Термомеханический генератор

Двигатель Стирлинга Harwell TMG , сокращение от «термомеханический генератор», был изобретен в 1967 году Э. Х. Куком-Ярборо в Harwell Labs Управления по атомной энергии Соединенного Королевства . ^{[1] [2] [3] [4]} Он был задуман как удаленный источник электроэнергии с низкой стоимостью и очень долгим сроком службы, хотя и за счет некоторой потери эффективности. TMG (модель TMG120) был в свое время единственным двигателем Стирлинга, продаваемым производителем, а именно HoMach Systems Ltd., Англия. ^[5]

Двигатель имеет почти изотермические цилиндры, поскольку 1) область нагревателя охватывает весь торец цилиндра, 2) это устройство с коротким ходом поршня, с широкими неглубокими цилиндрами, что обеспечивает высокое отношение площади поверхности к объему , 3) средняя толщина газового пространства составляет около 0,1 см и 4) рабочим телом является гелий — газ, обладающий хорошими термическими свойствами для двигателей Стирлинга.

Вытеснитель двигателя также имеет очень низкие потери. Эти рабочие характеристики с низкими потерями упрощают анализ двигателя по сравнению с более традиционными двигателями Стирлинга. ^{[5] : 113}

Конструкция имеет много преимуществ по сравнению с обычными двигателями Стирлинга. Простота нагревателя значительно снижает стоимость, позволяя TMG избегать необходимости в паяном трубчатом или ребристом нагревателе, который может составлять 40% от стоимости обычного двигателя Стирлинга. ^[6] Теплообменники для нагревателя и охладителя механически тривиальны. Регенератор представляет собой простое кольцо, называемое «плоской пластиной». Наряду со стенкой цилиндра и вытеснителем, имеется в общей сложности четыре регенерирующие поверхности. TMG является свободнопоршневым двигателем. В нем нет подшипников качения или скользящих уплотнений , поэтому трение или износ очень малы. Рабочее пространство герметично закрыто, что позволяет ему содержать сжатый гелий в течение многих тысяч часов.

Вытеснитель представляет собой банку из нержавеющей стали диаметром 27 см. Он подвешен на плоской металлической пружине с малыми потерями , центрированной в цилиндре диаметром 27,4 см. Радиальный зазор 2 мм разделен на два концентрических кольцевых зазора тонким цилиндром с открытым концом, который закреплен на цилиндре двигателя. Это кольцо действует как регенератор , который намного дешевле, чем сетчатый тип.

Двигатель представляет собой конструкцию «свободного цилиндра», в которой весь двигатель установлен на пружинах и может слегка вибрировать. Это позволяет вытеснителю приводиться в действие положительной обратной связью от движения силового поршня и магнитов в магнитах линейного генератора , общий вес которых составляет 10 кг.

^{[5] : 109}

Уникальный поршень мощности был изобретен Куком-Ярборо и называется «шарнирной диафрагмой». Он состоит из кольца из нержавеющей стали с внешним диаметром 35 см и внутренним диаметром 26 см. Это кольцо закреплено на двигателе на внешнем крае двумя гибкими резиновыми уплотнительными кольцами, а на внутреннем крае оно закреплено аналогичным образом, в данном случае на жесткой центральной ступице, которая составляет центр поршня. Уплотнительные кольца гнутся, но не скользят, поэтому смазка не требуется, и износ во всей машине незначительный.

Пространство сжатия расположено между ступицей силового поршня и вытеснителем, и это пространство охлаждается прямой проводимостью через силовой поршень. Опытная модель TMG содержала двойную шарнирную диафрагму, содержащую охлаждающую воду, которая накачивалась термосифоном . Глубина пространства сжатия варьируется от 0,2 до 2,7 мм, что регулируется ходом вытеснителя 2 мм и ходом силового поршня 1,5 мм, движущимися на 90 градусов в противофазе.

Двигатель TMG успешно преодолевает многие экономические и механические трудности, характерные для обычных двигателей Стирлинга. Однако существуют некоторые ограничения этой конструкции. Простой, недорогой кольцевой регенератор неэффективен по сравнению с другими типами (и это способствует несколько низкому тепловому КПД этого двигателя, составляющему всего 10%). Механические ограничения сочлененной диафрагмы допускают максимальный ход только приблизительно в 3 мм. Эти свойства ограничивают максимально достижимую мощность примерно 500–1000 Вт от двигателя этой конструкции. ^{[5] : 195} Тем не менее, редко бывает, чтобы недорогой двигатель Стирлинга достигал такого высокого уровня надежности и срока службы, что можно отнести только к изобретательности конструкции.