Thermoakustischer Motor (08.2008)
Thermoacoustic engine

Eine weiterer Motor, der in der Kategorie Heißluftmotoren etwas aus dem Rahmen fällt, ist die thermoakustische Maschine.
So eine Maschine reizte mich zum Nachbau, da es meiner Meinung nach keine vom Aufbau her "primitivere" Wärmekraftmaschine gibt.
Das Grundprinzip dieser Maschine ist "uralt".
Das Entstehen von Schwingungen in heißer Luft wurde schon 1777 von Higgins beobachtet, die "singenden Flammen" und auch die Glasbläser kennen das Phänomen von Tönen bei der Glasbearbeitung.
Durch Temperaturgradienten bzw. inhomogene Temperaturverteilungen an begrenzenden Kontaktflächen können akustische Wellen angeregt werden.
Dieses Phänomen kann mit Hilfe des Rijke-Rohrs sehr schön experimentell nachvollzogen werden:
Rijke-Rohr
In einer Glas-Röhre wird die Luft erhitzt und mit Hilfe einer Erregerquelle (z. B. Metallgitter) zum  Schwingen angeregt, so dass sich in der Röhre (Resonator) eine eine stehende Welle ausbildet.
Wie beim Stirlingmotor gibt es auch hier den Zyklus von sich ausdehnendem und zusammenziehenden Gas (Luft).
Während das Rijke-Rohr ein offenes System ist, liegt bei dem thermoakustischen Motor wie beim Stirling-Konzept ein geschlossenes System vor, allerdings ohne Verdrängerzylinder. Das macht die Bauweise auch so einfach.
Im Gegensatz zum "normalen" Stirling wird hier keine heiße Luft in den Arbeitszylinder zum Abkühlen geschoben, sondern ein stehende Welle treibt den Arbeitskolben an, d.h. die Funktionsweise dieses Motors ist nur bedingt mit dem Stirlingmotor zu vergleichen.
Wenn man eine Analogie zum Stirlingmotor herstellen will, dann möge die folgende Erklärung hilfreich sein:
Wenn der Kolben sich in Richtung Regenerator bewegt, dann wird die erhitzte Luft abgekühlt, es entsteht Unterdruck im System und der Kolben bewegt sich weiter in Richtung Regenerator, bis er den unteren Totpunkt erreicht. Jetzt enfernt sich der Kolben vom Regenerator weg und die abgekühlte Luft wird der Flamme zugeführt, wo sie sich wieder aufheizen kann, im System entsteht Druck, der Kolben bewegt sich wieder in Richtung Regenerator und so weiter.
Diese Erklärung hinkt allerdings spätestens dann, wenn der Kolben ohne Schwungrad frei zu schwingen beginnt und wenn dann auch noch der Regenerator entfernt wird, wie im Video unten gezeigt, dann ist die Verwirrung perfekt.

Mit einer Wärmebildkamera aufgenommen, könnte z.B. in unserem Resonator (Reagenzglas) die thermoakustische Schwingung folgendermaßen aussehen:
thermoakustische Schwingungen
eine warme und kalte Zone, die mit einer Frequenz von z.B. ca. 20Hz  (1200 U/min) schwingt.

Die thermoakustische Maschine wird auch als thermoakustischer Stirling oder im angloamerikanischen Bereich auch als Lamina-Flow-Engine bezeichnet.
Zu hören gibt's da sehr wenig, da die Frequenz im Bereich von 2-30 Hz liegt; allerdings ist die theoretische Frequenz  um etliches höher, sie kann sich nur nicht aufgrund der Massenträgheit (Kolben+Schwungrad)  und Reibung des Systems  ausbilden.
Bei der thermoakustischen Maschine ist die Erregerquelle zur Anregung von stehenden Wellen ein Arbeitskolben in Verbindung mit der Heizquelle, einem Regenerator und ganz wichtig einer Blende zwischen Resonator und Arbeitszylinder. Ohne diese Blende kann sich die stehende Welle nicht ausbilden, da sie im Gegensatz zum Rijke-Rohr nicht durch Überlagerung von Wellen entsteht, sondern durch Reflexion an der Blende.
Eine große Temperaturdifferenz im Resonator (Reagenzglas) begünstigt das Entstehen der thermoakustischen Schwingungen, daher ist z.B. ein Resonator aus Aluminium nicht geeignet, da örtlich zuviel Wärmeenergie entzogen wird. Angeblich soll ein Resonator aus Edelstahl auch funktionieren, nur ein Modell hierzu habe ich bisher nicht im Internet entdecken können. Mit einer Aluminiumröhre funktioniert es nicht, das habe ich ausprobiert..
Thermoakustischer Motor
Um den Arbeitsaufwand zu Beginn so gering wie möglich zu halten,  habe ich als Aufheizzylinder ein Schott-Duran-Reagenzglas (155 mm x 15,5 mm) und als Arbeitszylinder eine Glasspritze mit geschliffenem Glaskolben (16 mm  Ø)  genommen. Passende Glasspritzen 10 ml gibt es noch bei ebay.
Das Schwungrad stammt aus einen Videorekorder ( 80 gr schwer, 60 cm Ø), Bodenplatte und Halter sind wie auf dem Bild zu sehen aus Holz. Mit dieser primitiven Ausführung lässt es sich sehr gut experimentieren
Wie das meistens so ist, ..... nach der Fertigstellung rührt sich erst mal gar nichts.
Nach einigem Experimentieren ist es mir dann doch noch gelungen, das Motörchen zum Drehen zu bringen.
Die Drehzahl ist zwar niedrig, vielleicht so 100 U/min, aber immerhin er dreht.
Eine stehende Welle in diesem System zu erzeugen,  ist gar nicht so einfach. Was bei klassischen Verbrennungsmotoren absolut unerwünscht ist, nämlich thermoakustische Schwingungen, die den Verbrennungsablauf stören, sind es genau diese Schwingungen, die wir hier brauchen.
Der Knackpunkt liegt an der Trennstelle zwischen dem Heizzylinder und Arbeitszylinder und dem Hub des Arbeitskolben.
Wenn diese Öffnung (choke) zu groß ist, funktioniert der Motor nicht, d.h. es bildet sich im Reagenzglas keine stehende Welle aus.Thermoakustischer Motor Verbindungsmuffe
Ich habe eine Messingmuffe genommen, um die beiden Zylinder miteinander zu verbinden (mit Silikon, wegen der Elastizität). Die Durchlassöffnung der Muffe war zuerst ca. 12 mm. Ich habe die Öffnung auf  4 mm reduziert, sowie den Kolbenhub von ca. 25 mm auf  ca. 14 mm verringert.
Eine wichtige Rolle spielt auch die im Heizzylinder eingebrachte Edelstahlwolle (Topfkratzer) und deren Länge (ca. 70 mm). Ohne diesen Regenerator funktioniert der Motor sehr schlecht. 
Ich habe in einem weiteren Test den Motor auch ohne Regenerator zum Laufen gebracht !!
 Der Motor muss wesentlich länger aufgeheizt und über das Schwungrad auf Drehzahl gebracht werden, aber schließlich entsteht auch in diesem Fall eine stehende Welle und der Motor läuft von allein weiter. Die Energie dieser Welle ist allerdings wesentlich geringer, als diejenige mit Regenerator!
Die Edelstahlwolle unterstützt  das Temperaturgefälle, das zur Erzeugung der thermoakustischen Welle notwendig ist (Stichwort ->Temperaturgradient).
Der Regenerator (Stack) könnte auch aus dünnen Plättchen aus Kunststoff oder Keramik (Partikelfilter) sein. Daher auch die Bezeichnung "Lamina Flow Stirling" (Achtung , nicht verwechseln mit Laminar Flow!!, hat nichts mit laminarer Strömung zu tun). Hauptsache die Oberfläche des Regenerators ist im Verhältnis zum Volumen groß.
Die Heizquelle muss am Ende des Regenerators in Richtung Arbeitszylinder platziert werden!
Nach den Änderungen war nach einiger Aufheizzeit eine Drehwilligkeit zu erkennen. Der Motor läuft nicht gleich an, sondern das Schwungrad führt zunächst Pendelbewegungen durch, bis die stehende Welle genügend Amplitude erreicht  hat, um das Schwungrad komplett zu drehen. Hier ein Video dieser Erstausführung.
Durch Modifikationen hinsichtlich Heizzylindervolumen, Blendenöffnung, Kolbenhub und Regenerator ist es mir gelungen, ein prächtig funktionierendes Motörchen zu entwickeln.
Dabei hat sich bei einer Reagenzglaslänge von 135-155 mm und einem Innendurchmesser von 14 mm,  ein Kolbenhub von ca. 14 mm als optimal erwiesen. Hierbei ist der obere Totpunkt des Kolbens sehr nahe an der Blende. Wird der obere Totpunkt des Kolbens zurückverlegt, kann auch der Hub vergrößert werden. Als grobe Faustregel gilt:
 

 Hub des Arbeitskolbens ~ Innendurchmesser Resonator
Blendenöffnung ~ 1/3 Innendurchmesser Resonator
je höher der Kompressionsdruck, umso größer sollte das Trägheitsmoment des Schwungrades sein.

Thermoakustischer Motor neue Verbindungsmuffe
Um noch besser testen zu können,  habe ich eine neue Verbindungsmuffe aus Alu gedreht.
Die beiden Zylinder habe ich mit dünnem Teflonband (1/2" x 260", MilSpec T-27730A) umwickelt und vorsichtig in die Alumuffe  eingepresst! So kann ich jederzeit den Motor zerlegen. Den Wulst des Reagenzglases habe ich mit einer Diamanttrennscheibe entfernt.
Die Muffe ist 25 mm lang und hat 22 mm Durchmesser mit Einstichen auf  beiden Seiten in einer Tiefe von je 10 mm passend zu Reagenzglas und Arbeitszylinder. Die Bohrung war zunächst 10 mm.
Um den Hub des Arbeitskolbens einfach zu verstellen, habe ich auf dem Schwungrad einen drehbaren Hebel angebracht.Thermoakustischer Motor Schwungrad
Auf diese Weise kann ich den Hub von 0 mm auf  fast 30 mm verändern! 
Falls die Kolben/ZylinderKombination nicht besonders gut  ist (Reibung/Kompression), dann sollte der Hub mehr als 14-16 mm betragen Wird der Hub größer gemacht, dann sind aber auch keine Drehzahlen über 1200 U/min. möglich!!
Da mir das Schwungrad etwas zu leicht vorkam, habe ich einen Bleistreifen um das Rad gelegt. Das Schwungrad ist nun ca. 140 g schwer. Der Motor läuft damit viel runder und schöner.
Wenn das Schwungrad aus Guss oder Messing gefertigt ist, wird es ohnehin bei einen Durchmesser von ca. 70 mm mindestens 140 g schwer!
Die Bedeutung des Schwungrades sollte nicht unterschätzt werden. Wird es zu leicht gemacht und ist die Kompression gut, dann braucht der Motor länger bis er auf  Touren kommt und "stottert" mehr zu Beginn. Wird das Schwungrad zu schwer gemacht, dann dreht der Motor zwar schön rund, kann dann aber aufgrund der Trägheit nicht so hoch drehen. Es ist eine reine Geschmacksfrage was einem lieber ist.
Das Gesamtgewicht sollte nicht mehr als 140 g haben und die Masse sollte sich mehr nach aussen konzentrieren, ähnlich wie ich es mit dem Bleistreifen gemacht habe.
Für eines der Schwungräder habe ich z.B. ein Kugellager 68x40x9 genommen, den inneren Ring und die Kugeln entfernt und eine Aluscheibe in den äusseren Ring gepresst. Das Schwungrad ist doppelt kugelgelagert.

Zum besseren Verständnis kann man sich die Kombination von schwingendem Kolben und Schwungrad wie ein Feder-Masse-System vorstellen. Wenn das System zum Schwingen angeregt wird und Federkraft und Masse aufeinander abgestimmt sind, dann kann es bei einer bestimmten Frequenz in Resonanz gebracht werden. Auf auf unseren Motor übertragen bedeutet dies, dass durch geschickte Wahl von Kolbenhub, Schwungrad  und Resonatorlänge beträchtliche Drehzahlerhöhungen möglich sind.

Habe noch ein bisschen weiterexperimentiert und herausgefunden, dass für meinen Motor die Öffnung zwischen Arbeitszylinder und Heizzylinder optimal 5 mm ist. Die Drehzahl hat sich glatt verdoppelt.
Meine Experimente haben mir gezeigt, dass der Kolbenhub bzw. der Kompressionsdruck, sowie die Öffnung  (choke) zwischen Heiz- und Arbeitszylinder eine entscheidende Rolle für das Auskoppeln der thermoakustischen Energie in mechanische Energie und damit die Lauffähigkeit des Motors spielt.

Anmerkung zu der thermoakustischen stehenden Welle:
Die stehende Welle breitet sich in unserem Falle im gesamten Reagenzglas bis zur Blende aus, deshalb darf der Regenerator 
( Stahlwolle) nicht zu dicht gepackt in das Reagenzglas gebracht werden sein. Es ist daher auch möglich ein Rohr 
( mit 5 mm Durchmesser) durch den Regenerator zu legen und die Flamme am vorderen Ende des Reagenzglases wirken zu lassen. Die Blende wird quasi nach vorne verlegt.
Die Frequenz der stehenden Welle ist umso höher, je kürzer der  Resonator  bzw. je kleiner das Resonatorvolumen ist. Ich könnte mir vorstellen, dass es möglich ist, auch ohne Blende eine stehende Welle im System zu erzeugen, indem der Kolben in einer Frequenz harmonisch zur  stehenden Welle mitschwingt (Reflexion direkt am Kolben).

Statt der Edelstahlwolle habe ich versuchsweise normale grobe Stahlwolle (Größe2) genommen und damit läuft der Motor sogar noch besser, warum? , die Edelstahlwolle des Topfkratzers war nicht fein genug (zu wenig Oberfläche).
Jetzt sind Drehzahlen bis 1000 U/min möglich, abhängig von der Größe der Flamme (Spiritusbrenner).
Wer einen Motor haben will, der mehr als 1000 U/min drehen soll, der muss selbst hinsichtlich Reagenzglaslänge, Kompressionsdruck (Kolbenhub) ,Schwungradmasse und Blendenöffnung experimentieren. 

Nach längerem Lauf stellt man fest, dass der Arbeitszylinder heißer wird und das Ende des Reagenzglases kühl bleibt. Dies ist ein Zeichen für die richtige thermodynamische Arbeitsweise des Motors.
Wird der Motor länger als 15 Min. ununterbrochen betrieben , dann sollte der Halter für die Alumuffe auch aus Aluminium gefertigt sein (bessere Wärmeabfuhr).
 

    Hier noch einmal die wichtigsten Daten des Motors nach den Verbesserungen:
-   Reagenzglas (Schott Duran) ca. 135 mm lang ohne Wulst, Durchmesser aussen ca. 15,5  mm. Gibt es im Handel als 160x16 mm.
-   Kolben von Glasspritze ca. 16 mm Durchmesser und 25 mm lang und passender Glaszylinder dazu ca. 33 mm lang.
     Glasspritze 10ml gibt es noch bei ebay.
     Glaszylinder kann auch länger sein, falls der Kolben komplett innerhalb des Zylinders laufen soll.
     Alle Glasteile wurden mit einer Proxxon(Dremel)-Kleinbohrmaschine und Diamanttrennscheibe bearbeitet und nass nachgeschliffen.
     Um das Aussplittern des Glases etwas zu verringern, die Trennstelle vorher mit Tesafilm umwickeln.
-   Schwungrad ca.70 mm Durchmesser und ca. 10-14 mm breit, Gewicht ca. 100-140 g.
-   Alumuffe 25 mm lang, 22 mm Durchmesser, 5 mm Bohrung (Blende)
     Jeweils an den Enden 10 mm tiefe Einstiche,  passend für das Reagenzglas und den Arbeitszylinder.
     Gläser mit dünnem Teflonband (1/2"x260", MilSpec T-27730A oder 12 mm x 0,08 mm x 12m) vorsichtig in die Muffe einpressen.
     Achtung, wenn das Glas an der Schnittkante zu sehr "ausgefranst" ist, dann bekommt es nach dem Einpressen schnell Risse.
-   Kolbenhub ca.14 mm. Pleuelstange ca. 50 mm lang. Wenn Drehzahlen über 1000 U/min gewünscht sind, dann muss der 
    obere Totpunkt  des Kolbens ca. 1-2 mm vor der Blende liegen und das Reagenzglas mit Regenerator kürzer sein (siehe unten).
Thermoakustik Motor/Verbindung Pleuel-GlaskolbenDie Verbindung von Pleuel zu Glaskolben erfolgt mit einem "Aluminiumstöpsel".
Dieser wird entweder mit Silikon in den Kolben eingeklebt oder mit einem O-Ring geklemmt. Aluminium dehnt sich mehr aus als Glas!!
 
 

-  Stahlwolle grob (Größe 2) in einer Länge von ca. 70 mm in das Reagenzglas einbringen, aber nicht bis zum Ende schieben,
    sondern ca. 20 mm Luft lassen. Von der Stahlwolle wird in Längsrichtung ein entsprechender Streifen abgeschnitten,
    zu einer Wurst gerollt und dann abgelängt. Stahlwolle nicht zu dicht in das Reagenzglas stopfen!
    Je nach Flammenhöhe und Brennerart sind Drehzahlen von 150 bis 1000 U/min möglich. 
    Die Drehzahl ändert sich auch mit der Lage und Länge der Stahlwolle. Eine Verkürzung auf ca. 2 cm
    kann sich positiv auf die Drehzahl auswirken. Siehe hierzu unten thermoakustischer Motor Opitec spezial.
    Wird die Stahlwolle bei einer vorgebenen Länge des Reagenzglases mehr in Richtung Blende verschoben,
    dann  vergrößert sich die Drehzahl.
thermoakustischer Motor, thermoacoustic engine, lamina flow stirling
Ein einfacher Test zeigt, ob der Motor gut funktionieren wird:
Nach dem Zusammenbau darf das Schwungrad wenn es angeschubst wird nicht einfach stehen bleiben, sondern es muss pendeln.
Tut es das nicht, ist entweder die Kompression zu gering oder die Reibung zu hoch. Der Stift im Schwungrad für den Pleuelantrieb muss parallel zur Schwungradachse sein und auch die Bohrung im Kolben für das Pleuel muss parallel zur Schwungradachse sein!

Wer sich beim Bau an die obigen Vorgaben hält, bekommt mit Sicherheit einen lauffähigen Motor.

Thermoakustischer Motor, thermoacoustic engine
Voilà, der fertige Motor, serienreif  und das Video  dazu.
Normalerweise arbeitet dieser Motor fast geräuschlos, das was Sie
im Video hören sind fettfreie Kugellager und Spiel im Pleuel.
Die im Aluhalter klemmbare Alumuffe läßt sich in gewissen Grenzen
verschieben, so ist ein Feintuning der Drehzahl möglich und der 
Motor lässt sich hervorragend zerlegen.
Dieser Motor lauft .. und läuft ..und läuft, selbst wenn er jahrelang
unbenutzt rumsteht; Flamme drunter und ab geht die Post.

Eine nochmalige Erhöhung der Drehzahl  auf  1600 U/min (Video) ist mir mit einem  100 mm langem Reagenzglas und einem auf  45mm verkürztem Regenerator gelungen. Bei dieser Drehzahl ist bereits ein leichter Brummton zu hören, d.h. der Kolben schwingt mit ca. 26 Hz.
Die theoretische Drehzahl ist bei diesem Motor mindestens doppelt so hoch. Sie kann nur nicht aufgrund von Reibungseinflüssen und Massenträgheit ausgenutzt werden. Ein weiteres Video zeigt, mit welcher kleiner Flamme der Motor noch vernünftig dreht.
Das absolute Minimum an Flamme ist hier zu sehen. Um die Famme überhaupt zu erkennen, mußte ich für die Aufnahme ziemlich abdunkeln.
Solarbetrieb ist mit einer Kondensorlinse (z.B. aus einem Diaprojektor) möglich.
Thermoakustischer Motor Profiausführung

Der krönende Abschluss meiner Experimente ist dieser Edel-Motor
in Alu-Messing-Ausführung mit vergoldeten Messingteilen.
Dies war allerdings nur mit Unterstützung eines befreundeten Modellbauers
( Manfred Becker, Ober-Ramstadt) und seiner professionellen CNC-Fräsmaschine 
(Schwungrad und Logo) zu realisieren. 
Auch die anderen Schwungräder mit geschwungenen Speichen stammen von ihm.
Nochmals vielen Dank Manfred.
Dieser Motor "läuft" mit einer Füllung auf  kleiner Flamme  120 Minuten!
 
 

Eine weitere, sehr elegante Variante dieses Motors besteht darin, das Reagenzglas gleichzeitig als Resonator und Zylinder einzusetzen. Für den Kolben empfehle ich Graphit. Dies einmal wegen der besseren Anpassung an die Rundtoleranz des Reagenzglases (Graphit läßt sich gut schleifen) und zum anderen wegen sehr geringen Wärmeausdehnung des Graphits. Bei einem Metallkolben ist der Glasbruch vorprogrammiert.
Die Blende zwischen Resonator und Zylinder besteht aus einem Stück Rund-Alu mit 5 mm-Bohrung.. Das Aluteil wird mit einem O-Ring im Reagenzglas festgehalten. Die einzige Schwierigkeit besteht nun darin, das Reagenzglas bruchsicher zu fixieren.

thermoakustischer Motor, thermoacoustic engine, lamina flow stirling
 

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Rupp-Motor umgebaut zu einem thermoakustischen Motor
Nanu, ein neuer Rupp-Manson Motor? (03.2011)

Nein, dies ist der Versuch auf der Basis des Rupp-Motors einen weiteren sehr kompakten thermoakustischen Motor zu "zaubern". Und in der Tat, er funktioniert.
Probleme gab es insofern, weil der Hub und die Pleuellänge festgelegt waren, und auch ein kleines Kugellager im Pleuel nicht möglich war.
Ob so ein kleines Kugellager überhaupt was bringen würde, bleibt dahin gestellt.
Durch das kurze Pleuel (25 mm)  und den kleinen Hub (9 mm)  sind schon minimale Reibungsverluste im Übergang Kolben zu Pleuel und Pleuel zum Schwungradantrieb "tödlich". Aber nach mehreren Nacharbeiten ist es mir gelungen, das Motörchen auf ca. 2000 U/min ! zu bringen, allerdings nur in eine Drehrichtung, in die andere Richtung schafft er diese Drehzahl nicht. Vermutlich ist dies doch auf geringste Unsymmetrien in der Ausführung zurückzuführen. Im Video  kann die Drehzahl eher gehört als gesehen werden. Der gerade schon hörbare Brummton deutet allerdings auf eine Kolbenfrequenz von mehr als 25 Hz hin.
Der Kolben  (15 mm Ø) ist aus Graphit und läuft im Aluzylinder. Das Reagenzglas ist 90 mm lang. Ein 70 mm kurzes Reagenzglas hat auch noch funktioniert, nur wird nach 10 min. Laufzeit das Ende des Reagenzglases, das kühl bleiben muss, so heiß, dass der Motor nur noch lustlos dreht.
Ein sehr interessanter Effekt ergab sich bei einer Drehzahl zwischen 2000 und 2500 U/min. Der Motor wurde auf einmal ganz leise, d.h. der Kolben bewegte sich in einer Frequenz harmonisch zur Drehzahl zur Schwungscheibe, so dass keinerlei Druck mehr auf das Pleuel ausgeübt wurde und das Spiel im Pleuel nicht mehr hörbar war. Ich schließe daraus, dass bei dieser Drehzahl auch die höchstmögliche Frequenz der thermoakustischen Schwingung im Resonator erreicht wurde und diese lag bei etwa 35-40 Hz.
Eine Drehzahlabschätzung läßt sich übrigens ohne Drehzahlmesser sehr einfach mit Hilfe des stroboskopischen Effektes ermitteln:
 wird z.B. eine drehende Scheibe mit einem schwarzen Punkt in das Licht einer Leuchstofflampe gehalten (sie flackert mit 50 Hz), dann bleibt der Punkt bei 6000 U/min scheinbar stehen. Sind 2 stehende Punkte zu sehen ist die Drehzahl 3000 U/min, bei 5 stehenden Punkten 1200 /min usw. Hat ein Schwungrad nun 5 Speichenräder, dann bleiben die Speichen auch bei 1200 U/min scheinbar stehen oder sind 10 Speichen zu sehen, dann ist die Drehzahl 600 U/min.
Graphitkolben thermoakustischen Motors Hinsichtlich einer geringeren Reibung mit einem Kugellagers im Pleuel haben sich meine Vermutungen bestätigt, dass so ein kleines Kugellager nichts mehr bringt, um höhere Drehzahlen zu erreichen. Ich habe mich dazu hinreißen lassen, es doch einmal auszuprobieren. Ich konnte so ein kleines Kugellager (1,5x4x1,2 mm) in ebay (roeco2005) auftreiben.
Es zeigte sich, dass die Drehzahl 2000 U/min nicht mehr erreicht wird. Bei so hohen Drehzahlen ist die Reibung eines Kugellagers anscheinend größer, als wenn das Pleuel nur in einem Zapfen geführt wird. Es gibt jedoch einen Vorteil mit diesem kleinen Kugellager, die Laufgeräusche sind erheblich geringer, weil es jetzt absolut kein Spiel mehr im Pleuel zum Schwungradantrieb gibt.

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Thermoakustischer Motor Opitec spezial (06.2015)

Dieser Motor ist für diejenigen Modellbauer gedacht, die ohne eine Glasspritze einen thermoakustischen Motor basteln wollen.
Das Besondere bei diesem Motor ist die Möglichkeit, günstig einen fertigen Arbeitszylinder mit Kolben und Kolbenstift  von Opitec als Ersatzteil ( Nr. 802510+802521+269266) vom Gamma-Stirling zu beziehen. Diese Teile (Zylinder+Kolben+Stift) sind zusammen für 6,65 Euro erhältlich (Stand 05.2015).
Die Zylinder-Arbeitskolbenkombination ist so leichtgängig und dicht wie eine Glasspritze, sie darf nur nicht geölt werden. Wer nicht in der Lage ist auf seiner Drehmaschine so eine Kombination herzustellen - die Genauigkeit müsste schon besser als 10µm sein - der ist mit diesem Fertigteil bestens bedient.

Teile thermoakustischer Motorthermoakustischer Motor
Der Zylinder hat an der Seite ein 8 mm Sackloch mit 3 mm-Bohrung, dadurch bietet sich eine vertikale Anordnung geradezu an. Die Bohrung wird auf 6 mm aufgebohrt und in das Sackloch ein Aluzwischenstück mit einer 5 mm Bohrung und entsprechenden O-Ringen zum Fixieren des Reagenzglases eingepresst.
Das Fixieren funktioniert aber nur dann problemlos, wenn die Nut im Aluteil und die O-Ringe so gewählt werden, dass das Regeagenzglas nicht zu stramm über die O-Ringe geschoben werden muss. Das Bruchrisiko für das Reagenzglas ist ziemlich groß. Mit ein wenig Silikonfett auf den O-Ringen läßt sich das Regenzglas leichter über die Ringe schieben..
Der abgeschrägte Teil des Zylinders wird rundgedreht, um auch hier ein Alurundteil einpressen zu können.
Gegenüber der der seitlichen Bohrung des Zylinders wird eine Fräsung von ca. 2 mm Tiefe angebracht, um dann ein Messingvierkant 8x8 mm mit zwei 3er Gewindenlöchern weich einzulöten. Hart löten würde ich nicht empfehlen, da durch die größere Hitze der Zylinder in der Maßhaltigkeit gefährdet ist. Die Gewinde dienen zum Befestigen des Schwungradhalters.
Die übrigen Daten (Pleuel und Hub) ensprechen den obigen Angaben. Das Messing-Schwungrad ist 5 mm breit, hat einen Durchmesser von 50 mm und ist doppelt kugelgelagert.
Auch dieser Motor läuft problemlos (Video), wenn das Pleuel mit Kugellager sauber gebohrt wird und beim Drehen des Schwungrades nicht klemmt.
Das habe ich auch wieder bei diesem Motor festgestellt :->  kleinste Abweichungen in der Parallelität von Schwungradachse und Pleuelachse und der Motor kommt nicht auf Drehzahl. Wenn im Pleuel kein Kugellager verwendet wird, ist die Genauigkeit nicht ganz so wichtig. Bei höheren Drehzahlen jedoch "wandert" das Pleuel hin und her und bremst die Drehzahl. Wenn ein Kugellager im Pleuel eingesetzt wird darauf achten, dass ein gutes genommen wird, das die hohen Drehzahlen verkraftet. Mein Motor kam aus heiterem Himmel nur noch in einer Drehrichtung auf Touren. Die Ursache war das Kugellager im Pleuel.
Nachdem ich mit mehreren Kugellagern immer wieder Probleme hatte, habe ich auf Gleitlager umgestellt. Die kleinen Kugellager sind für so hohe Drehzahlen nicht geeignet. Es gab immer wieder ungewollte Drehzahländerungen, Mit dem Gleitlager ist das jetzt vorbei. 
Gleitlager Opitec spezial
Dieser Motor läuft, wie bereits oben schon beschrieben auch ohne den Regenerator, wenn er von Hand auf Drehzahl gebracht wird.
Das folgende Video beweist es. Die Drehzahl und Leistung ist aber viel niedriger.
Es genügen anscheinend geringste Verunreinigungen und Druckänderungen im Reagenzglas, um die thermoakustischen Schwingungen auszulösen.
Ich habe nach diesem Experiment den Regenerator auf 2 cm gekürzt und er läuft damit noch besser. Er erreicht jetzt Drehzahlen von über 2000 U/min., aber nur wenn ein sehr reibungsarmes Kugellager ohne Schmierung verwendet wird. Der kürzere Regenerator beweist, dass ein zu langer und zu dicht gepackter Regenerator die Schwingungen "ausbremst".

Achtung: bei den hohen Drehzahlen kann der Kolben hin und wieder klemmen, da er trocken läuft. Das ist am Drehzahlabfall zu erkennen.
In diesem Fall den Kolben und Zylinder vorsichtig säubern und Abrieb entfernen. Habe ich schon mehrfach mit Erfolg praktiziert. 
Wenn der Motor geölt wird ( z.B. Petroleum) dann läuft er nur widerwillig oder gar nicht an.

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Thermoakustische Maschine als Freikolbenmotor/free piston engine (01.2010)

free piston thermoacoustic engineIn einem weiteren Versuch habe ich den thermoakustischen Motor ohne Schwungrad ausprobiert. Der Kolben sollte dann aufgrund der thermoakustischen Schwingungen frei schwingen. Und in der Tat macht er dies auch (Video). 
Dazu mus nach einer gewissen Aufheizzeit der Kolben "angeschubst" werden. Der Gummiring verhindert, dass der Glaskolben an die Alublende knallt.
Die Schwingungweite (der Hub) des Kolbens ist umso größer, je weiter der Kolben in der Ausgangsstellung von der Blende entfernt war. Hier gibt es eine Übereinstimmung mit meinen obigen Versuchen mit Schwungrad, wonach der Hub des Kolbens kleiner sein kann, wenn der obere Totpunkt des Kolbens nahe an der Blende ist. Wird allerdings der Kolben sehr weit von der Blende entfernt (hier ca. 4cm) zum Schwingen gebracht, dann bricht die thermoakustische Welle nach einiger Zeit zusammen.

Der freischwingende Kolben zeigt eindeutig, dass nicht wie beim herkömmlichen Stirling Luft mit Hilfe des Verdrängers hin und hergeschoben wird zum Aufheizen und Abkühlen, sondern dass tatsächlich eine stehende Welle den Kolben bewegt. 
Der thermoakustische Motor unterliegt zwar den Regeln des Carnot-Kreisprozesses, der gravierende Unterschied zum Stirlingmotor besteht aber darin, dass ein Schwungrad zur Überwindung der Totpunkte nicht notwendig ist.

In einem späteren Versuch will ich testen, ob nennenswerte Energie mit Hilfe eines Lineargenerators erzeugt werden kann. Dazu wird in den Glaskolben ein Magnet eingebracht und um den Zylinder kommt die Spule, vielleicht kann ich dazu Teile einer Schüttel-Taschenlampe verwenden.
Mittlerweile habe ich den Versuch den thermoakustischen Freikolbenmotor als Generator einzusetzen, durchgeführt.
Um es vorwegzunehmen, das Ergebnis ist enttäuschend.
In den Kolben habe ich einen Stabmagnet Neodym 12 x 25 mm eingebracht und um den Zylinder eine Spule mit den Maßen 30 x 30 mm gelegt. Die Spule hat ca 1000 Wdg. 0,2 CuL mit einem Widerstandswert von ca. 40 Ohm. Die Ausgangsspannung beträgt  ~3 Vss. Diese wird mit Germaniumdioden (wegen der geringen Durchlassspannung) gleichgerichtet und bringt eine Leuchtdiode älterer Generation gerade so zum Leuchten  d.h. die Leistung beträgt höchstens 5-10 mW. thermoakustischer Generator
Ich habe im Januar 2015 das Experiment mit 2 LED neuerer Generation - antiparallel  an die Spule ansgeschlossen - durchgeführt und siehe da, jetzt könnte man glauben, was für eine Power  der Motor auf die Beine bringt (siehe hierzu auch meinen kritischen Kommentar unter Bemerkungen zu Heißluftmotoren).
Ich könnte mir vorstellen, dass durch Optimierung noch ewas mehr rauszuholen ist, aber mehr als 20 mW ist meiner Meinung nach nicht drin, d.h. mit der thermoakustischen Energie ist auf diesem Wege kein Blumentopf zu gewinnen, vor allem, wenn man noch berücksichtigt, dass der eingesetzte Brenner eine Leistung von ca. 15 Watt hat!
Industriell wird der thermoakustische Motor in anderer Bauform (meist mit einer Membran statt Kolben) eingesetzt, um elektrische Energie mit Hilfe eines Lineargenerators zu gewinnen.
thermoakustischer GeneratorIm Internet habe ich die Skizze eines solchen thermoakustischen Generators endeckt.
Eine weitere Möglichkeit Energiezuwachs zu erhalten, besteht darin, die thermoakustische Welle in  einen Helmholtz-Resonator  einzukoppeln.
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Quelle: Robert Sier; http://www.stirlingengines.org.uk/

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