FR3081032A3 - Moteur a chaleur externe - Google Patents

Abstract

Les parties du moteur dans lesquelles circule le gaz de travail est isolé dans une enceinte étanche, les cylindres chaud et froid sont alignés et opposés. Les deux pistons forment un espace inter-pistons à volume variable, par lequel passe le gaz de travail dans un sens ou dans l'autre au cours du cycle. Un déplaceur isolant mobile permet de séparer le volume de cet espace inter-pistons de telle sorte que, en supplément des régénérateurs placés sur les pistons chaud et froid, et sur ce déplaceur, on utilise la compression de l'espace inter-pistons pour produire de la chaleur orientée vers le piston chaud, et sa détente pour produire du froid orienté vers le piston froid. La course des pistons chaud et froid peut être limitée à la demande pour faire varier rapidement la cylindrée et donc la puissance du moteur.

Description

Description

Titre de l'invention : Moteur à chaleur externe {Domaine technique [1] L’invention est un moteur à chaleur externe, utilisant une différence de chaleur entre une source chaude et une source froide pour produire de l’énergie.

Problème technique [2] La présente invention vise principalement à améliorer le rendement des moteurs à chaleur externe. Elle permet aussi de faire varier en temps réel la puissance du moteur, de supprimer les possibilités de fuite du gaz de travail, et d’améliorer la lubrification.

Technique antérieure [3] On connaît les moteurs à air chaud aussi appelés moteurs Stirling, qui reposent sur des transferts thermiques entre un cylindre chaud, un cylindre froid et un élément connu sous le terme régénérateur.

[4] On connaît aussi les documents US4312181 (A) - 26 janvier 1982 de Clark Earl et FR2846374 (A1) - 30 avril 2004 de Raballand Thierry [FR] qui décrivent des moteurs Stirling aux formes particulières.

Brève description des dessins [5] L’invention sera bien comprise, et d’autres buts, avantages et caractéristiques de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui va suivre, les figures 1 à 5 qui représentent toutes des parties de moteurs selon la présente invention.

[6] Les éléments représentés sont désignés par les numéros de référence suivants : 1 - enceinte à volume fixe 2 - paroi chaude 3 - paroi froide 4 - paroi isolante 5 - piston chaud 51 - obturateur du piston chaud 52 - régénérateur du piston chaud 53 - aimant du piston chaud 6 - piston froid 61 - obturateur du piston froid 62 - régénérateur du piston froid 63 - aimant du piston froid 7 - déplaceur 71 - obturateur de l’extrémité chaude du déplaceur 72 - obturateur de l’extrémité froide du déplaceur 73 - régénérateur du déplaceur [7] [fig. 1 ] est une vue en perspective de l’enceinte à volume fixe dans laquelle circule le gaz de trav.

[8] [fig.2] est une vue en perspective des principaux éléments situés à l’intérieur de ce volume fixe.

[9] [fig.3] est une vue en perspective et en coupe longitudinale de cette enceinte à volume fixe munie de ces éléments.

[10] [fig.4] est une coupe de l’enceinte à volume fixe, à un moment du cycle où le déplaceur est en position centrale, les cylindres chaud et froid ayant le même volume.

[11] [fig.5] est une coupe de l’enceinte à volume fixe, à un moment du cycle où le déplaceur est placé contre le cylindre froid.

Exposé de l’invention [12] L’invention est un moteur à chaleur externe comportant deux chambres entre lesquelles circule un gaz de travail, dites respectivement cylindre chaud et cylindre froid, muni de deux cloisons mobiles dites piston chaud 5 pour le cylindre chaud et piston froid 6 pour ledit cylindre froid, qui se déplacent tous deux au cours d’un cycle, et d’un élément dit déplaceur 7, caractérisé en ce que - l’ensemble desdits cylindres et dudit déplaceur est situé dans une enceinte à volume constant 1 comportant une paroi dite paroi chaude 2, une paroi dite paroi froide 3 et une paroi dite paroi isolante 4, - ledit déplaceur est placé dans l’espace situé entre ledit piston chaud et ledit piston froid, dit espace inter-pistons, - ledit espace inter-pistons a un volume qui varie au cours dudit cycle, - et la chaleur générée par la diminution de volume dudit espace inter-pistons est transférée audit cylindre chaud, et/ou le froid généré par l’augmentation de volume dudit déplaceur est transféré audit cylindre froid..

Description détaillée de l’invention [13] On emploie ici les mots cylindre et piston dans un sens très large, un cylindre voulant aussi bien dire une chambre et un piston une cloison, car il est connu de remplacer les cylindres par des chambres de formes diverses, et les pistons par des cloisons permettant de faire varier le volume de ces chambres. C’est en particulier le cas dans les documents US4312181(A) et FR2846374 (A1) précités.

[14] Comme l’espace inter-pistons a un volume qui se comprime et se détend pendant un cycle, on utilise cette compression et cette détente pour produire alternativement de la chaleur et du froid.

[15] Dans un mode perfectionné, un dispositif dit déplaceur est situé entre lesdits pistons chaud et froid et sépare en deux volumes séparés l’espace inter-pistons, et ce déplaceur est déplacé de telle sorte que la détente se fasse dans une partie proche du cylindre froid et la compression dans une partie proche du cylindre chaud. On a ainsi une sorte de pompe à chaleur à l’intérieur du moteur, qui vient améliorer son rendement.

[16] Ce déplaceur est avantageusement le plus étanche possible.

[17] L’enceinte à volume constant est avantageusement étanche, de telle sorte que dans le cas d’une fuite du gaz de travail, il ne puisse pas être remplacé par de l’air. Cette enceinte enferme ainsi les deux cylindres chaud et froid et les deux pistons chaud et froid ainsi que leurs conduits de transfert du gaz de travail.

[18] Le déplaceur comporte avantageusement un conduit dit régénérateur du déplaceur qui permet au gaz de travail de passer du cylindre chaud au cylindre froid à une étape du cycle et du cylindre froid au cylindre chaud à une autre étape du cycle.

[19] Ce régénérateur permet de refroidir le gaz lorsqu’il passe dudit cylindre chaud audit cylindre froid et de le réchauffer lorsqu’il passe dudit cylindre froid audit cylindre chaud.

[20] Ce ou ces conduits s’ouvrent et se ferment en fonction de la position et du sens de déplacement des pistons, par des moyens mécaniques connus. Dans les figures, ces conduits sont fermés par des obturateurs qui pivotent autour de l’axe longitudinal des cylindres, pour que leurs trous coïncident ou non avec ceux du déplaceur et des cylindres.

[21] Avantageusement chacun des cylindres est muni d’un régénérateur, et ces deux régénérateurs agissent l’un après l’autre pour améliorer le refroidissement de l’air en fin de la phase de détente, et la récupération de chaleur du gaz de travail avant la fin la phase de compression.

[22] Un moteur selon l’invention fonctionne avantageusement sans vilebrequin, avec une transmission à crémaillère, par exemple comme celles décrites dans la demande FR1870333 de Franck Guigan [FR] déposée le 24/04/2018.

[23] Le fait que ce type de transmission permette d’optimiser la courbe de transfert de puissance au cours du cycle est un avantage majeur, aussi bien pour améliorer le rendement que pour diminuer voire supprimer les acyclismes qui sont une grande cause de fatigue de tous les éléments d’une transmission mécanique, générant de surcroît des vibrations et du bruit, et obligeant à limiter le régime de rotation du moteur.

[24] Cela permet aussi à l’homme du métier d’améliorer la cinématique du moteur, en séparant plus nettement les phases qui ont avantage à l’être. Le cycle du moteur peut être largement amélioré par rapport à celui d‘un moteur Stirling. En effet, autant cela est peu important de séparer nettement la phase de compression dans le cylindre chaud et celle de chauffage du gaz dans ce cylindre, autant il est le plus souvent avantageux de ne pas commencer la phase de détente avant d’avoir terminé la phase de compression et de chauffage, et de ne pas la terminer avant d’avoir terminé la phase de refroidissement.

[25] La suppression du vilebrequin et des bielles permet aussi de limiter le poids et l’encombrement du moteur et de limiter l’usure de la liaison étanche entre cylindre et piston, car la force transmise par le piston l’est dans le même axe que celui de son mouvement, ce qui ouvre la voie à la réalisation de moteurs supercarrés qui ont un meilleur rendement et peuvent tourner à de très hauts régimes.

[26] Il est possible de placer l’ensemble des composants mécaniques, et en particulier la transmission, à l’intérieur de l’enceinte étanche, mais cela a pour conséquence que l’arbre de la roue de sortie traverse en un point au moins cette enceinte étanche, ce qui peut nuire à son étanchéité.

[27] Il est donc avantageux que la transmission soit située à l’extérieur de l’enceinte étanche à volume constant, et qu’un au moins des cylindres comporte au moins un aimant ou électro-aimant coopérant avec au moins un aimant ou électroaimant situé à l’extérieur de l’enceinte étanche à volume constant pour transférer au moins un mouvement entre le cylindre considéré et à la transmission mécanique. Avantageusement, l’aimant ou l’électro-aimant situé à l’extérieur de l’enceinte peut coulisser sur des rails et être lié à une crémaillère si une telle transmission à crémaillère est utilisée. L’homme de l’art peut aussi utiliser des moyens électromécaniques non mobiles comme un moteur ou un alternateur pour recevoir l’énergie du piston chaud pendant la détente et/ou provoquer les mouvements des cylindres et d’autres éléments tout au long du cycle. Ce moteur et cet alternateur peuvent être linéaire ou commander des éléments se déplaçant linéairement.

[28] La suppression du vilebrequin a aussi pour avantage que le mouvement de va et vient de la crémaillère peut être interrompu ou modifié avant d’atteindre l’une ou l’autre des extrémités de la course, ce qui fait que la cylindrée est réglable. Cela supprime l’un des principaux désavantages des moteurs à chaleur externe qui est la difficulté de faire varier rapidement leur puissance. Ce désavantage qui a freiné l’essor des moteurs Stirling dans les métiers de l’automobile en particulier, mais aussi dans de nombreuses autres applications. Pour obtenir ce résultat, l’homme de l’art peut aussi bien déplacer la position des cylindres que limiter la course des pistons.

[29] Ce moyen est facile à mettre en œuvre avec une transmission à crémaillères, mais aussi avec des moyens électro-mécaniques comme un alternateur ou un moteur linéaire, ou un alternateur ou un moteur rotatif liés à des mouvements linéaires des pistons et d’autres éléments mobiles du moteur.

[30] Un volant est avantageusement placé sur l’arbre de sortie pour réguler le mouvement. Cela permet aussi de relancer le cycle suivant, ce qui n’est pas toujours le cas lorsque l’on utilise des dispositifs à crémaillère en lieu et place de vilebrequins pour transmettre le mouvement de va et vient d’un piston à une roue de sortie.

[31] Un moteur électrique peut aussi coopérer avec ce vilebrequin pour lancer le moteur, c'est-à-dire pour lui servir de démarreur.

[32] N est avantageux de mettre en œuvre l’une au moins des quatre solutions suivantes pour éviter que la crémaillère change de sens de mouvement en fin de course sans que sa vitesse puisse être réduite avant ce changement de sens. - la crémaillère est entraînée en un mouvement qui est ralenti en fin de course - la roue de sortie est liée élastiquement à l’arbre qu’elle entraîne, - le rayon du secteur décroît en fin de course de la crémaillère. - la crémaillère comporte deux parties liées élastiquement entre elles, la première étant liée mécaniquement au moteur et la seconde entraînant un secteur.

[33] L’étanchéité de l’enceinte étanche à volume fixe permet de faire fonctionner le moteur avec un gaz comportant un moyen de lubrification permanent.

[34] L’ensemble des deux cylindres et dudit déplaceur formant une enceinte étanche peut avantageusement tourner autour d’un axe ou d’un point quelconque pour assurer sa lubrification par barbotage.

Avantages apportés [35] Le rendement du moteur est amélioré par la production de froid et de chaleur lors de la déformation de l’espace inter-pistons.

[36] L’enceinte de la partie du moteur comportant les cylindres et les pistons est parfaitement étanche et il n’y a plus de pertes du gaz de travail, ce qui permet d’utiliser des gaz chers sans risque que ce gaz soit progressivement remplacé par de l’air ambiant.

[37] Les crémaillères et autres engrenages sont facilement accessibles car situées à l’extérieur de cette enceinte étanche.

[38] L’invention permet de faire varier la cylindrée du moteur, ainsi que son taux de compression, en temps réel, ce qui lui ouvre de nombreuses applications dont celle des moteurs pour les moyens de transport [39] Lorsque l’on combine un tel moteur avec une transmission à crémaillère comme celles décrites plus haut, le moteur peut aussi avoir un rapport de transmission variable en continu.

Applications [40] Les applications sont toutes celles des moteurs, et en particulier tous les types de moteurs Stirling, connus sous les désignations alpha, beta, gamma ou moteurs Stirling plats ]

Claims (1)

1. {Revendications [Revendication 1] Moteur comportant deux chambres entre lesquelles circule un gaz de travail, dites respectivement cylindre chaud et cylindre froid, muni de deux cloisons mobiles dites piston chaud (5) pour le cylindre chaud et piston froid (6) pour ledit cylindre froid qui se déplacent tous deux au cours d’un cycle, et d’un élément dit déplaceur (7) caractérisé en ce que - l’ensemble desdits cylindres et dudit déplaceur est situé dans une enceinte à volume constant (1), comportant une paroi dite paroi chaude (2), une paroi dite paroi froide (3) et une paroi dite paroi isolante (4), - ledit déplaceur est placé dans l’espace situé entre ledit piston chaud et ledit piston froid, dit espace inter-pistons, - ledit espace inter-pistons a un volume qui varie au cours dudit cycle, - et la chaleur générée par la diminution de volume dudit espace inter-pistons est transférée audit cylindre chaud, et/ou le froid généré par l’augmentation de volume dudit déplaceur est transféré audit cylindre froid. [Revendication 2] Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite enceinte à volume constant est étanche. [Revendication 3] Moteur selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que ledit déplaceur est placée à proximité dudit piston chaud surtout lorsque son volume diminue et à proximité dudit piston froid surtout lorsque son volume augmente. [Revendication 4] Moteur selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit déplaceur comporte un conduit dit régénérateur du déplaceur permettant au gaz de travail de passer du cylindre chaud au cylindre froid à une étape du cycle et du cylindre froid au cylindre chaud à une autre étape du cycle afin de refroidir le gaz lorsqu’il passe dudit cylindre chaud audit cylindre froid et de le réchauffer lorsqu’il passe dudit cylindre froid audit cylindre chaud. [Revendication 5] Moteur selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comporte deux dispositifs dits régénérateurs, l’un dit régénérateur du piston chaud (52) situé sur le piston dudit cylindre chaud et l’autre dit régénérateur du piston froid (62) sur le piston dudit cylindre froid [Revendication 6] Moteur selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’un au moins desdits cylindres comporte au moins un aimant ou électro-aimant coopérant avec au moins un aimant ou électro-aimant situé à l’extérieur de ladite enceinte à volume constant pour transférer au moins un mouvement entre ledit cylindre à une transmission mécanique située à l’extérieur de ladite enceinte à volume constant.