FR2598492A1

FR2598492A1 - Brake or generator of heat by using the viscous forces in a liquid film

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Publication number: FR2598492A1
Application number: FR8606512A
Authority: FR
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1986-05-06
Filing date: 1986-05-06
Publication date: 1987-11-13

Abstract

Machine for braking, in which the mechanical energy of rotation supplied to a chuck is dissipated in heat in a thin film of viscous liquid imprisoned between the chuck and a thin stationary steel sheet partly surrounding this chuck by the work of viscous forces in the liquid subjected to shear. The liquid flow is controlled by the shape of the entrance and other arrangements so as to remain permanent and so that the film thickness remains constant whatever the rotation speed of the chuck. The braking force is proportional to the speed of rotation.

Description

La machine que l'on décrit ci-dessous, et que l'on nonWra de façon générale " frein par viscosité " a pour fonction la dégradation en chaleur d'une énergie mécanique fournie par un couple tournant. Le produit du couple par la vitesse angulaire est la puissance fournie. The machine which is described below, and which is notWra in general "brake by viscosity" has the function of degradation in heat of a mechanical energy provided by a rotating torque. The product of the torque by the angular velocity is the power supplied.

Cette machine peut etre utilisée comme un simple frein sur un véhicule que l'on veut ralentir, mais aussi comme un générateur de chaleur si elle est animée par une source d'énergie gratuite comme en fournissent les éoliennes et les roues de moulin, et encore comme un coupleur glissant pour transmettre un couple donné à vitesse variable. Elle est la meme dans ces trois cas. This machine can be used as a simple brake on a vehicle that you want to slow down, but also as a heat generator if it is driven by a free energy source as provided by wind turbines and mill wheels, and again as a sliding coupler for transmitting a given torque at variable speed. She is the same in all three cases.

La machine se compose principalement de trois parties; Le couple moteur est transmis à un mandrin cylindrique . Une tôle mince entoure ce mandrin sur un presque cercle, par défaut. Une huile épaisse est introduite entre la tôle et le mandrin, et la tôle est maintenue immobile par ses deux extrémités. Il se forme donc un film mince d'huile entre la tôle et le mandrin, qui est sollicité au cisaille- ment par le mouvement du mandrin. A ce cisaillement sont opposées les forces de viscosités du liquide, lesquelles transforment l'énergie reçue en chaleur. La chaleur est donc produite dans l'épaisseur même du film visqueux, et évacuée par l'intérieur du mandrin ou par l'extérieur de la tôle. C'est un frottement purement liquide qui ne peut avoir pour effet que d'altérer la structure moléculaire du liquide. The machine consists mainly of three parts; The motor torque is transmitted to a cylindrical mandrel. A thin sheet surrounds this mandrel on an almost circle, by default. A thick oil is introduced between the sheet and the mandrel, and the sheet is held stationary by its two ends. A thin film of oil is thus formed between the sheet and the mandrel, which is sheared by the movement of the mandrel. In this shear are opposed the viscosity forces of the liquid, which transform the received energy into heat. The heat is produced in the same thickness of the viscous film, and discharged from the inside of the mandrel or from the outside of the sheet. It is a purely liquid friction which can only have the effect of altering the molecular structure of the liquid.

La machine ne produit aucun frottement solide entre tôle et mandrin, lesquels sont toujours séparés par le film liquide. I1 existe de très nombreux corps connus qui possèdent une grande stabilité chimique et des coefficients de viscosité élevés, tels que huiles silicones, glycérine, bitumes, qui sont aptes à remplir la fonction dévolue.The machine produces no solid friction between sheet and mandrel, which are always separated by the liquid film. There are many known bodies which have a high chemical stability and high viscosity coefficients, such as silicone oils, glycerin, bitumens, which are able to perform the function devolves.

I1 va de soi que le coefficient de viscosité du liquide doit être d'autant plus grand que la vitesse de rotation est plus faible et que l'économie du procédé pousse à utiliser des fluides très visqueux. It goes without saying that the coefficient of viscosity of the liquid must be even greater than the rotational speed is lower and the economy of the process pushes to use very viscous fluids.

Notons encore que des corps non strictement liquides, tels que des graisses ou des gels peuvent être unilisés sous réserve que leur comportement rhéologique fasse apparaftre une zône où leur viscosité dépend du gradient de vitesse
Le bon fonctionnement de la machine pose des problèmes théoriques et des problèmes expérimentaux. Au plan théorique, il s'agit d'étudier l'écoulement du liquide ou pseudo-liquide en quatre emplacements. A l'entrée du film sous la tôle se forme un coin d'huile, qui joue le relue d'une pompe mettant l'huile sous pression. Cette pression est nécessaire pour équilibrer les tractions qui se forment dans la tôle sous l'effet du cisaillement du liquide. Durant son parcours sous la tôle, l'huile travaille au cisaillement, et il faut définir l'écoulement qui en résulte.Sur les bords latéraux de la tôle se produisent des fuites d'huile, qu'il importe de contrôler et de combattre. I1 faut enfin ramener cette huile perdue sur les bords vers le coin d'huile initial, pour que la machine acquière un régime de fonctionnement permanent.It should also be noted that non-strictly liquid bodies, such as fats or gels can be unilized provided that their rheological behavior reveals a zone where their viscosity depends on the velocity gradient.
The proper functioning of the machine poses theoretical problems and experimental problems. On the theoretical level, it is a question of studying the flow of liquid or pseudo-liquid in four locations. At the entrance of the film under the sheet is formed a corner of oil, which plays the rereading of a pump putting oil under pressure. This pressure is necessary to balance the pulls that form in the sheet under the effect of the shearing of the liquid. During its journey under the sheet, the oil works in shear, and it is necessary to define the flow which results. On the lateral edges of the sheet oil leaks occur, which it is important to control and to fight. Finally, it is necessary to bring back this lost oil on the edges towards the initial oil wedge, so that the machine acquires a regime of permanent operation.

On dispose de deux lois connues pour étudier de tels écoulements. There are two known laws for studying such flows.

La loi de Newton concerne un écoulement à paroi mobile, mais amans gradient de pression dans la direction des vitesses. Elle sert à définir le coefficient de viscosité . La loi de Poiseuille concerne les écoulements à gradient de pression mais à parois fixes. On combinera ces deux lois selon l'hypothèse que, dans un écoulement à paroi mobile et gradient de pression, ce gradient est proportionnel à la différence entre le débit total au lieu considéré et le débit qui se produirait si l'écoulement était. purement newtonien. Ces deux lois ne concernent que des écoulements laminaires où les traiectoires des particules sont des droites parallèles aux parois, et la combinaison de ces deux lois s'applique au même domaine.On établidans ces conditions l'équation

où dv est la différentielle de la vitesse v d'une particule , dm est la différentielle dans l'épaisseur du film, r un coefficient de dimention T représentant le gradient de vitesse de l'écoulement au contact de la paroi immobile, où z = 0, i le gradient de pression sans dimentions ( cm/cm, les pressions mesurées en hauteur de la colonne liquide équivalente m le poids spécifique du liquide formant le film mince et z son coefficient de viscosité.Newton's law relates to a moving wall flow, but lags pressure gradient in the direction of velocities. It is used to define the viscosity coefficient. The law of Poiseuille concerns the flows with pressure gradient but with fixed walls. These two laws will be combined on the assumption that, in a moving wall and pressure gradient flow, this gradient is proportional to the difference between the total flow at the location and the flow that would occur if the flow were. purely Newtonian. These two laws only concern laminar flows where the traiectories of the particles are straight lines parallel to the walls, and the combination of these two laws applies to the same domain. In these conditions the equation

where dv is the differential of the velocity v of a particle, dm is the differential in the thickness of the film, r a coefficient of dimension T representing the velocity gradient of the flow in contact with the motionless wall, where z = 0, i the pressure gradient without dimensions (cm / cm, the pressures measured in height of the equivalent liquid column m the specific weight of the liquid forming the thin film and z its viscosity coefficient.

Si la vitesse de circulation de la paroi mobile est V, l'iitégrale

fournit une relation liant V à r, i, m, e et i( , et une seconde intégration de cette expression selon e donnera lsexpression du débit total qui circule dans la section considérée.

If the speed of movement of the mobile wall is V, the absolute

provides a relation linking V to r, i, m, e and i (, and a second integration of this expression according to e will give the expression of the total flow which circulates in the considered section.

Ces deux nouvelles expressions permettent de définir la loi du gradient de pression sous la forme

These two new expressions make it possible to define the law of the pressure gradient in the form

Cette équation est elle-même une équation différentielle soluble dès que l'on connait la loi donnant l'épaisseur e en fonction de l'abaisse x. This equation is itself a soluble differential equation as soon as we know the law giving the thickness e as a function of the lowering x.

Elle permet l'étude complète du coin d'huile qui se forme à l'entrée de l'écoulement . On retrouve dans l'expression ci-dessus l'hypothèse de départ puisque la grandeur V. e est le double du débit Newtonien.It allows the complete study of the oil wedge that forms at the entrance of the flow. We find in the expression above the initial hypothesis since the magnitude V. e is twice the Newtonian flow.

La géométrie d'un coin d'huile doit y créer la pression demandée. The geometry of an oil wedge must create the required pressure.

I1 faut donc que le gradient i y soit d'abord positif, ce qui impose que l'épaisseur aille en diminuant dans le sens de l'écoulement , qui est celui de la vitesse V. Si le gradient doit ensuite devenir négatif. The gradient i must therefore be positive first, which means that the thickness decreases in the direction of flow, which is that of the velocity V. If the gradient must then become negative.

il devra passer par la valeur éro à laquelle correspond l'écoulemenT newtonien. L'expérience et le calcul conduisent alors à la ori- d'entrée présentée figure 1, Cette figure est une coupe dans un plan perpendiculaire à l'axe du mandrin (1), lequel tourne à la vitesse V/R
La tôle mince (2) est tenue écarte du mandrin grace à la forme convergente de l'entrée du film d'huile (3). La longueur de cette forme d'entrée est courte. environ 1/10 dr rayon du mandrin, sans quoi il s'y développe des forces excessives et inutiles. La niôle est tenue entre deux pièces métalliques rigides, notées (4) et (5). par
serrage par exemple, et la pièce (5) est ancrée de façon à rester immobile quand le mandrin tourne.Le point où la tôle mince décole du talon (4) dépend de la force qui appliquée sur la pièce (4). it will have to pass through the eo value to which the Newtonian flow corresponds. The experiment and the calculation then lead to the original input presented in FIG. 1. This figure is a section in a plane perpendicular to the axis of the mandrel (1), which rotates at the speed V / R
The thin sheet (2) is held apart from the mandrel by virtue of the convergent shape of the inlet of the oil film (3). The length of this input form is short. about 1 / 10th of the radius of the mandrel, without which excessive and useless forces develop. The slug is held between two rigid metal parts, noted (4) and (5). by
clamping for example, and the piece (5) is anchored so as to remain stationary when the mandrel rotates. The point where the thin sheet of heel (4) of the heel (4) depends on the force applied to the piece (4).

Dans ces conditions, l'expérience et le calcul montrent que le réglage de la force Q est un moyen très sur de régler la puissance absorbée par la machine. Lorsque lton augmente la force #, l'épaisseur du film diminue sous la tôle, et la puissance absorbée augmente, et inversement. Cette variation de puissance absorbée n'est entièrement acquise que quand le mandrin a accompli au moins un tour complet.Under these conditions, experience and calculation show that the adjustment of the force Q is a very sure way of adjusting the power absorbed by the machine. When the strength increases, the thickness of the film decreases under the sheet, and the power absorbed increases, and vice versa. This variation of absorbed power is fully acquired only when the mandrel has completed at least one complete revolution.

Plus le mandrin tourne lentement, plus lentement interviennent les variations de puissance.The faster the chuck rotates, the more slowly the power variations occur.

Sous la tôle elle-mme, I'épaisseur de llécoulement dépend des conditions d'entrée et des milites latérales. Si la tôle est assez large pour que l'on puisse négliger l'influence de ces fuites, la théorie montre que l'écoulement est d'épaisseur constante, et qu'il est très voisin d'un écoulement newtonien. En effet, si chaque élément de surface de la tôle reçoit une contrainte tangentielle, il en résulte que la traction sur la tôle à proximité du talon d'entrée est plus forte qu'à l'extrémité opposée .La pression dans le film, qui équilibre cette tractiez, décroftra donc dans le sens de l'écoulement, et il se produira donc un gradient négatif dans cet écoulement. I1 est toutefois très faible et n'augmente que de façon insensible s > débit par rapport au débit newtonien. I1 en résulte que la somme des tractions sur la tôle est supérieure à la somme des contraintes tangentielles fournies par le mandrin moteur. Cette différence correspond au travail fourni dans le coin d'entrée. Under the sheet itself, the thickness of the flow depends on the conditions of entry and lateral militia. If the sheet is large enough to neglect the influence of these leaks, the theory shows that the flow is of constant thickness, and that it is very close to a Newtonian flow. Indeed, if each surface element of the sheet receives a tangential stress, it follows that the traction on the sheet near the input bead is stronger than at the opposite end. The pressure in the film, which balance this tractiez, decreasing therefore in the direction of the flow, and there will be a negative gradient in this flow. However, it is very low and increases only insensitively in terms of the flow rate relative to the Newtonian flow rate. As a result, the sum of the tractions on the sheet is greater than the sum of the tangential stresses provided by the motor chuck. This difference corresponds to the work provided in the entrance corner.

Pour réduire les fuites latérales. il est intéressant d'utiliser des tôles minces à haute limite élastique. Là où les pressions les le film sont les plus fortes, soit près de l'entrée de l'écoulement, les déformation élastiques acceptées par la tôle peuvent en effet devenir plus grande que l'épaisseur du film. oe, la pression dans le film au bord strict de la tôle est nécessairement nulle. On constate alors que le bords de la tôle prend l'allure indiquée sur , la tale figure 2. To reduce side leaks. it is interesting to use thin sheets with a high elastic limit. Where the pressures are greatest, near the inlet of the flow, the elastic deformations accepted by the sheet can indeed become larger than the thickness of the film. oe, the pressure in the film at the strict edge of the sheet is necessarily zero. It can be seen that the edges of the sheet take the shape indicated on FIG. 2.

Dans une coupe passant par l'axe du mandrin (1) , la tôle mince n'est fléchit à ses extrémités et réduit la section de fuite. Celle-ci n'est cependant jamais nulle, car s'il en était ainsi, la pression ne pourrait plus s'annuler au bord de la tôle. Dans ces conditions, seule une mince bande latérale de la tôle n'est pas à la pression de l'ensemble, et ceci permet de concevoir des tôles relativement étroites, sans que le fonctionnement du dispositif soit perturbé par d'excessives pertes -. In a section passing through the axis of the mandrel (1), the thin sheet is bent at its ends and reduces the leakage section. This, however, is never zero, because if it were so, the pressure could no longer cancel at the edge of the sheet. Under these conditions, only a thin lateral band of the sheet is not at the pressure of the assembly, and this makes it possible to design relatively narrow sheets, without the operation of the device being disturbed by excessive losses.

latérales.side.

La principale limitation de puissance de ce dispositif provient des restrictions qu'impose la dissipation de la chaleur produite dans le film. Au premier plan de celle -ci intervient la conductibilité généralement mauvaise du fluide visqueux. On l'améliorera en le chargeant avec des corps bons conducteurs, tels que des graphites ou des particules métalliques fines. I1 importe en effet que le gradient de tempéra- ture dans le film reste faible , car alors les viscosités risqueraient de varier dans le film et les théories précédentes deviendraient . The main limitation of power of this device comes from the restrictions imposed by the dissipation of the heat produced in the film. In the foreground of this is the generally poor conductivity of the viscous fluid. It will be improved by charging it with good conductors, such as graphite or fine metal particles. It is indeed important that the temperature gradient in the film remains low, because then the viscosities might vary in the film and the previous theories would become.

inappliquables, du fait de la présence de mouvements de convection dans le fluide . L'écoulement ne serait plus laminaire et les forces de viscosité instables. Au delà de cette disposition essentielle, il est encore possible de construire le mandrin en métal bon conducteur et de soigner l'écoulement intérieur d-'eau chargé d'évacuer les calories produites. Les grandes puissances absorbées dans de petites machines sont aussi limitées par le coût des états de surface du mandrin et de la tôle. Plus on sollicite le film au cisaillement, plus agissent les petites irrégularités de surface. parce que le gradient de pression varie très fortement pour des différences d'épaisseur minimes. Le risque est alors de faire caviter le liquide, ce qui peut modifier durablement sa viscosité. Dans de bonnes conditions, on peut atteindre quelques dizaines de watts par cm2 de film.inapplicable due to the presence of convection movements in the fluid. The flow would no longer be laminar and the viscosity forces unstable. Beyond this essential provision, it is still possible to build the metal mandrel good conductor and treat the internal flow of water responsible for evacuating the calories produced. The large powers absorbed in small machines are also limited by the cost of the surface conditions of the mandrel and the sheet. The more the film is sheared, the more the small surface irregularities act. because the pressure gradient varies very strongly for minimal thickness differences. The risk is then to cavitate the liquid, which can change its viscosity durably. In good conditions, we can reach a few tens of watts per cm2 of film.

Le quatribme problème hydraulique que pose la machine consiste à recueillir le liquide dissipé par les bords de la tôle et à le ramener vers le coin d'entrée. On notera à cet effet qu'un excès de liquide en amont du coin d'entrée est sans influence sur le fonctionnement, sous réserve que la place existe pour ce liquide. C'est pourquoi sur la figure 1, figure un emplacement (6) largement dégagé. The quatribm hydraulic problem posed by the machine is to collect the liquid dissipated by the edges of the sheet and to bring it back to the corner of entry. It should be noted for this purpose that an excess of liquid upstream of the inlet corner has no influence on the operation, provided that the place exists for this liquid. This is why in Figure 1, there is a location (6) largely clear.

Dans cet emplacement, l'expérience montre que l'excès d'huile ou de graisse forme un bourrelet rond, d'axe parallèle à l'axe du mandrin, qui égalise rapidement l'excès sur toute sa longueur. I1 suffit dès lors de disposer, comme le montre la figure 3, deux pièces en tale formant racleurs. La figure 3 est une vue de dessus d'un mandrin. Le sens de rotation est indiqué par une flèche (7) .In this location, experience shows that the excess oil or fat forms a round bead, of axis parallel to the axis of the mandrel, which quickly equalizes the excess over its entire length. It is therefore sufficient to have, as shown in FIG. 3, two pieces in the form of scrapers. Figure 3 is a top view of a mandrel. The direction of rotation is indicated by an arrow (7).

Le coin d'entrée de l'huile est situé sous le talon (4), dont la pièce de fixation (5) n'est pas représentée. La tôle mince (2) part de ce talon, passe sous le mandrin, et se retrouve devant l'entrée du film d'huile. L'huile épaisse sortant du bord de fuite (8) réalimente directement le coin d'huile. L'huile qui s'est échappée par les bords de la tOle forme un bourrelet en (9). Les racleurs(l0)sont des tôles perpendiculaires à la surface du mandrin, tenues par une lame souple (11) solidaire du talon, et dont la forme guide le bourrelet latéral d'huile vers le coin d'huile. L'angle (12) entre le racleur et la direction de la vitesse est le moteur qui met l'huile en mouvement le long du racleur.The entry corner of the oil is located under the heel (4), the fastener (5) is not shown. The thin sheet (2) starts from this heel, passes under the mandrel, and is found in front of the entrance of the oil film. The thick oil coming out of the trailing edge (8) directly refuels the oil wedge. Oil escaping from the edges of the head forms a bead (9). The scrapers (10) are sheets perpendicular to the surface of the mandrel, held by a flexible blade (11) integral with the heel, and whose shape guides the lateral bead of oil towards the oil wedge. The angle (12) between the scraper and the direction of the speed is the motor that moves the oil along the scraper.

La machine représentée figure (3) n'est apte à fonctionner que dans un seul sens de rotation. Si le couple tournant moteur peut être fourni à la machine dans n importe quel sens de rotation, plusieurs dispositions de la tôle mince sont possibles: on peut disposer une seconde forme d'entrée sur le bord de fuite, qui n'agira que si le sens de ro tation s'inverse. On peut prévoir deux tôles, chacune avec sa forme d'entrée, chacune couvrant moins que la moitié du mandrin dans le sens de sa circonférence. The machine shown in Figure (3) is able to operate only in one direction of rotation. If the rotating motor torque can be supplied to the machine in any direction of rotation, several provisions of the thin sheet are possible: a second form of entry can be arranged on the trailing edge, which will only act if the direction of rotation is reversed. It can provide two sheets, each with its input shape, each covering less than half of the mandrel in the direction of its circumference.

Utilisée comme frein, la machine possède l'avantage de ne jamais pouvoir annuler la rotation , par bloquage à vitesse de rotation nulle, comme le font tous les freins à frottement solide. Le couple résistant est en effet proportionnel à la vitesse de rotation. Monté sur une roue de véhicule, ce frein pourra donc réduire la vitesse de rotation de la roue, mais jamais l'annuler. Used as a brake, the machine has the advantage of never being able to cancel the rotation, by locking at zero rotation speed, as do all the solid friction brakes. The resistive torque is in fact proportional to the speed of rotation. Mounted on a vehicle wheel, this brake can reduce the speed of rotation of the wheel, but never cancel it.

Claims

1 "Macine braking, transforming mechanical energy into heat, characterized in that the friction forces that perform the energy transformation are exclusively located in a thin film of a high viscosity liquid, which film is formed between a rotating cylindrical mandrel, and a stationary thin sheet wound around the mandrel.The machine according to claim 1, further characterized in that the inlet shape of the flow of the viscous liquid between sheet and mandrel is a short convergent where the liquid is pressurized, so that a force applied on the outer lip of the convergent serves to adjust the thickness of the thin film between tale and mandrel, and thus to control the power of the braking.

Machine according to Claim 1, characterized in that the thin metal sheet is a metal with a high elastic limit in tension, strongly stressed in its normal working conditions, in order to create on the lateral edges of the sheet shrinkage. which prevent lateral leakage of viscous liquid.

4 "Machine according to claim 1, characterized in that the viscous liquid escaping from the edges of the sheet is returned to the center of the flow by scrapers 5 'Machine according to claim 1, characterized in that plu sieurs thin sheets are arranged, without overlap, on the mandrel to allow the machine to split its power or operate in both directions of rotation.