FR2672637A1

FR2672637A1 - RADIATIVE ENERGY CONVERSION ENGINE TO MECHANICAL ENERGY.

Info

Publication number: FR2672637A1
Application number: FR9101434A
Authority: FR
Inventors: Bailly Du Bois Bernard
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1991-02-08
Filing date: 1991-02-08
Publication date: 1992-08-14
Also published as: WO1992014055A1

Abstract

A motor for converting radiative energy to mechanical energy comprises a compression and expansion circuit for a working fluid circulating between a hot source and a cold source and is characterized in that the said working fluid circuit consists of a gas and is incorporated in a rotor (1) suitable for high speed rotation about a rotation axis (45), and in that the said hot source (9) comprises a radiative energy collector on the periphery of the said rotor.

Description

MOTEUR DE CONVERSION D'ENERGIE RADIATIVE
EN ENERGIE MECANIQUE
L'invention concerne un moteur thermique comprenant un circuit de compression et de détente d'un fluide de travail entre une source chaude et une source froide, qui utilise de l'énergie radiative comme source de chaleur et dans lequel, conformément à ce qu'on peut désigner comme un fonctionnement en "gyroréacteur", la compression du fluide de travail ainsi que la majeure partie de sa détente se font par l'intermédiaire du champ artificiel de gravitation d'un rotor tournant à grande vitesse.RADIATIVE ENERGY CONVERSION MOTOR
IN MECHANICAL ENERGY
The invention relates to a heat engine comprising a circuit for compressing and expanding a working fluid between a hot source and a cold source, which uses radiative energy as a heat source and in which, in accordance with that one can designate as an operation in "gyroreactor", the compression of the working fluid as well as the major part of its expansion is done by the intermediary of the artificial field of gravitation of a rotor turning at high speed.

On connaît des turbines à gaz qui peuvent transformer de l'énergie radiative en énergie mécanique, en utilisant les cycles thermodynamiques dits de JOULE ou de BRAYTON. Les compressions et les détentes du fluide de travail s'y font dans des compresseurs et des turbines classiques, à écoulement axial ou centrifuge. Gas turbines are known which can transform radiative energy into mechanical energy, using the so-called JOULE or BRAYTON thermodynamic cycles. The compressions and expansions of the working fluid are carried out in conventional compressors and turbines, with axial or centrifugal flow.

Le rendement de ces turbines à gaz est relativement faible parce que les pertes dans les aubages fixes et mobiles y représentent une fraction nécessairement élevée de l'énergie utile et parce que les échanges de chaleur s'y réalisent à pression constante, avec de fortes variations dés températures. The efficiency of these gas turbines is relatively low because the losses in the fixed and mobile blades represent a necessarily high fraction of the useful energy there and because the heat exchanges take place there at constant pressure, with large variations. from temperatures.

Dans un "gyroréacteur", le champ artificiel de gravitation d'un rotor entraîné à grande vitesse permet à la fois d'obtenir des rendements de compression et de détente extrêmement élevés et de réaliser des transferts simultanés de chaleur et d'enthalpie mécanique, avec de faibles variations de la température dans les échangeurs. Pour un écart donné des températures extrêmes jugées acceptables, le rendement global du convertisseur est ainsi considérablement accru. A titre d'exemple, pour des températures de gaz comprises entre 330 et 850 K, le rendement thermodynamique global du moteur peut atteindre 45 %, c'est-à-dire trois fois plus qu'avec une turbine à gaz classique, sans récupérateur, fonctionnant dans le même intervalle de températures. In a "gyroreactor", the artificial gravitational field of a rotor driven at high speed allows both to obtain extremely high compression and expansion yields and to achieve simultaneous transfers of heat and mechanical enthalpy, with small variations in temperature in the exchangers. For a given deviation from the extreme temperatures deemed acceptable, the overall efficiency of the converter is thus considerably increased. For example, for gas temperatures between 330 and 850 K, the overall thermodynamic efficiency of the engine can reach 45%, that is to say three times more than with a conventional gas turbine, without recuperator , operating in the same temperature range.

D'autre part, la vitesse périphérique nécessaire pour réaliser un écart adiabatique de température donné entre les régions externes et le centre d'un rotor est d'autant plus faible que la chaleur spécifique du fluide de travail utilisé est elle-même réduite, d'où l'intérêt pour cet usage des gaz lourds comme le krypton et le xénon. On the other hand, the peripheral speed necessary to achieve a given adiabatic temperature difference between the external regions and the center of a rotor is lower the lower the specific heat of the working fluid used, d where the interest for this use of heavy gases like krypton and xenon.

L'invention vise à améliorer encore les performances d'un tel moteur dans ses applications pratiques, à faciliter leur construction, à réduire leur masse et leur encombrement, et à les concevoir dans une forme convenant particulièrement bien aux applications spatiales. The invention aims to further improve the performance of such an engine in its practical applications, to facilitate their construction, to reduce their mass and their bulk, and to design them in a shape which is particularly suitable for space applications.

Conformément à l'invention, l'utilisation directe d'un flux d'énergie radiative concentré à la périphérie d'un rotor permet d'éviter l'installation d'un circuit caloporteur secondaire de source chaude et elle contribue à l'uniformisation des températures dans la direction azimutale de la chaudière. According to the invention, the direct use of a flux of concentrated radiant energy at the periphery of a rotor makes it possible to avoid the installation of a secondary heat-transfer circuit of hot source and it contributes to the standardization of the temperatures in the azimuth direction of the boiler.

Ainsi l'invention a pour objet un moteur de conversion d'énergie radiative en énergie mécanique, comprenant un circuit de compression et de détente d'un fluide de travail circulant entre une source chaude et une source froide, caractérisé en ce que ledit circuit de fluide de travail est incorporé dans un rotor propre à être entraîné à grande vitesse autour d'un axe de rotation et en ce que ladite source chaude comporte un collecteur d'énergie radiative situé à la périphérie dudit rotor. Thus, the subject of the invention is a motor for converting radiative energy into mechanical energy, comprising a circuit for compressing and expanding a working fluid circulating between a hot source and a cold source, characterized in that said circuit working fluid is incorporated in a rotor suitable for being driven at high speed around an axis of rotation and in that said hot source comprises a radiative energy collector situated at the periphery of said rotor.

Suivant une forme de réalisation de l'invention, le moteur ainsi conçu peut constituer un moteur solaire, où l'énergie radiative exploitée est celle du soleil. A terre, il est utile, pour éviter les frottements du rotor dans l'air atmosphérique, que le moteur solaire soit enfermé dans une enceinte de confinement maintenue sous un vide assez poussé ou ne contenant qu'un gaz léger comme l'hydrogène ou l'hélium, sous une pression réduite. According to one embodiment of the invention, the engine thus designed can constitute a solar engine, where the radiative energy used is that of the sun. On land, it is useful, to avoid friction of the rotor in atmospheric air, that the solar engine is enclosed in a confinement enclosure maintained under a fairly high vacuum or containing only a light gas such as hydrogen or l helium, under reduced pressure.

Suivant une forme de réalisation préférée de l'invention, on évite l'emploi d'une telle enceinte, qui est inutile pour un moteur destiné à fonctionner dans l'espace extra-atmosphérique. L'invention convient donc plus particulièrement à l'entraînement de générateurs spatiaux d'électricité, auquel cas les moteurs suivant l'invention peuvent avantageusement être disposés au voisinage du foyer de miroirs de concentration de l'énergie solaire. According to a preferred embodiment of the invention, the use of such an enclosure is avoided, which is unnecessary for an engine intended to operate in outer space. The invention is therefore more particularly suitable for driving space generators of electricity, in which case the motors according to the invention can advantageously be arranged in the vicinity of the focal point of mirrors for concentrating solar energy.

Les contraintes technologiques de fonctionnement d'un rotor suivant l'invention impliquent, de préférence, l'utilisation comme fluide de travail d'un gaz non corrosif et de faible chaleur spécifique, comme le krypton ou le xénon. The technological constraints of operation of a rotor according to the invention preferably involve the use as working fluid of a non-corrosive gas and of low specific heat, such as krypton or xenon.

En outre, comme dans tous les dispositifs de conversion de l'énergie, il est souhaitable que l'obtention de rendements exceptionnellement élevés ne se fasse pas au détriment de la puissance fournie par unité de masse ou de volume, nonobstant le fait que les gaz de faible chaleur spécifique ont également une faible conductivité thermique. In addition, as in all energy conversion devices, it is desirable that obtaining exceptionally high yields should not be at the expense of the power supplied per unit of mass or volume, notwithstanding the fact that the gases low specific heat also have low thermal conductivity.

En conséquence, une autre caractéristique des moteurs suivant l'invention consiste à mettre en oeuvre, comme sources chaudes et/ou sources froides, des échangeurs où les diamètres hydrauliques du circuit principal, où circule le fluide de travail, sont très inférieurs à ceux des échangeurs utilisés dans les moteurs usuels. Consequently, another characteristic of the engines according to the invention consists in using, as hot sources and / or cold sources, exchangers where the hydraulic diameters of the main circuit, where the working fluid circulates, are much smaller than those of exchangers used in conventional engines.

De tels échangeurs peuvent être réalisés au moyen d'empilements de lames très minces d'un métal très conducteur comme le cuivre, entretoisées et brasées pour constituer des éléments modulaires, l'épaisseur moyenne des conduits de gaz se limitant à une fraction de millimètre, par exemple entre 0,1 et 0,5 mm. Such exchangers can be produced by means of stacks of very thin blades of a very conductive metal such as copper, braced and brazed to form modular elements, the average thickness of the gas conduits being limited to a fraction of a millimeter, for example between 0.1 and 0.5 mm.

Ainsi des échangeurs réalisés à partir de lames de cuivre ajourées dont l'épaisseur initiale est de 4/10 mm permettent, à titre d'exemple, de transmettre une puissance thermique de l'ordre de 30 kilowatts par litre desdits échangeurs, pour des écarts de température entre les parois et le fluide de travail de l'ordre de 250C. Thus exchangers made from perforated copper blades whose initial thickness is 4/10 mm allow, for example, to transmit a thermal power of the order of 30 kilowatts per liter of said exchangers, for deviations temperature between the walls and the working fluid of the order of 250C.

La conception mécanique du moteur suivant l'invention se simplifie lorsque la source froide est constituée par un échangeur incorporé dans le même rotor qu'un collecteur d'énergie radiative constituant la source chaude. Le circuit secondaire de l'échangeur de source froide peut alors être parcouru par un fluide caloporteur auxiliaire, formé d'un liquide, comme l'eau, ou d'un gaz léger, comme l'hydrogène ou l'hélium, qui entre et sort du rotor à travers des orifices ménagés préférentiellement dans l'axe de rotation et munis de garnitures d'étanchéité, pour être lui-même refroidi à l'extérieur du rotor. The mechanical design of the engine according to the invention is simplified when the cold source is constituted by an exchanger incorporated in the same rotor as a radiative energy collector constituting the hot source. The secondary circuit of the cold source exchanger can then be traversed by an auxiliary heat transfer fluid, formed of a liquid, such as water, or of a light gas, such as hydrogen or helium, which enters and leaves the rotor through orifices preferably arranged in the axis of rotation and provided with seals, to be itself cooled outside the rotor.

Dans une application préférée de l'invention, celle-ci a pour objet un moteur thermique destiné à entraîner un générateur d'électricité fonctionnant dans l'espace réalisé par l'incorporation d'un circuit fermé véhiculant du xénon dans un rotor unique, supporté par exemple par deux paliers magnétiques actifs et caractérisé par le fait que le circuit comprend successivement 1) à la périphérie du rotor, des éléments chauffants lamellaires, où le gaz reçoit la chaleur du rayonnement solaire, concentré par des miroirs immobiles, lesdits éléments constituant des parois absorbantes conductrices thermiques, 2) des conduits radiaux, où le gaz se détend dans un mouvement centripète, 3) une turbine de type classique, à écoulement axial ou centripète, où le gaz continue à se détendre en cédant l'énergie mécanique libérée, par réaction sur un diffuseur relié mécaniquement au support fixe de la machine, 4) un échangeur lamellaire de source froide, où le gaz commence à s'écarter de l'axe de rotation et cède la chaleur non transformée en travail à un circuit secondaire, ledit circuit secondaire étant lui-même relié à un radiateur externe, où cette chaleur est finalement rejetée dans l'espace, 5) des tubes radiaux, qui reconduisent le gaz depuis la sortie de l'échangeur de source froide jusqu'aux éléments chauffants et dans lesquels s'effectue l'essentiel de la recompression adiabatique. In a preferred application of the invention, it relates to a heat engine intended to drive an electricity generator operating in space produced by the incorporation of a closed circuit carrying xenon in a single rotor, supported for example by two active magnetic bearings and characterized in that the circuit successively comprises 1) at the periphery of the rotor, lamellar heating elements, where the gas receives heat from the solar radiation, concentrated by immobile mirrors, said elements constituting thermally conductive absorbent walls, 2) radial conduits, where the gas expands in a centripetal movement, 3) a conventional type turbine, with axial or centripetal flow, where the gas continues to relax while yielding the released mechanical energy, by reaction on a diffuser mechanically connected to the fixed support of the machine, 4) a lamellar exchanger of cold source, where the gas begins to move away from the axis of rotation and transfers the heat not transformed into work to a secondary circuit, said secondary circuit itself being connected to an external radiator, where this heat is finally discharged into space, 5) radial tubes, which conduct the gas from the outlet of the cold source exchanger to the heating elements and in which most of the adiabatic recompression takes place.

On décrira maintenant plus en détail une forme de réalisation particulière de l'invention, qui en fera mieux comprendre les caractéristiques essentielles et les avantages, étant entendu toutefois que cette forme de réalisation est choisie à titre d'exemple et qu'elle n'est nullement limitative ; cette description est illustrée par des dessins annexés dans lesquels
- la figure I représente une vue d'ensemble en coupe axiale du moteur thermique selon l'invention, muni de ses paliers,
- la figure II représente une vue en coupe axiale du rotor proprement dit,
- la figure III représente deux coupes frontales, respectivement dans le plan de symétrie de l'armature 12 supportant les conduits radiaux de compression (Niveau A de la figure I) et dans un plan un peu décalé par rapport au précédent, à la sortie de l'échangeur de source froide 7 (Niveau A' de la figure I),
- la figure IV représente deux coupes frontales, respectivement dans le plan de symétrie de l'armature 17 supportant les conduits radiaux de détente (Niveau B de la figure I) et dans le plan de symétrie de l'échangeur de source froide 7 (Niveau B' de la figure I).A particular embodiment of the invention will now be described in more detail, which will make it easier to understand its essential characteristics and advantages, it being understood, however, that this embodiment is chosen by way of example and that it is not in no way limiting; this description is illustrated by appended drawings in which
FIG. I represents an overall view in axial section of the heat engine according to the invention, provided with its bearings,
FIG. II represents a view in axial section of the rotor proper,
- Figure III shows two front sections, respectively in the plane of symmetry of the frame 12 supporting the radial compression conduits (Level A in Figure I) and in a plane slightly offset from the previous one, at the outlet of the cold source exchanger 7 (Level A ′ in FIG. I),
- Figure IV shows two front sections, respectively in the plane of symmetry of the armature 17 supporting the radial expansion conduits (Level B in Figure I) and in the plane of symmetry of the cold source exchanger 7 (Level B 'of Figure I).

- la figure V représente une coupe axiale et une coupe frontale de l'un des 24 éléments chauffants du moteur, muni de son conduit de compression et de son conduit de détente - La figure VI représente une coupe frontale d'une variante de réalisation des éléments chauffants selon l'invention. - Figure V shows an axial section and a front section of one of the 24 heating elements of the engine, fitted with its compression duct and its expansion duct - Figure VI shows a front section of an alternative embodiment of the heating elements according to the invention.

Le moteur suivant l'invention, tel qu'il apparaît sur la figure I, comporte essentiellement un rotor 1 tournant dans le vide, soutenu et guidé dans un support fixe 2, qui n'est représenté que partiellement sur la figure I, par deux paliers magnétiques actifs 3 et 4 et une butée magnétique 5. The motor according to the invention, as it appears in FIG. I, essentially comprises a rotor 1 rotating in a vacuum, supported and guided in a fixed support 2, which is only partially represented in FIG. I, by two active magnetic bearings 3 and 4 and a magnetic stop 5.

Dans ce rotor et autour d'un arbre cylindrique de grand diamètre 45 (figure II) concentrique à l'axe de rotation, à l'intérieur duquel est insérée une turbine à écoulement axial 6, est ménagé un circuit fermé de fluide de travail, réparti, suivant une symétrie de révolution, en 24 secteurs fonctionnant en parallèle. In this rotor and around a large diameter cylindrical shaft 45 (FIG. II) concentric with the axis of rotation, inside which an axial flow turbine 6 is inserted, a closed working fluid circuit is formed, distributed, according to a symmetry of revolution, in 24 sectors operating in parallel.

A partir de la turbine 6, ce circuit véhicule le fluide de travail successivement à travers un échangeur de source froide en disposition annulaire 7, puis à l'intérieur de 24 conduits radiaux de compression adiabatique 8, puis dans 24 éléments chauffants de source chaude ou collecteurs d'énergie radiative 9 et enfin à l'intérieur de 24 conduits radiaux de détente adiabatique 10, qui le ramènent à l'entrée de la turbine 6. From the turbine 6, this circuit carries the working fluid successively through a cold source exchanger in annular arrangement 7, then inside 24 radial adiabatic compression conduits 8, then in 24 hot source heating elements or radiative energy collectors 9 and finally inside 24 radial adiabatic expansion conduits 10, which bring it back to the inlet of the turbine 6.

Les 24 conduits radiaux de compression 8, représentés notamment sur les figures II, III et V sont raccordés à l'une de leurs extrémités par des joints d'étanchéité démontables 11, à une armature circulaire ou couronne annulaire 12, qui supporte les efforts centrifuges dus à leur rotation et qui conduit le fluide de travail7 dans 24 perforations ou canaux 14 qui y sont ménagées, depuis une chambre annulaire 13, à sa sortie de l'échangeur 7, jusqutauxdits conduits de compression Lesdits conduits 8 sont d'autre part soudés par leur extrémité coudée 15 aux 24 éléments chauffants 9. The 24 radial compression conduits 8, shown in particular in Figures II, III and V are connected at one of their ends by removable seals 11, to a circular frame or annular ring 12, which supports the centrifugal forces due to their rotation and which conducts the working fluid 7 in 24 perforations or channels 14 which are formed therein, from an annular chamber 13, at its outlet from the exchanger 7, up to said compression conduits Said conduits 8 are on the other hand welded by their angled end 15 to the 24 heating elements 9.

De façon similaire, les 24 conduits radiaux de détente représentés notamment sur les figures II, IV et V sont raccordés à l'une de leurs extrémités par des joints d'étanchéité démontables 16 à une armature circulaire ou couronne angulaire 17, qui supporte les efforts centrifuges dus à leur rotation et qui reconduit le fluide de travail dans 24 perforations ou canaux 19 qui y sont ménagés, depuis lesdits conduits de détente 10 jusqu'à des distributeurs 18 de la turbine. Lesdits conduits 10 sont d'autre part soudés, par leur extrémité coudée 20 aux 24 éléments chauffants 9. Similarly, the 24 radial expansion conduits shown in particular in Figures II, IV and V are connected at one of their ends by removable seals 16 to a circular frame or angular ring 17, which supports the forces centrifugal due to their rotation and which returns the working fluid in 24 perforations or channels 19 which are formed therein, from said expansion ducts 10 to distributors 18 of the turbine. Said conduits 10 are on the other hand welded, by their bent end 20 to the 24 heating elements 9.

Ces 24 éléments chauffants 9 sont eux-mêmes supportés par quatre disques de révolution 21, représentés en coupe axiale sur les figures I et II, suivant une technique tout à fait semblable à celle qui est utilisée pour la réalisation des disques de turbines classiques, aussi bien pour ce qui concerne la nature des alliages utilisés que pour 11 évolution de leur épaisseur en fonction de la distance à l'axe de rotation et pour le mode de liaison entre ces disques et les organes périphériques à supporter, étant entendu que ces organes à supporter sont constitués ici par les éléments chauffants 9 à la place des aubages aérodynamiques des turbines classiques. These 24 heating elements 9 are themselves supported by four revolution discs 21, shown in axial section in FIGS. I and II, according to a technique quite similar to that which is used for the production of conventional turbine discs, also as regards the nature of the alloys used only for their change in thickness as a function of the distance from the axis of rotation and for the mode of connection between these discs and the peripheral members to be supported, it being understood that these members support are constituted here by the heating elements 9 in place of the aerodynamic blades of conventional turbines.

Dans le moteur décrit, les quatre disques 21 sont centrés entre eux et vis-à-vis des deux armatures circulaires 12 et 17 sur des épaulements 22 ; ils sont d'autre part solidarisés par 24 tirants 23 (figures III, IV) parallèles à l'axe, boulonnés de part et d'autre des armatures 12 et 17, de sorte qu'ils constituent ensemble un bloc très rigide, dont la vitesse critique est ainsi très supérieure à la vitesse nominale du moteur. In the engine described, the four discs 21 are centered between them and vis-à-vis the two circular frames 12 and 17 on shoulders 22; on the other hand, they are secured by 24 tie rods 23 (Figures III, IV) parallel to the axis, bolted on either side of the reinforcements 12 and 17, so that they together constitute a very rigid block, the critical speed is thus much higher than the nominal motor speed.

Chacun des éléments chauffants 9, visibles sur les figures I, II et III, et dont un détail est représenté sur la figure V, est un assemblage librement dilatable dans les directions axiale et radiale, dont la face tournée vers l'extérieur du rotor est constituée par une plaque collectrice épaisse 24, en cuivre oxydé. Ces plaques 24 absorbent l'énergie du rayonnement incident, qui est concentré et dirigé vers elles par des miroirs solaires immobiles, non représentés sur les figures, et elles transmettent par conductivité l'énergie ainsi recueillie vers des blocs lamellaires 25. Each of the heating elements 9, visible in FIGS. I, II and III, and a detail of which is shown in FIG. V, is a freely expandable assembly in the axial and radial directions, the side of which facing the outside of the rotor is constituted by a thick collecting plate 24, made of oxidized copper. These plates 24 absorb the energy of the incident radiation, which is concentrated and directed towards them by stationary solar mirrors, not shown in the figures, and they transmit by conductivity the energy thus collected towards lamellar blocks 25.

Ces blocs lamellaires 25 sont fractionnés en plusieurs segments, au nombre de quatre sur les figures, pour augmenter la puissance transmise par unité de volume dans les zones d'échange de la chaleur avec le fluide de travail et réduire ainsi la masse totale supportée par les disques 21. Chacun de ces blocs est constitué par un empilement de lames de cuivre de 8 mm de largeur et de 0,2 mm d'épaisseur, ajourées par moletage ou par étirage et disposées perpendiculairement à la plaque 24, à laquelle elles sont thermiquement connectées par soudage, par brasage ou par un apport électrolytique de cuivre.Lesdits blocs lamellaires 25 sont enfermés dans une boîte quasi parallélépipédique dont la plaque 24 fait partie, qui sépare le fluide de travail du vide extérieur, dont une extrémité, soudée à un conduit de compression 8, se situe à environ 19 cm de l'axe de rotation alors que l'autre extrémité, soudée à un conduit de détente 10, se situe à environ 17 cm de cet axe. These lamellar blocks 25 are divided into several segments, four in number in the figures, to increase the power transmitted per unit of volume in the heat exchange zones with the working fluid and thus reduce the total mass supported by the discs 21. Each of these blocks consists of a stack of copper blades 8 mm wide and 0.2 mm thick, perforated by knurling or stretching and arranged perpendicular to the plate 24, to which they are thermally connected by welding, by soldering or by an electrolytic supply of copper. Said lamellar blocks 25 are enclosed in an almost parallelepiped box of which the plate 24 is a part, which separates the working fluid from the external vacuum, one end of which is welded to a conduit compression 8, is located approximately 19 cm from the axis of rotation while the other end, welded to an expansion duct 10, is approximately 17 cm from this axis.

La disposition tronconique qui en résulte, pour l'ensemble des 24 éléments chauffants juxtaposés, provoque une première détente du fluide de travail lorsqu'il se rapproche de l'axe de rotation au cours de son échauffement, ce qui a pour effet de rapprocher l'évolution thermodynamique du fluide de travail d'un processus globalement isotherme. The resulting tapered arrangement, for all 24 juxtaposed heating elements, causes a first expansion of the working fluid when it approaches the axis of rotation during its heating, which has the effect of bringing the thermodynamic evolution of the working fluid of a globally isothermal process.

La boîte quasi parallélépipédique qui renferme les 4 blocs lamellaires 25 de chaque élément chauffant 9 est rigidifiée par des entretoises frontales 26 et elle est soudée aux extrémités d'étriers 27, qui ont pour fonction de transmettre aux disques 21 les efforts radiaux dus aux forces centrifuges s'exerçant sur les éléments chauffants. Chaque étrier 27 est constitué par une tôle profilée en alliage réfractaire à très haute résistance, qui enjambe des clavettes 28 ; lesdites clavettes, parallèles à l'axe de rotation, traversent les quatre disques 21 et assurent la liaison mécanique des éléments chauffants avec le rotor. The almost parallelepiped box which contains the 4 lamellar blocks 25 of each heating element 9 is stiffened by front spacers 26 and it is welded to the ends of stirrups 27, which have the function of transmitting to the discs 21 the radial forces due to centrifugal forces acting on the heating elements. Each stirrup 27 is constituted by a profiled sheet of refractory alloy with very high resistance, which straddles keys 28; said keys, parallel to the axis of rotation, pass through the four discs 21 and provide the mechanical connection of the heating elements with the rotor.

Dans des versions plus poussées du moteur thermique suivant l'invention, où les vitesses périphériques seraient encore plus élevées, la plaque collectrice 24 et les blocs lamellaires 25 des éléments chauffants seraient constitués d'alliages de métaux conducteurs tels que le béryllium, plus légers que le cuivre ; d'autre part, la liaison avec les disques 21 y serait réalisée par des jonctions dites "en sapin, comme celles qu'on utilise généralement pour les aubes de turbines axiales. In more advanced versions of the thermal engine according to the invention, where the peripheral speeds would be even higher, the collector plate 24 and the lamellar blocks 25 of the heating elements would be made of alloys of conductive metals such as beryllium, lighter than the copper ; on the other hand, the connection with the discs 21 would be carried out by so-called "fir" junctions, such as those generally used for the blades of axial turbines.

Dans d'autres versions du moteur suivant l'invention, intéressant plus particulièrement les puissances unitaires élevées, qui correspondent à des rotors et des éléments chauffants de plus grande dimension, le transfert de chaleur entre les plaques 24, qui absorbent le rayonnement, et les lames conductrices des éléments chauffants, qui sont en contact avec le fluide de travail, se ferait par convection et non par conduction, en utilisant la convection naturelle, dans le champ de gravitation du rotor, d'un métal liquide comme le sodium ou le potassium. Dans de telles versions du moteur, les lames conductrices des blocs lamellaires 25 seront avantageusement disposées perpendiculairement à la direction radiale, comme l'indique la coupe frontale de la figure VI, et non perpendiculairement à la direction azimutale, comme dans la coupe frontale de la figure V.Le métal liquide, réchauffé le long des plaques 24, est entraîné vers l'axe de rotation du fait de sa densité diminuée ; il s'aide ensuite de la chaleur aux extrémités des lames conductrices, en même temps qu'il circule dans les intervalles radiaux 48 ; sa densité reprend ainsi sa valeur initiale, ce qui l'entraîne à nouveau, dans un mouvement centrifuge, vers les plaques 24. In other versions of the engine according to the invention, more particularly relating to the high unit powers, which correspond to larger rotors and heating elements, the heat transfer between the plates 24, which absorb the radiation, and the conductive plates of the heating elements, which are in contact with the working fluid, would be by convection and not by conduction, using natural convection, in the gravitational field of the rotor, of a liquid metal such as sodium or potassium . In such versions of the engine, the conductive strips of the lamellar blocks 25 will advantageously be arranged perpendicular to the radial direction, as indicated in the front section of FIG. VI, and not perpendicular to the azimuthal direction, as in the front section of the Figure V. The liquid metal, heated along the plates 24, is driven towards the axis of rotation due to its reduced density; it then uses heat at the ends of the conductive strips, at the same time as it circulates in the radial intervals 48; its density thus returns to its initial value, which again drives it, in a centrifugal movement, towards the plates 24.

Sur la figure VI la circulation du métal liquide dans les intervalles radiaux 48 a été représentée par des flèches
Le sens de cette circulation est donné à titre d'exemple, en effet il est fixé par la convection naturelle. In FIG. VI the circulation of the liquid metal in the radial intervals 48 has been represented by arrows
The direction of this circulation is given by way of example, in fact it is fixed by natural convection.

On a représenté, sur la figure II, une configuration particulière de la turbine 6, dans laquelle cette turbine s'adapte à un écoulement axial avec trois étages subsoniques à action, ce qui permet de limiter le diamètre extérieur des aubages, de sorte qu'on puisse monter et démonter son carter 29 à travers 'l'alésage du palier magnétique 4. Ce carter 29 est logé au fond d'un puits ménagé à l'intérieur de l'arbre de grand diamètre 45, qui traverse le rotor 1 de part en part et qui lui est lié rigidement, de sorte que, dans le moteur suivant l'invention, les organes qui constituent le stator des turbines dans leur utilisation habituelle y sont entraînés en rotation, tandis que les organes qui constituent habituellement le rotor de ces turbines y sont maintenus immobiles par un axe fixe 30.Une extrémité dudit axe fixe s'appuie sur un palier 31, lié au rotor, et l'autre extrémité, munie d'une garniture d'étanchéité 32, visible sur la figure
I, transmet à l'appui fixe 2 le couple moteur exercé par le fluide de travail sur les aubages du stator. S'agissant d'une turbine à écoulement axial, son fonctionnement aérodynamique n'est pratiquement pas modifié par un tel montage inversé du "stator" et du "rotor".FIG. II shows a particular configuration of the turbine 6, in which this turbine adapts to an axial flow with three subsonic action stages, which makes it possible to limit the outside diameter of the blades, so that its casing 29 can be mounted and dismounted through the bore of the magnetic bearing 4. This casing 29 is housed at the bottom of a well formed inside the large diameter shaft 45, which passes through the rotor 1 of part by side and which is rigidly linked to it, so that, in the motor according to the invention, the members which constitute the stator of the turbines in their usual use are driven therein in rotation, while the members which usually constitute the rotor of these turbines are held stationary by a fixed axis 30. One end of said fixed axis rests on a bearing 31, linked to the rotor, and the other end, provided with a seal 32, visible in the figure
I, transmits to the fixed support 2 the engine torque exerted by the working fluid on the blades of the stator. Being an axial flow turbine, its aerodynamic operation is practically not modified by such an inverted assembly of the "stator" and the "rotor".

A sa sortie de la turbine, le fluide de travail est guidé radialement par un diffuseur cloisonné 33 jusqu'à l'échangeur de source froide 7, où il pénètre sur toute la largeur de cet échangeur, qui va de l'armature 12 à l'armature 17. I1 continue à se déplacer radialement dans les conduits dudit échangeur jusqu'à la chambre annulaire 13 ; ce déplacement centrifuge augmente la pression, ce qui permet d'obtenir un abaissement de température plus faible que celui qui serait dû à un refroidissement à pression constante. At its outlet from the turbine, the working fluid is guided radially by a partitioned diffuser 33 to the cold source exchanger 7, where it penetrates over the entire width of this exchanger, which goes from the armature 12 to the 'armature 17. I1 continues to move radially in the conduits of said exchanger to the annular chamber 13; this centrifugal movement increases the pressure, which makes it possible to obtain a lower temperature reduction than that which would be due to cooling at constant pressure.

Ledit échangeur 7 est constitué par 12 éléments modulaires contenus à l'intérieur d'une virole cylindrique 34, logée dans l'alésage des disques 21 et vissée sur l'armature 17 par 12 boulons 46. Said exchanger 7 consists of 12 modular elements contained inside a cylindrical shell 34, housed in the bore of the discs 21 and screwed onto the frame 17 by 12 bolts 46.

Le circuit du fluide de travail dans ledit échangeur 7 est constitué par 24 empilements de lames de cuivre ajourées de 0,4 mm d'épaisseur, brasées perpendiculairement de part et d'autre de 12 chambres nervurées 35, où l'eau de refroidissement circule dans une direction perpendiculaire à celle dudit fluide de travail. The working fluid circuit in said exchanger 7 consists of 24 stacks of perforated copper blades 0.4 mm thick, brazed perpendicularly on either side of 12 ribbed chambers 35, where the cooling water circulates in a direction perpendicular to that of said working fluid.

Ces chambres 35 canalisent l'eau entre des nervures 36, qui sont légèrement inclinées sur l'axe de rotation, de sorte que l'eau réchauffée du circuit secondaire tend à s'y écouler naturellement depuis un distributeur 37 jusqu'à un collecteur 38. Comme l'augmentation de température de cette eau est relativement faible, une telle disposition à "écoulements croisés" n'affecte pas sensiblement l'efficacité de 1' échangeur. These chambers 35 channel the water between ribs 36, which are slightly inclined on the axis of rotation, so that the heated water of the secondary circuit tends to flow there naturally from a distributor 37 to a collector 38 Since the increase in temperature of this water is relatively small, such a "cross-flow" arrangement does not appreciably affect the efficiency of the exchanger.

Dans une variante de moteur où le fluide secondaire serait un gaz léger comme l'hydrogène ou l'hélium, une configuration préférée de l'échangeur de source froide comporterait, au lieu d'écoulements croisés", des écoulements "à contre-courant", d'orientation radiale centripète pour le fluide secondaire et radiale centrifuge pour le fluide de travail. In a variant of the engine where the secondary fluid would be a light gas such as hydrogen or helium, a preferred configuration of the cold source exchanger would include, instead of cross flows ", flows" against the current " , centripetal radial orientation for the secondary fluid and centrifugal radial orientation for the working fluid.

Dans le moteur présenté, l'eau du circuit secondaire pénètre dans le rotor par un orifice 39 et une garniture d'étanchéité 40. Elle contribue au refroidissement du carter de turbine, puis s'écarte de l'axe de rotation, passe par 12 conduits 41 jusqu'au distributeur 37 de l'échangeur de source froide. Après sa sortie de cet échangeur dans le collecteur 38, elle est dirigée par des conduits 42 vers un canal tubulaire 43, d'où elle sort à travers une garniture d'étanchéité 44, pour être refroidie dans un radiateur externe, non représenté sur les figures annexées, avant de revenir vers l'orifice 39. In the engine presented, the water from the secondary circuit enters the rotor through an orifice 39 and a seal 40. It contributes to the cooling of the turbine casing, then deviates from the axis of rotation, passes through 12 conduits 41 to the distributor 37 of the cold source exchanger. After leaving this exchanger in the manifold 38, it is directed by conduits 42 to a tubular channel 43, from which it exits through a seal 44, to be cooled in an external radiator, not shown in the attached figures, before returning to port 39.

L'ensemble du circuit d'eau est d'autre part conçu pour éviter les ressauts radiaux susceptibles de gêner la purge des bulles de gaz qui pourraient s'y trouver. The entire water circuit is also designed to avoid radial bursts which could hinder the bleeding of gas bubbles which may be there.

L'assemblage mécanique, à l'intérieur et autour de l'arbre de grand diamètre 45, du carter de turbine 29, de l'armature 12 et de l'armature 17, sur laquelle est vissée la virole 34, exige par ailleurs l'utilisation de joints annulaires déformables, schématisés sur les figures annexes pour assurer la continuité et l'étanchéité des circuits d'eau et de gaz. The mechanical assembly, inside and around the large diameter shaft 45, of the turbine casing 29, of the armature 12 and of the armature 17, on which the ferrule 34 is screwed, moreover requires l 'use of deformable annular seals, shown schematically in the accompanying figures to ensure the continuity and tightness of the water and gas circuits.

Le fonctionnement du moteur implique enfin, outre le système optique de concentration de l'énergie radiative et le radiateur externe, l'utilisation d'équipements auxiliaires non représentés sur ces figures : démarreur permettant d'amorcer le mouvement de rotation, prise de mouvement pour le générateur électrique à entraîner, compresseur-détendeur pour faire varier la quantité de gaz présente dans le circuit, accessible par le canal fixe 47, pompe pour accélérer la circulation de l'eau dans le circuit secondaire et dispositifs de régulation et de contrôle, propres à la plupart des moteurs thermiques, pour la vitesse, la puissance et les températures,. The operation of the engine finally involves, in addition to the optical system for concentrating the radiative energy and the external radiator, the use of auxiliary equipment not shown in these figures: starter enabling the rotation movement to be started, power take-off for the electric generator to be driven, compressor-regulator to vary the quantity of gas present in the circuit, accessible by the fixed channel 47, pump to accelerate the circulation of water in the secondary circuit and regulation and control devices, clean to most heat engines, for speed, power and temperatures.

Dans un régime de fonctionnement nominal de ce moteur, le fluide de travail pourrait être du xénon additionné de 0,3 % en masse d'hélium, ce qui accroît la conductivité thermique de 70 % et la chaleur spécifique de seulement 10 %, c'est-à-dire qu'une addition de gaz léger, dans des proportions adaptées à chaque type d'utilisation particulière, permet de réduire de façon importante le volume et le poids du moteur, avec un rotor tournant à une vitesse périphérique légèrement accrue. In a nominal operating regime of this engine, the working fluid could be xenon with 0.3% by mass of helium, which increases the thermal conductivity by 70% and the specific heat by only 10%, it that is to say that an addition of light gas, in proportions adapted to each particular type of use, makes it possible to significantly reduce the volume and the weight of the engine, with a rotor rotating at a slightly increased peripheral speed.

Avec une pression du xénon de 5 bars à la sortie de la turbine, correspondant à une pression voisine de 50 bars à ltentrée des éléments chauffants, un rotor de 40 cm de diamètre tournant à 20.000 t/mn, des températures comprises entre 7800K et 8800K sur des plaques collectrices soumises à un flux moyen de rayonnement incident de 140 Watts/cm2 et avec un débit d'eau de refroidissement suffisant pour maintenir entre 3000K et 3700K la température des parois de l'échangeur froid, le moteur qui vient d'être décrit peut fournir typiquement une puissance mécanique de 20 kilowatts, ce qui correspond à un rendement thermodynamique proche de 45 % et à une puissance spécifique utile de l'ordre de 0,4 kilowatt par kg de rotor. With a xenon pressure of 5 bars at the outlet of the turbine, corresponding to a pressure close to 50 bars at the inlet of the heating elements, a 40 cm diameter rotor rotating at 20,000 rpm, temperatures between 7800K and 8800K on collector plates subjected to an average flux of incident radiation of 140 Watts / cm2 and with a cooling water flow sufficient to maintain between 3000K and 3700K the temperature of the walls of the cold exchanger, the engine which has just been described can typically provide a mechanical power of 20 kilowatts, which corresponds to a thermodynamic efficiency close to 45% and to a specific useful power of the order of 0.4 kilowatt per kg of rotor.

Ce résultat s'obtient en offrant au xénon, dans ses déplacements à l'intérieur du circuit fermé entraîné en rotation, des sections de passage suffisantes pour limiter les vitesses débitantes moyennes à 7 m/s, dans les éléments chauffants et dans l'échangeur de source froide, et à 40 m/s dans la turbine, valeurs compatibles avec de faibles déperditions d'énergie du fait de la viscosité du fluide de travail. This result is obtained by providing the xenon, in its movements inside the closed circuit driven in rotation, with sufficient passage sections to limit the average flow velocities to 7 m / s, in the heating elements and in the exchanger from a cold source, and at 40 m / s in the turbine, values compatible with low energy losses due to the viscosity of the working fluid.

Naturellement l'invention n'est en rien limitée par les particularités qui ont été spécifiées dans ce qui précède ou par les détails du mode de réalisation particulier choisi pour illustrer l'invention. Toutes sortes de variantes peuvent être apportées à la réalisation particulière qui a été décrite à titre d'exemple et à ses éléments constitutifs sans sortir pourtant du cadre de l'invention. Cette dernière englobe tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons. Naturally, the invention is in no way limited by the features which have been specified in the foregoing or by the details of the particular embodiment chosen to illustrate the invention. All kinds of variants can be made to the particular embodiment which has been described by way of example and to its constituent elements without however departing from the scope of the invention. The latter includes all the means constituting technical equivalents of the means described as well as their combinations.

Claims

1. Motor for converting radiative energy into mechanical energy comprising a circuit for compressing and expanding a working fluid circulating between a hot source and a cold source, characterized in that said working fluid circuit is incorporated in a rotor (1) suitable for being driven at high speed around an axis of rotation (45), and in that said hot source (9) comprises a radiative energy collector situated at the periphery of said rotor.

2. Motor according to claim 1 characterized in that said collector comprises a thermally conductive absorbent wall directly accessible to concentrated solar radiation towards it when the motor is operating in space.

3. Engine according to claim 1 or 2 characterized in that said cold source (7) comprises heat exchange elements between the working fluid and an auxiliary heat transfer fluid together forming an exchanger which is incorporated in said rotor (1).

4. Engine according to any one of claims 1 to 3 characterized in that in said hot source (9) said working fluid circuit is oriented generally at an angle relative to the axis of rotation of the rotor (1) so that the working fluid circulates there while approaching this axis.

5. Motor according to any one of claims 1 to 4 characterized in that said working fluid circuit is divided at the hot source (9) between conductive blades providing between them a hydraulic diameter of the order of 0 , 1 to 0.5 millimeter.

6. Engine according to any one of claims 1 to 5 characterized in that said working fluid circuit is divided at the cold source (7) between conductive blades providing between them a hydraulic diameter of the order of 0 , 1 to 0.5 millimeter.

7. Engine according to any one of claims 3 to 6 characterized in that the auxiliary heat transfer fluid circuit of said cold source (7) enters and leaves the rotor (1) through orifices formed in the axis of rotation.

8. Motor according to any one of claims 3 to 7 characterized in that the rotor (1) comprises a plurality of annular discs (21) integral with each other providing at their proximal radial end a receiving cavity of said cold source exchanger ( 7) and supporting at their distal radial end said hot source (9).

9. Motor according to claim 8 characterized in that the rotor (1) comprises on either side of said discs (21), two annular rings (12, 17) containing channels (14, 19) defining part of the conduits organizing the circulation of the working fluid.

10. Engine according to any one of claims 3 to 9 characterized in that said cold source exchanger (7) is produced so as to organize a cross circulation of axial orientation for the auxiliary heat transfer fluid and radial for the working fluid .

11. Engine according to any one of claims 3 to 9 characterized in that said cold source exchanger (7) is produced so as to organize a countercurrent circulation of centripetal radial orientation for the auxiliary coolant and centrifugal radial for the working fluid.

12. Motor according to any one of claims 1 to 11 characterized in that said radiative energy collector of the hot source (9) transmits heat to a heat transfer fluid of hot source circulating between lamellar blocks whose conductive blades are arranged perpendicular to the radial direction.