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Freikolben-Stirlingmotor (FPSE)

1964
  • William Beale
Freikolben-Stirlingmotor in einem maschinenbaulichen Labor.

(Abbildung dient nur zur Veranschaulichung)

Ein Freikolben Stirling Engine (FPSE) eliminates the crankshaft and all mechanical linkages. The piston and displacer oscillate freely, their motion governed by the interplay of gas Druck forces from the thermodynamisch Zyklus- und Federkräfte. Diese Konstruktion ermöglicht eine hermetische Abdichtung des Arbeitsgases, benötigt keine Schmierung und bietet extrem hohe Zuverlässigkeit und lange Lebensdauer, wodurch sie sich ideal für wartungsfreie Anwendungen eignet.

Der Betrieb eines FPSE (Floating Power Sequential Engine) basiert auf der Erzeugung eines dynamisch stabilen Resonanzsystems. Verdrängerkolben und Arbeitskolben sind nicht mechanisch verbunden, sondern als gekoppeltes Masse-Feder-System ausgelegt. Die „Federn“ können mechanischer Natur sein (z. B. Biegegelenke) oder, häufiger, aus eingeschlossenem Gas bestehen, das als Gasfeder wirkt. Der Motor ist so konstruiert, dass die Eigenresonanzfrequenz dieses Systems mit der gewünschten Betriebsfrequenz übereinstimmt. Der thermodynamische Kreisprozess liefert die Antriebskraft, und die Phasenverschiebung zwischen der Bewegung des Verdrängerkolbens und der Bewegung des Arbeitskolbens ergibt sich auf natürliche Weise aus der Systemdynamik, wodurch der Kreisprozess selbstaufrechterhaltend ist.

Die Energiegewinnung erfolgt typischerweise nicht über eine rotierende Welle, sondern über einen Lineargenerator. Der Arbeitskolben ist an Magneten befestigt, die in einer Drahtspule oszillieren und so direkt einen elektrischen Strom induzieren. Der größte Vorteil des FPSE liegt im vollständigen Fehlen rotierender Teile, Lager und Gleitdichtungen, die Schmierung benötigen. Dadurch werden wesentliche Verschleiß- und Ausfallursachen eliminiert, was Betriebsdauern von Zehntausenden von Stunden ohne Wartung ermöglicht. Dies macht ihn besonders geeignet für Anwendungen, bei denen Zuverlässigkeit höchste Priorität hat und der physische Zugang schwierig oder unmöglich ist, beispielsweise im Weltraum oder in einem geschlossenen Energieaggregat.

UNESCO Nomenclature: 3313
- Maschinenbau

Typ

Physikalisches Gerät

Störung

Wesentliche

Verwendung

Nische/Spezialisiert

Vorläufer

  • Der konventionelle kinematische Stirlingmotor (Beta- und Gamma-Typen)
  • Theorie der mechanischen Resonanz und harmonischen Oszillatoren
  • Entwicklung von linearen Elektromotoren und Generatoren
  • Das Konzept von Gasfedern und Biegelagern

Anwendungen

  • langlebige Stromversorgungssysteme für Raumsonden (z. B. der Advanced Stirling Radioisotope Generator der NASA)
  • Kryokühler zur Kühlung von Infrarotsensoren auf Satelliten und militärischer Hardware
  • Mikro-Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen (KWK) für den Wohnbereich
  • solare thermische Stromerzeugung
  • experimentelle künstliche Herzen
  • tragbare Stromerzeugung

Patente:

  • US3552120A

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Related to: free-piston, Stirling engine, FPSE, linear alternator, gas spring, hermetic seal, cryocooler, high reliability, no lubrication, William Beale.

Historischer Kontext

Freikolben-Stirlingmotor (FPSE)

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1970
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1963
1965-12-21
1970
1970
1970

(wenn das Datum unbekannt oder nicht relevant ist, z. B. „Strömungsmechanik“, wird eine gerundete Schätzung seines bemerkenswerten Auftretens bereitgestellt)

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