1 La présente invention a pour objet un moteur à air chaud travaillant essentiellement selon un cycle à trois phases. Il existe différents types de moteurs à airs chauds ou plus généralement à gaz de travail chaud qui utilisent en règle générale des s cycles thermodynamiques à quatre temps parmi lesquels on peut citer le cycle de Carnot qui comporte deux phases isothermes et deux phases adiabatiques, le cycle de Stirling qui comporte deux phases isothermes et deux phases isochores, le cycle de Joule qui comporte deux phases isobares et deux phases adiabatiques ou encore le cycle de Beau de Rochas 10 qui comporte deux phases isobares et deux phases adiabatiques. Parmi ces différents cycles thermodynamiques, on considère que le cycle de Stirling est celui permettant d'obtenir le meilleur rende-ment, donc le plus efficace. L'idée à la base de l'invention a été de concevoir un moteur 15 à air chaud utilisant un cycle thermodynamique à essentiellement trois phases dérivé du cycle de Stirling mais présentant un rendement amélioré grâce à la suppression de l'une des phases isochores qui ne produit aucun travail. Conformément à l'invention, un tel moteur à air chaud dont 20 le cycle de fonctionnement s'approche d'un cycle à trois temps dérivé du cycle de Stirling comporte une phase de compression isotherme, une phase d'augmentation en température isochore et une phase de détente motrice. Le diagramme P = f (V) d'un tel cycle est représenté sur la 2s figure 1. Par rapport à un cycle de Stirling classique, ce cycle de fonctionnement d'un tel moteur rassemble en une seule phase l'une des phases isothermes et l'une des phases isochores, permettant ainsi d'améliorer notablement le rendement. 30 Bien entendu dans le moteur conforme à l'invention, l'air chaud peut éventuellement être remplacé par un autre type de gaz de travail. Selon l'invention, un tel moteur comporte des moyens de compression qui sont entrainés en permanence par un système 35 d'actionnement quelconque tel qu'à titre d'exemple un système bielles manivelle et des moyens de détente qui présentent la particularité d'être constamment moteurs. 2 Ces moyens de détente coopèrent avec les moyens de compression de sorte qu'en réponse à l'actionnement de ces moyens le moteur travaille en permanence essentiellement selon un cycle comportant trois phases, à savoir une phase de compression ou phase entrainée, une s phase d'élévation en température et une phase de détente ou phase motrice. Selon une caractéristique préférentielle de l'invention, le moteur comporte au moins deux chambres respectivement reliées à une source chaude ou chambres chaudes et au moins deux chambres respectivement reliées à une source froide ou chambres froides. Chacune des chambres chaudes est isolée de la source chaude par un système retardateur pour temporiser la montée en température pendant la phase isochore et est associée à une chambre froide de façon à former une paire de chambres de travail. ls Un tel système retardateur peut à titre d'exemple être constitué par un isolant ou un tube isolant équipé de trous limitant les échanges du gaz de travail avec la source chaude. A titre d'alternative, le moteur conforme à l'invention peut être équipé de sources chaudes ou de chambres chaudes mobiles consti-20 tuant un système retardateur. Les moyens de compression sont reliés par des conduites de liaison à la chambre chaude et à la chambre froide de chacune des paires de chambres de travail. Les moyens de détente sont quant à eux respectivement as-25 sociés à l'une des paires de chambres de travail et sont subdivisés en deux cellules de détente. Ces moyens coopèrent avec des organes de mise en communication qui peuvent être déplacés entre d'une part une première position ou position de repos dans laquelle les deux cellules de détente 30 communiquent l'une avec l'autre et sont isolées des chambres de la paire de chambres de travail associée, et d'autre part une seconde position ou position motrice dans laquelle les deux cellules de détente sont isolées l'une de l'autre, et l'une de ces cellules communique avec la chambre chaude tandis que l'autre cellule communique avec la chambre froide de 35 la paire de chambres de travail associée. Des organes de mise en circulation unidirectionnelle du fluide de travail équipent les conduites de liaison de sorte qu'en réponse à l'actionnement des moyens de compression, le moteur travaille en perma- 3 nence essentiellement selon un cycle comportant comme il a déjà été indiqué une phase de compression essentiellement isotherme ou phase entrainée, une phase de montée en température essentiellement isochore et une phase de détente ou phase motrice. s Pendant la phase de compression la chambre chaude d'une paire de chambres de travail est mise en sur pression tandis que la chambre froide de cette paire est mise en dépression, et les organes de mise en communication coopérant avec les moyens de détente associés à celle-ci sont en position de repos. 10 Pendant la phase d'élévation de la température de cette chambre chaude, ces organes de mise en communication sont également en position de repos. Pendant la phase de détente, ces organes de mise en communication sont au contraire déplacés en position motrice. 15 Il est à noter que l'entrainement des moyens de compression demande de l'énergie, mais que cette énergie est toutefois inférieure à celle produite par la détente. Il est essentiel conformément à l'invention que les organes de mise en communication coopérant avec les moyens de détente associés 20 à l'une des paires de chambres de travail soient toujours en position motrice de sorte que des moyens de détente soient constamment moteurs. Il est en outre à noter qu'il serait théoriquement possible de faire fonctionner un moteur à air chaud conforme à l'invention unique-ment avec des sources chaudes, c'est-à-dire de supprimer les chambres 2s froides. Il est également envisageable de baser un moteur à air chaud travaillant essentiellement selon un cycle à trois phases conforme à l'invention non pas sur un cycle de Stirling mais sur un cycle thermodynamique autre notamment un cycle de Carnot en tentant là encore de 30 supprimer l'une des phases non motrices d'un tel cycle. Selon une autre caractéristique de l'invention pour chacune des paires de chambres de travail, les organes de mise en circulation uni-directionnelle n'autorisent l'écoulement du fluide de travail que dans des directions opposées, c'est-à-dire des moyens de compression vers la 35 chambre chaude et de la chambre froide vers les moyens de compression, ou des moyens de compression vers la chambre froide, et de la chambre chaude vers les moyens de compression. 4 Ces organes de mise en circulation unidirectionnelle sont en règle générale constitués par des clapets anti-retour alors que les organes de mise en communication sont constitués par des tiroirs mobiles en translation et/ ou en rotation. s Selon une autre caractéristique de l'invention, chacun des moyens de détente est constitué par un piston de détente susceptible de se déplacer dans un cylindre de détente de façon à subdiviser ce cylindre en deux cellules de détente. Les pistons de détente sont reliés l'un à l'autre et se déplacent donc solidairement. Les cellules de détente de ces pistons de détente peuvent être isolées thermiquement, et maintenues à une température prédéfinie, ou maintenues à la température de la source chaude à l'une de leurs extrémités et à la température de la source froide à leur autre extrémité, ce 15 dans le but de modifier les paramètres du cycle de fonctionnement choisi. Selon la variante de base de l'invention, le moteur à air chaud comporte deux paires de chambres de travail respectivement associées à un cylindre de détente dont l'un est toujours moteur. Il n'est toutefois pas exclu d'augmenter le nombre de pis- 20 tons de détente, ce qui permet d'augmenter la stabilité de rotation et les performances du moteur, dans la mesure où le gaz de travail utilisé passe successivement d'un piston de détente à un autre. Conformément à cette variante de base, les moyens de compression sont subdivisés en deux compartiments dont l'un ou premier 25 compartiment est respectivement relié par une conduite de liaison à la chambre chaude de l'une des paires de chambres de travail, ou première paire de chambres de travail, et à la chambre froide de l'autre paire de chambres de travail ou seconde paire de chambres de travail, tandis que l'autre compartiment ou second compartiment est respectivement relié par 30 une conduite de liaison à la chambre froide de la première paire de chambres de travail et à la chambre chaude de la seconde paire de chambres de travail. Conformément à cette variante de base, les moyens de compression sont avantageusement constitués par un piston de compres- 35 Sion se déplaçant constamment en va et vient dans un cylindre de compression de façon à subdiviser ce cylindre en deux compartiments de volume variable. 2966521 s Selon une première variante de l'invention, les moyens de compression et les moyens de détente sont constitués par une turbine de compression et par une turbine de détente. Selon une seconde variante de l'invention, les moyens de s compression et les moyens de détente sont constitués par un même pis-ton. Il est à noter que bien que présenté sous la forme d'un moteur, le moteur à air chaud conforme à l'invention peut également, comme tout moteur à cycle de stirling, être utilisé pour des pompes à chaleur, 10 pour produire du froid, en cogénération, etc.. Les caractéristiques du moteur à air chaud qui fait l'objet de l'invention seront décrites plus en détail en se référant aux dessins non limitatifs annexés dans lesquels : - la figure 1 est un schéma P = f (V) illustratif d'un cycle de Stirling et 15 d'un cycle à trois phases utilisé par le moteur à air chaud conforme à l'invention - les figures 2a, 2b, 2c et 2d sont des schémas représentatifs du mode de fonctionnement de la variante de base d'un moteur à air chaud con-forme à l'invention. 20 - la figure 3 est un schéma illustrant une alternative de réalisation du système retardateur équipant les chambres chaudes du moteur à air chaud représenté sur les figures 2a à 2d. - la figure 4 est un schéma illustrant un exemple d'organes d'actionnement mécaniques du piston de compression et des pistons de 25 détente du moteur à air chaud représenté sur les figures 2a à 2d. - les figures 5a et 5b sont des schémas représentatifs du mode de fonctionnement de la première variante d'un moteur à air chaud conforme à l'invention. - la figure 6 est un schéma représentatif du mode de fonctionnement de 30 la seconde variante d'un moteur à air chaud conforme à l'invention. - la figure 7 est un schéma illustrant une alternative de configuration d'un moteur à air chaud conforme à la seconde variante de l'invention. Selon la figure 1, le cycle thermodynamique de Stirling comprend une première phase de compression isotherme AB, une pre- 35 mière phase isochore BC, une seconde phase de détente isotherme CD et une seconde phase isochore DA. 6 L'idée à la base de l'invention a consisté à améliorer le rendement d'un moteur à air chaud fonctionnant selon un cycle de Stirling en éliminant la seconde phase isochore DA qui ne fournit aucun travail. Un moteur à air chaud conforme à l'invention comprend s ainsi une phase de compression isotherme entrainée AB, une phase d'élévation en température isochore BC et une phase de détente motrice CA dont on cherche à régler les paramètres afin qu'elle se rapproche au-tant que possible d'une phase adiabatique afin d'augmenter le rendement du moteur. 10 Selon les figures 2a à 2d, dans sa variante de base, le moteur à air chaud comporte un piston de compression 1 qui se déplace constamment en va et vient dans un cylindre de compression 2 de façon à subdiviser ce cylindre 2 en deux compartiments de compression 2-1, 2-2 de volume variable. ls Selon la figure 4, le déplacement du piston de compression 1 est commandé par un système bielles manivelle à partir d'un moteur d'entrainement non représenté. Le moteur à air représenté sur les figures 2a à 2d comporte également deux paires de chambres de travail qui seront désignées paire 20 de chambres de travail droite D et paire de chambres de travail gauche G dans la suite de cette exposé. Ces paires de chambres de travail D-G sont chacune constituées par l'association d'une chambre chaude 3d, 3g et d'une chambre froide 4d, 4g. 25 Ces chambres sont respectivement reliées à une source chaude et à une source froide non représentées. De plus, les chambres chaudes 3d, 3g sont isolées de la source chaude associée par un système retardateur 5 permettant de temporiser leur montée en température, de sorte qu'elle ne se produise pas 30 dès le début de la phase de compression. Chacune des paires de chambres de travail D-G est en outre associée à un piston de détente 6d, 6g qui se déplace dans un cylindre de détente 7d, 7g de façon à le subdiviser en deux cellules de dé-tente 7-1d, 7-2d, 7-1g, 7-2g. 35 Selon la figure 3, les deux pistons de détente 6d et 6g sont reliés l'un à l'autre de façon à se déplacer solidairement et sont également reliés au système bielles manivelle 11. 7 Le moteur à air chaud représenté sur les figures 2a à 2d comporte également deux tiroirs de mise en communication 8d, 8g qui sont respectivement associés à chacune des paires de chambres de travail D-G. s Ces tiroirs de mise en communication 8d, 8g sont mobiles entre une position de repos représentée sur la partie gauche de la figure 2a et une position motrice représentée sur la partie droite de la figure 2a. En position de repos les deux cellules de détente 7-1g et 7-2g du cylindre de détente 7g communiquent l'une avec l'autre et sont isolées des chambres 3g, 4g de la paire de chambres de travail G associée. En position motrice les deux cellules de détente 7-1d, 7-2d du cylindre de détente 7d sont isolées l'une de l'autre, et la cellule 7-1 d communique avec la chambre chaude 3d alors que la cellule 7-2d communique avec la chambre froide 4d de la paire de chambres de travail D 1s associée. Par ailleurs et selon les figures 2a à 2d, chacun des compartiments 2-1, 2-2 du cylindre de compression 2 est respectivement relié par des conduites de liaison 9-1d, 9-1g et 9-2d, 9-2g, aux chambres 3d, 4g ; 4d, 3g des paires de chambres de travail D-G. 20 Ainsi, la conduite de liaison 9-1 d relie le compartiment 2-1 à la chambre chaude 3d et la conduite de liaison 9-1g relie le compartiment 2-1 à la chambre froide 4g tandis que la conduite de liaison 9-2d relie le compartiment 2-2 à la chambre froide 4d et la conduite de liaison 9-2g relie le compartiment 2-2 à la chambre chaude 3g. 25 Ces conduites de liaison 9-1d, 9-1g, 9-2d, 9-2g sont respectivement équipées de clapets anti-retour 10 qui n'autorisent l'écoulement du fluide de travail dans celles-ci que dans une seule direction. Plus précisément, le fluide de travail ne peut s'écouler que du compartiment 2-1 vers la chambre chaude 3d et de la chambre froide 30 4g vers ce compartiment ou du compartiment 2-2 vers la chambre chaude 3g et de la chambre froide 4d vers ce compartiment. Selon la figure 2a, la paire de chambres de travail D et le piston de détente 6d sont représentés en fin de phase de détente alors que la paire de chambre de travail G et le piston de détente 6g sont représen- 35 tés en fin de phase de compression et d'élévation de température. A partir de cette position et selon la figure 2b, le tiroir de mise en communication 8d est déplacé en position de repos et le tiroir de mise en communication 8g est déplacé en position motrice, tandis que le 30 35 8 piston de compression 1 commence son déplacement vers le haut de la figure comme schématisé par la flèche. La chambre chaude 3d est ainsi mise en sur pression, alors que le piston de détente 6g et la paire de chambres de travail G sont en 5 début de phase de détente. Selon la figure 2c, le déplacement vers le haut de la figure du piston de compression 1 se poursuit et la position des tiroirs de mise en communication 8g, 8d n'est pas modifiée. Le piston de détente 6g et la paire de chambres de travail 2 10 sont en fin de phase de détente, tandis que le piston de détente 6d et la paire de chambres de travail D sont en fin de phase d'élévation de la température. Selon la figure 2d, le tiroir de mise en communication 8g est déplacé en position de repos et le tiroir de mise en communication 8d est 15 déplacé en position motrice, tandis que le piston de compression 1 commence à se déplacer vers le bas de la figure, comme schématisé par la flèche. Le piston de détente 6g et la paire de chambres de travail G sont ainsi en début de phase de compression et le piston de détente 6d et 20 les chambres de travail D sont en début de phase de détente. Le déplacement en va et vient du piston de compression 1 se poursuit constamment et l'un des pistons de détente 6d, 6g est toujours moteur. Ces pistons de détente 6d, 6g sont déplacés par la diffé-25 rence de pression existant entre les cellules de détente 7-1d, 7-2d, 7-1g, 7-2g. Comme il a déjà été indiqué, l'énergie d'actionnement du piston de compression 1 qui permet de pressuriser les chambres chaudes 3d, 3g est inférieure à l'énergie produite par la détente. I1 est à noter qu'il serait possible, en modifiant la trajectoire des conduites de raccordement que le fluide de travail circule, lors d'un premier cycle, par exemple vers le piston de détente de droite, puis lors du cycle suivant, vers le piston de détente de gauche et ainsi de suite, ce sans modifier ni le principe de fonctionnement ni les performances du système. Selon la figure 3 qui correspond à la figure 2a, le moteur est équipé de deux sources chaudes mobiles 25d, 25g respectivement associées à une chambre chaude 3d, 3g et montées solidairement sur la tige 26 du piston de compression 1 de part et d'autre de ce piston. 9 Les chambres chaudes 3d, 3g sont montées en regard de la source chaude 25d, 25g associée. Par suite, lorsque le piston de compression 1 se déplace dans le cylindre de compression 2 ces sources chaudes 25d, 25g se rap- s prochent ou s'éloignent de la chambre chaude 3d, 3g associée et constituent ainsi un système retardateur susceptible de temporiser la montée en température de cette chambre chaude pendant la phase isochore. Selon les figures 5a et 5b, le piston de compression 1 est remplacé par une turbine de compression 12 et les deux pistons de dé-tente 6d, 6g sont remplacés par une turbine de détente 13. Les deux turbines 12, 13 sont reliées solidairement. Un tiroir de passage rotatif 14 permet de mettre la turbine de détente 13 en communication avec la paire de chambres de travail chaude et froide 3, 4 ou avec la paire de chambres de travail chaude et 15 froide 3', 4'. Selon la figure 5a, un second tiroir de passage rotatif 15 permet de mettre la turbine de compression 12 en communication avec la paire de chambres de travail chaude et froide 3', 4' ou avec la paire de chambres de travail chaude et froide 3, 4. 20 Selon la figure 5b, ce second tiroir de passage rotatif 15 est remplacé par des clapets anti-retour 16. Selon la partie supérieure des figures 5a et 5b, la paire de chambres chaude 3 et froide 4 est représentée en phase de compression et de montée en température, c'est-à-dire que la turbine de compression 12 25 aspire de l'air de la chambre froide 4 pour le comprimer vers la chambre chaude comme schématisé par la flèche 1. La température de l'air ainsi comprimé dans la chambre chaude 3 s'élève progressivement compte tenu de la présence du système retardateur 5. 30 Simultanément, la paire de chambres chaude 3' et froide 4' représentée à la partie supérieure de ces figures est en phase de détente motrice, c'est-à-dire que la turbine de détente 13 commande la détente de l'air préalablement comprimé dans la chambre chaude 3' vers la chambre froide 4' comme schématisé par la flèche 2. 35 A la fin de ce double processus, le tiroir de passage rotatif 14 et le cas échéant le tiroir de passage rotatif 5 est (sont) déplacé(s) de sorte que la paire de chambres chaude 3' et froide 4' située en partie basse soit en phase de compression et d'élévation en température tandis qu'au 10 contraire la paire de chambres chaude 3 et froide 4' située en partie haute soit en phase de détente motrice. Ce déplacement du ou des tiroir(s) de passage rotatif s'effectue constamment. s Il est essentiel que selon cette première variante de l'invention l'une des paires de chambres de travail 3, 4 ou 3', 4' se trouve toujours en phase de détente motrice. Selon la figure 6, le piston de compression 1 ainsi que les deux pistons de détente 6b, 6g sont remplacés par un piston unique 100 10 mobile dans un cylindre 20 de façon à subdiviser ce cylindre en deux compartiments 21, 22. Un tiroir mobile en translation 17 permet de brancher respectivement ces deux compartiments 21, 22 aux deux extrémités d'un circuit de liaison 18, 18'. 15 Ces deux circuits de liaison 18, 18' sont respectivement représentés en partie haute et en partie basse de la figure 6. Une chambre chaude 30, 30' reliée à une source chaude non représentée et équipée d'un système retardateur 50, 50' et une chambre froide 40, 40' reliée à une source froide non représentée ainsi 20 qu'un clapet anti-retour 19, 19' sont montés en série sur chacun des circuits de liaison 18, 18'. De manière plus précise, le compartiment 21 est directe-ment relié à la chambre chaude haute 30 et à la chambre froide basse 40' tandis que le compartiment 22 est directement relié à la chambre froide 25 haute 40 et à la chambre chaude basse 30'. Les clapets anti-retour 19, 19' sont montés de façon à ne permettre l'écoulement du gaz de travail que de la source froide 40, 40' vers la source chaude 30, 30' dans le sens schématisé par les flèches. Selon la figure 6, le cylindre 20 est représenté branché sur 30 le circuit de liaison haut 18 et isolé du circuit de liaison bas 18'. Dans cette position, de l'air chaud préalablement comprimé dans la chambre chaude 30 se détend en pénétrant dans le compartiment 21 et pousse le piston 100 comme schématisé par la flèche. Dans le même temps, l'air présent dans le compartiment 22 35 est comprimé et transféré dans la chambre chaude 30 dans laquelle il monte ensuite en température compte tenu de la présence du système retardateur 50.
Il Ce déplacement du piston 100 se poursuit jusqu'à ce qu'il ait atteint la butée 23, ce qui provoque la translation du tiroir 17 et la mise en communication du cylindre 20 avec le circuit de liaison bas 18'. Les phases de détente, compression et montée en tempéra- s ture du fluide de travail se produisent alors de façon similaire dans ce circuit, ce jusqu'à ce que le piston 100 ait atteint la butée 24 et soit situé dans la position représentée sur la figure 5, et ainsi de suite. Selon la figure 7, un piston unique 100' constituant à la fois un piston de détente et un piston de compression est également mobile 10 dans un cylindre 20' de façon à subdiviser ce cylindre en deux compartiments 21',22'. Ce piston 100' est solidairement relié par l'intermédiaire de tiges 101, 102 s'étendant respectivement de part et d'autre de celui-ci à deux pistons de transvasement 103d, 103g mobiles en translation en va et 15 vient dans un cylindre de transvasement 104g, 104d de façon à subdiviser ce cylindre en deux chambres respectives 105g, 105'g, 105d, 105'd. L'une de ces chambres 105g, 105d est équipée à son extrémité d'une sources chaude 106g, 106d coopérant avec un système retardateur 107g, 107d et constitue ainsi une chambre chaude tandis que 20 l'autre chambre 105'g, 105'd est équipée d'une source froide 108g, 108d et constitue ainsi une chambre froide. Par rapport à celle représentée sur la figure 6, cette configuration présente donc l'avantage de permettre de séparer les sources chaudes et les sources froides respectives.
25 Selon la figure 7, les deux compartiments du cylindre 20' sont branchés sur un circuit de liaison 109g sur lequel est monté le cylindre de transvasement 104g et sur un circuit de liaison 109d sur lequel est monté le cylindre de transvasement 104d. Un tiroir mobile en translation 110g permet de relier direc- 30 tement le compartiment 21' à la chambre chaude 105g et le compartiment 22' à la chambre froide 105'd tandis qu'un tiroir mobile en translation 110 d permet de relier directement le compartiment 21' à la chambre froide 105'd et le compartiment 22' à la chambre chaude 105d. Des clapets anti-retour 111g, 111d sont montés sur les ciras cuits de liaison 109g, 109d de façon à ne permettre l'écoulement du gaz de travail que dans un seul sens. s Le mode de fonctionnement du moteur conforme à cette alternative du moteur conforme à la seconde variant de l'invention représenté sue la figure 6. lo NOMENCLATURE 1 s 2 2-1 ; 2-2 3, 3' 3d, 3g 4, 4' 10 4d, 4g 5. 6d, 6g. 7d, 7g 7-1d, 7-1g 1s 7-2d, 7-2g 8d. 8g. 9-1d, 9-1g 9-2d, 9-2g 10 20 11 12 13 14 15 2s 16 17 18 19, 19' 20, 20' 30 21, 21' 22, 22' 23 24 25d, 25g 3s 26 30, 30' 40, 40' 50, 50' Piston de compression Cylindre de compression Compartiments de compression Chambres chaudes Chambres chaudes Chambres froides Chambres froides Système retardateur Piston de détente Cylindres de détente Cellules de détente Cellules de détente Tiroirs de mise en communication Conduites de liaison Conduites de liaison Clapets anti-retour Système bielles manivelle Turbine de compression Turbine de détente Tiroir de passage rotatif Tiroir de passage rotatif Clapets anti-retour Tiroir mobile en translation Circuits de liaison Clapets anti-retour Cylindre Compartiment Compartiment Butée Butée Sources chaudes Tige de piston Chambres chaudes Chambres froides Système retardateur 14 100, 100' Piston 101, 102 Tiges 103g, 103d Pistons de transvasement 104g, 104d Cylindres de transvasement s 105g, 105d Chambres chaudes 105'g, 105'd Chambres froides 106g, 106d Sources chaudes 107g, 107d Systèmes retardateurs 108g, 108d Sources froides 10 109g, 109d Circuits de liaison 110g, 110d Tiroirs mobiles 111g, 111d Clapets anti-retour 15