FR3037994A1 - Dispositif de coordination du mouvement des pistons d'une machine de compression et de detente - Google Patents

Abstract

Dispositif de coordination (22) du mouvement des pistons (14) d'une machine de compression et détente utilisée dans un système de récupération d'énergie thermique, comprenant : - un premier arbre d'entrée (20) destiné à être relié à une première paire de pistons (14a-14b) ; - un deuxième arbre d'entrée (21) destiné à être relié à une deuxième paire de pistons (14b-14d), les deux arbres (20, 21) ayant un mouvement relatif l'un par rapport à l'autre et étant coaxiaux selon un axe X. Ce dispositif de coordination se caractérise en ce qu'il comprend également des moyens de régulation de la vitesse du mouvement des pistons (14) via les deux arbres d'entrée (20, 21).

Description

1 Dispositif de coordination du mouvement des pistons d'une machine de compression et de détente Domaine de l'invention La présente invention s'applique au domaine de la transformation de l'énergie thermique en travail. Elle vise plus particulièrement un dispositif de coordination du mouvement des pistons d'une machine de compression et de détente de type ciseaux destinée à être utilisée, en particulier, dans un système faisant travailler un fluide pour valoriser les pertes thermiques d'un moteur, par exemple à l'échappement ou sur tout autre source chaude. Ce fluide effectue un cycle au cours duquel il doit être pompé ou comprimé pour entrer dans un échangeur avant de pouvoir ensuite, fournir de l'énergie mécanique par une détente. Etat de la technique Ce type de machine de compression et de détente comporte classiquement un corps avec au moins une chambre de révolution autour d'un axe de symétrie et divisant la chambre en cellules tournant avec les pistons. La machine comporte en outre un dispositif de coordination du mouvement desdits pistons configuré pour que, lors d'un tour de rotation, chaque cellule effectue au moins un premier cycle d'expansion/contraction correspondant à une étape de compression d'un premier flux de gaz passant par cette cellule et au moins au deuxième cycle d'expansion/contraction correspondant à une étape de détente d'un deuxième flux de gaz passant par cette cellule. Le brevet US 7255086 B2 présente un dispositif de coordination du mouvement des pistons d'une machine ciseaux pour un moteur à combustion interne. Une couronne dentée est fixée au milieu de la machine, et des roues dentées gravitent autour de la couronne. Les pistons sont fixés aux roues dentées via des bielles-manivelles. Ainsi, le mouvement alternatif des pistons est transformé en mouvement de rotation continue de la couronne dentée. L'ensemble des pièces se trouve à l'intérieur d'un même espace comprenant à la fois les pistons, la chambre de travail, et le dispositif de coordination (engrenages avec bielles-manivelles). Par conséquent, cette machine présente un diamètre extérieur conséquent pour contenir toutes les pièces, et le dispositif de coordination subit les mêmes contraintes de température que la chambre de travail, ce qui n'est pas recommandé pour la 3037994 2 tenue des pièces à long terme. Ce type d'agencement présente également d'autres inconvénients, à savoir : - une étanchéité complexe à mettre en oeuvre entre le dispositif de coordination et la chambre de travail ; 5 des liaisons fragiles entre les arbres et les pistons ; une démultiplication des liaisons pivots (trois par piston) et donc des pièces formant le dispositif de coordination ; une cinématique rigide car il n'est pas possible de moduler la vitesse des arbres et des pistons.

10 Le brevet US 7730869 B2 illustre un autre dispositif de coordination pour une machine ciseaux, avec un train épicycloïdal à galet pour un moteur à combustion interne. Cependant, ce dispositif présente les mêmes inconvénient que ceux cités précédemment, notamment en ce qui concerne l'augmentation du diamètre extérieur de la machine, un dispositif de coordination qui subit des contraintes de haute température et de haute 15 pression, un risque élevé de fuite entre la chambre de travail et le dispositif de coordination, et une cinématique qui n'est pas flexible. Résumé de l'invention 20 La présente invention a pour objectif de pallier les différents inconvénients énoncés ci-dessus, au moyen d'un dispositif de coordination du mouvement des pistons d'une machine de compression et de détente, qui permette d'assurer les étapes d'admission, compression, chauffage, détente, et échappement d'un fluide de travail et ce tout en 25 restituant de l'énergie mécanique via une transformation de l'énergie thermique. Le dispositif selon l'invention doit être compact, robuste, fonctionner avec un minimum de pièces, être étanche vis-à-vis de la chambre de travail et des pistons, et permettre de réguler la vitesse des pistons via une cinématique flexible afin d'améliorer les performances de la machine.

30 L'invention concerne un dispositif de coordination du mouvement des pistons d'une machine de compression et détente utilisée dans un système de récupération d'énergie thermique, comportant : un premier arbre d'entrée destiné à être relié à une première paire de pistons ; un deuxième arbre d'entrée destiné à être relié à une deuxième paire de 35 pistons, les deux arbres ayant un mouvement relatif l'un par rapport à l'autre et étant coaxiaux selon un axe X.

3037994 3 Un exemple de machine de compression et de détente est une machine de type ciseaux. Ces deux paires de pistons permettent aux cellules de la chambre de travail 5 d'effectuer un nombre pair de cycles d'expansion/contraction lors d'un tour de rotation. Plus précisément, le dispositif de coordination est configuré pour que chaque cellule effectue le même nombre de premiers cycles d'expansion/contraction correspondant à une étape de détente de fluide que de deuxième cycle d'expansion/contraction correspondant à une étape de compression de fluide.

10 Les pistons de chaque paire ont un mouvement solidaire et sont, par exemple, diamétralement opposés. Le fait que les deux arbres d'entrée aient un mouvement relatif l'un par rapport à l'autre permet de faire varier le volume des cellules tournantes pour que d'un côté, la diminution du volume s'apparente à une phase de contraction / compression, tandis que de 15 l'autre côté l'augmentation du volume de la cellule constitue une phase d'expansion / détente. L'invention se caractérise à titre principal en ce que le dispositif de coordination comprend également des moyens de régulation de la vitesse du mouvement des pistons via les deux arbres d'entrée.

20 Ces moyens de régulation de la vitesse du mouvement des pistons permettent de moduler la vitesse des pistons par des accélérations ou des ralentissements à des moments précis au cours des différents cycles, afin d'augmenter les performances de la machine.

25 Plus précisément, lesdits moyens de régulation de la vitesse du mouvement des pistons consistent en au moins un premier linguet entraîné par le premier arbre d'entrée et apte à venir au contact d'un chemin de came interne fixe au sein de la machine de compression et détente, et en au moins un deuxième linguet entraîné par le deuxième arbre d'entrée et apte à venir au contact d'un chemin de came externe fixe au sein de la machine 30 de compression et détente. Chaque linguet canalise le mouvement de rotation de l'arbre d'entrée correspondant. En effet, la forme du chemin de came sur lequel glisse le linguet impose aux deux pistons fixés sur l'arbre correspondant un profil de vitesse prédéfinie, avec des accélérations et des ralentissements. L'existence de deux chemins de came permet une gestion indépendante du 35 profil de vitesse des deux paires de pistons, la synchronisation d'ensemble des deux paires de pistons étant gérée par un mécanisme d'engrenages qui sera décrit plus loin. Ainsi une 3037994 4 paire de pistons peut prendre de l'avance ou du retard par rapport à l'autre paire de pistons via l'action des linguets. L'idée à la base de l'invention est d'introduire des zones d'accélération ou de 5 ralentissement des pistons notamment lors de leur passage devant les ouvertures de la machine, pour l'admission du fluide, la sortie du fluide vers l'échangeur, l'entrée du fluide en provenance de l'échangeur, et enfin l'échappement du fluide. En effet, la variation de la vitesse des pistons permet de modifier la loi de volume, c'est-à-dire de faire varier le volume des cellules, et par conséquent de faire varier le remplissage de la machine à des moments 10 clés lors d'un tour de rotation. Cela permet de contrôler plus précisément les phases d'échanges avec l'échangeur et les temps de passage devant les ouvertures d'entrée/sortie basse pression (c'est-à-dire admission et échappement) et haute pression (c'est-à-dire entrée/sortie échangeur) de la machine. Ce contrôle du remplissage permet d'augmenter les performances de la machine.

15 Concrètement, chaque chemin de came présente au moins un tronçon avec une variation de profil entraînant une variation de vitesse du mouvement de la paire de pistons correspondant. . La variation de profil peut consister par exemple en une vague ou un plat pratiqué(e) sur le chemin de came. Cette vague ou ce plat doit être positionné(e) à un emplacement bien précis sur le chemin de came. Ces variations de profil peuvent également 20 être utilisées de façon avantageuse pour rattraper les jeux dus aux dispersions, par exemple lors de l'usinage des pièces, du montage ou suite à des défauts de forme. Cela peut se faire en modifiant le profil théorique du chemin de came pour reprendre les défauts réels constatés sur les pièces finies et montées. De façon pratique, les deux chemins de came sont démontables. Cela permet de 25 passer facilement d'une loi de volume à une autre, simplement en changeant le profil du chemin de came. Selon une configuration possible, chaque linguet est fixé à une roue dentée satellite gravitant autour d'un arbre d'entrée via un pignon. Ainsi les linguets suivent le mouvement 30 de gravitation des roues dentées autour des pignons, tout en étant en permanence en contact avec les chemins de came, de façon à accélérer ou ralentir ce mouvement de gravitation et influencer la vitesse des pistons. Les roues dentées satellites et les pignons font partie du mécanisme d'engrenages qui sera décrit plus loin.

35 Plus précisément, chaque linguet se compose : - d'un arbre dont un tronçon d'extrémité est inséré et fixé dans un orifice central prévu à cet effet dans la roue dentée correspondante ; 3037994 5 - d'une patte s'étendant radialement de l'arbre, et dont l'extrémité libre est apte à venir au contact du chemin de came correspondant prévu à cet effet dans une plaque fixe au sein de la machine ciseaux.

5 Selon l'invention, le dispositif de coordination comprend également : un arbre de sortie de la machine de compression et de détente ; un mécanisme d'engrenages entre les arbres d'entrée et l'arbre de sortie comprenant : o un premier ensemble d'engrenages transmettant un premier mouvement 10 discontinu de rotation du premier arbre d'entrée à l'arbre de sortie ; o un deuxième ensemble d'engrenages transmettant second un mouvement discontinu de rotation du deuxième arbre d'entrée à l'arbre de sortie, complémentaire du premier mouvement, ledit arbre de sortie ayant un mouvement de rotation continu ; 15 les ensembles d'engrenages comprenant des moyens d'entrainement mutuel. Ainsi, les ensembles d'engrenages comportent une liaison leur permettant de s'entrainer mutuellement, en fonction de la rotation des arbres d'entrée. Le premier ensemble d'engrenage peut entrainer leur deuxième ensemble, et inversement. Ces moyens 20 d'entrainement mutuel comprennent notamment les ensembles linguets / chemins de came tels que décrit précédemment. Le couple généré sur l'arbre de sortie est ensuite redonné au moteur thermique, par exemple via une transmission. Dans un autre mode de réalisation, ce couple peut être utilisé pour générer un courant électrique.

25 L'utilisation d'engrenages pour assurer la cinématique du dispositif de coordination permet de réduire le nombre de pièces, et de garantir un mécanisme robuste. De préférence, le premier mouvement discontinu de rotation du premier arbre d'entrée correspond à un demi-tour de rotation de l'arbre de sortie. Le second mouvement discontinu de rotation du deuxième arbre d'entrée correspond à un demi-tour de rotation de 30 l'arbre de sortie, complémentaire du premier demi-tour. Selon l'invention le dispositif de coordination du mouvement des pistons est réversible, la rotation de l'arbre de sortie entraînant la rotation des arbres d'entrée, de telle sorte que, dans la phase d'admission/compression l'arbre de sortie machine est le point 35 d'entrée. Dans ce cas, la rotation de l'arbre de sortie entraîne la rotation des arbres d'entrée, et a fortiori la rotation des deux paires de pistons via le mécanisme d'engrenages, avec un rapprochement d'une paire de pistons par rapport à l'autre qui entraîne la compression du 3037994 6 fluide. Dans la phase de détente, c'est l'éloignement d'une paire de pistons par rapport à l'autre qui entraîne la rotation des arbres d'entrée et donc le mouvement de rotation de l'arbre de sortie, et ce via le même mécanisme d'engrenages. Ainsi, dans la phase de compression le couple généré sur l'arbre de sortie est négatif, tandis que dans la phase de 5 détente le couple généré sur l'arbre de sortie est positif. Le bilan final sur un tour de rotation de l'arbre de sortie doit être positif pour générer un gain d'énergie. Le mécanisme d'engrenages va être décrit plus précisément. Tout d'abord, les premier et deuxième ensembles d'engrenages sont décalés 10 angulairement par rapport à l'axe X. Ensuite, chaque ensemble d'engrenages consiste en : un pignon fixé autour de l'arbre d'entrée ; au moins une roue dentée satellite gravitant autour dudit pignon et pourvue de moyens de double engrènement du pignon et de la roue dentée satellite de l'autre ensemble 15 d'engrenages, ces moyens de double engrènement appartenant auxdits moyens d'entrainement mutuel des ensembles d'engrenages. Selon une configuration possible, chaque ensemble d'engrenages comprend deux roues dentées satellites, gravitant autour du pignon et étant diamétralement opposées par rapport au pignon. Ceci permet de répartir la charge et les efforts transmis par le pignon sur 20 deux roues dentées au lieu d'une seule. Ainsi, les efforts subis par chaque roue dentée sont réduits, et il est donc également possible de réduire la taille des roues en conséquence. Le fait que les deux roues dentées satellites sont montées à 180° l'une par rapport à l'autre permet de répartir la masse de la même façon des deux côtés du pignon, et contribue à réduire les acyclismes et les effets dynamiques indésirables.

25 Avantageusement, toutes les roues dentées satellites ont les mêmes caractéristiques techniques (module d'élasticité, diamètre, nombre de dents, etc). Selon une configuration possible, lesdits moyens de double engrènement d'une roue dentée satellite d'un ensemble d'engrenages consistent en un secteur angulaire de dents divisé en deux zones présentant deux longueurs de dent selon un axe parallèle à l'axe de 30 rotation de la roue dentée satellite, une zone dotée de dents courtes étant prévue pour engrener le pignon, l'autre zone dotée de dents longues étant prévue pour engrener à la fois le pignon et la roue dentée satellite proximale appartenant à l'autre ensemble d'engrenages. Par conséquent, la roue dentée peut entraîner à elle seule deux autres pièces du mécanisme. Ce double engrènement est très avantageux puisqu'il permet encore de réduire 35 le nombre de pièces dans le mécanisme. Par ailleurs, les roues dentées sont taillées uniquement sur un secteur angulaire, et non pas sur tout le périmètre extérieur, de sorte à ne garder que les parties fonctionnelles. Cela permet d'alléger le poids du mécanisme 3037994 7 d'engrenages, de minimiser les frottements et de diminuer l'encombrement du mécanisme. Il en est de même pour les pignons qui ne sont taillés que sur un secteur angulaire. Avantageusement, les deux arbres d'entrée et l'arbre de sortie sont coaxiaux, l'arbre de sortie étant solidaire d'un flasque entraîné en rotation par les deux roues dentées 5 satellites. Le flasque récupère en entrée les mouvements discontinus de rotation des roues dentées qui se complètent de manière à former un mouvement continu de rotation qu'il transmet en sortie à l'arbre de sortie. Optionnellement, le dispositif de coordination selon l'invention est compris dans une 10 boîte cinématique séparée fluidiquement de l'espace où évoluent les pistons. Cette configuration permet de lubrifier correctement le mécanisme d'engrenages et d'éviter d'introduire du lubrifiant dans la chambre de travail où tournent les pistons. Cette séparation permet également à la boîte cinématique de ne pas subir les contraintes de température, de pression, et de frottement sec qui existent dans la chambre de travail. Et surtout, cette boîte 15 cinématique est modulable quelle que soit la forme et la taille de la chambre de travail (forme cylindrique, ovoïde, toroïdal). Cette boîte cinématique est dotée de moyens de régulation de la température interne consistant en un couvercle externe apte à venir fermer la boîte cinématique et doté d'un orifice d'entrée et d'un orifice de sortie d'un fluide, de type eau ou huile, circulant à l'intérieur 20 de la boîte cinématique. Ainsi, le fluide qui est injecté dans la boîte cinématique est toujours à une température bien précise, pour atteindre une viscosité bien précise, afin d'assurer une lubrification optimale. L'invention concerne également et plus généralement une machine de compression 25 et détente de type ciseaux utilisée dans un système de récupération d'énergie thermique, comprenant un dispositif de coordination du mouvement des pistons tel que décrit ci-dessus. Présentation des figures 30 L'invention va à présent être décrite plus en détail, en référence aux figures annexées, pour lesquelles : la figure 1 présente schématiquement l'installation d'un système selon l'invention pour valoriser l'énergie des gaz d'échappement d'un moteur thermique ; la figure 2 présente schématiquement le fonctionnement d'une machine ciseaux à 35 pistons selon l'invention dans un système de récupération d'énergie ; la figure 3 est une vue éclatée qui illustre l'association entre les deux arbres d'entrée et les deux paires de pistons ; 3037994 8 la figure 4 est une vue éclatée d'un dispositif de coordination du mouvement des pistons selon une première configuration de l'invention ; la figure 5 est une vue en coupe du dispositif de coordination de la figure 4 illustrant le mécanisme d'engrenages ; 5 les figures 6, 7 et 8 sont des vues agrandies respectivement d'un pignon, d'une roue dentée, et d'un ensemble linguet / roue dentée, selon une première configuration de l'invention ; la figure 9 montre une vue de profil et une vue de face du couvercle de la boîte cinématique du dispositif de coordination ; 10 la figure 10 représente une loi de volume classique ; la figure 11 représente une loi de volume via des chemins de came selon l'invention ; la figure 12 représente le profil de vitesse des pistons selon l'invention ; les figures 13 et 14 sont des vues en coupe du dispositif de coordination au niveau du premier arbre d'entrée et du deuxième arbre d'entrée respectivement selon une 15 deuxième configuration de l'invention ; la figure 15 est une vue agrandie d'un pignon selon la deuxième configuration de l'invention ; la figure 16 est une vue en coupe du dispositif de coordination au niveau des linguets et des chemins de came, selon une deuxième configuration de l'invention ; 20 les figures 17 et 18 sont des vues en coupe reprenant la figure 16 et montrant des zones sensibles de fonctionnement ; La figure 19 est vue éclatée d'un dispositif de coordination du mouvement des pistons selon une deuxième configuration de l'invention.

25 Description détaillée L'invention concerne une machine rotative à pistons, qui est dans cet exemple de type ciseaux, conçue pour être utilisée dans un système de récupération d'énergie en faisant travailler un fluide suivant un cycle comprenant les étapes d'admission, compression, 30 chauffage puis de détente, échappement, comme cela été exposé précédemment. L'exemple de réalisation de l'invention est présenté dans le cadre d'une intégration sur un véhicule automobile propulsé par un moteur thermique, pour valoriser l'énergie dissipée par les gaz d'échappement. Cependant, le déposant n'entend pas limiter la portée de son invention à ce cadre car il est facile de transposer le type de source de chaleur ou d'énergie 35 récupérée à d'autres installations.

3037994 9 Le système schématiquement présenté en exemple sur la figure 1 utilise de l'air comme fluide de travail, avec un cycle ouvert. L'air est aspiré à condition atmosphérique ambiante avant compression puis rejeté dans l'atmosphère après la détente. Comme il a été expliqué plus haut, ce choix est avantageux en termes d'intégration sur un véhicule mais il 5 n'exclut pas le choix d'un cycle fermé, avec refroidissement du fluide de travail dans d'autres installations. Le système décrit en exemple comporte ici : - une source chaude constituée par les gaz d'échappement circulant dans la 10 ligne d'échappement 1 en provenance du moteur thermique 2 ; un échangeur de chaleur 3 entre ces gaz d'échappement et l'air, placé sur la ligne d'échappement 1 ; - une machine 4 de compression et détente, effectuant d'une part la compression de l'air allant dans l'échangeur 3, d'autre part la détente de l'air chaud sortant 15 de l'échangeur 3 ; des conduites 5 pour faire circuler l'air comprimé de la machine 4 vers l'échangeur 3 et des conduites 6 pour renvoyer l'air chauffé dans l'échangeur 3 vers la machine 4 ; des conduites 7 pour aspirer l'air ambiant vers la machine 4 et des conduites 20 8 pour rejeter l'air ayant travaillé vers l'atmosphère ; un système 9 d'entraînement et de récupération d'énergie. Dans le mode de réalisation présenté sur la figure 1 le système 9 d'entraînement et de récupération d'énergie est un moyen de transmission mécanique entre l'axe 10 de la 25 machine 4 de compression et de détente et l'arbre 11 du moteur entraînant le véhicule, destiné à récupérer le supplément de couple apporté par l'axe 10. Dans une variante, ce système 9 peut être un moteur électrique relié à l'axe 10 de la machine 4, destiné à fonctionner en générateur sous l'action de l'axe 10.

30 En référence à la figure 2, la machine 4 ciseaux à pistons comprend un corps creux 12a formant une chambre 12 cylindrique de section transversale circulaire autour d'un axe X. Le corps creux 12a comporte quatre lumières formant des ouvertures 16, 17, 18, 19 dans la chambre 12. En tournant dans le sens contraire des aiguilles d'une montre (sens 35 antihoraire) : une première ouverture 16 est située en bas et est destinée à être reliée à la conduite 7 aspirant l'air ambiant, 3037994 10 une deuxième ouverture 17 est située en haut, sensiblement à la verticale de la première ouverture 16, et est destinée à être reliée à la conduite 5 envoyant l'air dans l'échangeur 3, une troisième ouverture 18 est située également en haut, proche de la 5 deuxième ouverture 17, et est destinée à être reliée à la conduite 6 amenant l'air sortant de l'échangeur 3, une quatrième ouverture 19 est située en bas, sensiblement à la verticale de la troisième ouverture 18 et proche de la première ouverture 16, et est destinée à être reliée à la conduite 8 rejetant l'air dans l'atmosphère.

10 Quatre pistons 14a, 14b, 14c, 14d tournant autour de l'axe X sont installés à l'intérieur de la chambre 12. Ils sont configurés pour occuper chacun une portion de secteur angulaire d'angle donné entre la paroi cylindrique extérieure de la chambre 12 et une surface cylindrique intérieure 13 de section transversale à l'axe de rotation X circulaire.

15 Ces pistons 14 sont groupés en deux paires de pistons diamétralement opposés. Les pistons de chaque paire sont solidaires. Par contre, les deux paires de pistons peuvent tourner autour de l'axe de manière différente, en s'écartant ou se rapprochant. De cette manière, les quatre pistons 14 définissent deux à deux et entre la paroi extérieure de la 20 chambre 12 et la surface intérieure 13, quatre cellules 15a, 15b, 15c, 15d dont le volume peut augmenter ou diminuer. Le mouvement des deux paires de pistons est coordonné de telle sorte que chacune des quatre cellules 15a, 15b, 15c, 15d suive deux cycles d'expansion et de contraction tout 25 en passant devant les quatre ouvertures 16, 17, 18, 19 de la chambre 12. Pour obtenir ce résultat, comme illustré en figure 3, une première paire de pistons 14a-14c est reliée à un premier arbre d'entrée 20 creux qui laisse passer un deuxième arbre d'entrée 21 auquel est fixé la deuxième paire de pistons 14b-14d. De cette manière les deux 30 paires de pistons 14a-14c, 14b-14d, peuvent être entraînées séparément en rotation par les deux arbres d'entrée 20, 21. Les deux arbres d'entrée 20, 21 traversent une face transversale de la paroi de la chambre 12 et sont couplés, à l'extérieur de cette chambre 12, entre eux et/ou avec l'arbre 35 de sortie 10 de la machine ciseaux 4, par un dispositif de coordination 22 de leurs mouvements, tel qu'illustré en figure 4, qui leur permet de réaliser les cycles d'expansion/contraction des cellules 15a, 15b, 15c, 15d tandis que l'arbre de sortie 10 de la 3037994 11 machine 4 suit un mouvement de rotation régulier. Ce dispositif de coordination comporte plus précisément un mécanisme d'engrenages entre les arbres d'entrée 20, 21 et l'arbre de sortie 10.

5 A l'extrémité de chaque arbre d'entrée 20, 21, est fixé un pignon 23, 24, par exemple via des cannelures intérieures 25. Les deux pignons 23, 24 sont concentriques et décalés angulairement. Ils sont illustrés plus précisément sur les figures 3 et 6. Chaque pignon 23, 24 comporte une partie fonctionnelle extérieure avec des dents 26 pour engrener une autre pièce, mais uniquement sur un secteur angulaire bien précis, de sortie à alléger le poids du 10 pignon 23, 24 et à diminuer l'encombrement du mécanisme. Autour de chaque pignon 23, 24 gravite une roue dentée satellite 27, 28, telle qu'illustrée en figure 7. Tout comme le pignon 23, 24, la roue dentée 27, 28 comporte une partie fonctionnelle extérieure avec des dents pour engrener au moins une autre pièce, mais 15 uniquement sur un secteur angulaire bien précis, de sorte à alléger le poids de la roue dentée 27, 28 et à diminuer l'encombrement du mécanisme. Plus précisément, ce secteur angulaire comprend deux longueurs de dents : une zone avec des dents courtes 29 pour l'engrènement avec le pignon 23, 24, et une zone avec des dents longues 30 pour l'engrènement à la fois du pignon 23, 24 et de la roue dentée 27, 28 voisine. Ainsi, chaque 20 roue dentée 27, 28 engrène le pignon correspondant 23, 24 via des dents à la fois courtes 29 et longues 30 qui sont réparties de façon homogène sur toute la périphérie du secteur angulaire. En d'autres termes, la roue dentée 27, 28 comprend un premier étage de dents 29, 30 réparties de façon homogène sur toute la périphérie du secteur angulaire, et un second 25 étage de dents 30 localisées dans le prolongement des dents du premier étage, et réparties sur une partie seulement de la périphérie du secteur angulaire, afin d'alléger encore le poids de la roue dentée 27, 28. Un linguet 32, 33 est fixé sur chaque roue dentée 27, 28, comme illustré en figure 8.

30 Le linguet 32, 33 se compose : - d'un arbre 34 dont un premier tronçon d'extrémité est inséré et fixé dans un orifice central 31 prévu à cet effet dans la roue dentée 27, 28 ; - d'une patte 35, s'étendant radialement de l'arbre 34, et dont l'extrémité libre 36 est apte à venir au contact d'un chemin de came 37, 38 prévu à cet effet dans une plaque 39 35 fixe au sein de la machine ciseaux, et représentée aux figures 4 et 5.

3037994 12 Chaque linguet 32, 33 décrit donc un mouvement de gravitation autour des arbres d'entrée 20, 21 reproduisant le mouvement de gravitation de la roue dentée 27, 28 à laquelle il est solidarisé.

5 La plaque 39 appartient au dispositif de coordination 22 du mouvement des pistons, et réalise une séparation entre d'un côté l'espace où évoluent les pistons 14, et de l'autre côté l'espace comprenant le mécanisme d'engrenages du dispositif de coordination 22. Cette plaque 39 est d'allure circulaire, et comprend un orifice central traversé par les deux arbres d'entrée 20, 31.

10 Sur la face orientée du côté du mécanisme d'engrenages se trouvent des parties en reliefs, dont le pourtour constitue un chemin de came. Une première partie en relief 40 se trouve au niveau de la périphérie de la plaque 39, et la bordure interne de ce relief 40 forme un chemin de came dit « interne » 37. Une seconde partie en relief 41 se trouve sur la zone centrale de la plaque 39, et la bordure externe de ce relief 41 forme un chemin de came dit 15 « externe » 38. Ces deux chemins de came 37, 38 ont une allure ovale. La patte 35 du linguet 32 de la roue dentée 27 solidaire du premier arbre d'entrée 20 via le pignon 23 évolue sur le chemin de came interne 37, tandis que la patte 35 du linguet 33 de la roue dentée 28 solidaire du second arbre d'entrée 21 via le pignon 24 évolue sur le 20 chemin de came externe 38. L'arbre de sortie 10 est fixé sur un flasque 42 dans lequel se trouvent deux orifices 43, 44 aptes à accueillir deux tronçons cylindriques 45 saillant respectivement des deux roues dentées 27, 28 et coaxiaux avec l'axe de rotation des roues dentées 27, 28. Ce 25 flasque 42 est ainsi entraîné par ces deux tronçons cylindriques 45, et suit le mouvement de gravitation, et non pas de rotation, des roues dentées 27, 28 autour des pignons 23, 24. Pour une meilleure tenue mécanique, le flasque 42 est fixé via quatre vis 48 à un plateau tournant 46 fixé à la plaque 39 via un roulement à billes 47. Quatre entretoises 49 permettent de garantir une distance prédéfinie entre le flasque 42 et le plateau tournant 46. Ce dernier suit 30 donc le mouvement de rotation du flasque 42. De la même manière, le second tronçon d'extrémité de l'arbre 34 de chaque linguet 32, 33 est monté libre en rotation dans un orifice 50 prévu à cet effet dans le plateau tournant 46. Par conséquent les mouvements des linguets 32, 33, du plateau tournant 46, 35 des roues dentées 27, 28, et du flasque 42 sont liés.

3037994 13 La cinématique du dispositif de coordination du mouvement des pistons va à présent être décrite. Les pistons 14a, 14b, 14c, 14d tournant dans le sens contraire des aiguilles d'une 5 montre, la machine ciseaux 4 fait circuler l'air de manière discontinue dans le système, par aspiration/refoulement de bouffées de gaz correspondant au passage des cellules 15a, 15b, 15c, 15d devant les ouvertures 16, 17, 18, 19, de la chambre 12. Les pistons 14a, 14b, 14c, 14d sont identiques en taille et les deux paires de pistons 10 14a-14c, 14b-14d suivent le même mouvement de manière déphasée. Les quatre cellules 15a, 15b, 15c, 15d suivent donc un cycle identique au cours d'une rotation complète, qui est décrit ci-après pour indiquer comment la machine fait circuler l'air. La machine aspire de l'air haute pression, provenant de l'échangeur 3, par l'ouverture 15 18 haute de gauche et renvoie cet air détendu à basse pression vers l'atmosphère par l'ouverture 19 basse de gauche. En effet, la cellule 15c, située entre le piston 14c presque arrêté vers le haut et le piston 14d qui s'en éloigne, est le siège d'une détente de l'air qu'elle contient. Cet air 20 provient de l'ouverture 18 relié à la sortie de l'échangeur 3 lorsque le piston 14c du haut n'occultait pas l'ouverture d'arrivée d'air 18. La détente de l'air comprimé chaud entraine la deuxième paire de pistons 14b-14d en rotation autour de l'axe X et non seulement permet de comprimer l'air froid présent dans la 25 cellule 15b, mais engendre aussi une énergie mécanique qui va être transmise au dispositif de coordination 22 via le deuxième arbre d'entrée 21. En effet, la rotation du deuxième arbre d'entrée 21 et donc du pignon 24 dans le sens antihoraire va entraîner : - la gravitation de la roue dentée 28 dans le sens antihoraire, qui va entraîner la rotation du flasque 42 dans le sens antihoraire, et donc à fortiori la rotation de l'arbre de 30 sortie 10 dans le sens antihoraire, et la gravitation de la roue dentée 27 dans le sens antihoraire ; - la rotation de la roue dentée 28 dans le sens horaire, qui va à son tour entraîner la rotation de la roue dentée 27 dans le sens antihoraire, qui va provoquer une petite rotation du pignon 23 dans le sens antihoraire, et donc à fortiori une petite rotation du premier arbre 35 20 et de la première paire de pistons 14a-14c dans le sens antihoraire. Le dispositif de coordination 22 utilise ainsi une partie de l'énergie engendrée par la détente de l'air comprimé pour faire bouger également la deuxième paire de pistons 14a-14c 3037994 14 et faire effectuer à la machine ciseaux 4 les étapes d'admission d'air dans la cellule 15a et d'envoi de l'air comprimé de la cellule 15b vers l'échangeur. Le dispositif de coordination 22 restitue l'énergie restante sur l'arbre de sortie 10 de la machine ciseaux 4.

5 Le circuit de retour se termine dans la cellule 15d située entre le piston 14a presque arrêté vers le bas et le piston 14d qui le rattrape. En se contractant la cellule 15d refoule l'air détendu vers l'atmosphère par l'ouverture 19.

10 Par un mécanisme symétrique, lorsque le piston 14c a dépassé l'ouverture 18, et que l'air comprimé chaud est entré dans la cellule 15b, alors s'opère une détente de l'air comprimé qui va accélérer le mouvement de la première paire de pistons 14a-14c, tandis que la deuxième paire de pistons 14b-14d bouge au ralenti grâce à la récupération d'une partie de l'énergie engendrée par la détente de l'air comprimé, comme expliqué 15 précédemment. En effet, cette nouvelle détente de l'air comprimé chaud dans la cellule 15b entraîne la première paire de pistons 14a-14c en rotation autour de l'axe X et non seulement permet de comprimer l'air froid présent dans la cellule 15a, mais engendre aussi une énergie 20 mécanique qui va être transmise au dispositif de coordination 22 via le premier arbre d'entrée 20. En effet, la rotation du premier arbre d'entrée 20 et donc du pignon 23 dans le sens antihoraire va entraîner : - la gravitation de la roue dentée 27 dans le sens antihoraire, qui va entraîner la rotation du flasque 42 dans le sens antihoraire, et donc à fortiori la rotation de l'arbre de 25 sortie 10 dans le sens antihoraire, et la gravitation de la roue dentée 28 dans le sens antihoraire ; - la rotation de la roue dentée 27 dans le sens horaire, qui va à son tour entraîner la rotation de la roue dentée 28 dans le sens antihoraire, qui va provoquer une petite rotation du pignon 24 dans le sens antihoraire, et donc à fortiori une petite rotation du deuxième 30 arbre 21 et de la deuxième paire de pistons 14b-14d dans le sens antihoraire. Le dispositif de coordination 22 utilise ainsi une partie de l'énergie engendrée par la détente de l'air comprimé pour faire bouger également la deuxième paire de pistons 14b-14d et faire effectuer à la machine ciseaux 4 les étapes d'admission d'air dans la cellule 15d et d'envoi de l'air comprimé de la cellule 15a vers l'échangeur.

35 Le dispositif de coordination 22 restitue l'énergie restante sur l'arbre de sortie 10 de la machine ciseaux 4.

3037994 15 Les étapes suivantes consistent en une accélération de la deuxième paire de pistons 14b-14d, puis une accélération de la première paire de pistons 14a-14c. Ces quatre étapes d'accélération sont réparties sur un tour complet des pistons, et engendre un tour complet de l'arbre de sortie 10. La moitié de ce tour est généré grâce à 5 l'énergie en provenance de la première paire de pistons 14a-14c et donc du premier arbre d'entrée 20, via un premier ensemble d'engrenages 23, 27, et l'autre moitié de ce tour est généré grâce à l'énergie en provenance de la deuxième paire de pistons 14b-14d et donc du deuxième arbre de sortie 21 via un deuxième ensemble d'engrenages 24, 28.

10 Le système fonctionne en mode récupération dès que l'énergie fournie par la détente est supérieure à l'énergie de compression et aux pertes du dispositif. L'invention porte également sur un autre point important, à savoir la régulation de la vitesse du mouvement des pistons. Cette régulation est effectuée via les linguets 32, 33 et 15 les chemins de came 37, 38. Plus précisément, la gravitation des deux roues dentées 27, 28 entraîne la gravitation des arbres 34 des linguets 32, 33 autour des arbres d'entrée 20, 21 et le coulissement des pattes 35 des linguets 32, 33 sur les deux chemins de came 37, 38. Mais ces derniers peuvent contenir des tronçons présentant une légère variation de profil, afin d'introduire des 20 zones d'accélération ou de ralentissement des pistons 14. La figure 10 montre un graphique représentant la variation du volume d'air (en m3) dans une cellule 15 en fonction de l'angle (en degré) du vilebrequin, c'est-à-dire de l'angle du piston 14 au sein de la chambre de travail. Il s'agit d'un exemple de loi de volume normale. Le volume augmente et diminue de façon constante selon la courbe.

25 La figure 11 montre un graphique où la loi de volume est modifiée par l'introduction de quatre plats 51, 52, 53, 54 sur la courbe qui correspondent à des variations du profil des chemins de came 37, 38. Les plats 51 et 53 correspondent à un ralentissement puis une accélération de l'augmentation du volume, et les plats 52 et 54 correspondent à un ralentissement puis une accélération de la diminution du volume.

30 Ces variations du profil du chemin de came 37, 38 provoquent concrètement des accélérations et des ralentissements dans le mouvement de gravitation des linguets 32, 33, et donc à fortiori dans le mouvement de gravitation des roues dentées 27, 28 et le mouvement de rotation des pignons 23, 24, des arbres d'entrée 20, 21 et enfin des pistons 14 à des emplacements stratégiques sur le tour de rotation, notamment lors du passage des 35 pistons devant les différentes ouvertures 16, 17, 18, 19 de la machine. Le profil de vitesse des pistons 14 est indiqué en figure 12. Ce graphique montre l'évolution du régime des pistons 14 (en tr/min) en fonction de l'angle de l'arbre principal de 3037994 16 sortie 10 (en degré). Ce graphique permet de visualiser simultanément le profil de vitesse d'une paire de pistons 58 et de l'autre paire de pistons 59. Une petite zone 60 de plat est visible sur ces deux profils de vitesse 58 et 59, et résulte d'une variation du profil des chemins de came 37, 38.

5 Toutes les pièces mentionnées ci-dessus appartenant au dispositif de coordination 22 du mouvement des pistons 14 sont contenues dans une boîte cinématique séparée fluidiquement de l'espace où évoluent les pistons 14, notamment grâce à la plaque 39 qui constitue le socle de la boîte cinématique et qui comprend des moyens d'étanchéité au 10 niveau de l'orifice accueillant les arbres d'entrée 20, 21. Un couvercle 55, représenté en figure 9, vient s'emboîter sur le socle et enfermer le mécanisme d'engrenages et les ensembles linguets/chemins de came pour former la boîte cinématique. Ce couvercle 55 comprend un orifice d'entrée 56 et un orifice de sortie 57 d'un fluide, de type eau ou huile, pour lubrifier toute la mécanique contenue dans la boîte cinématique. Le fluide entrant dans 15 la boîte est à une température optimale pour la lubrification. La circulation du fluide permet de régénérer en permanence le fluide et de conserver une température de lubrification constante, sans surchauffe. Les figures 13 à 19 montrent un autre exemple de réalisation, où chaque ensemble 20 d'engrenages comprend désormais deux roues dentées satellites 27a, 27b, 28a, 28b au lieu d'une seule. Dans ce cas, le pignon central 23', 24' est taillé des deux côtés pour pouvoir s'engrener à la fois avec les deux roues dentées satellites 27a, 27b, 28a, 28b montées à 180° l'une de l'autre, comme cela est visible aux figures 13 à 15. Le pignon 23', 24' comprend ainsi deux parties fonctionnelles extérieures avec des 25 dents 26a, 26b pour engrener les autres pièces, mais toujours sur un secteur angulaire bien précis, de sortie à alléger le poids du pignon 23', 24' et à diminuer l'encombrement du mécanisme. Puisqu'il y a quatre roues dentées satellites 27a, 27b, 28a, 28b, il y a également quatre linguets 32a, 32b, 33a, 33b, dont deux 33a, 33b circulent sur le chemin de came 30 externe 38, et deux 32a, 32b circulent sur le chemin de came interne 37, comme illustré en figure 16. Avantageusement, l'utilisation de deux linguets par pignon permet de réduire les pressions de contact entre le linguet et le chemin de came correspondant. Cela permet d'avoir des pièces plus petites et une durée de vie prolongée.

35 La solution optimale est celle où les linguets ont tous les mêmes caractéristiques techniques (longueur, rayon, matériau, etc...). Cela permet d'avoir les mêmes linguets sur 3037994 17 les deux chemins de came, et de réduire les coûts de fabrication et surtout d'éviter les erreurs lors du montage et de n'avoir qu'une seule référence de pièce pour les linguets. Les figures 17 à 18 montrent deux exemples d'agencement optimal des linguets dans 5 le dispositif de coordination. Ces figures reprennent le contour général 103 de la plaque 39 contenant le chemin de came interne 37 et le chemin de came externe 38. Le diamètre maximal (respectivement minimal) du chemin de came interne 37 est illustré par le cercle 101 (respectivement 100). Le diamètre maximal (respectivement minimal) du chemin de came externe 38 est illustré 10 par le cercle 102 (respectivement 104). Sont également représentés : le premier arbre d'entrée 20 le deuxième arbre d'entrée 21 les pignons 23' et 24' 15 l'arbre 34 des quatre linguets. Sur la figure 17, les quatre linguets ont une patte dont l'extrémité libre 36 est circulaire et en contact avec les chemins de came 37, 38, et les roues dentées satellites 27a, 27b, 28a, 28b présentent des dents sur la totalité de leur pourtour circulaire. Sur la figure 18, les quatre linguets ont une patte en forme de demi-lune avec une 20 extrémité libre simplement arrondie en contact avec les chemins de came 37, 38, et les roues dentées satellites 27a, 27b, 28a, 28b présentent des dents sur un secteur angulaire seulement. Ces deux figures 17 et 18 diffèrent également par le dimensionnement des différentes pièces.

25 Dans tous les cas, il est important de respecter les règles suivantes au niveau de différentes zones sensibles afin que le mécanisme puisse correctement fonctionner : Zone sensible 108 : le diamètre minimal (cercle 104) du chemin de came extérieur 38 doit être supérieur au diamètre maximal des arbres 20, 21 afin de pouvoir les loger à l'intérieur ; 30 Zones sensibles 105 et 106: les arbres 34 des linguets ne doivent jamais entrer en collision avec les chemins de came 37, 38, c'est-à-dire qu'ils doivent toujours rester compris entre les cercles 102 et 100 ; Zone sensible 107 : il ne doit pas y avoir d'interaction entre un linguet circulant sur le chemin de came externe 38 et un linguet voisin circulant sur le chemin de came 35 interne 37.

3037994 18 La figure 19 présente également un mode de réalisation dans lequel sont mis en oeuvre quatre linguets en contact avec les chemins de came 37, 38, et avec quatre roues dentées satellites 27a, 27b, 28a, 28b.

5 Les configurations montrées aux figures citées ne sont que des exemples possibles, nullement limitatifs, de l'invention qui englobe au contraire les variantes de formes et de conceptions à la portée de l'homme de l'art.

Claims (7)

1. REVENDICATIONS1. Dispositif de coordination (22) du mouvement des pistons (14) d'une machine de compression et détente utilisée dans un système de récupération d'énergie thermique, comportant : un premier arbre d'entrée (20) destiné à être relié à une première paire de pistons (14a-14b) ; un deuxième arbre d'entrée (21) destiné à être relié à une deuxième paire de pistons (14b-14d), les deux arbres (20, 21) ayant un mouvement relatif l'un par rapport à l'autre et étant coaxiaux selon un axe X ; caractérisé en ce qu'il comprend également des moyens de régulation de la vitesse du mouvement des pistons (14) via les deux arbres d'entrée (20, 21).
2. 2. Dispositif de coordination (22) du mouvement des pistons (14) d'une machine de compression et détente selon la revendication précédente, caractérisé en ce que lesdits moyens de régulation de la vitesse du mouvement des pistons comprennent : un premier linguet (32) entraîné par le premier arbre d'entrée (20) et apte à venir au contact d'un chemin de came interne (37) fixe au sein de la machine de compression et détente ; un deuxième linguet (33) entraîné par le deuxième arbre d'entrée (21) et apte à venir au contact d'un chemin de came externe (38) fixe au sein de la machine de compression et détente.
3. 3. Dispositif de coordination (22) du mouvement des pistons (14) d'une machine de compression et détente selon la revendication précédente, caractérisé en ce que chaque chemin de came (37, 38) présente au moins un tronçon avec une variation de profil entraînant une variation de vitesse du mouvement de la paire de pistons (14) correspondant.
4. 4. Dispositif de coordination (22) du mouvement des pistons (14) d'une machine de compression et détente selon l'une des revendications 2 à 3, caractérisé en ce qu'au moins l'un des deux chemins de came (37, 38) sont démontables.
5. 5. Dispositif de coordination (22) du mouvement des pistons (14) d'une machine de compression et détente selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que 3037994 20 chaque linguet (32, 33) est fixé à une roue dentée satellite (27, 28) gravitant autour d'un arbre d'entrée (20, 21) via un pignon (23, 24).
6. 6. Dispositif de coordination (22) du mouvement des pistons (14) d'une machine de 5 compression et détente selon la revendication précédente, caractérisé en ce que chaque linguet (32, 33) comprend : - un arbre (34) dont un tronçon d'extrémité est inséré et fixé dans un orifice central (31) prévu à cet effet dans la roue dentée (27, 28) correspondante ; - une patte (35), s'étendant radialement de l'arbre (34), et dont l'extrémité libre (36) 10 est apte à venir au contact du chemin de came (37, 38) correspondant prévu à cet effet dans une plaque (39) fixe au sein de la machine ciseaux.
7. 7. Machine de compression et détente de type ciseaux utilisée dans un système de récupération d'énergie thermique, comprenant un dispositif de coordination (22) du 15 mouvement des pistons (14) selon l'une des revendications précédentes.