceur navigue librement sans forcer en butée haute ou basse.
Si tout est correct, bloquer le déplaceur en position haute, centrer le troncon de bouteille sur le fond de cylindre et réaliser un cordon de colle généreux sur tout le tour, la encore l'étanchéité est indispensable.
Bien laisser sécher avant de manipuler.
Les essais
Si tout est correct et bien étanche, vous devez percevoir un leger mouvement de la membrane en appuyant fermement sur le fond du cylindre déplaceur ( le fond de boite à café se déforme un peu ( n'ecrassez pas le cylindre en appuyant comme un forcené. Si la membrane ne bouge pas recherchez la fuite !( ou renforcez systématiquement la colle partout ou vous pouvez
Mettez en place l'hélice (si vous en avez une) et le volant. Pour volant, j'ai utilisé un vieux moteur de lecteur de disquettes le stator et ses enroulement s'ajoute au poid du rotor (environ 150gr en tout).
Le stator est maintenu par les aimants du moteur. Placer votre chef d'oeuvre sur un mug ou une grande tasse d'eau bouillante.
Au bout d'une minute, le vilebrequin doit commencer à tourner trés lentement jusqu'au point mort haut.
Lancer doucement la rotation à la main. Merveille ! Ca tourne ! Probablement pas bien rond mais tout de même. Si le moteur cale,plusieurs causes à rechercher:
- Le volant a besoin d'être équilibré, de petits bout de fer ou petits aimants collés judicieusement au volant devraient permettre de trouver un compromis.
- Les forces de frottement aux paliers et (ou) à l'axe de déplaceur sont trop importantes, il arrive même que le déplaceur se coince en position haute ! Dans ce cas, il faut roder !
Si vous avez muni l'engin d'une hélice, rien de plus simple : Déconnectez la bielle moteur pour ne pas endommager la membrane, placez l'engin devant un ventilateur electrique. Le courant d'air du ventilateur va faire tourner votre machine. Profitez en pour huiler les paliers et l'axe de déplaceur (modérément !) Ma machine tourne environ 15mn à 100 tours/mn sur un mug d'eau bouillante par une température ambiante avoisinant les 30 degrés C.La rotation est accelérée si on place un glacon sur le bati mais ca fiche de l'eau partout et je me fais houspiller !














Comment ca marche ?
Prennez référence au schéma en coupe pour vous aider.
Au départ, c'est l'équilibre parfait, l'air dans le cylindre est à la température ambiante, le piston (membrane) est au repos
Lorsque le bas du cylindre est chauffé, l'air entre le fond et le déplaceur en polystiréne est chauffé, il se dilate et fait monter la pression dans le cylindre : Le piston monte et pousse la manivelle du vilebrequin.
Le déplaceur est alors poussé vers le bas, il chasse l'air chaud vers le haut du cylindre et l'air s'y refroidi.
L'air froid se contracte et le piston est "aspiré", il tire sur sa bielle et fait redescendre le déplaceur.
La suite n'est que répétition ! Avec les dimensions données, le moteur tourne avec une différence de température de 40° entre le bas et le haut du cylindre.
Dans quel sens ca tourne ? Il suffit de savoir que la bielle du déplaceur a un quart de tour d'avance sur la bielle moteur. Dans notre cas, le ventilateur tournera dans le sens anti horaire si le bas est plus chaud que le haut.
Voila ! Il ne vous reste plus qu'à décider si vous tentez ou non l'expérience.Personnellement je ne croyais guére arriver à un résultat et pourtant ca marche ! On ne tire pas de ce genre de moteur l'energie d'une centrale nucléaire mais c'est propre, silencieux et surprenant.
Les aléas
La membrane a généralement une durée de vie limitée, le latex fini par se détendre puis par se couper, il faut alors sacrifier un nouveau morceau de gant ! Si vous avez pris soin de fortement coller le piston au bâti, le remplacement sera facile.
Le cylindre déplaceur a tendance à accumuler de la condensation qui a terme peut oxyder le fond en fer blanc. Si votre moteur doit rester innactif pendant une longue période, enlevez la membrane pour laisser le cylindre à l'air.
Quelques liens
Vous trouverez la description du kit dont je me suis inspiré chez Stirlingengine ; malheureusement le prix fait frémir: 99$ plus les frais d'envoi !
Site trés sympathique ou l'on trouve d'autres réalisations "ecolos" que celui de Francois Galian Ne manquez pas de me demander des précisions ou de me communiquer vos résultats en me contactant
Placé sur un mug d'eau trés chaude, le moteur tourne pendant plus de 30 minutes sans aucun bruit.
L'effet stroboscopique des pales est un peu génant mais le mouvement du vilebrequin donne une idée de la vitesse de rotation.
On voit trés bien le mouvement du déplaceur qui assure l'échange thermique.
Plus de détail dans la vidéo ( DivX) téléchargeable ICI


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