3B Scientific Low Temperature Stirling Engine Kit User Manual [en, de, es, fr, it]

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PHYSICSPHYSICS

PHYSICS

PHYSICSPHYSICS

Niedrigtemperatur Stirlingmotor, Bausatz U10061

Bedienungsanleitung

08/05 ALF

cm

bq

bo bp

br

bs

bt

cp

bu
co

bn

bm

bl

9

cn

8

7

6

5

4

cr

cl
cq

ct

cs

1

2

3

1 Oberplatte

2 Gehäusewand

3 Unterplatte

4 Verdränger

5 Verdrängerbuchse

6 Verdrängerstange

7 Arbeitskolben

8 Arbeitskolbenbuchse

9 Arbeitszylinder

bl Winkel

bm Pleuel, kurz

bn Pleuel, lang

bo Kurbelwange

bp Einsatz

bq Kurbelscheibe

br Lagerbuchse

bs Schwungrad

bt O-Ring (2x)

bu Kugellager (4x)

cl Kurbelwelle

cm Kurbelzapfen

1

cn Zylinderstift 1x8 (2x)

co Zylinderkopfschraube M3x8

cp Senkkopfschraube M2x3

cq Gewindestift M2x5

cr Distanzscheibe (6x)

cs Klemmscheibe, breit (3x)

ct Klemmscheibe, schmal

Der Niedrigtemperatur Stirlingmotor dient der Veran­schaulichung der Arbeitsweise und des prinzipiellen Auf­baus eines Stirlingmotors.

1. Beschreibung, technische Daten

Der Niedrigtemperatur Stirlingmotor wird schon durch
Zuführung von Handwärme in Bewegung gesetzt, wobei
hierfür nur eine Temperaturdifferenz zwischen Boden­und Oberplatte von ca. 5 ºC erforderlich ist. Der Arbeitszy­linder besteht aus Präzisionsglas, Verdrängerzylinder und
Schwungrad aus Acrylglas, daher lassen sich die Bewe­gungen von Arbeits- und Verdrängerkolben sowie Kur­belantrieb gut beobachten. Kurbelwelle und Pleuel sind
in Präzisions-Miniaturkugellager gelagert, um Reibungs­verluste zu minimieren. Aufgrund der mattschwarzen
Beschichtung der Oberplatte lässt sich der Stirlingmotor
auch als Solarmotor betreiben.

Drehzahl: ca. 80 U/min bei ∆T 10ºC
Schwungrad: 110 mm Ø
Abmessungen: 138 mm x 110 mm Ø

2. Montageanleitung

2.1 Endbearbeitung

• Alle grathaltigen Bauteile mit einer Schlichtfeile bzw.

einem Dreikantschaber entgraten.

• Je nach persönlichem Anspruch ggf. etwaige Werk-

stückflächen schleifen.

2.2. Montage

2.2.1. Herstellen der unlösbaren Verbindungen

• Als Klebstoff empfehlen wir die Verwendung von

„UHU plus endfest 300“ oder „UHU plus schnellfest“
2-Komponenten Epoxidharz-Kleber. Um die Beschich­tung der Oberplatte nicht zu zerstören, vermeiden Sie
den Kontakt mit Lösungsmitteln. Aufgrund der ver­schiedenen Ausdehnungskoeffizienten der Werkstof­fe, erwärmen Sie bei der Aushärtung keinesfalls diese
Bauteile. Die Aluminium-Teile würden beim Erkalten
wesentlich mehr schrumpfen als der Glaszylinder und
somit Spannungen auf ihn ausüben - folglich würde
sich der Innendurchmesser des Arbeitszylinders ver­ringern oder dieser gar brechen. Grundsätzlich soll­ten die Verbindungen bei ca. 20°C verklebt werden.

1. Den Arbeitszylinder 9 bei Raumtemperatur mit dem
Winkel bl und anschließend mit der Oberplatte 1
verkleben.

2. Kugellager bu in der Lagerbuchse br befestigen.
Hierzu ein Kugellager bu auf die Kurbelwelle cl
schieben und dessen Umfangfläche an zwei oder drei
Punkten mit einem dünnen Klebstoff-Film versehen.
Das Kugellager bu nun in eine der beiden Ausdre­hungen der Lagerbuchse br schieben. Überschüssi­gen Klebstoff ggf. mit einem in Spiritus getränkten
Lappen entfernen. Dabei unbedingt von innen nach
außen wischen, um das Eindringen von Klebstoff in
das Kugellager zu verhindern. Von der anderen Seite
das zweite Kugellager bu auf die Kurbelwelle cl

schieben und wie zuvor verfahren. Zur optimalen
axialen Ausrichtung der beiden Kugellager bu belas­sen Sie die Kurbelwelle cl bis zur Aushärtung des
Klebstoffs in dieser Position.

3. Den Einsatz bp in die Aussparung der Kurbelscheibe

bq kleben. Dabei darauf achten, dass beide Klebeflä-

chen plan aufeinander liegen. Auf der Umfangfläche
des Einsatzes bp befindet sich eine Markierung. Die­se Markierung nach der Querbohrung der Kurbelschei­be bq ausrichten.

4. Nun den Kurbelzapfen cm in die Bohrung des Einsat­zes bp kleben.

5. Je einen Zylinderstift cn in die Bohrung der Ver­drängerstange 6 sowie des Arbeitskolbens 7 kle­ben. Dabei dürfen auf den Laufflächen der Zylinder­stifte cn keinerlei Klebstoffreste verbleiben. Hierzu
den Zylinderstift bis auf ca. 2 mm in die entsprechen­de Bohrung führen und das noch herausragende Ende
mit etwas Klebstoff versehen. Anschließend den Zy­linderstift cn auf seine vorgesehene Position schie­ben und Klebereste wie bereits beschrieben entfer­nen. Darauf achten, dass der Zylinderstift cn des
Arbeitskolbens 7 etwas versenkt eingeklebt wird,
damit dieser später nicht die Lauffläche des Arbeits­zylinders 9 beschädigt.

6. Beim Kleben der Verdrängerbuchse 5 in die Boh­rung des Verdrängers 4 wie folgt vorgehen. Die
Verdrängerstange 6 in die Arbeitskolbenbuchse 8
und anschließend den Arbeitskolben 7 in den Ar­beitszylinder 9 schieben. Nun die Verdrängerbuch­se 5 auf die Verdrängerstange 6 stecken. Diese in
die Bohrung des Verdrängers 4 kleben und die Bau­gruppe auf die untere Seite des Verdrängers 4 stel­len, so dass Oberplatte 1 und Verdränger 4
einander berühren. Diese Bauteile bis zur vollständi­gen Aushärtung des Klebstoffs in dieser Position be­lassen, um die Parallelität zwischen Verdränger 4
und Oberplatte 1 zu gewährleisten.

7. Abschließend die Lagerbuchse br in die Bohrung
des Winkels bl kleben.

2.2.2. Herstellen der lösbaren Verbindungen

1. Die Kugellager bu in die Bohrungen der Pleuel bm
und bn drücken. Alle Kugellager sind im Anliefe­rungszustand ungeschmiert. Um einen freien Lauf
der Kugellager bu zu gewährleisten, bei der Montage
stets die mitgelieferten, etwas balligen, Distanzschei­ben cr verwenden. Dabei muss jeweils die ballige
Seite der Distanzscheibe cr dem Kugellager bu zu­gewandt montiert werden.

2. Die erste Distanzscheibe cr, das lange Pleuel bn, die
zweite Distanzscheibe cr sowie die Kurbelwange bo
auf den Kurbelzapfen cm schieben. Dabei soll sich
die kleine Markierung auf der Umfangfläche der Kur­belwange bo in der Draufsicht rechts vom Kurbel­zapfen cm befinden. Diese Markierung nach der des
Einsatzes bp ausrichten.

3. Die erste breite Klemmscheibe cs, das lange Pleuel

bn sowie die zweite breite Klemmscheibe cs auf

den etwas gefetteten Zylinderstift cn des Arbeitskol-

2

bens 7 schieben. Der Bohrungs-Ø der breiten Klemm-
scheibe cs ist auf einer Seite etwas größer, so dass
sie sich leichter auf den Zylinderstift cn schieben
lässt.

4. Den Arbeitskolben 7 in den Arbeitszylinder 9
führen. Der Arbeitskolben

linder

Ebenso ist die gesamte Mechanik für den Trocken­lauf ausgelegt und bedarf daher keiner Schmierung.

5. Nun die Kurbelscheibe bq mit dem Gewindestift cq
auf der Kurbelwelle cl befestigen, auf der zuvor die
Distanzscheibe cr geschoben wurde. Eine weitere
Distanzscheibe cr sowie das Schwungrad bs auf die
andere Seite der Kurbelwelle cl schieben unter Bei­behaltung eines minimalen axialen Spiels.
Gegebenenfalls das Schwungrad bs mit etwas Kleb­stoff auf der Kurbelwelle cl fixieren.

6. Die schmale Klemmscheibe ct, das kurze Pleuel bm,
sowie die dritte breite Klemmscheibe cs auf den
etwas gefetteten Zylinderstift cn der Verdrängerstange

99

9 trocken, d. h. keinesfalls schmieren !

99

77

7 läuft im Arbeitszy-

77

6 schieben und die Verdrängerstange 6 in die

Arbeitskolbenbuchse 8 führen.

7. Nun das kurze Pleuel bm mit der Zylinderkopfschrau­be co an der Kurbelwange bo unter Verwendung
der Distanzscheiben cr befestigen.

8. Vorsichtig die in den Verdränger 4 eingeklebte Ver­drängerbuchse 5 auf die Verdrängerstange 6 schie-
ben.

9. Den O-Ring bt in die Unterplatte 3 einlegen und
diese, unter konstant kräftigem Druck, in die Gehäu­sewand 2 drücken. Zur Erleichterung dieses Vor­ganges kann vorher der O-Ring bt mit etwas Ge­schirrspülmittel einbalsamiert werden.

10. Die Oberplatte 1 von der anderen Seite ebenso in
die Gehäusewand 2 drücken. Die Lösung dieser
Verbindung erfolgt (bei Bedarf), indem ein schlanker
Keil (z.B. Schraubendreher) zwischen Oberplatte 1
und Gehäusewand 2 geschoben wird. Gegebenenfalls
kann vorher in die Stirnfläche der Gehäusewand 2
eine kleine Aussparung gefeilt werden, um das Ein­dringen dieses Werkzeuges zu erleichtern.

2.3. Feinjustierung

• Ziel der Feinjustierung ist es, dass bei einer Umdre-

hung jeweils nur eine minimale Distanz zwischen
Verdränger 4 und Ober- bzw. Unterplatte besteht.

• Nach Ausrichtung der Markierungen auf dem Einsatz

bp und der Kurbelwange bo ist der Verdrängerhub

noch zu klein. Durch geringfügiges Verdrehen der
Kurbelwange bo auf dem Kurbelzapfen lässt sich
dieser vergrößern (siehe Explosionszeichnung).

• Bei anschließender Drehung des Schwungrads bs

wird die Verdrängerbuchse 5, bei Berührung des
Verdrängers 4 mit der Oberplatte 1, auf der Ver­drängerstange 6 verschoben.

• Den Verdrängerhub soweit vergrößern, dass bei ei-

ner Umdrehung der Verdränger 4 jeweils leicht an
die Ober- und Unterplatte anschlägt.

• Sodann den Verdrängerhub wiederum ein wenig ver-

kleinern, indem die Kurbelwange bo minimal zu­rückgedreht wird.

• Eine jeweils einheitliche minimale Distanz zwischen

Verdränger 4 und Ober-bzw. Unterplatte sollte nun
vorhanden sein.

• Zuletzt die Kurbelwelle cl drehen, so dass der Ar-

beitskolben 7 in der Mitte seines Hubes verbleibt.
Dann die Senkkopfschraube cp fest in die Oberplat­te 1 schrauben.

3. Funktionsprobe

• Den Stirlingmotor auf die Handfläche oder eine er-

wärmte Fläche z.B. auf eine Tasse mit heißem Wasser
platzieren.

• Nach ca. 1-2 Minuten hat sich die Bodenplatte genü-

gend erwärmt. An warmen Tagen kann die Tempera­turdifferenz zu gering sein. Die Oberplatte dann even­tuell mit einem feuchten Tuch abkühlen.

• Das Schwungrad im Uhrzeigersinn (Blickrichtung auf

Kurbelwelle) in Bewegung setzen.

• Der Stirlingmotor läuft entgegen dem Uhrzeigersinn,

wenn die Oberplatte erwärmt wird z.B. durch Son­neneinstrahlung oder eine Leuchte. In diesem Fall
den Stirlingmotor auf eine kühle Unterlage z.B. Fens­terbank stellen.

3

6

co

cs

cn

5

cr

bu

cr

bo

ctbm

cr

bu

cm

cs

cr

bp

bq

cr

bu

bn

cs
cn

7

8
4

br

cr

cl

bu

bs

cq

bl

9

cp
1

V

bo

V: Verdrängerhub vergrößern,
M: Markierungen

4. Aufbewahrung und Reinigung

• Der Stirlingmotor erfordert keine Schmierung.

• Den Stirlingmotor staubfrei lagern.

M

bt

2

bt

3

• Zur Reinigung des Stirlingmotors feuchtes Tuch ggf.

mit etwas Spülmittel verwenden. Acrylglasteile nie
mit Lösungsmitteln oder aggressiven Putzmitteln rei­nigen.

3B Scientific GmbH • Rudorffweg 8 • 21031 Hamburg • Deutschland • www.3bscientific.com • Technische Änderungen vorbehalten

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Low-temperature Stirling motor kit U10061

Instruction sheet

08/05 ALF

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PHYSICS

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cm

bo bp

bq

br

bs

bt

cp

bu
co

bn

bm

bl

9

cn

8

7

6

5

4

cr

cl
cq

ct

cs

1

2

3

1 Top plate

2 Wall of housing

3 Bottom plate

4 Displacer

5 Displacer socket

6 Displacer rod

7 Main piston

8 Main piston socket

9 Main cylinder

bl Bracket

bm Short connecting rod

bn Long connecting rod

bo Crank face

bp Insert

bq Crank disc

br Bearing socket

bs Flywheel

bt Gaskets (2x)

bu Ball bearings (4x)

cl Crankshaft

cm Crankshaft journal

5

cn Cylinder rods 1x8 (2x)

co Cylinder head screw M3x8

cp Countersunk screw M2x3

cq Threaded rod M2x5

cr Washers (6x)

cs Wide clamping discs (3x)

ct Narrow clamping disc

The low-temperature Stirling motor demonstrates how a
Stirling motor operates as well as the principles of its
design.

1. Description, technical data

The low-temperature Stirling motor is set in motion even
by the heat of the human hand. It only requires a tem­perature difference of 5°C between the ground and the
top plate. The main cylinder is made of precision glass.
The displacer cylinder and the flywheel are transparent
acrylic so that the motion of the main piston, the dis­placer piston and the crank drive can all be seen clearly.
The crankshaft and connecting rods have miniature pre­cision bearings to minimise friction. Due to the matt black
coating of the top plate, the Stirling motor can also be
operated using solar power.

Speed: 80 rpm approx. at ∆T 10ºC
Flywheel: 110 mm Ø
Dimensions: 138 mm x 110 mm Ø

2. Assembly instructions

2.1 Finishing

• All components with burred edges should have their

burrs filed off using a flat or triangular file.

• File down the surfaces on any workpieces if desired.

2.2. Assembly

2.2.1. Making a permanent assembly

• We recommend use of “UHU plus endfest 300”, “UHU

plus schnellfest” or similar 2-component epoxy resin
adhesive. In order to prevent damage to the coating
of the top plate, avoid any contact with solvents.
Owing to the differing expansion coefficients of the
materials, do not allow any of the components to
increase temperature during the hardening of the
adhesive. Aluminium will contract much more on
cooling than the glass cylinder, thus creating tension
in the glass leading to a decrease in the internal di­ameter of the main cylinder or possibly even causing
it to break. Glueing together to make the connections
should generally be performed at a consistent tem­perature of approximately 20°C.

1. Glue the main cylinder 9 to the bracket bl at room
temperature, then glue it to the 1 top plate.

2. Fasten the bearings bu inside the bearing socket br.
Force the ball race bu onto the crankshaft cl and
apply a thin adhesive film to three points on its outer
surface. Then push the ball race bu into one of the
two recesses of the bearing socket br. Any surplus
adhesive should be removed with a cloth soaked in
white spirit. Always wipe towards the outside when

doing this to prevent adhesive penetrating into the
bearings. From the other side push another ball race

bu onto the crankshaft cl and proceed as before. To

achieve best alignment of the two ball races bu leave
the crankshaft cl in the same position until the
adhesive has hardened.

3. Glue the insert bp into its recess in the crank disc bq.
Make sure that both surfaces being adhered are flush
together. There is a marking on the outer surface of
the insert bp. Align this marking along the transverse
bore of the crank disc bq .

4. Next, glue the crank shaft journal cm into the bore of
the insert bp.

5. Glue cylinder rods cn into the bore of the displacer
rod 6 and the main piston 7. No adhesive residue
whatever may remain on the running surfaces of the
cylinder rods cn. Push the cylinder rods into the
relevant bores till about 2 mm protrudes and apply a
small amount of adhesive to the protruding end. Then
push the cylinder rod cn into its correct position and
remove any surplus adhesive as above. Make sure
the cylinder rod cn of the main piston 7 is glued so
that it is slightly recessed so that it does not damage
the running surface of the main cylinder 9 later on.

6. When glueing the displacer socket 5 into the bore
of the displacer 4 proceed as follows. Push the
displacer rod 6 into the main piston’s socket 8
then push the main piston 7 into the main cylinder

9. Next, attach the displacer socket 5 to the dis-

placer rod 6. Glue this into the bore of the displacer

4 and position the complete module on the under-

side of the displacer 4 so that the displacer 4 just
touches the top plate 1. Leave these components
in this position until the adhesive has fully hardened
to ensure that the displacer 4 and top plate 1
remain parallel.

7. Finally glue the bearing socket br into the bore of
the bracket bl.

2.2.2. Making a temporary assembly

1. Press the ball race bu into the bore of the connecting
rods bm and bn. All the bearings are supplied with­out lubricant. To ensure that the bearings bu run
smoothly always use the supplied, semi-spherical
washers cr in the assembly. The spherical side of the
washers cr should face the ball bearing bu.

2. Push the first washer cr, the long connecting rod

bn, the second washer cr and the face of the crank
bo onto the crankshaft journal cm.The small mark-

ing on the edge of the crank face bo should be to the
right of the crankshaft journal cm as seen in the
diagram.

3. Push the first wide clamping disc cs, the long con­necting rod bn and the second wide clamping disc

cs onto the cylinder rod cn of the main piston 7,

having lubricated it slightly first. The diameter of the

6

clamping disc’s cs bore is greater on one side than
the other so that it is easier to slide it onto the cylin­der rod cn.

4. Slide the piston rod 7 into the main cylinder 9.

The main piston
with no lubrication so do not attempt to apply any
lubricant! The entire mechanism is also designed to

run with no lubrication so that no lubricant is neces­sary.

5. Now attach the crank disc bq with its threaded rod

77

7 moves inside the cylinder

77

99

9

99

cq to the crankshaft cl having first inserted a wash-

er cr. One more washer cr and the flywheel bs
should now be slid onto the other side of the crank­shaft cl, making sure that there is as little axial play
as possible. If necessary, attach the flywheel bs to
the crankshaft cl with a little bit of glue.

6. The narrow clamping disc ct, the short connecting
rod bm, and the third wide clamping disc cs are next
to be slid onto the cylinder rod cn of the displacer

6, having first applied a little lubricant. Then slide

the displacer rod 6 into the main piston socket 8.

7. Now attach the short connecting rod bm to the crank
face bo separated by a washer cr using the cylinder
head screw co.

8. Carefully slide the displacer socket 5 onto the dis­placer rod 6, having first glued it into the displacer

4 itself.

9. Lay the O-ring gaskets bt inside the bottom plate

3 and press them into the side of the housing 2

using constant, firm pressure. To make this easier,
the O-ring gasket bt can first be lubricated with some
washing-up liquid.

10. Press the top plate 1 into the other side of the
housing 2 in a similar way. This connection can be
undone when necessary, by pushing a small wedge
(e.g. a small screwdriver) between the top plate 1
and the housing 2. If necessary a small opening
can be filed into the side of the housing 2 to make
inserting the tool easier.

2.3. Fine adjustment

• Fine adjustment is required to ensure that there is
only minimal separation between the displacer 4
and the top or bottom plate.

• After aligning the marking to the insert bp and the

crank face bo the stroke of the displacer should be
slightly too short. By turning the crank face bo on
the crankshaft journal a little bit it can be made long­er (see exploded view, next page).

• Turning the flywheel bs afterward forces the dis-

placer socket 5 onto the displacer rod 6 when the
displacer 4 meets the top plate 1.

• Make the stroke of the displacer long enough so that

in one revolution the displacer 4 touches gently
against both the top plate and the bottom plate.

• Then shorten the stroke very slightly by turning the

crank face bo back a tiny bit.

• The displacer 4 and the top or bottom plate should

now be separated by a very small but even amount.

• Finally, turn the crankshaft cl so that the main pis-

ton 7 is in the middle of its stroke. Then firmly
screw the countersunk screw cp into the top plate

1.

3. Test of functionality

• Place the Stirling motor on the palm of your hand or

a surface that is heated, e.g. on top of a cup of hot
water.

• After about 1-2 minutes the base plate should have

heated up sufficiently. On hot days, the temperature
difference may not be great enough. If so cool the
top plate with a damp cloth.

• Spin the flywheel clockwise (looking towards the crank-

shaft).

• The Stirling motor rotates in an anti-clockwise direc-

tion when the top plate is heated, e.g. by sunlight or
by a lamp. In this instance, place the Stirling motor
on a cool surface such as a windowsill.

4. Storage and cleaning

• The Stirling motor requires no lubrication.

• Store the Stirling motor in a dust-free location.

• To clean the Stirling motor use a moist cloth, possibly

with some washing-up liquid. Never clean acrylic com­ponents using solvents or aggressive cleaning agents.

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6

co

cs

cn

5

cr

bu

cr

bo

ctbm

cr

bu

cm

cs

cr

bp

bq

cr

bu

bn

cs
cn

7

8
4

br

cr

cl

bu

bs

cq

bl

9

cp
1

V

V: Stroke increase;
M: Markers

bo

bt

2

bt

M

3

3B Scientific GmbH • Rudorffweg 8 • 21031 Hamburg • Germany • www.3bscientific.com • Technical amendments are possible

8