Nedanstående text är fritt av mig översatt från James G. Rizzo Stirling Engine Manual Det är säkert inte lagligt att göra så här, men jag tycker att ni alla som är intresserade av Stirlingmotorer skall kunna läsa det på svenska

Hur en varmluftmotor fungerar .
När en mängd luft eller gas innesluten i en cylinder hettas upp ökar trycket. Om den ena gaveln på cylindern kan röra sig vill det ökande trycket pressa ut gaveln tills trycket i cylindern har utjämnats. Om samma volym hetluft kyls av snabbt återtar den sin ursprungliga volym, med följd att ett vakuum bildas i cylinder och gaveln dras tillbaka inåt till sitt ursprungliga läge. Om den rörliga gaveln är en tätslutande kolv förbunden med en vevstake till en vevaxel med ett svänghjul och vi upprepar den ovanstående upphettning och avkylning, så vill volymändringen av luften överföra en roterande rörelse till svänghjulet. Enkelt förklarat är det så en varmluftmotor fungerar, även kallad stirlingmotor efter sin uppfinnare.


Men det är inte praktiskt möjligt att värma upp och kyla av luften i en snabb följd. För att det skall fungera får man komplettera med en så kallad displacer ( förflyttare), på stirlings tid kallades den för transferer (överflyttare ) som kanske beskriver dess funktion bättre. Displacerns uppgift består i att flytta luften från den varma delen av cylindern till den kalla delen av cylindern. Om igen: Om en cylinder upphettas i en slutna ändan, och kyls i den andra ändan som har en rörlig kolv och om en displacer är mekaniskt påverkad att flytta luften från den ena ändan till den andra ändan kommer luften växelvis att utvidgas och sammandragas. När displacern flyttar luften till den varma ändan utvidgas luften och när den flyttas till den kalla ändan dras luften ihop. När luften utvidgats och sammandragits har ett varv i arbetscykeln genomförts. Arbetsresultatet blir att kolven har åkt ut och sen tillbaka in igen. Svänghjulet hjälper till att trycka in kolven och dämpar rörelserna. Displacern skall ha ett spel till cylindern så att luften kan passera obehindrat mellan displacern och cylindern. Spelet får inte vara för litet för då bromsar luften displacern , men det får inte vara för stort heller för då blir det för mycket utrymme runt displacern där luften kan utvidga sig. Anpassning av displacerns storlek är mycket viktig för motorns funktion.


Man kan dela in stirlingmotorns olika cyklar i följande faser: 1. Luften upphettas i den varma ändan av cylindern. Det ökande trycket pressar ut kolven så långt den kan förflytta sig. 2. Luften byter plats i cylindern, av att displacern flyttar sig, till den kalla sidan där den kyls av och då drar sig samman. Kolven trycks in i cylindern av svänghjulsmekanismen, med hjälp av det vakuum som bildas när luften "krymper". 3. Luften flyttas, av displacern, tillbaka till den varma sidan i cylindern och upphettas på nytt och därmed ökar trycket på nytt. Ett varv i arbetscykel är fullbordat. Displacern och kolven rör sig inte fram och tillbaka samtidigt utan med en kalkylerad förskjutning. Den förskjutningen är ca 90 grader. Man kan säga att displacern går 90 grader före kolven. Displacerns arbetsinsats i att flytta luften från den ena till den andra ändan av cylindern. Arbetskolvens insats består dels i att komprimera gasen vid lågtemperatur, dels att ta till vara på gasutvidgningen vid högtemperatur och överföra den till rörelse på svänghjulet. Eftersom effekten på motorn uppstår av att flytta luften fram och tillbaka samtidigt som den upphettas och avkyls är det inte så enkelt att sammanfatta vad som händer inuti motorn vid drift. Antagligen kan ingen sammanställning av teorier eller diagram ge en riktig insikt i hur arbetscyklarna i motorn går. Till skillnad från en vanlig förbränningsmotor som har fyra distinkta faser i arbetscykeln så har stirlingmotorn inga klara avskilda faser i arbetscykeln, med en fas som leder till en annan fas. En kontinuerlig förflyttning av arbetsgasen mellan den slutna sidan (heta sidan) till den rörliga kolvens sida (kalla sidan). Det finns ingen skarp övergång mellan dom olika faserna, dom flyter successivt i varandra. Den klaraste bilden man kan få av hela arbetscykeln är fyra faser, men det finns ingen första eller sista fas. Den ena går i den andra i en kontinuerlig cykel utan någon fasbrytpunkt.


Två huvudfaktorer bestämmer verkningsgraden på en stirlingmotor.
Den första är tätheten på motorn för arbetsgasen och den andra är temperaturdifferansen mellan den varma och den kalla sidan i cylindern. Motorns täthet påverkar verkningsgraden enl följande. När gasen inuti cylindern expanderar trycker den ut den sida som ger med sig lättast, och i detta fall blir det arbetskolven som åker ut så långt den kan komma, samtidigt utan att någon gas läcker ut mellan kolv och cylinder. Idealet är att gasvolymen är konstant hela tiden, men i praktiken läcker lite gas ut hela tiden ur cylindern. När detta sker tappar motorn effekt och om det läcker för mycket går den bara i några minuter eller kanske inte alls. Det är därför mycket viktigt att arbetskolven är så tät som möjligt. Temperatur differensen påverkar också verkningsgraden. Den växelvis utvidgningen och sammandradgningen av arbetsgasen ( tillsammans med höjning och sänkning av trycket ) inuti cylindern, utför det verkliga arbetet i en stirlingmotor. Den arbetskraften kan bara bli av om det är en betydande skillnad i temperatur mellan den heta och den kalla sidan av cylindern. Därför blir slutsatsen att desto högre temperatur på den heta sidan och desto lägre temperatur på den kalla sidan ju mera effekt får man ut ur motorn. Både upphettningen och kylningen kan hur som helst skapa problem om det blir extrema temperaturer under en längre tid. Dom flesta vanliga metaller, inklusive stål, blir förstörda om dom utsätts för hög temperatur under lång tid. Forskning har även gjorts för att sammansätta en metall som tål extremt hög temperatur under lång tid. Keramiska material har också omnämnts som tänkta material. Men som modell byggare av stirlingmotorer duger vanligt stål utan några större problem. Kylningen är lite enklare att utföra. Ett sätt är att exponera den upphettade ytan för omkringliggande luft, men det blir en långsam kylningsprocess. Men det kan snabbas upp med att använda en stor kylyta. Används en kylare utformad som flänsar eller en kylmantel med kylvätska i ökar avkylningen av värmen. Även omkringliggande metalldelar i motorn leder bort ansenliga mängder med värme. Som exempel cylinder, kolv, vevstakar, regenerator om en sådan finns. Men det är också många andra faktorer som har direkt inverkan på effekten på en modell eller liten stirlingmotor.

Återvinning av energi spelar en stor roll vid design och konstruktion av stirlingmotorer. Upphettning och avkylning av arbetsgasen många hundra gånger i minuten är inte någon jätte enkel sak, särskilt som temperatur skillnaden kan vara flera hundra grader. Detta arbete kan underlättas med ett arrangemang som ordnar så att den heta gasen på väg till den kalla sidan lämnar av sin värme efter vägen, och den kalla gasen på väg till den heta sidan hämtar upp den tidigare sparade värmen och kommer på så sätt upp i rätt temperatur mycket snabbare med påföljande volymökning i den heta sidan i cylindern. Detta hjälper också till att öka upp hastigheten på gasförflyttningen. Två huvudmetoder har använts i modellmotorer för att hjälpa den heta gasen att lagra undan värme och den kalla att ta tillvara på den lagrade värmen. Första sättet är att använda displacern kolven som en värmeväxlare. Displacern skall vara tillverkad tillräckligt lång så att när den heta gasen passerar längs dess sidor överförs värme till displacern i något som kan kallas en temperatur stege. Displacern kommer att vara het i den ena sidan och vara kallare desto längre mot den kalla sidan man kommer. Den andra metoden som används är lite mera utvecklad i sin konstruktion , och i vissa modell motorer mycket effektiv. Denna metod förutsätter att man bygger en värmeväxlare utanför eller omkring huvudcylindern som arbetsgasen skall passera igenom. Principen är fortfarande den samma, med en värmelagring, i denna typ av värmeväxlare. Värmen lagras upp på samma vis som tidigare i en metall massa, som fungerar som en värmeväxlare, och den värmen hämtas sen upp av den kalla gasen på sin väg tillbaka till den varma sidan. Drivmekanismen är en faktor som kan förvandla en motor till en riktig mardröm. Många mekaniska arangemang har blivit uppfunna för att åstadkomma den nödvändiga förskjutningen på 90 grader mellan displacern och arbetskolven. Det vanligaste förekommande arrangemanget förr i tiden innehöll ett mer eller mindre komplicerat system av hävstänger och vevaxlar med uppgift att förskjuta rörelserna mellan de två kolvarna. Det blev ännu mer komplicerat när det dessutom skall vara olika slaglängd på dom båda kolvarna. Hur som helst är dom gamla motorerna en fröjd att se på med sina dragstänger, vevaxlar och vipparmar som rör sig åt alla håll, men dom var långsamma. Sällan överstiger varvet 200 varv/min och oftast snurrar dom omkring 100 varv/min. På 1850-1900 talet användes dessa motorer oftast till att pumpa vatten med och då var inte ett högt varv så viktigt för den uppgiften så varvet kunde offras för en god pålitlighet. Hävstångspåverkan av kolvarna ger en ganska stor friktion och därför brukar konstruktörer av moderna stirlingmotorer undvika system med komplicerade hävstänger och vevaxlar. En av dom mera briljanta och väl fungerande drivmekanismen är Rombik drivning som Philips i Holland uppfann och utvecklade. Med den typen av mekanism går en dragstång till displacern igenom en dragstång till arbetskolven och kolven och detta utan att skapa några sidokrafter på arbetskolven. Det är ett kompakt drivsystem som klarar stora arbetsbelastningar. Ett annat modernt drivsystem är wobbelplatts drivning som består av en rund wobblande skiva fastsatt på en lagring och påverkas av ett antal kolvar (vanligen 4-6 st) i en kontinuerlig roterande rörelse, dessa motorer är tänkta att arbeta horisontellt.

Det finns fortfarande plats för nya uppfinningar. Hur som helst, så när det är dags att konstruera det mekaniska så har många unga, och ibland inte så unga, mekaniker kommit fram fungerande och bra idéer. Nya drivsystem uppfinns fortfarande och kanske kan bli kommersiellt användbara.


Formgivning och byggande av en Stirlingmotor. Dom tidiga Stirlingmotorerna var uppbyggda efter några klara regler. -1. Displacercylinderns längd = 3 gånger sin diameter. -2. Värmeytan på displacercylindern = 2/3 av dess längd. -3. Kylningsytan på displacercylindern = 1/3 av dess längd. -4. Slagvolymen på displacern = 1,5 gånger slagvolymen på arbetskolven. -5. Displacerns längd = 2/3 av displacercylindern. .6. Slaglängd på displacern = 1/3 av displacercylindern. Nästan alla tidiga Stirlingmotorer byggare följe dessa regler. Så man kan antaga att Stirling hade en klar uppfattning och kunnande om termodynamiska principer på sin tid. Nu kan inte alla dom gamla reglerna följas vid byggande av en modell stirlingmotor. Till exempel att ha en värmeyta som är 2/3 längd av displacercylindern fodrar en riktig super avkylningsmetod som inte är så lätt att åstadkomma på en liten Stirlingmotor. Dessutom på Stirlings tid så var metallen som användes av dålig kvalité, och dessutom var det ganska stora dimensioner på dessa motorer. Där är förklaringen till att det gick åt en så stor värmeyta. Vid konstruktion av småmotorer, tillverkade av ett bra stål är det tillräckligt att värma den yttersta 1/3 delen av displacercylindern. Det är också oftast fördelaktigt att man undviker att värma för långt in på cylindern, för då blir det en bättre värmeåtervinningseffekt på displacern, och kylningen blir dessutom effektivare. Stirlings displacer var 2/3 av längden på cylindern. Det gäller fortfarande om displacern används som värmeväxlare, som oftast är fallet på en liten motor. Om värmeväxlaren är placerad i en egen behållare vid sidan om cylindern kan längden på displacern kortas ner en del, det är bara att prova sig fram, titta även på Philipsmotorn. En del av dom gamla parametrar följs generellt fortfarande vid konstruktion av mindre lite enklare motorer. Till exempel kompretionsförhållandet, som är slagvolymen på arbetskolven jämfört med slagvolymen på displacerkolven. Displacerns cylinderlängd följs oftast också, och slaglängden på displacern samt kylningszonen.

Några praktiska konstruktionstips. Det är samma relation mellan arbetskolvens cylinderdiameter och dess slaglängd som i en vanlig förbränningsmotor. En fyrkantig motor som har samma slaglängd som kolvdiameter, tillexempel 25 m/m slag och 25 m/m kolvdiameter . Kortslagig motor som har en kortare slaglängd än kolvdiameter, 13 m/m slaglängd och 25 m/m kolvdiameter. Långslagig motor som har en längre slaglängd än kolvdiameter tillexempel 25 m/m slaglängd och 13 m/m kolvdiameter. I en liten Stirlingmotor som är byggd för experiment och demonstration är oftast en fyrkantig motor att föredra.