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Pour fonctionner normalement un moteur de Stirling nécessite une différence de température entre les échangeurs chaud et froid ainsi qu'une géométrie adaptée à cette différence de température. La nature de la source chaude et du bain froid n'a pas d'importance, le principal étant que les échangeurs thermiques parviennent à maintenir cette différence de température pendant le fonctionnement.

On utilise parfois l'air ambiant comme source froide combiné avec une source chaude qui tire son énergie d'une combustion, du rayonnement solaire ou de la géothermie. Cependant l'air ambiant peut aussi constituer la source chaude, en combinaison avec par exemple de la glace au côté froid.

Les moteurs de Stirling de type LTD possèdent les mêmes composants que la version standard, la différence réside dans les proportions relatives des constituants.

Les principaux éléments sont donc:

  • le piston dont le rôle est de comprimer et dilater le gaz, transmettant ainsi la puissance sur l'embiellage
  • le déplaceur qui "déplace" le gaz entre le côté refroidissement et chauffage de la chambre d'échange
  • un système d'embiellage, qui récupère la puissance du piston et maintient mécaniquement un déphasage de 90° entre le déplaceur et le piston

 Les phases de base d'un cycle sont identiques à celles d'un Stirling standard. Les 360° correspondants à un cycle complet se décomposent logiquement en 4 phases, chacune étendue sur 90° et dominée par un certain processus thermodynamique.

1) Phase de transfert

Le piston "tourne" autour de sa position extrême intérieure et le déplaceur est en transition entre la position extérieure et intérieure. Le volume total est à peu près constant, le gaz est déplacé vers la source chaude, donc la température augmente et la pression également.

2) Phase d'expansion 

Le piston se déplace de l'intérieur vers l'extérieur et le déplaceur "tourne" autour de son extrême intérieur. C'est la phase où le piston délivre sa puissance sous la pression interne, qui de ce fait, chute durant ce mouvement alors que le volume augmente.

3) Phase de transfert 

Le piston "tourne" autour de sa position extrême extérieure et le déplaceur passe du côté extérieur au côté intérieur. Le volume total reste à peu près constant et le gaz est déplacé vers la source froide. Par conséquent la température diminue, la pression également et devient inférieure à la pression extérieure.

4) Phase de compression 

Le piston se déplace de sa position extérieure vers son extrême intérieur alors que le déplaceur reste "autour" de son extrême extérieur. De par le déplacement du piston, "aspiré" par la dépression intérieur, le volume diminue et la pression retrouve sa valeur nominale.

 

Le moteur de Stirling  fonctionne donc selon un cycle "fermé". Il n'y a pas d'aspiration ni d'échappement du gaz de travail. Seules une source chaude et une source froide sont nécessaires au fonctionnement de l'engin, quelle que soit la nature de la source de chaleur. La différence de température entre les sources est responsable des variations de pression qui actionnent le piston. La différence entre le flux de chaleur entrant et sortant correspond à l'énergie mécanique fournie par le piston.