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Perfectionnements apportés aux moteurs à gaz chaud à cycle fermé.
Dans les moteurs connus à gaz chaud., qui comprennent également les moteurs à air chaud, on chauffe une certaine quantité de, gaz dans une chambre fermée dite chambre chaude. Ce chauffage a. pour effet de produire une élévation de la pression du gaz. Ce gaz à pression plus élevée s'écoule vers une seconde chambre dite cham- bre froide, qui est en communication libre avec la première chambre et dans laquelle ce gaz met en mouvement un piston de pression, se dilate et pendant cette dilatation, se refroidit. Un second piston dit déplaceur pénètre dans la chambre chaude de façon à chasser de celle-ci presque tout le gaz, a l'exception de celui qui se trouve dans l'espace nuisible inévitable. Le gaz qui se trouve, après la dilatation, dans la chambre froide peut être évacué à l'atmosphè-
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re.
Dans ce ces, on utilise de 1-'air comme gaz moteur. Le mouvement de sortie du deplaceur de la. chambre chaude a pour effet d'aspirer une nouvelle quantité d-'air dans la chambre chaude. On désigne des moteurs de ce genre par l'expression moteurs à cycle ouvert.
On connaît également des moteurs à gaz chaud dans les- quels le gaz, après sa dilatation reste enfermé dans la chambre froide et y est refroidi. La pression du gaz diminue alors et le piston de pression peut faire sa course vers l'intérieur. Le dé- placement du deplaceur a pour effet de déplacer à nouveau la mrne quantité de gaz vers la chambre chaude. On désigne des mo- teurs de ce genre par l'expression moteurs à cycle fermé.
La présente invention n'est relative qu'à des moteurs à gaz chaud, qui présentent un cycle fennec moteurs parmi lesquels il faut compter également ceux dans lesquels une certaine quantité de gaz peut être soustraite au cycle ou y être ajoutée, par exemple en vue de compenser des pertes par fuite.
Dans les moteurs à gaz chaud, il est connu de placer un régénérateur dans le trajet du gaz entre les chambres chaude; et froide. Ce régénérateur absorbe une certaine partie de la chaleur du gez qui se dilate et sort de la chambre chaude. Cette chaleur est rendue au gaz quand le gaz refroidi retourne de la chambre froide à la chambre chaude. Il en résulte une moindre perte de chaleur par refroidissement pour le processus de travail. Pour la même quantité de chaleur amenée de l'extérieur au moteur et pour le même volume de cylindre, on augmente donc la puissance
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induite du moteur grâce a l'utilisa.tion du régénérttrur. Les pertes fixes du moteur, telles que le rayonnement, restent en prin- cipe les mêmes, desorte que le rendement total augmente.
La puissance par unité de volume du cylindre accroît également pour un chauffage et un refroidissement plus complets du gaz. Eh effet, si ce n'est pas tout le gaz complètement chauffé 1\ ou refroidi qui est introduit dans les chambres chaude et froide
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respectivement, le cycle est aussi accompli par une quantité d.e gaz qui n'a pas a.bsorbé toute l'énergie disponible et qui est donc incapable de céder l.a plus grande quantité possible de cette énergie. Pour obtenir une certaine puissance, un refroidissement et un chauffage peu favorables nécessiterait donc un plus grand volume de cylindre, d'où il résulte également une augmentation de la valeur des pertes fixes.
Dans un moteur connu à gaz chaud et à cycle fermée' le gaz traverse un regénérateur sur son trajet de la chambre chaude à la chambre froide. Le chauffage et le refroidissement du gaz s'effectue dans la chambre chaude et dans la chambre froide respectivement. Comme le contact du gaz avec la surface chaude et avec la surface refroidie est limité aux parois de ces chambres, le gaz qui ne se trouve pas au voisinage direct de la paroi ne sera chauffé à une température suffisante que dans le cas où le temps disponible pour cela. est assez considérable. Il s'ensuit que le nombre de révolution du moteur devrait être très réduit.
Pour obtenir une certaine puissance, on peut également utiliser une grande quantité de gaz pour la même pression, de sorte que le moteur possède de très gr.andes dimensions et que les pertes augmentent proportionnellement. Afin de pouvoir loger une quantité de gaz relativement grande tout en conservant les mêmes dimensions du moteur, il est également possible d'augmenter la pression du milieu. Si la pression augmente, la conductibilité de la chaleur n'augmente pas mais, au contraire la chaleur spécifi- que augmente, de sorte que les conditions pour la transmission de la chaleur deviennent encore moins favorables.
On connaît des moteurs à gaz chaud, et à cycle fermé qui comportent une chambre chaude, une chambre de chauffage, un régénérateur, un refroidisseur et une chambre froide et dans lesquels le gaz traverse, sur sa route de la chambre chaude vers
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la chambre froide, le chambre de chauffage, le régénérateur et le refroidisseur aans cet ordre ou, dans -Le cas de mouvement de la chambre froide vers .La chambre chaude, dans l'ordre inverse. Toute- fois, dans ces moteurs connus, il existe entre le régénérateur et le refroidisseur proprement dit un espace dans lequel le gaz glisse légèrement sur une surface chauffée.
Une certaine quantité de chaleur de cette surface chauffée est cédée au gaz, chaleur qui est évacuée dans le refroidisseur suivant et est perdue pour le processus de travail-, affectant ainsi défavorablement le rendement de ce moteur à gaz chaud.
Suivant l'invention, on obvie également à cet inconvé- nient en construisant le moteur d'une façon telle que le chauffage du gaz s'effectue uniquement dans la chambre de chauffage. On évite ainsi l'amenée de chaleur en d'autres points dans le cycle où la chaleur qui existe dans le gaz ne peut pas être utilisée ou ne peut pas être utilisée complètement.
Par chambre de chauffage et par refroidisseur on entend ici des organes qui servent à échanger de la chaleur avec le gaz, le trajet de circulation de celui-ci étant délimité par au moins deux surfaces, qui exercent une action chauffante et refroidissante sur le gaz et dans lesquelles la chaleur est amenée de l'extérieur et évacuée a l'extérieur, respectivement.
Par chambre de chauffage et par refroidisseur on peut ici également entendre des organes qui servent à échanger de la chaleur avec le gaz, le courant de gaz étant subdivisé en un grand nombre de parties séparées, par exemple au moins cinq. On peut faire varier cette subdivision dans le sens du courant de gaz. La transmission de la chaleur est améliorée par les chocs produits par suite de la subdivision utilisée. La chambre de chauffage et le refroidisseur peuvent tous les deux éventuellement posséder les propriétés mentionnées dans ce qui précède.
Par chambre chaude et chambre froide on entend ici des
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chambres dont la grandeur varie, pendant le cycle, de zéro jusqu'à une valeur limitée et qui servent à contenir une partie chaude et une partie froide, respectivement, du gaz. Les autres espaces de volume constant du moteur qui contiennent le gaz sont des espaces nuisibles.
Il est connu de réaliser un moteur à gaz chaud et à cycle fermé avec une chambre chaude, un régénérateur, un refroidis- seur et une chambre froide, le gaz étant chauffé entre la chambre chaude et le régénérateur. Ce chauffage s'effectue dans un canal qui ne présente qu'une seule paroi à laquelle est amenée de la chaleur et qui, en outre, n'est pas sousdivisée, de sorte qu'il n'y a pas ici question d'une chambre de chauffage selon le sens de la présente invention. Comme on l'a déjà expliqué dans ce qui précède, ce chauffage peu satisfaisant du gaz a pour effet que l'énergie par unité de volume du cylindre est extrêmement faible.
Pour obtenir une puissance maximum par unité de volume du cylindre et en conséquence.un rendement aussi élevé que possi- ble, il n'est pas suffisant que quatre des dits cinq éléments soient présents, comme toute déviation de l'invention diminue considérablement l'énergie par unité de volume du cylindre, d'où il peut résulter également une forte diminution du rendement.
Vu que les moteurs connus à gaz chaud présentent par unité de volume du cylindre une énergie d'environ 0,2 - 0,7 W/cm, il est un fait surprenant que, dans le moteur suivant l'invention qui comporte donc les cinq éléments mentionnés plus haut, l'énergie par unité de volume du cylindre comparable à ces valeurs est de 3,5 W/cm et morne encore plus haute, par exemple 7 W/cm3, comme on 1-la const-até par des expériences. A l'égard des moteurs connus, on obtient donc par unité de volume du cylindre une énergie qui est dix fois ou même davantage encore plus grande que celle des ma- chines connues.
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Dans une machine connue il est nécessaire, par suite de l'absence d'une chambre chaude, de loger dans la chambre de cha,uf- fage la quantité de gaz nécessaire au cycle. Comme cette chambre doit pouvoir contenir presque tout le gaz, il en résulte un volume peu favorable pour une transmission rapide et complète de la chaleur.
L'absence d'une chambre de chauffage et/ou d'un refroi- disseur rend le chauffage et le refroidissement du gaz plus mau- vais, de sorte que le rendement diminue, comme il a été exposé plus haut.
L'absence d'un régénérateur ne produit pas seulement une grande perte de chaleur, comme il a été exposé plus haut, maisla chambre de chauffage est alors aussi directement contigüe au refroidisseur, de sorte qu'une perte de chaleur par conduction de la chambre de chauffage vers le refroidisseur est inévitable.
On peut réduire cette perte par interposition d'une pièce inter- médiaire isolante, mais il en résulte également un agrandissement de l'espace nuisible dans le moteur.
De préférence, suivant l'invention, on place les cinq éléments précites du moteur a gaz chaud d'une part entre eux et d'autre part par rapport au piston et au déplaceur du moteur, d'une façon telle que la chambre de chauffage, le régénérateur et le refroidisseur se trouvent directement les uns derrière les autres dans le sens de mouvement du piston et du déplaceur et autour de ces derniers éléments. La chambre de chauffage se trouve alors naturellement du cô'té de la chambre chaude et le refroidisseur du côté de la chambre froide.
Cette disposition permet d'obtenir une construction exceptionnellement simple et concentrée du moteur à gaz chaud.
Le gaz circule de la chambre chaude, en passant à l'extérieur du déplaceur, par la chambre de chauffage, par le régénérateur et (par le refroidisseur à la chambre froide. Les chambres froide et
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chaude peuvent alors avoir une paroi commune avec la chambre de chauffage et le refroidisseur respectivement, de façon à réduire les pertes de chaleur. En outre, le placement de la chambre de chauffage, du régénérateur et du refroidisseur autour du déplaceur présente au point de vue de la construction l'avantage que, pour une certaine surface de circulation nécessaire de ces éléments les dimensions du moteur normales à l'axe du piston et au déplaceur sont minimum,ce qui conduità des pertes de chaleur minima. par rayonnement.
Afin d'obtenir une approximation de la dilatation et de la. compression isothermiques qui sont en soi favorables dans le moteur,la chambre chaude est précédée, de préférence, par une seconde chambre de chauffage et cette dernière est précédée par une seconde chambre chaude. Dans cette construction, le gaz dilaté qui sort, au cours de la dilatation, de la chambre chaude est conduit deux fois le long de la chambre de chauffage de sorte que le refroidissement produit par la dilatation est compensé du moins en partie par une amenée additionnele de chaleur. Au cours de la compression, il se présente un cas analogue.
En effet, la chambre froide peut être suivie par un second refroidisseur et par une seconde chambre froide, de sorte que le gaz comprimé qui sort de la chambre froide peut céder dans le second refroidisseur la chaleur produite au cours de la compression, avant d'être comprimé davantage. Ceci favorise une compression isothermique.
On comprendra mieux l'invention en se référant aux dessins annexés,donnés à titre d'exemples non limitatifs, qui en représentent quelques modes de réalisation pratiques, les particularités qui ressortent tant du texte que du dessin faisant, bien entendu, partie de l'invention.
La fig. 1 représente, en partie schématiquement et en coupe longitudinale, un moteur à gaz chaud suivant l'invention.
La fig. 2 est une vue en coupe transversale de la chambre
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chaude de ce moteur.
La fig. 3 représente un autre mode de récusation d'un moteur à gaz chaud suivant l'invention.
Le moteur à gaz chaud représenté sur la fig.l est consti- tué par un cylindre de pression comportant, entre autres, la cham- bre chaude 10 et la chambre froide constituée par deux parties 11 et 12. La partie 12 a la forme d'une enveloppe cylindrique pour le piston de pression 13. Dans la position représentée, le déplaceur
16 vient d'avoir pénétré entièrement dans la chambre chaude 10, de sorte que l'espace nuisible seulement de celle-ci, à savoir un petit jeu inévitable entre la tête du déplaceur 16 et la tête du cylindre, est laissé libre à côté des canaux d'amenée allant à la chambre de chauffage 19.
La chambre chaude est entourée par La chambre de chauffa- ge 19, qui subdivise le courant de gaz sortant de la chambre chaude
10. Cette chambre de chauffage comprend environ cent cannelures axiales, qui sont représentées en coupe transversale sur la fig.2.
Pour des moteurs relativement grands, ce nombre de cannelures peut augmenter, par exemple, jusqu'à 250. Il est évident qu'on peut éga- lement obtenir la subdivision du courant de gaz de nombreuses autres manières. Ainsi, on pourrait s'imaginer, par exemple, qu'un certain nombre de goupilles sont prévues transversalement au sens de circulation du gaz dans la chambre de chauffage, d'une façon telle que le courant de gaz circulant vienne en contact avec un grand nombre de goupilles, lesquelles goupilles font corps avec la paroi extérieure de la chambre de chauffage et du refroidisseur respectivement, ou bien sont en contact bon conducteur de la cha- leur avec celle-ci. En faisant en sorte que les goupilles soient légèrement déplacées entre elles dans les diverses couches, on peut obtenir que le courant de gaz soit subdivisé chaque fois à nouveau.
On peut obtenir un resultat analogue au moyen de fiches ,prévues sur la paroi de la chambre de chauffage. On a ménagéentre
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les cannelures représentées des canaux étroits qui sont traversés par le gaz à chauffer. Ces cannelures sont coulées de façon à former un seul ensemble avec la paroi de la chambre de chauffage ou en tout cas sont reliées de façon bonne conductrice de la chaleur à la paroi de cette chambre de chauffage, qui est directement contiguë au canal de chauffage 14, par lequel la chaleur requise est amenée de l'extérieur à la chambre de chauffage.
Comme on l'a déjà fait remarquer, le gaz qu'il s'agit de chauffer circule dans les canaux entre les cannelures, de sorte que le gaz est en contact avec au moins deux surfaces qui cèdent la chaleur au gaz et auxquelles on amène cette chaleur de 1-'extérieur, c'est-à-dire à partir du canal 14. Une botte métallique 22, qui s'ajuste par- faitement dans la périphérie intérieure de ces cannelures, évite une communication directe entre la, chambre chaude 10 et la chambre de chauffage 19, de sorte que le gaz déplacé par le déplaceur 16 est forcé de circuler, par la canal annulaire 23, dans la chambre de chauffage et ne peut quitter cette dernière qu'à l'extrémité opposée vers le régénérateur 20.
Dans ce régénérateur 20, le gaz chauffé et se dilatant émet une partie de sa chaleur et vient ensuite dans le refroidis- seur 21. Ce dernier comprend comme la chambre de chauffage 19, un certain nombre de cannelures axiales, entre lesquelles on a ménagé des canaux étroits. Dans ce cas également le gaz, au cours du passage par le refroidisseur, est donc en contact avec au moins deux surfaces qui reprennent la chaleur du gaz'et la cèdent à travers la paroi du refroidisseur à l'enveloppe de refroidissement 15. Cette dernière s'étend, en outre, sur la partie 12 de la chambre froide dans laquelle se meut le piston, de sorte que les surfaces de frottement du piston 13 sont toujours maintenues froides.
La lubrification de ce piston et l'obturation étanche aux gaz au moyen de ressorts de piston ne présentent pas de dif- ficultés particulières pour cette basse température.
Le refroidisseur 21 est également séparéde la chambre
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froide 11 au moyen de la boîte 22 qui s'ajuste de la manière d'un cylindre dans la périphérie intérieure des cannelures, de sorte que le courant de gaz qui sort du régénérateur 20 doit traverser toute l'étendue du refroidisseur pour venir ensuite, au moyen du canal annulaire 24, dans les chambres froides 11 et 12 au-dessus du piston de pression 13. La dite botte 22 se trouve donc dans la chambre chaude en face de la chambre de chauffage et aussi en face du régénérateur 20 et du refroidisseur et de la chambre froide. La partie de cette boite qui se trouve dans la chambre chaude possède donc une température sensiblement plus élevée que la partie qui se trouve dans la chambre froide.
Par conséquent, un courant chaud constant s'écoulera, à travers la paroi de cette boîte, de la chambre chaude vers la chambre froide, ce qui en- traîne une perte de chaleur pour le cycle. Afin de réduire cette perte autant que possible, la paroi de la boîte est très mince et est, en outre, établie en une matière qui conserve sa forme pour la haute température regnant dans la chambre chaude et qui présente une mauvaise conductibilité de la chaleur. On utilj se pour cela, par exemple, un alliage de fer contenant du cobalt et du nickel.
Le déplaceur 16 se trouve également en partie dans la chambre chaude et en partie dans la chambre froide, de sorte que pour celui-ci la même remarque s'applique que pour la boîte 22.
A la température de service du moteur qui règne dans la chambre chaude, il serait en pratique impossible de guider le déplaceur 16 dans la boîte 22. Par conséquent, Lediamètre extérieur du dépla- ceur 16 est plus petit que le diamètre intérieur de la boite 22, de manière que ces éléments ne puissent pas se toucher en fonction- nement.
A cette fin, il suffit pour des petites machines d'une dif- férence de diamètre de 0,2 mm. et pour des machines relativement grandes d'une différence de diamètre allant jusqu'à 2 mm. le gui- dage du déplaceur 16 doit se trouver dans une autre partie du moteur, c'est-à-dire de préférence dans la chambre froide, de
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sorte que la lubrification n'entraîne pas de difficultés..Dans le mode de réalisation représenté, la tige 25 du déplaceur est guidée dansle corpsdu piston 13.
Pendant le fonctionnement du moteur, le piston et le déplaceur font périodiquement un mouvement de va et vient par rapport au moteur par suite du mouvement rotatif de l'arbre- manivelle et, comme les manivelles du piston et du déplaceur font un angle de 50 -90 , le piston et le déplaceur se déplaceront éga- lement l'un par rapport à l'autre.
Dans la position représentée, le déplaceur 16 vient d'arriver à la fin de sa course vers l'intérieur c'est-à-dire que le déplaceur a pénétré aussi loin que possible dans la chambre chaude ; le mouvement qui précède la position représentée a donc chassé le gaz de la chambre chaude. Comme le jeu entre le déplaceur 16 et La botte 22 est limité à une valeur qui est nécessaire pour des raisons constructives, Le gaz sera forcé en pratique de s'écou- ler, dans le sens des flèches représentées, par le canal annulaire 23 vers la chambre de chauffage 19. De là, le gaz se dilate, éga- lement dans le sens des flèches représentées, par le régénérateur 20 et par le refroidisseur 21 vers les chambres froides 11, 12.
Dans ces chambres, la pression de gaz augmente et le piston 13 accomplit sa course vers l'extérieur.
Au cours du mouvement consécutif à la position repré- sentée sur La fig.l, le déplaceur 16 se meut à nouveau vers l'extérieur. Arrivé à la fin de cette course, le piston de pression 13 commence sa course vers l'intérieur et s'approche donc du déplaceur 16. La chambre froide 11 devient plus petite, la chambre 10, au contraire, devient plus grande, de sorte que le gaz est déplacé maint'enant, en sens inverse des flèches repré- sentées, p,ar le refroidisseur 21, le régénérateur 20 et la chambre de chauffage 19 vers la chambre chaude 10. Quand le dé- pLaceur 16 et le piston 13 se touchent pratiquement, c'est-à-dire
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avec un intervalle, par exemple, de 0,1 mm., la chambre froide est devenue zéro.
L'espace qui subsiste et est formé par le jeu iné- vitable entre le piston et le déplaceur et l'espace qui n'est pas rempli par le piston et le déplaceur, comme le canal annulaire 4, constituent l'espace nuisible.
La fig.3 représente un autre mode de réalisation d'un moteur à gaz chaud suivant l'invention. Les parties, comme la chambre chaude, la chambre de chauffage, le régénérateur, le refroidisseur et la chambre froide sont en principe les mêmes que celles des modes de réalisation représentés sur les figs. 1 et 2. Les parties identiques sont désignées par les mêmes chiffres de référence.
Dans le présent mode de réalisation, la chambre chaude est précédée par une seconde chambre de chauffage 28 et par une seconde chambre chaude 26. De même, la chambre froide 11 est suivie par un second refroidisseur 29 et par une seconde chambre froide 27.
La chambre de chauffage 28 est logée dans la tête du cylindre sous forme de quelques cannelures qui s'étendent dans le sens axial avec le cylindre et entre lesquelles il existe des canaux étroits. Par suite de la présence de quelques boites 30, qui sont glissées sur les arêtes des cannelures, le courant de gaz est force de traverser ces canaux du début jusqu'à la fin suivant la direction indiquée par des flèches sur la figure. Le seconde chambre chaude 26 est formée entre la tête du cylindre et un prolongement cylindrique 17 dont est muni le déplaceur 16. Les mouvements du déplaceur ont pour effet de pousser le prolongement cylindrique 17 dans la chambre de chauffage additionnelle 28, de manière à agrandir et réduire périodiquement la chambre 26 et à satisfaire ainsi aux exigences que doit remplir une chambre chaude.
Le second refroidisseur est fixé au piston 13 qui, à cette /fin, est refroidi artificiellement, de manière connue, à l'aide
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d'air ou d'eau qui est amené et drainé par la tige de piston. Ce refroidisseur est également constitué par un certain nombre de cannelures qui s'étendent dans le sens axial avec le cylindre et entre lesquelles il existe des canaux étroits. La présence des bottes 31 empêche la communication directe avec la chambre froide, de sorte que les gaz doivent suivre le trajet indiqué par la flè che.
La seconde chambre froide 27 est constituée par un prolongement cylindrique 18 du cylindre 16, qui pénètre dans le refroidisseur 29 et sort de celui-ci par suite du mouvement périodique du dépLaceur 16 et du piston 13.
Grâce à la disposition de la seconde chambre de chauffa- ge entre les deux chambres chaudes, on obtient dans le cylindre une approximation de la dilatation isothermique qui est en soi favorable pour le moteur à gaz chaud. Le refroidissement que subit le gaz par suite de la dilatation est compensé par la chaleur additionnelle ramenée au gaz dans la chambre de chauffage 28. D'une manière analogue, le second refroidisseur 29 améliore la compression isothermique.
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Improvements made to closed cycle hot gas engines.
In known hot gas engines, which also include hot air engines, a certain quantity of gas is heated in a closed chamber called a hot chamber. This heater has. the effect of producing an increase in gas pressure. This higher pressure gas flows to a second chamber called the cold chamber, which is in free communication with the first chamber and in which this gas sets a pressure piston in motion, expands and during this expansion, cools. . A second piston called a displacer enters the hot chamber so as to expel therefrom almost all the gas, with the exception of that which is in the inevitable harmful space. The gas which is, after expansion, in the cold room can be evacuated to the atmosphere.
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In these, air is used as the driving gas. The movement of the mover from the. hot room sucks a new amount of air into the hot room. Motors of this type are referred to as open cycle motors.
Hot gas engines are also known in which the gas, after its expansion, remains locked in the cold room and is cooled there. The gas pressure then decreases and the pressure piston can travel inward. The movement of the displacer has the effect of again moving the same quantity of gas towards the hot chamber. Engines of this kind are referred to as closed cycle engines.
The present invention relates only to hot gas engines, which have a fennec engine cycle, among which must also be counted those in which a certain quantity of gas can be subtracted from the cycle or be added to it, for example with a view to to compensate for losses by leakage.
In hot gas engines, it is known to place a regenerator in the gas path between the hot chambers; and cold. This regenerator absorbs a certain part of the heat from the gez which expands and leaves the hot chamber. This heat is returned to the gas when the cooled gas returns from the cold room to the hot room. This results in less heat loss through cooling for the working process. For the same quantity of heat brought from outside to the engine and for the same volume of cylinder, the power is therefore increased.
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induced by the engine thanks to the use of the regenerator. The fixed motor losses, such as radiation, remain in principle the same, so that the total efficiency increases.
The horsepower per unit volume of the cylinder also increases for more complete heating and cooling of the gas. Indeed, if not all the completely heated or cooled gas is introduced into the hot and cold chambers
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respectively, the cycle is also accomplished by a quantity of gas which has not absorbed all the available energy and which is therefore unable to give up the greatest possible quantity of that energy. To obtain a certain power, unfavorable cooling and heating would therefore require a larger cylinder volume, which also results in an increase in the value of the fixed losses.
In a known hot gas closed cycle engine the gas passes through a regenerator on its way from the hot chamber to the cold chamber. Heating and cooling of the gas takes place in the hot and cold rooms respectively. As the contact of the gas with the hot surface and with the cooled surface is limited to the walls of these chambers, the gas which is not in the direct vicinity of the wall will be heated to a sufficient temperature only if the time available for it. is quite considerable. It follows that the number of engine revolutions should be very small.
To obtain a certain power, one can also use a large quantity of gas for the same pressure, so that the engine has very large dimensions and the losses increase proportionally. In order to be able to accommodate a relatively large quantity of gas while maintaining the same dimensions of the engine, it is also possible to increase the pressure of the medium. If the pressure increases, the heat conductivity does not increase but, on the contrary, the specific heat increases, so that the conditions for heat transfer become even less favorable.
There are known hot gas engines, and closed cycle which comprise a hot chamber, a heating chamber, a regenerator, a cooler and a cold chamber and in which the gas passes through, on its route from the hot chamber to
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the cold room, the heating chamber, the regenerator and the cooler in this order or, in the case of movement from the cold room to the hot room, in the reverse order. However, in these known engines there is a space between the regenerator and the cooler proper in which the gas slides slightly over a heated surface.
A certain amount of heat from this heated surface is transferred to the gas, which heat is discharged into the next cooler and is lost to the work process, thus adversely affecting the efficiency of this hot gas engine.
According to the invention, this drawback is also obviated by constructing the engine in such a way that the heating of the gas takes place only in the heating chamber. This prevents the supply of heat to other points in the cycle where the heat which exists in the gas cannot be used or cannot be used completely.
By heating chamber and by cooler is meant here organs which serve to exchange heat with the gas, the circulation path of the latter being delimited by at least two surfaces, which exert a heating and cooling action on the gas and in which heat is brought in from the outside and exhausted to the outside, respectively.
By heating chamber and by cooler can also be understood here as members which serve to exchange heat with the gas, the gas stream being subdivided into a large number of separate parts, for example at least five. This subdivision can be varied in the direction of the gas flow. The heat transmission is improved by the shocks produced as a result of the subdivision used. The heating chamber and the cooler can both optionally have the properties mentioned in the above.
By hot and cold rooms we mean here
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chambers whose size varies, during the cycle, from zero to a limited value and which serve to contain a hot part and a cold part, respectively, of the gas. The other spaces of constant volume of the engine which contain the gas are harmful spaces.
It is known to produce a closed-cycle hot gas engine with a hot chamber, a regenerator, a cooler and a cold chamber, the gas being heated between the hot chamber and the regenerator. This heating takes place in a channel which has only one wall to which heat is supplied and which, moreover, is not subdivided, so that there is no question here of a heating chamber according to the meaning of the present invention. As already explained in the foregoing, this unsatisfactory heating of the gas results in the energy per unit volume of the cylinder being extremely low.
In order to obtain maximum power per unit volume of the cylinder and consequently as high an efficiency as possible, it is not sufficient that four of said five elements are present, as any deviation of the invention considerably reduces the efficiency. energy per unit volume of the cylinder, which can also result in a large decrease in efficiency.
Considering that the known hot gas engines have per unit volume of the cylinder an energy of approximately 0.2 - 0.7 W / cm, it is a surprising fact that, in the engine according to the invention which therefore comprises the five elements mentioned above, the energy per unit volume of the cylinder comparable to these values is 3.5 W / cm and even higher, for example 7 W / cm3, as has been established by experiments . With respect to known engines, therefore, per unit volume of the cylinder an energy is obtained which is ten times or even more still greater than that of known machines.
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In a known machine it is necessary, owing to the absence of a hot chamber, to accommodate in the heating chamber the quantity of gas necessary for the cycle. As this chamber must be able to contain almost all the gas, this results in an unfavorable volume for rapid and complete heat transmission.
The absence of a heating chamber and / or a cooler makes the heating and cooling of the gas worse, so that the efficiency decreases, as discussed above.
The absence of a regenerator not only produces a large heat loss, as discussed above, but the heating chamber is then also directly contiguous to the cooler, so that heat loss by conduction from the chamber. heating to the cooler is inevitable.
This loss can be reduced by interposing an insulating intermediate piece, but it also results in an enlargement of the harmful space in the engine.
Preferably, according to the invention, the aforementioned five elements of the hot gas engine are placed on the one hand between them and on the other hand relative to the piston and the engine displacer, in such a way that the heating chamber , the regenerator and the cooler are located directly behind each other in the direction of movement of the piston and the displacer and around them. The heating chamber is then naturally on the side of the hot chamber and the cooler on the side of the cold chamber.
This arrangement makes it possible to obtain an exceptionally simple and concentrated construction of the hot gas engine.
The gas circulates from the hot chamber, passing outside the displacer, through the heating chamber, through the regenerator and (through the cooler to the cold chamber. The cold chambers and
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heat can then have a common wall with the heating chamber and the cooler respectively, so as to reduce heat loss. Furthermore, the placement of the heating chamber, the regenerator and the cooler around the displacer has the advantage from a construction point of view that, for a certain necessary circulation area of these elements the dimensions of the engine normal to the piston pin and displacer are minimum, which leads to minimum heat loss. by radiation.
In order to obtain an approximation of the expansion and the. isothermal compression which are in themselves favorable in the engine, the hot chamber is preceded, preferably, by a second heating chamber and the latter is preceded by a second hot chamber. In this construction, the expanded gas which leaves, during expansion, the hot chamber is conducted twice along the heating chamber so that the cooling produced by the expansion is at least partly compensated by an additional supply. heat. During compression, a similar case arises.
Indeed, the cold room can be followed by a second cooler and by a second cold room, so that the compressed gas which leaves the cold room can transfer into the second cooler the heat produced during the compression, before be compressed further. This promotes isothermal compression.
The invention will be better understood by referring to the accompanying drawings, given by way of nonlimiting examples, which represent some practical embodiments thereof, the particularities which emerge both from the text and from the drawing being, of course, part of the invention. invention.
Fig. 1 shows, in part schematically and in longitudinal section, a hot gas engine according to the invention.
Fig. 2 is a cross-sectional view of the chamber
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hot from this engine.
Fig. 3 shows another way of challenging a hot gas engine according to the invention.
The hot gas engine shown in fig. 1 is constituted by a pressure cylinder comprising, inter alia, the hot chamber 10 and the cold chamber constituted by two parts 11 and 12. The part 12 has the shape of 'a cylindrical casing for the pressure piston 13. In the position shown, the displacer
16 has just penetrated entirely into the hot chamber 10, so that the harmful space only thereof, namely an inevitable small play between the head of the displacer 16 and the head of the cylinder, is left free next to the supply channels to the heating chamber 19.
The hot chamber is surrounded by the heating chamber 19, which subdivides the gas stream exiting the hot chamber.
10. This heating chamber has about one hundred axial splines, which are shown in cross section in fig.2.
For relatively large engines this number of splines can increase, for example, up to 250. It is obvious that the subdivision of the gas stream can also be achieved in many other ways. Thus, one could imagine, for example, that a number of pins are provided transversely to the direction of gas circulation in the heating chamber, in such a way that the circulating gas stream comes into contact with a large number of pins, which pins are integral with the outer wall of the heating chamber and the cooler respectively, or else are in good heat conductive contact therewith. By ensuring that the pins are slightly displaced from each other in the various layers, it is possible to obtain that the gas stream is subdivided each time again.
A similar result can be obtained by means of plugs, provided on the wall of the heating chamber. We have spared
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the grooves represented by the narrow channels which are crossed by the gas to be heated. These grooves are cast so as to form a single unit with the wall of the heating chamber or in any case are connected in a good conductive manner of heat to the wall of this heating chamber, which is directly adjacent to the heating channel 14 , whereby the required heat is brought from outside to the heating chamber.
As has already been noted, the gas to be heated circulates in the channels between the grooves, so that the gas is in contact with at least two surfaces which give up heat to the gas and to which it is brought this heat from the outside, ie from channel 14. A metal boot 22, which fits snugly into the inner periphery of these grooves, avoids direct communication between the hot chamber. 10 and the heating chamber 19, so that the gas displaced by the displacer 16 is forced to circulate, through the annular channel 23, into the heating chamber and can only leave the latter at the opposite end towards the regenerator 20.
In this regenerator 20, the heated and expanding gas emits part of its heat and then enters the cooler 21. The latter comprises, like the heating chamber 19, a number of axial grooves, between which there are formed narrow canals. In this case also the gas, during the passage through the cooler, is therefore in contact with at least two surfaces which take up the heat of the gas and give it up through the wall of the cooler to the cooling jacket 15. The latter extends, moreover, on the part 12 of the cold chamber in which the piston moves, so that the friction surfaces of the piston 13 are always kept cold.
The lubrication of this piston and the gas-tight sealing by means of piston springs do not present any particular difficulties for this low temperature.
The cooler 21 is also separated from the chamber
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cold 11 by means of the box 22 which fits in the manner of a cylinder in the inner periphery of the splines, so that the gas stream which leaves the regenerator 20 must pass through the entire expanse of the cooler and then come, by means of the annular channel 24, in the cold chambers 11 and 12 above the pressure piston 13. Said boot 22 is therefore located in the hot chamber opposite the heating chamber and also opposite the regenerator 20 and the cooler and cold room. The part of this box which is in the hot room therefore has a significantly higher temperature than the part which is in the cold room.
Therefore, a constant hot current will flow through the wall of this box from the hot chamber to the cold chamber resulting in heat loss for the cycle. In order to reduce this loss as much as possible, the wall of the box is very thin and is, moreover, made of a material which retains its shape for the high temperature prevailing in the hot chamber and which exhibits poor heat conductivity. For this, for example, an iron alloy containing cobalt and nickel is used.
The displacer 16 is also partly in the hot room and partly in the cold room, so that for this the same remark applies as for box 22.
At the engine operating temperature prevailing in the hot chamber, it would in practice be impossible to guide the displacer 16 into the box 22. Consequently, the outside diameter of the displacer 16 is smaller than the inside diameter of the box 22. , so that these elements cannot touch each other during operation.
For this purpose, it is sufficient for small machines with a diameter difference of 0.2 mm. and for relatively large machines with a diameter difference of up to 2 mm. the guide of the displacer 16 must be located in another part of the motor, that is to say preferably in the cold room,
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so that the lubrication does not cause difficulties. In the illustrated embodiment, the rod 25 of the displacer is guided in the body of the piston 13.
During engine operation, the piston and the displacer periodically move back and forth relative to the engine as a result of the rotational movement of the crank shaft and, as the piston and displacer cranks make an angle of 50 - 90, the piston and the displacer will also move relative to each other.
In the position shown, the displacer 16 has just reached the end of its inward stroke, that is to say that the displacer has penetrated as far as possible into the hot chamber; the movement which precedes the position shown has therefore expelled the gas from the hot chamber. As the clearance between the displacer 16 and the boot 22 is limited to a value which is necessary for constructive reasons, the gas will in practice be forced to flow, in the direction of the arrows shown, through the annular channel 23 towards the heating chamber 19. From there, the gas expands, also in the direction of the arrows represented, by the regenerator 20 and by the cooler 21 towards the cold chambers 11, 12.
In these chambers, the gas pressure increases and the piston 13 completes its outward stroke.
During the subsequent movement to the position shown in FIG. 1, the displacer 16 again moves outwards. Arrived at the end of this stroke, the pressure piston 13 begins its inward stroke and therefore approaches the displacer 16. The cold chamber 11 becomes smaller, the chamber 10, on the contrary, becomes larger, so that the gas is now moved, in the opposite direction of the arrows shown, for the cooler 21, the regenerator 20 and the heating chamber 19 towards the hot chamber 10. When the displacer 16 and the piston 13 practically touch each other, that is to say
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with an interval, for example, 0.1 mm., the cold room became zero.
The space which remains and is formed by the inevitable play between the piston and the displacer and the space which is not filled by the piston and the displacer, such as the annular channel 4, constitute the harmful space.
FIG. 3 represents another embodiment of a hot gas engine according to the invention. The parts, such as the hot chamber, the heating chamber, the regenerator, the cooler and the cold chamber are in principle the same as those of the embodiments shown in Figs. 1 and 2. Identical parts are designated by the same reference numerals.
In the present embodiment, the hot chamber is preceded by a second heating chamber 28 and by a second hot chamber 26. Likewise, the cold chamber 11 is followed by a second cooler 29 and by a second cold chamber 27.
The heating chamber 28 is housed in the head of the cylinder in the form of a few grooves which extend axially with the cylinder and between which there are narrow channels. As a result of the presence of a few boxes 30, which are slid on the edges of the grooves, the gas stream is forced to pass through these channels from start to finish in the direction indicated by arrows in the figure. The second hot chamber 26 is formed between the head of the cylinder and a cylindrical extension 17 with which the displacer 16. The movements of the displacer have the effect of pushing the cylindrical extension 17 into the additional heating chamber 28, so as to enlarge and periodically reducing the chamber 26 and thereby meeting the requirements of a hot chamber.
The second cooler is attached to the piston 13 which, for this purpose, is artificially cooled, in a known manner, using
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of air or water which is brought in and drained by the piston rod. This cooler is also formed by a number of grooves which extend axially with the cylinder and between which there are narrow channels. The presence of boots 31 prevents direct communication with the cold room, so that the gases must follow the path indicated by the arrow.
The second cold chamber 27 is formed by a cylindrical extension 18 of the cylinder 16, which enters the cooler 29 and leaves the latter as a result of the periodic movement of the unplacer 16 and the piston 13.
Thanks to the arrangement of the second heating chamber between the two hot chambers, an approximation of the isothermal expansion in the cylinder is obtained which is in itself favorable for the hot gas engine. The cooling which the gas undergoes as a result of the expansion is compensated for by the additional heat returned to the gas in the heating chamber 28. Similarly, the second cooler 29 improves the isothermal compression.