Stirlingmotor im Eigenbau II
Bei dem nach dem Vorschlag von K.Hirata aufgebauten Stirlingmotor muss die Steuerung des Verdrängerkolbens durch die Arbeitsmembran durchgeführt werden. Diese Durchführung kann Undichtigkeiten verursachen und ist ein Schwachpunkt dieser Konstruktion. Man kann diesen Schwachpunkt vermeiden, wenn man den Arbeitszylinder von dem Bereich trennt, in dem der Verdrängerkolben die erhitzte und die abgekühlte Luft hin- und herschiebt. Diese Bauart des Stirlingmotors bezeichnet man als Gamma-Typ.
Im Internet und insbesondere im Portal YouTube werden eine ganze Reihe von selbstgebauten Stirlingmotoren vorgestellt, deren Konstruktion teilweise professionelle Qualität beweist. Der hier beschriebene Motor gehört nicht zu dieser bemerkenswerten Kategorie. Vielmehr soll im folgenden Bericht gezeigt werden, wie ein lauffähiger Motor aus leicht erhältlichen und teilweise sogar kostenlosen Komponenten aufgebaut werden kann. Die dafür notwendigen Verarbeitungsschritte setzen weder besondere handwerkliche Geschicklichkeit noch die Verwendung spezieller Werkzeuge oder Maschinen voraus. Die wesentlichen Werkzeuge sind ein Cuttermesser, eine Schere und eine Zange und das wichtigste Arbeitsmaterial ist doppelseitiges Klebeband. Die Konstruktionsmerkmale des hier beschriebenen Motors entsprechen weitgehend denen, die beim Hirata-Modell angewandt wurden.
Der hier vorgestellte Motor ist ein funktionsfähiges Modell, das aufgrund des geringen finanziellen und technischen Aufwands auch von Gelegenheitsbastlern und bei sachkundiger Anleitung in Arbeitsgemeinschaften von Schülern gebaut werden kann.
Das Gehäuse und der Verdränger
Als Behälter für das Arbeitsmedium Luft wurde eine Pumpernickeldose verwendet. Sie hat eine Durchmesser von 10 cm und eine Höhe von 11,5 cm und ist aus Blech. Die Blechdose hat einen dicht schließenden Kunststoffdeckel, der zwar etwas dünn ist, sich aber gut bearbeiten lässt. Als Verdrängerkolben wurde zunächst eine Erdnussdose mit einem Durchmesser von 8,5 cm und einer Höhe von 7 cm verwendet. Leider hatte sie eine Masse von 40 g, was beim Betrieb des Motors durch entsprechende Gegengewichte ausgeglichen werden musste und so zu einer ziemlich großen bewegten Masse führte.
Um die ungünstigen Laufeigenschaften des Motors zu verbessern, wurde der schwere Verdrängerkolben durch einen neuen Kolben ersetzt, der aus Blumensteckschaum besteht und mit einer Hülle aus Alu-Folie und einer Drahtwicklung stabilisiert ist. Dieser Verdränger hat bei gleichen Abmessungen wie die ursprünglich verwendete Erdnussdose nur noch eine Masse von 10g.
Der Verdrängerkolben der verbesserten Motorversion besteht aus Blumensteckschaum. Dieses extrem leichte Material ist zwar einfach zu verarbeiten. Andererseits ist es mechanisch instabil und wurde daher durch eine Hülle aus Alu-Folie stabilisiert. Die nächste Abbildung zeigt das Gehäuse, den Verdränger und den Gehäusedeckel mit bereits aufgeklebtem Arbeitszylinder vor dem Zusammenbau. Auf dem Arbeitszylinder liegt ein Stück Draht, das als Pleuelstange vorgesehen ist. Im unteren Teil der Abbildung ist der Kurbelwelle zu sehen, die aus einer langen Stricknadel gebogen ist.
Die Hauptkomponenten des Stirlingmotors vor dem Zusammenbau Die Kurbelwelle
Die beiden Ausbuchtungen der Kurbelwelle sind um 90° gegeneinander versetzt. An der linken wird die "Pleuelstange" der Arbeitsmembran befestigt. Sie hat eine Tiefe von knapp 1 cm, was einem Arbeitshub von ca. 2 cm entspricht. Damit der Arbeitshub nicht durch Spannungen der Membran behindert wird, muss diese entsprechend locker auf dem Arbeitszylinder befestigt werden. Das erreicht man, indem man sie beim Fixieren auf dem Zylinder mit einem Golf- oder Tischtennisball in diesen hineindrückt.
Die rechte Ausbuchtung der Kurbelwelle steuert den Verdränger. Ihre Tiefe beträgt hier knapp 2 cm, was die Hälfte des möglichen Hubs ( = Differenz der Höhe der Pumpernickeldose und der Höhe des Verdrängers) ist.
Der Zusammenbau
Der Verdränger ist an einer Nylonschnur aufgehängt, die durch die Mitte des Deckels der äußeren Dose geführt und an der Kurbelwelle befestigt wird.
Als Arbeitszylinder dient die Hälfte einer Kunststoffflasche mit einen Durchmesser von 4 cm. In den Boden wurde ein Loch mit ca. 1,5 cm Durchmesser gebohrt. Entsprechend wurde in der Mitte zwischen dem Zentrum und dem Rand ein passendes Loch in den Kunststoffdeckel der Pumpernickeldose geschnitten. Dann wurde die Kunststoffflaschenhälfte (=Arbeitszylinder) auf den Deckel gesetzt und mit zweiseitigem Klebeband und Silikonkleber mit diesem verklebt. Das Verbindungsloch zwischen Deckel und Arbeitszylinder muss so positioniert werden, dass der Arbeitszylinder die Nylonschnur, die den Verdrängerkolben steuert, nicht behindert.
Auf dem offenen Ende des Arbeitszylinders wurde eine Latexmembran (ein Teil eines Einmalhandschuhs) befestigt. Die Membran hat die Funktion des Arbeitskolbens. Ein Gummiring sorgt dafür, dass die Membran den Arbeitszylinder luftdicht abschließt. Um die Kraft von der Membran auf die Kurbelwelle zu übertragen wurde auf die Membran ein Knopf geklebt, der statt Knopflöchern eine Öse besitzt. Ein Stück Draht, das an dieser Öse befestigt ist, überträgt als Pleuelstange die Bewegung der Membran auf die Kurbelwelle.Damit das Gehäuse des Motors möglichst gut abgedichtet ist, wird der Rand der ehemaligen Pumpernickeldose und ihr Deckel ebenfalls mit doppelseitigem Klebeband zusammengeklebt.
Der obere Teil des Motors: Hier sind der Arbeitszylinder und die Kurbelwelle zu sehen. Die Bewegung der Nylonschnur, die den Verdränger steuert, darf vom Arbeitszylinder nicht behindert werden Der Einbau des Motors
Der Stirlingmotor ist in ein ca. 30 cm hohes Holzgestell eingebaut, an dem auch die Achslagerung befestigt ist. Dabei wurde darauf geachtet, dass die horizontale und vertikale Positionierung des Gehäuses gegenüber der Achse justierbar ist. Das Gestell entspricht weitgehend dem, das in der Bauanleitung von Hirata gezeigt wird. Im Unterschied dazu ist die Klemmvorrichtung der Gehäusedose mit Hilfe zweier Gewindestangen justierbar und kann jederzeit gelöst und neu fixiert werden.
Der fertige Motor. Das grüne Frotteeband ist mit Wasser getränkt und hat die Funktion des Kühlers. An dem Rädchen, das sich am rechten Ende der Kurbelwelle befindet, wurde ein Metallband angebracht, das ein Gegengewicht zum Verdrängerkolben bildet. Ein aus drei CDs bestehendes Schwungrad sorgt für die Überwindung der Totpunkte und einen gleichmäßigen Lauf des Motors. Für seinen Betrieb reicht die Wärmezufuhr einer Kerze aus.
Und so funktioniert der Gamma Motor
(Ein mp4 Video Clip, 2,4 MB)Weitere Hinweise
Die Einzelteile des Holzgestells wurden in einem Baumarkt aus einer Tischlerplatte zurechtgeschnitten ( < 3 Euro). Bezugsquellen für die Achslager, Räder usw. sind Flohmärkte oder die Firma Metallus.
