FR3130017A1 - Phase shift modulation thermoacoustic machine - Google Patents
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Abstract
L’invention se rapporte à une machine thermoacoustique (1) à plusieurs sources acoustiques (6-9), équipée d’un dispositif (15) de modulation du déphasage entre des éléments mobiles de ces sources (6-9) en fonction d’un déphasage réel mesuré. Figure pour l’abrégé : Fig. 1The invention relates to a thermoacoustic machine (1) with several acoustic sources (6-9), equipped with a device (15) for modulating the phase difference between the mobile elements of these sources (6-9) as a function of a real measured phase shift. Figure for abstract: Fig. 1
Description
L’invention se rapporte au domaine des machines thermoacoustiques.The invention relates to the field of thermoacoustic machines.
L’invention présente un intérêt particulier, mais nullement limitatif, pour les machines thermoacoustiques destinées à fonctionner en mode pompe à chaleur, par distinction avec un fonctionnement en mode moteur. Au sens physique, le mode pompe à chaleur correspond à l’utilisation de l’énergie mécanique d’une onde sonore pour pomper de l’énergie à une source thermique, aussi appelée source de pompage, la remonter en température puis la déposer à une deuxième source thermique, aussi appelée source de rejet, la température de la source de rejet étant donc supérieure à la température de la source de pompage. Une pompe à chaleur peut être utilisée comme un système de chauffage, en augmentant la température de la source de rejet utilisée comme moyen de chauffage, ou comme un système de réfrigération, en abaissant la température de la source de pompage utilisée comme moyen de réfrigération.The invention is of particular interest, but in no way limiting, for thermoacoustic machines intended to operate in heat pump mode, as distinct from operation in engine mode. In the physical sense, the heat pump mode corresponds to the use of the mechanical energy of a sound wave to pump energy to a thermal source, also called a pumping source, raise it to temperature and then deposit it at a second thermal source, also called rejection source, the temperature of the rejection source therefore being higher than the temperature of the pumping source. A heat pump can be used as a heating system, by raising the temperature of the exhaust source used as the heating medium, or as a cooling system, by lowering the temperature of the pumping source used as the cooling medium.
État de la technique antérieureState of the prior art
De manière connue en soi, une machine thermoacoustique est une machine thermique dans laquelle se réalise, selon le principe physique de la thermoacoustique, des cycles thermodynamiques au sein d’un fluide de travail. En mode moteur, ces cycles génèrent de l’énergie mécanique sous forme d’une onde acoustique à partir d’un apport de chaleur. En mode pompe à chaleur, ces cycles génèrent un pompage de chaleur en utilisant l’énergie mécanique de l’onde acoustique.In a manner known per se, a thermoacoustic machine is a thermal machine in which, according to the physical principle of thermoacoustics, thermodynamic cycles are carried out within a working fluid. In engine mode, these cycles generate mechanical energy in the form of an acoustic wave from a heat input. In heat pump mode, these cycles generate heat pumping using the mechanical energy of the acoustic wave.
Les machines thermoacoustiques conventionnelles qui sont destinées à fonctionner en mode pompe à chaleur comprennent une ou plusieurs sources acoustiques, qui sont typiquement des actionneurs électroacoustiques ou des générateurs d’ondes thermoacoustiques, configurées pour générer une onde acoustique au sein d’un guide d’onde contenant le fluide de travail. Cette onde acoustique permet d’apporter sous forme de travail l’énergie mécanique nécessaire pour assurer concomitamment le transfert et la montée en température de chaleur puisée d’une source extérieure froide vers une source extérieure chaude.Conventional thermoacoustic machines which are intended to operate in heat pump mode comprise one or more acoustic sources, which are typically electroacoustic actuators or thermoacoustic wave generators, configured to generate an acoustic wave within a waveguide containing the working fluid. This acoustic wave makes it possible to bring in the form of work the mechanical energy necessary to ensure the concomitant transfer and rise in temperature of heat drawn from a cold external source towards a hot external source.
Dans les machines thermoacoustiques contemporaines, telles que celle décrite dans le document US8584471B2, le transfert de chaleur est assuré par une cellule thermoacoustique disposée dans le guide d’onde. La cellule comprend un régénérateur et deux échangeurs de chaleur disposés de part et d’autre du régénérateur.In contemporary thermoacoustic machines, such as that described in document US8584471B2, the heat transfer is provided by a thermoacoustic cell arranged in the waveguide. The cell comprises a regenerator and two heat exchangers arranged on either side of the regenerator.
Lors du processus de pompage de chaleur, le cycle thermodynamique mis en œuvre par l’onde acoustique permet par consommation du travail acoustique la génération d’un flux de chaleur d’une extrémité du régénérateur à l’autre qui se traduit par l’établissement d’un gradient de température le long du régénérateur. Les échangeurs de chaleur assurent quant à eux un transfert de chaleur entre le fluide de travail et un élément de transport de chaleur tel qu’un fluide caloporteur en lien avec une source de chaleur extérieure respective. En particulier, l’un des échangeurs transfère de la chaleur d’un premier fluide caloporteur vers un fluide de travail en pompant ainsi de la chaleur dans un circuit de pompage dans lequel circule ce premier fluide caloporteur. L’autre échangeur transfère à l’inverse de la chaleur du fluide de travail vers un deuxième fluide caloporteur en rejetant ainsi de la chaleur dans un circuit de rejet dans lequel circule ce deuxième fluide caloporteur.During the heat pumping process, the thermodynamic cycle implemented by the acoustic wave allows by consumption of the acoustic work the generation of a heat flow from one end of the regenerator to the other which results in the establishment a temperature gradient along the regenerator. Heat exchangers ensure a transfer of heat between the working fluid and a heat transport element such as a heat transfer fluid in connection with a respective external heat source. In particular, one of the exchangers transfers heat from a first heat transfer fluid to a working fluid, thereby pumping heat into a pumping circuit in which this first heat transfer fluid circulates. Conversely, the other exchanger transfers heat from the working fluid to a second heat-transfer fluid, thus rejecting heat in a rejection circuit in which this second heat-transfer fluid circulates.
Lorsque plusieurs sources acoustiques sont montées en série dans une machine thermoacoustique, la production d’une onde acoustique progressive ou quasi progressive dans le régénérateur nécessite généralement de déphaser le déplacement des éléments mobiles des sources acoustiques. A titre d’exemple, lorsque la machine comprend quatre sources acoustiques, le déphasage souhaité des éléments mobiles de deux sources acoustiques adjacentes peut typiquement être de
En fonctionnement, une telle machine peut présenter des déséquilibres pouvant être dus, entre autres, à des écarts dimensionnels entre les différents constituants de la machine, à des phénomènes thermiques – par exemple de convexion, de différence de débit dans les échangeurs, etc. – ou encore à des différences de comportement entre les sources acoustiques. De tels déséquilibres entraînent une différence entre le déphasage souhaité et le déphasage réel. Il en résulte des instabilités et une baisse d’efficacité de la machine.In operation, such a machine may present imbalances which may be due, among other things, to dimensional differences between the various components of the machine, to thermal phenomena – for example convection, difference in flow rate in the exchangers, etc. – or to differences in behavior between the acoustic sources. Such imbalances result in a difference between the desired phase shift and the actual phase shift. This results in instabilities and a decrease in the efficiency of the machine.
L’invention vise à améliorer le fonctionnement d’une machine thermoacoustique équipée de plusieurs sources acoustiques.The invention aims to improve the operation of a thermoacoustic machine equipped with several acoustic sources.
Un but particulier de l’invention est de pouvoir compenser les déséquilibres tels que ceux décrits ci-dessus.A particular object of the invention is to be able to compensate for imbalances such as those described above.
A cet effet, l’invention a pour objet une machine thermoacoustique, comprenant :
– un guide d’onde destiné à recevoir un fluide de travail,
– au moins deux sources acoustiques comprenant chacune un élément mobile apte à être déplacé de manière à propager de l’énergie acoustique dans le guide d’onde, et
– au moins une cellule thermoacoustique comprenant un régénérateur disposé dans le guide d’onde et deux échangeurs de chaleur disposés de part et d’autre du régénérateur, chacun des échangeurs étant configuré pour réaliser un échange de chaleur entre le fluide de travail et un élément de transport de chaleur,
la machine étant configurée pour pouvoir commander les sources acoustiques de manière à déplacer leur élément mobile respectif suivant une fonction périodique. Selon l’invention, la machine comprend :
– un dispositif de mesure d’au moins un paramètre représentatif d’un déphasage réel entre les éléments mobiles des sources acoustiques, et
– un dispositif de modulation configuré pour pouvoir modifier le déphasage entre les éléments mobiles des sources acoustiques en fonction de l’au moins un paramètre.To this end, the subject of the invention is a thermoacoustic machine, comprising:
– a waveguide intended to receive a working fluid,
– at least two acoustic sources each comprising a mobile element capable of being moved so as to propagate acoustic energy in the waveguide, and
– at least one thermoacoustic cell comprising a regenerator arranged in the waveguide and two heat exchangers arranged on either side of the regenerator, each of the exchangers being configured to carry out a heat exchange between the working fluid and an element heat transport,
the machine being configured to be able to control the acoustic sources so as to move their respective mobile element according to a periodic function. According to the invention, the machine comprises:
– a device for measuring at least one parameter representative of a real phase difference between the mobile elements of the acoustic sources, and
– a modulation device configured to be able to modify the phase difference between the moving elements of the acoustic sources as a function of at least one parameter.
L’invention permet ainsi de moduler le déphasage des sources acoustiques en fonction du déphasage réel, mesuré lorsque la machine est en fonctionnement.The invention thus makes it possible to modulate the phase shift of the acoustic sources as a function of the actual phase shift, measured when the machine is in operation.
Il est ainsi possible de compenser des déséquilibres de la machine.It is thus possible to compensate for imbalances in the machine.
Cela permet aussi de contrôler le pilotage de la machine, notamment dans des phases transitoires, par exemple lors du démarrage de la machine.This also makes it possible to control the piloting of the machine, in particular in transient phases, for example when starting the machine.
De manière connue en soi, une telle machine permet de générer un cycle équivalent à un cycle de Stirling ou d’Ericsson au sein du régénérateur de l’au moins une cellule thermoacoustique.In a manner known per se, such a machine makes it possible to generate a cycle equivalent to a Stirling or Ericsson cycle within the regenerator of the at least one thermoacoustic cell.
A cet effet, les sources acoustiques peuvent être de toute nature leur permettant de propager de l’énergie acoustique dans le fluide de travail contenu dans le guide d’onde, sous l’action d’un déplacement de leur élément mobile suivant une fonction périodique, et autorisant une modification du déphasage de leur élément mobile, d’une source acoustique à l’autre.To this end, the acoustic sources can be of any kind allowing them to propagate acoustic energy in the working fluid contained in the waveguide, under the action of a displacement of their mobile element according to a periodic function. , and allowing a modification of the phase difference of their mobile element, from one acoustic source to another.
Par exemple, les sources acoustiques peuvent être des moteurs linéaires ou rotatifs.For example, the acoustic sources can be linear or rotary motors.
Dans une première variante de réalisation, le dispositif de modulation comprend un organe de commande électrique des sources acoustiques.In a first variant embodiment, the modulation device comprises an electrical control member for the acoustic sources.
De préférence, cet organe de commande est configuré pour pouvoir modifier le déphasage d’une intensité et/ou d’une tension d’alimentation des sources acoustiques afin de modifier le déphasage entre leur élément mobile.Preferably, this control member is configured to be able to modify the phase difference of an intensity and/or of a supply voltage of the acoustic sources in order to modify the phase difference between their mobile element.
Bien entendu, l’organe de commande peut aussi être configuré pour pouvoir modifier d’autres paramètres tels que l’amplitude de l’intensité et/ou de la tension d’alimentation des sources acoustiques.Of course, the control unit can also be configured to be able to modify other parameters such as the amplitude of the intensity and/or the supply voltage of the acoustic sources.
Dans une deuxième variante de réalisation, le dispositif de modulation comprend un organe configuré pour pouvoir modifier un volume du guide d’onde.In a second variant embodiment, the modulation device comprises a member configured to be able to modify a volume of the waveguide.
Cet organe peut comprendre un élément mobile apte à modifier le volume du guide d’onde. De manière non limitative, cet élément mobile peut être un piston ou un élément gonflable.This member may comprise a mobile element capable of modifying the volume of the waveguide. In a non-limiting way, this mobile element can be a piston or an inflatable element.
En particulier, dans le cadre de cette deuxième variante de réalisation, ledit organe du dispositif de modulation peut comprendre un circuit connu sous la dénomination anglo-saxonne « stub ».In particular, in the context of this second variant embodiment, said member of the modulation device may comprise a circuit known by the English name “stub”.
Ces deux variantes de réalisation peuvent être mises en œuvre dans la même machine, laquelle peut ainsi comprendre à la fois un organe de commande des sources acoustiques et un organe de type « stub » ou analogue.These two variant embodiments can be implemented in the same machine, which can thus comprise both a control member for the acoustic sources and a “stub” type member or the like.
Concernant la mesure, plusieurs types de dispositifs peuvent être utilisés, seuls ou en combinaison.Regarding the measurement, several types of devices can be used, alone or in combination.
Ainsi, dans un mode de réalisation, le dispositif de mesure comprend un capteur de position de l’élément mobile de l’une au moins des sources acoustiques.Thus, in one embodiment, the measuring device comprises a position sensor for the movable element of at least one of the acoustic sources.
Dans un mode de réalisation, le dispositif de mesure est configuré pour mesurer le déphasage d’une tension et/ou d’une intensité d’alimentation des sources acoustiques.In one embodiment, the measuring device is configured to measure the phase shift of a voltage and/or of a power supply intensity of the acoustic sources.
Bien entendu, le dispositif de mesure peut aussi être configuré pour mesurer d’autres paramètres tels que l’amplitude de l’intensité et/ou de la tension d’alimentation des sources acoustiques.Of course, the measuring device can also be configured to measure other parameters such as the amplitude of the intensity and/or the supply voltage of the acoustic sources.
Dans un mode de réalisation, le dispositif de mesure comprend un capteur de pression acoustique du fluide de travail et/ou un capteur de température du fluide de travail.In one embodiment, the meter includes a working fluid sound pressure sensor and/or a working fluid temperature sensor.
Dans un mode de réalisation, le dispositif de mesure comprend un capteur de température de l’élément de transport de chaleur de l’un au moins des échangeurs de chaleur de l’au moins une cellule thermoacoustique.In one embodiment, the measuring device comprises a temperature sensor of the heat transport element of at least one of the heat exchangers of the at least one thermoacoustic cell.
Le dispositif de mesure peut bien entendu comprendre un capteur de température d’un élément solide ou fluide situé dans le voisinage de l’élément de transport de chaleur et dont la température est représentative de celle de cet élément de transport de chaleur, par exemple compte tenu d’une conduction de chaleur entre cet élément de transport de chaleur d’une part et ledit élément solide ou fluide d’autre part.The measuring device can of course comprise a temperature sensor of a solid or fluid element located in the vicinity of the heat transport element and whose temperature is representative of that of this heat transport element, for example given a heat conduction between this heat transport element on the one hand and said solid or fluid element on the other hand.
L’invention a aussi pour objet un procédé de pilotage d’une telle machine thermoacoustique.The invention also relates to a method for controlling such a thermoacoustic machine.
Ce procédé comprend une étape de mesure d’au moins un paramètre représentatif d’un déphasage réel entre les éléments mobiles des sources acoustiques et une étape de modulation consistant à modifier le déphasage entre les éléments mobiles des sources acoustiques en fonction de l’au moins un paramètre mesuré lors de l’étape de mesure.This method comprises a step of measuring at least one parameter representative of a real phase difference between the mobile elements of the acoustic sources and a modulation step consisting in modifying the phase difference between the mobile elements of the acoustic sources according to the at least a parameter measured during the measurement step.
Selon une première variante de mise en œuvre, l’étape de modulation comprend une commande des sources acoustiques, de préférence par modification du déphasage et/ou d’une amplitude d’un courant et/ou d’une tension d’alimentation des sources acoustiques.According to a first implementation variant, the modulation step comprises controlling the acoustic sources, preferably by modifying the phase shift and/or an amplitude of a current and/or a supply voltage of the sources acoustics.
Selon une deuxième variante de mise en œuvre, l’étape de modulation comprend une modification d’un volume du guide d’onde, par exemple par déplacement d’un élément mobile tel qu’un piston, préférentiellement à l’aide d’un module pourvu d’un circuit de type « stub » ou par utilisation d’un élément gonflable ou autre.According to a second implementation variant, the modulation step comprises modifying a volume of the waveguide, for example by moving a movable element such as a piston, preferably using a module provided with a “stub” type circuit or by using an inflatable or other element.
Ces deux variantes peuvent être mises en œuvre indépendamment l’une de l’autre ou de manière concomitante ou alternée.These two variants can be implemented independently of each other or concurrently or alternately.
L’étape de mesure peut comprendre une ou plusieurs mesures :
– d’une position de l’élément mobile de l’une au moins des sources acoustiques et/ou
– du déphasage d’une tension et/ou d’une intensité d’alimentation des sources acoustiques et/ou
– d’une température et/ou d’une pression acoustique du fluide de travail et/ou
– d’une température de l’élément de transport de chaleur de l’un au moins des échangeurs de chaleur de la cellule thermoacoustique et/ou
– d’une combinaison de ces paramètres.The measurement step can include one or more measurements:
– a position of the mobile element of at least one of the acoustic sources and/or
– the phase shift of a voltage and/or a supply intensity of the acoustic sources and/or
– a temperature and/or an acoustic pressure of the working fluid and/or
– a temperature of the heat transport element of at least one of the heat exchangers of the thermoacoustic cell and/or
– a combination of these parameters.
D’autres avantages et caractéristiques de l’invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée, non limitative, qui suit.Other advantages and characteristics of the invention will appear on reading the detailed, non-limiting description which follows.
La description détaillée qui suit fait référence aux dessins annexés sur lesquels :The following detailed description refers to the attached drawings in which:
Description détaillée de modes de réalisationDetailed description of embodiments
Il est schématiquement représenté sur la
La machine thermoacoustique 1 est destinée à un fonctionnement en mode pompe à chaleur, au sens physique de l’expression.The thermoacoustic machine 1 is intended for operation in heat pump mode, in the physical sense of the expression.
De manière générale, la machine 1 comprend un guide d’onde 5, quatre sources acoustiques 6, 7, 8 et 9, quatre cellules thermoacoustiques 10, 11, 12 et 13, un organe de commande 14 et un dispositif de mesure 15.In general, the machine 1 comprises a waveguide 5, four acoustic sources 6, 7, 8 and 9, four thermoacoustic cells 10, 11, 12 and 13, a control device 14 and a measuring device 15.
Chacune des cellules thermoacoustiques 10 à 13 comprend un régénérateur 16 et deux échangeurs de chaleur 17 et 18.Each of the thermoacoustic cells 10 to 13 comprises a regenerator 16 and two heat exchangers 17 and 18.
Dans cet exemple, le guide d’onde 5 est un tube définissant un espace interne, en boucle fermée, formant un guide d’onde acoustique.In this example, the waveguide 5 is a tube defining an internal space, in a closed loop, forming an acoustic waveguide.
L’espace interne du guide d’onde 5 contient un fluide de travail pressurisé permettant de propager une onde acoustique. Le fluide de travail peut être un gaz monoatomique, un gaz polyatomique tel qu’un mélange comprenant de l’hélium et de l’argon ou un autre mélange, ou encore un mélange d’un gaz et d’un liquide.The internal space of the waveguide 5 contains a pressurized working fluid for propagating an acoustic wave. The working fluid can be a monatomic gas, a polyatomic gas such as a mixture comprising helium and argon or another mixture, or even a mixture of a gas and a liquid.
Une telle géométrie du guide d’onde 5, qui n’est aucunement limitative, permet de favoriser le développement d’une onde à caractère progressif et plus spécifiquement d’obtenir localement au niveau des régénérateurs 16 une onde à caractère progressif.Such a geometry of the waveguide 5, which is in no way limiting, makes it possible to promote the development of a wave of a progressive character and more specifically to obtain locally at the level of the regenerators 16 a wave of a progressive character.
Le guide d’onde 5 est préférablement réalisé dans un matériau tel qu’un alliage métallique ou autre permettant de contenir le fluide de travail sous pression.The waveguide 5 is preferably made of a material such as a metal or other alloy making it possible to contain the working fluid under pressure.
Les sources acoustiques 6 à 9 et les cellules thermoacoustiques 10 à 13 sont montées en série le long du guide d’onde 5, de manière alternée, de sorte que chacune des cellules 10 à 13 soit disposée entre deux respectives desdites sources acoustiques 6 à 9.The acoustic sources 6 to 9 and the thermoacoustic cells 10 to 13 are mounted in series along the waveguide 5, in an alternating manner, so that each of the cells 10 to 13 is arranged between two respective ones of said acoustic sources 6 to 9 .
Dans cet exemple, chacune des sources acoustiques 6 à 9 est un moteur linéaire comprenant un élément mobile du type piston.In this example, each of the acoustic sources 6 to 9 is a linear motor comprising a movable element of the piston type.
Chacune des sources 6 à 9 est configurée pour pouvoir déplacer son piston de manière à générer une onde de pression dans le fluide de travail et à propager ainsi de l’énergie acoustique dans le guide d’onde 5.Each of the sources 6 to 9 is configured to be able to move its piston so as to generate a pressure wave in the working fluid and thus to propagate acoustic energy in the waveguide 5.
Dans des variantes de réalisation, non représentées, les sources 6 à 9 peuvent comprendre un autre type d’actionneur, par exemple un moteur rotatif ou un actionneur électroacoustique autre qu’un moteur linéaire, et/ou comprendre un autre type d’élément mobile, par exemple un double piston.In variant embodiments, not shown, the sources 6 to 9 can comprise another type of actuator, for example a rotary motor or an electroacoustic actuator other than a linear motor, and/or comprise another type of mobile element , for example a double piston.
Pour chacune des cellules thermoacoustiques 10 à 13, le régénérateur 16 et les échangeurs 17 et 18 sont disposés dans le guide d’onde 5 de manière à être traversés par le fluide de travail pour pouvoir réaliser une conversion d’énergie thermoacoustique.For each of the thermoacoustic cells 10 to 13, the regenerator 16 and the exchangers 17 and 18 are arranged in the waveguide 5 so as to be traversed by the working fluid in order to be able to carry out a thermoacoustic energy conversion.
Le régénérateur 16 est une structure poreuse, c’est-à-dire une structure dotée de pores ou cavités ou ouvertures permettant d’augmenter ou maximiser la surface de contact et donc d’échange avec le fluide de travail tout en minimisant les pertes de charge.The regenerator 16 is a porous structure, that is to say a structure provided with pores or cavities or openings making it possible to increase or maximize the surface of contact and therefore of exchange with the working fluid while minimizing the losses of charge.
A titre d’exemple, le régénérateur 16 de chacune des cellules 10 à 13 peut à cet effet comprendre un empilement de lamelles ou de grilles, réalisées dans un matériau présentant une capacité calorifique élevée et une faible conductivité thermique, par exemple un acier inoxydable ou un matériau céramique.By way of example, the regenerator 16 of each of the cells 10 to 13 can for this purpose comprise a stack of slats or grids, made of a material having a high heat capacity and a low thermal conductivity, for example a stainless steel or a ceramic material.
En fonctionnement, les régénérateurs 16 se comportent comme des éponges thermiques à l’égard du fluide de travail, en emmagasinant et en restituant de manière alternative de la chaleur.In operation, the regenerators 16 behave like thermal sponges with respect to the working fluid, alternately storing and releasing heat.
Pour chacune des cellules thermoacoustiques 10 à 13, les échangeurs de chaleur 17 et 18 sont disposés de part et d’autre du régénérateur 16 de manière à pouvoir réaliser, aux extrémités du régénérateur 16, un échange de chaleur entre le fluide de travail et un élément de transport respectif.For each of the thermoacoustic cells 10 to 13, the heat exchangers 17 and 18 are arranged on either side of the regenerator 16 so as to be able to carry out, at the ends of the regenerator 16, a heat exchange between the working fluid and a respective transport element.
A cet effet, chacun des échangeurs 17 et 18 peut comprendre de manière connue en soi des éléments conducteurs formant par exemple un empilement d’ailettes en contact avec le fluide de travail. De telles ailettes peuvent être réalisées dans un métal conducteur tel que le cuivre ou l’aluminium.To this end, each of the exchangers 17 and 18 may comprise, in a manner known per se, conductive elements forming, for example, a stack of fins in contact with the working fluid. Such fins can be made of a conductive metal such as copper or aluminum.
Pour chacun des échangeurs 17 et 18, l’élément de transport est dans cet exemple un fluide caloporteur circulant dans un circuit d’écoulement disposé de manière à pouvoir réaliser un transfert de chaleur entre le fluide caloporteur circulant dans ce circuit et lesdits éléments conducteurs correspondants.For each of the exchangers 17 and 18, the transport element in this example is a heat transfer fluid circulating in a flow circuit arranged so as to be able to carry out a heat transfer between the heat transfer fluid circulating in this circuit and said corresponding conductive elements. .
Dans cet exemple, le circuit d’écoulement de chacun des échangeurs 17, respectivement 18, est relié à un conduit 20, respectivement 21, du réseau de distribution 4 de manière à réaliser un transport de chaleur entre le fluide de travail et la source 2, respectivement 3, extérieure à la machine thermoacoustique 1 via le fluide caloporteur circulant dans ce circuit d’écoulement.In this example, the flow circuit of each of the exchangers 17, respectively 18, is connected to a conduit 20, respectively 21, of the distribution network 4 so as to transport heat between the working fluid and the source 2 , respectively 3, external to the thermoacoustic machine 1 via the heat transfer fluid circulating in this flow circuit.
Dans une variante de réalisation, non représentée, l’élément de transport des échangeurs 17 et 18 est non pas un fluide mais un élément solide tel que des ailettes dont une partie forme ou est reliée au réseau de distribution 4 de manière à réaliser un tel transport de chaleur entre le fluide de travail et les sources 2 et 3, respectivement, extérieures à la machine 1.In a variant embodiment, not shown, the transport element of the exchangers 17 and 18 is not a fluid but a solid element such as fins, part of which forms or is connected to the distribution network 4 so as to achieve such a heat transport between the working fluid and sources 2 and 3, respectively, external to machine 1.
Dans une variante de réalisation, le réseau de distribution 4 comprend un caloduc (non représenté).In a variant embodiment, the distribution network 4 comprises a heat pipe (not shown).
Dans cet exemple, les sources extérieures 2 sont des sources de rejet constituant ensemble un local à chauffer et les sources extérieures 3 sont des sources de pompage formées par un espace extérieur qui forme un réservoir thermique d’air ou d’eau relativement froid par rapport à l’air circulant dans le local. Autrement dit, les conduits 20 et 21 du réseau 4 associés à chacune des cellules thermoacoustiques 10 à 13 constituent dans cet exemple un montage en parallèle. Alternativement, un montage en série peut être mise en œuvre (non représenté).In this example, the external sources 2 are rejection sources together constituting a room to be heated and the external sources 3 are pumping sources formed by an external space which forms a thermal reservoir of relatively cold air or water with respect to to the air circulating in the room. In other words, the conduits 20 and 21 of the network 4 associated with each of the thermoacoustic cells 10 to 13 constitute in this example a parallel assembly. Alternatively, a series connection can be implemented (not shown).
Les sources 2 et 3 forment ainsi des réservoirs thermiques extérieures à la machine 1.Sources 2 and 3 thus form thermal reservoirs external to machine 1.
Bien entendu, la machine 1 peut aussi être mise en œuvre non pas pour réchauffer un local mais à l’inverse pour le refroidir. Ainsi, à titre d’exemple, les sources de pompage 3 peuvent constituer ensemble un local à refroidir et les sources de rejet 2 peuvent être formées par un espace extérieur qui forme un réservoir thermique d’air ou d’eau relativement chaud par rapport à l’air circulant dans le local.Of course, machine 1 can also be implemented not to heat a room but conversely to cool it. Thus, by way of example, the pumping sources 3 can together constitute a room to be cooled and the rejection sources 2 can be formed by an external space which forms a thermal reservoir of air or water relatively hot compared to the air circulating in the room.
Il va maintenant être décrit un exemple de fonctionnement de l’installation qui vient d’être décrite, en vue de chauffer le local 2.There will now be described an example of the operation of the installation which has just been described, with a view to heating room 2.
L’organe de commande 14 est actionné de manière à piloter les moteurs 6 à 9 afin de déplacer leur piston suivant une fonction périodique, qui est dans cet exemple une fonction sinusoïdale du type
De manière non limitative, il est ici considéré que
Le déplacement du piston du moteur 7 est déphasé par rapport au déplacement du piston du moteur 6, celui du piston du moteur 8 est déphasé par rapport au déplacement du piston du moteur 7, le déplacement du piston 9 est déphasé par rapport au déplacement du piston du moteur 8 et le déplacement du piston 6 est déphasé par rapport au déplacement du piston du moteur 9.Motor piston displacement 7 is out of phase with motor piston displacement 6, motor piston displacement 8 is out of phase with motor piston displacement 7, piston displacement 9 is out of phase with piston displacement of the motor 8 and the movement of the piston 6 is out of phase with the movement of the piston of the motor 9.
Dans cet exemple, la valeur de ce déphasage est respectivement de
Une telle commande des sources 6 à 9 permet de propager de l’énergie acoustique dans le guide d’onde 5 suivant un sens de propagation produisant une onde acoustique progressive ou quasi progressive dans le régénérateur 16 de chacune des cellules thermoacoustiques 10 à 13 se déplaçant dans un sens allant de l’échangeur 17 vers l’échangeur 18.Such a control of the sources 6 to 9 makes it possible to propagate acoustic energy in the waveguide 5 according to a direction of propagation producing a progressive or quasi-progressive acoustic wave in the regenerator 16 of each of the thermoacoustic cells 10 to 13 moving in a direction going from interchange 17 to interchange 18.
De manière connue en soi, une telle propagation d’énergie acoustique permet de donner lieu à un cycle thermique de type Stirling entraînant au sein de chacune des cellules thermoacoustiques 10 à 13 une conversion d’énergie thermoacoustique associée à un transfert de chaleur d’une part de l’élément de transport de l’échangeur 18 vers le fluide de travail et d’autre part du fluide de travail vers l’élément de transport de l’échangeur 17, autrement dit un pompage de chaleur de l’espace extérieur 3 et un rejet de chaleur vers le local 2.In a manner known per se, such a propagation of acoustic energy makes it possible to give rise to a thermal cycle of the Stirling type causing within each of the thermoacoustic cells 10 to 13 a conversion of thermoacoustic energy associated with a transfer of heat from a part of the transport element of the exchanger 18 towards the working fluid and on the other hand from the working fluid towards the transport element of the exchanger 17, in other words a pumping of heat from the external space 3 and heat rejection to room 2.
Lors du fonctionnement de la machine 1, des déséquilibres peuvent survenir dans certaines phases telles que des transitoires, ou compte tenu par exemple de défauts de fabrication, se traduisant par une différence entre la valeur de déphasage théorique souhaitée, dans cet exemple non limitatif
L’invention permet de réajuster la commande de déphasage en fonction du déphasage réel, à l’aide du dispositif de mesure 15 qui est dans cet exemple configuré pour mesurer le déphasage de la tension d’alimentation des moteurs 6 à 9.The invention makes it possible to readjust the phase shift command according to the actual phase shift, using the measuring device 15 which is in this example configured to measure the phase shift of the supply voltage of motors 6 to 9.
En référence à la
Cette étape de mesure S1 permet d’obtenir une valeur de déphasage réelle des pistons des moteurs 6 à 9.This measurement step S1 makes it possible to obtain a real phase shift value of the pistons of motors 6 to 9.
Pour au moins une paire de deux moteurs adjacents parmi les moteurs 6 à 9, il est réalisé une étape de comparaison S2 entre la valeur de déphasage réelle ainsi mesurée et la valeur de déphasage théorique, dans cet exemple non limitatif
Si la valeur absolue de l’écart entre ces deux valeurs est inférieure à un seuil prédéterminé, par exemple
Si la valeur absolue de l’écart entre ces deux valeurs est au contraire supérieure ou égale audit seuil prédéterminé, il est alors réalisé une étape de modulation S4 de manière à corriger le déphasage.If the absolute value of the difference between these two values is on the contrary greater than or equal to said predetermined threshold, then a modulation step S4 is performed so as to correct the phase shift.
Pour ce faire, l’organe de commande 14 est mis en œuvre de manière à modifier le déphasage des pistons des moteurs 6 à 9.To do this, the control member 14 is implemented in such a way as to modify the phase shift of the pistons of the motors 6 to 9.
A titre d’exemple, cette modulation de déphasage peut être réalisée en modifiant la phase de la tension d’alimentation respective d’un ou de plusieurs des moteurs 6 à 9.By way of example, this phase shift modulation can be achieved by modifying the phase of the respective supply voltage of one or more of the motors 6 to 9.
L’organe de commande 14 forme ainsi un dispositif de modulation de déphasage.The control member 14 thus forms a phase shift modulation device.
A l’issue de l’étape de modulation S4, l’étape de temporisation S3 est mise en œuvre avant réalisation d’une nouvelle mesure.At the end of the modulation step S4, the delay step S3 is implemented before performing a new measurement.
Les étapes S1, S2 et S4 sont de préférence mises en œuvre de manière répétée dans le temps, via une temporisation telle qu’illustrée par l’étape S3 de manière à former un processus itératif rapide permettant de converger vers un état d’équilibre par dichotomie ou toute autre méthode. Le procédé peut typiquement être déclenché dans certaines phases de fonctionnement de la machine, par exemple en régime transitoire, en cas de détection d’un événement particulier ou plus généralement en fonction d’un paramètre dépendant ou indépendant du fonctionnement de la machine 1.Steps S1, S2 and S4 are preferably implemented repeatedly over time, via a time delay as illustrated by step S3 so as to form a rapid iterative process allowing convergence towards a state of equilibrium by dichotomy or any other method. The method can typically be triggered in certain operating phases of the machine, for example in transient state, in the event of detection of a particular event or more generally according to a parameter dependent or independent of the operation of machine 1.
Le principe de modulation de déphasage de l’invention peut bien entendu être mis en œuvre de manière différente de celle décrite ci-dessus et/ou dans une machine différente de la machine 1 de la
Par exemple, le dispositif de mesure 15 peut être configuré pour mesurer le déphasage non pas de la tension mais de l’intensité d’alimentation des sources 6 à 9 ou entre au moins deux parmi ces sources. De manière alternative ou complémentaire, le dispositif de mesure 15 peut comprendre un ou plusieurs capteurs (non représentés) configurés pour mesurer la pression acoustique du fluide de travail en sortie de chacune des sources 6 à 9 et/ou la position de l’élément mobile d’une ou plusieurs des sources 6 à 9 et/ou la température du fluide de travail et/ou du fluide caloporteur de l’un des échangeurs de chaleur 17 ou 18 d’une ou plusieurs des cellules thermoacoustiques 10 à 13. De telles mesures ou une combinaison de telles mesures permettent d’obtenir aisément une évaluation quantitative du déphasage réel entre les éléments mobiles des sources 6 à 9 et peuvent donc être utilisées pour quantifier un déphasage correctif devant être mis en œuvre en fonction du résultat recherché.For example, the measuring device 15 can be configured to measure the phase shift not of the voltage but of the supply current of the sources 6 to 9 or between at least two of these sources. Alternatively or additionally, the measuring device 15 may comprise one or more sensors (not shown) configured to measure the acoustic pressure of the working fluid at the outlet of each of the sources 6 to 9 and/or the position of the movable element of one or more of the sources 6 to 9 and/or the temperature of the working fluid and/or of the heat transfer fluid of one of the heat exchangers 17 or 18 of one or more of the thermoacoustic cells 10 to 13. Such measurements or a combination of such measurements make it possible to easily obtain a quantitative evaluation of the actual phase shift between the mobile elements of the sources 6 to 9 and can therefore be used to quantify a corrective phase shift to be implemented as a function of the desired result.
L’étape de modulation S4 peut être mise en œuvre autrement que par modification de la phase de la tension d’alimentation des sources 6 à 9. Par exemple, le déphasage peut être modifié par modulation de la phase de l’intensité du courant d’alimentation des sources 6 à 9.The modulation step S4 can be implemented other than by modifying the phase of the supply voltage of the sources 6 to 9. For example, the phase shift can be modified by modulating the phase of the intensity of the current d supply of sources 6 to 9.
De manière alternative ou complémentaire, le déphasage peut être modifié non pas électriquement mais acoustiquement ou mécaniquement. Ainsi, dans un mode de réalisation non représenté, le guide d’onde 5 comprend un circuit de type « stub » et le dispositif de modulation comprend un piston configuré pour modifier le volume du guide d’onde 5 afin de moduler le déphasage entre les sources 6 à 9.Alternatively or additionally, the phase shift can be modified not electrically but acoustically or mechanically. Thus, in an embodiment not shown, the waveguide 5 comprises a "stub" type circuit and the modulation device comprises a piston configured to modify the volume of the waveguide 5 in order to modulate the phase difference between the springs 6 to 9.
L’invention peut bien entendu être mise en œuvre dans une machine thermoacoustique comprenant un nombre différent de sources acoustiques et/ou de cellules thermoacoustiques. De plus, les différents composants de cette machine peuvent présenter des différences structurelles et/ou géométriques par rapport à la description qui précède.The invention can of course be implemented in a thermoacoustic machine comprising a different number of acoustic sources and/or thermoacoustic cells. In addition, the various components of this machine may present structural and/or geometric differences with respect to the preceding description.
Claims (10)
– un guide d’onde (5) destiné à recevoir un fluide de travail,
au moins deux sources acoustiques (6-9) comprenant chacune un élément mobile apte à être déplacé de manière à propager de l’énergie acoustique dans le guide d’onde (5), et
– au moins une cellule thermoacoustique (10-13) comprenant un régénérateur (16) disposé dans le guide d’onde (5) et deux échangeurs de chaleur (17, 18) disposés de part et d’autre du régénérateur (16), chacun des échangeurs (17, 18) étant configuré pour réaliser un échange de chaleur entre le fluide de travail et un élément de transport de chaleur,
la machine (1) étant configurée pour pouvoir commander les sources acoustiques (6-9) de manière à déplacer leur élément mobile respectif suivant une fonction périodique et étant caractérisée en ce qu’elle comprend :
– un dispositif de mesure (15) d’au moins un paramètre représentatif d’un déphasage réel entre les éléments mobiles des sources acoustiques, et
– un dispositif de modulation (14) configuré pour pouvoir modifier le déphasage entre les éléments mobiles des sources acoustiques (6-9) en fonction de l’au moins un paramètre.Thermoacoustic machine (1), comprising:
– a waveguide (5) intended to receive a working fluid,
at least two acoustic sources (6-9) each comprising a mobile element capable of being moved so as to propagate acoustic energy in the waveguide (5), and
– at least one thermoacoustic cell (10-13) comprising a regenerator (16) arranged in the waveguide (5) and two heat exchangers (17, 18) arranged on either side of the regenerator (16), each of the exchangers (17, 18) being configured to carry out a heat exchange between the working fluid and a heat transport element,
the machine (1) being configured to be able to control the acoustic sources (6-9) so as to move their respective mobile element according to a periodic function and being characterized in that it comprises:
– a device (15) for measuring at least one parameter representative of a real phase shift between the moving elements of the acoustic sources, and
– a modulation device (14) configured to be able to modify the phase difference between the moving elements of the acoustic sources (6-9) as a function of the at least one parameter.
Method for controlling a thermoacoustic machine (1) according to any one of Claims 1 to 9, comprising a step of measuring (S1) at least one parameter representative of a real phase shift between the moving elements of the acoustic sources ( 6-9) and a modulation step (S4) consisting in modifying the phase shift between the moving elements of the acoustic sources (6-9) as a function of at least one parameter measured during the measurement step.
Priority Applications (2)
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- 2022-11-14 WO PCT/EP2022/081800 patent/WO2023099185A1/en unknown
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|---|---|
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