FR2536788A2 - Moteur thermique intrinsequement irreversible - Google Patents

Abstract

L'INVENTION CONCERNE UN MOTEUR THERMIQUE INTRINSEQUEMENT IRREVERSIBLE. LE MOTEUR THERMIQUE DE L'INVENTION QUI PEUT FONCTIONNER COMME UNE POMPE A CHALEUR OU COMME UN MOTEUR PRIMAIRE EST BASE SUR UN PROCESSUS DE TRANSFERT DE CHALEUR INTRINSEQUEMENT IRREVERSIBLE. LE MOTEUR THERMIQUE COMPREND UN PREMIER AGENT ET UN SECOND AGENT66 MAINTENU EN CONTACT THERMIQUE IMPARFAIT AVEC LE PREMIER AGENT ET PRESENTANT UNE SYMETRIE THERMODYNAMIQUE INTERROMPUE PAR RAPPORT AU PREMIER AGENT. UN EXCITATEUR ACOUSTIQUE 42, 44, 46 PERMET D'ENTRAINER LE PREMIER AGENT CONTENU DANS UN RECIPIENT32 A UNE FREQUENCE DE RESONANCE DE MANIERE A Y MAINTENIR UNE ONDE STATIONNAIRE, LES FREQUENCES ACOUSTIQUES PERMETTANT D'AUGMENTER LA PUISSANCE VOLUMIQUE ET LE RENDEMENT DU MOTEUR. LE SECOND AGENT EST CONSTITUE D'UN ENSEMBLE DE PLAQUES PARALLELES66B AYANT UNE FAIBLE IMPEDANCE POUR L'ECOULEMENT DU PREMIER AGENT FLUIDE. UNE SOURCE DE CHALEUR74 ET UN PUITS DE CHALEUR70 PERMETTENT DE FAIRE FONCTIONNER LE MOTEUR COMME UN MOTEUR PRIMAIRE, OU COMME UN REFRIGERATEUR. APPLICATION AUX POMPES DE CHALEUR.

Description

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L'invention concerne de façon générale des moteurs

thermiques incluant des pompes à chaleur ainsi que des mo-

teurs primaires et, en particulier, des moteurs thermiques incluant des pompes à chaleur acoustiques dans lesquelles on utilise le son pour p o ouire un flux thermique, tels que décrits dans la demande de brevet principal n 82 14084 déposée par la Demanderesse L'invention est un premier certificat d'addition 1 cette rmn x dae brevet principal et se rattache à la revendication 1 de cette demande de Le terme " moteur thermique" est utilisé dans la suite dans un sens général pour indiquer des dispositifs qui convertissent la chaleur en travail, c'est-à-direz des moteurs primaires, de m Zme que des dispositifs dans lessie 5 l

quels un travail est effectué pour produire un flux ther-

mique, tels qu'un réfrigérateur Le dernier type de dispo-

sitif est désigné dans la suite comme une pompe à chaleur.

Le moteur thermique de la présente invention est décri t

comme "intrinsèquement irréversible" car il utilise cer-

tains processus de transfert de chaleur qui sont irréver-

sibles intrinsèquement dans le sens thermodynamique Con-

trairement à un moteur thermique classique, qui approche

un niveau optimal de rendement quand ses processus de trans-

fert de chaleur sont menés d'une manière réversible et

croissante, le moteur thermique intrinsèquement irréversi-

ble de la présente invention nécessite un processus de transfert de chaleur irréversible comme élément essentiel pour son fonctiornnement, et le rendement du moteur décrôot en fait quand le processus de transfert de chaleur n'est plus un processus irréversible Ces caractéristiques de

l'invention seront encore exposées dans la suite.

La présente invention concerne un phénomène, étu-

dié dès 1850 par Les physiciens européens Sondhauss et

Rijke, dans lequel un son est produit en chauffant une ex-

trémité d'un tube en verre ou en métal Ce phénomène et des phénomènes semblables ont été exposés dès 1878 par

Lord Rayleigh dans son traité intitulé "Theory of Sound".

Dans ces phénomènes, la chaleur est utilisée pour produire

un travail sous forme de son Plus récemment, des phéno-

mènes complémentaires basés sur des principes semblables -ont été décrits, dans lesquels un travail est consommé et

de la chaleur est pompée d'un endroit à un autre Par con-

traste avec les principes thermodynamiques généraux des moteurs thermiques classiques, qui ont été bien compris depuis un si-cie, les principes servant de base aux phéno- mènes ci-dessus et l'importance ou lampleur de phénomènes

connexes ne sont qu'imparfaitement compris actuellement.

Un phénomene de pompage de chaleur en rapport avec celui consideré ici est exposé dans un article de V E. Gifford et R C L:ngsworth, intitulé "Surface Heat Pumping" paru dans la revue "International Advances in Cryogenic Engineering" (Plenum Press,NY)9 vol 12,p 171-179 ( 1965) Le

phénomène de pompage de chaleur exposé par Gifford et Longs-

worth a été utilisé dans un dispositif de pompage de cha-

leur connu comme un réfrigérateur à tube oscillant Ce dis-

positif est décrit dans une série d'articles de Gifford et d'autres dont les plus pertinents sont:celui de Gifford W.E et Longsworth R C, intitulé "Pulse Tube Refrigerator,' paru dans la revue " Trans of the A o S ME,J of Eng for

Industry", p 264-68 ( 1964);celui de Gifford W E et Longs-

worth R C, intitulé "Pulse Tube Refrigeration Process", paru dans la revue "International Advances in Cryogenic Engineering"(Plenum Press,NY), vol lo 0,p 69-79 ( 1964); et celui de Gifford W E et Kyanka G H, intitulé "Reversible

Pulse Tube Refrigeration", paru dans la revue "Internatio-

nal Advances in Cryogenic Engineering",vol 12,p 619-630 ( 1966) Un autre article qui se rapporteau meme sujet est

celui de R C Longsworth, intitulé "An Experimental Inves-

tigation of Pulse Tube Refrigeration Heat Pumping Rates", paru dans la revue "International Advances in Cryogenic Engineering", vol 12,p 608-18 ( 1966) Tous ces articles concernent un réfrigérateur à tube oscillant dans lequel

un gaz est alternativement pompé dans et évacué d'un tube-

oscillant creux a travers un régénérateur thermique Le résultat est que de la chaleur est pompée de l'extrémité

de régénérateur du tube oscillant jusqu'à l'extrémité fer-

mée Des échangeurs thermiques sont couplés aux extrémités du tube pour profiter de cet effet Par exemple, si l'ex

trémité chaude est connectée à une plaque de refroidisse-

ment à la température ambiante, on peut utiliser l'extré-

mité froide comme réfrigérateur on remarquera que le dis-

positif de réfrigération à tube oscillant diffère des ré-

frigérateurb classiques en ce qu'il n'y a qu'un seul volu-

ne de gaz qui est périodiquement comprimé dans une chambre fermée, et-en ce que la plupart des moyens de distribution,

d'étranglement et autre tuyauterie associés aux réfrigéra-

i'eurs classiques sont éliminés Comme la description qui

suit le montrera, la présente invention concerne un type

de dispositifs apparentés qui ont certaines de ces carac-

téristiques, mais qui ne nécessitent pas l'utilisation d'un

régénérateur thermique externe.

Un autre dispositif de l'art antérieur qui présen-

te un intérêt particulier par rapport à un exemple de réa-

lisation particulier de la présente invention est un mo-

teur thermique à onde progressive, décrit dans le brevet des E U A no 4 114 380 de Ceperley et dans l'article de P H Ceperley, intitulé "A Pistonless Stirling Engine-The

Traveling Wave Heat Engine", paru dans la revue "Jo Acoust.

Soc Am ",66,1508 ( 1979) Ce dispositif utilise un fluide compressible logé dans un récipient tubulaire et une onde

acoustique progressive Le récipient contient un régénéra-

teur thermique chauffé de façon différentielleo De l'éner-

gie thermique est ajoutée au fluide d'un côte du régénéra-

teur et elle est extraite du fluide de l'autre coté du ré-

générateur Le régénérateur a une grande capacité calori-

fique efficace comparée à celle du fluide de sorte quail

peut recevoir et rejeter de l'énergie thermique sans gran-

de variation de température La matière comprise entre les deux extrémités du régénérateur est maintenue en équilibre thermique local avec le fluide, ce qui permet de maintenir un gradient de température essentiellement stationnaire

dans le fluide Le fonctionnement de ce dispositif est dif-

férent de celui de la présente invention à plusieurs points

de vue Le dispositif de Ceperley utilise des ondes aeous-

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tiques progressives pour lesquelles la pression d'oscilla-

tion locale P est nécessairement égale au produit de l'im-

pédance acoustique pc (o p est la densité et c est la vi-

tesse du son dans le gaz) et de la vitesse:du fluide loca-

le v à chaque point du moteur, ce qui augmente les pertes par viscosité jusqu'à des valeurs extrêmement grandes, alors que, comme on l'expliquera dans la suite, un moteur thermique acoustique selon la présente invention utilise des ondes stationnaires pour lesquelles la condition P>?cv peut être satisfaite, ce qui augmente le rapport entre les effets thermodynamiques et les effets de dissipation par viscosité Les ondes progressives exigent qu'il n'y ait pas de réflexions dans le système Une telle condition est difficile à satisfaire car le régénérateur thermique agit comme un obstacle qui a tendance à réfléchir les ondes De plus, un système à onde purement progressive efficace du point de vue thermodynamique est plus difficile à réaliser

techniquement qu'un système à onde stationnaire Le dispo-

sitif de Ceperley exige aussi que le fluide primaire soit

en excellent équilibre thermique avec le régénérateur Ce-

la a pour effet de 1-e rendre étroitement analogue à un mo-

teur Stirling* Cependant, l'exigence sur la géométrie du fluide nécessaire pour avoir un bon équilibre thermique ainsi que l'exigence que P= Pcv pour une onde progressive entraînent nécessairement une grande perte par viscosité

(excepté dans les fluides inconnus ayant à la fois un nom-

bre de Prandtl excessivement bas et une activité therx nody-

namique élevée) Comme on l'expliquera plus loin, la pré-

sente invention utilise un contact thermique imparfait avec un second agent comme élément essentiel du processus de pompage de chaleur Par conséquent, un moteur réalisé selon la présente invention ne doit pas nécessairement présenter

les pertes élevées par viscosité du moteur à onde progres-

sive de Ceperley.

Le brevet des E U A n O 3 237 421 de Gifford dé-

crit le dispositif de pompage de chaleur exposé dans les articles cités précédemment de Gifford et al Comme on

ç 2536788

l'a déjà noté, la présente invention diffère principales ment du dispositif de Gifford en ce que le régénérateur

dont la présence est nécessaire entre la source de pres-

sion et le tube oscillant du dispositif de Gifford ne l'est pas dans la présente invention; et en ce que dans le dis-

positif de Gifford l'effet thermodynamique utile se pro-

duit dans le tube ouvert ou "oscillant" tandis que dans la présente invention l'effet thermodynamique utile se produit dans un second agent La présence d'un régénérateur dans la présente invention dégraderait ses performances en raison

des memes problèmes de dissipation par viscosité qui ca-

ractérisent le dispositif de Ceperley En outrep le dispo-

sitif de Gifford demande des dispositifs d'étanchéité mo-

biles qui ne sont pas nécessaires dans certains exemples

de réalisation de la présente invention.

Un objet de la présente invention est un moteur thermique basé sur un processus de transfert de chaleur intrinsèquement irréversible A cet égard, un objet de l'invention est de fournir ce moteur,basé sur un processus

de transfert de chaleur irréversible, qui suit fonctionnel-

lement réversible dans le sens qu'il puisse fonctionner

commae une pompe à chaleur ou comme un moteur primaire.

Un autre objet de l'invention est une pompe à

chaleur commandée acoustiquemènt.

Un autre objet de l'invention est un moteur ther-

mique ne comportant pas de dispositifs d'étanchéité mobiles.

Un autre objet de l'invention consiste à éliminer la nécessité de dispositifs externes d'inertie mécanique, tels que des volants d'inertie ou des compresseurs dans une pompe à chaleur, en particulier une pompe à chaleur

adaptée pour être utilisée comme réfrigérateur -

D'autres objets, avantages et caractéristiques nouvelles de l'invention seront mis en évidence en partie

dans la description qui suit, et en partie ils seront évi-

dents pour l'homme de l'art par l'examnen de ce qui suit ou

ils pourront être appris par la mise en pratique de l'in-

vention Les objets et avantages de l'invention peuvent

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être réalisés et atteints au moyen des instruments et des

combinaisons particulièrement mis en évidence dans les re-

vendications annexées.

Pour obtenir ce qui précède et d'autres objets, et selon les buts de la présente invention telle qu'elle est réalisée et largement décrite dans la suite, le moteur

thermique intrinsèquement irréversible de la présente in-

vention comprend un premier agent thermodynamique et un se-

cond agent thermodynamique qui sont en contact thermique imparfait l'un avec l'autre et qui présentent entre eux

une symétrie thermodynamique interrompue.

Le premier agent est mobile de façon alternative

par rapport au second agent En outre, le mouvement alter-

natif du premier agent provoque ou est provoqué par une

variation de température se produisant dans le premier a-

gent, de sorte que la température du premier agent varie

en fonction de sa position.

En spécifiant que les premier et second agents

présentent l'un par rapport à l'autre une symétrie thermo-

dynamique interrompue, on considère que le flux thermique moyen par unité de longueur entre les deux agents, pris dans une direction perpendiculaire par rapport au trajet de-mouvement alternatif du premier agent relativement au

second agent, augmente le long du trajet de mouvement al-

ternatif d'une première région et diminue le long du tra-

jet de mouvement alternatif dans une seconde région Si ce flux thermique moyen par unité de longueur est constant, on dit qu'il y a symétrie thermodynamique, et si ce n'est

pas le cas, on dit quail y a symétrie thermodynamique in-

terrompue Dans une application commune, la symétrie ther-

modynamique interrompue est obtenue en imposant une conduc-

tibilité thermique par unité de longueur discontinue ou

variant rapidement entre le premier et le second agent.

Dans une application pratique, le moteur est fonc-

tionnellement réversible dans le sens qu'il peut être uti-

lisé comme une pompe à chaleur ou comme un moteur primaire.

Quand le moteur est utilisé comme une pompe à

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chaleur, il comprend des moyens de commande pour effectuer le mouvement alternatif du premier agent par rapport au

second agent à une fréquence qui-est à peu près inverse-

ment proportionnelle au temps de relaxation thermique du premier agent par rapport au second agent Ce mouvement -alternatif, ainsi que la variation cyclique de la pression

et de la température du premier agententralne la généra-

tion d'une différence de température, ou d'un gradient de température, dans le second agent Plus particulièrement, le second agent devient relativement plus chaud dans les régions o le flux thermique moyen par unité de longueur

entre les deux agents décrolt dans la direction de la com-

posante de mouvement alternatifdu premier agent qui est provoquée par une augmentation de la température du premier agent Inversement, le second agent devient relativement plus froid dans les régions o le flux thermique moyen par unité de longueur entre les deux agents augmente dans la

direction suivant laquelle le premier agent est chauffé.

Dans une application de pompe à chaleur typique, le second agent est réalisé de manière à ce que sa surface par unité de longueur augmente brusquement en un point et diminue brusquement en un autre point A ces points, il se produit

dans le second agent des effets de refroidissement et d'é-

chauffement accentués Ces effets peuvent stre utilisés en

reliant le second agent à des échangeurs thermiques appro-

priés Par exemple, si la partie du second agent qui est soumiseà un chauffage est reliée à un puits de chaleurs la partie qui est soumise à un refroidissement relatif peut

être utilisée comme un dispositif de réfrigération.

On peut également utiliser le moteur thermique comme un moteur primaire en chauffant et en refroidissant sélectivement des parties du second agent de manière à produire une distribution de température différentielle dans le second agent qui soit l'opposée de celle obtenue

quand on utilise le moteur comme une pompe à chaleur.

Quand il est ainsi chauffé, le premier agent peut etre commandé pour effectuer un mouvement alternatif à une

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fréquence qui est déterminée par la géométrie du disposei-

tif, la charge mécanique sur le dispositif, et le temps de

relaxation thermique du premier agent par rapport au se-

cond agent.

Gifford et Longsworth ont décrit les processus qui se produisent dans leurs dispositifs en fonction d'un

concept appelé "pompage de chaleur superficielle" Le ter-

me "superficielle" implique ici l'existence d'un agent secondaire de meme qu'un agent primaire qui sont contigus entre eux, l'agent secondaire étant la valeur fondamentale introduite dans les moteurs thermiques par Robert Stirling dans son brevet de 1816- Comme les moteurs intrinsèquement

irréversibles de la présente invention comportent des va-

leurs supplémentaires par rapport à celles du moteur Stir-

ling et qu'ils peuvent être utilisés non seulement pour pomper de la chaleur mais aussi pour exécuter un travail extérieur, il est préférable de décrire les moteurs de la présente invention en fonction du concept plus approprié

et nouveau de symétrie thermodynamique interrompue.

Dans un exemple de réalisation typique de l'inven-

tion, le premier agent:thermodynamique est un gaz et le se-

ond agent thermodynamique est une matière solides Une façon simple pour interrompre la symétrie thermodynamique entre ces agents consiste à réaliser le second agent de

manière à ce qu'il ait une variation brusque (augmenta-

tion ou diminution) de la quantité du second agent en con-

tact avec le premier agent le long de 10 axe de mouvement du premier agent Un effet thermodynamique se produit à

ce point, le signe de l'effet (échauffement ou refroidis-

sement) étant fonction de la diminution ou de l'augmenta-

tion de la quantité du second agent en contact avec le pre-

mier agent dans la direction suivant laquelle le premier

agent a sa température qui augmente dans son mouvement al-

ternatif Dans sa forme la plus simple, une pompe à chaleur réalisée selon la présente invention comprend un cylindre fermé contenant un gaz; des moyens d'entraînement pour alternativement comprimer et détendre le gaz à partir d'une extrémité du cylindre, tels qu'un simple piston à mouvei Qent

alternatif ou, autrement, un entraîneur ou excitateur a-

coustique; et un second agent thermodynamique (le gaz étant le "premier" agent theimodynamique) placé dans le cylindre. Le second agent thermodynamique a des caractéristiques de

structure qui sont, sous certains aspects, semblabl S a el.

les d'un régénérateur thermique Par exemple, dans un exiem-

ple de réalisation le second agent thermodynamique est cons-

titué d'un groupe de plaques parallèles espacées entre el-

les et s'étendant parallèlement à l'axe longitudinal du cy-

lindre Dans un autre exemple de réalisation, le second agent thermodynamique est constitué d'un groupe d'écrans en réseau maillé écartés le long de l'axe du cylindre Bien que chacune de ces structures puisse fonctionner comme un régénérateur thermique dans une autre application, on s'est rendu compte que, lorsqu'une telle structure est utilisée dans le dispositif de la présente invention, il en résulte

un effet de pompage de chaleur qui, contrairement à la fonc-

tion d'un régénérateur, nécessite un contact thermique im-

parfait entre le gaz-et l'agent solide adjacent.

Le second agent thermodynamique peut être généra-

lement défini comme un agent ayant une faible impédance par rapport au débit du fluide; une résistance thermique élevée

dans la direction longitudinale ou dans la direction d'é-

coulement du fluide; un rapport entre la surface et le vo-

lume élevé; et, dans le but de constituer un moteur ther-

mique efficace, ayant une combinaison suffisamment grande de chaleur spécifique et de conductibilité thermique pour lui permettre d'absorber de la chaleur provenant de ou de

rejeter de la chaleur en direction de l'agent primaire com-

me on le veut La dernière exigence est satisfaite en pra-

tique par toutes les matières solides quand l'agent pri-

maire est un gaz et que les températures de fonctionnement

ne sont pas trop basses.

On s'est rendu compte que, lorsque les conditions préalables ci-dessus sont satisfaites, le second agent

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thermodynamique est soumis à un chauffage accentué à son

extrémité éloignée des moyens d'entraînement et il est sou-

mis à un refroidissement accentué à son extrémité la plus proche des moyens d'entraînement Cet effet est obtenu quel que soit il'emplacement du second agent thermodynami-

que le long du cylindre (tant que la longueur du daisposi-

tif est inférieure à un quart d'onde), bien que i'impor-

tance de l'effet augmente avec une distance croissante en-

tre l'extrémité fermée et la région Qo la symétrie thermo-

dynamique est interrompue En outre, 3 l'effet est obtenu même là o la longueur du second agent thermodynamique est essentiellement inférieure à la partie de la longueur du cylindre qui représente le volume minimal du fluide dans

chaque cycle.

Les effets de chauffage et de refroidissement ob-

servés aux extrémités opposées du second agent thermodyna-

mique peuvent être utilisés en couplant thermiquement les extrémités du second agent thermodynamique à des échangeurs

thermiques appropriés Par exemple, on peut coupler l'ex-

trémité chaude du second agent thermodynamique à nqimporte

quel puits de chaleur approprié de manière à utiliser l'ex-

trénmité froide comme un réfrigérateur.

On s'est également rendu compte que le rendement

du moteur par rapport à un transfert de chaleur en direc-

tion de et à partir de réservoirs thermiques pouvait etre

encore amélioré en réalisant le second agent thermodynami-

que dans deux matières différentes On utilise unepremière ayant une conductibilité thermique élevée, par exemple du cuivre, pour les extrémités opposées du second agent On utilise cette matière pour obtenir un transfert de chaleur

maximum dans des directions transversales entre les extré-

mités de l'agent et les parois de cylindre adjacetes et les échangeurs thermiques On utilise une seconde matière pour réaliser l'agent entre les extrémités opposées Cette seconde matière est choisie de manière qu'elle ait une

conductibilité thermique bien inférieure à celle de la pre-

mière matière, ce qui permet de réduire au minimum la il 2536788 conduction en longueur de la chaleur le long de l'agent

de l'extrémité chaude à l'extrémité froide Il est égale-

ment important que le produit de la capacité calorifique

par la conductibilité thermique du second agent soit supé-

rieur à celui pour le gaz Dans le simple exemple de réa- lisation décrit jusqu'ici, des lames de fibre de verre ou

de polymère constituent des exemples convenables Une tel-

le matière agit pour absorber de la chaleur en provenance de et pour libérer de la chaleur en direction du fluide

pendant chaque cycle, ce qui facilite le transfert d'éner-

gie global Gifford et Longsworth ont décrit un processus

* semblable dans la revue "International Advances in Cryoge-

nic Engineering", vol ll,p 171 ( 1965),déjà citée plus haut.

Conformément à un e explication de ce phénomène basé sur des mouvements articulés des pistons, on considère un volume incrémentiel de gaz qui est comprimé et entralrié vers l'extrémité fermée du cylindre pendant chaque course de compression du piston Le mouvement est rapide et le gaz est comprimé presque de façon adiabatique, en élevant

ainsi sa température A l'extrémité de la course de compres-

sion, il se produit une pause pendant laquelle ilincréiment de gaz chauffé transfère de la chaleur jusqu'à la surface immédiatement adjacente du second agent thermodynamiques

en élevant ainsi la température de l'agent en ce point.

Pendant la phase suivante du cycle, l'incrément de gaz est rapidement détendu, d'une manhière à peu près adiabatique, et en faisant ainsi le gaz descend dans le cylindre vers

le piston, en se refroidissant jusqu'à une température in-

férieure A la fin de la course, il se produit une nouvel-

le pause pendant laquelle l'incréinent de gaz absorbe de la chaleur provenant de la surface de l'agent thermodynamique

immédiatement adjacent, ce qui le refroidit Ainsi se ter-

mine un cycle complet du moteur On notera que, de la ma-

nière qui vient d'être décrite, de la chaleur a été trans-

férée d'un point de l'agent à un autre dans l'agent plus

près de l'extrémité formée du cylindre Tous les incré-

ments de fluide à l'intérieur du second agent thermodyna-

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mique subissent le mémes type de cycle, de sorte que le ré-

sultat net est de transférer de la chaleur d'une extrémité de l'agent à l'autre extrémités Il peut y avoir un petit chauffage net en tous les points dans la région du second agent, mais aux extrémités de l'agent, o la symétrie ther- modynamique est interrompue, des effets de transfert de chaleur net se produisent qui donnent lieu à des effets de chauffage et de refroiddissement accentués A l'extrémité la plus proche de l'extrémité fermée du cylindre, de la chaleur est a Joutée de manière à élever la température du

second agent, et l'agent est refroidi à l'extrémité opposée.

La fréquence à laquelle le dispositif est comman-

dé est un facteur important qui affecte le coefficient de performance, ou de rendement, du dispositif quand il pompe

de la chaleur On peut l'expliquer plus simplement en com-

parant le processus de transfert de chaleur décrit plus haut à ce qui arrive à des fréquences très élevées ou très basses Si la fréquence de pressurisation est suffisamment

basse, la détente et l a compression du fluide se produi-

sent lentement et à peu près de façon isothermique par rap-

port au second-agent thermodynamique, plutôt que de façon adiabatique P nr exemple, si la phase de pressurisation

du cycle se déroule lentement, de la chaleur est continuel-

lement transférée jusqu'aux parois du cyclindre quand le fluide est comprimé et dirigé vers le bas du cylindre A la fin de la course de compressions la température du fluide n'est pas supérieure à celle de la paroi adjacente du cylindre, et aucun transfert de chaleur ne se produit

en ce point du cycle Pendant la détente suivante du flui-

de dans la phase suivante du cycle, le fluide se refroidit progressivement quand il se déplace le long de l'agent, et il extrait exactement la même quantité de chaleur-que

celle qui a été délivrée dans la phase précédente La ca-

ractéristique importante de ce cycle hypothétiquement très bas est que le fluide est toujours en équilibre thermique

avec les parois du second agent Si la fréquence est suf-

fisamment élevée, le temps à la fin de chaque course du l piston est insuffisant pour que se produise un transfert

de chaleur mesurable entre le fluide et les parois du cy-

lindre Cependant, si la fréquence est située entre ces

limites de variation de pression isothermique et adiabati-

que, la détente ainsi que la compression du fluide se pro-

duisent avec un certain transfert de chaleur entre le flui-

de et les parois du cylindre, et le processus de poihpage de chaleur décrit plus haut peut avoir lieu Ainsi, le

coefficient de performance ou rendement du dispositif di-

inue aussi bien aux fréquences élevées qu'aux fréquences

basses A une certaine fréquence intermédiaire, tout dis- positif donné a un coefficient de performance optimal.

Un effet de l'utilisation du second agent thermo-

dynamique du type décrit plus haut est que la fréquence a laquelle le coefficient de performance est optimum est

bien supérieure à celle qu'on peut obtenir avec un réfri-

gérateur à tube oscillant ne comportant pas ce second agent

thermodynamique De fait, cette découverte a permis de dé-

velopper un moteur à pompage de chaleur efficace qui fonc-

tionne à des fréquences acoustiques Un avantage principal

d'un tel moteur est qu'on peut utiliser un entraîneur a-

coustique commandé électriquement très simple pour entrai-.

ner le moteur, en éliminant ainsi les problèmes mécaniques associés aux pistons alternatifs, aux vilebrequins, aux dispositifs d'étanchéité aux fluides mobiles, aux volants,

et ainsi de suite Un autre avantage principal d'un fonc-

tionnement aux fréquences élevées est que la puissance vo-

ludmique du dispositif peut être augmentée d'une manière à peu près directement proportionnelle à la fréquence de fonctionnement, en permettant ainsi d'avoir une pompe à chaleur ou un réfrigérateur compact ayant une puissaice volumique et un coefficient de performance supérieurs à

ceux de dispositifs semblables connus précédemment.

Puisque la présente invention est basée sur des

processus qui ne sont expliqués qu'en fonction d'un dési-

quilibre thermodynamique, le moteur thermique de l'inven-

tion est intrinsèquement irréversible du point de vue

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thermodynamique Cependant, en même temps,1 la présente in-

vention est fonctionnellement réversible dans une applica-

tion pratique, en ce qu'un dispositif réalisé selon l'in-

vention peut être commandé mécaniquement de manière à fonc-

tionner comme une pompe à chaleur, ou il peut êtrc couplé

à des sources de chaleur et de froid pour fonctionner cum-

me un moteur primaire.

Selon un aspect particulier de l'inventi Goa cité plus haut, il est prévu un moteur à pompage de chaleur

acoustique comprenant un récipient tubulaire, tel qu'un ré-

cipient tubulaire droit en forme de U ou de J Une extré-

mité du récipient est fermée par un capuchon et le réci-

pient est rempli d'un fluide compressible capable de sup-

porter une onde acoustique stationnaire L'autre extrémité

du récipient est fermée avec un dispositif tel que le dia-

phragme et la bobine mobile d'un excitateur acoustique pour engendrer une onde acoustique à l'intérieur de l'agent fluide Dans un exemple de réalisation préféré, on utilise un dispositif tel qu'un réservoir de pression pour délivrer

une pression choisie au fluide à l'intérieur du récipient.

Un second agent thermodynamique est placé à l'intérieur du récipient, au voisinage mais à distance de son extrémité fermée par un capuchon, pour recevoir de la chaleur du fluide qui le traverse pendant la phase d'augmentation de pression d'un cycle d'onde et pour céder cette chaleur au fluide quand la pression du gaz décroît pendant la phase

appropriée du cycle d'onde Le contact thermique impar-

fait entre le fluide et le second agent se traduit par un intervalle d'inertie thermique commençant à 900 entre la température locale du fluide et sa vitesse locale Il en résulte une différence de température sur la longueur de

l'agent et, dans le cas de l'exemple de réalisation préfé-

ré, essentiellement sur la longueur de la branche la plus courte du récipient en forme de J Des puits de chaleur et/ ou des sources de chaleur peuvent être incorporés pour une utilisation avec le dispositif de l'invention approprié

pour des opérations de réfrigération et/ou de chauffage.

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Les dessins annexés représentent plusieurs exem-

ples de réalisation de la présente invention et ils ser-

vent à expliquer, en relation avec la description, les

principes de l'invention Dans les dessins: La figure 1 est une vue en coupe latérale d'un exem- ple de réalisation simple de l'invention; La figure 2 est une vue en coupe d'extrémité de

l'exemple de réalisation de la Figure 1, prise le long d'= -

e ligne de section 2-2 de la Figure 31; La figure 3 est une vue en coupe d'extrémité de l'exemple de réalisation de la Figure 1, prise le long d'une ligne de section 3-3 de la Figure 1;

La figure 4 est une-vue en coupe de plan de 11 exem-

ple de réalisation représenté sur la Figure 1, prise le long d'une ligne de section 4-4 de la Figure 3; La figure 5 est une vue isométrique d'un dispositif de contrôle prévu avec des thermocouples A à E placés le long d'une plaque centrale du second agent thermodynamique;

La figure 6 est une courbe de-variation de la tempé-

rature en fonction du temps pour les cinq thermocouples de la Figure 5;

La figure 7 est une courbe de variation de la tempé-

rature en fonction du temps pour deux thermocouples placés

au;-extrémités opposées d'un dispositif de controle sem-

blable à celui représenté sur la Figure 5; La figure 8 est une courbe schématique de variation

du flux énergétique A(z) en fonction de la position à l Vin-

térieur d'un exemple de réalisation de l'invention tel que celui représenté sur la Figure 5, prise immédiatement après que la puissance acoustique ait été appliquée et avant qu'un gradient de température soit apparu dans le second agent; La figure 9 est une vue isométrique d'un second

exemple de réalisation de l'invention, dans lequel le se-

cond agent thermodynamique est constitué d'un groupe dlé-

crans en réseau maillé de fils;

16 2536788

La figure 10 est une vue latérale de l'exemple de réalisation représenté sur la Figure 9; et _ La figure 11 est ule vue en coupe d'un exemple de

réalisation préféré d'une pompe à chaleur commandée acous-

tiquement réalisée selon '-invenition. Les Figures 1 à 4 représentent schématiquement

un exemple de réalisation simple d'une pompe à chaleur réa-

lisée selon la présente invention.

La pompe à chaleur comprend un carter cylindrique 10 ayant une extrémité fermée O 10 a et comportant un piston

12 placé de façon coulissante dans son extrémité ouverte.

Le piston 12 est relié à un vilebrequin 16 par une tige 14 et un tourillon 13 Le vilebrequin est relié à une source appropriée de puissance mécanique de manière à entraîner le piston 12 dans un mouvement alternatif à l'intérieur du

carter cylindrique 10 ou cylindre.

Le cylindre 10 contient un gaz, par exemple, de l'hélium, qui constitue un premielr agent thermodynamique

et qui est alternativement comprimé et détendu par le mou-

vement alternatif du piston 120

Le piston 12 se déplace suivant un mouvement al-

ternatif entre des positions A et B, représentées sur la Figure 1 Quand le piston 12 est à la position A, le gaz

a son volume maximum, et quand le piston 12 est à la posi-

tion B, le gaz est comprimé jusqu'à son volume minimum et sa pression maximum, Un second agent thermodynamique 16 est placé à

l'intérieur du carter ou cylindre 10 du coté de l'extrémi-

té fermée 10 a Le second agent 16 est constitué par un groupe de plaque parallèles espacées 18 Chaque plaque 18

est rectangulaire dans son ensemble et s'étend longitudi-

nalement à l'intérieur du cylindre 10 d'un point voisin

de l'extrémité fermée 10 a à un point tout près de la posi-

tion B qui représente la position d'-un déplacement maximal du piston 12 L'épaisseur de chacune des plaques 18 est

exagérée sur les figures dans un but d'illustration.

Chaque plaque 18 se compose de trois parties:

17 2536788

des parties extrê*mes en cuivre 18 a et 18 b, et une partie intermédiaire en fibre de verre 18 c Les parties extrêmes 18 a et 18 bs'étendent complètement en travers du cylindre 10 et elles sont fondues jusqu'aux parois du cylindre 10 pour augmenter la cor ductibilité thermique entre le carter 10 et les parties extrêmes La partie intermédiaire en fibre de verre 18: de chaque plaque est relativement moins large que les parties extrêmes 18 a et 18 b correspondantes, de sorte que les bords de chaque partie intermédiaire 18 c sont

espacés des parois du cylindre 10.

Le moteur thermique des Figures 1-4 comprend en.

outre des échangeurs thermiques 20 et 22 qui entourent le cylindre 10 au voisinage des parties extrêmes 18 a et 18 b du second agent thermodynamique 16 L'échangeur thermique 20 est appelé échangeur thermique froid, et l'échangeur thermique 22 est appelé échangeur thermique chaud, pour des

raisons qui seront évidentes dans la suite.

En fonctionnement, le piston 12 est entraâné par le vilebrequin 15 dans un mouvement alternatif de manière à comprimer et à détendre alternativement le gaz contenu dans le cylindre 10 Il résulte de ce fonctionnement que les parties extrêmes 18 a du second agent thermodynamique

deviennent froides et que les parties extrêmes 18 b devien-

îient chaudes par rapport à leur température ambiante com-

mune de départ Pour faire fonctionner le dispositif comme

un réfrigérateur, on peut par conséquent refroidir l'échan-

teur thermique chaud 22 par des moyens appropriés, par exemple, par circulation d'eau ordinaire, de manière à éloigner la chaleur accumulée aux parties extremes 18 b entrainant un refroidissement relatif des parties extrêmes

18 a et de l'échangeur thermique froid associé 20 bien au-

dessous de la température ambiante de départ.

En raison du mouvement alternatif du gaz, associé à la compression et à la détente alternatives du gaz, du

contact thermique imparfait et de la symétrie thermodyna-

mique interrompue entre le gaz et le second agent thermo-

dynamique, le flux thermique s'élève le long du second

18 2536788

agent thermodynamique L'effet est obtenu quels que soient

les moyens utilisés pour entraîner le gaz Les moyens d'en-

tra;nement peuvent etre constitués par un dispositif méca-

nique, tel que le piston dans l'exemple de réalisation sim-

ple décrit plus haut Cependant, on a trouvé que des entrai-

neurs électromagnétiques fonctionnant à des fréquences a-

coustiques étaient particulièrement utiles, quand ils peu"

vent etre utilisés pour produire un dispositif ne compor-

tant aucune partie mobile externe ni de dispositifs d'étan-

chéité au fluide mobiles De plus, ces entraineurs donnent des puissances volumiques supérieures et des coefficients

de performance ou rendements plus élevés.

La Figure 5 représente un simple dispositif de dé-

monstration ayant environ 10 centimètres de long et qui est pourvu d'un groupe de cinq thermocouples (A à E)placés le

long de la plaque centrale du second agent thermodynamique.

Les plaques de thermocouples sont constituées de fibre de

verre imprégnée de résine de polyester On a rempli le dis-

positif d'hélium à une pression d'environ 5 atmosphères,

et on l'a entraîné par un entraîneur ou excitateur acous-

tique (non représenté) à une fréquence de 400 cycles par seconde. La Figure 6 représente la réponse du dispositif de la Figure 5 pendant les quelques premières secondes après que l'entraîneur acoustique ait été actionné Sur

cette figure, la température de chaque thermocouple est re-

présentée comme la différence entre sa température instan-

tanée T et sa température initiale Ti La température ini-

tiale Ti est la même pour chaque thermocouple, c'est-à-

dire la température ambiante au moment de la démonstration.

On notera que les thermocouples A et B, qui sont placés aux extrémités opposées des plaques constituant le second

agent thermodynamique, subissent des variations de tempé-

rature immédiates et importantes dans des sens opposés à

partir de leur température initiale commune Ti de départ.

Les thermocouples intermédiaires B,C et D subissent des

variations de température moins accentuées.

19 2536788

La Figure 7 montre des résultats de contrôle réels

sur une plus longue période Les résultats de contrôle pré-

sentés sur la Figure 7 ont é obtenus avec un autre exem-

ple de réalisation semblable constitué de 19 plaques de fibre de verre parallèles placées dans un tube en incoilel ayant un diamètre intérieur de 2,81 cm Le tube eûi inconel était droit, horizontal et non isolé Les plaques avaient cm de long, 0,0125 cm d'épaisseur et étaient écarteées

de 0,094 cm Les largeurs des plaques variaient de ia ma-

nière représentée sur la Figure 5 Les extrémités des pla-

ques les plus proches de l'extrémité fermée du tube étaient

placées à une distance de 6 cm de l'extrémité fermée Le tu-

be était rempli d'hélium à une pression de 1,903 atmosphe-

res et était entralné par un entraîneur acoustique à une fréquence de 268 Hz Deux thermocouples étaient placés aux extrémités opposées de la plaque centrale Les températures enregistrées par les deux thermocouples en fonction du temps

sont indiquées par les deux courbes de la Figure 7.

Les plaques et le gaz les entourant étaient mis en équilibre à la température ambiante pendant une certain ne période avant d'actionner l'entraîneur acoustique Cette période est indiquée par les parties initiales des courbes

sur l'intervalle de temps de O à 1 minute Pendant cet in-

tervalle de temps, les deux courbes sont plates et super-

posées à la température ambiante de 18 h 44 C Après que l'e-

quilibre thermique a été établi, l'entraîneur acoustique

a été actionné à un temps représenté par le temps = iminute.

Comme les courbes l'indiquente les thermocouples ont enre-

gistré les variations de température immédiate pendant une

période de quelques secondes Le thermocouple à l'extrémi-

té froide des plaques a atteint une température minimale

d'environ 3,7 C après environ une minute, et s'est en-

suite réchauffé légèrement jusqu'à une température d'envi-

ron 1,4 C sur une période d'environ 14 minutes Le thermo-

couple à l'extrémité chaude s'est échauffé rapidement sur une période de plusieurs minutes et a atteint finalement

une température stable d'environ 93,8 C.

2536788

On peut expliquer le fonctionnement du moteur en analysant le flux énergétique à l'intérieur du cylindre d'un exemple de réalisation simple tel que le dispositif

de controle de la Figure 5 Dans un but de clarté d'ex-

plication, on négligera dans la suite l'effet de viscosité. On considère d'abord un cylindre vide dans lequel un gaz compressible est soumis à une compression à partir d'une extrémité, par exemple par un piston, et descendu dans le cylindre selon le processus Pour un cylindre ayant une surface de section transversale A, le volume incrémentiel de gaz d V passant en un point fixe du cylindre est donné par l'équation: d V = Avdt ( 1) o v est la vitesse instantanée du gaz au point fixe et t

est le temps La masse du volume incrémentiel de gaz pas-

sant au point fixe est donnée par: dm = pd V ( 2) o pest la densité du gaz En substituant l'équation ( 1) dans l'équation ( 2), on obtient: dm = p Avdt (f) La quantité incrémentielle d'énergie passant par le point fixe en un intervalle de temps dt est la somme de l'énergie interne de la masse incrémentielle du gaz dm

et du travail effectué par le gaz dm Celle-ci est repré-

sentée par 19 équation: d E =udm + Pd V ( 4) o u est l'énergie interne par unité de masse, ou énergie interne spécifique, du gaz; et P est la pression du gaz dans le cylindre L'équation ci-dessus peut être également écrite comme: d E = (u + P')dm ( 5)

o V est le volume spécifique, ou volume par unité de mas-

se (l/p),du gaz

Pour un gaz monoatomique tel que l'hélium, l'éner-

gie interne moléculaire U est donnée par l'équation:

U = ( 3/2)RT ( 6)

L'énergie interne spécifique u est ainsi donnée l

21 2536788

par l'équation: ( 3/2)RT u = ( 7) M.W.

o M W est le poids moléculaire du gaz.

La thermodynamique classique donne l'équation pour l'enthalpie moléculaire H (avec V comme volume molé- culaire): H = U + Pv ( 8) L'enthalpie spécifique h est ainsi donnée par: h u PO ( 9) et de l'équation ( 5), on déduit ainsi: d E hdm ( 10)

En substituant l'expression pour dm dans l'équa-

tion ( 3) dans l'équation ci-dessus, on obtient: d E = hf Avdt ( 11)

Le débit énergétique par le point fixe dans le cy-

lindre peut ainsi être défini comme H et écrit comme: H d= = h Av ( 12)

Des équations ( 7) et ( 9) ci-dessus, on peut re-

présenter h par l'équation: ( 3/2) RT

( 3/2) RT

-20 h = u + P,) = M W + P ( 13) En introduisant la loi de gaz idéal PV = n RT, on peut réécrire l'équation ci-dessus ( 13) comme: h = ( 3/2)RT + RT = ( 52) RT ( 14) MW Mo W M W.

On peut ainsi réécrire l'équation ( 12) en intro-

duisant l'équation ci-dessus pour h, soit: * ( 5/2) R Tp Av

H = _ _ _( 15)

M.W.

La thermodynamique donne l'expression pour la ca-

pacité calorifique spécifique d'un gaz à une pression cons-

tante, C, qui est donnée par: dh 3 o ( 16) Cp d T ( 16) p= d 'V' De l'équation ( 14) on peut représenter l'équation ( 16) pour C comme:

C _( 5/2) R ( 17)

M.W.

22 2536788

Ainsi, l'équation ( 15) peut être réécrite comme: H = P Cp T Av ( 18)

Pour un gaz qui subit une variation de tempéra-

ture i T à partir d'une température moyenne T, telle que T = + T + T T + Ta cos Wbt, o la dernière forme est ap- a propriée pour le gaz Loin des parois du récipient, il y a: une variatirn: d'enthalpie correspondante Sh qui peut Utre écrite comme: h = h + h ( 19) En représentant cette équation 'en fonction de l'équation ( 14), on obtient: h = ( 52)T _+( 5/2) R b T ( 20 o) b M.W M W. En substituant l'équation ( 17) dans l'équation ( 20), on obtient: h = CT + Cp 6 T ( 21) On considère maitenant le débit énergétique moyen dans le temps qui est représenté par H Cette quantité peut être représentée en prenant la moyenne dans le temps de l'équation ( 12), comme suit: F = h Av = p + h)Av = p Av + P ( 22) Si le gaz oscille d'une manière alternative; la vitesse moyenne dans le temps v est égale à zéro et le

terme ph Av de l'équation ( 22) est égal à zéro, les au-

* tres variables étant constantes, de telle sorte que: à= P? Av ( 23)

En substituait l'expression pour 6 h dans l'équa-

tion ( 21) dans l'équation ci-dessus, on obtient: il=H C àT Av ( 24)

En supposant que le gaz oscille d'une manière al-

ternative sinusoidale, la pression P varie d'une quantité 6 P autour d'une pression moyenne P d'une manière donnée par: P = P + 8 P = P + P cos Ut ( 25) o la phase de la pression oscillante est prise pour etre la même que la phase de la température oscillante loin des parois Si la détente et la compression du gaz sont / adiabatiques, on peut alors considérer que b P est fonction

de la variation de température loin des parois par l'équa-

tion: SP = Pa cos -Jt= p Cp T ( 26) Le gaz subit également un déplacement alternatif en chaque point qui, en l'absence de viscosité, est donné par: x = xa cos t t ( 27) o x est le déplacement instantané à partir d'une position initiale moyenne et xa est le déplacement maximum dans chaque direction à partir de cette position Les paramètres x, 6 P et ST varient ainsi en phase les uns par rapport aux

autres loin des parois du récipient.

La vitesse v du gaz en tout point est donnée par: v = dt x sin o t ( 28)

En considérant à nouveau l'équation ( 24) dans la-

quelle H = p C b T Av, les équations ( 26) et ( 28) peuvent être insérées dans l'équation ( 24) pour donner: H = Cos t x Fs A n( 29) a _ _ _ _ _ _

Puisque (sinuit)(cosut) = ( 1/2)sin 2 wt, l'équa-

tion ci-dessus se réduit à: H = T/2 P axa u A sin 2 uot ( 30) et puisque la moyenne dans le temps de la fonction sinus est nulle, le résultat est que H = O Il n'y a donc pas de

flux énergétique net dans le gaz aiternatif dans un cylin-

dre dont les parois n'ont pas d'effet thermique.

Si on introduit dans le cylindre une plaque à la

température Y orientée parallèlement à la direction du mou-

vement du gaz (normalement par rapport a la plaque perpen-

diculaire à l'axe du cylindre), les conditions changent.

I 1 existe près de la plaque une couche de gaz limite d'é-

paisseur bkk' dans laquelle les conditions thermiques peu-

vent être définies approximativement en disant que la tem-

pérature du gaz ne varie pas de façon adiabatique, et

qu'elle est plutôt égale à la température de la plaque.

C'est ainsi que le gaz dans la couche limite se'détend et

se comprime de façon isothermique alors que le gaz à l'ex-

24 2536788

térieur de la couche limite se détend et se comprime de

façon adiabatique, comme on l'a expliqué plus haut C'est-

à-dire que la capacité calorifique et la conductibilit 4 thermique de la plaque sont suffisamment' grandes épur que la température de la plaque ne varie pas.

L.e flux thermique Q dans la plaque peut atre r ?-

présenté par l'équation: _ d T= -ka 1 T dt dy

o d T/dy est le gradient de température local ea, s'éloi-

gnant de la surface de la plaque, a est la surface de la

plaque, et k est le coefficient de conductibilité thermi-

que du gaz.

Si les conditions O Cp E T = O pour y O et

t C'p T = Cp&Ta Ccos Wt pour-y grand sont imposées, l'équa-

tion de transfert de chaleur dans la limite du nombre de Prandtl à zéro et du gradient de température longitudinal à zéro peut être facilement résolue et représentée par: Cp 6 T = pc Pb Ta cos ct ( 32) p Cp Ta ey/bkcos (C t -Y/âk) o bk est la profondeur de pénétration thermique dans le gaz qui est définie comme ( 2 k/uj)1/2, k étant le

coefficient de diffusion thermique du gaz.

Le terme cos (uit Y/k de l'équation ci-dessus peut être développé pour donner l'équation suivante: ( 33)

Fcp b T =?Cp S Ta(oos wt) 1-e-Y/becos ylbk)-

p Cp Ta(si 4 wt) e'Y/6 ksin ?sk-

Dn considérant à nouveau H = , o la dou-

ble barre représente le calcul d'une valeur moyenne dans

l'espace et dans le temps, la valeur de H peut être déter-

minee On notera que la moyenne dans le temps du produit

3 Q des termes cos wt et sin wt est égaleà zéro et que la moyen-

ne dans le temps du terme sin 2 ut est égale à 1/2, pour ré-

duire l'équation ci-dessus à: = p Ta-Vasin 4 o t ady e Y/,3 k ( 34 o Il est le périmètre, ou la distance,autour de la plaque hypothétique introduite dans le cylindre C'est ainsi

2536788

que pour une plaque de largeur W et d'épaisseur d, d A = II dy = ( 2 W + 2 d) dy Cela signifie également que II est, pour des géométries plus compliquées, la surface par unité de longueur du second agent thermodynamique placé dans le cylindre. L'équation ci-dessus se réduit à: H = ( 1/4)Cp Ta Va ( 35)I et en établissant PC 8 T P, on obtiant: p a a H = ( 1/4)Pava Ir 6 k ( 36) On voit donc que le flux énergétique net H dans le gaz le long du cylindre dépend de la surface totale par

unité de longueur du cylindre et du second agent thermody-

namique contenu dans le cylindre Puisque cette quantité,

représentée par II,présente une discontinuité aux extrémi-

tés d'un second agent thermodynamique du type représenté sur les Figures 1-5, la fonction H (z) subit également

une discontinuité aux extrémités de l'agent Cela est re-

présenté sur la Figure 8.

A l'extrémité de l'agent la plus proche de l'ex-

trémité fermée du cylindre, le flux énergétique net H dans

le gaz vers l'extrémité fermée décroit de façon disconti-

nue, de sorte que par conservation d'énergie de la chaleur

peut être transférée jusqu'à cette extrémité du second a-

gent et que celui-ci devient chaud.

Inversement, à l'extrémité la plus proche de l'en-

tra:lneur, le flux énergétique dans le gaz croit suivant

une fonction échelon discontinue en allant vers l'extrémi-

té fermée Ainsi, de la chaleur peut être retirée du se-

cond agent à cette extrémité.

Bien que Ilvarie de façon discontinue à chaque extrémité du second agent, H varie rapidement en réalité

mais de façon discontinue dans ces régions avec une lar-

geur d'environ la somme de 6 k et xa au point considéré.

On notera en outre à partir de l'équation ( 36)ci-

dessus que f décroît de façon régulière vers l'extrémité

fermée du cylindre, puisque le terme va décroît régulière-

ment en direction de zéro à l'extrémité fermée Il y a

26 2536788

ainsi un flux thermique constant en tous points jusque dans les parois du cylindre, mais ce flux thermique peut être beaucoup plus petit que les taux de flux thermique

dûs à l'introduction du second agent.

Les Figures 9 et 10 représentent un autre exemple de réalisation de l'invention dans lequel le second agent

thermodynamique est constitué d'un groupe d'écrans circu-

laires formés chacun en un réseau maillé de fils 24 Les

écrans sont orientés perpendiculairement à l'axe du cylin-

dre, et ils sont maintenus en position par de petites en-

tretoises 26.

On notera que, sur les Figures 9 et 10, la dis-

tance entre les écrans 24 varie progressivement le long de la direction longitudinale du cylindre Spécifiquement, les écrans sont espacés en se rapprochant progressivement de plus en plus les uns des autres en allant vers l'extrémité

fermée du cylindre Cette caractéristique n'est pas un élé-

ment nécessaire de l'invention, mais elle est représentée

pour mettre en évidence un principe de l'invention Ce prin-

cipe est que la distance entre des éléments voisins du se-

cond agent thermodynamique doit être, entout point le long

du cylindre, inférieur à l'amplitude double, ou au dépla-

cement alternatif, du gaz en ce point Les performances

sont diminuées si la distance est supérieure au déplace-

ment alternatif local du gaz Puisque le déplacement alter-

natif du gaz diminue progressivement en allant vers l'ex-

trémité fermée du cylindre, la distance maximale permise

entre les éléments de ce type de second agent thermodyna-

mique diminue également en allant vers l'extrémité fermée.

Ce type de second agent peut être également utilisé avec une distance uniforme, mais cette distance doit être alors partout inférieure au déplacement alternatif minimal du gaz.

La Figure Il représente un troisième exemple pré-

féré de réalisation de l'invention qui constitue une pompe à chaleur acoustique 30 comprenant un récipient tubulaire ou cylindrique dans son ensemble en forme de J 32 qui

27 2536788

comporte un coude en U, une branche courte et une branche longue La branche longue est coiffée par un bottier 34

d'entraîneur ou excitateur acoustique supporté par une pla- que de base 36 et fixé à celle-ci par des boulons 38 pour former un joint

étanche aux fluides pressurisés entre: la

plaque de base 36 et le boïtierl,34 Dans l'exemple de réa-

lisation pr'f'éré, la plaque de base 36 repose sur la face supérieure d'un collet 20 faisant saillie par rapport à la paroi du récipient 32 Le bottier d'excitateur acoustique 34 contient un aimant 42, un diaphragme 44 et une bobine mobile 46 Des fils 48 et 50, traversant un joint 58 dans la plaque de base 36, s'étendent jusqu'à une source de

courant de fréquence audible 56 L'ensemble bobine mobile-

diaphragme; est monté par l'intermédiaire d'un anneau flex-

ible 54 sur une base 52 ou support fixé à l'aimant 42 Il

est évident pour l'homme de l'art que l'excitateur acous-

tique représenté est d'un type classique Dans l'exemple de réalisation préféré, l'excitateur fonctionne dans une plage de fréquence de 400 Hz Cependant, on peut utiliser une plage de 100 à 1000 Hz dans l'exemple de réalisation

préféré Dans l'exemple de réalisation préféré, le réci-

pient 32 a été rempli avec de l'hélium, mais il est aussi

évident pour l'homme de l'art qu'on peut utiliser facile-

ment d'autres fluides, y compris des gaz tels que de l'air ou de l'hydrogène, ou des liquides tels que des "Fréons", du propylène, ou des métaux liquides tels qu'un eutectique

liquide de sodium-potassium,pour mettre en pratique l'in-

vention Une collerette 60 est fixées par exemple par sou-

dage, à la face supérieure de la brancha courte Un capu-

chon d'extrémité 62 est placé au-dessus de la collerette

et il est fixé à celle-ci par des boulons 64 pour for-

mer un joint étanche aux fluides pressuriséso Un second agent thermodynamique 66, qui est semblable dans l'exemple de réalisation préféré de la Figure 11 à celui représenté sur les Figures 1-4, est constitué de préférence par des plaques parallèles 66 b fabriquées en un matériau tel que du "Mylar" (acide terephtalique+ éthylène glycol), du nylon (polyamide), du "Kapton" (polyimide), une époxyde ou de la fibre de verre; et des parties extremes thermiquement conductrices 66 a et 66 c fabriquées en cuivre ou en un autre

matériau approprié Le matériau utilisé doit pouvoir effec-

tuer un échange thermique avec le fluide contenu dans le ré- cipiernt 32 Toute matière solide pour laquelle la capacité calorifique efficace par unité de surface à la fréquence de fonctionnement est beaucoup plus grande que celle du

fluide voi sin et qui a une conductibilité thermique,-longi-

tudinale suffisamment basse fonctionne comme second agent thermodynamique On notera la présence d'un espace extrême

entre le capuchon 62 et le sommet de l'agent thermodynami-

que 66 Le récipient 32 communiquepau voisinage de l'espace

extreme et du sommet de l' agent 66, avec un puits de cha-

leur 70 par l'intermédiaire d'um conduit 68,en produisant un échange thermique par dégagement de chaleur Un second conduit 72 communique, par le récipient 32 à l'extrémité inférieure de l'agent thermodynamique 66, avec une source

de chaleur 74 et produit un échange thermique par absorp-

tion de chaleur.

Une pression voulue ou choisie est fournie par une source d'àlimentation en fluide sous pression 84 et par luintermédiaire d'un conduit 78 et d'mue valve 80 La

pression peut être contrôlée par un manomètre 82.

L'excitateur acoustique, comportant l'aimant per-

manent 42 qui engendre un champ magnétique radial agissant sur les courants dans la bobine mobile 4 16 pour produire

la force sur le diaphragme 44 afin de provoquer des oscil-

lations acoustiques à l'intérieur du fluide, est couplé mécaniquement au récipient 32, un résonateur acoustique

ayant la forme d'un tube en J comportant une extrémité fer-

mée par le capuchon 62 Dans un dispositif typique, le ré-

sonateur peut avoir une longueur d'environ un quart d'onde à sa résonance fondamentale, mais ce n'est pas crucial pour le fonctionnement du dispositif Aucun dispositif à

inertie mécanique n'est nécessaire car toute intertie né-

cessaire est fournie par le fluide primaire proprement dit qui résonne à l'intérieur du tube en J Le second agent

thermodynamique constitué par les couches 66 doit présen-

ter une faible conductibilité thermique longitudinale de manière à réduire les pertes thermiques Dans l'exemple de réalisation préféré, la distance entre les plaque de l'a- gent 66 est uniforme et égale à d Une autre exigence pour le second agent est que sa capacité calorifique efficace par unité de surface CA soit bien supérieure à elle, C Ai:

de l'agent primaire voisin Ces propriétés sont repr 6 sen-

tées mathématiquement comme suit: C Al 1 2 CA 2 C 26 2 o C 1 et C 2 sont les capacités calorifiques par unité de volume respectives du premier agent fluide et du second

agent solide 66, et b 2 = ( 2 k 2/Uj)î/2, 62 étant la profon-

deur de pénétration thermique dans le second agent ayant un coefficient de diffusion k 2,à une fréquence angulaire U≥ 21 E f, o f est la fréquence acoustique La condition CA " CA est facilement satisfaite, avec de faibles pertes 2 1 de 2 chaleur dans la direction longitudinale, si le second agent est une matière du type "Kapton", "Nylon", epoxyde, ou de l'acier inoxydable pour des fréquences de quelques centaines d'hertz à une pression d'hélium gazeux duenviron atmosphères Pour un fonctionnement efficace, il est

nécessaire que les pertes par viscosité soient faibles.

Cela peut être obtenu si L/< " l, o L est la longueur du

second agent et t est la longueur en radians de l'onde a-

ccustique donnée par t =,/2 T = c/2 r f, o c est la vitesse du son dans l'agent fluide En établissant les dimensions du moteur, on choisit une valeur de L raisonnable ainsi qu'une fréquence générale commençant à L/À l Pour une

valeur de L d'environ 10 à 15 cm, une fréquence raisonna-

ble est comprise entre 300 et 400 Hiz pour de l'hélium au voisinage de la température ambiante La distance d est

alors déterminée approximativement par la condition néces-

saire -or 1 pour obtenir les variations de température

nécessaires et l'harmonisation nécessaire entre les va-

riations de température et la vitesse du fluide primaire.

- 30 2536788

ck représente le temps de relaxation thermique par diffu-

sion qui est donné pour une structure de plaque parallèles par: 2 d

k 2 k-

o kl est le coefficient de Liffusion thermique de l'agent primaire fluide Pour des gaz, klest approximativement inversement proportionnel à la pression La distance d est alors approximativement déterminée par 'inégalité: v * 2 1/2 d > " Une pression de 10 atmosphères pour l'hélium gazeux donne des valeurs de d tout à fait raisonnables, c'est-à-dire,

environ 10,254 mm.

Ces considérations sont typiques pour la détermi-

nation des dimensions du moteurs En se référant à la Fi-

gure 11, le fonctionnement du moteur de l'invention comme

pompe à chaleur ou comme réfrigérateur est le suivant L'ex-

citateur acoustique est monté dans un récipient pour résis-

ter à la pression du fluide de travail et il est couplé

mécaniquement au résonateur, c'est-à-dire au récipient tu-

bulaire en J 32, d'une manière étanche aux fluides Les conducteurs de courant partant de la bobine mobile sont connectés de-A 2 source de courant de fréquence audible 56 par l'intermédiaire due_ joint étanche 58 Le dispositif

acoustique a été porté à une pression p par l'intermédiai-

re de la valve 80 en utilisant la source d'alimentation en fluide sous pression 84 La fréquence et l'amplitude de la source de courant de fréquence audible sont choisies pour produire la résonance fondamentale correspondant à peu près à une résonance d'un quart d'onde dans le tube en J 32 Un excitateur tel que celui fabriqué par James B Lansing Sound, Inc, du type JBL 375 AB, produit facilement dans He 4 gazeux une variation de pression de crete à crête d'une atmosphère dans la région du capuchon d'extrémité 62 quand la pression

moyenne à l'intérieur du récipient est d'environ 10 atmos-

phères et que le diamètre du tube en J 32 est égal à 25,4 mm.

Puisque la longueur de l'agent 66 est bien infé-

rieure à X, la pression est pratiquement uniforme sur le second agent thermodynamique Les effets produits sont donc essentiellement les memes que ce qu'ils seraient avec

un agencement mécanique ordinaire à piston et cylindre pro-

duisant la même variation de-pression à cette fréquence élevée.

L'action de pomrisge de chaleur est la suivante.

On considère un petit ir;crémcnt de fluide près du second agent à un instant o la press 5 in d'oscillation est nulle

et devient positive Quand la pression augmente, l'incré-

ment de fluide se déplace vers le capuchon d'extrémité 62 et il s'échauffe dans son mouvement Avec-un retard r i, de la chaleur est transférée de l'incrément de fluide chaud jusqu'au second agent 66 après que le fluide se soit

déplacé vers le capuchon d'extrémité à partir de sa posi-

tion d'équilibre, ce qui provoque un transfert de chaleur vers le capuchon d'extrémité La pression diminue alors,

et de ce fait, la température diminue Cependant, cette di-

minution de température n'est pas communiquée au second

agent tant que le même incrément de fluide ne s'est pas dé-

placé d'une distance importante de sa position d'équi-

libre loin du capuchon d'extrémité 62 et en direction du.

coude en U, ce qui provoque un transfert de froid vers le cotde en U dans ce cas Dans les conditions initiales d'un

gradient de température égal à zéro,à l'intérieur du se-

cond agent les effets de chauffage et de refroidissement des particules de fluide toutes proches s'annulent à peu

près, mais à l'extrémité du second agent proche du capu-

chon d'extrémité 62 il n'y a pas annulation des effets et il en résulte un échauffement D'une manière semblable,

l'extrémité du second agent éloignée du capuchon d'extré-

mité 62 se refroidit Le refroidissement du bas continue jusqu'à ce que le gradient de température et les pertes soient tels que le fluide se déplace, la température du second agent correspondant alors à celle du fluide voisin

qui se déplace Le réglage de la valeur de l'espace d'ex-

trémité au-dessous du capuchon d'extrémité détermine le

déplacement volumétrique du fluide à l'extrémité de lles-

pace de retard thermique et joue donc un rle important dans la détermination de la quantité de chaleur pompée On

notera que puisque le bas est froid, la disposition tubu-

laire en J représenté présente une bonne stabilité à la gravitation par rapport à la convection naturelle du flui- de primaire Si un appareil selon la présente invention est

construit pour fonctionner dans un environnement sans gra-

vite, tel que l'espace extérieur, il n'est pas nécessaire que le tube 32 ait la forme d'un J On peut aussi modifier la forme en J du tube 32, de même que son orientation, si

une certaine dégradation de son rendement est acceptable.

Par exemple, on peut utiliser des tubes droits et en forme de U.

La description précédente de plusieurs exemples

de réalisation de l'invention a été présentée dans un but

d'illustration et de description Elle ne peut être consi-

dérée comme exhaustive ou comme limitant l'invention aux formes de réalisation précises décrites, et il est évident

que de nombreuses modifications et variations sont possi-

bles sans sortir du cadre de l'invention Les exemples de

réalisation représentés ont été choisis et décrits de ma-

niere à mieux expliquer les principes de l'invention et son application pratique, en permettant ainsi à l'homme

de l'art d'utiliser au mieux linvention dans diverses for-

mes de réalisation et avec diverses modifications qui sont

appropriées à l'utilisation particulière envisagée Le ca-

dre de l'invention est défini par les revendications annexés.

l

33 2536788

Claims (20)

REVENDICATIONS

1 Moteur thermique, caractérisé en ce qu'il com-

prend un premier agent et un second agent ( 16,66) en con-

tact thermique imparfait l'un par rapport à l'autre, ledit premier agent étant mobile suivant un mouvement alternatif par rapport au second agent le long, d'un trajet de mouve-

ment alternatif, ledit mouvement alternatif du premier a-

gent étant accompagné d'une variation de température dans le premier agent telle que la température du premier agent varie progressivement en fonction de son déplacement par rapport au second agent,le flux thermique moyen entre les premier et second agents par unité de longueur le long du trajet de mouvement alternatif augmentant le long du trajet

de mouvement alternatif dans une première région et dimi-

nuant le long du trajet de mouvement alternatif dans une seconde région, en permettant ainsi au moteur thermique de fonctionner comme une pompe à chaleur, en entraînant

le premier agent dans ledit mouvement alternatif de maniè-

re à produire une distribution de température différentiel-

le utile dans le second agent, ou comme un moteur primaire,

en induisant une distribution de température différentiel-

le dans le second agent de manière à faire déplacer le pre-

mior agent dans un mouvement alternatif cyclique pouvant

être appliqué pour effectuer un travail mécanique utile.

2 Moteur thermique fonctionnant comme une pompe à chaleur Pcaractérisé en ce qu'il comprend un premier agent et un second agent ( 16,66) en contact thermique imparfait l'un par rapport à l'autre,

ledit premier agent étant mobile dans un mouvement alter-

natif par rapport au second agent le long d'un trajet de

mouvement alternatif, ledit mouvement alternatif du pre-

maier agent étant accompagné d'une variation de température dans le premier agent telle que la température du premier agent varie progressivement en fonction du déplacement du

premier agent par'rapport au second agent, le flux ther-

mique moyen entre les premier et second agents par unité de longueur le long du trajet de mouvement alternatif augmentant dans une première région et diminuant dans une seconde région, et des moyens d'entrainement ( 12 ou 34,:2, 44,46) couplés au premier agent pour entraîner le premier

agent dans le mouvement alternatif, l'entra{nement du pre-

mier agent dans le mouvement alternatif ayant pou_ effet de produire une distribution de température différentielle

dans le second agent.

3 Moteur thermique fonctionnant comme uie pom -e a chaleur selon la revendication 2, caractérisé eln ce que

lesdits moyens déentrainement sont un excitateur acousti-

que ( 34,42,44,46) et en ce que le premier agent est un

fluide contenu dans un récipient ( 32).

4 Moteur thermique fonctionnant comme une pompe à chaleur selon la revendication 2, caractérisé en ce que

lesdits moyens d'entratnement sont un excitateur acousti-

que ( 34,42,44,46) et en ce que le premier agent est un gaz contenu dans un récipient ( 32), le second agent ( 66) étant placé dans le récipient en contact thermique imparfait avec le gaz, en ce que le second agent constitue une structure ayant une faible impédance d'écoulement de gaz dans la direction de mouvement alternatif du gaz et en ce que le second agent a une capacité caloeifique-supérieure

à la capacité calorifique dtr gaz.

Moteur thermique fonctionnant comme une pompe à chaleur selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit gaz est entraîné par l'excitateur acoustique à une

fréquence de résonance.

6 Moteur thermique fonctionnant comme une pompe à chaleur selon la revendication 4, caractérisé en ce que le second agent comprend un ensemble de plaques allongées et espacées entre elles ( 66 b), orientées de manière à etre

parallèles à la direction du mouvement alternatif du gaz.

7 Moteur thermique fonctionnant comme une pompe à chaleur selon la revendication 6, caractérisé en ce que

le gaz est entraîné à une fréquence acoustique qui est ap-

proximativement inversement proportionnelle au temps de

relaxation thermique du gaz par rapport au second agent.

8 Moteur thermique fonctionnant comme une pompe à chaleur selon la revendication 6 > caractérisé en ce qu'il

comprend en outre un puits de chaleur ( 70) couplé aux ex-

trémités du second agent thermodynamique, de la chaleur pouvant ainsi être extraite d'une exttemité du second agent

en produisant un effet de réfrigération à l'extrémité op-

posée du second agent.

9 Moteur thermique fonctionnant comme une pompe à chaleur selon la revendication 8, caractérisé en ce que

chacune des plaques est constituée de deux parties extre-

mes ( 66 a,66 c) formées dans un premier matériau ayant une

conductibilité thermique élevée et une partie intermédiai-

re ( 66 b) formée dans un matériau ayant une conductibilité

thermique relativement faible.

10 Moteur thermique fonctionnant comme unle pompe à chaleur selon la revendication 9, caractérisé en ce que

ledit récipient ( 32) est un récipient tubulaire cylindri-

que et en ce que le puits de chaleur ( 70) est en contact

thermique avec des parties du récipient voisines des par-

ties extrêmes ( 66 a,66 c) des plaques, et en ce que les par-

ties extrêmes des plaques sont en contact thermique avec le récipient et la partie intermédiaire ( 66 b) est espacée

du récipient.

11 Moteur thermique fonctionnant comme une pompe à chaleur selon la revendication l, caractérisé en ce que

le second agent thermodynamique est constitué d'un ensem-

ble d'écrans ( 24) essentiellement plans et formés en ré-

seau maillé de fils, chaque écran étant orienté de manière

à être parallèle aux autres et perpendiculaire à la direc-

tion du mouvement alternatif du gaz, et en ce que les é-

crans à fils sont espacés les uns des autres.

12 Moteur thermique fonctionnant comme une pompe à chaleur selo'n la revendication 4, caractérisé en ce que le premier agent thermodynamique est de l'hélium gazeux maintenu à une pression substantiellement audessus de la

pression atmosphérique.

13 Moteur thermique fonctionnant comme une pompe à chaleur selon la revendication 4, caractérisé en ce que le second agent est constitué d'un ensemble d'éléments qui ont chacun une faible impédance d'écoulement de fluide dans la direction du mou-aîxeont aiterr atif-du gaz, et en c e que les éléments sont espacés les uns des autres dans la direction du mouvement ai tern tif d'à peu près la distance

du déplacement alternatif loc a du gaz.

14 Moteur thermique fonctionnant comme une pompe à chaleur selon la revendication 60 caractérisé en ce que

le récipient est essentiellement tubulaire, allongé et fer-

mé à une extrémité, ei oe que l'excitateur acoustique est

un excitateur acoustique électromagnétique placé à l'extré-

mité opposée du récipient, et en ce que l'ensemble des pla-

ques constituant le second agent sont placées entre l'exci-

tateur et l'extrémité fermée du récipient.

Moteur thermique fonctionnant comme un moteur

primaire, caractérisé en ce qu'il comprend un premier a-

gent et un second agent ( 16) en contact thermique imparfait l'un par rapport à l'autre, le premier agent étant mobile suivant un mouvement alternatif par rapport au second agent le long d'un trajet de mouvement alternatif, le mouvemen L

alternatif du premier agent étant accompagné d'une varia-

tion de température dans le premier agent telle que la

température du premier agent varie progressivement en forc-

tion du déplacement du premier agent par rapport au second agent, le flux thermique moyen entre les premier et second

agents par unité de longueur le long du trajet de mouve-

ment alternatif augmentant dans une première région et di-

minant dans une second région, et un moyen ( 12) relié ther-

miquement-au second agent pour induire une distribution de température différentielle dans le second agent ayant pour effet de produire un mouvement alternatif cyclique du

premier agent pouvant tre appliqué pour effectuer un tra-

vail mécanique utile.

16 Moteur thermique fonctionnant comme un moteur primaire selon la revendication 15, caractérisé en ce que le premier agent thermodynamique est un fluide contenu dans

un récipient ( 10) et en ce que le second agent thermodyna-

mique est placé dans le récipient en contact thermique im-

parfait avec ce fluide.

17, Moter thermique fonctionnant comme un moteur primaire se lon la revendication 16, caractérisé en ce que le second agent thermodynamique constitue une structure ayant une faible impédance pour l'écoulement du fluide dans la direction du mouvement alternatif du fluide, et en

ce que le second agent thermodynamique a une capacité calo-

rifique importante par rapport à celle du fluide.

18 Moteur thermique fonctionnant comme un moteur primaire selon la revendication 17, caractérisé en ce que

le second agent thermodynamique est constitué deun ensem-

ble de plaques ( 18) allongées et espacées entre elles, o-

rientées parailèlement à la direction du mouvement alter-

natif du fluide.

19 Moteur thermique fonctionnant comme un moteur primaire selon la revendication 18, caractérisé en ce que

le fluide est chauffé de façon différentielle par le se-

cond agent de manière à être entralné à une fréquence de

résonance qui est approximativement inversement proportion-

nelle au temps de relaxation thermique du fluide par rap-

port au second agent.

20 Moteur thermique fonctiornnant comme un moteur primaire selon la revendication 19, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des échangeurs thermiques ( 20,22) couplés aux extrémités du second agent thermodynamique ( 16) pour

chauffer de façon différentielle le second agent.

21 Moteur thermique fonctionnant comme un moteur primaire selon la revendication 20, caractérisé en ce que

chacune des plaques est constituée de deux parties extrê-

mes ( 18 a,18 b) formées dans un premier matériau ayant une

conductibilité thermique élevée et d'une partie intermé-

diaire ( 18 c) formée dans un matériau ayant une conductibi-

lité thermique relativement faible.

22 Moteur thermique fonctionnant comme un moteur, primaire selon la revendication 21, caractérisé en ce que le récipient est tubulaire et cylindrique, en ce que les échangeurs thermiques sont en contact thermique avec les parties du récipient voisines des parties extrêmes des. plaques, et en ce que les parties extremes des' plaques sont

ern contact thermique avec le récipient et les parties in-

termédiaires sont espacées du récipient.

23 Moteur thermique fonctionnant comme un moteur primaire selon la revendication 16, caractérisé en ce que

le premier agent thermodynamique est un gaz qui est chauf-

fé de façon différentielle par le second agent thermodyna-

mnique de manière à être entraîné pour osciller suivant un

mouvement alternatif à une fréquence acoustique de résonan-

ce. 24 Moteur thermique fonctionnant comme un moteur primaire selon la revendication 23, caractérisé en ce que

le gaz est de l'hélium maintenu à une pression substan-

tiellement au-dessus de la pression atmosphérique.