FR2994459A1 - Dispositif de compression de fluide gazeux - Google Patents

Abstract

Dispositif de compression de fluide gazeux modulaire comportant un premier étage (E1) avec une première chambre (E11) chaude, une deuxième chambre (E12) froide, un ensemble piston (7) séparant les première chambre deuxième chambres à l'intérieur d'une enceinte principale, un échangeur régénérateur (9) mettant en communication fluide les première et deuxième chambres au moyen d'au moins un premier canal de communication (F1), optionnellement des troisième et quatrième chambres (E21,E22) séparées par une cloison fixe (61) séparant les troisième et quatrième chambres mises en communication par un deuxième canal de communication (F2). Ainsi il est proposé un compresseur à un, deux ou quatre étages sur la base d'une architecture modulaire et de composants communs.

Description

Dispositif de compression de fluide gazeux La présente invention est relative aux dispositifs de compression de fluide gazeux, et traite en particulier des compresseurs thermiques régénératifs.

Contexte et Art Antérieur Plusieurs solutions techniques existent déjà pour réaliser la compression d'un gaz à partir d'une source de chaleur. Dans des compresseurs thermiques tels que ceux décrits dans les documents US2,157,229 et US3,413,815, la chaleur reçue est directement transmise au fluide à comprimer, ce qui permet d'éviter tout élément mécanique pour les étapes de compression et de refoulement. Dans les documents US2,157,229 et US3,413,815, un piston déplaceur est monté mobile dans une enceinte pour déplacer le fluide alternativement vers la source chaude ou vers la source froide. Ce piston déplaceur est fixé à une tige de commande, qui est reliée à un mécanisme de commande.

Ces dispositifs sont conçus comme des systèmes mono- étagés, le taux de compression étant limité à des valeurs faibles ou modérées. Pour certaines applications de compression nécessitant un taux de compression important, il est alors nécessaire de multiplier (par une mise en série) le nombre de compresseurs mono-étagés (deux, trois ou quatre), et de mettre en place une synchronisation mécanique entre les mécanismes de commande des différents étages, de telle sorte que la mise en oeuvre pratique serait coûteuse et complexe, et les pertes mécaniques augmentées par la multiplication des organes mécaniques, et de plus il existe des risques de défaut d'étanchéité induits par la présence du mécanisme de synchronisation, pour chaque étage. Il est apparu un besoin d'optimiser les compresseurs 35 thermiques multi-étages en question et notamment leur architecture. En particulier, il est apparu intéressant de pouvoir proposer facilement un compresseur à un, deux ou quatre étages sur la base d'une architecture modulaire et de composants communs.

Il est aussi apparu un besoin d'augmenter la durée de vie et/ou de réduire les besoins de maintenance, notamment du mécanisme d'entrainement. A cet effet, il est proposé un dispositif de compression de fluide gazeux comprenant : - une entrée de fluide gazeux à comprimer et une sortie de fluide gazeux comprimé, - une enceinte principale cylindrique renfermant du fluide gazeux, - au moins une première chambre, couplée thermiquement à 15 une source chaude adaptée pour apporter des calories au fluide gazeux, - au moins une deuxième chambre couplée thermiquement à une source froide pour transférer des calories du fluide gazeux vers la source froide, 20 - au moins un ensemble piston monté mobile dans une chemise cylindrique selon une direction axiale et séparant les première chambre et deuxième chambres à l'intérieur de ladite enceinte principale, - au moins un échangeur régénérateur disposé 25 circonférentiellement autour de la chemise et mettant en communication fluide les première et deuxième chambres au moyen d'au moins un premier canal de communication, la première chambre comportant au moins un premier passage de communication agencé à une première extrémité de 30 l'enceinte et raccordé au premier canal de communication, la deuxième chambre comportant au moins un deuxième passage de communication agencé à une deuxième extrémité de l'enceinte et raccordé au premier canal de communication, la première chambre, la deuxième chambre et le premier 35 canal de communication formant un premier étage de compression, dans lequel le dispositif comprend une pluralité de troisièmes et quatrièmes passages sous forme d'orifices agencés dans une portion intermédiaire de l'enceinte entre les première et deuxième extrémités, la pluralité des troisième et quatrième passages étant prédisposés pour le raccordement fluide de troisième et quatrième chambres pouvant être agencées dans l'enceinte principale entre les première et deuxième chambres.

Grâce à ces dispositions, un compresseur à deux étages de compression peut être obtenu simplement à partir d'un tel compresseur de base mono-étage. Selon un aspect de l'invention, le dispositif peut comprendre en outre dans la même enceinte principale 15 lesdites troisième et quatrième chambres et une première cloison fixe séparant les troisième et quatrième chambres, l'ensemble piston comprenant des premier et deuxième pistons reliés entre eux par une tige et agencés de part et d'autre de la cloison fixe, au moins un second canal de 20 communication mettant en communication les troisième et quatrième chambres au travers du régénérateur, la troisième chambre, la quatrième chambre et le deuxième canal de communication formant un deuxième étage de compression, placé fonctionnellement en série derrière le premier étage. 25 De sorte qu'on obtient un compresseur à deux étages particulièrement performant du point de vue du rendement thermique et de l'optimisation de la synchronisation entre les deux étages. Dans divers modes de réalisation de l'invention, on 30 peut éventuellement avoir recours en outre à l'une et/ou à l'autre des dispositions suivantes. Selon un aspect de l'invention, le régénérateur peut comprendre au moins deux portions angulaires de régénérateurs, indépendantes l'une de l'autre, l'ensemble 35 des portions angulaires formant un anneau agencé autour du cylindre au voisinage de la première cloison fixe ; ce qui est une disposition particulièrement optimisée pour agencer la fonction de régénération. Selon un autre aspect de l'invention, le dispositif peut comprendre N étages, N étant choisi parmi un ensemble de valeurs comprenant 2,3,4,6,8 dans lequel le régénérateur est divisé en N portions angulaires d'arc 360'/N, indépendante l'une de l'autre ; de sorte que la modularité est assurée à partir d'un compresseur mono-étage de base.

Selon un autre aspect de l'invention, le dispositif peut comprendre en outre des troisième et quatrième étages (N=4), le troisième étage comprenant une chambre chaude, une chambre froide et un troisième canal de communication, le quatrième étage comprenant une chambre chaude, une 15 chambre froide et un quatrième canal de communication. De sorte qu'un compresseur quadri-étage peut être obtenu sur une base modulaire, avec une architecture similaire au compresseur bi-étage. Selon un autre aspect de l'invention, les chambres du 20 quatrième étage peuvent être intercalées entre les chambres du troisième étage, ces dernières étant intercalées entre les chambres du deuxième étage, ces dernières étant intercalées entre les chambres du premier étage ; moyennant quoi on obtient une disposition particulièrement 25 performante pour installer quatre étages dans un seul cylindre et optimiser en particulier l'isolation thermique. Selon un autre aspect de l'invention, le dispositif peut comprendre en outre un système d'entrainement de l'ensemble piston qui comprend une chambre auxiliaire, une 30 tige solidaire de l'ensemble piston et guidée axialement, une bielle reliée à la tige, un volant d'inertie relié à la bielle, moyennant quoi le déplacement de va-et-vient de l'ensemble piston peut être auto-entretenu par ledit système d'entrainement. 35 Selon un autre aspect de l'invention, le premier canal de communication et/ou le second canal de communication et/ou le troisième ou quatrième canal de communication peut comprendre au moins une portion externe agencée au voisinage immédiat respectivement des sources chaude et/ou froide, entre le régénérateur et au moins une des extrémités de l'enceinte ; de sorte que les échanges thermiques sont maximisés pour chaque canal de communication. Selon un autre aspect de l'invention, le second canal de communication et/ou le troisième ou quatrième canal de communication comprend un alésage dans lequel est inséré un noyau dissymétrique ; moyennant quoi la portion externe à couplage thermique maximisé est facile à réaliser industriellement.

Enfin, l'invention vise également un système thermique comprenant un circuit caloporteur et un dispositif de compression tel que décrit précédemment. Le système thermique en question peut être destiné à prélever des calories dans un endroit clos et dans ce cas c'est un système de climatisation ou de réfrigération, mais le système thermique en question peut aussi être destiné à apporter des calories dans un endroit clos et dans ce cas c'est un système de chauffage comme par exemple du chauffage résidentiel ou du chauffage industriel.

D'autres aspects, buts et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante d'un mode de réalisation de l'invention, donné à titre d'exemple non limitatif. L'invention sera également mieux comprise en regard des dessins joints sur lesquels : - la figure 1 est une vue schématique en coupe axiale d'un dispositif de compression de fluide gazeux selon l'invention, avec deux étages de compression, - la figure 2 représente une schématique en coupe transversale du dispositif de la figure 1, - les figures 3a et 3b sont des vues schématiques en coupe axiale d'un dispositif de compression de fluide gazeux selon l'invention, avec quatre étages de compression, - la figure 4 représente une vue schématique en coupe 5 transversale du dispositif de la figure 3, - la figure 5 est une vue schématique en coupe axiale d'un dispositif de compression de fluide gazeux selon l'invention, avec un étage de compression, - la figure 6 représente une vue schématique en coupe 10 transversale du dispositif de la figure 5, - la figure 7 montre un diagramme du cycle thermodynamique mis en oeuvre dans un dispositif pour quatre étages, - la figure 8 représente un diagramme du cycle pour le 15 dispositif d'auto-entrainement, - la figure 9 représente un cylindre de compresseur pouvant héberger une configuration de compresseur à un, deux ou quatre étages de compression, - la figure 10 montre un dispositif d'auto-20 entrainement, - la figure 11 montre une variante du dispositif de la figure 3, et - les figures 12,12A,12B,12C montrent des détails de réalisation concernant les canaux de communication. 25 Sur les différentes figures, les mêmes références désignent des éléments identiques ou similaires. La figure 1 montre un dispositif de compression 1 de fluide gazeux, adapté pour admettre un fluide gazeux (aussi appelé 'fluide de travail') par une entrée ou admission 81, 30 à une pression Pl et fournir sur une sortie notée 82 le fluide compressé à une pression P2. Dans l'exemple illustré sur la figure 1, le dispositif de compression comprend deux étages de compression, mais selon la présente invention, un dispositif à un seul étage 35 ou à quatre étages peut être obtenu simplement à partir de la même architecture, comme il sera vu ci-après. Le dispositif est disposé de préférence verticalement selon un axe Z, et a une enceinte principale 2 de forme générale cylindrique d'axe Z. Dans l'exemple illustré, le 5 dispositif comporte une partie chaude 16 disposée dans la zone supérieure et une partie froide 15 disposée dans la zone inférieure. La partie chaude est couplée thermiquement à une source chaude 6, qui est de préférence agencée de manière adjacente autour de la partie chaude 16 de 10 l'enceinte principale, pour fournir des calories à la partie chaude du dispositif. De même, la partie froide est couplée thermiquement à une source froide 5 pour prélever des calories depuis la partie froide du dispositif. La source froide peut être par 15 exemple agencée de manière adjacente tout autour de la partie froide 15 de l'enceinte principale 2 ou de tout autre façon permettant un bon couplage thermique. À l'intérieur de l'enceinte principale 2 se trouve un moins un ensemble piston 7 monté mobile dans une chemise 50 20 (ou 'cylindre') selon la direction axiale Z. La chemise 50 est cylindrique d'axe Z d'un diamètre plus petit que le diamètre de l'enceinte principale 2. Dans l'exemple à deux étages de la figure 1, l'ensemble piston 7 comprend un premier piston 71 et un deuxième 25 piston 72 reliés entre eux par une tige 8. Entre les deux pistons 71,72 est agencée une cloison fixe 61 qui se situe à mi-hauteur entre une extrémité supérieure 2b de l'enceinte 2 et une extrémité inférieure 2a de l'enceinte 2. La cloison fixe 61 procure une isolation thermique entre 30 les parties chaude 16 et froide 15. Une bague 18 entoure la tige pour les fonctions de guidage et étanchéité. La tige 8 est entraînée dans un mouvement alterné de va-et-vient par un dispositif d'entraînement non représenté aux figures 1,3a,3b, mais dont une des formes possibles de réalisation 35 sera décrite plus loin.

Pour la partie froide 15, une première chambre froide de travail Eh l est ainsi définie entre le premier piston 71 est l'extrémité inférieure de l'enceinte 2a. Pour la partie chaude 16, une deuxième chambre chaude 5 de travail E12 est définie entre le deuxième piston 72 est l'extrémité supérieure de l'enceinte 2b. Par ailleurs, un premier canal de communication Fi relie, à l'extérieur de la chemise, la première chambre Ehl avec la deuxième chambre E12 au travers d'un échangeur 10 régénérateur 9 qui sera aussi appelé simplement régénérateur dans la suite. De la sorte, la première chambre Eh, la deuxième chambre E12 et le premier canal de communication Fi forment un ensemble appelé premier étage de compression El ayant 15 une pression interne PE1 sensiblement homogène. De plus, une troisième chambre de travail E21, du côté froid est définie entre le premier piston 71 et la cloison fixe 61, et une quatrième chambre de travail E22 coté chaud est définie entre le deuxième piston 72 et la cloison fixe 20 61. Par ailleurs, un deuxième canal de communication F2 relie, à l'extérieur de la chemise, la troisième chambre E21 avec la quatrième chambre E22 au travers d'une autre partie du régénérateur 9. De la sorte, la troisième chambre E21, la quatrième 25 chambre E22 et le deuxième canal de communication F2 forment un ensemble appelé deuxième étage de compression E2, ayant une pression interne PE2 sensiblement homogène. Il est à noter que les chambres E21,E22 du deuxième étage E2 se trouvent intercalées entre les chambres E11,E12 30 du premier étage El. Plus particulièrement, le deuxième piston 72 isole les chambres chaudes de travail E12,E22, alors que le premier piston 71 isole les chambres froides de travail E11,E21, mais avec l'adjonction d'un clapet antiretour 3a, qui sert 35 de passage monodirectionnel entre le premier étage El et le deuxième étage E2, le deuxième étage E2 étant placé fonctionnellement en série derrière le premier étage El. Quand l'ensemble piston 7 se déplace vers le haut, le volume des chambres E21 et E12 diminue alors que le volume des chambres Eh l et E22 augmente. Le premier canal de communication Fi fait passer du fluide dans le régénérateur du haut vers le bas, alors que le deuxième canal de communication F2 passer du fluide du bas vers le haut dans une autre partie du régénérateur comme il sera vu ci-après.

S'agissant du régénérateur 9, celui-ci est disposé autour de la chemise 50 à une hauteur intermédiaire entre l'extrémité supérieure 2b de l'enceinte de et l'extrémité inférieure 2a. De manière préférentielle, ledit régénérateur 9 est disposé à mi-hauteur de l'enceinte, et s'étend sur une hauteur qui peut être par exemple mais pas nécessairement voisine de l'épaisseur de la cloison fixe 61. Ledit régénérateur 9 comprend des canalisations internes 90 et des éléments de stockage d'énergie 20 thermique, sous forme d'éléments discrets ou continus, comme par exemple un réseau de fils métalliques. Le régénérateur 9 comprend une interface chaude 9b à laquelle se raccordent les parties chaudes des première et deuxième canalisations F1,F2, et une interface froide 9a à 25 laquelle se raccordent les parties froides des première et deuxième canalisations F1,F2. Par ailleurs, le régénérateur 9 est partitionné en plusieurs secteurs angulaires disposés les uns à la suite des autres de manière circonférentielle pour former un 30 anneau d'axe Z autour de la chemise 50. Comme ceci est représenté en particulier sur la figure 2, pour la version à deux étages, un ou plusieurs secteurs angulaires feront partie du premier étage de compression El, alors qu'un ou plusieurs secteurs complémentaires 35 feront partie du second étage de compression E2.

Dans l'exemple représenté ici, le régénérateur 9 est partitionné en quatre parties ou secteurs sous forme de quarts 31-34 s'étendant sur environ 90° d'arc. Les secteurs 31,32 forment une première portion 91 de régénérateur et font partie du premier étage de compression et sont raccordés au premier canal de communication F1, alors que les secteurs 33,34 forment une deuxième portion 92 de régénérateur et font partie du second étage de compression et sont raccordés au second canal de communication F2.

Le régénérateur est ainsi réparti entre une portion dédiée au premier étage et une deuxième portion dédiée au deuxième étage, le fluide traversant la première portion se dirigeant à l'opposé du fluide traversant la deuxième portion.

Les secteurs angulaires 31-34 de régénérateur sont physiquement indépendants et non reliés entre eux directement par des communications fluides. Lesdits secteurs peuvent être tous identiques et former un composant standard.

S'agissant du premier étage, la première chambre E11 comprend un premier passage de communication 51 agencé au voisinage de la première extrémité 2a, lequel premier passage est raccordé au premier canal de communication F1, en particulier la partie froide de ce dernier. La deuxième 25 chambre E12 comprend un deuxième passage de communication 52 agencé au voisinage de la deuxième extrémité 2b, lequel deuxième passage 52 est raccordé au premier canal de communication F1, en particulier la partie chaude de ce dernier. 30 S'agissant du deuxième étage, la troisième chambre E21 comprend un troisième passage de communication 53 agencé au voisinage de la cloison 61, lequel troisième passage 53 est raccordé au deuxième canal de communication F2, en particulier la partie froide de ce dernier. La quatrième 35 chambre E22 comprend un quatrième passage de communication 4 agencé au voisinage de la cloison 61, lequel quatrième passage 54 est raccordé au deuxième canal de communication F2, en particulier la partie chaude de ce dernier. Il est à noter que l'entrée 81 est raccordée au premier 5 canal de communication F1 via le clapet 81a tandis que la sortie 82 est raccordée au deuxième canal de communication F2 via le clapet 82a. Les figures 3a,3b et 4 représentent une configuration de compression à quatre étages en série, bâti sur la même 10 architecture que celle décrite ci-dessus. Dans cette configuration le dispositif comprend un premier étage de compression El qui comprend une chambre froide E11 agencée dans la partie froide 15 du compresseur et une chambre chaude E12 agencées dans la partie chaude 15 16, lesdites chambres E11,E12 étant reliées entre elles par un premier canal de communication Fi. De façon analogue à la configuration à deux étages, le dispositif comprend un deuxième étage de compression noté E2, comprenant une chambre froide E21 agencée en partie froide et une chambre 20 chaude E22 en partie chaude, lesdites chambres E21,E22 étant reliées entre elles par un deuxième canal de communication F2. Le deuxième canal de communication F2 se raccorde à la chambre froide correspondante E21 au moyen d'un ou plusieurs passages ou orifices notés 57 et se 25 raccorde à la chambre chaude correspondante E22 au moyen d'un ou plusieurs passages notés 58. En outre, le dispositif comprend un troisième étage de compression noté E3 qui comprend une chambre froide E31 agencée en partie froide et une chambre chaude E32 en 30 partie chaude, lesdites chambres E31,E32 étant reliées entre elles à l'extérieur de la chemise par un troisième canal de communication F3. Le troisième canal de communication F3 se raccorde à la chambre froide correspondante au moyen d'un ou plusieurs passages ou 35 orifices notés 55 et se raccorde à la chambre chaude correspondante au moyen d'un ou plusieurs passages notés 56. La pression régnant dans le troisième étage de compression est notée PE3. Et pour finir, le dispositif comprend un quatrième 5 étage de compression noté E4 qui comprend une chambre froide E41 agencée en partie froide et une chambre chaude E42 en partie chaude, lesdites chambres E41,E42 étant reliées entre elles à l'extérieur de la chemise par un quatrième canal de communication F4. Le quatrième canal de 10 communication F4 se raccorde à la chambre froide correspondante au moyen d'un ou plusieurs passages ou orifices 53 déjà mentionnés et se raccorde à la chambre chaude correspondante au moyen d'un ou plusieurs passages notés 54 déjà mentionnés. La pression régnant dans le 15 quatrième étage de compression est notée PE4. Tel qu'illustré, les chambres du quatrième étage E4 sont intercalées entre les chambres du troisième étage E3, qui elles-mêmes sont intercalées entre les chambres du deuxième étage E2, qui à leur tour sont intercalées entre 20 les chambres du premier étage El. Il serait toutefois possible d'ordonner les étages et les chambres différemment sans sortir du cadre de la présente invention, par exemple en partant de l'extrémité chaude 2b avoir une disposition E3,E4,E1,E2 pour la partie chaude et E4,E3,E2,E1 pour la 25 partie froide. L'ensemble piston 7 comprend un premier piston 71, deuxième piston 72, un troisième piston 73 et un quatrième pistons 74. Les premier et deuxième pistons 71,72 séparent les chambres des premier et deuxième étages E1,E2 comme 30 décrit dans le cas de la configuration à deux étages, alors que les troisième et quatrième pistons 73,74 séparent de manière analogue les chambres des troisième et quatrième étages E3,E4. Les quatre pistons sont reliés entre eux solidairement par la tige 8 qui coulisse dans la bague 18. 35 Outre la cloison fixe médiane 61 déjà mentionnée plus haut et encore présent ici, on dispose deux autres cloisons fixes 62,63, pour séparer respectivement les chambres des second et troisième étages de compression (cf Figures 3a,3b).

Pour faire communiquer les différents étages de compression entre eux, on dispose un premier clapet anti retour 3a dans le premier piston comme déjà mentionné, ce qui permet au fluide d'être transféré du premier étage vers le second étage et bloque le mouvement inverse. De manière similaire, on dispose second clapet anti retour 3b dans la troisième cloison fixe 63 ce qui permet au fluide d'être transféré du second étage vers le troisième étage et bloque le mouvement inverse. Enfin, on dispose troisième clapet anti retour 3c dans le troisième piston 73 ce qui permet au fluide d'être transféré du troisième étage vers le quatrième étage et bloque le mouvement inverse. S'agissant du régénérateur 9, en se référant à la figure 4, chaque secteur angulaire (ici chaque quart) est affecté spécifiquement à un étage. Ainsi le premier secteur 20 angulaire 31 forme la première portion 91 de régénérateur, le deuxième secteur angulaire 32 forme la deuxième portion 92 de régénérateur, le troisième secteur angulaire 33 forme la troisième portion 93 de régénérateur, et enfin le quatrième secteur angulaire 34 forme la quatrième portion 25 94 de régénérateur. Dans cette configuration, l'entrée 81 est raccordée au premier canal de communication F1 tandis que la sortie 82 est raccordée au quatrième canal de communication F4. Les figures 5 et 6 représentent une configuration de 30 compression à un seul étage, bâti sur la même architecture que de celles décrites ci-dessus. L'ensemble piston 7 est formé par un piston unique de grand volume qui occupe un volume équivalent à des chambres des étages supérieurs non utilisées. 35 Un seul canal de communication Fi extérieure à la chemise est nécessaire et fait communiquer l'unique chambre froide E11 avec l'unique chambre chaude E12. Les troisième et quatrième passages 53,54, qui forment une prédisposition à la version à deux étages, peuvent être partiellement ou totalement obturés, soit directement soit par une mise en communication avec un canal borgne, soit encore comme il sera décrit plus loin. De même dans la configuration mono-étage, les séries de passages supplémentaires 55-58, qui forment une prédisposition à la version à quatre étages, s'ils sont présents, seront obturés ou condamnés par tous moyen approprié. Dans cette configuration mono-étage, l'entrée 81 et la sortie 82 sont raccordées au premier canal de communication 15 F1, pas nécessairement au même endroit, par exemple à des endroits diamétralement opposés pour conserver l'homogénéité avec la configuration à deux étages. Le fonctionnement du compresseur, qu'il soit mono, bi ou quadri-étages est assuré par le mouvement alternatif du 20 piston 7, ainsi que par l'action du clapet d'aspiration 81a sur l'entrée 81, du clapet anti-retour 82a de refoulement sur la sortie 82. Les différentes étapes A,B,C,D, décrites ci-après sont représentées sur les figures 3,5 et 7, la figure 7 montre 25 l'évolution des pressions respectives PE1,PE2,PE3,PE4 dans les étages respectifs et des températures respectives par rapport à la course de l'ensemble piston 7, sachant que les cycles concernant PE3,PE4 ne sont pertinents que pour la version à quatre étages. 30 Fonctionnement du compresseur bi-étage Etape A. L'ensemble piston 7, initialement en haut, se déplace vers le bas et le volume des chambres E12,E21 augmente alors que volume des chambres E22,E11 diminue. De par le 35 fait, le fluide du premier étage est poussé au travers de la première partie de régénérateur 91 du bas vers le haut, et se réchauffe au passage dans le premier canal de communication Fi et dans la partie de régénérateur correspondante. De façon concomitante, le fluide du deuxième étage est poussé au travers de la deuxième partie de régénérateur 92 du haut vers le bas, et se refroidit au passage au passage dans le deuxième canal de communication F2 et dans la partie de régénérateur correspondante. Etape B.

Lorsque les pressions PE1 et PE2 à une certaine valeur notée PT12, le clapet anti retour 3a s'ouvre. Les clapets 81a et 82a restent fermés pendant ce temps. Du fluide de travail et par conséquent transféré du premier étage vers le deuxième étage. L'étape B se termine à la fin de la course descendante. Etapes C (premier étage) et C' (deuxième étage). L'ensemble piston 7 se déplace maintenant du bas vers le haut et le volume des chambres E22,E11 augmente alors que le volume des chambres E12,E21 diminue. De par le fait, le fluide du premier étage est poussé au travers de la première partie de régénérateur 91 du haut vers le bas, et se refroidit au passage dans le premier canal de communication Fi et dans la partie de régénérateur correspondante. De façon concomitante, le fluide du deuxième étage est poussé au travers de la deuxième partie de régénérateur 92 du bas vers le haut, et se réchauffe au passage au passage dans le deuxième canal de communication F2 et dans la partie 92 de régénérateur correspondante. Concernant l'étape C qui concerne le premier étage, la 30 pression PE1 diminue jusqu'à être inférieure à la pression d'admission Pl, à ce moment le clapet d'admission 81a s'ouvre. De même, pour l'étape C' concourante à C, qui concerne le deuxième étage la pression PE2 augmente jusqu'à devenir supérieure à la pression de refoulement P22 ici 35 égale à la pression de sortie P2 ; à ce moment le clapet de refoulement 82a s'ouvre. Les étapes C et C' ne se terminent pas forcément au moment, et les ouvertures des deux clapets peuvent être décalées dans le temps.

Etape D. Dans cette étape, du fluide de travail est expulsé de la chambre E21 par la sortie 82 à la pression de refoulement P22, alors que du fluide à la pression P1 est admis dans la chambre E11. L'étape B se termine à la fin de la course montante. Quadri-étages S'agissant du fonctionnement pour le compresseur à quatre étages, en se référant à la figure 7, le fonctionnement pour les deux premiers étages est identique à ce qui a été décrit ci-dessus hormis le fait que à l'étape D la sortie du deuxième étage expulse du gaz à la pression PT23 non pas vers la sortie mais vers le troisième étage au travers du clapet 3b. Au cours de l'étape A, de façon tout-à-fait similaire 20 à ce qui a été décrit pour les deux premiers étages, la pression PE3 augmente dans le troisième étage, alors que la pression PE4 diminue dans le quatrième étage. Au cours de l'étape B, du fluide de travail à la pression P134 est refoulé au travers du clapet 3c depuis le 25 troisième étage vers le quatrième étage. Au cours des étapes C et C", de façon tout-à-fait similaire à ce qui a été décrit pour les deux premiers étages, la pression PE3 diminue dans le troisième étage, (étape C") alors que la pression PE4 augmente dans le 30 quatrième étage (étape C), et ceci jusqu'à ce que la pression PE4 atteignent la pression de sortie P2, moment auquel le clapet 82a s'ouvre. Le clapet 3b s'ouvre lorsque PE3 devient inférieure à PE2. Les ouvertures des clapets 81a, 3b et 82a peuvent se faire de manière décalée dans le 35 temps.

Au cours de l'étape D, qui commence à la fin respective des étapes C,C',C", du fluide est expulsé du quatrième étage à la pression P24 vers la sortie 82, simultanément avec le transfert de fluide entre le deuxième étage et le troisième étage au travers du clapet 3b à la pression P123, et l'admission du fluide sur l'entrée 81. Mono-étage Pour la configuration à un seul étage, seul le cycle concernant le premier étage 'PE1' est à considérer sur la figure 7. Dans ce cas, la pression de sortie P2 est équivalente à la pression de refoulement PE12 du premier étage. Version tri-étagée Il est possible également de réaliser un compresseur à 15 trois étages sur la base de la même architecture avec des composants standard communs. Pour ce faire, on peut par exemple condamner l'utilisation du quatrième étage, supprimer le clapet 3c et prélever la sortie du compresseur sur le troisième canal de communication F3. Il est possible 20 de partitionner le régénérateur en trois secteurs de 120° d'arc ou de n'utiliser que trois des quatre quarts de régénérateur susmentionnés. La figure 5 (et aussi la figure 11) fait apparaître un mode de réalisation pour le dispositif d'entraînement de la 25 tige et de l'ensemble piston, ce mode de réalisation peut être appliqué de façon tout-à-fait similaire aux configurations à deux étages ou quatre étages décrites ci-dessus. Les mouvements de la tige 8 peuvent être commandés par 30 tout dispositif d'entrainement adéquat ; dans l'exemple illustré aux figures 5 et 10, il s'agit d'un dispositif d'auto-entrainement 4 agissant sur une extrémité de la tige. Ce dispositif d'auto-entrainement 4 comprend un volant d'inertie 42, une bielle 41 relié audit volant par 35 une liaison pivot. La bielle 41 est reliée à la tige par une autre liaison pivot. Dans l'exemple illustré, le dispositif d'autoentrainement 4 est hébergé dans une chambre auxiliaire EO remplie du fluide gazeux de travail à une pression notée 5 Pa. La bague d'étanchéité 18 est interposée entre la chambre Eh l et la chambre auxiliaire EO. Lorsque le dispositif est en fonctionnement, la pression Pa dans la chambre auxiliaire EO converge vers une pression moyenne sensiblement égale à la demi-somme des pressions mini 10 PElmin et maxi PElmax du premier étage. Lorsque le dispositif est à l'arrêt depuis un certain temps, la pression dans la chambre auxiliaire E0 devient égale de la pression régnant dans les chambres du premier étage E11,E12. La force exercé sur la tige 8 peut s'écrire sous 15 la forme (PE1-Pa)xS, S étant la section de la tige. Le cycle thermodynamique, tel que représenté à la figure 8, qui montre la résultante des efforts sur la section de la tige en fonction de son déplacement axial X1 fournit un travail positif au dispositif d'auto- 20 entrainement représenté par l'aire Wa illustrée sur le diagramme. Il en résulte que le déplacement de va-et-vient de l'ensemble piston 7 peut être auto-entretenu par ledit système d'entrainement 4. Les pressions s'équilibrent globalement sur le train de 25 piston 7 sauf sur la section équivalente de la tige 8. Le travail d'auto-entrainement est proportionnel à la section S de la tige et par conséquent la section S de la tige sera choisie de manière à générer suffisamment de travail. La vitesse de rotation du volant d'inertie 42 et donc 30 la fréquence des allers-retours de l'ensemble piston 7 s'établit lorsque la puissance dépensée dans les frottements atteint la puissance délivrée sur la tige par le cycle thermodynamique. Comme illustré sur la figure 10, un carter 98 enfermant 35 la chambre auxiliaire E0 présente une embase 93 qui est fixée au cylindre 50 par des moyens de fixations classiques 99. De plus le système d'entrainement 4 peut comprendre un moteur électrique 95 qui est couplé au volant d'inertie 42 au travers d'un arbre 94 centré sur Y. Dans l'exemple 5 représenté dans la figure 10, le moteur électrique 95 est situé à l'intérieur du carter 98, donc à l'intérieur de l'enceinte où le gaz est confiné à la pression Pa. Seuls les conducteurs 96 permettant d'alimenter le moteur traversent la paroi du carter, mais sans aucun mouvement 10 relatif ce qui rend possible une étanchéité poussée. Dans la variante non représentée, le moteur électrique est réalisé sous une forme particulière avec un rotor disque, par exemple à aimant permanent, qui est situé à l'intérieur de l'enceinte contre la paroi et un stator 15 situé en vis-à-vis à l'extérieur de l'enceinte contre la paroi. Dans ce cas les circuits de commande électromagnétiques et les conducteurs 96 sont situés à l'air libre. Il est toutefois entendu que le moteur pourrait être 20 entièrement situé à l'air libre à l'extérieur du carter 98 mais dans ce cas un joint tournant est nécessaire autour de l'arbre. De plus, ledit moteur électrique 95 couplé au volant d'inertie, est adapté pour impartir un mouvement de 25 rotation initial au volant d'inertie de sorte que l'entrainement autonome est initialisé. En outre, le moteur peut être piloté en mode génératrice par une unité de contrôle (non représentée), moyennant quoi le volant d'inertie peut être freiné et la vitesse de rotation du 30 volant d'inertie peut être régulée. En fonctionnement normal la puissance mécanique fournie au dispositif d'auto-entraînement 4 sera plus grande que les pertes par frottements, de telle sorte qu'une puissance électrique résiduelle sera disponible (mode normal de 35 fonctionnement en génératrice). Cette puissance électrique complémentaire sera utilisable pour les récepteurs électriques extérieurs au compresseur, y compris son système de régulation, l'entrainement des pompes ou ventilateurs d'un cycle frigorifique, la recharge d'un accumulateur de démarrage, ou des besoins de co-génération. La figure 9 montre une disposition possible pour les différentes séries de passages 53-58 aménagés dans le cylindre 50 dans lequel se déplace l'ensemble piston 7. Comme il ressort des différentes descriptions 10 précédentes, les cloisons fixes 61,62 63 sont optionnelles et ne sont installées que si elles sont requises pour la configuration à construire. De même, les séries d'orifices supplémentaires 55-58 pourraient être absentes si la configuration à quatre 15 étages n'est pas proposée. Il est à noter que bien que les passages orifices des séries 53-58 soient représentés sur toute la circonférence, il est aussi possible de disposer chacune des séries d'orifices sur uniquement un secteur angulaire nécessaire 20 par exemple sur 180° pour les séries 53 et 54, et par exemple sur 90° pour les séries 55-58. Pour des raisons de standardisation, on pourra fabriquer un cylindre convenant à la fois à la configuration à 1, 2, 3 ou 4 étages et organiser la 25 condamnation des orifices non utilisés par fermeture extérieure comme il sera décrit ci-après. Conformément à une variante représentée à la figure 11, il peut être prévu une diminution du volume des chambres des troisième et quatrième étages pour tenir compte de 30 l'augmentation de pression. À cet effet, on dispose dans les chambres froides et les chambres chaudes des troisième et quatrième étages respectivement des bagues de remplissage 48,49, dont le diamètre intérieur correspond au diamètre extérieur des troisième et quatrième pistons 35 73,74, ce diamètre étant substantiellement plus petit que le diamètre des premiers et deuxième pistons 71,72. Pour conserver l'aspect standard de la chemise cylindrique 50, la position des séries d'orifice 53,54 et le cas échéant les séries d'orifice 55-58 ne nécessite pas de modification, grâce aux passages de transfert 47 aménagés dans les bagues de remplissage susmentionnées. Les figures 12, 12A, 12B et 12C montrent un mode de réalisation particulièrement avantageux concernant les canaux de communication F1-F4, et plus particulièrement les canaux de communication F2-F4 qui se raccordent à des passages ou orifices qui ne sont pas disposés aux extrémités de l'enceinte. Pour maximiser le couplage thermique entre le canal de communication et la source de chaleur respective chaude ou froide, on prévoit au moins une portion externe 67 agencée au voisinage immédiat de l'enceinte. Pour la partie froide 15, la portion externe 67 du canal de communication F2-F4 s'étend entre l'interface froide 9a du régénérateur et l'extrémité inférieure 2a de l'enceinte. Pour la partie chaude 16, la portion externe 67 du canal de communication F2-F4 s'étend entre l'interface chaude 9b du régénérateur et l'extrémité supérieure 2b de l'enceinte. Selon l'exemple illustré d'ici, qui vise une optimisation industrielle de fabrication de tels canaux de communication F2-F4, on pratique un alésage 64 non débouchant dans une pièce d'armature 88, dont la surface intérieure forme le cylindre 50 et la surface extérieure forme l'enveloppe extérieure de l'enceinte 2. Ledit alésage 64 est réalisé selon une direction parallèle à l'axe Z ; un des passages radiaux 53-58 débouche dans cet alésage 64. De plus, il est formé une partie plus évasée 77 à l'embouchure de cet alésage pour se raccorder au régénérateur 9. Dans cet alésage 64 est placé un insert ou noyau 66 dissymétrique dont la forme permet de délimiter une portion 35 de canal interne 68 et une portion de canal externe 67 pour le canal de communication. En effet, l'insert 66 comprend d'une part une portion diamétrale 69 insérée sans jeu dans l'alésage 64 dans une direction circonférentielle et d'autre part une portion d'obturation 76 qui force le fluide à s'écouler depuis l'orifice 53-58 tout d'abord par la portion de canal interne 68 puis par la portion de canal externe 67, à l'endroit duquel l'échange thermique et maximisé du fait de la proximité de la source chaude ou froide.

De plus, la forme du noyau 66 peut être avantageusement utilisée pour obturer un ou plusieurs orifices 53-58 qui doivent être obturés dans la configuration utilisée. L'embouchure d'un orifice à obturer repéré 74 est, dans l'exemple illustré, fermé par la présence de la portion d'obturation 76. De même, pour un orifice à obturer repéré 75 qui se situent entre l'orifice actif 79 et l'extrémité de l'enceinte, on prévoit une portion d'obturation auxiliaire 78 qui permet de fermer l'embouchure de cet orifice 75 à obturer (cf Fig. 12C). Ceci représente une solution pratique et pertinente pour fermer sélectivement les embouchures extérieures des séries d'orifice 53-58 qui ne sont pas utilisés pour la configuration à construire et qui donc par conséquent doivent être fermés. L'homme du métier comprend à la lecture de la description ci-dessus qu'il est possible de prévoir une gamme de compresseurs modulaires bâtis sur une architecture commune et plusieurs composants standards, ladite gamme pouvant comprendre un type de compresseurs mono-étage, un type de compresseur bi-étage, un type de compresseur quadri-étage, sans exclure des configurations à trois étages six étages ou plus. En particulier le cylindre est un composant commun, les parties ou secteurs de régénérateur sont aussi des composants communs. Les cloisons fixes 61-63 sont des composants optionnels tout comme les bagues de remplissage 48,49. La gestion de différents types d'inserts 66 permet d'obtenir la configuration souhaitée. Concernant l'embiellage 41,42 du dispositif d'auto entraînement 4, sa géométrie doit être adaptée à la course 5 de l'ensemble piston 7 qui est d'autant plus courte que le nombre d'étages est élevé comme ceci ressort des figures. Il est à noter que la partition angulaire du régénérateur pourrait être différente de quatre secteurs angulaires de 90°, mais qu'une partition avantageuse 10 consiste à diviser 360° par le nombre d'étages, c'est-à-dire 360°/N si N est le nombre d'étages. Il est à noter que les premier et deuxième passages ne sont pas nécessairement des orifices, mais peuvent être formés par une ouverture radiale ou toute disposition 15 particulière de bout de cylindre. Il pourrait y avoir non pas un seul mais une pluralité de clapets 3a,3b,3c répartis circonférentiellement dans les pistons ou cloisons concernés. Il est à noter que le ou les pistons 7 décrits ci-20 dessus sont munis sur leur bordure périphérique d'un système d'étanchéité plus ou moins performant selon les choix technologiques retenus. Il est à noter que l'épaisseur de la cloison médiane 61 pourrait être augmentée pour améliorer l'isolation 25 thermique entre les parties chaude 16 et froide 15 du dispositif de compression 1. Ainsi l'épaisseur de la cloison 61 pourrait être voisine ou légèrement supérieure à la course de la tige 8. Il est à noter que, pour éviter un réchauffement du 30 fluide d'un étage à l'autre, on pourrait prévoir un dispositif de refroidissement interne à l'intérieur de la troisième cloison 63. De même pour améliorer le comportement dynamique des clapets anti retour entre les différents étages, on 35 pourrait agencer dans les premier et troisième pistons 71,73 et dans la troisième cloison fixe 63 un volume interne de compensation (non représenté) ; ce qui permet d'éviter un déphasage éventuel des pressions dans les chambres froides.

Le fluide de travail utilisé peut être choisi parmi le fluide adéquat, en particulier il peut comprendre des composants hydrofluorocarbones comme le R410A, R407C, R744 ou équivalent ; on pourra tout aussi bien choisir le CO2 pour des raisons environnementales.

On pourra choisir une vitesse de mouvement alterné pour le compresseur dans la gamme des 5Hz to 10Hz (300 à 600 tours/min). Les pressions mises en j eu dans les différents étages de compression peuvent all er d'une dizaine de bars à 15 plusieurs centaines de bars, suivant le fluide de travail choisi.

Claims (10)

1. REVENDICATIONS1. Dispositif de compression de fluide gazeux, comprenant : - une entrée de fluide gazeux à comprimer et une sortie de fluide gazeux comprimé, - une enceinte principale (2) cylindrique renfermant du fluide gazeux, - au moins une première chambre (E11), couplée thermiquement à une source chaude (6) adaptée pour apporter des calories au fluide gazeux, - au moins une deuxième chambre (E12) couplée thermiquement à une source froide (5) pour transférer des calories du fluide gazeux vers la source froide, - au moins un ensemble piston (7) monté mobile dans une chemise cylindrique (50) selon une direction axiale (Z) et séparant les première chambre et deuxième chambres à l'intérieur de ladite enceinte principale, au moins un échangeur régénérateur (9) disposé 20 circonférentiellement autour de la chemise et mettant en communication fluide les première et deuxième chambres au moyen d'au moins un premier canal de communication (F1), la première chambre (E11) comportant au moins un premier passage (51) de communication agencé à une première 25 extrémité (2a) de l'enceinte et raccordé au premier canal de communication, la deuxième chambre (E12) comportant au moins un deuxième passage (52) de communication agencé à une deuxième extrémité (2b) de l'enceinte et raccordé au premier canal de communication, 30 la première chambre (E11), la deuxième chambre (E12) et le premier canal de communication (F1) formant un premier étage de compression (El), dans lequel le dispositif comprend une pluralité de troisièmes (53) et quatrièmes (54) passages sous forme 35 d'orifices agencés dans une portion intermédiaire del'enceinte entre les première et deuxième extrémités, la pluralité des troisième et quatrième passages étant prédisposés pour le raccordement fluide de troisième et quatrième chambres (E21,E22) pouvant être agencées dans l'enceinte principale entre les première et deuxième chambres.
2. 2. Dispositif de compression de fluide gazeux selon la revendication 1, comprenant en outre dans la même enceinte principale lesdites troisième et quatrième chambres (E21,E22) et une première cloison fixe (61) séparant les troisième et quatrième chambres, l'ensemble piston comprenant des premier et deuxième pistons (71,72) reliés entre eux par une tige (8) et agencés de part et d'autre de la cloison fixe, au moins un second canal de communication (F2) mettant en communication les troisième et quatrième chambres au travers du régénérateur, la troisième chambre (E21), la quatrième chambre (E22) et le deuxième canal de communication (F2) formant un deuxième étage de compression (E2), placé fonctionnellement en série derrière le premier étage (El).
3. 3. Dispositif de compression de fluide gazeux selon la revendication 2, dans lequel le régénérateur (9) comprend au moins deux portions angulaires (91,92) de régénérateurs, indépendante l'une de l'autre, l'ensemble des portions angulaires formant un anneau agencé autour de la chemise (50) au voisinage de la première cloison fixe (61).
4. 4. Dispositif de compression de fluide gazeux selon la revendication 3, comprenant N étages, N étant choisi parmi un ensemble de valeurs comprenant 2,3,4,6,8 dans lequel le régénérateur est divisé en N portions angulaires d'arc 360°/N, indépendante l'une de l'autre.35
5. 5. Dispositif de compression de fluide gazeux selon la revendication 4, comprenant en outre dans la même enceinte principale des troisième (E3) et quatrième (E4) étages (N=4), le troisième étage comprenant une chambre chaude (E31), une chambre froide (E32) et un troisième canal de communication (F3), le quatrième étage comprenant une chambre chaude (E41), une chambre froide (E42) et un quatrième canal de communication (F4).
6. 6. Dispositif de compression de fluide gazeux selon la revendication 5, dans lequel les chambres du quatrième étage (E4) sont intercalées entre les chambres du troisième étage (E3), qui elles-mêmes sont intercalées entre les chambres du deuxième étage (E2), qui à leur tour sont intercalées entre les chambres du premier étage (El).
7. 7. Dispositif de compression l'une des revendications 1 à 6, système d'entrainement (4) de comprend une chambre solidaire de l'ensemble bielle (78) reliée à la tige, u de fluide gazeux selon comprenant en outre un l'ensemble piston qui (8) une n volant d'inertie (77) auxiliaire (E0), une tige piston et guidée axialement, relié à la bielle, moyennant quoi le déplacement de va-etvient de l'ensemble piston peut être auto-entretenu par 25 ledit système d'entrainement.
8. 8. Dispositif de compression de fluide gazeux selon l'une des revendications 5 à 6, dans lequel le premier canal de communication (F1) et/ou le second canal de 30 communication (F2) et/ou le troisième (F3) ou quatrième (F4) canal de communication comprend au moins une portion externe (67) agencée au voisinage immédiat respectivement des sources chaude et/ou froide, entre le régénérateur et au moins une des extrémités (2a,2b) de l'enceinte. 35
9. 9. Dispositif de compression de fluide gazeux selon la revendication 8, dans lequel le second canal de communication (F2) et/ou le troisième (F3) ou quatrième (F4) canal de communication comprend un alésage (64) dans lequel est inséré un noyau dissymétrique (66).
10. 10. Système thermique comprenant un circuit caloporteur et un dispositif de compression de fluide gazeux selon l'une des revendications précédentes.