EP2350448A1 - Structure d'echangeur thermique et chambre de compression ou de detente isotherme - Google Patents

Structure d'echangeur thermique et chambre de compression ou de detente isotherme

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EP2350448A1
EP2350448A1 EP09755950A EP09755950A EP2350448A1 EP 2350448 A1 EP2350448 A1 EP 2350448A1 EP 09755950 A EP09755950 A EP 09755950A EP 09755950 A EP09755950 A EP 09755950A EP 2350448 A1 EP2350448 A1 EP 2350448A1
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EP
European Patent Office
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chamber
partitions
machine according
wall
gas
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP09755950A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Pierre Charlat
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Stiral (societe Par Actions Simplifiee)
Original Assignee
Stiral (societe Par Actions Simplifiee)
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Filing date
Publication date
Application filed by Stiral (societe Par Actions Simplifiee) filed Critical Stiral (societe Par Actions Simplifiee)
Publication of EP2350448A1 publication Critical patent/EP2350448A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G1/00—Hot gas positive-displacement engine plants
    • 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
    • F02G1/053—Component parts or details
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G1/00—Hot gas positive-displacement engine plants
    • 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
    • F02G1/053—Component parts or details
    • F02G1/055—Heaters or coolers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F3/00—Pistons 
    • F02F3/28—Other pistons with specially-shaped head
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G2255/00—Heater tubes
    • F02G2255/20—Heater fins
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G2256/00—Coolers
    • F02G2256/02—Cooler fins
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D11/00—Heat-exchange apparatus employing moving conduits
    • F28D11/06—Heat-exchange apparatus employing moving conduits the movement being reciprocating or oscillating
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F21/00—Constructions of heat-exchange apparatus characterised by the selection of particular materials
    • F28F21/04—Constructions of heat-exchange apparatus characterised by the selection of particular materials of ceramic; of concrete; of natural stone

Definitions

  • the present invention generally relates to a heat exchanger structure.
  • the present invention also relates to a chamber in which isothermal compression and / or expansion is performed.
  • the present invention further relates to a high efficiency reversible thermodynamic machine comprising such a chamber, for example a Stirling machine.
  • Stirling machines are sometimes used for the production of industrial refrigeration and in some military or space applications. These machines have the advantage of being used as an engine or to produce heat or cold, without using refrigerants that are generally pollutants. Another advantage of a Stirling machine is that its hot source is external and therefore this source can be obtained using any known fuel or even solar radiation.
  • a gas for example air, hydrogen or helium, is subjected to a cycle comprising four phases: isochoric heating, isothermal expansion, isochoric cooling and isothermal compression.
  • FIG. 1 is a generic diagram of a Stirling machine.
  • a first chamber 3 is connected to a second chamber 5 via a first heat exchanger 7, a regenerator 9 and a second heat exchanger 11.
  • the assembly comprising the chambers, the exchangers and the regenerated ⁇ may have a cylindrical shape.
  • the first and second heat exchangers 7 and 11 are, respectively, in contact with a hot source at a hot temperature TQ and with a cold source at a cold temperature Tp.
  • the chambers 3 and 5 are closed, respectively, by movable pistons 13 and 15 which delimit the variable volumes of the chambers 3 and 5. It will be understood that the various elements of the Stirling machine shown in FIG. 1 can be movable relative to each other.
  • the two pistons 13 and 15 may be movable and the regenerator 9 and the sam ⁇ exchangers 7 and 11 to be fixed, in the case of a so-called alpha configuration.
  • One of the pistons 13 or 15 can also be fixed if the central part of the machine is movable.
  • the assembly consisting of the regenerator 9 and exchangers 7 and 11 is fixed and the variable volumes of the chambers 3 and 5 consist of a single variable volume separated into two parts by a movable wall, said displacer.
  • This configura ⁇ is called beta or gamma configuration.
  • Figures 2A to 2D illustrate steps of a Stirling engine cycle.
  • a volume of gas is stored in the first chamber 3, the second chamber 5 preferably having a zero or low volume.
  • the gas in the first chamber 3 is heated by the hot source and its pressure increases. This causes the piston 13 to move to arrive at a state B in which the volume occupied by the gas in the chamber 3 is greater than the volume of this same chamber in state A. During the isothermal expansion stage (step A to B), mechanical work is recovered.
  • Isochoric cooling then to switch from state B to state C in which the gas in the hot chamber 3 is transferred in the cooling chamber 5.
  • state C in which the gas in the hot chamber 3 is transferred in the cooling chamber 5.
  • the gas stored in the chamber 3 passes through the ReGene ⁇ Operator 9 and reaches room 5 while cooling.
  • the heat contained in the hot gas is "recovered” in the regenerator, as we shall see later, and the gas cools.
  • An isothermal compression makes it possible to go from the state C to a state D in which the volume occupied by the gas in the chamber 5 is smaller than the volume of this same chamber in the state C.
  • This compression is achieved by actuating the piston 15 in order to reduce the volume of the chamber 5. This step consumes energy, but less than the energy supplied between the states A and B.
  • an isochoric transfer makes it possible to go from the state D to the initial state A in which the gas is stored in the hot chamber 3.
  • the gas passes from the cold chamber 5 to the hot chamber 3 through the 9.
  • the heat recovered during the isochoric cooling (step B to C) is returned to the gas during its second passage through the regenerator (step D to A).
  • the gas heats up before coming into contact with the exchanger 7.
  • the regenerator In motor cycle, the mechanical work recovered during the expansion between steps A and B is used in part for the isothermal compression (steps C to D).
  • the regenerator allows the heat recovered during the transition from state B to state C to be distributed to the gas during the transition from state D to state A and to avoid heat losses.
  • the regenerator func ⁇ rations as a heat exchanger against the current: when hot gas passes through a cold regenerator, it cools the regenerator by heating and, conversely, a cold gas through the hot regenerator heats cooling the ReGene ⁇ rator. To ensure its function, it is important that the regenerator is made of materials that conduct little heat in the direction of the gas flow, for example insulating materials.
  • An object of an embodiment of the present invention is to provide a thermodynamic machine whose cycle involves compressions and / or relaxations whose isothermal nature is close to ideal.
  • An object of an embodiment of the present invention is to provide a thermodynamic machine with low losses and high efficiency over a wide operating range.
  • An object of an embodiment of the present invention is to provide a reversible thermodynamic machine.
  • an object of an embodiment of the present invention is to provide an optimized heat exchanger.
  • a thermodynamic machine intended to operate at a minimum cycle time (T) comprising at least one compression / expansion chamber and heat exchange, this chamber being delimited longitudinally by first and second walls movable relative to each other, characterized in that said chamber is divided by partitions extending longitudinally from each of the first and second walls, the partitions being nested one inside the other, the distance between partitions extending from the same wall being such that the ratio between this distance squared and the minimum cycle time is less than the average thermal diffusivity of the gas contained in the chamber.
  • the distance between partitions extending from the same wall is such that said ratio is less than half the average thermal diffusivity of the gas contained in the chamber.
  • the first wall is gastight and is intended to be brought into contact with a heat source and the second wall is adapted to allow gas to circulate outside the compression chamber. /relaxation.
  • the distance between partitions extending from the same wall is less than 2 mm, the gas contained in the compression / expansion chamber being hydrogen or helium .
  • the distance between partitions extending from the same wall is less than 0.5 mm.
  • the chamber is cylindrical and the partitions have, in section in a direction perpendicular to the length of the chamber, a spiral shape.
  • the assembly consisting of a wall and associated partitions is formed of a winding of a wide band and at least one separation band.
  • the separation strip is a corrugated strip.
  • the separation strip consists of two serrated strips placed in opposition and whose crenellations overlap.
  • the chamber is cylindrical and the partitions form, in section in a direction perpendicular to the length of the chamber, a set of corrugated portions parallel to each other.
  • the chamber is cylindrical and the partitions form, in section in a direction perpendicular to the length of the chamber, a set of plane portions parallel to each other.
  • At least one wall forms the end of a controllable piston.
  • the partitions are made of a thermally conductive ceramic, for example silicon carbide or aluminum nitride, made of copper, aluminum or steel.
  • FIG. 1 previously described, is a diagram gen ⁇ America of a Stirling machine
  • FIGS. 2A to 2D previously described, illustrate steps of a cycle of a Stirling engine
  • Figs. 3A-3C are sectional views of a portion of a machine according to one embodiment of the present invention, in several configurations
  • Figures 4 and 5 are two perspective views of machine portions according to one embodiment of the present invention
  • FIG. 6 illustrates a possible embodiment of a half-exchanger according to an embodiment of the present invention
  • Fig. 1 is a diagram gen ⁇ America of a Stirling machine
  • FIGS. 2A to 2D previously described, illustrate steps of a cycle of a Stirling engine
  • Figs. 3A-3C are sectional views of a portion of a machine according to one embodiment of the present invention, in several configurations
  • Figures 4 and 5 are two perspective views of machine portions according to one embodiment of the present invention
  • FIG. 6 illustrates a possible embodiment of a half-exchanger according to
  • FIG. 7 is a sectional view of a Stirling machine according to one embodiment of the present invention.
  • Figures 8A and 8B illustrate another possible embodiment of a half-exchanger according to an embodiment of the present invention; and
  • Figure 9 is a graph illustrating an advantage of a machine according to an embodiment of the present inven ⁇ .
  • An embodiment of the present invention provides, firstly, to place heat exchangers directly in compression and expansion chambers.
  • it is intended to form compression and expansion chambers in which the exchangers comprise numerous portions forming partitions in the chambers. These partitions extend from two walls facing the chambers and intersect when the volume of the chamber decreases.
  • FIGS. 3A-3C illustrate, in longitudinal sectional view, a compression or expansion chamber as described above constituting, for example, a portion of a Stirling machine. These figures illustrate different states during isothermal expansion.
  • a chamber 21 is formed in a cylinder and is delimited by two walls 23 and 25 movable relative to each other in the cylinder.
  • a movable wall 23 associated with a piston pin 27, and a fixed wall 25, for example fixed to a regenerator 29 ⁇ (not shown in detail).
  • the walls 23 and 25 may be movable relative to each other in another way.
  • the wall 23 is waterproof and the wall 25 is permeable to gases, for example provided with numerous perforations.
  • Partitions 31 extend into the chamber 21 from the wall 23 and the partitions 33 extend into the chamber 21 from the wall 25.
  • the partitions 31 and 33 extend in the longitudinal direction of the cylinder and are disposed in sectional view alternately.
  • the partitions 31 and 33 form two half-exchangers.
  • a hot source (or cold in the case of a reverse compression) is connected to one of the walls 23 or 25, here the wall 23, by suitable means not shown.
  • the wall 23 may be in direct contact with the heat source or be in contact therewith via the flow of a hot or cold fluid.
  • FIG. 3C illustrates the device when the volume of the chamber 21 is maximum, that is to say that the piston 23-27 and the partitions 31 are remote from the wall 25 at the maximum.
  • the free ends of the partitions 31 and 33 are shown facing each other in the chamber 21. It may also be provided that the ends of the partitions 31 and 33 are slightly spaced apart from each other.
  • Figure 3B illustrates the device in an intermediate position between the positions of Figures 3A and 3C.
  • the nested structure of the two half-exchangers allows that, at any moment, each molecule of the gas present in the chamber 21 is relatively close to a partition 31 or 33.
  • all gas molecules are close to a hot partition during expansion, which prevents the formation of gas pockets having a lower temperature than the heat source and provides isothermal expansion.
  • the structure presented here thus makes it possible to improve the ability of the assembly to conduct heat from the heat source to the gas of the chamber 21 and mitigate losses due to temperature differences between the heat source and the gas.
  • the inventor provides that the partitions are arranged such that: d 2 / T ⁇ D, d being the distance between two successive partitions 31 or 33 of the same half-exchanger; T being the minimum cycle time of the thermodynamic machine (i.e. the time of a minimum round trip in the case of the Stirling machine described in connection with Figures 2A to 2D); and D being the average thermal diffusivity on a gas cycle in the chamber.
  • the ratio d 1 / T will be less than half of the thermal diffusivity D of the gas.
  • This makes it possible to maintain a substantially uniform gas temperature in the chamber 21, substantially equal to the temperature of the heat source, and thus to perform compressions and relaxations whose isothermal nature is close to ideal.
  • the application of the above inequation makes it possible to use thermal diffusion heat transfer from the partitions extending in the compression / expansion chamber to the gas.
  • the heat transfers are ensured mainly by diffusion, phenomena of possible turbulence not influencing little or not on the transfers.
  • the partitions 31 and 33 may be of a thermally conductive material, for example a ceramic such as silicon carbide, aluminum nitride, or be of copper or aluminum.
  • a thermally conductive material for example a ceramic such as silicon carbide, aluminum nitride, or be of copper or aluminum.
  • the partitions 33 are heated by the partitions 31 through the gas.
  • the partitions 33 distribute the stored heat to the gas, and in particular the gas located near the wall 25. To ensure proper operation, it will be understood that the cycle time of the machine must be long enough for the heat exchange between the partitions 31 and 33 and the gas have time to be done.
  • the partitions 33 can also be formed in low-conductive materials without changing the isothermal character of your Deten ⁇ / cuts.
  • the partitions 31 may be formed of low-conductive materials, except at their ends connected to the wall 23.
  • the heat is transmitted from the wall 23 to the adjacent areas of the partitions 31 and, through the gas, at the free ends of the partitions 33.
  • the free ends of the partitions 33 are successively opposite the different parts of the partitions 31 and the The heat thus passes from the end of the partitions 33 to all the partitions 31, and then again from the partitions 31 to the partitions 33.
  • the volume of the chamber 21 decreases, the heat also passes between the partitions 31 and the partitions 33 through the gas.
  • the partitions 31 and 33 are entirely hot and transmit their heat to the gas.
  • partition being the thermal conductivity of the material constituting the partitions 31 and 33; a being the amplitude of the relative movement of the partitions 31 and 33; d being the distance separating two successive partitions 31 and 33 belonging to two different half-exchangers; and e being the average thickness of the partitions 31 and 33.
  • partitions 31 and 33 in many materials, for example from light materials to low-grade materials. cost, or other materials well suited to the formation of such exchangers, for example steel.
  • the presented structure comprising two reciprocating half-reciprocating heat exchangers can be generalized to form any type of exchanger between a hot source (or cold) and a gas.
  • a hot source or cold
  • a gas for example, the gas could enter one of the walls and exit through the opposite wall.
  • the distance d between the partitions 31 and 33 may be between 0.3 and 2 mm and the partitions may have a thickness of between 0.1 and 0.6 mm, if the gas in the chamber 21 is hydrogen or helium.
  • the cylinder of the machine may have a diameter of between 15 and 20 cm and the wall 23 may move about 3 cm in the cylinder. With such dimensions, a cycle time of between 0.02 and 0.5 seconds makes it possible to satisfy the inequation d 1 / T ⁇ D.
  • FIG. 4 is a perspective view of portions of a machine capable of performing isothermal compression or expansion according to one embodiment of the present invention.
  • the outer cylinder in which the elements of the machine move is not shown for the sake of simplicity.
  • the partitions 31 and 33 have been shown remote from each other for ease of understanding. In practice, these partitions are nested within each other.
  • the partitions 31 and 33 have, in sectional view in a plane perpendicular to the length from the bedroom, spiral shapes. A first spiral forms the partitions 31 and a second spiral forms the partitions 33.
  • the spirals 31 and 33 are provided to interlock one into the other during the decrease in the volume of the chamber 21.
  • partitions 31 and 33 consist, in cross-section in a direction perpendi cular ⁇ the length of the chamber, many parallel plates therebetween and separated by a step.
  • the plates are corrugated to improve their hold, but note that these plates can also be flat.
  • the corrugated portions 31 are offset from the corrugated portions 33, for example by half a step, so that these portions interlock without touching during the variation of the volume of the chamber 21.
  • the portions 31, whether spiral or in the form of parallel plates, are separated by a material for sealing the gas and / or are attached to a piston body.
  • the internal walls of the system for example the wall 25 of FIGS. 3A to 3C, have two roles: to allow the portions 33 to be held and to allow the gas to pass towards, for example, a regenerator. Thus, they may for example be perforated.
  • FIG. 6 illustrates a possible embodiment of a structure for holding a spiral-shaped partition.
  • spacing and mechanical resistance means may be placed between the different turns on the side where the spiral is attached to a wall.
  • such a means consists of a strip 41 which is rolled together with the strip of thermally conductive or insulating material and which is therefore inside the winding.
  • the band 41 is corrugated and the height of the undulations fixes the pitch between the turns of the spiral 31, 33.
  • the structure of FIG. 6 can also be used to form the walls 25, the band 41 serving maintaining the wall 25 while allowing the gas to flow towards the regenerator. In the case where the band 41 is located between conductive turns, this band will preferably be of high conductivity, for example an aluminum alloy.
  • Figure 7 is a detailed sectional view of the body of a Stirling machine implementing an embodiment ⁇ tion of the present invention.
  • the machine is formed in a cylinder 51 and comprises a first chamber 53 and a second chamber 55 separated by a regenerator 57.
  • An exchanger consisting of two half-exchangers as presented above, is formed in each of the chambers 53 and 55. .
  • a first half-exchanger 59, respectively ⁇ 61 located in chamber 53, respectively 55 extends from an outer wall to the machine 63, respectively 65.
  • the regenerator 51 consists of walls 75, 77 which extend, respectively, from the walls 71 and 73.
  • the partitions 75 and 77 are represented ⁇ FOA nested, for example in a form that portions 59 and 67 or 61 and 69.
  • the partitions 75 and 77 are preferably made of a material that is a poor thermal conductor but has good thermal exchange properties with the gas, that is to say a sufficient thermal effusivity.
  • the partitions 75 and 77 may be made of polycarbonate. Guides parallel to the gas flow can be added to the regenerated ⁇ tor to ensure that the gas passing through it travels the same path in both directions of displacement. Note that the structure of the regenerator described here is only an example and that any type of known regenerator may be used with exchangers such as that of FIGS. 3A to 3C.
  • a central shaft 79 is located in the heart of the cylinder 51.
  • This shaft contains elements that allow the positioning of the different elements of the thermodynamic machine relative to each other.
  • the partitions 59, 67, 61 and 69, or even the partitions 75 and 77, may be formed in the form of a spiral around the shaft 79.
  • Elements allowing sealing, thermal insulation, mechanical retention and / or the displacement of the different walls 63, 65, 71 and 73 in the cylinder 51 are represented in FIG. 7 by hatched portions.
  • FIGS. 8A and 8B illustrate another possible embodiment of a structure for holding a spiral-shaped partition.
  • a layer 31, 33 thermally conduc ⁇ trice or not, is wound about an axis 81.
  • ENROU ⁇ LEMENT of the layer 31, 33 on the axis 81 is also wrapped between two turns of layer 31, 33, two strips 83 and 85 whose shape in plan view is castellated.
  • the two strips 83 and 85 are positioned one on the other so that the slots are in opposition and slightly superimposed on each other. It will be noted that the arrangement of the strips 83 and 85 on the material 31, 33 is represented in FIG. 8A only at the end of the winding.
  • FIG. 8B illustrates better the arrangement of the strips 83 and 85 with respect to one another and the superposition of portions of the slots of these strips.
  • the superposition of the strips 83 and 85 forms a retention of the material winding 31-33 while allowing the passage of gas between the different turns of the structure of FIG. 8A.
  • the structure of FIGS. 8A and 8B can have the same function as that of FIG.
  • Fig. 9 is a graph illustrating the corrective effect (Eff) associated with the use of a device according to one embodiment with respect to the use of a device classical (unsegmented chamber), in percentage, at the time of expansion or compression, as a function of the ratio DT / d ⁇ . Since the ratio of ⁇ / T must be less than the diffusivity D of the gas, this means that the ratio DT / d ⁇ must be greater than 1. In this curve, a corrective effect of 0% means that the losses Due to differences in temperature in the chamber during compressions and relaxations are not attenuated, and a corrective effect of 100% means that these losses are non-existent.
  • the use of the structures described here provides a corrective effect of about 50% when the ratio DT / d ⁇ is of the order of 2 and about 90% when this ratio is of the order of 10.
  • the invention makes it possible to greatly reduce the losses related to the temperature differences during the compressions and relaxations and thus to perform isothermal transformations.
  • Using nested exchangers allows for Stirling engines may have a yield of 85% of the maximum Carnot efficiency on important ⁇ ment function ranges. It is also possible to form machines with a lower volume for a yield similar to that of current machines. In addition, the efficiency is stable over a wide range of hot and cold temperatures, without changing the geometry of the machine. The efficiency also remains good over large power ranges, by varying the cycle time. Good performance is also obtained in case of reversible operation.

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Abstract

L ' invention concerne une machine thermodynamique comprenant au moins une chambre (21) dans laquelle on souhaite réaliser une détente et/ou une compression isotherme, cette chambre étant délimitée longitudinalement par des première et deuxième parois mobiles l'une par rapport à l'autre (23, 25). La chambre (21) est divisée par des cloisons (31, 33) s 'étendant longitudinalement à partir de chacune des première et deuxième parois, les cloisons étant imbriquées les unes dans les autres, la distance entre cloisons s 'étendant à partir d'une même paroi étant telle que le rapport entre cette distance élevée au carré et le temps de cycle de la machine thermodynamique est inférieur à la diffusivité thermique moyenne du gaz contenu dans la chambre.

Description

STRUCTURE D'ECHANGEUR THERMIQUE ET CHAMBRE DE COMPRESSION OU DE
DETENTE ISOTHERME
Domaine de l ' invention
La présente invention concerne de façon générale une structure d'échangeur thermique. La présente invention concerne aussi une chambre dans laquelle on réalise des compressions et/ou détentes isothermes. La présente invention concerne en outre une machine thermodynamique réversible à fort rendement comprenant une telle chambre, par exemple une machine de Stirling. Exposé de l ' art antérieur
Les machines de Stirling sont parfois utilisées pour la production de froid industriel et dans quelques applications militaires ou spatiales. Ces machines ont l'avantage de pouvoir être utilisées en tant que moteur ou pour produire de la chaleur ou du froid, sans utiliser de fluides frigorigènes qui sont généralement polluants. Un autre avantage d'une machine de Stirling est que sa source chaude est externe et donc que cette source peut être obtenue à l'aide de tout type de combustible connu, voire de rayonnement solaire. Dans un cycle de Stirling, un gaz, par exemple de l'air, de l'hydrogène ou de l'hélium, est soumis à un cycle comprenant quatre phases : un chauffage isochore, une détente isotherme, un refroidissement isochore et une compression isotherme.
La figure 1 est un schéma générique d'une machine de Stirling. Une première chambre 3 est reliée à une seconde chambre 5 par l'intermédiaire d'un premier échangeur thermique 7, d'un régénérateur 9 et d'un second échangeur thermique 11. L'ensemble comprenant les chambres, les échangeurs et le régéné¬ rateur peut avoir une forme cylindrique. Les premier et second échangeurs 7 et 11 sont, respectivement, en contact avec une source chaude à une température chaude TQ et avec une source froide à une température froide Tp. Les chambres 3 et 5 sont fermées, respectivement, par des pistons mobiles 13 et 15 qui délimitent les volumes variables des chambres 3 et 5. On comprendra que les différents éléments de la machine de Stirling représentée en figure 1 peuvent être mobiles les uns par rapport aux autres de différentes façons : par exemple, les deux pistons 13 et 15 peuvent être mobiles et le régénérateur 9 et les échan¬ geurs 7 et 11 être fixes, dans le cas d'une configuration dite alpha. Un des pistons 13 ou 15 peut également être fixe si la partie centrale de la machine est mobile. On peut aussi prévoir que l'ensemble constitué du régénérateur 9 et des échangeurs 7 et 11 soit fixe et que les volumes variables des chambres 3 et 5 soient constitués d'un unique volume variable séparé en deux parties par une paroi mobile, dite déplaceur. Cette configura¬ tion est appelée configuration bêta ou gamma.
Les figures 2A à 2D illustrent des étapes d'un cycle moteur de Stirling.
A un état initial arbitraire A illustré en figure 2A, un volume de gaz est stocké dans la première chambre 3, la deuxième chambre 5 ayant de préférence un volume nul ou faible.
Le gaz dans la première chambre 3 est chauffé par la source chaude et sa pression augmente. Ceci amène le piston 13 à se déplacer pour arriver à un état B dans lequel le volume occupé par le gaz dans la chambre 3 est supérieur au volume de cette même chambre à l'état A. Pendant la phase de détente isotherme (étape A à B) , on récupère du travail mécanique.
Un refroidissement isochore permet ensuite de passer de l'état B à un état C dans lequel le gaz dans la chambre chaude 3 est transféré dans la chambre froide 5. Pendant ce transfert, le gaz stocké dans la chambre 3 passe par le régéné¬ rateur 9 et atteint la chambre 5 en se refroidissant. La chaleur contenue dans le gaz chaud est "récupérée" dans le régénérateur, comme nous le verrons par la suite, et le gaz se refroidit. Une compression isotherme permet de passer de l'état C à un état D dans lequel le volume occupé par le gaz dans la chambre 5 est inférieur au volume de cette même chambre à l'état C. Cette compression est réalisée en actionnant le piston 15 afin de réduire le volume de la chambre 5. Cette étape consomme de l'énergie, mais moins que l'énergie fournie entre les états A et B.
Enfin, un transfert isochore permet de passer de l'état D à l'état initial A dans lequel le gaz est stocké dans la chambre chaude 3. Pendant cette étape, le gaz passe de la chambre froide 5 à la chambre chaude 3 par l'intermédiaire du régénérateur 9. Dans le régénérateur, la chaleur récupérée pendant le refroidissement isochore (étape B à C) est restituée au gaz lors de son deuxième passage dans le régénérateur (étape D à A) . Ainsi, le gaz se réchauffe avant d'arriver au contact de l'échangeur 7. On notera que, de préférence, dans les machines connues, les chambres 3 et 5 se vident presque complètement à tour de rôle au cours du cycle.
En cycle moteur, le travail mécanique récupéré pendant la détente entre les étapes A et B est utilisé en partie pour la compression isotherme (étapes C à D) . Le régénérateur permet que la chaleur récupérée lors du passage de l'état B à l'état C soit distribuée au gaz lors du passage de l'état D à l'état A et évite les pertes de chaleur. En effet, le régénérateur fonc¬ tionne comme un échangeur à contre-courant : lorsqu'un gaz chaud passe dans un régénérateur froid, il se refroidit en réchauffant le régénérateur et, inversement, un gaz froid traversant le régénérateur chaud se réchauffe en refroidissant le régéné¬ rateur. Pour assurer sa fonction, il importe que le régénérateur soit constitué de matériaux peu conducteurs de la chaleur dans la direction du flux du gaz, par exemple des matériaux isolants. On considère ici des machines que l ' on souhaite réver¬ sibles, c'est-à-dire pouvant être utilisées en cycle moteur ou en cycle de pompe à chaleur. On notera que cette définition de la réversibilité diffère de la définition courante dans laquelle une machine réversible est une machine dont les sources froide et chaude peuvent être inversées. Un problème lié aux machines de Stirling actuelles est que, si elles ont un bon rendement pour un cycle moteur, elles auront un rendement faible en cycle de pompe à chaleur, et inversement.
Les faibles rendements lors de l'utilisation de ces machines de façon réversible ou sur une grande plage de fonc¬ tionnement viennent des différentes pertes qui y interviennent et, notamment, des écarts de température dans les échanges ther¬ miques. Une autre source de pertes irréversibles dans les machines de Stirling, et dans toute machine mettant en oeuvre des compressions ou des détentes théoriquement isothermes, est que les systèmes réels sont loin de pouvoir permettre de telles compressions et détentes isothermes. Résumé
Un objet d'un mode de réalisation de la présente invention est de prévoir une machine thermodynamique dont le cycle fait intervenir des compressions et/ou détentes dont le caractère isotherme est proche de l'idéal.
Un objet d'un mode de réalisation de la présente invention est de prévoir une machine thermodynamique dont les pertes sont faibles et le rendement élevé sur une grande plage de fonctionnement.
Un objet d'un mode de réalisation de la présente invention est de prévoir une machine thermodynamique réversible.
Un objet d'un mode de réalisation de la présente invention est de prévoir un échangeur thermique optimisé. Ainsi, un mode de réalisation de la présente invention prévoit une machine thermodynamique destinée à fonctionner à un temps de cycle minimum (T) comprenant au moins une chambre de compression/détente et d'échange thermique, cette chambre étant délimitée longitudinalement par des première et deuxième parois mobiles l'une par rapport à l'autre, caractérisée en ce que ladite chambre est divisée par des cloisons s 'étendant longitudinalement à partir de chacune des première et deuxième parois, les cloisons étant imbriquées les unes dans les autres, la distance entre cloisons s 'étendant à partir d'une même paroi étant telle que le rapport entre cette distance élevée au carré et le temps de cycle minimum est inférieur à la diffusivité thermique moyenne du gaz contenu dans la chambre.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, la distance entre cloisons s 'étendant à partir d'une même paroi est telle que ledit rapport est inférieur à la moitié de la diffusivité thermique moyenne du gaz contenu dans la chambre.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, la première paroi est hermétique au gaz et est destinée à être mise en contact avec une source de chaleur et la seconde paroi est adaptée à laisser circuler du gaz vers l'extérieur de la chambre de compression/détente.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, la distance entre cloisons s 'étendant à partir d'une même paroi est inférieure à 2 mm, le gaz contenu dans la chambre de compression/détente étant de l'hydrogène ou de l'hélium.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, la distance entre cloisons s 'étendant à partir d'une même paroi est inférieure à 0,5 mm. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la chambre est cylindrique et les cloisons ont, en coupe selon une direction perpendiculaire à la longueur de la chambre, une forme de spirale.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, l'ensemble constitué d'une paroi et des cloisons associées est formé d'un enroulement d'une bande large et d'au moins une bande de séparation.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, la bande de séparation est une bande ondulée. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la bande de séparation est constituée de deux bandes crénelées placées en opposition et dont les créneaux se chevauchent.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, la chambre est cylindrique et les cloisons forment, en coupe selon une direction perpendiculaire à la longueur de la chambre, un ensemble de portions ondulées parallèles entre elles.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, la chambre est cylindrique et les cloisons forment, en coupe selon une direction perpendiculaire à la longueur de la chambre, un ensemble de portions planes parallèles entre elles.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, au moins une paroi forme l'extrémité d'un piston commandable.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, les cloisons sont en une céramique thermiquement conductrice, par exemple du carbure de silicium ou du nitrure d'aluminium, en cuivre, en aluminium ou en acier. Brève description des dessins
Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : la figure 1, précédemment décrite, est un schéma géné¬ rique d'une machine de Stirling ; les figures 2A à 2D, précédemment décrites, illustrent des étapes d'un cycle d'un moteur de Stirling ; les figures 3A à 3C sont des vues en coupe d'une portion d'une machine selon un mode de réalisation de la présente invention, dans plusieurs configurations ; les figures 4 et 5 sont deux vues en perspective de portions de machines selon un mode de réalisation de la présente invention ; la figure 6 illustre une réalisation possible d'un demi-échangeur selon un mode de réalisation de la présente invention ; la figure 7 est une vue en coupe d'une machine de Stirling selon un mode de réalisation de la présente invention ; les figures 8A et 8B illustrent une autre réalisation possible d'un demi-échangeur selon un mode de réalisation de la présente invention ; et la figure 9 est une courbe illustrant un avantage d'une machine selon un mode de réalisation de la présente inven¬ tion.
Par souci de clarté, de mêmes éléments ont été dési¬ gnés par de mêmes références aux différentes figures et, de plus, les diverses figures ne sont pas tracées à l'échelle. Description détaillée
Un mode de réalisation de la présente invention prévoit, tout d'abord, de placer des échangeurs de chaleur directement dans des chambres de compression et de détente. De plus, il est prévu de former des chambres de compression et de détente dans lesquelles les échangeurs comprennent de nombreuses portions formant des cloisons dans les chambres. Ces cloisons s'étendent à partir de deux parois en regard des chambres et s'entrecroisent lorsque le volume de la chambre diminue.
Les figures 3A à 3C illustrent, en vue en coupe longi- tudinale, une chambre de compression ou de détente telle que décrite ci-dessus constituant, par exemple, une partie d'une machine de Stirling. Ces figures illustrent différents états lors d'une détente isotherme.
En figure 3A, une chambre 21 est formée dans un cylindre et est délimitée par deux parois 23 et 25 mobiles l'une par rapport à l'autre dans le cylindre. Dans l'exemple repré¬ senté, on considère une paroi 23 mobile associée à un axe de piston 27, et une paroi 25 fixe, fixée par exemple à un régéné¬ rateur 29 (non représenté en détail) . On comprendra que les parois 23 et 25 pourront être mobiles l'une par rapport à l'autre d'une autre façon. La paroi 23 est étanche et la paroi 25 est perméable aux gaz, par exemple munie de nombreuses perforations.
Des cloisons 31 s'étendent dans la chambre 21 à partir de la paroi 23 et des cloisons 33 s'étendent dans la chambre 21 à partir de la paroi 25. Les cloisons 31 et 33 s'étendent dans la direction longitudinale du cylindre et sont disposées, en vue en coupe, en alternance. Les cloisons 31 et 33 forment deux demi-échangeurs .
Dans l'état de la figure 3A, les extrémités des cloisons 31 sont proches de la paroi 25 et les extrémités des cloisons 33 sont proches de la paroi 23. Le volume de la chambre 21 est donc minimal. Une source chaude (ou froide dans le cas inverse d'une compression) est connectée à l'une des parois 23 ou 25, ici la paroi 23, par des moyens adaptés non représentés. La paroi 23 peut être en contact direct avec la source de chaleur ou être en contact avec celle-ci par l'intermédiaire de l'écoulement d'un fluide chaud ou froid.
La figure 3C illustre le dispositif lorsque le volume de la chambre 21 est maximal, c'est-à-dire que le piston 23-27 et les cloisons 31 sont éloignés de la paroi 25 au maximum. Dans la figure, les extrémités libres des cloisons 31 et 33 sont représentées en regard les unes des autres dans la chambre 21. On pourra également prévoir que les extrémités des cloisons 31 et 33 soient légèrement éloignées les unes des autres. La figure 3B illustre le dispositif dans une position intermédiaire entre les positions des figures 3A et 3C.
La structure imbriquée des deux demi-échangeurs permet que, à tout moment, chaque molécule du gaz présent dans la chambre 21 soit relativement proche d'une cloison 31 ou 33. Ainsi, dans le cas d'une détente où les cloisons 31 et 33 sont chaudes, toutes les molécules de gaz sont proches d'une cloison chaude pendant la détente, ce qui permet d'éviter la formation de poches de gaz ayant une température inférieure à celle de la source de chaleur et assure une détente isotherme. La structure présentée ici permet donc d'améliorer la capacité de l'ensemble à conduire la chaleur de la source de chaleur vers le gaz de la chambre 21 et d'atténuer les pertes liées aux différences de température entre la source de chaleur et le gaz.
Pour assurer de bons échanges entre la source de chaleur et le gaz et éviter les pertes par volume mort dans la chambre, l'inventeur prévoit que les cloisons soient disposées de telle façon que : d2/T < D, d étant la distance entre deux cloisons successives 31 ou 33 d'un même demi-échangeur ; T étant le temps de cycle minimum de la machine thermodynamique (c'est-à-dire le temps d'un aller-retour minimum dans le cas de la machine de Stirling décrite en relation avec les figures 2A à 2D) ; et D étant la diffusivité thermique moyenne sur un cycle du gaz dans la chambre.
De préférence, le rapport d^/T sera inférieur à la moitié de la diffusivité thermique D du gaz . Ceci permet de conserver une température de gaz sensiblement uniforme dans la chambre 21, sensiblement égale à la température de la source de chaleur, et donc de réaliser des compressions et détentes dont le caractère isotherme est proche de l'idéal. L'application de l'inéquation ci-dessus permet d'utiliser les transferts de chaleur par diffusion thermique depuis les cloisons s 'étendant dans la chambre de compression/détente vers le gaz. Ainsi, les transferts de chaleur sont assurés principalement par diffusion, des phénomènes de turbulences éventuels n'influant pas ou peu sur les transferts.
Les cloisons 31 et 33 peuvent être en un matériau thermiquement conducteur, par exemple en une céramique telle que du carbure de silicium, du nitrure d'aluminium, ou encore être en cuivre ou en aluminium. Dans ce cas, on comprend bien que, dans la position de la figure 3A, les cloisons 33 sont chauffées par les cloisons 31 par l'intermédiaire du gaz. Lors de la détente, les cloisons 33 distribuent la chaleur emmagasinée au gaz, et notamment au gaz situé près de la paroi 25. Pour assurer un bon fonctionnement, on comprendra que le temps de cycle de la machine doit être suffisamment long pour que les échanges thermiques entre les cloisons 31 et 33 et le gaz aient le temps de se faire.
L'inventeur a noté que les cloisons 33 peuvent également être formées en des matériaux peu conducteurs, sans pour autant modifier le caractère isotherme des déten¬ tes/compressions. De même, les cloisons 31 peuvent être formées en des matériaux peu conducteurs, excepté en leurs extrémités connectées à la paroi 23. En effet, dans ce cas, dans l'état de la figure 3A, la chaleur se transmet de la paroi 23 aux zones adjacentes des cloisons 31 puis, par l'intermédiaire du gaz, aux extrémités libres des cloisons 33. Au cours de la détente, les extrémités libres des cloisons 33 se trouvent successivement en vis-à-vis des différentes parties des cloisons 31 et la chaleur passe ainsi de l'extrémité des cloisons 33 vers l'ensemble des cloisons 31, et ensuite de nouveau des cloisons 31 vers les cloisons 33. Lorsque le volume de la chambre 21 diminue, la chaleur passe également entre les cloisons 31 et les cloisons 33 par l'intermédiaire du gaz. Ainsi, au cours d'un cycle, les cloisons 31 et 33 sont entièrement chaudes et transmettent leur chaleur au gaz.
Dans le cas où un matériau peu conducteur est utilisé pour les cloisons 31 et 33, la relation suivante doit être satisfaite : i 2 1^ gaz -a — > C-^cloison λgaz étant la conductivité thermique du gaz ;
^cloison étant la conductivité thermique du matériau constituant les cloisons 31 et 33 ; a étant l'amplitude du mouvement relatif des cloisons 31 et 33 ; d' étant la distance séparant deux cloisons 31 et 33 successives appartenant à deux demi-échangeurs différents ; et e étant l'épaisseur moyenne des cloisons 31 et 33.
L'utilisation possible de matériaux peu conducteurs permet de former des cloisons 31 et 33 en de nombreux matériaux, par exemple en des matériaux légers, en des matériaux à faible coût, ou autres matériaux bien adaptés à la formation de tels échangeurs, par exemple de l'acier.
On notera que la structure présentée comprenant deux demi-échangeurs imbriqués à coulissement en va-et-vient pourra être généralisée pour former tout type d'échangeur entre une source chaude (ou froide) et un gaz. En effet, on peut avanta¬ geusement tirer profit de la propagation améliorée de la chaleur entre les demi-échangeurs, du fait de leurs mouvements relatifs et de leur imbrication, pour former tout type d'échangeur, par exemple des radiateurs dans lesquels circule un gaz. Le gaz pourrait par exemple entrer pas l'une des parois et ressortir par la paroi opposée.
A titre d'exemple de valeurs numériques, la distance d entre les cloisons 31 et 33 pourra être comprise entre 0,3 et 2 mm et les cloisons pourront avoir une épaisseur comprise entre 0,1 et 0,6 mm, si le gaz dans la chambre 21 est de l'hydrogène ou de l'hélium. Le cylindre de la machine pourra avoir un diamètre compris entre 15 et 20 cm et la paroi 23 pourra se déplacer d'environ 3 cm dans le cylindre. Avec de telles dimen- sions, un temps de cycle compris entre 0,02 et 0,5 seconde permet de satisfaire à l'inéquation d^/T < D.
On notera également que les pertes dans les échangeurs sont encore atténuées si les cloisons 31, 33 sont légèrement plus fines à leurs extrémités libres qu'à leurs extrémités de maintien (vers les parois 23 et 25) .
La figure 4 est une vue en perspective de portions d'une machine susceptible de réaliser une compression ou une détente isotherme selon un mode de réalisation de la présente invention. Dans cette figure, le cylindre extérieur dans lequel se déplacent les éléments de la machine n'est pas représenté par souci de simplicité. De plus, les cloisons 31 et 33 ont été représentées éloignées les unes des autres, pour faciliter la compréhension. En pratique, ces cloisons sont imbriquées les unes dans les autres. Dans ce mode de réalisation, les cloisons 31 et 33 ont, en vue en coupe dans un plan perpendiculaire à la longueur de la chambre, des formes de spirales. Une première spirale forme les cloisons 31 et une seconde spirale forme les cloisons 33. Les spirales 31 et 33 sont prévues pour s'imbriquer l'une dans l'autre lors de la diminution du volume de la chambre 21. La figure 5 est une vue en perspective de portions d'une machine susceptible de réaliser une compression ou une détente isotherme selon un autre mode de réalisation de la présente invention.
Dans ce mode de réalisation, les cloisons 31 et 33 sont constituées, en vue en coupe selon une direction perpendi¬ culaire à la longueur de la chambre, de nombreuses plaques parallèles entre elles et séparées d'un pas. Dans l'exemple illustré, les plaques sont ondulées pour améliorer leur tenue mais on notera que ces plaques pourront également être planes . Les portions ondulées 31 sont décalées des portions ondulées 33, par exemple d'un demi pas, pour que ces portions s'imbriquent sans se toucher lors de la variation du volume de la chambre 21.
La paroi 23, qui est une paroi externe au système, doit être étanche au passage du gaz. Ainsi, dans la paroi 23, les portions 31, qu'elles soient en forme de spirale ou en forme de plaques parallèles, sont séparées par un matériau permettant l'étanchéité du gaz et/ou sont fixées à un corps de piston. A l'inverse, les parois internes au système, par exemple la paroi 25 des figures 3A à 3C, jouent deux rôles : permettre le maintien des portions 33 et laisser passer le gaz en direction, par exemple, d'un régénérateur. Ainsi, elles peuvent être par exemple perforées.
La figure 6 illustre une réalisation possible d'une structure de maintien d'une cloison en forme de spirale. Pour maintenir une cloison 31 ou 33 en forme de spirale telle que celle de la figure 4, on peut placer, entre les différentes spires, du côté où la spirale est fixée à une paroi, des moyens d'espacement et de tenue mécanique. Dans l'exemple de la figure 6, un tel moyen est constitué d'une bande 41 qui est roulée en même temps que la bande de matériau thermi- quement conducteur ou isolant et qui se retrouve donc à l'intérieur de l'enroulement. Dans cet exemple, la bande 41 est ondulée et la hauteur des ondulations fixe le pas entre les spires de la spirale 31, 33. On notera que la structure de la figure 6 peut également être utilisée pour former les parois 25, la bande 41 servant alors de maintien de la paroi 25 tout en laissant passer le gaz en direction du régénérateur. Dans le cas où la bande 41 est située entre des spires conductrices, cette bande sera de préférence à conductivité élevée, par exemple en un alliage d'aluminium. La figure 7 est une vue en coupe détaillée du corps d'une machine de Stirling mettant en oeuvre un mode de réalisa¬ tion de la présente invention.
La machine est formée dans un cylindre 51 et comprend une première chambre 53 et une deuxième chambre 55 séparées par un régénérateur 57. Un échangeur, constitué de deux demi- échangeurs tels que présentés ci-dessus, est formé dans chacune des chambres 53 et 55. Un premier demi-échangeur 59, respective¬ ment 61, situé dans la chambre 53, respectivement 55, s'étend à partir d'une paroi externe à la machine 63, respectivement 65. Un deuxième demi-échangeur 67, respectivement 69, situé dans la chambre 53, respectivement 55, s'étend à partir d'une paroi interne à la machine 71, respectivement 73, qui délimite l'emplacement du régénérateur.
Dans l'exemple représenté, le régénérateur 51 est constitué de cloisons 75, 77 qui s'étendent, respectivement, à partir des parois 71 et 73. Les cloisons 75 et 77 sont représen¬ tées imbriquées, par exemple selon une forme identique à celle des portions 59 et 67 ou 61 et 69. Les cloisons 75 et 77 sont de préférence en un matériau mauvais conducteur thermique mais ayant de bonnes propriétés d'échange thermique avec le gaz, c'est-à-dire une effusivité thermique suffisante. Par exemple, les cloisons 75 et 77 peuvent être en polycarbonate. Des guides parallèles au flux de gaz peuvent être ajoutés dans le régénéra¬ teur pour assurer que le gaz transitant par celui-ci parcourt le même trajet dans les deux sens de déplacement. On notera que la structure du régénérateur décrite ici n'est qu'un exemple et que tout type de régénérateur connu pourra être utilisé avec des échangeurs tels que celui des figures 3A à 3C.
Dans l'exemple représenté, un arbre central 79 est situé au coeur du cylindre 51. Cet arbre contient des éléments qui permettent le positionnement des différents éléments de la machine thermodynamique les uns par rapport aux autres. Les cloisons 59, 67, 61 et 69, voire même les cloisons 75 et 77, peuvent être formées sous forme de spirale autour de l'arbre 79. Des éléments permettant l 'étanchéité, l'isolation thermique, le maintien mécanique et/ou le déplacement des différentes parois 63, 65, 71 et 73 dans le cylindre 51 sont représentés en figure 7 par des portions hachurées .
Les figures 8A et 8B illustrent une autre réalisation possible d'une structure de maintien d'une cloison en forme de spirale.
En figure 8A, une couche 31, 33, thermiquement conduc¬ trice ou non, est enroulée autour d'un axe 81. Pendant l'enrou¬ lement de la couche 31, 33 sur l'axe 81, on enroule également, entre deux spires de la couche 31, 33, deux bandes 83 et 85 dont la forme en vue de dessus est crénelée. Les deux bandes 83 et 85 sont positionnées l'une sur l'autre de façon que les créneaux soient en opposition et légèrement superposés les uns sur les autres. On notera que la disposition des bandes 83 et 85 sur le matériau 31, 33 n'est représentée, en figure 8A, qu'à l'extrémité de l'enroulement.
La figure 8B illustre mieux la disposition des bandes 83 et 85 l'une par rapport à l'autre et la superposition de portions des créneaux de ces bandes. La superposition des bandes 83 et 85 forme un maintien de l'enroulement de matériau 31-33 tout en permettant le passage du gaz entre les différentes spires de la structure de la figure 8A. Ainsi, la structure des figures 8A et 8B peut avoir la même fonction que celle de la figure 6.
La figure 9 est une courbe illustrant l'effet correc- tif (Eff) associé à l'utilisation d'un dispositif selon un mode de réalisation par rapport à l'utilisation d'un dispositif classique (chambre non cloisonnée), en pourcentage, lors d'une détente ou d'une compression, en fonction du rapport D.T/d^. Etant donné que le rapport d^/T doit être inférieur à la diffu- sivité D du gaz, cela signifie que le rapport D.T/d^ doit être supérieur à 1. Dans cette courbe, un effet correctif de 0 % signifie que les pertes dues aux différences de température dans la chambre pendant les compressions et détentes ne sont pas atténuées, et un effet correctif de 100 % signifie que ces pertes sont inexistantes. L'utilisation des structures décrites ici apporte un effet correctif d'environ 50 % lorsque le rapport D.T/d^ est de l'ordre de 2 et d'environ 90 % lorsque ce rapport est de l'ordre de 10. Ainsi, l'invention permet de réduire fortement les pertes liées aux différences de température pendant les compressions et détentes et donc de réaliser des transformations isothermes.
L'utilisation d'échangeurs imbriqués permet d'obtenir des machines de Stirling susceptibles d'avoir un rendement de 85 % du rendement maximal de Carnot sur des plages de fonction¬ nement importantes. Il est également possible de former des machines ayant un volume plus faible pour un rendement similaire à celui des machines actuelles. De plus, le rendement est stable sur une gamme de températures chaude et froide importante, sans modification de la géométrie de la machine. Le rendement reste également bon sur des gammes de puissances importantes, en faisant varier le temps de cycle. On obtient également un bon rendement en cas de fonctionnement réversible.
Des modes de réalisation particuliers de la présente invention ont été décrits. Diverses variantes et modifications apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, on notera que l'on a décrit ici les différents avantages de l'invention par rapport à l'application faite de cette invention à des machines de Stirling réversibles. On notera que la formation de cloisons conductrices dans des chambres de compression ou de détente pour assurer le caractère isotherme de ces compressions ou détentes pourra être appliquée à toute machine réalisant de telles trans¬ formations, par exemple des machines de Ericsson. L'invention pourra également être appliquée à tout type de compresseur ou machine à air comprimé à piston linéaire.
On notera également que l'invention s'applique à des chambres de compression et/ou de détente cylindriques de forme quelconque, de révolution ou non.

Claims

REVENDICATIONS
1. Machine thermodynamique destinée à fonctionner à un temps de cycle minimum (T) comprenant au moins une chambre (21) de compression/détente et d'échange thermique, ladite chambre étant délimitée longitudinalement par des première et deuxième parois mobiles l'une par rapport à l'autre (23, 25), caractérisée en ce que ladite chambre est divisée par des cloisons (31, 33) s 'étendant longitudinalement à partir de chacune des première et deuxième parois, les cloisons étant imbriquées les unes dans les autres, la distance entre cloisons s 'étendant à partir d'une même paroi étant telle que le rapport entre cette distance (d) élevée au carré et ledit temps de cycle minimum (T) est inférieur à la diffusivité thermique moyenne (D) du gaz contenu dans la chambre (d^/T < D) .
2. Machine selon la revendication 1, dans laquelle la distance entre cloisons s 'étendant à partir d'une même paroi est telle que ledit rapport est inférieur à la moitié de la diffusi¬ vité thermique moyenne (D) du gaz contenu dans la chambre (21) .
3. Machine selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle la première paroi (23) est hermétique au gaz et est destinée à être mise en contact avec une source de chaleur et la seconde paroi (25) est adaptée à laisser circuler du gaz vers l'extérieur de la chambre de compression/détente.
4. Machine selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle la distance entre cloisons s 'étendant à partir d'une même paroi est inférieure à 2 mm, la machine ayant un temps de cycle supérieur à 0,02 secondes, le gaz contenu dans la chambre de compression/détente étant de l'hydrogène ou de 1 'hélium.
5. Machine selon la revendication 4, dans laquelle la distance entre cloisons s 'étendant à partir d'une même paroi est inférieure à 0,5 mm.
6. Machine selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans laquelle la chambre est cylindrique et dans laquelle les cloisons (31, 33) ont, en coupe selon une direction perpen- diculaire à la longueur de la chambre, une forme de spirale.
7. Machine selon la revendication 6, dans laquelle l'ensemble constitué d'une paroi et des cloisons associées est formé d'un enroulement d'une bande large et d'au moins une bande de séparation.
8. Machine selon la revendication 7, dans laquelle la bande de séparation est une bande ondulée (41) .
9. Machine selon la revendication 7, dans laquelle la bande de séparation est constituée de deux bandes crénelées (83, 85) placées en opposition et dont les créneaux se chevauchent.
10. Machine selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans laquelle la chambre est cylindrique et dans laquelle les cloisons (31, 33) forment, en coupe selon une direction perpendiculaire à la longueur de la chambre, un ensemble de portions ondulées parallèles entre elles.
11. Machine selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans laquelle la chambre est cylindrique et dans laquelle les cloisons (31, 33) forment, en coupe selon une direction perpendiculaire à la longueur de la chambre, un ensemble de portions planes parallèles entre elles.
12. Machine selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, dans laquelle au moins une paroi (23, 25) forme l'extrémité d'un piston commandable.
13. Machine selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, dans laquelle les cloisons (31, 33) sont en une céramique thermiquement conductrice, par exemple du carbure de silicium ou du nitrure d'aluminium, en cuivre, en aluminium ou en acier.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2963669A1 (fr) * 2010-08-06 2012-02-10 Jean Francois Chiandetti Echangeur thermique interne pour moteur a combustion externe, compresseur isotherme, pompe a chaleur et mecanisme refrigerant place au sein du volume de travail
DE102012107064B4 (de) 2011-12-17 2014-05-22 Andre Zimmer Heißgasmotor
WO2014005229A1 (fr) 2012-07-04 2014-01-09 Kairama Inc. Gestion de température pour compression et expansion de gaz
US10087883B2 (en) * 2012-07-24 2018-10-02 Alan Carl HOLSAPPLE Stirling engine with regenerator internal to the displacer piston and integral geometry for heat transfer and fluid flow
ITTO20120732A1 (it) * 2012-08-16 2014-02-17 Aldo Placidi Scambiatore di calore per un gruppo di conversione di energia, e gruppo di conversione di energia provvisto di tale scambiatore di calore
CA2928863C (fr) 2013-11-20 2019-02-12 Richard W. DORTCH, Jr. Moteur thermique a combustion basee sur la compression isotherme
WO2016189289A1 (fr) * 2015-05-27 2016-12-01 Michael Crowley Machine quasi-isotherme
WO2018237184A1 (fr) 2017-06-23 2018-12-27 Flir Systems, Inc. Systèmes et procédés de cryorefroidissement par mems
CN111213018B (zh) 2017-10-11 2022-07-15 泰立戴恩菲力尔商业系统公司 制冷机控制器系统和方法
US11261888B1 (en) 2018-12-12 2022-03-01 Brian Lee Davis Isothermal pump with improved characteristics
GB2598172B (en) * 2021-01-26 2022-11-30 David Crowley Michael Near isothermal machine

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB772753A (en) * 1952-10-03 1957-04-17 Lothar Richard Schiel Improved hot gas reciprocating engine
US3733974A (en) * 1969-09-26 1973-05-22 M Schuman Piston cylinder combination
DE2736472C3 (de) * 1977-08-12 1980-10-02 Arnulf Dipl.-Ing. Keller Hubkolbenmaschine, insbesondere Heißgasmaschine oder Verdichter
US4446698A (en) * 1981-03-18 1984-05-08 New Process Industries, Inc. Isothermalizer system
DE3705053A1 (de) * 1987-02-18 1988-09-01 Peter Rabien Einfachstirlingmotor
US6006824A (en) * 1994-03-28 1999-12-28 Ngk Insulators, Ltd. Ceramic shell-and-tube type heat exchanger, and method for manufacturing it
EP1179709B1 (fr) * 2000-08-09 2005-12-14 Calsonic Kansei Corporation Système de chauffage par combustion d'hydrogène
DE10319806B4 (de) * 2003-04-26 2007-04-05 Kraußer, Raimund Wärmekraftmaschine nach dem idealen Stirlingprinzip
DE102006021497A1 (de) * 2006-05-09 2007-11-15 Mdh Technology Gmbh Wärmekraftmaschine nach dem Stirling-Prinzip

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See references of WO2010037980A1 *

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Publication number Publication date
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