Termomekanisk generator

Fri kroppsdiagram; modellering av kolvens interaktion med höljet

Harwell TMG Stirling-motorn , en förkortning för "Thermo-Mechanical Generator", uppfanns 1967 av EH Cooke-Yarborough vid Harwell Labs vid United Kingdom Atomic Energy Authority . Det var tänkt att vara en avlägsen elektrisk kraftkälla med låg kostnad och mycket lång livslängd, om än genom att offra viss effektivitet. TMG (modell TMG120) var vid en tidpunkt den enda Stirling-motorn som såldes av en tillverkare, nämligen HoMach Systems Ltd., England.

Beskrivning

Motorn har nästan isotermiska cylindrar eftersom 1) värmeytan täcker hela cylinderänden, 2) den är en kortslagsanordning, med breda grunda cylindrar, vilket ger ett högt förhållande mellan ytarea och volym , 3) den genomsnittliga tjockleken på gasutrymmet är cirka 0,1 cm, och 4) arbetsvätskan är helium , en gas med goda termiska egenskaper för Stirling-motorer.

Motorns förskjutning har också mycket låga förluster. Dessa driftsegenskaper med låga förluster förenklar motoranalysen, jämfört med mer konventionella Stirling-motorer.

Designen har många fördelar jämfört med konventionella Stirlingmotorer. Värmarens enkelhet minskar kostnaden avsevärt genom att låta TMG undvika behovet av en lödd rörformig eller lamellvärmare, som kan stå för 40 % av kostnaden för en konventionell Stirlingmotor. Värmeväxlarna för värmaren och kylaren är mekaniskt triviala. Regeneratorn är en enkel ring, kallad en "plat platta". Tillsammans med cylinderväggen och förskjutaren finns det totalt fyra regenererande ytor. TMG är en fri kolvmotor. Det finns inga rullager eller glidtätningar , så det finns mycket lite friktion eller slitage. Arbetsutrymmet är hermetiskt tillslutet, vilket gör att det kan innehålla trycksatt heliumgas i många tusen timmar.

Förskjutaren är en burk i rostfritt stål , 27 cm i diameter. Den är upphängd av en hyvelfjäder av metall med låg förlust centrerad i en cylinder med en diameter på 27,4 cm. Det 2 mm radiella spelet är uppdelat i två koncentriska ringformiga mellanrum av en tunn cylinder med öppen ände, som är fäst vid motorns cylinder. Denna ringform fungerar som regenerator , vilket är mycket billigare än en trådnätstyp .

Motorn är en "fri-cylindrig" design, där hela motorn är monterad på fjädrar och får vibrera något. Detta gör att förskjutaren kan drivas av positiv återkoppling från kraftkolvens rörelse och magneterna i de linjära generatormagneterna, som har en sammanlagd vikt på 10 kg.

Motorparameter	HoMach TMG 120 Spec
Indikerad effekt	170 W
Axeleffekt	150 W
Värmetillförsel	1500 W
Termisk till mekanisk effektivitet	10 %
Motorfrekvens	110 Hz
laddningstryck	0,2 MPa
Förskjutningsdiameter	26,0 cm
förskjutningsslag	0,2 cm
Displacer svep volym	110 cm³
Effektkolvmembranets yttre diameter	35,2 cm
Effektkolvs membranslag	0,152 cm
Power kolv membran svept volym	110 cm³
Fasvinkel	~90 grader
Rörlig massa (kraftkolv och generatormagneter)	10 kg
Total motormassa	~80 kg
Driftlivslängd	över 90 000 timmar
Heliumpåfyllning (7 liter, vid okänt tryck)	var 22500:e timme i genomsnitt

Den unika kraftkolven uppfanns av Cooke-Yarborough, och kallas ett "ledat membran". Den består av en ring av rostfritt stål, med en ytterdiameter på 35 cm och en innerdiameter på 26 cm. Denna ring är fastklämd i motorn på ytterkanten av två flexibla gummi-o-ringar, och på den inre kanten är den på liknande sätt fastklämd, i detta fall till ett styvt mittnav som utgör kolvens centrum. O-ringarna böjer sig men glider inte, därför behövs inget smörjmedel och det är försumbart slitage i hela maskinen.

Kompressionsutrymmet är beläget mellan kraftkolvens nav och förskjutaren, och detta utrymme kyls genom direkt ledning genom kraftkolven. En utvecklingsmodell av TMG innehöll ett dubbelledat membran innehållande kylvatten, som pumpades av en termosifon . Djupet på kompressionsutrymmet varierar från 0,2 till 2,7 mm, vilket styrs av 2 mm förskjutningsslag och 1,5 mm kraftkolvslag som rör sig 90 grader ur fas.

TMG-motorn övervinner framgångsrikt många av de ekonomiska och mekaniska svårigheterna som är vanliga i konventionella Stirlingmotorer. Det finns dock vissa begränsningar för denna design. Den enkla, billiga ringformiga regeneratorn är ineffektiv jämfört med andra typer, (och detta bidrar till denna motors något låga termiska verkningsgrad på endast 10%). De mekaniska begränsningarna hos det ledade membranet tillåter endast en maximal slaglängd på uppskattningsvis 3 mm. Dessa egenskaper begränsar den maximalt erhållbara effekten till cirka 500 - 1000 Watt från en motor av denna design. Ändå är det sällsynt att en lågpris Stirling-motor får denna höga nivå av tillförlitlighet och livslängd, vilket bara kan tillskrivas designens uppfinningsrikedom.