EP2227628A2 - Machine thermodynamique, en particulier de type carnot et/ou stirling - Google Patents

Machine thermodynamique, en particulier de type carnot et/ou stirling

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Publication number
EP2227628A2
EP2227628A2 EP08872735A EP08872735A EP2227628A2 EP 2227628 A2 EP2227628 A2 EP 2227628A2 EP 08872735 A EP08872735 A EP 08872735A EP 08872735 A EP08872735 A EP 08872735A EP 2227628 A2 EP2227628 A2 EP 2227628A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
working gas
machine according
heat
chamber
volume
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP08872735A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Serge Klutchenko
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Pascot Philippe
Original Assignee
Pascot Philippe
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Filing date
Publication date
Application filed by Pascot Philippe filed Critical Pascot Philippe
Publication of EP2227628A2 publication Critical patent/EP2227628A2/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F02G1/04—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type
    • F02G1/043—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type the engine being operated by expansion and contraction of a mass of working gas which is heated and cooled in one of a plurality of constantly communicating expansible chambers, e.g. Stirling cycle type engines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02G1/053—Component parts or details
    • F02G1/055—Heaters or coolers
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    • F02G1/057—Regenerators
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    • F02G2243/30—Stirling type engines having closed regenerative thermodynamic cycles with flow controlled by volume changes having their pistons and displacers each in separate cylinders
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02G2270/30—Displacer assemblies
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G2270/00—Constructional features
    • F02G2270/42—Displacer drives

Definitions

  • the present invention relates to a thermodynamic machine, in particular of the Carnot and / or Stirling type.
  • a thermodynamic machine is typically a motor, but it can also be designed to operate as a heat pump or refrigerating machine.
  • the present invention is directed more particularly to substantially volumetric ma chines in which a gas is moved to alternately bring it into contact with a hot heat exchange surface and a cold heat exchange surface.
  • the hot heat exchange surface is supplied with calories from an external heat source. By its contacts with exchange surfaces having successively different temperatures, the gas undergoes temperature variations, which induce pressure variations.
  • a piston executes an engine time when the pressure is high and a compression time when the pressure is low.
  • thermodynamic cycle performed by the machine is as close as possible to a theoretical cycle.
  • the theoretical cycle successively comprises a slow isothermal compression at the temperature of the cold source, a fast adiabatic compression, a slow isothermal relaxation at the temperature of the hot source, and a rapid adiabatic expansion.
  • Such a cycle has a theoretical efficiency equal to one minus the ratio between the absolute temperature of the cold source and the absolute temperature of the ' hot source.'"
  • This cycleth "" has the advantage of allowing the exploitation of weak temperature differences between the hot source and the cold source.However, it is not very suitable for large temperature differences between the sources because it then requires large pressure variations, and therefore a large displacement piston.
  • the theoretical cycle successively comprises isothermal compression at the temperature of the cold source, isochoric heating, isothermal expansion at the temperature of the hot source, and isochoric cooling. Since the compression and the expansion are done at a constant temperature, the heating and the cooling take place between the same two extreme temperatures, namely that of the hot source and respectively that of the cold source. This allows heating and cooling by exchanging calories in an exchanger. This is called heating and cooling by "regeneration".
  • Such a cycle has an advantageous theoretical yield, equal to the difference between the absolute temperature of the hot source and the absolute temperature of the cold source, divided by the absolute temperature of the hot source. This cycle is therefore particularly suitable for exploiting large differences in temperature between the hot source and the cold source.
  • the object of the present invention is thus to propose a new thermodynamic machine which reduces the impact of all or some of the aforementioned drawbacks, and / or which is capable of operating according to at least one of the actual cycles closer to the desired theoretical cycles. .
  • thermodynamic machine comprising:
  • An enclosure containing a working gas and having heat exchange surfaces therein;
  • Mobile moving means in the chamber for moving the working gas in the chamber and successively putting the working gas in and out of contact with each of the heat exchange surfaces to achieve successive stages of a thermodynamic cycle ;
  • a mechanical power unit subjected to the pressure of the working gas is characterized in that the displacement means pass successively in front of the different heat exchange surfaces a chamber containing a substantially constant amount of working gas, at least the major part of which is generally stationary with respect to the displacement means.
  • Indirect coupling allows a crankshaft collecting the driving force of the mechanical power member to rotate at least transiently at a rotation speed different from that of a shaft controlling the movement of the displacement means
  • the working gas instead of driving the working gas from one chamber to another for each stage of the cycle, the working gas permanently occupies a chamber which passes in front of the different heat exchange surfaces.
  • the entire amount of gas present in the chamber performs a well-defined phase of its thermodynamic cycle, in connection with a well-defined heat exchange surface.
  • This allows us to clearly echo the thermodynamic cycle in the machine in times much closer than in the past to those of the desired theoretical cycle.
  • the cycle efficiency is therefore improved. This makes it possible to produce machines that operate efficiently under very small temperature differences, for example with less than 100 0 K difference between the hot source and the cold source.
  • the substantially constant amount of gas is a constant volume.
  • the chamber may be in permanent communication with a cavity of variable volume, for example a cylinder, in which the mechanical power member moves, such as a piston.
  • the room itself is variable in volume.
  • the mechanical power unit may be constituted by all or part of the displacement means.
  • the displacement means comprise a rotor movable about an axis.
  • the heat exchange surfaces can be distributed around the axis.
  • the rotor drives the chamber in rotation so that it coincides successively with the different exchange surfaces.
  • the displacement means comprise two faces directed substantially towards each other to delimit the chamber.
  • the chamber then has for example the shape of a cell formed in the displacement means and whose open surfaces pass in front of the different heat exchange surfaces integral with the enclosure.
  • the chamber may be defined by a single face of the displacement means, in particular a flat part on the lateral surface of the rotor rotating in a cylindrical chamber.
  • the heat exchange surfaces may comprise heat exchange surfaces that is to say the exchange surfaces already mentioned previously connected to a hot or cold source.
  • the machine may also include thermal confinement means capable of restricting the heat exchange with the working gas.
  • An original idea of the invention consists in having made a Carnot-type machine in which the displacement means pass through the region of the thermal confinement means. Which are located in the main enclosure so that there is inside the enclosure at least one thermal confinement surface interposed between the exchange surfaces.
  • the displacement means drive the gas from one chamber to another, then from the other chamber to the first, by passing the gas alternately in one direction and the other through a duct which is outside the main enclosure and in which are the thermal confinement means.
  • thermodynamic cycle comprises at least one adiabatic variation phase of the working gas volume.
  • thermodynamic cycle of Carnot includes the passage of the working gas in contact successively with the following surfaces:
  • the volume change is faster while the working gas is in contact with the confinement surfaces than while the gas is in contact with the heat exchange surfaces.
  • the gas in contact with the heat-carrying surfaces must perform a heat transfer whose velocity depends in particular on the thermal inertia of the materials and the exchange surfaces.
  • the heat exchange surfaces may also comprise regeneration exchange surfaces interposed between the heat exchange surfaces.
  • An original idea of the invention consists in having made a Stirling type machine in which the displacement means pass through the region of the regeneration means, which are in the main enclosure.
  • the displacement means drive the gas from one chamber to another, then from the other chamber to the first, by passing the gas alternately in one direction and the other through a conduit which is outside the main enclosure and in which are the regeneration means.
  • the regeneration and / or confinement exchange surfaces are positioned to delimit a part of the trajectory of the moving chamber moving with the displacement means.
  • a machine according to the invention can be designed to operate simultaneously several identical but out of phase thermodynamic cycles so that the heating by regeneration of a cycle is supplied with calories provided by cooling the gas in another cycle, and / or that the piston compressing the gas for adiabatic heating is driven by the energy provided by the gas-relaxing piston for adiabatic cooling.
  • the transfer of calories by the regeneration exchange surfaces can take place by thermal conduction, or by an intermediate circulating fluid, or by an intermediate thermal reserve which takes in steady state a desired equilibrium temperature.
  • a regeneration surface may be both a heating surface in one direction of movement of the chamber and a cooling surface in the other direction of movement of the chamber. If the movement of the chamber is a continuous rotation, the regeneration exchange surfaces are specialized for heating or respectively for cooling and heat transfer means are provided between them. The transfer can take place in the direction of rotation, or in the opposite direction. It is also possible, as will be seen later in the description of an example, to advantageously combine in the same machine transfers in both directions.
  • the transfer takes place from front to behind a cold heat exchange surface, and from behind to a hot heat exchange surface, relative to the direction of movement of the heat transfer medium. bedroom. From the point of view of the transfer of frigories, the directions of transfer are the opposite of those described above for calories.
  • the hybrid cycle according to the invention comprises the passage of the gas in contact with the following surfaces for a motor cycle:
  • the gas performs the reverse path and the volume change direction associated with each surface other than the two regenerative surfaces must also be reversed.
  • the chamber is given a flattened shape whose large faces constitute the heat exchange surfaces while at least one of the small faces is constituted by a front face of the displacement means.
  • the heat exchange surfaces are formed on fins forming between them individual chambers.
  • the side faces of the fins are the large faces of these rooms.
  • the displacement means comprise wings which pass between the fins.
  • Each flat chamber has at least one narrow face formed by the front face, that is to say the anterior or posterior face relative to the direction of movement, a wing of the displacement means.
  • the invention also relates to a method for transforming energy between the thermal form and the mechanical form, wherein during a thermodynamic cycle, thermal energy is taken from a working gas during isochoric cooling and supplies this thermal energy to the working gas during isochoric heating, characterized in that the isochoric cooling and / or isochoric heating is adjacent on one side to a substantially adiabatic variation in the volume of the working gas and the other a substantially isothermal variation of the volume of the working gas.
  • FIG. 1 is a pressure-volume graph of a Stirling thermodynamic cycle
  • FIG. 2 is the temperature-volume graph of the cycle of FIG. 1;
  • FIGS. 3 to 8 are schematic representations of principle of a machine according to the invention, in six successive stages of its operating cycle;
  • FIG. 9 is a mechanical diagram of the machine of FIGS. 3 to 8;
  • FIG. 10 is a view similar to Figure 9 but relating to a second embodiment of the machine according to the invention.
  • FIG. 11 is a schematic perspective view, partly in section, of a third embodiment of a machine according to the invention.
  • FIG. 12 is a partial sectional view along XII-XII of FIG. 15, showing the enclosure and the means for moving the machine of FIG.
  • FIG. 13 is a perspective view of two superposed stator plates, relating to a Stirling thermodynamic cycle, of the machine of FIG. 11;
  • FIG. 14 is a partial perspective view of the displacer of the machine of Figure 11;
  • FIGS. 15 to 22 diagrammatic views of the machine of FIG. 11 at eight successive stages of its operating cycle, in section transverse to the axis of rotation of the displacer, the cylinder-piston assembly being shown rotated 90 ° for illustrative purposes;
  • FIG. 23 illustrates a variant for the mechanical coupling between the displacer and the crankshaft of the machine of Figure 11;
  • FIG. 24 is a block diagram showing the machine of FIG. 11 operating as a motor powered by the residual heat of a steam turbine;
  • FIG. 25 is a perspective view of a hybrid stator plate coupling Carnot and Stirling cycle of the machine of FIG. 11;
  • FIG. 26 is a perspective view of a heat exchange surface traversed by circulation ducts
  • FIG. 27 is a partial sectional view of a heat exchange surface
  • FIG. 28 is a perspective view of a stator plate relating to a Carnot thermodynamic cycle, of the machine of FIG. 11;
  • Figure 31 is a pressure-volume chart of a Carnot thermodynamic cycle;
  • Fig. 32 is a pressure-flight chart of a hybrid thermodynamic cycle coupling Carnot and Stirling cycle;
  • FIG. 33 is a temperature-volume graph of a hybrid thermodynamic cycle coupling Carnot cycle and Stirling.
  • FIG. 1 represents the evolution of the pressure of the working gas when it undergoes the four successive stages of its cycle executed in the direction of the arrows, namely a compression El from a maximum volume Vl to a minimum volume V2, an isochoric heating E2 while the volume is kept at its minimum value V2, a relaxation E3 from the volume V2 to the volume Vl, and an isochoric cooling E4 while the volume is maintained at its maximum value Vl.
  • FIG. 2 shows the evolution of the working gas temperature during the same Stirling cycle, always executed in the direction of the arrows.
  • This graph shows that the compression El and the expansion E3 are isothermal.
  • the El compression takes place at a constant low temperature Tb and the E3 expansion at a constant high temperature Th.
  • Tb the temperature
  • Th the temperature
  • the pressure rises from P2 to P22, and during the isochoric cooling, the pressure decreases from P1 to P1.
  • the area of the cycle hatched in Figure 1, is representative of the mechanical work theoretically provided by the cycle. It can be seen that for a given volume difference V1-V2, this energy is substantially proportional to the mass of gas contained in the machine.
  • the filling pressure can be increased by initially inflating the working gas in the machine.
  • the gas provides heat to the source with which it is in contact.
  • the gas draws heat from the source with which it is in contact.
  • FIG. 31 shows an example of a Carnot engine cycle.
  • FIG. 31 represents the evolution of the pressure of the working gas when it undergoes the four successive stages of its cycle executed in the direction of the arrows, namely an isothermal compression E5 from a maximum volume V31 to an intermediate volume V32 , adiabatic heating E6 by compression to a minimum volume V33, an isothermal expansion E7 from volume V33 to volume V34, and adiabatic cooling E8 while the volume increases to its maximum value V31.
  • FIG. 32 shows an example of a hybrid engine cycle.
  • FIG. 32 shows the evolution of the pressure of the working gas when it undergoes the six successive stages of its cycle executed in the direction of the arrows, namely an isothermal compression E9 from a maximum volume V21 to an intermediate volume V22 , an isochoric heating ElO while the volume is maintained at its intermediate value V22, an adiabatic heating EIl by compression to a minimum volume V23, an isothermal expansion E12 from the volume V23 to the volume V24, an isochoric cooling E13 then that the volume is maintained at its value V24, and adiabatic cooling E14 by increasing the volume to its maximum value V21.
  • Figure 33 shows the evolution of the working gas temperature during the same hybrid cycle, always executed in the direction of the arrows.
  • This graph shows that the compression E9 and the expansion E12 are isothermal.
  • the compression E9 takes place at a constant low temperature T1 and the expansion E12 at a constant high temperature T4.
  • T1 the pressure rises from P122 to P222
  • P224 the pressure decreases from P224 to P124.
  • adiabatic heating the pressure rises from P222 to P223, and during adiabatic cooling, the pressure drops from P124 to P121.
  • the area of the cycle, hatched in Figure 32 is representative of the mechanical work theoretically provided by the cycle. It can be seen that for a given volume difference V1-V2, this energy is substantially proportional to the mass of gas contained in the machine.
  • the filling pressure can be increased by initially inflating the working gas in the machine.
  • Figures 3 to 8 show six successive states of a machine according to the invention capable of executing a real Stirling thermodynamic cycle adjacent to the cycle of Figures 1 and 2.
  • the machine comprises a bore 11 formed in a body 12 which constitutes an enclosure for this bore.
  • the body 12 has heat exchange surfaces which follow one another along the axis 13 of the bore.
  • the exchange surfaces are carried by elements, for example metal which are separated from each other by thermal insulations 15 shown by double lines between these elements, intended to minimize heat leakage between them.
  • the hot heat transfer surface 14h is connected thermal with the hot source (not shown), while the cold heat-carrying surface 14b is in thermal connection with the cold source (not shown).
  • the regeneration heat exchange surface 16 is in thermal connection with a fluid circuit 18 extending between a hot thermal reserve 18gh and a cold thermal reserve 18gb.
  • Two pistons 19 and 21 are sealingly slidably mounted in the bore 11. They have two end faces 52, facing each other, which define between them a chamber 22 containing a working gas. The amount of working gas contained in the chamber 22 is substantially constant. In this example, the constant quantity is a constant mass.
  • the pistons 19 and 21 constitute displacement means, which move in synchronism with each other so as to successively pass the chamber 22 in front of the different heat exchange surfaces 14h, 16, 14b and thus successively put the gas working in heat exchange contact with these different exchange surfaces.
  • each exchange surface 14h, 16 or 14b defines all the periphery of a respective section of the bore 11. As the pistons 19 and 21 slide in the bore, their direction of movement is parallel to the exchange surfaces constituting the bore.
  • the displacement means (pistons 19, 21) successively scan the exchange surfaces and in particular, particularly remarkably, the regeneration exchange surface 16.
  • the chamber 22 and the amount of working gas that it contains are essentially stationary relative to the two pistons 19 and 21. That is to say, the two pistons 19 and 21, and the chamber 22 defined between them and the gas contained therein move as a single set. Admittedly, in this example, said assembly is deformable in that the pistons are at a variable distance from one another as will be seen later. But, with respect to each piston, the gas remains always on the same side of the piston, without being driven to the other side of the piston or to another chamber through a conduit. In the situation shown in Figure 3, the two pistons 19 and 21 are positioned so that the chamber 22 having its maximum volume Vl is in thermal contact with the cold heat-carrying surface 14b.
  • the two pistons 19 and 21 move together in the region of the regeneration exchange surface 16, whereas the chamber 22 retains its minimum volume V2.
  • the fluid is set in motion from the hot reservoir 18gh.
  • the hot fluid transfers calories to the working gas through the regeneration exchange surface 16, then goes into the cold reserve 18gb. Thanks to these. calories, the gas. work proceeds gradually from its low temperature Tb to its high temperature Th. This carries out the isochoric heating step E2 of the cycle.
  • the piston 19 opposite the cold heat-carrying surface 14b, which had remained substantially stationary during the expansion step, is in turn moving in the direction of the cold heat-carrying surface 14b (FIG. 8) while the chamber 22, retaining its maximum volume Vl since the end of the expansion, is placed in thermal contact with the regeneration exchange surface 16.
  • the fluid is set in motion from the cold reserve 18gb, absorbs calories contained in the working gas and cools it from the high temperature Th to the low temperature Tb then goes into the hot reserve 18gh. This accomplishes the isochoric cooling step E4 of the cycle.
  • the pistons 19 and 21 constitute both gas displacement means and mechanical power members subjected to the pressure of the gas to supply mechanical energy to the gas during the compression step and collect mechanical energy from the gas during the expansion step.
  • FIG. 9 shows a mechanism for actuating the pistons 19 and 21, capable at the same time of transmitting the working forces of the gas.
  • the pistons 19 and 21 are located between two crank link systems 23, 24 to which they are respectively coupled.
  • the two crank connecting rod systems are mechanically coupled to rotate at the same speed but with a phase difference between them such that the piston 21 situated on the side of the cold heat transfer surface 14b is ahead of the other piston 19.
  • the mechanical power provided by the machine is collected on a tree motor (not shown) coupled to the two crank systems cranks, for example a motor shaft secured to one of the cranks.
  • the displacement means no longer comprise a single piston 120 coupled to a single crank connecting rod system 125.
  • the piston 120 is in the form of a diabolo with two end bodies 119, 121 rigidly connected to each other by a rod 126 and defining between They are the chamber 22.
  • the amount of constant gas contained in the chamber 22 is now a constant volume defined between two faces 152, facing each other and each belonging to one of the bodies 119, 121.
  • a bore 127 forming a working chamber, communicates with the bore 11 through the lateral wall of the latter, through a passageway 128 typically located at mid axial distance between the hot heat-carrying surface 14h and the cold heat exchange surface 14b .
  • a power piston 130 slides sealingly into the working bore 127 to close the latter on the side opposite the passage 128.
  • the piston 130 is coupled to a power crank system 129.
  • the displacer piston 120 comprises sealing flanges 131 which are sufficiently spaced apart from one another so that the chamber 22 communicates permanently with the working bore 127. However, between each of the flanges 131 and the connecting rod 126, the end bodies 119, 121 fill most of the cross section of the bore 11. This allows, as shown in Figure 10, to communicate the chamber 22 with the passage 128 while placing the vast majority of the volume of the chamber 22 in exclusive thermal contact with a heat exchange surface such as the cold heat exchange surface 14b (situation shown) or the hot heat transfer surface 14h (non represented) which is not the one where
  • the crank linkage systems 125 and 129 are mechanically coupled to each other to rotate at the same speed and with appropriate angular timing relative to each other.
  • This setting is such that the power piston 130 reduces the volume available for the gas in the bore 127 when the displacement piston 120 is at its stroke end where the chamber 22 is in thermal contact with the cold heat exchange surface. 14b.
  • This is the situation shown in Figure 10. It has the effect of compressing the gas while it is maintained at its low temperature Tb, which achieves the isothermal compression at low temperature El already described.
  • the crank linkage system 125 moves the displacement piston 120 to the thermal contact position with the regeneration exchange surface 16 and then with the hot heat exchange surface 14h while the working piston 130 remains close to its position where the available volume in the bore 127 is low, which corresponds to the isochoric heating step E2.
  • the volume available in the bore 127 expands while the displacer piston 120 positions the chamber 22 in thermal contact with the hot heat exchange surface 14h. This achieves the isothermal expansion at high temperature E3.
  • the isochoric cooling step E4 is carried out when the displacer piston 120 passes in front of the regeneration exchange surface 16 in the direction of the cold heat-transfer heat exchange surface 14b while the mechanical power piston 130 remains close to its position where the available volume in the bore 127 is maximum.
  • the power crank system 129 which collects the mechanical power, while the overall mechanical energy supplied or. collected by the crank connecting rod system 125 actuating the displacer piston 120 is theoretically zero.
  • the displacer is rotatable.
  • the displacer is a rotor always rotating in the same direction in the enclosure constituting a stator.
  • the machine comprises, with reference to FIG. 11, two units 201, 301 whose respective displacers 220, 320 are rigidly connected to each other by a common rotary shaft 420.
  • 301 is an elementary multi-chamber machine 222, 322. Each chamber 222, 322 executes a complete thermodynamic cycle at each half-turn of the shaft 420 and displacers 220, 320. The two displacers
  • the elementary machines are of the type in which the amount of constant gas contained in each chamber is a constant volume.
  • Each unit 201, 301 comprises an enclosure 212, 312 in the general shape of a sealed cylindrical vessel containing the working gas.
  • 212, 312 is connected by a passage 228, 328 to a respective working bore 227, 327 which is closed on the opposite side to the passage 228, 328, by a power piston 230, 330.
  • the passage 228, 328 communicates with the chamber 222, 322 through a recess 221, 321 in the displacer 220, 320.
  • the pistons 230, 330 are each connected by a respective connecting rod 229, 329 to a common crankshaft 429 which is coupled to the shaft
  • the gear ratio is such that the shaft 420 controlling the movement of the movers rotates half as fast as the crankshaft 429 collecting the driving force of the machine.
  • each working piston 230, 330 performs a complete cycle (a round trip) when the movers perform a half-turn and therefore each elementary machine has itself carried out a complete cycle.
  • the gear 425 establishes an appropriate angular wedging between the movers
  • phase shift of the pistons is obtained by coupling their two links 229, 329 to the same crankpin crankshaft 429, while the two cylinders 227, 327 are at
  • crankshaft 429 180 ° from each other around the axis of the crankshaft 429.
  • Each of the displacers 220, 320 comprises two lobes 448 each having the general shape of a cylinder sector having axis of the axis of rotation 413.
  • the recess 221, 321 is preferably cylindrical axis 413.
  • the number of lobes 448 in each unit is equal to the number of thermodynamic cycles per rotation of displacer.
  • the lobes 448 are integral with one another, and leave the chambers 222, 322 in the space available inside the enclosure.
  • the chambers 222, 322 occupy in each chamber angular positions offset about the axis 413 of an angle (180 ° in the example) which is equal to the angle to be traveled to perform a complete thermodynamic cycle .
  • all the chambers of the same enclosure execute at each moment the same stage of the thermodynamic cycle. The pressure in all the chambers of the same enclosure is therefore the same.
  • This preferred feature of the invention allows according to a very advantageous improvement to provide no sealing device between the displacer and the inner walls of the enclosure .
  • the problems of friction and differential expansion between the displacer and the inner walls of the enclosure are greatly attenuated or eliminated.
  • the entire interior of the tank constituting the enclosure is. the pressure of the chambers 222 or 322.
  • the displacer is not really a piston, but rather a kind of moving body having the function, at each moment, to occupy the space where the gas must not be.
  • each chamber is subdivided into a large number of superimposed annular passages 422 (FIG. 12) surrounding the axis of rotation 413 and having a shape that is flattened parallel to a plane perpendicular to the axis of rotation 413.
  • the corridors 422 are separated from each other by fins 441 which extend radially towards the axis 413.
  • the inner periphery 442 of the fins 441 has a small clearance with a cylindrical central core 443 of the displacer 220.
  • the core 443 closes the corridors on the side radially inside.
  • Each fin 441 extends 360 ° about the axis 413 and belongs to a disk-shaped stator plate 444 (see also FIG. 13).
  • the stator plates are stacked on top of each other in the enclosure.
  • Each plate 444 has at its periphery an annular boss 446 having a specific thickness corresponding to the desired thickness for each corridor 422.
  • a flat face of each plate rests on the boss of one neighboring plates.
  • the corridors have a rectangular cross section that is the same in all axial planes.
  • Each of the two lobes 448 (FIG. 14) of the displacer 220 is formed of a series of flat wings 449 in the form of a disk sector extending in a plane perpendicular to the axis of rotation 413.
  • the wings are fixed on the central core 443. They have in each axial plane a section whose shape and dimensions are identical, with an operating clearance, to those of the aforementioned transverse section of the corridors.
  • the wings 449 have between them a free distance that is substantially equal, at a close operating level, to the thickness of the fins 441.
  • the radius of the radially outer edge 451 of the wings 449 is substantially equal, with an operating clearance, to radially of the radially inner face 447 (FIG.
  • each wing 449 of a lobe 448 is coplanar with a wing 449 of the other lobe.
  • each wing extends over 135 ° about the axis of rotation 413, and therefore each elementary chamber 222 extends over 45 ° about the axis 413.
  • Each elementary chamber 222 is delimited between two plates by a contour formed of the lateral surface of the core 443, the cylindrical inner lateral surface 447 of a boss 446, and two end faces 452 directed towards each other of two coplanar wings. 449 of the displacer 220.
  • the cylindrical central core 443 also comprises an internal recess 500 in the form of a cylindrical bore of axis 413.
  • the recess 500 communicates with each elementary chamber 222 by means of a respective opening 502 made through the central cylindrical core 443. At one end of the displacer 220, the recess 500 also communicates with the passage 228, 328.
  • each fin 441 and the inner peripheral face 447 of each boss 446 constitute the heat exchange surfaces of the machine. They extend parallel to the direction of circular movement of the wings 449 of the displacer.
  • each fin 441 is made up of thermally conductive sectors which follow one another in the circumferential direction with a regular alternation of cold 454b or hot 454h heat-transfer sectors and regeneration sectors 456ic, fc, ir, fr which will be detailed later. .
  • each angular range corresponding to a thermodynamic cycle and therefore each angular range of 180 ° in the example, there is a cold heat-transfer sector 454b carrying a cold heat exchange surface 14b and a hot heat-transfer sector 454h carrying a surface of hot heat transfer 14h.
  • the heat transfer sectors 454 are extended radially outwards by a thicker zone belonging to the boss 446, through which a passage 457 is provided for the passage of a cold or hot heat transfer fluid, respectively.
  • each regeneration step is subdivided into two successive phases, namely an initial regeneration phase followed by a final regeneration phase.
  • This particularity is concretized by the presence of two successive regeneration sectors in each regeneration zone.
  • each heating regeneration zone comprises an initial heating regeneration sector 456i1 followed by a final heating regeneration sector 456fc.
  • each cooling regeneration zone comprises an initial cooling regeneration sector 456ir followed by a final cooling regeneration sector 456fr.
  • Each initial heating regeneration sector 456ic, situated just behind a cold heat-transfer zone 454b, and each final cooling regeneration sector 456fr, situated just in front of a cold heat-transfer sector 454b are cold regeneration sectors having in service substantially the same temperature Tgb closer to that of the cold heat transfer areas 454b than that of the hot heat transfer zones 454h.
  • Tgb Tb + (Th - Tb) / 3.
  • each initial cool regeneration sector 456ir, located just behind a hot coolant sector 454h, and each final heat regeneration sector 456fc, located just in front of a hot coolant sector 454h are hot regeneration sectors having substantially the same Tgh temperature is closer to that of the hot heat transfer zones 454h than to that of the cold heat transfer zones 454b.
  • each coolant sector 454 extends over 45 ° around the axis of rotation 413.
  • each initial regeneration sector 456ir or 456ic, or final 456fr or 456fc extends over 22.5 ° around the axis of rotation 413.
  • each regeneration zone composed of an initial regeneration sector followed by a final regeneration sector extends over 45 °.
  • the angular range corresponding to a thermodynamic cycle that is to say 180 ° in the example, is divided into four equal parts, respectively assigned to isothermal compression, isochoric heating by regeneration, isothermal expansion and isochoric cooling by regeneration.
  • the regeneration means operate by caloric transfer, more particularly transfer by conduction, in the circumferential direction between regeneration zones providing calories (regeneration preceding a cold heat-transfer sector) and regeneration zones. consuming calories (regeneration preceding a warm heat-exchange area).
  • the cold regeneration sectors 456ic, 456fr located on either side of a cold heat-transfer sector 454b are connected to each other in a single cold-conductive hoop 460gb by a cold thermal bridge 461gb which extends radially outside the cold heat sector.
  • the 456ir, 456fc hot regeneration areas located on either side of a hot heat transfer area 454h are connected to each other in a single hot thermally conductive hoop 460gh by a hot thermal bridge 461gh which extends radially outside the hot heat sector.
  • each heat transfer area 454 (454h or 454b) is externally straddled by an arch 460 (460gh or 460gb) comprising a pair of regeneration sectors connected by a thermal bridge.
  • Each plate 444 is composed, for each angular range corresponding to a thermodynamic cycle, of two heat transfer sectors and two arches.
  • the arches 460 and in particular their thermal bridge 461 (461gh or 461gb) serve as thermal reserve. It is advantageous for this thermal reserve to be relatively large so that, in operation, the temperature of the regeneration sectors is relatively stable, that is to say that the cyclic variation in temperature is low at each passage of a chamber in contact with each other. thermal with a regeneration sector. At the same time, when the arches 460 have a high thermal capacity and a high thermal conductivity, the desired equality between the temperatures of the two regeneration sectors of the arch is better achieved in operation.
  • the heat transfer zones 454 (454h or 454b) must also have a good heat capacity and good thermal conductivity so that the calories are well transferred between their heat exchange surfaces 14h or 14b on the one hand and heat transfer fluids on the other hand on the other hand, with a temperature gradient as low as possible between the heat exchange surfaces and the heat transfer fluids.
  • Thermal insulations 415 are provided at the separation between each heat transfer element 454 and the arch 460 which overlaps, and between adjacent arches.
  • each fin consists of an alternation of cold 554b or hot 554h heat transfer sectors between which are interspersed thermal containment sectors 556.
  • the movement of the displacer then causes the passage of the gas successively by a cold heat-transfer sector 554b, a thermal confinement sector 556, a heat transfer zone 554h, and a thermal confinement sector 556.
  • the sectors have a substantially identical angular range of 45 °, the thermal confinement sectors are interconnected by overlapping internally each heat transfer area.
  • FIGS. 28, 26 and 27 show that the heat-transfer sectors 554b, 554h are extended radially outwards by a thicker zone belonging to the boss 546, traversed in a preferred embodiment of the lights by 557e, 557s, respectively inlet and outlet for a heat transfer fluid traversing a network of channels 558 inside each heat transfer sector.
  • the circulation of the heat transfer fluid inside the heat transfer sectors 554b, 554h has the advantage, compared to the circulation described in FIG. 13, of promoting the heat exchange between the coolant and the working gas.
  • all the cold or respectively hot cold port sectors are thermally paralleled between an input duct constituted by the stack of lights 557e and two output ducts formed by the stacking of the pairs of exit lights. 557s. More generally, it is described the multiple heat transfer elements mounted thermally in parallel between at least one incoming coolant conduit and at least one outgoing coolant conduit.
  • the fin 441 consists of an alternation in the circumferential direction of cold 654b or hot 654h heat transfer sectors between which regeneration sectors 656c, 656r and containment sectors are intercalated. 655.
  • the movement of the displacer 220 successively passes the gas working in contact with a cold heat-transfer zone 654b, a heat regeneration sector 656c, a thermal containment sector 655, a hot heat-transfer sector 654h, a cooling regeneration sector 656r, and a thermal confinement sector 655.
  • each sector extends over 30 ° around the axis of rotation 413.
  • Each heating regeneration sector 656c is connected, with a cooling regenerator 656r, to a thermal hoop 660 which overlaps a thermal containment sector 655 and a cold heat-transfer sector 654b consecutive, or not shown a thermal containment sector 655 and a hot heat sector 654h consecutive. It is also possible, also not shown to connect all the regeneration sectors together with arches together forming a crown. As an alternative to the embodiment of Figure 13, the overlapping arches are located radially inside the overlapped sectors and no longer outside.
  • the heat transfer sectors 654b, 654h are extended radially outwards by a thicker zone belonging to the boss 646, traversed by respective inlet and outlet lights 557e, 557s for a heat transfer fluid running through a network of internal channels 558 at each coolant sector, substantially like sectors 554b, 554h of Figure 28.
  • each chamber 222 cooperates only with the exchange surfaces and heat transfer means of a single plate, for the sake of clarity and simplification.
  • each chamber is defined between two plates and cooperates thermally with exchange surfaces and heat transfer means of these two plates.
  • the rotary displacer has each time rotated 1/8 of cycle, so 1/16 of a turn, that is to say 22.5 °, with respect to the respectively preceding figure.
  • each chamber 222 is still in contact with a hot heat-transfer sector 454h.
  • the other half of each chamber 222 is in thermal contact with an initial 456ir cooling regeneration sector. It is at the transition between the isothermal expansion step E3 and the isochoric cooling step E4.
  • the power piston 230 approaches its end of the race, called “bottom dead center", for which the volume of the working chamber 227 is maximum.
  • the gas contained in the chamber 222 yields calories to the initial 456ir cooling regeneration sector. As indicated by the H arrows, these calories propagate through the 461hp hot thermal bridge and then into the 456fc final regeneration heating areas that wait further back for passage to the next chamber. We see that this transfer of calories is in the opposite direction of the rotation of the rotor. At the same time, by giving up calories, the gas contained in the chamber 222 begins to cool.
  • each chamber 222 has come into contact with a cold heat-transfer sector 454b.
  • the other half of each chamber 222 is still in thermal contact with a final cooling regeneration sector 456fr. It is at the transition between the isochoric cooling step E4 and the isothermal compression step El.
  • the power piston 230 begins to leave its bottom dead center.
  • the gas contained in the chamber 222 yields calories to the final regeneration regeneration sector 456fr. As indicated by the arrows H, these calories propagate in the cold thermal bridge 461gb and then in the initial regeneration heating sectors 456ic located downstream which are waiting for the subsequent passage of a chamber. This transfer of calories is in the direction of rotation of the rotor. At the same time, by giving up calories, the gas contained in the chamber 222 completes its cooling.
  • each chamber 222 one half of the angular extent of each chamber 222 is still. in contact with a cold heat-transfer area 454b.
  • the other half of each chamber 222 is in thermal contact with an initial 456ic heating regeneration sector.
  • the power piston 230 approaches its end of travel, called “top dead center", for which the volume of the working chamber 227 is minimal.
  • the gas contained in the chamber 222 absorbs calories provided by the initial 456ic regeneration heating sector, from the bridge associated cold thermal 461gb, itself previously supplied with calories by the final 456fr cooling regeneration sector during the steps of Figures 17 and 18.
  • the power piston 230 is at its top dead center while each chamber 222 is in thermal contact with an initial heating regeneration sector 456c and a final heating regeneration sector 456fc, supplied with energy. heat, respectively, by the final regenerative cooling sector 456fr located upstream and the initial cooling regeneration sector 456ir located downstream (see arrows H). This is the isochoric heating step E2.
  • each chamber 222 has come into contact with a hot coolant sector 454h.
  • the other half of each chamber 222 is still in thermal contact with a final heating regeneration sector 456fc.
  • the power piston 230 starts to leave its top dead center.
  • the gas contained in the chamber 222 takes up calories at the final heating regeneration sector 456fc, itself supplied with calories by the hot thermal bridge 461gh, and through it through the initial cooling regeneration sector located downstream.
  • the thermal bridges operate a delayed heat transfer: one of the two regeneration sectors connected to each bridge receives calories from the gas when the chamber is in thermal contact with this sector, then the second sector of Regeneration receiving the calories through the bridge, restores them a little later, either further to the same room (case of a cold rollbar), or back to the next room (case of a hot rollbar).
  • the operation has been described from the point of view of the transfer of calories.
  • the machine can operate as a heat pump (for heating the heat transfer fluid hot) or refrigerating machine (for cooling the cold heat transfer fluid).
  • it is sufficient to interchange the cold and hot heat transfer elements so that the isothermal expansion is done at low temperature and the isothermal compression at high temperature.
  • the same result is obtained by not interchanging the cold and hot heat transfer elements, but by shifting the crankshaft 429 or the displacer rotor 220 by one half cycle, that is to say in the example by shifting the crankshaft. 180 ° and leaving the displacer rotor in unchanged position in each of Figures 15 to 22, or by shifting the rotor by 90 ° and leaving the crankshaft unchanged in each of Figures 15 to 22.
  • the piston acts in the direction of an enlargement of the working chamber.
  • the volume of the working gas increases, it is the stage of the isothermal expansion E7.
  • the piston acts in the direction of rapid enlargement of the working chamber, the volume of the working gas increases rapidly. This is the adiabatic relaxation stage E8.
  • the piston acts in the direction of a reduction of the working chamber. The volume of the working gas decreases, it is the stage of the isothermal compression E5.
  • the piston acts in the direction of a rapid decrease of the working chamber, the volume of the working gas decreases rapidly. This is the adiabatic compression step E6.
  • thermodynamic cycle described corresponds to a Carnot cycle.
  • the theoretical yield of the Carnot cycle is equal to the theoretical yield of the Stirling cycle described above.
  • the heat conduction transfers being inefficient at low thermal gradients between the hot source and the cold source the actual yield of the Carnot cycle can be greater than the actual efficiency of the Stirling cycle when the temperature gradient is low.
  • the Carnot thermodynamic cycle can be traveled faster than the Stirling cycle because the thermal transfers of the Stirling cycle can be long.
  • the Carnot cycle imposes large volume variations that are difficult to implement. For this reason the Stirling cycle is particularly favored during strong temperature gradients.
  • the piston acts in the direction of an enlargement of the working chamber.
  • the volume of the working gas increases, it is the stage of the isothermal expansion E12.
  • the power piston 230 is substantially immobile so the volume of the working chamber is substantially constant.
  • the gas contained in the chamber 222 yields calories to the cooling regeneration sector 656r.
  • the working gas then drops to a temperature T2 higher than the temperature Tl of the cold heat exchange sector 654b. This is the isochoric cooling step E13.
  • the piston acts in the direction of a decrease in the volume of the working chamber.
  • the volume of the working gas decreases, it is the stage of the isothermal compression E9.
  • the power piston 230 When the two chambers are in thermal contact with the heating regeneration sectors 656c, the power piston 230 is substantially immobile so the volume of the working chamber is substantially constant.
  • the gas contained in the chamber 222 takes up calories at the cooling regeneration sector 656r.
  • the working gas then rises to a temperature T3 lower than the temperature T4 of the hot heat exchange sector 654h. This is the isochore heating step ElO.
  • FIG. 23 will only be described for its differences with respect to that of FIG. 11.
  • a gear 472 whose gear wheels are non-circular.
  • the toothed wheels are oval for, in a Stirling cycle, to increase the speed of rotation of the crankshaft 429 when the pistons 230 and 330 are in the vicinity of the middle of their stroke, and to reduce the rotational speed of the crankshaft 429. when the pistons 230, 330 are in the vicinity of their top and bottom dead spots.
  • the crankshaft 429 drives the power output shaft 470 of the machine through the gear 472.
  • crankshaft 429 This irregular rotation has the effect of minimizing the variations in the volume of gas during the heating and cooling steps, to make them more similar to the ideal isochoric stages of the cycle. As a result, most of the volume changes occur during compression and expansion.
  • the gears may be substantially elliptical for a Carnot cycle but angularly offset in a manner adapted to the speed variations described above.
  • the pinion can have a more complicated shape, by adjusting the ratio of the diameters of the gears to obtain at each instant the piston speed corresponding to the thermodynamic stage of the machine, in particular for the Carnot-Stirling cycle.
  • crankshaft can be provided comprising two crank pins angularly offset by for example 30 °.
  • the mechanism further comprises for each piston two connecting rods each articulated by one of its ends to a respective one of the crank pins, and by its other end to a respective end of a spreader whose central axis is articulated to the piston.
  • FIG. 24 shows the implementation of a machine according to FIGS. 11 to 23 and 25 to 28 operating as a motor using, as a hot source, the cooler 473 of a steam turbine 474.
  • the driving shaft 476 of the The turbine drives a power generating machine 477.
  • the steam cooled in the cooler 473 is compressed by a compressor 478, heated in a boiler 479, typically heated by the heat of combustion of a fuel.
  • the steam is then sent to the high pressure inlet 481 of the turbine 474.
  • the vapor expands in the turbine 474 and then escapes through the low pressure outlet 483 to be sent to the steam circuit 484 of the cooler 473.
  • the steam circuit 484 is in heat exchange relationship with a heat transfer circuit 486 containing a fluid whose nature and pressure are appropriate, especially given the temperature of the steam at the low pressure outlet 483 of the turbine.
  • the coolant is kept in circulation by. a pump 487.
  • the fluid is sent through the hot heat transfer zones 454h of the units 201 and 301 of the machine of FIGS. 11 to 23.
  • the coolant passes through the lights 457, orifices 459 and conduits 458. After having passed through the hot heat transfer zones, the coolant returns to the cold inlet of the cooler 473.
  • the installation further comprises a cold heat transfer circuit, passing through the cold heat transfer sectors of the units 201 and 301, and connected to a cold source such as an evaporator or a watercourse.
  • a cold source such as an evaporator or a watercourse.
  • the power shaft 429 of the machine according to the invention can be coupled to the motor shaft 476 of the turbine 474, to add its power to that of the rbine, or to be coupled to a another machine for producing electricity, or another payload.
  • a machine according to the invention is feasible in many versions, depending on its power and the temperature of the sources in particular.
  • the machine given as an example in Figures 11 to 23 and 25 to 28 is considered for large achievements, the units 201 and 301 having for example a diameter of a few meters, and an axial length of a few meters also.
  • the fins 441 may have a thickness of a few millimeters, for example between 5 and 10 mm, as well as the chambers 422 and the wings 449 of the displacer rotor 220.
  • the heat transfer sectors and the hoops of the stator plates may be metallic. If the temperature of the hot source is sufficiently moderate, the displacer rotor can be made of synthetic material. It is also possible to envisage a metal core 443 on which synthetic wings 449 would be fixed.
  • the volume swept by the working piston with respect to the total volume of gas swept by the machine is a function of the temperatures.

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Abstract

Dans chaque unité (telle que 201) de la machine, une cuve (212) renferme un déplaceur rotatif (220) définissant des chambres (222) contenant un gaz de travail. La rotation du déplaceur place successivement le gaz en relation d'échange thermique avec des surfaces d'échange caloporteuse chaude, de régénération de refroidissement, d'isolation thermique, caloporteuse froide, de régénération de chauffage, et d'isolation thermique. A chaque instant, la cuve est en équipression, toutes les chambres d'une même enceinte sont à un même stade du cycle thermodynamique, la machine exécutant deux cycles par tour de déplaceur dans la réalisation représentée. La pression dans la cuve est appliquée à un piston de puissance (230). Un engrenage (425) synchronise le piston (230) et le déplaceur (220). Utilisation pour améliorer le rendement et permettre le fonctionnement à vitesse relativement élevée et/ou sous de faibles différences de température.

Description

« Machine thermodynamique, en particulier de type Carnot et/ou Stirling »
La présente invention concerne une machine thermodynamique, en particulier de type Carnot et/ou Stirling. Une telle machine est typiquement un moteur, mais elle peut également être conçue pour fonctionner en pompe à chaleur ou en machine frigorifique.
La présente invention vise pl us pa rticu l ièrement les ma ch i nes essentiellement volumétriques dans lesquelles on déplace un gaz pour le mettre alternativement en contact avec une surface d'échange thermique chaude et une surface d'échange thermique froide.
Dans le cas d'un moteur, on alimente la surface d'échange thermique chaude avec des calories issues d'une source chaude externe. Par ses contacts avec des surfaces d'échange ayant des températures successivement différentes, le gaz subit des variations de température, qui induisent des variations de pression. Un piston exécute un temps moteur lorsque la pression est haute et un temps de compression lorsque la pression est basse.
Dans le cas d'une pompe à chaleur ou machine frigorifique, on fournit de l'énergie mécanique au piston pour comprimer le gaz et ainsi le réchauffer lorsqu'il est en contact avec la surface d'échange thermique chaude et/ou pour détendre le gaz lorsqu'il est en contact avec la surface d'échange thermique froide. Ainsi, le gaz réchauffe une source chaude reliée à la surface d'échange thermique chaude et/ou refroidit une source froide reliée à la surface d'échange thermique froide.
On souhaite en général que le cycle thermodynamique exécuté par la machine soit aussi proche que possible d'un cycle théorique. Pour une machine de type- Carnot le cycle théorique comprend successivement une compression lente isotherme à la température de la source froide, une compression, rapide adiabatique, une détente lente isotherme à la température de la source chaude, et une détente rapide adiabatique. Un tel cycle a un rendement théorique égal à un moins le rapport entre La température absolue de la source froide et la température absolue de la -source 'chaude.'" Ce cyclë""présente l-'avantage de permettre l'exploitation de faibles différences de températures entre la source chaude et la source froide. Il est en revanche peu adapté à de fortes différences de température entre les sources car il nécessite alors de fortes variations de pression, et donc un piston de forte cylindrée.
Pour une machine de type Stirling le cycle théorique comprend successivement une compression isotherme à la température de la source froide, un chauffage isochore, une détente isotherme à la température de la source chaude, et un refroidissement isochore. Comme la compression et la détente se font à température constante, le chauffage et le refroidissement ont lieu entre les deux mêmes températures extrêmes, à savoir celle de la source chaude et respectivement celle de la source froide. Ceci permet de réaliser le chauffage et le refroidissement par échange de calories dans un échangeur. On parle alors de chauffage et de refroidissement par « régénération ». Un tel cycle a un rendement théorique avantageux, égal à la différence entre la température absolue de la source chaude et la température absolue de la source froide, divisée par la température absolue de la source chaude. Ce cycle est donc particulièrement adapté à l'exploitation de fortes différences de température entre la source chaude et la source froide.
Ce type de machine théoriquement très avantageux est difficile à mettre en œuvre. Il existe plusieurs architectures classiques dans lesquelles au moins un « déplaceur » (une sorte de piston) déplace le gaz de travail de la surface d'échange thermique chaude à la surface d'échange thermique froide à travers un conduit dans lequel est installé l'échangeur ou « régénérateur ». Le rendement de telles machines est très inférieur au rendement théorique du cycle de Stirling décrit précédemment. Pendant le fonctionnement, le conduit, le régénérateur et d'autres volumes intérieurs constituent des volumes morts dont la valeur totale est considérable par comparaison avec le volume de gaz qui, par exemple, est effectivement en contact avec la surface d'échange thermique chaude pendant la détente dans le cas d'une machine motrice. En outre, de telles circulations de gaz génèrent des pertes de pression et des pertes thermiques.
Le but de la présente invention est ainsi de proposer une nouvelle machine thermodynamique qui réduise l'impact de tout ou partie des inconvénients précités, et/ou qui soit capable de fonctionner suivant au moins l'un des cycles réels plus proche des cycles théoriques souhaités.
Suivant l'invention, la machine thermodynamique comprenant :
— une enceinte contenant un gaz de travail et possédant des surfaces d'échange thermique à son intérieur ;
— des moyens de déplacement mobiles dans l'enceinte pour déplacer le gaz de travail dans l'enceinte et mettre successivement le gaz de travail en et hors de contact avec chacune des surfaces d'échange thermique pour réaliser des étapes successives d'un cycle thermodynamique ; et
~ un organe de puissance mécanique soumis à la pression du gaz de travail ; est caractérisée en ce que les moyens de déplacement font passer successivement devant les différentes surfaces d'échange thermique une chambre contenant une quantité de gaz de travail essentiellement constante dont au moins la majeure partie est globalement stationnaire par rapport aux moyens de déplacement. Un couplage indirect autorise un vilebrequin recueillant la force motrice de l'organe de puissance mécanique à tourner au moins transitoirement à une vitesse de rotation différente de celle d'un arbre commandant le mouvement des moyens de déplacement
Ainsi, suivant l'invention, au lieu de chasser le gaz de travail d'une chambre à l'autre pour chaque étape du cycle, le gaz de travail occupe en permanence une chambre qui défile devant les différentes surfaces d'échange thermique.
On peut ainsi fortement réduire ou même quasiment éliminer les volumes morts ou encore les pertes de pression liées à l'écoulement du gaz et/ou réduire significativement les pertes thermiques. - A -
Dans la machine suivant l'invention, toute la quantité de gaz présente dans la chambre effectue une phase bien déterminée de son cycle thermodynamique, en liaison avec une surface d'échange thermique bien déterminée. Ceci perm et d e d éco m p ose r clairement le cycle thermodynamique dans la machine en des temps beaucoup plus proches que par le passé de ceux du cycle théorique recherché. Le rendement de cycle est donc amélioré. Ceci permet de réaliser des machines fonctionnant efficacement sous de très faibles différences de température, par exemple avec moins de 1000K de différence entre la source chaude et la source froide.
De préférence, la quantité de gaz sensiblement constante est un volume constant. Dans ce cas, la chambre peut être en communication permanente avec une cavité à volume variable, par exemple un cylindre, dans laquelle se déplace l'organe de puissance mécanique, tel qu'un piston.
Il est également concevable que la chambre soit elle-même à volume variable. Dans ce. cas, l'organe de puissance mécanique peut être constitué par tout ou partie des moyens de déplacement.
De préférence, les moyens de déplacement comprennent un rotor mobile autour d'un axe. Ainsi, les surfaces d'échange thermique peuvent être réparties autour de l'axe. Le rotor entraîne la chambre en rotation pour qu'elle coïncide successivement avec les différentes surfaces d'échange.
Typiquement, les moyens de déplacement comprennent deux faces dirigées sensiblement l'une vers l'autre pour délimiter la chambre. La chambre a alors par exemple la forme d'une alvéole formée dans les moyens de déplacement et dont des surfaces ouvertes défilent devant les différentes surfaces d'échange thermique solidaires de l'enceinte. D'autres configurations sont possibles. Par exemple, lorsque les moyens de déplacement comprennent un rotor, la chambre peut être définie par une seule face des moyens de déplacement, en particulier un méplat sur la surface latérale du rotor tournant dans une enceinte cylindrique. Les surfaces d'échange thermique peuvent comprendre des surfaces d'échange caloporteuses c'est-à-dire les surfaces d'échange déjà mentionnées précédemment reliées à une source chaude ou froide. La machine peut comprendre également des moyens de confinement thermique capables de restreindre les échanges de chaleur avec le gaz de travail.
Une idée originale de l'invention consiste à avoir réalisé une machine de type Carnot dans laquelle les moyens de déplacement traversent la région des moyens de confinement thermique. Lesquels se trouvent dans l'enceinte principale de sorte qu'il y a à l'intérieur de l'enceinte au moins une surface de confinement thermique intercalée entre les surfaces d'échange. Au contraire, dans les réalisations antérieures, les moyens de déplacement chassent le gaz d'une chambre à une autre, puis de l'autre chambre à la première, en faisant passer le gaz alternativement dans un sens et dans l'autre à travers un conduit qui est extérieur à l'enceinte principale et dans lequel se trouvent les moyens de confinement thermique.
Lorsque les moyens de déplacement mettent le gaz de travail en contact avec les moyens de confinement thermique, un mouvement de l'organe de puissance est effectué de façon que le cycle thermodynamique comprenne au moins une phase de variation adiabatique du volume du gaz de travail.
Le cycle thermodynamique de Carnot comprend le passage du gaz de travail en contact successivement avec les surfaces suivantes :
- une surface caloporteuse froide pendant que le volume du gaz de travail diminue,
- une surface de confinement thermique pendant que le volume du gaz de travail diminue,
- une surface caloporteuse chaude pendant que le volume du gaz de travail augmente,
- une surface de confinement thermique pendant que le volume du gaz de travail augmente. De préférence la variation du volume est plus rapide pendant que le gaz de travail est en contact avec les surfaces de confinement que pendant que le gaz est en contact avec les surfaces d'échange caloporteuses. Le gaz en contact avec les surfaces caloporteuses doit effectuer un transfert thermique dont la vélocité dépend notamment de l'inertie thermique des matériaux et des surfaces d'échange. Au contraire, afin de minimiser les échanges thermiques et de raccourcir la durée du cycle, il est avantageux de faire varier rapidement le volume du gaz de travail, et donc la température, pendant que le gaz est en contact avec les surfaces de confinement.
Ainsi quand le gaz de travail est en contact avec une surface de confinement, on provoque par variation sensiblement adiabatique du gaz de travail une variation de température dans le même sens que celle subie par le gaz de travail au contact de la surface de régénération située en amont.
Les surfaces d'échange thermique peuvent comprendre également des surfaces d'échange de régénération intercalées entre les surfaces d'échange caloporteuses.
Une idée originale de l'invention consiste à avoir réalisé une machine de type Stirling dans laquelle les moyens de déplacement traversent la région des moyens de régénération, lesquels se trouvent dans l'enceinte principale. Au contraire, dans les réalisations antérieures, les moyens de déplacement chassent le gaz d'une chambre à une autre, puis de l'autre chambre à la première, en faisant passer le gaz alternativement dans un sens et dans l'autre à travers un conduit qui est extérieur à l'enceinte principale et dans lequel se trouvent les moyens de régénération.
Suivant l'invention, les surfaces d'échange de régénération et/ou de confinement sont positionnées pour délimiter une partie de la trajectoire de la chambre mobile se déplaçant avec les moyens de déplacement. Une machine selon l'invention peut être conçue pour opérer simultanément plusieurs cycles thermodynamiques identiques mais déphasés de façon que le chauffage par régénération d'un cycle soit alimenté en calories fournies par le refroidissement du gaz dans un autre cycle, et/ou que le piston comprimant le gaz pour le chauffage adiabatique soit entraîné par l'énergie fournie par le piston détendant le gaz pour le refroidissement adiabatique.
Le transfert de calories par les surfaces d'échange de régénération peut avoir lieu par conduction thermique, ou par un fluide circulant intermédiaire, ou encore grâce à une réserve thermique intermédiaire qui prend en régime établi une température d'équilibre souhaitée.
On peut encore éviter les transferts thermiques entre cycles déphasés. Pour cela, la chaleur collectée lors du refroidissement du gaz est stockée dans une réserve thermique pour être restituée lors d'un réchauffement de gaz ultérieur. Si la chambre se déplace en va-et-vient, une surface de régénération peut être à la fois une surface de chauffage dans un sens de mouvement de la chambre et une surface de refroidissement dans l'autre sens de mouvement de la chambre. Si le mouvement de la chambre est une rotation continue, les surfaces d'échange de régénération sont spécialisées pour le chauffage ou respectivement pour le refroidissement et des moyens de transfert thermique sont prévus entre elles. Le transfert peut avoir lieu dans le sens de la rotation, ou encore dans le sens opposé. Il est également possible, comme on le verra plus loin dans la description d'un exemple, de combiner avantageusement dans une même machine des transferts dans les deux sens. Si l'on se place du point de vue du transfert de calories, le transfert a lieu de devant à derrière une surface d'échange caloporteuse froide, et de derrière à devant une surface d'échange caloporteuse chaude, relativement au sens de déplacement de la chambre. Si l'on se place du point de vue du transfert de frigories, les sens de transfert sont inverses de ceux décrits ci-dessus pour les calories.
Il est éga lement possible suiva nt l'i nvention d 'exploiter un cycle thermodynamique hybride Carnot-Stirling lorsque l'on dispose une surface de confinement thermique entre une surface de régénération située en amont, relativement au sens de déplacement du gaz de travail, et une surface d'échange caloporteuse située en aval. Le cycle hybride selon l'invention comprend le passage du gaz en contact avec les surfaces suivantes pour un cycle moteur :
- une surface caloporteuse froide pendant que le volume du gaz diminue,
- une surface régénératrice de chauffage pendant que le volume du gaz de travail est sensiblement constant,
- une surface de confinement thermique pendant que le volume du gaz de travail diminue,
- une surface caloporteuse chaude pendant que le volume du gaz augmente,
- une surface régénératrice de refroidissement pendant que le volume du gaz de travail est sensiblement constant,
- une surface de confinement thermique pendant que le volume du gaz de travail augmente.
Pour un cycle de pompe à chaleur le gaz effectue le trajet inverse et le sens de variation du volume associé a chaque surface autre que les deux surfaces régénératrices doit également être inversé.
Une autre idée originale à la base de l'invention consiste à augmenter considérablement la superficie des surfaces d'écha nge thermique par comparaison avec les surfaces cylindriques, balayées par des pistons circulaires, de l'état de la technique. Suivant cet aspect de l'invention, on donne à la chambre une forme aplatie dont les grandes faces constituent les surfaces d'échange thermique tandis que l'une au moins des petites faces est constituée par une face frontale des moyens de déplacement.
De préférence, les surfaces d'échange thermique sont formées sur des ailettes formant entre elles des chambres individuelles. Les faces latérales des ailettes constituent les grandes faces de ces chambres. Les moyens de déplacement comprennent des ailes qui passent entre les ailettes. Chaque chambre plate possède au moins une face étroite constituée par la face frontale, c'est-à-dire la face antérieure ou postérieure relativement au sens de déplacement, d'une aile des moyens de déplacement. L'invention concerne également un procédé de transformation d'énergie entre la forme thermique et la forme mécanique, dans lequel au cours d'un cycle thermodynamique on prélève de l'énergie thermique à un gaz de travail lors d'un refroidissement isochore et on fournit cette énergie thermique au gaz de travail lors d'un chauffage isochore, caractérisé en ce que le refroidissement isochore et/ou le chauffage isochore est adjacent d'un côté à une variation sensiblement adiabatique du volume du gaz de travail et de l'autre à une variation sensiblement isotherme du volume du gaz de travail.
D'autres particularités et avantages de l'invention ressortiront encore de la description ci-après, relatives à des exemples non limitatifs.
Aux dessins annexés :
— la figure 1 est un graphique pression-volume d'un cycle thermodynamique Stirling ;
— la figure 2 est le graphique température-volume du cycle de la figure 1 ;
— les figures 3 à 8 sont des représentations schématiques de principe d'une machine selon l'invention, à six étapes successives de son cycle de fonctionnement ;
— la figure 9 est un schéma mécanique de la machine des figures 3 à 8 ;
— la figure 10 est une vue analogue à figure 9 mais relative à un second mode de réalisation de la machine selon l'invention ;
— la figure 11 est une vue schématique en perspective, avec coupe partielle, d'un troisième mode de réalisation d'une machine selon l'invention;
— la figure 12 est une vue partielle en coupe selon XII-XII de la figure 15, montrant l'enceinte et les moyens de déplacement de la machine de la figure
U ;
— la figure 13 est une vue en perspective de deux plaques statoriques superposées, relatives à un cycle thermodynamique Stirling, de la machine de la figure 11 ;
~ la figure 14 est une vue partielle en perspective du déplaceur de la machine de la figure 11 ;
— les figures 15 à 22 sens des vues schématiques de la machine de la figure 11 à huit stades successifs de son cycle de fonctionnement, en coupe transversale à l'axe de rotation du déplaceur, l'ensemble cylindre-piston étant représenté tourné de 90° à des fins illustratives ;
— la figure 23 illustre une variante pour le couplage mécanique entre le déplaceur et le vilebrequin de la machine de la figure 11 ; et
— la figure 24 est un schéma de principe montrant la machine de la figure 11 fonctionnant en moteur alimenté par la chaleur résiduelle d'une turbine à vapeur ;
— la figure 25 est une vue en perspective d'une plaque statorique hybride couplant cycle Carnot et Stirling, de la machine de la figure 11 ;
— la figure 26 est une vue en perspective d'une surface d'échange caloporteuse parcourue par des conduits de circulation ;
— la figure 27 est une vue en coupe partielle d'une surface d'échange caloporteuse ;
— la figure 28 est une vue en perspective d'une plaque statorique relative à un cycle thermodynamique Carnot, de la machine de la figure 11 ; la figure 31 est un graphique pression-volume d'un cycle thermodynamique Carnot ; la figure 32 est un graphique pression-vol ume d 'u n cycle thermodynamique hybride couplant cycle Carnot et Stirling ; et
— la figure 33 est un graphique température-volume d'un cycle thermodynamique hybride couplant cycle Carnot et Stirling.
Les figures 1 et 2 montrent un exemple de cycle de moteur selon un cycle Stirling. La figure 1 représente l'évolution de la pression du gaz de travail lorsqu'il subit les quatre étapes successives de son cycle exécuté dans le sens des flèches, à savoir une compression El depuis un volume maximal Vl jusqu'à un volume minimal V2, un chauffage isochore E2 alors que le volume est maintenu à sa valeur minimale V2, une détente E3 depuis le volume V2 jusqu'au volume Vl, et un refroidissement isochore E4 alors que le volume est maintenu à sa valeur maximale Vl.
La figure 2 représente l'évolution de la température du gaz de travail au cours du même cycle Stirling, toujours exécuté dans le sens des flèches. Ce graphe montre que la compression El et la détente E3 sont isothermes. La compression El a lieu à une température basse constante Tb et la détente E3 à une température haute constante Th. Compte tenu de la loi de Mariotte, ces compression et détente isothermes se traduisent dans le diagramme de la .figure 1 par des segments de courbe de la fonction générale P= nRT/V dans laquelle P représente la pression, n représente le nombre de môles de gaz, R représente la constante des gaz parfaits, T représente la température et V représente le volume. Ainsi, pendant la compression, la pression du gaz de travail augmente de Pl à P2, et pendant la détente, la pression diminue de P22 à PIl. Pendant le chauffage isochore, la pression monte de P2 à P22, et pendant le refroidissement isochore, la pression diminue de PI l à Pl. L'aire du cycle, hachurée .à la figure 1, est représentative du travail mécanique théoriquement fourni par le cycle. On constate que pour une différence de volume V1-V2 donnée, cette énergie est sensiblement proportionnelle à la masse de gaz contenue dans la machine. Pour augmenter le travail fourni par ce cycle, on peut alors augmenter la pression de remplissage en procédant à un gonflage initial du gaz de travail dans la machine.
Dans le cas d'un fonctionnement en pompe à chaleur ou en machine frigorifique, le même cycle peut être exécuté, mais dans l'autre sens, contraire à celui indiqué par les flèches, avec une compression isotherme à haute température Th de la pression PIl à P22, un refroidissement à volume constant V2 minimal, une détente à basse température Tb de la pression P2 à Pl, et un chauffage à volume constant Vl maximal. L'aire du cycle, hachurée à la figure 1, est alors représentative du travail mécanique théoriquement consommé par le cycle.
Dans le cas du moteur comme dans celui de la pompe à chaleur, le refroidissement et le chauffage se font donc entre des températures extrêmes identiques, à savoir de Tb à Th pour le chauffage et de Th à Tb pour le refroidissement. Le cycle de Stirling permet ainsi de récupérer des calories pendant le refroidissement pour les utiliser pendant le chauffage, et réciproquement de récupérer des frigories pendant le chauffage pour les utiliser pendant le refroidissement. Par conséquent, les seuls besoins thermiques du cycle théorique vis-à-vis de l'extérieur sont le maintien du gaz de travail en contact avec une source chaude pendant l'étape de variation de volume à la température haute Th, et en contact avec une source froide pendant l'étape de variation de volume à la température basse Tb.
Pendant la compression isotherme, le gaz fournit de la chaleur à la source avec laquelle il est en contact. Pendant la détente isotherme, le gaz prélève de la chaleur fournie par la source avec laquelle il est en contact.
La figure 31 montre un exemple de cycle de moteur Carnot. La figure 31 représente l'évolution de la pression du gaz de travail lorsqu'il subit les quatre étapes successives de son cycle exécuté dans le sens des flèches, à savoir une compression isotherme E5 depuis un volume maximal V31 jusqu'à un volume intermédiaire V32, un chauffage adiabatique E6 par compression jusqu'à un volume minimal V33, une détente isotherme E7 depuis le volume V33 jusqu'au volume V34, et un refroidissement adiabatique E8 alors que le volume augmente jusqu'à sa valeur maximale V31.
Dans . le cas d'un fonctionnement en pompe à chaleur ou en machine frigorifique, le même cycle peut être exécuté, mais dans l'autre sens, contraire à celui indiqué par les flèches.
La figure 32 montre un exemple de cycle de moteur hybride. La figure 32 représente l'évolution de la pression du gaz de travail lorsqu'il subit les six étapes successives de son cycle exécuté dans le sens des flèches, à savoir une compression isotherme E9 depuis un volume maximal V21 jusqu'à un volume intermédiaire V22, un chauffage isochore ElO alors que le volume est maintenu à sa valeur intermédiaire V22, un chauffage adiabatique EIl par compression jusqu'à un volume minimal V23, une détente isotherme E12 depuis le volume V23 jusqu'au volume V24, un refroidissement isochore E13 alors que le volume est maintenu à sa valeur V24, et un refroidissement adiabatique E14 par augmentation du volume jusqu'à sa valeur maximale V21. La figure 33 représente l'évolution de la température du gaz de travail au cours du même cycle hybride, toujours exécuté dans le sens des flèches. Ce graphe montre que la compression E9 et la détente E12 sont isothermes. La compression E9 a lieu à une température basse constante Tl et la détente E12 à une température haute constante T4. Pendant le chauffage isochore, la pression monte de P122 à P222, et pendant le refroidissement isochore, la pression diminue de P224 à P124. Pendant le chauffage adiabatique, la pression monte de P222 à P223, et pendant le refroidissement adiabatique, la pression descend de P124 à P121. L'aire du cycle, hachurée à la figure 32, est représentative du travail mécanique théoriquement fourni par le cycle. On constate que pour une différence de volume V1-V2 donnée, cette énergie est sensiblement proportionnelle à la masse de gaz contenue dans la machine. Pour augmenter le travail fourni par ce cycle, on peut alors augmenter la pression de remplissage en procédant à un gonflage initial du gaz de travail dans la machine.
Dans la suite, pour simplifier, on ne décrira l'invention que comme fonctionnant en moteur, sauf lorsqu'on se référera explicitement au fonctionnement en pompe à chaleur ou en machine frigorifique.
Les figures 3 à 8 représentent six états successifs d'une machine selon l'invention capable d'exécuter un cycle thermodynamique Stirling réel voisin du cycle des figures 1 et 2.
La machine comprend un alésage 11 formé dans un corps 12 qui constitue une enceinte pour cet alésage. Pour définir l'alésage 11, le corps 12 possède des surfaces d'échange thermique qui se succèdent le long de l'axe 13 de l'alésage. Il y a ainsi une surface d'échange thermique caloporteuse chaude 14h et une surface d'échange thermique caloporteuse froide 14b, séparées par une surface d'échange thermique de régénération 16. Les surfaces d'échange sont portées par des éléments, par exemple métalliques, qui sont séparés les uns des autres par des isolations thermiques 15 figurées par des doubles traits entre ces éléments, destinées à minimiser les fuites thermiques entre eux. La surface caloporteuse chaude 14h est en liaison thermique avec la source chaude (non représentée), tandis que la surface caloporteuse froide 14b est en liaison thermique avec la source froide (non représentée). La surface d'échange thermique de régénération 16 est en liaison thermique avec un circuit de fluide 18 s'étendant entre une réserve thermique chaude 18gh et une réserve thermique froide 18gb.
Deux pistons 19 et 21 sont montés coulissants de manière étanche dans l'alésage 11. Ils ont deux faces frontales 52, tournées l'une vers l'autre, qui définissent entre eux une chambre 22 contenant un gaz de travail. La quantité de gaz de travail contenue dans la chambre 22 est essentiellement constante. Dans cet exemple, la quantité constante est une masse constante. Les pistons 19 et 21 constituent des moyens de déplacement, qui se déplacent de manière synchronisée l'un avec l'autre pour faire passer successivement la chambre 22 devant les différentes surfaces d'échange thermique 14h, 16, 14b et mettre ainsi successivement le gaz de travail en contact d'échange thermique avec ces différentes surfaces d'échange. Pour optimiser le contact thermique, chaque surface d'échange 14h, 16 ou 14b définit tout le pourtour d'un tronçon respectif de l'alésage 11. Comme les pistons 19 et 21 coulissent dans l'alésage, leur direction de déplacement est parallèle aux surfaces d'échange constitutives de l'alésage. Suivant une particularité de l'invention, les moyens de déplacement (pistons 19, 21) balayent successivement les surfaces d'échange et notamment, de manière particulièrement remarquable, la surface d'échange de régénération 16.
Comme le montre l'observation simultanée des figures 3 à 8, la chambre 22 et la q uantité de gaz de travail qu'elle contient sont essentiellement stationnaires par rapport aux deux pistons 19 et 21. C'est-à-dire que les deux pistons 19 et 21, ainsi que la chambre 22 définie entre eux et le gaz qu'elle contient se déplacent comme un seul ensemble. Certes, dans cet exemple, ledit ensemble est déformable en ce sens que les pistons sont à une distance variable l'un de l'autre comme on le verra plus loin. Mais, par rapport à chaque piston, le gaz reste toujours du même côté du piston, sans être chassé vers l'autre côté du piston ou vers une autre chambre à travers un conduit. Dans la situation représentée à la figure 3, les deux pistons 19 et 21 sont positionnés de sorte que la chambre 22 ayant son volume maximal Vl est en contact thermique avec la surface caloporteuse froide 14b. On se trouve à l'angle inférieur droit du cycle des figures 1 et 2, c'est à dire à la transition entre la fin de l'étape de refroidissement E4 et le début de l'étape de compression. El. Le piston 21 délimitant la chambre 22 du côté opposé à la surface d'échange caloporteuse chaude 14h est sensiblement immobile. L'autre piston 19 se déplace vers le piston 21 jusqu'à la situation représentée à la figure 4,. où les deux pistons 19 et 21 sont sensiblement immobiles, et la chambre 22 est à son volume minimal V2 tout en étant toujours en contact thermique avec la surface caloporteuse froide 14b. La chaleur produite par la compression a été simultanément évacuée par la source froide à travers la surface caloporteuse froide 14b. Ceci réalise la compression isotherme El du cycle des figures 1 et 2. Pendant cette compression, le piston 19 qui se déplace fournit de l'énergie mécanique au gaz.
Dans la situation représentée à la figure 5, les deux pistons 19 et 21 se déplacent ensemble dans la zone de la surface d'échange de régénération 16, tandis que la chambre 22 conserve son volume minimal V2. Dans le circuit 18, le fluide est mis en mouvement à partir de la réserve chaude 18gh. Le fluide chaud cède des calories au gaz de travail à travers la surface d'échange de régénération 16, puis va dans la réserve froide 18gb. Grâce à ces. calories, le gaz de. travail passe progressivement de sa température basse Tb à sa température haute Th. Ceci réalise l'étape de chauffage isochore E2 du cycle.
Ensuite, les pistons 19 et 21 amènent la chambre 22, toujours à son volume minimal V2, en contact avec la surface d'échange caloporteuse chaude 14h (figure 6), puis le piston 21 change de sens de mouvement pour s'éloigner du piston 19 et agrandir la chambre 22 toujours en contact thermique avec la surface d'échange caloporteuse chaude 14h (figure 7). Ceci réalise l'étape de détente isotherme E3 du cycle. Pendant cette détente, la source chaude fournit des calories aux gaz à travers la surface caloporteuse chaude 14h de façon que le gaz reste à la température haute Th malgré la diminution de sa pression. Pendant cette détente, le piston 21 qui se déplace recueille de la part du gaz une énergie mécanique plus grande que celle fournie au gaz par le piston 19 pendant la compression (puisque la course réalisée est la même mais la pression appliquée au piston est plus grande).
Le piston 19 opposé à la surface caloporteuse froide 14b, qui était resté sensiblement immobile pendant l'étape de détente, se met à son tour en mouvement en direction de la surface caloporteuse froide 14b (figure 8) tandis que la chambre 22, conservant son volume maximal Vl depuis la fin de la détente, vient se placer en contact thermique avec la surface d'échange de régénération 16. Dans le circuit 18, le fluide est mis en mouvement à partir de la réserve froide 18gb, absorbe des calories contenues dans le gaz de travail et refroidit celui-ci de la température haute Th à la température basse Tb puis va dans la réserve chaude 18gh. Ceci réalise l'étape de refroidissement isochore E4 du cycle.
Le processus revient ensuite à la situation représentée à la figure 3 et le cycle déjà décrit recommence.
Dans ce mode de réalisation, les pistons 19 et 21 constituent à la fois des moyens de déplacement du gaz et des organes de puissance mécanique soumis à la pression du gaz pour fournir de l'énergie mécanique au gaz pendant l'étape de compression et recueillir de l'énergie mécanique de la part du gaz pendant l'étape de détente.
La figure 9 représente un mécanisme d'actionnement des pistons 19 et 21, capable en même temps de transmettre les forces de travail du gaz. Les pistons 19 et 21 sont situés entre deux systèmes bielles manivelles 23, 24 auxquels ils sont respectivement attelés. Les deux systèmes bielles manivelles sont couplés mécaniquement pour tourner à la même vitesse mais avec entre eux un déphasage tel que le piston 21 situé du côté de la surface d'échange caloporteuse froide 14b soit en avance sur l'autre piston 19. La puissance mécanique fournie par la machine est recueillie sur un arbre moteur (non représenté) couplé aux deux systèmes bielles manivelles, par exemple un arbre moteur solidaire de l'une des manivelles.
Dans le mode de réalisation illustré à la figure 10, qui ne sera décrit que pour ses différences par rapport à celui des figures 3 à 9, les moyens de déplacement et les organes de puissance mécanique sont séparés.
Les moyens de déplacement ne comprennent plus qu'un seul piston 120 attelé à un seul système bielle manivelle 125. Le piston 120 est en forme de diabolo avec deux corps d'extrémité 119, 121 reliés rigidement entre eux par une tige 126 et définissant entre eux la chambre 22. La quantité de gaz constante contenue dans la chambre 22 est maintenant un volume constant défini entre deux faces à 152, tournées l'une vers l'autre et appartenant chacune à l'un des corps 119, 121.
Un alésage 127, formant chambre de travail, communique avec l'alésage 11 à travers la paroi latérale de ce dernier, par un passage 128 typiquement situé à mi-distance axiale entre la surface caloporteuse chaude 14h et la surface d'échange caloporteuse froide 14b. Un piston de puissance 130 coulisse de manière étanche dans l'alésage de travail 127 pour fermer ce dernier du côté opposé au passage 128. Le piston 130 est attelé à un système bielle manivelle de puissance 129.
À ses deux extrémités opposées, le piston déplaceur 120 comporte des collerettes d'étanchéité 131 qui sont suffisamment écartées l'une de l'autre pour que la chambre 22 communique en permanence avec l'alésage de travail 127. Toutefois, entre chacune des collerettes 131 et la tige de liaison 126, les corps d'extrémité 119, 121 remplissent la quasi-totalité de la section transversale de l'alésage 11. Ceci permet, comme représenté à la figure 10, de faire communiquer la chambre 22 avec le passage 128 tout en plaçant la très grande majorité du volume de la chambre 22 en contact thermique exclusif avec une surface d'échange telle que la surface d'échange caloporteuse froide 14b (situation représentée) ou la surface d'échange caloporteuse chaude 14h (situation non représentée) qui n'est pas celle où débouche le passage 128. Les systèmes bielle manivelle 125 et 129 sont couplés mécaniquement l'un avec l'autre pour tourner à la même vitesse et avec un calage angulaire approprié l'un par rapport à l'autre.
Ce calage est tel que le piston de puissance 130 réduit le volume disponible pour le gaz dans l'alésage 127 lorsque le piston de déplacement 120 est à son extrémité de course où la chambre 22 est en contact thermique avec la surface d'échange caloporteuse froide 14b. C'est la situation représentée à la figure 10. Elle a pour effet de comprimer le gaz pendant qu'il est maintenu à sa température basse Tb, ce qui réalise la compression isotherme à basse température El déjà décrite. Par la suite, le système bielle manivelle 125 déplace le piston de déplacement 120 vers la position de contact thermique avec la surface d'échange de régénération 16 puis avec la surface d'échange caloporteuse chaude 14h alors que piston de travail 130 reste voisin de sa position où le volume disponible dans l'alésage 127 est faible, ce qui correspond à l'étape de chauffage isochore E2. Ensuite, le volume disponible dans l'alésage 127 s'agrandit alors que le piston déplaceur 120 positionne la chambre 22 en contact thermique avec la surface d'échange caloporteuse chaude 14h. Ceci réalise la détente isotherme à haute température E3. Enfin, l'étape de refroidissement isochore E4 se réalise lorsque le piston déplaceur 120 passe devant la surface d'échange de régénération 16 en direction de la surface d'échange thermique caloporteuse froide 14b tandis que le piston de puissance mécanique 130 reste voisin de sa position où le volume disponible dans l'alésage 127 est maximal.
Dans ce mode de réalisation, c'est le système bielle manivelle de puissance 129 qui recueille la puissance mécanique, alors que l'énergie mécanique globale fournie ou. recueillie par le système bielle manivelle de déplacement 125 actionnant le piston déplaceur 120 est théoriquement nulle.
On va maintenant. décrire en référence aux figures 11 à 22 et 25 à 28 le mode de réalisation préféré de. l'invention, dans lequel le déplaceur est rotatif. Le déplaceur est un rotor tournant toujours dans le même sens dans l'enceinte constituant un stator. Dans l'exemple représenté, la machine comprend en référence à la figure 11 deux unités 201, 301 dont les déplaceurs respectifs 220, 320 sont liés rigidement l'un à l'autre par un arbre rotatif commun 420. Chaque unité 201,
301 est une machine élémentaire à plusieurs chambres 222, 322. Chaque chambre 222, 322 exécute un cycle thermodynamique complet à chaque demi-tour de l'arbre 420 et des déplaceurs 220, 320. Les deux déplaceurs
220, 320 sont décalés de 90° l'un par rapport à l'autre autour de leur axe de rotation 413. Les machines élémentaires sont du type dans lequel la quantité de gaz constante contenue dans chaque chambre est un volume constant.
Chaque unité 201, 301 comporte une enceinte 212, 312 en forme générale de cuve cylindrique étanche contenant le gaz de travail. Chaque enceinte
212, 312 est raccordée, par un passage 228, 328, à un alésage de travail respectif 227, 327 qui est fermé du côté opposé au passage 228, 328, par un piston de puissance 230, 330. Le passage 228, 328 communique avec la chambre 222, 322 par l'intermédiaire d'un évidement 221, 321 dans le déplaceur 220, 320. Les pistons 230, 330 sont reliés chacun par une bielle respective 229, 329 à un vilebrequin commun 429 qui est accouplé à l'arbre
420 par un engrenage 425. Le rapport d'engrenage est tel que l'arbre 420 commandant le mouvement des déplaceurs tourne deux fois moins vite que le vilebrequin 429 recueillant la force motrice de la machine. Ainsi, chaque piston de travail 230, 330 effectue un cycle complet (un aller retour) lorsque les déplaceurs effectuent un demi-tour et que par conséquent chaque machine élémentaire a elle-même effectué un cycle complet. En outre, l'engrenage 425 établit un calage angulaire approprié entre les déplaceurs
220, 320 d'une part et le vilebrequin 429 d'autre part. Les deux pistons
230,330 sont déphasés d'un demi-cycle l'un par rapport à l'autre, comme le sont l'un par rapport à l'autre les déplaceurs 220 et 320. Le déphasage des pistons est obtenu en accouplant leurs deux bielles 229, 329 à un même maneton du vilebrequin 429, alors que les deux cylindres 227, 327 sont à
180° l'un de l'autre autour de l'axe du vilebrequin 429.
Chacun des déplaceurs 220, 320 comporte deux lobes 448 présentant chacun la forme générale d'un secteur de cylindre ayant pour axe l'axe de rotation 413. L'évidement 221, 321 est de préférence cylindrique d'axe 413. Plus généralement, le nombre de lobes 448 dans chaque unité est égal au nombre de cycles thermodynamiques par tour de déplaceur. Les lobes 448 sont solidaires l'un de l'autre, et laissent subsister entre eux les chambres 222, 322 dans l'espace disponible à l'intérieur de l'enceinte. A chaque instant, les chambres 222, 322 occupent dans chaque enceinte des positions angulaires décalées autour de l'axe 413 d'un angle (180° dans l'exemple) qui est égal à l'angle à parcourir pour exécuter un cycle thermodynamique complet. De ce fait, toutes les chambres d'une même enceinte exécutent à chaque instant la même étape du cycle thermodynamique. La pression dans toutes les chambres d'une même enceinte est donc la même.
Cette particularité préférentielle de l'invention, selon laquelle toutes les chambres d'une même enceinte sont à chaque instant en équipression, permet selon un perfectionnement très avantageux de ne prévoir aucun dispositif d'étanchéité entre le déplaceur et les parois intérieures de l'enceinte. Par conséquent, les problèmes de frottement et de dilatation différentielle entre le déplaceur et les parois intérieures de l'enceinte sont fortement atténués ou éliminés. En outre, tout l'intérieur de la cuve constituant l'enceinte est à . la pression des chambres 222 ou 322. Le déplaceur n'est donc pas réellement un piston, mais plutôt une sorte de corps mobile ayant pour fonction, à chaque instant, d'occuper l'espace où le gaz ne doit pas se trouver.
On va maintenant décrire en référence aux figures 12 et 14 la structure interne d'une unité, en prenant l'exemple de l'unité 201.
L'espace intérieur de chaque enceinte est subdivisé en un grand nombre de couloirs annulaires superposés 422 (figure 12) entourant l'axe de rotation 413 et ayant une forme aplatie parallèlement à un plan perpendiculaire à l'axe de rotation 413. Les couloirs 422 sont séparés les uns des autres par des ailettes 441 qui s'étendent radialement vers l'axe 413. La périphérie intérieure 442 des ailettes 441 présente un faible jeu avec un noyau central cylindrique 443 du déplaceur 220. Le noyau 443 ferme les couloirs du côté radialement intérieur. Chaque ailette 441 s'étend sur 360° autour de l'axe 413 et appartient à une plaque statorique 444 en forme de disque (voir aussi figure 13). Les plaques statoriques sont empilées les unes sur les autres dans l'enceinte. Chaque plaque 444 présente à sa périphérie un bossage annulaire 446 ayant une épaisseur bien déterminée correspondant à l'épaisseur voulue pour chaque couloir 422. Dans l'empilement des plaques, une face plane de chaque plaque s'appuie sur le bossage de l'une des plaques voisines. Les couloirs ont une section transversale rectangulaire qui est la même dans tous les plans axiaux.
Chacun des deux lobes 448 (figure 14) du déplaceur 220 est formé d'une série d'ailes planes 449 en forme de secteur de disque s'étendant dans un plan perpendiculaire à l'axe de rotation 413. Les ailes sont fixées sur le noyau central 443. Elles ont dans chaque plan axial une section dont la forme et les dimensions sont identiques, à un jeu de fonctionnement près, à celles de la section transversale précitée des couloirs. En outre, les ailes 449 ont entre elles une distance libre sensiblement égale, à u n j e u d e fonctionnement près, à l'épaisseur des ailettes 441. Le rayon du bord radialement extérieur 451 des ailes 449 est sensiblement égal, à un jeu de fonctionnement près, au rayon de la face radialement intérieure 447 (figure 13) des bossages 446. Chaque aile 449 d'un lobe 448 est coplanaire avec une aile 449 de l'autre lobe. Dans l'exemple représenté, chaque aile s'étend sur 135° autour de l'axe de rotation 413, et par conséquent chaque chambre élémentaire 222 s'étend sur 45° autour de l'axe 413.
À l'état assemblé, il y a une. paire d'ailes 449 dans chaque couloir. Les deux ailes 449 d'une paire occupent tout l'espace disponible dans un couloir à l'exception des deux chambres élémentaires 222. Toutefois, les ailes 449 ne sont pas en contact étanche avec les surfaces du couloir.
Chaque chambre élémentaire 222 est délimitée entre deux plaques par un contour formé de la surface latérale du noyau 443, la surface latérale intérieure cylindrique 447 d'un bossage 446, et deux faces frontales 452 dirigées l'une vers l'autre de deux ailes coplanaires 449 du déplaceur 220. Le noyau central cylindrique 443 comprend également un évidement 500 intérieur sous la forme d'un alésage cylindrique d'axe 413. L'évidement 500 communique avec chaque chambre élémentaire 222 au moyen d'une ouverture respective 502 pratiquée au travers le noyau central cylindrique 443. A une extrémité du déplaceur 220, l'évidement 500 communique également avec le passage 228, 328.
Les deux grandes faces de chaque ailette 441 ainsi que la face périphérique intérieure 447 de chaque bossage 446 constituent les surfaces d'échange thermique de la machine. Elles s'étendent parallèlement à la direction de déplacement circulaire des ailes 449 du déplaceur.
Pour cela, chaque ailette 441 est constituée de secteurs thermiquement conducteurs qui se succèdent suivant la direction circonférentielle avec une alternance régulière de secteurs caloporteurs froids 454b ou chauds 454h et de secteurs de régénération 456ic,fc,ir,fr que l'on détaillera plus loin. Pour chaque plage angulaire correspondant à un cycle thermodynamique, donc chaque plage angulaire de 180° dans l'exemple, il y a un secteur caloporteur froid 454b portant une surface d'échange caloporteuse froide 14b et un secteur caloporteur chaud 454h portant une surface d'échange caloporteuse chaude 14h. Les secteurs caloporteurs 454 sont prolongés radialement vers l'extérieur par une zone plus épaisse appartenant au bossage 446, traversée par une lumière 457 destinée au passage d'un fluide caloporteur froid ou chaud, respectivement.
L'observation simultanée des figures 12 et 13 montre que les plaques 444 sont empilées de façon que les secteurs de même nature soient superposés. Ainsi, par exemple, tous les secteurs caloporteurs froids sont exactement superposés, et tous les secteurs caloporteurs chauds sont exactement superposés. Les lumières 457 des secteurs caloporteurs chauds superposés forment ensemble un conduit parallèle à l'axe 413 pour un fluide caloporteur chaud, et les lumières 457 des secteurs caloporteurs froids superposés forment ensemble un conduit parallèle à l'axe 413 pour un fluide caloporteur froid. Des moyens d'étanchéité non représentés sont aménagés entre les plaques 444, autour des lumières 457, pour canaliser les fluides caloporteurs de manière étanche dans les conduits constitués par les lumières 457 alignées. À leurs extrémités, les conduits précités sont raccordés de manière étanche avec des canalisations d'arrivée et de départ 458 (figure 12) à travers des orifices correspondants 459 traversant l'enceinte 212, 312.
Compte-tenu du mouvement continu, toujours dans le même sens, effectué par le rotor déplaceur dans ce mode de réalisation, ce ne sont plus les mêmes surfaces d'échange de régénération qui assurent alternativement la régénération de chauffage et la régénération de refroidissement. Au contraire il y a des surfaces de régénération de refroidissement 16r qui précèdent les surfaces caloporteuses froides 14b et des surfaces de régénération de chauffage 16c qui précèdent les surfaces caloporteuses chaudes 14h.
Pour rendre le processus de régénération plus efficace, chaque étape de régénération est subdivisée en deux phases successives, à savoir une phase de régénération initiale suivie d'une phase de régénération finale. Cette particularité se concrétise par la présence de deux secteurs de régénération successifs dans chaque zone de régénération. Plus particulièrement, chaque zone de régénération de chauffage comprend un secteur de régénération initiale de chauffage 456ic suivi d'un secteur de régénération finale de chauffage 456fc. De même, chaque zone de régénération de refroidissement comprend un secteur de régénération initiale de refroidissement 456ir suivi d'un secteur de régénération finale de refroidissement 456fr.
Chaque secteur de régénération initiale de chauffage 456ic, situé juste derrière un secteur caloporteur froid 454b, et chaque secteur de régénération finale de refroidissement 456fr, situé juste devant un secteur caloporteur froid 454b sont des secteurs de régénération froids ayant en service sensiblement une même température Tgb plus proche de celle des secteurs caloporteurs froids 454b que de celle des secteurs caloporteurs chauds 454h. On peut par exemple avoir Tgb ≈ Tb + (Th - Tb) /3. De façon similaire, chaque secteur de régénération initiale de refroidissement 456ir, situé juste derrière un secteur caloporteur chaud 454h, et chaque secteur de régénération finale de chauffage 456fc, situé juste devant un secteur caloporteur chaud 454h sont des secteurs de régénération chauds ayant en service sensiblement une même température Tgh plus proche de celle des secteurs caloporteurs chauds 454h que de celle des secteurs caloporteurs froids 454b. On peut par exemple avoir Tgh ≈ Tb + 2(Th - Tb) /3.
Dans l'exemple représenté, chaque secteur caloporteur 454 s'étend sur 45° autour de l'axe de rotation 413. En outre, chaque secteur de régénération initiale 456ir ou 456ic, ou finale 456fr ou 456fc s'étend sur 22,5° autour de l'axe de rotation 413. Ainsi, chaque zone de régénération composée d'un secteur de régénération initiale suivie d'un secteur de régénération finale s'étend sur 45°. Plus généralement, la plage angulaire correspondant à un cycle thermodynamique, c'est-à-dire 180° dans l'exemple, est divisée en quatre parts égales, respectivement affectées à la compression isotherme, au chauffage isochore par régénération, à la détente isotherme et au refroidissement isochore par régénération.
Suivant une particularité avantageuse de l'invention, les moyens de régénération fonctionnent par transfert de calories, plus particulièrement transfert par conduction, dans le sens circonférentiel entre des zones de régénération fournissant des calories (régénération précédant un secteur caloporteur froid) et des zones de régénération consommant des calories (régénération précédant un secteur caloporteur chaud).
Les secteurs de régénération froids 456ic, 456fr situés de part et d'autre d'un secteur caloporteur froid 454b sont reliés l'un à l'autre en un seul arceau thermiquement conducteur froid 460gb par un pont thermique froid 461gb qui s'étend radialement à l'extérieur du secteur caloporteur froid. Les secteurs de régénération chauds 456ir, 456fc situés de part et d'autre d'un secteur caloporteur chaud 454h sont reliés l'un à l'autre en un seul arceau thermiquement conducteur chaud 460gh par un pont thermique chaud 461gh qui s'étend radialement à l'extérieur du secteur caloporteur chaud. Ainsi, chaque secteur caloporteur 454 (454h ou 454b) est chevauché extérieurement par un arceau 460 (460gh ou 460gb) comprenant une paire de secteurs de régénération reliés par un pont thermique. Chaque plaque 444 est composée, pour chaque plage angulaire correspondant à un cycle thermodynamique, de deux secteurs caloporteurs et de deux arceaux.
Les arceaux 460, et en particulier leur pont thermique 461 (461gh ou 461gb), servent de réserve thermique. Il est avantageux que cette réserve thermique soit relativement grande pour qu'en fonctionnement établi la température des secteurs de régénération soit relativement stable, c'est-à- dire que la variation cyclique de température soit faible à chaque passage d'une chambre en contact thermique avec un secteur de régénération. En même temps, lorsque les arceaux 460 ont une grande capacité thermique et une g ra nde conductivité thermiq ue, l'égalité souha itée entre les températures des deux secteurs de régénération de l'arceau est mieux réalisée en fonctionnement.
Les secteurs caloporteurs 454 (454h ou 454b) doivent eux aussi avoir une bonne capacité thermique et une bonne conductivité thermique pour que les calories soient bien transférées entre leurs surfaces d'échange caloporteuses 14h ou 14b d'une part et les fluides caloporteurs d'autre part, avec un gradient de température aussi faible que possible entre les surfaces d'échange caloporteuses et les fluides caloporteurs.
Des isolations thermiques 415, symbolisées par des doubles traits à la figure 13, sont prévues à la séparation entre chaque élément caloporteur 454 et l'arceau 460 qui le chevauche, ainsi qu'entre arceaux adjacents.
Les modes de réalisation représentés aux figures 25 à 28 ne seront décrits que pour leurs différences par rapport à celui représenté figure 13.
Dans l'exemple représenté figure 28, chaque ailette est constituée d'une alternance de secteurs caloporteurs froids 554b ou chauds 554h entre lesquels sont intercalés des secteurs de confinement thermique 556. Pour chaque plage angulaire correspondant à un cycle thermodynamique, donc chaque plage angulaire de 180° dans l'exemple, le mouvement du déplaceur engendre alors le passage du gaz successivement par un secteur caloporteur froid 554b, un secteur de confinement thermique 556, un secteur caloporteur chaud 554h, et un secteur de confinement thermique 556. Dans l'exemple représenté, les secteurs ont une plage angulaire sensiblement identique de 45°, les secteurs de confinement thermique sont reliés entre eux en chevauchant intérieurement chaque secteur caloporteur.
L'observation simultanée des figures 28, 26 et 27 montre que les secteurs caloporteurs 554b, 554h sont prolongés radialement vers l'extérieur par une zone plus épaisse appartenant au bossage 546, traversée dans un mode de réalisation préféré des lumières par 557e, 557s, respectivement d'entrée et de sortie pour un fluide caloporteur parcourant un réseau de canaux 558 intérieurs à chaque secteur caloporteur. La circulation du fluide caloporteur à- l'intérieur des secteurs caloporteurs 554b, 554h présente l'avantage, comparativement à la circulation décrite en référence figure 13, de favoriser les échanges thermiques entre le fluide caloporteur et le gaz de travail. Dansce mod e de réa lisation tous les secteurs ca loporteu rs froids ou respectivement chauds sont thermiquement en parallèle entre un conduit d'entrée constitué par l'empilement des lumières 557e et deux conduits de sortie formés par l'empilement des paires de lumières de sortie 557s. Plus généralement, il est décrit les éléments caloporteurs multiples montés thermiquement en parallèle entre au moins un conduit de fluide caloporteur entrant et au moins un conduit de fluide caloporteur sortant.
Selon le mode de réalisation particulièrement préféré de la figure 25, l'ailette 441 est constituée d'une alternance suivant la direction circonférentielle de secteurs caloporteurs froids 654b ou chauds 654h entre lesquels sont intercalés des secteurs de régénération 656c, 656r et des secteurs de confinement thermique 655. Pour chaque plage angulaire correspondant à un cycle thermodynamique,, donc chaque plage angulaire de 180° dans l'exemple, le mouvement du déplaceur 220 fait passer successivement le gaz de travail en contact avec un secteur caloporteur froid 654b, un secteur de régénération de chauffage 656c, un secteur de confinement thermique 655, un secteur caloporteur chaud 654h, un secteur de régénération de refroidissement 656r, et un secteur de confinement thermique 655. En outre dans l'exemple représenté, chaque secteur s'étend sur 30° autour de l'axe de rotation 413.
Chaque secteur de régénération de chauffage 656c est relié, avec un régénérateur de refroidissement 656r, par un arceau thermique 660 qui qui chevauche un secteur de confinement thermique 655 et un secteur caloporteur froid 654b consécutifs, ou de façon non représentée un secteur de confinement thermique 655 et un secteur caloporteur chaud 654h consécutifs. Il est encore possible, de façon également non représentée de relier tous les secteurs de régénération ensemble par des arceaux formant ensemble une couronne. A titre de variante par rapport au mode de réalisation de la figure 13, les arceaux de chevauchement sont situés à radialement à l'intérieur des secteurs chevauchés et non plus à l'extérieur.
Les secteurs caloporteurs 654b, 654h sont prolongés radialement vers l'extérieur par une zone plus épaisse appartenant au bossage 646, traversée par des lumières 557e, 557s respectivement d'entrée et de sortie pour un fluide caloporteur parcourant un réseau de canaux 558 intérieurs à chaque secteur caloporteur, sensiblement comme les secteurs 554b, 554h de la figure 28.
On va maintenant décrire, en référence aux figures 15 à 22, le fonctionnement de la machine des figures 11 à 14 en prenant l'exemple de l'unité supérieure 201, et plus particulièrement celui de deux chambres diamétralement opposées 222. Dans les explications qui vont suivre, on va fictivement considérer que chaque chambre 222 ne coopère qu'avec les surfaces d'échange et les moyens de transfert thermique d'une seule plaque, à des fins de clarté et de simplification. Il doit toutefois être bien clair qu'en réalité, dans ce mode de réalisation, chaque chambre est définie entre deux plaques et coopère thermiquement avec des surfaces d'échange et des moyens de transfert thermique de ces deux plaques.
Dans la situation représentée à la figure 15, les deux chambres sont en contact thermique avec les secteurs d'échange caloporteurs chauds 454h tandis que le piston 230 est au milieu de sa course dans le sens de l'agrandissement de la chambre de travail 227. C'est l'étape de la détente isotherme E3.
Aux figures suivantes 16 à 22, le déplaceur rotatif a chaque fois tourné d'1/8 de cycle, donc 1/16 de tour, c'est-à-dire 22,5°, par rapport à la figure respectivement précédente.
A la figure 16, une moitié de l'étendue angulaire de chaque chambre 222 est encore en contact avec un secteur caloporteur chaud 454h. L'autre moitié de chaque chambre 222 est en contact thermique avec un secteur de régénération initiale de refroidissement 456ir. On se trouve à la transition entre l'étape de détente isotherme E3 et l'étape de refroidissement isochore E4. Le piston de puissance 230 approche de sa fin de course, appelée « point mort bas », pour laquelle le volume de la chambre de travail 227 est maximal. Le gaz contenu dans la chambre 222 cède des calories au secteur de régénération initiale de refroidissement 456ir. Comme indiqué par les flèches H, ces calories se propagent dans le pont thermique chaud 461gh puis dans les secteurs de régénération finale de chauffage 456fc qui attendent plus en arrière le passage de la chambre suivante. On voit que ce transfert de calories se fait en sens contraire de la rotation du rotor. En même temps, en cédant des calories, le gaz contenu dans la chambre 222 commence à se refroidir.
Dans la situation représentée à la figure 17, le piston de puissance 230 est à son point mort bas tandis que chaque chambre 222 est en contact thermique avec un secteur de régénération initiale de refroidissement 456ir et un secteur de régénération finale de refroidissement 456fr, qui émettent de la chaleur, respectivement, vers le secteur de régénération finale de chauffage 456fc situé en amont et le secteur de régénération initiale de chauffage 456ic situé en aval (voir les flèches H). Il s'agit de l'étape de refroidissement isochore E4.
A la figure 18, une moitié de l'étendue angulaire de chaque chambre 222 est entrée en contact avec un secteur caloporteur froid 454b. L'autre moitié de chaque chambre 222 est encore en contact thermique avec un secteur de régénération finale de refroidissement 456fr. On se trouve à la transition entre l'étape de refroidissement isochore E4 et l'étape de compression isotherme El. Le piston de puissance 230 commence à quitter son point mort bas. Le gaz contenu dans la chambre 222 cède des calories au secteur ,de régénération finale de refroidissement 456fr. Comme indiqué par les flèches H, ces calories se propagent dans le pont thermique froid 461gb puis dans les secteurs de régénération initiale de chauffage 456ic situés en aval qui sont en attente du passage ultérieur d'une chambre. Ce transfert de calories se fait dans le sens de la rotation du rotor. En même temps, en cédant des calories, le gaz contenu dans la chambre 222 termine son refroidissement.
Dans la situation représentée à la figure 19, les deux chambres sont en contact thermique avec les secteurs d'échange caloporteurs froids 454b tandis que le piston de puissance 230 est au milieu de sa course dans le sens de la réduction du volume de la chambre de travail 227. C'est l'étape de la compression isotherme El.
A la figure 20, une moitié de l'étendue angulaire de chaque chambre 222 est encore . en contact avec un secteur caloporteur froid 454b. L'autre moitié de chaque chambre 222 est en contact thermique avec un secteur de régénération initiale de chauffage 456ic. On se trouve à la transition entre l'étape de compression isotherme El et l'étape de chauffage isochore E2. Le piston de puissance 230 approche de sa fin de course, appelée « point mort haut », pour laquelle le volume de la chambre de travail 227 est minimal. Le gaz contenu dans la chambre 222 absorbe des calories fournies par le secteur de régénération initiale de chauffage 456ic, en provenance du pont thermique froid associé 461gb, lui-même antérieurement approvisionné en calories par le secteur de régénération finale de refroidissement 456fr au cours des étapes des figures 17 et 18.
Dans la situation représentée à la figure 21, le piston de puissance 230 est à son point mort haut tandis que chaque chambre 222 est en contact thermique avec un secteur de régénération initiale de chauffage 456ic et un secteur de régénération finale de chauffage 456fc, approvisionnés en chaleur, respectivement, par le secteur de régénération finale de refroidissement 456fr situé en amont et le secteur de régénération initiale de refroidissement 456ir situé en aval (voir les flèches H). Il s'agit de l'étape de chauffage isochore E2.
A la figure 22, une moitié de l'étendue angulaire de chaque chambre 222 est entrée en contact avec un secteur caloporteur chaud 454h. L'autre moitié de chaque chambre 222 est encore en contact thermique avec un secteur de régénération finale de chauffage 456fc. On se trouve à la transition entre l'étape de chauffage isochore E2 et l'étape de détente isotherme E3. Le piston de puissance 230 commence à quitter son point mort haut. Le gaz contenu dans la chambre 222 prend des calories au secteur de régénération finale de chauffage 456fc, lui-même approvisionné en calories par le pont thermique chaud 461gh, et à travers celui-ci par le secteur de régénération initiale de refroidissement situé en aval.
Ensuite, le cycle recommence avec une détente isotherme telle que décrite en référence à la figure 15.
Ainsi, en fonctionnement, les ponts thermiques opèrent un transfert thermique différé : l'un des deux secteurs de régénération reliés à chaque pont reçoit des calories de la part du gaz lorsque la chambre est en contact thermique avec ce secteur, puis le deuxième secteur de régénération recevant les calories à travers le pont, restitue celles-ci un peu plus tard, soit plus loin à la même chambre (cas d'un arceau froid), soit en arrière à la chambre suivante (cas d'un arceau chaud). On a décrit le fonctionnement en se plaçant du point de vue du transfert des calories. On peut également raisonner en transfert de frigories, qui a toujours lieu en sens inverse de celui des calories. Dans ce cas, les frigories sont transférées à la même chambre dans le sens de la rotation du rotor à travers un pont thermique chaud, et en sens contraire de la rotation du rotor à travers un pont thermique froid.
Par ailleurs, la machine peut fonctionner en pompe à chaleur (destinée à chauffer le fluide caloporteur chaud) ou en machine frigorifique (destinée à refroidir le fluide caloporteur froid). Il suffit pour cela d'intervertir les éléments caloporteurs froids et chauds de façon que la détente isotherme se fasse à basse température et la compression isotherme à haute température. On obtient le même- résultat en n'intervertissant pas les éléments caloporteurs froids et chauds, mais en décalant le vilebrequin 429 ou le rotor déplaceur 220 d'un demi-cycle c'est-à-dire dans l'exemple en décalant le vilebrequin de 180° et en laissant le rotor déplaceur en position inchangée dans chacune des figures 15 à 22, ou encore en décalant le rotor de 90° et en laissant le vilebrequin en position inchangée dans chacune des figures 15 à 22.
On va maintenant décrire en référence conjointe à la figure 31 le fonctionnement de la machine des figures 25 à 27.
Lorsque les deux chambres sont en contact thermique avec les secteurs d'échange caloporteurs chauds 554h, le piston agit dans le sens d'un agrandissement de la chambre de travail. Le volume du gaz de travail augmente, c'est l'étape de la détente isotherme E7.
Lorsque les deux chambres sont en contact avec les secteurs de confinement thermique 556, le piston agit dans le sens d'un agrandissement rapide de la chambre de travail, le volume du gaz de travail augmente rapidement. C'est l'étape de détente adiabatique E8. Lorsque les deux chambres sont en contact thermique avec les secteurs d'échange caloporteurs froids 554b, le piston agit dans le sens d'une diminution de la chambre de travail. Le volume du gaz de travail diminue, c'est l'étape de la compression isotherme E5.
Lorsque les deux chambres sont en contact avec les secteurs de confinement thermique 556, le piston agit dans le sens d'une diminution rapide de la chambre de travail, le volume du gaz de travail diminue rapidement. C'est l'étape de compression adiabatique E6.
En référence à la figure 31, le cycle thermodynamique décrit correspond à un cycle de Carnot. Le rendement théorique du cycle de Carnot est égal au rendement théorique du cycle Stirling décrit précédemment. Les transferts par conduction thermique étant peu efficaces lors de faibles gradients thermiques entre la source chaude et la source froide, le rendement réel du cycle de Carnot peut être supérieur au rendement réel du cycle de Stirling lorsque le gradient de température est faible. Par ailleurs le cycle thermodynamique de Carnot peut être parcouru plus rapidement que le cycle Stirling car les transferts thermiques du cycle de Stirling peuvent être longs. Au contraire pour les gradients thermiques importants, le cycle de Carnot impose d'importantes variations de volume difficiles à mettre en œuvre. Pour cette raison le cycle Stirling est particulièrement privilégié lors de forts gradients de température.
C'est pourquoi de manière particulièrement préférentielle, le moteur selon l'invention met en œuvre un cycle hybride Carnot-Stirling. On va maintenant décrire en référence conjointe aux figures 3é, 33 le fonctionnement ded la machine de la figure 28.
Lorsque les deux chambres sont en contact thermique avec les secteurs d'échange caloporteurs chauds 654h, le piston agit dans le sens d'un agrandissement de la chambre de travail. Le volume du gaz de travail augmente, c'est l'étape de la détente isotherme E12. Lorsque les deux chambres sont en contact thermique avec les secteurs de régénération de refroidissement 656r, le piston de puissance 230 est sensiblement immobile donc le volume de la chambre de travail est sensiblement constant. Le gaz contenu dans la chambre 222 cède des calories au secteur de régénération de refroidissement 656r. Le gaz de travail descend alors jusqu'à une température T2 supérieu re à Ia température Tl du secteur d'échange caloporteur froid 654b. C'est l'étape de refroidissement isochore E13.
Lorsque les deux chambres sont en contact avec les secteurs de confinement thermique 655 alors que le piston agit dans le sens d'un agrandissement rapide de la chambre de travail, le volume du gaz de travail augmente rapidement. La température du gaz de travail diminue jusqu'à la valeur Tl alors que le piston atteint son point mort bas. C'est l'étape de détente adiabatique E14.
Lorsque les deux chambres sont en contact thermique avec les secteurs d'échange caloporteurs froids 654b, le piston agit dans le sens d'une diminution du volume de la chambre de travail. Le volume du gaz de travail diminue, c'est l'étape de la compression isotherme E9.
Lorsque les deux chambres sont en contact thermique avec les secteurs de régénération de chauffage 656c, le piston de puissance 230 est sensiblement immobile donc le volume de la chambre de travail est sensiblement constant. Le gaz contenu dans la chambre 222 prend des calories au secteur de régénération de refroidissement 656r. Le gaz de travail remonte alors à une température T3 inférieure à la température T4 du secteur d'échange caloporteur chaud 654h. C'est l'étape de chauffage isochore ElO.
Lorsque les deux chambres sont en contact avec les secteurs de confinement thermique 655 alors que le piston agit dans le sens d'une diminution rapide du volume de la chambre de travail, le volume du gaz de travail diminue rapidement. La température du gaz de travail augmente jusqu'à la valeur T4 alors que le piston atteint son point mort haut. C'est l'étape de compression adiabatique EIl.
Le mode de réalisation représenté à la figure 23 ne sera décrit que pour ses différences par rapport à celui de la figure 11. On a intercalé entre le vilebrequin de puissance 429 et le pignon menant 471 de l'engrenage 425 couplant l'arbre 420 du déplaceur avec le vilebrequin 429, un engrenage 472 dont les roues dentées sont non circulaires. Dans l'exemple représenté les roues dentées sont ovales pour, dans un cycle Stirling, augmenter la vitesse de rotation du vilebrequin 429 lorsque les pistons 230 et 330 sont au voisinage du milieu de leur course, et pour diminuer la vitesse de rotation du vilebrequin 429 lorsque les pistons 230, 330 sont au voisinage de leurs points morts haut et bas. Le vilebrequin 429 entraîne l'arbre de sortie de puissance 470 de la machine par l'intermédiaire de l'engrenage 472. Ainsi, le moment d'inertie de la charge régularise la rotation du déplaceur et impose une rotation irrégulière, telle que décrite ci-dessus, au vilebrequin 429. Cette rotation irrégulière a pour effet de minimiser les variations du volume de gaz pendant les étapes de chauffage et de refroidissement, pour les rendre plus semblables aux étapes idéales isochores du cycle. Par conséquent, l'essentiel des variations de volume se produit pendant la compression et la détente.
De manière analogue, les roues dentées peuvent être sensiblement elliptiques pour un cycle Carnot mais décalées angulairement de manière adaptée aux variations de vitesse décrites précédemment. De manière non représentée, le pignon peut avoir une forme plus compliquée, par adaptation du rapport des diamètres des roues dentées pour obtenir à chaque instant la vitesse de piston correspondant à l'étape thermodynamique de la machine, notamment pour le cycle Carnot-Stirling.
D'autres mécanismes connus permettent d'obtenir un effet similaire. Par exemple, on peut prévoir un vilebrequin comportant deux manetons décalés angulairement de par exemple 30°. Le mécanisme comprend encore pour chaque piston deux bielles articulées chacune, par l'une de ses extrémités à l'un respectif des manetons, et par son autre extrémité à une extrémité respective d'un palonnier dont l'axe central est articulé au piston. On a représenté à la figure 24 la mise en œuvre d'une machine selon les figures 11 à 23 et 25 à 28 fonctionnant en moteur utilisant comme source chaude le refroidisseur 473 d'une turbine à vapeur 474. L'arbre moteur 476 de la turbine entraîne une machine de production d'électricité 477. Dans cette installation, la vapeur refroidie dans le refroidisseur 473 est comprimée par un compresseur 478, chauffée dans une chaudière 479, typiquement chauffée par la chaleur de la combustion d'un combustible. La vapeur est ensuite envoyée à l'entrée haute pression 481 de la turbine 474. La vapeur se détend dans la turbine 474 puis s'échappe par la sortie basse pression 483 pour être envoyée au circuit vapeur 484 du refroidisseur 473. Le circuit vapeur 484 est en relation d'échange de chaleur avec un circuit caloporteur 486 contenant un fluide dont la nature et la pression sont appropriées, compte tenu notamment de la température de la vapeur à la sortie basse pression 483 de la turbine. Le fluide caloporteur est maintenu en circulation par. une pompe 487. À la sortie du refroidisseur 473, le fluide est envoyé à travers les secteurs caloporteurs chauds 454h des unités 201 et 301 de la machine des figures 11 à 23. En référence à la figure 12, le fluide caloporteur passe par les lumières 457, les orifices 459 et canalisations 458. Après avoir traversé les secteurs caloporteurs chauds, le fluide caloporteur retourne à l'entrée froide du refroidisseur 473.
De manière non représentée, l'installation comprend encore un circuit caloporteur froid, traversant les secteurs caloporteurs froids des unités 201 et 301, et raccordé à une source froide comme par exemple un évaporateur ou un cours d'eau. De manière également non représentée, l'arbre de puissance 429 de la machine selon l'invention peut être couplé à l'arbre moteur 476 de la turbine 474, pour ajouter sa puissance à celle de la tu rbine, ou encore être couplé à une autre machine de production d'électricité, ou encore à une autre charge utile.
Une machine selon l'invention est réalisable dans de très nombreuses versions, en fonction de sa puissance et de la température des sources notamment. La machine donnée comme exemple aux figures 11 à 23 et 25 à 28 est envisagée pour des réalisations de grande taille, les unités 201 et 301 ayant par exemple un diamètre de quelques mètres, et une longueur axiale de quelques mètres également. Les ailettes 441 peuvent avoir une épaisseur de quelques millimètres, comprise par exemple entre 5 et 10 mm, de même que les chambres 422 et les ailes 449 du rotor déplaceur 220. Les secteurs caloporteurs et les arceaux des plaques statoriques peuvent être métalliques. Si la température de la source chaude est suffisamment modérée, le rotor déplaceur peut être réalisé en matière synthétique. On peut également envisager un noyau métallique 443 sur lequel seraient fixées des ailes synthétiques 449. Le volume balayé par le piston de travail par rapport au volume total de gaz balayé par la machine est fonction des températures.
Alors que les machines de type Stirling connues ne fournissent en général que des rendements bien plus faibles que le rendement théorique du cycle Stirling, et uniquement lorsque ces machines connues tournent à très faible vitesse et avec une relativement grande différence de température entre la source chaude et la source froide, il a été trouvé que la machine selon l'invention, en particulier avec une architecture du genre de celle représentée aux figures l i a 24, était capable de fournir un rendement proche du rendement de son cycle théorique, même avec une vitesse de rotation relativement élevée et une relativement faible différence de température, par exemple inférieure à 1000C, entre la source chaude et la source froide.
Il a de plus été trouvé selon l'invention une architecture capable de fournir un rendement proche du rendement du cycle théorique de Carnot, architecture particulièrement adaptée aux faibles différences de température entre la source chaude et la source froide.
Il a également été trouvé selon l'invention une architecture permettant la combinaison des cycles thermodynamiques de Carnot et Stirling capable, par un rendement élevé et une vitesse de rotation élevée, de fournir une puissance accrue relativement au volume de la chambre de travail. Dans ce cycle, la gamme des températures pendant le refroidissement isochore est en moyenne plus élevée que la gamme des températures pendant le réchauffage isochore. Il y a ainsi entre les deux un gradient qui accélère la conduction ou autre forme d'échange entre les surfaces de régénération. Ceci permet une vitesse de fonctionnement plus rapide. On a donc d'une manière générale conçu un cycle à régénération dans lequel le chauffage isochore s'effectue à une température en moyenne plus basse que le refroidissement isochore.
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples décrits et représentés. Dans un mode de réalisation à déplaceur rotatif, tel que celui de la figure 11, on pourrait réaliser une machine avec une seule enceinte ou avec plus de deux enceintes, et avec un seul cycle par tour et par enceinte ou plus de deux cycles par tour et par enceinte.
On pourrait également concevoir une machine dotée de plusieurs pistons, dont la cylindrée peut être différente, les uns générant les variations de volume correspondant aux phases adiabatiques, et les autres générant les variations de volume correspondant aux phases isothermes. Certaines variations de volumes, notamment rapides, pourraient être générées conjointement par l'ensemble des pistons.
On peut également concevoir une machine dotée de plaques 444 empilées de façon que des secteurs de nature différente soient superposés, les plaques pouvant être différentes entre elles, de façon par exemple à homogénéiser les temps de transformation thermodynamique et réduire les variations de vitesse du piston.
On pourrait concevoir une machine fonctionnant selon le principe général de la réalisation des figures 3 à 9, c'est-à-dire avec masse de gaz constante dans chaque chambre, mais dans lequel le déplaceur rotatif pourrait aussi assurer des variations de volume.

Claims

REVENDICATIONS 1. Machine thermodynamique comprenant :
- une enceinte (12, 212, 312) contenant un gaz de travail et possédant des surfaces d'échange thermique (14h, 14b, 16 ; 16c, 16r) à son intérieur ;
- des moyens de déplacement (19, 21 ; 120 ; 220, 320) mobiles dans l'enceinte pour déplacer le gaz de travail dans l'enceinte et mettre successivement le gaz de travail en contact et hors de contact avec chacune des surfaces d'échange thermique pour réaliser des étapes successives (El, E2, E3, E4) d'un cycle thermodynamique ; et
- un organe de puissance mécanique (19, 21 ; 130 ; 230, 330) soumis à la pression du gaz de travail ; caractérisée en ce que les moyens de déplacement font passer successivement devant les différentes surfaces d'échange thermique une chambre (22 ; 222, 322) contenant une quantité de gaz de travail essentiellement constante dont au moins la majeure partie est globalement stationnaire par rapport aux moyens de déplacement (19, 21 ; 120 ; 220, 320).
2. Machine selon la revendication 1, caractérisée en ce que la quantité de gaz de travail essentiellement constante est un volume essentiellement constant.
3. Machine selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que la chambre est délimitée par deux faces (52 ; 152 ; 452) dirigées sensiblement l'une vers l'autre, solidaires des moyens de déplacement ( 19, 21 ; 120 ; 220, 320).
4. Machine selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que les moyens de déplacement comprennent un rotor (220, 320, 420) mobile en rotation autour d'un axe (413).
5. Machine selon la revendication 4, caractérisée en ce que les surfaces d'échange thermique (14h, 14b ; 16c, 16r) occupent des zones angulaires respectives dans l'enceinte essentiellement cylindrique (212, 312).
6. Machine selon la revendication 4 ou 5, caractérisée en ce que le rotor comprend au moins un lobe (448) en forme générale de cylindre partiel tournant autour de l'axe (413).
7. Machine selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens de confinement thermique (556, 655) capables de restreindre les échanges de chaleur, et en ce que les moyens de déplacement mettent le gaz de travail en contact avec les moyens de confinement thermique pendant un mouvement de l'organe de puissance, de façon que le cycle thermodynamique comprenne au moins une phase de variation adiabatique (E6, E8, EIl, E14) du volume du gaz de travail.
8. Machine selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce qu'il y a à l'intérieur de l'enceinte (12, 212, 312) au moins une surface de confinement thermique (556, 655) intercalée entre les surfaces d'échange (546, 656c, 656h).
9. Machine selon la revendication 7 ou 8, caractérisée en ce qu'un cycle thermodynamique comprend le passage du gaz en contact avec les surfaces suivantes :
- une surface caloporteuse froide (554b) pendant que le volume du gaz de travail diminue,
- une surface de confinement thermique (556) pendant que le volume du gaz de travail diminue,
- une surface caloporteuse chaude (554h) pendant que le volume du gaz de travail augmente,
- une surface de confinement thermique (556) pendant que le volume du gaz de travail augmente.
10. Machine selon la revendication 9, caractérisée en ce que la variation du volume est plus rapide pendant que le gaz de travail est en contact avec les surfaces de confinement que pendant que le gaz est en contact avec les surfaces d'échange caloporteuses.
11. Machine selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens de régénération du gaz de travail, qui collectent de la chaleur pendant une phase de refroidissement du gaz de travail et chauffent le gaz de travail pendant une phase de chauffage avec la chaleur collectée pendant la phase de refroidissement, et/ou qui collectent du froid pendant une phase de chauffage du gaz de travail et refroidissent le gaz de travail pendant une phase de refroidissement avec le froid collecté pendant la phase de chauffage, et en ce que les moyens de déplacement balaient les moyens de régénération de façon à en chasser le gaz de travail pendant au moins une phase de travail parmi des phases de compression et de détente faisant partie du cycle thermodynamique.
12. Machine selon l'une des revendications 1 à 6 ou 11, caractérisée en ce que les surfaces d'échange comprennent le long du trajet de la chambre, des surfaces d'échange caloporteuses chaude (14h) et froide (14b), et entre celles-ci au moins une surface d'échange de régénération (16 ; 16c, 16r).
13. Machine selon la revendication 11 ou 12 caractérisée en ce qu'elle comprend une surface de confinement thermique (655) intercalée entre une surface de régénération (656c, 656r) située en amont, relativement au sens de déplacement du gaz de travail, et une surface d'échange caloporteuse (654b, 654h) située en aval.
14. Machine selon la revendication 13, caractérisée en ce que quand le gaz de travail est en contact avec une surface de confinement, on provoque par variation sensiblement adiabatique du gaz de travail une variation de température dans le même sens que celle subie par le gaz de travail au contact de la surface de régénération située en amont.
15. Machine selon la revendication 14, caractérisée en ce que la variation sensiblement adiabatique du volume est plus rapide qu'une variation sensiblement isotherme réalisée pendant que le gaz de travail est en contact avec la surface d'échange caloporteuse.
16. Machine selon l'une des revendications 13 à 15, caractérisée en ce qu'un cycle thermodynamique comprend le passage du gaz en contact avec les surfaces suivantes :
- une surface caloporteuse froide (654b) pendant que le volume du gaz diminue,
- une surface régénératrice de chauffage (656c) pendant que le volume du gaz de travail est sensiblement constant,
- une surface de confinement thermique (655) pendant que le volume du gaz de travail diminue,
- une surface caloporteuse chaude (654h) pendant que le volume du gaz augmente,
- une surface régénératrice de refroidissement (656r) pendant que le volume du gaz de travail est sensiblement constant,
- une surface de confinement thermique (655) pendant que le volume du gaz de travail augmente.
17. Machine selon la revendication 12, caractérisée par des moyens de transfert thermique (461) entre deux surfaces d'échange de régénération situées l'une (16r) à la transition entre surface d'échange caloporteuse chaude (14h) et surface d'échange caloporteuse froide (14b), l'autre (16c) à la transition entre surface d'échange caloporteuse froide (14b) et surface d'échange caloporteuse chaude (14h), relativement au sens de mouvement de la chambre (222).
18. Machine selon la revendication 12, caractérisée en ce que
- l'enceinte porte entre surfaces d'échange caloporteuses successives une surface d'échange de régénération initiale suivie, relativement au sens de déplacement de la chambre, d'une surface d'échange de régénération finale,
- des surfaces d'échange- de régénération précitées, initiale (456ir) et respectivement finale (456fc), situées en sortie et respectivement en
•entrée de surface d'échange caloporteuse chaude (14h), sont liées thermiquement entre elles, et - des surfaces d'échange de régénération précitées, initiale (456ic) et respectivement finale (456fr), situées en sortie et respectivement en entrée de surface d'échange caloporteuse froide (14b), sont liées thermiquement entre elles.
19. Machine selon la revendication 18, caractérisée en ce que les surfaces d'échange de régénération qui sont liées thermiquement entre elles forment des paires assemblées par pont thermique (461) chevauchant extérieurement et/ou intérieurement une surface d'échange caloporteuse précitée associée à la paire.
20. Machine selon la revendication 19, caractérisée par une isolation thermique (415) entre le pont thermique (461) et la surface d'échange caloporteuse associée.
21. Machine selon l'une des revendications 17 à 20, caractérisée en ce que les moyens de transfert thermique opèrent par conduction thermique.
22. Machine selon l'une des revendications 11 à 21, caractérisée en ce que les moyens de régénération comprennent une réserve thermique qui se charge pendant une phase de refroidissement du gaz et se décharge pendant une phase de réchauffement du gaz.
23. Machine selon l'une des revendications 1 à 22, caractérisée en ce que les surfaces d'échange qui se succèdent le long du trajet de la chambre sont séparées par isolation thermique (15, 415).
24. Machine selon l'une des revendications 1 à 23, caractérisée en ce que la chambre (222) a une forme plate, en ce que les surfaces d'échange thermique successivement en contact avec le gaz de travail forment deux grandes faces opposées de la chambre plate, et les moyens de déplacement délimitent la chambre par au moins une face frontale étroite (452).
25. Machine selon l'une des revendications 1 à 24, caractérisée en ce que les surfaces d'échange appartiennent à des ailettes (441) ayant des faces parallèles à la direction de mouvement des moyens de déplacement par rapport à l'enceinte (212, 312).
26. Machine selon la revendication 25, caractérisée en ce que les moyens de déplacement comprennent des ailes (449) passant entre les ailettes (441).
27., Machine selon la revendication 25 ou 26, caractérisée en ce que les surfaces d'échange sont portées par un empilement de plaques (444) définissant chacune une ailette (441) et s'appuyant les unes sur les autres par des bossages (446), et en ce que les ailettes (441) forment entre elles pour les moyens de déplacement des couloirs (422) dont l'épaisseur est définie par les bossages (446).
28. Machine selon l'une des revendications 1 à 27, caractérisée par une absence de moyens d'étanchéité entre les moyens de déplacement et les surfaces d'échange, l'intérieur de l'enceinte (212, 312) étant sensiblement en équipression à chaque instant.
29. Machine selon l'une des revendications 1 à 28, caractérisée en ce que l'enceinte (212, 312) communique avec une chambre de travail (127 ; 227, 327) dans laquelle se trouve l'organe de puissance mécanique (130 ; 230, 330).
30. Machine selon l'une des revendications 1 à 29, caractérisée en ce que les moyens de déplacement remplissent sensiblement le volume libre à l'intérieur de l'enceinte (212, 312) à l'exception de l'au moins une chambre (222).
31. Machine selon l'une des revendications 1 à 30, caractérisée en ce que cette machine est un moteur, en ce que les surfaces d'échange thermique comprennent au moins une surface d'échange caloporteuse chaude alimentée en énergie calorifique à partir d'une source chaude (473) tandis que l'organe de puissance mécanique fournit un travail mécanique utile.
32. Machine selon la revendication 23, caractérisée en ce que l'énergie calorifique alimentant la source chaude (473) est de l'énergie résiduelle fournie par une autre machine thermique (474) motrice, en particulier utilisant un combustible.
33. Machine selon l'une des revendications 1 à 32, caractérisée en ce que cette machine est une machine frigorifique ou une pompe à chaleur dans laquelle les surfaces d'échange thermique comprennent une surface d'échange caloporteuse chaude et une surface d'échange caloporteuse froide, et en ce que l'organe de puissance mécanique absorbe de l'énergie mécanique pour que le gaz de travail comprimé fournisse de la chaleur à la surface d'échange caloporteuse chaude et que le gaz détendu soit réchauffé par la surface d'échange caloporteuse froide.
34. Procédé de transformation d'énergie entre la forme thermique et la forme mécanique, dans lequel au cours d'un cycle thermodynamique on prélève de l'énergie thermique à un gaz de travail lors d'un refroidissement isochore et on fournit cette énergie thermique au gaz de travail lors d'un chauffage isochore, caractérisé en ce que le refroidissement isochore et/ou le chauffage isochore est adjacent d'un côté à une variation sensiblement adiabatique du volume du gaz de travail et de l'autre à une variation sensiblement isotherme du volume du gaz de travail.
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