WO1999043995A1 - Method and device for heat pump with spontaneous flow - Google Patents

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WO1999043995A1
WO1999043995A1 PCT/FR1999/000448 FR9900448W WO9943995A1 WO 1999043995 A1 WO1999043995 A1 WO 1999043995A1 FR 9900448 W FR9900448 W FR 9900448W WO 9943995 A1 WO9943995 A1 WO 9943995A1
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plate
heat
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gas
hot
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PCT/FR1999/000448
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French (fr)
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Jean-Luc Brochet
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Brochet Jean Luc
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C02TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02FTREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/02Treatment of water, waste water, or sewage by heating
    • C02F1/04Treatment of water, waste water, or sewage by heating by distillation or evaporation
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D3/00Distillation or related exchange processes in which liquids are contacted with gaseous media, e.g. stripping
    • B01D3/007Energy recuperation; Heat pumps
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B21/00Machines, plants or systems, using electric or magnetic effects
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28FDETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F13/00Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing
    • F28F13/16Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by applying an electrostatic field to the body of the heat-exchange medium
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02BCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B30/00Energy efficient heating, ventilation or air conditioning [HVAC]
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    • Y02B30/00Energy efficient heating, ventilation or air conditioning [HVAC]
    • Y02B30/52Heat recovery pumps, i.e. heat pump based systems or units able to transfer the thermal energy from one area of the premises or part of the facilities to a different one, improving the overall efficiency

Definitions

  • the invention relates to a spontaneous flow heat pump method and device.
  • thermoelectronic vacuum diodes International patent application WO 97/02460
  • This invention solves the problem of defining a process and creating a heat pump device from a cold part to a hot part, with which, on the one hand, no change of state of a heat transfer fluid is not necessary and, on the other hand, a spontaneous flow is obtained.
  • spontaneous flow is meant heat transfer, without the necessary consumption of energy.
  • the method of heat pump with spontaneous flow by electrostatic polarization of a gas is characterized in that it consists in transferring heat in a gas between two close plates A and B of different temperatures, of the cold plate B towards the hot plate A, thanks to an electric field created on the surface of a plate A called “electrostatic", which attracts the gas molecules to make them give up energy by thermal accommodation.
  • electrostatic an electric field created on the surface of a plate A called “electrostatic”
  • each molecule Upon entering the electric field, each molecule is attracted as in a gravity field and sees its kinetic energy Ec increase by a value which is a function of the electric field, which causes an increase in the temperature T of the gas at the surface of this plate A, as shown in the diagram in FIG. 1.
  • a simple and colorful way of representing the expected phenomenon consists, as shown schematically on the Figure 2, to replace the gas molecules by a multitude of billiard balls, in perpetual motion on a table C which would have a "ditch" at one of the two edges.
  • the movement of the balls is not slowed down between two impacts, as it is in reality, because of the slight friction of the balls on the carpet, and that a shock does not induce any loss of energy (the balls heat up in a shock, from where a loss of their kinetic energy after the rebound), but preserves it perfectly as in a gas, otherwise the movement would stop.
  • This gravity field increases the kinetic energy of the molecule and can bring it to a temperature higher than that of the plate. In this case, by thermal accommodation, the molecule will give up energy on contact with the plate and start again at a lower speed (reference 2).
  • the molecule will now have to "go up” and lose as much kinetic energy as it gained by “falling”.
  • the end result is a cooling of the molecule (reference 3), although originally, before entering the gravity field, it was cooler than the plaque it was going to meet.
  • This cooling must be identical to that which it would have undergone on an ordinary plate, with an identical temperature difference between the molecule and the plate at the time of contact (reference 4).
  • the potential energy of the gravity field being equivalent to only a small fraction of the average kinetic energy of the molecules (a few tens of degrees at best, compared to the kinetic energy medium at room temperature, ⁇ 300 K), they are not likely to be trapped, or in a probability without consequence, and therefore do not need to recover from thermal energy on the plate to extract itself from the gravity field, which, of course, would cancel the expected effect.
  • a car driving at normal speed is not likely to be blocked by a pothole.
  • the energy exchange which has just been described tends to heat the electrostatic hot plate A and to cool the ordinary cold plate B, this, until the temperature difference between the plates A and B reaches a value corresponding to the potential energy of the gravity field, as shown in Figure 5.
  • the thermodynamic equilibrium is then reached when the average energy of the molecules, arriving in contact with each plate, corresponds to the temperature of each respective plate.
  • the energy exchange is canceled, thermal accommodation no longer plays any role, there is no longer any heat transfer.
  • This situation corresponds to the configuration of the pool table, where the balls bounce off a wall without yielding or drawing energy, while retaining their kinetic energy.
  • the temperature would therefore vary according to the position relative to the plates A and B, according to a thermal gradient or slope, reference 3, which will moreover allow to calculate the heat transfer power, as between two ordinary plates A and B.
  • thermodynamic equilibrium will be reached when the slope is flat in this area, as shown in the diagram in Figure 7.
  • the thermal conductivity of the rarefied gas decreases when the mean free path of the molecules becomes as large as the distance between the plates A and B. This is the only difference in behavior to be expected in the process, between a dense gas and a rarefied gas.
  • the electrons of the molecule 7 are attracted and its nucleus pushed back. But, as the electrons are closer to the 5 bar, and therefore, in a field more intense than the nucleus, the attraction of the electrons outweighs the repulsion of the nucleus: the whole molecule is attracted, as shown in FIG. 10.
  • the nucleus of the molecule 7 is attracted and the electrons repelled. As the nucleus is closer to grid 60, and therefore in a more intense field than the electrons, the attraction of the nucleus outweighs the repulsion of the electrons. Again, molecule 7 is attracted.
  • the energy of attraction can be calculated using the formula:
  • the energy of attraction results from the value of the field, but not from the electric potential.
  • the device for applying the method according to the invention consists of a capacitor, the armature of which, negatively charged, consists of a metal plate 10 supporting the assembly.
  • the insulator 11 is a dielectric 1 1
  • This grid 12 can be produced, for example, by etching extremely thin strips in a layer of metal deposited under vacuum on the insulator 11.
  • the width of the bands should be as small as possible. Indeed, the width and the height of the bands (which must remain in proportion) determine the average electric potential between the dielectric surface and the metallic surface of the bands connected to the ground. However, in this zone, ions (accidentally formed) will be accelerated in the direction of the field towards the dielectric surface and breakdown phenomena are all the more likely as the bands are high and wide.
  • the average value of the electric field on the surface of the electrostatic plate determines the energy of attraction of the molecules and heating of the plate.
  • separation pads 13 distributed over the entire surface of the plates 20, maintain regular spacing between the two plates 10 and 20. They are as few and as narrow as possible, so to limit the return of heat in the normal direction hot plate. cold plate. 1 2
  • One embodiment of the studs could consist in depositing, on the underside of each plate (opposite the engraved face), an adherent plastic layer, of thickness equal to the desired separation distance, then removing this layer by chemical etching or by milling, apart from what we want to keep for the studs (figure 14).
  • the heating of a few degrees from one plate relative to the other must be multiplied to obtain a sufficient temperature difference between the cold source and the hot source.
  • the solution consists in proceeding by stages of temperature, that is to say in superimposing the sheets in mille-feuilles, in a sealed enclosure 15 containing the gas; whether it is an air-air heat exchanger 30, as shown in Figure 16, or water-water 40, as shown in Figure 17, all the grids are connected in parallel to the high voltage produced by a DC voltage generator 33 and all plates to ground.
  • the mille-feuille consists of a stack of plates 10, provided with their dielectric 11 and their grid 12, separated by insulating pads 13 located in an enclosure 15 containing a gas, delimited, on the sides, by metal walls 32 bearing, respectively, against the external face of the lower plate 10 and against the insulating pads 13, located on the 1 3
  • the metal strips which previously were relatively thick, are replaced by a very thin conductive layer 120 (or semiconductor), at the top of the insulating layer 11 to be etched.
  • the substrate of this insulating layer 11 is a weakly resistive dielectric layer 111, since the exposed metal would induce, with such a field, a very significant electronic emission (tunnel effect), which would cause breakdown in the very short term.
  • This layer would preferably be a dielectric with ionic conductivity, so as to obtain a layer of negative ions over the entire surface, capable of strongly maintaining the negative charge and of avoiding a large leakage current.
  • ions uniformly distributed on the surface, replace the strips or the metallic mesh of the previous configuration, as shown in FIGS. 19a and 19b.
  • the gas molecules 7 are attracted to the negative ions 121, arranged on the surface of the layer 18, or of an oxide layer 19.
  • two types of very fine particles are mixed, with different surface potential. This process consists, as shown 1 5
  • thermoelectric pumps Peltier
  • compactness simplicity, no moving part so no noise, but with, in addition, a very good coefficient of performance 1 8
  • the ball is accelerated.
  • the shock gives up energy in the form of heat and therefore rebounds at a lower speed. Going up, it slows down and returns to space with a kinetic energy lower than it had before falling on the planet. Its energy curve would correspond exactly to that described in the left part of the diagram in Figure 31.
  • the balloon 700 owes it nothing more: the energy which it had "borrowed” from it when falling is totally “reimbursed” by going back up, while the energy released in the shock is paid for by a final slowdown of the balloon 700, but absolutely not by the gravity field 701.
  • FIG. 34a represents an air-air heat exchanger with fins, for space heating and air conditioning, in the air conditioning position
  • FIG. 34b represents the heat exchanger according to FIG. 34a, in the heating position
  • FIG. 35a represents a side view of a refrigerator
  • FIG. 35b represents a top view of the refrigerator according to FIG. 35a
  • FIG. 36a shows diagrammatically the impossibility of producing a central unit for converting ambient heat into work, with an ideal heat engine and an ideal conventional heat pump,
  • FIG. 36b shows diagrammatically the possibility of producing an ambient heat conversion plant, with a heat engine and an electrostatic pump, 2 4
  • FIG. 37 represents a schematic view of the conversion center according to FIG. 36b
  • FIG. 38 represents a schematic view of a power plant for producing energy and fresh water from sea water
  • FIG. 39a represents a schematic view of a thermoelectric generator
  • Figure 39b shows a schematic view of a thermoelectric generator according to Figure 39a, provided with a larger heat exchanger, preferable if the heat is provided by the air.
  • the air-air heat exchanger 50 in question used for air conditioning, consists essentially of a mille-feuille 51, similar to that shown in FIG. 16, arranged between two finned air exchangers 52 and 53: the assembly being disposed behind a double partition 54, corresponding to the level of the floor and the ceiling of the room, provided with grids 541 and 542 for communication with said room, in order to allow the free circulation of air on the fins of the cold part exchanger 53.
  • the outside air communicates via conduits 551 and 552 with the space between the double partition 54 and the mille-feuille 51, where it is channeled by sliding nozzles 553 and 554 on the fins of the hot part exchanger 52, against the current with respect to the indoor air, that is to say say by entering through the lower duct 551 and re- returning through the upper duct 552. 2 5
  • FIG. 34b which corresponds to the use in heating mode of the air-air heat exchanger 50, represented in FIG. 34a
  • the adaptation of said exchanger to this use is obtained by simple sliding, towards the wall 55, sliding nozzles 553 and 554, in order to obtain, on the fins 53 of the exchanger 50 situated towards the wall 55, a top-to-bottom circulation of the outside air and, on the fins 52 of the exchanger 50 located towards the double partition 54, a circulation from the bottom to the top of the interior air.
  • FIGS. 35a and 35b which represent an application of the invention to the refrigeration of products, show that, by analogy with the heat exchanger shown in FIG. 16, the cooling of the enclosure of a refrigerator 600, provided with a door 601, can be obtained by a finned air-air heat exchanger, consisting of a mille-feuille 602 disposed between two air exchangers, one of which 603 is located outside and the other of which is embedded in the bottom 604 of the refrigerator 600.
  • FIGS. 36a and 36b giving a schematic representation of a central unit for converting ambient heat into work
  • the principle of this conversion consists in associating a heat pump 71 with a heat engine 72, in the purpose of making it produce more work than the pump 71 consumes.
  • the ambient heat drawn from the environment (groundwater, river, river, lake, sea, atmosphere ...), provides the energy necessary for the production of useful work.
  • the engine works in 2 6
  • Such a system can only operate with a heat pump 71 whose coefficient of performance is higher than that defined by Carnot's theorem, as shown in Figure 36b. Indeed, as long as the heat pumps were subject to this coefficient, the coupling of such a pump with a heat engine could, at best, only lead to the reciprocal neutralization of their effects: the totality of the work provided by the motor being consumed by the pump, as shown in the diagram in Figure 36a.
  • the desired effect would be obtained if the coefficient of performance of the pump 71 became higher than that defined by Carnot's theorem. In the case where the pump no longer consumes energy, all the work produced by the motor 72 can be released. This work would result from the conversion of ambient heat drawn from the environment, as shown schematically in Figure 36b.
  • thermodynamic cycle with arbitrarily chosen temperatures, would be as follows, following steps (a) to (e):
  • the heat pump 71 To maintain the temperature of the cold source 74, the heat pump 71 must raise this quantity of heat to the hot source 73. If its energy consumption is zero, any calorie taken from the cold source 74 is rejected to the hot source 73, nothing more.
  • the hot source 73 is cooled by 0.16 cal., that is, the amount of heat converted into work. It is therefore heated by taking heat from the environment, by means of an auxiliary heat pump 75, since the environment is cooler than the hot source 73.
  • the working fluid generally ammonia
  • the hot fluid therefore undergoes a cooling of a few degrees (the hot plates of the pump to heat 71 could directly play the role of evaporator 76. Similarly, the cold plates of said heat pump 71 could play the role of condenser).
  • ammonia vapor arrives in the turbine acting as an engine 72, where it expands producing a job, the value of which depends on the temperature difference between the hot source 73 and the cold source 74.
  • the heat pump 71 To maintain the temperature of the cold source 74, the heat pump 71 must "raise” the heat flowing by the motor 72. Thanks to its high coefficient of performance, it can do this using only a small part of the work supplied by motor 72.
  • auxiliary heat pump 75 The role of the auxiliary heat pump 75 is to take heat from the environment, that is to say the energy which is converted into work, to introduce it to the hot source 73. But, one could also directly heat the cold source 74 by means of a simple heat exchanger, according to the configuration of FIG. 38.
  • a salt water return 79 is provided at a moderate flow rate.
  • the system must be supplied with heat taken from the environment to produce work.
  • the sea water being only slightly hotter than the cold source 74, the cold source 74 can be directly heated directly by means of a simple heat exchanger, which avoids the auxiliary heat pump.
  • thermoelectric generator produced according to the invention, it can be seen that the principle consists in interposing a thermoelectric element 91 between the hot plate and the cold plate of two neighboring mille-feuilles 92 , the thermoelectric element 91 replacing the turbine 72 and the generator 70 of the thermodynamic power plant.
  • the alternating arrangement of mille-feuilles 92 and thermoelectric elements 91 allows a homogeneous and constant circulation of heat, as indicated in the diagrams of FIGS. 39a and 39b.
  • mille-feuilles 92 are all arranged in the same direction, to circulate the heat in the same direction.
  • Thermoelectric elements 91 allow heat to flow 3 1
  • thermoelectric elements 91 From the hot part to the cold part, by converting a small part into electric current, while the mille-feuilles 92 "transfer” this heat from the cold part to the hot part. They therefore recycle the heat passed through the thermoelectric elements 91, to convert it entirely into work (electricity).
  • thermoelectric generator works as follows:
  • the mille-feuilles 92 are started up.
  • the hot plate of each mille-feuille 92 is heated and the cold plate is cooled. During this time, the heat begins to flow in the thermoelectric elements 91, in an increasingly intense current, which produces electricity.
  • the mille-feuilles 92 recycle the heat passed through the thermoelectric elements 91, but, as a part is converted into electricity, the system would tend to cool, hence the introduction of metal plates 93 welded to the exchanger thermal 94 and wedged in the middle of each mille-feuille 92, the role of which is to supply the system with ambient heat taken by the heat exchanger 94.
  • the generator fully converts the heat into electricity, which can represent a considerable advantage compared to current thermoelectric generators, which convert only a small part and dissipate a large amount of heat.
  • This polarizable dielectric (PP, PTFE or other) will preferably be deposited on a thin sheet of silicon
  • a thin metal plate 201 with adjustment of the distance relative to the thick plate 101 by means of plastic screws 202 and 203, then finally a thermal probe 204.
  • the thick metal plate has a thickness of 20 to 30mm
  • the square studs of the microgrid 12 have a width of 1 to 3 microns, as well as the holes arranged alternately, which should make the microgrid look like, seen from above. , to a checkerboard.
  • the thin metal plate 201, 2 to 3 mm thick is separated from the thick plate 101 by a distance reduced to a minimum of 0.1 to 0.2 mm.
  • the electric field E in the holes of the microgrid must be between 5 x 10 ⁇ and 10 ⁇ V / m (500 to 1000 KV / mm).
  • the thickness of the thick plate 101 is intended to give it, during the experiment, a temperature inertia, that is to say a very low heating allowing the cooling of the thin plate 201 to be more easily measured.
  • FIG. 40b relating to the apparatus and to the experimentation, it is noted that the demonstrator shown in FIG. 40a has been introduced into a sealed enclosure 80 fitted with a base 81, a bracket 82 supporting an electronic gun 83 3 5
  • the thin metal plate 201 is connected to an electrometer 206 comprising a capacitor 207 and a voltmeter 208.
  • the enclosure 80 is connected, by means of a pipe, to a vacuum pump 86, to a compressed gas cylinder 87 and to a pressure gauge 88.
  • the gas is chosen according to its polarizability or dielectric susceptibility, because it depends on the acceleration of the molecules, when they reach the holes of the microgrid 12, and on its dielectric strength, sufficiently high so as to avoid breakdown in the gas.
  • the dielectric rigidity of the gas for very short interelectrode distances (in the holes of the microgrid 12) can no longer be deduced from the Paschen curves, but depends only on the electronic emission of field from the cathode; apart from the immobility of the negative charges trapped in the polarizable dielectric constitutes the best asset for solving the problem posed by the very high field prevailing in the holes of the microgrid 12.
  • the pressure it appears, from the Paschen curves, that the experiment can be carried out under a pressure of 1 bar or else 10-2 bar, the intermediate pressure inducing a potential 3 6
  • the thin metallic plate 201 should normally be observed to cool, the temperature difference observed being proportional to the square of the electric field in the holes of the microgrid 12, which must remain as long as the plate is loaded. It is therefore possible to verify this principle for different load levels and measure the cooling rate so as to deduce the heat transfer power.
  • the demonstrator being placed in the enclosure 80, the thin metal plate 201 being raised and placed vertically against the upright 84 by means of the winch 840, the thick plate 101, called electrostatic, is charged to the desired level, by scanning with the electronic gun 83 (or ionic) whose role is to eliminate the positive surface charges which neutralize the negative charges trapped in the polarizable dielectric.
  • This operation must be carried out by maintaining in the enclosure 80, a high vacuum so that the electrons (or the ions) conserve their kinetic energy to reach the surface of the dielectric, which repels the electrons (or the ions) in the holes of the microgrid 12 as it loads.
  • the electrometer 206 By means of the electrometer 206, it is possible to measure the charge of the thick electrostatic plate 101. If the thin metal plate 201 is lifted using the winch 840 while the thick metal plate 101 is 3 7

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Abstract

The invention concerns a device consisting of a capacitor whereof the negatively charged armature is made up of at least a metal plate (10), coated with a thin dielectric, supporting a positively charged grid, separated from the other plate (20) by insulating pads (13) and by a gas. An air to air heat exchanger (30), for example, comprises a stack of plates (10), provided with their dielectric and their grid, separated by insulating pads (13) located in a chamber (15), defined, on the sides, by metal walls (32), resting against the lower plate (10) outer surface and against the insulating pads (13) respectively, located on the grid of the plate found on stack top, and delimited at the edge by insulating walls (16, 17). All the grids are connected in parallel to the high voltage produced by a direct voltage generator (33); the plates being connected to the ground.

Description

1 1
RBQCEΠE E-r DISPOSITIF DE BQMPE A CHALEUR ARBQCEΠE E-r HEAT BQMPE DEVICE A
ECQUi--EMEI-{-LSPQN-I-Al^ECQUi - EMEI - {- LSPQN-I-Al ^
L'invention concerne un procédé et un dispositif de pompe à chaleur à écoulement spontané.The invention relates to a spontaneous flow heat pump method and device.
Il est connu de transférer de la chaleur d'un milieu froid à un milieu chaud, c'est le rôle de tout procédé de pompe à chaleur. Un réfrigérateur, par exemple, fonctionne par ce procédé. Il s'agit, très généralement, d'un dispositif à compression mécanique. D'autres dispositifs, plus sophistiqués, sont utilisés, tels que les cycles à absorption ou à résorption, ou encore les procédés thermoélectriques à effet Peltier, ou encore un nouveau procédé fonctionnant selon la technologie des diodes à vide thermoélectroniques (demande de brevet internationale WO 97/02460) appliqué à un dispositif tel que celui décrit dans le brevet de la même invention US 5.675.972 permettant de faciliter le transfert électronique d'une électrode à l'autre en les recouvrant d'un revêtement spécial. Mais, en raison de leur mode de fonctionnement, tous ces procédés, sans exception, sont soumis à un coefficient de performance limité, défini par le théorème de Carnot. Aucun procédé, en effet, n'a encore pu échapper à cette loi. Pour cette raison, aucune pompe à chaleur n'a jamais permis la conversion de chaleur ambiante en travail, référencée figures 37 à 39. Il est possible, par exemple, de chauffer de l'eau froide en dépensant de l'énergie sous forme de travail (par exemple un courant électrique), mais l'opération inverse, c'est-à- dire refroidir davantage de l'eau froide pour produire du travail, n'a encore jamais été réalisée. Tous les moteurs, quel que soit le type de carburant qu'ils utilisent, toutes les activités humaines, induisent un rejet de chaleur dans l'environnement, caractérisé par une augmentation de l'entropie. Grâce à cette nouvelle pompe à chaleur, que l'on peut qualifier de réducteur d'entropie, il devient possible de produire du travail en refroidissant l'environnement, c'est-à-dire de valoriser de l'énergie considérée comme impropre au travail.It is known to transfer heat from a cold environment to a warm environment, this is the role of any heat pump process. A refrigerator, for example, works by this process. It is, very generally, a device with mechanical compression. Other, more sophisticated devices are used, such as absorption or resorption cycles, or thermoelectric processes with Peltier effect, or a new process operating according to the technology of thermoelectronic vacuum diodes (international patent application WO 97/02460) applied to a device such as that described in the patent of the same invention US 5,675,972 making it possible to facilitate the electronic transfer from one electrode to the other by covering them with a special coating. But, because of their mode of operation, all these processes, without exception, are subject to a limited coefficient of performance, defined by the Carnot theorem. No process, in fact, has yet been able to escape this law. For this reason, no heat pump has ever allowed the conversion of ambient heat into work, referenced in Figures 37 to 39. It is possible, for example, to heat cold water by expending energy in the form of work (for example an electric current), but the reverse operation, that is to say to cool more cold water to produce work, has never been carried out. All engines, regardless of the type of fuel they use, all human activities, induce heat rejection in the environment, characterized by an increase in entropy. Thanks to this new heat pump, which can be described as an entropy reducer, it becomes possible to produce work by cooling the environment, that is to say to recover energy considered unfit for job.
Cette invention, telle qu'elle se caractérise, résout le problème consistant à définir un procédé et à créer un dispositif de pompe à chaleur d'une partie froide à une partie chaude, avec lesquels, d'une part, aucun changement d'état d'un fluide caloporteur ne soit nécessaire et, d'autre part, un écoulement spontané soit obtenu. On entend par écoulement spontané, le transfert de chaleur, sans consommation nécessaire d'énergie.This invention, as it is characterized, solves the problem of defining a process and creating a heat pump device from a cold part to a hot part, with which, on the one hand, no change of state of a heat transfer fluid is not necessary and, on the other hand, a spontaneous flow is obtained. By spontaneous flow is meant heat transfer, without the necessary consumption of energy.
Le procédé de pompe à chaleur à écoulement spontané par polarisation électrostatique d'un gaz, selon l'invention, se caractérise en ce qu'il consiste à transférer de la chaleur dans un gaz entre deux plaques rapprochées A et B de températures différentes, de la plaque froide B vers la plaque chaude A, grâce à un champ électrique créé à la surface d'une plaque A dite "électrostatique", qui attire les molécules de gaz pour leur faire céder de l'énergie par accommodation thermique. En pénétrant dans le champ électrique, chaque molécule est attirée comme dans un champ de pesanteur et voit son énergie cinétique Ec augmenter d'une valeur qui est fonction du champ électrique, ce qui entraîne une augmentation de la température T du gaz à la surface de cette plaque A, comme représenté sur le schéma de la figure 1.The method of heat pump with spontaneous flow by electrostatic polarization of a gas, according to the invention, is characterized in that it consists in transferring heat in a gas between two close plates A and B of different temperatures, of the cold plate B towards the hot plate A, thanks to an electric field created on the surface of a plate A called "electrostatic", which attracts the gas molecules to make them give up energy by thermal accommodation. Upon entering the electric field, each molecule is attracted as in a gravity field and sees its kinetic energy Ec increase by a value which is a function of the electric field, which causes an increase in the temperature T of the gas at the surface of this plate A, as shown in the diagram in FIG. 1.
Une manière simple et imagée de se représenter le phénomène escompté consiste, comme schématisé sur la figure 2, à remplacer les molécules de gaz par une multitude de boules de billard, en mouvement perpétuel sur une table C qui comporterait un "fossé" à l'un des deux bords. Pour que l'image soit juste, il faudrait, bien entendu, que le mouvement des boules ne soit pas ralenti entre deux chocs, comme il l'est dans la réalité, à cause du léger frottement des boules sur le tapis, et qu'un choc n'induise aucune perte d'énergie (les boules s'échauffent dans un choc, d'où une perte de leur énergie cinétique après le rebond), mais la conserve parfaitement comme dans un gaz, sinon le mouvement cesserait.A simple and colorful way of representing the expected phenomenon consists, as shown schematically on the Figure 2, to replace the gas molecules by a multitude of billiard balls, in perpetual motion on a table C which would have a "ditch" at one of the two edges. For the image to be fair, it would be necessary, of course, that the movement of the balls is not slowed down between two impacts, as it is in reality, because of the slight friction of the balls on the carpet, and that a shock does not induce any loss of energy (the balls heat up in a shock, from where a loss of their kinetic energy after the rebound), but preserves it perfectly as in a gas, otherwise the movement would stop.
Ces deux conditions remplies, on pourrait constater que l'énergie cinétique moyenne des boules qui frappent le bord gauche, en bas du fossé, est supérieure à l'énergie cinétique moyenne Ec des boules sur la partie horizontale de la table, chaque boule qui pénètre dans le fossé étant accélérée d'une valeur d'énergie correspondant à l'énergie potentielle de la boule dans cette dénivellation. L'énergie cinétique moyenne Ec pouvant être assimilée à la température T, il vient que la "température" des boules frappant le bord gauche est supérieure à la "température" des boules frappant le bord droit.These two conditions fulfilled, we could see that the average kinetic energy of the balls hitting the left edge, at the bottom of the ditch, is greater than the average kinetic energy Ec of the balls on the horizontal part of the table, each ball entering in the ditch being accelerated by an energy value corresponding to the potential energy of the ball in this drop. The average kinetic energy Ec being able to be assimilated to the temperature T, it comes that the "temperature" of the balls striking the left edge is higher than the "temperature" of the balls striking the right edge.
Avant de décrire le principe de fonctionnement de l'invention, il est bon d'examiner comment s'effectue le transfert de chaleur entre deux plaques ordinaires, de températures différentes.Before describing the operating principle of the invention, it is good to examine how the heat transfer takes place between two ordinary plates, of different temperatures.
Pour simplifier la représentation, imaginons, comme schématisé sur la figure 3, deux plaques A et B infinies et rapprochées, de températures différentes, avec du gaz raréfié entre les deux, de manière à ce que les molécules oscillent entre les deux plaques A et B sans collision entre les molécules, et observons une molécule, d'abord quand celle-ci se déplace vers la plaque de droite B selon le trajet repéré 1, cette plaque B ayant une température plus élevée que l'autre (les flèches indiquent seulement le sens de déplacement et le niveau énergétique de la molécule, mais pas son emplacement ni sa direction. Elle peut se déplacer perpendiculairement aux plaques A et B ou en biais. La flèche horizontale, repérée 1, signifie donc seulement que la molécule se déplace à vitesse constante entre les plaques A et B).To simplify the representation, imagine, as shown schematically in Figure 3, two plates A and B infinite and close together, of different temperatures, with rarefied gas in between, so that the molecules oscillate between the two plates A and B without collision between the molecules, and let us observe a molecule, first when this one moves towards the right plate B according to the marked path 1, this plate B having a temperature higher than l other (the arrows indicate only the direction of movement and the energy level of the molecule, but not its location or its direction. It can move perpendicular to the plates A and B or at an angle. The horizontal arrow, marked 1, therefore means only that the molecule moves at constant speed between plates A and B).
En arrivant sur la plaque de droite B, la molécule adapte son énergie cinétique Ec à la température de la plaque B (Ecinétique = 3/2 KT°), en l'occurrence, elle va se réchauffer en rebondissant à une vitesse supérieure après avoir puisé de l'énergie sous forme thermique sur la plaque B, selon le repère 2 de la figure 3. Ce phénomène est connu sous le nom d'accommodation thermique.Arriving on the right plate B, the molecule adapts its kinetic energy Ec to the temperature of plate B (Ecinetics = 3/2 KT °), in this case, it will heat up by bouncing at a higher speed after having drawn energy in thermal form from plate B, according to the reference 2 in FIG. 3. This phenomenon is known by the name of thermal accommodation.
L'effet inverse se produira au contact de la plaque de gauche A plus froide (repère 3) avec un apport d'énergie sous forme de chaleur correspondant à une perte d'énergie cinétique de la molécule, c'est-à-dire un refroidissement de la molécule et un réchauffement de la plaque.The opposite effect will occur on contact with the cooler left plate A (item 3) with an energy supply in the form of heat corresponding to a loss of kinetic energy of the molecule, i.e. a cooling of the molecule and warming of the plate.
Cet échange, multiplié par la fréquence considérable d'aller-retours, puisque la vitesse d'une molécule de gaz est de l'ordre de 400 à 500 m/s, ainsi que la densité considérable de molécules dans un gaz, a pour effet d'égaliser progressivement la température des plaques A et B. -}This exchange, multiplied by the considerable frequency of round trips, since the speed of a gas molecule is of the order of 400 to 500 m / s, as well as the considerable density of molecules in a gas, has the effect gradually equalize the temperature of plates A and B. -}
Toujours avec un gaz raréfié, supposons maintenant que la molécule, en parvenant à proximité de la plaque de gauche A, dite "électrostatique", pénètre dans ce que l'on appelera un champ de pesenteur ou champ d'accélération. Cela se traduit sur la courbe énergétique ou thermique de la figure 4 par un fossé 1 , à l'image de la table de billard représentée figure 2.Still with a rarefied gas, let us now suppose that the molecule, arriving near the left plate A, called "electrostatic", penetrates into what will be called a gravity field or acceleration field. This is reflected on the energy or thermal curve in FIG. 4 by a ditch 1, like the pool table shown in FIG. 2.
Ce champ de pesanteur augmente l'énergie cinétique de la molécule et pourra la porter à une température supérieure à celle de la plaque. Dans ce cas, par accommodation thermique, la molécule va céder de l'énergie au contact de la plaque et repartir à une vitesse inférieure (repère 2).This gravity field increases the kinetic energy of the molecule and can bring it to a temperature higher than that of the plate. In this case, by thermal accommodation, the molecule will give up energy on contact with the plate and start again at a lower speed (reference 2).
La molécule va maintenant devoir "remonter" et perdre autant d'énergie cinétique qu'elle en a gagné en "tombant" . Le résultat final est un refroidissement de la molécule (repère 3), bien qu'à l'origine, avant de pénétrer dans le champ de pesanteur, elle était plus froide que la plaque qu'elle allait rencontrer.The molecule will now have to "go up" and lose as much kinetic energy as it gained by "falling". The end result is a cooling of the molecule (reference 3), although originally, before entering the gravity field, it was cooler than the plaque it was going to meet.
Ce refroidissement doit être identique à celui qu'elle aurait subi sur une plaque ordinaire, avec un écart de température identique entre la molécule et la plaque au moment du contact (repère 4).This cooling must be identical to that which it would have undergone on an ordinary plate, with an identical temperature difference between the molecule and the plate at the time of contact (reference 4).
Il convient, à présent, de souligner que, l'énergie potentielle du champ de pesanteur n'étant équivalente qu'à une petite fraction de l 'énergie cinétique moyenne des molécules (quelques dizaines de degrés au mieux, comparé à l'énergie cinétique moyenne à température ambiante, ^ 300 K), elles ne risquent pas d'être piégées, ou selon une probabilité sans conséquence, et n'ont donc pas besoin de récupérer de l'énergie thermique sur la plaque pour s'extraire du champ de pesanteur, ce qui, bien entendu, annulerait l'effet escompté. Pour prendre une comparaison, une voiture roulant à allure normale ne risque pas d'être bloquée par un nid de poule.It should now be emphasized that, the potential energy of the gravity field being equivalent to only a small fraction of the average kinetic energy of the molecules (a few tens of degrees at best, compared to the kinetic energy medium at room temperature, ^ 300 K), they are not likely to be trapped, or in a probability without consequence, and therefore do not need to recover from thermal energy on the plate to extract itself from the gravity field, which, of course, would cancel the expected effect. To take a comparison, a car driving at normal speed is not likely to be blocked by a pothole.
L'échange énergétique que l'on vient de décrire tend à réchauffer la plaque chaude électrostatique A et à refroidir la plaque froide ordinaire B, ceci, jusqu'à ce que la différence de température entre les plaques A et B atteigne une valeur correspondant à l'énergie potentielle du champ de pesanteur, comme représenté sur la figure 5. L'équilibre thermodynamique est alors atteint lorsque l'énergie moyenne des molécules, en arrivant au contact de chaque plaque, correspond à la température de chaque plaque respective. Dans ce cas, l'échange énergétique s'annule, l'accommodation thermique ne joue plus aucun rôle, il n'y a plus de transfert thermique. Cette situation correspond à la configuration de la table de billard, où les boules rebondissent sur une paroi sans céder ni puiser d'énergie, en conservant leur énergie cinétique.The energy exchange which has just been described tends to heat the electrostatic hot plate A and to cool the ordinary cold plate B, this, until the temperature difference between the plates A and B reaches a value corresponding to the potential energy of the gravity field, as shown in Figure 5. The thermodynamic equilibrium is then reached when the average energy of the molecules, arriving in contact with each plate, corresponds to the temperature of each respective plate. In this case, the energy exchange is canceled, thermal accommodation no longer plays any role, there is no longer any heat transfer. This situation corresponds to the configuration of the pool table, where the balls bounce off a wall without yielding or drawing energy, while retaining their kinetic energy.
L'introduction d'un champ de pesanteur n'aurait donc d'autre effet que d'incliner la courbe thermique au voisinage de la plaque électrostatique, ce qui permettrait l'écoulement spontané de la chaleur d'une plaque froide B vers une plaque plus chaude A.The introduction of a gravity field would therefore have no other effect than to tilt the thermal curve in the vicinity of the electrostatic plate, which would allow the spontaneous flow of heat from a cold plate B to a plate warmer A.
Avec une densité (ou pression) plus forte, c'est-à-dire lorsque le libre parcours moyen (parcours sans collision) est plus petit que la distance entre les plaques, des collisions ont lieu au sein du gaz, et ce, d'autant plus que la densité est forte (le libre parcours moyen d'une molécule 7With a higher density (or pressure), that is to say when the mean free path (collision-free path) is smaller than the distance between the plates, collisions take place within the gas, and this, d 'especially as the density is high (the average free path of a molecule 7
dans un gaz d'argon à pression atmosphérique est de 50 nanomètres, soit 0,05 microns).in an argon gas at atmospheric pressure is 50 nanometers, or 0.05 microns).
Ces collisions tendent à égaliser la température sur un plan donné entre les plaques A et B (repère 2 du schéma de la figure 6) et raccourcissent les cycles thermodynamiques, comme cela est représenté symboliquement sur la figure 6, repère 1.These collisions tend to equalize the temperature on a given plane between the plates A and B (reference 2 of the diagram in FIG. 6) and shorten the thermodynamic cycles, as is symbolically represented in FIG. 6, reference 1.
Si l'on considère ce qui se produit dans la zone hors du champ de pesanteur (flèches horizontales), la température varierait donc selon la position par rapport aux plaques A et B, selon un gradient ou une pente thermique, repère 3, qui va d'ailleurs permettre de calculer la puissance de transfert thermique, comme entre deux plaques ordinaires A et B.If we consider what happens in the area outside the gravity field (horizontal arrows), the temperature would therefore vary according to the position relative to the plates A and B, according to a thermal gradient or slope, reference 3, which will moreover allow to calculate the heat transfer power, as between two ordinary plates A and B.
Puisque cette pente thermique détermine le courant de chaleur (ou pui ssance de transfert) , l 'équilibre thermodynamique sera atteint lorsque la pente est plate dans cette zone, comme représenté sur le schéma de la figure 7. On retrouve la configuration "table de billard", décrite au schéma de la figure 5, avec du gaz raréfié.Since this thermal slope determines the heat current (or transfer power), thermodynamic equilibrium will be reached when the slope is flat in this area, as shown in the diagram in Figure 7. We find the configuration "pool table ", described in the diagram of FIG. 5, with rarefied gas.
Comme entre deux plaques ordinaires A et B, la conductivité thermique du gaz raréfié diminue lorsque le libre parcours moyen des molécules devient aussi grand que la distance entre les plaques A et B. C'est la seule différence de comportement à attendre dans le procédé, entre un gaz dense et un gaz raréfié.As between two ordinary plates A and B, the thermal conductivity of the rarefied gas decreases when the mean free path of the molecules becomes as large as the distance between the plates A and B. This is the only difference in behavior to be expected in the process, between a dense gas and a rarefied gas.
Pour calculer le flux de chaleur, on utilisera la formule : flux de chaleur φ = - λ grad T 8To calculate the heat flux, use the formula: heat flux φ = - λ grad T 8
avec λ : conductivité thermique du gaz graα T : gradient thermique au sein du gaz.with λ: thermal conductivity of the gas graα T: thermal gradient within the gas.
Imaginons le cas de deux plaques séparées de 0, 1 mm, la plaque chaude électrostatique A attirant les molécules dans un champ de pesanteur équivalent à 2 degrés. En équilibre thermique, c'est-à-dire lorsque la pente thermique est plate dans la zone hors du champ, la plaque électrostatique A serait plus chaude que l'autre plaque B de 2 degrés. En réduisant de moitié cet écart, on redresse d'autant la pente thermique, qui serait donc de 1 degré pour 0, 1 mm, soit grââ = 104 κ/m.Imagine the case of two plates separated by 0.1 mm, the hot electrostatic plate A attracting the molecules in a gravity field equivalent to 2 degrees. In thermal equilibrium, that is to say when the thermal slope is flat in the area outside the field, the electrostatic plate A would be hotter than the other plate B by 2 degrees. By reducing this difference by half, the thermal slope is straightened by the same amount, which would therefore be 1 degree for 0.1 mm, ie grââ = 104 κ / m.
Si le gaz utilisé est du SF6 dont la conductivité thermique est λ = 0, 14 W/m.k, le courant de chaleur par /- serait : φ = 0,14 x 104 = 1400 W, de la plaque froide vers la plaque chaude, plus chaude de 1 degré (voir figure 8).If the gas used is SF 6 whose thermal conductivity is λ = 0.14 W / mk, the heat current through / - would be: φ = 0.14 x 10 4 = 1400 W, from the cold plate to the plate warm, 1 degree warmer (see Figure 8).
Selon le principe électrostatique illustré par la figure 9, imaginons une barre métallique 5 chargée positivement, à l'intérieur d'une grille métallique cylindrique 60 reliée à la masse, c'est-à-dire une cage de Faraday. Celle-ci neutralise le champ électrique en dehors de la cage, grâce à la charge négative dont elle se dote par influence. Si une molécule de gaz 7 se trouve loin de la cage, elle ne perçoit pas de champ électrique et il ne se passe rien. Par contre, si elle approche suffisamment de la grille 60, l'effet d'écran disparaît et la molécule 7 se polarise sous l'effet du champ électrique résidant entre la barre 5 et la grille 60, comme représenté sur la figure 9.According to the electrostatic principle illustrated in FIG. 9, let us imagine a metal bar 5 positively charged, inside a cylindrical metal grid 60 connected to ground, that is to say a Faraday cage. This neutralizes the electric field outside the cage, thanks to the negative charge which it acquires by influence. If a gas molecule 7 is far from the cage, it does not perceive an electric field and nothing happens. On the other hand, if it approaches the grid 60 sufficiently, the screen effect disappears and the molecule 7 polarizes under the effect of the electric field residing between the bar 5 and the grid 60, as shown in FIG. 9.
Dans le cas où elle pénètre entre deux barreaux de la grille 60, les électrons de la molécule 7 sont attirés et son noyau repoussé. Mais, comme les électrons sont plus près de la barre 5, et, par conséquent, dans un champ plus intense que le noyau, l'attraction des électrons l'emporte sur la répulsion du noyau : la molécule toute entière est attirée, comme représenté sur la figure 10. Dans le cas où elle s'approche d'un barreau 61 de la grille 60, le noyau de la molécule 7 est attiré et les électrons repoussés. Comme le noyau se trouve plus près de la grille 60, et, par conséquent, dans un champ plus intense que les électrons, l'attraction du noyau l'emporte sur la répulsion des électrons. Là encore, la molécule 7 est attirée.In the case where it enters between two bars of the grid 60, the electrons of the molecule 7 are attracted and its nucleus pushed back. But, as the electrons are closer to the 5 bar, and therefore, in a field more intense than the nucleus, the attraction of the electrons outweighs the repulsion of the nucleus: the whole molecule is attracted, as shown in FIG. 10. In the case where it approaches a bar 61 of the grid 60, the nucleus of the molecule 7 is attracted and the electrons repelled. As the nucleus is closer to grid 60, and therefore in a more intense field than the electrons, the attraction of the nucleus outweighs the repulsion of the electrons. Again, molecule 7 is attracted.
Si l'on prend encore le cas d'une molécule 7 se déplaçant sur l'axe de symétrie d'un dipôle 62, 63, c'est-à-dire perpendiculairement au champ électrique, comme représenté sur la figure 11, le noyau de la molécule 7 est attiré vers la barre chargée négativement et les électrons vers la barre chargée positivement, chacune de ces forces étant dirigée tangentiellement à la ligne de champ. Comme cette ligne est courbée, les deux forces d'attraction opposées, qui n'ont pas le même point d'application, ne sont donc pas parallèles, d'où une résultante de force dirigée vers le champ croissant.If we still take the case of a molecule 7 moving on the axis of symmetry of a dipole 62, 63, that is to say perpendicular to the electric field, as shown in Figure 11, the nucleus of the molecule 7 is attracted towards the negatively charged bar and the electrons towards the positively charged bar, each of these forces being directed tangentially to the field line. As this line is curved, the two opposite forces of attraction, which do not have the same point of application, are therefore not parallel, hence a result of force directed towards the increasing field.
La pénétration d'une molécule dans un champ électrique a toujours pour effet de l'attirer vers le champ croissant, sans rapport avec la direction ni le sens du champ. Ce phénomène d'attraction par polarisation électrostatique d'un gaz est connu sous le nom de force de Debye, qui est, par exemple, à l'origine de la formation d'hydrates de gaz rares (Arn, H2O), avec production de chaleur résultant de l'énergie d'attraction entre molécules. 1 0The penetration of a molecule into an electric field always has the effect of attracting it towards the growing field, without relation to the direction or the direction of the field. This phenomenon of attraction by electrostatic polarization of a gas is known under the name of Debye force, which is, for example, at the origin of the formation of hydrates of rare gases (Ar n , H 2 O), with heat production resulting from the energy of attraction between molecules. 1 0
L'énergie d'attraction peut être calculée en utilisant la formule :The energy of attraction can be calculated using the formula:
Energie d'attraction : E pol = 1/2 F2 avec F = champ électrique et α = polarisabilité de la molécule.Energy of attraction: E pol = 1/2 F 2 with F = electric field and α = polarizability of the molecule.
L'énergie d'attraction résulte de la valeur du champ, mais pas du potentiel électrique.The energy of attraction results from the value of the field, but not from the electric potential.
(Potentiel électrique = champ électrique x distance interélectrodes)(Electric potential = electric field x inter-electrode distance)
Le tableau ci-dessous donne l'énergie d'attraction par molécule et l'équivalence en degré d'échauffement, pour quelques exemples de gaz, pénétrant dans un champ de 5 xThe table below gives the energy of attraction per molecule and the equivalence in degree of heating, for some examples of gas, penetrating in a field of 5 x
108 V/m (500 Kv/mm), en supposant que les molécules proviennent d'une zone à champ nul. D'autres gaz pourraient être utilisés, d'autant plus intéressants qu'ils sont polarisables. L'échauffement de 1 degré équivaut à environ 2 x 10 23 joules par molécule (3/2 K, avec K=l,38 x 10 23 joules).10 8 V / m (500 Kv / mm), assuming that the molecules come from a zero field area. Other gases could be used, all the more interesting since they are polarizable. The heating of 1 degree is equivalent to approximately 2 x 10 23 joules per molecule (3/2 K, with K = 1.38 x 10 23 joules).
gaz polarisation énergie d'attraction degrés en Cm/Vm"1 avec 5 x 108 V/m d'échauffementgas polarization energy of attraction degrees in Cm / Vm "1 with 5 x 10 8 V / m of heating
Argon 1 ,85 x lO" 0 2 x lO'23 joules 1 KArgon 1.85 x 10 "0 2 x 10 '23 joules 1 K
Krypton 2N6 10"40 3,2 x lO-23 joules 6 KKrypton 2N6 10 "40 3.2 x lO -23 joules 6 K
Xénon 4,66 X 1G- 0 5 x lO"23 joules 2,5 K
Figure imgf000012_0001
SF6 7,40 x 1 Q-40 8 x lO'23 joules 4 K
Xenon 4.66 X 1G- 0 5 x lO "23 joules 2.5 K
Figure imgf000012_0001
SF 6 7.40 x 1 Q- 40 8 x lO '23 joules 4 K
Comme représenté sur le schéma de la figure 12, le dispositif d'application du procédé selon l'invention est constitué d'un condensateur, dont l'armature, chargée négativement, est constituée d'une plaque métallique 10 supportant l'ensemble. L'isolant 11 est un diélectrique 1 1As shown in the diagram in FIG. 12, the device for applying the method according to the invention consists of a capacitor, the armature of which, negatively charged, consists of a metal plate 10 supporting the assembly. The insulator 11 is a dielectric 1 1
mince déposé sur cette plaque 10, et enfin, la grille 12, en contact avec le gaz, constitue l'armature chargée positivement.thin deposited on this plate 10, and finally, the grid 12, in contact with the gas, constitutes the positively charged reinforcement.
Cette grille 12 peut être réalisée, par exemple, en gravant des bandes extrêmement fines dans une couche de métal déposée sous vide sur l'isolant 11.This grid 12 can be produced, for example, by etching extremely thin strips in a layer of metal deposited under vacuum on the insulator 11.
La largeur des bandes doit être la plus petite possible. En effet, la largeur et la hauteur des bandes (qui doivent rester en proportion) déterminent le potentiel électrique moyen entre la surface diélectrique et la surface métallique des bandes reliées à la masse. Or, dans cette zone, des ions (formés accidentellement) seront accélérés selon la direction du champ vers la surface diélectrique et des phénomènes de claquage sont d'autant plus probables que les bandes sont hautes et larges.The width of the bands should be as small as possible. Indeed, the width and the height of the bands (which must remain in proportion) determine the average electric potential between the dielectric surface and the metallic surface of the bands connected to the ground. However, in this zone, ions (accidentally formed) will be accelerated in the direction of the field towards the dielectric surface and breakdown phenomena are all the more likely as the bands are high and wide.
La valeur moyenne du champ électrique à la surface de la plaque électrostatique détermine l'énergie d'attraction des molécules et échauffement de la plaque.The average value of the electric field on the surface of the electrostatic plate determines the energy of attraction of the molecules and heating of the plate.
Par conséquent, pour une même énergie d'attraction des molécules, le potentiel nécessaire est d'autant moins élevé que l'isolant est fin.Consequently, for the same energy of attraction of the molecules, the necessary potential is all the lower as the insulator is thin.
Comme représenté sur le schéma de la figure 13, des plots de séparation 13, répartis sur toute la surface des plaques 20, maintiennent un espacement régulier entre les deux plaques 10 et 20. Ils sont aussi peu nombreux et aussi étroits que possible, de manière à limiter le retour de chaleur dans le sens normal plaque chaude . plaque froide. 1 2As shown in the diagram in FIG. 13, separation pads 13, distributed over the entire surface of the plates 20, maintain regular spacing between the two plates 10 and 20. They are as few and as narrow as possible, so to limit the return of heat in the normal direction hot plate. cold plate. 1 2
- Un mode de réalisation des plots pourrait consister à déposer, sur la face inférieure de chaque plaque (à l'opposé de la face gravée), une couche plastique adhérente, d'épaisseur égale à la distance de séparation voulue, puis à enlever cette couche par gravure chimique ou par fraisage, en dehors de ce que l'on veut garder pour les plots (figure 14).- One embodiment of the studs could consist in depositing, on the underside of each plate (opposite the engraved face), an adherent plastic layer, of thickness equal to the desired separation distance, then removing this layer by chemical etching or by milling, apart from what we want to keep for the studs (figure 14).
- Une autre possibilité, permettant de réduire la distance de séparation, et, par suite, d'augmenter la puissance de transfert thermique, consisterait à former des microboules d'oxyde 14 à la surface du métal, par exemple par implantation ionique (figure 15).- Another possibility, making it possible to reduce the separation distance, and consequently to increase the heat transfer power, would consist in forming oxide microbubbles 14 on the surface of the metal, for example by ion implantation (Figure 15 ).
Dans la configuration d'ensemble, échauffement de quelques degrés d'une plaque par rapport à l'autre doit être multiplié pour obtenir un écart de température suffisant entre la source froide et la source chaude. La solution consiste à procéder par étages de température, c'est-à-dire à superposer les plaques en mille-feuilles, dans une enceinte étanche 15 contenant le gaz ; qu'il s'agisse d'un échangeur thermique air-air 30, comme représenté sur la figure 16, ou eau-eau 40, comme représenté sur la figure 17, toutes les grilles sont reliées en parallèle à la haute tension produite par un générateur de tension continue 33 et toutes les plaques à la masse. Le mille-feuille est constitué d'un empilement de plaques 10, munies de leur diélectrique 11 et de leur grille 12, séparées par des plots isolants 13 situés dans une enceinte 15 contenant un gaz, délimitée, sur les côtés, par des parois métalliques 32 en appui, respectivement, contre la face externe de la plaque inférieure 10 et contre les plots isolants 13, situé sur la 1 3In the overall configuration, the heating of a few degrees from one plate relative to the other must be multiplied to obtain a sufficient temperature difference between the cold source and the hot source. The solution consists in proceeding by stages of temperature, that is to say in superimposing the sheets in mille-feuilles, in a sealed enclosure 15 containing the gas; whether it is an air-air heat exchanger 30, as shown in Figure 16, or water-water 40, as shown in Figure 17, all the grids are connected in parallel to the high voltage produced by a DC voltage generator 33 and all plates to ground. The mille-feuille consists of a stack of plates 10, provided with their dielectric 11 and their grid 12, separated by insulating pads 13 located in an enclosure 15 containing a gas, delimited, on the sides, by metal walls 32 bearing, respectively, against the external face of the lower plate 10 and against the insulating pads 13, located on the 1 3
grille 12 de la plaque située sur le dessus de la pile, et délimitée de chant par des parois isolantes 16, 17.grid 12 of the plate located on the top of the stack, and delimited by edge by insulating walls 16, 17.
Le principal avantage de la configuration précédemment décrite est d'utiliser des techniques de production existantes. Cependant, ces techniques, très coûteuses, risquent de limiter le procédé à des utilisations spécifiques et, par là même, de le vider de son intérêt en lui interdisant les applications de masse pour lesquelles il est prévu, selon les applications évoquées ci-après.The main advantage of the configuration described above is to use existing production techniques. However, these very expensive techniques risk limiting the process to specific uses and, by the same token, emptying it of its interest by prohibiting it from the mass applications for which it is intended, according to the applications mentioned below.
Différentes techniques pourraient, en effet, être développées pour réduire le coût de réalisation, toutes restant basées sur le même principe, c'est-à-dire la création, à la surface d'une plaque, d'un champ électrique permettant d'attirer les molécules de gaz pour leur faire céder de l'énergie par accommodation thermique.Different techniques could, in fact, be developed to reduce the cost of production, all remaining based on the same principle, that is to say the creation, on the surface of a plate, of an electric field allowing attract gas molecules to give them energy by thermal accommodation.
Selon un premier mode de réalisation simplifié du procédé ci-dessus décrit, compte-tenu que l'aspect le plus coûteux de la configuration décrite est le procédé de lithographie, les bandes rectilignes sont remplacées par un grillage constitué d'une couche mince conductrice, percée d'une multitude de trous cylindriques, en procédant comme suit et comme représenté sur les figures 18a à 18d. Les microparticulesAccording to a first simplified embodiment of the process described above, taking into account that the most expensive aspect of the configuration described is the lithography process, the rectilinear strips are replaced by a mesh made up of a thin conductive layer, pierced with a multitude of cylindrical holes, proceeding as follows and as shown in Figures 18a to 18d. Microparticles
18, déposées et distribuées au hasard sur la couche photosensible 170, pourraient faire office de masque de gravure. On pourrait les doter d'une charge électrique au moment du dépôt, pour obtenir une répartition uniforme. Outre le coût moins élevé, ce procédé simplifié permettrait de réduire les dimensions de la gravure et l'épaisseur du diélectrique, d'où une réduction du potentiel électrique et, par conséquent, de l'énergie consommée, si faible soit elle 1 418, deposited and distributed at random on the photosensitive layer 170, could act as an etching mask. They could be provided with an electric charge at the time of deposition, to obtain a uniform distribution. In addition to the lower cost, this simplified process would make it possible to reduce the dimensions of the etching and the thickness of the dielectric, hence a reduction in the electrical potential and, consequently, in the energy consumed, however small it may be. 1 4
dans le procédé d'origine. Les bandes métalliques, qui, auparavant, étaient relativement épaisses, se voient remplacées par une couche conductrice 120 (ou semi conductrice) très mince, au sommet de la couche isolante 11 à graver. Le substrat de cette couche isolante 11 est une couche diélectrique faiblement résistive 111, car le métal mis à nu induirait, avec un tel champ, une émission électronique très importante (effet tunnel), qui provoquerait un claquage à très brève échéance. Cette couche serait, de préférence, un diélectrique à conductivité ionique, de manière à obtenir une couche d'ions négatifs sur toute la surface, capable de maintenir fortement la charge négative et d'éviter un courant de fuite important.in the original process. The metal strips, which previously were relatively thick, are replaced by a very thin conductive layer 120 (or semiconductor), at the top of the insulating layer 11 to be etched. The substrate of this insulating layer 11 is a weakly resistive dielectric layer 111, since the exposed metal would induce, with such a field, a very significant electronic emission (tunnel effect), which would cause breakdown in the very short term. This layer would preferably be a dielectric with ionic conductivity, so as to obtain a layer of negative ions over the entire surface, capable of strongly maintaining the negative charge and of avoiding a large leakage current.
Dans la configuration suivante, des ions, répartis uniformément en surface, remplacent les bandes ou le grillage métallique de la configuration précédente, comme représenté sur les figures 19a et 19b. Les molécules de gaz 7 sont attirées vers les ions négatifs 121, disposés à la surface de la couche 18, ou d'une couche d'oxyde 19.In the following configuration, ions, uniformly distributed on the surface, replace the strips or the metallic mesh of the previous configuration, as shown in FIGS. 19a and 19b. The gas molecules 7 are attracted to the negative ions 121, arranged on the surface of the layer 18, or of an oxide layer 19.
Les avantages de cette solution sont les suivants :The advantages of this solution are as follows:
- obtention d'un champ élevé à proximité des ions,- obtaining a high field near the ions,
- un électron libre dans le gaz ne peut plus acquérir le potentiel d'ionisation,- a free electron in the gas can no longer acquire the ionization potential,
- le diélectrique devient trop mince pour claquer.- the dielectric becomes too thin to crack.
Selon un autre mode de réalisation du dispositif, il est mélangé deux types de particules très fines, de potentiel de surface différent. Ce procédé consiste, comme représenté 1 5According to another embodiment of the device, two types of very fine particles are mixed, with different surface potential. This process consists, as shown 1 5
sur la figure 20, à déposer, sur un substrat métallique, un mélange de deux poudres hyperfines, de potentiel de surface différent, de manière à créer un champ électrique entre deux grains voisins de nature différente. S'il est possible d'obtenir des grains assez fins ( ^ 10 nm), de les mélanger et de les faire adhérer correctement, on peut alors obtenir, par exemple avec deux métaux, un de faible potentiel et l'autre de fort potentiel, un champ de 3V/10 nm soit 300 KV/mm.in FIG. 20, to deposit, on a metal substrate, a mixture of two hyperfine powders, with different surface potential, so as to create an electric field between two neighboring grains of different nature. If it is possible to obtain fairly fine grains (^ 10 nm), to mix them and to adhere them correctly, we can then obtain, for example with two metals, one of low potential and the other of high potential , a field of 3V / 10 nm or 300 KV / mm.
Les avantages de ce mode de réalisation sont les suivants : - plus de potentiel à entretenir dans un condensateur, plus d'ions à produire, donc plus d'énergie dépensée et plus besoin de générateur.The advantages of this embodiment are as follows: - more potential to maintain in a capacitor, more ions to produce, therefore more energy expended and more need for generator.
Si une molécule de gaz s'ionise accidentellement près de la surface (radiation ionisante, etc.), l'électron libre se dirige vers un grain de faible potentiel et l'ion vers un grain de fort potentiel. Si les choses en restaient là, il y aurait une dispersion de la charge et une diminution du champ électrique. Cependant, le potentiel d'ionisation de la molécule de gaz étant plus fort que le potentiel de surface du grain, tout doit rentrer dans l'ordre : la molécule ionisée récupère son électron perdu, puis l'électron gagné par le grain de faible potentiel revient vers le grain de fort potentiel par conductivité électrique.If a gas molecule accidentally ionizes near the surface (ionizing radiation, etc.), the free electron goes to a grain of low potential and the ion to a grain of high potential. If things stopped there, there would be a dispersion of the charge and a decrease in the electric field. However, the ionization potential of the gas molecule being stronger than the surface potential of the grain, everything has to go in order: the ionized molecule recovers its lost electron, then the electron gained by the grain of low potential returns to the high potential grain by electrical conductivity.
En variante du mode de réalisation exposé ci-dessus, il serait possible : a) plutôt que de déposer simultanément deux poudres, on pourrait n'utiliser qu'une seule poudre en monocouche clairsemée sur un métal différent, comme représenté sur la figure 21, 1 6As a variant of the embodiment described above, it would be possible: a) rather than depositing two powders simultaneously, it would be possible to use only one powder in a sparse monolayer on a different metal, as shown in FIG. 21, 1 6
b) on pourrait aussi déposer, par CVD, une couche métallique de quelques nanomètres sur un substrat métallique de nature différente, puis graver la couche en utilisant, comme masque, des grains hyperfins, comme représenté sur les figures 22a et 22b, c) une dernière variante consisterait à insoler directement une couche photosensible par faisceau électronique, au moyen du procédé de lithographie électronique, ce qui permettrait d'obtenir des traits suffisamment fins. A priori, cette possibilité n'a d'intérêt que pour la réalisation d'une expérience, vu le temps considérable nécessaire à l'insolation de la couche photosensible, comme représenté sur les figures 23a à 23c, montrant respectivement le masque 171 de lOnm de large, puis les microbandes 112 finalement obtenues.b) one could also deposit, by CVD, a metallic layer of a few nanometers on a metallic substrate of different nature, then etch the layer using, as mask, hyperfine grains, as represented in FIGS. 22a and 22b, c) a last variant would consist in directly exposing a photosensitive layer by electron beam, by means of the electronic lithography method, which would make it possible to obtain sufficiently fine lines. A priori, this possibility is only of interest for carrying out an experiment, given the considerable time necessary for the exposure of the photosensitive layer, as shown in FIGS. 23a to 23c, showing respectively the mask 171 of lNm wide, then the microbands 112 finally obtained.
Dans la configuration suivante, il est proposé d'utiliser le champ électrique existant naturellement à la surface de tous les matériaux, qui est à l'origine de l'adsorption (chimisorption ou physiosorption). Il apparaît cependant deux obstacles à cette utilisation : si l'énergie d'adsorption est forte, les molécules gazeuses sont piégées, c'est-à-dire qu'elles ont un temps de séjour trop long et elles encombrent l'espace où les molécules libres pourraient être attirées à leur tour, avec une surface lisse, la zone d'attraction ou d'interaction est vraisemblablement confondue avec la zone de contact et d'échange thermique, de telle sorte que la molécule gazeuse ne pourrait pas être accélérée avant de céder de l'énergie sous forme thermique, et ne serait donc pas ralentie non plus en repartant. Les deux fonctions d'interaction et d'échange thermique seraient simultanées, ce qui permettrait à la molécule de repartir en reprenant 1 7In the following configuration, it is proposed to use the electric field naturally existing on the surface of all materials, which is at the origin of adsorption (chemisorption or physiosorption). However, there appear to be two obstacles to this use: if the adsorption energy is high, the gaseous molecules are trapped, that is to say that they have too long a residence time and they clutter the space where the free molecules could be attracted in their turn, with a smooth surface, the zone of attraction or interaction is probably confused with the zone of contact and heat exchange, so that the gas molecule could not be accelerated before to transfer energy in thermal form, and would not be slowed down either by starting again. The two interaction and heat exchange functions would be simultaneous, which would allow the molecule to start again by resuming 1 7
l'énergie qu'elle a cédé sur la plaque en arrivant. Le bilan d'échange énergétique serait donc nul, comme schématisé sur la figure 24b, alors que la figure 24a schématise l'effet escompté dans l'invention.the energy it gave up on the plate when it arrived. The energy exchange balance would therefore be zero, as shown schematically in Figure 24b, while Figure 24a shows schematically the expected effect in the invention.
Le problème de simultanéité des fonctions d'interaction et d'échange thermique disparaît si l'on dilate la zone d'interaction pour la faire déborder de la zone d'échange thermique, et c'est apparemment le cas dans un micropore. On sait qu'une molécule de vapeur 7 subit une forte énergie d'attraction en pénétrant dans un micropore 21 (en fonction de la taille du micropore, de la molécule 7 et de sa polarisabilité), mais la molécule reste libre à l'intérieur et rebondit comme sur une paroi normale, ce qui laisse supposer que la zone d'échange thermique est recouverte par la zone d'attraction, comme représenté sur le schéma de la figure 25, représentant du verre poreux, du charbon actif, du gel de silice ou de la zéolite synthétique, présentant des micropores 21 de dimensions 5 à 15 A, avec zone de contact et d'échange thermique à la base des micropores 21 et zone d'attraction située au sommet desdits micropores 21, ceci sous un champ uniforme.The problem of simultaneity of the interaction and heat exchange functions disappears if one expands the interaction zone to make it extend beyond the heat exchange zone, and this is apparently the case in a micropore. We know that a vapor molecule 7 undergoes a strong energy of attraction by penetrating into a micropore 21 (depending on the size of the micropore, of molecule 7 and of its polarizability), but the molecule remains free inside and rebounds as on a normal wall, which suggests that the heat exchange zone is covered by the attraction zone, as shown in the diagram in Figure 25, representing porous glass, activated carbon, gel silica or synthetic zeolite, having micropores 21 of dimensions 5 to 15 A, with contact and heat exchange zone at the base of the micropores 21 and attraction zone situated at the top of said micropores 21, this under a uniform field .
On réduirait l'inconvénient d'un séjour trop long dans les micropores en réduisant l'énergie d'interaction par l'utilisation d'une molécule non polaire et de grande taille. Toujours dans le but de limiter l'encombrement dans les pores, on réduira la densité du gaz jusqu'à 0,001 bar.The disadvantage of a too long stay in the micropores would be reduced by reducing the interaction energy by the use of a large non-polar molecule. Still with the aim of limiting the size in the pores, the density of the gas will be reduced to 0.001 bar.
Les avantages obtenus, grâce à cette invention, sont ceux des pompes thermoélectriques (Peltier) : compacité, simplicité, pas d'organe en mouvement donc pas de bruit, mais avec, en plus, un très bon coefficient de performance 1 8The advantages obtained, thanks to this invention, are those of thermoelectric pumps (Peltier): compactness, simplicity, no moving part so no noise, but with, in addition, a very good coefficient of performance 1 8
(COP), puisqu'il n'entraîne aucune consommation nécessaire d'énergie. Il n'est donc plus limité, comme avec tous les autres procédés, au coefficient maximum défini par le théorème de Carnot.(COP), since it does not entail any necessary energy consumption. It is therefore no longer limited, as with all other procedures, to the maximum coefficient defined by Carnot's theorem.
En effet, l'inconvénient du coefficient limité des pompes à chaleur actuelles, d'un point de vue économique et écologique, peut se résumer par le schéma de la figure 26.Indeed, the disadvantage of the limited coefficient of current heat pumps, from an economic and ecological point of view, can be summarized by the diagram in Figure 26.
Le coefficient global (sur une année) des pompes actuellesThe overall coefficient (over a year) of current pumps
703 dépassant rarement 3, il ne permet pas de restituer plus de chaleur que celle produite à la centrale électrique703 rarely exceeding 3, it does not allow to restore more heat than that produced at the power plant
704 pour faire tourner la pompe à chaleur 705 : on dit, dans ce cas, qu'il n'y a pas d'économie d'énergie primaire.704 to run the heat pump 705: we say, in this case, that there is no primary energy saving.
Par conséquent, s'il devient possible d'élever ce coefficient, une telle économie d'énergie primaire devient réalisable, d'où une réduction de la pollution. Pourquoi le coefficient de performance du procédé peut-il dépasser celui défini par le théorème de CarnotConsequently, if it becomes possible to raise this coefficient, such a primary energy saving becomes achievable, hence a reduction in pollution. Why the coefficient of performance of the process can exceed that defined by Carnot's theorem
Comparaison des cycles thermodynamiques.Comparison of thermodynamic cycles.
D'après le théorème de Carnot, schématisé à la figure 27, si l'on dispose d'une source froide à 150K et d'une source chaude à 300K (T° source chaude/T° source froide = 2), le prélèvement d'I calorie à la source froide 707 induira le rejet de 2 calories à la source chaude 708, la seconde calorie provenant du travail fourni à la pompe (4, 18 joules). Pour mettre en lumière la cause de ce travail irréductible dans tous les procédés actuels, il convient d'observer en détail le cycle de Carnot, qui constitue une méthode parfaite du point de vue de l'économie du travail à fournir dans une pompe à chaleur à compression, comme schématisé à la figure 28. 1 9According to Carnot's theorem, shown diagrammatically in Figure 27, if we have a cold source at 150K and a hot source at 300K (T ° hot source / T ° cold source = 2), the sampling I calorie at the cold source 707 will induce the rejection of 2 calories at the hot source 708, the second calorie coming from the work supplied to the pump (4, 18 joules). To shed light on the cause of this irreducible work in all current processes, it is necessary to observe in detail the Carnot cycle, which constitutes a perfect method from the point of view of the economy of the work to be provided in a heat pump. compression, as shown schematically in Figure 28. 1 9
Considérons 1 mole de gaz parfait à 150KConsider 1 mole of perfect gas at 150K
1) on compresse le gaz adiabatiquement pour le réchauffer jusqu'à la température de la source chaude 708,1) the gas is compressed adiabatically to heat it up to the temperature of the hot source 708,
2) après l'avoir mis en contact avec la source chaude 708, on le compresse encore de manière isotherme pour écouler de la chaleur dans celle-ci. Cette opération doit se faire très lentement pour ne pas chauffer le gaz par rapport à la source chaude,2) after having brought it into contact with the hot source 708, it is again compressed in an isothermal manner to drain heat therein. This operation must be done very slowly so as not to heat the gas relative to the hot source,
3) on le détend adiabatiquement pour le refroidir jusqu'à la température de la source froide 707,3) it is adiabatically expanded to cool it down to the temperature of cold source 707,
4) après l'avoir mis en contact avec la source froide, on le détend encore de manière isotherme (très lentement) pour puiser de la chaleur dans celle-ci.4) after having brought it into contact with the cold source, it is still relaxed in an isothermal manner (very slowly) in order to draw heat therefrom.
On s'aperçoit que l'on obtient, à très peu de choses près, le même résultat en supprimant la compression et la détente isotherme et en les remplaçant par une petite différence de température entre le gaz et la source chaude ou froide au moment de leur mise en contact. Cette méthode, décrite ci- après et représentée schématiquement à la figure 29, nous rapproche nettement du cycle thermodynamique de l'invention et va montrer clairement la différence et l'originalité de l'invention, par rapport au cycle de Carnot :We see that we obtain, with very little, the same result by removing the compression and isothermal expansion and replacing them with a small temperature difference between the gas and the hot or cold source at the time of putting them in contact. This method, described below and represented diagrammatically in FIG. 29, brings us clearly closer to the thermodynamic cycle of the invention and will clearly show the difference and the originality of the invention, compared to the Carnot cycle:
- Compression adiabatique ( 1 ) du gaz ( l mole) et réchauffement de 150 à 302K (302K est choisi arbitrairement)- Adiabatic compression (1) of the gas (l mole) and heating from 150 to 302K (302K is chosen arbitrarily)
Wt = 1895,66 joules avec W = 3/2 R (T2-T 2 0W t = 1895.66 joules with W = 3/2 R (T 2 -T 2 0
- Refroidissement (2) du gaz au contact de la source chaude, de 302 à 300K. Chaleur dégagée dU = 24,94 j (avec U = 3/2RT)- Cooling (2) of the gas in contact with the hot source, from 302 to 300K. Heat released dU = 24.94 d (with U = 3 / 2RT)
- Détente adiabatique (3) du gaz et refroidissement de 300 à 149,0066K W2 = 1883,11 joules- Adiabatic expansion (3) of gas and cooling from 300 to 149.0066K W 2 = 1883.11 joules
Cette fois la température de 149,0066K est déterminée par le rapport des volumes Vj/V2, identique dans la compression et la détente avecThis time the temperature of 149.0066K is determined by the ratio of the volumes V j / V 2 , identical in compression and expansion with
T2 = (V^)2' x T! et V2 = V^T r!) 'T 2 = (V ^) 2 'x T ! and V 2 = V ^ T r ! ) '
- Réchauffement (4) du gaz au contact de la source froide, de 149,0066K à 150K. Chaleur emmagasinée = 12,39 joules.- Heating (4) of the gas in contact with the cold source, from 149.0066K to 150K. Stored heat = 12.39 joules.
On peut résumer la situation par le cycle énergétique du gaz représenté à la figure 30 : Si l'on prélève 12,39 joules à la source froide, on rejette 24,94 joules à la source chaude, soit une différence de 12,55 j, qui correspond exactement au travail globalement dépensé dans le cycle (Wj - W ). Comme prévu, 1 calorie prélevée à la source froide induit le rejet de 2 calories à la source chaude (24,94 / 12,39 = 2,013), la seconde calorie provenant du travail fourni.We can summarize the situation by the energy cycle of the gas represented in Figure 30: If we take 12.39 joules at the cold source, we reject 24.94 joules at the hot source, a difference of 12.55 d , which corresponds exactly to the work globally spent in the cycle (Wj - W). As expected, 1 calorie taken from the cold source induces the rejection of 2 calories from the hot source (24.94 / 12.39 = 2013), the second calorie coming from the work provided.
On voit que l'énergie du gaz, c'est-à-dire sa température, est en moyenne plus élevée dans la compression que dans la détente, pour la simple raison qu'il est réchauffé juste avant la phase de compression et refroidi juste avant la phase de détente. Or, si le gaz est plus chaud dans la compression, sa pression est aussi plus élevée. Par conséquent, le travail de compression Wj est forcément plus important que le travail de détente W2, d'où un travail global irréductible à fournir 2 1It can be seen that the energy of the gas, that is to say its temperature, is on average higher in compression than in expansion, for the simple reason that it is heated just before the compression phase and cooled just before the relaxation phase. However, if the gas is hotter in compression, its pressure is also higher. Consequently, the compression work Wj is necessarily more important than the expansion work W 2 , hence an irreducible overall work to be provided 2 1
(12,55 j en l'occurrence), que l'on pourrait nommer travail de Carnot = Wi - W2.(12.55 d in this case), which could be called Carnot's work = Wi - W 2 .
Si l'on examine maintenant le cycle de la pompe électrostatique, on remarque, sur le schéma de la figure 31, que nous obtenons successivement :If we now examine the cycle of the electrostatic pump, we notice, in the diagram in Figure 31, that we successively obtain:
- Accélération ou réchauffement (1) de la molécule de gaz dans le champ de pesanteur.- Acceleration or warming (1) of the gas molecule in the gravity field.
- Refroidissement (2) par accommodation thermique.- Cooling (2) by thermal accommodation.
- Ralentissement ou refroidissement (3) de la molécule dans le champ de pesanteur.- Slowing down or cooling (3) of the molecule in the gravity field.
- Réchauffement (4) par accommodation thermique.- Heating (4) by thermal accommodation.
Le travail du piston dans le cycle de Carnot est remplacé ici par le travail du champ de pesanteur, et la mise en contact du gaz avec la source chaude ou froide, dans le cycle de Carnot, s'effectue ici par accommodation thermique. Mais, alors que, dans le cycle de Carnot, le travail de compression nécessaire pour réchauffer le gaz (Wi) était supérieur au travail de détente (W2) qui le refroidissait, cette fois-ci, le champ de pesanteur accélère puis ralentit la molécule, selon la même énergie potentielle : W} - W2 = 0.The work of the piston in the Carnot cycle is replaced here by the work of the gravity field, and the contacting of the gas with the hot or cold source, in the Carnot cycle, is carried out here by thermal accommodation. But, while, in the Carnot cycle, the compression work necessary to heat the gas (Wi) was greater than the expansion work (W 2 ) which cooled it, this time, the gravity field accelerates then slows down the molecule, according to the same potential energy: W } - W 2 = 0.
Pour mettre cet aspect en lumière, on pourrait, comme schématisé à la figure 32, comparer la molécule qui tombe sur la plaque, à un ballon 700 dans l'espace qui tombe sur une planète (Il faut supposer qu'il n'y a pas d'atmosphère et que le ballon possède une vitesse initiale élevée). En pénétrant dans le champ de pesanteur 701 de la planète 2 2To highlight this aspect, we could, as shown schematically in Figure 32, compare the molecule that falls on the plate, to a balloon 700 in space that falls on a planet (It must be assumed that there is no atmosphere and the balloon has a high initial speed). By entering the gravity field 701 of the planet 2 2
702, le ballon est accéléré. Par l'effet du choc, il cède de l'énergie sous forme de chaleur et donc rebondit à une vitesse inférieure. En remontant, il ralentit et retourne dans l'espace avec une énergie cinétique inférieure à celle qu'il avait avant de tomber sur la planète. Sa courbe énergétique correspondrait exactement à celle décrite dans la partie gauche du schéma de la figure 31.702, the ball is accelerated. By the effect of the shock, it gives up energy in the form of heat and therefore rebounds at a lower speed. Going up, it slows down and returns to space with a kinetic energy lower than it had before falling on the planet. Its energy curve would correspond exactly to that described in the left part of the diagram in Figure 31.
Une fois sorti du champ de pesanteur 701, le ballon 700 ne lui "doit" plus rien : l'énergie qu'il lui avait "empruntée" en tombant est totalement "remboursée" en remontant, tandis que l'énergie libérée dans le choc est payée par un ralentissement final du ballon 700, mais absolument pas par le champ de pesanteur 701.Once out of the field of gravity 701, the balloon 700 owes it nothing more: the energy which it had "borrowed" from it when falling is totally "reimbursed" by going back up, while the energy released in the shock is paid for by a final slowdown of the balloon 700, but absolutely not by the gravity field 701.
Il en est de même pour la molécule dans le champ de pesanteur électrostatique. Une fois celle-ci ressortie du champ électrique et dépolarisée, elle ne lui doit plus rien. L'énergie qu'elle a pu laisser sous forme de chaleur sur la plaque est totalement payée par une diminution finale de son énergie cinétique, mais absolument pas par le champ électrique, qui lui, n'a subi aucune modification.It is the same for the molecule in the field of electrostatic gravity. Once it comes out of the electric field and depolarized, it no longer owes it anything. The energy which it was able to leave in the form of heat on the plate is totally paid for by a final reduction in its kinetic energy, but absolutely not by the electric field, which itself has not undergone any modification.
Il n'en allait pas de même dans le cycle de Carnot, où la dépense d'énergie pour l'accélération des molécules dans la compression ne pouvait, en aucun cas, être totalement remboursée par leur décélération dans la détente. La chaleur libérée à la source chaude était payée en partie par le travail du piston.It was not the same in the Carnot cycle, where the expenditure of energy for the acceleration of molecules in compression could, in no case, be fully reimbursed by their deceleration in expansion. The heat released at the hot spring was partially paid for by the work of the piston.
En conclusion, il n'y a plus de travail global à fournir, qui serait transformé en chaleur et rejeté à la source chaude 708. Chaque calorie, prélevée à la source froide 707, est 23In conclusion, there is no more overall work to be provided, which would be transformed into heat and discharged to the hot source 708. Each calorie, taken from the cold source 707, is 23
rejetée à la source chaude, sans plus, comme représenté à la figure 33. Nous verrons, dans les applications, les conséquences induites par cette propriété nouvelle.rejected at the hot spring, no more, as shown in Figure 33. We will see, in applications, the consequences induced by this new property.
D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront dans la description qui va suivre de différentes applications du procédé et du dispositif selon l'invention, données à titre d'exemple non limitatif, au regard des dessins annexés, sur lesquels :Other characteristics and advantages will appear in the following description of different applications of the method and of the device according to the invention, given by way of nonlimiting example, with regard to the appended drawings, in which:
- la figure 34a représente un échangeur thermique air-air à ailettes, pour chauffage et climatisation de locaux, en position climatisation,FIG. 34a represents an air-air heat exchanger with fins, for space heating and air conditioning, in the air conditioning position,
- la figure 34b représente l 'échangeur thermique selon la figure 34a, en position chauffage,FIG. 34b represents the heat exchanger according to FIG. 34a, in the heating position,
- la figure 35a représente une vue de côté d'un réfrigérateur,FIG. 35a represents a side view of a refrigerator,
- la figure 35b représente une vue de dessus du réfrigérateur selon la figure 35a,FIG. 35b represents a top view of the refrigerator according to FIG. 35a,
- la figure 36a schématise l'impossibilité de réaliser une centrale de conversion de la chaleur ambiante en travail, avec un moteur thermique idéal et une pompe à chaleur classique idéale,FIG. 36a shows diagrammatically the impossibility of producing a central unit for converting ambient heat into work, with an ideal heat engine and an ideal conventional heat pump,
- la figure 36b schématise la possibilité de réaliser une centrale de conversion de la chaleur ambiante, avec un moteur thermique et une pompe électrostatique, 2 4FIG. 36b shows diagrammatically the possibility of producing an ambient heat conversion plant, with a heat engine and an electrostatic pump, 2 4
la figure 37 représente une vue schématique de la centrale de conversion selon la figure 36b,FIG. 37 represents a schematic view of the conversion center according to FIG. 36b,
la figure 38 représente une vue schématique d'une centrale de production d'énergie et d'eau douce à partir de l'eau de mer,FIG. 38 represents a schematic view of a power plant for producing energy and fresh water from sea water,
la figure 39a représente une vue schématique d'un générateur thermoélectrique,FIG. 39a represents a schematic view of a thermoelectric generator,
la figure 39b représente une vue schématique d'un générateur thermoélectrique selon la figure 39a, muni d'un échangeur thermique plus volumineux, préférable si la chaleur est apportée par l'air.Figure 39b shows a schematic view of a thermoelectric generator according to Figure 39a, provided with a larger heat exchanger, preferable if the heat is provided by the air.
En examinant maintenant plus en détail les figures des dessins, on remarque, sur la figure 34a, que l'échangeur thermique air-air 50 dont il s'agit, utilisé pour la climatisation, est constitué, pour l'essentiel, d'un mille- feuille 51, analogue à celui représenté à la figure 16, disposé entre deux échangeurs à air à ailettes 52 et 53 : l'ensemble étant disposé derrière une double cloison 54, correspondant au niveau du plancher et du plafond du local, munie de grilles 541 et 542 de mise en communication avec ledit local, afin de permettre la libre circulation de l'air sur les ailettes de l'échangeur partie froide 53. L'air extérieur communique par des conduits 551 et 552 avec l'espace situé entre la double cloison 54 et le mille-feuille 51, où il est canalisé par des buses coulissantes 553 et 554 sur les ailettes de l'échangeur partie chaude 52, à contre courant par rapport à l'air intérieur, c'est-à-dire en pénétrant par le conduit inférieur 551 et en ressortant par le conduit supérieur 552. 2 5Now examining the figures in more detail, it can be seen in FIG. 34a that the air-air heat exchanger 50 in question, used for air conditioning, consists essentially of a mille-feuille 51, similar to that shown in FIG. 16, arranged between two finned air exchangers 52 and 53: the assembly being disposed behind a double partition 54, corresponding to the level of the floor and the ceiling of the room, provided with grids 541 and 542 for communication with said room, in order to allow the free circulation of air on the fins of the cold part exchanger 53. The outside air communicates via conduits 551 and 552 with the space between the double partition 54 and the mille-feuille 51, where it is channeled by sliding nozzles 553 and 554 on the fins of the hot part exchanger 52, against the current with respect to the indoor air, that is to say say by entering through the lower duct 551 and re- returning through the upper duct 552. 2 5
Sur la figure 34b, qui correspond à l'utilisation en mode chauffage de l'échangeur thermique air-air 50, représenté à la figure 34a, on remarque que l'adaptation du dit échangeur à cette utilisation s'obtient par simple coulissement, vers le mur 55, des buses coulissantes 553 et 554, afin d'obtenir, sur les ailettes 53 de l'échangeur 50 situées vers le mur 55, une circulation du haut vers le bas de l'air extérieur et, sur les ailettes 52 de l'échangeur 50 situées vers la double cloison 54, une circulation du bas vers le haut de l'air intérieur.In FIG. 34b, which corresponds to the use in heating mode of the air-air heat exchanger 50, represented in FIG. 34a, it is noted that the adaptation of said exchanger to this use is obtained by simple sliding, towards the wall 55, sliding nozzles 553 and 554, in order to obtain, on the fins 53 of the exchanger 50 situated towards the wall 55, a top-to-bottom circulation of the outside air and, on the fins 52 of the exchanger 50 located towards the double partition 54, a circulation from the bottom to the top of the interior air.
Les figures 35a et 35b, qui représentent une application de l'invention à la réfrigération de produits, montrent que, par analogie avec l'échangeur thermique représenté à la figure 16, le refroidissement de l'enceinte d'un réfrigérateur 600, muni d'une porte 601, peut être obtenu par un échangeur thermique air-air à ailettes, constitué d'un mille- feuille 602 disposé entre deux échangeurs à air, dont l'un 603 est situé à l'extérieur et dont l'autre est incrusté dans le fond 604 du réfrigérateur 600.FIGS. 35a and 35b, which represent an application of the invention to the refrigeration of products, show that, by analogy with the heat exchanger shown in FIG. 16, the cooling of the enclosure of a refrigerator 600, provided with a door 601, can be obtained by a finned air-air heat exchanger, consisting of a mille-feuille 602 disposed between two air exchangers, one of which 603 is located outside and the other of which is embedded in the bottom 604 of the refrigerator 600.
Applications spécifiques à l'inventionApplications specific to the invention
En se rapportant aux figures 36a et 36b, donnant une représentation schématique d'une centrale de conversion de la chaleur ambiante en travail, on remarque que le principe de cette conversion consiste à associer une pompe à chaleur 71 à un moteur thermique 72, dans le but de lui faire produire plus de travail que la pompe 71 n'en consomme. La chaleur ambiante, puisée dans l'environnement (nappe phréatique, rivière, fleuve, lac, mer, atmosphère...), fournit l'énergie nécessaire à la production du travail utile. Le moteur fonctionne en 2 6Referring to FIGS. 36a and 36b, giving a schematic representation of a central unit for converting ambient heat into work, it is noted that the principle of this conversion consists in associating a heat pump 71 with a heat engine 72, in the purpose of making it produce more work than the pump 71 consumes. The ambient heat, drawn from the environment (groundwater, river, river, lake, sea, atmosphere ...), provides the energy necessary for the production of useful work. The engine works in 2 6
écoulant de la chaleur de la source chaude 73 vers la source froide 74 (tuyauterie chaude et tuyauterie froide), tout en convertissant une partie en travail, alors que la pompe 71 "remonte" la chaleur de la source froide 74 à la source chaude 73.flowing heat from the hot source 73 to the cold source 74 (hot piping and cold piping), while converting a part into work, while the pump 71 "transfers" the heat from the cold source 74 to the hot source 73 .
Un tel système ne peut fonctionner qu'avec une pompe à chaleur 71 dont le coefficient de performance est supérieur à celui défini par le théorème de Carnot, tel que représenté sur la figure 36b. En effet, tant que les pompes à chaleur étaient soumises à ce coefficient, le couplage d'une telle pompe avec un moteur thermique ne pouvait, au mieux, qu'aboutir à la neutralisation réciproque de leurs effets : la totalité du travail fourni par le moteur étant consommée par la pompe, comme cela apparaît sur le schéma de la figure 36a.Such a system can only operate with a heat pump 71 whose coefficient of performance is higher than that defined by Carnot's theorem, as shown in Figure 36b. Indeed, as long as the heat pumps were subject to this coefficient, the coupling of such a pump with a heat engine could, at best, only lead to the reciprocal neutralization of their effects: the totality of the work provided by the motor being consumed by the pump, as shown in the diagram in Figure 36a.
Par contre, on obtiendrait bien l'effet recherché si le coefficient de performance de la pompe 71 devenait supérieur à celui défini par le théorème de Carnot. Dans le cas où la pompe ne consomme plus d'énergie, tout le travail produit par le moteur 72 peut être libéré. Ce travail résulterait de la conversion de la chaleur ambiante puisée dans l'environnement, comme schématisé sur la figure 36b.On the other hand, the desired effect would be obtained if the coefficient of performance of the pump 71 became higher than that defined by Carnot's theorem. In the case where the pump no longer consumes energy, all the work produced by the motor 72 can be released. This work would result from the conversion of ambient heat drawn from the environment, as shown schematically in Figure 36b.
Le cycle thermodynamique, avec des températures choisies arbitrairement, serait le suivant, en suivant les étapes (a) à (e) :The thermodynamic cycle, with arbitrarily chosen temperatures, would be as follows, following steps (a) to (e):
a) Soit 1 calorie prélevée à la source chaude 73 par l'évaporateur du moteur 72. 2 7a) Or 1 calorie taken from the hot source 73 by the evaporator of the engine 72. 2 7
b) Le moteur convertit une partie de cette calorie en travail (0, 16 calorie maximum).b) The engine converts part of this calorie into work (0.16 calorie maximum).
c) Le reste (0,84 cal. minimum) est déversé par le condenseur à la source froide 74.c) The rest (0.84 cal. minimum) is discharged by the condenser to the cold source 74.
d) Pour maintenir la température de la source froide 74, la pompe à chaleur 71 doit remonter cette quantité de chaleur à la source chaude 73. Si sa consommation énergétique est nulle, toute calorie prélevée à la source froide 74 est rejetée à la source chaude 73, sans plus.d) To maintain the temperature of the cold source 74, the heat pump 71 must raise this quantity of heat to the hot source 73. If its energy consumption is zero, any calorie taken from the cold source 74 is rejected to the hot source 73, nothing more.
e) Au bout du compte, la source chaude 73 est refroidie de 0,16 cal., c'est-à-dire la quantité de chaleur convertie en travail. On la réchauffe donc en prélevant de la chaleur dans l'environnement, au moyen d'une pompe à chaleur auxiliaire 75, puisque l'environnement est plus froid que la source chaude 73.e) Ultimately, the hot source 73 is cooled by 0.16 cal., that is, the amount of heat converted into work. It is therefore heated by taking heat from the environment, by means of an auxiliary heat pump 75, since the environment is cooler than the hot source 73.
Selon ce principe, la conception et le fonctionnement de la centrale de conversion de la chaleur ambiante en travail seraient les suivants, en reprenant les étapes (a) à (e) déjà utilisées ci-dessus et en se rapportant au schéma de la figure 37 :According to this principle, the design and operation of the ambient heat conversion plant to work would be as follows, repeating steps (a) to (e) already used above and referring to the diagram in Figure 37 :
a) Le fluide de travail, généralement de l'ammoniaque, arrive dans l'évaporateur 76, où il prélève de la chaleur à la source chaude 73. Le fluide chaud subit donc un refroidissement de quelques degrés (les plaques chaudes de la pompe à chaleur 71 pourraient jouer directement le rôle d'évaporateur 76. De même, les plaques froides de ladite pompe à chaleur 71 pourraient jouer le rôle de condenseur). 2 8a) The working fluid, generally ammonia, arrives in the evaporator 76, where it takes heat from the hot source 73. The hot fluid therefore undergoes a cooling of a few degrees (the hot plates of the pump to heat 71 could directly play the role of evaporator 76. Similarly, the cold plates of said heat pump 71 could play the role of condenser). 2 8
b) La vapeur d'ammoniac arrive dans la turbine faisant office de moteur 72, où elle se détend en produisant un travail, dont la valeur dépend de l'écart de température entre la source chaude 73 et la source froide 74.b) The ammonia vapor arrives in the turbine acting as an engine 72, where it expands producing a job, the value of which depends on the temperature difference between the hot source 73 and the cold source 74.
c) La vapeur pénètre dans le condenseur 77, où elle cède de la chaleur à la source froide 74. Le fluide froid subit donc un réchauffement. L'ammoniaque, devenu liquide, est pompé et remis sous pression par une pompe 721, puis il effectue un nouveau cycle.c) The steam enters the condenser 77, where it transfers heat to the cold source 74. The cold fluid therefore undergoes heating. The ammonia, which has become liquid, is pumped and pressurized by a 721 pump, then it performs a new cycle.
d) Pour maintenir la température de la source froide 74, la pompe à chaleur 71 doit "remonter" la chaleur écoulée par le moteur 72. Grâce à son coefficient de performance élevé, elle peut le faire en utilisant qu'une petite partie du travail fourni par le moteur 72.d) To maintain the temperature of the cold source 74, the heat pump 71 must "raise" the heat flowing by the motor 72. Thanks to its high coefficient of performance, it can do this using only a small part of the work supplied by motor 72.
e) Le rôle de la pompe à chaleur auxiliaire 75 est de prélever de la chaleur dans l'environnement, c'est-à-dire l'énergie qui est convertie en travail, pour l'introduire à la source chaude 73. Mais, on pourrait aussi réchauffer directement la source froide 74 au moyen d'un simple échangeur thermique, selon la configuration de la figure 38.e) The role of the auxiliary heat pump 75 is to take heat from the environment, that is to say the energy which is converted into work, to introduce it to the hot source 73. But, one could also directly heat the cold source 74 by means of a simple heat exchanger, according to the configuration of FIG. 38.
La puissance rendue disponible de cette manière est la suivante :The power made available in this way is as follows:
Chaque calorie prélevée dans l'environnement est intégralement convertie en travail. S'il s'agit d'un cours d'eau, chaque gramme d'eau débité et refroidi d' l°C fournirait 4, 18 joules (4, 18 MW/m3/s). Une centrale qui 2 9Each calorie taken from the environment is fully converted into work. If it is a watercourse, each gram of water discharged and cooled by 1 ° C would provide 4.18 joules (4.18 MW / m 3 / s). A plant that 2 9
refroidirait de 1 °C toute l'eau débitée par le Rhin donnerait 9196 MW en moyenne (débit moyen : 2200 m /s), le Rhône 7106 MW, la Loire 3300 MW, la Seine 1567 MW, la Garonne 836MW.cooling all the water discharged by the Rhine by 1 ° C would give an average of 9,196 MW (average flow: 2,200 m / s), the Rhône 7,106 MW, the Loire 3,300 MW, the Seine 1,567 MW, the Garonne 836MW.
Si l'on applique la centrale de conversion selon la figure 38, à la production d'énergie et d'eau douce à partir de l'eau de mer, en respectant toujours les étapes (a) à (e) définies plus haut et comme représenté à la figure 38, on constate que le principe est le même que pour la production d'énergie seule, excepté que le fluide de travail utilisé dans la machine thermique est, cette fois-ci, de l'eau de mer, avec production d'eau douce au condenseur 77. Cette possibilité a déjà été appliquée en Energie Thermique des Mers (Procédé Georges Claude), mais il fallait alors disposer d'une source chaude et d'une source froide, cette dernière étant réalisée par le réservoir d'eau froide et profonde des mers tropicales, tandis que l'eau de la surface constituait la source chaude. Dans le cas présent, une seule source suffit et toutes les mers peuvent convenir.If we apply the conversion plant according to figure 38, to the production of energy and fresh water from sea water, always respecting the steps (a) to (e) defined above and as shown in Figure 38, we see that the principle is the same as for the production of energy alone, except that the working fluid used in the thermal machine is, this time, sea water, with production of fresh water at condenser 77. This possibility has already been applied in Thermal Energy of the Seas (Georges Claude Process), but it was then necessary to have a hot source and a cold source, the latter being produced by the reservoir cold and deep water from tropical seas, while surface water was the hot spring. In the present case, a single source is sufficient and all the seas can be suitable.
La conception et le fonctionnement de la centrale sont alors les suivants :The design and operation of the plant are as follows:
a) Une partie de l'eau, destinée à réchauffer la source froidea) Part of the water, intended to heat the cold source
74, est divisée par une pompe 78 vers l'évaporateur 76, où elle est réchauffée à la température de la source chaude 73.74, is divided by a pump 78 to the evaporator 76, where it is heated to the temperature of the hot source 73.
b) Sous l'effet de la chaleur et de la dépressionb) Under the effect of heat and depression
(l'évaporateur 76 et le condenseur 77 sont à 10 m au- dessus du niveau de la mer), l'eau s'évapore. Pour éviter la 3 0(the evaporator 76 and the condenser 77 are 10 m above sea level), the water evaporates. To avoid the 30
formation de sel, on prévoit un retour d'eau salée 79 à débit modéré.salt formation, a salt water return 79 is provided at a moderate flow rate.
c) La vapeur d'eau passe dans la turbine 72, où elle se détend en produisant un travail. Puis elle pénètre dans le condenseur 77 et se liquéfie en eau douce à la température de la source froide 74, entre 0 et 5°C.c) The water vapor passes through the turbine 72, where it expands producing a job. Then it enters the condenser 77 and liquefies in fresh water at the temperature of the cold source 74, between 0 and 5 ° C.
d) Comme dans la configuration où on ne produit que de l'énergie, le système doit s'alimenter en chaleur prélevée dans l'environnement pour produire du travail. Dans le cas présent, l'eau de mer n'étant que légèrement plus chaude que la source froide 74, on peut réchauffer directement la source froide 74 au moyen d'un simple échangeur thermique, ce qui évite la pompe à chaleur auxiliaire.d) As in the configuration where only energy is produced, the system must be supplied with heat taken from the environment to produce work. In the present case, the sea water being only slightly hotter than the cold source 74, the cold source 74 can be directly heated directly by means of a simple heat exchanger, which avoids the auxiliary heat pump.
En examinant maintenant les figures 39a et 39b, illustrant la description d'un générateur thermoélectrique réalisé selon l'invention, on remarque que le principe consiste à interposer un élément thermoélectrique 91 entre la plaque chaude et la plaque froide de deux mille-feuilles voisins 92, l'élément thermoélectrique 91 remplaçant la turbine 72 et le générateur 70 de la centrale thermodynamique. La disposition alternée de mille-feuilles 92 et d'éléments thermoélectriques 91 permet une circulation homogène et constante de la chaleur, comme indiqué sur les schémas des figures 39a et 39b. En effet, contrairement à la centrale thermodynamique, où la chaleur de deux mille-feuilles juxtaposés devrait converger vers la tuyauterie chaude, ici les mille-feuilles 92 sont tous disposés dans le même sens, pour faire circuler la chaleur dans le même sens. Les éléments thermoélectriques 91 laissent la chaleur s'écouler 3 1Now examining FIGS. 39a and 39b, illustrating the description of a thermoelectric generator produced according to the invention, it can be seen that the principle consists in interposing a thermoelectric element 91 between the hot plate and the cold plate of two neighboring mille-feuilles 92 , the thermoelectric element 91 replacing the turbine 72 and the generator 70 of the thermodynamic power plant. The alternating arrangement of mille-feuilles 92 and thermoelectric elements 91 allows a homogeneous and constant circulation of heat, as indicated in the diagrams of FIGS. 39a and 39b. Indeed, unlike the thermodynamic power plant, where the heat of two juxtaposed mille-feuilles should converge on the hot piping, here the mille-feuilles 92 are all arranged in the same direction, to circulate the heat in the same direction. Thermoelectric elements 91 allow heat to flow 3 1
de la partie chaude vers la partie froide, en convertissant une petite partie en courant électrique, tandis que les mille- feuilles 92 "remontent" cette chaleur de la partie froide vers la partie chaude. Ils recyclent donc la chaleur écoulée dans les éléments thermoélectriques 91, pour la convertir intégralement en travail (électricité).from the hot part to the cold part, by converting a small part into electric current, while the mille-feuilles 92 "transfer" this heat from the cold part to the hot part. They therefore recycle the heat passed through the thermoelectric elements 91, to convert it entirely into work (electricity).
Un tel générateur thermoélectrique fonctionne comme suit :Such a thermoelectric generator works as follows:
1) A l'aide d'un générateur de tension non représenté, on met en marche les mille-feuilles 92. La plaque chaude de chaque mille-feuille 92 se réchauffe et la plaque froide se refroidit. Pendant ce temps, la chaleur commence à s'écouler dans les éléments thermoélectriques 91, selon un courant de plus en plus intense, ce qui produit de l'électricité.1) Using a voltage generator, not shown, the mille-feuilles 92 are started up. The hot plate of each mille-feuille 92 is heated and the cold plate is cooled. During this time, the heat begins to flow in the thermoelectric elements 91, in an increasingly intense current, which produces electricity.
2) Les mille-feuilles 92 recyclent la chaleur écoulée dans les éléments thermoélectriques 91, mais, comme une partie est convertie en électricité, le système aurait tendance à se refroidir, d'où l'introduction de plaques métalliques 93 soudées à l'échangeur thermique 94 et coincées au milieu de chaque mille-feuille 92, dont le rôle est d'alimenter le système en chaleur ambiante prélevée par l'échangeur thermique 94.2) The mille-feuilles 92 recycle the heat passed through the thermoelectric elements 91, but, as a part is converted into electricity, the system would tend to cool, hence the introduction of metal plates 93 welded to the exchanger thermal 94 and wedged in the middle of each mille-feuille 92, the role of which is to supply the system with ambient heat taken by the heat exchanger 94.
Cette chaleur peut être apportée par un fluide (air, eau ...), ou bien un gaz en combustion, un rayonnement, la désintégration de radio-isotopes, comme dans les convertisseurs thermoélectriques actuels, ou encore par simple conduction thermique avec un solide supportant l'appareil (ex = terre). 3 2This heat can be provided by a fluid (air, water, etc.), or by a combustion gas, radiation, the disintegration of radioisotopes, as in current thermoelectric converters, or even by simple thermal conduction with a solid. supporting the device (ex = earth). 3 2
Le générateur convertit intégralement la chaleur en électricité, ce qui peut représenter un avantage con sidérabl e par rapport aux générateurs thermoélectriques actuels, qui, eux, n'en convertissent qu'une petite partie et dissipent une importante quantité de chaleur.The generator fully converts the heat into electricity, which can represent a considerable advantage compared to current thermoelectric generators, which convert only a small part and dissipate a large amount of heat.
Applications : générateur pour satellite, station isolée, balise, bouée, météorologie. D'autres applications peuvent être envisagées pour des dispositifs électriques fonctionnant actuellement avec une batterie ou une pile.Applications: generator for satellite, isolated station, beacon, buoy, meteorology. Other applications can be envisaged for electrical devices currently operating with a battery or a cell.
Outre les applications de conversion ci-dessus décrites, exclusivement réservées à l'invention et représentées par les figures 37, 38 et 39, on peut également citer toutes les applications traditionnelles des pompes à chaleur, dont l'intérêt serait fortement accru par un coefficient de performance élevé :In addition to the conversion applications described above, exclusively reserved for the invention and represented by FIGS. 37, 38 and 39, one can also cite all the traditional applications of heat pumps, the benefit of which would be greatly increased by a coefficient high performance:
1) Les applications impliquant un échange thermique avec l 'environnement (atmosphère, nappe phréatique, rivière...):1) Applications involving heat exchange with the environment (atmosphere, water table, river ...):
- Chauffage et climatisation des logements collectifs et individuels, des hôpitaux, hôtels, écoles, salles de spectacle et bureaux.- Heating and air conditioning of collective and individual housing, hospitals, hotels, schools, performance halls and offices.
- Chauffe-eau, chauffage des piscines, de vendanges, de serres, du sol pour la culture de champignons, de l'eau pour la pisciculture.- Water heaters, heating of swimming pools, grape harvests, greenhouses, soil for growing mushrooms, water for fish farming.
- Réfrigérateurs. - Machines frigorifiques pour la conserverie et les industries agro-alimentaires, ainsi que pour la climatisation des hangars portuaires. 3 3- Refrigerators. - Refrigerating machines for the canning industry and the food industry, as well as for the air conditioning of port sheds. 3 3
2) Les applications de recyclage de la chaleur, sans échange thermique avec l'environnement :2) Heat recycling applications, without heat exchange with the environment:
- Séchage de peaux, salaisons, bois, papier, céréales (maïs; orge).- Drying of skins, saltings, wood, paper, cereals (corn; barley).
- Evaporation pour la concentration de solutions aqueuses dans l'industrie agro-alimentaire, la papeterie et l'industrie chimique.- Evaporation for the concentration of aqueous solutions in the food industry, stationery and chemical industry.
- Dessalage d'eau de mer.- Desalination of sea water.
3) D'autres applications de même nature, sous réserve que le procédé soit capable de fournir une source chaude jusqu'à 120° :3) Other applications of the same nature, provided that the process is capable of providing a hot source up to 120 °:
- Raffinage du pétrole.- Oil refinery.
- Fabrication du papier.- Paper making.
- Industrie agro-alimentaire.- Food industry.
- Distillerie des alcools.- Alcohol distillery.
II est exposé ci-après une technique expérimentale permettant de vérifier que le but poursuivi par l'invention est bien atteint, à savoir un transfert de chaleur entre deux plaques telles qu'elles sont décrites schématiquement à la figure 13. Le démonstrateur utilisé pour cette expérimentation comporte, selon un mode de réalisation représenté à la figure 40a : une plaque métallique épaisseAn experimental technique is set out below making it possible to verify that the object pursued by the invention has been achieved, namely a heat transfer between two plates as described schematically in FIG. 13. The demonstrator used for this experimentation includes, according to an embodiment shown in Figure 40a: a thick metal plate
101, constituant la plaque chaude dite électrostatique recouverte d'un diélectrique polarisé en surface comme un électret au moyen d'un canon électronique ou ionique, et gravé sur toute son épaisseur pour obtenir une microgrille101, constituting the so-called electrostatic hot plate covered with a dielectric polarized on the surface like an electret by means of an electronic or ionic gun, and etched over its entire thickness to obtain a microgrid
12. Ce diélectrique polarisable (PP, PTFE ou autre) sera déposé de préférence sur une feuille mince de silicium12. This polarizable dielectric (PP, PTFE or other) will preferably be deposited on a thin sheet of silicon
102, lequel bénéficie d'avantages reconnus par rapport à 3 4102, which enjoys recognized advantages over 3 4
rapport à un métal ; une plaque métallique fine 201 avec ajustement de la distance par rapport à la plaque épaisse 101 au moyen de vis en plastique 202 et 203, puis enfin une sonde thermique 204.compared to a metal; a thin metal plate 201 with adjustment of the distance relative to the thick plate 101 by means of plastic screws 202 and 203, then finally a thermal probe 204.
Préférentiellement, la plaque métallique épaisse a une épaisseur de 20 à 30mm, les plots carrés de la microgrille 12 ont une largeur de 1 à 3 microns, de même que les trous disposés en alternance, ce qui doit faire ressembler la microgrille, vue de dessus, à un damier. La plaque métallique fine 201, épaisse de 2 à 3mm, est séparée de la plaque épaisse 101 d'une distance réduite au minimum de 0,1 à 0,2mm. Le champ électrique E dans les trous de la microgrille doit être compris entre 5 x 10^ et lO^V/m (500 à 1000 KV/mm).Preferably, the thick metal plate has a thickness of 20 to 30mm, the square studs of the microgrid 12 have a width of 1 to 3 microns, as well as the holes arranged alternately, which should make the microgrid look like, seen from above. , to a checkerboard. The thin metal plate 201, 2 to 3 mm thick, is separated from the thick plate 101 by a distance reduced to a minimum of 0.1 to 0.2 mm. The electric field E in the holes of the microgrid must be between 5 x 10 ^ and 10 ^ V / m (500 to 1000 KV / mm).
L'épaisseur de la plaque épaisse 101 est destinée à lui procurer, pendant l'expérimentation, une inertie de température, c'est-à-dire un très faible réchauffement permettant de mesurer plus facilement le refroidissement de la plaque fine 201.The thickness of the thick plate 101 is intended to give it, during the experiment, a temperature inertia, that is to say a very low heating allowing the cooling of the thin plate 201 to be more easily measured.
En effet, il est préférable de mesurer le refroidissement de la plaque fine 201 afin de bien mettre en évidence le transfert de chaleur entre les deux plaques, plutôt que le réchauffement de la plaque chaude, qui pourrait être interprété de diverses façons, sans que soit forcément retenue la conclusion recherchée.Indeed, it is preferable to measure the cooling of the thin plate 201 in order to clearly highlight the heat transfer between the two plates, rather than the heating of the hot plate, which could be interpreted in various ways, without being necessarily retained the desired conclusion.
En se reportant maintenant à la figure 40b se rapportant à l'appareillage et à l'expérimentation, on remarque que le démonstrateur représenté à la figure 40a a été introduit dans une enceinte 80 étanche équipée d'un socle 81, d'une potence 82 supportant un canon électronique 83 3 5Referring now to FIG. 40b relating to the apparatus and to the experimentation, it is noted that the demonstrator shown in FIG. 40a has been introduced into a sealed enclosure 80 fitted with a base 81, a bracket 82 supporting an electronic gun 83 3 5
relié à un générateur de tension 830 externe, d'un montant 84 supportant un treuil 840 entraîné par un moteur 841, à commande externe 842, d'un câble 843, reliant le treuil 840 à un anneau 205 fixe, sur le dessus de la plaque métallique fine 201 du démonstrateur, d'un thermomètre externe 85 relié à la sonde thermique 204 du démonstrateur.connected to an external voltage generator 830, of an upright 84 supporting a winch 840 driven by a motor 841, with external control 842, of a cable 843, connecting the winch 840 to a fixed ring 205, on the top of the thin metal plate 201 of the demonstrator, of an external thermometer 85 connected to the thermal probe 204 of the demonstrator.
La plaque métallique fine 201 est reliée à un électromètre 206 comportant un condensateur 207 et un voltmètre 208 .The thin metal plate 201 is connected to an electrometer 206 comprising a capacitor 207 and a voltmeter 208.
L'enceinte 80 est reliée, par l'intermédiaire d'une tuyauterie, à une pompe à vide 86, à une bouteille de gaz comprimée 87 et à un manomètre 88. Le gaz est choisi en fonction de sa polarisabilité ou susceptibilité diélectrique, car d'elle dépend l'accélération des molécules, lorsqu'elles parviennent dans les trous de la microgrille 12, et de sa rigidité diélectrique, suffisamment élevée de façon à éviter un claquage dans le gaz.The enclosure 80 is connected, by means of a pipe, to a vacuum pump 86, to a compressed gas cylinder 87 and to a pressure gauge 88. The gas is chosen according to its polarizability or dielectric susceptibility, because it depends on the acceleration of the molecules, when they reach the holes of the microgrid 12, and on its dielectric strength, sufficiently high so as to avoid breakdown in the gas.
Il importe de faire remarquer à ce sujet que la rigidité diélectrique du gaz, pour les très faibles distances interélectrodes (dans les trous de la microgrille 12) ne peut plus se déduire des courbes de Paschen, mais ne dépend que de l'émission électronique de champ à partir de la cathode ; hors l'immobilité des charges négatives piégées dans le diélectrique polarisable constitue le meilleur atout pour résoudre le problème posé par le champ très élevé régnant dans les trous de la microgrille 12. Concernant la pression, il apparaît, d'après les courbes de Paschen, que l'on puisse réaliser l'expérience sous une pression de 1 bar ou bien de 10-2 bar, la pression intermédiaire induisant un potentiel 3 6It is important to note on this subject that the dielectric rigidity of the gas, for very short interelectrode distances (in the holes of the microgrid 12) can no longer be deduced from the Paschen curves, but depends only on the electronic emission of field from the cathode; apart from the immobility of the negative charges trapped in the polarizable dielectric constitutes the best asset for solving the problem posed by the very high field prevailing in the holes of the microgrid 12. With regard to the pressure, it appears, from the Paschen curves, that the experiment can be carried out under a pressure of 1 bar or else 10-2 bar, the intermediate pressure inducing a potential 3 6
disruptif trop bas pour la lame de gaz de 0,1mm séparant les plaques 101 et 201 ; mais dans ce cas, le risque de claquage est beaucoup moins grand avec le diélectrique polarisé jouant le rôle de cathode . En introduisant le gaz dans l'enceinte 80, on doit normalement constater un refroidissement de la plaque métallique fine 201, la différence de température constatée étant proportionnelle au carré du champ électrique dans les trous de la microgrille 12, ce qui doit subsister tant que la plaque est chargée. Il est donc possible de vérifier ce principe pour différents niveaux de charge et mesurer la vitesse de refroidissement de manière à déduire la puissance de transfert thermique.disruptive too low for the 0.1mm gas gap separating plates 101 and 201; but in this case, the risk of breakdown is much less with the polarized dielectric playing the role of cathode. By introducing the gas into the enclosure 80, the thin metallic plate 201 should normally be observed to cool, the temperature difference observed being proportional to the square of the electric field in the holes of the microgrid 12, which must remain as long as the plate is loaded. It is therefore possible to verify this principle for different load levels and measure the cooling rate so as to deduce the heat transfer power.
Le démonstrateur étant mis en place dans l'enceinte 80, la plaque métallique fine 201 étant relevée et disposée à la verticale contre le montant 84 par l'intermédiaire du treuil 840, la plaque épaisse 101, dite électrostatique est chargée au niveau voulu, par balayage avec le canon électronique 83 (ou ionique) dont le rôle est d'éliminer les charges superficielles positives qui neutralisent les charges négatives piégées dans le diélectrique polarisable. Cette opération doit être effectuée en maintenant dans l'enceinte 80, un vide poussé de manière à ce que les électrons (ou les ions) conservent leur énergie cinétique pour atteindre la surface du diélectrique, laquelle repousse les électrons (ou les ions) dans les trous de la microgrille 12 au fur et à mesure qu'elle se charge.The demonstrator being placed in the enclosure 80, the thin metal plate 201 being raised and placed vertically against the upright 84 by means of the winch 840, the thick plate 101, called electrostatic, is charged to the desired level, by scanning with the electronic gun 83 (or ionic) whose role is to eliminate the positive surface charges which neutralize the negative charges trapped in the polarizable dielectric. This operation must be carried out by maintaining in the enclosure 80, a high vacuum so that the electrons (or the ions) conserve their kinetic energy to reach the surface of the dielectric, which repels the electrons (or the ions) in the holes of the microgrid 12 as it loads.
Par l'intermédiaire de l' électromètre 206, il est possible de mesurer la charge de la plaque épaisse électrostatique 101. Si l'on soulève la plaque métallique fine 201 à l'aide du treuil 840 alors que la plaque métallique épaisse 101 est 3 7By means of the electrometer 206, it is possible to measure the charge of the thick electrostatic plate 101. If the thin metal plate 201 is lifted using the winch 840 while the thick metal plate 101 is 3 7
supposée chargée, la masse ayant été préalablement déconnectée par l'interrupteur 209, on doit détecter une élévation de tension de la plaque métallique fine 201 correspondant à la charge positive qu'elle détenait par influence lorsqu'elle reposait par l'intermédiaire des vis de réglage 202, 203 sur la plaque métallique épaisse 101. assumed to be charged, the mass having been previously disconnected by the switch 209, it is necessary to detect an increase in voltage of the thin metal plate 201 corresponding to the positive charge which it held by influence when it rested by means of the screws. setting 202, 203 on the thick metal plate 101.

Claims

3 8REVENDICATIONS 3 8 CLAIMS
1. Procédé de pompe à chaleur entre deux plaques rapprochées, de températures différentes, séparées par un gaz, de la plaque froide (B) à la plaque chaude (A), caractérisé en ce qu'il consiste à créer un champ électrique à la surface de la plaque chaude (A), dite "électrostatique", afin que celle-ci attire les molécules de gaz comme dans un champ de pesanteur, capable d'augmenter l'énergie cinétique (Ec) de chaque molécule et, par conséquent, la température du gaz à la surface de la plaque (A), pour faire céder, aux molécules, de l'énergie sur cette plaque par accommodation thermique.1. A heat pump method between two closely spaced plates, of different temperatures, separated by a gas, from the cold plate (B) to the hot plate (A), characterized in that it consists in creating an electric field at the surface of the hot plate (A), called "electrostatic", so that it attracts gas molecules as in a gravity field, capable of increasing the kinetic energy (Ec) of each molecule and, consequently, the temperature of the gas on the surface of the plate (A), to cause the molecules to yield energy to this plate by thermal accommodation.
2. Procédé de pompe à chaleur selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la polarisation électrostatique du gaz dans le champ électrique et l'augmentation de l'énergie cinétique des molécules qui en découle permettent un écoulement spontané de la chaleur, comme entre deux plaques ordinaires, de températures différentes, mais de la plaque froide (B) vers la plaque chaude électrostatique (A), dans la limite d'une différence de température, qui est fonction de l'énergie de polarisation des molécules. On entend par écoulement spontané, le fait qu'il n'y a plus d'énergie nécessairement consommée.2. Heat pump method according to claim 1, characterized in that the electrostatic polarization of the gas in the electric field and the increase in the kinetic energy of the molecules which results therefrom allow a spontaneous flow of heat, as between two ordinary plates, of different temperatures, but from the cold plate (B) to the electrostatic hot plate (A), within the limit of a temperature difference, which is a function of the polarization energy of the molecules. By spontaneous flow is meant the fact that there is no longer any energy necessarily consumed.
3. Dispositif permettant l'application du procédé selon les revendications 1 et 2 ci-dessus, caractérisé en ce qu'il est constitué d'une plaque métallique froide (20) et d'une plaque métallique chaude (10), laquelle est recouverte d'un diélectrique (11) et d'une grille (12), séparée de la plaque 3 93. Device for applying the method according to claims 1 and 2 above, characterized in that it consists of a cold metal plate (20) and a hot metal plate (10), which is covered a dielectric (11) and a grid (12), separated from the plate 3 9
métallique froide (20) par des plots isolants ( 13) et par le gaz choisi, la plaque métallique chaude (10) et la grille (12) étant reliées, chacune, à une borne opposée d'un générateur de tension continue.metallic cold (20) by insulating pads (13) and by the chosen gas, the hot metallic plate (10) and the grid (12) being each connected to an opposite terminal of a DC voltage generator.
4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il est constitué d'une pile de plaques élémentaires (10) contenues dans une enceinte (15), de manière à augmenter la différence de température entre la source froide et la source chaude.4. Device according to claim 3, characterized in that it consists of a stack of elementary plates (10) contained in an enclosure (15), so as to increase the temperature difference between the cold source and the hot source .
5. Application du procédé selon les revendications 1 et 2 et du dispositif selon les revendications 3 et 4, au conditionnement de l'air de locaux.5. Application of the method according to claims 1 and 2 and of the device according to claims 3 and 4, to the conditioning of the air of premises.
6. Application du procédé selon les revendications 1 et 2 et du dispositif selon les revendications 3 et 4, à la conversion de la chaleur ambiante en travail.6. Application of the method according to claims 1 and 2 and of the device according to claims 3 and 4, to the conversion of ambient heat into work.
7. Application du procédé selon les revendications 1 et 2 et du dispositif selon les revendications 3 et 4, à une centrale de production d'énergie et d'eau douce à partir de l'eau de mer.7. Application of the method according to claims 1 and 2 and of the device according to claims 3 and 4, to a power plant for producing energy and fresh water from sea water.
8. Application du procédé selon les revendications 1 et 2 et du dispositif selon les revendications 3 et 4, à un générateur thermoélectrique. 8. Application of the method according to claims 1 and 2 and of the device according to claims 3 and 4, to a thermoelectric generator.
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