FR2963669A1 - Echangeur thermique interne pour moteur a combustion externe, compresseur isotherme, pompe a chaleur et mecanisme refrigerant place au sein du volume de travail - Google Patents

Abstract

Echangeur thermique interne pour moteur à combustion externe, compresseur isotherme, pompe à chaleur et mécanisme réfrigérant placé au sein du volume de travail. Les échangeurs internes améliorent les échanges thermiques au cours des phases de travail ou entre celles-ci sans nécessiter l'expulsion du fluide de travail. L'échangeur interne maximalise la surface d'échange interne et minimalise la surface externe, donc les pertes. L'échangeur interne 5 de forme globalement cylindrique constitué d'un tube enroulé en spirale de section 20 est fixé à la culasse 3. Le piston 1 est muni d'une gorge 6 cylindrique dans laquelle l'échangeur interne 5 s'imbrique lorsque le piston 1 remonte. Les jeux 7 entre l'échangeur 5 et le piston 1 concourent au volume mort ce qui peut orienter le choix d'un autre type d'échangeur interne pour des compresseurs isothermes, par exemple. Les pattes 19 maintiennent la spire et absorbent les chocs et vibrations que l'échangeur 5 subit.

Description

La présente invention concerne une amélioration apportée aux échanges thermiques utiles aux moteurs à combustion externe, aux mécanismes réalisant des fonctions de compression/détente isothermes, aux mécanisme réfrigérants et pompes à chaleur grâce à un nouveau type d'échangeur et l'usage qu'il en est fait ainsi qu'aux formes différentes du piston associé à cet échangeur interne.

Les échanges thermiques sont habituellement réalisés soit par des mécanismes extérieurs au lieu de travail, soit à la périphérie du cylindre où le fluide de travail est compressé/détendu. Leur position périphérique fait qu'une surface au moins égale à celle des échanges thermiques qu'ils accomplissent avec le fluide de travail est orientée vers l'extérieur du mécanisme et concourt donc fortement aux pertes. D'autre part lorsque le piston ou pièce mobile se déplace, une partie de cette surface d'échange thermique n'est plus en contact avec le fluide de travail et peut chauffer ou refroidir inutilement les gaz et liquides de lubrification situés à l'arrière du piston. Ce qui induit des pertes inutiles et parfois des nuisances. De plus, la vitesse et le rendement de ces échanges thermiques sont étroitement liés à la surface d'échange ainsi qu'à l'épaisseur de ces surfaces. Pour une vitesse et une surface d'échange données, plus l'épaisseur de la paroi de l'échangeur séparant le fluide de travail du fluide caloporteur est grand plus l'écart de température entre les deux fluides est important et donc le rendement se dégrade. Or les mécanismes traditionnels ajoutent la fonction d'échangeur à des organes mécaniques peu adaptés à cette fonction. Quant à la solution la plus couramment utilisée, des échangeurs externes, elle est manifestement mal adaptée aux travaux de détente/compression isotherme puisque les transferts se font avant ou après le travail du fluide ce qui impose de morceler le travail en étapes travail-échanges thermiques ce qui est lourd, lent et multiplie les pertes de charges. La présente invention consiste à placer l'échangeur thermique non plus à l'extérieur du volume de travail ou à sa périphérie seulement, mais à l'intérieur même de cet espace de travail. La technique la plus souvent répandue est celle associant un cylindre à un piston, nous considèrerons les descriptions dans ce cadre là quoiqu'il soit non restrictif à l'invention. L'échangeur selon l'invention occupe une partie du volume de travail qui est ici le cylindre. Il peut être placé soit dans une fraction de la longueur du cylindre, le volume mort situé entre le point mort haut du piston et la culasse, soit la totalité de la longueur parcourue par le piston en plus du volume mort, soit une longueur intermédiaire. Ainsi échangeur et piston se trouvent étroitement liés et leurs caractéristiques morphologiques étroitement dépendantes, l'un étant en négatif de l'autre. Durant la phase de compression le piston remonte vers l'échangeur, leurs parties complémentaires s'emboitent jusqu'à ce que le piston atteigne le point mort haut. Cette caractéristique se traduit, dans la forme privilégiée, par un/des changement de courbure de la surface du piston définissant le volume de travail, cette surface passant d'une courbure concave à convexe. De même les surfaces fixes participant à définir le volume de travail du fluide ont-elles aussi, dans la forme privilégiée, une alternance de courbure concave convexe. Selon le jeu accordé entre l'échangeur et le piston celui contribue plus ou moins au volume mort définit au point mort haut du piston. Dans le cas d'un compresseur isotherme on cherchera à le minimiser tandis que dans un moteur de type Stirling on en exploitera pleinement cette caractéristique, selon ces deux exemples d'utilisation. Puis le piston redescend, l'échangeur et le piston se dés-imbriquent le fluide de travail occupe le volume libéré, dans lequel se trouve l'échangeur. Ainsi, selon les phases, point mort haut, point mort bas, compression, détente, l'échangeur agit selon le ou les usages qui lui sont assignés et la fonction du mécanisme auquel il concourt. Il découle de cette caractéristique de l'échangeur, interne au volume de travail, que celui-ci est en contact selon la totalité de sa surface, qui peut être beaucoup plus importante, avec le fluide de travail et seulement le fluide de travail. Il ne produit donc pas de perte de chaleur avec l'extérieur, comme il ne chauffe / refroidit pas des gaz ou liquides qui n'ont pas à l'être. Et lorsqu'il chauffe son action ne porte pas sur les surfaces servant au glissement cylindre / piston et à l'étanchéité entre le volume de travail et les volumes utilisés par les pièces mécaniques (bielles et vilebrequin, pour cette technologie). Un échangeur interne selon l'invention est un échangeur thermique interne au volume de travail qui maximalise la surface d'échange thermique en contact avec le fluide de travail et, dans le même temps, minimalise la surface d'échange thermique avec l'extérieur par où se font les pertes. Cette surface minimalisée est ici réduite aux seules connexions de l'échangeur interne. Selon des modes particuliers de réalisation l'échangeur interne peut être relié à la culasse ou au cylindre, il peut être simple ou bien être multiple, dédié à une seule fonction ou être multifonction - comme refroidissement et chauffage-, il peut être circonscrit au volume mort ou en être absent afin de ne pas nuire aux fonctions spécifiques au mécanisme souvent liées à la culasse (admission / échappement / injection / allumage...) ou être imbriqué avec le piston, il peut être en permanence imbriqué dans le piston, afin d'éviter tout risque de détérioration que pourrait engendrer un choc, par exemple, dans lequel un échangeur non imbriqué pourrait fléchir et être endommagé par le piston en phase ascendante, ou partiellement imbriqué, l'abaissement de température d'un fluide est en rapport avec la variation des volumes donc à partir de la mi course cette variation devient faible alors que l'encombrement et l'accroissement de masse du piston est lui directement linéaire à la longueur de cette imbrication, il peut être constitué de surfaces globalement planes, cylindriques, coniques, de forme spirale, ou globalement linéaires comme un/des tubes reliés à la culasse ou au cylindre, ces tubes peuvent avoir les diverses formes et contorsions qu'on peut donner à ces matériaux afin d'accroître sa longueur et donc la surface d'échange thermique, ces surfaces et formes peuvent être lisses, munies de lamelles ou de texture ou de formes de type fractale ou aléatoire tel que l'état de l'art de la technique des tubes caloduc sait réaliser, par exemple. Formes et techniques qui accroissent la surface d'échange initiale et donc le rendement de l'échangeur. Par extension de l'invention nous considérons comme variante de l'invention les solutions consistant à améliorer le rendement des échangeurs naturels périphériques au volume de travail, les parois du cylindre ou de la culasse. - Selon certaines variantes l'échangeur peut être périphérique au volume de travail et utiliser une partie des surfaces périphériques en les optimisant à un usage thermique. Que ce soit par le choix de la nature des matériaux le constituant, sa forme, son épaisseur, sa texture. Traditionnellement et également pour des raisons de commodité de conception la surface du volume de travail est proche de sa valeur minimale, elle l'est presque quasiment toujours lorsque nous considérons sa section puisque la section naturelle des cylindres est le cercle. Nous considérons donc comme extension à l'invention l'accroissement de ses surfaces par rapport à leur valeur minimale traditionnelle comme une variante de l'invention. L'accroissement de ces surfaces peut privilégier un axe selon lequel il fera subir des transformations à ces surfaces. Cet accroissement de la surface périphérique pour un volume de travail donné a pour conséquence d'encombrer le volume de travail par les plis et formes non naturelles de ces éléments, les lamelles et autres aménagements de ces surfaces, ce qui se rattache à l'invention initialement décrite. L'échangeur interne peut être vu comme cette démarche non minimaliste poussée à son extrême, jusqu'à produire une protubérance au volume de travail. - Selon une variante à l'invention ses surfaces périphériques peuvent être aménagées de reliefs réguliers ou aléatoires accroissant leur surface d'échange thermique, lesquels se comportent comme de petits échangeurs internes. - Selon des variantes à l'invention les surfaces internes ou externes de l'échangeur, en contact avec le fluide de travail ou avec le fluide caloporteur, peuvent être aménagées de reliefs réguliers ou aléatoires ; ils peuvent être constitués de poudres, granulés, pailles, mousses, ou laines métalliques faisant individuellement autant de minis échangeurs internes. Lesquels peuvent être moulés, fondus, collés, soudés, frités, forgés, usinés, ou noyés avec les surfaces de l'échangeur, selon les techniques connues à ce jour. - Selon une variante de cette extension nous considérerons les mécanismes qui différencient de ce même volume de travail des fractions de leurs surfaces périphériques, les unes optimisées en tant qu'échangeur thermique et d'autres conçues et optimisées pour des fonctions mécaniques. Nous pensons notamment aux liaisons chemise/piston supportant de fortes contraintes physiques ainsi que de guidage et d'étanchéité, des astreintes de conception incompatibles avec une optimisation des échanges thermiques. Compte tenu que ses contraintes mécaniques ne sont pas uniformes sur ces surfaces, ou qu'elles peuvent être concentrées sur des surfaces plus réduites, une meilleure gestion de ses surfaces et des fonctions qui leur sont attribuées localement optimisant chacune dans sa spécificité constitue une variante à l'invention. - Selon des variantes à l'invention ces spécialisations de la surface périphérique statique tantôt dédiées à des fonctions mécaniques tantôt à des fonctions purement thermiques, ces sections peuvent être courtes et s'alterner. Elles peuvent s'alterner régulièrement et uniformément ou peuvent s'alterner en suivant un gradient selon lequel en certaines parties de la surface périphérique les sections thermiques sont favorisées et en d'autre où ce sont les sections mécaniques qui sont favorisées grâce à quoi les premières parties ont des performances thermiques élevées alors que les secondes ont des performances mécaniques renforcées. - Selon des variantes à l'invention l'échangeur peut être périphérique au volume de travail et être placé à l'extrémité de celui-ci. Il peut être fixé à la culasse et former une cavité de forme quelconque prolongeant le volume de travail. Il est contigu et ouvert au volume de travail. - Selon des variantes de l'invention ces échangeurs peuvent être pleins -transport de la chaleur par conduction- ou parcourus d'un ou plusieurs fluides caloporteurs. - Selon des variantes de l'invention ces échangeurs ou associations échangeurs/pistons peuvent être parties constituantes de mécanismes à piston mus par système de bielles et vilebrequin, des mécanismes rotatifs, oscillants linéaires ou oscillants rotatifs, de piston simple ou à double effet.

Ces mécanismes peuvent être à mouvement continu ou discontinu, il existe déjà un certain nombre de brevets décrivant des mécanismes permettant de prolonger les temps morts haut et bas, par exemple. Alors la pièce mobile qui exerce le travail sur le fluide ou qui est mue par le travail de ce fluide et dont la forme est étroitement liée à la forme de l'échangeur interne au volume de travail est un piston, etc., la pièce mobile correspondant au type de mécanisme qui a été choisi. - Selon des variantes de l'invention le piston peut être d'une pièce ou peut avoir une ou plusieurs pièces composant sa tête, partie en contact avec le fluide de travail et subissant ses écarts de température et dont la forme est étroitement dépendante de celle de l'échangeur lorsque ceux-ci s' imbriquent. - Selon des variantes de l'invention la forme de l'échangeur interne et celle du piston qui lui est associé, peut être conçue de manière à produire un emboitement progressif des deux éléments. Le jeu séparant l'échangeur s'engageant dans la(les) gorge du piston se réduisant au fur et à mesure que le piston (la pièce mobile qui réalise les travaux) remonte vers sa position haute. Ce jeu pouvant devenir quasiment nul en position mort haut, pour un compresseur par exemple. De ce fait les risques de détérioration que pourraient produire des mouvements de flexion accidentels de la part de l'échangeur interne sont évités. - Selon d'autres variantes l'invention peut être combinée avec des variantes de l'invention décrites ou avec des techniques d'échange thermique traditionnelles. - Selon de nombreuses variantes à l'invention il est possible de favoriser certaines formes d'échangeur interne / piston de manière soit à permettre le positionnement de segments au plus près du sommet de la tête du piston, soit de préserver un volume diagonal au piston de manière à permettre de placer l'axe de liaison et rotation bielle/piston plus haut, les gorges dans lesquelles les échangeurs s'imbriquent dans le piston au point mort haut descendant de part et d'autre de cet axe de liaison piston/bielle. - Selon des variantes de l'invention l'échangeur peut, en partie ou en totalité, être constitué d'un 25 réservoir externe, recueillant le fluide de travail, ou d'un réservoir interne, recueillant le fluide caloporteur, en leur phase gazeuse ou liquide ou solide. - Selon des variantes de l'invention les transferts thermiques du fluide caloporteur peuvent être réalisés selon la technique caloduc. Cette technique réalise des échanges thermiques performants sans aucun mécanisme par la libre circulation d'un fluide caloporteur et ses changements de phases. 30 D'un coté il s'évapore et s'élève vers l'autre extrémité, légèrement plus froide, où il se condense en lui transférant sa chaleur et d'où il redescend sous forme liquide par la seule gravité. A la force de gravité peut être substituée toute autre force résultant de la cinématique ou de la dynamique du mécanisme. - Selon des variantes à l'invention l'échangeur peut être constitué de plusieurs éléments échangeurs 35 thermiques dont la gestion est séparée et spécifique à chacun. Ces sous-éléments de l'échangeur peuvent être de même nature (tous plans, par exemple) ou de nature différente (certains internes et d'autres périphériques, par exemple). Ils peuvent être associés selon l'axe de déplacement du piston (partie mobile réalisant le travail sur le fluide) ou perpendiculairement à celui-ci, voire oblique à cet axe ou encore quelconque. En effet il peut être choisi de traiter distinctement les différents temps de 40 travail, comme il peut être choisi de gérer l'intensité du flux thermique en accroissant la surface d'échange thermique (le débit du fluide caloporteur n'étant pas propre à l'échangeur). Dans le premier cas la position des sous éléments thermiques importe, dans le second cas seule la surface cumulée, ou diminuée, ou maintenue constante alors que croit ou décroit le volume de travail importe. - Selon des variantes à l'invention l'échangeur interne 5 peut être mobile, soit qu'il est lié au piston 1 soit qu'il est flottant, alors il n'est ni liés aux éléments statiques 2 et 3 ni aux éléments dynamiques ou mobiles 1 et la. Lorsqu'il est flottant il peut être mu par un actionneur ou par la dynamique ou la cinématique de l'élément qui le porte ou par la pression d'un fluide. Un actionneur peut commander son déploiement et sa rétractation selon les besoins du cycle d'un mécanisme.

Flottant il peut être porté par l'élément statique 2 ou 3, ou par l'élément dynamique ou mobile 1 ou la. Les dessins annexés illustrent schématiquement l'invention selon un type de mécanisme, à piston/cylindre, qui n'est en rien limitatif, faisant abstraction des mécanismes d'admission et échappement, clapets, soupapes, d'allumage, bougies, ou d'injection propres à chaque mécanisme, ils représentent aussi bien des échangeurs pleins que des échangeurs traversés par un ou des fluides caloporteur(s) leurs conduits et raccordements à la culasse ou au cylindre ne sont pas représentés laissant libres les hommes de l'art d'adapter l'invention à l'une des solutions techniques à leur convenance. La figure 1 illustre une représentation de l'invention telle que l'échangeur interne au volume de 20 travail est conscrit au seul volume mort. La figure 2 illustre une variante selon l'invention comportant un échangeur interne de forme cylindrique concentrique au cylindre. Les figures 3 et 4 illustrent une variante selon l'invention telle que l'échangeur interne est de forme radiale et s'imbrique avec le piston. 25 Les figures 5 et 6 illustrent unevariante selon l'invention comportant des échangeurs internes transversaux plans et parallèles. La figure 7 illustre une variante selon l'invention comportant un échangeur interne en forme de flèche et le piston qui lui est associé. La figure 8 illustre une variante selon l'invention permettant un emboitement sécurisé de 30 l'échangeur interne et du piston tout en permettant un ajustement final des deux éléments d'une grande précision. Les figures 9 et 10 illustrent une variante selon l'invention où le ou les échangeurs internes sont des plots de forme linéaire, des tubes connectés à la culasse. Les figures 11 présentent un ensemble de variations d'échangeurs internes dérivées de divers 35 arrangements à base de tubes. Figure 11A l'échangeur interne est en forme de U. Figure 11B les deux pattes du U sont accolées. Figures 11C et 11D l'échangeur interne est cylindrique et dispose de nervures circulaires. Figures 11E et 11F l'échangeur interne est cylindrique et dispose de nervures longitudinales. Figures 11G et 11H l'échangeur interne est en forme de tire bouchon. Figure 11I l'échangeur interne a une forme globalement cylindrique constitué de l'enroulement de 40 deux tubes distincts.

Les figures 12 et 13 illustrent une extension de l'invention consistant à modifier les caractéristiques des surfaces périphériques au volume de travail par la déformation de celles-ci afin d'obtenir des formes, reliefs et matières proéminents faisant chacun office de mini échangeur interne. La figure 14 illustre une variante de ces extensions dans laquelle s'alternent zone dédiée au guidage et glissement et zone d'échange thermique. La figure 15 illustre une variante de l'invention déjà présentée dans les figures 7 et 8, ici l'échangeur interne est constitué d'un tube enroulé en spirale de forme cylindrique. Cette figure est destinée au résumé. La figure 16 illustre une variante de l'invention où l'échangeur interne permet un fort taux de 10 compression, celui-ci est conscrit au seul volume mort. La figure 17 illustre une variante de l'invention où l'échangeur n'est plus spécifiquement interne mais périphérique au volume de travail, et dont ses caractéristiques sont séparées et spécialisées afin d'optimiser ses fonctions de guidage et de résistance mécanique en certaines parties, et celles d'échange thermique là où les contraintes mécaniques se relâchent. 15 La figure 18 illustre une variante à l'invention où l'échangeur est fixé dans le prolongement du volume de travail du piston, sa fonction est exclusivement thermique. La figure 19 illustre une extension de l'invention consistant à modifier les surfaces périphériques au volume de travail de manière à en accroitre les surfaces afin d'en améliorer les performances d'échanges thermiques. 20 La figure 20 illustre une autre famille d'échangeur interne, les échangeurs internes mobiles. La figure 21 donne une autre illustration d'échangeur interne mobile dans un cadre non plus de mécanisme à piston mais un mécanisme rotatif à palettes. En référence à la figure 1, l'invention comprend le piston schématiquement représenté en 1 dans sa position mort haut, ici sa forme n'est pas contrainte par l'échangeur 5 qui occupe une partie 25 du volume mort 4 seul, l'échangeur 4 est ici constitué de six bras échangeurs notés de 5a à 5f reliés au cylindre ou à la culasse (seuls les échangeurs 5b et 5c situés en fond de la vue sont représentés sur ce schéma en coupe), dans sa forme privilégiée il est parcouru par un fluide caloporteur, en 2 est schématisé le cylindre, en 3 ce qui correspond à la culasse, le jeu piston-cylindre est noté 7 et 24 indique le point mort haut du piston. 30 En référence à la figure 2, le mécanisme selon l'invention comprend le piston 1 dont la gorge 6 de forme cylindrique permet de contenir l'échangeur interne 5 lorsque le piston est en position haute. Le choix technique permettant de produire cette gorge est libre, elle peut être réalisée par l'assemblage de deux cylindres concentriques sur le corps du piston. Le fond de la gorge cylindrique est noté 8. Exceptionnellement une gorge 10 pouvant accueillir un segment est dessinée 35 sur le schéma car ce mode de représentation de l'invention permet de placer le segment au plus près du sommet du piston. Ce qui n'est pas le cas de toutes les variantes à l'invention. Ceci est donc intéressant puisqu'il permet d'assurer l'étanchéité au sommet du piston ainsi que le graissage de toute la surface extérieure du piston. De même le piston ne présente alors aucune arête sur sa surface en frottement avec le cylindre 2. Ainsi que dans la figure précédente nous retrouvons les 40 mêmes éléments, la culasse 3, le volume de travail 4, le jeu 7 entre l'échangeur interne 5 et les surfaces de la gorge 6 du piston. L'échangeur interne cylindrique 5 peut disposer d'une lumière permettant d'équilibrer les pressions entre les volumes 4 de part et d'autre de l'échangeur. En référence aux figures 3 et 4 l'invention comprend le piston 1 dont la partie haute comprend quatre gorges radiales à 90° dans lesquelles s'imbriquent les quatre échangeurs 5 reliés au cylindre 2 ou à la culasse 3. Les échangeurs auraient pu également se rejoindre et former une croix, une étoile ou quelques formes de ce type. Les jeux 7 séparant le piston 1, mobile, des échangeurs 5, fixes, sont largement représentés. Plus ces jeux sont importants plus le mécanisme sera de construction aisée mais plus leur volume aura une part importante dans le volume mort du mécanisme jusqu'à, dans l'absolu, lorsque le piston 1 viendrait affleurer la culasse 3 à constituer la totalité du volume mort.

En contre partie, dans ce cas de figure, le volume mort présente une surface d'échange thermique maximale. Figure 4, est indiqué en 8 le fond de la gorge du piston 1, ce fond peut définir une séparation entre deux éléments constitutifs du piston 1, la tête du piston et la base du piston sur laquelle cette tête est fixée. Nous noterons que les segments généralement utilisés pour assurer l'étanchéité mais aussi comme racleur du lubrifiant des zones de glissement piston/cylindre ne peuvent être placés plus haut que cette base du piston selon ce mode de réalisation. Défaut que ne partagent pas tous les modes de réalisation de l'invention. En référence aux figures 5 et 6 le mécanisme comprend le piston 1 dont la tête a trois rainures longitudinales 6 dans lesquelles s'imbriquent les échangeurs plans parallèles 5. Dans la figure 5 la rainure 5 possède une petite lumière 9 par laquelle l'équilibre des pressions des volumes séparés par les échangeurs peut se faire plus aisément qu'au travers des jeux 7 séparant piston et échangeur et éventuellement cylindre et échangeur. Cet aménagement peut être justifié si la température du fluide de travail n'était pas uniforme (mauvaise disposition des échangeurs) ce qui engendrerait des différences de pression exercées sur le piston selon les chambres délimitées par les échangeurs. Nous retrouvons indiqués la culasse 3, le cylindre 2, les volumes 4 contenant le fluide de travail, les rainures ou gorges 6 s'achèvent en leur fond par les surfaces 8 qui définissent la base du piston partie conventionnelle portant les organes de liaison avec la bielle et les segments, non représentés. Nous noterons que la disposition spécifique des échangeurs détermine deux groupes de surfaces de contact entre le cylindre et le piston 2a et 2b. Cette caractéristique peut apporter un intérêt appréciable selon de type de mécanisme réalisé. En effet les efforts qui s'exercent sur les surfaces du cylindre ne sont pas les mêmes selon les axes parallèles à l'axe de rotation de la liaison piston / bielle ou perpendiculairement à cet axe, de même ces efforts et les jeux nécessaires au fonctionnement de ces pièces entrainent un débattement cyclique du piston selon la direction perpendiculaire à cet axe de rotation. Ainsi, un premier choix permet de privilégier une plus grande surface de glissement et sur des surfaces lisses continues 2a lesquelles subiront les pressions et frottements importants entre cylindre et piston résultant du mécanisme vilebrequin/bielle/piston dans ce cas le piston 1 réalisera des déplacements non négligeables perpendiculairement à l'axe des échangeurs 5 nécessitant des jeux plus importants entre ces pièces et donc un accroissement du volume mort. Un autre choix peut consister à privilégier la réduction de ce volume mort, dans le cas d'un compresseur isotherme, par exemple, selon ce choix on préfèrera que les déplacements du piston perpendiculairement à l'axe du cylindre se fasse dans les plans des échangeurs 5 et ainsi ajuster précisément leur emboitement avec le piston. Dans ce cas on choisira l'axe de rotation de la liaison piston/bielle perpendiculairement à l'axe des échangeurs, les efforts et frottements entre piston et cylindre se feront alors suivant les surfaces 2b et le piston se déplacera dans la section du cylindre parallèlement aux échangeurs 5.

En référence à la figure 7, le mécanisme selon l'invention présente une variante de la figure 1 où l'échangeur interne 5 est non plus en forme d'étoile mais de pointe, chaque nervure latérale faisant un triangle avec l'axe médian et la culasse 3 (elle pourrait tout aussi bien être de forme parabolique, elliptique,...). Cette variante permet des formes d'échangeurs tels que la figure 1 tout en bénéficiant de l'avantage appréciable de la figure 2 où des segments peuvent être placés au plus haut de la tête du piston 1. Le piston 1 comprend des gorges 6 telles que l'échangeur interne 5 puisse s'imbriquer en lui en position mort haut, ici le piston est schématiquement dessiné comme destiné à un travail de compresseur, sa position mort haut correspond à la culasse. En vue de dessus du piston 1 nous verrions les quatre gorges 6 du piston 1 former une croix. Cet exemple est bien sûr en rien restrictif en ce qui a été dit de même que du nombre de branches constituant l'échangeur 5 et le piston 1 associé. En référence à la figure 8, cette variante de l'invention correspond à un ensemble de formes données à l'échangeur interne 5 telles que l'emboitement du piston 1 et de l'échangeur interne 5 se fasse progressivement. En effet, les formes données à l'échangeur peuvent lui donner une certaine flexibilité notamment pour des mécanismes mobiles comme un moteur de voiture, cette flexibilité et les aléas du véhicule associés à des jeux réduits entre l'échangeur 5 et le piston 1 peuvent être cause de détérioration de l'échangeur. Si l'échangeur interne 5 fléchissait de trop durant la phase ascendante du piston 1 alors l'emboitement ne se ferait pas comme attendu et les pièces du mécanisme pourraient être détruites ou endommagées. Aussi les formes telles que celles de la figure font que l'emboitement est progressif ce qui évite ces aléas désastreux sans nuire au taux de compression désiré en sur-dimensionnant les jeux séparant l'échangeur 5 du piston 1. Ces jeux sont importants lorsque le piston est en approche de l'échangeur interne puis réduits voire nuls lorsque le piston est à son point mort haut. C'est ce qu'illustre la figure 8 où l'échangeur interne 5 a une section trapézoïdale (celui-ci serait conique s'il était de forme circulaire), le piston 1 associé a une gorge 6 de même section. Au début de l'emboitement des deux éléments le jeu qui les sépare est important et assure un emboitement en toute sécurité. Plus le piston 1 remonte, plus le jeu de l'échangeur interne 5 dans la gorge 6 réduit. Jusqu'à devenir nul, ici, lorsque le piston vient à effleurer la culasse 3 à son point mort haut. Alors le volume de travail 4 est quasiment nul bien que le jeu lors de l'emboitement du piston et de l'échangeur était important. En référence aux figures 9 et 10, selon cette variante de l'invention les échangeurs internes 5 sont des plots tubulaires, constitués de deux tubes concentriques permettant la circulation d'un fluide caloporteur dans un flux 12, le volume de travail 4 illustré ici est quasiment à son volume minimal, nous retrouvons notés 1 le piston, 2 le cylindre et 3 la culasse. Nous remarquerons que ce mode permet lui aussi de positionner des segments au plus haut de la tête du piston. Mais il permet également de rehausser l'axe de liaison piston / bielle ce qui était un défaut d'un certain nombre de variantes présentées précédemment. En effet il est possible de choisir des formes d'échangeurs internes qui permettent de garder cet axe de rotation liant piston et bielle aussi proche que pour des pistons ordinaires. Cet axe traversant la diagonale du piston les échangeurs internes peuvent occuper les espaces opposés, les gorges du piston qui leur sont associés ne venant pas gêner cet axe ni imposer de l'éloigner plus de la tête. La figure 10 illustre le piston associé à cette variante d'échangeur interne. Cette variante fait partie des solutions offrant l'intérêt précédemment décrit. Ici l'usage de quatre échangeurs internes seulement permet le choix de deux axes lla et llb pour la liaison piston / bielle. Un seul étant nécessaire aussi les deux volumes symétriques laissés libres aux échangeurs internes peuvent être mieux exploités par des formes aussi variées que deux fractions de cylindres en vis-à-vis, des `plans' ou similaires à une occupation de tels volumes par des échangeurs internes ou ensemble d'échangeurs, un ensemble de plots, des volumes de longueur variable, courts lorsqu'on s'approche de l'axe 11, plus longs en s'éloignant de cette zone là où les contraintes d'encombrement se relâchent. En référence aux figures 11, diverses formes d'échangeurs internes à base de tubes sont présentées. La figure 11A représente un échangeur interne 5 en simple tube en forme de U, le fluide caloporteur (liquide ou gazeux) entre par la partie 13 puis ressort par la sortie 14. Le tube allé 13 peut selon d'autres réalisations être relié par des nervures au tube retour 14. La figure 11B représente une légère variation de conception, les parties d'entrée 13 et de sortie 14 sont accolées. Une multitude de déclinaisons peuvent être réalisées, une entrée 13 et de multiple sorties 14, des tubes plus aplatis jusqu'à former des surfaces planes ou des échangeurs internes plans dont la structure interne véhiculant le fluide caloporteur forme des canalisations, ce qui les rapproche d'une forme tubulaire structurée. Les figures 11C et 11D représentent une variation d'un échangeur interne tel qu'il a été décrit dans les figures 9 et 10 mais cette variation de même que la suivante, figure 11E, peuvent s'appliquer à toute autre support comme ceux des deux représentations figures 11A et 11B. Il s'agit, figure 11C, d'une série de disques 15 sertis sur le tube extérieur de l'échangeur externe 5. Les disques 15 sont disposés dans le plan perpendiculaire à l'axe des tubes. Leur forme peut être quelconque, de forme polygonale, elliptique, en spirale, leur fonction étant de favoriser les échanges thermiques en accroissant la surface d'échange. Le fluide caloporteur entre en 13 pour ressortir en 14. Les figures 11E et 11F représentent une variation de la figure 11C, les disques sont ici des nervures rectangulaires 15, disposés selon l'axe des tubes. Les figures 11G et 11H sont une variation des échangeurs internes. J'ai vu sa forme être décrite dans le brevet WO02/103185 de la société New Power Concepts, ce brevet protège un bruleur pour moteur à combustion externe de type moteur Stirling. Leur problématique est totalement différente de la notre. Notre but n'est pas de capter au mieux la chaleur de gaz brulés en contrôlant leur échappement au travers de la tête d'un bruleur, ici les gaz sont statiques et leur axe de dilatation/contraction est parallèle aux échangeurs par ailleurs ces gaz sont les gaz de travail dans leur phase et lieu d'activité et non transitoire, entre deux phases comme c'est habituellement le cas. De plus l'usage des échangeurs est tout autre, le brevet les utilise de manière classique (d'ailleurs le brevet porte sur la tête de bruleur et non sur un type ou un usage d'échangeur novateur) alors que dans ce brevet l'échangeur est placé au sein du volume de travail du piston dont la forme se trouve être modifiée en raison de la présence de cet obstacle à son déplacement. L'ensemble des échangeurs qui sont décrits dans le brevet de cette tête de bruleur s'adapte parfaitement au type d'échangeur interne que nous présentons et revendiquons, la tête de bruleur est cylindrique de même que le sont les cylindres et pistons la plus part du temps, leur représentation est d'ailleurs agencée selon une forme cylindrique comme nous l'avons décrit dans la figure 2 ou individuellement par plots comme dans les figures 9 et 10. Figure 11G l'échangeur interne 5 est un tube torsadé formant une sorte de ressort, le fluide caloporteur entre par l'accès 13 pour ressortir par la sortie 14. Le retour est placé au centre de la spire car il réduit ainsi le volume mort, cependant il pourrait être extérieur à la spire. La figure 11I présente une variation de l'invention décrite figure 2, le cylindre échangeur 5 est ici constitué de deux tubes enroulés, après un certain nombre de spires les tubes remontent, ici, à l'intérieur de l'enroulement. L'entrée du fluide est faite en 13, sa sortie en 14. Le nombre de tube comportant l'échangeur interne 5 est quelconque, de même que leur fonction propre. Des deux tubes ici décrits, l'un pourrait, par exemple, servir à refroidir et l'autre à chauffer selon l'usage auquel est destiné le mécanisme et ses temps. Sur ses figures l'entrée 13 sort de l'enroulement cylindrique ce qui peut être une gène et être source d'une augmentation du volume mort. Une solution qui éviterait ce défaut consisterait à enrouler le tube comme un U, alors l'entrée 13 et la sortie 14 seraient mitoyennes et toutes deux seraient dans le prolongement du cylindre global que forme l'échangeur. Ceci est adaptable à tous les schémas et figures décrits. Dans ce schéma comme dans les schémas précédents entrée et sortie peuvent être inversées. Toutes les formes d'échangeur interne peuvent être réalisées à partir de réseau tubulaire. Les formes cylindriques, coniques (ce qui comprend aussi la fraction de sphère) peuvent être obtenues par des tubes enroulés ainsi qu'il a été décrit ci-dessus, elles peuvent également être obtenues à partir de la forme de base du schéma A, le U, quelque soit son orientation, et par une succession de zigzags ou une juxtaposition de celle-ci afin de composer les formes citées mais aussi toute sorte de forme et volume. Quoiqu'il n'en ait pas été mention, les problèmes liés aux vibrations ainsi que le vieillissement des métaux soumis à de fortes variations de température peuvent amener à réaliser les échangeurs internes de manière à mieux supporter ces conditions difficiles. Ainsi, par exemple mais ceci est valable pour toutes les variantes énoncées, les tubes échangeurs des figures 9 et 10 peuvent avoir une section de métal croissante afin de mieux supporter les vibrations du mécanisme. Epais coté culasse, et fin à son extrémité de manière à mieux laisser passer la chaleur. De même, afin de réduire le porte à faux des échangeurs internes il peut être préféré de les fixer le long de la surface du cylindre, soit d'en tapisser sa surface, soit de fixer de multiple petits échangeurs internes à la surface du cylindre ou de la culasse. Les termes utilisés de culasse, de cylindre ne sont pas restrictifs à un type de mécanisme auquel s'appliquerait l'invention, les moteurs thermiques utilisent généralement des chemises, les moteurs rotatifs n'ont pas de culasse à proprement parler, néanmoins l'invention s'applique également à ces mécanismes. En référence aux figures 12 et 13, ces figures illustrent une variante à l'invention selon la seconde approche décrite ci-dessus consistant à modifier la texture des surfaces du cylindre ou de la culasse de manière à accroître les performances de ces éléments utilisés comme des échangeurs. La figure 12 montre un tel échangeur 5 situé sur la surface périphérique du volume mort 4. Le piston 1 dans le cylindre 2 est dans sa position mort haut indiquée en 24 qui définit avec la culasse 3le volume mort 4. Les échangeurs 5 ont leur surface 16 travaillée de manière à former des reliefs qui forment autant de minis échangeurs internes pénétrant et se mêlant au fluide de travail. Ces reliefs peuvent être de simples stries, d'une quelconque forme fractale ou aléatoire telle que des mousses, pailles ou laines métalliques enrobant ces surfaces, les prolongeant dans le fluide de travail. Ces reliefs, surtout lorsqu'ils sont faits de laines, mousses ou pailles métalliques ne nécessitent pas une épaisseur, hauteur des reliefs, très importantes pour améliorer les performances des échangeurs. La culasse 3 étant le siège de bien des mécanismes encombrants (soupapes, clapets,...) ceux-ci réduiront la surface disponible à la fonction d'échangeur 5, la texture 16 de ses surfaces devra donc être remplacée localement par ces organes mécaniques. Si généralement les choix techniques portent à minimiser la surface du volume de travail ici nous cherchons au contraire à l'accroître et ainsi à augmenter la surface de la culasse, comme il a été présenté dans les figures ci-dessus, mais aussi dans sa forme plane. Ainsi la part nécessaire aux mécanismes de commande, clapet, soupapes, bougies, injecteurs spécifiques au mécanisme laisse une plus grande surface aux échangeurs 5 et à leurs textures 16. La figure 13 présente une variante de l'invention selon la figure 12. L'échangeur 5 du cylindre 2 s'étend au-delà de la surface du cylindre correspondant au volume mort. Le cylindre 2 comprend deux parties distinctes aux fonctions spécifiques, la partie haute est l'échangeur 5, 16 alors que sa partie basse 21 correspond à une conception et un usage classique dédié à assurer le guidage et le glissement piston / cylindre -ce qui n'interdit pas de s'en servir également comme échangeur ainsi qu'il se fait traditionnellement dans les compresseurs isothermes-, ainsi que l'étanchéité. Du fait de sa fonction principale essentiellement mécanique, la partie 21 du cylindre est bien moins apte à servir d'échangeur thermique, notamment en raison de son épaisseur nécessaire afin d'assumer les contraintes physiques et de sa composition chimique favorisant la dureté plus que la conduction thermique. Si dans la figure 12 le piston 1 peut porter ses segments au sommet de sa tête ici ils doivent être reculés et tenir compte de ce chevauchement ainsi que la représentation de la gorge 10 logeant le segment le laisse voir. Autre variante avec la figure 12, l'inversion du logement des mousses métalliques 16. Selon la figure 12 c'est le piston qui aurait alors la gorge 6 permettant le chevauchement de la mousse 16 et du piston 1. Ici c'est l'inverse, c'est le cylindre 2 qui porte une gorge 6 dans laquelle est placée la mousse ou paille métallique 16. Le piston 1 peut ainsi garder la même section sur toute sa longueur. Selon les choix techniques retenus, le jeu 7 séparant la mousse métallique 16 du piston 1 peut être plus ou moins important. Important il évitera tout risque de frottement et donc d'arrachement de fil métallique à la mousse et permettra un meilleur transfert thermique en position haute. Faible il réduit le volume mort auquel concourt déjà fortement l'épaisseur 16 de la mousse. Il est évidant que ces descriptions ne sous-entendent pas qu'il y ait nécessairement une pièce monolithique. S'il est décrit le cylindre, ou toute autre pièce, ayant une gorge, un échangeur muni de mousses métalliques, la description de cet élément peut être réalisée par assemblage de multiples pièces mécaniques. De même qu'il n'est en aucun point dit ou décrit des choix techniques qui permettront d'apporter le fluide calorifique en contact avec les parties internes de ces surfaces d'échange. Il est à noter que les fonctions et les contraintes qui leurs sont liées ne sont pas les mêmes selon ces parties, d'où un choix naturel qui privilégiera la conception séparée optimale pour chaque partie. Il serait probablement délicat de devoir usiner les cylindres (chemises) alors qu'une partie des surfaces de la pièce comprend un enchevêtrement de fils métalliques qui ne demanderaient qu'à capturer des copeaux, copeaux qui pourraient être relâchés à tout moment alors que le mécanisme est en travail. Ce qui serait gênant, même si des gorges peuvent être aménagées dans le cylindre afin de collecter ces déchets au niveau du point mort haut des segments et éviter ainsi qu'ils ne détériorent les surfaces de glissement et nuisent à l'étanchéité cylindre/piston en les retirant du contact des pièces en mouvement. En référence à la figure 14, celle-ci présente une variante de l'invention selon les figures précédentes 12 et 13. Elle représente une vue de dessus de l'ensemble piston 1 et cylindre 2. Compte tenu qu'un système de transmission du couple par bielle / vilebrequin engendre des efforts et frottements considérables sur les faces parallèles à l'axe de rotation de la liaison piston/bielle représenté en pointillés 11, la figure 14 représente la mousse métallique 16 non plus selon un cylindre mais en deux fractions de cylindre afin de permettre un appui et un guidage du piston sur le cylindre le long des deux surfaces 18 parallèles à l'axe de rotation. Tout autre agencement et alternance de zone de guidage 18 et de zone d'échange thermique 5, 16 sont possibles, de même que toute sorte de formes données à ces zones. Les parties 21 et 5 du cylindre 2 peuvent être de nature et de conception différente en vue de leurs fonctions distinctes. La partie 21 a une fonction de guidage et doit répondre à de fortes contraintes de frottement, de pression, de dureté, d'usure et d'étanchéité (dans sa partie basse), alors que la partie échangeur 5 n'a pour ainsi dire pour seule exigence que d'accroître ses performances thermiques, le type de matériau et son épaisseur seront donc différents et adaptés à l'optimisation de ses échanges thermiques. La résistance de l'échangeur 5 aux différences de pression entre le fluide de travail, sa face que nous dirons lui être externe, et le fluide caloporteur, sur sa face interne non représentée, peut être assurée par des appuis réguliers sur la structure sous-jacente permettant ainsi de réduire considérablement l'épaisseur du métal et donc d'améliorer les échanges thermiques. Ces appuis peuvent également contribuer à conduire la chaleur de l'échangeur vers le fluide caloporteur (liquide ou gazeux) ainsi qu'à en guider le flux le long de la paroi interne de l'échangeur 5. Paroi interne pouvant bénéficier de la technologie des caloducs dont nous avons parlé à propos de sa face externe afin d'accroître les transferts thermiques avec le fluide caloporteur. Les techniques traitant la texture des surfaces afin d'en accroitre la surface et l'efficacité des échanges thermiques sont non seulement applicables aux surfaces périphériques, comme il est ici décrit, mais également aux échangeurs internes décrits dans les figures antérieures, qu'ils soient plans, plans rectilignes ou plans courbes ou en forme de spiral, qu'ils soient cylindriques, tubulaires, linéaires, tubulaires enroulés. En référence à la figure 15, celle-ci présente une variante de l'invention dérivée de la figure 2.

La vue représente une coupe du mécanisme selon l'axe du cylindre 2. L'échangeur interne 5 de forme globalement cylindrique est constitué d'un tube enroulé en spirale de section 20. Le fluide caloporteur (liquide ou gazeux) le parcourt selon le flux 12. Il entre en 14, non représenté dans la vue, et ressort en 13. Le piston 1 est muni d'une gorge 6 cylindrique dans laquelle l'échangeur interne 5 s'imbrique lorsque le piston 1 remonte. Les jeux 7 entre l'échangeur 5 et le piston 1 concourent au volume mort lorsque le piston atteint le point mort haut et que le volume de travail 4 compris entre le piston 1 le cylindre 2 et la culasse 3 est alors à son minimum. La participation des jeux 7 au volume mort dépend des choix techniques inhérents au type de mécanisme utilisant des échangeurs internes et au choix de ceux-ci. Pour un tel volume globalement cylindrique il aurait été possible d'utiliser un ensemble d'échangeurs 5 en forme de U, une autre configuration aurait pu consister à fixer l'enroulement cylindrique 5 à la surface du cylindre 2, comme il aurait été possible d'utiliser un échangeur cylindrique ce qui permet de réduire considérablement la contribution des jeux 7 au volume mort, performance pouvant s'accroitre un peu plus par l'usage d'échangeurs internes plans. Le fond 8 de la gorge cylindrique 6 du piston 1 marque le niveau séparant la tête du piston de la base du piston, partie ordinaire comportant entre autre l'axe de rotation et de liaison piston / bielle. La tête du piston pour des raisons de fabrication peut être d'une ou plusieurs pièces liées à la base du piston 1. Les pattes 19 maintiennent la spire que forme l'échangeur interne 5 et la lient à la culasse absorbant ainsi les chocs et vibrations que l'échangeur subit. Leur disposition est adaptée aux chocs et vibrations spécifiques du mécanisme probablement plus intenses et fréquents selon un axe particulier.

En référence à la figure 16, celle-ci présente une variante de l'invention dans laquelle l'échangeur interne 5 occupe seulement le volume mort du cylindre 2, il est fixé à la culasse 3. Il est muni de gorge 6 étroites de manière à permettre un fort taux de compression tout en permettant des échanges thermiques rapides avec le fluide contenu dans le volume mort. Dans l'épaisseur de l'échangeur 5 circule un fluide caloporteur transportant la chaleur échangée avec le fluide compressé. Le piston 1 contenu dans le cylindre 2 est ici à son point mort haut 8. Le volume de travail 4 est à sa valeur minimale, le volume mort. L'échangeur interne 5 peut disposer de conduits par lesquels le fluide de travail est admis/expulsé via les aménagements de la culasse 3 (soupape, clapets,...). En référence à la figure 17, celle-ci présente une variante de l'invention selon laquelle l'échangeur 5 qui est périphérique au volume de travail est confondu avec la chemise. Jusqu'ici nous ne donnions aucun détail sur la structure et la composition du moteur, chemise, cylindre et culasse étaient souvent schématisés grossièrement et indistinctement les uns des autres. Avec la figure 17 nous détaillons un petit peu plus les éléments entourant le piston, notamment ici la chemise 5 qui sert également d'échangeur thermique sur une partie de sa section. La figure 17 représente donc cette chemise-échangeur selon l'invention. Le piston 1 se trouve donc à l'intérieur de la chemise et le cylindre 2 contenant la chemise 5 entoure celle-ci. L'un et l'autre ne sont pas représentés mais des flèches indiquent les emplacements où ils se trouvent. La conception de cet échangeur-chemise répond aux remarques antérieures et constitue une variante de la figure 14. Lorsque la liaison piston bielle se fait selon un axe 11 les efforts exercés sur le piston via la bielle et le vilebrequin induisent des réactions très fortes qui s'appliquent essentiellement sur les parties 21 de la chemise, parties symétriques à l'axe 11. Ces forces importantes, les frottements ainsi que les contraintes de glissement et de résistance à l'usure font que ces parties doivent être robustes. Or l'épaisseur qui leur est nécessaire ainsi que la nature de leurs constituants ne favorisent pas les échanges thermiques. La variante à l'invention apporte une solution à ce problème en distinguant les différentes parties de la chemise. Les parties 21 de la chemise « parallèles » à l'axe 11 sont épaisses et conçues pour résister aux fortes contraintes mécaniques, alors que les parties 5 de la chemise « perpendiculaires » à l'axe 11 sont spécifiquement des échangeurs thermiques. Les échangeurs 5 sont tels que l'épaisseur 22 séparant le fluide caloporteur circulant dans les gorges 6 de la chemise du fluide contenu dans le volume de travail, sur l'autre face, est réduite au minimum vu que les contraintes sont très faibles selon cet axe. Ainsi les échanges thermiques sont optimisés aux différents points de la section du cylindre. Les nervures 23 permettent à la fois de maintenir la forme cylindrique de la chemise que de l'appuyer au cylindre 2 et de transmettre la force de pression due au fluide pressurisé dans le volume de travail, mais elles servent également de capteur et conducteur thermique avec le fluide caloporteur circulant entre les gorges 6 et le cylindre 2, conduisant la chaleur du fluide vers la surface d'échange 22. Cette conduction de la chaleur vers la surface d'échange peut être améliorée grâces aux techniques utilisées dans les procédés caloduc. Les nervures 23 peuvent être rendues solidaires aux extrémités de la chemise par des épaisseurs les unissant mais également en quelques parties intermédiaires de manière à améliorer les performances mécaniques de l'ensemble. La profondeur des gorges qui, ici, est représentée constante peut être variable. En effet les forces qui s'exercent sur la section du segment ne suivent pas un Dirac mais sont continument croissantes et décroissantes, minimales au voisinage de 11 et maximales au voisinage de 21. De ce fait l'épaisseur optimale pour les échanges thermiques et donc minimale en termes d'épaisseur, est variable selon l'angle entre le point considéré sur la circonférence de la chemise et l'axe 11. De plus une telle approche donnera un meilleur comportement à la chemise selon les variations de température. Pour cette raison il pourra être choisi de munir toute la section de gorges afin que les différences de dilatation entre les parties épaisses et les parties fines, les parties chaudes et les parties froides s'estompent et s'uniformisent. Un nouvel optimum peut être recherché partant d'un transfert thermique selon toute la section de la chemise au travers d'une section 22 plus importante mais sur la totalité de la surface donc une surface plus grande, tout en valorisant un comportement uniforme de la chemise-échangeur thermique. Alors la largeur des gorges 6 ainsi que l'épaisseur des nervures 23 par lesquelles les efforts sont transmis au cylindre 2 sur lequel elles s'appuient peuvent être adaptées afin de trouver un optimum selon l'angle et selon les contraintes qui lui sont associé. Les agencements des nervures 23 de même que leur forme et orientation peuvent différer. Elles peuvent être obliques, circulaires,... ne plus être que des «points» d'appui constitués de protubérances cylindriques réparties sur la surface de l'échangeur-chemise, etc. Selon des variantes, la chemise échangeur peut être constituée de plusieurs éléments, en particulier là où les contraintes mécaniques sont faibles et donc où sont placés les échangeurs 5 ceux-ci peuvent être conçus en des matériaux plus conducteurs que ceux utilisés dans les parties 21 qui doivent être résistantes aux fortes pressions et à l'usure.

En référence à la figure 18 l'invention consiste en une distinction entre la partie avant des surfaces périphériques au volume de travail et la partie arrière. La partie avant est constituée par le cylindre 2 dans lequel le piston 1 glisse, sa bielle est symbolisée par des pointillés. Cette première partie est dédiée à des fonctions mécaniques, de guidage, d'étanchéité, de résistance,... La seconde partie est l'échangeur 5, il est comme une protubérance au volume de travail. Il est situé dans le prolongement du cylindre 2 et fixé à la culasse 3. La forme de l'échangeur 5, ici cylindrique, peut être quelconque. Sa surface tant extérieure qu'intérieure peut disposer d'une texture et d'aménagements, tels qu'ils ont été décrits précédemment, favorisant les transferts thermiques. Le matériau qui le constitue ainsi que son épaisseur sont choisis de sorte à favoriser les échanges thermiques avec le fluide de travail qui vient à son contact sur sa face interne. Le mode de chauffage (ou de refroidissement) de l'échangeur 5 est libre. Il peut être parcouru par un fluide caloporteur, comme il peut être, sur sa surface extérieure, directement immergé dans les gaz chauds provenant d'une combustion, etc. Le volume interne à l'échangeur 5 communique avec le volume interne du cylindre 2 via l'ouverture 6 de la culasse. Ces deux volumes forment le volume 4 de travail dans lequel se trouve le fluide que le piston 1 compresse / détend. Afin d'augmenter le taux de compression le piston 1 dispose d'une protubérance lb qui occupe une partie du volume interne à l'échangeur 5 lorsque le piston est proche de son point mort haut. En référence à la figure 19, celle-ci illustre une extension de l'invention, elle consiste à faire des parois naturelles, cylindre et culasse, un authentique échangeur périphérique, également au contact du fluide de travail, en améliorant leurs caractéristiques naturelles traditionnellement imposées par les contraintes mécaniques seules et non thermiques. Pour ce faire une variante et extension de l'invention consiste à modifier les volumes naturels et classiques des cylindres et culasse afin d'en accroitre les caractéristiques thermiques. La première approche consiste à accroître la surface de ces pièces en les allongeant, en courbant leurs surfaces, courbures continues ou discontinues telles que des stries ou des effets d'ondulation, de marches d'escalier qui accroissent la surface d'échange. Les machines à commande numérique permettent de réaliser aisément aujourd'hui des pièces aux formes autrefois considérées comme impossibles, trop complexes. La seconde approche consiste à modifier tout ou partie de la texture de ces surfaces afin d'accroitre leurs échanges thermiques. Elles ont alors des surfaces comportant de nombreux petits reliefs qui sont soit de type fractal soit de type aléatoire. Les techniques connues et utilisées dans la conception des caloducs trouvent ici une application pertinente. Ainsi tout ou partie de ces surfaces peuvent être conçues avec un revêtement en mousse, paille ou laine de métal, agencement divers de fins éléments métalliques mêlés ou entrelacés, contigus ou fondus avec le cylindre ou échangeur, ou par des motifs divers pouvant être obtenus par des poudres métalliques fondues sur ces surfaces. Notons que si la présence de mousse ou paille métallique dans le circuit du fluide caloporteur induit des pertes de charge au fluide en mouvement, au sein du volume de travail le fluide de travail est quasiment immobile, il se contracte ou se dilate mais n'est animé d'aucun autre mouvement, dans ce cas l'accroissement des performances thermiques n'a pour unique contrepartie que le concourt de ce volume au volume mort du mécanisme. La figure 19 montre une déformation très simple selon la première approche, la culasse 3 a une forme conique male avec le sommet arrondie, le piston 1 a la forme inverse conique femelle et une partie sphérique en son centre. Une forme unique de courbure parabolique aurait été équivalente. En référence à la figure 20, voici une nouvelle famille d'échangeur interne 5 au volume de travail 4, ceux-ci sont mobiles et non plus fixes. L'échangeur 5 peut être mobile soit parce qu'il est lié au piston 1, soit parce qu'il est flottant. Lorsqu'il est flottant il est mobile tant par rapport aux pièces fixes telles que la culasse 3 et les pièces qui lui sont liées, tant par rapport aux pièces mobiles comme le piston 1. L'échangeur flottant 5 peut être mu par un dispositif adapté qui peut le déployer ou le rétracter dans la gorge 6 de la culasse 3 selon les besoins du cycle du mécanisme. L'échangeur flottant 5 peut être également en permanence en contact avec le piston 1 par la pression exercée sur l'échangeur flottant 5. Dans ce cas il n'est pas lié au piston 1 mais reste en permanence en contact avec lui ce qui évite les chocs entre ces deux pièces. La figure représente un piston 1 dont la bielle est symbolisée par des pointillés qui est contenu dans le cylindre 2. Au sommet du cylindre est la culasse 3 et les éléments qui lui sont liés. Elle comporte une gorge 6 dans laquelle coulisse un échangeur thermique 5 mobile. La représentation de cet échangeur lui donne deux pattes 25a et 25b qui pourraient correspondre à un choix permettant d'amener un fluide caloporteur à l'échangeur interne 5 mobile afin qu'il le traverse et réalise les échanges thermiques. Le flux du fluide caloporteur pourrait pénétrer dans l'échangeur 5 par la patte 25a, parcourir le circuit interne de l'échangeur 5, puis ressortir par la patte 25b de l'échangeur mobile. Le volume de travail 4 correspond au volume compris entre le cylindre 2, le piston 1 et la culasse 3. La gorge 6 ajoute à ce volume ; l'échangeur interne mobile 5 retire à ce volume son volume déployé. La pression du fluide caloporteur sur sa section peut être un moyen soit pour assurer son déploiement, soit pour assurer une pression constante permettant à l'échangeur 5 de rester en contact avec le piston, lorsque l'échangeur est flottant. Lorsque l'échangeur mobile 5 est lié au piston 1 il suit naturellement le mouvement de celui-ci. En référence à la figure 21, cette illustration composant échangeur interne mobile et échangeur interne fixe emprunte une représentation de mécanisme rotatif à palettes. Ici les palettes et les échangeurs internes mobiles sont placés sur le stator, le cylindre 2, une représentation plus classique peut les placer sur le rotor. Le rotor la tourne dans un cylindre 2. Des palettes 35 délimitent quatre volumes de travail 4 distincts. Nous distinguons les palettes spécialisées dans l'étanchéité des palettes spécialisées dans les échanges thermiques au sein du volume de travail. Il aurait été possible de cumuler les fonctions quitte à n'utiliser qu'une seule surface de la palette comme échangeur afin qu'il n'agisse que sur un unique volume de travail. Les échangeurs interne 5a sont mobiles et se déploient depuis le stator 2 dans le volume de travail 4. Les échangeurs internes 5b sont fixes et sont liés au stator 2. Leur déploiement correspond au volume mort compris entre le rotor la et le stator 2. Il est possible de leur donner une forme plus efficace telle qu'un sinusoïde décrivant un arc de cercle longeant la surface du stator 2 et conscrit au volume mort. La forme des échangeurs internes mobiles 5a est quelconque, la principale contrainte est de se déployer puis de s'insérer dans la gorge du stator où elles glissent. De préférence elles n'ont aucune action d'étanchéité afin de ne pas gêner à l'équilibre des pressions et des températures dans le même volume de travail 4. Les palettes et les échangeurs internes peuvent être positionnés sur le rotor. Dans ce cas l'apport thermique (le flux de fluide caloporteur) est plus délicat mais leur déploiement est alors simple et naturel lorsque le rotor est la pièce male (au centre). Les dispositifs selon l'invention sont particulièrement adaptés pour les moteurs thermiques notamment les moteurs à combustion externe tels que les moteurs de Stirling, les compresseurs, les mécanismes de compression / détente isotherme, les pompes à chaleurs et les mécanismes réfrigérants et cryogéniques.

Claims (10)

1. REVENDICATIONS1) Dispositif permettant de réaliser des échanges thermiques performants avec un fluide de travail au sein du volume de travail d'un mécanisme au cours de ses phases de travail ou entre deux changements de phase de travail caractérisé en ce que l'échangeur thermique 5 est interne au volume de travail 4, ou en ce qu'il améliore les échanges thermiques des parois naturelles périphériques au volume de travail 4 par l'accroissement de la surface naturelle des surfaces statiques, accroissement obtenu par la déformation de ses surfaces résultant d'une augmentation de la surface périphérique minimale usuelle pour un volume de travail donné, que ces déformations sont continues et gardent une même courbure ou qu'elles donnent à la surface de l'échangeur 5 en contact avec le fluide de travail des changements de courbure concave / convexe résultant soit de sa forme, soit de sa texture, soit d'agrégats qui lui sont rattachés ou qu'elles forment une cavité contigüe et ouverte au volume de travail 4, ou en ce que l'accroissement des échanges thermiques des parois naturelles d'un volume de travail résulte de ce que ses parois naturelles statiques sont partiellement ou alternativement dévolues, pour les unes, à des fonctions d'échange thermique 5 et, pour les autres, à des fonctions classiques principalement mécaniques 21.
2. 2) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'échangeur thermique 5 est interne au volume de travail 4, que l'échangeur interne 5 est lié à la (aux) pièce fixe du mécanisme, 2 ou 3 (tel que la culasse ou le cylindre), ou qu'il est fixé à la pièce mobile 1 (tel que piston).
3. 3) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'échangeur thermique 5 est interne au volume de travail 4 et que l'échangeur interne 5 est flottant, il n'est ni lié aux parties fixes ni aux parties mobiles du mécanique, ou que l'échangeur interne 5 est mu par un dispositif adapté.
4. 4) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'alternance partie dévolue aux échanges thermiques 5 et partie dévolue aux contraintes mécaniques 21 constituent de petites sections qui s'alternent sur la surface, que cette alternance échangeur thermique - renfort mécanique est soit régulière et uniforme soit qu'elle suivent un gradient selon lequel en des parties les sections échangeur thermique sont favorisées et en d'autres les renforts mécaniques sont privilégiés grâce à quoi certaines parties de la surface périphériques disposent d'aptitudes performantes pour les échanges thermiques et en d'autres parties les propriétés mécaniques ont été renforcées.
5. 5) Dispositif selon l'une des revendications précédentes caractérisé par un accroissement de la surface d'échange thermique entre l'échangeur 5 et le fluide de travail résultant de la texture 16 donnée à la surface de l'échangeur 5, texture se comportant comme autant de mini échangeurs 5 internes au volume de travail 4, que cette texture 16 comportant des reliefs ou motifs aléatoires ou réguliers tels que des fractals.
6. 6) Dispositif selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que la ou les surfaces d'échange thermique, interne (en contact avec le fluide caloporteur) ou externe (en contact avec le fluide de travail) à l'échangeur 5, est pourvue d'une texture 16 formant de minis échangeurs internes sur ces surfaces de l'échangeur 5 lesquels accroissent les échanges thermiques, que ceux-ci sont constitués de poudre ou de granulé ou de mousse ou de paille ou laine métallique.
7. 7) Dispositif selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que la partie interne à l'échangeur thermique 5 réalise les transferts thermiques entre la source de chaleur (chaude oufroide) et la paroi en contact avec le fluide de travail sur sa surface externe selon la technique caloduc ; un fluide caloporteur se vaporise à l'une des extrémités thermiques et se condense à l'autre extrémité réalisant un transfert de chaleur rapide et important.
8. 8) Dispositif selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'une partie de l'échangeur 5 ou sa totalité constitue un réservoir accueillant un fluide de travail ou un fluide caloporteur (le réservoir est interne à l'échangeur et il est destiné à un fluide caloporteur ou il est externe à l'échangeur et il est destiné au fluide de travail) en phase gazeuse ou liquide ou solide.
9. 9) Dispositif selon une ou plusieurs des revendications précédentes caractérisé en ce que l'échangeur 5 comprend plusieurs sous éléments échangeurs thermiques dont la gestion peut être séparée et spécifique à chacun.
10. 10) Dispositif selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que la morphologie de la/les pièces mécaniques dynamiques 1 réalisant un travail sur un fluide de travail ou recevant un travail de ce fluide est formée de manière à épouser totalement ou partiellement le volume de l'échangeur interne 5 introduit dans le volume de travail 4 qu'elle(s) parcourt ou que la forme de l'échangeur interne 5 et celle de la gorge 6 de la pièce dynamique 1 accueillant l'échangeur interne sont telles que leur approche est simple et aisée, disposant d'un jeu important, pour finir par s'imbriquer parfaitement avec un jeu quasi nul entre ces deux éléments, ou en ce que la morphologie de l'élément fixe 3 permet à l'échangeur 5 mobile et interne au volume de travail 4 de s'emboiter totalement ou partiellement dans l'élément fixe 3. 25 30 35 40