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Motor Stirling de pistón libre (FPSE)

1964
  • William Beale
Motor Stirling de pistón libre en un laboratorio de ingeniería mecánica.

(Imagen generada únicamente con fines ilustrativos)

Un pistón libre Stirling Engine (FPSE) eliminates the crankshaft and all mechanical linkages. The piston and displacer oscillate freely, their motion governed by the interplay of gas presión forces from the termodinámica ciclo y fuerzas de resorte. Este diseño permite un sellado hermético del gas de trabajo, no requiere lubricación y ofrece una fiabilidad extremadamente alta y una larga vida útil, lo que lo hace ideal para aplicaciones que no requieren mantenimiento.

El funcionamiento de un FPSE se basa en la creación de un sistema resonante dinámicamente estable. El desplazador y el pistón de potencia no están conectados mecánicamente, sino que están diseñados como un sistema acoplado de masa-resorte. Los "resortes" pueden ser mecánicos (cojinetes flexibles) o, más comúnmente, volúmenes de gas atrapado que actúan como resortes de gas. El motor está diseñado de manera que la frecuencia de resonancia natural de este sistema coincida con la frecuencia de operación deseada. El ciclo termodinámico proporciona la fuerza motriz, y el desfase entre el movimiento del desplazador y el del pistón de potencia se establece naturalmente por la dinámica del sistema, lo que permite que el ciclo sea autosostenible.

La energía se extrae normalmente no mediante un eje giratorio, sino mediante un alternador lineal. El pistón de potencia está conectado a imanes que oscilan dentro de una bobina de alambre, induciendo directamente una corriente eléctrica. Esta ausencia total de piezas giratorias, cojinetes y juntas deslizantes que requieren lubricación es la mayor ventaja del FPSE. Elimina las principales fuentes de desgaste y fallos, lo que permite una vida útil de más de decenas de miles de horas sin mantenimiento. Esto los hace excepcionalmente adecuados para aplicaciones donde la fiabilidad es primordial y el acceso físico es difícil o imposible, como en el espacio profundo o dentro de una unidad de potencia sellada.

UNESCO Nomenclature: 3313
- Ingeniería mecánica

Tipo

Dispositivo físico

Ruptura

Sustancial

Uso

Nicho/Especialización

Precursores

  • El motor Stirling cinemático convencional (tipos beta y gamma)
  • Teoría de la resonancia mecánica y osciladores armónicos
  • Desarrollo de motores eléctricos lineales y alternadores
  • El concepto de resortes de gas y cojinetes de flexión

Aplicaciones

  • Sistemas de alimentación de larga duración para sondas espaciales (por ejemplo, el generador de radioisótopos Stirling avanzado de la NASA).
  • crioenfriadores para enfriar sensores infrarrojos en satélites y equipos militares
  • Sistemas micro de cogeneración (MCHP) para uso residencial
  • generación de energía solar térmica
  • corazones artificiales experimentales
  • generación de energía portátil

Patentes:

  • US3552120A

Ideas para posibles innovaciones

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

Contexto histórico

Motor Stirling de pistón libre (FPSE)

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1963
1965-12-21
1970
1970
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(Si la fecha es desconocida o no es relevante, por ejemplo "mecánica de fluidos", se proporciona una estimación redondeada de su aparición notable)

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