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Moyen permettant de restituer un travail dont l'intensité de la force est décroissante.
Il est fréquent que l'on cherche à accumuler un travail dont l'intensité de la force est décroissante pour le restituer ultérieurement avec une force dont l'intensité est croissante.
Aucun ressort ne permet d'arriver à ce résultat car tous les ressorts connus requièrent soit une force dont l'intensité est constante, comme c'est notamment le cas des ressorts du type "spirale", soit une force dont l'intensité croit progressivement pour restituer, le travail ainsi accumulé, avec une force dont l'intensité sera constante ou décroissante.
La possibilité d'accumuler un travail dont l'intensité de la force est décroissante, pour restituer ce même travail avec une force dont l'intensité est croissante, @ est particulièrement intéressante pour récupérer certaines énergies qui étaient perdues jusqu'à présent comme c'est le cas, notamment, de l'air comprimé qu'on laissait échapper des vérins pneumatiques.
En effet, quand le piston d'un vérin pneumatique à @ simple effet arrive à la fin de sa course, le cylindre contient encore une importante quantité d'énergie qui est perdue quand, pour permettre au piston de revenir à son point de départ, on laisse échapper l'air comprimé.
Cette énergie, qui est estimée à plus de la moitié de celle fournie au vérin, est perdue parce que, en se
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détendant, l'air comprimé perd progressivement sa pression et qu'il est impossible d'accumuler cette énergie au moyen d'un système quelconque basé sur l'utilisation d'un ressort traditionnel.
Un ressort n'étant qu'un moyen mécanique d'accumuler un travail, pour pouvoir le restituer ultérieurement, pour la simplification du texte, nous appelerons "ressort", le moyen, que revendique la présente demande de brevet et qui pourra absorber un travail dont l'intensité de la force est décroissante avant de restituer ce même travail avec une force dont l'intensité sera croissante.
Pour arriver à ce résultat, la présente demande de brevet revendique le moyen qui peut accumuler une énergie potentielle dont l'intensité de la force qu'elle pourra libérer sera décroissante et restituer, ultérieurement, cette même énergie potentielle avec une force dont l'intensité sera croissante. En effet, et pour reprendre l'exemple d'un vérin, l'air comprimé, qui s'y trouve, représente une énergie potentielle dont l'intensité de la force diminuera au fur et à mesure que l'air s'y détend.
La fig 1. illustre ce nouveau type de ressort et une application possible, en l'espèce celle qui consiste à accumuler l'énergie libérée par la détente d'une certaine quantité d'air comprimé avant de la restituer à la pression qui était initialement la sienne.
Soit une enceinte "e", contenant de l'air comprimé, reliée à un cylindre dont le piston "p" subit la
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pression qui règne dans l'enceinte, l'autre base du piston subissant la pression atmosphérique.
Soit un tambour "t" tournant librement autour d'un axe horizontal et qui, par construction, subit deux forces égales et diamétralement opposées. L'une de ces forces résulte d'un poids, ou de toute autre force dont l'intensité est constante et dont le point d'application est, au départ, tangeant au tambour.
La seconde force, opposée à la première, est la force d'un piston (p) dont la face supérieure subit la pression de l'air comprimé contenu dans l'enceinte (e), force dont le point d'application est également tangeant au tambour et diamétralement opposé au point d'application de la force constante représentée par le poids.
Si le poids est égal à la force exercée par le piston, ces deux forces seront en équilibre puisque les moments respectifs de ces forces sont égaux par construction.
Il suffira donc d'appliquer, au tambour, une force à peine supérieure aux frottements, pour qu'il opère une rotation, dans le sens anti-horlogique et qu'une plus grande quantité d'air, venant de l'enceinte (e), pénètre dans le cylindre.
Cette entrée d'air fera progresser le piston vers le bas du cylindre, comme le montre la fig 2.
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L'air comprimé qui se trouvait dans le cylindre se sera donc détendu et la pression subie par le piston aura diminué.
Conséquemment, l'on aura rompu l'équilibre des forces que subit le tambour, puisque le piston subit une pression inférieure à celle qu'il subissait initialement.
Pour que les forces qui agissent sur le tambour restent constamment en équilibre, il faudra déplacer le point d'application de la force exercée par le poids pour que le moment de la force qu'il applique au tambour soit toujours égal à la force résiduelle exercée sur le piston, force qui, comme précisé plus haut, ira en diminuant. Pour y arriver, il faudra donc que le point d'application de la force exercée par le poids puisse être déplacé pendant toute la rotation anti-horlogique du tambour et se rapprocher du centre de ce même tambour.
D'autre part, pour pouvoir restituer ultérieurement l'énergie potentielle perdue par le piston, il faudra l'avoir transférée et accumulée de façon telle qu'elle puisse être restituée ultérieurement. Pour y arriver, il suffira d'élever le poids pour en accroître l'énergie potentielle, de telle sorte que la somme des deux énergie potentielles, celle du piston et celle du poids, soit constante.
Ce double mouvement pourra être obtenu, par deux cames (c et c'). La came "c", solidaire du mouvement de
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rotation du tambour, aura pour effet d'assurer, au point d'application de la force exercée par le poids, la hauteur voulue pour accroître l'énergie potentielle du poids et la came "c'", qui sera fixe, aura pour effet de réduire le moment de cette même force en déplaçant, vers le centre du tambour, le point d'application de la force exercée par ce même poids.
La somme des forces exercées par le piston et par le poids sera donc toujours constante et l'équilibre de ces forces, subies par le tambour, sera donc maintenu pendant toute la descente du piston.
Quand le piston sera arrivé au point mort bas et que la pression qui règne dans le cylindre sera égale à la pression atmosphérique, le point d'application de la force exercée par le poids se trouvera, par l'action des cames, à la verticale de l'axe du tambour et, par là même, inopérante. Les moments des deux forces en présence seront donc égaux, c'est à dire qu'ils seront nuls. Quant à l'énergie potentielle qui, au départ, était celle du piston, elle aura été transférée intégralement au poids.
Le tambour aura donc absorbé un travail dont l'intensité de la force aura été décroissante.
Lors de la remontée du piston, ce travail sera restitué avec une force dont l'intensité sera croissante puisque le moment de la force, exercé par le poids, augmentera constamment et que, par là même, la force, que le poids
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exerce sur le piston, retrouvera progressivement toute son intensité.
D'autres variantes sont évidemment possibles. Ainsi, au lieu de modifier le point d'application de la force exercée par le poids, on pourrait tout aussi bien déplacer le point d'application de la force dont on désire accumuler le travail. On peut également déplacer concomitamment le point d'application des deux forces, l'essentiel étant que la somme des deux énergies potentielles soit constante et que les moments respectifs de ces deux forces restent constamment égaux.
Le chemin parcouru par la force, que l'on désire accumuler avant de la restituer, étant sensiblement égal au quart de la circonférence du tambour, l'on pourra, pour ne pas devoir surdimenssionner celui-ci, intercaler un mouflon, ou tout autre démultiplicateur, entre le tambour et la force que l'on désire accumuler, ce qui permettra d'allonger le chemin parcouru par cette force sans accroître le diamètre du tambour.
L'on pourra arriver au même résultat grâce à l'utilisation d'un convertisseur de couple. La figure 3 illustre cette possibilité. Soit un convertisseur de couple symbolisé par deux disques "a" et "b" de diamètres variables.
Pour illustrer une autre application possible, imaginons une cuve contenant une certaine quantité de liquide dont on désire faire baisser le niveau avant de le faire remonter à son niveau initial (Figure 3). Pour y
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arriver, imaginons également que le liquide s'écoule dans un cylindre situé en dessous de la cuve avant d'être refoulé dans cette même cuve.
Lors de l'écoulement du liquide dans le cylindre, la hauteur de la colonne de liquide diminuera ainsi que la pression exercée sur le piston.
Il faudra donc accumuler une énergie potentielle, celle du liquide contenu dans la cuve. L'intensité de la force du travail, produit par l'écoulement du liquide dans le cylindre, ira donc en diminuant et l'intensité de cette même force devra s'accroître constamment lors du refoulement du liquide.
Nous supposons qu'un câble, enroulé autour de l'axe "a" du convertisseur de couple, transmette la force exercée par le piston et qu'un autre câble, enroulé autour de l'axe "b", transmette la force exercée par le poids.
L'intensité de la force subie par le piston étant au départ, à son maximum, le disque entraîné par l'axe "a" aura donc un diamètre maximum et le diamètre du disque "b" sera au minimum.
Pendant tout l'écoulement de l'eau dans le piston, le disque "a" entraînera le disque "b" et assurera l'élévation du poids en accroissant ainsi son énergie potentielle.
Notons que dans le cas où l'on préfère utiliser un convertisseur de couple, le poids ne devra pas nécessairement être égal à la force subie par le piston,.
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la valeur du poids devant être calculée en fonction des diamètres respectifs des disques et de la force subie par le piston.
Concomitamment et pour autant que le convertisseur de couple soit asservi de façon appropriée, le diamètre du disque "a" se réduira en fonction de la baisse de pression qui règne dans le cylindre et le diamètre du disque "b" augmentera.
Le disque "b" aura donc absorbé un travail dont l'intensité de la force aura décru.
Quand le cylindre aura absorbé la totalité du liquide pour lequel il a été calculé (Figure 4), l'énergie potentielle accumulée par le poids sera retransférée, par ce même poids, au piston et ce avec une intensité croissante.
L'on pourra également utiliser, à la place du poids, toute autre force constante, telle qu'un ressort à force constante.
Toujours à titre subsidiaire, l'on pourra également utiliser un ressort dont l'intensité de la force varie, pour autant que l'on modifie de façon appropriée les cames qui déplacent le point d'application d'au moins une des forces considérées, ou l'asservissement du convertisseur de couple.
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L'invention décrite ci-dessus et revendiquée par la présente demande de brevet pourra être avantageusement appliquée à la thermodynamique en général et aux pompes à chaleur en particulier.
Si tant est, comme on le sait d'ailleurs, qu'une pompe à chaleur n'est rien d'autre que le prélèvement d'une certaine quantité de chaleur latente de vaporisation, prélèvement obtenu par la vaporisation d'un fluide, et la restitution de cette même chaleur latente lors de la condensation des vapeurs obtenues, l'invention revendiquée par la présente demande de brevet s'appliquera parfaitement au principe imaginé par Kelvin.
Soit une enceinte "e", hermétiquement fermée, contenant un fluide frigorigène en phase liquide et reliée à un cylindre, situé en-dessous de l'enceinte et dont la force subie par le piston entraine le disque "a", les vapeurs saturantes du liquide frigorigène exerçant une pression supérieure à la pression atmosphérique, et que subit l'autre face du piston (Figure 5).
Le fluide frigorigène, en phase liquide, pénétrera donc dans le cylindre en faisant reculer le piston qui absorbera ainsi un travail dont l'intensité de la force diminuera puisque la hauteur de la colonne de liquide diminuera elle aussi.
Au volume initial de l'enceinte il faudra donc ajouter celui du cylindre. Cet accroissement de volume
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provoquera une évaporation supplémentaire du liquide frigorigène.
Pour s'évaporer, le fluide frigorigène prélèvera sa chaleur latente de vaporisation, à lui-même d'abord et ensuite au fluide qui circule dans le serpentin ou dans tout autre échangeur de chaleur qui aura été placé dans l'enceinte.
Quand le piston sera arrivé à l'extrémité du cylindre (Figure 6), l'évaporation du fluide frigorigène dans l'enceinte s'arrêtera et le poids, par l'intermédiaire du disque "b", aura absorbé tout le travail produit par l'écoulement du fluide frigorigène que contenait l'enceinte.
Le poids restituera ensuite le travail nécessaire pour faire remonter, à la pression initiale, le fluide qui se trouve dans le cylindre et assurera, par là même, sa condensation. La chaleur latente de condensation qui en résultera pourra, elle aussi, être absorbée d'une façon ou d'une autre.
L'application de l'invention revendiquée par la présente demande de brevet aura donc l'avantage de réduire considérablement la quantité d'énergie mécanique que requièrent les pompes à chaleur.
En conclusion et comme on l'a vu, l'essentiel de l'invention revendiquée par la présente demande de brevet consiste donc essentiellement à accumuler un travail dont l'intensité de la force est décroissante en
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accroissant l'énergie potentielle d'une autre force, la somme des énergies potentielles restant constante et les moments respectifs des deux forces, ou du couple moteur et du couple résistant, restant toujours égaux.