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Tête de cylindre pour machine à piston à gaz chaud
Les machines à piston à gaz chaud, par exemple les moteurs à gaz chaud et les machines frigorifiques fonctionnant suivant le principe inverse de celui du moteur à gaz chaud, comportent en général- une tête de cylindre à travers laquelle se transmet l'énergie calorique. Dans un moteur à gaz chaud cette énergie calorique (chaleur) provient, en général, d'un brûleur monté à proximité de la tête, et doit être communiquée au fluide actif de la machine, en général de l'air.
Les moteurs à gaz chaud de construction ancienne sont, en général, volumineux et le fluide actif travaille à la pression atmosphérique ou à une pression légèrement supérieure ; plus, la vitesse de rotation de ces machines est très faible. Dans ce genre de moteurs, la construction des têtes de cylindre, du moins
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à l'aide des moyens actuellement disponibles, n'offrait aucune difficulté. La transmission de la chaleur travers la matière de la tête de cylindre par unité de temps et par unité de surface, est très petite, de sorte que, dans de nombreux cas, on pourra se contenter de têtes de cylindre simples à parois assez épaisses.
C'est pourquoi les descriptions de ce genre de moteurs mentionnent fréquemment des têtes coulées qui, dans certains cas, sont pourvues de nervures venues de fonderie pour augmenter la surface. Ce genre de têtes ne suscitent pas de difficultés, car, comme il a déjà été mentionné, la pression dans la machine était très faible et, autre point particulièrement intéressant, la température du fluide était assez basse. Dans ces formes de construction, on peut se con- tenter de matériaux présentant une assez faible résistance au traî- nage.
Les conceptions modernes dans le domaine du moteur à gaz chaud ont cependant notablement modifié les conditions précitées @ En premier lieu, on s'efforce de réduire au minimum l'encombrement du moteur et par conséquent aussi des têtes de cylindre et de plus, la pression de régime est beaucoup plus élevée que dans les premiers moteurs à air chaud. En général, on a poussé la vitesse de rotation et pour améliorer le rendement du moteur, la température de la chambre chaude est aussi élevée que possible. Par suite de ces conditions, le problème du transfert de la chaleur de la source chaude au fluide actif du moteur devient plus difficile à réaliser et la Demanderesse a déjà proposé plu- sieurs formes de têtes de cylindre pour moteurs à gaz chaud.
La présente invention fournit des moyens qui permettent d'obtenir une tête de cylindre à grande surface échangeuse de chaleur et à faible épaisseur de paroi. L'utilisation de ces moyens fournit un notable avantage : dimensions des parties que comporte cette tête sont très précises et facilement reproductibles.
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La présente invention est caractérisée en ce que cette tête est plissée sur sa partie cylindrique et l'épaisseur de la paroi des plis est inférieure à 3 mm, cette tête pouvant être réalisée par un moulage de précision.
Un moulage de précision permet, en effet d'obtenir une tête plissée à parois minces dans laquelle le choix du moule utilisé fournit immédiatement la tête profilée désirée. Il est connu qu'un moulage de précision permet d'obtenir avec une grande précision des formes désirées ; est de grande importance dans la construction d'une tête de moteur à gaz chaud, car la. transmis- sion de la chaleur du fluide chauffant au fluide à réchauffer joue un rôle important et, pour obtenir les résultats désirés, on a souvent proposé des têtes comportant un grand nombre de canaux ou rainures très étroits, pour guider le fluide actif du moteur.
Pour assurer une bonne transmission de la chaleur, les canaux doivent avoir des dimensions rigoureusement fixées. On peut sa- tisfaire à ces conditions en fabriquant, conformémemt à l'invention, les têtes de cylindre par un procédé de moulage de précision.
Un autre avantage est que le moule ne doit pas ou guère comporter de dégagement, de sorte que la paroi de la tête de cylindre peut avoir, sur toute sa surface, une épaisseur minimum pratiquement uniforme. Ceci permet d'obtenir une bonne transmission de l'énergie calorique à travers la paroi sur toute la surface de cette paroi.
Pour assurer une circulation convenable du fluide, les plis peuvent être essentiellement parallèles à l'axe de la partie cylindrique de la tête.
Pour augmenter encore la surface, on peut prévoir sur les parois à plis, sur la face intérieure et/ou extérieure, des saillies que l'on peut réaliser en une seule opération avec la tête de cylindre. Ceci supprime la soudure difficile et longue de
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saillies sur la paroi du cylindre, tandis que les saillies peuvent être très minces et éventuellement être fortement divisées.
Le moulage de précision permet de réaliser des parois plus minces que l'épaisseur nécessaire pour résister aux efforts que provoque la surpression dans la tête de cylindre. On obtient ainsi un meilleur transfert de l'énergie calorique. Pour renforcer ces parois, on peut prévoir entre deux parois à plis des cloisons ou nervures de renforcement.
Les côtés extérieurs des parois à plis peuvent être ren- forcés par une bague entourant la partie cylindrique de la tête.
La description du dessin annexé, donné à titre d'exemple 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 l'invention.
La fig. 1 est une coupe de la tête de cylindre par un plan perpendiculaire à l'axe.
La fig. 2. est une coupe suivant le plan II-II de la Fig. l.
La tête de cylindre est constituée par une gaine 1, dont la partie cylindrique comporte des plis 2 ; cette gaine peut se fixer sur le bloc moteur à l'aide d'une bride circulaire 3. La gaine 1 constitue la paroi de séparation entre le fluide actif qui se trouve à l'intérieur dans un espace 4 et des canaux 9 et le fluide à réchauffer qui traverse les canaux 5 dans le sens de la flèche dessinée sur la Fig. 2. Les canaux 5 sont constitués par les plis 2 de la paroi 1 et par un anneau renforçateur 6, disposé autour de la partie cylindrique de la tête.
Dans 1 espace cylindri- que 4 constitué par une paroi cylindrique 7,.disposée à l'intérieur de la partie cylindrique de la tête, se déplace un piston 8 des- tiné à faire circuler le fluide actif par les canaux 9 dans le sens de la flèche représentée sur la Fig. 2, à travers un récupéra-
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teur et de là, vers la chambre froide du cylindre et inversément.
Les canaux 9 sont constitués par les plis 2 de la paroi 1 et par la paroi cylindrique '7. Pour augmenter la surface on a prévu sur les parois plissées 2 des saillies 11. Des cloisons de renforcement 12 et des nervures 13 sont prévues entre les côtés extérieurs de deux parois plissées voisines pour renforcer ces parois 2, ce qui per- met d'utiliser de très minces parois.
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Cylinder head for hot gas piston machine
Hot gas piston machines, for example hot gas engines and refrigeration machines operating on the reverse principle to that of the hot gas engine, generally have a cylinder head through which heat energy is transmitted. In a hot gas engine, this caloric energy (heat) generally comes from a burner mounted near the head, and must be communicated to the working fluid of the machine, generally air.
The hot gas engines of old construction are, in general, bulky and the active fluid works at atmospheric pressure or at a slightly higher pressure; more, the rotational speed of these machines is very low. In this kind of engines, the construction of the cylinder heads, at least
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using the means currently available, presented no difficulty. The transmission of heat through the cylinder head material per unit time and per unit area is very small, so that in many cases one can be satisfied with simple cylinder heads with fairly thick walls.
This is why the descriptions of this type of motor frequently mention cast heads which, in some cases, are provided with ribs from the foundry to increase the surface. This kind of heads do not cause any difficulties, because, as already mentioned, the pressure in the machine was very low and, another particularly interesting point, the temperature of the fluid was quite low. In these forms of construction, one can be content with materials with relatively low drag resistance.
Modern designs in the field of the hot gas engine have, however, significantly modified the above conditions.First of all, efforts are made to minimize the size of the engine and consequently also of the cylinder heads and, moreover, the pressure. speed is much higher than in the first hot-air engines. In general, the rotational speed has been increased and to improve the efficiency of the engine, the temperature of the hot chamber is as high as possible. As a result of these conditions, the problem of the transfer of heat from the hot source to the working fluid of the engine becomes more difficult to achieve and the Applicant has already proposed several forms of cylinder heads for hot gas engines.
The present invention provides means which make it possible to obtain a cylinder head with a large heat exchange surface and a low wall thickness. The use of these means provides a notable advantage: the dimensions of the parts that this head comprises are very precise and easily reproducible.
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The present invention is characterized in that this head is pleated on its cylindrical part and the thickness of the wall of the plies is less than 3 mm, this head being able to be produced by precision molding.
Precision molding makes it possible to obtain a pleated head with thin walls in which the choice of the mold used immediately provides the desired profiled head. It is known that precision molding makes it possible to obtain the desired shapes with great precision; is of great importance in the construction of a hot gas engine head, because the. Transmission of heat from the heating fluid to the fluid to be heated plays an important role and, to obtain the desired results, heads have often been proposed having a large number of very narrow channels or grooves, for guiding the working fluid of the engine.
To ensure good heat transmission, the channels must have rigorously fixed dimensions. These conditions can be met by fabricating, in accordance with the invention, the cylinder heads by a precision molding process.
Another advantage is that the mold should have little or no clearance, so that the wall of the cylinder head can have a substantially uniform minimum thickness over its entire surface. This makes it possible to obtain good transmission of heat energy through the wall over the entire surface of this wall.
To ensure proper circulation of the fluid, the folds may be essentially parallel to the axis of the cylindrical portion of the head.
To further increase the surface area, projections can be provided on the folded walls, on the inner and / or outer face, which can be produced in a single operation with the cylinder head. This eliminates the difficult and time-consuming welding
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protrusions on the cylinder wall, while the protrusions can be very thin and possibly be sharply divided.
Precision molding allows for walls that are thinner than the thickness necessary to resist the forces caused by overpressure in the cylinder head. This results in better heat energy transfer. To reinforce these walls, it is possible to provide between two walls with folds reinforcing partitions or ribs.
The outer sides of the pleated walls can be reinforced by a ring surrounding the cylindrical part of the head.
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: forming, of course, part of the invention.
Fig. 1 is a section of the cylinder head by a plane perpendicular to the axis.
Fig. 2. is a section taken along the plane II-II of FIG. l.
The cylinder head consists of a sheath 1, the cylindrical part of which has folds 2; this sheath can be fixed to the engine block using a circular flange 3. The sheath 1 constitutes the partition wall between the active fluid which is located inside in a space 4 and the channels 9 and the fluid to be reheated which passes through the channels 5 in the direction of the arrow drawn in FIG. 2. The channels 5 are formed by the folds 2 of the wall 1 and by a reinforcing ring 6, arranged around the cylindrical part of the head.
In 1 cylindrical space 4 constituted by a cylindrical wall 7, arranged inside the cylindrical part of the head, moves a piston 8 intended to circulate the active fluid through the channels 9 in the direction of the arrow shown in FIG. 2, through a recovery
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tor and from there to the cold room of the cylinder and vice versa.
The channels 9 are formed by the folds 2 of the wall 1 and by the cylindrical wall '7. To increase the surface area, projections 11 have been provided on the pleated walls 2. Reinforcing partitions 12 and ribs 13 are provided between the outer sides of two neighboring pleated walls to reinforce these walls 2, which makes it possible to use very thin walls.