Na rijp beraad (zoals dat heet, maar vooral na drie eerdere mislukkingen, vandaar Mark IV) heb ik een aantal algemene beschouwingen op papier gezet om een degelijk werkende Stirlingmachine te maken. Dat pamflet heet StirlingMachineAlgemeen.odt [NVDR: het pamflet enkel voor intern gebruik]. Uit het pamflet komt naar voor dat de moeilijk te vervaardigen krukas het grootste probleem vormt. Ik omzeil deze problematiek door een Stirling-machine met een schommelende balk ("walking beam") te maken. De schets hieronder geeft een idee van wat het moet worden.
In dit soort machine wordt het faseverschil van 90° tussen de krachtzuiger en de verdringer niet door een kruk bewerkstelligd, maar door een balk.
De problemen die ik voordien bij de versie MARK I, II en III heb gehad rond de luchtdichte afdichtingen zou met deze MARK IV opgelost moeten worden. Volgende vernieuwingen dringen zich op:
Voor het materiaal van de verdringercilinder werd geopteerd voor een glazen wand (afkomstig van een potje yoghurt), want glas is een thermische isolator. Bovendien is het leuk om het inwendige van een gedeelte van de machine te zien.
In plaats van een "klassieke" aansluiting naar de krachtcilinder – via een buisje in het metalen koelreservoir – heb ik gekozen voor een gat in de glazen mantel. Dit gat van 10 mm diameter heb ik geboord met een diamantboor.
Twee conservenblikken vormen de warme en koude deksels van de cilinder. De blikken werden zodanig gekozen dat ze groter zijn in diameter dan het glas. Zo kan makkelijk een siliconen voeg worden gespoten die na uitharding de gasdichtheid moet garanderen.
Aan de warme zijde moet ook een schouw – als uitlaat voor de warme gassen – worden toegevoegd. Tenslotte moet een opening voorzien worden voor het toe- en afvoeren van het theelichtje dan dienst doet als warmtebron.
Aan de koude zijde is er wat meer werk. Het blik moet waterdicht gehouden worden zodat er koud water in kan staan (dat het rendement van de machine zal verhogen). Dat betekent dat de twee voorziene openingen – voor de verdringerzuigerstang en de uitlaat naar de krachtcilinder – waterdicht moeten blijven. Dit kan door gebruikt te maken van tin, epoxy of siliconen. Gezien de siliconen toch moeten worden gebruikt is dit wellicht de eenvoudigste oplossing.
De verdringer pompt de lucht in de verdringercilinder rond. Om de efficiëntie zo groot mogelijk te houden moet de speling tussen de verdringer en de binnenwand in de grootte-orde van enkele milimeters gehouden worden. De binnendiameter van het glas is ca. 70 mm, dus mik ik op een verdringerdiameter van minimaal 65 mm.
De hoogte van de verdringer bepaalt het effectieve werkvolume van de cilinder. Een te grote verdringer is dus nefast. Een te kleine verdringer – een stijve bodem van een blikje bijvoorbeeld – is echter ook niet ideaal, omdat de slaglengte dan te groot wordt. Als test gebruikt ik een verdringer met hoogte van ca. 55 mm. Indien het rondgepompte volume daardoor te klein is zal ik een kleinere verdinger moeten maken.
Het materiaal van de verdringer moet bestand zijn tegen de hitte in de cilinder. Hout of blik zijn dus aangewezen. Om de verdringer zo licht mogelijk te houden zou blik ideaal zijn. Het cilindervormig lichaam van de verdringer moet zoveel mogelijk hol zijn, om reden van gewichtsbesparing.
Voor de constructie van de verdringerzuiger ga ik als volgt te werk om een variabele buitendiameter te krijgen die zo precies mogelijk bij maat van de binnendiameter van de verdringercilinder aansluit.
De bouw geschiedt als volgt:
Fase 1: een binnencilinder wordt gemaakt uit twee met schilderstape aan elkaar geplakte bodems van frisdrankblikken. Het geheel wordt ingepakt met een soepele kartonnen buitenring, totdat de goeie buitendiameter wordt verkregen. Ik mik op een diameter die 2 mm kleiner is dan de inwendige diameter van de verdringercilinder.
Fase 2: met de verdringercilinder als mal teken ik een kartonnen cirkel die als deksel zal dienen voor de zuigermantel.
Fase 3: om het karton te beschermen tegen de hitte in de verdringercilinder en om het te kunnen bevestigen aan de zuigermantel knip ik een iets grotere cirkel uit aluminiumfolie en plak die op het karton.
Fase 4: ik kleef het kartonnen deksel op een van de blikbodems met Pattex Multi "alleslijm" en kleef het ook vast aan de kartonnen mantel.
Fase 5: ik doorboor de andere blikbodem met een gaatje van 2 mm, gezien de stang (een afgedankte fietswielspaak) ook 2 mm dik is.
Fase 6: Ik kleef een klein moertje op de stang (als houvast voor de lijmverbinding) en bevestig de stang op de blikbodem met secondenlijm. Ik maak wel eerst een kartonnen hulpstuk om de stang verticaal te houden tijdens het drogen van de lijm. De rechtstandigheid van de stang controleer ik met een geodriehoek. Als extra verzekering plak ik een stukje schildertape om het moertje op de blikbodem te bevestigen.
De bevestiging van de stang op de verdringercilinder bleek niet eenvoudig te zijn. Een eerste poging met epoxylijm kon tot 2 x toe de klus niet klaren (NVDR: waarschijnlijk is de epoxylijm – 2 componenten – voorbij houdbaarheidsdatum).
Fase 7: Een tweede deksel van karton en beschermd met aluminiumfolie heb ik doorboord om het over de stang te laten passen.
Fase 8: De montage van het tweede deksel is identiek als het eerste deksel, maar opnieuw moet de rechtstandigheid worden verzekerd met een geodriehoek.
Fase 9: De mantel bekleed ik tenslotte met aluminiumfolie om het karton te beschermen. De folie wordt dichtgekleefd met "alleslijm".
Bij de constructie van de verdringerzuiger moet ik opmerkingen dat – in tegenstelling tot wat ik had gedacht – de binnenmaat van de glazen cilinder van de verdringer niet zo maatvast was. Het resultaat is dan ook een zoekplaatje geweest om een verdringerzuiger te maken die geen grote openingen laat langs de wanden. Ik heb de glazen cilinder eens nagemeten om de 45° met een voetjespasser (nauwkeurigheid = 0,01 mm).
Meetpunt | Bovenaan | Onderaan |
---|---|---|
1 | 71,28 | 70,92 |
2 | 70,47 | 70,56 |
3 | 70,97 | 71,21 |
4 | 71,02 | 70,90 |
De excentriciteit is dus in de grootte-orde van 0,5 mm tot 1,0 mm. Omdat ik de ontwerpspeling tussen de zuigermantel en de cilinderwand ook in de orde van 1,0 mm heb gekozen is deze excentriciteit zeer uitgesproken, om niet te zeggen vervelend. Ik moet er dus op toezien dat bij de definitieve assemblage ik de verdringerzuiger in de goede richting monteer. Ik heb dan ook een onuitwisbaar zwart streepje gezet op de zuiger.
Het gevaar is niettemin reëel dat de verdringerzuiger toch vast komt te zitten in de verdringercilinder. Uit voorzorg maak ik dan ook een tweede, kleinere verdringerzuiger (zowel in diameter als in hoogte). De constructie zal ietsje anders verlopen dan de eerste zuiger.
Fase 1: ik snij de bovenzijde van een frisdrankblikje op een kleine hoogte uit (37,5 mm) om het "corpus" van de zuiger te vormen. De bovenzijde van zo'n blikje heeft pal in het midden een gaatje waar de stang mooi centraal kan worden doorgestoken.
Fase 2: ik vorm de binnenmantel uit een stuk blikmantel (ca. 15 mm overmaats in de hoogte). Dat stuk blik voorzie ik van insnijdingen die overgeplooid worden om een basis te hebben voor het aanbrengen van deksels aan de boven- en onderzijde ervan.
Fase 3: de deksels maak ik uit bierviltjes, waaruit ik een cirkel met diameter 68 mm snij. Ik voorzie gelijk de aluminium beschermfolie tegen de hitte.
Fase 4: de verdringerstang – alweer een fietswielspaak – van 2 mm diameter plooi ik langs een van de uiteinden zo'n 5 mm over, zodat ik het in het gaatje (ook ongeveer 2 mm boring) van het "corpus" kan steken en vastkleven met schilderstape. Door de verzonken vorm van het blikdeksel is het perfect mogelijk de stang zodanig te bevestigen dat het niet boven de rand van het blik uitsteekt. Daardoor zal de montage van het onderste deksel zeer eenvoudig zijn.
Fase 5: de binnenmantel wikkel ik nu rond het "corpus" en tape ik vast met schilderstape.
Fase 6: het bovenste kartonnen deksel plak ik op de verdringerzuiger met "allesklever". De moeilijkheidsgraad is hier aanzienlijk, want de stang moet verticaal blijven.
Fase 7: het onderste kartonnen deksel kleef ik ook met "allerklever" op de bodem van de zuiger.
Fase 8: tenslotte bekleed ik de ganse zuiger met aluminiumfolie om het geheel hittebestendig te maken. De aluminiumfolie kleef ik vast met "allesklever".
Indien een regenerator nodig is om de efficiëntie van de machine te verhogen, dan kan deze worden samengesteld door de verdringer uit te rusten met een laag staalwol. Zo sla je ook twee vliegen in een klap: de afdichting tussen cilinderwand en verdringer wordt nul en de gassen die door de regenerator stromen worden opgewarmd en afgekoeld. Voor een schets, zie hieronder.
Het doel van de regenerator is de efficiëntie van de machine te verhogen. Zie de uitleg hieronder.
Een aantal ontwerpcriteria spreken elkaar tegen als het om de stang van de verdringer gaat en de afdichting van de doorgang in het deksel van de verdringercilinder:
In de praktijk moet dus een soort schacht met tweevoudige, verticale afdichting worden gemaakt. We kunnen dit zo uitvoeren onder de vorm van een standpijpje. Het standpijpje dient een voldoende brede basis te hebben om het verticaal op de bodem van het koelwaterreservoir te kunnen vastkleven. Een geperforeerd eindkapje (diameter 2,4 mm om wat speling van de stang toe te laten) zal zorgen voor de bovenste afdichting van het standpijpje.
De onderzijde van het blikje dat zal dienen als koelwaterreservoir heb ik in het midden doorboord (ook diameter 2 mm). Een hulpmalletje uit een stukje papier heeft mij geholpen het preciese midden van het blikje te bepalen.
Het standpijpje is minstens even hoog als de hoogte van het waterreservoir om te beletten dat het koelwater in de cilinder loopt.
Zoals reeds in de inleiding aangegeven wordt de krachtzuiger op maat gemaakt. We beginnen met een koperen buis met diameter 18 mm als cilinder, gewoon omdat deze nog in de garage tussen de metaaloverschotten lag. De cilinder wordt eerst met een droog papieren doekje inwendig gereinigd en vervolgens met siliconenolie (van het type dat gebruikt wordt voor het smeren van de sloten) ingespoten. Die oliefilm zal dienen als lossingsproduct, om zeker te zijn dat de epoxy-zuiger niet vastkleeft aan de binnenwand.
De zuiger wordt gemaakt van een epoxyprop – die met grafiet is bekleed voor de smering – met een stamper in de cilinder te duwen tot ze voldoende afsluit.
Na het uitharden van de epoxy blijkt de zuiger zeer goed aan te sluiten op de binnenwand; eigenlijk een beetje te goed, want te stroef. Daarom moet de zuiger manueel wat worden heen en weer bewogen om soepeler te bewegen. Mocht dit nog onvoldoende zijn, dan kan de cilinderwand nog wat gehoond worden met een dremel en een zacht hulpstukje om enkel µ van de wand te verwijderen ("buffing" in het Engels). Al bij al is dit goed gelukt, toch voor een eerste poging. Uiteindelijk moet de kwaliteit van de afdichting zodanig zijn dat de zuiger onder zijn eigen gewicht langzaam in de cilinder zakt als deze verticaal wordt gehouden [arbitrair opgelegd - lijkt me logisch].
De gasdichte afdichting van de krachtzuiger kan worden verbeterd door een balg op het uiteinde van de krachtcilinder te monteren. Deze balg zou echter terug moeten worden geperforeerd omdat de drijfstang nu eenmaal fysiek moet aangesloten worden op de krachtzuiger. Een alternatieve oplossing is de balg niet te perforeren en met twee magneten te werken, als volgt:
Het fluïdum (de lucht in het systeem) moet via een transportleiding van de verdringercilinder naar de krachtcilinder worden verplaatst. De leiding kan op twee manieren worden uitgevoerd: als een vaste of als een flexible leiding. Esthetisch gezien is een vaste koperen leiding te prefereren. Ik beschik toevallig ook over een mooie flexibele leiding (een waterleiding met inox vlechtwerk, diameter 10 mm) en dat is ook niet te versmaden.
Ik moet er wel op letten dat ik op een bepaalde manier het debiet van het fluïdum moet kunnen regelen. Ik denk de volgende opstelling te kunnen maken:
Door middel van de wurgklep wordt de doorstroming van het fluïdum geremd, waardoor de snelheid van het mechanisch proces wordt afgeremd.
De wurgklep wordt als volgt vervaardigd:
De warme zijde onderaan de verdringer dient de nodige voorzieningen te hebben voor de eigenlijke warmtebron en voor de evacuatie van de hete gassen. Als warmtebron neem ik genoegen nemen met een theelichtje (het kunnen er meerdere zijn ...). Om niet teveel moeite te moeten doen om het theelichtje onderin de Stirling-motor in te brengen en om de onderzijde van de machine stevig te verankeren op de bodemplank gebruik ik hier 3 L-vormige hoekijzers.
Indien ik ook het blik voor de warme zijde iets groter neem, dan kan ik de verdringercilinder er op monteren en tevens voldoende ruimte laten voor de installatie van een schouw. Een gat van 10 mm diameter in de top van het blik moet voldoende zijn om de gassen naar de schouw te leiden. Als afdichtingsmateriaal tussen het blik en de schouw kan ik siliconen voor hoge temperaturen gebruiken. Voor de schouw zelf is een metalen (koper, aluminium, blik, ..) pijpje van 15 of 18 mm diameter voldoende.
De schouw kan ik aan de bovenzijde verankeren aan het reservoir met het koelwater d.m.v. een spanband en een blokje hout als thermische isolator.
Een alternatief voor het probleem van de luchtdichte voeg aan de warme zijde wordt hieronder weergegeven:
Door het ontbreken van thermisch contact kan de afdichting van de glazen cilinder gemakkelijk met epoxy worden verwezenlijkt. Bovendien kan de schouw op een degelijke manier in de houten basisplaat worden gemonteerd.
Zoals reeds eerder vermeld bestaat de koude zijde uit de bodem van een koelwaterreservoir, voorzien van een standpijpje.
Er moet enkel nauwgezet op worden toegezien dat de verticale beweging van de verdringerstang doorheen dit standpijpje er niet toe leidt dat de stang vastraakt omdat er een te grote laterale component in de beweging aanwezig is.
Een pre-montage van de koude zijde bovenop de verdringercilinder ziet er zo uit:
Het bewegende geheel wordt ondersteund door een verticale steun die dus als voornaamste functie het dragen van de schommelende arm heeft. Deze steun kan ook nog worden gebruikt om de wurgklep op te monteren; die laatste moet ergens aan vastgemaakt worden. Daarnaast moet de krachtcilinder ergens aan vastgemaakt worden en moet het vliegwiel ook ondersteund worden.
Alle onderdelen worden tenslotte op een plank vastgemaakt.
Een onderdeel dat tijdens de werking behoorlijk wat roterende beweging zal maken is het vliegwiel. Na lang zoekwerk en lectuur blijkt dat grafiet behoorlijk goede eigenschappen heeft die het geschikt maakt om te dienen als lagermateriaal ("The graphite is a dry lubricant, therefore it is low friction and low maintenance.") Grafiet is makkelijk te vinden, want het is het hoofdingrediënt voor potlood. En indien we de diameter van de as van het vliegwiel bescheiden houden, dan kunnen we volgende construtiemethode gebruiken voor de lagers:
Mocht deze werkwijze wat te moeilijk blijken in de praktijk, dan kan een lager uit teflon worden gemaakt. Dat materiaal is echter wat moeilijker te verkrijgen.
Het ware ideaal geweest als de slaglengte van de krachtzuiger (2 x K in de figuur hieronder) precies gelijk zou zijn aan de slaglengte van de verdringer. Helaas is dit niet zo (tenzij je veel geluk hebt). Het aangrijpingspunt van de stang van de krachtzuiger zal dus dichter bij het middelpunt van de knikkende balk liggen dan dat van de stang van de verdringer, omdat de slaglengte van de verdringerzuiger groter is.
In de schets hieronder gaan we uit van volgende gegevens: de gekende slaglengte 2 x S van de verdringer, de gekende arm X van de verdringer en de gekende slaglengte 2 x K van de krachtzuiger. De vraag is nu: wat is de arm Y van het aangrijpingspunt van de krachtzuiger op de balk?
Het grote probleem is echter dat de slaglengte K van de krachtzuiger niet op voorhand gekend is. Pas nadat de krachtzuiger gebouwd is kun je hem testen om proefondervindelijk de slaglengte van de krachtzuiger te bepalen. Dit maakt de afregeling van het aangrijpingspunt behoorlijk ingewikkeld.
De oplossing bestaat erin de krukas van de krachtzuiger uit te voeren met twee krukken van verschillende afmetingen. De schets hieronder licht het principe toe.
Zoals de tekening hierboven aangeeft zijn twee krukken gemonteerd op de vliegwielen. De kruk met de kleinste diameter is verbonden met de drijfstang van de krachtzuiger. Deze komt in diameter overeen met de [empirisch nog te bepalen] slag van de krachtzuiger (blauwe cirkel = K). De andere kruk heeft een diameter D die overeenkomt met de slaglengte van de verdringerzuiger. De maximale slaglengte van de verdringerzuiger is gelijk aan D plus de spelingen tussen de zuiger en de de bodem- en topplaten van de cilinder.
Op die manier is een knikkende balk met twee gelijke armen te maken, wat veel gemakkelijker uit te voeren is en bovendien gemakkelijker uit te balanceren is.
De verdringerstang zal noodgedwongen uit 2 delen moeten bestaan. De figuur hieronder verklaart het "waarom".
De zwarte boog beschrijft de weg die het uiteinde van de schommelende balk aflegt. Hoewel de uitwijkingen – zowel verticaal als horizontaal – extreem zijn voorgesteld is het toch zo dat de stang enerzijds "gevangen" zit in de schacht van de verdringer en anderzijds door de boog, die de schommelende balk beschrijft, "gedwongen" wordt een horizontale beweging te maken (de rode dubbele pijl). Om een noodzakelijke horizontale beweging van de verdringerstang toe te laten moet de stang uit 2 delen worden gemaakt en met een scharnier worden uitgerust.
Een alternatief voor de tweedelige verdringerstang is een modificatie van de schommelende balk. Als het uiteinde van de balk uitegrust wordt met een boogvormig T-stuk, dan kan een draad die over de boog loopt de stang horizontaal in positie houden, zodat de stang steeds verticaal in de schacht past. Het principe is dit:
Een bijkomende eis voor een dergelijke constructie is dat het gewicht van de verdringerzuiger groot genoeg is om de draad steeds mooi gespannen te houden. Gezien de relatieve complexiteit van een dergelijke uitvoering zie ik echter van af van dit alternatief.
Sommige knutselaars maken gebruik van een andere, oude methode om de horizontale speling van de verdringerstang te compenseren: een Watt-balk (Watt's beam in het Engels). De bijhorende constructie vraagt om een vast punt en een parallellogramvormig scharnierend stangenstelsel. Voor een verduidelijking, zie de schetsen hieronder.
Wegens de toegevoegde complexiteit van het stangenstelsel weet ik niet of dit een haalbare kaart is om met eenvoudige middelen te vervaardigen.
Om de slag van de verdringer precies te kunnen afregelen, zijn 2 zaken nodig:
Beide zaken zijn hier schetsmatig getekend:
In de houten balk wordt een naald vastgelijmd. Deze naald vormt het vaste punt van de bovenste scharnier. Het bewegende deel van de scharnier is een vork, gemaakt uit blik, waarin een kleine boring is gemaakt met een naald, zodat de speling minimaal is. Gezien metaal op metaal wrijft is de soepele gang verzekerd in dit scharnierpunt, zelfs zonder smering.
In de vork wordt een stang, gemaakt van een fietswielspaak, vastgekleefd met epoxylijm. Aan het uiteinde van de stang wordt op dezelfde wijze een andere vork vastgemaakt. De stang zelf moet zo kort mogelijk worden gehouden om maximale stijfheid te verkrijgen.
Daaronder wordt de eigenlijke stang van de verdringer opgehangen op een quasi identieke wijze. De naald in het onderste scharnierpunt hoeft echter niet vastgezet te worden.
De vorken van de 2 stangen moeten wel netjes in elkaar schuiven. Daarom is de constructie lichtjes verschillend van elkaar.
De vork van de verdringerstang is dus kleiner gemaakt. De verdringerstang is bovendien regelbaar gemaakt door ze op te delen in 3 delen. De delen worden met luchterklemmen aan elkaar vastgemaakt, zodat lengteregeling mogelijk is.
Om niet tweemaal het warm water te moeten uitvinden kan de methode voor de ophanging en de regeling van de verdringer ook worden toegepast op het stangenstelsel van de krachtzuiger.