FR2904054A1 - Moteur cryogenique a energie thermique ambiante et pression constante et ses cycles thermodynamiques - Google Patents

Abstract

Moteur cryogénique à énergie thermique ambiante à pression constante à combustion « froide » continue à pression constante et à chambre active fonctionnant avec un fluide cryogénique (A2) stocké dans sa phase liquide, et utilisé comme gaz de travail dans sa phase gazeuse et fonctionnant en cycle fermé avec retour dans sa phase liquide. Le fluide cryogénique initialement liquide est vaporisé en phase gazeuse à de très basses températures et alimente l'admission (A4) d'un dispositif de compression de gaz (B), qui refoule ensuite ce gaz comprimé de travail, encore à basse température, et à travers un échangeur avec l'ambiante (C), dans une capacité de travail ou chambre d'expansion externe (19) équipée ou non d'un dispositif de réchauffage, où sa température et son volume va augmenter considérablement pour être ensuite admis préférentiellement dans un dispositif de détente (D) fournissant un travail et comportant de préférence une chambre active selon WO 2005/049968.Application aux véhicules terrestres, voitures, autobus, motos, bateaux, avions groupes électrogènes de secours, ensemble de cogénération, moteurs à poste fixe.

Description

MOTEUR CRYOGENIQUE A ENERGIE THERMIQUE AMBIANTE ET PRESSION CONSTANTE ET

SES CYCLES THERMODYNAMIQUES L'invention concerne un moteur fonctionnant notamment avec des fluides cryogéniques et, plus particulièrement, utilisant un dispositif de contrôle de la course du piston ayant pour effet l'arrêt du piston à son point mort haut durant une période de temps et de rotation du moteur, ainsi qu'une chambre active à volume variable produisant un travail, un dispositif de compression intégré (ou non) et un dispositif de récupération d'énergie thermique ambiante.

Le rédacteur a déposé de nombreux brevets concernant des motorisations ainsi que leurs installations, utilisant des gaz et plus particulièrement de l'air comprimé pour un fonctionnement totalement propre en site urbain et suburbain : WO 96/27737 - WO 97/00655 - WO 97/39232 - WO 97/48884 - WO 98/12062 WO 98/15440 - WO 98/32963 - WO 99/37885 - WO 01/69080 - WO 03/036088 Pour la mise en oeuvre de ces inventions, il a également décrit dans sa demande de brevet WO 99/63206 au contenu duquel on pourra se reporter, un procédé et dispositif de contrôle de la course des pistons de moteur permettant l'arrêt du piston à son point mort haut ; procédé également décrit dans sa demande de brevet WO 99/20881 au contenu duquel on pourra également se reporter concernant le fonctionnement de ces moteurs en mono énergie ou en bi-énergie bi ou tri modes d'alimentation. Dans sa demande de brevet WO 99/37885 il propose une solution qui permet d'augmenter la quantité d'énergie utilisable et disponible caractérisée par le fait que l'air comprimé, avant son introduction dans la chambre de combustion et ou d'expansion, provenant du réservoir de stockage soit directement soit après son passage dans le ou les échangeurs thermiques du dispositif de récupération d'énergie thermique ambiante, et avant son introduction dans la chambre de combustion, est canalisé dans un réchauffeur thermique où, par accroissement de sa température, il va augmenter encore de pression et/ou de volume avant son introduction dans la chambre de combustion et/ou d'expansion du moteur, augmentant encore ainsi considérablement les performances pouvant être réalisées par ledit moteur. L'utilisation d'un réchauffeur thermique, et malgré l'utilisation d'un carburant fossile, présente l'avantage de pouvoir utiliser des combustions continues propres qui peuvent être catalysées ou dépolluées par tous moyens connus dans le but d'obtenir des émissions de polluants infimes. 2904054 2 L'auteur a déposé un brevet WO 03/036088 au contenu duquel on pourra se reporter, concernant un groupe moto-compresseur û moto-alternateur à injection d'air comprimé additionnel fonctionnant en mono et pluri énergies. Dans ces types de moteur fonctionnant avec un gaz, plus particulièrement avec 5 de l'air comprimé et comportant un réservoir d'air comprimé haute pression, il est nécessaire de détendre l'air comprimé contenu dans le réservoir haute pression mais dont la pression diminue à mesure que le réservoir se vide à une pression intermédiaire stable dite pression finale d'utilisation dans une capacité tampon avant son utilisation dans le ou les cylindres moteur. Les détendeurs conventionnels à clapets et ressorts 10 bien connus ont des débits très faibles, et leur utilisation pour cette application demande des appareils très lourds et peu performants, en outre ils sont très sensibles au givrage dû à l'humidité de l'air refroidi lors de la détente. Pour résoudre ce problème, l'auteur a également déposé un brevet WO 03/089764, concernant un détendeur dynamique à débit variable pour moteurs 15 alimentés avec injection d'air comprimé, comportant un réservoir d'air comprimé haute pression, et une capacité de travail. Dans ces dispositifs à détente de charge le remplissage de la chambre représente toujours une détente nuisible au rendement général de la machine. Pour résoudre ce dernier problème, le rédacteur a également déposé un brevet 20 WO 2005/049968 concernant un moteur à chambre active qui utilise un dispositif d'arrêt du piston au point mort haut, il est alimenté préférentiellement par de l'air comprimé -ou tout autre gaz comprimé-contenu dans un réservoir de stockage haute pression, à travers une capacité tampon dite capacité de travail. La capacité de travail en version bi énergie comporte un dispositif de réchauffage de l'air alimenté par une énergie 25 additionnelle (fossile ou autre énergie) permettant d'augmenter la température et le volume de l'air qui le traverse. La capacité de travail est donc une chambre de combustion externe. Dans ce type de moteur moteur la chambre d'expansion interne au moteur est constituée d'un volume variable équipé de moyens permettant de produire un travail et, 30 est jumelée et en contact par un passage permanent, avec l'espace compris au-dessus du piston moteur principal. Durant l'arrêt du piston moteur à son point mort haut, l'air ou le gaz sous pression est admis dans la chambre active d'expansion lorsque celle-ci est à son plus petit volume et, sous la poussée, va augmenter son volume en produisant un travail ; Lorsque la chambre active est sensiblement à son plus grand 35 volume l'admission est alors fermée et l'air comprimé toujours sous pression contenu 2904054 3 dans la chambre active d'expansion, se détend dans le cylindre moteur repoussant ainsi le piston moteur dans sa course descendante et fournissant un travail à son tour ; durant la course ascendante du piston moteur pendant le temps échappement le volume variable de la chambre d'expansion est ramené à son plus petit volume pour 5 recommencer un cycle de travail complet. Le cycle thermodynamique d'un moteur à chambre active comprend donc quatre phases en mode mono énergie air comprimé : Une détente isotherme sans travail Un transfert-légère détente avec travail dit quasi-isotherme 10 - Une détente polytropique avec travail Un échappement à pression quasi ambiante. Dans son application bi énergie et en mode carburant additionnel un compresseur d'air alimente soit le réservoir haute pression soit la capacité de travail (chambre de combustion) soit encore les deux volumes en combinaison. 15 Le moteur à chambre active est également réalisable en mono énergie à carburant fossile. Dans une version telle que décrite ci-dessus, le réservoir de stockage d'air comprimé haute pression est alors purement et simplement supprimé et le compresseur d'air alimente directement la capacité de travail qui comporte le dispositif de réchauffage de l'air alimenté par une énergie fossile ou autre. 20 Le moteur à chambre active est un moteur à chambre de combustion externe, toutefois, la combustion dans le réchauffeur peut être soit interne dite externe interne en amenant la flamme directement au contact de l'air comprimé de travail soit externe dite externe externe en réchauffant l'air de travail au travers d'un échangeur. Ce type de moteur fonctionne en combustion à pression constante et à volume 25 variable selon les relations : PV1 = nRT1 PV2 = nRT2 D'où pour P constante V1/ V2 = T1/T2 L'augmentation de température à pression constante a pour effet d'augmenter 30 dans la même proportion le volume d'air comprimé et une augmentation de volume de N fois demandera une augmentation de température de N fois identique. En mode bi énergie et fonctionnement autonome avec énergie additionnelle, et lorsque l'air comprimé est admis dans le réservoir haute pression, le cycle thermodynamique comprend alors sept phases : 35 - Aspiration 2904054 4 Compression Détente isotherme dans la capacité de travail Augmentation de la température Transfert- légère détente avec travail dit quasi-isotherme 5 Détente polytropique avec travail Echappement à pression quasi atmosphérique Lorsque l'air comprimé est admis directement dans la capacité de travail ou chambre de combustion, le cycle thermodynamique comprend six phases et devient : Aspiration io Compression Augmentation de la température Transfert- légère détente avec travail dit quasi-isotherme Détente polytropique avec travail Echappement à pression quasi atmosphérique 15 Dans ce type de moteur en application bi-énergie, la température de l'air comprimé admis dans la capacité de travail ou chambre de combustion s'effectue à une température égale ou supérieure à l'ambiante, sensiblement égale si l'air comprimé provient du réservoir de stockage haute pression et supérieure s'il provient directement du compresseur et l'augmentation de volume est effectuée dans la phase suivante du 20 cycle par augmentation de la température. En provenant directement du compresseur la température de l'air peut atteindre par exemple, des valeurs de l'ordre de 400 C (673 degrés Kelvin) au-dessus de l'ambiante. Pour fixer les idées, à titre d'exemple non limitatif, dans le but d'alimenter une 25 chambre active de 30cm3 sous 30 bar, une charge d'air comprimé de 5 cm3 sous 30 bar et à température ambiante de 293 K (20 C), est prélevée du réservoir de stockage pour être introduite dans une chambre de travail et de réchauffe à pression constante dans laquelle, pour obtenir les 30 cm3 requis, il est nécessaire de réaliser une combustion qui va porter la température à 6 fois sa valeur initiale soit 1758 K soit 30 1485 C. Dans le cas où la charge de 5 cm3 provient directement du compresseur elle se trouve sensiblement à une température de 693 K (420 C) et, pour un même résultat, la température de la charge devra être portée à 6 fois 693K soit 2158 K soit 1885 C. L'utilisation de températures élevées dans la chambre de combustion externe 35 entraîne de nombreuses contraintes en matière de matériaux et de refroidissements et 2904054 5 d'émission polluante notamment de NOx (oxydes d'azote) qui se forment au-delà de 1000 C. Pour résoudre ce dernier problème, le rédacteur a également déposé une demande de brevet Français N 0506437 relatif à un groupe moto-compresseur basses 5 températures à combustion froide continue à pression constante et à chambre active, qui propose de résoudre ces contraintes en autorisant pour des performances équivalentes, des combustions bien plus froides qui, paradoxalement, apportent un accroissement considérable du rendement de la machine. Le groupe moto-compresseur basses températures à combustion froide 10 continue à pression constante et à chambre active comporte une chambre froide permettant d'abaisser à de basses ou très basses températures l'air atmosphérique qui alimente l'admission d'un dispositif de compression d'air, qui refoule ensuite cet air comprimé de travail, encore à basse température, dans une capacité de travail ou chambre de combustion externe équipée d'un dispositif de réchauffage de l'air, où il 15 augmente considérablement de volume pour être ensuite admis préférentiellement dans une chambre active selon WO 2005/049968 où, durant l'arrêt du piston moteur à son point mort haut, l'air ou le gaz sous pression est admis dans la chambre active d'expansion lorsque celle-ci est à son plus petit volume et, sous la poussée, va augmenter son volume en produisant un travail ; lorsque la chambre active est 20 sensiblement à son plus grand volume l'admission est alors fermée et l'air comprimé toujours sous pression contenu dans la chambre active d'expansion, se détend dans le cylindre moteur repoussant ainsi le piston moteur dans sa course descendante et fournissant un travail à son tour ; durant la course ascendante du piston moteur pendant le temps échappement le volume variable de la chambre d'expansion est ramené à son 25 plus petit volume pour recommencer un cycle de travail complet. Le cycle thermodynamique du groupe moto-compresseur basses températures à combustion froide continue à pression constante et à chambre active selon la demande FR 0506437 comporte 7 phases : Abaissement important de la température de l'air atmosphérique 30 Aspiration Compression Augmentation de la température (combustion à volume constant) - Transfert quasi-isotherme Détente polytropique 35 - Echappement à l'atmosphère à pression quasi atmosphérique 2904054 6 Dans le groupe moto-compresseur basse température utilisant le cycle thermodynamique selon l'invention décrite ci-dessus, l'air d'admission du compresseur est très fortement refroidi dans la chambre froide d'une machine frigorifique (ou cryogénique) utilisant des liquides qui absorbent de la chaleur pour se vaporiser, où un 5 fluide frigorifique ou cryogénique initialement à l'état gazeux est comprimé grâce à un compresseur cryogénique et refoulé dans un serpentin où il se liquéfie, ce phénomène de liquéfaction dégage de la chaleur, et le liquide est ensuite introduit dans un évaporateur positionné dans la chambre froide où il se vaporise (phénomène qui absorbe de la chaleur). La vapeur ainsi produite retourne au compresseur et le cycle 10 peut recommencer. L'air de travail contenu dans la chambre froide est alors considérablement refroidi et contracté, il est ensuite aspiré et comprimé par un compresseur d'air encore à basse température, dans la chambre de combustion, où il est réchauffé et augmente considérablement de volume avant son transfert quasi - isotherme dans la chambre active produisant un travail avant sa détente polytropique 15 dans le cylindre moteur produisant un travail à son tour. Pour fixer les idées, si une charge d'air comprimé de 5 cm3 est introduite par le compresseur d'air directement dans une chambre de travail et de combustion à pression de 30 bars et à température de 90 K, pour permettre d'alimenter sous 30 bars une chambre active de 30 cm3 il est nécessaire de réaliser une combustion qui va 20 porter la température à 6 fois sa valeur initiale soit 540 K ou 267 C. Selon une variante de l'invention, l'air de travail comprimé en sortie du compresseur, encore à basse température, traverse un échangeur air/air avant d'être dirigé vers la chambre de combustion et de ce fait, retourne quasiment à la température ambiante en augmentant considérablement de volume avant son introduction dans la 25 chambre de combustion. Les besoins d'apport énergétique thermiques nécessaires sont ainsi considérablement diminués. Pour fixer les idées, à titre d'exemple comparatif si une charge d'air comprimé de 5 cm3 provenant du compresseur d'air à 90 K traverse un échangeur air/air et voit sa température ramenée à quasi l'ambiante soit 270 K le volume introduit dans la chambre 30 de travail et de réchauffe est alors de 15 cm3 et toujours pour alimenter la chambre active à 30 bars, il est alors nécessaire de réaliser une combustion qui va porter la température à seulement 2 fois sa valeur (soit 540 K) réalisant ainsi une considérable économie d'énergie apportée par le carburant. Les descriptifs de ces précédentes inventions ainsi que du présent texte, 35 indiquent des valeurs de températures d'air sous des dénominations génériques û très 2904054 7 basses températures , basses températures , ambiante ou température ambiante et combustion froide . Les températures de fonctionnement sont en fait relatives entre elles, toutefois, et pour clarifier les idées et ce, à titre non limitatif, le rédacteur utilise le terme très basses températures pour des valeurs inférieures à 5 90 K, le terme basses températures pour des valeurs inférieures à 200 K, le terme ambiante pour des valeurs entre 273 et 293 K - quant au terme combustion froide - il s'agit d'une comparaison avec les températures de combustions des moteurs actuels supérieures à 2000 K - pour des valeurs se situant entre 400 et 1000 K. Dans ce type de groupe moto-compresseur basses températures à combustion 10 froide continue à pression constante et à chambre active selon la demande FR 0506437, la machine cryogénique de refroidissement de la chambre froide a pour mission d'abaisser la température de l'air ou du gaz de travail à la plus basse température possible à partir de la température ambiante aux environs de 290 K. le rendement de ce groupe reste toutefois limité par la température du gaz de travail utilisé 15 qui ne peut être inférieure à la température de liquéfaction dudit gaz de travail. Comme le moteur à chambre active et le groupe moto compresseur à combustion froide selon la demande de brevet Français N 0506437 décrit ci-dessus, le moteur cryogénique à énergie thermique ambiante et pression constante, selon la présente invention utilise un gaz de travail comprimé et préférentiellement un dispositif 20 volumétrique de détente à chambre active, il est cacactérisé par les moyens mis en oeuvre pris aussi bien dans leur ensemble que séparément et plus particulièrement : - en ce que le gaz de travail est un fluide cryogénique utilisé en cycle fermé stocké en phase liquide, travaillant en phase gazeuse et ramené au stock en phase liquide, 25 - en ce que ledit gaz de travail initialement liquide, est vaporisé en phase gazeuse sous de très basses températures (sensiblement sa température de vaporisation) et alimente l'admission d'un dispositif volumétrique de compression de gaz, dans lequel il est comprimé à sa pression de travail, - en ce que ce gaz comprimé de travail, encore à de très basses températures 30 en sortie du compresseur, est refoulé dans une capacité d'expansion à sa pression de travail et porté, par échange thermique avec l'atmosphère, sensiblement à la température ambiante, de telle sorte que sous l'effet de l'apport de l'énergie thermique de l'ambiante, sa température augmentant considérablement, son volume augmente dans les mêmes proportions selon la relation à pression constante : V1/ V2 = T1/T2, 2904054 8 - en ce que ledit gaz comprimé toujours à sa pression de travail et toujours sensiblement à la température ambiante est ensuite admis dans un dispositif volumétrique de détente avec travail qui comporte une chambre active d'expansion et de détente, et qui est lui-même caractérisé : 5 - en ce que durant l'arrêt du piston moteur à son point mort haut, le gaz de travail sous pression est admis dans une chambre active d'expansion et de détente ù qui est constituée d'un volume variable équipé de moyens permettant de produire un travail et qui est est jumelée et en contact permanent par un passage, avec l'espace compris au-dessus du piston moteur principal - lorsque celle-ci est à son plus petit ~o volume et, qui sous la poussée du gaz de travail sous pression, va augmenter de volume en produisant un travail, - en ce que lorsque la chambre active d'expansion et de détente est sensiblement à son plus grand volume, l'admission est alors fermée, et le gaz de travail comprimé toujours sous pression contenu dans la chambre active d'expansion et de 15 détente, se détend dans le cylindre moteur, repoussant ainsi le piston moteur dans sa course descendante en produisant un travail à son tour et subissant de ce fait un abaissement important de la température. - en ce que durant la course ascendante du piston moteur, pendant le temps échappement, le volume variable de la chambre active d'expansion et de détente, est 20 alors ramené à son plus petit volume pour recommencer son cycle de travail. - en ce que le gaz de travail à l'échappement du dispositif volumétrique de détente avec travail, à nouveau à très basse température après sa détente, est refoulé vers la bâche de stockage du fluide cryogénique où il est liquéfié pour recommencer un nouveau cycle. 25 Le cycle thermodynamique du moteur cryogénique selon l'invention est ainsi caractérisé en ce qu'il comprend sept phases: Vaporisation d'un fluide cryogénique Compression de ce fluide sous très basses températures Réchauffe à pression constante par échange avec la température 30 ambiante Transfert quasi-isotherme produisant un travail Détente polytropique produisant un travail avec abaissement de la température Echappement en cycle fermé dans la bâche 35 Liquéfaction du gaz en retour à la bâche 2904054 9 Pour fixer les idées, à titre d'exemple non limitatif, avec l'utilisation d'Hélium (He) comme fluide cryogénique dont la température de vaporisation est de cinq degrés Kelvin, (5 K), et pour permettre d'alimenter en gaz de travail une chambre active de 30 cm3 sous 30 bar, le volume d'aspiration du compresseur de gaz est de 15 cm3 à 5 K, 5 et le volume refoulé est de 1,91 cm3 de gaz de travail sous 19 K et 30 bars. Ce même gaz de travail, porté par échange thermique à la température ambiante de 293 K (chauffage isochore) en trouvant son énergie dans l'atmosphère augmente de (293/19) 15,42 fois de volume, sous même pression (30 bars) pour atteindre les 30 cm3 requis (1,91*15,42 = 30 cm). Le gaz détendu dans le dispositif volumétrique de détente et 10 après avoir fourni un travail se trouve à une température de l'ordre de 90 K à la pression atmosphérique. II est ensuite refroidi puis liquéfié et ramené à la bâche de stockage pour permettre un nouveau cycle. Dans l'exemple ci-dessus, la compression par tour moteur d'un faible volume de gaz (15cm3 aspirés) représente un travail négatif de faible importance, sensiblement de 15 l'ordre de 0,88 KW (1,2cv) à 4000 t/mn, permettant d'obtenir 1,9 cm3 à 30 bars et à seulement 19K, l'énergie thermique ambiante permet ensuite, par échange thermique avec l'atmosphère, de porter le volume de ce gaz à 30 cm3 qui, détendu dans le dispositif volumétrique de détente à chambre active produit un travail de prés de 12 KW (16 cv), alors que l'énergie nécessaire pour ramener la température du gaz 20 d'échappement de 90 K à sa température de liquéfaction (5K) représente 3,29 KW (4,4cv). Près de 10 cv (7,65 KW) sont ainsi apporté par l'énergie thermique ambiante lors de l'augmentation de température. Le compresseur du gaz de travail à très basse température est avantageusement constitué d'un compresseur cryogénique autorisant son 25 fonctionnement sous les températures mises en oeuvre, il est soit entraîné par l'arbre moteur du dispositif volumétrique de détente à chambre active, soit intégré dans la conception du dispositif volumétrique de détente (par exemple avec des pistons à double étage). Le nombre d'étage du compresseur et son mode de fonctionnement : pistons alternatifs, piston rotatif, rotatif à palettes, compresseur à membrane, turbine, 30 peuvent varier sans pour autant changer le principe de l'invention décrite. Selon une variante de l'invention, la capacité d'expansion à pression constante est constituée d'un réservoir de stockage à pression de travail de grand volume où, grâce à un temps de stockage suffisamment long, le gaz de travail comprimé en provenance du compresseur retourne quasiment à la température ambiante, avant son 35 transfert quasi isotherme dans le dispositif de détente à chambre active produisant un 2904054 i0 travail, avant sa détente polytropique dans le cylindre moteur produisant un travail à son tour. Selon le volume du réservoir de stockage et le temps de stockage dans ledit réservoir et la surface de sa paroi en contact avec l'atmosphère, le retour à la température ambiante peut être obtenu naturellement par mélange avec le gaz à 5 température ambiante déjà contenu dans le réservoir et maintenu à la température ambiante par échange thermique avec l'ambiante, à travers la paroi. Avantageusement, le réservoir de stockage comporte des ailettes extérieures et/ou intérieures permettant d'augmenter considérablement les surfaces d'échange et d'améliorer son efficacité d'échange avec l'atmosphère. 10 Selon une variante de l'invention, au moins un échangeur air atmosphérique /gaz de travail est installé entre le compresseur et le réservoir de stockage à pression de travail et/ou entre ledit réservoir et le dispositif volumétrique de détente avec travail, pour activer le retour dudit gaz de travail à la température ambiante. Des dispositions en combinaison comportant une ou plusieurs capacité(s) 15 d'expansion à pression constante, de volume plus ou moins important(s) et un ou plusieurs échangeur(s) positionné(s) avant et/ou après ladite capacité d'expansion peuvent être réalisé par l'homme de l'art sans changer pour autant le principe de l'invention décrite. Il en va de même de la conception du ou des échangeur(s) qui peuvent utiliser des gaz (air ambiant/ Gaz), des liquides (liquides/gaz de travail) ou des 20 solides (solides/gaz de travail) permettant d'apporter au gaz de travail les calories de la température ambiante de l'atmosphère. La vaporisation du fluide en phase liquide dans la bâche peut être réalisée par tous moyens de chauffage ou réchauffage connus mais préférentiellement et selon l'invention elle est obtenue en utilisant la température du fluide cryogénique en retour de 25 l'échappement du moteur, qui se trouve à une température suffisante pour ce faire, par échange thermique dans un échangeur constitué par exemple d'un serpentin plongé dans la bâche de stockage et dans lequel le fluide en provenance de l'échappement du moteur termine, par échange réciproque, son refroidissement et sa liquéfaction en dégageant la chaleur nécessaire à la vaporisation. 30 Avantageusement la sortie du serpentin est placée dans le bas de la bâche contenant le fluide cryogénique sous forme liquide avec l'arrivée dudit serpentin dans la partie immergée dans la partie haute du liquide qui est la première à devoir se vaporiser. Avantageusement, selon l'invention, une machine cryogénique, destinée à 35 produire du froid est positionnée entre la sortie d'échappement du moteur et la bâche de 2904054 11 fluide pour permettre d'ajuster la température du fluide d'échappement en phase gazeuse ou semi-gazeuse avant son introduction dans l'échangeur de la bâche. Le gaz de travail détendu, et encore à l'état gazeux, sorti de l'échappement du moteur est alors refroidi dans la chambre froide d'une machine cryogénique utilisant des liquides qui 5 absorbent de la chaleur pour se vaporiser, et dans laquelle le fluide cryogénique initialement à l'état gazeux est comprimé grâce à un compresseur cryogénique puis refoulé dans un serpentin où il se liquéfie, ce phénomène de liquéfaction dégage de la chaleur ; le liquide est ensuite introduit dans un évaporateur, positionné dans la chambre froide, où il se vaporise (phénomène qui absorbe de la chaleur et donc produit 10 du froid) et la vapeur ainsi produite retourne au compresseur et le cycle peut recommencer. Préférentiellement, selon une variante, l'invention utilise une machine cryogénique à effet magnéto calorique. L'effet magnéto calorique est la propriété que possèdent certains matériaux de s'échauffer sous l'effet d'un champ magnétique et 15 de se refroidir à une température inférieure à leur température initiale après disparition du champ magnétique ou suite à une variation de ce champs magnétique. Une première technologie, basée sur l'utilisation d'assemblages magnétiques supraconducteurs de grande taille, est utilisée dans des laboratoires et dans le domaine de la recherche nucléaire pour parvenir à des températures proches du zéro absolu. On 20 connaît en particulier le brevet US-A-4.674.288 qui décrit un dispositif de liquéfaction de l'hélium comprenant une substance magnétisable mobile dans un champ magnétique généré par une bobine supraconductrice et un réservoir contenant de l'hélium et en conduction thermique avec ladite bobine supraconductrice. Le mouvement de translation de la substance magnétisable génère du froid qui est transmis à l'hélium par 25 l'intermédiaire d'éléments conducteurs. On connaît également le brevet WO 2005/043052 auquel on pourra se reporter qui décrit un dispositif de génération de flux thermique à matériau magnéto-calorique comportant une unité de génération de flux thermique pourvue d'au moins deux organes thermiques contenant chacun au moins un élément magnéto-calorique, des moyens magnétiques agencés pour émettre aumoins 30 un champ magnétique, des moyens de déplacement couplés aux moyens magnétiques pour les déplacer par rapport aux éléments magnéto-caloriques afin de les soumettre à une variation ou à une annulation de champ magnétique de manière à faire varier leur température et des moyens de récupération des calories et/ou frigories émises par ces éléments magnéto-caloriques 2904054 12 Selon les deux variantes précitées de l'invention le cycle thermodynamique du moteur est caractérisé en ce qu'il comprend huit phases: Vaporisation d'un fluide cryogénique Compression de ce fluide sous très basses températures 5 Réchauffe de ce fluide par l'ambiante à pression constante Transfert quasi-isotherme produisant un travail Détente polytropique produisant un travail avec abaissement de la température Echappement en cycle fermé dans la bâche 10 Refroidissement dans une machine cryogénique Liquéfaction du gaz retour à la bâche Selon une autre variante de l'invention, un dispositif de réchauffage du gaz de travail est positionné avant son introduction dans le moteur permettant d'obtenir des températures supérieures à l'ambiante. Ce réchauffage du gaz de travail peut être 15 obtenu par combustion d'un carburant fossile en mode carburant additionnel, l'air comprimé contenu dans la capacité de travail est réchauffé par une énergie additionnelle dans un réchauffeur thermique. Cette disposition permet d'augmenter la quantité d'énergie utilisable et disponible par le fait que le gaz de travail comprimé avant son introduction dans le dispositif volumétrique de détente à chambre active va accroître 20 sa température et augmenter de volume permettant l'augmentation des performances du moteur pour une même cylindrée. L'utilisation d'un réchauffeur thermique présente l'avantage de pouvoir utiliser des combustions continues propres qui peuvent être catalysées ou dépolluées par tous moyens connus dans le but d'obtenir des émissions de polluants infimes. 25 L'augmentation de température est alors réalisée dans une chambre de combustion de type externe-externe à travers un échangeur afin de ne pas souiller le fluide cryogénique dans sa phase gazeuse par la combustion. Le cycle thermodynamique du moteur selon cette variante de l'invention est caractérisé en ce qu'il comprend neuf phases: 30 Vaporisation d'un fluide cryogénique Compression de ce fluide sous très basses températures Réchauffe de ce fluide par l'ambiante à pression constante Réchauffe et augmentation de température supérieure à l'ambiante Transfert quasi-isotherme fournissant un travail 2904054 13 Détente polytropique fournissant un travail avec abaissement de la température Echappement en cycle fermé dans la vache Refroidissement dans une machine cryogénique 5 Liquéfaction du gaz retour à la bâche Le moteur cryogénique selon l'invention peut fonctionner avec tous les fluides cryogéniques connus et ce, en fonction des cahiers de charge du motoriste, des performances recherchées et des coûts engendrés, toutefois, pour obtenir une plus grande puissance, il utilisera le fluide ayant la plus basse température d'ébullition qui 10 permet le plus grand delta de température possible entre sa phase liquide et sa température de vaporisation et la température du fluide, proche de l'ambiante, en phase gazeuse lors de son introduction dans le cylindre de la chambre active, ce delta température déterminant l'efficacité du moteur. Parmi les fluides frigorifiques et cryogéniques, on connaît l'Hélium (He) dont la 15 température d'ébullition est de 5 K, L'Hydrogène (H2) dont la température d'ébullition est de 20 K ou encore L'Azote (N2) dont la température d'ébullition est de 77 K qui peuvent être utilisés pour obtenir les résultats recherchés. Des mélanges de gaz modifiant ces caractéristiques en fonctions des besoins pourront également être utilisées. 20 Le mode de compression de la machine frigorifique, les évaporateurs et les échangeurs, les matériaux utilisés, les fluides frigorifiques ou cryogéniques, le type de machine cryogénique de liquéfaction, utilisés pour mettre en oeuvre l'invention peuvent varier sans changer pour autant l'invention décrite. Toutes dispositions mécaniques, hydrauliques, électriques ou autres permettant 25 l'accomplissement des cycles d'évaporation, de compression, de travail de la chambre active à savoir introduction de la charge admise par augmentation de volume produisant un travail suivi du maintien à un volume déterminé qui est le volume réel de chambre durant la course de détente du piston moteur puis du retour à son volume minimum pour permettre un nouveau cycle, peuvent être utilisées sans pour autant changer 30 l'invention qui vient d'être décrite. Le dispositif volumétrique de détente du moteur selon l'invention utilise de préférence un dispositif d'arrêt du piston au point mort haut avec une chambre active où la chambre d'expansion est constituée d'un volume variable équipé de moyens permettant de produire un travail et où elle est jumelée et en contact par un passage 35 permanent avec l'espace compris au-dessus du piston moteur principal, durant l'arrêt 2904054 14 dudit piston moteur à son point mort haut, l'air ou le gaz de travail sous pression est admis dans la chambre d'expansion lorsque celle-ci est à son plus petit volume et, sous la poussée, va augmenter son volume en produisant un travail, puis étant maintenue sensiblement à son volume maximum, l'air comprimé y contenu se détend ensuite dans 5 le cylindre moteur repoussant ainsi le piston moteur dans sa course descendante en fournissant un travail à son tour. Durant la remontée du piston moteur pendant le temps échappement, le volume variable de la chambre d'expansion est alors ramené à son plus petit volume pour recommencer un cycle de travail complet. La chambre d'expansion interne du dispositif volumétrique de détente du moteur 10 selon l'invention participe activement au travail. Le dispositif volumétrique de détente selon l'invention est dit à chambre active . Préférentiellement la chambre d'expansion et de détente à volume variable dite chambre active est constituée d'un piston dit piston de charge coulissant dans un cylindre et relié par une bielle à un maneton du vilebrequin du moteur. Toutefois d'autres 15 dispositions mécaniques, électriques ou hydrauliques, permettant d'effectuer les mêmes fonctions et le cycle thermodynamique de l'invention peuvent être utilisées sans pour autant changer le principe de l'invention. Toujours préférentiellement, l'ensemble de l'équipage mobile du dispositif volumétrique de détente (piston et levier à pression) est équilibré en prolongeant le bras 20 inférieur au-delà de son extrémité immobile, ou pivot, par un levier à pression miroir opposé en direction, symétrique et d'inertie identique auquel est fixée, pouvant se déplacer sur un axe parallèle à l'axe de déplacement du piston, une masse d'inertie identique et opposée en direction à celle du piston. On appelle inertie le produit de la masse par la distance de son centre de gravité au point de référence. Dans le cas d'un 25 dispositif volumétrique de détente pluri-cylindres la masse opposée peut être un piston fonctionnant normalement comme le piston qu'il équilibre. Préférentiellement donc, le dispositif selon la présente invention utilise cette dernière disposition dans laquelle l'axe des cylindres opposés, et le point fixe du levier à pression sont sensiblement alignés sur un même axe et où l'axe de la bielle de 30 commande reliée au vilebrequin est positionné d'autre part non pas sur l'axe commun des bras articulés mais sur le bras lui-même entre l'axe commun et le point fixe ou pivot. De ce fait le bras inférieur et sa symétrie représentent un bras unique avec le pivot, ou point fixe, sensiblement en son centre et deux axes à chacune de ses extrémités libres reliées aux pistons opposés. 2904054 15 Le nombre de cylindres peut varier sans pour autant changer le principe de l'invention alors que de préférence l'on utilise des ensembles en nombres pairs de deux cylindres opposés, ou bien pour obtenir une plus grande régularité cyclique, de plus de deux cylindres par exemple quatre ou six etc. 5 Selon une autre variante de l'invention le moteur cryogénique à énergie thermique ambiante est constitué de plusieurs étages de détente chaque étage, comportant une chambre active selon l'invention où entre chaque étage est positionné un échangeur permettant de réchauffer l'air de l'échappement de l'étage précédent et/ou éventuellement un dispositif de réchauffage à énergie additionnelle. Les cylindrées 10 de l'étage suivant étant plus importantes que celles de l'étage précédant. Le moteur cryogénique à énergie thermique ambiante et pression constante utilise avantageusement un dispositif volumétrique de détente avec travail équipé d'une chambre active selon WO 2005/049968, toutefois et selon une autre variante de l'invention, le moteur cryogénique à énergie thermique ambiante utilise un ou l'autre 15 parmi les dispositifs volumétriques de détente avec travail de moteurs conventionnels avec un mécanisme bielle manivelle classique ou bien encore de pistons rotatifs ou autres capsulismes, il est alors caractérisé : - en ce qu'un fluide cryogénique, stocké dans sa phase liquide, est utilisé comme gaz de travail dans sa phase gazeuse et fonctionne en cycle fermé avec retour 20 dans sa phase liquide, - en ce que le fluide cryogénique, initialement liquide, est vaporisé en phase gazeuse à de très basses températures (sensiblement sa température de vaporisation) et alimente l'admission d'un dispositif de compression de gaz, dans lequel il est comprimé à sa pression de travail, 25 - en ce que ce gaz comprimé de travail, encore à de très basses températures, est refoulé, à pression de travail quasi constante, et porté par échange thermique avec l'atmosphère sensiblement à la température ambiante, dans une capacité d'expansion à pression constante, où, sous l'effet de l'apport de l'énergie thermique de l'ambiante, sa température ayant augmenté considérablement, son 30 volume a augmenté dans les mêmes proportions selon la relation à pression constante : V1/ V2 = T1/T2. - en ce que ce gaz comprimé de travail toujours à sa pression de travail et sensiblement à la température ambiante est ensuite admis dans un dispositif de détente volumétrique avec travail tel que celui des moteurs conventionnels comportant un 2904054 16 mécanisme bielle manivelle classique, ou bien encore de moteurs à pistons rotatifs ou autres capsulismes. - en ce que le gaz d'échappement, à nouveau à très bases température après sa détente ayant produit un travail, traverse une machine cryogénique 5 préférentiellement à effet magneto calorique pour permettre d'abaisser la température dudit gaz encore en phase gazeuse ou semi-gazeuse avant son introduction dans l'échangeur de la bâche dans lequel il est liquéfié pour permettre de recommencer un nouveau cycle Le cycle thermodynamique du moteur selon cette variante de l'invention est 10 caractérisé en ce qu'il comprend huit phases: Vaporisation d'un fluide cryogénique Compression de ce fluide sous très basses températures Réchauffe de ce fluide par l'ambiante à pression constante Détente polytropique fournissant un travail avec abaissement de la 15 Température Echappement en cycle fermé dans la bâche Refroidissement dans une machine cryogénique Liquéfaction du gaz retour à la bâche Le moteur cryogénique à énergie thermique ambiante et pression constante peut 20 être utilisé sur tous véhicules terrestres, maritimes, ferroviaires, aéronautiques, de même que dans toute application en poste fixe telle que groupe motopompe, motorisation de machines diverses (machines outils par exemple). Le moteur cryogénique à énergie thermique ambiante et pression constante peut également et avantageusement trouver son application dans les groupes 25 électrogènes de secours, de dépannages et/ou de production d'électricité, de même que dans de nombreuses applications domestiques de cogénération produisant de l'électricité, du chauffage et de la climatisation. D'autres buts, avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à la lecture de la description, à titre non limitatif, de plusieurs modes de réalisation, faite en 30 regard des dessins annexés où : - La figure 1 représente synoptiquement et schématiquement vu en coupe transversale un moteur cryogénique à chambre active selon l'invention. - Les figures 2 à 4 représentent sur des vues synoptiques et schématiques en coupe transversale les différentes phases de fonctionnement du moteur selon 35 l'invention. 2904054 17 - La figure 5 représente schématiquement un diagramme TempératureNolume du cycle thermodynamique du moteur cryogénique. La figure 1 représente synoptiquement et schématiquement vu en coupe transversale, un moteur cryogénique à énergie thermique ambiante

selon l'invention 5 comportant ses cinq éléments principaux : le réservoir de fluide cryogénique en phase liquide A, le compresseur à très basse température B, l'échangeur gaz / air ambiant C, le dispositif volumétrique de détente avec travail, à chambre active D, et la machine cryogénique de refroidissement avant liquéfaction E, où l'on peut voir le réservoir Al dans lequel est stocké le fluide cryogénique en phase liquide A2, et qui comprend un 10 échangeur de liquéfaction et de vaporisation A3. Ce réservoir est relié par un conduit A4 à l'admission d'un compresseur B à très basse température dont l'échappement est relié par un conduit B5 à un échangeur fluide cryogénique/ air ambiant C lui-même relié par un conduit Cl à une capacité d'expansion à pression constante 19 elle-même reliée à l'admission 17 du dispositif volumétrique de détente à chambre active comportant un 15 piston moteur 1 (représenté à son point mort haut), coulissant dans un cylindre 2, et commandé par un levier à pression. Le piston moteur 1 est relié par son axe à l'extrémité libre 1A d'un levier à pression constitué d'un bras 3 articulé sur un axe commun 5 à un autre bras 4 fixé oscillant sur un axe immobile 6, et sur lequel est ménagé sensiblement en son milieu un axe 4A auquel est attachée une bielle 7 de 20 commande reliée au maneton 8 d'un vilebrequin 9 tournant sur son axe 10. Lors de la rotation du vilebrequin la bielle de commande 7 à travers le bras inférieur 4 et son axe 4A, exerce un effort sur l'axe commun 5 des deux bras 3 et 4 du levier à pression, permettant ainsi le déplacement du piston 1 suivant l'axe du cylindre 2, et transmet en retour au vilebrequin 9 les efforts exercés sur le piston 1 lors du temps moteur 25 provoquant ainsi sa rotation. Le cylindre moteur 2 est en communication par un passage 12 ménagé dans sa partie haute, avec le cylindre de chambre active 13 dans lequel coulisse un piston 14 dit piston de charge relié par une bielle 15 à un maneton 16 (en pointillé) du vilebrequin 9. Un conduit d'admission 17, commandé par une soupape 18 débouche dans le passage 12 qui relie le cylindre moteur 2 et le cylindre de chambre 30 active 13, permet d'alimenter le moteur en gaz (fluide cryogénique en phase gazeuse) comprimé provenant de la capacité d'expansion 19 maintenue à une pression quasi constante. Dans la partie supérieure du cylindre moteur 2 est ménagé un conduit d'échappement 23 commandé par une soupape d'échappement 24, relié à l'échangeur de liquéfaction et de vaporisation A3 après avoir traversé une chambre froide E qui 2904054 18 permet de refroidir le fluide cryogénique de l'échappement et le préparer à sa liquéfaction dans l'échangeur A3. Un papillon d'accélérateur 17A est positionné sur le conduit d'admission du dispositif volumétrique de détente avec travail D et permet de le piloter le moteur en 5 admettant plus ou moins de gaz de travail dans la chambre active 12,13 Un papillon d'accélérateur A7 est positionné sur le conduit d'admission A4 du compresseur très basse température, il est commandé préférentiellement par un dispositif électronique pour permettre de régler à l'admission, le débit du compresseur en maintenant la pression souhaitée dans la capacité d'expansion à pression constante 10 19, qui chute en fonction de la quantité de gaz prélevée par le moteur. Le fluide cryogénique en phase liquide A2 est vaporisé en phase gazeuse avec l'aide de l'échangeur A3 et aspiré à travers le conduit d'admission A4 par le compresseur de fluide cryogénique B, le fluide cryogénique de travail sous forme gazeuse mais toujours à très basses température est alors comprimé par exemple à 30 15 Bar et refoulé à travers le conduit B6 vers l'échangeur air ambiant / fluide cryogénique C où sa température va s'élever quasiment à l'ambiante provocant l'augmentation de son volume pour être ensuite dirigé par le conduit Cl à la capacité d'expansion à pression constante 19 reliée par un conduit d'admission 17 au dispositif volumétrique de détente avec travail à chambre active D où, figure 2 le piston moteur 1 est arrêté à sa position 20 point mort haut et la soupape d'admission 18 vient d'être ouverte, la pression du gaz contenue dans la capacité d'expansion à pression constante 19 repousse le piston de charge 14 tout en remplissant le cylindre de la chambre active 13 et produisant un travail en provoquant par sa bielle 15 la rotation du vilebrequin 9, le travail étant considérable car effectué à pression quasi constante sur toute la course du piston de 25 charge 14. En poursuivant sa rotation le vilebrequin autorise -figure 3 - le déplacement du piston moteur 1 vers son point mort bas et sensiblement simultanément la soupape d'admission 18 est alors refermée ; la charge contenue dans la chambre active se détend alors en repoussant le piston moteur 1 qui produit à son tour un travail en 30 provoquant la rotation du vilebrequin 9 au travers de son équipage mobile constitué par les bras 3 et 4 et la bielle de commande 7. Durant ce cycle du piston moteur 1, le piston de charge 14 poursuit sa course vers le point mort bas et commence sa remontée vers son point mort haut, l'ensemble des éléments étant calé de telle sorte que durant la course ascendante des pistons -voir 35 figure 4 - le piston de charge 14 et le piston moteur 1 arrivent sensiblement ensemble à 2904054 19 leur point mort haut où le piston moteur 1 va s'arrêter, et le piston de charge 14 entamer une nouvelle course descendante pour recommencer un nouveau cycle de travail. Lors de la course ascendante des deux pistons 1 et 14, la soupape d'échappement 24 est ouverte afin de ramener le fluide cryogénique fortement refroidi lors de sa détente à 5 travers le conduit d'échappement 23 et la machine cryogénique E et son échangeur El vers le réservoir A où il va se liquéfier lors de son passage dans l'échangeur A3 et retourner à la bâche pour recommencer un nouveau cycle. La figure 5 représente, un diagramme Température/Volume du cycle thermodynamique selon l'invention où l'on peut voir en abscisse les températures et en 10 ordonnées les volumes de gaz mis en oeuvre et les divers segments relatifs au cycle, vaporisation (segment V) puis compression à la pression de travail (segment Com). Le gaz est ensuite porté à la température (quasi) ambiante à pression constante (segment EthA), pour être ensuite transféré selon une quasi isotherme et à pression constante en produisant un travail (segment W) dans la chambre active du moteur et se détendre 15 (segment W1) selon une polytropique, produisant un travail, se refroidissant, et se rapprochant de la pression atmosphérique, pour être ensuite introduit dans une machine cryogénique (segment REFR) afin d'être fortement refroidi puis liquéfié L et permettre de recommencer le cycle thermodynamique. L'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisations décrits et représentés, 20 les matériaux, les moyens de commande, les dispositifs décrits peuvent varier dans la limite des équivalents, pour produire les mêmes résultats, sans pour cela changer l'invention qui vient d'être décrite. 25 30 35

Claims (15)

REVENDICATIONS

1.- Moteur cryogénique à énergie thermique ambiante et pression constante utilisant préférentiellement un dispositif volumétrique de détente à chambre active, comportant un dispositif de contrôle de la course du piston ayant pour effet l'arrêt du piston à son point mort haut durant une période de temps, ainsi qu'une chambre active, constituée d'un volume variable équipé de moyens permettant de produire un travail lors de son remplissage, jumelée et en contact permanent par un passage, avec l'espace compris au-dessus du piston moteur principal, ainsi qu'un dispositif de compression intégré ou non, cacactérisé : - en ce que le gaz de travail est un fluide cryogénique utilisé en cycle fermé stocké en phase liquide (A2) travaillant en phase gazeuse et ramené au stock (A) en phase liquide, - en ce que le gaz de travail, initialement liquide, est vaporisé en phase gazeuse sous de très basses températures, sensiblement à sa température de vaporisation, et alimente l'admission (A4) d'un dispositif volumétrique de compression de gaz (B), dans lequel il est comprimé à sa pression de travail, - en ce que ce gaz comprimé de travail, encore à de très basses températures en sortie du compresseur (B), est refoulé dans une capacité d'expansion (19) à sa pression de travail et porté, par échange thermique avec l'atmosphère, sensiblement à la température ambiante, de telle sorte que sous l'effet de l'apport de l'énergie thermique de l'ambiante, sa température augmentant considérablement, son volume augmente dans les mêmes proportions selon la relation à pression constante : V1/V2=T1/T2, -en ce que ledit gaz comprimé toujours à sa pression de travail et toujours sensiblement à la température ambiante est ensuite admis dans un dispositif volumétrique de détente avec travail, (D) qui comporte une chambre active d'expansion et de détente, et qui est lui-même caractérisé : - en ce que, durant l'arrêt du piston moteur (1) à son point mort haut, le gaz sous pression est admis dans une chambre active d'expansion et de détente (12, 13), - qui est constituée d'un volume variable équipé de moyens permettant de produire un travail et qui est jumelée et en contact permanent par un passage (12), avec l'espace compris au-dessus du piston moteur principal (1) - lorsque celle-ci est à son plus petit volume et qui, sous la poussée du gaz de travail, va augmenter son volume en produisant un travail ; 2904054 21 - en ce que lorsque la chambre active d'expansion et de détente (12,13) est sensiblement à son plus grand volume, l'admission (17) est alors fermée et le gaz de travail comprimé toujours sous pression, contenu dans ladite chambre (12,13), se détend dans le cylindre moteur (2) repoussant ainsi le piston moteur (1) dans sa course 5 descendante en produisant un travail à son tour et subissant de ce fait un abaissement important de la température, - en ce que durant la course ascendante du piston moteur (1) pendant le temps échappement le volume variable de la chambre active d'expansion et de détente (12,13), est ramené à son plus petit volume pour recommencer un cycle de travail 10 complet. - en ce que le gaz de travail à l'échappement (23) du dispositif volumétrique de détente avec travail (D) à nouveau à très basse température après sa détente, est refoulé vers la bâche de stockage (A) du fluide cryogénique (A2) où il est liquéfié pour recommencer un nouveau cycle. 15

2.- Moteur cryogénique à énergie thermique ambiante et pression constante selon la revendication 1 caractérisé en ce que son cycle thermodynamique comporte les sept phases suivantes: Vaporisation d'un fluide cryogénique Compression de ce fluide sous très basses températures 20 Réchauffe à pression constante par la température ambiante Transfert quasi-isotherme produisant un travail Détente polytropique fournissant un travail avec abaissement de la température Echappement en cycle fermé dans la bâche 25 Liquéfaction du gaz en retour à la bâche

3.- Moteur cryogénique à énergie thermique ambiante et pression constante selon les revendications 1 et 2 caractérisé en ce que la vaporisation du fluide en phase liquide dans la bâche est obtenue par échauffement en utilisant un échangeur (A3) fluide de travail/fluide de travail dans lequel le fluide cryogénique alors en phase semi gazeuse 30 et en retour de l'échappement (23) du dispositif volumétrique de détente (D) et qui se trouve à une température suffisante pour ce faire, echauffe et vaporise une partie du fluide cryogénique en phase liquide A2 qui se trouve dans la bache Al tout en se refroidissant et se liquéfiant

4.- Moteur cryogénique à énergie thermique ambiante et pression constante selon la 35 revendication 3 caractérisé en ce que l'échangeur thermique de vaporisation 2904054 22 liquéfaction du fluide cryogénique est constitué d'un serpentin plongé dans la bâche dans lequel le fluide en provenance de l'échappement du moteur terminera son refroidissement et sa liquéfaction en dégageant la chaleur nécessaire à la vaporisation du fluide à l'état liquide dans la bâche de stockage (Al). 5

5.- Moteur cryogénique à énergie thermique ambiante et pression constante selon la revendication 1 et 3 caractérisé en ce que une machine cryogénique (E) est positionnée entre la sortie d'échappement (23) du dispositif volumétrique de détente (D) et la bâche de fluide (Al) pour permettre d'ajuster la température du gaz de travail détendu en sortie de l'échappement (23) alors en phase gazeuse ou semi-gazeuse et 10 avant son introduction dans l'échangeur (A3) de la bâche de stockage (Al) pour y être liquifié ; le fluide à l'état gazeux ou semi gazeux en sortie de l'échappement (23) du dispositif de détente est alors refroidi lors de son passage dans un échangeur (El) positionné dans la chambre froide de la machine cryogénique (E).

6.- Moteur cryogénique à énergie thermique ambiante et pression constante selon la 15 "revendication 5 caractérisé en ce que la machine frigorifique (E) fonctionne en utilisant les effets magnéto-caloriques qui utilisent la propriété que possède certains matériaux de s'échauffer sous l'effet d'un champ magnétique et de se refroidir à une température inférieure à leur température initiale après disparition du champ magnétique ou suite à une variation de ces champs magnétiques. 20

7.- Moteur cryogénique à énergie thermique ambiante et pression constante selon les revendications 1, 5 et 6 caractérisé en ce que son cycle thermodynamique comporte huit phases : Vaporisation d'un fluide cryogénique Compression de ce fluide sous très basses températures Réchauffe de ce fluide par l'ambiante à pression constante Transfert quasi-isotherme fournissant un travail Détente polytropique fournissant un travail avec abaissement de la Température Echappement, Refroidissement dans une machine cryogénique Liquéfaction du gaz retour à la bâche

8.- Moteur cryogénique à énergie thermique ambiante et pression constante selon l'une quelconque des revendications précedentes caractérisé en ce que la capacité d'expansion à pression constante (19) est constituée d'un réservoir de stockage à 35 pression de travail de grand volume dans lequel le gaz de travail y contenu, maintenu 25 30 25 30 2904054 23 à la température ambiante, en fonction : de la surface d'échange avec l'atmosphère de son enveloppe, de son volume et du temps de stockage dans ledit réservoir, et que le gaz de travail comprimé en provenance du compresseur est porté quasiment à la température ambiante, naturellement par mélange avec le gaz de travail à température 5 ambiante déjà contenu dans le réservoir.

9. Moteur cryogénique à énergie thermique ambiante et pression constante selon la revendication 6 caractérisé en ce que l'enveloppe du réservoir de stockage comporte des moyens d'échange extérieurs et/ou intérieurs tels qu'ailettes pour favoriser l'échange thermique entre l'atmosphère et le gaz de travail y contenu. 10

10.- Moteur cryogénique à énergie thermique ambiante et pression constante selon les revendications 6 et 7 en ce qu'au moins un échangeur (C) air atmosphérique /gaz de travail est installé entre le compresseur (B) et la capacité d'expansion à pression constante (19) et/ou le réservoir d'expansion à pression de travail, et/ou entre ledit réservoir (19) et le dispositif de détente avec travail (D), 15

11.- Moteur cryogénique à énergie thermique ambiante et pression constante selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'un dispositif de réchauffage du gaz de travail est positionné avant son introduction dans le moteur permettant d'obtenir des températures supérieures à l'ambiante, l'augmentation de température étant alors réalisée dans une chambre de combustion de type externe- 20 externe à travers un échangeur afin de ne pas souiller par la combustion le fluide cryogénique dans sa phase gazeuse.

12.- Moteur cryogénique à énergie thermique ambiante et pression constante selon la revendication 8 caractérisé en ce que son cycle thermodynamique comporte les 9 phases suivantes : Vaporisation d'un fluide cryogénique Compression de ce fluide sous très basses températures Réchauffe de ce fluide par l'ambiante à pression constante Réchauffe et augmentation de température supérieure à l'ambiante Transfert quasisotherme fournissant un travail Détente polytropique fournissant un travail avec abaissement de la température Echappement, Refroidissement dans une machine cryogénique Liquéfaction du gaz retour à la bâche 2904054 24

13.- Moteur cryogénique à énergie thermique ambiante et pression constante selon une variante de l'invention caractérisé : - en ce que le gaz de travail est un fluide cryogénique utilisé en cycle fermé stocké en phase liquide (A2) travaillant en phase gazeuse et ramené au stock (A) en 5 phase liquide, - en ce que le fluide cryogénique initialement liquide est vaporisé en phase gazeuse à de très basses températures et alimente l'admission d'un dispositif de compression de gaz, qui refoule ensuite ce gaz comprimé à sa pression de travail et encore à basse température, à travers un échangeur air atmosphérique/gaz de travail, io et/ou directement, dans une capacité d'expansion à pression constante (19) comportant ou non un dispositif de réchauffage, dans laquelle sa température augmentant considérablement, son volume augmente dans les mêmes proportions selon la relation à pression constante :V1N2 = T1/T2 en ce que ledit gaz comprimé toujours à sa pression de travail est ensuite 15 admis dans un dispositif de détente volumétrique avec travail utilisé, sur les moteurs conventionnels avec dispositif bielle manivelle classique, ou bien encore sur les moteurs à pistons rotatifs ou autres capsulismes produisant une détente avec travail, - en ce que le gaz de travail à l'échappement (23) du dispositif volumétrique de détente avec travail à nouveau à très basse température après sa détente, est refoulé 20 vers la bâche de stockage (Al) du liquide cryogénique (AI) à travers une machine cryogénique (E) positionnée entre la sortie d'échappement et la bâche de fluide (Al) afin de permettre d'ajuster la température du gaz de travail détendu en sortie de l'échappement (23) alors en phase gazeuse ou semi-gazeuse et avant son introduction dans l'échangeur (A3) de la bâche de stockage (Al) pour y être liquifié ; le 25 fluide à l'état gazeux ou semi gazeux en sortie de l'échappement (23) du dispositif de détente est alors refroidi lors de son passage dans un échangeur (El) positionné dans la chambre froide de la machine cryogénique (E). et liquéfié pour recommencer un nouveau cycle

14- Moteur cryogénique à énergie thermique ambiante et pression constante selon 30 l'une quelconque des revendications ci-dessus caractérisé en ce qu'un papillon d'accélérateur (17A) est positionné sur le conduit d'admission (17) du dispositif volumétrique de détente avec travail (D) pour permettre de piloter le moteur en admettant plus ou moins de gaz de travail dans la chambre active (12, 13) et/ou dans son cylindre (2). 2904054 25

15.- Moteur cryogénique à énergie thermique ambiante et pression constante selon l'une quelconque des revendications ci-dessus caractérisé en ce que un papillon d'accélérateur (A7) est positionné à l'entrée du compresseur (B) très basse température et commandé préférentiellement par un dispositif électronique pour 5 permettre de régler à l'admission, le débit du compresseur (B) en maintenant la pression souhaitée dans la capacité d'expansion à pression constante (19) qui tend à chuter en fonction de la quantité de gaz prélevée par le dispositif volumétrique de détente (D). 10 15 20 25 3035