FR2920468A1 - Precisions, ameliorations et perfectionnements concernant le parametrage et le developpement du concept de moteur rotatif a piston annulaire trilobique - Google Patents

Abstract

L'invention concerne des nouveautés et perfectionnements en paramétrage, guidage et transmissions apportées au moteur rotatif à piston annulaire de forme trilobique. Ces nouveautés et perfectionnements concernent plus particulièrement l'utilisation en moteur/convertisseur à alimentation externe en fluides naturels, et aussi en pompe réversible. En résumé, le rendement de la machine est optimisé grâce à un respect rigoureux des formes, tant au niveau de la chambre que du noyau, et à un positionnement optimal des conduits d'échanges avec l'extérieur. Certaines règles sont donc à respecter. Une géométrie particulière du noyau permet aussi des gains en terme de rendement : inclusion de la transmission dans une cavité interne avec réserve de lubrifiant, inclusion de roulements de guidage dans les parois du noyau pour éviter les frottement surfaciques et enfin utilisation possible d'un nouveau type de transmission à 2 pignons centraux à 3 dents, ces derniers engainant directement avec les faces internes du piston grâce à un séquencement alterné et pérenne composé de 3 phases : rattrapage, contact/poussée et échappement. Enfin une version de la machine permet un fonctionnement utilisant du fluide caloporteur en circuit fermé.

Description

DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION : La présente invention précise des domaines de développements concernant le moteur rotatif à piston annulaire de forme trilobique tel que décrit progressivement dans mes 4 brevets antérieurs : brevet français 031661 déposé le 12/02/2003, PCT 033921 déposé le 29/12/2003, brevet français 047600 déposé le 08/07/2004 et PCT 051386 déposé le 07/06/2005. Sont concernés : les paramétrages des formes. des améliorations de l'existant et des arrangements nouveaux. Cela affecte surtout le périmètre des formes possibles pour le noyau, le pistons et la chambre, la disposition géométrique des conduits admissions/échappements, le guidage du piston et enfin deux nouveaux types de transmission captant la puissance directement sur le piston afin de la restituer sur l'arbre de sortie. En rappel et résumé, un modèle de ce nouveau concept de moteur est construit suivant l'association de trois formes complémentaires : un piston annulaire tri-lobique qui tourne et glisse rigoureusement autour d'un noyau central fixe de forme bi arc et à l'intérieur d'une chambre fixe de forme hexa arc.

Le mouvement pérenne du piston génère deux étages de variations volumétriques. Chaque étage donne naissance à un cycle moteur indépendant. Les deux cycles théoriques ainsi établis peuvent être exploités indépendamment l'un de l'autre et de façons différentes moyennant des adaptations spécifiques mineures : en moteur convertisseur d'énergies naturelles, en moteur à combustion interne à 6 temps, en moteur à vapeur simple ou compound, en moteur hydraulique, en moteur à air comprimé, ou enfin en pompe. Cette nouvelle demande de brevet concerne principalement l'utilisation en moteur/convertisseur avec alimentation externe en fluides naturels, en vapeur vive et aussi en machine de type pompe réversible ou compresseur. UTILISATION ET PROBLEMES POSES : Ce nouveau concept de moteur à piston tri lobique est extrêmement polyvalent : il est capable d'être alimenté par tous les types de flux d'énergies naturelles s'exprimant en terme de pression/débit de fluides, tant compressibles qu'incompressibles, tant faibles que forts et d'accepter les variations de puissance ou même les changements de sens de rotation qu'ils imposent souvent : énergie des vents, des cours d'eau, de la houle, des vagues, de la mer au sens large du terme, de tout type de fluide sortant du sol y compris la géo thermique volcanique irrégulière/inconstante, le paramétrage et l'architecture doivent impérativement être très soignés et organisés de façon pertinente en fonction du type d'énergie entrante en d'en accepter toutes les variations/modulations en terme de couple restitué et en terme de vitesse de rotation. 1) PRECISION SUR L'ETAT DE LA TECHNIQUE 1-1 RESTITUTION DE PUISSANCE AVEC FAIBLES PRESSIONS ENTRANTES L'alimentation de ce type de machine est possible avec de très faibles gradients de pression/dépression en entrée, par exemple de l'ordre du millibar en rotation à vide et de la dizaine de millibar pour une production électrique, en sortie, de l'ordre du watt sur une petite machine générique. Pour un moteur réduit à cette taille (4cm x 7cm x 8cm), ceci correspond à une somme de variations volumétriques motrices sur un tour/un cycle de l'ordre de la centaine de cm3. D'un point de vue conceptuel, un spécimen de cette machine requiert alors de nombreux conduits d'échange avec des sections de passage les plus importantes possible et des positionnements évitant les interférences des phases admission/échappement. L'objectif est d'atteindre un rendement élevé en garantissant des débits d'alimentation maximum avec de faibles différentiels de pression (ou de dépression). 1-2 POLYVALENCE, DOCILITE, LARGE PERIMETRE DE FONCTIONNEMENT Ce nouveau concept est extrêmement polyvalent et docile, il est capable d'être nourri par tout type d'énergies naturelles s'exprimant en termes de pression/débit de fluide. Le mélange des genres de fluide - compressible et/ou incompressible - est possible et le passage d'un genre à l'autre peut se faire sans aucune entrave au mouvement moteur. Le moteur est d'autre part réversible en régime d'alimentation : pression ou dépression ou mixage simultané des deux régimes après affectation de chaque régime à ses conduits appropriés. Il est aussi réversible en sens de rotation et en fonctionnalité pompe et/ou moteur. Le mécanisme doit alors pouvoir restituer cette gamme d'énergie entrante particulièrement étendue en passant par des résolutions mécaniques simples garantissant de forts rendements. D'un point de vue général cela requiert des formes et des arrangements de pièces très particulières qui favorisent soit le couple, soit la vitesses de rotation. Il y a donc lieu de choisir des profils avec les paramètres et les formes génériques les mieux adaptées aux fluides admis et au cycle du piston en jouant par exemple sur les entraxes fictifs, l'épaisseur de voile du piston et/ou l'ampleur du noyau, bref en appliquant un dimensionnement correcte à toutes les pièces principales situées au coeur même du moteur depuis la chambre extérieure jusqu'à l'arbre de sortie. 2) RESOLUTIONS PROPOSEES UNE PREMIERE SOLUTION DE PRISE DE FORCE/TRANSMISSIONS ADAPTEE Un nouveau type de prise de force au centre même du piston annulaire tri-lobique et deux arbres de sortie latéraux et symétriques est une des solutions possible pour réduire les efforts de frottement et l'éventuelle torsion parasite du piston lors de fortes sollicitations.

La nature et la disposition de la transmission doit aussi permettre de rendre le moteur compact, très facilement modulable, de réaliser par exemple un graissage par barbotage réserve d'huile ou d'eau de lubrification et de simplifier/favoriser des lignes d'accouplements de moteurs identiques. PLACE DE LA TRANSMISSION ET PARAMETREGE DU CîUR DU MOTEUR : Séparation possible de l'étage interne en deux demi étages par la disposition centrale d'une noix (NX) de prise de force qui alors joue aussi un rôle de diaphragme/cloison étanche. Le noyau (2) est par conséquent scindé en deux demi noyaux (2 et 2 bis) autour desquels tourne et glisse le piston selon les 2 centres de rotation fictifs (Cl) et (C2) (fig 1 et fig 2).

Paramétrage de la forme des demi noyaux (2 et 2 bis) pour leur donner plus de dimensions et leur permettre d'intégrer en leur milieu une cavité (CAV) pour loger les 2 transmissions par joint de Oldham et une réserve d'huile de graissage (fig 1 et fig 2). Paramétrage et calcul de l'angle (ACD) caractérisant le changement de direction du mouvement tangentiel du piston (1) lors du passage d'un centre de rotation fictif à l'autre. La formule précise est la suivante : soit (ENT) la valeur de l'entraxe entre les centres de rotation fictifs, (RN) le rayon des 2 arcs des noyaux et (EP) l'épaisseur de la paroi du piston, alors sinus (ACD/2) = ENT/(2*(RN+EP)).Applications : si ENT = 3cm, RN = 6cm et EP = 0,3 cm alors ACD est d'environ 28 degrés et cette valeur est défavorable au couple moteur mais favorable à une vitesse 1 0 de rotation élevée, si ENT = 6cm, RN = 6cm et EP = 0,3cm alors ACD est d'environ 57 degrés et cette valeur est plus favorable au couple mais moins favorable à la vitesse de rotation. (fig. 2) Quand ENT est différent de RN, à la forme générique bi arc des noyaux (2 et 2 bis) s'ajoute une pupille dont le rayon (RP) est paramétré par rapport à l'entraxe des centres de rotation fictifs (ENT) et au rayon de noyau (RN). Le rayon de la pupille (RP) est calculé selon une formule 15 précise : soit (ENT) l'entraxe entre centres, et (RN) le rayon des 2 arcs des noyaux, alors la valeur du rayon (RP) est égale à 1/2 (- ( ENT*racine (3))+ racine( (ENT*ENT*3) ù 4((ENT*ENT)-(RN*RN))). Application : si ENT = 3cm et Rn = 6cm alors r = 3,21 14 cm, la pupille est convexe : si ENT = 2,5cm et Rn = 2cm alors r = -0,6038 cm, la pupille est maintenant concave (fig. 2) Le paramétrage du grand rayon (GRC) de la chambre (3) dépend du rayon de noyau (RN), de 20 l'entraxe (ENT) et de l'épaisseur (EP) du piston annulaire (1); la formule qui permet de le définir est : GRC = (ENT*racine(3)/2)+racine(((EP+RN)*(EP+RN))-(ENT*ENT/4)). Application : si ENT = 3cm, RN = 5,7 cm et EP = 0,3cm alors GRC = 8,7169 cm - (fig. 2) Un paramétrage de la position angulaire relative des conduits est nécessaire pour qu'à aucun point du cycle les débouchés des conduits d'admissions et les débouchés des conduits d'échappement 25 soient en même temps démasqués par les faces du piston, évitant ainsi des pertes de charge par passage direct du fluide en pression de l'admission dans l'échappement. Paramétrage des conduits internes du noyau, position relative précise des débouchés : L'angle BETA N ayant pour origine le centre de rotation appropriée et pour limites les extrémités des débouchés du noyau (2) doit être supérieur ou égal à l'angle BETA P ayant la même origine et 30 pour limites les angles vifs internes du piston (1) (fig 3). Paramétrage des conduits externe de la chambre, position relative précise des débouchés : L'angle ALPHA C ayant pour origine le centre de rotation approprié et pour limites les extrémités des débouchés de la chambre (3) doit être supérieur ou égal à l'angle ALPHA P ayant la même origine et pour limites les angles vifs externes du piston (1) (fig 3).

35 Multiplication des conduits d'échange de débit/pression de fluides avec l'extérieur : à raison de 4 conduits par étage et demi étage, le moteur respire avec 12 conduits au minimum. Par souci d'optimisation, les conduits de l'étage externe sont dédoublés, ce qui fait passer le nombre total de conduits à 16: 8 admissions (AD) et 8 échappements (EC), et augmente ainsi les capacités d'échange de fluide (fig 1). L'invention perfectionnée de la sorte permet d'obtenir en théorie un rendement plus élevé, une meilleure aptitude aux fonctionnement en charge à très faible énergie d'alimentation, une plus forte capacité à accepter les changement de régime d'alimentation et/ou sens de rotation rapides et 5 une meilleure aptitude a fonctionner avec des mélanges hétérogènes de fluide notamment compressibles et incompressibles.. Ces avantages sont surtout efficaces dans le cadre d'un fonctionnement en moteur à alimentation externe par fluides dans de faibles gradients d'énergie entrante, ou en pompe réversible et permettent de mieux équilibrer les pressions et dépressions dynamiques internes suivant l'un 10 et/ou l'autre des 3 étages via leurs conduits indépendants. La régulation du fonctionnement de l'ensemble peut devenir très précise grâce à des agencements possibles sur tous les conduits. L'étanchéité générale du rnoteur, entre son intérieur et son extérieur est nettement améliorée : elle est réduite aux deux étanchéités rotatives des deux arbres de sorties latéraux. Ces avantages permettent aussi la réalisation d'une option de moteur fonctionnant en circuit 15 fermé avec utilisation d'un liquide à basse température d'ébullition. Dans ce cas, des convecteurs solaires externes (CS) portent un fluide caloporteur à ébullition dans la partie chaude d'un circuit étanche d'interconnexion alors que les vapeurs sont condensées par des éléments réfrigérants (ER) dans la partie froide du même circuit fermé (fig 4). Les vapeurs en pression obtenues dans la partie chauffe du circuit sont administrées dans le module moteur par tous les conduits d'admission 20 (AD).Après avoir délivré leur énergie motrice au coeur du moteur, elles ressortent en basse pression par les conduits d'échappement (EC) pour être ensuite condensées dans la partie refroidissement . L'interconnexion judicieuse des conduits du circuit fermé étanche et des orifices du moteur permet une re direction automatique des condensas de la partie froide vers la partie chaude. De ce fait, la pérennité du cycle thermodynamique est assurée en accord avec la 25 succession logique des temps du cycle moteur (fig 1 et fig 4). UN POSSIBLE GUIDAGE DU PISTON PAR ROULEMENT Plusieurs roulements peuvent être arrangés par incrustation dans les deux parois du noyau, leur nombre et leurs positionnements sont paramétrables. Ces roulements permettent de guider rigoureusement les faces internes du piston tri lobique lors de ses déplacements en évitant tout ou 30 partie des frottements surfaciques toujours générateurs de pertes de rendement dans ce type de machine. De ce fait il n'existe pratiquement plus aucun glissement relatif des surfaces en pression du piston tri lobique sur son noyau de guidage au cours de sa révolution/lors des variations de pression interne générées (fig 4).

35 UN SECOND TYPE DE TRANSMISSION A TRES HAUT RENDEMENT Il s'agit d'un système simple d'entraînement alterné de 2 pignons centraux à trois dents (PC3D). Ces 2 pignons à trois dents sont intégrés au noyau du moteur et sont couplés entre eux par un système externe traditionnel du type pignons/chaîne. Ils tournent exactement dans le même sens et à la même vitesse, ils constituent la prise de force du moteur (de la machine). Les 3 dents sont callée à 120° et épousent exactement les faces internes du piston tri lobique lors des phases alternatives de contact/entraînement/poussée. Chaque pignon à trois dents tourne selon un axe de rotation fixe qui est confondu avec chaque axe de rotation fictif (Cl) et (C2) du piston tri lobique. La transmission de la puissance est réalisée par les face internes du dit piston tri lobique qui rattrapent jusqu'au contact rigoureux, puis poussent exactement, puis échappent aux dents de l'un puis de l'autre des 2 pignons centraux à 3 dents. Chacune des 3 phases, rattrapage, contact et échappement s'effectue sur un déplacement angulaire rigoureux de 60° et alternativement selon les 2 centres de rotation fictifs (fig 6 à 13). De ce fait il n'existe plus aucun glissement relatif des surfaces en pression liées à la transmission, augmentant ainsi le rendement du moteur (de la machine). De ce fait la matière constituant les 2 pignons à 3 dents peut être relativement molle ou élastique, tout du moins en surface de dent. De ce fait la transmission s'avère plus fiable et silencieuse. Le profil des dents est un profil simple, en arc de cercle, et non en développante de cercle comme sur des pignons traditionnels, l'usinage est de ce fait simplifié. Enfin ce type de transmission est rigoureusement homocinétique. Ce troisième type de transmission à haut rendement est utilisable en lieu et place de la transmission décrite précédemment, dans le premier corollaire de l'invention. Son arrangement requiert une organisation plus rigoureuse du système d'étanchéité de l'étage interne au voisinage du noyau, toutefois cette contrainte d'étanchéité n'est requise que dans le cas spécifique d'une utilisation conjointe des 2 étages du moteur (de la machine), ou de son seul étage interne.

Claims (13)

REVENDICATIONS

1) Moteur rotatif à piston annulaire tri lobique convertisseur d'énergie naturelle caractérisé par des formes et des arrangements de ses pièces constituantes qui favorisent soit le couple, soit la vitesses de rotation, par de nombreux conduits d'échange dotés de sections de passage les plus importantes possible et des positionnements évitant les interférences des phases admission/échappement, par une étanchéité générale du moteur entre son intérieur et son extérieur nettement améliorée et réduite aux deux étanchéités rotatives des deux arbres de sorties latéraux. Sont concernées les principales pièces constitutives : le noyau, le piston annulaire tri lobique, la chambre et le système de transmission interne au moteur (fig 1 à 13).

2) Moteur rotatif à piston annulaire tri lobique convertisseur d'énergie naturelle selon la revendication 1 caractérisé par une séparation possible de l'étage interne en deux demi étages par la disposition centrale d'une noix (NX) de prise de force qui alors joue aussi un rôle de diaphragme/cloison étanche. Le noyau (2) est par conséquent scindé en deux demi noyaux (2 et 2 bis) autour desquels tourne et glisse le piston selon les 2 centres de rotation fictifs (Cl) et (C2) (fig 1 et fig 2).

3) Moteur rotatif à piston annulaire tri lobique convertisseur d'énergie naturelle selon les revendications 1 et 2 caractérisé par un paramétrage de la forme des demi noyaux (2 et 2 bis) pour leur donner plus de dimensions et leur permettre d'intégrer en leur milieu une cavité (CAV) pour loger les 2 transmissions par joint de Oldham et une réserve d'huile ou d'eau de lubrification (fig 1 et 2).

4) Moteur rotatif à piston annulaire tri lobique convertisseur d'énergie naturelle selon la revendication 3 caractérisé par un angle (ACD) révélant le changement de direction du mouvement tangentiel du piston (1) lors du passage d'un centre de rotation fictif à l'autre. ; la formule qui permet de définir l'angle (ACD) est : sinus (ACD/2) = ENT/(2*(RN+EP)) (fig 2), avec (ENT) définissant l'entraxe entre les centres de rotation, (RN) le rayon des arcs du noyau et (EP) l'épaisseur de la paroi du piston (fig 2).

5) Moteur rotatif à piston annulaire tri lobique convertisseur d'énergie naturelle selon les revendication 3 et 4 caractérisé par une pupille quand (ENT) est différent de (RN), laquelle pupille s'ajoute à la forme générique bi arc des noyaux (2 et 2 bis), le rayon (RP) de la pupille dépend de l'entraxe des centres de rotation fictifs (ENT) et du rayon d'arcs de noyau (RN) ; la formule qui permet de le définir est : RP = 1/2 (- ( ENT*racine (3))+ racine( (ENT*ENT*3) û 4((ENT*ENT)- (RN*RN))) (fig 2).

6) Moteur rotatif à piston annulaire tri lobique convertisseur d'énergie naturelle selon les revendications 3 à 5 caractérisé un grand rayon (GRC) de chambre (3) qui dépend du rayon d'arcs de noyau (RN), de l'entraxe (ENT) et de l'épaisseur (EP) du piston annulaire (1); la formule qui permet de le définir est : GRC = (ENT*racine(3)/2)+racine(((EP+RN)*(EP+RN))-(ENT*ENT/4)) - (fig. 2)

7) Moteur rotatif à piston annulaire tri lobique convertisseur d'énergie naturelle selon larevendication 1 caractérisé par la multiplication des conduits d'échange de débit/pression de fluides avec l'extérieur : à raison de 4 conduits par étage et demi étages, le moteur respire avec 12 conduits au minimum. Par souci d'optimisation, les conduits de l'étage externe sont dédoublés, ce qui fait passer le nombre total de conduits à 16 : 8 admissions (AD) et 8 échappements (EC) et augmente ainsi les capacités d'échange de fluide (fig 1).

8) Moteur rotatif à piston annulaire tri lobique convertisseur d'énergie naturelle selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 caractérisé par une option de moteur fonctionnant en circuit fermé avec utilisation d'un liquide à basse température d'ébullition. Des convecteurs solaires externes (CS) portent un fluide caloporteur à ébullition dans la partie chaude d'un circuit étanche d'interconnexion alors que les vapeurs sont condensées par des éléments réfrigérants (ER) dans la partie froide du même circuit fermé (fig 4). Les vapeurs en pression obtenues dans la partie chauffe du circuit sont administrées dans le module moteur par tous les conduits d'admission (AD).Après avoir délivré leur énergie motrice au coeur du moteur, elles ressortent en basse pression par les conduits d'échappement (EC) pour être ensuite condensées dans la partie refroidissement . L'interconnexion judicieuse des conduits du circuit fermé étanche et des orifices du moteur permet une re direction automatique des condensas de la partie froide vers la partie chaude. De ce fait, la pérennité du cycle thermodynamique est assurée en accord avec la succession logique des temps du cycle moteur (fig 1 et fig 4).

9) Moteur rotatif à piston annulaire tri lobique convertisseur d'énergie naturelle selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 caractérisé par un paramétrage de la position angulaire relative des conduits d'admission et d'échappement ; pour l'étage interne un angle BETA N ayant pour origine le centre de rotation approprié et pour limites les extrémités des débouchés du noyau (2) lequel angle doit être supérieur ou égal à l'angle BET'A P ayant la même origine et pour limites les angles vifs internes du piston (1). Pour l'étage externe un angle ALPHA C ayant pour origine le centre de rotation approprié et pour limites les extrémités des débouchés de la chambre (3) lequel angle être supérieur ou égal à l'angle ALPHA P ayant la même origine et pour limites les angles vifs externes du piston (1)- (fig 3).

10) Moteur rotatif à piston annulaire tri lobique convertisseur d'énergie naturelle selon la revendication 1 caractérisé par l'incrustation possible de plusieurs roulements arrangés dans les parois des demi noyaux, leur nombre et leurs positionnements sont paramétrables. Ces roulements permettent de guider rigoureusement les faces internes du piston tri lobique lors de ses déplacements en évitant tout ou partie des frottements surfaciques toujours générateurs de pertes de rendement dans ce type de machine (fig 6 à 13).

11) Moteur rotatif à piston annulaire tri lobique convertisseur d'énergie naturelle selon la revendication 1 caractérisé par un autre type de transmission à haut rendement. Il s'agit d'un système simple d'entraînement alterné de 2 pignons centraux à trois dents (PC3D). Ces 2 pignons à trois dents sont intégré au noyau du moteur et sont couplés entre eux par un système externe traditionnel du type pignons/chaîne. Ils tournent exactement dans le même sens et à la mêmevitesse, ils constituent la prise de force du moteur (de la machine).

12) Moteur rotatif à piston annulaire tri lobique convertisseur d'énergie naturelle selon la revendication 11 caractérisé par le fait que les 3 dents sont callée à 120° et épousent exactement les faces internes du piston tri lobique lors des phases alternatives de contact/entraînement/poussée. Chaque pignon à trois dents tourne selon un axe de rotation fixe qui est confondu avec chaque axe de rotation fictif (Cl) et (C2) du piston tri lobique.

13) Moteur rotatif à piston annulaire tri lobique convertisseur d'énergie naturelle selon les revendication 10 à 12 caractérisé par le fait que la transmission de la puissance est réalisée par les face internes du dit piston tri lobique qui rattrapent jusqu'au contact rigoureux, puis poussent exactement, puis échappent aux dents de l'un puis de l'autre des 2 pignons centraux à 3 dents, chacune des 3 phases, rattrapage, poussée et échappement s'effectuant sur un déplacement angulaire rigoureux de 60° et alternativement selon les 2 centres de rotation fictifs (fig 6 à 13).