WO2002057612A1 - Groupe electrogene a mouvement lineaire alternatif a base de moteur stirling, et procede mis en oeuvre dans ce groupe electrogene - Google Patents

Groupe electrogene a mouvement lineaire alternatif a base de moteur stirling, et procede mis en oeuvre dans ce groupe electrogene Download PDF

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WO2002057612A1
WO2002057612A1 PCT/FR2002/000173 FR0200173W WO02057612A1 WO 2002057612 A1 WO2002057612 A1 WO 2002057612A1 FR 0200173 W FR0200173 W FR 0200173W WO 02057612 A1 WO02057612 A1 WO 02057612A1
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piston
displacers
chamber
generator set
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PCT/FR2002/000173
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Pierre Francois
Laurent Prevond
Georges Descombes
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Conservatoire National Des Arts Et Metiers (Cnam)
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G1/00—Hot gas positive-displacement engine plants
    • F02G1/04—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type
    • F02G1/043—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type the engine being operated by expansion and contraction of a mass of working gas which is heated and cooled in one of a plurality of constantly communicating expansible chambers, e.g. Stirling cycle type engines
    • F02G1/0435—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type the engine being operated by expansion and contraction of a mass of working gas which is heated and cooled in one of a plurality of constantly communicating expansible chambers, e.g. Stirling cycle type engines the engine being of the free piston type
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G2243/00—Stirling type engines having closed regenerative thermodynamic cycles with flow controlled by volume changes
    • F02G2243/02—Stirling type engines having closed regenerative thermodynamic cycles with flow controlled by volume changes having pistons and displacers in the same cylinder
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G2280/00—Output delivery
    • F02G2280/10—Linear generators

Definitions

  • the present invention relates to a generator with alternating linear movement based on a Stirling engine. It also relates to a process implemented in this generator.
  • the Stirling engine comprises a piston-cylinder assembly containing a working fluid.
  • the fluid is brought into contact with a hot source and a cold source.
  • a displacer transfers the fluid to the cold source so that the pressure drops.
  • the working piston compresses the fluid.
  • the cycle can then start again. We can then use the reciprocating linear movement operated by the piston to produce electricity in autonomous mode.
  • the document FR2510181 describes a generator comprising a Stirling engine composed of a piston and a displacer. One end of the piston is connected to the closed chamber of the engine by means of a spring element. The electromagnetic elements are arranged on the piston and inside the chamber.
  • This document discloses also a Stirling engine composed of two opposing pistons enclosed in a first chamber, and a displacer enclosed in a second chamber, the two chambers communicating by means of a conduit which allows the flow of the working fluid between these two chambers.
  • the device taught in this document does not allow operation close to the Stirling cycle.
  • the spring elements used to secure the pistons weaken the device, and the heads of the pistons must be provided with shock absorbers in order to avoid a collision between them.
  • the present invention aims to remedy the aforementioned drawbacks by proposing a generator in which the engine element is composed of a Stirling type thermal engine and the generator element of an electromagnetic assembly, the moving part of which is constituted by the piston and the displacer of the Stirling engine.
  • An object of the present invention is the production of an autonomous generator capable of being installed in an electric vehicle for example while guaranteeing energy savings compared to current electrical systems, robustness and certain cleanliness.
  • Another object of the invention is the production of a generator capable of producing a wide range of powers, from a few watts to a few thousand kilowatts.
  • This generator set includes at least one piston in reciprocating linear motion to produce electrical energy by electromagnetic coupling with fixed magnetic elements.
  • the generator set further comprises at least two displacers arranged in a chamber common to the piston so that the displacer-piston assembly constitutes two Stirling type engines operating in opposition.
  • the thermal part consists of the piston and the displacers working in opposition.
  • the "motor" time of one corresponds to the "resistant” time of the other.
  • the equivalent of two opposing Stirling engines is obtained.
  • the fact of grouping in a single chamber the piston and the displacers increases the robustness of the device.
  • the chamber is a completely closed enclosure without joints.
  • the working fluid, such as helium, contained in this chamber can therefore be subjected to significant pressures, favorable to the overall efficiency of the generator set and to its specific power.
  • the envelope of this chamber is permeable to the magnetic field, it withstands high pressures, for example 80 bars, as well as maximum engine temperatures which can reach 650 ° C.
  • the design of this engine is such that it allows operation without periodic maintenance, the only moving parts, pistons and displacers that can be greased for life.
  • the assembly composed of the piston and the fixed magnetic elements constitutes an asynchronous generator.
  • asynchronous generator any type of synchronous or asynchronous electric generator, with variable reluctance, with permanent magnets or with flow switching, can be used.
  • the electrical part is completely integrated into the thermal part.
  • the magnetic elements can be arranged along the chamber so that the reciprocating linear movement of the displacers also contributes to the production of electrical energy.
  • the piston and the displacers are the rotors of the electric generator.
  • the two displacers can be rigidly linked. But, preferably, they are independent with respect to each other, this makes it possible to operate the engine according to the theoretical Stirling cycle. According to an advantageous characteristic of the invention, the two displacers are free in movement with respect to the chamber, unlike the systems of the prior art in which return springs are used.
  • the generator set according to the invention may further comprise electromagnetic means integral with the chamber for controlling the movement of the displacers by electromagnetic coupling.
  • the displacers being thus controlled like actuators, one can generate a thermal cycle very close to the theoretical Stirling cycle.
  • the piloting can be done by half of the race on each of the displacers, otherwise, the piloting is done over the entire race of each of them.
  • the electromagnetic means can be arranged inside or outside the chamber.
  • the generator set further comprises a second piston, the two pistons thus obtained being rigidly connected and arranged on either side of the two displacers.
  • This arrangement makes it possible to have a double electric generator arranged towards the ends of the engine, for example in the form of a cylinder, in zones which are easy to cool.
  • heating means for supplying heat to the Stirling engine are arranged on a central zone of the cylinder.
  • each piston can comprise a plurality of concentric hollow cylinders connected to one another by one end. These cylinders are intended to slide in other concentric hollow cylinders provided with fixed magnetic elements and arranged inside the chamber.
  • pistons are made of conductive non-magnetic material such as aluminum or other alloy. With an asynchronous type generator, the pistons are the seat of induced currents and undergo a radial force of repulsion over their entire surface, which allows them to be lifted during a displacement.
  • the generator set may include a Stirling engine, for example in the form of a cylinder, such that heating means for supplying heat to this engine are arranged on the bases of the cylinder, at the ends.
  • cooling means can be arranged outside the chamber or else consist of a circulation of a fluid in tubes passing through this chamber.
  • the travel of the displacers is substantially double the travel of the piston.
  • other more important reports can be envisaged.
  • a method for converting thermal energy into electrical energy by means of a generator.
  • two displacers are piloted arranged in a chamber forming a Stirling heat engine and comprising at least one piston so that the displacer-piston assembly functions as two Stirling engines in opposition.
  • a phase shift substantially equal to forty five degrees in the relative movement between the displacers and the piston.
  • the displacers are capable of regenerating the working fluid contained in the chamber in order to allow the exchange of heat.
  • the very body of the displacers plays the role of regenerator.
  • FIG. 1 is a view in structural section of a generator set according to the invention produced according to a type A structure in which the heat is supplied to the ends of the engine and the displacers are on each side of the piston;
  • Figure 2 is a structural sectional view of a generator set according to the invention produced according to a type B structure in which the heat is supplied to the center of a two-piston engine;
  • FIG. 3 is a view in structural section of a generator set according to the invention produced according to a type C structure in which the engine comprises two concentric envelopes, the piston being in the form of an I;
  • FIG. 1 is a view in structural section of a generator set according to the invention produced according to a type A structure in which the heat is supplied to the ends of the engine and the displacers are on each side of the piston;
  • Figure 2 is a structural sectional view of a generator set according to the invention produced according to a type B structure in which the heat is supplied to the center of a two-piston engine;
  • FIG. 4 is a view in structural section of a generator set according to the invention produced according to a type D structure in which the engine comprises two concentric cylinders;
  • Figure 5 is a structural sectional view of a generator set according to the invention produced according to a type E structure with heat input to the center of the engine;
  • - Figure 6 is a structural sectional view of a generator set according to structure E;
  • Figure 7 is a detailed sectional view of a piston for an E-type structure;
  • FIG. 8 is a view in radial section at the level of the pistons of the structure shown in FIG. 7.
  • the type A structure illustrated in FIG. 1 comprises a working chamber 9 in cylindrical shape of circular or square section.
  • the engine element of the generator set is composed on the one hand of a piston 1 of cylindrical shape and perforated in its center, and on the other hand of two displacers 2 and 3 in cylindrical shape connected together by rigid means 11. This means is capable of sliding in the hole of the piston 1.
  • the displacers 2 and 3 are arranged on either side of the piston 1.
  • the piston and displacers are enclosed in chamber 9 so that the volume remaining in this chamber is filled with a fluid 8 such as helium.
  • the engine element is equivalent to two opposing Stirling engines, the heat inputs 10 of which are made at the ends.
  • Cooling means 7 such as radiators make it possible to maintain a temperature between 80 and 100 ° C in two zones close to the center of the engine.
  • the heat and cooling radiators are located outside the room.
  • the interior of the cylindrical chamber contains only the piston 1, the displacers 2 and 3 and the working fluid 8.
  • the central outer zone of the chamber is provided with a set of magnetic elements 6 such as windings forming the stator part of the electric generator whose rotor is formed by the piston.
  • the windings 6 are integrated in a cylinder head 12 fixed to the central zone of the chamber.
  • the windings are connected to electrical means not shown to produce electrical energy.
  • electromagnetic means 5 such as windings on the lateral zones of the chamber close to the ends. These windings 5 are integrated in blocks 4 in the form of a crown. The displacement of the displacers is done by half stroke on each of the movers. We control the entire travel of the displacers since they are rigidly linked.
  • FIG. 2 is shown a type B structure in which the chamber 23 comprises a ring 24 hollowed out in the central zone in order to have heating means 13.
  • the engine comprises two pistons 14 and 15 rigidly connected by a link 16 These pistons are arranged on either side of two displacers 20 and 21 also rigidly connected by means of the connection 22.
  • the displacer-link assembly 20, 21 and 22 comprises a central channel in which the means for sliding connection 16 of the pistons.
  • the magnetic elements 17a and 17b forming the stator of the electric generator are constituted by two rings arranged at the ends of the chamber in coupling with the pistons 14 and 15.
  • the electromagnetic means 18a and 18b for driving the displacers are constituted by two rings arranged on either side of the heating means 13.
  • the radiators 19a and 19b also constitute two rings arranged between the magnetic elements 17a and 17b and the electromagnetic control means 18a and 18b.
  • This structure makes it possible to have two electric generators (14, 17a; 15, 17b) close to the easy to cool areas.
  • This structure can also be declined in several variants in which the rigid connection 22 is removed, the electromagnetic control means 18a and 18b are enlarged, over the complete travel of the displacers and the radiators 19a and 19b can be replaced by a circulation of liquid in the breech.
  • the type C structure in FIG. 3 comprises a chamber 25 in the form of a cylinder of square section.
  • This chamber comprises two cylinders of square section, open and concentric 26 and 27. These cylinders are arranged inside the chamber 25 and each fixed to a base of this chamber.
  • the side walls of these two cylinders comprise electromagnetic means 36 and 37 for controlling two displacers 32 and 33 sliding inside the two cylinders.
  • the heating means 28 and 29 are arranged at each end of the chamber 25.
  • the cooling is done by circulation of a liquid in tubes 34 and 35 passing through the chamber 25.
  • the piston 30 is in the shape of a large "H "lying whose connecting line is arranged between the cylinders 26 and 27.
  • the stator part of the electric generator is constituted by magnetic windings 31 arranged all along two side walls of the chamber 25.
  • FIG. 4 illustrates a type D structure comprising two concentric cylinders 38 and 39.
  • the internal cylinder 39 includes all the electromagnetic components 45, 46 and 47 serving respectively as stator for the electric generator and control means for the displacers 41 and 42 Other windings 51 serving as stator are arranged outside the external cylinder 38 on a central zone.
  • the piston 40 and the two displacers move in the external cylinder 38 serving as a working chamber.
  • the two displacers 41 and 42 are linked by several rigid connection means 43, 44 sliding in channels inside the piston 40.
  • Radiators 49 and 50 are arranged outside the working chamber 38 on either side other of the windings 51. Heating means are placed at the ends of the working chamber 38.
  • the type E structure illustrated in FIG. 5 is similar to the type D structure, but with heating means 52 provided in the center of the engine.
  • the connecting means 55a, 55b, 55c and 55d slide at the inside a connecting means 58 of the two displacers.
  • the stator windings 59, 60, 61 and 62 are provided close to the ends of the motor, which facilitates cooling and increases the efficiency of the electric generator.
  • the pistons have their stroke damped by an air mattress.
  • FIG. 6 shows two radial sections of the type E structure. Section A is produced along a plane passing through the piston 53.
  • Section B is produced along a plane passing through the displacer 57.
  • FIG. 7 we see in detail, according to a simplified sectional view, a variant of a piston of the type E structure.
  • the chamber is formed by two concentric cylinders 63 and 67.
  • the inner concentric cylinder 67 is hollow.
  • the ends of the chamber have regularly spaced projections 65 on the inside in the form of concentric hollow cylinders. These projections contain magnetic elements or coils 66 forming the stator of the asynchronous generator.
  • the rotor part is formed by a plurality of concentric hollow cylinders 64 which are nested in the free space between the projections 65.
  • the sectional view therefore represents two nested rakes.
  • the rotor 64 is made of a conductive non-magnetic material such as aluminum.
  • the excitation of the asynchronous generator makes it possible to create induced currents in the rotor. These currents create repulsive forces leading to magnetic levitation of the rotor 64 in the free space between the projections 65, which significantly reduces friction during the reciprocating movement of the pistons.
  • the surfaces of the projections 65 may include centering and guiding means useful only when the generator is started.
  • FIG. 8 shows a radial section of a piston of the type E structure of Figure 7.
  • This radial section shows the concentric pistons 64.
  • the magnetic elements 62 are arranged on the blanks lateral, the electromagnetic generation therefore takes place in a plane perpendicular to the plane of the mechanical (or thermal) generation which is parallel to the axis of displacement of the pistons. Knowing that the electromagnetic force is approximately ten times lower than the mechanical force, the fact of bursting the piston into a plurality of concentric cylinders, as one sees on figure 7, makes it possible to appreciably increase the surface of the electromagnetic exchanges .
  • the present invention therefore relates to an assembly equivalent to two StirJ-ing motors working in opposition, acting on the same piston or a piston split, in the same working room.
  • the displacer is electromagnetically managed like an actuator.
  • the generator set according to the invention intended for the production of electricity in autonomous mode, can be fixed or on-board, in particular, it is designed to be able to supply electricity, hybrid electric vehicles, but also, to solve any problem of electricity production in autonomous mode with fixed position with the implementation of co-generation or tri-generation systems.
  • This device also makes it possible to solve the problem of storing electrical energy (batteries) and to design electric vehicles offering a reduction in consumption and a reduction in polluting emissions compared to vehicles with conventional thermal engines.

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Abstract

L'invention concerne un groupe électrogène à mouvement linéaire alternatif. L'élément moteur est composé d'un moteur thermique de type Stirling et le générateur est composé d'une part d'un piston (1) et des déplaceurs (2, 3) du moteur thermique en tant que rotors, et d'une autre part d'éléments électromagnétiques fixes (6) en tant que stator. Le moteur Stirling comprend dans une unique chambre de travail (9) au moins un piston (1) et deux déplaceurs (2, 3) de sorte que l'ensemble est équivalent à deux moteurs travaillant en opposition. Le temps moteur de l'un correspond au temps résistant de l'autre. De préférence le générateur est de type asynchrone, mais il peut être constitué d'ensembles synchrones, à réluctance variable ou encore à aimants permanents.

Description

" Groupe électrogène à mouvement linéaire alternatif à base de moteur Stirling, et procédé mis en œuvre dans ce groupe électrogène "
La présente invention concerne un groupe électrogène à mouvement linéaire alternatif à base de moteur Stirling. Elle concerne également un procédé mis en œuvre dans ce groupe électrogène . D'une façon générale, le moteur Stirling comporte un ensemble piston cylindre renfermant un fluide de travail. Alternativement, le fluide est mis en contact avec une source chaude et une source froide. Lors du réchauffement du fluide, la pression augmente en poussant le piston moteur, puis un déplaceur transfert le fluide vers la source froide de sorte que la pression baisse. Comme la pression baisse, le piston moteur comprime le fluide. Le cycle peut alors recommencer. On peut alors utiliser le mouvement linéaire alternatif opéré par le piston pour produire de l'électricité en mode autonome.
Dans l'état de la technique, le document US4649283 décrit le principe d'un générateur composé d'un moteur Stirling sur lequel sont disposés des éléments électromagnétiques créant de 1 ' énergie électrique par déplacement linéaire alternatif de deux pistons reliés entre eux et avec la chambre du moteur Stirling au moyen de ressorts.
Le document FR2510181 décrit un groupe électrogène comprenant un moteur Stirling composé d'un piston et d'un déplaceur. Une extrémité du piston est connectée à la chambre close du moteur au moyen d'un élément ressort. Les éléments électromagnétiques sont disposés sur le piston et à l'intérieur de la chambre. Ce document divulgue également un moteur Stirling composé de deux pistons en opposition et enfermés dans une première chambre, et un déplaceur enfermé dans une seconde chambre, les deux chambres communicant au moyen d'un conduit qui permet l'écoulement du fluide de travail entre ces deux chambres. Le dispositif enseigné dans ce document ne permet pas un fonctionnement proche du cycle de Stirling. En outre, les éléments ressorts utilisés pour solidariser les pistons viennent fragiliser le dispositif, et les têtes des pistons doivent être munies d'amortisseurs afin d'éviter une collision entre elles. Par ailleurs, la régulation de régime est particulièrement complexe puisqu'elle se fait par des moyens mécaniques accessibles de 1 ' extérieur du groupe et par un système électronique. La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients précités en proposant un groupe électrogène dans lequel l'élément moteur est composé d'un moteur thermique de type Stirling et l'élément générateur d'un ensemble électromagnétique dont la partie en mouvement est constituée par le piston et le déplaceur du moteur Stirling.
Un but de la présente invention est la réalisation d'un groupe électrogène autonome apte à être embarqué dans un véhicule électrique par exemple tout en garantissant une économie d'énergie par rapport aux systèmes électriques actuels, une robustesse et une propreté certaine.
Un autre but de l'invention est la réalisation d'un groupe électrogène apte à produire une large gamme de puissances, de quelques watts à quelques milliers de kilowatts .
On atteint les objectifs ci-dessus avec un groupe électrogène pour convertir de 1 ' énergie thermique en énergie électrique à base d'un moteur thermique fonctionnant selon un cycle de Stirling. Ce groupe électrogène comprend au moins un piston en mouvement linéaire alternatif pour produire de l'énergie électrique par couplage électromagnétique avec des éléments magnétiques fixes. Selon l'invention, le groupe électrogène comprend en outre au moins deux déplaceurs disposés dans une chambre commune au piston de sorte que l'ensemble déplaceurs-piston constitue deux moteurs de type Stirling fonctionnant en opposition.
Avec un tel dispositif, la partie thermique est constituée du piston et des déplaceurs travaillant en opposition. Le temps "moteur" de l'un correspond au temps "résistant" de l'autre. On obtient l'équivalent de deux moteurs Stirling en opposition. Il en résulte une capacité de production d'une large gamme de puissances allant de quelques watts à quelques milliers de kilowatts. En outre, le fait de regrouper dans une seule chambre le piston et les déplaceurs augmente la robustesse du dispositif. De préférence, la chambre est une enceinte complètement close sans joint. Le fluide de travail, tel que l'hélium, renfermé dans cette chambre peut donc subir des pressions importantes, favorables au rendement global du groupe électrogène et à sa puissance massique. Avantageusement, l'enveloppe de cette chambre est perméable au champ magnétique, elle supporte des fortes pressions, par exemple 80 bars, ainsi que des températures maximum du moteur pouvant atteindre les 650°C. La conception de ce moteur est telle qu'elle permet un fonctionnement sans maintenance périodique, les seuls éléments mobiles, pistons et déplaceurs pouvant être graissés à vie.
Le document FR2510181 de l'art antérieur décrit un groupe électrogène dont les pistons ne travaillent pas en opposition. Les pistons de l'art antérieur ont le même temps "moteur" et sont rappelés par un dispositif à ressorts .
L'ensemble composé du piston et des éléments magnétiques fixes constitue un générateur asynchrone. Cependant, l'homme du métier comprendra aisément que tout type de générateur électrique synchrone ou asynchrone, à réluctance variable, à aimants permanents ou à commutation de flux, peut être utilisé. Selon l'invention, la partie électrique est complètement intégrée à la partie thermique. Les éléments magnétiques peuvent être disposés le long de la chambre de sorte que le mouvement linéaire alternatif des déplaceurs contribu également à la production de l'énergie électrique. Le piston et les déplaceurs sont les rotors du générateur électrique.
Les deux déplaceurs peuvent être liés de façon rigide. Mais, de préférence, ils sont indépendants l'un par rapport à l'autre, cela permet de faire fonctionner le moteur selon le cycle théorique de Stirling. Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, les deux déplaceurs sont libres en mouvement vis-à-vis de la chambre, contrairement aux systèmes de l'art antérieur dans lesquels on utilise des ressorts de rappel.
Le groupe électrogène selon 1 ' invention peut en outre comprendre des moyens électromagnétiques solidaires de la chambre pour piloter le mouvement des déplaceurs par couplage électromagnétique. Les déplaceurs étant ainsi pilotés comme des actionneurs, on peut engendrer un cycle thermique très proche du cycle Stirling théorique. Lorsque les deux déplaceurs sont liés, le pilotage peut se faire par moitié de course sur chacun des déplaceurs, dans le cas contraire, le pilotage se fait sur toute la course de chacun d' eux. Les moyens électromagnétiques peuvent être disposés à 1 ' intérieur ou à 1 ' extérieur de la chambre .
Selon un mode de mise en œuvre de l'invention, le groupe électrogène comprend en outre un second piston, les deux pistons ainsi obtenus étant reliés de façon rigide et disposés de part et d'autre des deux déplaceurs. Cette disposition permet de disposer d'un double générateur électrique disposé vers les extrémités du moteur, par exemple en forme de cylindre, dans des zones faciles à refroidir. Par ailleurs, des moyens de chauffage pour apporter de la chaleur au moteur Stirling sont disposés sur une zone centrale du cylindre. Selon une variante avantageuse de l'invention, toujours dans le cadre de deux pistons reliés par un moyen rigide, chaque piston peut comprendre une pluralité de cylindres creux concentriques reliés entre eux par une extrémité. Ces cylindres sont destinés à coulisser dans d'autres cylindres creux concentriques dotés d'éléments magnétiques fixes et disposés à l'intérieur de la chambre. Ces pistons sont constitués de matériau amagnetique conducteur tel que l'aluminium ou autre alliage. Avec un générateur de type asynchrone, les pistons sont le siège de courants induits et subissent un effort radial de répulsion sur toute leur surface, ce qui leur permet d'être en sustentation lors d'un déplacement.
Selon un autre mode de mise en œuvre de 1 ' invention, le groupe électrogène peut comprendre un moteur thermique Stirling, par exemple en forme de cylindre, tel que des moyens de chauffage pour apporter de la chaleur à ce moteur sont disposés sur les bases du cylindre, aux extrémités. Dans ce cas, des moyens de refroidissement peuvent être disposés à 1 ' extérieur de la chambre ou alors consister en une circulation d'un fluide dans des tubes traversant cette chambre.
Selon une caractéristique de l'invention, la course des déplaceurs est sensiblement le double de la course du piston. Cependant d'autres rapports plus importants peuvent être envisagés.
Suivant un autre aspect de l'invention, il est proposé un procédé pour convertir de 1 ' énergie thermique en énergie électrique au moyen d'un groupe électrogène. Pour ce faire, on pilote deux déplaceurs disposés dans une chambre formant moteur thermique Stirling et comprenant au moins un piston de sorte que 1 ' ensemble déplaceurs-piston fonctionne comme deux moteurs Stirling en opposition. Avantageusement, on peut introduire un déphasage sensiblement égal à quarante cinq degrés dans le mouvement relatif entre les déplaceurs et le piston.
De préférence, les déplaceurs sont aptes à régénérer le fluide de travail contenu dans la chambre afin de permettre l'échange de chaleur. Le corps même des déplaceurs joue le rôle de régénérateur. Cependant, on peut convenablement envisager la réalisation de régénérateurs extérieurs sous forme de conduit de déviation.
D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée d'un mode de mise en œuvre nullement limitatif, et des dessins annexés, sur lesquels : la figure 1 est une vue en coupe structurelle d'un groupe électrogène selon l'invention réalisé selon une structure de type A dans laquelle 1 ' apport de chaleur se fait aux extrémités du moteur et les déplaceurs sont de chaque côté du piston; la figure 2 est une vue en coupe structurelle d'un groupe électrogène selon l'invention réalisé selon une structure de type B dans laquelle l'apport de chaleur se fait au centre d'un moteur à deux pistons; la figure 3 est une vue en coupe structurelle d'un groupe électrogène selon l'invention réalisé selon une structure de type C dans laquelle le moteur comporte deux enveloppes concentriques, le piston étant en forme de I; la figure 4 est une vue en coupe structurelle d ' un groupe électrogène selon 1 ' invention réalisé selon une structure de type D dans laquelle le moteur comporte deux cylindres concentriques; la figure 5 est une vue en coupe structurelle d'un groupe électrogène selon l'invention réalisé selon une structure de type E avec apport de chaleur au centre du moteur; - la figure 6 est une vue en coupe structurelle d'un groupe électrogène selon la structure E; la figure 7 est une vue en coupe détaillée d'un piston pour une structure de type E; et la figure 8 est une vue en coupe radiale au niveau des pistons de la structure représentée sur la figure 7. On va maintenant décrire différentes structures de groupes électrogènes selon l'invention.
La structure de type A illustrée sur la figure 1 comprend une chambre de travail 9 en forme cylindrique de section circulaire ou carrée. L'élément moteur du groupe électrogène est composé d'une part d'un piston 1 de forme cylindrique et troué en son centre, et d'une autre part de deux déplaceurs 2 et 3 en forme cylindrique reliés entre eux par un moyen rigide 11. Ce moyen est apte à coulisser dans le trou du piston 1. Ainsi, les déplaceurs 2 et 3 sont disposés de part et d'autre du piston 1. Le piston et les déplaceurs sont enfermés dans la chambre 9 de telle sorte le volume restant dans cette chambre est rempli par un fluide 8 tel que l'hélium. L'élément moteur est équivalent à deux moteurs Stirling en opposition dont les apports de chaleur 10 se font sur les extrémités. Ces apports de chaleur, par exemple provenant d'une chaudière à gaz, permettent d'atteindre une température de l'ordre de 650°C. Des moyens de refroidissement 7 tels que des radiateurs permettent de maintenir une température entre 80 et 100°C sur deux zones proches du centre du moteur. Les apports de chaleur et les radiateurs de refroidissement sont situés à l'extérieur de la chambre.
L ' intérieur de la chambre cylindrique ne renferme que le piston 1, les déplaceurs 2 et 3 et le fluide de travail 8.
La zone centrale extérieure de la chambre est munie d'un ensemble d'éléments magnétiques 6 tels que des enroulements formant la partie statorique du générateur électrique dont le rotor est constitué par le piston. Les enroulements 6 sont intégrés dans une culasse 12 fixées à la zone centrale de la chambre. Les enroulements sont connectés à des moyens électriques non représentés pour produire de l'énergie électrique.
Pour piloter les déplaceurs 2 et 3 comme des actionneurs et contrôler la fréquence de fonctionnement du moteur, on dispose des moyens électromagnétiques 5 tels que des enroulements sur les zones latérales de la chambre proche des extrémités. Ces enroulements 5 sont intégrés dans des blocs 4 en forme de couronne. Le pilotage des déplaceurs se fait par moitié de course sur chacun des déplaceurs . On maîtrise la totalité de la course des déplaceurs puisqu'ils sont liés de façon rigide.
Dans cette structure de type A, on peut envisager de supprimer la liaison 11, dans ce cas le moteur peut fonctionner selon le cycle théorique de Stirling. Et pour améliorer le pilotage des déplaceurs, on peut prolonger les moyens électromagnétiques 5 et 4 de façon à remplacer les radiateurs 7, le pilotage des déplaceurs se faisant alors sur toute la course de chacun d'eux. Dans ces conditions, le refroidissement est réalisé par circulation d'un liquide au sein de la culasse.
Sur la figure 2 est représentée une structure de type B dans laquelle la chambre 23 comprend une couronne 24 creusée dans la zone centrale afin de disposer des moyens de chauffage 13. Le moteur comprend deux pistons 14 et 15 liés de façon rigide par une liaison 16. Ces pistons sont disposés de part et d'autre de deux déplaceurs 20 et 21 également liés de façon rigide au moyen de la liaison 22. L'ensemble déplaceurs-liaison 20, 21 et 22 comprend un canal central dans lequel coulisse le moyen de liaison 16 des pistons. Dans cette structure, les éléments magnétiques 17a et 17b formant stator du générateur électrique sont constitués par deux couronnes disposées aux extrémités de la chambre en couplage avec les pistons 14 et 15. Les moyens électromagnétiques 18a et 18b de pilotage des déplaceurs sont constitués par deux couronnes disposées de part et d'autre des moyens de chauffage 13. Les radiateurs 19a et 19b constituent également deux couronnes disposées entre les éléments magnétiques 17a et 17b et les moyens électromagnétiques de pilotage 18a et 18b.
Cette structure permet de disposer de deux générateurs électriques (14, 17a; 15, 17b) proche des zones faciles à refroidir. Cette structure peut également se décliner en plusieurs variantes dans lesquelles on supprime la liaison rigide 22, on agrandit les moyens électromagnétiques de pilotage 18a et 18b, sur la course complète des déplaceurs et on peut remplacer les radiateurs 19a et 19b par une circulation de liquide dans la culasse.
La structure de type C sur la figure 3 comprend une chambre 25 en forme de cylindre de section carrée. Cette chambre comprend deux cylindres de section carrée, ouverts et concentriques 26 et 27. Ces cylindres sont disposés à l'intérieur de la chambre 25 et fixés chacun à une base de cette chambre. Les parois latérales de ces deux cylindres comprennent des moyens électromagnétiques 36 et 37 de pilotage de deux déplaceurs 32 et 33 coulissant à l'intérieur des deux cylindres. Les moyens de chauffage 28 et 29 sont disposés à chaque extrémité de la chambre 25. Le refroidissement se fait par circulation d'un liquide dans des tubes 34 et 35 traversant la chambre 25. Le piston 30 est en forme d'un grand "H" couché dont le trait de liaison est disposé entre les cylindres 26 et 27. Avantageusement, la partie statorique du générateur électrique est constituée par des enroulements magnétiques 31 disposés tout le long de deux parois latérales de la chambre 25.
La figure 4 illustre une structure de type D comprenant deux cylindres concentriques 38 et 39. Le cylindre intérieur 39 comprend tous les composants électromagnétiques 45, 46 et 47 servant respectivement de stator pour le générateur électrique et de moyens de commande pour les déplaceurs 41 et 42. D'autres enroulements 51 servant de stator sont disposés à l'extérieur du cylindre externe 38 sur une zone centrale. Le piston 40 et les deux déplaceurs se déplacent dans le cylindre externe 38 servant de chambre de travail. Les deux déplaceurs 41 et 42 sont liés par plusieurs moyens de liaison rigides 43, 44 coulissant dans des canaux à l'intérieur du piston 40. Des radiateurs 49 et 50 sont disposés à l'extérieur de la chambre de travail 38 de part et d'autre des enroulements 51. Des moyens de chauffage sont placés aux extrémités de la chambre de travail 38.
La structure de type E illustrée sur la figure 5 s'apparente à la structure de type D, mais avec des moyens de chauffage 52 prévus au centre du moteur. On dispose également de deux pistons 53 et 54 liés au moyen des éléments 55a, 55b, 55c et 55d et placés de part et d'autre de deux déplaceurs 56 et 57. Les moyens de liaison 55a, 55b, 55c et 55d coulissent à l'intérieur d'un moyen de liaison 58 des deux déplaceurs. Les enroulements statoriques 59, 60, 61 et 62 sont prévus proches des extrémités du moteur, ce qui facilite le refroidissement et augmente l'efficacité du générateur électrique. Comme pour la structure de type B, les pistons ont leur course amortie par un matelas d'air. Sur la figure 6 sont représentées deux coupes radiales de la structure de type E. La coupe A est réalisée suivant un plan traversant le piston 53. La coupe B est réalisée suivant un plan traversant le déplaceur 57. On distingue les quatre moyens rigides 55a, 55b, 55c et 55d coulissant à travers le déplaceur 57.
Sur la figure 7, on voit en détail, selon une vue en coupe simplifiée, une variante d'un piston de la structure de type E. La chambre est formée par deux cylindres concentriques 63 et 67. Le cylindre concentrique intérieur 67 est creux. Les extrémités de la chambre comprennent sur la face intérieure des saillies 65 régulièrement espacées en forme de cylindres creux concentriques. Ces saillies renferment des éléments magnétiques ou bobinages 66 formant stator du générateur asynchrone. La partie rotor est formée par une pluralité de cylindres creux concentriques 64 qui viennent s'imbriquer dans l'espace libre entre les saillies 65. La vue en coupe représente donc deux râteaux imbriqués . Le rotor 64 est en matériau amagnetique conducteur tel que l'aluminium. L'excitation du générateur asynchrone permet de créer des courants induits dans le rotor. Ces courants créent des forces répulsives aboutissant à une sustentation magnétique du rotor 64 dans l'espace libre entre les saillies 65, ce qui réduit sensiblement les frottements lors du mouvement de va-et-vient des pistons. Les surfaces des saillies 65 peuvent comprendre des moyens de centrage et de guidage utile seulement lors du démarrage du générateur.
La figure 8 représente une coupe radiale d'un piston de la structure de type E de la figure 7. Cette coupe radiale fait apparaître les pistons concentriques 64. Dans la chambre illustrée sur la figure 5, les éléments magnétiques 62 sont disposés sur les flans latéraux, la génération électromagnétique se fait donc dans un plan perpendiculaire au plan de la génération mécanique (ou thermique) qui est parallèle à l'axe de déplacement des pistons. Sachant que l'effort électromagnétique est environ dix fois inférieur à l'effort mécanique, le fait d'éclater le piston en une pluralité de cylindres concentriques, comme on le voit sur la figure 7, permet d'augmenter sensiblement la surface des échanges électromagnétiques .
La présente invention concerne donc un ensemble équivalent à deux moteurs StirJ-ing travaillant en opposition, agissant sur un même piston ou un piston dédoublé, dans une même chambre de travail. Le déplaceur est géré électromagnétiquement comme un actionneur.
Le groupe électrogène selon l'invention, destiné à la production d'électricité en mode autonome, peut être à poste fixe ou embarqué, en particulier, il est conçu pour pouvoir alimenter en électricité, les véhicules électriques hybrides, mais aussi, pour résoudre tout problème de production d'électricité en mode autonome à poste fixe avec mise en œuvre de systèmes de co-génération ou tri-générâtion. Ce dispositif permet également de résoudre le problème de stockage de 1 ' énergie électrique (batteries) et de concevoir des véhicules électriques offrant une réduction de consommation et une réduction des émissions polluantes par rapport aux véhicules à moteurs thermiques conventionnels .
Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de 1 ' invention.

Claims

REVENDICATIONS
1. Groupe électrogène pour convertir de 1 ' énergie thermique en énergie électrique à base d'un moteur thermique fonctionnant selon un cycle de Stirling, comprenant au moins un piston (1) en mouvement linéaire alternatif pour produire de l'énergie électrique par couplage électromagnétique avec des éléments magnétiques fixes (6), caractérisé en ce qu'il comprend en outre au moins deux déplaceurs (2, 3) disposés dans une chambre commune (9) au dit piston de sorte que l'ensemble déplaceurs-piston constitue deux moteurs de type Stirling fonctionnant en opposition.
2. Groupe électrogène selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'ensemble composé du piston et des éléments magnétiques fixes constitue un générateur asynchrone.
3. Groupe électrogène selon l'une des revendications 1 et
2, caractérisé en ce que les deux déplaceurs sont liés (11) de façon rigide.
4. Groupe électrogène selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les deux déplaceurs (32, 33) sont indépendants l'un par rapport à l'autre.
5. Groupe électrogène selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les deux déplaceurs sont libres en mouvement vis-à-vis de la chambre .
6. Groupe électrogène selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens électromagnétiques (5) solidaires de la chambre pour piloter le mouvement des déplaceurs par couplage électromagnétique.
7. Groupe électrogène selon la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens électromagnétiques (36) sont disposés à l'intérieur de la chambre.
8. Groupe électrogène selon la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens électromagnétiques (5) sont disposés à l'extérieur de la chambre.
9. Groupe électrogène selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la chambre (9) est une enceinte complètement close.
10. Groupe électrogène selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un second piston, les deux pistons (14, 15) étant reliés (16) de façon rigide et disposés de part et d'autre des deux déplaceurs (20, 21) .
11. Groupe électrogène selon la revendication 10, caractérisé en ce que chaque piston (53, 54) comprend une pluralité de cylindres creux concentriques (64) reliés entre eux par une extrémité, ces cylindres étant destinés à coulisser dans d'autres cylindres creux concentriques (65) dotés d'éléments magnétiques fixes (66) et disposés à l'intérieur de la chambre (63).
12. Groupe électrogène selon la revendication 11, caractérisé en ce que chaque piston (53, 54) comprend un matériau amagnetique conducteur permettant à ce piston d'être en sustentation lors d'un déplacement.
13. Groupe électrogène selon la revendication 12 , caractérisé en ce que le matériau amagnetique conducteur est l'aluminium.
14. Groupe électrogène selon l'une quelconque des revendications 10 à 13, comprenant un moteur thermique Stirling en forme de cylindre, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens de chauffage (13) pour apporter de la chaleur sur une zone centrale du cylindre.
15. Groupe électrogène selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, comprenant un moteur thermique Stirling en forme de cylindre, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens de chauffage (10) pour apporter de la chaleur sur les bases du cylindre.
16. Groupe électrogène selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens de refroidissement (7) disposés à l'extérieur de la chambre.
17. Groupe électrogène selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens de refroidissement (34, 35) par circulation d'un fluide dans des tubes traversant ladite chambre.
18. Groupe électrogène selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la course des déplaceurs est sensiblement le double de la course du piston.
19. Groupe électrogène selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des éléments magnétiques disposés le long de la chambre de sorte que le mouvement linéaire alternatif des déplaceurs contribue à la production de l'énergie électrique.
20. Procédé pour convertir de l'énergie thermique en énergie électrique au moyen d'un groupe électrogène selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on pilote deux déplaceurs (2, 3) disposés dans une chambre (9) formant moteur thermique Stirling et comprenant au moins un piston (1) de sorte que l'ensemble déplaceurs-piston fonctionne comme deux moteurs Stirling en opposition dans lequel on introduit un déphasage sensiblement égale à quarante cinq degrés dans le mouvement relatif entre les déplaceurs et le piston.
21. Procédé selon la revendication 20, caractérisé en ce que les déplaceurs (2, 3) sont aptes à régénérer le fluide de travail contenu dans la chambre (9) .
22. Procédé selon l'une des revendications 20 et 21, caractérisé en ce qu'on apporte de la chaleur aux extrémités du moteur Stirling, et en ce qu'on dispose des moyens de refroidissement sur une zone centrale de ce moteur.
23. Procédé selon l'une des revendications 20 et 21, caractérisé en ce qu'on apporte de la chaleur sur une zone centrale du moteur Stirling, et en ce qu'on dispose des moyens de refroidissement sur les extrémités de ce moteur.
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