Überlegungen zu Heißluftmotoren









Neben meinen Modellbauaktivitäten ( Luftkissenprojekt und Pistenraupen ) bin ich letztens auf das Thema Heißluftmotor gestoßen.

Eine erste Suche im Internet (z.B.: The Swiss Stirling Society, American Stirling Company ) hat mir verdeutlicht, wie Stirlingmotoren funktionieren.

Daraufhin habe ich mir überlegt, wie man die Kolbenmaschinen durch Kreiskolben ersetzen kann:

Kreiskolben als Verdränger und normaler ArbeitskolbenEin Halbkreisförmiger Verdränger verschiebt das Luftvolumen zwischen der warmen - und der kalten Seite. Er wird durch einen normalen Arbeitskolben angetrieben. Derzeit versuche ich, dieses Konzept mit einfachsten Mitteln in die Praxis umzusetzen, ich bin aber noch nicht fertig.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Erster VersuchMein erster Versuch bestad aus einem Kunststoffring (Abflußrohr, 5cm) als Zylinder und einem abgeflachten Kreisverdränger aus Schaumstoff (Verpackungsmaterial).
Der Arbeitskolben besteht aus dünner Verpackungsfolie, die über ein Kunststoffring (Abflußrohr, 3cm) gezogen ist. Ich habe sie mit einem Gumiring befestigt. Auf die Membrane habe ich eine Scheibe mit einer Holzleiste geklebt. Die beiden Elemente habe ich mit einem Schlauch verbunden.
Ich habe den Verdrängerbaustein zur Hälfte in heißes Wasser getaucht und die Achse des Verdrängers gedreht. Dabei konnte ich leider keine Bewegung am Arbeitskolben feststellen.
Ich gehe von folgenden Problemen aus:
- Zu kleines Arbeitsvolumen
- Zu großes Totvolumen
- Zu schlechte Wärmeleitfähigkeit der Zylinders
- Zu kleiner Abstand zwischen warmer und kalter Seite
- Undichtigkeiten
 
 

Verdränger aus HolzAlso habe ich den zweiten Versuch gestartet.
Den Verdränger habe ich aus Sperrholz gebaut. Dazu habe ich zwei Scheiben auf die Stahlachse geklebt und mit dünnem Holz beplankt. Dazu müßen die Zuschnitte natürlich gewässert und vorgebogen werden.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Gumiringe drücken die obere Beplankung an, bis der Leim trocken ist.Die Beplankung wird mit Gumiringen angedrückt, bis der Leim trocken ist.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Blechdose mit Verdränger und Arbeitskolben aus einem LuftbalonLeider unscharf.
Der Verdränger steckt bereits in der Blechdose. Den vorderen Abschluß wird der Deckel bilden, wenn ich das Kugellager dort angebracht habe. Rechts liegt der Arbeitskolben - mitlerweile habe ich die Kunststofffolie gegen einen aufgeschnittenen Luftbalon ausgetauscht.

Bericht und Bilder demnächst.
Aber es scheint, daß das Totvolumen zu groß ist. Die verwendeten Kugellager sind zwar leichtgängig, aber wohl nicht ausreichend Luftdicht. Der Verdränger ist nicht ausgewuchtet und "eiert" etwas.
 
 
 
 
 

Kreiskolben (Flügelrad) ersetzt Verdränger und Arbeitskolben - Flügel sind elastisch oder drehbarDiese Bauform kommt gaDie Flügel sitzen verschiebbar in ihren Führungennz ohne normale Kolben aus. Die Drehachse des Kreiskolbens ist gegenüber dem Zylindermittelpunkt verschoben. Die einzelnen Luftvolumen sind durch Trennwände (Flügel, starr oder flexiebel) voneinander getrennt. Diese Bauform sollte selbstanlaufend sein und die Kraft sehr gleichmäßig abgeben (je mehr Flügel, desto gleichmäßiger). Elastische Flügel (oder drehbar gelagerte) sind einfacher anzufertigen, benötigen allerdings eine hohe Drehzahl (evtl. nicht selbststartend) , da die Flügel erst durch die Zentrifugalkraft nach außen gedrückt werden und dadurch einen dichten Abschluß bilden. Eine Besonderheit ist das Fehlen des Totvolumens.
Ich sehe allerdings Probleme mit der Reibung und der Abdichtung.
Der skizzierte Aufbau muß links geheizt werden, damit er sich in Uhrzeigerrichtung dreht.

Kreiskolben mit elastischen Flügeln (Gumi)Kreiskolben mit elastischen Flügeln (Kunststoff)
 
 
 

Die Luft ist in den Poren des Schaumstoffs eingeschlossenDie Luft ist in den Poren des Schaumstoffs eingeschlossenFür diesen Aufbau wird ein wärmebeständiger, geschlossenzelliger Schaumstoff benötigt, dessen Zellmembranen sehr elastisch sein müssen. Die einzelnen Zellen dienen als abgeschlossene Luftvolumen. Aus diesem Material wird ein Ring ausgeschnitten und sowohl auf einen dünnwandigen Außenring als auch auf ein Walze geklebt. Die Achsen von Kolben (Walze) und Zylinder (Außenring) werden gegeneinander verschoben - und beide werden drehbar gelagert. Die Funktion habe ich oben bereits erläutert. Diese Konstruktion scheitert wohl am geeigneten Schaummaterial.
 

Die Kammern sind innen mit Gumimembranen verschloßen, an denen Gewichte befestigt sindDieser Aufbau besteht aus einem drehbar gelagerten Rohr, das auf seiner Innenseite mit Luftkammern versehen ist. Die Innenwandung dieser Kammern bestehen aus elastischen Membranen. An diesen sind Gewichte angebracht.
Wird das Rohr an einer Seite erhitzt, so wird der Abstand zwischen Gewicht und Achse an der warmen Seite geringer - auf der kalten Seite wird er größer. Die unterschiedlichen Drehmomente sollten für eine Rotation des Rohres sorgen.
 
 
 
 

Das Arbeitsprinzip des RootsgebläsesDieser Aufbau ist die Umkehrung eines Rootsgebläses. Ich glaube, das man duch eine modifizierte Flügelgeometrie einen funktionsfähigen Heißluftmotor erhält.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Wankelkonzept
Desweiteren halte ich auch das Funktionsprinzip des Wankelmotors für verwendbar.
 
 
 
 
 
 

Alle gezeigten Geräte haben die Drehbewegung als Gemeinsamkeit.
Ich habe bewust auf die Bezeichnung Stirlingmotor verzichtet, da ich noch keinen Regenerator unterbringen konnte. Bei der Drehbewegung nimmt die Luft unterschiedliche Wege von der warmen zur kalten - und von der kalten zur warmen Seite.

Kreiskolbenmotor mit RegeneratorDiese Skizze soll meine ersten Überlegungen zum Einsatz eines "Regenerators" beim Kreiskolbenmotor zeigen. Dabei ist die Bezeichnung "Regenerator" eigentlich in diesem Fall falsch. Aber erst mal zum Aufbau: Ein massiver Kupferklotz sitzt im hohlen Kreiskolben. Er dreht sich nicht mit. Dennoch soll er eine gute thermische Ankopplung zum "Kolbenrohr" haben. Er soll die Wärme vom oberen Bereich (soll Wärme abgeben) zum unteren Bereich (soll Wärme aufnehmen) weiterleiten. Beim konventionellen Stirlingmotor wird die Luft zwischen dem Aufheizen und Abkühlen am Regenerator vorbeigeleitet, der einen Teil der Wärme aufnimmt, speichert und wieder abgibt. Die Wirkung meines "Regenerators" ist die gleiche. Nur fordert der Verzicht auf eine oszillierende Bewegung andere Maßnahmen - der kontinuierlichen Wärmeleitung (hier: von oben nach unten). Da mir die Bezeichnung "Wärmeleiter" aber nicht so gut gefällt, bleibe ich aus historischen Gründen bei "Regenerator" oder noch besser "Economizer".
 

Arbeitskolben im Kreisverdränger integriertBei dieser Version wird die Luft von der warmen zur kalten Seite durch eine Öffnung im Kreisverdränger geleitet und treibt dabei den Arbeitskolben an (von der warmen Seite wird gedrückt, von der kalten gezogen, also doppelwirksam). Kann man in diesen Luftkanal einen Regenerator unterbringen?
In diesem Fall muß der Verdränger nicht nur die Luft verschieben, sondern muß luftdicht im Gehäuse laufen, da auf den beiden Seiten ein Druckunterschied aufgebaut werden soll.
Der gezeigte Aufbau sollte geändert werden: Der Verdränger sollte sich nicht in einem Rohr drehen, sondern starr in diesem befestigt werden. Das Außenrohr dreht sich mit.
 
 

AußenläuferDieser Aufbau besteht aus vier Luftkammern (natürlich können es auch mehr oder weniger sein). An jeder Kammer befindet sich ein Arbeitskolben. Das ganze Gebilde ist drehbar gelagert - nur der Excenter in der Mitte (natürlich außermittig) ist fest mit einem Gehäuse verbunden. Der Winkel zwischen Wärmequelle und Excenter bestimmt die Drehrichtung (und Drehzahl / Drehmoment). Ein Nachteil ist, daß das Gehäuse immer wieder aufgeheizt und abgekühlt werden muß.
 
 
 
 
 

Zwischenzeitlich bin ich auf das Buch "Stirling - Maschinen" (ISBN 3-922 964-35-4) gestoßen (dank einer Empfehlung von Peter Kamber). Dort werden auch Rotationskolbenmaschinen, Drehkolben-, Kreiskolben- und Umlaufkolbenmaschinen beschrieben. Aber die Varianten, die ich oben skizziert habe, sind dort nicht aufgeführt.

Auch die Links auf der Seite http://www.bekkoame.ne.jp/~khirata/indexe.htm (Tip von Thomas Schmidt und  Hans-Peter Laengle) haben mir weitere Einblicke in das Thema verschafft - aber auf einen Stirlingmotor mit Kreiskolben bin ich dort auch nicht gestoßen. Die Kolbenmaschinen sind offensichtlich wesentlich beliebter als Kreiskolbenmotoren - ein Exot unter den Exoten.

Doch - jetzt habe ich sowas gefunden: Unter http://www.laengle-hp.de/MotorHL-04zuInf.htm habe ich die Beschreibung eines Motors (HL-04) mit Kreisverdränger gefunden, wie ich ihn ganz oben auf dieser Seite skizziert habe. Aber leider ist der Motor nicht gelaufen.
Auf meine Anfrage hin hat mir Hans-Peter Längle aber sehr interessante Informationen zur Verfügung gestellt: Auf der Homepage von Khoichi Hirata (Link im letzten Absatz) hat er einen Motor mit kreisförmigem Verdränger gefunden (funktionsfähig). Einen weiteren solchen Motor hat H. Dieter Schager gebaut.
 

Meine Konzepte scheitern am Regeneratorproblem!
Ein weiterer Nachteil ist, daß bei der Kreisbewegung keine diskontinuierliche Verdrängersteuerung möglich ist - oder etwa doch?
Das meine Basteltätigkeiten nicht zum gewünschten Ziel führen war vorhersehbar. Aber Wellen lassen sich abdichten und Totvolumen reduzieren - das ist eine Frage der sorgfältigen Planung und einer präzisen Bauausführung. Aber das ist erst der zweite Schritt - zuerst benötige ich ein erfolgversprechendes Konzept.
 

Mittlerweile habe ich mich aber wieder aus diesem Bereich zurückgezogen. Solange mir nichts neues zu diesem Thema einfällt, werde ich diese Seite in ihrem jetztigen Zustand belassen. Andere Sachen sind mir momentan wichtiger, z.B. Luftkissenboot XS2, mein Kanada-Urlaub und das Erlernen des Modellfluges (in Nienhagen).
 

Wer Erfahrungen oder sonstige Informationen zu einer der oben beschriebenen Bauformen (oder auch andere Modelle) hat, der schreibe mir doch bitte eine Mail an  Juergen@Pellengahr.de