Niedertemperaturstirling/Handwärmestirling-Ringbom(03.2011)

Der Handwärmestirling unterscheidet sich vom klassischen Stirling dadurch, dass er im Verhältnis zum Arbeitskolben einen viel größeren Verdrängerkolben hat und dadurch erheblich mehr Luftvolumen umschaufeln kann. Dies ist typisch für alle Niedertemperaturstirlingmotoren. Dies kann man bis zum Extremen betreiben und Motoren bauen, die noch bei einer Temperaturdifferenz von ca 0,8° Kelvin funktionieren. Herr Schager ist so ein Spezialist für absolute Niedertemperatur-Stirlingmotoren. Dies ist aber ein Gebiet, bei dem der normale Modellbauer schnell an seine Grenzen stößt.
Nun zum Bau des Handwärmestirling: ich bin nicht der Modellbauer der ständig bauen muss und will, sondern der auch mal gerne auf  Fertigteile zurückgreift.
Da kam mir gerade recht, dass ich bei ebay einen Motor gesehen habe, der von foosoo-trading für ca. 30-32 Euro incl. Versand angeboten wird.Handwärmemotor/Handwärmestirling Originalzustand Ich weiß, dass jetzt viele Modellbauer aufschreien werden:  wie kann man nur so etwas fertig kaufen. Trotzdem hat mir der Motor sofort von der Art her gefallen --> scheinbar schickes Schwungrad und ganz wichtig Arbeitskolben und Arbeitszylinder aus Glas.
Ich wußte, dass ich für 30 Euro nicht allzuviel erwarten durfte, doch verglichen mit dem Karton-Stirling für 25-50 Euro ist dies wahrlich ein Schnäppchen. Das Schwungrad ist zwar nicht in Kugellager geführt, sondern ganz einfach in Spitzenlager, aber das reicht, wie ich feststellen konnte, vollkommen aus. Gut gelöst ist auch die Befestigung von Arbeitskolben und Verdrängerzylinder. Die Pleuel für Kolben und Verdränger werden in die Kurbelwelle eingeklippst, der Kolben wird mit einer Spreizfeder am Pleuel geklemmt. Der Verdränger wird ebenfalls über die 2mm- Achse auch nur geklemmt.
Das Schwungrad meiner Lieferung war leider etwas eingedrückt, es ist zwar aus Messing, aber nicht massiv, sondern irgendwie gepresst.
Ich habe kurzerhand das Schwungrad auf der Drehmaschine "glattgebügelt" und auf "Nichteiern" ausgerichtet. Ebenso mußte ich den Arbeitszylinder neu ausrichten, er war etwas schief eingeklebt.
Nach dem Zusammenbau und Justage des Motors konnte ich erfreut feststellen, dass der Betrieb mit Handwärme mit viel Geduld möglich ist (Betonung liegt auf viel Geduld).
Im Video steht der Motor auf einem auf ca. 38 °C aufgeheiztem Eisenklotz
An Verbesserungen habe ich die Durchführung zum Verdränger aus einer 1ml Glasspritze angefertigt, super dicht und trotzdem reibungsarm.
Den Boden und Deckel  des Motors (beide aus verchromten Blech) habe ich neu aus 2mm Aluminium angefertigt..
Die Bilder zeigen den Vergleich Original und "Fälschung".
Alles in Allem kann ich jedem Modellbauer, der wie ich, nicht alles selbst machen will, diesen Motor empfehlen. Man kann den Motor durchaus durch Eigenleistung noch mehr aufpäppeln. Die Grundzutaten hierfür sind vorhanden.
Meine Hoffnung war, dass ich durch die Änderungen am Original den Motor mit einer kleineren Temperaturdifferenz betreiben könnte.
Doch da wurde ich enttäuscht. Konstruktionsbedingt braucht der Motor eine Temperaturdifferenz von wenigstens 15°- 20° Kelvin.
Um hier eine Verbesserung zu erreichen, müßte der Motor nach dem Ringbom-Prinzip umgebaut werden.
Nachdem der Motor nur mit "Hängen und Würgen" als Handwärmemotor zu gebrauchen war, habe ich mich schneller als geplant dazu aufgerafft, den Motor auf Ringbom-Steuerung umzubauen. Diese Änderungen sind nun gegenüber den ersten Änderungen nicht mehr als einfach zu bezeichnen.
Handwärmestirling Ringbom-SteuerungDas Schwungrad ist doppelt kugelgelagert und auch im Pleuel kam ein winziges Kugellager (1,5x4x1,2mm) zum Einsatz.  Der Verdränger hat  keine Verbindung mehr zum Schwungrad! Durch eine Feder wird der Verdränger in Neutrallage gehalten. Der Arbeitskolben steuert nun durch Unter-bzw. Überdruck den Verdränger aus der Neutrallage heraus, um so die Luft vom warmen in den kalten Bereich und umgekehrt zu schaufeln.
Es bleibt festzuhalten, dass der Aufwand für den Umbau groß war, doch er hat sich auf alle Fälle gelohnt, denn der Motor dreht nun sicher ab einer Temperaturdifferenz von ca. 6° Kelvin, d.h. wenn die untere Aluplatte einigermaßen Handtemperatur hat, dreht der Motor mit ca. 60-80 U/min (Video).
Anmerkung:
Auch wenn der Umbau mit dem ursprünglichen Motor fast nichts mehr gemeinsames hat, war der große Vorteil des Kaufmotors darin zu sehen, dass die Abmessungen und Bohrungen sowie der Arbeitzylinder mit Pleuel und das Schwungrad direkt übernommen werden konnten.

Niedertemperaturstirling mit Ringbom-Magnetsteuerung (01.2013)

Man kann diesen Handwärmemotor auch so bauen, dass mittig der Arbeitskolben angeordnet ist und am unteren Ende des Kolbens ist ein Magnet angebracht, der den Verdränger (auch  mit Magnet oder Eisen)  im UT anhebt und wenn der Kolben in Richtung OT geht, fällt der Verdränger aufgrund der nachlassenden Magnetkraft wieder runter. Dies ist auch eine Art Ringbom-Stirling, mit dem Unterschied, dass der Verdrängerkolben nicht durch Über- bzw.Unterdruck in der Lage verändert wird, sondern durch magnetische Kräfte.
Die Abstimmung der Magnetkräfte muss so erfolgen, dass in unteren Totpunkt des Kolbens (UT) der Verdränger gerade angehoben wird  und im OT sicher abfällt

Niedertemperaturstirling mit Ringbom-Magnetsteuerung
Prinzipskizze Niedertemperaturstirling mit Ringbom-Magnetsteuerung

Verschiedene chinesische Hersteller scheinen so einen Motor  (ebay) anzubieten. Diesen Motor kann man fast nicht mehr einfacher bauen.
Da ich es genauer wissen wollte, habe ich für 32 Euro so einen Motor erworben und ich war echt beindruckt von der Qualität. Dieser Motor kann locker mit ähnlichen deutschen Produkten mithalten. Und wie ich es vermutet habe, ist der Motor wie die Skizze aufgebaut.
Dieser Motor kann im Gegensatz zu "normalen" Ringbom-Stirling nicht von alleine anlaufen und zeigt auch nicht die anfänglichen typischen Pendelbewegungen, da der Verdränger nicht durch Druckunterschiede bewegt wird.
Der Motor läßt sich nach einiger Zeit auf der Hand sicher starten und verblüfft mit zwei Geschwindigkeiten. Die höhere Geschwindigkeit stellt sich nicht von alleine ein, sondern wird über das Schwungrad hergestellt. Dieser Effekt ist darauf zurückzuführen, dass sich der Verdränger lose im Verdrängerzylinder bewegt, d.h. bei schneller bewegtem Kolben wird der Verdränger aufgrund der Trägheit nicht mehr komplett vom Arbeiskolben angehoben, sondern macht aus der Mittellage nur noch kleine Bewegungen  mit ca. der vierfachen Geschwindigkeit. Die Erhöhung der Geschwindigkeit hängt vom Gewicht des Verdrängers, seiner  Luftreibung, dem Kolbenhub und der Schwungradmasse ab.
Es ist auf jeden Fall ein Motor, den man selbst  nicht viel besser bauen kann, auch preislich nicht. Der gezeigte Motor wurde von mir hinsichtlich des Schwungrades (es ist von der Carl Aero Gmbh) geändert. Im Video sind die zwei Geschwindigkeiten gut zu erkennen. Der Motor ist sogar noch besser als der Ringbom-Handwärmemotor mit Feder,  da er nur noch den Kolben als größeres reibendes Element hat. Bereits ab einer Temperaturdifferenz von ca. 4° Kelvin dreht dieser Motor.

Niedertemperaturstirling mit Ringbom-MagnetsteuerungNiedertemperaturstirling mit Ringbom-Magnetsteuerung
Niedertemperaturstirling mit Ringbom-Magnetsteuerung links Original, rechts modifiziert

Ich habe diesen Motor nachgebaut. In den folgenden Bildern sind die Einzelteile und der fertige Motor festgehalten.

Einzelteile Stirling Ringbom mit MagnetsteuerungHandwärmestirling Ringbom-Magnetsteuerung Eigenbau

Für den Nachbau ist zu beachten:  die Länge des Pleuels von Auge zu Auge muss experimentell ermittelt werden und zwar so, dass im UT der Verdränger sicher angehoben wird. Als Anhaltspunkt möge das Maß meines Pleuels dienen, nämlich Abstand  Auge zu Auge ca. 40 mm, jeweils Mitte gemessen.
Der Hub 10 mm ist bei Neodym-Magneten 5x5x1,2 mm (N45) richtig , da der Verdränger wieder sicher abfällt. Auch hier muss experimentiert werden, je nachdem wie schwer der Verdränger und die Haltekraft der Magnete ist. Der Kolben muss sehr genau eingepasst werden. Wenn bei geschlossenem System der Kolben in den Zylinder eingebracht wird, muss er beim Niederdrücken wieder federnd hochspringen. Macht er das nicht, gibt es keine Chance den Motor mit Handwärme zum Laufen zu bringen!

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