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Machine à piston à gaz chaud, comportant un échangeur de chaleur qui entoure coaxialement le cylindre.
L'invention concerne une machine à piston à gaz chaud du type dans lequel un ou plusieurs échangeurs de chaleur en- tourant coaxialement le cylindre sont parcourus, essentielle- ment suivant l'axe du cylindre, par le fluide gazeux actif.
Par machine à piston à gaz chaud il y a lieu d'entendre tant un moteur à gaz chaud qu'une machine frigorifique fonctionnant suivant le principe inverse du moteur à gaz chaud.
Dans les machines du type précité, il y a souvent lieu de disposer dans l'espace disponible, particulièrement restreint dans le sens axial,, un échangeur de chaleur qui assure un bon échange de chaleur. Les moteurs à gaz chaud connus de ce type comportent parfois une seule chemise entourant coaxialement le cylindre ; cette chemise peut être pourvue d'un grand nombre d'ailettes. La surface intérieure de la chemise est léchée par le fluide actif du moteur, tandis que la surface extérieure est léchée par le fluide réchauffeur ou par le fluide réfrigérant.
Afin de ne pas trop augmenter la perte de charge du circuit du fluide actif du moteur, il y a lieu de prévoir un assez grand écartement entre la chemise et le cylindre. Ceci est néfaste pour.
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la transmission de la chaleur, car seule une petite partie de la couche de gaz vient en contact avec la cloison par laquelle doit se transmettre la chaleur. On peut, il est vrai, améliorer cette transmission de chaleur en prévoyant à l'intérieur de la chemise un grand nombre de nervures séparées par des canaux, mais dans ce cas, la transmission de la chaleur dépend en grande partie de la conduction thermique de la matière des ailettes.
Une autre solution consiste à utiliser un grand noir- bre de tubes, parcourus par l'un des fluides et baignes par l'autre. Cette solution est cependant assez compliquée et pré- sente des difficultés d'ordre constructif.
La présente invention fournit une solution très simple du point de vue constructif par le fait que le cylindre de la. machine est entouré coaxialement d'au moins deux parois qui servent de cloisons bonnes conductrices de chaleur entre au moins trois enceintes coaxiales dont chacune est parcourue par l'un des fluides précités. Le fluide gazeux actif de la machine peut alors traverser au moins deux enceintes branchées en parallèle, séparées par une enceinte parcourue par le fluide réchauffeur ou réfrigérant. La couche de gaz passante est donc beaucoup moins¯épaisse que dans le cas d'une seule cloison et la résistance de charge ne doit pas augmenter car le circuit du fluide comporte au moins deux enceintes branchées en pa- rallèle.
Aussi dans ce cas, on peut améliorer la transmission de la chaleur en prévoyant des ailettes dont la hauteur est inférieure à celle des ailettes utilisées dans le cas d'une seule chemise: la conduction de chaleur à travers la matière des ailettes est donc meilleure que dans les formes de cons- truction connues.
La description du dessin annexé, donné à titre d'exem- ple non limitatif, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée, les particularités qui ressortent tant du texte que du dessin faisant, bien entendu, partie de la dite invention.
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La fig. 1 montre en coupe longitudinale une partie d'un cylindre d'un moteur à gaz chaud entouré d'un réfrigérant.
La fig. 2 montre ce réfrigérant en coupe transversale.
Sur la fig. 1, 10 est le cylindre dans lequel se dé- placent le piston ou le piston et le balayeur. Le déplacement de ces organes provoque la circulation du gaz du cylindre, à travers les communications prévues à cet effet, .vers le ré- frigérant, le récupérateur et le réchauffeur.Le dessin ne montre que la communication 11 du cylindre et du réfrigérant 12. Une ouverture analogue est cependant prévue à l'autre extrémité du cylindre 10, de sorte que le cylindre communique avec le réchauffeur. Hors du cylindre 10, le gaz traverse dans une direction essentiellement parallèle à l'axe du cylindre, le réchauffeur, le récupérateur 13 et le réchauffeur 12 et re- tourne au cylindre. Le gaz se déplace périodiquement dans le sens précité et dans le sens inverse.
Le réfrigérant, le ré- cupérateur et le réchauffeur entourent coaxialement le cy- lindre 10 et se trouvent dans l'espace compris entre la paroi 14 du cylindre et la chemise 15 du moteur. Dans l'enceinte an- nulaire comprise entre les parois 14 et 15 on peut loger les éléments échangeurs de chaleur. Il y a lieu de s'efforcer, pour une surface d'échange de chaleur aussi grande que possi- ble, de donner à ces éléments des dimensions minima sans que la perte de charge du circuit constitué par ces éléments ne de- vienne trop grande.
L'échangeur de chaleur représenté, à savoir le réfri- gérant du moteur, consiste en trois parois annulaires 16,17 et 18, qui entourent coaxialement le cylindre. Entre deux de ces parois 16 et 17 est constituée une enceinte annulaire 19, dans laquelle circule de l'eau de réfrigération. Cette eau est amenée et évacuée par deux tuyauteries, qui traversent les parois extérieures; la fig. 2 n'en représente que la tuyau-
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terie 20. Les deux parois 16 et 17 sont reliées entre elles tant à la partie supérieure qu'à la partie inférieure, de sorte que l'espace 15 de la partie subsistante du réfrigérant est fer- mé et constitue, pour ainsi dire, une chemise d'eau.
Le fluide gazeux du moteur traverse les deux enceintes 21 et 22, dont la première est constituée par la paroi 14 du cylindre et par la surface intérieure de la bague annulaire intérieure 16, et la seconde 22 par la surface extérieure de la paroi extérieure 17 et par une paroi indépendante 23. Cette dernière sert uniquement à guider le fluide gazeux, mais ne participe pas à la transmis- sion de la chaleur. Par contre, les parois 16 et 17 constituent des cloisons conductrices de chaleur entre le fluide gazeux du moteur et l'eau de réfrigération qui circule dans l'enceinte 19.
Pour améliorer encore la transmission de chaleur, les parois 16 et 17 comportent, sur leur surface que lèche le gaz, un grand. nombre d'ailettes 24, séparées par des canaux. La subdivision de la. surface de passage disponible en au moins deux enceintes permet de réduire la largeur de chaque enceinte et partant la hauteur des ailettes. Ceci facilite la réalisation des canaux entre ces ailettes, et par suite de la hauteur moindre des ailettes, la conduction de chaleur des sommets des ailettes vers la paroi est meilleure.
Si la place disponible le permet, on peut encore aug- menter la subdivision du circuit du gaz entre le fluide ré- frigérant à l'aide d'une troisième paroi de séparation 18, bonne conductrice de chaleur, dont l'une des surfaces est léchée par le gaz et l'autre par le fluide réfrigérant. L'échan- geur de chaleur comporte en outre une quatrième paroi 25, qui constitue, ensemble avec la paroi 18, une enceinte pour le fluide réfrigérant. Dans l'exemple d'exécution représenté sur le dessin, la paroi 25 constitue en même temps la paroi exté- rieure du système réfrigérant, de sorte que cette paroi est uniquement en contact avec le fluide réfrigérant et non avec le @
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gaz à refroidir.
Ceci présente l'avantage que le fluide gazeux actif du moteur ne vient pas en contact avec la paroi exté- rieure de la machine et ne peut donc provoquer d'augmentation indésirable de la température par une radiation éventuelle de chaleur de l'extérieur. Si l'espace disponible le permet, on peut utiliser plus d'une paroi coaxiale et toutes ces parois constituent une séparation entre le fluide gazeux et le fluide réfrigérant. Pour guider le gaz du récupérateur 13 vers le ré- frigérant, et de ce réfrigérant vers le cylindre, on peut prévoir à l'extrémité supérieure et à l'extrémité inférieure du réfrigérant quelques corps conducteurs annulaires 26.
La forme de construction de l'échangeur de chaleur est décrite en se référant à un réfrigérant. Il va cependant de soi qu'elle convient aussi pour un réchauffeur dont le fluide ré- chauffeur est soit un liquide, soit un gaz. Cette réalisation offre en effet les mêmes avantages.
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Hot gas piston machine, comprising a heat exchanger which coaxially surrounds the cylinder.
The invention relates to a hot gas piston machine of the type in which one or more heat exchangers coaxially surrounding the cylinder are traversed, essentially along the axis of the cylinder, by the active gaseous fluid.
By hot gas piston machine it is necessary to understand both a hot gas engine and a refrigerating machine operating on the reverse principle of the hot gas engine.
In machines of the aforementioned type, it is often necessary to have in the available space, which is particularly restricted in the axial direction, a heat exchanger which ensures good heat exchange. Known hot gas engines of this type sometimes include a single jacket coaxially surrounding the cylinder; this jacket can be provided with a large number of fins. The inner surface of the jacket is licked by the working fluid of the engine, while the outer surface is licked by the heating fluid or by the coolant.
In order not to excessively increase the pressure drop in the active fluid circuit of the engine, it is necessary to provide a fairly large gap between the liner and the cylinder. This is bad for.
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transmission of heat, because only a small part of the gas layer comes into contact with the partition through which the heat must be transmitted. One can, it is true, improve this heat transmission by providing inside the jacket a large number of ribs separated by channels, but in this case, the heat transmission depends largely on the thermal conduction of the material of the fins.
Another solution consists in using a large number of tubes, traversed by one of the fluids and bathed by the other. This solution is however quite complicated and presents difficulties of a constructive nature.
The present invention provides a very simple solution from the constructive point of view in that the cylinder of the. machine is surrounded coaxially by at least two walls which serve as partitions which are good heat conductors between at least three coaxial enclosures, each of which is traversed by one of the aforementioned fluids. The active gaseous fluid of the machine can then pass through at least two enclosures connected in parallel, separated by an enclosure through which the heating or cooling fluid passes. The passing gas layer is therefore much less thick than in the case of a single partition and the load resistance must not increase because the fluid circuit comprises at least two enclosures connected in parallel.
Also in this case, the heat transmission can be improved by providing fins whose height is less than that of the fins used in the case of a single jacket: the heat conduction through the material of the fins is therefore better than in known forms of construction.
The description of the appended drawing, given by way of non-limiting example, will make it clear how the invention can be implemented, the particularities which emerge both from the text and from the drawing being, of course, part of said invention.
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Fig. 1 shows in longitudinal section part of a cylinder of a hot gas engine surrounded by a coolant.
Fig. 2 shows this coolant in cross section.
In fig. 1, 10 is the cylinder in which the piston or the piston and the sweeper move. The displacement of these components causes the circulation of the gas of the cylinder, through the communications provided for this purpose, to the refrigerant, the recuperator and the heater. The drawing only shows the communication 11 of the cylinder and the refrigerant 12. A similar opening is however provided at the other end of cylinder 10, so that the cylinder communicates with the heater. Out of cylinder 10, gas passes in a direction substantially parallel to the axis of the cylinder through heater, recuperator 13, and heater 12 and back to the cylinder. The gas periodically moves in the above direction and in the reverse direction.
The coolant, recuperator, and heater coaxially surround cylinder 10 and reside in the space between cylinder wall 14 and engine liner 15. In the annular enclosure between the walls 14 and 15, the heat exchange elements can be accommodated. An effort should be made, for a heat exchange surface as large as possible, to give these elements minimum dimensions without the pressure drop of the circuit formed by these elements becoming too great. .
The heat exchanger shown, namely the engine coolant, consists of three annular walls 16, 17 and 18, which coaxially surround the cylinder. Between two of these walls 16 and 17 is formed an annular chamber 19, in which circulates the cooling water. This water is brought and evacuated by two pipes, which pass through the outer walls; fig. 2 represents only the pipe-
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terie 20. The two walls 16 and 17 are interconnected both at the top and at the bottom, so that the space 15 of the remaining part of the condenser is closed and constitutes, so to speak, a water jacket.
The gaseous fluid of the engine passes through the two enclosures 21 and 22, the first of which is formed by the wall 14 of the cylinder and by the inner surface of the inner annular ring 16, and the second 22 by the outer surface of the outer wall 17 and by an independent wall 23. The latter serves only to guide the gaseous fluid, but does not participate in the transmission of heat. On the other hand, the walls 16 and 17 constitute heat conducting partitions between the gaseous fluid of the engine and the cooling water which circulates in the enclosure 19.
To further improve the heat transmission, the walls 16 and 17 have, on their surface that licks the gas, a large. number of fins 24, separated by channels. The subdivision of the. passage surface available in at least two enclosures makes it possible to reduce the width of each enclosure and hence the height of the fins. This facilitates the production of the channels between these fins, and as a result of the lower height of the fins, the heat conduction from the tops of the fins to the wall is better.
If the space available allows it, the subdivision of the gas circuit between the refrigerant can be further increased by means of a third partition wall 18, a good heat conductor, one of whose surfaces is licked by the gas and the other by the refrigerant. The heat exchanger further comprises a fourth wall 25 which, together with the wall 18, constitutes an enclosure for the refrigerant fluid. In the exemplary embodiment shown in the drawing, the wall 25 constitutes at the same time the outer wall of the refrigerant system, so that this wall is only in contact with the refrigerant fluid and not with the @.
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gas to be cooled.
This has the advantage that the active gaseous fluid of the engine does not come into contact with the outer wall of the machine and therefore cannot cause an undesirable increase in temperature by possible radiation of heat from the outside. If the space available allows it, more than one coaxial wall can be used and all these walls constitute a separation between the gaseous fluid and the refrigerant fluid. In order to guide the gas from the recuperator 13 to the refrigerant, and from this refrigerant to the cylinder, a few annular conductive bodies 26 can be provided at the upper end and at the lower end of the refrigerant.
The form of construction of the heat exchanger is described with reference to a refrigerant. It goes without saying, however, that it is also suitable for a heater whose heating fluid is either a liquid or a gas. This embodiment offers the same advantages.