Stirlingmotor selbst gebaut
Der hier gezeigte Stirlingmotor wurde aus Konservendosen und einigen anderen leicht erhältlichen Materialien gebaut. Seine Funktion wird auf einer Internetseite von Koichi Hirata leicht verständlich erklärt. Ein nach diesem Prinzip arbeitendes funktionsfähiges Modell wurde lt. Hirata von einem Techniklehrer Saburo Tsucchida realisiert. Es ist für den Eigenbau besonders geeignet, da (abgesehen vom Biegen eines Drahts) keine Metallbearbeitung notwendig ist. Die Bauanleitung von K. Hirata dient hier als Vorlage.
Die Zutaten
Die "Zutaten" zum Stirling-Rezept werden hier gezeigt:
1. Als Gehäuse und Verdrängerkolben des Motors werden zwei Konservendosen verwendet, wobei die kleinere in die größere passt. Leider sind die Wände der verwendeten Dosen nicht glatt. Wahrscheinlich wären Dosen mit glatten Wänden besser geeignet.
2. Die Membran, die den Arbeitskolben des Motors ersetzt, wird aus einem Einmalhandschuh herausgeschnitten, wie er in Arztpraxen benutzt wird
3. Der Deckel für des Verdrängerkolbens wird aus Hartstyropor angefertigt.
4. Die Pleuelstangen werden aus zwei Streifen harter Pappe hergestellt und zum Schluss mit doppelseitigem Klebeband auf der Arbeitsmembran befestigt.
5. Die Kurbelwelle wird aus 2mm Gartendraht zurechtgebogen.
Das Gehäuse, der Verdrängerkolben und der Deckel des Verdrängers aus Hartstyropor und die Kurbelwelle. Der Deckel wird in die kleine Dose gepresst, so dass die oberen Ränder genau abschließen. Mit der Nylonschnur am Deckel wird der Verdrängerkolben an der Kurbelwelle befestigt.
Die KurbelwelleDie Kurbelwelle hat 3 Ausbuchtungen. Jede Ausbuchtung hat eine Breite von ca. 1 cm. Die mittlere Ausbuchtung steuert mit Hilfe der Nylonschnur, die an einer Büroklammer befestigt ist, den Verdrängerkolben. Die Tiefe dieser Ausbuchtung bestimmt den Hub des Kolbens. Bei einer Tiefe von 1,6 cm beträgt der Hub 3,2 cm. Die beiden anderen Ausbuchtungen sind 90° gegen die mittlere gedreht. Sie nehmen die Kraft der Pleuelstangen auf, die an der Gummimembran befestigt sind. Ihre Tiefe muss dem Hub der Membran angepasst sein. Im konkreten Fall beträgt sie ca. 0,5 cm, entsprechend einem Membranhub von ca. 1 cm. Um die Pleuelstangen möglichst reibungsfrei befestigen zu können, wurden als Hubzapfen noch zwei kurze Kunststoffhülsen auf die Ausbuchtungen gesteckt, an denen die Pleuelstangen mit dünnem Draht befestigt sind.
Die Kurbelwelle, an der die Pleuel und die Steuerung des Verdrängerkolbens befestigt sind Der Arbeitskolben = Membran
Die Membran, die den Arbeitskolben der Stirlingsmaschine ersetzt, wird aus dem Einmalhandschuh so ausgeschnitten, dass man ein möglichst großes ebenes Stück erhält. In die Mitte dieses Stücks wird mit einer Nadel ein Loch gestochen, durch das die Nylonschnur des Verdrängerkolbens gefädelt wird. Um ein Aufreißen der Membran durch die Auf- und Abbewegung der Nylonschnur während des Betriebs zu verhindern, wurde versucht, den Bereich des Lochs von oben und unten durch Klebeband zu verstärken. Dann wird die Membran (nicht stramm) zentriert über die Öffnung der Gehäusedose gelegt und mit einem straffen Gummiring gesichert und abgedichtet. Danach wird der Motor in die Halterung eingesetzt, die Basis der Pleuelstangen wird mit doppelseitigem Klebeband versehen und dann werden diese gegen die Membran gedrückt. Das Klebeband klebt auf der Membran sehr gut. Zum Schluss wird die Nylonschnur mit Hilfe einer Büroklammer an der Kurbelwelle befestigt und der Motor ist fertig.
Die Gummimembran ist der Schwachpunkt der Konstruktion. Durch die Durchführung der Nylonschnur kann in der Kompressionsphase Luft entweichen. Dann wird die Membran nicht aufgebläht und der Motor arbeitet nicht. In der Bauanleitung von Hirata wird empfohlen, diese Undichtigkeit mit einem Tropfen Maschinenöl zu dichten. Bei dem hier vorgestellten Stirlingmotor hat das Maschinenöl allerdings die Nebenwirkung, dass die Gummimembran nach einiger Zeit zersetzt wird. Vielleicht sind andere Flüssigkeiten (z.B. Glyzerin) weniger aggressiv.
Nachtrag: Es hat sich gezeigt, dass die Durchführung der Nylonschnur durch die Arbeitsmembran auch mit einem Tropfen Wasser abgedichtet werden kann. Die bei der Verwendung von Öl zu beobachtende Zersetzung der Membran findet hier nach den bisherigen Beobachtungen nicht statt.
Das Gestell
Der Motor ist in ein Holzgestell eingebaut, das aus Resten einer Tischlerplatte angefertigt wurde. Die einzelnen Brettchen wurde in einem Baumarkt zurechtgeschnitten. Das kostet nicht viel, garantiert aber, dass die Teile passgenau gefertigt sind. Die Achslager wurden aus Teilen eines Metallbaukastens (vom Flohmarkt) hergestellt. Gegenüber einer Bohrung im Holzgehäuse ist diese Lösung flexibler bei der genauen Positionierung der Dose im Gestell. Auch die Räder an den Enden der Kurbelwelle stammen aus dem rudimentären Metallbaukasten. Auf einem Rad (im Foto links) wurden zwei alte CDs befestigt. Es fungiert als Schwungrad des Motors. Am rechten Rad wurde radial ein Metallband angeschraubt, das die durch den 15g schweren Verdrängerkolben verursachte Unwucht kompensieren soll.
Die fertige Maschine
Der fertige Motor Der obere Teil des Motors. Das grüne Frotteeband ist mit Wasser getränkt und kühlt den oberen Teil der Dose Beim Einbau des Motors in das Gestell muss darauf geachtet werden, dass die beweglichen Teile möglichst reibungsarm laufen. Neben der richtigen Ausrichtung der Kurbelwelle muss die Länge der Pleuelstangen an den Hub der Gummimembran angepasst sein und der Verdrängerkolben darf die Gehäusedose weder oben noch unten berühren. Wie schon erwähnt, ist das größte Problem die Dichtigkeit der Durchführung der Nylonschnur durch die Membran.
Der hier gezeigte Motor benötigt zum Laufen eine gut brennende Kerze (ein Teelicht erzeugt nicht genug Hitze). Wenn die Kerzenflamme den Boden der Büchse berührt, bildet sich dort Ruß, der immer wieder entfernt werden muss, da die Rußschicht als Wärmeisolator wirkt. Statt der Kerze kann man für kurze Zeit auch Trockenspiritus (Esbit) verwenden. Die Temperatur der Esbitflamme ist für die hier gezeigte Konstruktion auf die Dauer wahrscheinlich zu hoch.
Der Stirlingmotor funktioniert umso besser, je größer die Temperaturdifferenz zwischen dem oberen und dem unteren Teil der Dose ist. Hier wurde als einfacher Kühler ein mit Wasser getränktes Frotteeband verwendet, das um den oberen Teil der Dose gewickelt ist.
Und so funktioniert der Motor
(Ein mp4 Video Clip, 2,6 MB)
