FR3070479B1 - THERMO-ACOUSTIC SYSTEM - Google Patents
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Abstract
L'invention porte sur un système 1 thermo-acoustique comprenant une enceinte 3 enfermant un fluide 9 et dans laquelle sont disposés une source 2 d'ondes sonores, un déphaseur 5 d'ondes et un dispositif thermo-acoustique 4, ledit dispositif thermo-acoustique 4 étant compris entre ladite source 2 et ledit déphaseur 5, caractérisé en ce que ladite source 2 d'ondes sonores comprend une plaque 16 rigide entraînée en translations bidirectionnelles par un dispositif d'entraînement 17 et générant lesdites ondes sonores se propageant dans ledit fluide 9 et traversant ledit dispositif thermo-acoustique 4.The invention relates to a thermoacoustic system 1 comprising a chamber 3 enclosing a fluid 9 and in which a source 2 of sound waves, a phase-shifter and a thermoacoustic device 4 are arranged, said thermo-acoustic device 4 acoustic signal 4 being between said source 2 and said phase-shifter 5, characterized in that said source 2 of sound waves comprises a rigid plate 16 driven in bidirectional translations by a driving device 17 and generating said sound waves propagating in said fluid 9 and passing through said thermoacoustic device 4.
Description
SYSTEME THERMO-ACOUSTIQUETHERMO-ACOUSTIC SYSTEM
[0001] L’invention porte sur un système thermo-acoustique destiné à tempérer les fluides caloporteurs d’un groupe de climatisation et/ou réfrigération de véhicule de type automobile.The invention relates to a thermo-acoustic system for tempering heat transfer fluids of a group of air conditioning and / or refrigeration vehicle type automotive.
[0002] Les systèmes thermo-acoustiques permettent de transformer des ondes sonores en sources chaudes ou froides.[0002] Thermo-acoustic systems make it possible to transform sound waves into hot or cold sources.
[0003] Les groupes de climatisation et /ou réfrigération avec un système thermoacoustique sont une des alternatives aux procédés de compression standards exploitant des gaz, utilisés pour rafraîchir un habitacle.[0003] Air conditioning and / or refrigeration units with a thermoacoustic system are one of the alternatives to standard compression processes using gas, used to cool a passenger compartment.
[0004] Ces systèmes présentent certains avantages tels qu’une mise en œuvre relativement simple (plus besoin de systèmes usinés avec précision), l’absence de gaz réfrigérant avec un effet de serre nocif ou des effets annexes gênants (inflammabilité, nocivité, risques liés à la pression), la suppression de lubrifiants et d’agents frigorifiques.These systems have certain advantages such as a relatively simple implementation (no need for precisely machined systems), the absence of refrigerant gas with a harmful greenhouse effect or annoying side effects (flammability, harmfulness, risks). related to pressure), the removal of lubricants and refrigerants.
[0005] Il est même connu d’utiliser un système thermo-acoustique compact avec un haut-parleur comme source d’ondes sonores en direction d’un dispositif thermo-acoustique accolé à un second haut-parleur permettant de déphaser certaines ondes, pour réfrigérer comme décrit dans la publication "Analysis of a Coaxial, Compact Thermoacoustic Heat -Pump » de Poignand, G., Podkovskiy, A., Penelet, G., Lotton, P.,Bruneau, M., en 2013.It is even known to use a compact thermo-acoustic system with a loudspeaker as a source of sound waves towards a thermo-acoustic device coupled to a second speaker for phase shifting certain waves, for refrigerate as described in the publication "Analysis of a Coaxial, Compact Thermoacoustic Heat-Pump" of Poignand, G., Podkovskiy, A., Penelet, G., Lotton, P., Bruneau, M., in 2013.
[0006] Mais lorsque les systèmes thermo-acoustiques comprennent un haut-parleur comme source pour générer des ondes acoustiques, le dispositif est de technologie électromagnétique, et le dispositif est souvent spécifique. Ces sources ne sont pas idéales pour réaliser une onde stable dans une plage de pression importante et à fréquence fixe. Il y a surdimensionnement de l’élément électromagnétique qui engendre un poids très important et un coût rédhibitoire pour un usage industriel ou automobile.But when thermo-acoustic systems include a speaker as a source for generating acoustic waves, the device is electromagnetic technology, and the device is often specific. These sources are not ideal for achieving a stable wave in a large pressure range and fixed frequency. There is oversized electromagnetic element that generates a very significant weight and a prohibitive cost for industrial or automotive use.
[0007] Par ailleurs, il est connu de par le document FR2890413 un agencement d’un système thermo-acoustique dans un moteur à combustion d’un véhicule évitant d’utiliser un haut-parleur comme source d’ondes acoustiques dans un dispositif thermo- acoustique. Le système thermo-acoustique comporte une enceinte globalement cylindrique hébergeant un dispositif thermo-acoustique. Le dispositif thermo-acoustique comprend une cellule thermoacoustique, pile ou encore « stack » qui conduit rapidement la chaleur de la face arrière à la face avant. L’enceinte est raccordée en dérivation d’un conduit d’admission d’air ou d’échappement des gaz du moteur. La membrane 40 est fixée de façon immobile au conduit fermant de façon hermétique l’enceinte. Pour faire office de membrane de haut-parleur, elle est souple ce qui la rend capable de répercuter les variations de pression du conduit. La membrane est excitée sur sa face arrière par une onde 02 émise par l’air d’admission ou les gaz d’échappement du véhicule, ce qui génère sur la face avant de la membrane, l’onde acoustique 01 à l’origine du phénomène thermo-acoustique expliqué dans ce même document, dans le système thermo-acoustique. L’onde acoustique 01 résulte du fonctionnement du moteur. Or le moteur peut être à l’arrêt, et ne générer aucun gaz ou admission d’air. Cependant il reste souhaitable de pouvoir climatiser ou réfrigérer l’habitacle malgré ces arrêts. La maîtrise de cette onde acoustique est insatisfaisante au regard de ces besoins. Aussi il est recherché d’avoir une source de génération d’onde acoustique stable facile à maîtriser et sans alourdir le véhicule.Furthermore, it is known from document FR2890413 an arrangement of a thermo-acoustic system in a combustion engine of a vehicle avoiding using a speaker as a source of acoustic waves in a thermo-acoustic device. - acoustic. The thermo-acoustic system comprises a generally cylindrical enclosure housing a thermo-acoustic device. The thermoacoustic device comprises a thermoacoustic cell, battery or "stack" which quickly leads the heat from the rear face to the front face. The enclosure is connected in branch of an air intake duct or exhaust gas engine. The membrane 40 is immovably fixed to the duct sealingly closing the enclosure. To act as a speaker diaphragm, it is flexible which makes it able to reflect the pressure variations of the conduit. The membrane is excited on its rear face by a wave 02 emitted by the intake air or the vehicle exhaust gas, which generates on the front face of the membrane, the acoustic wave 01 at the origin of the thermo-acoustic phenomenon explained in this same document, in the thermo-acoustic system. The acoustic wave 01 results from the operation of the engine. But the engine can be stopped, and generate no gas or air intake. However it remains desirable to be able to cool or cool the cabin despite these stops. The control of this acoustic wave is unsatisfactory with regard to these needs. Also, it is desired to have a source of stable acoustic wave generation easy to control and without weighing down the vehicle.
[0008] Selon l’invention, on résout ces problèmes en proposant un système thermoacoustique muni d’un dispositif thermo-acoustique et où les ondes sonores sont générées par l’oscillation d’une plaque dont le mouvement translatif et bidirectionnel est maîtrisé par un dispositif d’entraînement.According to the invention, these problems are solved by proposing a thermoacoustic system provided with a thermo-acoustic device and where the sound waves are generated by the oscillation of a plate whose translational and bidirectional movement is controlled by a drive device.
[0009] Plus précisément, l’invention porte donc sur un système thermo-acoustique comprenant une enceinte enfermant un fluide et dans laquelle sont disposés une source d’ondes sonores, un déphaseur d’ondes et un dispositif thermo-acoustique, ledit dispositif thermo-acoustique étant compris entre ladite source et ledit déphaseur, dont la source d’ondes sonores comprend une plaque rigide entraînée en translations bidirectionnelles par un dispositif d’entraînement de façon à générer des ondes sonores se propageant au travers du fluide et du dispositif thermo-acoustique. Le dispositif d’entraînement fonctionne indépendamment du moteur thermique. Le dispositif d’entraînement peut être mécanique ou hydraulique. Le système ne requiert plus des éléments de sources sonores coûteuses à réaliser et présentant des risques, le système peut fonctionner à la demande indépendamment de l’état de marche du groupe motopropulseur. Le système permet l’obtention d’ondes sonores de façon stable et régulière (pas de comparatif).More specifically, the invention therefore relates to a thermo-acoustic system comprising a chamber enclosing a fluid and in which are arranged a sound wave source, a wave phase shifter and a thermo-acoustic device, said thermo-acoustic device. acoustic signal being between said source and said phase-shifter, the sound wave source of which comprises a rigid plate driven in bidirectional translations by a drive device so as to generate sound waves propagating through the fluid and the thermo-thermal device. acoustic. The drive device operates independently of the engine. The driving device can be mechanical or hydraulic. The system no longer requires costly and risky sound source elements, the system can operate on demand regardless of the powertrain's operating status. The system makes it possible to obtain sound waves in a stable and regular manner (no comparison).
[0010] De préférence, l’invention porte sur un système la plage de fréquence des oscillations de la plaque est comprise entre 1 Hz et 100 Hz. Ces fréquences permettent d’obtenir des ondes régulières qui ont un bon pouvoir de transformation dans le dispositif thermo-acoustique.Preferably, the invention relates to a system the frequency range of oscillations of the plate is between 1 Hz and 100 Hz. These frequencies make it possible to obtain regular waves which have a good power of transformation in the device. thermoacoustic.
[0011] De préférence, l’invention porte sur un système dont le fluide est de l’argon sous une pression absolue de 1 à 50 bar. Le système requiert un fluide qui n’est pas nocif comparativement aux fluides utilisés pour les groupes de climatisation et / ou réfrigération. L’argon est utilisé par exemple sous une pression absolue de 1 à 50 bar, préférentiellement à des pressions entre 20 et 40 bars pour augmenter la pression acoustique non accessible à une pression atmosphérique.Preferably, the invention relates to a system whose fluid is argon under an absolute pressure of 1 to 50 bar. The system requires a fluid that is not harmful compared to the fluids used for the air conditioning and / or refrigeration units. Argon is used for example under an absolute pressure of 1 to 50 bar, preferably at pressures between 20 and 40 bar to increase the non-accessible pressure at atmospheric pressure.
[0012] De préférence, l’invention porte sur un système dont la plaque rigide est en matériau renforcé par des fibres de carbone. La plaque allie une grande résistance aux pressions ainsi qu’une grande légèreté.Preferably, the invention relates to a system whose rigid plate is made of material reinforced with carbon fibers. The plate combines high resistance to pressure and a great lightness.
[0013] De préférence, l’invention porte sur un système dont ledit dispositif d’entraînement comprend un vérin annulaire à simple effet munis d’un côté de la plaque, de ressorts de rappel et de l’autre côté de la plaque, un mécanisme d’entraînement de la plaque, lesdits ressorts ou le mécanisme d’entraînement translatant la plaque. Ce dispositif d’entraînement présente une grande simplicité d’actionnement du déplacement de la plaque uniquement du côté du mécanisme d’entraînement tout en requérant peu de pièces.Preferably, the invention relates to a system of which said drive device comprises a single-acting annular jack provided with one side of the plate, return springs and the other side of the plate, a drive mechanism of the plate, said springs or the drive mechanism translating the plate. This training device has a great simplicity of actuating the movement of the plate only on the side of the drive mechanism while requiring few parts.
[0014] De préférence, l’invention porte sur un système dont le mécanisme d’entraînement comprend des vérins de poussée ou bien des billes de poussée. Les vérins de poussée ou billes de poussée peuvent être dimensionnés pour subir les pressions très élevées du système.Preferably, the invention relates to a system whose drive mechanism comprises thrust cylinders or thrust balls. The thrust cylinders or thrust balls can be sized to withstand the very high pressures of the system.
[0015] De préférence, l’invention porte sur un système dont ledit dispositif d’entraînement comprend un vérin annulaire à double effet. Le dispositif d’entraînement peut dans ce cas être piloté des deux côtés de la plaque pour une meilleure maîtrise de l’oscillation.Preferably, the invention relates to a system of which said drive device comprises a double-acting annular cylinder. The drive device can in this case be controlled on both sides of the plate for better control of the oscillation.
[0016] De préférence, l’invention porte sur un système dont le déphaseur comprend une paroi rendue mobile par un dispositif d’entraînement, entraînée en translations bidirectionnelles et provoquant le déphasage des ondes sonores. Il est possible de remplacer le haut-parleur du déphaseur par une paroi mobile présentant tous les avantages décrits pour la plaque de la source sonore.Preferably, the invention relates to a system whose phase shifter comprises a wall made mobile by a driving device, driven in bidirectional translations and causing the phase shift of the sound waves. It is possible to replace the speaker of the phase shifter by a movable wall having all the advantages described for the plate of the sound source.
[0017] De préférence, l’invention porte sur un ensemble thermo-acoustique qui comprend deux systèmes positionnés en vis-à-vis l’un de l’autre de façon symétrique de telle sorte qu’ils partagent au moins un de leurs éléments constitutifs. Pour l’application à un groupe de réfrigération et/ou de climatisation, il est nécessaire de disposer d’une puissance totale de 5 kW ce qui est obtenu en doublant les systèmes de puissance 2,5 kW et pour optimiser l’ensemble en terme de masse et d’énergie consommée, il est judicieux de mettre en commun la source sonore pour deux systèmes thermo-acoustiques. Il est aussi avantageux selon le besoin de prévoir de partager la paroi mobile du déphaseur.Preferably, the invention relates to a thermo-acoustic assembly which comprises two systems positioned facing each other symmetrically so that they share at least one of their elements. constitutive. For the application to a refrigeration and / or air conditioning unit, it is necessary to have a total power of 5 kW which is obtained by doubling the 2.5 kW power systems and to optimize the whole in term mass and energy consumed, it is wise to share the sound source for two thermo-acoustic systems. It is also advantageous according to the need to provide to share the moving wall of the phase shifter.
[0018] De préférence, l’invention porte sur un véhicule muni d’un système ou muni d’un ensemble, dont le dispositif d’entraînement est alimenté par un réseau de bord du véhicule ou un réseau d’une machine électrique de traction du véhicule. Le système ou l’ensemble peuvent exploiter les ressources en terme d’énergie électrique déjà présentes dans le véhicule.Preferably, the invention relates to a vehicle equipped with a system or provided with an assembly, the driving device of which is powered by an onboard network of the vehicle or a network of an electric traction machine. of the vehicle. The system or assembly can exploit the resources in terms of electrical energy already present in the vehicle.
[0019] L’invention est décrite plus en détail ci-après et en référence aux figures représentant schématiquement ces modes de réalisation et d’implantation préférentiels.The invention is described in more detail below and with reference to the figures schematically showing these preferred embodiments and implantation.
[0020] La figure 1 présente un système thermo-acoustique selon un mode préférentiel de l’invention.Figure 1 shows a thermo-acoustic system according to a preferred embodiment of the invention.
[0021] La figure 2 présente un système thermo-acoustique avec un mécanisme d’entraînement selon un premier mode préférentiel de l’invention.Figure 2 shows a thermo-acoustic system with a drive mechanism according to a first preferred embodiment of the invention.
[0022] La figure 3 présente le système thermo-acoustique avec un mécanisme d’entraînement selon un second mode de réalisation de l’invention.Figure 3 shows the thermo-acoustic system with a drive mechanism according to a second embodiment of the invention.
[0023] La figure 4 présente le système thermo-acoustique avec un mécanisme d’entraînement selon un troisième mode de réalisation de l’invention.Figure 4 shows the thermo-acoustic system with a drive mechanism according to a third embodiment of the invention.
[0024] La figure 5 présente un ensemble thermo-acoustique avec deux systèmes thermoacoustiques selon un mode préférentiel de l’invention.Figure 5 shows a thermo-acoustic assembly with two thermoacoustic systems according to a preferred embodiment of the invention.
[0025] La figure 6 présente une première implantation dans un véhicule d’un système thermo-acoustique selon un mode préférentiel de l’invention.Figure 6 shows a first implementation in a vehicle of a thermo-acoustic system according to a preferred embodiment of the invention.
[0026] La figure 7 présente une seconde implantation dans un véhicule d’un système thermo-acoustique selon un autre mode préférentiel de l’invention.Figure 7 shows a second implementation in a vehicle of a thermo-acoustic system according to another preferred embodiment of the invention.
[0027] La figure 8 présente le couplage d’un système thermo-acoustique aux circuits caloporteurs d’un véhicule selon un mode préférentiel de l’invention.FIG. 8 shows the coupling of a thermo-acoustic system to the heat-transfer circuits of a vehicle according to a preferred embodiment of the invention.
[0028] La figure 1 présente schématiquement un système thermo-acoustique 1 avec une source 2 d’ondes sonores émettant dans une enceinte 3 où sont disposés un dispositif thermo-acoustique 4 accolé avec un déphaseur 5 sous forme de haut-parleur 5. L’enceinte 3, le dispositif thermo-acoustique 4 et le déphaseur 5 coopèrent pour former un résonateur.Figure 1 schematically shows a thermo-acoustic system 1 with a source 2 of sound waves emitting in a chamber 3 which are arranged a thermo-acoustic device 4 joined with a phase shifter 5 in the form of speaker 5. L enclosure 3, the thermoacoustic device 4 and the phase shifter 5 cooperate to form a resonator.
[0029] Un boîtier 6 en forme de tube avec un axe longitudinal rectiligne présente à l’une de ses extrémités : une ouverture 7 et à l’extrémité opposée : un fond 8. L’ouverture 7 du boîtier 6 est fermée hermétiquement par la source 2 d’ondes sonores émises en direction du dispositif thermo-acoustique 4, tandis que le haut-parleur 5 se trouve proche du fond 8. Le dispositif thermo-acoustique 4 et le haut-parleur 5 sont coaxiaux par rapport au boîtier 6.A tubular housing 6 with a rectilinear longitudinal axis has at one of its ends: an opening 7 and at the opposite end: a bottom 8. The opening 7 of the housing 6 is hermetically closed by the source 2 of sound waves emitted towards the thermo-acoustic device 4, while the speaker 5 is close to the bottom 8. The thermo-acoustic device 4 and the speaker 5 are coaxial with respect to the housing 6.
[0030] L’enceinte 3 est délimitée par le boîtier 6 fermé par la source 2 d’ondes sonores. L’enceinte 3 contient un fluide 9.The enclosure 3 is delimited by the housing 6 closed by the source 2 of sound waves. The enclosure 3 contains a fluid 9.
[0031] Le dispositif thermo-acoustique 4 regroupe un premier échangeur 10 lui-même accolé à une pile thermo-acoustique 11, elle-même accolée à un second échangeur 12. Les échangeurs 10 et 12 sont reliés aux circuits caloporteurs 13 du groupe de réfrigération et/ou climatisation non représenté sur cette figure 1.The thermo-acoustic device 4 includes a first exchanger 10 itself attached to a thermo-acoustic stack 11, itself contiguous to a second exchanger 12. The exchangers 10 and 12 are connected to the heat transfer circuits 13 of the group of refrigeration and / or air conditioning not shown in this figure 1.
[0032] Le haut-parleur 5 qui est implanté vers le fond 8 du boîtier 6, a une membrane 14 orientée vers l’ouverture 7 du boîtier 6. La membrane 14 émettrice d’ondes fait face au premier échangeur 10 de froid. Au premier échangeur 10 succède en direction de l’ouverture 7, la pile thermo-acoustique 11 puis le second échangeur 12 de chaud. Le second échangeur 12 fait face à l’ouverture 7. Le haut-parleur 5 corrige le déphasage de ces ondes émises par la source 2 d’ondes sonores qui traversent le dispositif thermo-acoustique 4.The loudspeaker 5 which is implanted towards the bottom 8 of the housing 6, has a membrane 14 facing the opening 7 of the housing 6. The wave emitting membrane 14 faces the first heat exchanger 10 cold. At the first exchanger 10 succeeds in the direction of the opening 7, the thermo-acoustic stack 11 and the second heat exchanger 12. The second exchanger 12 faces the opening 7. The speaker 5 corrects the phase shift of these waves emitted by the source 2 of sound waves passing through the thermoacoustic device 4.
[0033] Ces ondes provenant de la source acoustique 2 produiront par le biais du dispositif thermo-acoustique 4, des échanges thermiques qui seront transférés dans les circuits caloporteurs 13 du groupe de climatisation et/ou réfrigération définis tels que dans l’état de l’art.These waves from the acoustic source 2 will produce through the thermo-acoustic device 4, heat exchange that will be transferred into the heat transfer circuits 13 of the air conditioning and / or refrigeration group defined as in the state of the art. 'art.
[0034] La source 2 d’ondes sonores est présente dans un logement 15 tubulaire d’un diamètre supérieur à celui du boîtier 6. Ce logement 15 est coaxial avec le boîtier 6. La source 2 d’ondes comprend une plaque 16 destinée à se déplacer dans le logement 15 et dans l’enceinte 3 sous l’influence du dispositif d’entraînement 17 en fonctionnement, le dispositif d’entraînement 17 étant en partie à l’intérieur et à l’extérieur du logement 15 et/ou du boîtier 6, de l’enceinte 3.The source 2 of sound waves is present in a tubular housing 15 of a diameter greater than that of the housing 6. This housing 15 is coaxial with the housing 6. The wave source 2 comprises a plate 16 for move in the housing 15 and in the chamber 3 under the influence of the driving device 17 in operation, the driving device 17 being partly inside and outside the housing 15 and / or the housing 6, of the enclosure 3.
[0035] La plaque 16 est circulaire, rigide et mobile. Elle se déplace dans le logement 15 de façon bidirectionnelle par translation selon un axe parallèle à l’axe de l’enceinte 3. La plaque 16 oscille entre deux positions extrêmes. Grâce aux moyens de fixation non représentés de la plaque 16 avec le logement 15, ceux du logement 15 avec le boîtier 6, et grâce à la plaque 16, le tout garantissant l’étanchéité du système thermo-acoustique 1 par rapport à l’extérieur du système thermo-acoustique 1, la source acoustique 2 dans le logement 15 ferme l’ouverture 7 du boîtier 6.The plate 16 is circular, rigid and movable. It moves in the housing 15 bi-directionally by translation along an axis parallel to the axis of the chamber 3. The plate 16 oscillates between two extreme positions. Thanks to the not shown fastening means of the plate 16 with the housing 15, those of the housing 15 with the housing 6, and thanks to the plate 16, all ensuring the sealing of the thermo-acoustic system 1 relative to the outside of the thermo-acoustic system 1, the acoustic source 2 in the housing 15 closes the opening 7 of the housing 6.
[0036] Le disque de la plaque 16 est d’un côté en contact avec le fluide 9 contenu dans l’enceinte 3 et de l’autre côté avec le fluide ambiant extérieur au système thermo-acoustique 1.The disc of the plate 16 is on one side in contact with the fluid 9 contained in the chamber 3 and on the other side with the ambient fluid outside the thermo-acoustic system 1.
[0037] Le dispositif d’entraînement 17 mettant en mouvement la plaque 16 est représenté schématiquement sur la figure 1 partiellement en dehors du logement 15, du boîtier 6 et de l’enceinte 3.The drive device 17 moving the plate 16 is shown schematically in Figure 1 partially outside the housing 15, the housing 6 and the enclosure 3.
[0038] Ainsi les ondes sonores produites par le déplacement de la plaque 16 dans le fluide 9 de l’enceinte 3, traversent le dispositif thermo-acoustique 4 et sont déphasées par le haut-parleur 5. Ceci génère des variations de pressions et de température dans les échangeurs 10 et 12 qui les répercutent dans les circuits caloporteurs 13.Thus the sound waves produced by the displacement of the plate 16 in the fluid 9 of the chamber 3, through the thermo-acoustic device 4 and are out of phase by the speaker 5. This generates pressure variations and temperature in the exchangers 10 and 12 which pass them through the heat transfer circuits 13.
[0039] Pour fixer les idées, pour obtenir une puissance frigorifique de 2500 Watt en sortie de dispositif thermo-acoustique 4 pour une variation de 50°C avec une température froide de 5°C dans le premier échangeur 10 et donc de 55°C dans le second échangeur 12, il est nécessaire d’avoir une fréquence de 41 Hz de génération d’ondes sonores.To fix ideas, to obtain a cooling capacity of 2500 Watt output thermo-acoustic device 4 for a variation of 50 ° C with a cold temperature of 5 ° C in the first exchanger 10 and therefore 55 ° C in the second exchanger 12, it is necessary to have a frequency of 41 Hz of generation of sound waves.
[0040] Dans ce dessein, le fluide 9 choisi dans le résonateur du système thermoacoustique 1 est l’argon dont les caractéristiques thermiques permettent d’intensifier les transferts thermiques, et dont la densité permet d’intensifier l’énergie sonore (ce qui est aussi permis par la forte pression visée). Ce fluide est de l’argon sous une pression absolue comprise entre 1 à 50 bar. Avantageusement, ce fluide est utilisé sous une pression de 20 à 40 bar pour maximiser la pression acoustique (300dB environ) à des niveaux qui ne sont pas accessibles à pression atmosphérique.In this design, the fluid 9 chosen in the resonator of the thermoacoustic system 1 is argon whose thermal characteristics make it possible to intensify the heat transfer, and whose density makes it possible to intensify the sound energy (which is also allowed by the high pressure targeted). This fluid is argon at an absolute pressure of between 1 and 50 bar. Advantageously, this fluid is used at a pressure of 20 to 40 bar to maximize the sound pressure (300dB approximately) to levels that are not accessible at atmospheric pressure.
[0041] Alors, les dimensions sont les suivantes. L’enceinte 3 a une longueur de 16 cm et un diamètre intérieur de 37 cm. Le dispositif thermo-acoustique 4 occupe un cylindre de diamètre 33 cm et une longueur de 16 cm. Le débit du dispositif thermo-acoustique 4 est de 0,13 m3/s. Les échangeurs 10 et 12 de chaleur cylindriques ont pour diamètre 32,7 cm et une longueur de 1,2 cm. Ils comprennent des plaquettes parallèles en acier espacées de 1 mm l’une de l’autre avec une porosité de 60%. Le déplacement acoustique dans les échangeurs 10 et 12 est de l’ordre de 1 cm.So, the dimensions are as follows. The enclosure 3 has a length of 16 cm and an inside diameter of 37 cm. The thermoacoustic device 4 occupies a cylinder with a diameter of 33 cm and a length of 16 cm. The flow rate of the thermoacoustic device 4 is 0.13 m 3 / s. The cylindrical heat exchangers 10 and 12 have a diameter of 32.7 cm and a length of 1.2 cm. They include parallel steel plates spaced 1 mm from each other with a porosity of 60%. The acoustic displacement in the exchangers 10 and 12 is of the order of 1 cm.
[0042] Le régénérateur de la pile thermo-acoustique 11 est un cylindrique de diamètre 32,7 cm et de longueur 4 cm, réalisé en tissu métallique inox avec une porosité de 0,74%. L’épaisseur de la couche limite thermique à 41 Hz est de 84 pm.The regenerator of the thermo-acoustic stack 11 is a cylindrical 32.7 cm diameter and 4 cm long, made of stainless steel fabric with a porosity of 0.74%. The thickness of the 41 Hz thermal boundary layer is 84 μm.
[0043] La température mesurée entre le premier échangeur 10 et la pile thermoacoustique 11 est de -11 C° tandis que la température mesurée entre le second échangeur 12 et la pile thermo-acoustique 11 est de 96 °C.The temperature measured between the first heat exchanger 10 and the thermoacoustic stack 11 is -11 ° C while the temperature measured between the second heat exchanger 12 and the thermo-acoustic stack 11 is 96 ° C.
[0044] Le haut-parleur 5 a pour diamètre 5,1 cm. Il a une puissance nominale de 60 W. Sa résistance est de 7,2 ohms. Son inductance est de 0,34 mH. Son facteur de force est de 2,56 N.A'1. Sa masse mobile est de 1,02 e 03 Kg. Sa compliance est de 3,9 e 04 m.N'1. Les pertes mécaniques peuvent être de 0,14 N.S.rrv1. Sa Masse est 0,113 Kg. Son encombrement est de 0, 1 L. Le haut-parleur 5 procure un déphasage Pression/ vitesse de -84°.The speaker 5 has 5.1 cm diameter. It has a nominal power of 60 W. Its resistance is 7.2 ohms. Its inductance is 0.34 mH. Its strength factor is 2.56 N.A'1. Its moving mass is 1.02 e 03 Kg. Its compliance is 3.9 e 04 m.N'1. The mechanical losses can be 0.14 N.S.rrv1. Its mass is 0.113 Kg. Its overall size is 0.1 L. The loudspeaker 5 provides a pressure / velocity phase shift of -84 °.
[0045] La pression acoustique de la source acoustique 2 est de 2,7.105 Pa pour un ratio de 7% avec la pression statique des ondes sonores. La plaque 16 a un diamètre de 32 cm. La course de la plaque 16 est de 5,8 mm, la fréquence de déplacement est de 41 Hz. La puissance frigorifique fournie par ce système thermo-acoustique 1 est de 2500 W. La puissance acoustique est de 1815 W.The acoustic pressure of the acoustic source 2 is 2.7.105 Pa for a ratio of 7% with the static pressure of the sound waves. The plate 16 has a diameter of 32 cm. The stroke of the plate 16 is 5.8 mm, the displacement frequency is 41 Hz. The cooling capacity supplied by this thermo-acoustic system 1 is 2500 W. The acoustic power is 1815 W.
[0046] Le dispositif d’entraînement 17 comprend une source d’énergie 18 placée en dehors de l’enceinte 3 et/ ou du logement 15, reliée au mécanisme d’entraînement 19 de la plaque 16 et un système de commande non représenté pour piloter la source d’énergie 18. Le système de commande pilote la source d’énergie 18 qui alimente en énergie le mécanisme d’entraînement 19. Le mécanisme d’entraînement 19 fonctionne de sorte qu’il met en mouvement la plaque 16 afin de produire les ondes recherchées dans l’enceinte 3.The drive device 17 comprises a power source 18 placed outside the enclosure 3 and / or the housing 15, connected to the drive mechanism 19 of the plate 16 and a control system not shown for controlling the energy source 18. The control system controls the energy source 18 which supplies power to the drive mechanism 19. The drive mechanism 19 operates so that it drives the plate 16 in order to produce the desired waves in the enclosure 3.
[0047] La plaque 16 rigide devra être en matériau renforcé par des fibres de carbone soit réalisée avec un procédé permettant d’allier légèreté et rigidité. La plaque rigide allie une grande résistance aux pressions ainsi qu’une grande légèreté. En effet, elle est soumise à des pressions de 2,3 tonnes, quasi-équivalent à celles subies par un piston de moteur thermique, mais sans les contraintes thermiques.The rigid plate 16 must be made of material reinforced with carbon fibers is made with a method to combine lightness and rigidity. The rigid plate combines high resistance to pressure and a great lightness. Indeed, it is subjected to pressures of 2.3 tons, almost equivalent to those suffered by a heat engine piston, but without the thermal stresses.
[0048] Les figures 2 et suivantes présentent différentes variantes de réalisation d’un système thermo-acoustique 1 avec un dispositif d’entraînement 17 répondant aux conditions ci-dessus.Figures 2 and following show different embodiments of a thermo-acoustic system 1 with a drive device 17 meeting the above conditions.
[0049] La figure 2 présente un système thermo-acoustique 1 reprenant les mêmes éléments que ceux de la figure 1 et en détaillant un dispositif d’entraînement 17 selon un mode de réalisation préférentiel de l’invention.Figure 2 shows a thermo-acoustic system 1 incorporating the same elements as those of Figure 1 and detailing a drive device 17 according to a preferred embodiment of the invention.
[0050] Le dispositif d’entraînement 17 comprend une source d’énergie 18 qui est un moteur électrique 20 qui met en mouvement le mécanisme d’entraînement 19 de façon indirecte.The drive device 17 comprises a power source 18 which is an electric motor 20 which sets the drive mechanism 19 in an indirect manner.
[0051] Le mécanisme d’entraînement 19 de la plaque 16 est un vérin annulaire 21 à simple effet. Ainsi du côté du boîtier 6, la plaque 16 est maintenue par une couronne 22 équipée de vérins 23 de poussée. La couronne 22 occupe l’ensemble de la périphérie de la plaque 16. Tandis que du côté du logement 15, la plaque 16 est maintenue sur sa périphérie par des ressorts 24 de rappel. Les vérins 23 de poussée de la couronne 22 sont reliés entre eux par une gorge 25. Le vérin annulaire 21 à simple effet comprend les ressorts 24 et la couronne 22 de vérins 23 de poussée.The drive mechanism 19 of the plate 16 is a single-acting annular jack 21. Thus on the side of the housing 6, the plate 16 is held by a ring 22 equipped with jacks 23 thrust. The ring 22 occupies the entire periphery of the plate 16. While on the side of the housing 15, the plate 16 is held on its periphery by return springs 24. The jacks 23 thrust of the ring 22 are interconnected by a groove 25. The single-acting annular jack 21 comprises the springs 24 and the ring 22 of thrust cylinders 23.
[0052] Le moteur électrique 20 alimente une pompe 26 hydro-électrique qui à travers un circuit 27 de distribution, distribue la pression nécessaire pour mettre sous pression les vérins 23 de poussée de la couronne 22.The electric motor 20 supplies a hydroelectric pump 26 which, through a distribution circuit 27, distributes the pressure required to pressurize the thrust cylinders 23 of the ring gear 22.
[0053] Avec la pompe 26 hydro-électrique qui fonctionne en continu, la réserve de Haute Pression 28 alimente la vanne de Haute Pression 29 qui se déverse dans la gorge 25 si la vanne de Haute Pression 29 est ouverte. Les vérins 23 de poussée de la couronne 22 se remplissent. La couronne 22 pousse alors la plaque 16 en direction du fond du logement 15. La plaque 16 translate jusqu’à rencontrer les ressorts 24 de rappel. Une fois les ressorts 24 de rappel sous contrainte maximale, la plaque 16 est dans sa position finale en butée sur ces ressorts 24 et la vanne de Haute Pression 29 se ferme.With the hydroelectric pump 26 which operates continuously, the high pressure reserve 28 supplies the high pressure valve 29 which flows into the groove 25 if the high pressure valve 29 is open. The thrust cylinders 23 of the crown 22 are filled. The ring 22 then pushes the plate 16 towards the bottom of the housing 15. The plate 16 translates to meet the springs 24 of return. Once the springs 24 return under maximum stress, the plate 16 is in its final position abuts on these springs 24 and the high pressure valve 29 closes.
[0054] Quand la vanne de Basse Pression 30 s’ouvre, les vérins 23 de poussée de la couronne 22 se vident dans la réserve de Basse Pression 31 en lien avec la pompe 26 hydro-électrique. Les ressorts 24 de rappel se détendent à nouveau en poussant la plaque 16 vers le fond 8 de l’enceinte 3. La plaque 16 translate dans la direction opposée à son premier mouvement décrit, en direction du fond 8 vers sa position initiale. Les ressorts 24 réalisent le rappel de la plaque 16 dans sa position initiale la plus proche du fond 8 de l’enceinte 3. Les vannes 29 et 30 peuvent être des électrovannes ou des distributeurs.When the low pressure valve 30 opens, the thrust cylinders 23 of the ring 22 are empty in the low pressure reserve 31 in connection with the pump 26 hydroelectric. The return springs 24 are expanded again by pushing the plate 16 towards the bottom 8 of the enclosure 3. The plate 16 translates in the opposite direction to its first described movement towards the base 8 towards its initial position. The springs 24 return the plate 16 to its initial position closest to the bottom 8 of the chamber 3. The valves 29 and 30 may be solenoid valves or distributors.
[0055] L’alimentation en pression des vérins 23 de poussées, correctement pilotée permet de réaliser le mouvement de la plaque 16 rigide correspondant à l’acoustique recherchée. Ce mouvement de translation génère des ondes qui se propagent en une seconde dans l’enceinte 3 où elles rentrent en interaction avec le dispositif thermo-acoustique 4 dont l’échangeur chaud 12 est relié au circuit caloporteur chaud du groupe de climatisation et/ou réfrigération du véhicule et dont l’échangeur froid 10 est relié au circuit caloporteur froid du groupe de climatisation et/ou réfrigération du véhicule.The pressure supply of the thrust cylinders 23, properly controlled allows for the movement of the rigid plate 16 corresponding to the desired acoustics. This translational movement generates waves that propagate in one second in the chamber 3 where they come into interaction with the thermo-acoustic device 4 whose hot heat exchanger 12 is connected to the hot coolant circuit of the air conditioning and / or refrigeration unit of the vehicle and whose cold exchanger 10 is connected to the cold heat transfer circuit of the air conditioning and / or refrigeration unit of the vehicle.
[0056] Dans un mode préférentiel de l’invention pour une fréquence de 41 Hz, il faut une commande par vanne toutes les 25 ms. Ceci revient à une admission 2400 fois/min ce qui est l’ordre de grandeur géré dans le domaine automobile. Si la couronne 22 de vérins 23 de poussée a une surface d’entraînement de 55 cm3 pour un diamètre de 35 cm pour une largeur de 5 mm, la pression nécessaire est de 41 bar. Chaque déplacement nécessite 32,34 cm3 de fluide 9, soit un débit nécessaire de 4657 L/h et un compresseur de 12,5 cm3 à 6250 tr/min.In a preferred embodiment of the invention for a frequency of 41 Hz, a valve control is required every 25 ms. This amounts to an admission 2400 times / min which is the order of magnitude managed in the automotive field. If the ring 22 of thrust cylinders 23 has a drive surface of 55 cm3 for a diameter of 35 cm for a width of 5 mm, the required pressure is 41 bar. Each displacement requires 32.34 cm3 of fluid 9, a required flow rate of 4657 L / h and a 12.5 cm3 compressor at 6250 rpm.
[0057] En jouant sur la taille de la couronne 22, il est possible d’optimiser le ratio Pression/Débit. Dans ce mode de réalisation, les pressions avoisinent les 1600 bar pour un débit proche de 120 L/h et un vérin de surface 1,3 cm2.By adjusting the size of the ring 22, it is possible to optimize the pressure / flow ratio. In this embodiment, the pressures are around 1600 bar for a flow rate close to 120 L / h and a 1.3 cm2 surface cylinder.
[0058] Pour une couronne 22 de vérins 23 de poussée sous forme de piston de grande surface, c’est-à-dire de gorge 25 circulaire de 5 mm par exemple sur tout le tour du vérin annulaire 21 de diamètre 33 cm, les pressions restent modérées de l’ordre de 43 bar et les débits importants 4395 L/h. Les pressions et débit de ce mode de réalisation sont dans l’ordre de grandeur de ceux des systèmes hydrauliques de boîtes de vitesses automatiques.For a ring 22 of thrust cylinders 23 in the form of large surface piston, that is to say 5 mm circular groove for example over the entire circumference of the annular jack 21 with a diameter of 33 cm, pressures remain moderate of the order of 43 bar and the high flow rates 4395 L / h. The pressures and flow rate of this embodiment are in the order of magnitude of those of the automatic transmission hydraulic systems.
[0059] Pour une couronne 22 de vérins 23 de poussée sous forme de cinq pistons de petite surface avec un diamètre de 6 mm, les pressions sont élevées : de l’ordre de 1627 bar et les débits faibles 118 L/h.For a ring 22 thrust cylinders 23 in the form of five pistons of small area with a diameter of 6 mm, the pressures are high: of the order of 1627 bar and low flow rates 118 L / h.
[0060] Pour une couronne 22 de vérins 23 de poussée sous forme de sept pistons de moyenne surface avec un diamètre de 16 mm, les pressions sont limitées : de l’ordre de 163 bar et les débits modérés 1175 L/h.For a ring 22 thrust cylinders 23 in the form of seven medium-sized pistons with a diameter of 16 mm, the pressures are limited: of the order of 163 bar and the moderate flow 1175 L / h.
[0061] Le mécanisme d’entraînement 19 comprend tous les éléments compris entre la plaque 16 et une source d’énergie 18. Aussi certains de ces éléments sont extérieurs à l’enceinte 3 et au logement 15, d’autres sont dans l’un(e) et/ou l’autre.The drive mechanism 19 includes all the elements between the plate 16 and a power source 18. Also some of these elements are external to the enclosure 3 and the housing 15, others are in the one and / or the other.
[0062] La pompe 26 hydro-électrique a une puissance entre 1,5 kW et 10 kW selon qu’elle est alimentée avec une tension de 48 Volts ou toutes les tensions d’un véhicule électrique ou hybrides entre 150 Volts et 1000 Volts. De préférence, la pompe 26 a une puissance entre 2 kW et 4 kW selon qu’elle est alimentée avec une tension de 48 Volts ou 200 Volts.The hydroelectric pump 26 has a power between 1.5 kW and 10 kW depending on whether it is powered with a voltage of 48 volts or all the voltages of an electric vehicle or hybrids between 150 volts and 1000 volts. Preferably, the pump 26 has a power between 2 kW and 4 kW depending on whether it is supplied with a voltage of 48 volts or 200 volts.
[0063] La figure 3 présente un système thermo-acoustique 1 tel que présenté précédemment dans la figure 1 avec un mécanisme d’entraînement 19 répondant aux caractéristiques recherchées mais qui diffèrent de celles décrites à l’aide de la figure 2, de par le circuit 27 de distribution entre le vérin annulaire 21 et la source d’énergie 18.FIG. 3 presents a thermoacoustic system 1 as previously presented in FIG. 1 with a drive mechanism 19 that meets the desired characteristics but that differs from those described with reference to FIG. 2, because of the distribution circuit 27 between the annular jack 21 and the energy source 18.
[0064] Dans ce mode de réalisation de la figure 3, le vérin annulaire 21 est à simple effet, il comprend de part et d’autre de la plaque 16 : une couronne 22 de vérins 23 de poussée et des ressorts 24 de rappel. Mais la couronne 22 de vérins 23 de poussée est couplée directement à un piston 32 de mise en pression par un circuit 27 de distribution. Le circuit 27 de distribution est principalement à l’extérieur de l’enceinte 3 et du logement 15. Ce piston 32 de mise en pression est sollicité par une came 33 radiale. Cette came 33 radiale est obtenue à partir des ondulations présentes sur la jante 34 d’une roue 35. La jante 34 de la roue 35 présente des zones surélevées réparties tous les 60° qui culminent de + 5,8 mm par rapport aux zones basses réparties tous les 60°. Cette came 33 radiale agit lorsque la roue 35 est mise en rotation par un moteur électrique 20 d’une puissance entre 2 kW et 4 kW selon une tension de 48 V ou 200 V.In this embodiment of Figure 3, the annular cylinder 21 is single-acting, it comprises on either side of the plate 16: a ring 22 of thrust cylinders 23 and springs 24 of return. But the ring 22 of thrust cylinders 23 is directly coupled to a piston 32 for pressurizing by a distribution circuit 27. The distribution circuit 27 is mainly outside the chamber 3 and the housing 15. This pressurizing piston 32 is biased by a radial cam 33. This radial cam 33 is obtained from the corrugations present on the rim 34 of a wheel 35. The rim 34 of the wheel 35 has elevated zones distributed every 60 ° which culminate + 5.8 mm with respect to the low zones. distributed every 60 °. This radial cam 33 acts when the wheel 35 is rotated by an electric motor 20 with a power between 2 kW and 4 kW according to a voltage of 48 V or 200 V.
[0065] Un tour de came 33 radiale représente deux mouvements de translation entre les positions extrêmes de la plaque 16. Quand la came 33 radiale tourne à 400 tours par minute, cela représente 2400 mouvements par minute soit une fréquence de 41 Hz. Le rapport d’entraînement recherché entre la came 33 radiale et le moteur électrique 20 est de 1/10, le rapport est réducteur. Le régime du moteur électrique 20 devra être de 8000 tour/min ce qui nécessitera une masse d’inertie pour réguler.A radial cam revolution 33 represents two translation movements between the extreme positions of the plate 16. When the radial cam 33 rotates at 400 revolutions per minute, this represents 2400 movements per minute, ie a frequency of 41 Hz. The ratio desired drive between the radial cam 33 and the electric motor 20 is 1/10, the ratio is reducing. The speed of the electric motor 20 should be 8000 rev / min which will require a mass of inertia to regulate.
[0066] Le rendement entre la source 18 d’énergie électrique et le mouvement de la plaque 16 serait de l’ordre de 72%, répartis entre le moteur électrique 20 et sa commande à une hauteur comprise entre 0,9% et 0,96%, la réduction à hauteur de 0,96% et la transformation hydraulique à 0,8%.The efficiency between the source 18 of electrical energy and the movement of the plate 16 would be of the order of 72%, distributed between the electric motor 20 and its control at a height of between 0.9% and 0, 96%, the reduction by 0.96% and the hydraulic conversion to 0.8%.
[0067] La plaque 16 rigide est soumise à des pressions de 2,3 tonnes, quasi-équivalent à celles subies par un piston de moteur thermique. Ces pressions dimensionnent également les vérins 23 de poussée et les ressorts 24 qui entraînent la plaque 16 car ils subissent des pics de 400 kg.The rigid plate 16 is subjected to pressures of 2.3 tons, almost equivalent to those undergone by a heat engine piston. These pressures also dimension the thrust cylinders 23 and the springs 24 which drive the plate 16 because they undergo peaks of 400 kg.
[0068] Les pressions pour six vérins 23 de poussée de 1 cm de diamètre sont donc de 400 bar.The pressures for six thrust cylinders 23 of 1 cm in diameter are 400 bar.
[0069] Pour la source hydraulique, il est possible d’amplifier la pression et la différence entre les zones basses et surélevées de la came 33 radiale. Le coût de réalisation est peu élevé dans le cadre de la production de grande série donc concurrentiel.For the hydraulic source, it is possible to amplify the pressure and the difference between the low and raised zones of the radial cam 33. The cost of production is low in the context of large-scale and therefore competitive production.
[0070] La figure 4 présente un autre mode de réalisation préférentiel du mécanisme d’entraînement 19 du système thermo-acoustique 1 de la figure 1. Le mécanisme d’entraînement 19 produit un mouvement oscillant par un entraînement direct d’une source d’énergie 18 tel qu’un moteur électrique 20.FIG. 4 shows another preferred embodiment of the drive mechanism 19 of the thermo-acoustic system 1 of FIG. 1. The drive mechanism 19 produces an oscillating movement by a direct drive of a source of energy 18 such as an electric motor 20.
[0071] La plaque 16 est maintenue du côté du fond du logement 15 par six ressorts 24 de rappel répartis uniformément et du côté du boîtier 6 par un mécanisme d’entraînement 19 comprenant autant de billes 36 de poussée que de ressorts 24 de rappel soit six billes 36 de poussée. Les billes 36 de poussée sont au contact d’un anneau 37. L’anneau 37 est coaxial à la plaque 16 grâce à des roulements 38 de maintien répartis régulièrement entre la périphérie extérieure de l’anneau 37 et l’intérieur du logement 15.The plate 16 is held on the bottom side of the housing 15 by six return springs 24 distributed uniformly and on the side of the housing 6 by a drive mechanism 19 comprising as many thrust balls 36 as springs 24 return either six thrust balls 36. The thrust balls 36 are in contact with a ring 37. The ring 37 is coaxial with the plate 16 by means of bearing bearings 38 regularly distributed between the outer periphery of the ring 37 and the interior of the housing 15.
[0072] Une première face de l’anneau 37 sert de came axiale 39 poussant les billes 36 selon une direction axiale parallèle à l’axe du boîtier 6 vers l’ouverture 7, et la seconde face 40 opposée à la première face 39, est dentée pour être entraînée par un engrenage 41 à l’extrémité d’un moteur électrique 20. Le moteur électrique 20 a une puissance comprise entre 1,5 kW et 10 kW selon qu’il est alimenté avec une tension de 48 Volts ou toutes les tensions d’un véhicule électrique ou hybrides entre 150 Volts et 1000 Volts. De préférence, le moteur électrique 20 a une puissance entre 2 kW et 4 kW selon qu’il est alimenté avec une tension de 48 Volts ou 200 Volts. La came axiale 39 est composée d’une alternance curviligne de creux et de surélévations. Tous les 30°, il y a un creux suivi d’une surélévation. Le sommet d’une surélévation culmine à + 5,8 mm par rapport au point le plus bas d’un creux. Quand le moteur électrique 20 fonctionne, il fait tourner l’engrenage 41 qui s’engrène sur les dents de la face dentée 40 de l’anneau 37, le faisant tourner.A first face of the ring 37 serves as an axial cam 39 pushing the balls 36 in an axial direction parallel to the axis of the housing 6 towards the opening 7, and the second face 40 opposite the first face 39, is toothed to be driven by a gear 41 at the end of an electric motor 20. The electric motor 20 has a power of between 1.5 kW and 10 kW depending on whether it is supplied with a voltage of 48 volts or all the voltages of an electric vehicle or hybrids between 150 Volts and 1000 Volts. Preferably, the electric motor 20 has a power between 2 kW and 4 kW depending on whether it is supplied with a voltage of 48 volts or 200 volts. The axial cam 39 is composed of a curvilinear alternation of hollows and elevations. Every 30 °, there is a hollow followed by an elevation. The top of an elevation rises to + 5.8 mm from the lowest point of a trough. When the electric motor 20 is running, it rotates the gear 41 which meshes with the teeth of the toothed face 40 of the ring 37, rotating it.
[0073] La face servant de came axiale 39 tourne alors simultanément et les surélévations viennent en appui des billes 36 de poussée. Ces billes 36 contraignent la plaque 16 mobile à se mouvoir vers contre les ressorts 24, et ce jusqu’à ce que la pression se relâche par le trajet de la zone surélevée de la couronne 22 en mouvement et l’arrivée de la zone basse en face de la bille 35 de poussée. N’ayant plus de poussée, les ressorts 24 de rappel jusque-là compressés par la plaque 16 lors de sa translation vers le fond du logement 15, se détendent et remettent la plaque 16 dans sa position initiale vers le fond 8 du boîtier 6.The face serving as an axial cam 39 then rotates simultaneously and the elevations come to bear the thrust balls 36. These balls 36 force the movable plate 16 to move towards the springs 24, and until the pressure is released by the path of the raised area of the ring 22 in motion and the arrival of the lower zone. face of the ball 35 thrust. Having no more thrust, the return springs 24 hitherto compressed by the plate 16 during its translation towards the bottom of the housing 15, relax and return the plate 16 to its initial position towards the bottom 8 of the housing 6.
[0074] Dans un mode préférentiel, à chaque tour de l’anneau 37, il y a six mouvements de translation entre les positions extrêmes de la plaque 16, soit avec un régime de 400 tours par minute, il y a 2400 mouvements ce qui équivaut à un mouvement à une fréquence de 41 Hz.In a preferred embodiment, at each turn of the ring 37, there are six translation movements between the extreme positions of the plate 16, ie with a speed of 400 revolutions per minute, there are 2400 movements which equals a movement at a frequency of 41 Hz.
[0075] Nous choisissons un rapport d’entraînement courroie / pignon de 1/20 soit un régime moteur de 8000 tours par minute pour une couronne 22 de 33 cm de diamètre et un pignon de 1, 6 cm de diamètre.We choose a belt drive ratio / pinion 1/20 is an engine speed of 8000 revolutions per minute for a ring 22 of 33 cm in diameter and a pinion of 1, 6 cm in diameter.
[0076] Nous choisissons un capteur d’angle moteur avec une précision de 5° d’angle pour avoir un déphasage de +/-1,6° maximum pour piloter le haut-parleur 5.We choose a motor angle sensor with a precision of 5 ° angle to have a phase shift of +/- 1.6 ° maximum to drive the speaker 5.
[0077] Un capteur angulaire de type Point Mort Haut sur l’anneau 37 est à prévoir également pour vérifier la bonne fréquence et piloter en conséquence le moteur électrique 20.An angular sensor of the top dead center type on the ring 37 is to be provided also to check the correct frequency and control accordingly the electric motor 20.
[0078] Le rendement entre la source 18 d’énergie électrique et le mouvement de la plaque 16 est de l’ordre de 81% qui se répartissent entre le moteur électrique 20 et sa commande à hauteur de 0,9% à 0,96% et le mouvement linéaire à hauteur de 0,9% à 0, 96%.The efficiency between the source 18 of electrical energy and the movement of the plate 16 is of the order of 81% which is distributed between the electric motor 20 and its control at a level of 0.9% to 0.96 % and the linear movement up to 0.9% at 0, 96%.
[0079] Le coût de réalisation est un peu élevé car les engrenages à dents sont complexes pour limiter les vibrations mais reste concurrentiel dans le cadre de grande série de production.The cost of production is a little high because the toothed gears are complex to limit vibration but remains competitive in the context of large series of production.
[0080] La plaque 16 rigide devra être en matériau renforcé par des fibres de carbone ou réalisée avec des matériaux lui permettant d’assurer la rigidité nécessaire tout en garantissant sa légèreté face à des pressions maximum de 2,3 tonnes l’équivalent à peu près de la pression subie par un piston-moteur, sans les contraintes thermiques. Cela dimensionne également les poussoirs et ressorts 24 qui animeront la plaque 16 avec un maximum à 400 kg.The rigid plate 16 must be made of material reinforced with carbon fibers or made with materials that allow it to provide the necessary rigidity while guaranteeing its lightness against pressures of up to 2.3 tons the equivalent to little near the pressure experienced by a piston engine, without the thermal stresses. This also dimensions the pushers and springs 24 which will animate the plate 16 with a maximum to 400 kg.
[0081] La figure 5 présente un ensemble 42 thermo-acoustique avec deux systèmes thermo-acoustiques 1 coaxiaux qui partagent la même source 2 d’ondes sonores. Les éléments du second système thermo-acoustique 1 seront désignés avec la même référence que dans les précédents paragraphes avec le suffixe «.2 », à l’exception de ceux communs avec le premier système thermo-acoustique 1.FIG. 5 shows a thermo-acoustic assembly 42 with two coaxial thermoacoustic systems 1 which share the same source 2 of sound waves. The elements of the second thermo-acoustic system 1 will be designated with the same reference as in the preceding paragraphs with the suffix ".2", except for those common with the first thermo-acoustic system 1.
[0082] Le second résonateur est positionné de façon symétrique au premier résonateur par rapport à la source 2 d’ondes sonores. Le second dispositif thermo-acoustique 4.2 est implanté dans la seconde enceinte 3.2 de sorte que les dispositifs 4 et 4.2 sont disposés de façon symétrique par rapport à la plaque 16. La seconde enceinte 3.2 contient le même fluide 9 que la première enceinte 3, de façon préférentielle de l’argon. Les concavités des membranes 14 et 14.2 des haut-parleurs 5 et 5.2 chargés de déphaser les ondes sonores émises par la plaque 16 dans les deux résonateurs, sont opposées l’une par rapport à l’autre. Les échangeurs 10.2 et 12.2 du second dispositif thermo-acoustique 4.2 sont également reliés aux circuits caloporteurs 13 du groupe de climatisation et/ou réfrigération.The second resonator is positioned symmetrically to the first resonator with respect to the source 2 of sound waves. The second thermoacoustic device 4.2 is implanted in the second chamber 3.2 so that the devices 4 and 4.2 are arranged symmetrically with respect to the plate 16. The second chamber 3.2 contains the same fluid 9 as the first chamber 3, preferentially argon. The concavities of the diaphragms 14 and 14.2 of the loudspeakers 5 and 5.2 charged with phase-shifting the sound waves emitted by the plate 16 in the two resonators, are opposite one another. The exchangers 10.2 and 12.2 of the second thermoacoustic device 4.2 are also connected to the heat transfer circuits 13 of the air conditioning and / or refrigeration unit.
[0083] La source 2 d’ondes sonores est commune aux deux systèmes thermo-acoustiques 1 et 1.2 séparés hermétiquement par le logement 15 contenant la plaque 16. Le dispositif d’entraînement 17 rendant la plaque 16 mobile est majoritairement extérieur aux enceintes 3 et 3.2 et au logement 15.The source 2 of sound waves is common to both thermo-acoustic systems 1 and 1.2 hermetically sealed by the housing 15 containing the plate 16. The drive device 17 making the movable plate 16 is predominantly external to the speakers 3 and 3.2 and housing 15.
[0084] Le mouvement de translation de la plaque 16 dans la direction axiale de l’ensemble 42, génère des ondes acoustiques dans chacun des résonateurs simultanément. Les échangeurs 10.2 et 12.2 du second système thermo-acoustique 1.2 produisent des quantités équivalentes de chaleur qui alimentent via les circuits caloporteurs 13, le groupe de climatisation et/ou réfrigération. L’ensemble 42 thermo-acoustique ainsi constitué permet de cumuler la production de chaleur des deux systèmes thermo-acoustiques 1 et 1.2 à partir d’une même source 2 d’ondes sonores, de doubler la quantité de chaleur produite pour une consommation d’énergie quasi-équivalente à un système thermo-acoustique 1 seul.The translational movement of the plate 16 in the axial direction of the assembly 42 generates acoustic waves in each of the resonators simultaneously. The exchangers 10.2 and 12.2 of the second thermoacoustic system 1.2 produce equivalent amounts of heat which feed via the heat transfer circuits 13, the air conditioning and / or refrigeration unit. The thermo-acoustic assembly 42 thus formed makes it possible to combine the heat production of the two thermo-acoustic systems 1 and 1.2 from the same source 2 of sound waves, to double the quantity of heat produced for a consumption of energy almost equivalent to a thermo-acoustic system 1 only.
[0085] Ainsi l’ensemble 42 thermo-acoustique avec double système thermo-acoustique 1 de puissance frigorifique de 2,5 kW chacun, permet d’atteindre une puissance frigorifique de 5 kW ce qui est suffisant pour le bon fonctionnement d’un groupe de climatisation et/ou réfrigération d’un véhicule automobile.Thus, the thermo-acoustic unit 42 with a double thermo-acoustic system 1 with a cooling capacity of 2.5 kW each, makes it possible to achieve a cooling capacity of 5 kW, which is sufficient for the proper functioning of a group. air conditioning and / or refrigeration of a motor vehicle.
[0086] La figure 6 présente une implantation préférentielle d’un ensemble 42 thermoacoustique avec un double système thermo-acoustique 1 selon l’invention alimenté par le réseau électrique 43 de tension 48 Volts d’un véhicule 44.FIG. 6 shows a preferred embodiment of a thermoacoustic assembly 42 with a double thermoacoustic system 1 according to the invention powered by the electrical network 43 of voltage 48 Volts of a vehicle 44.
[0087] Le véhicule 44 présente à l’avant un compartiment moteur 45 sous le capot d’un groupe motopropulseur 46 associé au bloc 47 comprenant l’onduleur 48 et la machine électrique 49 de traction du véhicule 44 d’un côté du véhicule 44 et de l’autre une batterie 50 de tension 12 Volts, et à l’arrière un stockeur 51 de tension 48 Volts et un convertisseur 52 DC/DC. Le convertisseur 52 est relié à la batterie 50 par un réseau de bord électrique 53 de tension 12 Volts et au stockeur 51 sur le réseau électrique 43 de la machine électrique 49. Le stockeur 51 est relié à l’onduleur 48 par le réseau électrique 43 de tension 48 Volts.The vehicle 44 has at the front a motor compartment 45 under the hood of a power unit 46 associated with the block 47 comprising the inverter 48 and the electric machine 49 for pulling the vehicle 44 on one side of the vehicle 44 and on the other a battery 50 of voltage 12 volts, and at the rear a storer 51 voltage 48 volts and a converter 52 DC / DC. The converter 52 is connected to the battery 50 by an electrical edge network 53 of voltage 12 Volts and to the storer 51 on the electrical network 43 of the electrical machine 49. The storer 51 is connected to the inverter 48 by the electrical network 43 voltage 48 volts.
Le stockeur 51 et le convertisseur 52 sont implantés dans la partie arrière 54 du véhicule 44.The storer 51 and the converter 52 are located in the rear portion 54 of the vehicle 44.
[0088] L’ensemble 42 thermo-acoustique est implanté également dans le compartiment moteur 45 à l’avant du véhicule 44. Les boîtiers 6 et 6.2 et le logement 15 de l’ensemble 42 thermo-acoustique sont orientés longitudinalement par rapport au véhicule 44, tout comme la partie du dispositif d’entraînement 17 à l’extérieur du logement 15. Les boîtiers 6 et 6.2 et le logement 15 sont à proximité de la batterie 50 de tension 12 volts. Mais le dispositif d’entraînement 17 est alimenté par le réseau électrique 43 de tension 48 Volts via l’onduleur 48. Le plancher du véhicule 44 présentent des traversées 55 de plancher à l’arrière pour permettre le cheminement des réseaux électriques 43 et 53 entre la partie arrière 54 et le compartiment moteur 45.The thermo-acoustic assembly 42 is also located in the engine compartment 45 at the front of the vehicle 44. The housings 6 and 6.2 and the housing 15 of the thermo-acoustic assembly 42 are oriented longitudinally with respect to the vehicle. 44, as the portion of the drive device 17 outside the housing 15. The housings 6 and 6.2 and the housing 15 are in proximity to the voltage battery 50 12 volts. But the drive device 17 is powered by the electrical network 43 of voltage 48 Volts via the inverter 48. The floor of the vehicle 44 have bushings 55 at the rear to allow the routing of the electrical networks 43 and 53 between the rear portion 54 and the engine compartment 45.
[0089] Les interfaces avec les circuits caloporteurs 13 ne sont pas représentées sur cette figure.The interfaces with the heat transfer circuits 13 are not shown in this figure.
[0090] La figure 7 présente une autre implantation préférentielle d’un ensemble 42 thermoacoustique à double système thermo-acoustique 1 dans un véhicule 44 tel que décrit à la figure 6.FIG. 7 shows another preferred embodiment of a thermoacoustic set 42 with a double thermoacoustic system 1 in a vehicle 44 as described in FIG. 6.
[0091] L’ensemble 42 thermo-acoustique est implanté dans la partie arrière 54 du véhicule 44 entre le stockeur 51 et la carrosserie 56, de sorte que l’axe des boîtiers 6 et 6.2 et du logement 15 soit parallèle à la direction longitudinale du véhicule 44. La partie du dispositif d’entraînement 17 extérieure au logement 15 est légèrement déportée vers l’avant du véhicule 44 par rapport aux boîtiers 6 et 6.2 et au logement 15. La source d’énergie 18 du dispositif d’entraînement 17 est relié au stockeur 51 par le réseau électrique 43 de tension 48 Volts qui traverse le plancher du véhicule 44 via des traversées 55 de plancher.The thermo-acoustic assembly 42 is implanted in the rear portion 54 of the vehicle 44 between the storer 51 and the bodywork 56, so that the axis of the housings 6 and 6.2 and the housing 15 is parallel to the longitudinal direction. of the vehicle 44. The portion of the drive device 17 outside the housing 15 is slightly offset towards the front of the vehicle 44 relative to the housings 6 and 6.2 and the housing 15. The energy source 18 of the drive device 17 is connected to the storer 51 by the electrical network 43 voltage 48 Volts through the floor of the vehicle 44 via bushings 55 floor.
[0092] Le volume hors échangeurs externes a des dimensions inférieures à 25 cm x 25 cm x 40 cm. La masse de l’ensemble 42 est inférieure à 7 kg qui est la masse des éléments d’un climatiseur fournissant habituellement la prestation attendue pour un véhicule.The volume excluding external exchangers has dimensions less than 25 cm x 25 cm x 40 cm. The mass of the assembly 42 is less than 7 kg which is the mass of the elements of an air conditioner usually providing the expected performance for a vehicle.
[0093] La figure 8 présente les interfaces calorifiques d’un ensemble 42 thermoacoustique avec double système thermo-acoustique 1 selon le mode de réalisation de la figure 4 dans un véhicule 44 tel que décrit à la figure 7.FIG. 8 shows the heat interfaces of a thermoacoustic assembly 42 with a double thermoacoustic system 1 according to the embodiment of FIG. 4 in a vehicle 44 as described in FIG. 7.
[0094] L’ensemble 42 thermo-acoustique est implanté à l’avant du véhicule 44 près de la batterie 50 de tension 12 V, l’axe longitudinal des boîtiers 6 et 6.2 et du logement 15 est orienté selon la direction longitudinale du véhicule 44. Les échangeurs 10 et 12 du premier dispositif thermo-acoustique 4 le plus vers l’avant du véhicule 44, sont reliés aux circuits caloporteurs 13 de l’échangeur thermique 56 de la façade avant du véhicule 44. Les échangeurs 10.2 et 12.2 du second dispositif thermo-acoustique 4.2 le plus proche de l’arrière du véhicule 44 sont reliés par les circuits caloporteurs 13.2 aux échangeurs 57 du groupe de climatisation. La source 18 d’énergie électrique n’est pas représentée, ni son alimentation énergétique.The thermo-acoustic assembly 42 is located at the front of the vehicle 44 near the battery 50 of voltage 12 V, the longitudinal axis of the housings 6 and 6.2 and the housing 15 is oriented in the longitudinal direction of the vehicle 44. The exchangers 10 and 12 of the first thermoacoustic device 4 foremost towards the front of the vehicle 44, are connected to the heat transfer circuits 13 of the heat exchanger 56 of the front of the vehicle 44. The exchangers 10.2 and 12.2 of the second thermo-acoustic device 4.2 closest to the rear of the vehicle 44 are connected by the heat transfer circuits 13.2 to exchangers 57 of the air conditioning unit. The source 18 of electrical energy is not represented, nor its power supply.
[0095] En variante de l’invention, l’ensemble 42 thermo-acoustique à double système thermo-acoustique 1 peut avoir des fluides 9 et 9.2 identiques ou différents dans les deux résonateurs, enceintes 3 et 3.2.As a variant of the invention, the thermo-acoustic unit 42 with a double thermoacoustic system 1 may have fluids 9 and 9.2 which are identical or different in the two resonators, enclosures 3 and 3.2.
[0096] En variante, dans un système thermo-acoustique 1 avec une pompe 26 électrohydraulique, le vérin annulaire 21 pourrait être à double effet c’est-à-dire avec une couronne 22 de vérins 23 de poussée à double effet pour remplacer les vérins 23 de poussée à simple effet et les ressorts 24 de rappels.Alternatively, in a thermo-acoustic system 1 with an electrohydraulic pump 26, the annular cylinder 21 could be double-acting, that is to say with a ring 22 of double-acting thrust cylinders 23 to replace the 23 single-acting thrust cylinders and 24-point springs.
[0097] En variante de l’invention, dans un système thermo-acoustique 1 avec une pompe 26 électrohydraulique, la pompe 26 a une puissance entre 1,5 kW et 10 kW selon qu’elle est alimentée avec une tension de 48 Volts ou toutes les tensions d’un véhicule électrique ou hybrides entre 150 Volts et 1000 Volts. De préférence, la pompe 26 a une puissance entre 2 kW et 4 kW selon qu’elle est alimentée soit sur un réseau électrique 43 de tension 48 V ou 200 V.In a variant of the invention, in a thermo-acoustic system 1 with an electrohydraulic pump 26, the pump 26 has a power between 1.5 kW and 10 kW depending on whether it is powered with a voltage of 48 volts or all the voltages of an electric vehicle or hybrids between 150 Volts and 1000 Volts. Preferably, the pump 26 has a power between 2 kW and 4 kW depending on whether it is powered on an electrical network 43 of voltage 48 V or 200 V.
[0098] En variante de l’invention, il est possible de remplacer le haut-parleur 5 servant de déphaseur 5 par une paroi mobile. Il est possible de remplacer par cette paroi mobile en lieu et place du fond 8 du boîtier 6. Il est possible d’avoir un ensemble 42 thermo-acoustique avec deux systèmes thermo-acoustiques 1 et 1.2 qui partagent des éléments des déphaseurs comprenant une paroi mobile.In a variant of the invention, it is possible to replace the loudspeaker 5 serving as phase shifter 5 by a movable wall. It is possible to replace this movable wall in place of the bottom 8 of the housing 6. It is possible to have a thermo-acoustic assembly 42 with two thermo-acoustic systems 1 and 1.2 which share elements of phase shifters comprising a wall mobile.
[0099] En variante, la plage de fréquence des oscillations de la plaque 16 est comprise entre 1 Hz et 100 Hz.Alternatively, the frequency range of the oscillations of the plate 16 is between 1 Hz and 100 Hz.
[00100] En variante, l’ensemble thermo-acoustique 42 pourrait alimenter un groupe de climatisation et / ou réfrigération et un autre équipement via les seconds circuits caloporteurs.Alternatively, the thermo-acoustic assembly 42 could supply an air conditioning unit and / or refrigeration and other equipment via the second heat transfer circuits.
[00101] En variante du mode de réalisation de la figure 2 avec un véhicule à moteur thermique 44, les vannes des réserves de pression du circuit du système d'injection directe à rampe commune pourraient être mis en commun avec les vannes 29 et 30 des réserves de pression du mécanisme d’entraînement 19.As a variant of the embodiment of FIG. 2 with a heat engine vehicle 44, the valves of the pressure reserves of the common rail direct injection system circuit could be pooled with the valves 29 and 30 of the valves. pressure reserves of the drive mechanism 19.
[00102] L’invention présente un système thermo-acoustique 1 dont le volume hors échangeur thermique extérieur, est inférieur à celui d’une climatisation classique (25x25x40 cm3) et une glacière (5x20x20 cm3). Le poids est inférieur à 7 kg correspondant à la masse d’une climatisation classique (7 à 8 kg).The invention has a thermo-acoustic system 1 whose volume outside heat exchanger is less than that of a conventional air conditioning (25x25x40 cm3) and a cooler (5x20x20 cm3). The weight is less than 7 kg corresponding to the mass of a conventional air conditioning (7 to 8 kg).
[00103] L’invention propose ainsi un système thermo-acoustique 1 offrant de multiples avantages. L’invention décrite permet de réaliser une source acoustique 2 de très forte puissance sans les contraintes masses et coût des systèmes électromécaniques de type haut-parleur utilisé en source 2 d’ondes sonores. L’invention permet de réaliser un mouvement de translation, oscillatoire à fréquence fixe de l’ordre de la dizaine de Hz d’une plaque 16 rigide sur une course de quelques millimètres. Ce mouvement génère des ondes de pression de plusieurs centaines de milliers de Pascal. L’invention génère ce mouvement oscillatoire par un mécanisme avec un entraînement direct de type rotatif avec un moteur électrique 20, ou indirect à partir d’électropompe hydraulique 26. Ces systèmes thermoacoustiques 1 peuvent ne pas être uniquement dédiés à la climatisation et comprendre des éléments du dispositif d’entraînement 17 qui peuvent être mutualisés avec d’autres fonctions dans le véhicule 44 ce qui permet de limiter le coût tout en améliorant l’efficacité.The invention thus proposes a thermo-acoustic system 1 offering multiple advantages. The invention described makes it possible to produce an acoustic source 2 of very high power without the weight and cost constraints of electromechanical systems of the speaker type used as source 2 of sound waves. The invention makes it possible to carry out an oscillatory translation movement at a fixed frequency of the order of ten Hz of a rigid plate 16 over a course of a few millimeters. This movement generates pressure waves of several hundreds of thousands of Pascal. The invention generates this oscillatory movement by a mechanism with a rotary type direct drive with an electric motor 20, or indirectly from a hydraulic pump 26. These thermoacoustic systems 1 may not be solely dedicated to air conditioning and include elements the drive device 17 which can be shared with other functions in the vehicle 44 which allows to limit the cost while improving efficiency.
[00104] Il est ainsi possible d’avoir un système thermo-acoustique 1 avec une architecture compacte facile à implanter dans le véhicule 44, d’une masse très inférieure à l’existant ce qui réduit la consommation du véhicule 44, et avec un prix moindre. Le fluide 9 de travail est facile à se procurer et moins nocif pour l’environnement que les fluides lesplus couramment dans la climatisation/ réfrigération. Ces sources acoustiques sont les seules utilisées pour de très fortes puissances supérieures à un ordre de grandeur de 1 kW sans les contraintes de masses et de coût de systèmes électromécaniques de type haut-parleur 5.[00104] It is thus possible to have a thermo-acoustic system 1 with a compact architecture easy to implement in the vehicle 44, a mass much lower than the existing which reduces the consumption of the vehicle 44, and with a lower price. The working fluid is readily available and less harmful to the environment than the fluids most commonly used in air conditioning / refrigeration. These acoustic sources are the only ones used for very high powers higher than an order of magnitude of 1 kW without the weight and cost constraints of electromechanical systems of the speaker type 5.
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