Ringbom-Stirling "Tapper"
| Maschinentyp: | Heißluftmotor nach einem Patent von |
| Ossian Ringbom aus dem Jahr 1907. Die | |
| ursprüngliche Konstruktion wurde durch James R. | |
| Senft modifiziert. Bei diesem Maschinentyp wird | |
| der Verdrängerkolben durch den veränderlichen | |
| Gasdruck im System bewegt. | |
| Daten: | Durchmesser Verdrängerkolben: 22 mm |
| Durchmesser Kolbenstange: 8 mm | |
| Innendurchmesser Verdrängerzylinder: 23 mm | |
| Hub Verdrängerkolben: 23 mm | |
| Durchmesser Arbeitskolben: 18 mm | |
| Hub Arbeitskolben: 20 mm | |
| Konstruktion: | J. R. Senft, beschrieben im Buch „Miniature |
| Ringbom Engines“ | |
| Konstruktion vergrößert und modifiziert: | |
| Gerd Niephaus | |
| Gebaut: | Gerd Niephaus, Ende 2022 |
Im Jahre 1907 erhielt Ossian Ringbom ein Patent für einen Heißluft Motor, bei dem der Verdrängerkolben nicht mechanisch mit dem Arbeitskolben gekoppelt ist. Das folgende Bild zeigt einen Ausschnitt der Zeichnung des Motors wie sie in der Patentschrift enthalten ist. Man sieht, dass der Aufbau von "Tapper" sehr ähnlich dem von Ringbom in der Patentschrift beschriebenen Aufbau ist.
Man sieht auf der rechten Seite den Verdrängerkolben (13 und 14), der an einer relativ dicken Kolbenstange (16) geführt wird und sich frei in vertikaler Richtung bewegen kann, natürlich durch die Anschläge (18 und 20) begrenzt. Der Verdrängerkolben bewegt sich mit etwas Spiel, also nicht dichtend, im Verdrängerzylinder. Der Verdrängerzylinder wird unter beheizt, im oberen Bereich ist er wassergekühlt. (Am Rande, jedoch nicht wichtig für das Funktionieren: Der Verdrängerkolben besteht aus zwei Teilen, die thermisch voneinander durch eine Isolationsschicht (15) getrennt sind. Dadurch soll eine Wärmeleitung vom warmen zum kalten Teil des Kolbens verhindert werden. Diese thermische Trennung findet man auch beim Verdrängerzylinder.) Der Verdrängerzylinder ist durch ein Rohr (3) mit dem Arbeitszylinder (1) verbunden, in dem sich der Arbeitskolben, durch Pleuel und Kurbel mit der Kurbelwelle verbunden, auf und ab bewegt.
Durch eine Öffnung (2), die im unteren Totpunkt des Arbeitskolbens frei gegeben wird, ist der Arbeitszylinder und damit das gesamte innere System mit dem Außenbereich, wo Atmosphärendruck herrscht, verbunden. Daraus ergibt sich, dass der Druck im Inneren des Motors stets größer oder gleich dem Atmosphärendruck ist.
Wieso wird der Verdrängerkolben bei der Bewegung des Arbeitskolbens bewegt? Auf den Vedrängerkolben wirkt die Schwerkraft, die den Kolben nach unter bewegen will. Gleichzeitig wirkt, gegeben durch den Druck im Inneren des Systems, eine resultieren Kraft auf den Verdrängerkolben, die den Verdrängerkolben nach oben bewegen will. Wie kommt diese Druckkraft zustande? Nun, die Fläche auf der Oberseite des Kolbens ist um die Fläche der (dicken) Kolbenstange kleiner als die Fläche auf der Unterseite des Kolbens . Auf die Fläche der Kolbenstange wirkt der Atmosphärendruck, auf die restlichen Flächen der Druck im Inneren des System (stets größer als oder gleich dem Atmosphärendruck). Es ergibt sich daher eine resultierende Druckkraft nach oben, wenn der Druck größer als der Atmosphärendruck ist. Je größer der Innendruck (bei der Aufwärtsbewegung des Arbeitskolbens), desto größer ist diese resultierende Druckkraft.
Wenn nun Gewicht des Verdrängerkolbens und Druckanstieg im Innneren bei der Aufwärtsbewegung des Arbeitskolbens gut aufeinander abgestimmt sind, bewegt sich der Verdrängerkolben nach oben, wenn sich der Arbeitskolben ein Stück nach oben bewegt hat.
Der von Ringbom in der Patentschrift beschriebene Aufbau hat auch einige Nachteile:
1) Wegen der Ausnutzung der Schwerkraft als eine der treibenden Kräfte der Bewegung des Verdrängerkolbens muss dieser ein nicht zu kleines Gewicht habe. Dies verhindert eine mögliche hohe Drehzahl des Motors.
2) Schwerkraft und Druckkräfte müssen geeignet ausbalanciert werden.
3) Wegen der Ausnutzung der Schwerkraft muss der Verdrängerkolben in senkrechter Lage angeordnet werden; eine horizontale Anordnung ist nicht möglich.
Wie kann man diese Nachteile beseitigen?
Die Lösung ist recht einfach: Man lässt die in der Zeichnung mit der Nummer 2 bezeichnete Öffnung kurz vor dem unteren Totpunkt im Arbeitszylinders weg.
Was passiert dann? Wegen der stets vorhandenen Undichtigkeiten am Arbeitskolben bzw. an der Führungbuchse der Kolbenstange des Verdrängerkolbens stellt sich beim Drehen des Motors der Druck nach einiger Zeit im System so ein, dass bei etwa mittlerer Stellung des Arbeitskolbens Atmosphärendruck im Inneren herrscht. Steht der Arbeitskolben näher zum oberen Totpunkt, herrscht Überdruck im System, steht der Arbeitskolben näher zum unteren Totpunkt, herrscht Unterdruck im System, jeweils bezogen auf den Atmosphärendruck. Damit kann die Bewegung des Verdrängerkolbens allein durch Druckkräfte erfolgen. Man kann den Verdrängerkolben sehr leicht machen, was eine hohe Drehzahl ermöglicht. Der Verdrängerzylinder kann horizontal angeordnet werden. Insgesamt ergibt sich ein stabileres Arbeiten des Motors über einen größeren Drehzahlbereich.
Der Ringbom Stirling "Tapper" ist ohne die Öffnung im Arbeitszylinder gebaut. Diese Modifikation wurde von James R. Senft eingeführt.
Das folgende Video zeigt, wie sich beim "Tapper" der Verdrängerkolben bei geringer Bewegung des Arbeitskolbens um die Mittelstellung bewegt: Bewegung des Verdrängerkolbens
Der Motor läuft dann auch, wenn sich der Verdrängerzylinder in horizontaler Lage befindet: Lauf bei horizontal liegendem Verdrängerzylinder
Hier noch ein Video vom Lauf des Motors in normaler Lage: Ringbom-Stirling "Tapper"