J'ai un petit moteur Stirling LTD (Low Temperature Difference) qui marche depuis bien une dizaine d'années sur ma box internet.
Ces moteurs entièrement mécaniques sont très intrigants : aucune électricité, aucun magnétisme, que dalle, juste des pièces assemblées et quand on chauffe, ça tourne !
Ce n'est pas évident d'expliquer comment ça fonctionne, mais je vais le tenter avec les mains, le plus simplement possible.
Voici à quoi ce moteur ressemble (c'est celui que j'ai) :
Les informations n'expliquent absolument pas comment ça marche.
Un moteur Stirling est un moteur thermique, nous allons voir ça.
Prenez une enceinte et placez un gaz, de l'air, à l'intérieur. Munissez l'enceinte d'un petit piston. A l'équilibre thermique, en ne faisant rien, le piston repose dans sa position initiale.
Le tout à température ambiante, à l'équilibre thermique.
Maintenant, si j'allume le feu de l'enfer sous l'enceinte, qu'est-ce qui se passe ?
Et bien, par conduction thermique à travers la plaque métallique du bas, l'air chauffe et se dilate. Du coup, le piston est poussé vers le haut.
Et comment on fait pour redescendre le piston ? Comment refroidir l'air ?
Et là, si on ne fait rien d'autre, et bien le piston reste bêtement en position haute.
Jusque-là, rien de spécial. Et ce n'est pas comme ça qu'on pourra faire un moteur cyclique, qui recommence son cycle en permanence. Pour ça, il faudrait que le piston redescende.
Le moyen de faire ça est de refroidir l'air à l'intérieur de l'enceinte. Mais comment ? D'aucuns penseraient faire cela en coupant le chauffage, voire en mettant des glaçons à la place du feu, mais on sent bien que ça ne va pas le faire !
C'est là qu'est l'idée géniale : on va déplacer l'air dans l'enceinte vers une zone plus froide, comme ça il va refroidir et le piston redescendra. On fait cela en ajoutant un déplaceur.
L'idée est de pousser l'air chaud vers le haut, donc de descendre le déplaceur.
En poussant le déplaceur vers le bas, il va déplacer l'air qui est du coté chaud, sur le feu, vers une autre zone, ici opposée, en haut.
L'air va passer sur les cotés du déplaceur, on laisse exprès un petit espace.
Mais il faut l'aider à refroidir !
A ce moment-là, l'air est en contact avec la surface supérieure de l'enceinte, et si on veut que l'air refroidisse, et bien il faut que cette surface supérieure soit froide, plus froide que le coté chaud. C'est pour ça qu'on l'appelle source froide, par opposition à la source chaude en bas.
Ici, j'ai mis des glaçons pour symboliser la source froide.
Le piston redescend.
L'air refroidit, le piston redescend.
Pour recommencer le cycle, il faut tirer le déplaceur vers le haut, pour que l'air froid soit poussé du coté chaud.
L'ai peut alors chauffer et se dilater en poussant le piston.
Il est alors temps de pousser le déplaceur vers le bas... le cycle recommence.
On notera que de la chaleur, transportée par l'air, est passée du coté chaud vers le coté froid, et donc le coté chaud refroidit, et le coté froid se réchauffe. C'est le propre des machines thermiques, la chaleur va toujours du chaud vers le froid, et cela fournit un travail. Le contraire s'appelle une pompe à chaleur, et il faut fournir de l'énergie pour faire ça.
Accessoirement, c'est d'une manière évidente mieux d'isoler thermiquement la partie haute et la partie basse.
Le paramètre critique est la différence de température entre la source chaude et la source froide : plus elle est importante, plus on peut récupérer d'énergie, et plus ça tourne vite.
Il est mieux que le fluide chauffe et refroidisse aussi vite que possible au contact des parois donc qu'il soit un bon conducteur thermique -ce qui n'est pas le cas de l'air. Avec de l'hélium, qui conduit mieux la chaleur, le moteur tourne plus vite.
C'est bien joli ce cycle, mais à quel moment faut-il déplacer le déplaceur ?
Il ne faut pas chasser trop tôt l'air chaud vers le coté froid, pour ça, il suffit d'attendre que le piston pousse, preuve que l'air s'est suffisamment réchauffé pour provoquer la pression.
L'air peut alors refroidir, il se contracte, ce qui permet au piston de revenir à sa position initiale, c'est le moment de tirer le déplaceur vers le haut.
Le bon moment est un déphasage du déplaceur de 90 degrés par rapport au piston, c'est facile à faire mécaniquement parlant (mais d'autres méthodes existent, et on peut jouer un peu sur ce paramètre).
(la barre verte et la barre violette sur le volant d'inertie)
Pour manoeuvrer le piston, on utilise un volant d'inertie, autrement dit de l'énergie mécanique est stockée dans un volant suffisamment massif mais pas trop, énergie qui provient du piston ce qui diminue le rendement.
Du coup, l'appareil ne peut pas démarrer tout seul : il faut lancer le volant d'inertie "à la main", autrement dit fournir l'énergie initiale. Comme un démarreur de voiture thermique...
Ce moteur Stirling tourne forcément dans un sens particulier ce n'est pas un montage totalement symétrique, qui dépend de la position de la source chaude et froide. Si vous échangez le chaud et le froid, le moteur tournera dans l'autre sens.
Ces petits moteurs Stirling dit LTD Low Temperature Difference arrivent à fonctionner avec la chaleur de la main, dans une atmosphère à 20 degrés, soit une dizaine de degrés de différence.
C'est remarquable, et pour y arriver, il faut soigner le montage mécanique et réduire tous les frottements au maximum. Donc des pièces de précision à usiner, ou alors il faudra chauffer plus fort pour compenser les pertes. Regardez de plus près le schéma au début de cette page !
Du coup, je vous conseille plutôt d'en acheter un, car le faire soi-même est vraiment délicat. Mais quand ça marche, la récompense est à la hauteur !
- Je vous conseille celui que j'ai acheté, chez Kontax, de l'excellente qualité, avec pas mal de choix. Kontax Stirling Engines ou Gyroscope.com (même compagnie en fait)
- Une autre conception/vendeur : Stirling Kit (ils ont d'autres moteurs, accessoirement)
Vous trouverez des sites qui vous expliquent comment faire, certains vous donnant même des formules de calcul pour dimensionner le piston, le déplaceur...
- Une explication plus détaillée et plus générale : Le moteur Stirling: principes par des vrais spécialistes. Recherchez par là pour aller plus loin !
- Il a fait plein de modèles lui-même, certains minuscules : Huib Visser
- Quelques formules + résultats et un masque pour voir la vitesse de rotation : Logic System Technology / Stirling engine
- Mais si vous aimez vraiment la physique et les maths : Moteur Stirling à faible différence de températures (LTD) : confrontation simulations numériques et expérimentation N. Martaj et als.
- Ce moteur-là est encore plus étonnant par sa simplicité désarmante : StirlingBuilder (mais bon, c'est surtout pour vendre son bouquin)
Voilà, j'espère que c'est plus clair à présent.
Il existe des dizaines de variantes, les gens sont très inventifs coté mécanique. Normalement, vous devriez deviner comment ces variantes fonctionnent, puisque vous avez compris la séquence de base.