mise à jour
le 03/09/12
Moteur Stirling solaire
 

version 3.1

 

nota : de même conception ultra simple que le précédent, ce moteur Stirling, grâce à son diamètre de cylindre un peu plus important, peut tourner facilement à partir de sources de chaleur modérées comme par exemple celle de la main, ou celle produite par le rayonnement d'une petite lampe halogène, et bien entendu sous le rayonnement solaire.

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Sur l'image de gauche, on le voit tourner éclairé par une lampe halogène de 50W (12V) à environ 60 t/min. Pour cela, le moteur est équipé d'un capteur solaire très rudimentaire, constitué d'une simple feuille d'aluminium d'épaisseur 0,6 mm, découpée à la forme et peinte en noir mat.

Sur l'image de droite, en plein soleil (55.000 lux), équipé du même capteur, il tourne à 85 t/min - (dans les même conditions d'éclairement, une version plus récente tourne à présent à 170 t/min et en produisant de l'électricité...)

Bien que sa fabrication ne pose pas de problèmes particuliers, elle demande tout de même un peu plus de précision que pour le modèle précédent, en particulier pour tout ce qui concerne la géométrie (parallélisme, perpendicularité, etc.). S'il s'agit de votre première réalisation, je vous conseillerais plutôt de commencer par vous faire la main sur le modèle simplifié.


Description :
plan échelle 1
vue d'ensemble
coulisseau et glissière
cylindre et piston moteurs

Matériaux :

- cylindre : fonds tôle d'aluminium ep 0,8, flanc Rhodoïd ep 0,5
- entretoises : tige cylindrique Ø 6 en matière plastique, Nylon ou Delrin (marque sous laquelle DuPont commercialise de la résine acétale)
- déplaceur (piston à l'intérieur du cylindre) : morceau de dalle pour plafond en polystyrène expansé (env. 9 mm d'épaisseur), contreplaqué ep 3
- cylindre moteur : emballage de pellicule 24 x 36 (translucide)
- membrane du piston moteur : morceau de gant jetable en vinyle (éventuellement thermoformé en demi-tore)
- portique : profilé plastique 10 x10 x 1
- bielles, axes, vilebrequin : corde à piano Ø 0,8
- palier, glissière et coulisse de réglage : tube laiton Ø int 2,5
- divers : visserie, rondelles, perles de verre Ø ext env. 2,3 - Ø int env. 0,9 // colle cyanoacrylate, colle thermique, colle néoprène, mastic silicone
- volant d'inertie : un CD bien coloré, c'est plus joli… ;o)

Construction de la structure principale :

1 - sur une feuille d'aluminium d'épaisseur 0,8 mm, commencez par tracer le contour du plateau supérieur (a). Puis tracez un axe central (b), et à partir de là, les axes des trous de fixation des entretoises (c), le contour du cylindre moteur et sa découpe en demi-lune (d), et enfin la position des pieds du portique (e).
2 - à l'aide d'une cisaille découpez le contour du plateau, puis percez tous les trous. La demi-lune pourra être facilement découpée avec une fraise scie de quelques mm de Ø (modélisme), sinon, percez plusieurs trous tangents, que vous ouvrirez avec une petite lime ou une petite fraise cylindrique.
3 - dans du tube laiton de Ø 2,5 mm intérieur, coupez un morceau de 32 mm (f).
4 - avec une goutte de colle Cyanoacrylate collez à chaque extrémité une perle de verre, qui sera choisie présentant un jeu de 0,1 mm maximum par rapport au diamètre de la corde à piano Ø 0,8 mm.
5 - collez à l'époxy le tube ainsi préparé au centre du plateau, en vérifiant qu'il est parfaitement perpendiculaire.
6 - après avoir coupé, à 20 mm en partant du haut du bouchon, un emballage de pellicule 24 x 36 (h), le collez en place sur le plateau, soit avec du mastic au silicone appliqué assez largement, soit, ce qui est mieux, avec de la colle cyanoacrylate "Super Plastic" de Loctite qui semble adhérer assez bien sur le polypropylène (à condition, toutefois, de le dépolir à la toile abrasive - sur ses modèles, N. Vivet utilise avec succès de l'Ara métal).
7 - découpez les éléments du portique (e) dans un profilé plastique de 10 x 10 x 1, et assemblez les à plat à la colle cyanoacrylate. Puis quelques minutes plus tard, lorsqu'il est suffisamment rigide, le coller en place sur le plateau avec de la colle époxy, en contrôlant l'équerrage.
8 - coupez un morceau de 48 mm dans du tube laiton de Ø 2,5 mm intérieur (i).
9 - avec une goutte de colle Cyanoacrylate collez à chaque extrémité une perle de verre, sélectionnée pour présenter un jeu de 0,1 mm maxi par rapport au diamètre de la corde à piano (Ø 0,8 mm).
10 - collez à la colle thermique le tube ainsi préparé au centre de la potence, en vérifiant qu'il est bien centré, bien horizontal et correctement aligné.
11 - tracez puis découpez dans une feuille de Rhodoïd ep 0,5 mm, une bande de 17 mm de large par 560 mm de long (k). Raccordez les deux extrémités avec du mastic silicone en les faisant se chevaucher de 20 mm. Laissez polymériser plusieurs heures en maintenant le joint serré par une pince à linge ;o)
12 - une fois le joint solidifié collez la bande en place sous le plateau, à l'aide d'un cordon continu de mastic silicone lissé avec le doigt mouillé, ou une tranche de pomme de terre.
13 - vissez sur le plateau supérieur les deux entretoise en matière plastique Ø 6 mm x 17 mm (m).

Fabrication du déplaceur :

1 - dans un morceau de dalle pour plafond en polystyrène expansé de 9 mm d’épaisseur découpez avec un fil chaud un disque de Ø 165 mm (n)
2 - dans du contreplaqué ep 3 mm, découpez un disque de Ø 40 mm (o).
3 - évidez l’emplacement correspondant dans une des faces du disque de polystyrène, et dans l’autre, faire un petit creux cylindrique pour laisser la place à l’extrémité du tube de guidage (Ø 5 mm x 3 mm par exemple).
4 - collez en place le disque de contreplaqué avec de la colle époxy
5 -découpez à chaud (par exemple avec le nez d’un pistolet à colle thermique) les deux lumières (p) permettant le passage des entretoises, en vous guidant sur le bord du disque en contreplaqué.

Fabrication du plateau inférieur :

Tracez et découpez dans une feuille d'aluminium ep 0,8 mm le fond du cylindre (q), sans oublier la petite trappe de visite (r) qui vous permettra d’intervenir par la suite sur la fixation du coulisseau (et éventuellement son remplacement)

Fabrication du volant d’inertie :

Rien de particulier à signaler, sinon qu’il faut trouver ou fabriquer une pièce en plastique (s) rentrant sans jeu dans le CD (t), et la coller à la colle thermique. Percez ensuite un trou de 1 mm bien au centre, et un deuxième, à 3,25 mm du premier, destiné à recevoir l’axe où viendra s’accrocher la bielle du déplaceur.

Fabrication des axes, bielles et coulisseau :

Rien de particulier non plus, sinon que ces éléments sont façonnés à partir de corde à piano Ø 0,8 mm qu'il conviendra éventuellement de redresser, si, comme moi, vous l’avez achetée conditionnée en rouleau.

Fabrication de la membrane :

Dans un premier temps, elle sera simplement découpée dans la partie la plus fine d’un gant jetable en vinyle (u) , et pincée entre deux rondelles Ø 16 mm par un petit boulon de Ø 3 mm. Plus tard, si vous voulez améliorer un peu le rendement de votre moteur, vous pourrez assez simplement réaliser une membrane thermoformée - voir FAQ - qui aura un peu l’allure de deux demi-tores concentriques (voir à la page suivante).

Assemblage du coulisseau et du déplaceur :

(pour vous faciliter le futur équilibrage, vous pouvez, avant de les assembler, peser l’ensemble coulisseau/déplaceur sur un pèse-lettre mécanique, ou mieux digital, donnant le 1/10 de g – notez le poids de l’ensemble, et pendant que vous y êtes pesez aussi la membrane avec sa vis et les rondelles)

Déposez (important) une couche d’huile fine sur toute la longueur du coulisseau (v), sauf sur le dernier centimètre qui est destiné à être collé dans le disque en contreplaqué (o). Introduire le coulisseau dans la glissière (f) depuis l’extérieur de façon à ce qu’il dépasse d’environ 2 cm dans le cylindre, puis enfoncez le déplaceur sur le coulisseau jusqu’à ce qu’il vienne en appui sur le fond. Reculez un peu le coulisseau pour qu’il affleure la face supérieure du déplaceur. Centrez bien les entretoises au centre des lumières, et orientez la bille de verre selon l'axe principal. Quand tout est aligné, immobilisez à la colle thermique, laissez refroidir complètement et vérifiez que le tout se déplace librement - voir aussi l'assemblage par rivet de la version 3.4

Fermeture du cylindre :

Vous pouvez à présent fermer le cylindre. Vissez la plaque inférieure (q) sur les deux entretoises, puis collez-la avec du mastic au silicone. Lissez et laissez polymériser. (ne collez la trappe de visite (r) qu’en tout dernier lieu, quand vous aurez effectué tous les réglages)

Derniers assemblages et réglages :

1 - collez à la colle thermique le CD (t) sur son axe, en tenant compte du déphasage de 90° entre la manivelle du déplaceur et celle du piston moteur. Au cours du refroidissement, vérifiez que le CD tourne rond. Tant que la colle n’est pas complètement froide, vous pouvez encore parfaire son alignement.
2 - assemblez la bielle du déplaceur (w) et réglez la pour avoir 5/10 mm de jeu au point mort haut et au point mort bas. Fixez-la sur les axes avec un petit morceau de gaine électrique.
3 - pincez la membrane (u) entre le couvercle évidé de la boite de pellicule (h) et le corps du boîtier de façon à laisser un débattement de 1 à 2 mm supérieur à la course de la manivelle. Passer la bielle moteur (x) sur la manivelle et collez-la à la colle thermique sur la vis (y) passant au centre de la membrane. Fixez la bielle avec un petit morceau de gaine électrique.
4 - collez la trappe de visite (r) avec de la colle néoprène, de façon à pouvoir la démonter en cas de besoin. Laissez sécher complètement en ne touchant plus au moteur !
5 - assurez l'étanchéité au niveau des 4 vis qui fixent les entretoises (m) en laissant s'infiltrer une goutte de colle cyanoacrylate (liquide) entre la la tête de vis et la surface du plateau
6 - déposez une dernière goutte d'huile à l'endroit où le coulisseau (v) pénètre dans la glissière (f)

Équilibrage statique :

Si vous avez pesé les différents éléments avant de les assembler, il suffit par exemple pour équilibrer statiquement le déplaceur de faire le total de tout ce qui est suspendu à l’axe de la manivelle, et, en faisant ensuite le rapport des bras de levier vous calculerez facilement le poids (et la distance) de la masse d’équilibrage qui sera naturellement placée à l’opposé de l’axe de la manivelle - voir FAQ -

Plus simplement, le moment dû à la masselotte d'équilibrage doit avoir la même valeur, et être de sens opposé à celui dû au poids de l'équipage mobile du déplaceur. Par exemple : si le déplaceur + le coulisseau + la bielle pèsent 10 g, si la manivelle a un débattement total de 7 mm, et si l’on veut utiliser une masselotte de 1 g, on la placera à 10 * 3,5 / 1 = 35 mm de l’axe du CD.

Et vous n'aurez plus qu'à faire la même chose du côté de la bielle et du piston moteur.

 

 
Bonne réalisation...