EP4308802B1 - Cartouche pour machine thermique à cycle thermodynamique et module pour machine thermique associé - Google Patents

Cartouche pour machine thermique à cycle thermodynamique et module pour machine thermique associé Download PDF

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EP4308802B1
EP4308802B1 EP22715581.9A EP22715581A EP4308802B1 EP 4308802 B1 EP4308802 B1 EP 4308802B1 EP 22715581 A EP22715581 A EP 22715581A EP 4308802 B1 EP4308802 B1 EP 4308802B1
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EP
European Patent Office
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cartridge
filling space
wall
piston
Prior art date
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EP22715581.9A
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English (en)
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EP4308802C0 (fr
EP4308802A1 (fr
Inventor
Pierre-Yves Berthelemy
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Cixten
Original Assignee
Cixten
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Publication date
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Publication of EP4308802B1 publication Critical patent/EP4308802B1/fr
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    • F01K7/32—Steam engine plants characterised by the use of specific types of engine; Plants or engines characterised by their use of special steam systems, cycles or processes; Control means specially adapted for such systems, cycles or processes; Use of withdrawn or exhaust steam for feed-water heating the engines using steam of critical or overcritical pressure
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F01K25/10—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours the vapours being cold, e.g. ammonia, carbon dioxide, ether
    • F01K25/103—Carbon dioxide
    • 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
    • F02G1/044—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 having at least two working members, e.g. pistons, delivering power output

Definitions

  • the present invention relates to the field of cartridges for thermodynamic cycle heat machines and associated thermodynamic cycle heat machine modules.
  • the current energy transition is bringing challenges in many areas and involves in particular reducing primary energy consumption.
  • the industrial sector produces large quantities of thermal energy, most of which is still rejected today in the form of residual heat, known as fatal heat.
  • This lost heat constitutes an enormous source of energy, directly available and already paid for, the recovery of which constitutes a strategic issue for industry.
  • the recovery of fatal heat can be done either by directly supplying heat networks or by being temporarily stored, or by being converted into electricity for internal or external use.
  • it poses many implementation constraints, in particular on the mandatory proximity of the end use.
  • Stirling engines Machines with external heat input and using a working fluid in a closed cycle without phase change are generally called Stirling engines. More specifically, the so-called beta or gamma type Stirling engines have a working piston and a displacer used to transfer the working fluid alternately from the hot side to the cold side. In this type of engine, the working piston and the displacer are mechanically linked. These engines are characterized by a very low power density and difficult power control because the rotation speed depends mainly from the temperature difference of the sources. The few commercially available machines therefore require a large temperature difference between the heat sources, often of the order of several hundred degrees Celsius, to compensate for the low thermal conductivities of the working gases used, the small heat exchange surfaces and the dead volumes of the regenerator.
  • thermodynamic cycle A multi-cylinder external heat input engine architecture is proposed in the publication WO02088536
  • the technique of "liquid" displacers implemented and the series connection of the pistons for the transfer of the thermodynamic fluid from one piston chamber to the other does not allow management of the position of the thermodynamic fluid independent of the working fluid, and therefore does not allow optimization of the thermodynamic cycle carried out.
  • the present invention aims to propose a scalable and modular solution allowing the exploitation of a heat source whose temperature is lower than 150 degrees Celsius.
  • the configuration in the form of a cartridge 1, 1' makes it possible to provide a modular and scalable solution.
  • the first profile 2 and the second profile 8 provide large internal and external exchange surfaces which contribute to the efficiency of heat transfer between the heat transfer fluid and the thermodynamic fluid.
  • the first profile 2 and the second profile 8 can be produced at very low cost.
  • the chamber 24 which is under pressure, for pressures preferably between 50 bars and 300 bars, preferably between 80 bars and 250 bars and which contains the displacer 25 is closed with respect to the low pressure environment.
  • the low pressure environment corresponds to pressures preferably between 0 bar and 50 bars and preferably between 0 bar and 10 bars.
  • the control of the displacer 25 is thus done from the outside of the chamber 24, by means of the movement of the piston 26.
  • the displacer 25 can perform, in addition to its function of moving the thermodynamic fluid, a regenerator function since the thermodynamic fluid flows around the displacer 25 during the movement between the first position P1 and the second position P2.
  • the displacer 25 can be heated or cooled by means of the heat transfer fluid alone, when it is static in the first position P1 or in the second position P2.
  • the first heat transfer fluid supply circuit A, B and the second heat transfer fluid supply circuit C, D make it possible to supply the external heat necessary for the operation of the heat engine preferably by ensuring a temperature difference between the so-called cold part and the so-called hot part.
  • figure 1 represents cartridge 1 with displacer 25 and piston 26 in the first position P1. In this configuration, the thermodynamic fluid is confined between the first profile 2 and the third profile 15 and is then in the first filling space 21, in contact with the temperature of the first heat transfer fluid supply circuit A, B.
  • the dotted line shows the second position P2 of the displacer 25 and the piston 26, in which the thermodynamic fluid is confined between the second profile 8 and the third profile 15 and is then in the second filling space 23, in contact with the temperature of the second heat transfer fluid supply circuit C, D.
  • the change from the first position P1 to the second position P2 or vice versa is controlled by the piston 26, preferably by means of a relative pressure between the points H and J, which thus makes it possible to move the thermodynamic fluid between the first filling space 21 and the second filling space 23.
  • a thermodynamic fluid supply outlet G connected to the chamber 24 of said at least one cartridge 1 makes it possible to exploit the strong pressure differences generated inside the cartridge 1 to exploit the energy.
  • the chamber 24 can accommodate a thermodynamic fluid that is under pressure, for example greater than 10 bars, but ideally above or equal to its critical pressure, so as to have a greatly improved convective heat transfer compared to a gas close to atmospheric pressure.
  • the improvement is typically one to two orders of magnitude, namely 100 to 1000 [W/m 2 .K] instead of 10 [W/m 2 .K]
  • the second filling space 23 which allows the thermodynamic fluid to be contained under high pressure is located between the third profile 15 and the second profile 8.
  • the thermodynamic fluid is preferably maintained in a supercritical state.
  • the thermodynamic fluid may be carbon dioxide, this example is not limiting.
  • the first filling space 21 which makes it possible to contain the thermodynamic fluid under high pressure, that is to say for pressures preferably between 50 bars and 300 bars, preferably between 80 bars and 250 bars, is located between the third profile 15 and the first profile 2.
  • the thermodynamic fluid is preferably maintained in a supercritical state.
  • the first profile 2 and/or the second profile 8 is made of a material with high thermal conductivity, preferably between 100 Watts per meter-Kelvin and 400 Watts per meter-Kelvin, for example an aluminum or copper alloy.
  • this property of the first profile 2 and/or the second profile 8 contributes to the efficiency of heat transfers between the heat transfer fluid and the thermodynamic fluid.
  • the third profile 15 is preferably made of non-magnetic material and the displacer 25 and the piston 26 are magnetically coupled to each other through the third profile 15 by magnetic connection means 27.
  • this configuration allows control of the displacer 25 from outside the chamber 24 by means of a magnetic coupling between the piston 26 and the displacer 25.
  • This magnetic coupling allows axial forces to be transmitted to the displacer 25 without mechanical contact and therefore without friction. thus avoiding causing losses and prohibitive wear through friction. This arrangement thus helps to limit losses.
  • Amagnetic means a material that does not have magnetic properties or whose magnetic permeability is low, i.e. for example close to 1 and generally less than 50.
  • the third profile 15 is made of stainless steel.
  • the piston 26 comprises one or more permanent magnets 32 and the displacer 25 comprises one or more permanent magnets 33, said permanent magnets 32, 33 forming said magnetic connection means 27.
  • said first profile 2 extends longitudinally over a first length L1 along an axis A1 and said second profile 8 extends longitudinally along the axis A1 over a second length L2.
  • said second profile 8 is in the extension of the first profile 2 in the direction of the axis A1.
  • the first length L1 is equal to the second length L2, so as to allow symmetry of the cartridge according to the joining means 14 described below, as illustrated by the figures 1 , 3 And 4 .
  • said first profile 2 comprises a first end 6 and a second joining end 7
  • said second profile 8 comprises a first end 12 and a second joining end 13
  • the first profile 2 and the second profile 8 are joined to each other by joining means 14 at their respective second joining ends 7, 13.
  • first profile 2 and the second profile 8 are distinct from each other to avoid heat transfers, while being connected to each other by the joining means 14.
  • the first exchanger and the second exchanger are mounted opposite each other on the joining means 14.
  • the second junction ends 7, 13 on the one hand are configured to allow the junction with the junction means 14 and on the other hand comprise at least one opening leading to the first/second circulation means 3, 9.
  • the joining means 14 have a thermal conductivity lower than the thermal conductivity of said first profile 2 and/or of the second profile 8.
  • the joining means 14 make it possible to thermally separate the first profile 2 and the second profile 8.
  • the joining means 14 comprise at least one thermal insulating material arranged at least to thermally insulate said first profile 2 from said second profile 8 or vice versa.
  • this configuration allows better insulation between the so-called cold part and the so-called hot part of the cartridge 1, 1'.
  • the junction means 14 may consist of a junction plate 39 which may be covered on each face with a layer of insulating material.
  • said third profile 15, said first profile 2 and said second profile 8, the displacer 25 and the piston 26 are coaxial along said axis A1.
  • this configuration makes it possible to define a chamber 24 of annular shape.
  • the third profile 15 is thus arranged concentrically on a diameter smaller than the first profile 2 and the second profile 8.
  • the third profile 15 extends longitudinally along said axis A1 over a third length L3, said third length L3 being greater than the first length L1 or the second length L2 and preferably greater than or equal to the sum of the first length L1 and the second length L2.
  • the third profile 15 passes through the so-called cold part and the so-called hot part of the cartridge 1, 1' over a length L3 as defined above.
  • the displacer 25 can be moved alternately between the so-called cold part and the so-called hot part by sliding at least over a portion of the third length L3 of the third profile 15.
  • the third profile 15 is a hollow tube of cylindrical shape.
  • the third profile 15 comprises a first end 18 and a second end 19, the first end 6 of the first profile 2 and the first end 18 of the third profile 15 are joined by connecting means, and the first end 12 of the second profile 8 and the second end 19 of the third profile 15 are joined by connecting means.
  • the first end 6 of the first profile 2 and the first end 18 of the third profile 15 are fixed to each other for example, by crimping, brazing, joining or by one or more additional elements.
  • the first end 6 of the first profile 2 has a conical shape, this example is not limiting.
  • the first end 12 of the second profile 8 and the second end 19 of the third profile 15 are fixed to each other for example, by crimping, brazing, joining or by one or more additional elements.
  • the first end 12 of the second profile 8 has a conical shape, this example is not limiting.
  • the cartridge 1, 1' comprises a first reinforcing piece 28 of radial and/or axial constraints in which the first profile 2 is gripped and a second reinforcing piece 29 of radial and/or axial constraints in which the second profile 8 is gripped.
  • the first reinforcing piece 28 and the second reinforcing piece 29 make it possible to take up the radial and/or axial pressure forces, which makes it possible to minimize the first thickness E1 of the first profile 2 and the second thickness E2 of the second profile 8 in order to bring the heat transfer fluid as close as possible to the thermodynamic fluid.
  • These pressure forces are due to the pressure of the thermodynamic fluid contained in the chamber 24 which are exerted on the first and second profiles 2, 8.
  • the assembly of the first reinforcement part 28 to the first profile 2 and the assembly of the second reinforcement part 29 to the second profile 8 can be done by an assembly method which ensures zero radial clearance between the two parts: pressing/shrinking/gluing/forming of the tube by rolling or shrinking.
  • FIG. 2 illustrates the absorption of radial forces by the second reinforcement piece 29 in order to minimize the second thickness E2 of the second profile 8.
  • Figures 7, 8 and 9 illustrate the absorption of radial forces by the first reinforcement piece 28 in order to minimize the first thickness E1 of the first profile 2.
  • the first reinforcing piece 28 or the second reinforcing piece 29 may comprise a strapping.
  • the first reinforcing piece 28 and the second reinforcing piece 29 have a hollow cylindrical shape.
  • the first profile 2 and the second profile 8 are each assembled without play in the strapping.
  • the radial forces are taken up by the strapping.
  • the strapping can itself be fixed on one side to the first end 6, 12 of the first/second profile 2, 8 and on the other side be fixed to the joining means 14.
  • the first reinforcing piece 28 or the second reinforcing piece 29 may, in addition to the strapping, comprise a flange 51 held by fixing means 52 to the first/second profile 2, 8.
  • the axial forces are taken up by the flange, which is particularly important for a 1,1' cartridge whose diameter is preferably between 20 millimeters and 120 millimeters.
  • the flange 51 can further form a first/second dividing wall 48, 49 described below.
  • the first reinforcing piece 28 or the second reinforcing piece 29 comprises only the strapping and the axial forces are taken up by the first/second profile 2, 8 and the third profile 15.
  • the first reinforcement piece 28 and/or the second reinforcement piece 29 and/or the first profile 2 and/or the second profile 8 and/or the third profile 15 is arranged to absorb axial forces.
  • the first thickness E1 of the first profile 2 and/or the second thickness E2 of the second profile 8 is between 1 millimeter and 15 millimeters, preferably between 2 millimeters and 6 millimeters.
  • the internal wall 4 of the first profile 2 and/or the internal wall 10 of the second profile 8 has a crenellated surface ( figures 7 , 8 And 9 ) and/or a smooth surface ( figure 2 ).
  • the smooth contact surface between the second profile 8 and the thermodynamic fluid is at its simplest with a tubular geometry.
  • the internal wall 4 and/or the internal wall 10 has a crenellated surface ( figure 7 , 8 And 9 ) then the surface area is increased compared to a smooth surface ( figure 2 ) and the heat exchanges are improved.
  • the exchange surface is extended.
  • said first profile 2 has a first thickness E1 between the internal wall 4 and the external wall 5 and the first profile 2 comprises in its first thickness E1 at least one channel 30 and/or at least one groove 31 forming said first circulation means 3, said at least one channel 30 and/or at least one groove 31 extending in a longitudinal direction parallel to the axis A1 and over a length L4.
  • said at least one channel 30 and/or said at least one groove 31 allows the circulation of the heat transfer fluid in the first exchanger.
  • the channel 30 has a substantial exchange surface between the heat transfer fluid and the first profile 2. This configuration contributes to maximizing heat transfers.
  • said second profile 8 has a second thickness E2 between the internal wall 10 and the external wall 11 and the second profile 8 comprises in its second thickness E2 at least one channel 30 and/or at least one groove 31 forming said second circulation means 9, said at least one channel 30 and/or at least one groove 31 extending in a longitudinal direction parallel to the axis A and over a length L5.
  • said at least one channel 30 and/or said at least one groove 31 allows the circulation of the heat transfer fluid in the second exchanger.
  • the channel 30 has a substantial exchange surface between the heat transfer fluid and the second profile 8. This configuration contributes to maximizing heat transfers.
  • said at least one channel 30 has a square or rectangular or trapezoidal section ( figure 8 ) or circular ( figure 7 ).
  • Said at least one groove 31 can be opened ( figures 2 And 3 ).
  • Said at least one channel 30 and/or at least one groove 31 may be rectilinear or helical.
  • the section of the displacer 25 is smaller than the section of the chamber 24 so as to respectively provide a clearance J1 between the displacer 25 and the internal wall 4 of the first profile 2 or a clearance J2 between the displacer 25 and the internal wall 10 of the second profile 8 ( figures 2 , 7 , 8 And 9 ).
  • This game J1, J2 advantageously allows the passage of the thermodynamic fluid during the movement of the displacer 25. Each time the thermodynamic fluid passes, part of the heat of the latter is transferred to the displacer 25 to perform the regeneration function.
  • said clearance J1, J2 is between 0.05 millimeters and 5 millimeters, preferably between 0.1 millimeters and 1 millimeter.
  • the section of the displacer 25 is equal to the section of the chamber 24 and the displacer 25 is at least partly in a porous material.
  • the porosity of the displacer 25 advantageously allows the passage of the thermodynamic fluid during the movement of the displacer 25. Each time the thermodynamic fluid passes, part of the heat of the latter is transferred to the displacer to perform the regeneration function.
  • the section of the chamber 24 is annular in shape and the section of the displacer 25 is annular in shape ( figure 2 ).
  • the displacer 25 matches the shape of the internal wall 4 of the first profile 2 and/or the internal wall 10 of the second profile 8 ( figures 7 And 8 ).
  • the piston 26 is a low pressure piston.
  • the low pressure environment corresponds to pressures preferably between 0 bar and 50 bar and preferably between 0 bar and 10 bar.
  • said cartridge 1' is called hybrid and further comprises a hydraulic piston 34 arranged inside the first filling space 21 or the second filling space 23 of said chamber 24, the first filling space 21 or the second filling space 23 being capable and intended to contain at least one hydraulic fluid and being capable and intended to be connected to a supply outlet of a hydraulic fluid E and said hydraulic piston 34 is slidably mounted in the direction of the axis A1 relative to the external wall 17 of said third profile 15 and movable inside the first filling space 21 or the second filling space 23 between a first position P3 and a second position P4 and configured to on the one hand be moved by said at least one thermodynamic fluid and to alternately move said at least one hydraulic fluid in the first filling space 21 or the second filling space 23.
  • the particularity of this configuration is that the displacer 25 then follows the position of the hydraulic piston 34 while being held in abutment against the latter during the cooling phases.
  • the hydraulic piston 34 only moves in one of the two thermal parts, either in the so-called hot part or in the so-called cold part.
  • the hydraulic piston 34 represents the physical interface between the thermodynamic fluid and the hydraulic fluid and does not have to be completely sealed if, for example, the fluids are immiscible and insoluble with each other.
  • the chamber 24 of the cartridge 1 is suitable and intended to be connected to a hydraulic piston 34 suitable and intended to be connected to a hydraulic fluid supply circuit E.
  • a thermodynamic fluid supply outlet G connected to the chamber 24 of said at least one cartridge 1 can be connected to the hydraulic piston 34 which ensures the transmission of pressure from the thermodynamic fluid to a hydraulic fluid, for example oil or water or equivalent.
  • the hydraulic piston 34 is preferably contained in a tube or cylinder. This hydraulic piston 34 is ideally maintained at temperature by being supplied by the first/second heat source, for example via the first/second supply circuit A, B/C, D.
  • thermodynamic fluid leaving the cartridge 1 continues to be cooled or heated, depending on whether the hydraulic piston 34 is supplied with a first/second heat source.
  • the working fluid for the energy recovery system may be different from the thermodynamic fluid, avoiding the use of a turbine operating with a thermodynamic fluid in the supercritical phase.
  • one or more cartridges 1 may be connected to one or more hydraulic pistons 34.
  • the hydraulic piston(s) 34 may be outside the module described below or inside the module described below in order to centralize the heat supply.
  • the module can comprise one or more cartridges 1, 1' depending on the power of the desired thermal machine.
  • the size of the module can be adapted to the number of cartridges 1, 1' to be integrated for a targeted power of the thermal machine.
  • the module includes a single cartridge 1.
  • the module includes six 1 cartridges.
  • the module comprises at least one cartridge 1' described above, called hybrid comprising a hydraulic piston 34 arranged inside the first filling space 21 or the second filling space 23 of said chamber 24.
  • the module includes a single cartridge called hybrid 1'.
  • the exchange surface is no longer symmetrical between the hot part and the cold part.
  • the module comprises a cartridge 1 and a cartridge 1' called hybrid.
  • the exchange surface is however no longer symmetrical between the hot part and the cold part. This lack of symmetry can be partly compensated in the module with multiple cartridges 1, 1' by using a ratio of a so-called hybrid cartridge 1' combined with several basic cartridges 1 without hydraulic piston 34. The hydraulic piston 34 of the so-called hybrid cartridge 1' then taking over the expansion of several cartridges 1 without hydraulic piston 34.
  • the module integrates six 1, 1' cartridges with a ratio of two 1 cartridges without hydraulic piston 34 for one 1' cartridge called hybrid.
  • the module comprises two insulating enclosures separated by the junction plate 39 and receiving at least in part said at least one cartridge 1, 1' or a plurality of cartridges 1, 1'.
  • the two insulating enclosures can be delimited by one or more casings.
  • each insulating enclosure is directly supplied by the first or second heat source, which makes it possible to centrally supply said at least one cartridge 1, 1' or a plurality of cartridges 1, 1' with heat transfer fluid instead of having to supply each cartridge 1, 1' individually.
  • the size of the two insulating enclosures can be adapted to the number of cartridges 1, 1' to be integrated for a targeted power of the thermal machine.
  • the working fluid supply circuit H, J is formed of said first heat transfer fluid supply circuit A, B and said second heat transfer fluid supply circuit C, D.
  • the working fluid supply source H, J at the fifth supply port 40 is the same as that of the first heat transfer fluid supply circuit A, B, and the working fluid supply source at the sixth supply port 41 is the same as that of the second heat transfer fluid supply circuit C, D.
  • the relative pressure difference between the first fluid supply circuit A, B and the working fluid supply circuit C, D is 100. heat transfer fluid A, B and the second heat transfer fluid supply circuit C, D enable the piston 26 to be actuated.
  • the working fluid supply circuit H, J is distinct from said first heat transfer fluid supply circuit A, B and from said second heat transfer fluid supply circuit C, D ( figures 18 And 19 ).
  • the junction plate 39 has a thermal conductivity lower than the thermal conductivity of said first profile 2 and/or of the second profile 8.
  • the junction plate 39 has a thermal separation function.
  • the junction plate 39 is made of steel-type metal.
  • the first reinforcing piece 28 and the second reinforcing piece 29 are fixed respectively to the junction plate 39.
  • the module comprises a first insulating enclosure 43 which comprises at least one first compartment 44 into which said at least one first supply orifice 35 of the first circulation means 3 opens and at least one second compartment 45 into which said at least one second supply orifice 36 of the first circulation means 3 opens.
  • the module comprises a second insulating enclosure 43' which comprises at least one third compartment 46 into which said at least one third supply orifice 37 of the second circulation means 9 opens and at least one fourth compartment 47 into which said at least one fourth supply orifice 38 of the second circulation means 9 opens.
  • the second reinforcing piece 29 comprises said third supply orifice 37 and said fourth supply orifice 38 of the second circulation means 9.
  • the first insulating enclosure 43 comprises a so-called cold part of the cartridge 1, 1' and is designed to receive the heat transfer fluid coming from the first heat source to supply the first circuit. heat transfer fluid supply circuit A, B.
  • the second insulating enclosure 43' comprises a so-called hot part of the cartridge 1, 1' and is designed to receive the heat transfer fluid coming from the second heat source to supply the second heat transfer fluid supply circuit C, D.
  • the junction plate 39 separates the first enclosure 43 from the second enclosure 43'.
  • the first reinforcing piece 28 comprises said first supply orifice 35 and said second supply orifice 36 of the first circulation means 3.
  • This configuration makes it possible to bathe the first/second reinforcement piece 28, 29 and the first/second profile 2, 8 in the heat transfer fluid.
  • the first compartment 44 and the second compartment 45 are preferably delimited by at least one first dividing wall 48.
  • the third compartment 46 and the fourth compartment 47 are preferably delimited by at least one second dividing wall 49.
  • the first dividing wall 48 and/or the second dividing wall 49 act as hydraulic shutters and preferably do not withstand high mechanical stresses.
  • the first separating wall 48 and/or the second separating wall 49 are preferably made of plastic or elastomer materials, these examples are not limiting.
  • the first supply port 35 and the second supply port 36 are arranged on either side of the first dividing wall 48, which ensures that the flow of the heat transfer fluid between A and B takes place inside the first reinforcement piece 28 between the latter and the first profile 2, and not outside the first reinforcement piece 28.
  • the third feed port 37 and the fourth feed port 38 are arranged on either side of the first dividing wall 48, which ensures that the flow of the heat transfer fluid between C and D takes place inside the second reinforcing piece 29 between the latter and the second profile 8, and not outside the second reinforcing piece 29.
  • said at least one fifth supply port 40 of the working fluid supply circuit H, J opens into the first compartment 44 and said at least one sixth supply port 41 of the working fluid supply circuit H, J opens into the third compartment 46.
  • the working fluid supply source H, J at the fifth supply port 40 is identical to that of the first heat transfer fluid supply circuit A, B, just as the working fluid supply source at the sixth supply port 41 is identical to that of the second heat transfer fluid supply circuit C, D.
  • the module may comprise at least two cartridges 1, 1' and the chambers 24 of each cartridge 1 are connected to each other by at least one interconnection pipe 50, preferably arranged in said at least one junction plate 39 and the thermodynamic fluid supply outlet G of the module or the hydraulic fluid supply outlet E of the module is preferably arranged in said junction plate 39.
  • said at least one interconnection pipe 50 allows interconnection of each chamber 24 of each cartridge 1, 1'.
  • the invention also relates to a thermal machine capable and intended to carry out at least one conversion of thermal energy into mechanical energy comprising at least one thermodynamic fluid preferably in the supercritical state and capable and intended to implement a thermodynamic cycle comprising at least one isochoric heating phase, optionally an isobaric heating phase, an expansion phase and an isobaric cooling phase, the thermal machine comprising at least one module according to the invention described above.

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Description

  • La présente invention concerne le domaine des cartouches pour machine thermique à cycle thermodynamique et des modules pour machine thermique à cycle thermodynamique associés.
  • La transition énergétique actuelle engagée apporte des enjeux dans de nombreux domaines et passe notamment par la réduction de la consommation d'énergie primaire. A ce titre, le secteur industriel produit de grandes quantités d'énergie thermique dont une majeure partie est encore aujourd'hui rejetée sous forme de chaleur résiduelle, dite chaleur fatale. Cette chaleur perdue constitue un énorme gisement d'énergie, directement disponible et déjà payée, dont la valorisation constitue un enjeu stratégique pour l'industrie. La récupération de la chaleur fatale peut être faite soit en alimentant directement des réseaux de chaleur ou être temporairement stockée, soit être convertie en électricité pour une utilisation interne ou externe. Pour les rejets à basses températures, c'est-à-dire inférieurs à 100 degrés Celsius, il n'existe à ce jour aucune machine commercialement viable pour la conversion en électricité, faute de rentabilité économique, l'usage en réseau de chaleur étant l'unique alternative possible. Elle pose cependant de nombreuses contraintes de mise en oeuvre, notamment sur la proximité obligatoire de l'utilisation finale.
  • Les développements actuels des machines à apport de chaleur externe sont donc limités pour des températures dont le gisement est finalement moins important.
  • D'autres sources naturelles de chaleur peuvent facilement être disponibles telles que la géothermie basse température ou le solaire thermique. Aujourd'hui ces ressources renouvelables sont utilisées uniquement pour des réseaux de chaleur.
  • Les machines à apport de chaleur externe et exploitant un fluide de travail en cycle fermé sans changement de phase sont généralement appelées moteurs Stirling. Plus particulièrement, les moteurs Stirling dits de type beta ou gamma, comportent un piston de travail et un déplaceur servant à transférer le fluide de travail alternativement du côté chaud au côté froid. Dans ce type de moteur, le piston moteur et le déplaceur sont liés mécaniquement. Ces moteurs sont caractérisés par une très faible puissance volumique et un pilotage difficile en puissance car la vitesse de rotation dépend principalement de la différence de température des sources. Les rares machines commercialisées nécessitent de ce fait une large différence de température entre les sources de chaleur, souvent de l'ordre de plusieurs centaines de degrés Celsius, pour compenser les faibles conductivités thermiques des gaz de travail employés, les faibles surfaces d'échange de chaleur et les volumes morts du régénérateur.
  • Pour améliorer la puissance volumique, on connaît de la publication WO2018062627A1 certains moteurs Stirling qui ont été développés pour fonctionner avec un gaz sous pression voire également avec un fluide en phase supercritique tel que le dioxyde de carbone mais les très hautes pressions exigées combinées aux vitesses de rotation importantes du moteur, typiquement de l'ordre de 3000tr/min, induisent des pertes problématiques par frottement et par pompage du fluide de travail. Au niveau des pistons de travail, la tenue des joints dynamiques sous haute pression et haute température reste également un défi pour assurer une certaine longévité au moteur et éviter les fuites.
  • Un autre concept dans cette catégorie de machine utilisant les propriétés du dioxyde de carbone proche du point critique est proposé dans la publication WO02/01 052A2 , dans lequel le fluide de travail n'est pas déplacé mais les sources de chaleur sont alternativement mises au contact du fluide par le biais d'écrans thermiques mobiles. Ce système est constructivement complexe à réaliser du fait de l'alternance des sources chaudes et froides à intégrer dans chaque cylindre. Cette configuration génère d'importantes pertes thermiques, notamment par l'intermédiaire des écrans thermiques successivement mis au contact des sources de chaleur qui ne contribuent pas directement au réchauffement ou au refroidissement du fluide tel un régénérateur usuel.
  • La publication WO2016/165687A1 décrit également un procédé de conversion de chaleur avec un cycle supercritique utilisant du dioxyde de carbone, dans lequel la détente se fait de manière isotherme grâce à un système d'oscillateur. Le piston oscillant, qui doit être piloté en fonction de la course du piston de travail, fonctionne comme un agitateur actif du fluide supercritique au cours de la détente pour augmenter les transferts thermiques par convection. La complexité de la construction due à l'intégration dans chaque cylindre de l'oscillateur, d'un régénérateur, de pistons et d'un déplaceur, rend ce concept non attractif pour de grandes installations et une production à grande échelle. De plus l'amélioration du transfert de chaleur par l'augmentation de la convection dans le cylindre est limitée par la faible surface de contact du cylindre avec les sources de chaleur. Le concept est ainsi prévu pour fonctionner avec un écart de température supérieur à 150 degrés Celsius.
  • Les développements concernant notamment les Stirling dits à piston libre (FPSE Free Piston Stirling Engine) ont conduit à essayer de limiter les pertes thermiques entre la source chaude et froide pour augmenter l'efficacité des moteurs. La publication WO2005/042958 propose ainsi d'intégrer le régénérateur dans une pièce à basse conductivité thermique de type céramique reliant les parties chaude et froide. Cependant, cette configuration ne permet pas le pilotage du déplaceur et à chaque piston doit être intégré le générateur électrique, ce qui devient problématique pour des installations de grandes puissances nécessitant alors plusieurs cylindres.
  • Une architecture de moteur à apport de chaleur externe multi cylindres est proposée dans la publication WO02088536 . La technique de déplaceurs « liquides» mise en oeuvre et la connexion en série des pistons pour le transfert du fluide thermodynamique d'une chambre de piston à l'autre ne permet pas une gestion de la position du fluide thermodynamique indépendante du fluide de travail, et ne permet donc pas d'optimiser le cycle thermodynamique réalisé.
  • Dans un moteur Stirling classique, l'accouplement mécanique entre le déplaceur et le piston de travail ne permet pas de réaliser correctement les transformations thermodynamiques du fait de la rotation continue, réduisant ainsi fortement le rendement réel de ce type de moteur. La chambre sous pression ne peut être correctement étanchéifiée pour les hautes pressions (>10 bar) du fait des vitesses élevées de rotation et engendre des pertes par frottement élevées. Les transferts thermiques sont très faibles pour les basses températures, conduisant à des puissances volumiques très basses.
  • Le découplage mécanique des déplaceurs et des pistons de travail, qui permet comme expliqué dans l'état de l'art un meilleur contrôle des transformations thermodynamiques en vue d'améliorer le rendement, nécessite en revanche dans les solutions actuelles l'ajout de systèmes d'actionneurs externes supplémentaires, les déplaceurs n'étant plus entraînés par la rotation du moteur. Dans le cas de moteur multi-cylindres, ces systèmes deviennent très compliqués et onéreux à mettre en oeuvre, chaque déplaceur de chaque cylindre ayant alors besoin d'un actionneur.
  • La présente invention vise à proposer une solution évolutive et modulaire permettant l'exploitation de source de chaleur dont la température est inférieure à 150 degrés Celsius.
  • A cet effet l'invention concerne une cartouche pour le déplacement d'un fluide thermodynamique entre une partie froide reliée à une première source de chaleur et une partie chaude reliée à une deuxième source de chaleur pour machine thermique à cycle thermodynamique caractérisée en ce qu'elle comprend au moins :
    • un premier échangeur, formant une partie dite froide, comprenant un premier profil creux comprenant des premiers moyens de circulation d'au moins un fluide caloporteur aptes et destinés à être raccordés à un premier circuit d'alimentation en fluide caloporteur relié à une première source de chaleur, ledit premier profilé comprenant une paroi interne et une paroi externe,
    • un deuxième échangeur, formant une partie dite chaude, comprenant un deuxième profilé creux comprenant des deuxièmes moyens de circulation d'au moins un fluide caloporteur aptes et destinés à être raccordés à un deuxième circuit d'alimentation en fluide caloporteur relié à une deuxième source de chaleur, ledit deuxième profilé comprenant une paroi interne et une paroi externe,
    • un troisième profilé creux apte et destiné à être raccordé à au moins un circuit d'alimentation en au moins un fluide de travail, ledit troisième profilé étant disposé à l'intérieur du premier profilé et du deuxième profilé, ledit troisième profilé comprenant une paroi interne et une paroi externe,
    • au moins une partie de la paroi interne du premier profilé et une première partie de la paroi externe du troisième profilé étant espacées et situées en regard l'une de l'autre de sorte à former un premier espace de remplissage,
    • au moins une partie de la paroi interne du deuxième profil et une deuxième partie de la paroi externe du troisième profilé étant espacées et situées en regard l'une de l'autre de sorte à former un deuxième espace de remplissage,
    • au moins une chambre apte et destinée à contenir au moins un fluide thermodynamique préférentiellement à haute pression et à l'état supercritique, ladite chambre comprenant au moins le premier espace de remplissage et le deuxième espace de remplissage lesquels sont communicants,
    • au moins un déplaceur disposé à l'intérieur de ladite chambre et monté coulissant relativement à la paroi externe dudit troisième profilé et mobile entre une première position et une deuxième position, et configuré pour déplacer alternativement ledit au moins un fluide thermodynamique entre le premier espace de remplissage et le deuxième espace de remplissage,
    • un piston disposé à l'intérieur dudit troisième profilé et monté coulissant relativement à la paroi interne dudit troisième profil et mobile entre la première position et la deuxième position, le piston étant apte et destiné à être déplacé par ledit au moins un fluide de travail entre la première position et la deuxième position,
    • le déplaceur et le piston étant couplés l'un à l'autre.
  • L'invention concerne également un module pour le déplacement d'un fluide thermodynamique alternativement entre une partie froide reliée à une première source de chaleur et une partie chaude reliée à une deuxième source de chaleur pour machine thermique à cycle thermodynamique caractérisé en ce qu'il comprend au moins une cartouche ou une pluralité de cartouches selon l'invention, et en ce qu'il comprend :
    • un premier circuit d'alimentation en fluide caloporteur raccordé auxdits premiers moyens de circulation de ladite au moins une cartouche par au moins un premier orifice d'alimentation et au moins un deuxième orifice d'alimentation des premiers moyens de circulation,
    • un deuxième circuit d'alimentation en fluide caloporteur raccordé auxdits deuxièmes moyens de circulation de ladite au moins une cartouche par au moins un troisième orifice d'alimentation et au moins un quatrième orifice d'alimentation des deuxièmes moyens de circulation,
    • une platine de jonction comprenant au moins lesdits moyens de jonction de la cartouche,
    • un circuit d'alimentation en fluide de travail, raccordé audit troisième profilé de ladite au moins une cartouche par au moins un cinquième orifice d'alimentation que comprend le troisième profilé et au moins un sixième orifice d'alimentation que comprend le troisième profilé, agencé pour piloter le déplacement du piston,
    • une sortie d'alimentation en fluide thermodynamique raccordée à la chambre de ladite au moins une cartouche ou une sortie d'alimentation d'un fluide hydraulique raccordée au premier espace de remplissage ou au deuxième espace de remplissage de ladite chambre.
  • L'invention sera mieux comprise, grâce à la description ci-après, qui se rapporte à plusieurs modes de réalisation préférés, donnés à titre d'exemples non limitatifs, et expliqués avec référence aux dessins schématiques annexés, dans lesquels
    • [Fig. 1] la figure 1 représente une vue en coupe d'une cartouche selon l'invention,
    • [Fig. 2] la figure 2 représente une vue en coupe transversale de la cartouche de la figure 1 ,
    • [Fig. 3] la figure 3 représente une vue en coupe d'une cartouche selon une première variante de réalisation de l'invention,
    • [Fig. 4] la figure 4 représente une vue en coupe d'une cartouche selon une deuxième variante de réalisation de l'invention,
    • [Fig. 5] la figure 5 représente une vue en perspective d'une partie de la cartouche selon la première variante de réalisation de l'invention,
    • [Fig. 6] la figure 6 représente une vue en perspective d'une partie de la cartouche selon la première variante de réalisation de l'invention,
    • [Fig. 7] la figure 7 représente une vue en coupe transversale de la cartouche selon l'invention montrant des moyens de circulation sous la forme de canaux de section circulaire,
    • [Fig. 8] la figure 8 représente une vue en coupe transversale de la cartouche selon l'invention montrant des moyens de circulation sous la forme de canaux de section trapézoïdale,
    • [Fig. 9] la figure 9 représente une vue en coupe transversale de la cartouche selon l'invention montrant des moyens de circulation sous la forme rainures ouvertes,
    • [Fig. 10] la figure 10 représente une vue en coupe d'une cartouche dite hybride dans une troisième variante de réalisation selon l'invention
    • [Fig. 11] la figure 11 représente une vue en coupe d'une cartouche selon la figure 1 reliée à un piston hydraulique selon une quatrième variante de l'invention,
    • [Fig. 12] la figure 12 représente une vue en coupe d'un module comprenant une cartouche selon la figure 1 ,
    • [Fig. 13] la figure 13 représente une vue en coupe d'un module comprenant une cartouche dite hybride selon la figure 10,
    • [Fig. 14] la figure 14 représente une vue en coupe d'un module comprenant une cartouche selon la figure 1 et une cartouche dite hybride selon la figure 10,
    • [Fig. 15] la figure 15 représente une platine de jonction,
    • [Fig. 16] la figure 16 représente une vue en coupe d'un module comprenant quatre cartouches selon la figure 4 et deux cartouches dite hybrides selon l'invention,
    • [Fig. 17] la figure 17 représente une vue en perspective du module de la figure 16.
    • Fig. 18] la figure 18 représente une vue en coupe d'un module comprenant six cartouches selon la figure 3,
    • [Fig. 19] la figure 19 représente une vue en perspective du module de la figure
  • Conformément à l'invention et comme l'illustrent notamment les figures 1 à 9, une cartouche 1 , 1' pour le déplacement d'un fluide thermodynamique entre une partie froide reliée à une première source de chaleur et une partie chaude reliée à une deuxième source de chaleur pour machine thermique à cycle thermodynamique comprend au moins :
    • un premier échangeur, formant une partie dite froide, comprenant un premier profilé 2 creux comprenant des premiers moyens de circulation 3 d'au moins un fluide caloporteur aptes et destinés à être raccordés à un premier circuit d'alimentation en fluide caloporteur A, B relié à une première source de chaleur, ledit premier profilé 2 comprenant une paroi interne 4 et une paroi externe 5,
    • un deuxième échangeur, formant une partie dite chaude, comprenant un deuxième profilé 8 creux comprenant des deuxièmes moyens de circulation 9 d'au moins un fluide caloporteur aptes et destinés à être raccordés à un deuxième circuit d'alimentation en fluide caloporteur C, D relié à une deuxième source de chaleur, ledit deuxième profilé 8 comprenant une paroi interne 10 et une paroi externe 11 ,
    • un troisième profilé 15 creux apte et destiné à être raccordé à au moins un circuit d'alimentation en au moins un fluide de travail J, H, ledit troisième profilé 15 étant disposé à l'intérieur du premier profilé 2 et du deuxième profilé 8, ledit troisième profilé 15 comprenant une paroi interne 16 et une paroi externe 17,
    • au moins une partie de la paroi interne 4 du premier profilé 2 et une première partie 20 de la paroi externe 17 du troisième profilé 15 étant espacées et situées en regard l'une de l'autre de sorte à former un premier espace de remplissage 21 ,
    • au moins une partie de la paroi interne 10 du deuxième profilé 8 et une deuxième partie 22 de la paroi externe 17 du troisième profilé 15 étant espacées et situées en regard l'une de l'autre de sorte à former un deuxième espace de remplissage 23,
    • au moins une chambre 24 apte et destinée à contenir au moins un fluide thermodynamique préférentiellement à haute pression et à l'état supercritique, ladite chambre 24 comprenant au moins le premier espace de remplissage 21 et le deuxième espace de remplissage 23 lesquels sont communicants,
    • au moins un déplaceur 25 disposé à l'intérieur de ladite chambre 24 et monté coulissant relativement à la paroi externe 17 dudit troisième profilé 15 et mobile entre une première position P1 et une deuxième position P2, et configuré pour déplacer alternativement ledit au moins un fluide thermodynamique entre le premier espace de remplissage 21 et le deuxième espace de remplissage 23,
    • un piston 26 disposé à l'intérieur dudit troisième profilé 15 et monté coulissant relativement à la paroi interne 16 dudit troisième profil 15 et mobile entre la première position P1 et la deuxième position P2, le piston 26 étant apte et destiné à être déplacé par ledit au moins un fluide de travail J, H entre la première position P1 et la deuxième position P2,
    • le déplaceur 25 et le piston 26 étant couplés l'un à l'autre.
  • Avantageusement, la configuration sous forme de cartouche 1 , 1' permet de fournir une solution modulaire et évolutive. Par ailleurs, le premier profilé 2 et le deuxième profilé 8 fournissent de grandes surfaces d'échanges internes et externes qui contribuent à l'efficacité des transferts de chaleur entre le fluide caloporteur et le fluide thermodynamique. En outre, le premier profilé 2 et le deuxième profilé 8 peuvent être produits à très bas coût. La chambre 24 qui est sous pression, pour des pressions comprises de préférence entre 50 bars et 300 bars préférentiellement comprises entre 80 bars et 250 bars et qui contient le déplaceur 25 est fermée vis à vis de l'environnement basse pression. L'environnement basse pression correspond à des pressions de préférence comprises entre 0 bar et 50 bars et préférentiellement comprises entre 0 bar et 10 bars . Le contrôle du déplaceur 25 se fait ainsi par l'extérieur de la chambre 24, par l'intermédiaire du déplacement du piston 26. Le déplaceur 25 peut réaliser en plus de sa fonction de déplacement du fluide thermodynamique, une fonction de régénérateur puisque le fluide thermodynamique s'écoule autour du déplaceur 25 lors du déplacement entre la première position P1 et la deuxième position P2. En plus, le déplaceur 25 peut être chauffé ou refroidi par l'intermédiaire du fluide caloporteur seul, lorsqu'il est statique dans la première position P1 ou dans la deuxième position P2.
  • Comme l'illustre notamment la figure 1, le premier circuit d'alimentation en fluide caloporteur A, B et le deuxième circuit d'alimentation en fluide caloporteur C,D permettent d'amener la chaleur externe nécessaire au fonctionnement de la machine thermique de préférence en assurant une différence de température entre la partie dite froide et la partie dite chaude. La figure 1 représente la cartouche 1 avec le déplaceur 25 et le piston 26 dans la première position P1. Dans cette configuration le fluide thermodynamique est confiné entre le premier profilé 2 et le troisième profilé 15 et se trouve alors dans le premier espace de remplissage 21, au contact de la température du premier circuit d'alimentation en fluide caloporteur A, B. En pointillé est représentée la deuxième position P2 du déplaceur 25 et du piston 26, dans laquelle le fluide thermodynamique est confiné entre le deuxième profilé 8 et le troisième profilé 15 et se trouve alors dans le deuxième espace de remplissage 23, au contact de la température du deuxième circuit d'alimentation en fluide caloporteur C, D. Le changement de la première position P1 vers la deuxième position P2 ou inversement, est piloté par le piston 26 de préférence par le biais d'une pression relative entre les points H et J qui permet ainsi de déplacer le fluide thermodynamique entre le premier espace de remplissage 21 et le deuxième espace de remplissage 23. De préférence, une sortie d'alimentation en fluide thermodynamique G raccordée à la chambre 24 de ladite au moins une cartouche 1 permet d'exploiter les fortes différences de pression générées à l'intérieur de la cartouche 1 pour en exploiter l'énergie.
  • La chambre 24 permet de recevoir un fluide thermodynamique qui est sous pression, par exemple supérieure à 10 bars, mais idéalement au-dessus ou égale à sa pression critique, de sorte à avoir un transfert convectif de chaleur grandement amélioré en comparaison d'un gaz proche de la pression atmosphérique. L'amélioration est typiquement d'un à deux ordres de grandeur, à savoir 100 à 1000 [W/m2.K] au lieu de 10 [W/m2.K] Comme l'illustre la figure 2, le deuxième espace de remplissage 23 qui permet de contenir le fluide thermodynamique sous haute pression se situe entre le troisième profilé 15 et le deuxième profilé 8. Dans ce deuxième espace de remplissage 23 le fluide thermodynamique est maintenu de préférence dans un état supercritique. Le fluide thermodynamique peut être du dioxyde de carbone, cet exemple n'est pas limitatif. Comme l'illustrent les figures 7, 8 et 9, le premier espace de remplissage 21 qui permet de contenir le fluide thermodynamique sous haute pression, c'est-à-dire pour des pressions comprises de préférence entre 50 bars et 300 bars préférentiellement comprises entre 80 barset 250 bars, se situe entre le troisième profilé 15 et le premier profilé 2. Dans ce premier espace de remplissage 21 le fluide thermodynamique est maintenu de préférence dans un état supercritique.
  • De préférence, le premier profilé 2 et/ou le deuxième profilé 8 est dans un matériau à haute conductivité thermique, de préférence compris entre 100 Watts par mètre-Kelvin et 400 Watts par mètre-Kelvin, par exemple un alliage d'aluminium ou de cuivre.
  • Avantageusement, cette propriété du premier profilé 2 et/ou du deuxième profilé 8 contribue à l'efficacité des transferts de chaleur entre le fluide caloporteur et le fluide thermodynamique.
  • Préférentiellement, le troisième profilé 15 est de préférence en matériau amagnétique et le déplaceur 25 et le piston 26 sont couplés magnétiquement l'un à l'autre au travers du troisième profilé 15 par des moyens de liaison magnétique 27.
  • Avantageusement, cette configuration permet un contrôle du déplaceur 25 par l'extérieur de la chambre 24 par l'intermédiaire d'un couplage magnétique entre le piston 26 et le déplaceur 25. Ce couplage magnétique permet de transmettre des efforts axiaux au déplaceur 25 sans contact mécanique et donc sans frottement. On évite ainsi d'entraîner des pertes et des usures rédhibitoires par frottement. Cet agencement contribue ainsi à limiter les pertes.
  • On entend par amagnétique un matériau qui ne présente pas de propriétés magnétiques ou dont la perméabilité magnétique est faible c'est à dire par exemple proche de 1 et de manière générale inférieure à 50.
  • Par exemple, le troisième profilé 15 est en acier inoxydable.
  • Par exemple, le piston 26 comprend un ou plusieurs aimants 32 permanents et le déplaceur 25 comprend un ou plusieurs aimants 33 permanents, lesdits aimants 32, 33 permanents formant lesdits moyens de liaison magnétique 27.
  • De préférence et comme l'illustrent les figures 1 , 3 et 4, ledit premier profilé 2 s'étend longitudinalement sur une première longueur L1 selon un axe A1 et ledit deuxième profilé 8 s'étend longitudinalement selon l'axe A1 sur une deuxième longueur L2.
  • De préférence, ledit deuxième profilé 8 est dans le prolongement du premier profilé 2 selon la direction de l'axe A1 .
  • Par exemple, la première longueur L1 est égale à la deuxième longueur L2, de sorte à permettre une symétrie de la cartouche selon les moyens de jonction 14 décrits ci-après, comme l'illustrent les figures 1 , 3 et 4.
  • De préférence, ledit premier profilé 2 comprend une première extrémité 6 et une seconde extrémité de jonction 7, ledit deuxième profilé 8 comprend une première extrémité 12 et une seconde extrémité de j onction 13, et le premier profilé 2 et le deuxième profilé 8 sont joints l'un à l'autre par des moyens de jonction 14 au niveau de leurs secondes extrémités de j onction 7, 13 respectives.
  • Avantageusement, le premier profilé 2 et le deuxième profilé 8 sont distincts l'un de l'autre pour éviter les transferts thermiques, tout en étant reliés l'un à l'autre par les moyens de j onction 14. Il en résulte que le premier échangeur et le deuxième échangeur sont montés en regard sur les moyens de jonction 14.
  • Dans une première variante de réalisation de l'invention illustrée à la figure 3 et dans une deuxième variante de réalisation de l'invention illustrée à la figure 4, les secondes extrémités de jonction 7, 13 d'une part sont configurées pour permettre la jonction avec les moyens de jonction 14 et d'autre part comprennent au moins une ouverture débouchant sur les premiers/deuxièmes moyens de circulation 3, 9.
  • De préférence, les moyens de jonction 14 présentent une conductivité thermique inférieure à la conductivité thermique dudit premier profilé 2 et/ou du deuxième profilé 8.
  • Avantageusement, les moyens de jonction 14 permettent de séparer thermiquement le premier profilé 2 et le deuxième profilé 8.
  • De préférence, les moyens de jonction 14 comprennent au moins un matériau isolant thermique agencé au moins pour isoler thermiquement ledit premier profilé 2 dudit deuxième profilé 8 ou inversement.
  • Avantageusement, cette configuration permet une meilleure isolation entre la partie dite froide et la partie dite chaude de la cartouche 1, 1'.
  • Par exemple et comme l'illustre la figure 15, les moyens de jonction 14 peuvent consister en une platine de jonction 39 qui peut être recouverte sur chaque face d'une couche en matériau isolant.
  • Préférentiellement et comme l'illustrent les figures 2, 7, 8 et 9, ledit troisième profilé 15, ledit premier profilé 2 et ledit deuxième profilé 8, le déplaceur 25 et le piston 26 sont coaxiaux selon ledit axe A1 .
  • Avantageusement, cette configuration permet de définir une chambre 24 de forme annulaire. Le troisième profilé 15 est ainsi disposé concentriquement sur un diamètre inférieur au premier profilé 2 et au deuxième profilé 8.
  • De préférence, le troisième profilé 15 s'étend longitudinalement selon ledit axe A1 sur une troisième longueur L3, ladite troisième longueur L3 étant supérieure à la première longueur L1 ou à la deuxième longueur L2 et de préférence supérieure ou égale à la somme de la première longueur L1 et de la deuxième longueur L2.
  • Avantageusement, dans cet agencement, le troisième profilé 15 traverse la partie dite froide et la partie dite chaude de la cartouche 1 , 1 ' sur une longueur L3 telle que définie précédemment. Il en résulte que le déplaceur 25 peut être déplacé alternativement entre la partie dite froide et la partie dite chaude en coulissant au moins sur une partie de la troisième longueur L3 du troisième profilé 15.
  • Par exemple, le troisième profilé 15 est un tube creux de forme cylindrique.
  • De préférence, le troisième profilé 15 comprend une première extrémité 18 et une seconde extrémité 19, la première extrémité 6 du premier profilé 2 et la première extrémité 18 du troisième profilé 15 sont jointes par des moyens de liaison, et la première extrémité 12 du deuxième profilé 8 et la seconde extrémité 19 du troisième profilé 15 sont jointes par des moyens de liaison.
  • Dans la première variante de réalisation de l'invention illustrée à la figure 3 et dans la deuxième variante de réalisation de l'invention illustrée à la figure 4, la première extrémité 6 du premier profilé 2 et la première extrémité 18 du troisième profilé 15 sont fixées l'une à l'autre par exemple, par sertissage, brasage, jointage ou par un ou plusieurs éléments additionnels. La première extrémité 6 du premier profilé 2 présente une forme conique, cet exemple n'est pas limitatif. De même, la première extrémité 12 du deuxième profilé 8 et la seconde extrémité 19 du troisième profilé 15 sont fixées l'une à l'autre par exemple, par sertissage, brasage, jointage ou par un ou plusieurs éléments additionnels. La première extrémité 12 du deuxième profilé 8 présente une forme conique, cet exemple n'est pas limitatif.
  • De préférence, la cartouche 1 , 1 ' comprend une première pièce de renfort 28 de contraintes radiales et/ou axiales dans laquelle le premier profilé 2 est enserré et une deuxième pièce de renfort 29 de contraintes radiales et/ou axiales dans laquelle le deuxième profilé 8 est enserré.
  • La première pièce de renfort 28 et la deuxième pièce de renfort 29 permettent de reprendre les efforts de pression radiale et/ou axiale ce qui permet de minimiser la première épaisseur E1 du premier profilé 2 et la deuxième épaisseur E2 du deuxième profilé 8 afin d'amener le fluide caloporteur au plus près du fluide thermodynamique. Ces efforts de pression sont dus à la pression du fluide thermodynamique contenu dans la chambre 24 qui sont exercés sur les premier et deuxième profilés 2, 8.
  • L'assemblage de la première pièce de renfort 28 au premier profilé 2 et l'assemblage de la deuxième pièce de renfort 29 au deuxième profilé 8 peut se faire par un procédé d'assemblage qui assure un jeu radial nul entre les deux pièces : pressage/frettage/collage/formage du tube par roulage ou rétreint.
  • La figure 2 illustre la reprise des efforts radiaux par la deuxième pièce de renfort 29 afin de minimiser la deuxième épaisseur E2 du deuxième profilé 8.
  • Les figurent 7, 8 et 9 illustrent la reprise des efforts radiaux par la première pièce de renfort 28 afin de minimiser la première épaisseur E1 du premier profilé 2.
  • Comme le montrent la première variante de réalisation illustrée à la figure 3 et la deuxième variante de réalisation illustrée à la figure 4, la première pièce de renfort 28 ou la deuxième pièce de renfort 29 peut comprendre un cerclage. De préférence, la première pièce de renfort 28 et la deuxième pièce de renfort 29 présentent une forme cylindrique creuse.
  • Avantageusement, le premier profilé 2 et le deuxième profilé 8 sont chacun assemblés sans jeu dans le cerclage. Les efforts radiaux sont repris par le cerclage.
  • Le cerclage peut lui-même d'un côté être fixé à la première extrémité 6, 12 du premier/deuxième profilé 2, 8 et de l'autre côté être fixé aux moyens de jonction 14.
  • Comme le montre la deuxième variante de réalisation illustrée à la figure 4, la première pièce de renfort 28 ou la deuxième pièce de renfort 29 peut en plus du cerclage comprendre une bride 51 maintenue par des moyens de fixation 52 au premier/deuxième profilé 2, 8.
  • Les efforts axiaux sont repris par la bride ce qui est particulièrement important pour une cartouche 1 , 1 ' dont le diamètre est compris de préférence entre 20 millimètres et 120 millimètres.
  • La bride 51 peut en outre former une première/deuxième paroi séparatrice 48, 49 décrite ci-après.
  • Dans le cas de la première variante de réalisation de la figure 3, la première pièce de renfort 28 ou la deuxième pièce de renfort 29 comprend uniquement le cerclage et les efforts axiaux sont repris par le premier/deuxième profilé 2, 8 et le troisième profilé 15.
  • De préférence et de manière générale, la première pièce de renfort 28 et/ou la deuxième pièce de renfort 29 et/ou le premier profilé 2 et/ou le deuxième profilé 8 et/ou le troisième profilé 15 est agencé pour reprendre des efforts axiaux.
  • Par exemple, la première épaisseur E1 du premier profilé 2 et/ou la deuxième épaisseur E2 du deuxième profilé 8 est comprise entre 1 millimètre et 15 millimètres, préférentiellement entre 2 millimètres et 6 millimètres.
  • De préférence, la paroi interne 4 du premier profilé 2 et/ou la paroi interne 10 du deuxième profilé 8 présente une surface crénelée (figures 7, 8 et 9) et/ou une surface lisse (figure 2).
  • Comme l'illustre la figure 2, la surface lisse de contact entre le deuxième profilé 8 et le fluide thermodynamique est au plus simple avec une géométrie tubulaire.
  • Avantageusement, lorsque la paroi interne 4 et/ou la paroi interne 10 présente une surface crénelée (figure 7, 8 et 9) alors la surface est augmentée comparativement à une surface lisse (figure 2) et les échanges de chaleur se trouvent améliorés. Ainsi à l'interface entre le premier profilé 2 et/ou le deuxième profilé 8 et le fluide thermodynamique, la surface d'échange est étendue.
  • De préférence, ledit premier profilé 2 présente une première épaisseur E1 entre la paroi interne 4 et la paroi externe 5 et le premier profilé 2 comprend dans sa première épaisseur E1 au moins un canal 30 et/ou au moins une rainure 31 formant lesdits premiers moyens de circulation 3, ledit au moins un canal 30 et/ou au moins une rainure 31 s'étendant selon une direction longitudinale parallèle à l'axe A1 et sur une longueur L4.
  • Avantageusement, ledit au moins un canal 30 et/ou ladite au moins une rainure 31 permet la circulation du fluide caloporteur dans le premier échangeur. Le canal 30 présente une surface d'échange conséquente entre le fluide caloporteur et le premier profilé 2. Cette configuration contribue à maximiser les transferts thermiques.
  • De préférence, ledit deuxième profilé 8 présente une deuxième épaisseur E2 entre la paroi interne 10 et la paroi externe 11 et le deuxième profilé 8 comprend dans sa deuxième épaisseur E2 au moins un canal 30 et/ou au moins une rainure 31 formant lesdits deuxièmes moyens de circulation 9, ledit au moins un canal 30 et/ou au moins une rainure 31 s'étendant selon une direction longitudinale parallèle à l'axe A et sur une longueur L5.
  • Avantageusement, ledit au moins un canal 30 et/ou ladite au moins une rainure 31 permet la circulation du fluide caloporteur dans le deuxième échangeur. Le canal 30 présente une surface d'échange conséquente entre le fluide caloporteur et le deuxième profilé 8. Cette configuration contribue à maximiser les transferts thermiques.
  • De préférence, ledit au moins un canal 30 présente une section carrée ou rectangulaire ou trapézoïdale (figure 8) ou circulaire (figure 7).
  • Ladite au moins une rainure 31 peut être ouverte (figures 2 et 3).
  • Ledit au moins un canal 30 et/ou au moins une rainure 31 peut être rectiligne ou hélicoïdale.
  • De préférence selon une première possibilité, la section du déplaceur 25 est inférieure à la section de la chambre 24 de sorte à ménager respectivement un jeu J1 entre le déplaceur 25 et la paroi interne 4 du premier profilé 2 ou un jeu J2 entre le déplaceur 25 et la paroi interne 10 du deuxième profilé 8 (figures 2, 7, 8 et 9).
  • Ce jeu J1, J2 permet avantageusement d'assurer le passage du fluide thermodynamique lors du déplacement du déplaceur 25. A chaque passage du fluide thermodynamique, une partie de la chaleur de ce dernier est transférée au déplaceur 25 pour réaliser la fonction de régénération.
  • De préférence, ledit jeu J1, J2 est compris entre 0,05 millimètre et 5 millimètres, préférentiellement entre 0,1 millimètre et 1 millimètre.
  • Selon une deuxième possibilité, la section du déplaceur 25 est égale à la section de la chambre 24 et le déplaceur 25 est au moins en partie dans un matériau poreux.
  • La porosité du déplaceur 25 permet avantageusement d'assurer le passage du fluide thermodynamique lors du déplacement du déplaceur 25. A chaque passage du fluide thermodynamique, une partie de la chaleur de ce dernier est transférée au déplaceur pour réaliser la fonction de régénération.
  • De préférence, la section de la chambre 24 est de forme annulaire et la section du déplaceur 25 est de forme annulaire (figure 2).
  • Ainsi la section de la chambre 24 et la section du déplaceur 25 sont identiques et on minimise ainsi les volumes morts.
  • De préférence, le déplaceur 25 épouse la forme de la paroi interne 4 du premier profilé 2 et/ou la paroi interne 10 du deuxième profilé 8 (figures 7 et 8).
  • De préférence, le piston 26 est un piston basse pression. L'environnement basse pression correspond à des pressions de préférence comprises entre 0 bar et 50 bars et préférentiellement comprises entre 0 bar et 10 bars
  • Selon une troisième variante de réalisation selon l'invention illustrée à la figure 10, ladite cartouche 1 ' est dite hybride et comprend en outre un piston hydraulique 34 disposé à l'intérieur du premier espace de remplissage 21 ou du deuxième espace de remplissage 23 de ladite chambre 24, le premier espace de remplissage 21 ou le deuxième espace de remplissage 23 étant apte et destiné à contenir au moins un fluide hydraulique et étant apte et destiné à être raccordé à une sortie d'alimentation d'un fluide hydraulique E et ledit piston hydraulique 34 est monté coulissant selon la direction de l'axe A1 relativement à la paroi externe 17 dudit troisième profilé 15 et mobile à l'intérieur du premier espace de remplissage 21 ou du deuxième espace de remplissage 23 entre une première position P3 et une deuxième position P4 et configuré pour d'une part être déplacé par ledit au moins un fluide thermodynamique et pour déplacer alternativement ledit au moins un fluide hydraulique dans le premier espace de remplissage 21 ou le deuxième espace de remplissage 23.
  • Avantageusement, comme l'illustre la figure 10, il est possible d'associer un piston hydraulique 34 à une géométrie de cartouche 1 décrite précédemment afin de conserver une certaine symétrie par rapport à la platine de jonction 39.
  • La particularité de cette configuration est que le déplaceur 25 suit alors la position du piston hydraulique 34 tout en étant maintenu en butée contre ce dernier lors des phases de refroidissement. Le piston hydraulique 34 ne se déplace que dans une des deux parties thermiques soit dans la partie dite chaude, soit dans la partie dite froide. Le piston hydraulique 34 représente l'interface physique entre le fluide thermodynamique et le fluide hydraulique et n'a pas à être complètement étanche si par exemple les fluides sont non miscibles et non solubles entre eux. Cette configuration permet de simplifier l'intégration du ou des pistons hydraulique(s) 34 lorsque le système est utilisé dans un module tel que détaillé ci- après.
  • Selon une quatrième variante alternative de l'invention illustrée à la figure 11 , la chambre 24 de la cartouche 1 est apte et destinée à être raccordée à un piston hydraulique 34 apte et destiné à être raccordé à un circuit d'alimentation d'un fluide hydraulique E. De préférence, une sortie d'alimentation en fluide thermodynamique G raccordée à la chambre 24 de ladite au moins une cartouche 1 peut être connectée au piston hydraulique 34 qui assure la transmission de pression du fluide thermodynamique à un fluide hydraulique par exemple de l'huile ou de l'eau ou équivalent. Le piston hydraulique 34 est contenu préférentiellement dans un tube ou cylindre. Ce piston hydraulique 34 est idéalement maintenu en température en étant alimenté par la première/deuxième source de chaleur par exemple via le premier/deuxième circuit d'alimentation A, B / C, D. Avantageusement, le fluide thermodynamique sortant de la cartouche 1 continue à être refroidi ou chauffé, suivant que le piston hydraulique 34 est alimenté avec une première/deuxième source de chaleur. Avantageusement, le fluide de travail pour le système de récupération d'énergie peut être différent du fluide thermodynamique évitant l'emploi d'une turbine fonctionnant avec un fluide thermodynamique en phase supercritique. De même une ou plusieurs cartouche(s) 1 peut(vent) être connectée(s) à un ou plusieurs piston(s) hydraulique(s) 34. Le ou les pistons hydrauliques 34 peut(vent) être à l'extérieur du module décrit ci-après ou à l'intérieur du module décrit ci-après afin de centraliser l'alimentation en chaleur.
  • L'invention concerne également un module pour le déplacement d'un fluide thermodynamique alternativement entre une partie froide reliée à une première source de chaleur et une partie chaude reliée à une deuxième source de chaleur pour machine thermique à cycle thermodynamique caractérisé en ce qu'il comprend au moins une cartouche 1 , 1 ' ou une pluralité de cartouches 1 , 1 ' selon l'invention et décrit précédemment, et en ce qu'il comprend :
    • un premier circuit d'alimentation en fluide caloporteur A, B raccordé auxdits premiers moyens de circulation 3 de ladite au moins une cartouche 1 , 1 ' par au moins un premier orifice d'alimentation 35 et au moins un deuxième orifice d'alimentation 36 des premiers moyens de circulation 3,
    • un deuxième circuit d'alimentation en fluide caloporteur C,D raccordé auxdits deuxièmes moyens de circulation 9 de ladite au moins une cartouche 1 par au moins un troisième orifice d'alimentation 37 et au moins un quatrième orifice d'alimentation 38 des deuxièmes moyens de circulation 9,
    • une platine de jonction 39 comprenant au moins lesdits moyens de jonction 14 de la cartouche 1 ,
    • un circuit d'alimentation en fluide de travail H, J, raccordé audit troisième profilé 15 de ladite au moins une cartouche 1 par au moins un cinquième orifice d'alimentation 40 que comprend le troisième profilé 15 et au moins un sixième orifice d'alimentation 41 que comprend le troisième profilé 15, agencé pour piloter le déplacement du piston 26,
    • une sortie d'alimentation en fluide thermodynamique G raccordée à la chambre 24 de ladite au moins une cartouche 1 ou une sortie d'alimentation d'un fluide hydraulique E raccordée au premier espace de remplissage 21 ou au deuxième espace de remplissage 23 de ladite chambre 24.
  • Avantageusement, le module peut comprendre une ou plusieurs cartouches 1 , 1 ' en fonction de la puissance de la machine thermique souhaitée. La taille du module peut être adaptée au nombre de cartouches 1 , 1 ' à intégrer pour une puissance ciblée de la machine thermique.
  • Dans l'exemple illustré à la figure 12, le module comprend une seule cartouche 1.
  • Dans l'exemple illustré aux figures 18 et 19, le module comprend six cartouches 1.
  • De préférence, le module comprend au moins une cartouche 1 ' décrite précédemment, dite hybride comprenant un piston hydraulique 34 disposé à l'intérieur du premier espace de remplissage 21 ou du deuxième espace de remplissage 23 de ladite chambre 24.
  • Dans l'exemple illustré à la figure 13, le module comprend une seule cartouche dite hybride 1 '. Par rapport au module de la figure 12 sans piston hydraulique, la surface d'échange n'est en revanche plus symétrique entre la partie chaude et la partie froide.
  • Dans l'exemple illustré à la figure 14, le module comprend une cartouche 1 et une cartouche 1 ' dite hybride. Par rapport au module de la figure 12 sans piston hydraulique, la surface d'échange n'est en revanche plus symétrique entre la partie chaude et la partie froide. Cette absence de symétrie peut être compensée en partie dans le module à cartouches 1 , 1 ' multiples en utilisant un ratio d'une cartouche dite hydride 1 ' combinée à plusieurs cartouches 1 sans piston hydraulique 34 basiques. Le piston hydraulique 34 de la cartouche dite hybride 1 ' reprenant alors la détente de plusieurs cartouches 1 sans piston hydraulique 34.
  • Par exemple et comme le montrent les figures 16 et 17, le module intègre six cartouches 1 , 1' avec un ratio de deux cartouches 1 sans piston hydraulique 34 pour une cartouche 1 ' dite hybride.
  • De préférence, le module comprend deux enceintes isolantes séparées par la platine de jonction 39 et recevant au moins en partie ladite au moins une cartouche 1 , 1 ' ou une pluralité de cartouches 1 , 1 '.
  • Les deux enceintes isolantes peuvent être délimitées par un ou plusieurs carters.
  • Avantageusement, chaque enceinte isolante est directement alimentée par la première ou la deuxième source de chaleur ce qui permet d'alimenter de manière centralisée ladite au moins une cartouche 1 , 1 ' ou une pluralité de cartouches 1 , 1' en fluide caloporteur au lieu de devoir alimenter chaque cartouche 1 , 1' individuellement.
  • La taille des deux enceintes isolantes peut être adaptée au nombre de cartouches 1 , 1 ' à intégrer pour une puissance ciblée de la machine thermique.
  • De préférence, le circuit d'alimentation en fluide de travail H, J est formé dudit premier circuit d'alimentation en fluide caloporteur A, B et dudit deuxième circuit d'alimentation en fluide caloporteur C, D.
  • Dans ce cas, la source d'alimentation en fluide de travail H, J au niveau du cinquième orifice d'alimentation 40 est identique à celle du premier circuit d'alimentation en fluide caloporteur A, B, de même que la source d'alimentation en fluide de travail au niveau du sixième orifice d'alimentation 41 est identique à celle du deuxième circuit d'alimentation en fluide caloporteur C, D. Il en résulte que la différence de pression relative entre le premier circuit d'alimentation en fluide caloporteur A, B et le deuxième circuit d'alimentation en fluide caloporteur C, D permet d'actionner le piston 26.
  • De préférence et de manière alternative, le circuit d'alimentation en fluide de travail H, J est distinct dudit premier circuit d'alimentation en fluide caloporteur A, B et dudit deuxième circuit d'alimentation en fluide caloporteur C, D (figures 18 et 19).
  • De préférence, la platine de jonction 39 présente une conductivité thermique inférieure à la conductivité thermique dudit premier profilé 2 et/ou du deuxième profilé 8.
  • Avantageusement, la platine de jonction 39 a une fonction de séparation thermique.
  • De préférence, la platine de jonction 39 est en métal de type acier.
  • De préférence, la première pièce de renfort 28 et la deuxième pièce de renfort 29 sont fixées respectivement à la platine de jonction 39.
  • De préférence et comme l'illustrent les figures 12, 13 et 14, le module comprend une première enceinte 43 isolante qui comprend au moins un premier compartiment 44 dans lequel débouche ledit au moins un premier orifice d'alimentation 35 des premiers moyens de circulation 3 et au moins un deuxième compartiment 45 dans lequel débouche ledit au moins deuxième orifice d'alimentation 36 des premiers moyens de circulation 3
  • De préférence additionnellement ou alternativement et comme l'illustrent les figures 12, 13 et 14, le module comprend une deuxième enceinte 43' isolante qui comprend au moins un troisième compartiment 46 dans lequel débouche ledit au moins un troisième orifice d'alimentation 37 des deuxièmes moyens de circulation 9 et au moins un quatrième compartiment 47 dans lequel débouche ledit au moins un quatrième orifice d'alimentation 38 des deuxièmes moyens de circulation 9.
  • De préférence, la deuxième pièce de renfort 29 comprend ledit troisième orifice d'alimentation 37 et ledit quatrième orifice d'alimentation 38 des deuxièmes moyens de circulation 9.
  • Il en résulte que la première enceinte 43 isolante comprend une partie dite froide de la cartouche 1 , 1 ' et est prévue pour recevoir le fluide caloporteur provenant de la première source de chaleur pour alimenter le premier circuit d'alimentation en fluide caloporteur A, B. Il en résulte que la deuxième enceinte 43' isolante comprend une partie dite chaude de la cartouche 1 , 1 ' et est prévue pour recevoir le fluide caloporteur provenant de la deuxième source de chaleur pour alimenter le deuxième circuit d'alimentation en fluide caloporteur C, D.
  • De préférence, la platine de jonction 39 sépare la première enceinte 43 de la deuxième enceinte 43'.
  • De préférence, la première pièce de renfort 28 comprend ledit premier orifice d'alimentation 35 et ledit deuxième orifice d'alimentation 36 des premiers moyens de circulation 3.
  • Cette configuration permet de baigner la première/deuxième pièce de renfort 28, 29 et le premier/deuxième profilé 2, 8 dans le fluide caloporteur.
  • Le premier compartiment 44 et le deuxième compartiment 45 sont, de préférence, délimités par au moins une première paroi séparatrice 48.
  • Le troisième compartiment 46 et le quatrième compartiment 47 sont de préférence, délimités par au moins une deuxième paroi séparatrice 49.
  • La première paroi séparatrice 48 et/ou la deuxième paroi séparatrice 49 ont un rôle d'obturateurs hydrauliques et ne supportent préférentiellement pas de contraintes mécaniques élevées.
  • La première paroi séparatrice 48 et/ou la deuxième paroi séparatrice 49 sont préférentiellement en matériaux plastique ou élastomère, ces exemples ne sont pas limitatifs.
  • Le premier orifice d'alimentation 35 et le deuxième orifice d'alimentation 36 sont disposés de part et d'autre de la première paroi séparatrice 48, ce qui assure que l'écoulement du fluide caloporteur entre A et B se fasse à l'intérieur de la première pièce de renfort 28 entre celle-ci et le premier profilé 2, et non à l'extérieur de la première pièce de renfort 28.
  • Le troisième orifice d'alimentation 37 et le quatrième orifice d'alimentation 38 sont disposés de part et d'autre de la première paroi séparatrice 48, ce qui assure que l'écoulement du fluide caloporteur entre C et D se fasse à l'intérieur de la deuxième pièce de renfort 29 entre celle-ci et le deuxième profilé 8, et non à l'extérieur de la deuxième pièce de renfort 29.
  • De préférence, ledit au moins un cinquième orifice d'alimentation 40 du circuit d'alimentation en fluide de travail H, J débouche dans le premier compartiment 44 et ledit au moins un sixième orifice d'alimentation 41 du circuit d'alimentation en fluide de travail H, J débouche dans le troisième compartiment 46.
  • Dans ce cas, la source d'alimentation en fluide de travail H, J au niveau du cinquième orifice d'alimentation 40 est identique à celle du premier circuit d'alimentation en fluide caloporteur A, B, de même que la source d'alimentation en fluide de travail au niveau du sixième orifice d'alimentation 41 est identique à celle du deuxième circuit d'alimentation en fluide caloporteur C, D.
  • Comme l'illustre la figure 14, le module peut comprendre au moins deux cartouches 1 , 1 ' et les chambres 24 de chaque cartouche 1 sont reliées entre elles par au moins une conduite d'interconnexion 50, préférentiellement disposée dans ladite au moins une platine de jonction 39 et la sortie d'alimentation en fluide thermodynamique G du module ou la sortie d'alimentation d'un fluide hydraulique E du module est de préférence disposée dans ladite platine de jonction 39.
  • Avantageusement, ladite au moins une conduite d'interconnexion 50 permet une interconnexion de chaque chambre 24 de chaque cartouche 1 , 1'.
  • L'invention concerne également une machine thermique apte et destinée à réaliser au moins une conversion d'énergie thermique en énergie mécanique comprenant au moins un fluide thermodynamique de préférence à l'état supercritique et apte et destinée à mettre en oeuvre un cycle thermodynamique comprenant au moins une phase de chauffage isochore, optionnellement une phase de chauffage isobare, une phase de détente et une phase de refroidissement isobare, la machine thermique comprenant au moins un module selon l'invention décrit précédemment.
  • Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés aux dessins annexés. Des modifications restent possibles, notamment du point de vue de la constitution des divers éléments ou par substitution d'équivalents techniques, sans sortir pour autant du domaine de protection de l'invention comme défini par les revendications.

Claims (15)

  1. Cartouche (1, 1') pour le déplacement d'un fluide thermodynamique entre une partie froide reliée à une première source de chaleur et une partie chaude reliée à une deuxième source de chaleur pour machine thermique à cycle thermodynamique caractérisée en ce qu'elle comprend au moins :
    - un premier échangeur, formant une partie dite froide, comprenant un premier profilé (2) creux comprenant des premiers moyens de circulation (3) d'au moins un fluide caloporteur aptes et destinés à être raccordés à un premier circuit d'alimentation en fluide caloporteur (A, B) relié à une première source de chaleur, ledit premier profilé (2) comprenant une paroi interne (4) et une paroi externe (5),
    - un deuxième échangeur, formant une partie dite chaude, comprenant un deuxième profilé (8) creux comprenant des deuxièmes moyens de circulation (9) d'au moins un fluide caloporteur aptes et destinés à être raccordés à un deuxième circuit d'alimentation en fluide caloporteur (C, D) relié à une deuxième source de chaleur, ledit deuxième profilé (8) comprenant une paroi interne (10) et une paroi externe (11),
    - un troisième profilé (15) creux apte et destiné à être raccordé à au moins un circuit d'alimentation en au moins un fluide de travail (J, H), ledit troisième profilé (15) étant disposé à l'intérieur du premier profilé (2) et du deuxième profilé (8), ledit troisième profilé (15) comprenant une paroi interne (16) et une paroi externe (17), au moins une partie de la paroi interne (4) du premier profilé (2) et une première partie (20) de la paroi externe (17) du troisième profilé (15) étant espacées et situées en regard l'une de l'autre de sorte à former un premier espace de remplissage (21), au moins une partie de la paroi interne (10) du deuxième profilé (8) et une deuxième partie (22) de la paroi externe (17) du troisième profilé (15) étant espacées et situées en regard l'une de l'autre de sorte à former un deuxième espace de remplissage (23),
    - au moins une chambre (24) apte et destinée à contenir au moins un fluide thermodynamique préférentiellement à haute pression et à l'état supercritique, ladite chambre (24) comprenant au moins le premier espace de remplissage (21) et le deuxième espace de remplissage (23) lesquels sont communicants,
    - au moins un déplaceur (25) disposé à l'intérieur de ladite chambre (24) et monté coulissant relativement à la paroi externe (17) dudit troisième profilé (15) et mobile entre une première position (P1) et une deuxième position (P2), et configuré pour déplacer alternativement ledit au moins un fluide thermodynamique entre le premier espace de remplissage (21) et le deuxième espace de remplissage (23),
    - un piston (26) disposé à l'intérieur dudit troisième profilé (15) et monté coulissant relativement à la paroi interne (16) dudit troisième profil (15) et mobile entre la première position (P1 ) et la deuxième position (P2), le piston (26) étant apte et destiné à être déplacé par ledit au moins un fluide de travail (J, H) entre la première position (P1) et la deuxième position (P2), le déplaceur (25) et le piston (26) étant couplés l'un à l'autre.
  2. Cartouche selon la revendication 1 caractérisée en ce que le troisième profilé (15) est de préférence en matériau amagnétique et en ce que le déplaceur (25) et le piston (26) sont couplés magnétiquement l'un à l'autre au travers du troisième profilé (15) par des moyens de liaison magnétique (27).
  3. Cartouche selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, caractérisée en ce que ledit premier profilé (2) s'étend longitudinalement sur une première longueur L1 selon un axe A1 et en ce que ledit deuxième profilé (8) s'étend longitudinalement selon l'axe A1 sur une deuxième longueur L2, et ledit deuxième profilé (8) est dans le prolongement du premier profilé (2) selon la direction de l'axe A1.
  4. Cartouche selon la revendication 3, caractérisée en ce que le troisième profilé (15) s'étend longitudinalement selon ledit axe A1 sur une troisième longueur L3, ladite troisième longueur L3 étant supérieure à la première longueur L1 ou à la deuxième longueur L2 et de préférence supérieure ou égale à la somme de la première longueur L1 et de la deuxième longueur L2.
  5. Cartouche selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que ledit premier profilé (2) comprend une première extrémité (6) et une seconde extrémité de jonction (7), en ce que ledit deuxième profilé (8) comprend une première extrémité (12) et une seconde extrémité de jonction (13), et en ce que le premier profilé (2) et le deuxième profilé (8) sont j oints l'un à l'autre par des moyens de jonction (14) au niveau de leur seconde extrémité de jonction (7, 13) respective.
  6. Cartouche selon la revendication précédente, caractérisée en ce que ledit troisième profilé (15) comprend une première extrémité (18) et une seconde extrémité (19), en ce que la première extrémité (6) du premier profilé (2) et la première extrémité (18) du troisième profilé (15) sont jointes par des moyens de liaison, et en ce que la première extrémité (12) du deuxième profilé (8) et la seconde extrémité (19) du troisième profilé (15) sont jointes par des moyens de liaison.
  7. Cartouche selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que ledit troisième profilé (15), ledit premier profilé (2) et ledit deuxième profilé (8), le déplaceur (25) et le piston (26) sont coaxiaux selon ledit axe A1.
  8. Cartouche selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce qu'elle comprend une première pièce de renfort (28) de contraintes radiales et/ou axiales dans laquelle le premier profilé (2) est enserré et une deuxième pièce de renfort (29) radiales et/ou axiales dans laquelle le deuxième profilé (8) est enserré.
  9. Cartouche selon l'une quelconque des revendications 5 à 8, caractérisée en ce que les moyens de jonction (14) présentent une conductivité thermique inférieure à la conductivité thermique dudit premier profilé (2) et/ou du deuxième profilé (8).
  10. Cartouche selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que ladite cartouche (1') est dite hybride et comprend un piston hydraulique (34) disposé à l'intérieur du premier espace de remplissage (21) ou du deuxième espace de remplissage (23) de ladite chambre (24), le premier espace de remplissage (21) ou le deuxième espace de remplissage (23) étant apte et destiné à contenir au moins un fluide hydraulique et étant apte et destiné à être raccordé à une sortie d'alimentation d'un fluide hydraulique (E) et en ce que ledit piston hydraulique (34) est monté coulissant selon la direction de l'axe A1 relativement à la paroi externe (17) dudit troisième profilé (15) et mobile à l'intérieur du premier espace de remplissage (21) ou du deuxième espace de remplissage (23) entre une première position (P3) et une deuxième position (P4) et configuré pour d'une part être déplacé par ledit au moins un fluide thermodynamique et pour déplacer alternativement ledit au moins un fluide hydraulique dans le premier espace de remplissage (21) ou le deuxième espace de remplissage (23).
  11. Cartouche selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisée en ce que le premier profilé (2) et/ou le deuxième profilé (8) est dans un matériau à haute conductivité thermique, de préférence compris entre 100 Watts par mètre-Kelvin et 400 Watts par mètre-Kelvin, par exemple un alliage d'aluminium ou de cuivre.
  12. Module pour le déplacement d'un fluide thermodynamique alternativement entre une partie froide reliée à une première source de chaleur et une partie chaude reliée à une deuxième source de chaleur pour machine thermique à cycle thermodynamique caractérisé en ce qu'il comprend au moins une cartouche (1 , 1') ou une pluralité de cartouches (1 , 1') selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, et en ce qu'il comprend :
    - un premier circuit d'alimentation en fluide caloporteur (A, B) raccordé auxdits premiers moyens de circulation (3) de ladite au moins une cartouche (1, 1') par au moins un premier orifice d'alimentation (35) et au moins un deuxième orifice d'alimentation (36) des premiers moyens de circulation (3),
    - un deuxième circuit d'alimentation en fluide caloporteur (C,D) raccordé auxdits deuxièmes moyens de circulation (9) de ladite au moins une cartouche (1) par au moins un troisième orifice d'alimentation (37) et au moins un quatrième orifice d'alimentation (38) des deuxièmes moyens de circulation (9),
    - une platine de jonction (39) comprenant au moins lesdits moyens de jonction (14) de la cartouche (1),
    - un circuit d'alimentation en fluide de travail (H, J), raccordé audit troisième profilé (15) de ladite au moins une cartouche (1) par au moins un cinquième orifice d'alimentation (40) que comprend le troisième profilé (15) et au moins un sixième orifice d'alimentation (41) que comprend le troisième profilé (15), agencé pour piloter le déplacement du piston (26),
    - une sortie d'alimentation en fluide thermodynamique (G) raccordée à la chambre (24) de ladite au moins une cartouche (1) ou une sortie d'alimentation d'un fluide hydraulique (E) raccordée au premier espace de remplissage (21) ou au deuxième espace de remplissage (23) de ladite chambre (24).
  13. Module selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'une première enceinte (43) isolante comprend au moins un premier compartiment (44) dans lequel débouche ledit au moins un premier orifice d'alimentation (35) des premiers moyens de circulation (3) et au moins un deuxième compartiment (45) dans lequel débouche ledit au moins deuxième orifice d'alimentation (36) des premiers moyens de circulation (3) et/ou en ce qu'une deuxième enceinte (43') isolante comprend au moins un troisième compartiment (46) dans lequel débouche ledit au moins un troisième orifice d'alimentation (37) des deuxièmes moyens de circulation (9) et au moins un quatrième compartiment (47) dans lequel débouche ledit au moins un quatrième orifice d'alimentation (38) des deuxièmes moyens de circulation (9), et en ce que ledit au moins un cinquième orifice d'alimentation (40) du circuit d'alimentation en fluide de travail (H, J) débouche dans le premier compartiment (44) et en ce que ledit au moins un sixième orifice d'alimentation (41) du circuit d'alimentation en fluide de travail (H, J) débouche dans le troisième compartiment (46).
  14. Module selon l'une quelconque des revendications 12 à 13, caractérisé en ce que la platine de jonction (39) présente une conductivité thermique inférieure à la conductivité thermique dudit premier profilé (2) et/ou du deuxième profilé (8).
  15. Module selon l'une quelconque des revendications 12 à 14, caractérisé en ce que le module comprend au moins deux cartouches (1, 1') et en ce que les chambres (24) de chaque cartouche (1) sont reliées entre elles par au moins une conduite d'interconnexion (50).
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