מנוע מנסון

מנוע מנסון הוא מנוע חום מבוסס אוויר חם שממיר הפרשי טמפרטורה לתנועה מכנית בדומה למנוע סטרלינג. המנוע עוצב בשנת 1952 על ידי א. ד. מנסון (A. D. Manson) ופורסם במגזין ניונס למכניקה מעשית במרץ של אותה השנה. התהליך התרמודינמי שבבסיס המנוע כולל הכנסת אוויר למערכת ועל כן המעגל התרמודנמי מכונה מעגל פתוח (open cycle), זאת בניגוד לתהליך סטרלינג, במהלכו לא נכנס אוויר חדש למערכת כלל. השימוש בתנועת הבוכנה שמתרחשת כתוצאה מפעולת המנוע יכול לשמש למטרות יצור תנועה סיבובית על ידי חיבור לגל ארכובה, או שימוש ישיר בתנועה הליניארית למטרות יצור חשמל. בדומה למנוע סטרלינג מנוע מנסון הוא מנוע בעירה חיצונית, אך בניגוד אליו מנוע מנסון מורכב מחלק נע אחד בלבד ולא מסתמך על הפרשי טמפרטורות בשלב הכיווץ.

== מבנה המנוע ואופן פעולתו ==
בתרשים מתוארים שלושה שלבים בפעולת מנוע מנסון משמאל לימין כאשר השלב הראשון מתחיל מיד לאחר סיום ההתפשטות והשלב האחרון נגמר בהתחלת ההתפשטות מחדש. [1] הוא מסוט שמחובר לבוכנה עצמה [2], [3] הוא פתח כניסת האוויר למיכל, [4] הוא פתח יציאת האוויר מהמיכל, [5] הוא הקצה שיש לחמם, [6] הוא הקצה שיש לקרר, [7] הוא גלגל התנופה ו[8] הוא האוויר עצמו שנמצא במיכל. יש לשים לב שזה הוא איור מופשט, למעשה המסוט לעולם לא יגע ממש בחלק המחומם או המקורר כיוון שתמיד יהיו בהם חלקיקים.

=== מבנה המנוע ===
המנוע מורכב מחמישה חלקים עיקריים<ref name=":0"></ref>. 

החלק העיקרי הראשון הוא מיכל האוויר בעצמו, המיכל צריך להיות אטום ולא לאפשר יציאת אוויר. החלק השני הוא מקור חום חיצוני שמתפקד בתור אמבט חום ומחמם את המיכל באחד מקצותיו. החלק השלישי נמצא בצד הנגדי לצד שבו נמצא מקור החום ומשמש בתור אמבט קור, ישנם עיצובים אשר משתמשים באמבט מים וישנם עיצובים אחרים שמשמשים בנוזלי קירור שונים. 

החלק הרביעי הוא מסוט שמחובר באופן ליניארי לבוכנה עצמה, זאת בניגוד לגרסאות מסוימות של מנוע סטרלינג בהן החיבור מתבצע באמצעות ציר נע. גודל המסוט חייב להיות מחושב בצורה מדויקת על מנת לאפשר פעולת מנוע תקינה, אם הוא יהיה גדול מדי הוא יתפוס את נפח האוויר ולא יהיה מספיק אוויר במערכת, ואילו אם הוא יהיה קטן מדי הוא לא יספק מספיק כוח כדי להתנגד להתפשטות האוויר. 

החלק החמישי הוא גלגל התנופה המחובר לבוכנה, מטרתו היא להעניק את האנרגיה הדרושה על מנת להזיז את הבוכנה כאשר היא נמצאת במצב התחתון ביותר שלה, Bottom Dead Center) BDC) ,ולשלוח את התנועה המכנית שנוצרת בזכות המנוע הלאה. במנוע ישנם שני חלקים נוספים. למיכל מחובר צינור יציאה, שנפתח בשלב הBDC במחזור המנוע ומאפשר יציאה של האוויר החם מהמערכת, ואילו בתוך הבוכנה ישנו צינור כניסה, שמאפשר כניסה של אוויר קר למערכת כאשר הבוכנה נמצאת במצבה העליון ביותר, Top Dead Center) TDC).

=== אופן הפעולה ===
התהליך המרחש במנוע מורכב משתי פעימות למחזור, פעימת יניקה ופעימת התפשטות<ref></ref>.

פעימת היניקה מתרחשת מיד לאחר סיום ההתפשטות, כאשר הבוכנה נמצאת בBDC וכל הגז החם נמצא במיכל הסגור, הלחץ במקסימום. האוויר החם משתחרר מהמערכת כיוון שצינור היציאה נפתח, הבוכנה מתחילה לעלות כלפי מעלה מתוקף ההתמד של גלגל התנופה ובזכות הירידה בלחץ שמתרחשת כתוצאה מיציאת האוויר החם. כאשר הבוכנה מגיעה למצבה העליון ביותר, הTDC, נפתח פתח הכניסה ואוויר חדש יכול להיכנס ולצאת מחלק המערכת הקר, כל זאת במטרה ליצור השוואת לחצים עם הסביבה שנמצאת לרוב בלחץ אטמוספירי.

כעת מתחילה פעימת ההתפשטות. בשלב זה האוויר בחלק המיכל העליון מתחיל להתחמם ולהתפשט, והאוויר בחלק המיכל התחתון מתקרר בהתקררות איזוכורית ובכך יוצר תת-לחץ בחלק המיכל התחתון. הבוכנה מתחילה להידחף מטה כתוצאה מהלחץ מלמעלה ומתת החלץ מלמטה מה שסוגר את פתח הכניסה ומאפשר ללחץ שבחלק המיכל העליון לגדול בתהליך איזותרמי בלבד תחת השפעת אמבט החום שמצומד למיכל האוויר. לאחר סיום ההתפשטות, המנוע מגיע שוב לתחילת שלב היניקה.

יש לאתחל את המנוע על ידי סיבוב של גלגל התנופה, על מנת להעניק לו תנע זוויתי התחלתי (תנופה). כיוון הסיבוב ההתחלתי של הגלגל יקבע את כיוון פעולת המנוע. הגמישות בבחירת כיוון פעולת המנוע היא אחד המאפיינם המייחדים את מנוע מנסון.

חישובים מאוחרים יותר הראו שעל מנת למקסם את העבודה שהמנוע יכול להפיק מדחיסת האוויר ובהינתן שלבוכנה ולמסוט מבנה מעגלי (צילינדר), על קוטר הבוכנה להוות כ-<math>46\%</math> מקוטר המסוט<ref name=":1"></ref>. עוד ניתן להראות כי המרחק בין קצה המסוט לבין החלק המחומם ברגע TDC אמור להיות <math>0.8 [mm]</math> על כל <math>25 [mm]</math> של קוטר המסוט<ref name=":1" />.

== יתרונות וחסרונות ==
יתרונות המנוע הם:
* המנוע משתמש במקור חום חיצוני ולכן בניגוד למנועי בעירה פנימית הוא יכול לפעול עם כל מקור חום אפשרי, בין אם הוא נובע ממקורות מתכלים או בלתי מתכלים כגון אור שמש.
* המנוע מורכב מחלק נע אחד בלבד ובכך מהווה חלופה פשוטה למנועים המורכבים יותר כגון מנוע קיטור וסטרלינג.
* המנוע מסוגל לספק תנועה בשני כיווני סיבוב, כתלות בכיוון הסיבוב ההתחלתי של גלגל התנופה בדומה למנוע סטרלינג בטא.
* המנוע פשוט להרכבה משום שהוא לא דורש מערכת אטומה לחלוטין כיוון שהוא מתבסס על כניסת ויציאת אוויר מהמערכת התרמודנמית.
מנוע מנסון-גייס קטן מפרויקט הקיקסטארטר של קונטאקס הנדסה בע"מ
בעוד שחסרונותיו הם:
* נצילות המנוע קטנה מנצילות מנוע קרנו כיוון שהמעגל התרמודינמי כולל הכנסה של חלקיקים חדשים למערכת, בעוד שמנוע קרנו מורכב מתהליכים איזוכוריים ואיזותרמיים במערכת סגורה.
* המנוע לא מסוגל לספק הספק גדול כמו מנועי בעירה פנימית ומנועים מתקדמים ומורכבים יותר, כיוון שהיחס בין משקלו לבין התפוקה שלו הוא נמוך.
עובדה חשובה לגבי מנוע מנסון שמהווה יתרון וחסרון כאחד היא העובדה שאמנם המנוע לא צריך לעמוד בעומסי חום משמעותיים כמו מנועי בעירה פנימית, אך בניגוד אליהם, עליו לעמוד בחום באופן קבוע ולא נקודתי.

== עיצובים נוספים ==
שני עיצובים מוכרים נוספים הם מנועי מנסון-ראפ ומנסון-גייס. מנוע מנסון-ראפ עוצב על ידי מייקל ראפל (Michael Ruppel) וכולל שינויים קטנים בפתחי הכניסה והיציאה שמייעלים את המנוע בכך שהם נפתחים לזמן קצר ביותר בשלבי הBDC והTDC<ref></ref>. ראפל רשם את הפטנט על המנוע בשנת 1999<ref></ref>. עיצוב מוכר נוסף הוא מנוע מנסון-גייס שפותח על ידי כריס גייס (Chris Guise) שהיה מנהל הסדנה ואחראי עיצוב המנועים ב[https://www.stirlingengine.co.uk/Default.asp? Kontax Engineering Ltd]. בעת הניסיון שלו למצוא סוגי מנועים נוספים שהחברה יכולה לייצר ולמכור, גייס עיצב מנוע מנסון עם זרימת אוויר משופרת, שמאפשרת פעולה חלקה ויעילה יותר של המנוע ומקטינה את עלויות הייצור. המנוע פורסם לציבור בפרויקט קיקסטארטר בשנת 2016<ref name=":2"></ref> והפטנט נרשם בספטמבר של אותה השנה<ref></ref>.

==== שיפורים אחרים ====
קיימות הצעות רבות נוספות לשיפור המנוע. הן כוללות שימוש באוויר שנמצא בלחץ גבוה בעת כניסתו למערכת ולא בלחץ אטמוספירי, ואף שימוש בנוזל בלחץ גבוה במקום אוויר. ההצעה השנייה מחייבת שינוי של מערכת המנוע ממערכת פתוחה למערכת סגורה על מנת שיהיה ניתן למחזר את הנוזל שנמצא בשימוש. זה כמובן יגרור שימוש הכרחי בגוף קירור על מנת לקרר את המים היוצאים מהמנוע. שיפור נוסף שהוצע על ידי כריס גייס הוא להשתמש בבוכנה מצופת תרכובת טונגסטן<ref name=":2" />, תרכובת שמפחיתה משמעותית את החיכוך במערכת ומסוגלת לשרוד עומסי חום גדולים במיוחד. השימוש בתרכובת מבטל את הצורך בחומרי סיכה ומפחית את קצב הבלייה של המערכת.

לא ידועים שימושים פרקטיים במנוע מנסון, אך מנועי מנסון-גייס נמכרים כצעצועים מכניים<ref name=":2" /> וקיימת קהילה של בוני מנועי אוויר חם שעוסקים בבנייה ופיתוח שיפורים נוספים למנוע<ref name=":0" />.

== ראו גם ==

* Manson-Guise Engine
* תהליך תרמודינמי
* מנוע בעירה חיצונית
* מנוע חום
* מנוע סטרלינג
* מנוע קרנו

== קישורים חיצוניים ==

* [https://www.youtube.com/channel/UCurA84YG_FZS0UfZipDkSPw Blade Attila], [https://www.youtube.com/watch?v=LXGxGj0Yd1U New type Manson hot air engine], [https://www.youtube.com/ YouTube], 14.11.2013
* [https://www.spectrum-scientifics.com/Manson-Cycle-Stirling-Engine-p/3925.htm מנוע מנסון למכירה], Spectrum Scientifics

==ביאורים==

== הערות שוליים ==

קטגוריה:מנועים