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Machine à gaz chaud.
L'invention concerne une machine à gaz chaud dans la- quelle se déroulent au moins deux cycles tels que ceux des machines à piston à gaz chaud à cycle fermé, cycles dont les volumes sont modifiés par des organes qui se déplacent avec un décalage approprié, le tout de manière qu'au moins deux organes influencent deux cycles et que de chaque côté des or- ganes mobiles se trouvent des enceintes actives analogues.
Cette machine à gaz chaud peut être, par exemple, un moteur à gaz chaud, une machine frigorifique fonctionnant sui- vant le principe inverse de celui du moteur à gaz chaud ou une pompe thermique.
En général, dans une machine à gaz chaud comportant des organes animés d'un mouvement de va-et-vient et réalisés
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suivant les formes de construction connues jusqu'à présent, un cycle est uniquement influencé par deux organes se mouvant avec un décalage approprié. La machine offre alors l'avantage de ne comporter ni soupapes ni tiroir ce qui est le cas, en général, pour les autres machines, par exemple les moteurs à combustion et la machine à vapeur à piston. Cependant, dans une machine à gaz chaud à un seul cycle, la présence de ces deux organes mobiles provoque un travail de frottement assez élevé par tour.
Ce n'est que dans une machine à au moins trois cycles, que l'on est parvenu à rendre le nombre d'organes mobiles égal au nombre de cycles. Pour obtenir une forme de réalisation avan- tageuse du point de vue constructif, jusqu'à présent les en- ceintes actives formées au-dessus et au-dessous des pistons, sont différentes. Par "enceintes actives différentes", on en- tend ici des enceintes telles que dans les échangeurs de cha- leur correspondants, les transferts moyensde chaleur entre le fluide actif et le fluide se trouvant en contact thermique avec ce dernier, s'effectuent en sens inverses. L'une des en- ceintes est donc une enceinte chaude et l'autre, une enceinte froide.
Jusqu'à présent, dans une machine à au moins trois cycles, l'enceinte formée au-dessus de l'organe mobile dans un cylindre communique avec l'enceinte formée au-dessous de l'organe mobile dans un autre cylindre, tandis que l'enceinte formée au-dessous de l'organe mobile dans le premier cylindre communique avec l'enceinte formée au-dessus de l'organe mobile dans un troisième cylindre. Au-dessus de tous les organes mo- biles, se trouvent alors, par exemple, des enceintes chaudes, et au-dessous des organes mobiles des enceintes froides ou inver- sement. Dans une machine à trois cycles, les deux enceintes existant l'une dans le premier, et l'autre dans le troisième cylindre communiquent entre elles. Dans ces machines, le nom- bre de cycles est donc égal au nombre d'organes mobiles, de
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sorte que le rendement mécanique est assez élevé.
Ces machines présentent cependant un inconvénient : du fluide peut s'échapper de l'enceinte réchauffée vers l'en- ceinte refroidie et inversement. Cette fuite de fluide, ainsi que la transmission de chaleur par la paroi du cylindre et par le piston entre les deux enceintes, provoquent une perte de chaleur qui réduit le rendement de la machine.
Il est aussi connu de réaliser une machine à piston à gaz chaud sous forme d'une machine à deux cycles, cette ma- chine comportant des deux côtés des organes mobiles des en- ceintes actives analogues.
Par "enceintes actives analogues", on entend ici des enceintes telles que, dans les échangeurs de chaleur corres- pondants, les transferts moyens de chaleur entre le fluide actif et le fluide qui est en contact thermique avec ce dernier, s'effectuent dans le même sens. Ceci implique donc que les deux enceintes sont, soit des enceintes chaudes, soit des en- ceintes froides. Il n'est cependant pas nécessaire que les températures dans ces échangeurs de chaleur soient égales.
Dans cette machine à piston à gaz chaud connue, les organes mobiles comportent des chemises cylindriques et l'un des organes, à savoir l'organe qui sépare deux enceintes re- froidies, se déplace dans la chemise de l'autre organe mobile.
Le joint entre les deux organes mobiles s'effectue du côté des enceintes refroidies.
Cette forme de réalisation permet, dans une machine à deux cycles, d'influencer les deux cycles par deux organes mobiles seulement.
Cette machine présente cependant un inconvénient; les canaux de communication entre les enceintes refroidies et les enceintes réchauffées sont constitués par l'espace subsistant entre une paroi fixe et la paroi de la chemise d'un organe mo- @
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bile, parois qui se déplacent l'une par rapport à l'autre.
Il peut en résulter une grande perte de chaleur le long des échangeurs de chaleur qui se trouvent éventuellement dans cet espace. Comme le canal appartenant à un cycle entoure le canal appartenant à l'autre cycle, et que le chauffage ou le refroidissement du fluide actif s'effectue de l'extérieur, ce chauffage ou ce refroidissement du fluide actif dans le canal intérieur n'est plus très intense, ce qui nuit au ren- dement de la machine.
Pour pallier ces inconvénients, la machine à gaz chaud conforme à l'invention présente la particularité sui- vante: les canaux de communication entre les enceintes varia- bles appartenant à un cycle, sont limités par des parois fixes.
Dans la réalisation conforme à l'invention, il ne se produit pratiquement pas de pertes de chaleur dans les organes mobiles ou le long de ceux-ci, pas plus d'ailleurs que le long des échangeurs de chaleur éventuellement disposés dans ces canaux.
Dans une forme de réalisation avantageuse de l'in- vention, les canaux de communication entre les enceintes varia- bles appartenant à un seul cycle, limités par des parois fixes, contiennent un récupérateur.
Dans une autre forme de réalisation avantageuse de l'invention, les canaux limités par des parois fixes et reliant les enceintes variables appartenant à un cycle, contiennent un réchauffeur, un récupérateur et un réfrigérant. L'échange de chaleur entre le fluide actif et le fluide réfrigérant ou ré- chauffeur, devient donc plus intense.
Dans une troisième forme de réalisation avantageuse de l'invention, les organes se mouvant avec un décalage appro- prié, sont coaxiaux, ce qui assure une réalisation particuliè- rement intéressante du point de vue constructif.
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Suivant une forme de réalisation de l'invention, un ou plusieurs des éléments réchauffeur, récupérateur et réfrigé- rant, appartenant à un cycle, peuvent être de préférence, coaxiaux avec au moins un ou plusieurs éléments de même nature appartenant à un autre cycle, tandis qu'un ou plusieurs élé- ments appartenant à un cycle entourent du moins en majeure partie, un ou plusieurs éléments de même nature appartenant à l'autre cycle.
Dans une autre forme de réalisation encore de l'in- vention, dans un certain nombre de sections perpendiculaires à l'axe d'une enceinte active et passant par l'un des éléments réchauffeur, récupérateur ou réfrigérant appartenant à un même cycle, sections qui, de préférence, sont réparties sur au moins la moitié de la hauteur de l'élément, se trouvent sur une ban- de annulaire, tant une des sections de l'élément qui appartient à l'un des cycles qu'une section d'un élément analogue appar- tenant à l'autre cycle.
Plusieurs autres formes de constructions fournissent aussi d'excellents résultats lorsque les axes des organes qui se déplacent avec un décalage approprié, sont convergents.
Dans une forme de' réalisation avantageuse de l'in- vention,au moins l'un des organes mobiles est animé d'un mou- vement de va-et-vient exempt de frottement.
Par organes mobiles exempts de frottement, on entend ici que dans les conditions de fonctionnement normales, cet organe mobile se déplace pratiquement sans frottement. Le frottement subsistant éventuellement est, par exemple notable- ment inférieur à celui que provoquerait un piston avec seg- ments fonctionnant dans les mêmes conditions. Le frottement subsistant peut être un frottement extérieur, (frottement de glissement de deux pièces) ou un frottement interne. Ce der- nier frottement se produit, par exemple, lorsque l'organe animé
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d'un mouvement de va-et-vient, ou une partie de cet organe, subit périodiquement une déformation. Dans la machine confor- me à l'invention, il importe surtout que les organes mobiles se trouvant entre des enceintes réchauffées, se déplacent sans frottement.
Dans les machines frigorifiques, l'énergie résul- tant du frottement des segments de piston peut réduire nota- blement le rendement et dans certains cas d'une manière telle que la machine ne produise pratiquement pas de froid. Dans un moteur à gaz chaud, il peut être intéressant que les organes mobiles séparant des enceintes chaudes, ne comportent pas de segments de piston, car, aux températures élevées, la lubrifi- cation des segments de piston présente des difficultés.
Des organes mobiles se déplaçant sans frottement peu- vent se réaliser de plusieurs manières. Dans une forme de réalisation de la machine à gaz chaud conforme à l'invention le joint entre cet organe mobile et la paroi du cylindre est constitué par une substance flexible, de préférence extensible, par exemple du caoutchouc, qui est fixée d'une part à la paroi du cylindre et d'autre part à l'organe mobile, un certain jeu subsistant entre l'organe mobile et la paroi du cylindre. Cet agencement élimine les pertes par frottement et les fuites é- ventuelles.
Il est avantageux que, dans le dernier cas mentionné, suivant une forme de réalisation de l'invention, la machine à gaz chaud comporte un organe mobile réalisé sous forme de mem- brane.
Dans une autre forme de réalisation de l'invention, l'organe mobile en matière flexible, de préférence extensible, constitue un soufflet.
Les formes de réalisation mentionnées ci-dessus, ne nécessitent pas de lubrification de l'organe mobile. Elles @
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conviennent particulièrement;, bien lorsque les enceintes si- tuées de part et d'autre de l'organe mobile ne sont pas por- tées à des températures particulièrement élevées ou particu- lièrement basses.
Dans une autre forme de réalisation avantageuse de l'invention, le joint entre l'un des organes mobiles et la paroi du cylindre est constitué par une rainure en forme de labyrinthe.
La description oui va suivre en regard du dessin an- nexé, donné à titre d'exemple non limitatif, fera bien com- prendre comment l'invention peut être réalisée, les particula- rités qui ressortent tant du texte que du dessin faisant, bien entendu, partie de ladite invention.
La fig. 1 représente une machine à gaz chaud munie de pistons sans segments, dans laquelle le réchauffeur, le réfrigérant et le récupérateur appartenant à un cycle entourent le récupérateur, le réchauffeur et le réfrigérant appartenant à l'autre cycle.
La fig. 2 est une coupe de cette machine par le plan II-II de la fig. 1.
La fig. 3 est une coupe par le plan III-III-III de la machine représentée sur la fig. 4. La machine frigorifique représentée sur cette figure, comporte deux pistons et le joint entre ces organes et la paroi du cylindre est en caoutchouc.
Sur cette figure, le réchauffeur, le récupérateur et le réfri- gérant appartenant à un cycle se trouvent dans le même espace annulaire que le réchauffeur, le récupérateur et le réfrigérant appartenant à l'autre cycle.
La fig. 4 est une coupe par le plan IV-IV de la machine représentée sur la fig. 3.
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La fig. 5 montre une machine à gaz chaud munie de soufflets;les échangeurs de chaleur et le récupérateur appar- tenant à un cycle, s'y trouvent dans l'enceinte active entre les soufflets.
Sur la fig. 1, le piston 1 et le piston 2 conjugués avec le vilebrequin 3, se déplacent avec un décalage appro- prié. Les pistons 1 et 2 ne comportent pas de segments et se déplacent, avec un léger jeu, dans les cylindres. Dans l'en- ceinte active 4 et l'enceinte active 5 se déroule un cycle, et un autre cycle se déroule dans les enceintes actives 6 et 7.
L'enceinte active 4 communique, par l'intermédiaire du réchauf- feur 8, du récupérateur 9 et du réfrigérant 10, avec l'enceinte active 5, tandis que l'enceinte active 6 communique, par l'in- termédiaire du réchauffeur 11, du récupérateur 12 et du ré- frigérant 13, avec l'enceinte active 7. Le réchauffeur 8, le récupérateur 9 et le réfrigérant 10 se trouvent dans l'espace annulaire 14 et entourent le réchauffeur 11, le récupérateur 12 et le réfrigérant 13 qui se trouvent dans l'espace annulaire 15.
Entre les deux espaces annulaires 14 et 15 se trouve, à la hau- teur de réchauffeurs,un troisième espace annulaire 16, dans lequel peut circuler un fluide chauffant. Entre les espaces annulaires se trouve, à la hauteur des réfrigérants, un espace 17, annulaire lui aussi que traverse un fluide réfrigérant.
Dans cette forme de réalisation, tant l'enceinte active 4 que l'enceinte active 6 sont chaudes, tandis que les enceintes 5 et 7 sont froides.
La fig. 2 montre les espaces annulaires 14, 15 et 16.
Sur les figs. 3 et 4, les divers organes portent les mêmes chiffres de référence que sur la fig. 1. Dans cette machine, un piston 1 et un piston 2 sont animés d'un mouvement de va-et-vient. Chacun de ces pistons comporte une bague de
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caoutchouc, (18-19) qui assure le joint avec la paroi du cy- lindre. La bague de caoutchouc étant fixée tant à la paroi du cylindre qu'au piston, la course du piston ne peut être grande, de sorte que la surface des pistons doit être très grande.
L'enceinte active 4 communique, par l'intermédiaire du canal 20, du réchauffeur 21, du récupérateur 22, du réfri- gérant 23 et du canal 24, avec l'enceinte active 5, tandis que l'enceinte active 6 communique, par l'intermédiaire du canal 25, du réchauffeur 26, du récupérateur 27, du réfrigé- rant 28 et du canal 29, avec l'enceinte active 7. Comme le montre la fig. 4, qui est une coupe par le plan IV-IV de la fig. 3, dans une section perpendiculaire à l'axe de l'encein- te active, se trouvent non seulement des réchauffeurs du flui- de des enceintes actives 4 et 5 mais aussi des réchauffeurs du fluide des enceintes actives 6 et 7. Sur cette figure, les réchauffeurs 21 appartiennent à l'un des cycles,les réchauf- feurs 26 à l'autre.
Il va de soi que le nombre de segments peut être quelconque ; deplus, il peut être désirable que les parois entre les divers éléments réchauffeurs aient de grandes dimensions. C'est ainsi que l'espace annulaire peut être di- visé en deux parties ; dansl'une d'elles se logent les éléments réchauffeurs appartenant à l'un des cycles, et dans l'autre, les éléments réchauffeurs appartenant à l'autre cycle. Le mé- canisme de commande de la machine peut être réalisé de la même manière sur sur la fig. 1.
Sur la fig. 5, les éléments analogues à ceux des figs.
1 et 3 portent les mêmes chiffres de référence. Cette machine comporte deux soufflets (30-31) qu'un mécanisme tel que repré- senté sur la fig. 1 anime d'un mouvement de va-et-vient. L'en- ceinte active 4 communique, par l'intermédiaire du réchauffeur 8; du récupérateur 9 et du réfrigérant 10, avec l'enceinte- active 5, tandis que l'enceinte active 6, communique, par l'in- @
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termédiaire du réchauffeur 32, du récupérateur 33 et du réfri- gérant 34, avec l'enceinte active 7. Les enceintes actives 4 et 6, ainsi que les enceintes actives 5 et 7 sont analogues.
Les enceintes actives 4 et 6 sont dites chaudes, tandis que les enceintes actives 5 et 7 sont dites froides.
Il va de soi que les formes de réalisation représen- tées sur les figures, peuvent être modifiées de plusieurs ma- nières. En général, elles conviennent aussi dans le cas où les axes des organes qui se déplacent avec un décalage appro- prié, sont convergeants. Lorsque ces axes sont parallèles on peut avantageusement utiliser plusieurs formes de construction.
En outre, chaque tige de piston peut porter plusieurs pistons.
De cette manière, plus de deux cycles peuvent se dérouler dans la machine.