Stirlingmotortypen
Gamma
Ringbom
Beta
Alpha

Stirlingmotor Typ Gamma (09.2005)

Vorbemerkung:
Die Wiederherstellung des Rebi-Heißluftmotors war der Anlass, sich weiter mit Heißluftmotoren zu beschäftigen und speziell zu Beginn mit einen Stirling-Motor.
Im Internet konnte ich mir zwar wunderbare Modelle von Heißluftmotoren/Stirlingmotoren anschauen, aber die Erbauer dieser Motoren teilen kaum etwas über ihre Entstehung und Tricks mit. Diese Geheimniskrämerei ging mir gewaltig auf den Senkel. Das traf  später besonders auf den thermoakustischen Motor zu.
Das war dann mit ein Grund, meine hierbei gemachten Erfahrungen und Rückschläge auch anderen mitzuteilen.
So wurde meine Homepage nach und nach immer umfangreicher und wie ich aus den bisherigen Reaktionen entnehme, kommt die Webseite gut an.

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Im Gegensatz zum Vakuummotor ist der Stirlingmotor ein geschlossenes System.
Das Grundprinzip des Stirlingmotors kann anhand des Murmelmotors sehr anschaulich nachvollzogen werden.
Um einen funktionierenden Stirlingmotor zu bekommen, habe ich mich entschlossen, es erst mal mit einem Bausatz zu probieren.
Nach vielen Recherchen im Internet bin ich auf einen Materialbausatz von René Schaffer (http://www.modellschaffer.ch) gestoßen, der sich wohltuend von den üblichen Konstruktionen abhebt. Der Materialsatz ist für Leute interessant, die eine Drehmaschine und vielleicht sogar noch eine Fräsmaschine (muss aber nicht) besitzen und zu faul sind, sich die "Brocken" für einen Heißluftmotor einzeln zu besorgen. Für mich war wichtig, dass die Verdrängerkolbenstange mit der Führungsbuchse im Kühler passgenau vorgefertigt war (ich hatte zu diesem Zeitpunkt noch keine Reibahlen). Ist dieses Teil nicht leichtgängig und trotzdem luftdicht, dann ist der Traum vom Stirling ausgeträumt.

Stirling-Motor Typ GammaStirling-Motor Typ GammaStiling-Motor Typ Gamma
Der Motor in seiner ursprünglichen Form und nach Optimierung mit neuem Brenner und Sockel

Zunächst war ich beim ersten Probelauf des Motors über die geringe Leistung des Stirling enttäuscht. Der Motor wollte einfach nicht richtig anlaufen. Erst nachdem ich die Gestänge exakt und reibungsfrei ausgerichtet, sowie den Verdrängerzylinder absolut dicht in den Kühler bzw. Regenerator eingepasst hatte, kam Schwung in die Angelegenheit.

Hier noch ein paar Tipps zum Bau des Motors:

1.) Wer den Arbeitszylinder nicht so ausdrehen kann, dass er dicht genug ist und auch keine passende Reibahle hat, der sollte sich ein Alurohr besorgen (aussen 14 mm innen 12 mm) und dies in  den Zylinder einkleben. Der Innendurchmesser des Alurohres ist so beschaffen, dass der Kolben noch nicht reinpasst. Durch Aufreiben (vor dem Einkleben in den Zylinder!) mit z.B. einem guten 8 mm-HSS-Drehstahl als Reibahlenersatz lässt sich ein brauchbares Ergebnis erzielen.

2.) Die Bohrungen auf der Hubscheibe bzw. die 3 mm - Achse und Achse zum Schwungrad müssen absolut parallel sein, sonst "schlackern" die Pleuelstangen die zur Hubscheibe führen. Ich habe hier kurzerhand die kleine Achse in die Hubscheibe nach sorgfältigem Ausrichten zur Schwungradachse eingeklebt, nachdem die Bohrung nicht so war wie sie sein sollte.

3.) Die Schubstange des Verdrängerkolbens muss absolut leichtgängig und trotzdem dicht in der Buchse laufen
(meiner Meinung nach das größte Problem). Ich habe wegen der Leichtgängigkeit weder die Schubstange noch den Arbeitskolben geschmiert. 
Weiterhin muss die Schubstangenverlängerung sehr zentrisch auf Schubstange drücken.
Kleine Winkelfehler führen dazu, dass die Schubstange klemmen kann. Die Art wie die Schubstange über den Kipphebelhalter geführt wird lässt eine optimale Führung sehr gut zu. Winkelfehler können schon dadurch entstehen, dass z.B. die Distanz-Stücke nicht beidseitig sauber parallel gedreht sind.
Geräusche die der Motor von sich gibt weisen darauf hin, dass zuviel Reibung oder im umgekehrten Fall zuviel Spiel vorhanden ist.

4.) Der folgende Test beim fertigen Motor zeigt, ob überhaupt eine Chance für die Lauffähigkeit besteht:
Arbeitskolben in obere Totlage bringen, dann Schwungrad leicht nach rechts drehen. Jetzt muss das Schwungrad mehr oder weniger stark zurückfedern. Ist dies nicht der Fall, dann ist das System undicht (vielleicht auch zu wenig Kolbenkompression) oder die Reibung ist zu hoch.

Da mir die Kompression des Arbeitzylinders zu gering war, habe ich den Kolben und Zylinder aus einer geschliffenen 5 ml-Glasspritze angefertigt und in den vorhandenen Aluzylinder eingepasst, bzw. dieses Teil neu gedreht.  Diese Glasspritze ist ideal, da der Kolbendurchmesser fast identisch ist. Außerdem ist die Kombination von geschliffenem Kolben und Zylinder sehr reibungsarm, braucht nicht geschmiert zu werden und bringt hervorragende Kompression. Der Motor lässt sich unmittelbar nach Wärmezufuhr andrehen und "rennt" los!!
So ist der Motor eine wahre Freude, vor allem in der Kombination wie unten beschrieben.
Wenn der Motor gut ausgeführt wird, d.h. , wenig Reibung , gute Kompression kann er nach kurzer Anlaufzeit eine Drehzahl von über 2000 U/Min erreichen (abhängig von Flammenhöhe und Luftbewegung). Ein weiteres Kriterium für eine gute Bauweise ist die Tatsache, dass der Verdrängerzylinder auch nach langer Laufzeit (mit einer Füllung "läuft" der Motor jetzt mehr als 120 min.) relativ kühl bleibt, d.h. die zugeführte Wärme wird sehr gut in Bewegungsenergie umgewandelt.
Ein Video des Motors von 0 auf über 2000 U/min in 2 Minuten nach Optimierung.
Die für diesen Motor ungewöhnlich hohe Drehzahl führe ich darauf zurück, dass ich die beweglichen Teile gewichtsmäßig abgesteckt, sowie Kugellager eingebaut habe und keine Schmierung durchführe. Ganz wichtig ist, dass die Führungbuchse für den Verdrängerkolben nicht geölt wird und der Verdrängerkolben so leicht wie möglich gebaut wird (dünne Aluhülse), damit auf die Führungsbuchse möglichst wenig Druck ausgeübt wird. Weiterhin habe ich den Verdrängerzylinder ohne "Asbeststreifen" luftdicht an den Halter geschraubt, d.h. der Halter heizt sich mit auf und funktioniert quasi mit als Regeneration.

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Nachtrag zum Stirlingmotor

Nach Recherchen im Internet über Stirlingmotoren ist es auch möglich, den Verdrängerkolben ohne Steuerung über einen um 90° versetzten Kurbeltrieb zu betreiben. Also habe ich  mal ganz einfach die Verbindung zum Verdrängerkolben weggelassen, Ringbom-Stirling und ich hätte es nicht geglaubt ..... der Motor läuft auch in diesem Modus!.
Der Verdrängerkolben steuert sich selbst über den Über- bzw. Unterdruck des Arbeitskolbens. Ich habe mir sagen lassen, dass dies nun ein Ringbom-Stirling wäre. Damit der Verdrängerkolben nicht an den Glaszylinder "knallt", habe ich provisorisch eine Gummibremse an der Schubstange angebracht, in die andere Richtung wird der Verdrängerkolben durch Anschlagen an die Pleuelstange des Arbeitskolbens gebremst. Im Video ist das deutlich zu hören. Die Drehzahl des Motor hat sich drastisch verringert und beträgt vielleicht nur noch ewa 300-800 U/Min, je nachdem, wie sich der Motor "verschluckt". Was auffällt, ist der rechteckförmige Verlauf des Verdrängerkolbens gegenüber dem sinusförmigen Verlauf des Arbeitskolbens und der etwas größere Hub des Verdrängerkolbens.
Als Ziel schwebte mir vor, den Motor mit einem Handgriff  vom Gamma- zum Ringbom-Typ umzustellen. 
Ich habe dazu die Verbindung zwischen Kipphebel und Schubstange aus Kohlefaser (Gewichtsgründe!) hergestellt und sonst Gamma-Typ und Ringbom-Typnoch Teile abgespeckt, bzw. weggelassen (siehe Bild). Die zwei Gleitlager auf der Hubachse habe ich durch Kugellager 3x6x2,5 ersetzt. In den Kipphebel habe ich ein Kugellager 3x6x2,5 eingepresst. Die Gummibremse an der Schubstange habe ich durch einen Alu-Ring mit Teflonscheibe ersetzt. Es ist nun ganz einfach möglich, den Motor sowohl als Gamma-Stirling als auch Ringbom-Stirling laufen zu lassen Das Video  zeigt dies sehr schön.. Die Verlängerung braucht nicht zusätzlich gesichert zu werden, solange der Kohlestift einigermaßen stramm in das in das Kugellager am Kipphebel reingeht.
Der Motor läuft im Ringbom-Modus in beiden Richtungen, allerdings rechts herum schlechter, da die Pleuelstange aufgrund der Bauart des Motors den Verdrängerkolben im falschen Moment abbremst.

Nach meinen Recherchen ist dies der erste Heißluftmotor der auf einfache Weise sowohl als Gamma-Stirling als auch als Ringbom-Stirling funktioniert. Ebenso scheint es der erste Ringbom-Stirling mit waagerecht angeordnetem Verdrängerzylinder zu sein!

Anmerkung zum Ringbom-Prinzip: der Ringbom-Stirling funktioniert nur, wenn die Verdrängerstange einen bestimmten Durchmesser hat und quasi als Kolben arbeitet. Nur so ist es möglich, daß durch den Arbeitskolben genügend Druck bzw. Unterdruck im Verdrängerzylinder erzeugt wird, um den Verdränger zu bewegen.
Beträgt der Durchmesser der Verdrängerstange bei obigem Motor z.B. nur 1 mm, dann ist kein Ringbom-Prinzip möglich.

Noch ein Ringbom-Stirling (12.2016)

Im Internet habe ich einen Ringbom-Stirling entdeckt, bei dem das Ringbom-Prinzip auf andere Art realisiert wurde. Hier gleitet nicht der Verdränger durch eine Führungsbuchse wie bei meinem obigen Ringbom, sondern der Verdränger ist mit einem Glasröhrchen verbunden, das luftdicht über einen Glasstab. Um die Gleitfähigkeit zu erhöhen ist der Glasstab mit Graphitpulver versehen, daher das Aussehen wie ein Graphitstab. Der Anschlag wird jeweils durch einen O-Ring begrenzt. Die für das Ringbom-Prinzip notwendige Volumenänderung ergibt sich durch Stellung des Verdrängers. Im UT befindet sich der "Graphitstab" im Verdränger, im OT außerhalb des Verdrängers.

Der Überströmkanal  wird durch Bohrungen im Verdrängerzylinder zum Kolben geführt. Das Gebilde sieht zwar aus wie eine Boxeranordnung mit zwei Kolben, in der Tat ist nur ein Arbeitszylinder wirksam, der andere ist reine Optik. Die beiden Zylinder sind einfach auf das Kurbelgehäuse geklebt. Ein Blick in das Innere des Kurbelgehäuses zeigt die einfache Kurbelwelle. Obwohl die Kurbelwelle keinen professionellen Eindruck macht, ist der Motor insgesamt  sauber verarbeitet, vor allem die Klebung Verdrängerzylinder mit dem Glasröhrchen ist sehr gut gelungen. Das wird einem spätestens dann klar, wenn man den Motor komplett zerlegt hat  und die Glasröhrchen erneuern muss. Dann fragt man sich, wie bekomme ich das genau so gut hin. Der Arbeitszylinder und der Kolben sind von einer Glaspritze, daher auch die hervoragende Kompression und Leichtgängigkeit. Das Kurbelgehäuse und die beiden Zylinder sind aus Messing, mit einem Schutzüberzug versehen.
Von den beiden Leitungsröhrchen dient tatsächlich eines als Lufttransport zum Arbeitszylinder, obwohl der scharfe Knick im Röhrchen dies nicht vermuten lässt. Ein echter Zweizylinder in dieser Größe wäre natürlich ein Knüller, aber die Art wie die Ringbom-Steuerung realisiert wurde ist schon Anreiz genug, den Motor zu kaufen (ca. 70 Euro bei Banggood.com) oder selbst zu bauen.
Der Motor wird mit einem Propeller ausgeliefert, was Geschmacksache ist, aber durch die dabei entstehenden Luftbewegungen wird die Flamme gestört. Mit einem Schwungrad läuft der Motor sehr schön bis zu Drehzahlen von 1500 U/min. Durch entsprechende Hitzezufuhr (Flammenhöhe) sind höhere Drehzahlen zwar möglich, aber ab 2000 U/min. kommt der Ringbom-Verdränger "ins Stottern", d.h. immer wieder kurzes stehen bleiben des Verdrängers. Das Ringbom-Prinzip lässt auch in dieser originellen Ausführung nur bestimmte maximale Drehzahlen zu.
Das Motörchen kann mit kleiner Flamme sehr lange betrieben werden und wird dabei nur Handwarm (Video).


Der Motor nach meinem Geschmack umgebaut

Ich habe diesen Motor nachgebaut, wobei Verdrängerkolben und Arbeitskolben hintereinander angeordnet sind, so ist nur ein einfacher Kühlkörper notwendig.

Einzelteile Ringbom SpezialKolben/Zylinder aus 5ml GlasspritzeKühlkörper Ringbom Spezial
Alternativ kann der Kolben/Zylinder
aus einer 5ml Glassspritze hergestellt werden

Technische Daten:
Arbeitskolben 11,5 Ø x 17 mm Silberstahl in Rotguss-Zylinder 11,5 Ø x 28 mm
Verdrängerkolben 12,5 Ø x 30 mm Alu mit Eisenstab 5 mm in Führungsbuche Sinterbronze
Verdrängerzylinder: Reagenzglas Duran 15,5 x 47 mm (innen 13,5mm)
Kühler: 40 x 40 mm mit Halter für Schwungrad mit 2 Kugellagern
Hub Verdränger 10 mm
Hub Arbeitskolben 8 - 10 mm (eher 8 mm)

Da dieser Ringbom nicht in so hohen Drehzahlen laufen soll, ist es sinnvoll, den Ringspalt nicht zu groß zu wählen, wenn möglich nicht mehr als 0,5 mm. Je kleiner der Ringspalt, desto kleiner die Drehzahl, aber dafür mehr Drehmoment. Bei diesem kleinen Ringspalt ist unbedingt darauf zu achten, dass der Verdrängerkolben ohne Exzentrizität rund läuft. Prüfen bevor der Verdrängerkolben endgültig mit der Führungsbuchse verklebt wird!
Auf jeden Fall sollte der Verdrängerzylinder mit O-Ring befestigt werden, um jederzeit Zugang zum Verdrängerkolben zu haben, er könnte ja mal klemmen. Beim obigen China-Ringbom wäre das mit Glasreparatur verbunden.
Vor dem endgültigen Finish habe ich schon mal den Motor mit provisorischem Schwungrad und Grundplatte zusammengebaut, um einen Testlauf vorzunehmen.

Ringbom China Eigenbau

Der Verdrängerkolben gleitet super luftdicht auf dem Stahlstab, durch das eingeschlossene Luftpolster verhält er sich wie eine Luftfederung.
Eine Überraschung brachte der Testlauf.
Der Motor sollte wegen des engen Ringspaltes und des luftgefederten Verdrängerkolbens nicht hoch drehen. Da ich aber weder den Arbeitkolben noch die Verdrängerkolbenstange geschmiert, sondern nur leicht mit Graphit gepudert habe, waren die Reibungskräfte erheblich reduziert. So war die Drehzahl  zu meinem Erstaunen viel höher als angenommen und ich hätte es nicht für möglich gehalten, dass das Ringbom-Prinzip mit so hohen Drehzahlen funktioniert. Wird aber der Arbeitskolben und die Führungsstange des Verdrängerkolbens wie üblich geschmiert, dann sind kaum Drehzahlen über 1000 U/min. möglich. Enttäuscht bin ich über die Leistung dieses Ringbom-Stirling. Eine Leistungssteigerung durch die diskontinuierliche Verdrängersteuerung wie sie der Theorie nach möglich sein sollte (die Luft wird effektiver vom warmen in den kalten Bereich befördert), konnte ich nicht feststellen.
Wenn der Arbeitskolben trocken läuft, gibt es nach einiger Zeit immer wieder Abrieb, der die Reibung erhöht. Kolben mus dann ausgebaut und gereinigt werden. Es ist daher empfehlenswert den Kolben in Graphit anzufertigen. 

China Ringbom Eigenbau
Das fertige Endprodukt

Zum Schluss noch die Überraschung: der Ringbom-Stirling lässt sich auch als Free-Piston-Stirling betreiben, d.h. ein Schwungrad ist nicht notwendig. Dazu muss der Kolben in eine bestimmte Entfernung zum OT gebracht werden und dann angeschubst werden. Die Schwingfrequenz ist dabei je nach Flammenhöhe ziemlich konstant.. Der Hub des Kolbens ist augenscheinlich weniger als 10 mm, so dass ein kleinerer Hub als 10 mm sinnvoll erscheint. Ein Vergleich mit meinem Gamma/Ringbom-Stirling zeigt, das der Gamma/Ringbom im Ringbom-Modus besser anläuft, und auch wenn er abgebremst wird nimmt er sofort wieder Drehzahl an. Die Kraftentfaltung scheint auch besser zu sein. Könnte damit zusammenhängen, dass der Gamma/Ringbom eine Glasspritze als Kolben-Zylinderkombination hat (geringere Reibung), oder die China-Ringbom-Anordnung ist doch nicht so optimal. Beide Motoren, sowohl der China-Ringbom als auch mein Nachbau brauchen eine relativ hohe Mindestdrehzahl, bevor sie eigenständig weiter drehen!
Habe mal versuchweise den Hub auf 6 mm reduziert und jetzt verhält sich der Motor wie ein gestörter Regelkreis, d. h. die Drehzahl nimmt bis zu einer max. Größe zu und dann gibt es keine Rückkopplung mehr zum Verdränger, denn dieser macht nur noch unkontrollierte Bewegungen. Fällt die Drehzahl unter ein Minimum, dann setzt die Regelung wieder ein und der Motor gibt "Gas"  (Video). Für diesen Effekt muss der Motor wegen der Vibrationen fixiert werden und die max. Drehzahl muss mehr als ca. 1600-1800 U/min. sein.
Das Verhalten des Motors bei diesem reduzierten Hub erinnert mich an eine Art "Hit and Miss Engine".
Damit der Motor jederzeit die hohe Drehzahl erreicht, ist darauf zu achten, dass Reibungsverluste  bei Kolben, Verdränger oder Kugellager minimiert werden. Die Kugellager sind bei diesen hohen Drehzahlen kritisch.
wichtiger Nachtrag:
Das ungewöhnliche Effekt dieses Ringbom-Stirling ist leider nicht bei jedem Nachbau reproduzierbar. Ich habe mal die Glasspritzen-Kombination, wie oben gezeigt, ausprobiert, und jetzt verhält sich der Motor ganz anders. Die Drehzahl bleibt in etwa konstant bei ca. 800-1000 U/Min, eine Erhöhung ist auch bei größerer Hitze nur minimal.
Vermutlich ist der größere Durchmesser des Glaskolbens 12,5 mm gegenüber dem Silberstahlkolben von 11,5 mm dafür die Ursache.
Das Hit and Miss-Verhalten führe ich darauf zurück, dass der Verdrängerkolben nicht zwangsgeführt ist. Dadurch ist ist es möglich, dass bei hohen Drehzahlen der Transport von heiser und abgekühlter Luft gestört wird. Es könnte auch sein, dass der Verdrängerkolben die hohen "Drehzahlen" nicht mehr mitmacht. Dagegen spricht die Tatsache, dass bei Nichtunterdrückung der Vibrationen, der Motor noch höhere Drehzahlen erreicht, ohne dass der "Hit and Miss-Effekt" auftritt.
Habe den Motor wieder auf den alten Kolben mit 11,5 mm Durchmesser zurückgebaut und jetzt verhält er sich wie gehabt.
Mit zunehmender Erwärmung des Motors, ist der  "Hit and Miss-Effekt" nicht mehr so ausgeprägt.
 
 

Stirlingmotor Typ Beta (01.2012)

Es gibt noch einen Stirlingmotor der in meiner Sammlung fehlt, und das ist der Beta-Stirling.
Und da noch ein Graphitkolben und Schwungrad so rumlagen, habe ich mir gesagt, wie seinerzeit Herr Röhrich im Werner-Film "Tut das Not, dass das hier so rumoxydiert". Also ran an die Arbeit.
Bei meinem Beta-Stirling sind Verdränger und Kolben hintereinander angeordnet, ähnlich wie beim Manson-Motor, nur nicht starr, sondern durch den Kolben führt luftdicht gleitend die Stange zum Verdrängerkolben. Das muss aber so nicht sein, entscheidend für den Beta-Typ ist die Tatsache, dass sich Arbeitskolben und  Verdränger im gleichen Zylinder  befinden. Hier sind nicht wie beim Gamma-Stirling der Arbeitsraum und Verdrängerraum mit einem Überstömkanal verbunden.
Der Clou bei diesem Motor ist folgender: Die Luft wird ohne Umwege direkt vom Heizbereich in den Kühlbereich und zurück geschaufelt und soll somit besser als der Gamma-Typ hinsichtlich Leistung und Wirkungsgrad sein, und das will ich mit dem Bau auch mal überprüfen.
Mit der Durchführung der Verdrängerkolbenstange durch den Arbeitskolben, da fangen auch schon die Schwierigkeiten an, nämlich luftdicht und reibungsarm soll die Anordnung sein.
Als Kolben nehme ich wieder das bewährte Graphit (Ø 19 mm). Im Kolben werde ich die Durchführung zum Verdrängerkolben aus einer 1 ml Glasspritze anfertigen. Damit ist Reibungsarmut und Dichtigkeit bestens gewährleistet. Das Einkleben des Glaszylinders in das Graphit macht insofern keine Schwierigkeiten, da die Ausdehnungskoeffizienten von Graphit und Borosilikat ähnlich sind ( 2 Graphit  und ca 3 Borosilikat).
Mit was wird nun der Glaszylinder der 1ml-Spritze in das Graphit geklebt? Ganz einfach mit Cyanacrylat. Dieser Kleber fließt kapillar sauber in die Zwischenräume und verklebt das Glas luftdicht, nur ist darauf peinlich zu achten, dass von dem Schnellkleber nichts in das Röhrchen gelangt.
Der Verdrängerkolben wird mit einem in den hohlen Teil des Glaskolbens geklebten Kohlefaserstab fixiert und auf der anderen Seite des Kohlefaserstabes wird das Pleuelgelenk angebracht.
Der Graphitkolben läuft in einem Messingrohr, dieses wird in einen Zylinder aus Aluminium eingeschrumpft.
Da das Graphit beim Abdrehen eine Riesensauerei macht, stelle ich die kleinste Drehzahl ein, bzw. drehe das Futter von Hand mit automatischen Vorschub. Bei diesem Verfahren rieselt das Graphit schön langsam herunter und ich kann es mit einem kleinen Behälter auffangen.
Beim Einschrumpfen des Messingzylinders in den Aluzylinder gehe ich folgendermaßen vor: der Aluzylinder wird ca. 10µm auf Untermaß ausgedreht und dann so heiß gemacht, dass der Messingzylinder "reinfällt". Wenn dann später das Ganze heiß wird, bleibt der Messingzylinder trotz kleinerem Ausehnungskoeffizeinten fest eingeklemmt, denn mehr als 100° C wird das Gesamtgebilde ohnehin nicht warm.
Als Verdränger nehme ich eine Zigarrenhülse mit 20 mm Durchmesser und als Heizzylinder ein Reagenzglas mit 21.5 mm Innendurchmesser (außen 24 mm).

Teile Beta-StirlingBeta-Stirling Graphitkolben mit Durchführungskolben

Links: Rohteile/ Mitte: Alu/Messing-Zylinder mit Graphitkolben und eingeklebtem Glaszylinder und  Glaskolben der 1ml-Spritze./ Rechts: die fertigen Einzelteile.

Beta-Stirling als Ringbom-TypBeta-Stirling
 Der fertige Motor als Beta-Ringbom-Stirling  und als konventioneller Beta-Stirling

In einem ersten Test zeigte es sich, dass die Durchführung und der Arbeitskolben so reibungsarm und luftdicht arbeiten, dass der Beta-Stirling auch als Beta-Ringbom-Stirling betrieben werden kann (siehe Video). 
In bin mir nur nicht sicher, ob ich den Motor tatsächlich so betreiben soll, denn trotz Gummidämpfer sind die Anschlaggeräusche des Verdrängerkolbens sehr laut und dann habe ich Bedenken, dass bei höheren Drehzahlen der Verdrängerkolben in Mitleidenschaft gezogen werden könnte. Das Ringbom-Prinzip ist insofern bestechend, weil der Verdränger, wie gewünscht, diskontinuierlich arbeitet.
Wenn ich dies nun mit starrer Kopplung von Arbeitskolben und Verdrängerkolben haben möchte, dann habe ich einen gewaltigen mechanischen Aufwand.
Andere Ansteuerungen wie z.B. ein rhombisches Getriebe haben auch zuviel Mechanik und das ist nicht meine Ambition, das mag zwar hübsch aussehen, aber die daraus resultierenden Vorteile werden durch Verluste hinsichtlich Leistung und Wirkungsgrad wieder geschmälert.
Das rhombische Getriebe hätte meiner Meinung nur den großen Vorteil, dass der Arbeitkolben und Verdrängerkolben zentrisch geführt werden könnten. Ein Ausgleich der schwingenden Massen, wie er beim Rhombengetriebe möglich ist, ist bei meiner Leichbauweise nicht erforderlich. Die zentrische Ansteuerung wäre auch mit einer schönen Kurbelwelle möglich, aber da ist der Aufwand auch schon wieder größer.
Meine Devise lautet, so einfach wie möglich, und so habe ich mich entschlossen, den Verdränger ganz primitiv starr anzukoppeln.
Bewogen dazu haben mich obendrein die harten Geräusche der Ringbom-Steuerung und wie ich befürchtet habe, das Losrütteln des Verdrängers nach längerer Laufzeit (auch durch die Hitze bedingt). Die Verklebung hält dem nicht stand und auch die Verdrängerstange "fluscht" nach längerer Laufzeit auch nicht mehr so richtig. Die horizontale Anordnung des Verdrängerkolbens ist beim Ringbom-Prinzip nicht optimal, weil durch das Gewicht des Verdrängers große punktuelle Kräfte jeweils an den Endpunkten der Führung auftreten, wie die nachfolgende Skizze zeigt:

Diese Kräfte spielen bei zwangsgeführtem Verdränger keine so große Rolle. Deshalb wird die Ringbom-Steuerung fast immer vertikal ausgeführt!

Ich habe also den Motor in einfacher Kinematik aufgebaut und er läuft ausgesprochen gut.
Das Video zeigt die extremen Drehzahlunterschiede in denen der Motor betrieben werden kann, abhängig von der Temperatur.
Nach 3 Min. Betrieb wird locker die 1200 U/Min erreicht und läßt sich bis auf  2000 U/Min (gemessen) steigern! Das ist nur deshalb möglich,  weil u.a. die beweglichen Teile (Verdränger, Gestänge) sehr leicht sind und die Bauausführung wohl optimal ausgelegt ist.
So schön auch der Beta-Ringbom-Stirling wegen der diskontinuierlichen Verdrängersteuerung gewesen wäre, aber größere  Drehzahlen und damit die größere Leistung ist mit dem Ringbom-Prinzip nicht möglich, dazu ist die Trägheit und Reibung des Verdrängerkolbens einfach zu groß.
Was die Leistung betrifft, scheint der Beta-Stirling tatsächlich besser zu sein als der Gamma-Stirling, obwohl der Vergleich mit meinem Gamma-Stirling nicht gerade fair ist, da der Beta-Stirling einen größeren Hubraum hat.
Der Beta-Stirling stellt für den Modellbauer eine größere Herausforderung dar, da eine luftdichte und reibungsarme Verdrängerstange durch den Arbeitskolben nicht so einfach zu fertigen ist, da kam mir die 1ml-Glasspritze gerade recht und auch die Antriebsgestänge habe ich bewußt einfach gehalten, von den Kugellagern mal abgesehen. Des weiteren müssen die Bohrungen durch die Pleuel absolut parallel fluchten und auch die horizontale Ausrichtung der Gestänge muss stimmen, sonst fängt das Gestänge sofort an zu klemmen und die Drehzahlen werden nicht erreicht!!
Es empfiehlt sich die Pleuel so lang wie möglich zu machen, so dass die Gelenkpunkte nahe am Arbeitskolben bzw. der Verdrängerstange liegen. Das vermindert die Querkräfte auf Verdrängerstange und Arbeitskolben. Werde ich bei meinem Arbeitskolben wohl noch machen. 
Das schöne auch an diesem Motor ist die absolute Wartungsfreiheit, ja es ist sogar tödlich, wenn auch nur ein Hauch von Öl auf den Kolben oder die Durchführung gelangt, falls man auf die Idee kommen sollte, vielleicht doch die Pleuelscharniere leicht zu ölen, das bremst den Motor sofort aus!

Hier nochmal kurz die technischen Daten des Motors für eventuelle Nachbauer:

Verdrängerzylinder: Reagenzglas Borosilikat  24 mm Ø aussen, 21,5 mm innen, 60 mm lang.
Verdrängerkolben:  Zigarrenhülse Alu 20 mm Ø, 40 mm lang.
Zylinder:                 Alu  38 mm Ø, 58 mm lang mit eingeschrumpfem Messingrohr 21 mm Ø aussen,
                              19 mm innen, 40 mm lang. Einstich für Glaszylinder ca 15 mm.
Kolben:                  Graphit 19 mm Durchmesser, 20 mm lang. Kolben ist im UT ca. 3 mm im Zylinder
Hub Kolben:           10 mm.
Hub Verdränger:     15 mm.
Pleuellänge:            min. jeweils 50 mm
Kugellager:              4 Stück, 2x Schwungrad, jeweils 1x im Pleuel.
Schwungrad:            Messing 70 mm Ø, 8 mm breit, 4mm Achse

Die Kugellager auf der Hubscheibe wurden jeweils mit passenden Distanzstücken bzw. mit Loctite fixiert.
Das ist notwendig, damit die Pleuel im Betrieb parallel ausgerichtet bleiben. Nur so ist die hohe Drehzahl möglich.

Nachtrag zum Beta-Ringbom-Stirling:
Es gibt vielleicht doch eine Möglichkeit den Motor als Ringbom-Beta-Stirling ohne die harten Anschlaggeräusche zu betreiben, indem der Verdrängerkolben bzw. das Ende der Kolbenstange über ein kleines Gelenk mit Federstahl geführt wird. Die Federkraft könnte dann progressiv so gestaltet werden, dass sich automatisch eine Anschlagbegrenzung ergibt.
 
 

Stirlingmotor Typ Alpha (02.2014)

Einen Motor muss ich noch in meiner Sammlung von Stirlingmotoren erwähnen und bauen, obwohl ich mittlerweile das Kapitel Heißluftmotoren abschließen wollte. Aber im Internet geistern Motor-Exemplare von Modellbauern und sogar von Anbietern herum, die einen Stirling-Motor vom Typ Alpha zeigen und verkaufen, obwohl sie eindeutig einem Stirlingmotor vom Typ Gamma wegen ihres Verdrängers zuzuordnen sind. 
Die Verwechslung rührt vermutlich daher, dass es Alpha-Typen gibt, die eine ähnliche Anordnung der beiden Zylinder haben wie der Gamma-Stirling.
Es gibt tatsächlich Alpha-Typen die einen Dom ähnlich dem Verdrängerzylinder und scheinbar einen Verdränger haben, aber das ist gedacht, um das aufzuzheizende Volumen zu verkleinern und den Kolben weiter entfernt von der Flamme zu haben.
Was ist der Unterschied zwischen den beiden Typen? 
Nun, der Alpha-Typ hat keinen Verdrängerzylinder, sondern 2 Zylinder mit Kolben wie ein Verbrennungsmotor. Hierbei fungiert der eine Zylinder als Expansionszylinder für das heiße Luft (oder Gas) und der andere Zylinder als Kompressionszylinder für die kalte Luft (oder Gas). Nähere Infos zu diesem Motor gibt es reichlich im Internet.

Prinzipskizze Alpha-StirlingGlasspritze 10ml

Für den Modellbauer bedeutet dies, dass er nicht nur einen Arbeitszylinder mit dichtem Kolben bauen muss, sondern zwei.
Das führt zwangsläufig zu mehr Reibung im Gesamtsystem, wenn die Kombination Zylinder/Kolben metallisch ausgeführt wird. So ein Motor muss dann mit größerer Temperatur betrieben werden, wenn er als Modellmotor funktionieren soll. Einen Schweißbrenner anwerfen will ich aber nicht.
Daher kommt jetzt wieder einmal die bewährte Glasspritze 10 ml zum Einsatz, da diese Glasspritzen hervorragend dicht und reibungsarm sind.
Wer nicht in der Lage ist diese Glasspritzen aufzutreiben, kann auch mit Graphitkolben im Kupferrohr (für Wasserleitungen) als Zylinder ein gutes Ergebnis erzielen.

Teile von Alpha-StirlingAlpha-Stirling
Das soll ein Motor werden? Ja, und halbwegs funktionsfähig. Der ist schon besser mit 5ml-Spritzen. Und der geht nach Optimierung gut

Ich habe diesen Motor zunächst ganz primitiv in Holz für die Zylinderhalter und die Pleuelstangen gemacht. Die Pleuel haben keine Kugellager und sind an die Kolbenböden  der Glasspritze mit Silikon fixiert. Das wird wohl ausreichen, um genügend Beweglichkeit zu erhalten. Die Schwungradhalter sind auch aus Holz hergestellt mit je einem Kugellager. Das Schwungrad ist ein Messingreif mit Holzfüllung mit eingeklebter Achse. Die beiden Spritzen werden mit einem Silikonschlauch verbunden. Bei den industriellen Maschinen erfolgt diese Verbindung der beiden Zylinder über einen Regenerator, ist hier aber am Demonstrationssobjekt nicht nötig.
Die parallele Ausrichtung der Zylinder hat den Vorteil, dass die Phasenverschiebung von normalerweise 90° einfach geändert werden kann. Angeblich wäre die 90° Phasenverschiebung speziell beim Alpha-Stirling nicht optimal, sondern mehr in Richtung 150° ( siehe hierzu auch die Seite www.stirling-und-mehr.de)
Der Luer-Anschluss aus Metall an der Spritze muss bei der beheizten Seite entfernt werden, sonst platzt die Glasspritze unweigerlich. Das Glas der Spritze hält zwar 250° C aus, aber wenn der Luer-Anschluß zu heiß wird, dehnt sich das Metall zu sehr aus... -> peng!
Ich habe auf der Heizseite der Spritze den Luer-Anschluß mit Diamanttrennscheibe entfernt und eine Hülse aus Alu angefertigt und diese mit Silikon in die Spritze geklebt. Das hat nur kurz funktioniert und dann waren Risse in der Spritze. Ich habe die Hülse kürzer gemacht und nun mit Teflonband über die Spritze gestülpt. Wenn sich jetzt die Hülse erwärmt kann sie sich ausdehnen, ohne das Glas zu beschädigen.
Die 10 ml-Spritzen sind nicht optimal, wenn der Motor mit niedriger Temperatur laufen soll. Hier taucht das gleiche Problem wie beim Manson-Motor auf. Wenn das zu verdrängende Volumen zu groß ist, heißt Kolbendurchmesser und Hub ist zu groß, dann wird nur mit mehr Temperatur (große Flamme) genügend Druck aufgebaut. Ich habe den Hub auf 10 mm reduziert, doch das reicht nicht für ein zufriedenstellendes Verhalten aus. Den Hub kleiner machen ist auch nicht der wahre Jakob, da der Hebelarm für den Antrieb kleiner wird und damit mehr Kraft aufgebracht werden muss. 
Auch hier wieder die einfache Milch-Mädchen-Rechnung:
 Durchmesser Kolben 10 ml-Spritze=16 mm, Hub 10 mm ergibt Volumen ca. 2 cm³.  Um diesen Betrag müssen wird die Luft im Expansionzylinderraum ausdehnen lassen, wenn sich der Kolben um Hublänge bewegen soll. Annahme Volumen im Zylinder bei 20° C ca. 6 cm³ . Bei Erhöhung der Temperatur um 100° C  ergibt sich ca. 1/3 Volumerhöhung  auf rund 8 cm³, d.h. der Kolben wird gerade so um die 2 cm verschoben und das ist zu wenig für gutes Arbeiten. Wir müssen also ein paar Briketts mehr auflegen, wenn der Motor in dieser Konstellation gut laufen soll.
Der Motor läuft mit den 10 ml-Spritzen nicht besonders gut. Ein Grund für den schlechten Lauf  ist auch darin zu sehen, dass auf der Heizseite die Teflonabdichtung so heiß wird, dass sich Dämpfe bilden, die sich auf dem Kompressionszylinder niederschlagen und die Reibung des Kolbens erhöhen. Beide Glaskolben müssen sowohl Längsbewegung als auch Rotation problemlos können. Bei großer Hitze im Expansionskolben kann es sein, dass der Kolben leicht klemmt. In diesem Fall muss der Kolben solange mit 600er Naßschleifpapier nachgearbeitet werden, bis er einwandfrei funktioniert.
Am besten ist es Glasspritzen zu nehmen, die gar kein Metallteil haben, zumindest auf der Heizseite.
Im Video ist der lustlose Lauf nach langer Heizzeit (Flamme ist nicht groß) zu sehen. Bei 90° Phasenverschiebung will er nicht richtig anlaufen, erst bei ca. 120° kommt "Leben in die Bude". Das stimmt mit obiger Bemerkung überein, wonach der Alpha-Stirling erst mit einer Phasenverschiebung von mehr als 90° vernünftig läuft und Leistung bringt und passt auch zu der Feststellung, dass die im Internet gezeigten Modelle  mit 90° Anordnung der beiden Zylinder nur mit sehr viel Hitze ihre Arbeit verrichten. Wenn die Phasenverschiebung 90° beträgt braucht der Motor länger und mehr Hitze bevor er anläuft.
Ich habe den Alpha-Stirling auch mit 5 ml-Spritzen getestet und in der Tat läuft der Motor besser , aber die Reibung meiner primitiven Ausführung ist wohl doch zu groß, um größere Drehzahlen als rund 800 U/min. zu erreichen.
Ich habe deshalb leichte Verbessererungen am Motor vorgenommen: -> die Pleuelstifte, Pleuel und Hubscheibe sind jetzt aus Metall und die Bohrungen in die Hubscheibe sauber parallel zur Achse gebohrt, damit sind nun Drehzahlen über 1000 U/min möglich (Video).

Für den Nachbauer ist die folgende Skizze vielleicht hilfreich:

Auf der Heizseite ist bei OT der Kolben ca. 1,5 - 2 cm vom Anschlag entfernt und auf der Kühlseite geht der Kolben bei OT fast bis zum Anschlag.

Wenn der Motor nicht so laufen will wie gewünscht, unbedingt die Spritzen kontrollieren. Sie sind sehr empfindlich gegenüber geringsten Verunreinigungen, da sie auf  2µm genau eingeschliffen sind.
Was mir an dem Alpha-Stirling nicht so gut gefällt, ist die Tatsache, dass die Heizquelle in der Nähe des Expansionskolben sein muss und scheint auch mehr Hitze zu verlangen, aber mit einem Dom wie ich es unten beschrieben bei einem Opitec-Stirling realisiert habe, ist die Angelegenheit nicht mehr ganz so kritisch.
Auch der Alpha-Stirling ist für mich der Beweis, dass Stirlingmotoren mit ihren Leistungen einen nicht vom Sockel hauen, gilt besonders für Modellmotoren.
Ein Vorteil hat der Alpha-Stirling in dieser Bauweise, er läßt sich auch von Bastlern ohne Dreh /- und Fräsmaschine herstellen und man kann sehr einfach die Phasenverschiebung einstellen und das unterschiedliche Verhalten des Motors beobachten. Wenn z.B. die Phasenverschiebung 90° ist dann ändert sich bei einer Kurbelumdrehung sowohl der Druck als auch das Volumen, bei 180° Phasenverschiebung ändert sich hierbei nichts, außer dass bei Wärmezufuhr der Druck im System steigt und sonst tut sich nichts.
Je größer die Phasenverschiebung über 90° ist, desto "weicher" läuft der Motor, ab 150° ist dann aber auch hier "der Ofen aus".

Optisch macht der Alpha-Glasspritzen-Stirling sehr wenig her, sieht eben nicht nach einer Maschine aus.

Daher habe ich einen Opitec-Gamma-Stirling-Bausatz zu einem Alpha-Stirling umgebaut:

Alpha-Stirling OpitecAlpha-Stirling-Opitec
und dieser Umbau geht ab "wies Zäpfle" und sieht auch noch gut aus.
Die Ähnlichkeit zum Opitec-Gamma-Stirling läßt sich nicht verleugnen. Es ist schon verblüffend, wie man aus einem Gamma-Stirling einen Alpha-Stirling "zaubern" kann. Man muss nur die Stahlstange zum Verdränger als Kolben ausführen. Ich habe dazu eine 5 ml-Glasspritze genommen und über ein Alu-Zwischenstück den Verdränger mit O-Ringen mit dem Glaskolben verbunden. Kleben kommt wegen der Hitze nicht in Frage. Man könnte auch einen zweiten Arbeitszylinder von Opitec nehmen, wenn dieser entsprechend runtergedreht und angepasst wird. Der Verdränger muss dann auf andere Art mit dem Kolben verbunden werden.
Bei großer Hitze entsteht im Verdränger ein Druck, deshalb habe ich durch entsprechende Bohrungen für einen Druckausgleich gesorgt.
Die Schwungradachse ist in zwei Kugellager geführt.
Der Opitec-Kolben aus Alu im Feinzylinder aus Messing ist fast so gut wie eine Glasspritze, aber nur, wenn der Kolben nicht geschmiert wird.
Dass in meinem Umbau ein Verdränger zu sehen ist hat allein den Zweck, das aufzuheizende Volumen zu verkleinern. Obendrein wird der Kolben nicht direkt der Hitze ausgesetzt.
Der Motor funktioniert  ( Video )  nach kleineren Korrekturen (Reibung) dermaßen gut (1500-2000 U/min) , dass ich ihm eine schönere Grundplatte spendiert habe (Jatoba-Platte von Bengs-Modellbau). Auch bei diesem Motor, - wie bei meinen Gamma-Stirling - habe ich festgestellt, dass die Heizseite nach längerer Betriebszeit ohne Last nicht einmal so sehr heiss wird.
Ich schließe daraus, dass die eingesetze Energie gut in Bewegung umgesetzt wird, heißt der Motor ist reibungsarm ausgelegt und für das Pleuel sind nicht einmal Kugellager notwendig. Die zuletzt gemessene Drehzahl war 2200 U/min. , ein wahnsinnig guter Wert.
Wenn ich nun gefragt werde, welcher der 3 Modell-Stirlingmotor-Typen am Besten und Kräftigsten funktioniert, dann komme ich ins Grübeln, nachdem ich festgestellt habe -entgegen meinen anfänglichen Bedenken-, dass der Alpha-Stirling auch ganz gut Drehzahlen bringt, wenn er sauber gebaut wird.
Grundsätzlich verhalten sich alle drei Motoren ähnlich, falls sie reibungsarm gebaut und mit gleicher Temperatur betrieben werden. Das mag bei Leistungsstirlingmotoren vielleicht etwas anders aussehen, im Modellbereich gibt es bei gleichen Abmessungen (Kolben, Verdränger, Kolbenverhältnis, Totvolumen) fast keine Unterschiede.
Ich wollte es dennoch auch praktisch testen, ob tatsächlich der Alpha-Stirling dem Gamma-Stirling überlegen ist, wie es theoretisch möglich ist, da der Alpha-Stirling gleichzeitig zwei wirksame Arbeitskolben hat.
Ich habe daher den Opitec-Gamma-Stirling gebaut und zwar leicht modifiziert, damit der Vergleich einigermaßen reell ist. Statt der Stahlwolle als Verdränger habe ich genau wie beim Alpha-Stirling einen Glaszylinder als Verdränger genommen. Ganz reell ist der Vergleich insofern nicht, da die Kompression des Alpha-Stirling durch die 130° Phasenverschiebung geringer ist, als die des Gamma-Stirlings mit 90° Phasenverschiebung. Hinzu kommt noch, dass das Kolbenverhältnis ( Hubvolumen Verdränger geteilt durch Hubvolumen Arbeitskolben) beider Motoren leicht unterschiedlich ist.
Opitec Gamma-StirlingOpitec Gamma versus Opitec Alpha
Opitec Gamma-Stirling modifiziert    Opitec Gamma versus Opitec Alpha 

Der Test brachte folgendes zu Tage (beide Stirling wurden mit dem gleichen Brenner betrieben):

1. Opitec Gamma: Im Ruhezustand 1 Minute Brenner an, dann Brenner entfernt, Motor anwerfen, er läuft ca. 1 Minute 20 Sekunden lang weiter.
2. Optitec Alpha:   Im Ruhezustand 1 Minute Brenner an, dann Brenner entfernt, Motor anwerfen, er läuft auch ca. 1 Minute 20 Sekunden lang weiter.
Drehahl bei beiden Motoren ca. 1500-2000 U/Min.
Bremsversuch mit Magnetbremse, ist hier beim Schwungrad gut machbar, da beide aus Messing (Wirbelstrombreme).
Die Messung ergibt, dass beide Motoren bei gleichem Magnetabstand fast die gleiche Drehzahl beibehalten, d.h. die Leistung  der beiden Motoren ist ähnlich. Der Vergleich hinkt natürlich insofern, da beide Motoren vom Aufbau nie exakt gleich sein können.
Hier im Video laufen beide Motoren zusammen, wobei die Drehzahlen fast gleich sind.
Der Vergleich deckt sich mit der praktischen Erfahrung von kommerziellen Stirlingmotoren, wonach der theoretische Vorteil des Alpha-Stirling durch die größeren Reibungskräfte teilweise wieder aufgezehrt wird.
Was grundsätzlich beachtet werden muss, ist die Frage der technischen Auslegung, nämlich wie optimal das Verhältnis von aufzuheizendem und abzukühlendem Gas ist und wieviel Totraum zu überwinden ist.
 

Zum Schluß muss ich feststellen: Der Heißluftmotor der die größte Freude bereitet, ist der Flammenfresser. 
Hängt vielleicht auch damit zusammen, dass er bei richtiger Bauweise ein schönes Lanzgeräusch entwickelt.
Leider ist er nicht so einfach herzustellen wie ein Stirlingmotor, schon gar nicht ohne Dreh /- und Fräsmaschine.

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