FR2936841A1

FR2936841A1 - Structure d'echangeur thermique et chambre de compression ou de detente isotherme.

Info

Publication number: FR2936841A1
Application number: FR0856720A
Authority: FR
Inventors: Pierre Charlat
Original assignee: BILLAT PIERRE
Current assignee: BILLAT PIERRE
Priority date: 2008-10-03
Filing date: 2008-10-03
Publication date: 2010-04-09
Anticipated expiration: 2028-10-03
Also published as: US20110239640A1; WO2010037980A1; WO2010037980A4; FR2936841B1; EP2350448A1; CN102245887A

Abstract

L'invention concerne une machine thermodynamique comprenant au moins une chambre (21) dans laquelle on souhaite réaliser une détente et/ou une compression isotherme, cette chambre étant délimitée longitudinalement par des première et deuxième parois mobiles l'une par rapport à l'autre (23, 25). La chambre (21) est divisée par des cloisons (31, 33) s'étendant longitudinalement à partir de chacune des première et deuxième parois, les cloisons étant imbriquées les unes dans les autres, la distance entre cloisons s'étendant à partir d'une même paroi étant telle que le rapport entre cette distance élevée au carré et le temps de cycle de la machine thermodynamique est inférieur à la diffusivité thermique moyenne du gaz contenu dans la chambre.

Description

B9065 1 STRUCTURE D'ÉCHANGEUR THERMIQUE ET CHAMBRE DE COMPRESSION OU DE DÉTENTE ISOTHERME

Domaine de l'invention La présente invention concerne de façon générale une structure d'échangeur thermique. La présente invention concerne aussi une chambre dans laquelle on réalise des compressions et/ou détentes isothermes. La présente invention concerne en outre une machine thermodynamique réversible à fort rendement comprenant une telle chambre, par exemple une machine de Stirling. Exposé de l'art antérieur Les machines de Stirling sont parfois utilisées pour la production de froid industriel et dans quelques applications militaires ou spatiales. Ces machines ont l'avantage de pouvoir être utilisées en tant que moteur ou pour produire de la chaleur ou du froid, sans utiliser de fluides frigorigènes qui sont généralement polluants. Un autre avantage d'une machine de Stirling est que sa source chaude est externe et donc que cette source peut être obtenue à l'aide de tout type de combustible connu, voire de rayonnement solaire. Dans un cycle de Stirling, un gaz, par exemple de 20 l'air, de l'hydrogène ou de l'hélium, est soumis à un cycle comprenant quatre phases : un chauffage isochore, une détente B9065

2 isotherme, un refroidissement isochore et une compression isotherme. La figure 1 est un schéma générique d'une machine de Stirling. Une première chambre 3 est reliée à une seconde chambre 5 par l'intermédiaire d'un premier échangeur thermique 7, d'un régénérateur 9 et d'un second échangeur thermique 11. L'ensemble comprenant les chambres, les échangeurs et le régénérateur peut avoir une forme cylindrique. Les premier et second échangeurs 7 et 11 sont, respectivement, en contact avec une source chaude à une température chaude TC et avec une source froide à une température froide TF. Les chambres 3 et 5 sont fermées, respectivement, par des pistons mobiles 13 et 15 qui délimitent les volumes variables des chambres 3 et 5. On comprendra que les différents éléments de la machine de Stirling représentée en figure 1 peuvent être mobiles les uns par rapport aux autres de différentes façons : par exemple, les deux pistons 13 et 15 peuvent être mobiles et le régénérateur 9 et les échangeurs 7 et 11 être fixes, dans le cas d'une configuration dite alpha. Un des pistons 13 ou 15 peut également être fixe si la partie centrale de la machine est mobile. On peut aussi prévoir que l'ensemble constitué du régénérateur 9 et des échangeurs 7 et 11 soit fixe et que les volumes variables des chambres 3 et 5 soient constitués d'un unique volume variable séparé en deux parties par une paroi mobile, dite déplaceur. Cette configura- tion est appelée configuration bêta ou gamma. Les figures 2A à 2D illustrent des étapes d'un cycle moteur de Stirling. A un état initial arbitraire A illustré en figure 2A, un volume de gaz est stocké dans la première chambre 3, la deuxième chambre 5 ayant de préférence un volume nul ou faible. Le gaz dans la première chambre 3 est chauffé par la source chaude et sa pression augmente. Ceci amène le piston 13 à se déplacer pour arriver à un état B dans lequel le volume occupé par le gaz dans la chambre 3 est supérieur au volume de B9065

3 cette même chambre à l'état A. Pendant la phase de détente isotherme (étape A à B), on récupère du travail mécanique. Un refroidissement isochore permet ensuite de passer de l'état B à un état C dans lequel le gaz dans la chambre chaude 3 est transféré dans la chambre froide 5. Pendant ce transfert, le gaz stocké dans la chambre 3 passe par le régénérateur 9 et atteint la chambre 5 en se refroidissant. La chaleur contenue dans le gaz chaud est "récupérée" dans le régénérateur, comme nous le verrons par la suite, et le gaz se refroidit.

Une compression isotherme permet de passer de l'état C à un état D dans lequel le volume occupé par le gaz dans la chambre 5 est inférieur au volume de cette même chambre à l'état C. Cette compression est réalisée en actionnant le piston 15 afin de réduire le volume de la chambre 5. Cette étape consomme de l'énergie, mais moins que l'énergie fournie entre les états A et B. Enfin, un transfert isochore permet de passer de l'état D à l'état initial A dans lequel le gaz est stocké dans la chambre chaude 3. Pendant cette étape, le gaz passe de la chambre froide 5 à la chambre chaude 3 par l'intermédiaire du régénérateur 9. Dans le régénérateur, la chaleur récupérée pendant le refroidissement isochore (étape B à c) est restituée au gaz lors de son deuxième passage dans le régénérateur (étape D à A). Ainsi, le gaz se réchauffe avant d'arriver au contact de l'échangeur 7. On notera que, de préférence, dans les machines connues, les chambres 3 et 5 se vident presque complètement à tour de rôle au cours du cycle. En cycle moteur, le travail mécanique récupéré pendant la détente entre les étapes A et B est utilisé en partie pour la compression isotherme (étapes C à D). Le régénérateur permet que la chaleur récupérée lors du passage de l'état B à l'état C soit distribuée au gaz lors du passage de l'état D à l'état A et évite les pertes de chaleur. En effet, le régénérateur fonc- tionne comme un échangeur à contre-courant : lorsqu'un gaz chaud passe dans un régénérateur froid, il se refroidit en réchauffant B9065

4 le régénérateur et, inversement, un gaz froid traversant le régénérateur chaud se réchauffe en refroidissant le régénérateur. Pour assurer sa fonction, il importe que le régénérateur soit constitué de matériaux peu conducteurs de la chaleur dans la direction du flux du gaz, par exemple des matériaux isolants. On considère ici des machines que l'on souhaite réversibles, c'est-à-dire pouvant être utilisées en cycle moteur ou en cycle de pompe à chaleur. On notera que cette définition de la réversibilité diffère de la définition courante dans laquelle une machine réversible est une machine dont les sources froide et chaude peuvent être inversées. Un problème lié aux machines de Stirling actuelles est que, si elles ont un bon rendement pour un cycle moteur, elles auront un rendement faible en cycle de pompe à chaleur, et inversement.

Les faibles rendements lors de l'utilisation de ces machines de façon réversible ou sur une grande plage de fonctionnement viennent des différentes pertes qui y interviennent et, notamment, des écarts de température dans les échanges thermiques. Une autre source de pertes irréversibles dans les machines de Stirling, et dans toute machine mettant en oeuvre des compressions ou des détentes théoriquement isothermes, est que les systèmes réels sont loin de pouvoir permettre de telles compressions et détentes isothermes. Résumé Un objet d'un mode de réalisation de la présente invention est de prévoir une machine thermodynamique dont le cycle fait intervenir des compressions et/ou détentes dont le caractère isotherme est proche de l'idéal. Un objet d'un mode de réalisation de la présente invention est de prévoir une machine thermodynamique dont les pertes sont faibles et le rendement élevé sur une grande plage de fonctionnement. Un objet d'un mode de réalisation de la présente invention est de prévoir une machine thermodynamique réversible.

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Un objet d'un mode de réalisation de la présente invention est de prévoir un échangeur thermique optimisé. Ainsi, un mode de réalisation de la présente invention prévoit une machine thermodynamique comprenant au moins une 5 chambre dans laquelle on souhaite réaliser une détente et/ou une compression isotherme, cette chambre étant délimitée longitudinalement par des première et deuxième parois mobiles l'une par rapport à l'autre, caractérisée en ce que ladite chambre est divisée par des cloisons s'étendant longitudinalement à partir de chacune des première et deuxième parois, les cloisons étant imbriquées les unes dans les autres, la distance entre cloisons s'étendant à partir d'une même paroi étant telle que le rapport entre cette distance élevée au carré et le temps de cycle de la machine thermodynamique est inférieur à la diffusivité thermique moyenne du gaz contenu dans la chambre. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la distance entre cloisons s'étendant à partir d'une même paroi est telle que ledit rapport est inférieur à la moitié de la diffusivité thermique moyenne du gaz contenu dans la chambre.

Selon un mode de réalisation de la présente invention, au moins une paroi de la chambre est destinée à être mise en contact avec une source de chaleur. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la chambre est cylindrique et les cloisons ont, en coupe selon une direction perpendiculaire à la longueur de la chambre, une forme de spirale. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les spires des cloisons sont séparées par une bande ondulée. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les spires des cloisons sont séparées par deux bandes crénelées placées en opposition et dont les créneaux se chevauchent. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la chambre est cylindrique et les cloisons forment, en coupe selon une direction perpendiculaire à la longueur de la chambre, un ensemble de portions ondulées parallèles entre elles.

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6 Selon un mode de réalisation de la présente invention, la chambre est cylindrique et les cloisons forment, en coupe selon une direction perpendiculaire à la longueur de la chambre, un ensemble de portions planes parallèles entre elles.

Selon un mode de réalisation de la présente invention, au moins une paroi forme l'extrémité d'un piston commandable. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les cloisons sont en une céramique thermiquement conductrice, par exemple du carbure de silicium ou du nitrure d'aluminium, en cuivre, en aluminium ou en acier. Brève description des dessins Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : la figure 1, précédemment décrite, est un schéma générique d'une machine de Stirling ; les figures 2A à 2D, précédemment décrites, illustrent des étapes d'un cycle d'un moteur de Stirling ; les figures 3A à 3C sont des vues en coupe d'une portion d'une machine selon un mode de réalisation de la présente invention, dans plusieurs configurations ; les figures 4 et 5 sont deux vues en perspective de portions de machines selon un mode de réalisation de la présente 25 invention ; la figure 6 illustre une réalisation possible d'un demi-échangeur selon un mode de réalisation de la présente invention ; la figure 7 est une vue en coupe d'une machine de 30 Stirling selon un mode de réalisation de la présente invention ; les figures 8A et 8B illustrent une autre réalisation possible d'un demi-échangeur selon un mode de réalisation de la présente invention ; et B9065

7 la figure 9 est une courbe illustrant un avantage d'une machine selon un mode de réalisation de la présente invention. Par souci de clarté, de mêmes éléments ont été dési- gués par de mêmes références aux différentes figures et, de plus, les diverses figures ne sont pas tracées à l'échelle. Description détaillée Un mode de réalisation de la présente invention prévoit, tout d'abord, de placer des échangeurs de chaleur directement dans des chambres de compression et de détente. De plus, il est prévu de former des chambres de compression et de détente dans lesquelles les échangeurs comprennent de nombreuses portions formant des cloisons dans les chambres. Ces cloisons s'étendent à partir de deux parois en regard des chambres et s'entrecroisent lorsque le volume de la chambre diminue. Les figures 3A à 3C illustrent, en vue en coupe longitudinale, une chambre de compression ou de détente telle que décrite ci-dessus constituant, par exemple, une partie d'une machine de Stirling. Ces figures illustrent différents états lors d'une détente isotherme. En figure 3A, une chambre 21 est formée dans un cylindre et est délimitée par deux parois 23 et 25 mobiles l'une par rapport à l'autre dans le cylindre. Dans l'exemple représenté, on considère une paroi 23 mobile associée à un axe de piston 27, et une paroi 25 fixe, fixée par exemple à un régénérateur 29 (non représenté en détail). On comprendra que les parois 23 et 25 pourront être mobiles l'une par rapport à l'autre d'une autre façon. La paroi 23 est étanche et la paroi 25 est perméable aux gaz, par exemple munie de nombreuses perfo- rations. Des cloisons 31 s'étendent dans la chambre 21 à partir de la paroi 23 et des cloisons 33 s'étendent dans la chambre 21 à partir de la paroi 25. Les cloisons 31 et 33 s'étendent dans la direction longitudinale du cylindre et sont disposées, en vue B9065

8 en coupe, en alternance. Les cloisons 31 et 33 forment deux demi-échangeurs. Dans l'état de la figure 3A, les extrémités des cloisons 31 sont proches de la paroi 25 et les extrémités des cloisons 33 sont proches de la paroi 23. Le volume de la chambre 21 est donc minimal. Une source chaude (ou froide dans le cas inverse d'une compression) est connectée à l'une des parois 23 ou 25, ici la paroi 23, par des moyens adaptés non représentés. La paroi 23 peut être en contact direct avec la source de chaleur ou être en contact avec celle-ci par l'intermédiaire de l'écoulement d'un fluide chaud ou froid. La figure 3C illustre le dispositif lorsque le volume de la chambre 21 est maximal, c'est-à-dire que le piston 23-27 et les cloisons 31 sont éloignés de la paroi 25 au maximum. Dans la figure, les extrémités libres des cloisons 31 et 33 sont représentées en regard les unes des autres dans la chambre 21. On pourra également prévoir que les extrémités des cloisons 31 et 33 soient légèrement éloignées les unes des autres. La figure 3B illustre le dispositif dans une position intermédiaire entre les positions des figures 3A et 3C. La structure imbriquée des deux demi-échangeurs permet que, à tout moment, chaque molécule du gaz présent dans la chambre 21 soit relativement proche d'une cloison 31 ou 33. Ainsi, dans le cas d'une détente où les cloisons 31 et 33 sont chaudes, toutes les molécules de gaz sont proches d'une cloison chaude pendant la détente, ce qui permet d'éviter la formation de poches de gaz ayant une température inférieure à celle de la source de chaleur et assure une détente isotherme. La structure présentée ici permet donc d'améliorer la capacité de l'ensemble à conduire la chaleur de la source de chaleur vers le gaz de la chambre 21 et d'atténuer les pertes liées aux différences de température entre la source de chaleur et le gaz. Pour assurer de bons échanges entre la source de chaleur et le gaz et éviter les pertes par volume mort dans la B9065

9 chambre, l'inventeur prévoit que les cloisons soient disposées de telle façon que : d2/T < D, d étant la distance entre deux cloisons successives 31 ou 33 5 d'un même demi-échangeur ; T étant le temps de cycle de la machine thermodynamique (c'est-à-dire le temps d'un aller-retour dans le cas de la machine de Stirling décrite en relation avec les figures 2A à 2D) ; et D étant la diffusivité thermique moyenne sur un cycle du gaz 10 dans la chambre. De préférence, le rapport d2/T sera inférieur à la moitié de la diffusivité thermique D du gaz. Ceci permet de conserver une température de gaz sensiblement uniforme dans la chambre 21, sensiblement égale à la température de la source de 15 chaleur, et donc de réaliser des compressions et détentes dont le caractère isotherme est proche de l'idéal. Les cloisons 31 et 33 peuvent être en un matériau thermiquement conducteur, par exemple en une céramique telle que du carbure de silicium, du nitrure d'aluminium, ou encore être 20 en cuivre ou en aluminium. Dans ce cas, on comprend bien que, dans la position de la figure 3A, les cloisons 33 sont chauffées par les cloisons 31 par l'intermédiaire du gaz. Lors de la détente, les cloisons 33 distribuent la chaleur emmagasinée au gaz, et notamment au gaz situé près de la paroi 25. Pour assurer 25 un bon fonctionnement, on comprendra que le temps de cycle de la machine doit être suffisamment long pour que les échanges thermiques entre les cloisons 31 et 33 et le gaz aient le temps de se faire. L'inventeur a noté que les cloisons 33 peuvent 30 également être formées en des matériaux peu conducteurs, sans pour autant modifier le caractère isotherme des déten- tes/compressions. De même, les cloisons 31 peuvent être formées en des matériaux peu conducteurs, excepté en leurs extrémités connectées à la paroi 23. En effet, dans ce cas, dans l'état de 35 la figure 3A, la chaleur se transmet de la paroi 23 aux zones B9065

10 adjacentes des cloisons 31 puis, par l'intermédiaire du gaz, aux extrémités libres des cloisons 33. Au cours de la détente, les extrémités libres des cloisons 33 se trouvent successivement en vis-à-vis des différentes parties des cloisons 31 et la chaleur passe ainsi de l'extrémité des cloisons 33 vers l'ensemble des cloisons 31, et ensuite de nouveau des cloisons 31 vers les cloisons 33. Lorsque le volume de la chambre 21 diminue, la chaleur passe également entre les cloisons 31 et les cloisons 33 par l'intermédiaire du gaz. Ainsi, au cours d'un cycle, les cloisons 31 et 33 sont entièrement chaudes et transmettent leur chaleur au gaz. Dans le cas où un matériau peu conducteur est utilisé pour les cloisons 31 et 33, la relation suivante doit être satisfaite : Xgaz .a 2 d' e cloison Xgaz étant la conductivité thermique du gaz ; Xcloison étant la conductivité thermique du matériau constituant les cloisons 31 et 33 ; a étant l'amplitude du mouvement relatif des cloisons 31 et 33 ; 20 d' étant la distance séparant deux cloisons 31 et 33 successives appartenant à deux demi-échangeurs différents ; et e étant l'épaisseur moyenne des cloisons 31 et 33. L'utilisation possible de matériaux peu conducteurs permet de former des cloisons 31 et 33 en de nombreux matériaux, 25 par exemple en des matériaux légers, en des matériaux à faible coût, ou autres matériaux bien adaptés à la formation de tels échangeurs, par exemple de l'acier. On notera que la structure présentée comprenant deux demi-échangeurs imbriqués à coulissement en va-et-vient pourra 30 être généralisée pour former tout type d'échangeur entre une source chaude (ou froide) et un gaz. En effet, on peut avanta- geusement tirer profit de la propagation améliorée de la chaleur entre les demi-échangeurs, du fait de leurs mouvements relatifs et de leur imbrication, pour former tout type d'échangeur, par B9065

11 exemple des radiateurs dans lesquels circule un gaz. Le gaz pourrait par exemple entrer pas l'une des parois et ressortir par la paroi opposée. A titre d'exemple de valeurs numériques, la distance d entre les cloisons 31 et 33 pourra être comprise entre 0,3 et 2 mm et les cloisons pourront avoir une épaisseur comprise entre 0,1 et 0,6 mm, si le gaz dans la chambre 21 est de l'hydrogène ou de l'hélium. Le cylindre de la machine pourra avoir un diamètre compris entre 15 et 20 cm et la paroi 23 pourra se déplacer d'environ 3 cm dans le cylindre. Avec de telles dimensions, un temps de cycle compris entre 0,02 et 0,5 seconde permet de satisfaire à l'inéquation d2/T < D. On notera également que les pertes dans les échangeurs sont encore atténuées si les cloisons 31, 33 sont légèrement plus fines à leurs extrémités libres qu'à leurs extrémités de maintien (vers les parois 23 et 25). La figure 4 est une vue en perspective de portions d'une machine susceptible de réaliser une compression ou une détente isotherme selon un mode de réalisation de la présente invention. Dans cette figure, le cylindre extérieur dans lequel se déplacent les éléments de la machine n'est pas représenté par souci de simplicité. De plus, les cloisons 31 et 33 ont été représentées éloignées les unes des autres, pour faciliter la compréhension. En pratique, ces cloisons sont imbriquées les unes dans les autres. Dans ce mode de réalisation, les cloisons 31 et 33 ont, en vue en coupe dans un plan perpendiculaire à la longueur de la chambre, des formes de spirales. Une première spirale forme les cloisons 31 et une seconde spirale forme les cloisons 33. Les spirales 31 et 33 sont prévues pour s'imbriquer l'une dans l'autre lors de la diminution du volume de la chambre 21. La figure 5 est une vue en perspective de portions d'une machine susceptible de réaliser une compression ou une détente isotherme selon un autre mode de réalisation de la présente invention.

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12 Dans ce mode de réalisation, les cloisons 31 et 33 sont constituées, en vue en coupe selon une direction perpendiculaire à la longueur de la chambre, de nombreuses plaques parallèles entre elles et séparées d'un pas. Dans l'exemple illustré, les plaques sont ondulées pour améliorer leur tenue mais on notera que ces plaques pourront également être planes. Les portions ondulées 31 sont décalées des portions ondulées 33, par exemple d'un demi pas, pour que ces portions s'imbriquent sans se toucher lors de la variation du volume de la chambre 21.

La paroi 23, qui est une paroi externe au système, doit être étanche au passage du gaz. Ainsi, dans la paroi 23, les portions 31, qu'elles soient en forme de spirale ou en forme de plaques parallèles, sont séparées par un matériau permettant l'étanchéité du gaz et/ou sont fixées à un corps de piston. A l'inverse, les parois internes au système, par exemple la paroi 25 des figures 3A à 3C, jouent deux rôles : permettre le maintien des portions 33 et laisser passer le gaz en direction, par exemple, d'un régénérateur. Ainsi, elles peuvent être par exemple perforées.

La figure 6 illustre une réalisation possible d'une structure de maintien d'une cloison en forme de spirale. Pour maintenir une cloison 31 ou 33 en forme de spirale telle que celle de la figure 4, on peut placer, entre les différentes spires, du côté où la spirale est fixée à une paroi, des moyens d'espacement et de tenue mécanique. Dans l'exemple de la figure 6, un tel moyen est constitué d'une bande 41 qui est roulée en même temps que la bande de matériau thermiquement conducteur ou isolant et qui se retrouve donc à l'intérieur de l'enroulement. Dans cet exemple, la bande 41 est ondulée et la hauteur des ondulations fixe le pas entre les spires de la spirale 31, 33. On notera que la structure de la figure 6 peut également être utilisée pour former les parois 25, la bande 41 servant alors de maintien de la paroi 25 tout en laissant passer le gaz en direction du régénérateur. Dans le cas où la bande 41 est située entre des spires conductrices, cette B9065

13 bande sera de préférence à conductivité élevée, par exemple en un alliage d'aluminium. La figure 7 est une vue en coupe détaillée du corps d'une machine de Stirling mettant en oeuvre un mode de réalisa-5 tion de la présente invention. La machine est formée dans un cylindre 51 et comprend une première chambre 53 et une deuxième chambre 55 séparées par un régénérateur 57. Un échangeur, constitué de deux demi-échangeurs tels que présentés ci-dessus, est formé dans chacune 10 des chambres 53 et 55. Un premier demi-échangeur 59, respective-ment 61, situé dans la chambre 53, respectivement 55, s'étend à partir d'une paroi externe à la machine 63, respectivement 65. Un deuxième demi-échangeur 67, respectivement 69, situé dans la chambre 53, respectivement 55, s'étend à partir d'une paroi 15 interne à la machine 71, respectivement 73, qui délimite l'emplacement du régénérateur. Dans l'exemple représenté, le régénérateur 51 est constitué de cloisons 75, 77 qui s'étendent, respectivement, à partir des parois 71 et 73. Les cloisons 75 et 77 sont représen- 20 tées imbriquées, par exemple selon une forme identique à celle des portions 59 et 67 ou 61 et 69. Les cloisons 75 et 77 sont de préférence en un matériau mauvais conducteur thermique mais ayant de bonnes propriétés d'échange thermique avec le gaz, c'est-à-dire une effusivité thermique suffisante. Par exemple, 25 les cloisons 75 et 77 peuvent être en polycarbonate. Des guides parallèles au flux de gaz peuvent être ajoutés dans le régénérateur pour assurer que le gaz transitant par celui-ci parcourt le même trajet dans les deux sens de déplacement. On notera que la structure du régénérateur décrite ici n'est qu'un exemple et que 30 tout type de régénérateur connu pourra être utilisé avec des échangeurs tels que celui des figures 3A à 3C. Dans l'exemple représenté, un arbre central 79 est situé au coeur du cylindre 51. Cet arbre contient des éléments qui permettent le positionnement des différents éléments de la 35 machine thermodynamique les uns par rapport aux autres. Les B9065

14 cloisons 59, 67, 61 et 69, voire même les cloisons 75 et 77, peuvent être formées sous forme de spirale autour de l'arbre 79. Des éléments permettant l'étanchéité, l'isolation thermique, le maintien mécanique et/ou le déplacement des différentes parois 63, 65, 71 et 73 dans le cylindre 51 sont représentés en figure 7 par des portions hachurées. Les figures 8A et 8B illustrent une autre réalisation possible d'une structure de maintien d'une cloison en forme de spirale.

En figure 8A, une couche 31, 33, thermiquement conductrice ou non, est enroulée autour d'un axe 81. Pendant l'enroulement de la couche 31, 33 sur l'axe 81, on enroule également, entre deux spires de la couche 31, 33, deux bandes 83 et 85 dont la forme en vue de dessus est crénelée. Les deux bandes 83 et 85 sont positionnées l'une sur l'autre de façon que les créneaux soient en opposition et légèrement superposés les uns sur les autres. On notera que la disposition des bandes 83 et 85 sur le matériau 31, 33 n'est représentée, en figure 8A, qu'à l'extrémité de l'enroulement.

La figure 8B illustre mieux la disposition des bandes 83 et 85 l'une par rapport à l'autre et la superposition de portions des créneaux de ces bandes. La superposition des bandes 83 et 85 forme un maintien de l'enroulement de matériau 31-33 tout en permettant le passage du gaz entre les différentes spires de la structure de la figure 8A. Ainsi, la structure des figures 8A et 8B peut avoir la même fonction que celle de la figure 6. La figure 9 est une courbe illustrant l'effet correc- tif (Eff) associé à l'utilisation d'un dispositif selon un mode de réalisation par rapport à l'utilisation d'un dispositif classique (chambre non cloisonnée), en pourcentage, lors d'une détente ou d'une compression, en fonction du rapport D.T/d2. Etant donné que le rapport d2/T doit être inférieur à la diffu- sivité D du gaz, cela signifie que le rapport D.T/d2 doit être supérieur à 1. Dans cette courbe, un effet correctif de 0 % B9065

15 signifie que les pertes dues aux différences de température dans la chambre pendant les compressions et détentes ne sont pas atténuées, et un effet correctif de 100 % signifie que ces pertes sont inexistantes.

L'utilisation des structures décrites ici apporte un effet correctif d'environ 50 % lorsque le rapport D.T/d2 est de l'ordre de 2 et d'environ 90 % lorsque ce rapport est de l'ordre de 10. Ainsi, l'invention permet de réduire fortement les pertes liées aux différences de température pendant les compressions et détentes et donc de réaliser des transformations isothermes. L'utilisation d'échangeurs imbriqués permet d'obtenir des machines de Stirling susceptibles d'avoir un rendement de 85 % du rendement maximal de Carnot sur des plages de fonctionnement importantes. Il est également possible de former des machines ayant un volume plus faible pour un rendement similaire à celui des machines actuelles. De plus, le rendement est stable sur une gamme de températures chaude et froide importante, sans modification de la géométrie de la machine. Le rendement reste également bon sur des gammes de puissances importantes, en faisant varier le temps de cycle. On obtient également un bon rendement en cas de fonctionnement réversible. Des modes de réalisation particuliers de la présente invention ont été décrits. Diverses variantes et modifications apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, on notera que l'on a décrit ici les différents avantages de l'invention par rapport à l'application faite de cette invention à des machines de Stirling réversibles. On notera que la formation de cloisons conductrices dans des chambres de compression ou de détente pour assurer le caractère isotherme de ces compressions ou détentes pourra être appliquée à toute machine réalisant de telles transformations, par exemple des machines de Ericsson. L'invention pourra également être appliquée à tout type de compresseur ou machine à air comprimé à piston linéaire.

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16 On notera également que l'invention s'applique à des chambres de compression et/ou de détente cylindriques de forme quelconque, de révolution ou non.

Claims

REVENDICATIONS1. Machine thermodynamique comprenant au moins une chambre (21) dans laquelle on souhaite réaliser une détente et/ou une compression isotherme, cette chambre étant délimitée longitudinalement par des première et deuxième parois mobiles l'une par rapport à l'autre (23, 25), caractérisée en ce que ladite chambre est divisée par des cloisons (31, 33) s'étendant longitudinalement à partir de chacune des première et deuxième parois, les cloisons étant imbriquées les unes dans les autres, la distance entre cloisons s'étendant à partir d'une même paroi étant telle que le rapport entre cette distance (d) élevée au carré et le temps de cycle (T) de la machine thermodynamique est inférieur à la diffusivité thermique moyenne (D) du gaz contenu dans la chambre (d2/T < D).
2. Machine selon la revendication 1, dans laquelle la distance entre cloisons s'étendant à partir d'une même paroi est telle que ledit rapport est inférieur à la moitié de la diffusivité thermique moyenne (D) du gaz contenu dans la chambre (21).
3. Machine selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle au moins une paroi (23, 25) de la chambre est destinée à être mise en contact avec une source de chaleur.
4. Machine selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle la chambre est cylindrique et dans laquelle les cloisons (31, 33) ont, en coupe selon une direction perpendiculaire à la longueur de la chambre, une forme de spirale.
5. Machine selon la revendication 4, dans laquelle les spires des cloisons (31, 33) sont séparées par une bande ondulée (41).
6. Machine selon la revendication 4, dans laquelle les spires des cloisons (31, 33) sont séparées par deux bandes crénelées (83, 85) placées en opposition et dont les créneaux se chevauchent.
7. Machine selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle la chambre est cylindrique et dans laquelle les cloisons (31, 33) forment, en coupe selon une directionB9065 18 perpendiculaire à la longueur de la chambre, un ensemble de portions ondulées parallèles entre elles.
8. Machine selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle la chambre est cylindrique et dans laquelle les cloisons (31, 33) forment, en coupe selon une direction perpendiculaire à la longueur de la chambre, un ensemble de portions planes parallèles entre elles.
9. Machine selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans laquelle au moins une paroi (23, 25) forme l'extrémité 10 d'un piston commandable.
10. Machine selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans laquelle les cloisons (31, 33) sont en une céramique thermiquement conductrice, par exemple du carbure de silicium ou du nitrure d'aluminium, en cuivre, en aluminium ou en acier.