Auf den Spuren von Ossian Ringbom
Ein Nieder-Temperatur-Differenz-Ringbomstirling (NTD)
(Veröffentlicht in der Zeitschrift Maschinen im Modellbau 2/2003)
Was ist ein Ringbom-Stirlingmotor?
Die Funktion des konventionellen Stirlingmotors dürfte hinreichend bekannt sein. Wir wollen uns daher mit den Unterschieden und Besonderheiten des Ringbommotors gegenüber dem von Robert Stirling erfundenen Motors beschäftigen. 1907 erhielt Ossian Ringbom ein U.S. Patent auf einen Heissluftmotor, bei dem die Bewegung des Verdrängerkobens ohne jede Verbindung durch Pleuelstangen, Exzenter oder sonstige mechanische Verbindungen abläuft. Sein Motor war also wesentlich einfacher, als alle Motoren die bis zu diesem Zeitpunkt entwickelt worden waren. Abgesehen von der Tatsache, dass sein Motor keine Antriebselemente für den Verdrängerkolben hatte, ist der wesentliche Unterschied eine Verdrängerkolbenstange mit einem relativ grossen Durchmesser. In konventionellen Stirlingmotoren ist man bestrebt, den Durchmesser der Verdrängerkolbenstange so klein wie möglich zu halten, um Verluste durch Reibung und Antriebskräfte zu vermeiden.
Ringbom beschreibt die Funktion seines neuen Motores ausführlich in seinem Patent. Über seine Patentbeschreibung hinaus ist nichts über Ringbom bekannt. Auch, ob er jemals einen Motor gebaut hat wird ein Geheimnis bleiben.
Bild 1 zeigt den Originalmotor von Ossian Ringbom.
Wir stellen uns vor, der Motor dreht im Urzeigersinn, so dass der Arbeitskolben sich nach oben bewegt und die eingeschlossene Luft verdichtet. Durch die Druckerhöhung der verdichteten Luft entsteht, über die Abdichtung der Verdrängerkolbenstange, eine Kraft die den Verdrängerkolben nach oben gegen den Anschlag des OT schiebt. Die eingeschlossene Luft im Verdrängerzylinder wird von der kalten - auf die heisse Seite geschoben, was zu einem weiteren Druckanstieg führt. Der Verdrängerkolben verharrt in seinem OT und der Arbeitskolben beginnt, nach dem Passieren von OT seinen Expansions- oder Arbeitshub nach UT. Dadurch und durch die Gasleckage über die Kolben- und Stangenabdichtung verringert sich der Innendruck auf das Niveau des äusseren Luftdruckes. Durch sein Eigengewicht fällt der Verdrängerkolben nun wieder in seine Ausganglage UT zurück, wobei seine Bewegung wieder durch einen Anschlag gedämpft wird. (Wie es in der modifizierten Form des Ringbom-Stirling abläuft werden wir nachfolgend noch sehen). An diesem Punkt wird der durch Leckage bedingte Luftverlust durch die Öffnung eines kleinen Schnüffelloches im Arbeitzylinder wieder ausgeglichen. Wir haben jetzt wieder den Ausgangspunkt erreicht, an dem wir unsere Betrachtung begonnen haben. Bei jedem Stirlingmotor ist für einen kontinuierlichen Betrieb eine zeitliche Verschiebung zwischen dem Hub des Verdrängerkolbens und dem Hub des Arbeitskolbens erforderlich; die sogenannte Phasenverschiebung. Der Verdrängerkolben muss dem Arbeitskolben voreilen, weil der Wärmeübergang der umgebenden Wände an die eingeschlossene Luft und umgekehrt eine gewisse Zeit in Anspruch nimmt. Der konventionelle Stirlingmotor kann also nur in einer Drehrichtung laufen, der Ringbomstirling jedoch in beiden Drehrichtungen; wegen der fehlenden mechanischen Kopplung. Ein guter Wert für die Phasenverschiebung liegt bei etwa 90 Grad, bezogen auf den Kurbelwellenwinkel. Was beim konventionellen Stirlingmotor durch einen Excenter fest vorgegeben werden kann, muss beim Ringbom-Stirling durch das Verdichtungsverhältnis und die Dimensionierung der Verdrängerkolbenstange erreicht werden. Dass diese Form der Steuerung, bedingt durch die Masse der Verdrängereinheit und den daraus resultierenden Beschleunigungskräften, bei bestimmten Drehzahlen ihre Grenzen hat ist leicht einzusehen. Ab der sogenannten krtischen Drehzahl kann der Verdrängerkolben dem Arbeitskolben nicht mehr sychron folgen. Es kommt zunächst zu einem Leistungabfall und dann zum Stillstand des Motors. Oberster Leitsatz bei der Konstruktion von Ringbommotoren ist es daher, die Masse (Gewicht) der Verdrängerheit und den Hub möglichst gering zu halten.
Der modifizierte Ringbom Stirlingmotor
Ringbom-Motoren wie sie heute gebaut werden unterscheiden sich von dem Ur-Ringbom dadurch, dass diese Motoren einen geschlossenen Arbeitsraum ohne Schnüffelloch zum Druckausgleich haben. Bei richtiger Dimensionierung aller Bauteile passiert nun folgendes: Während des Expansionshubes des Arbeitskolbens (der Verdränger steht noch in seinem OT) und zwar dann, wenn er über seine Nulllage hinausgeht vergrößert sich das Ausgangsvolumen, gleichzeitig kühlt sich das Arbeitsgas ab und der Innendruck fällt unter den Wert des Außendruckes. Der umgebende Luftdruck ist jetzt also größer als der Innendruck, wodurch eine Rückstellkraft auf die Verdrängerkolbenstange ausgeübt wird, die den Verdränger zügig in Richtung seines UT beschleunigt. Der Verdränger kann daher, unabhängig von der Gewichtskraft der Verdrängereinheit in jeder Lage arbeiten, wodurch sich ein großer Spielraum für die konstruktive Auslegung dieser Motoren ergibt. Wesentliches Merkmal des modifizierten Ringbom Stirlings ist es, dass der Verdränger immer seinen vollen Hub beendet und Kontakt mit seinen Anschlagbegrenzungen hat, bevor die wirksam werdende Rückstellkraft den Verdränger in die entgegengesetzte Richtung bewegt. Dann, und nur dann haben wir stabile und kontrollierte Betriebsbedingungen. Bild 2 zeigt das Weg-Zeit-Diagramm eines Ringbom Stirlings der unter stabilen Bedingungen läuft. Bemerkenswert hierbei ist der diskontinuierliche Bewegungsablauf mit Verweilphasen in den Endlagen, was diesen Motor kennzeichnet. Der Arbeitskolben führt eine sinusförmige Bewegung durch.
Was ist ein Nieder-Temperatur-Differenz-Stirlingmotor?
Die Entwicklung des Nieder-Temperaturdifferenz-Stirlingmotors (NTD, englisch: LTD - low temperature differential) geht zurück auf Professor Ivo Kolin von der Universtät Zagreb. Über einen Zeitraum von 12 Jahren hat er 16 Versuchsmotoren gebaut und erprobt. Das Ergebnis seiner Arbeit war 1983 die Entwicklung eines Motors, der mit einer Temperaturdifferenz von 15 Grad Celsius arbeitete. Es waren jedoch keine Ringbommotoren, sondern mechanisch gesteuerte Motoren, zum Teil mit quadratischen Verdrängerplatten.
Ein typischer Nieder-Temperatur-Differenz-Stirlingmotor arbeitet mit einer Drehzahl von ca. 50 U/min und einer Tempereraturdifferenz von 50 Grad Celsius. Ein NTD-Motor muss bestimmte Bedingungen erfüllen, um einwandfrei laufen zu können. In der Anfangszeit der NTD Entwicklung wurden diese Bedingungen nur durch versuchsweise Annäherung erfüllt. Durch die Arbeiten von Professor Ivo Kolin und Prof. James R. Sent (University of Wisconsin of Riverfalls) sind wir heute in der Lage diese Bedingungen durch Berechnung zu erfüllen.
Ein NTD Motor muss notwendigerweise ein geringes Verdichtungsverhältnis und ein relativ großes Verhältnis von Verdrängervolumen zum Hubvolumen des Arbeitskolbens haben. Bedingt durch die geringe Temperaturdifferenz sind in NTD-Stirlingmotoren sehr kurze Verdrängerkolbenlängen möglich. Das wiederum erfordert große Verdrängerkolbendurchmesser, um die erforderliche Größe der Heiz- und Kühlflächen zu erreichen. Dadurch erklärt sich die typische Form eines NTD-Stirlingmotors: großer Verdrängerkolbendurchmesser, geringer Verdrängerkolbenhub, plattenförmige Heiz- und Kühlflächen. Ohne zusätzliche Vergrößerung der Wärmeübertragungsflächen erhalten wir so Motoren mit relativ geringen Drehzahlen. Vorteilhaft für solche Motoren sind diskontinuierliche, schnelle Bewegungen des Verdrängers mit einer Verweildauer in den Totpunkten.
Die vorstehend beschriebene Charakteristik von NTD-Stirlingmotoren deckt sich bemerkenswert mit den Anforderungen, die ein Ringbommotor an seine konstuktive Auslegung stellt. Wie wir gesehen haben, erfordern Ringbommotoren relativ geringe Drehzahlen und kurze Verdrängerhublängen. Die Bewegung des Verdrängers in der modifizierten Form des Ringbommotors ergibt die für eine optimale Wärmeübertragung erforderliche diskontinuierliche Bewegung. Darüber hinaus hat ein Verdränger mit großer Fläche der zwischen zwei Platten arbeitet eine integrierte Anschlagdämpfung.
Daher ist das Ringbomprinzip prädesdiniert zur Konstruktion von NTD-Motoren.
Um diese Erkenntnis zu bestätigen wollen wir nachfolgend Design und Konstruktion eines solchen ausgeführten Motors betrachen.
Die Idee: Zu Demonstrations und Ausstellungszwecken sollte eine Wärmekraftmaschine gebaut werden, um Drehzahl-, Temperatur- und Drucksensoren zu demonstrieren
Merkmale: Einfache Handhabung, transparenter Aufbau, ungefährlicher Betrieb mit niedrigen Temparaturen.
Das Design: Der Motor wurde bewusst aus "kühlen" und transparenten Werkstoffen gebaut, um ein unaufdringliches, klares Erscheinungbild zu schaffen. Die Hauptwerkstoffe sind Aluminium, Polycarbonat (Acrylglas), Stahl, chemisch vernickelt und Edelstahl.
Verdrängerzylinder:
Der Verdrängerzylinder besteht aus 2 Aluminiumplatten 6mm stark, Durchmesser 525mm. Zwischen den beiden Aluminiumplatten wird durch 12 Zuganker das Zylinderrohr aus Polycarbonat gehalten und durch axiale Nuteinstiche in den Aluminiumplatten mit O-Ringen abgedichtet. Im Zentrum des Zylinders befindet sich ein weiterer Zuganker. Bei dem gemessenen maximalen Arbeitsdruck von 70 mbar würden sich die Platten, bedingt durch den großen Wirkdurchmesser um mehr als 3mm aufwölben. Der Verdrängerzylinder bildet gleichzeitig das Maschinengrundgestell. Die obere Platte trägt den Maschinenständer, den Arbeitszylinder, den Verdrängersteuerzylinder und einen Kühlkörper. Außerdem ist hier eine Schnellkupplung zum Anschluss eines elektrischen Drucksensors und eine Aufnahme für eine Infrarotdrehzahlsonde eingebaut.
Heizung/Kühlung
Die Heizung erfolgt durch eine elektrische Widerstandsheizung in Form einer kreisrunden Silikonheizmatte, die auf die Bodenplatte des Verdrängerzylinders aufgeklebt ist. Die Temperatur wird, durch einen elektronischen Temperaturregler, konstant auf 75 Grad Celsius gehalten. Der Temperaturfühler ist in der Heizmatte integriert. Die obere Aluminiumplatte dient als Kühler. Auf dem hinteren Teil ist zur Vergrößerung der Kühlfläche ein Rippenkühlkörper angebracht. Bei einer Umgebungstemperatur von 24 Grad Celsius ergibt so an der Kühlfläche eine Temperatur von ca. 35 Grad Celsius, also eine Temperaturdifferenz von 40 Grad Celsius im Dauerbetrieb.
Verdrängerkolben/Verdrängersteuerkolben:
Der Verdrängerkolben besteht aus Styrodur, in insgesamt 16 Segmente aufgeteilt um Wärmeverzug zu vermeiden. Ein wesentliches Element des Verdrängerkolbens ist der Regenerator. Der Regenerator hat die Aufgabe die Energie der erwärmten Luft zwischenzuspeichern und so Wärmeverluste zu verringern. Dadurch kann eine gravierende Verbesserung des Wirkungsgrades und der Leistung erreicht werden. Dazu wurden in den Styrodurkolben 8 Bohrungen, Durchmesser 80mm gebohrt und mit einer Regeneratormatrix aus Polyesterflies ausgefüllt. Streifen aus Poyesterflies sind zu Spulen aufgewickelt und unter leichter Spannung in die Bohrungen eingebracht. Hält man den Spalt zwischen Zylinderrohr und Kolben möglichst gering, kann der grösste Teil der verdrängten Luft das Polyesterflies passieren und hier Wärme abgeben und wieder aufnehmen. Die Bewegung des Verdrängerkolbens geschieht, wie wir bereits wissen, durch Druckänderungen des Arbeitsgases, in unserem Fall Luft. Der Verdrängerkolben hat in diesem Motor keine Kolbenstange, sondern einen Steuerkolben, mit dem er über eine Koppelstange verbunden ist. Der Steuerkolben ist aus Graphit gefertigt und gleitet in einem gehonten,polierten und chemisch vernickelten Stahlzylinder. Er hat die Aufgabe den Verdrängerkolben über die Druckänderungen zu bewegen und gleichzeitig zu führen. Die Höhe des Verdrängerkolbens ist in diesem Motor überdimensioniert,da er ursprünglich noch als Werbeträger vorgesehen war (Gesamtgewicht über 500g). Daher wurde ein Gewichtsausgleich erforderlich, der durch einen Waagebalken realisiert ist, mit dem ein Teil der Gewichtskraft des Kolbens kompensiert werden kann. Diese Maßnahme ist bei entsprechender Auslegung nicht erforderlich. Der gemessene Druckverlauf ist in Bild 3 dargestellt. Man erkennt einen Überdruck von ca. 70 mbar und einen Unterdruck von ca. 50 mbar.
Arbeitszylinder und Arbeitskolben haben die gleiche Materialpaarung und Oberflächenbehandlung wie der Verdränger-Steuerkolben und Verdränger-Steuerzylinder. Der Vorteil dieser Kombination ist es, dass der Betrieb vollkommen wartungsfrei ist und nur sehr geringe Reibungverluste auftreten. Zur Minimierung der Seitenkräfte des Arbeitskolbens wurde außerdem noch eine Hebelanlenkung konstruiert, die Seitenkräfte fast vollständig eliminiert.
Motoren der hier beschrieben Bauform und Bauart lassen sich in jedem beliebigen kleineren Maßstab erfolgreich bauen (siehe hierzu den Größenvergleich des kleineren Modells mit dem großen Motor). Für den Einstieg ist es empfehlenswert auf die Abmessungen eines bewährten Motors zurückzugreifen und ihn unverändert zu bauen oder nach der von Professor J.R. Senft entwickelten Skalierungsmethode in eine andere Größe zu skalieren.
Selbstverständlich ist es auch möglich, Motoren mit höheren Drehzahlen und stabilem Laufverhalten in höheren Drehzahlbereichen zu entwickeln und zu bauen. Motoren mit Drehzahlen bis zu 1500U/min sind bereits erfolgreich gebaut worden.
Dem interressierten Leser, der tiefer in dieses interessante Gebiet einsteigen möchte, sei das Buch von J.R. Senft "Ringbom Stirling Engines" empfohlen. Zum Verständnis des Buches sind allerdings Englischkenntnisse und Kenntnisse der thermodynamischen und mechanischen Grundlagen erforderlich.
Der Vollständigkeit halber soll an dieser Stelle nicht unerwähnt bleiben, dass man von diesem Motortyp auch schöne, sogenannte Handwärmemotoren bauen kann. Dieter Schager aus Offenbach baut diese schönen Motoren seit einigen Jahren mit Erfolg. Wer einen solchen Motor schon einmal gesehen hat wird festgestellt haben, dass hier die Bewegung des Verdrängerkolbens durch eine lange und somit "weiche" Zugfeder unterstützt wird. Ein vielseitiges Betätigungsfeld also, das einen großen Spielraum zum Experimentieren und Optimieren bietet.
Technische Daten des vorgestellten Motors:
Verdrängerzylinder Innendurchmesser: 490mm
Arbeitskolbendurchmesser: 107,5mm
Arbeitskolbenhub: 114mm
Steuerkolbendurchmesser: 38mm
Verdrängerhub: 40mm
Schwungraddurchmesser: 550mm
Elektrische Heizleistung: 300 Watt
Drehzahl: 35 U/Min
Gesamtgewicht: ca. 17kg
Bilder:
Zeichnung des Original Ringbom (Bild 1)
Weg-Zeitdiagramm des modifizierten Ringbom