WO2011033243A1 - Machine thermodynamique à cycle de stirling - Google Patents

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WO2011033243A1
WO2011033243A1 PCT/FR2010/051973 FR2010051973W WO2011033243A1 WO 2011033243 A1 WO2011033243 A1 WO 2011033243A1 FR 2010051973 W FR2010051973 W FR 2010051973W WO 2011033243 A1 WO2011033243 A1 WO 2011033243A1
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WO
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regenerator
machine
walls
partitions
chamber
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PCT/FR2010/051973
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English (en)
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Pierre Charlat
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Billat, Pierre
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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
    • F02G1/053—Component parts or details
    • F02G1/057—Regenerators
    • 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
    • F02G2243/04—Crank-connecting-rod drives
    • F02G2243/06—Regenerative displacers
    • 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
    • F02G2270/00—Constructional features
    • F02G2270/30—Displacer assemblies
    • 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
    • F02G2270/00—Constructional features
    • F02G2270/40—Piston assemblies

Definitions

  • the present invention relates generally to thermodynamic machines with a Stirling cycle. More particu ⁇ larly, the present invention relates to a machine in which energy losses are limited.
  • Stirling machines are used for the production of industrial refrigeration and in some military or space applications. These machines have the advantage of being used as an engine or to produce heat or cold, without using refrigerants that are generally pollutants. Another advantage of a Stirling machine is that its hot source is external and therefore this source can be obtained using any known fuel or even solar radiation.
  • a gas for example air, nitrogen, hydrogen or helium
  • a cycle comprising four phases: isochoric heating, isothermal expansion, cooling isochore and isothermal compression.
  • FIG. 1 is a generic diagram of a Stirling machine.
  • a first chamber 3 is connected to a second chamber 5 via a first heat exchanger 7, a regenerator 9 and a second heat exchanger 11.
  • the assembly comprising the chambers, exchangers and the regenerator may have a cylindrical shape.
  • the first and second heat exchangers 7 and 11 are, respectively, in contact with a hot source at a hot temperature Tc and with a cold source at a cold temperature Tp.
  • the cold source can be a source close to the ambient temperature and the hot source a much hotter heat insulated source.
  • the heat exchangers are connected to the hot and cold sources by means of heat transfer fluids flowing in pipes and driven for example by means of pumps (see below).
  • the chambers 3 and 5 are closed, respectively, by movable pistons 13 and 15 which delimit the variable volumes of the chambers 3 and 5.
  • the various elements of the Stirling machine shown in FIG. 1 can be movable relative to each other. to others in different ways: for example, the two pistons 13 and 15 may be movable and the regenerator 9 and the exchangers 7 and 11 to be fixed, in the case of a so-called alpha configuration.
  • One of the pistons 13 or 15 can also be fixed if the central portion (regenerator) of the machine is movable.
  • the assembly consisting of the regenerator 9 and the exchangers 7 and 11 is fixed and that the variable volumes of the chambers 3 and 5 are defined by a single volume separated into two parts by a movable wall called displacer.
  • This configuration is usually called a beta configuration.
  • Figures 2A to 2D illustrate steps of a Stirling engine cycle.
  • a volume of gas is stored in the first chamber 3, the second chamber 5 having a zero or low volume.
  • the gas in the first chamber 3 is heated by the hot source and its pressure increases. This causes the piston 13 to move to arrive at a state B (FIG. 2B) in which the volume occupied by the gas in the chamber 3 is greater than the volume of this same chamber in the state A.
  • step A to B we recover mechanical work.
  • Isochoric cooling then makes it possible to go from state B to state C in which the gas in hot chamber 3 is transferred to cold chamber 5. During this transfer, the gas stored in chamber 3 passes through regenerator 9 and reaches room 5 while cooling. The heat contained in the hot gas is "recovered” in the regenerator and the gas cools.
  • An isothermal compression makes it possible to go from the state C to a state D in which the volume occupied by the gas in the chamber 5 is smaller than the volume of this same chamber in the state C.
  • This compression is achieved by actuating the piston 15 in order to reduce the volume of the chamber 5.
  • This step consumes mechanical energy, but less than the energy supplied during the relaxation between the states A and B.
  • an isochoric transfer makes it possible to go from the state D to the initial state A in which the gas is stored in the hot chamber 3.
  • the gas passes from the cold chamber 5 to the hot chamber 3 through the 9.
  • the heat recovered during the isochoric cooling (step B to C) is returned to the gas during its second passage through the regenerator (step D to A).
  • the gas heats up before coming into contact with the exchanger 7.
  • the regenerator In motor cycle, the mechanical work recovered during the relaxation between stages A and B is used partly for isothermal compression.
  • the regenerator allows the heat recovered during the transition from state B to state C is distributed to the gas during the transition from state D to state A and avoids the losses due to the entry of hot gas into the cold chamber and vice versa ( he avoids irreversibility).
  • the regenerator operates as follows: when a hot gas passes through a cold regenerator, it cools by heating the regenerator and, conversely, a cold gas passing through the hot regenerator heats up by cooling the regenerator.
  • it is important for the regenerator to be made of materials that conduct little heat in the direction of the gas flow, for example thermally insulating materials, in order to prevent the direct transmission of heat between parts at different temperatures. .
  • machines are considered that are reversible, that is to say that can be used in motor cycle or heat pump cycle. It should be noted that this definition of reversibility differs from the current definition in which a reversible machine is a machine whose cold and hot sources can be reversed.
  • An object of an embodiment of the present invention is to provide a Stirling cycle thermodynamic machine in which the different energy losses are reduced.
  • Another object of an embodiment of the present invention is to provide a Stirling cycle thermodynamic machine consisting of two elementary machines operating in phase opposition.
  • an embodiment of the present invention provides a thermodynamic machine consisting of at least one set of two Stirling cycle elementary machines formed symmetrically in one or more cylindrical bodies of the same axis, each elementary machine comprising first and second chambers compression / expansion device, a regenerator separating the first and second chambers and first and second outer walls for closing the volume, respectively, of the first and second chambers, the regenerator, the first and second outer walls of an elementary machine being connected rigidly to the same elements of the other elementary machines.
  • each first outer wall is movable in the body
  • each second outer wall is fixed relative to the body
  • each regenerator is movable in the body
  • two regenerators of two elementary machines formed in the same body are connected to each other via an axis located at the center of the body and the first external walls are rigidly connected to each other by means of intermediate of one or more bars extending out of the body.
  • the first and second compression / expansion chambers are divided by first and second axially extending partitions, respectively, from the associated outer wall and from the regenerator, the first and second second partitions interlocking with each other during relative movements between said first and second partitions.
  • the assembly formed of an outer wall and associated partitions is formed by winding a wide band and at least a narrower band whose width corresponds to the width of the walls external, the narrower band being perforated over its entire width except in contact with the chamber, the wide band being perforated on its portion located at the width of the width of the width of the gap.
  • the machine further comprises parts associated with the first and second walls, outside compression chambers ⁇ compression / relaxation, in which are defined channels for bringing a heat transfer fluid in the holes formed in the winding.
  • each regenerator is delimited by two non-watertight internal walls from which partitions extend axially in the regenerator chamber, each internal wall and its associated partitions being formed by winding a wide band and at least one narrower strip whose width corresponds to the width of the walls of the regenerator, the narrower band comprising, in its width, a first corrugated zone whose corrugations are oblique with respect to the length of the strip a second planar zone and a third corrugated zone whose corrugations are oblique with respect to the length of the strip, in a direction opposite to the corrugations of the first zone, the broadband comprising, opposite the first and third zones of the strip; narrower in the ⁇ rolling, wavy areas whose undulations are oblique to the length of the strip lar ge, in a direction opposite to the undulations of the narrower band.
  • each elementary machine further comprises a movable cylindrical part with the regenerator formed around the regenerator in the body.
  • the body comprises extensions delimiting first rear chambers of each elementary machine, opposite the second compression / expansion chambers with respect to the first external walls, the rear chambers of each elementary machine. being in direct communication through a pipeline.
  • a first heat transfer fluid arrives and starts from each first rear chamber via pipes in which non-return valves are formed in the direction of circulation of the first heat transfer fluid, the movement of first external walls relative to the pipes for pumping the coolant in the pipes.
  • the body comprises an extension delimiting a second rear chamber, opposite the second chambers relative to the second outer walls.
  • a second heat transfer fluid arrives and leaves the second rear chamber through pipes in which are formed non-return valves in the direction of flow of the second heat transfer fluid.
  • the machine comprises a combustion chamber in the second rear chamber, in contact with the second outer walls.
  • the first outer walls are rigidly connected to the foot of a first connecting rod whose head is associated with a first crankshaft and the regenerators are rigidly connected to the foot of a second connecting rod. whose head is associated with a second crankshaft, the first and second crankshafts being formed around a same axis.
  • Figure 1 previously described, is a generic diagram of a Stirling machine
  • FIGS. 2A to 2D previously described, illustrate steps of a Stirling cycle
  • Figure 3 is a simplified sectional view of an exemplary structure of a Stirling cycle machine
  • FIG. 4 illustrates an exemplary structure of two half-exchangers of the machine of FIG. 3;
  • Fig. 5 is a schematic diagram of an elementary machine according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 6 is a simplified sectional view illustrating a machine consisting of two elementary thermodynamic machines according to an embodiment of the present invention
  • Figs. 7A-7F show stages of a cycle involving the machine of Fig. 6;
  • FIG. 8 illustrates an example of two half-exchangers according to an embodiment of the present invention
  • Figs. 9A, 9B and 9C further illustrate elements of Fig. 8;
  • FIGS 10 and 11 are two more detailed sectional views of the machine of Figure 6;
  • Figure 12 illustrates a thermodynamic machine comprising four Stirling cycle elementary machines according to an embodiment of the present invention.
  • a second source of losses is typically due to temperature differences that occur within each exchanger, due to the heat resistance of the materials constituting these exchangers.
  • each compression / expansion chamber is delimited by a first outer wall and a second wall connected to the regenerator, the heat exchange with a hot or cold source being made at the outer wall.
  • wall or “inner wall” a room defining a compression chamber / expansion side of the regenerator, although this room is not sealed and is intended to let the gas in a axial direction.
  • exchanger a compression chamber / trigger for receiving energy from a hot spring or a cold source.
  • the first and second walls, and their associated partitions will be called later "half-exchanger”.
  • the formation of axial partitions in the compression / expansion chambers allows that the temperature of the gas does not move away from that of the exchanger during compression / expansion and, on the other hand, the movement back and forth walls allows heat transport to the heart of the exchange structure and avoids temperature variations in the exchangers, even in the case where the partitions are a low-conductive material, as some steels.
  • Figure 3 is a detailed sectional view of the body of such a Stirling cycle machine.
  • the machine is formed for example in a hermetic cylinder 21 and comprises a first chamber 23 and a second chamber 25 separated by a regenerator 27.
  • An exchanger consisting of two half-exchangers is formed in each of the chambers 23 and 25.
  • the inner walls 41 and 43 define the location of the regenerator and let the gas circulate.
  • the regenerator 27 comprises axial partitions 45, 47 which extend, respectively, from the walls 41 and 43.
  • the partitions 45 and 47 are interleaved, for example in a shape identical to that of the partitions 29. and 37 or 31 and 39, and are preferably of a poor thermal conductor material but having good heat exchange properties with the gas, i.e. sufficient thermal effusivity.
  • partitions 45 and 47 may be made of polycarbonate. Guides parallel to the gas flow can be added to the regenerator to ensure that the gas passing through it runs the same path in both directions of travel. It will be noted that the structure of the regenerator described here is only an example and that any type of known regenerator can be used in the machine of FIG.
  • the machine is formed around a central shaft 49.
  • the shaft 49 contains elements that allow the positioning of the different elements of the thermodynamic machine relative to each other.
  • the partitions 29, 37, 31 and 39, or even the partitions 45 and 47, may be formed by a spiral-shaped winding of one or more sheets around the shaft 49. thermal insulation, mechanical holding and / or displacement of the various walls 33, 35, 41 and 43 in the cylinder 21 are shown in Figure 3 by hatched portions.
  • FIG. 4 is a perspective view illustrating a possible solution for forming partitions dividing the chamber 23 of the machine of FIG. 3. It will be noted that, in this figure and those which follow, the number of turns and the spacing between the different turns are not drawn to scale.
  • the chamber 23 is delimited by a first impervious outer wall 33, formed around the axis 49, from which partitions 29 extend.
  • the wall 33 is designed to be brought into contact with a hot or cold heat transfer fluid, usually a liquid or a gas.
  • the partitions 29 and the wall 33 are formed by winding, around the axis 49, strips of conductive materials.
  • a broad band forming the partitions 29 and a thicker band, or several thin strips, forming the wall 33 and sealing this wall are wound around the axis 49.
  • a weld can be made at the wall 33 to improve the seal.
  • the compression / expansion chamber 23 On the other side of the compression / expansion chamber 23 is formed a structure similar to the structure 29/33, comprising an internal separation wall of the regenerator (not shown) from which the partitions 37 extend.
  • the partitions 37 are also formed of a plate wound around the axis 49, the separator wall of the regenerator associated with the partitions 37 allowing the gas to circulate.
  • the partitions 29 and 37 have, in sectional view in a plane perpendicular to the length of the chamber, spiral shapes.
  • a first spiral forms the partitions 29 and a second spiral forms the partitions 37, the partitions 29 and 37 being provided to interlock with each other during the decrease of the volume of the chamber 23.
  • the distance between partitions extending from the same wall is such that the ratio between this distance squared and time cycle of the thermodynamic machine is less than the average thermal diffusivity of the gas contained in the chamber. This allows the heat of the walls to have time to diffuse throughout the gas volume during a compression / expansion cycle, without requiring turbulence (laminar flow).
  • the energy required for compression is proportional to the absolute temperature during compression.
  • the energy recovered during the relaxation is also proportional to the absolute temperature during the relaxation. The difference between the two temperatures defines the energy balance. If the transmission of energy is made conventionally by a set of mechanical elements (rods, bearings, gears ...), these elements will take a percentage of mechanical losses on the energy they transmit , proportional to a absolute temperature.
  • thermodynamic machine comprising several elementary Stirling cycle machines coupled in a particular way.
  • Fig. 5 is a schematic diagram of an elementary Stirling cycle machine and its drive system according to an embodiment of the present invention. It will be noted that in FIG. 5 and in the figures which follow, moving parts together are hatched in the same way.
  • the basic machine comprises a first half-exchanger consisting of an outer wall 51 from which axial partitions 53 extend in a first compression / expansion chamber 55.
  • the wall 51 is movable in a body 57 delimiting the contour (for example cylindrical) of the machine.
  • a regenerator 59 is formed in the body 57 and is movable in the length thereof (axially).
  • the regenerator 59 extend into the chamber 55, axial partitions 61 intended to interlock with the partitions 53.
  • On the other side of the regenerator, in the body 57 is formed a second compression / expansion chamber 63.
  • the regenerator 59 extends in the chamber 63 of the axial partitions 65.
  • a second half-exchanger consisting of an outer wall 67 from which the axial partitions 69 extend in the chamber 63, is fixed relative to the The partitions 69 are intended to fit into the chamber 63 with the partitions 65. It will be noted that the partitions 53, 61, 65 and 69 may be formed in the manner described with reference to FIG. 4.
  • a first fluid circulation circuit 73 (hot or cold source) is formed to cool or to heat the wall 51, and therefore the partitions 53.
  • a second fluid circulation circuit 75 (cold or hot source) is formed to cool or to heat the wall 67, and therefore the partitions 69.
  • the circuits 73 and 75 are designed to bring the cold or hot fluid to the maximum. near rooms 55 and 63 (see below).
  • One end of the axis 71 is connected to the base of a connecting rod 77 whose head is connected to a crankshaft 79.
  • the movable wall 51 is connected to the base of a connecting rod 81 whose head is connected to a crankshaft 83, whose the axis is the same as that of the crankshaft 79.
  • the heads of the rods 77 and 81 are coupled to the crankshafts 81 and 83 out of phase.
  • the crankshafts 79 and 83 are associated with an engine M or alternator
  • FIG. 5 The operation of the machine of FIG. 5 is slightly different from the operation of the machine of the Figure 1 since, in this case, the regenerator is movable in the machine ("regenerator-displacer").
  • the mechanical system (connecting rods and crankshafts) shown in FIG. 5 is not limiting and that any mechanical system allowing the transformation of a translational movement into a rotational movement can be used, as long as the movements of the axis 71 and the wall 67 are out of phase with each other.
  • an embodiment provides for mechanically coupling, and by rigid connection, elements of two or more elementary machines such as that of Figure 5.
  • FIG. 6 is a simplified partial sectional view illustrating an embodiment of a thermodynamic machine consisting of two elementary machines associated with a single drive system. It will be noted that the circulation of heat transfer fluids, represented in FIG. 5 but not described in detail, is not shown in FIG. 6. This circulation will be described in detail in relation to FIGS. 10 and 11.
  • FIG. 6 considers a device comprising two elementary machines M1 and M2 such as that illustrated in FIG. 5.
  • references identical to those of FIG. 5 are used to describe the machines M1 and M2, each reference applied to FIG. the machine Ml having an extension "-1" and each reference applied to the machine M2 having an extension "-2".
  • links with a motor or alternator such as links 77-79-81-83 of Figure 5 are not shown in this figure for the sake of simplicity.
  • the elementary machines M1 and M2 are symmetrical with respect to each other and their contour is defined by a cylindrical body 57.
  • Each elementary machine comprises a mobile regenerator 59-1, 59-2, not shown in detail, from and from which are formed two chambers of compression / expansion 63-1 and 55-1, 63-2 and 55-2.
  • Axial partitions 61-1 and 65-1 extend respectively from regenerator 59-1 into chambers 63-1 and 55-1.
  • Axial partitions 61-2, 65-2 extend, respectively, from the regenerator 59-2, into the chambers 63-2 and 55-2.
  • the chamber 63-1, respectively 55-1, is delimited, opposite the regenerator 59-1, by an outer wall 51-1, respectively 67-1, from which extend axial partitions 53-1. respectively 69-1.
  • the chamber 63-2, respectively 55-2, is delimited, opposite the regenerator 59-2, by an outer wall 51-2, respectively 67-2, from which extend axial partitions 53-2. respectively 69-2.
  • the walls 67-1 and 67-2 are formed face to face in the body 57.
  • the elements of the machines M1 and M2 are formed around a single central axis 71, the regenerators 59-1 and 59-2 being integral with this axis.
  • the body 57 closes the chambers 63-1, 55-1, 63-2 and 55-2 and extends, on either side of each of the elementary machines, into portions 87-1, 87-2 defining cavities rear 89-1, 89-2, opposite the chamber 63-1, 63-2 relative to the walls 51-1, 51-2. At least two openings 91-1, 91-2 are formed in the extension 87-1, 87-2 to allow the passage of a coolant in the cavities 89-1, 89-2 to the outer walls 51-1. , 51-2.
  • the body 57 also includes an extension 93 between the two elementary machines, between the walls 67-1 and 67-2, to form a chamber 94. At least two openings 95 are formed in the extension 93 to allow the passage of a heat transfer fluid to the walls 67-1 and 67-2.
  • One or more rigid connections 97 are formed, in the chamber 94, to connect the walls 67-1 and 67-2 to one another, these walls being furthermore integral with the body 57. It will be noted that the rigid links 97 may not be provided. , maintaining the position of the walls 67-1 and 67-2 then being provided by the body 57.
  • a rigid connection is also formed between the walls 51-2 and 51-1, from outside the body. The rigid connection is formed by a piece 99 secured to the walls 51-1 and 51-2 which passes through the extensions 87-1 and 87-2 of the body 57 and extends outside the body 57. Thus, the walls 51- 1 and 51-2 are in direct mechanical connection.
  • the link formed between the walls 51-1 and 51-2 can be consolidated with a second rigid piece 101 formed symmetrically with respect to the rigid piece 99 outside the body 57.
  • regenerators may, in addition to or in place of the axis 71, be connected to each other via external rigid bars similar to the bars 99 and 101.
  • the shaft 71 and the walls 51-1 and 51-2 are connected to a device for transforming linear mechanical movement into a rotary movement, for example a system of connecting rods. whose rotation of the head is out of phase.
  • FIGS. 7A to 7F schematically illustrate the operation of the machine of FIG. 6 in an engine cycle in the case where the openings 95 allow the passage of a heat-transfer fluid and where the openings 91-1 and 91-2 pass through a cold heat transfer fluid.
  • the movements of the moving elements of the two machines are sinusoidal and that we thus move slightly away from the ideal cycle.
  • the cycles followed remain cycles whose maximum theoretical yield is that of Carnot.
  • the machine M 1 is at the end of the isothermal compression phase while the machine M2 is at the end of the isothermal expansion stage, which brings the regenerator 59-2 (R2) and the wall 67. 2 (H2) to be farthest from each other (the volume of hot gas in the machine M2 is the highest) and the regenerator 59-1 (RI) and the wall 67-1 (Hl) to be the closest to each other (the volume of hot gas in the machine Ml is the lowest).
  • the elementary machine M1 is in the isochoric heating phase.
  • the gas flows in the regenerator (RI) of the cold chamber 63-1 to the hot chamber 55-1 and the isothermal expansion on the side of the hot source begins.
  • the elementary machine M2 is in the isochoric cooling phase.
  • the gas leaves the chamber 55-2 associated with the hot source to the chamber 63-2 associated with the cold source.
  • the machine Ml is at the beginning of the isothermal expansion phase phase while the machine M2 is at the beginning of the isothermal compression phase, which brings the volume of cold gas into the machine Ml to be the weakest (regenerator 59-1, RI, the closest to partition 55-1, Cl) and the volume of cold gas in M2 to be the highest (regenerator 59-2, R2, the farthest from the wall 51-2, C2).
  • the machine M 1 is at the end of the isothermal expansion stage while the machine M2 is at the end of the isothermal compression phase, which brings the volume of hot gas into the machine M 1 to be the most high (IR furthest from H1) and the volume of hot gas in the machine M2 to be the lowest (R2 closest to H2).
  • the machine Ml is in the isochoric cooling phase, and the machine M2 in the isochoric heating phase.
  • the machine M 1 is at the beginning of the isothermal compression phase whereas the machine M 2 is at the beginning of the isothermal expansion phase (R 1 and C 2 the farthest, R2 and C2 nearest).
  • both Ml and M2 machines have mal- func ⁇ sinusoidal like, out of phase.
  • the energy of the trigger recovered by the relative movement of the regenerator 59 and the wall 67 is transmitted directly to the second machine to perform the isothermal compression phase in this second machine.
  • the presence of a rigid mechanical connection between the two regenerators and between the walls 51-1 and 51-2 makes it possible to avoid mechanical losses: in fact, since this connection is rigid, there is no friction or heating at all. within this connection.
  • the energy transmitted by the system in rigid connection corresponds to the difference between the energy required for compression and the energy supplied by relaxation.
  • a percentage of losses, corresponding to the mechanical efficiency, is taken from an energy proportional to the difference between the absolute temperatures of the hot and cold sources, contrary to the conventional solution where this percentage is taken from each energy source, therefore proportional to each absolute temperature.
  • the double architecture thus allows a simultaneity between compression and relaxation for a direct use of the energy without storage thereof. This greatly reduces the mechanical losses in the system compared to conventional structures where two or more machines operate in phase opposition and are connected by different rods to the same crankshaft and the same motor axis. In this case, the mechanical energy passes through the connecting rods and some of this energy is lost.
  • the dual architecture allows the central portion to be better thermally insulated from the ambient air, as will be seen in connection with FIGS. 10 and 11.
  • a difference in temperature occurring between the coolant and the walls of the exchangers also causes energy losses.
  • it is sought to improve the exchanges between the heat transfer fluids and the walls, in particular by using materials having a sufficient thermal conductivity and a suitably chosen thickness.
  • a temperature difference between the internal exchange walls of the regenerator and the gas can also occur. This gap is all the stronger as the heat exchange between the walls and the gas is bad.
  • a temperature difference, and therefore losses, also appears, during a cycle, on the surface of the regenerator internal exchange walls: the wall is slightly cooled by the gas during a passage, and then reheated. This effect is all the more important as the thermal inertia of the regenerator is low.
  • the temperature difference can be increased if the cycle is fast and a "skin effect" appears on the surface of the exchange walls, the heat does not have time to penetrate these walls and only the surface participating in the regeneration function.
  • the passage of gas in the regenerator causes losses that must be minimized.
  • the material that forms the regenerator itself is a little conductive and causes a direct conduction of heat from the hot part to the cold part. This loss must be minimized.
  • the heat transfer fluid flow is not infinite, nor its heat capacity.
  • a drop in temperature occurring between the inlet and the outlet of the heat transfer fluids causes losses in each exchanger.
  • the exchangers are formed using coils made with mutually isolated turns, the circulation of the fluid being carried out radially in contact with each exchanger.
  • the regenerator is also constituted by turns which are isolated from one another, each part of the gas then has a laminar movement back and forth successively in a turn of the same radius of the heat exchanger, the regenerator and the heat exchanger. cold.
  • Each part of gas at a given radius of the axis then follows a Stirling cycle between two temperatures that vary depending on the radius.
  • FIG. 8 illustrates an embodiment of two half-exchangers delimiting a compression / expansion chamber.
  • FIGS. 9A to 9C illustrate in greater detail portions of the half-exchangers of FIG. 8.
  • Figure 8 is a perspective view of a structure of a compression / expansion chamber 63. In this figure, the body of the machine has not been shown for the sake of clarity.
  • the chamber 63 is delimited by a first outer wall 51 from which extend axial partitions 53 in the chamber and a second wall 59 associated with a regenerator.
  • partitions 53 and 61 are facing and are intended to nest when the volume of the chamber 63 decreases.
  • the outer wall 51 is intended to be brought into contact with a cold or hot source. To improve the exchanges between the wall 51, in contact with the partitions 53, and the cold or hot fluid, it is expected to form this set in a particular way, by winding together several bands.
  • a first wide band 111 one end of which forms the partitions 53, is wound with one or more narrower strips 113 whose width corresponds to the width of the wall 51.
  • the band or strips 113 are pierced with holes 115 along their entire width. , except on a thin width on which will be achieved the seal between the working gas (in the chamber 63) and heat transfer fluid, as shown in Figure 9A.
  • the wide band 111 part of which forms the partitions 53, is also pierced with several holes, but only on its width corresponding to the width of the gaps 113.
  • the winding of the strips 111 and 113 is provided so that, at the limit of the chamber 63, the holes stop to allow the sealing of the chamber 63. To improve this seal, this end in contact with the chamber 63 will be glued, brazed or welded, for example by laser, after winding to form the sealed portion of the chamber 63. Thus, the winding is porous at the source of heat-transfer fluid and sealed at the chamber 63.
  • the porous portion in the strips 111 and 113 makes it possible to circulate the heat-transfer fluid as close as possible to the chamber 63 and the partitions 53.
  • the holes are dimensioned and positioned so that each hole of a given band always opens at the level of at least one hole in each band it contacts.
  • This staggered structure makes it possible to make holes at different distances from the edge of the strips in communication. This allows the heat transfer fluid to penetrate easily into the thickness of the porous material.
  • a row of holes is positioned on the edge of the strips 111 and 113, on the side of the coolant, to allow the fluid to enter the porous structure.
  • the pitch of the holes of the strips is chosen so that there is no appearance of repetitive structure in the porous part which could affect the circulation of the fluid. For example, if the total thickness of the ribbons that are wrapped with each other is e, it will be avoided that the pitch of the pattern formed by the holes is close to an integer multiple of ne. A large diameter of the holes allows a good circulation of the cooling fluid, but this diameter must be chosen to allow good conduction of heat by the material remaining around the holes.
  • Figure 9A illustrates a strip 113 in which holes 115 are formed in a suitable pattern.
  • the holes 115 are formed on several lines in the length of the strip, staggered.
  • the holes 115 of the same line may be spaced apart by a distance of between 4.7 and 4, 9 mm, preferably 4.8 mm.
  • the holes of two adjacent lines have their centers located on an axis forming an angle of about 60 ° with respect to the width of the strip.
  • holes formed in two adjacent lines may be separated by a distance between 1.3 and 1.4 mm (distance between two holes at the same level in the length of the strip between 2.5 and 3 mm).
  • Other dimensions are shown in Figure 9A as an example.
  • the efficiency can also be improved if a temperature difference is maintained within the winding between the inlet and the outlet of the coolant.
  • a radial flow of the fluid it is sought to limit the thermal conductivity in the radial direction of the entire structure.
  • regenerator is made of a thermal insulating material whose thermal effusivity and thermal inertia are sufficient to prevent temperature variations during a cycle.
  • the regenerator is delimited by two internal walls
  • a regenerator To produce a regenerator, provision is made to form a winding of several strips, a first wide band being intended to form the partitions 61 of the exchanger and one or two second strips 117, which are narrower, ensuring the passage of the gas, the maintenance of the structure and formation of the regenerator wall.
  • a third strip similar to the first, may be provided in the same winding or shifted to form the internal partitions of the regenerator (not shown). As shown in FIG. 8, 9B and 9C, the one or more thin strips 117 and a portion of the wide strips located in the winding at the thin web are deformed.
  • FIG. 9B illustrates the deformation of the band forming the partitions 61, at its portion intended to be wound with the narrower strip or strips 117.
  • the band 61 comprises, in the width of this portion, and throughout its length, a sequence of three zones 119, 121 and 123.
  • the zone 119, the closest to the regenerator, is corrugated, the corrugations being oblique with respect to the length of the strip 61.
  • the central zone 121 is flat and the zone 123, the closest to the chamber 63, is corrugated, the corrugations being oblique symmetrically with respect to the corrugations of zone 119.
  • the band 117 comprises, along its width, three zones, the first being undulated, the second being plane and the third being also undulated, the corrugations of the first and third zones being oblique in different directions.
  • the winding of the strips 61 and 117 is provided so that overlapping corrugations are oblique in different directions. This provides a constant distance between the partitions 61 in the chamber 63, and allows the flow of gas in the regenerator.
  • the different corrugated areas can be formed by stamping.
  • FIG. 9C illustrates an example of possible dimensions for the corrugations of the corrugated portions of the band 117 (identical, symmetrically, to the corrugations of the band 61).
  • the first and third corrugated zones may be formed over a width of the order of 3.5 mm and the second planar zone may extend over a width of the order of 3 mm.
  • the corrugations of the first and third zones may have a displacement in the thickness of 0.276 mm and be oriented with respect to the length of the strip of 30 ° (symmetrically for the first and third portions).
  • the partitions internal to the regenerator extend into it while being nested, the nesting being made possible by the presence of the ripples on the end of the internal partitions at their level on the walls.
  • the gas circulates in the almost planar spaces formed by successive layers of spirals.
  • the geometry leads to a circulation of gas (between two planes or quasi-planes) in the regenerator which allows to maximize the ratio number of Nusselt on coefficient of friction in laminar regime (inevitable regime considering the dimensions and speeds of gas). This maximizes heat exchange in the regenerator while minimizing losses by viscous friction.
  • the material forming the elements of the regenerator is a poor thermal conductor to avoid direct thermal conduction between hot and cold source, the heat capacity of the assembly being sufficient to prevent the temperatures inside the regenerator from changing too much during the heating. cycle.
  • the thermal diffusivity of the material is sufficient to allow the entire mass of the material to be mobilized to participate in the heat exchange during a cycle and to avoid a "skin effect" in the material which would involve variations temperature of the walls during a cycle.
  • one or both ends of the wide band 61 may be cut at an oblique angle to prevent deformation of the winding, for example at 45 ° by ratio to the length of the band. It's the same for band 111.
  • FIGS 10 and 11 are two sectional views in more detail of a machine consisting of two elemen tary ⁇ machine according to an embodiment of the present invention, and elements for limiting the losses in these machines. It will be noted that in these figures the structure of the regenerators has not been shown in detail and that the partitions formed in the compression / expansion chambers are shown for illustration and not to scale.
  • thermodynamic machine of Figures 10 and 11 comprises two elementary machines M1 and M2.
  • each elementary machine Ml and M2 comprises a first and a second chamber 55, 63, separated on one side by a regenerator 59 fixed on an axis 71 and on the other side by an outer wall 51, 67.
  • the axis 71 extends along the entire machine (see Figure 11). Nested axial partitions extend into each of the chambers.
  • a chamber 89 is formed, opposite the chamber 63 relative to the wall 51 by an extension 87 of the body 57 of the machine.
  • the chamber 89 is intended to receive a first heat transfer fluid.
  • the body 57 is also closed between the two elementary machines to form a chamber 94 located between the walls 67-1 and 67-2 and intended to receive a second heat transfer fluid.
  • the first heat transfer fluid is the cold fluid and that the second heat transfer fluid is the hot fluid (hot with respect to the cold fluid).
  • the opposite is also possible.
  • the 133-1 and 133-2 parts are elec trically insulating ⁇ to prevent corrosion due to contact of the coolant with two metals very different in nature in contact electric between them.
  • Parts 133-1 and 133-2 make it possible to organize the circulation of the fluid coolant in the porous portion of the outer walls 51-1 and 51-2 (see Figure 8).
  • Each part 133-1, 133-2 is provided with channels 135-1, 135-2 which allow a flow of fluid along the wall 51-1, 51-2.
  • channels 135-1, 135-2 allow a flow of fluid along the wall 51-1, 51-2.
  • the parts 133-1, 133-2 allow the heat transfer fluid is brought into contact with the entire surface of the wall 51-1, respectively 51-2, according to a radial flow in the porous portion.
  • the coolant coming from a cold source arrives and leaves the channels 135-1 and 135-2 via fluid circulation pipes 137-1, 137-2, integral with the 133-1, 133-2, which grout ⁇ in the fluid inlet and outlet pipe 91-1, 91-2 during the movement of the walls 51-1, 51-2.
  • Pistons 139-1, 139-2, integral parts 133-1, 133-2 are connected to the outer rigid bars 99 and 101 to maintain the walls 51-1 and 51-2 in motion and are traversed by the pipes 137-1 and 137-2.
  • the cold fluid inlet for the two elementary machines may be formed of a single fluid inlet separating between the two machines to reach the fluid inlets 91-1 and 91-2 (see FIG. 11).
  • parts 141-1, 141-2 similar to the pieces 133-1, 133-2, fixed relative to the body 57, are formed along the walls 67-1 and 67-2, these parts comprising channels similar to the channels 135 for the supply and the outlet of the hot fluid.
  • Pipes 143-1 and 143-2 are formed in the chamber 94 to bring the hot fluid into the channels through the body.
  • Rings 145 are provided around the axis 71, at the parts 133 and 141 and the walls 51 and 67 to ensure sealing at the axis 71.
  • the rings 145 may be in an electrical insulating material to avoid electrical contact between the exchanger and the rest of the structure, and for example to allow, by electrical contact measurement, the detection of an accidental contact between nested half-exchangers.
  • the body fulfills several functions: thermally isolating the hot and cold sources between them, thermally isolating a source with respect to the ambient air, ensuring the mechanical resistance to the pressure of the working gas by accepting a tangential stress, ensuring the mechanical strength to the pressure of the working gas by accepting an axial stress and sealing the working gas, especially in the case where the working gas is hydrogen or helium.
  • a first portion of the body, not shown in the figures, in contact with the working gas can be formed of a thin layer, optionally thermally conduc ⁇ trice having a low permeability and good resistance to gas, e.g. aluminum or preferably stainless steel in the case of using hydrogen as a working gas. Its fineness prevents direct thermal conduction between the sources (typically of the order of a millimeter or less).
  • a layer 147 of a poor thermal conductor material whose mechanical strength is not sufficient to hold alone the internal pressure of the working gas for example a plastic such as a polyacetal, a polyamide, a polyimide, a poly-x-sulfone or mixtures with base of resins and mineral fibers.
  • a plastic such as a polyacetal, a polyamide, a polyimide, a poly-x-sulfone or mixtures with base of resins and mineral fibers.
  • the layer 147 Around the layer 147 are formed metal circles 149 ensuring the mechanical strength and possibly being thermal conductors. To ensure this mechanical strength, they are preferably spaced apart from each other by a small space in front of the thickness of the layer 147. The multitude of spaces between the successive circles (not shown) makes it possible to avoid direct thermal conduction between the sources.
  • thermal insulation layer 151 Surrounding the circles 149 is formed a thermal insulation layer 151. In contrast to the other layers, the latter must limit the heat transport between the inside and the outside of the body, perpendicular to the structure, the other layers limiting the transport of heat. heat in the length of the structure. As seen in Figure 11, the thermal insulation 151 extends along the inlet and the outlet of hot heat transfer fluid.
  • the layer 151 may be made of a mineral wool.
  • Tie rods 153 held in position by washers and nuts at the ends of the body, present all around the body (only one is shown), may be provided to allow the holding of the assembly in the length of the machine (unlike the straps 149 which allow the mechanical resistance to the pressure in the direction tangential to the machine). 6. Losses due to travel
  • the insulating piece 155 is movable with the regenerator 59 and is provided with an infrared reflective coating.
  • the piece 155 is in contact with the body over part of its length to ensure the relative sealing between the compression / expansion chambers and to limit the direct heat transfer between these chambers.
  • a space, provided on the rest of its length, between the part 155 and the body makes it possible to limit the losses due to the displacement.
  • the part 155 can be made in the form of two vacuum-insulated nested cylinders to reduce its thermal conductivity in the direction of the thickness.
  • the rear volume losses are related to the compression and expansion of the gas volume located at the rear of the pistons in the rear chambers 89-1 and 89-2. This compression is not perfectly adiabatic, it causes losses. If the rear of the pistons is open, these losses correspond to the losses associated with the emission of sound waves (generally infrasonic for this type of machine).
  • check valves 159 in the fluid flow direction, on both sides of the machine.
  • it is intended to fix, in the body of the machine, in the chamber 94, fixed tubes 161 in contact with the channels closest to the axis 71 in the rooms 141-1 and 141-2.
  • the circulation in the fixed walls 67 can advantageously be achieved by an integrated solution of piston pumping, which pistons are in rigid mechanical connection with the movement of the regenerators 59-1 and 59-2 (or, in a case not shown, with the movement of pistons 139-1 and 139-2).
  • Pistons 163 movable with the axis 71 (connected to the regenerators), penetrating into the various tubes 161, allow the pumping of the coolant during the movement of the axis 71. They are preferably distributed symmetrically about the axis, by example is provided two symmetrical pistons, to allow a balance of forces and an action without parasitic torque on the axis and its guides.
  • regenerators when the regenerators are in motion, it activates the pistons 163 in the tubes 161 and allows, in each elementary machine, the pumping and expulsion of the hot heat transfer fluid in a suitable manner.
  • the movement of the pistons to create volume variations in the heat transfer fluid inlet and outlet tubes 137.
  • part of the tubes 137 is parallel to the movement of the moving pistons and the length of these tubes varies with the movement of the pistons.
  • two tubes 137 slide one inside the other to obtain this variation in length. It will also be possible to form a bellows in these tubes to obtain an identical effect.
  • the pipes 91-1 and 91-2 are fed in parallel through a common pipe.
  • the pumping and the expulsion of fluid in each elementary machine is thus carried out in phase opposition, the volume variations of the heat transfer fluid circuits being compensated for exactly. This makes it possible to ensure that the pumping is performed without variation of the total volume of the heat transfer fluid circuit. Since the speed of the machine is proportional to the thermal power taken and the necessary fluid flow is also proportional to this power, a volumetric pumping ensures operation with constant temperature differences.
  • the direct mechanical transmission avoids mechanical losses and all losses and additional costs associated with the installation of a fluid circulator (with power, motor ). Thus we combine low losses with simplicity (no need to regulate) and optimum operation by construction.
  • Dynamic seals cause friction.
  • a mini leak provided when the piston 139-1, 139-2 is in the given position makes it possible to pump the unplanned leaks in the other direction during the cycle and to limit the constraints on the dynamic seals.
  • This leakage makes it possible to determine the moment of the cycle when the pressures are equal on either side of the piston, for example when the piston is in the position where the working gas has a maximum volume. The rest of the movement allows the uncontrolled leaks that would have occurred during the cycle to be pumped in the opposite direction. This reduces the stress on these seals.
  • a small notch (not shown) can be formed in the body 57, in the chamber 89-1 and 89-2, at the piston 139-1, 139-2 when the chamber 89-1, 89 -2 has the lowest volume.
  • the membranes or bellows may possibly be double, for example to detect a large leakage through a system for detecting the presence of gas between the two walls.
  • seals 167-1, 167-2 may be formed around the pistons 139-1, 139-2 to permit dynamic sealing at the periphery thereof. Seals, not referenced in the figures, can also be provided at the level of the guide of the regenerator assembly, around the shaft 71 and at the pistons 139-1 and 139-2 moving in the pipes 91-1 and 91 -2, at the level of the integrated circulation of the coolant. Note that these joints may be replaced by bellows.
  • a system for balancing the working gas pressure in each of the compression / expansion chambers comprising a valve making it possible to change the proportions of proportionality between the speed and the thermal power in order to adjust the operating conditions.
  • ⁇ tion especially if one of the parameters (such as speed) is fixed (for example by another coupled machine).
  • pressure sensors in the chambers will be provided to obtain the instantaneous pressure of working gas, and in a reserve formed outside the machine.
  • the valve will be opened at the time of the cycle when the instantaneous pressure of the working gas is lower than the reserve and inver ⁇ ment.
  • two valves and check valves may be used, the seats of the valves being closer to the inside of the machine to prevent dead volumes.
  • the working fluid is hydrogen and where irreversible micro-leaks of gas appear through the walls or membranes, it can be provided to couple the pressure equalization system to a microsystem injection of gas, for example a mini-electrochemical cell, to counteract these micro-leaks. 11. Losses related to guidance
  • the spiral 51-1, 51-2 in contact with the pistons, can be wound on a mandrel (not shown) serving as a guide and ensuring a relative sealing.
  • the mandrel can be screwed onto the shaft 71 by an electrically insulating ring to prevent corrosion (not shown).
  • the two spirals constituting the half heat exchangers on either side of the regenerator can be wound on two aligned mandrels 169-1 and 169-2 and held by a thermally insulating ring (not shown) on which the regenerator can itself even be wrapped.
  • the fixed spiral constituting the fixed half-exchanger hot side
  • a slippery or rolling connection can be provided on a plane between an intermediate piston and the pistons 139-1 and 139-2, the plane being perpendicular to the guiding axis, the point application of the force exerted between the piston and the intermediate piston located on the guide axis.
  • This plane can also be a sphere arc centered on the mandrel 169.
  • the intermediate piston can be pre-loaded with a bearing.
  • a rolling connection has a very low coefficient of friction, which makes it possible to limit the losses due to these forces.
  • most of the driving force of the pistons 139-1, 139-2 passes through the axis of the guides which prevents a harmful torque occurs at the guide.
  • guide pieces can be added to the machine, for example at the two spirals of the hot flash chamber.
  • guiding is carried out in cold part, and the guide piece around the shaft 1 can transmit the guidance to the hot part via a thermally insulating part.
  • FIG. 12 illustrates a thermodynamic machine comprising two machines each consisting of two Stirling cycle elementary machines.
  • a first dual machine comprises two elementary machines M1 and M2 formed similarly to the machine illustrated in Figures 10 and 11. This first machine will not be redescribed in detail.
  • a second machine consisting of two elementary machines M3 and M4 (references followed by "-3" and "-4" for elements similar to the elementary machines M2 and M3) is formed in parallel with the first machine.
  • the second machine is similar to the first machine except that, in the central part of the machine, rather than providing a hot fluid circulation circuit, a combustion chamber 173 is formed in the machine enclosure (at the level of the first machine). chamber 94 of the first machine).
  • the central temperature of the second machine is thus higher than the central temperature of the first machine.
  • elements similar to those of the first machine namely combustion / expansion chambers separated by regenerators and walls / pistons.
  • On the warm side of the second machine no circulation is direct and the combustion chamber is fed with reagents which are introduced in conventional manner by pumps not shown.
  • These pumps can for example be connected to the motor shaft by a conventional mechanical transmission (gear, chain, ⁇ belt ...), or be associated with an electric motor powered by electricity generated by an alternator.
  • the combustion chamber 173 may be equipped with elements 175 capable of improving the heat exchange with its walls (for example exchange fins with the gases extending into the combustion chamber), and may be equipped with elements 177 may improve the mechanical strength at the pressure difference of the working gases in the two half-machines (reinforcement bars for example).
  • the general principle is to ensure that the mechanical energy supplied by a machine is directly used by other machines.
  • a rigid mechanical connection between the different machines makes it possible to directly transmit the mechanical energy without loss.
  • the rigid bar or bars 99 and 101 are connected to similar rigid bars connected to pistons and outer walls of the second machine.
  • An additional rigid bar 179 may be formed on the other side of the second machine to balance the torques applied to this machine.
  • regenerators shown have longer lengths than in the first machine. Indeed, on each cycle, these regenerators must recover and return to gas energy proportional to the temperature difference between the sources. This temperature difference is assumed to be greater in this case, hence the presence of a longer regenerator.
  • the regenerators of the two machines are also interconnected.
  • the shafts 71 of the two machines are interconnected by a rigid bar 181 external.
  • the rigid bar 181 may be double and be formed on either side of the shafts 71 and reconnect to the outside of the machine.
  • the first machine can function as a heat pump, the isolated central part being equipped an integrated system of circulation of heat transfer fluid in contact with the cold source (for example sensor pipes in the soil of a geothermal installation).
  • the hot central part may be a biomass combustion zone, and the heat transfer fluids circulating in the outer parts of the machines equipped with integrated circulations may be connected to a device for transporting the heat produced in a heating installation, for example radiators or a heated floor.
  • a portion of the heat produced by the combustion allows the production of mechanical energy in the second machine, this mechanical energy being used to operate the first machine heat pump by a rigid mechanical link without loss.
  • This absence of loss makes it possible to obtain a high coefficient of performance of the heat pump part, and thus to add a large part to the heating power obtained for the same fuel consumption.
  • the setting of the transmitted powers can be done by adjusting the pressures of the working gases. You can also take a portion of the power for a cogeneration function of electricity, in addition to heat.
  • the cold source could for example be a source of geothermal origin and the hot source a source connected for example to a heated floor.

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Abstract

L'invention concerne une machine thermodynamique constituée d'au moins un ensemble de deux machines élémentaires à cycle de Stirling (M1, M2) formées symétriquement dans un ou plusieurs corps cylindriques de même axe (57), chaque machine élémentaire comprenant des première et seconde chambres (55, 63) de compression/détente, un régénérateur (59) séparant les première et seconde chambres et des première et seconde parois externes (67, 51) destinées à fermer le volume, respectivement, des première et seconde chambres, le régénérateur, les première et seconde parois externes d'une machine élémentaire étant liés de façon rigide aux mêmes éléments des autres machines élémentaires.

Description

MACHINE THERMODYNAMIQUE A CYCLE DE STIRLING
Domaine de 1 ' invention
La présente invention concerne, de façon générale, des machines thermodynamiques à cycle de Stirling. Plus particu¬ lièrement, la présente invention concerne une machine dans laquelle les pertes d'énergie sont limitées.
Exposé de l'art antérieur
Les machines de Stirling sont utilisées pour la production de froid industriel et dans quelques applications militaires ou spatiales. Ces machines ont l'avantage de pouvoir être utilisées en tant que moteur ou pour produire de la chaleur ou du froid, sans utiliser de fluides frigorigènes qui sont généralement polluants. Un autre avantage d'une machine de Stirling est que sa source chaude est externe et donc que cette source peut être obtenue à l'aide de tout type de combustible connu, voire de rayonnement solaire.
Dans un cycle de Stirling, un gaz, par exemple de l'air, de l'azote, de l'hydrogène ou de l'hélium, est soumis à un cycle comprenant quatre phases : un chauffage isochore, une détente isotherme, un refroidissement isochore et une compression isotherme.
La figure 1 est un schéma générique d'une machine de Stirling. Une première chambre 3 est reliée à une seconde chambre 5 par l'intermédiaire d'un premier échangeur thermique 7, d'un régénérateur 9 et d'un second échangeur thermique 11. L'ensemble comprenant les chambres, les échangeurs et le régénérateur peut avoir une forme cylindrique. Les premier et second échangeurs 7 et 11 sont, respectivement, en contact avec une source chaude à une température chaude Tç et avec une source froide à une température froide Tp. Par exemple, la source froide peut être une source proche de la température ambiante et la source chaude une source beaucoup plus chaude isolée thermiquement . Dans le cas général que l'on considère ici, les échangeurs sont connectés aux sources chaudes et froides par 1 ' intermédiaire de fluides caloporteurs circulant dans des canalisations et animés par exemple au moyen de pompes (voir ci- après) .
Les chambres 3 et 5 sont fermées, respectivement, par des pistons mobiles 13 et 15 qui délimitent les volumes variables des chambres 3 et 5. On comprendra que les différents éléments de la machine de Stirling représentée en figure 1 peuvent être mobiles les uns par rapport aux autres de différentes façons : par exemple, les deux pistons 13 et 15 peuvent être mobiles et le régénérateur 9 et les échangeurs 7 et 11 être fixes, dans le cas d'une configuration dite alpha. Un des pistons 13 ou 15 peut également être fixe si la partie centrale (régénérateur) de la machine est mobile. On peut aussi prévoir que l'ensemble constitué du régénérateur 9 et des échangeurs 7 et 11 soit fixe et que les volumes variables des chambres 3 et 5 soient définis par un unique volume séparé en deux parties par une paroi mobile appelée déplaceur. Cette configuration est généralement appelée configuration bêta.
Les figures 2A à 2D illustrent des étapes d'un cycle moteur de Stirling.
A un état initial arbitraire A illustré en figure 2A, un volume de gaz est stocké dans la première chambre 3, la deuxième chambre 5 ayant un volume nul ou faible. Le gaz dans la première chambre 3 est chauffé par la source chaude et sa pression augmente. Ceci amène le piston 13 à se déplacer pour arriver à un état B (figure 2B) dans lequel le volume occupé par le gaz dans la chambre 3 est supérieur au volume de cette même chambre à l'état A. Pendant la phase de détente isotherme (étape A à B) , on récupère du travail mécanique .
Un refroidissement isochore permet ensuite de passer de l'état B à un état C dans lequel le gaz dans la chambre chaude 3 est transféré dans la chambre froide 5. Pendant ce transfert, le gaz stocké dans la chambre 3 passe par le régénérateur 9 et atteint la chambre 5 en se refroidissant. La chaleur contenue dans le gaz chaud est "récupérée" dans le régénérateur et le gaz se refroidit.
Une compression isotherme permet de passer de l'état C à un état D dans lequel le volume occupé par le gaz dans la chambre 5 est inférieur au volume de cette même chambre à l'état C. Cette compression est réalisée en actionnant le piston 15 afin de réduire le volume de la chambre 5. Cette étape consomme de l'énergie mécanique, mais moins que l'énergie fournie lors de la détente entre les états A et B.
Enfin, un transfert isochore permet de passer de l'état D à l'état initial A dans lequel le gaz est stocké dans la chambre chaude 3. Pendant cette étape, le gaz passe de la chambre froide 5 à la chambre chaude 3 par l'intermédiaire du régénérateur 9. Dans le régénérateur, la chaleur récupérée pendant le refroidissement isochore (étape B à C) est restituée au gaz lors de son deuxième passage dans le régénérateur (étape D à A) . Ainsi, le gaz se réchauffe avant d'arriver au contact de l'échangeur 7. On notera que, dans les machines connues, les chambres 3 et 5 se vident presque complètement à tour de rôle au cours du cycle.
En cycle moteur, le travail mécanique récupéré pendant la détente entre les étapes A et B est utilisé en partie pour la compression isotherme. Le régénérateur permet que la chaleur récupérée lors du passage de l'état B à l'état C soit distribuée au gaz lors du passage de l'état D à l'état A et évite les pertes dues à l'entrée de gaz chaud dans la chambre froide et inversement (il évite l'irréversibilité). En effet, le régénérateur fonctionne de la manière suivante : lorsqu'un gaz chaud passe dans un régénérateur froid, il se refroidit en réchauffant le régénérateur et, inversement, un gaz froid traversant le régénérateur chaud se réchauffe en refroidissant le régénérateur. Pour assurer sa fonction, il importe que le régénérateur soit constitué de matériaux peu conducteurs de la chaleur dans la direction du flux du gaz, par exemple des matériaux isolants thermiquement, afin d'éviter la transmission directe de chaleur entre des parties à des températures différentes .
On considère ici des machines que l'on souhaite réversibles, c'est-à-dire pouvant être utilisées en cycle moteur ou en cycle de pompe à chaleur. On notera que cette définition de la réversibilité diffère de la définition courante dans laquelle une machine réversible est une machine dont les sources froide et chaude peuvent être inversées.
Actuellement, les machines à cycle de Stirling présentent un rendement qui peut être amélioré. Ceci est dû à de nombreuses sources de pertes qui apparaissent dans ces machines, notamment au niveau des échanges thermiques entre les fluides caloporteurs et le gaz de travail et au niveau des entraînements mécaniques .
Ainsi, l'inventeur a recherché et identifié ces diffé¬ rentes sources de perte et a proposé des solutions pour les réduire .
Résumé
Un objet d'un mode de réalisation de la présente invention est de prévoir une machine thermodynamique à cycle de Stirling dans laquelle les différentes pertes d'énergie sont réduites . Un autre objet d'un mode de réalisation de la présente invention est de prévoir une machine thermodynamique à cycle de Stirling constituée de deux machines élémentaires fonctionnant en opposition de phase.
Ainsi, un mode de réalisation de la présente invention prévoit une machine thermodynamique constituée d'au moins un ensemble de deux machines élémentaires à cycle de Stirling formées symétriquement dans un ou plusieurs corps cylindriques de même axe, chaque machine élémentaire comprenant des première et seconde chambres de compression/détente, un régénérateur séparant les première et seconde chambres et des première et seconde parois externes destinées à fermer le volume, respectivement, des première et seconde chambres, le régénérateur, les première et seconde parois externes d'une machine élémentaire étant liés de façon rigide aux mêmes éléments des autres machines élémentaires .
Selon un mode de réalisation de la présente invention, chaque première paroi externe est mobile dans le corps, chaque deuxième paroi externe est fixe par rapport au corps, et chaque régénérateur est mobile dans le corps.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, deux régénérateurs de deux machines élémentaires formés dans un même corps sont liés entre eux par l'intermédiaire d'un axe situé au centre du corps et les premières parois externes sont liées rigidement entre elles par l'intermédiaire d'une ou de plusieurs barres s 'étendant hors du corps.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, les première et seconde chambres de compression/détente sont divisées par des premières et secondes cloisons s 'étendant axialement, respectivement, à partir de la paroi externe associée et à partir du régénérateur, les premières et secondes cloisons s ' imbriquant les unes dans les autres lors des mouvements relatifs entre lesdites premières et secondes cloisons . Selon un mode de réalisation de la présente invention, l'ensemble formé d'une paroi externe et des cloisons associées est formé par enroulement d'une bande large et d'au moins une bande moins large dont la largeur correspond à la largeur des parois externes, la bande moins large étant trouée sur toute sa largeur excepté au contact de la chambre, la bande large étant trouée sur sa portion située au niveau de la largeur trouée de la bande moins large.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, la machine comprend en outre des pièces associées aux première et seconde parois, à l'extérieur des chambres de compres¬ sion/détente, dans lesquelles sont définis des canaux permettant d'amener un fluide caloporteur dans les trous formés dans 1 ' enroulement .
Selon un mode de réalisation de la présente invention, chaque régénérateur est délimité par deux parois internes non étanches à partir desquelles s'étendent des cloisons axialement dans l'enceinte du régénérateur, chaque paroi interne et ses cloisons associées étant formées par enroulement d'une bande large et d'au moins une bande moins large dont la largeur correspond à la largeur des parois du régénérateur, la bande moins large comprenant, dans sa largeur, une première zone ondulée dont les ondulations sont obliques par rapport à la longueur de la bande, une deuxième zone plane et une troisième zone ondulée dont les ondulations sont obliques par rapport à la longueur de la bande, dans une direction opposée aux ondulations de la première zone, la bande large comprenant, en regard des première et troisième zones de la bande moins large dans l'en¬ roulement, des zones ondulées dont les ondulations sont obliques par rapport à la longueur de la bande large, dans une direction inverse aux ondulations de la bande moins large.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, chaque machine élémentaire comprend en outre une pièce cylindrique mobile avec le régénérateur formée autour du régéné- rateur dans le corps. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le corps comprend des extensions délimitant des premières chambres arrière de chaque machine élémentaire, à l'opposé des secondes chambres de compression/détente par rapport aux premières parois externes, les chambres arrière de chaque machine élémentaire étant en communication directe par une canalisation .
Selon un mode de réalisation de la présente invention, un premier fluide caloporteur arrive et part de chaque première chambre arrière par l'intermédiaire de canalisations dans lesquelles sont formés des clapets anti-retour dans le sens de circulation du premier fluide caloporteur, le mouvement des premières parois externes par rapport aux canalisations assurant le pompage du fluide caloporteur dans les canalisations.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, le corps comprend une extension délimitant une seconde chambre arrière, à l'opposé des secondes chambres par rapport aux secondes parois externes.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, un second fluide caloporteur arrive et part de la seconde chambre arrière par l'intermédiaire de canalisations dans lesquelles sont formés des clapets anti-retour dans le sens de circulation du second fluide caloporteur.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, la machine comprend une chambre de combustion dans la seconde chambre arrière, en contact avec les deuxièmes parois externes.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, les premières parois externes sont liées de façon rigide au pied d'une première bielle dont la tête est associée à un premier vilebrequin et les régénérateurs sont liés de façon rigide au pied d'une seconde bielle dont la tête est associée à un second vilebrequin, les premier et second vilebrequins étant formés autour d'un même axe. Brève description des dessins
Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles :
la figure 1, précédemment décrite, est un schéma générique d'une machine de Stirling ;
les figures 2A à 2D, précédemment décrites, illustrent des étapes d'un cycle de Stirling ;
la figure 3 est une vue en coupe simplifiée d'un exemple de structure d'une machine à cycle de Stirling ;
la figure 4 illustre un exemple de structure de deux demi-échangeurs de la machine de la figure 3 ;
la figure 5 est un schéma simplifié d'une machine élémentaire selon un mode de réalisation de la présente invention ;
la figure 6 est une vue en coupe simplifiée illustrant une machine constituée de deux machines thermodynamiques élémentaires selon un mode de réalisation de la présente invention ;
les figures 7A à 7F représentent des étapes d'un cycle mettant en jeu la machine de la figure 6 ;
la figure 8 illustre un exemple de deux demi- échangeurs selon un mode de réalisation de la présente inven- tion ;
les figures 9A, 9B et 9C illustrent plus en détail des éléments de la figure 8 ;
les figures 10 et 11 sont deux vues en coupe plus détaillées de la machine de la figure 6 ; et
la figure 12 illustre une machine thermodynamique comprenant quatre machines élémentaires à cycle de Stirling selon un mode de réalisation de la présente invention.
Par souci de clarté, de mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références aux différentes figures. De plus, les diverses figures ne sont pas tracées à l'échelle. Description détaillée
Pour augmenter le rendement des machines à cycle de Stirling, il est nécessaire d'identifier les différentes sources de pertes qui apparaissent dans ces machines puis de proposer des solutions pour limiter ces pertes.
1. Chambres de compression-détente et échangeurs
Des pertes apparaissent tout d'abord dans les chambres de compression/détente dans lesquelles des écarts de température apparaissent lors des compressions et détentes qui devraient théoriquement être isothermes. En effet, dans un cas classique où chaque chambre de compression/détente est constituée d'un volume délimité par des parois mobiles, la majeure partie du gaz subit une transformation qui n'est pas isotherme. Ainsi, le gaz se trouve à une température différente de celle de l'échangeur chaud ou froid correspondant.
Une deuxième source de pertes est classiquement due aux écarts de température qui apparaissent au sein de chaque échangeur, du fait de la résistance thermique des matériaux constituant ces échangeurs.
Pour limiter ces deux pertes, on forme des machines dans lesquelles les chambres de compression/détente sont directement associées aux sources chaude et froide et sont délimitées par des parois transverses mobiles à partir desquelles s'étendent des cloisons axiales qui s'imbriquent lorsque le volume des chambres diminue. Ainsi, chaque chambre de compression/détente est délimitée par une première paroi externe et par une seconde paroi liée au régénérateur, les échanges thermiques avec une source chaude ou froide étant réalisés au niveau de la paroi externe. On notera que, par la suite, on appellera "paroi" ou "paroi interne" une pièce délimitant une chambre de compression/détente du côté du régénérateur, bien que cette pièce ne soit pas étanche et soit prévue pour laisser passer le gaz dans une direction axiale. De plus, par la suite, on appellera "échangeur" une chambre de compression/détente destinée à recevoir de l'énergie provenant d'une source chaude ou d'une source froide. Les première et seconde parois, ainsi que leurs cloisons associées, seront appelées par la suite "demi-échangeur" .
D'une part, la formation de cloisons axiales dans les chambres de compression/détente permet que la température du gaz ne s'éloigne pas de celle de l'échangeur au cours de la compression/détente et, d'autre part, le mouvement de va-et- vient des parois permet un transport de la chaleur jusqu'au coeur de la structure d'échange et évite les variations de température dans les échangeurs, même dans le cas où les cloisons sont en un matériau peu conducteur, comme certains aciers .
La figure 3 est une vue en coupe détaillée du corps d'une telle machine à cycle de Stirling.
La machine est formée par exemple dans un cylindre hermétique 21 et comprend une première chambre 23 et une deuxième chambre 25 séparées par un régénérateur 27. Un échangeur, constitué de deux demi-échangeurs, est formé dans chacune des chambres 23 et 25. Une première paroi externe transverse étanche 33, respectivement 35, à partir de laquelle s'étendent des cloisons axiales 29, respectivement 31, forme un premier demi-échangeur dans la chambre 23, respectivement 25. Une deuxième paroi interne 41, respectivement 43, liée au régénérateur 27, à partir de laquelle s'étendent des cloisons axiales 37, respectivement 39, forme un second demi-échangeur dans la chambre 23, respectivement 25. Les parois internes 41 et 43 délimitent l'emplacement du régénérateur et laissent circuler le gaz .
Dans l'exemple représenté, le régénérateur 27 comprend des cloisons axiales 45, 47 qui s'étendent, respectivement, à partir des parois 41 et 43. Les cloisons 45 et 47 sont imbriquées, par exemple selon une forme identique à celle des cloisons 29 et 37 ou 31 et 39, et sont de préférence en un matériau mauvais conducteur thermique mais ayant de bonnes propriétés d'échange thermique avec le gaz, c'est-à-dire une effusivité thermique suffisante. Par exemple, les cloisons 45 et 47 peuvent être en polycarbonate . Des guides parallèles au flux de gaz peuvent être ajoutés dans le régénérateur pour assurer que le gaz transitant par celui-ci parcourt le même trajet dans les deux sens de déplacement. On notera que la structure du régénérateur décrite ici n'est qu'un exemple et que tout type de régénérateur connu pourra être utilisé dans la machine de la figure 3.
Dans l'exemple représenté, la machine est formée autour d'un arbre central 49. L'arbre 49 contient des éléments qui permettent le positionnement des différents éléments de la machine thermodynamique les uns par rapport aux autres . Les cloisons 29, 37, 31 et 39, voire même les cloisons 45 et 47, peuvent être formées par un enroulement en forme de spirale d'une ou de plusieurs feuilles autour de l'arbre 49. Des éléments permettant 1 ' étanchéité, l'isolation thermique, le maintien mécanique et/ou le déplacement des différentes parois 33, 35, 41 et 43 dans le cylindre 21 sont représentés en figure 3 par des portions hachurées .
La présence des cloisons 29 et 31 fixées, respectivement, aux parois 33 et 35 en contact avec les sources chaude et froide, permet la transmission de la chaleur dans tout le volume des chambres 23 et 25. Le mouvement de va-et-vient des cloisons 37 et 39 participe grandement à cette transmission.
La figure 4 est une vue en perspective illustrant une solution possible pour former des cloisons partitionnant la chambre 23 de la machine de la figure 3. On notera que, dans cette figure et celles qui suivent, le nombre de spires et l'espacement entre les différentes spires ne sont pas tracés à l'échelle.
En figure 4, le cylindre extérieur dans lequel se déplacent les éléments de la machine (21, figure 3) n'est pas représenté par souci de simplicité. De plus, les parois délimitant la chambre ont été représentées éloignées les unes des autres pour faciliter la compréhension. En pratique, les cloisons axiales s 'étendant à partir de ces parois sont imbriquées les unes dans les autres.
La chambre 23 est délimitée par une première paroi externe étanche 33, formée autour de l'axe 49, à partir de laquelle s'étendent des cloisons 29. La paroi 33 est prévue pour être mise en contact avec un fluide caloporteur chaud ou froid, généralement un liquide ou un gaz. Dans l'exemple représenté, les cloisons 29 et la paroi 33 sont formées par enroulement, autour de l'axe 49, de bandes en matériaux conducteurs. Une bande large formant les cloisons 29 et une bande plus épaisse, ou plusieurs bandes fines, formant la paroi 33 et assurant l'étanchéité de cette paroi sont enroulées autour de l'axe 49. Une soudure peut être réalisée au niveau de la paroi 33 pour améliorer l'étanchéité. De l'autre côté de la chambre de compression/détente 23 est formée une structure similaire à la structure 29/33, comprenant une paroi interne de séparation du régénérateur (non représentée) à partir de laquelle s'étendent les cloisons 37. Les cloisons 37 sont également formées d'une plaque enroulée autour de l'axe 49, la paroi de séparation du régénérateur associée aux cloisons 37 laissant circuler le gaz.
Dans cet exemple, les cloisons 29 et 37 ont ainsi, en vue en coupe dans un plan perpendiculaire à la longueur de la chambre, des formes de spirales. Une première spirale forme les cloisons 29 et une seconde spirale forme les cloisons 37, les cloisons 29 et 37 étant prévues pour s'imbriquer les unes dans les autres lors de la diminution du volume de la chambre 23.
La formation d'échangeurs imbriqués permet la réalisation de compressions et de détentes en même temps que l'échange thermique avec la source chaude/froide. On évite ainsi les variations de température du gaz dans la chambre puisque chaque molécule de gaz est relativement proche d'une cloison.
De plus, pour améliorer encore les échanges dans les chambres de compression/détente, on prévoit que la distance entre cloisons s 'étendant à partir d'une même paroi soit telle que le rapport entre cette distance élevée au carré et le temps de cycle de la machine thermodynamique soit inférieur à la diffusivité thermique moyenne du gaz contenu dans la chambre. Ceci permet à la chaleur des parois d'avoir le temps de diffuser dans l'ensemble du volume de gaz au cours d'un cycle de compression/détente, sans nécessiter de turbulences (régime laminaire) .
2. Pertes mécaniques
Dans des machines classiques, la compression du gaz est assurée par l'énergie récupérée lors de la détente de celui- ci. Dans un cycle simple, ces deux événements n'ont pas lieu simultanément, ce qui demande de stocker puis de déstocker de l'énergie. Généralement, ceci est réalisé par un volant d'inertie ou parfois par une accumulation d'énergie électrique.
De plus, l'énergie nécessaire à la compression est proportionnelle à la température absolue au cours de la compression. L'énergie récupérée lors de la détente est également proportionnelle à la température absolue au cours de la détente. La différence entre les deux températures définit le bilan énergétique. Si la transmission d'énergie est faite classiquement par un ensemble d'éléments mécaniques (bielles, paliers, engrenages...), ces éléments vont prélever un pourcentage de pertes mécaniques sur l'énergie qu'ils trans¬ mettent, proportionnelle à une température absolue.
Pour limiter les pertes mécaniques, on prévoit de former une machine thermodynamique comprenant plusieurs machines à cycle de Stirling élémentaires couplées de façon particulière.
La figure 5 est un schéma simplifié d'une machine à cycle de Stirling élémentaire et de son système d'entraînement selon un mode de réalisation de la présente invention. On notera que, en figure 5 et dans les figures qui suivent, des pièces mobiles ensemble sont hachurées de même façon.
La machine élémentaire comprend un premier demi- échangeur constitué d'une paroi externe 51 à partir de laquelle s'étendent des cloisons axiales 53 dans une première chambre de compression/détente 55. La paroi 51 est mobile dans un corps 57 délimitant le contour (par exemple cylindrique) de la machine. Un régénérateur 59 est formé dans le corps 57 et est mobile dans la longueur de celui-ci (axialement) . Du régénérateur 59 s'étendent, dans la chambre 55, des cloisons axiales 61 destinées à s'imbriquer avec les cloisons 53. De l'autre côté du régénérateur, dans le corps 57, est formée une seconde chambre de compression/détente 63. Du régénérateur 59 s'étendent, dans la chambre 63 des cloisons axiales 65. Un deuxième demi- échangeur, constitué d'une paroi externe 67 à partir de laquelle s'étendent des cloisons axiales 69 dans la chambre 63, est fixe par rapport au corps 57. Les cloisons 69 sont destinées à s'imbriquer dans la chambre 63 avec les cloisons 65. On notera que les cloisons 53, 61, 65 et 69 peuvent être formées de la façon décrite en relation avec la figure 4.
Les différents éléments mentionnés ci-dessus sont formés autour d'un axe 71, mobile avec le régénérateur 59. Un premier circuit de circulation de fluide 73 (source chaude ou froide) est formé pour refroidir ou pour réchauffer la paroi 51, et donc les cloisons 53. Un deuxième circuit de circulation de fluide 75 (source froide ou chaude) est formé pour refroidir ou pour réchauffer la paroi 67, et donc les cloisons 69. Les circuits 73 et 75 sont prévus pour amener le fluide froid ou chaud au plus près des chambres 55 et 63 (voir ci-après) .
Une extrémité de l'axe 71 est connectée au pied d'une bielle 77 dont la tête est connectée à un vilebrequin 79. La paroi mobile 51 est connectée au pied d'une bielle 81 dont la tête est connectée à un vilebrequin 83, dont l'axe est le même que celui du vilebrequin 79. Les têtes des bielles 77 et 81 sont couplées aux vilebrequins 81 et 83 de façon déphasée. Les vilebrequins 79 et 83 sont associés à un moteur M ou alternateur
85 (moteur dans le cas d'un cycle pompe à chaleur ou réfrigération, alternateur pour un fonctionnement en cycle moteur de Stirling) .
Le fonctionnement de la machine de la figure 5 est légèrement différent du fonctionnement de la machine de la figure 1 puisque, dans ce cas, le régénérateur est mobile dans la machine ( "régénérateur-déplaceur") . On notera que le système mécanique (bielles et vilebrequins) représenté en figure 5 n'est pas limitatif et que tout système mécanique permettant la trans- formation d'un mouvement de translation en un mouvement de rotation peut être utilisé, tant que les mouvements de l'axe 71 et de la paroi 67 sont déphasés l'un par rapport à l'autre.
Pour limiter les pertes dans des dispositifs comprenant des machines à cycle de Stirling, un mode de réalisation prévoit de coupler mécaniquement, et par liaison rigide, des éléments de deux ou plusieurs machines élémentaires telles que celle de la figure 5.
La figure 6 est une vue en coupe simplifiée et partielle illustrant un mode de réalisation d'une machine thermodynamique constituées de deux machines élémentaires associées à un unique système d'entraînement. On notera que la circulation des fluides caloporteurs, représentée en figure 5 mais non décrite en détail, n'est pas représentée en figure 6. Cette circulation sera décrite en détail en relation avec les figures 10 et 11.
En figure 6, on considère un dispositif comprenant deux machines élémentaires Ml et M2 telles que celle illustrée en figure 5. Dans cette figure, des références identiques à celles de la figure 5 sont utilisées pour décrire les machines Ml et M2, chaque référence appliquée à la machine Ml ayant une extension "-1" et chaque référence appliquée à la machine M2 ayant une extension "-2". De plus, les liaisons avec un moteur ou un alternateur telles que les liaisons 77-79-81-83 de la figure 5 ne sont pas représentées dans cette figure par souci de simplicité.
Les machines élémentaires Ml et M2 sont symétriques l'une par rapport à l'autre et leur contour est défini par un corps cylindrique 57. Chaque machine élémentaire comprend un régénérateur mobile 59-1, 59-2, non représenté en détail, de part et d'autre duquel sont formées deux chambres de compression/détente 63-1 et 55-1, 63-2 et 55-2. Des cloisons axiales 61-1 et 65-1 s'étendent, respectivement, à partir du régénérateur 59-1, dans les chambres 63-1 et 55-1. Des cloisons axiales 61-2, 65-2 s'étendent, respectivement, à partir du régénérateur 59-2, dans les chambres 63-2 et 55-2. La chambre 63-1, respectivement 55-1, est délimitée, à l'opposé du régénérateur 59-1, par une paroi externe 51-1, respectivement 67-1, à partir de laquelle s'étendent des cloisons axiales 53-1, respectivement 69-1. La chambre 63-2, respectivement 55-2, est délimitée, à l'opposé du régénérateur 59-2, par une paroi externe 51-2, respectivement 67-2, à partir de laquelle s'étendent des cloisons axiales 53-2, respectivement 69-2. Les parois 67-1 et 67-2 sont formées face à face dans le corps 57. Les éléments des machines Ml et M2 sont formés autour d'un axe central 71 unique, les régénérateurs 59-1 et 59-2 étant solidaires de cet axe.
Le corps 57 ferme les chambres 63-1, 55-1, 63-2 et 55-2 et se prolonge, de part et d'autre de chacune des machines élémentaires, en des portions 87-1, 87-2 définissant des cavités arrière 89-1, 89-2, à l'opposé de la chambre 63-1, 63-2 par rapport aux parois 51-1, 51-2. Au moins deux ouvertures 91-1, 91-2 sont formées dans l'extension 87-1, 87-2 pour permettre le passage d'un fluide caloporteur dans les cavités 89-1, 89-2 vers les parois externes 51-1, 51-2. Le corps 57 comprend également une extension 93 entre les deux machines élémentaires, entre les parois 67-1 et 67-2, pour former une chambre 94. Au moins deux ouvertures 95 sont formées dans l'extension 93 pour permettre le passage d'un fluide caloporteur vers les parois 67-1 et 67-2.
Une ou plusieurs liaisons rigides 97 sont formées, dans la chambre 94, pour connecter entre elles les parois 67-1 et 67-2, ces parois étant en outre solidaires du corps 57. On notera que les liaisons rigides 97 pourront ne pas être prévues, le maintien en position des parois 67-1 et 67-2 étant alors assuré par le corps 57. Une liaison rigide est également formée entre les parois 51-2 et 51-1, par l'extérieur du corps. La liaison rigide est formée par une pièce 99 solidaire des parois 51-1 et 51-2 qui traverse les extensions 87-1 et 87-2 du corps 57 et s'étend à l'extérieur du corps 57. Ainsi, les parois 51-1 et 51-2 sont en liaison mécanique directe. La liaison formée entre les parois 51-1 et 51-2 peut être consolidée d'une seconde pièce rigide 101 formée symétriquement par rapport à la pièce rigide 99 à l'extérieur du corps 57.
On notera que les régénérateurs pourront, en plus ou à la place de l'axe 71, être reliés entre eux par l'intermédiaire de barres rigides externes similaires aux barres 99 et 101.
Ainsi, dans un dispositif tel que celui de la figure 6, des éléments jouant des rôles identiques dans les deux machines élémentaires sont liés entre eux par des liaisons mécaniques directes (régénérateurs, premières parois mobiles 51-1 et 51-2 et deuxièmes parois fixes 67-1 et 67-2) .
De la même façon que dans la machine élémentaire de la figure 5, l'arbre 71 et les parois 51-1 et 51-2 sont connectés à un dispositif de transformation de mouvement mécanique linéaire en un mouvement rotatif, par exemple un système de bielles dont la rotation de la tête est déphasée.
Les figures 7A à 7F illustrent schématiquement le fonctionnement de la machine de la figure 6 dans un cycle moteur dans le cas où les ouvertures 95 permettent le passage d'un fluide caloporteur chaud et où les ouvertures 91-1 et 91-2 le passage d'un fluide caloporteur froid. On notera que les mouvements des éléments mobiles des deux machines sont sinusoïdaux et que l'on s'éloigne ainsi légèrement du cycle idéal. Cependant, les cycles suivis restent des cycles dont le rendement maximum théorique est celui de Carnot.
A l'étape illustrée en figure 7A, la machine Ml est en fin de phase de compression isotherme tandis que la machine M2 est en fin de phase de détente isotherme, ce qui amène le régénérateur 59-2 (R2) et la paroi 67-2 (H2) à être le plus éloigné l'un de l'autre (le volume de gaz chaud dans la machine M2 est le plus élevé) et le régénérateur 59-1 (RI) et la paroi 67-1 (Hl) à être les plus près l'un de l'autre (le volume de gaz chaud dans la machine Ml est le plus faible) .
A l'étape illustrée en figure 7B, la machine élémentaire Ml est en phase de réchauffement isochore. Le gaz circule dans le régénérateur (RI) de la chambre froide 63-1 vers la chambre chaude 55-1 et la détente isotherme du côté de la source chaude s'amorce. Pendant cette étape, la machine élémentaire M2 est en phase de refroidissement isochore. Le gaz part de la chambre 55-2 associée à la source chaude vers la chambre 63-2 associée à la source froide.
A l'étape illustrée en figure 7C, la machine Ml est en début de phase de phase de détente isotherme tandis que la machine M2 est en début de phase de compression isotherme, ce qui amène le volume de gaz froid dans la machine Ml à être le plus faible (régénérateur 59-1, RI, le plus proche de la cloison 55-1, Cl) et le volume de gaz froid dans M2 à être le plus élevé (régénérateur 59-2, R2, le plus éloigné de la paroi 51-2, C2) .
A l'étape illustrée en figure 7D, la machine Ml est en fin de phase de détente isotherme tandis que la machine M2 est en fin de phase de compression isotherme, ce qui amène le volume de gaz chaud dans la machine Ml à être le plus élevé (RI le plus éloigné de Hl) et le volume de gaz chaud dans la machine M2 à être le plus faible (R2 au plus près de H2) .
A l'étape illustrée en figure 7E, la machine Ml est en phase de refroidissement isochore, et la machine M2 en phase de réchauffement isochore.
A l'étape illustrée en figure 7F, la machine Ml est en début de phase de compression isotherme tandis que la machine M2 est en début de phase de détente isotherme (RI et Cl les plus éloignés, R2 et C2 les plus proches) .
Ainsi, les deux machines Ml et M2 ont des fonc¬ tionnements sinusoïdaux similaires, en opposition de phase. Avantageusement, dans une machine double, l'énergie de la détente récupérée par le mouvement relatif du régénérateur 59 et de la paroi 67 est transmise directement à la seconde machine pour réaliser la phase de compression isotherme dans cette seconde machine. La présence d'une liaison mécanique rigide entre les deux régénérateurs et entre les parois 51-1 et 51-2 permet d'éviter des pertes mécaniques : en effet, puisque cette liaison est rigide, il n'y a aucun frottement ni échauffement au sein de cette liaison.
L'énergie transmise par le système en liaison rigide, que ce soit à un ensemble bielle-vilebrequin, un moteur linéaire ou tout autre moyen transformateur de mouvement, correspond à la différence entre l'énergie nécessaire à la compression et l'énergie fournie par la détente. Un pourcentage de pertes, correspondant au rendement mécanique, est prélevé sur une énergie proportionnelle à la différence entre les températures absolues des sources chaude et froide, contrairement à la solution classique où ce pourcentage est prélevé sur chaque source d'énergie, donc proportionnelle à chaque température absolue .
L'architecture double permet ainsi une simultanéité entre compression et détente pour une utilisation directe de l'énergie sans stockage de celle-ci. Ceci permet de diminuer fortement les pertes mécaniques dans le système par rapport à des structures classiques où deux machines ou plus fonctionnent en opposition de phase et sont reliées, par des bielles différentes, à un même vilebrequin et un même axe moteur. Dans ce cas, l'énergie mécanique transite par les bielles et une partie de cette énergie est perdue. De plus, l'architecture double permet que la partie centrale soit mieux isolée thermiquement de l'air ambiant, comme nous le verrons en relation avec les figures 10 et 11.
3. Échangeurs et régénérateur
Un écart de température apparaissant entre le fluide caloporteur et les parois des échangeurs provoque également des pertes d'énergie. Afin de limiter ces pertes, on cherche à améliorer les échanges entre les fluides caloporteurs et les parois, notamment en utilisant des matériaux ayant une conductivité thermique suffisante et une épaisseur choisie convenablement .
De plus, dans le régénérateur, un écart de température entre les parois internes d'échange du régénérateur et le gaz peut également apparaître. Cet écart est d'autant plus fort que l'échange thermique entre les parois et le gaz est mauvais. Un écart de température, donc des pertes, apparaît également, au cours d'un cycle, en surface des parois internes d'échange du régénérateur : la paroi est légèrement refroidie par le gaz lors d'un passage, puis réchauffée. Cet effet est d'autant plus important que l'inertie thermique du régénérateur est faible. L'écart de température risque d'être augmenté si le cycle est rapide et qu'un "effet de peau" apparaît en surface des parois d'échange, la chaleur n'ayant pas le temps de pénétrer dans ces parois et seule la surface participant à la fonction de régénération.
En outre, le passage du gaz dans le régénérateur provoque des pertes de charge qui doivent être minimisées. De plus, le matériau qui forme le régénérateur est lui même un peu conducteur et provoque une conduction directe de la chaleur de la partie chaude vers la partie froide. Cette perte doit être minimisée .
Enfin, le débit de fluide caloporteur n'est pas infini, ni sa capacité calorifique. Ainsi, une chute de tempé- rature apparaissant entre l'entrée et la sortie des fluides caloporteurs provoque des pertes dans chaque échangeur. Ces pertes peuvent être grandement diminuées si on forme les échangeurs à l'aide d'enroulements réalisés avec des spires isolées entre elles, la circulation du fluide étant réalisée de manière radiale au contact de chaque échangeur. De plus, si le régénérateur est également constitué de spires isolées entre elles, chaque partie du gaz a alors un mouvement laminaire de va-et-vient successivement dans une spire de même rayon de 1' échangeur chaud, du régénérateur et de l' échangeur froid. Chaque partie de gaz à un rayon donné de l'axe suit alors un cycle de Stirling entre deux températures qui varient en fonction du rayon.
La figure 8 illustre un mode de réalisation de deux demi-échangeurs délimitant une chambre de compression/détente. Les figures 9A à 9C illustrent plus en détail des portions des demi-échangeurs de la figure 8.
Pour favoriser les échanges thermiques entre les sources chaude et froide et le gaz contenu dans chacune des machines élémentaires, et pour faciliter les échanges de fluide entre les chambres de compression et de détente d'une machine élémentaire, on prévoit de former des demi-échangeurs et des régénérateurs de façon particulière.
La figure 8 est une vue en perspective d'une structure d'une chambre de compression/détente 63. Dans cette figure, le corps de la machine n'a pas été représenté par souci de clarté.
La chambre 63 est délimitée par une première paroi externe 51 à partir de laquelle s'étendent des cloisons axiales 53 dans la chambre et par une seconde paroi 59 associée à un régénérateur.
A partir de la paroi 59 s'étendent des cloisons axiales 61 dans la chambre 63. Les cloisons 53 et 61 sont en regard et sont destinées à s ' imbriquer lorsque le volume de la chambre 63 diminue .
La paroi externe 51 est destinée à être mise en contact avec une source froide ou chaude. Pour améliorer les échanges entre la paroi 51, en contact avec les cloisons 53, et le fluide froid ou chaud, on prévoit de former cet ensemble de façon particulière, en enroulant ensemble plusieurs bandes. Une première bande large 111, dont une extrémité forme les cloisons 53, est enroulée avec une ou plusieurs bandes 113 moins larges dont la largeur correspond à la largeur de la paroi 51. La ou les bandes 113 sont percées de trous 115 sur toute leur largeur, excepté sur une mince largeur sur laquelle sera réalisée l'étanchéité entre gaz de travail (dans la chambre 63) et fluide caloporteur, comme cela est illustré en figure 9A. La bande large 111, dont une partie forme les cloisons 53, est également percée de plusieurs trous, mais uniquement sur sa largeur correspondant à la largeur trouée des bandes 113.
L'enroulement des bandes 111 et 113 est prévu de façon que, à la limite de la chambre 63, les trous s'arrêtent pour permettre l'étanchéité de la chambre 63. Pour améliorer cette étanchéité, cette extrémité en contact avec la chambre 63 sera collée, brasée ou soudée, par exemple au laser, après enroulement pour former la partie étanche de la chambre 63. Ainsi, l'enroulement est poreux au niveau de la source de fluide caloporteur et étanche au niveau de la chambre 63.
La portion poreuse dans les bandes 111 et 113 permet de faire circuler le fluide caloporteur au plus près de la chambre 63 et des cloisons 53. Pour permettre le passage du fluide, les trous sont dimensionnés et positionnés de telle façon que chaque trou d'une bande donnée débouche toujours au niveau d'au moins un trou dans chaque bande qu'elle contacte. Cette structure en quinconce permet de faire en sorte que des trous à des distances différentes du bord des bandes soient en communication. Ceci permet au fluide caloporteur de pénétrer facilement dans l'épaisseur du poreux. De plus, une rangée de trous est positionnée sur le bord des bandes 111 et 113, du côté du fluide caloporteur, pour permettre au fluide de pénétrer dans la structure poreuse.
Le pas des trous des bandes est choisi de manière qu'il n'y ait pas apparition de structure répétitive dans la partie poreuse qui pourrait nuire à la circulation du fluide. Par exemple, si l'épaisseur totale des rubans que l'on enroule les uns avec les autres vaut e, on évitera que le pas du motif formé par les trous soit proche d'un multiple entier de ne. Un diamètre important des trous permet une bonne circulation du fluide de refroidissement, mais ce diamètre doit être choisi pour permettre une bonne conduction de la chaleur par le matériau restant autour des trous.
La figure 9A illustre une bande 113 dans laquelle sont formés des trous 115 selon un motif adapté. Les trous 115 sont formés sur plusieurs lignes dans la longueur de la bande, en quinconce. A titre d'exemple d'application numérique dans le cas où l'ensemble des bandes enroulées a une épaisseur e = 0,552 mm, les trous 115 d'une même ligne peuvent être espacés d'une distance comprise entre 4,7 et 4,9 mm, de préférence de 4,8 mm. Les trous de deux lignes adjacentes ont leurs centres situés sur un axe formant un angle d'environ 60° par rapport à la largeur de la bande. Dans la largeur de la bande, des trous formés dans deux lignes adjacentes peuvent être séparés d'une distance comprise entre 1,3 et 1,4 mm (distance entre deux trous au même niveau dans la longueur de la bande comprise entre 2,5 et 3 mm). D'autres cotes sont représentées en figure 9A à titre d'exemple.
Le rendement peut également être amélioré si on maintient un écart de température au sein de l'enroulement entre l'entrée et la sortie du fluide caloporteur. Dans le cas d'un écoulement radial du fluide (voir ci-après) , on cherche à limiter la conductivité thermique dans le sens radial de l'ensemble de la structure. Pour cela on prévoit d'isoler entre elles les différentes bandes de la structure spirale, cet isolement permettant en outre de donner à l'ensemble l'élasticité qui lui permet de s'adapter à la différence de dilatation entre l'intérieur et l'extérieur de la spirale. Ces deux fonctions, souplesse et isolation, peuvent être réalisées à l'aide d'une colle légèrement souple et suffisamment isolante thermiquement 114, à la limite de la chambre 63 dans l'enroulement. Pour cela, on peut souder les spires en suivant des "zig-zag" 114 ou en suivant une sinusoïde comprise dans la largeur de la partie des bandes enroulées non trouées, le pas de la sinusoïde suivant la même condition que le pas des trous (différent d'un multiple de %e) .
Les points où les soudures de deux couches se super¬ posent permettent d'obtenir la rigidité et la précision du positionnement angulaire de chaque ruban, positionnement néces¬ saire à la tenue dimensionnelle de l'enroulement, tandis que les points où les soudures de deux couches ne se superposent pas permettent de faire en sorte que les couches ne soient pas complètement jointives, ce qui permet une isolation thermique entre couches et de la souplesse dans le sens radial pour absorber les dilatations.
On notera que la structure de parois d'échange décrite ci-dessus s'applique aux différentes parois externes d'échange de la machine de la figure 5, à savoir aux parois 51 et 67.
Pour minimiser les différentes sources de pertes dans les régénérateurs, on prévoit également une structure parti- culière des régénérateurs, illustrée partiellement en figures 8, 9B et 9C. Le régénérateur est réalisé dans un matériau isolant thermique, dont l'effusivité thermique et l'inertie thermique sont suffisantes pour éviter les variations de température au cours d'un cycle.
Le régénérateur est délimité par deux parois internes
(voir figures 10 à 12) , une seule de ces parois (référence 59) étant illustrée en figure 8. De ces parois s'étendent des cloisons axiales 61 et 65 dans les chambres de compres¬ sion/détente 63 et 55.
Pour réaliser un régénérateur, on prévoit de former un enroulement de plusieurs bandes, une première bande large étant destinée à former les cloisons 61 de l'échangeur et une ou des deuxièmes bandes 117, moins larges, assurant le passage du gaz, le maintien de la structure et la formation de la paroi du régénérateur. Une troisième bande, similaire à la première, peut être prévue dans le même enroulement ou en décalé pour former les cloisons internes du régénérateur (non représenté) . Comme cela est représenté en figure 8, 9B et 9C, la ou les bandes fines 117 et une portion des bandes larges située dans l'enroulement au niveau de la bande fine sont déformées.
La figure 9B illustre la déformation de la bande formant les cloisons 61, au niveau de sa portion destinée à être enroulée avec la ou les bandes moins larges 117. La bande 61 comprend, dans la largeur de cette portion, et sur toute sa longueur, un enchaînement de trois zones 119, 121 et 123. La zone 119, la plus proche du régénérateur, est ondulée, les ondulations étant obliques par rapport à la longueur de la bande 61. La zone centrale 121 est plane et la zone 123, la plus proche de la chambre 63, est ondulée, les ondulations étant obliques symétriquement par rapport aux ondulations de la zone 119.
De la même façon, la bande 117 comprend, sur sa largeur, trois zones, la première étant ondulée, la seconde étant plane et la troisième étant également ondulée, les ondulations des première et troisième zones étant obliques dans des directions différentes. L'enroulement des bandes 61 et 117 est prévu de façon que des ondulations qui se superposent soient obliques dans des sens différents. Ceci permet d'obtenir un éloignement constant entre les cloisons 61 dans la chambre 63, et permet la circulation du gaz dans le régénérateur. A titre d'exemple, les différentes zones ondulées peuvent être formées par emboutissage.
La figure 9C illustre un exemple de dimensions possibles pour les ondulations des parties ondulées de la bande 117 (identiques, symétriquement, aux ondulations de la bande 61) . A titre d'exemple, les première et troisième zones ondulées peuvent être formées sur une largeur de l'ordre de 3,5 mm et la deuxième zone plane peut s'étendre sur une largeur de l'ordre de 3 mm. Les ondulations des première et troisième zones peuvent avoir un débattement, dans l'épaisseur, de 0,276 mm et être orientées par rapport à la longueur de la bande de 30° (symétriquement pour les première et troisième portions) .
De la même façon que les cloisons 61, pour limiter les pertes dans le régénérateur, les cloisons internes au régéné- rateur (45 et 47) s'étendent dans celui-ci en étant imbriquées, l'imbrication étant rendue possible par la présence des ondulations sur l'extrémité des cloisons internes au niveau de leur maintien sur les parois.
Le gaz circule ainsi dans les espaces presque plans constitués par les couches successives des spirales. La géométrie conduit à une circulation du gaz (entre deux plans ou quasi plans) dans le régénérateur qui permet de maximiser le rapport nombre de Nusselt sur coefficient de friction en régime laminaire (régime inévitable compte tenu des dimensions et des vitesses de gaz) . On maximise ainsi les échanges thermiques dans le régénérateur tout en minimisant les pertes par frottement visqueux.
Le matériau formant les éléments du régénérateur est un mauvais conducteur thermique pour éviter la conduction thermique directe entre source chaude et froide, la capacité calorifique de l'ensemble étant suffisante pour éviter que les températures à 1 ' intérieur du régénérateur ne varient trop au cours du cycle. Enfin, la diffusivité thermique du matériau est suffisante pour permettre que l'ensemble de la masse du matériau soit mobilisé pour participer à l'échange thermique au cours d'un cycle et éviter un "effet de peau" dans le matériau qui impliquerait des variations de température des parois au cours d'un cycle. Par exemple, pour satisfaire à ces différentes conditions, on peut choisir de former les régénérateurs en des matériaux plastiques enroulables, ou encore en des feuilles à base de fibres minérales.
On notera que, pour faciliter l'enroulement des différentes bandes formant les parois des échangeurs, une ou les deux extrémités de la bande large 61 pourra être découpée selon un angle oblique pour éviter une déformation de l'enroulement, par exemple à 45° par rapport à la longueur de la bande. Il en est de même pour la bande 111.
4. Circulation du fluide caloporteur dans les chambres arrière
Les figures 10 et 11 sont deux vues en coupe plus détaillées d'une machine constituée de deux machines élémen¬ taires selon un mode de réalisation de la présente invention, et des éléments permettant de limiter les pertes dans ces machines . On notera que, dans ces figures, la structure des régénérateurs n'a pas été représentée en détail et que les cloisons formées dans les chambres de compression/détente sont représentées pour illustration et non à l'échelle.
La machine thermodynamique des figures 10 et 11 comprend deux machines élémentaires Ml et M2. Dans ces figures, des références identiques aux références utilisées en relation avec la figure 6 pour des éléments déjà décrits ont été reprises. Ainsi, chaque machine élémentaire Ml et M2 comprend une première et une seconde chambre 55, 63, séparées d'un côté par un régénérateur 59 fixe sur un axe 71 et d'un autre côté par une paroi externe 51, 67. L'axe 71 s'étend le long de l'ensemble de la machine (voir figure 11) . Des cloisons axiales imbriquées s'étendent dans chacune des chambres. A l'extérieur des machines élémentaires, une chambre 89 est formée, à l'opposé de la chambre 63 par rapport à la paroi 51 par une extension 87 du corps 57 de la machine. La chambre 89 est destinée à recevoir un premier fluide caloporteur. Le corps 57 est également fermé entre les deux machines élémentaires pour former une chambre 94 située entre les parois 67-1 et 67-2 et destinée à recevoir un second fluide caloporteur. Dans la description des figures 10 et 11, pour simplicité, on considérera que le premier fluide caloporteur est le fluide froid et que le second fluide caloporteur est le fluide chaud (chaud par rapport au fluide froid). Bien sûr, l'inverse est également possible.
Pour guider la circulation des fluides caloporteurs dans les parties poreuses des parois 51-1 et 51-2, on prévoit de former des pièces 133-1, respectivement 133-2, le long des parois 51-1, respectivement 51-2, dans les chambres 89-1, respectivement 89-2. Ces pièces sont en mouvement avec les parois 51-1 et 51-2.
De préférence, dans le cas d'utilisation d'un fluide caloporteur aqueux, les pièces 133-1 et 133-2 sont élec¬ triquement isolantes pour éviter la corrosion due au contact du fluide de refroidissement avec deux métaux de natures très différentes en contact électrique entre eux. Les pièces 133-1 et 133-2 permettent d'organiser la circulation du fluide caloporteur dans la partie poreuse des parois externes 51-1 et 51-2 (voir figure 8) .
Chaque pièce 133-1, 133-2 est pourvue de canaux 135-1, 135-2 qui permettent une circulation du fluide le long de la paroi 51-1, 51-2. Par exemple, on peut prévoir un premier canal circulaire externe sur la périphérie de la paroi 51 permettant 1 ' arrivée du fluide froid, et un second canal circulaire proche de l'axe 71 de la structure pour permettre la sortie du fluide froid. Ainsi, les pièces 133-1, 133-2 permettent que le fluide caloporteur soit amené au contact de toute la surface de la paroi 51-1, respectivement 51-2, selon une circulation radiale dans la partie poreuse.
Comme on le voit en figure 11, le fluide caloporteur provenant d'une source froide arrive et sort des canaux 135-1 et 135-2 par l'intermédiaire de tuyaux de circulation de fluide 137-1, 137-2, solidaires de la pièce 133-1, 133-2, qui coulis¬ sent dans le tuyau d'arrivée et de sortie de fluide 91-1, 91-2 lors du mouvement des parois 51-1, 51-2. Des pistons 139-1, 139-2, solidaires des pièces 133-1, 133-2, sont connectés aux barres rigides externes 99 et 101 pour maintenir les parois 51-1 et 51-2 en mouvement solidaire et sont traversés par les tuyaux 137-1 et 137-2. On notera que l'arrivée de fluide froid pour les deux machines élémentaires pourra être formée d'une unique arrivée de fluide se séparant entre les deux machines pour atteindre les entrées de fluide 91-1 et 91-2 (voir figure 11) .
De la même façon, au niveau de la chambre arrière 94, des pièces 141-1, 141-2 similaires aux pièces 133-1, 133-2, fixes par rapport au corps 57, sont formées le long des parois 67-1 et 67-2, ces pièces comprenant des canaux similaires aux canaux 135 permettant l'amenée et la sortie du fluide chaud. Des tuyaux 143-1 et 143-2 sont formés dans la chambre 94 pour amener le fluide chaud dans les canaux au travers du corps .
Des bagues 145 sont prévues autour de l'axe 71, au niveau des pièces 133 et 141 et des parois 51 et 67 pour assurer l'étanchéité au niveau de l'axe 71. Les bagues 145 peuvent être en un matériau isolant électrique pour éviter un contact électrique entre l'échangeur et le reste de la structure, et par exemple pour permettre, par mesure de contact électrique, la détection d'un contact accidentel entre des demi-échangeurs imbriqués.
5. Corps de la machine
Pour limiter ces pertes, on cherche à former un corps, au moins au niveau de chacune des machines élémentaires, le plus isolant possible. Le corps remplit plusieurs fonctions : isoler thermiquement les sources chaude et froide entre elles, isoler thermiquement une source vis à vis de l'air ambiant, assurer la tenue mécanique à la pression du gaz de travail en acceptant une contrainte tangentielle, assurer la tenue mécanique à la pression du gaz de travail en acceptant une contrainte axiale et assurer l'étanchéité au gaz de travail, surtout dans le cas où le gaz de travail est de l'hydrogène ou de l'hélium.
Un matériau permettant d'assurer toutes ces fonctions à la fois n'existant pas à des coûts raisonnables, sans compter qu'une partie de la paroi peut être soumise à des températures élevés, on prévoit de former le corps en un empilement de plusieurs couches permettant chacune de réaliser une ou plusieurs de ces fonctions.
Ainsi, une première partie du corps, non représentée dans les figures, en contact avec le gaz de travail, peut être formée d'une couche fine, éventuellement thermiquement conduc¬ trice, ayant une faible perméabilité et une bonne tenue au gaz, par exemple de l'aluminium ou de préférence un acier inoxydable dans le cas d'utilisation de l'hydrogène comme gaz de travail. Sa finesse empêche une conduction thermique directe entre les sources (typiquement de l'ordre du millimètre voire inférieur).
Autour de la couche fine est formée une couche 147 d'un matériau mauvais conducteur thermique dont la tenue mécanique n'est pas suffisante pour tenir seule la pression interne du gaz de travail (par exemple un plastique tel qu'un poly-acétal, un poly-amide, un poly-imide, un poly-x-sulfone ou des mélanges à base de résines et de fibres minérales) . La conduction thermique faible de la couche 147 permet d'éviter la conduction thermique directe entre les sources.
Autour de la couche 147 sont formés des cercles métalliques 149 assurant la tenue mécanique et étant éventuellement conducteurs thermiques. Pour assurer cette tenue mécanique, ils sont de préférence espacés les uns des autres d'un espace faible devant l'épaisseur de la couche 147. La multitude d'espaces entre les cercles successifs (non représentés) permet d'éviter la conduction thermique directe entre les sources.
Autour des cercles 149 est formée une couche d'isolation thermique 151. Contrairement aux autres couches, celle ci doit limiter le transport de chaleur entre l'intérieur et l'extérieur du corps, perpendiculairement à la structure, les autres couches limitant le transport de la chaleur dans la longueur de la structure. Comme on le voit en figure 11, l'isolation thermique 151 se prolonge le long de l'arrivée et de la sortie de fluide caloporteur chaud. Par exemple, la couche 151 peut être constituée d'une laine minérale.
Des tirants 153, maintenus en position par des rondelles et des écrous aux extrémités du corps, présents tout autour du corps (un seul est représenté) , peuvent être prévus pour permettre la tenue de l'ensemble dans la longueur de la machine (contrairement aux cerclages 149 qui permettent la tenue mécanique à la pression dans le sens tangentiel à la machine) . 6. Pertes dues aux déplacements
Pour limiter des pertes, dans chacune des machines élémentaires, par conduction directe entre les chambres de compression/détente dues au déplacement de l'ensemble régéné¬ rateur le long des parois, on prévoit de former une pièce sensiblement cylindrique 155, tout autour du régénérateur. La pièce 155, isolante, est mobile avec le régénérateur 59 et est pourvue d'un revêtement réfléchissant aux infrarouges. La pièce 155 est en contact avec le corps sur une partie de sa longueur pour assurer l'étanchéité relative entre les chambres de compression/détente et limiter les transferts directs de chaleur entre ces chambres. Un espace, prévu sur le reste de sa longueur, entre la pièce 155 et le corps permet de limiter les pertes dues au déplacement. La pièce 155 peut être réalisée sous forme de deux cylindres emboîtés isolés sous vide pour diminuer sa conductivité thermique dans le sens de l'épaisseur.
7. Pertes en volumes arrière
Les pertes en volume arrière sont liées à la compression et détente du volume de gaz situé à l'arrière des pistons dans les chambres arrière 89-1 et 89-2. Cette compression n'étant pas parfaitement adiabatique, elle provoque des pertes. Si l'arrière des pistons est ouvert, ces pertes correspondent aux pertes associées à l'émission d'ondes sonores (en général infrasonores pour ce type de machine) .
Pour limiter ces pertes, on prévoit de mettre en communication les volumes 89-1, 89-2 situés à l'arrière des pistons 139-1 et 139-2. Ceci permet que la variation de l'un de ces volumes compense exactement la variation de l'autre volume. Ainsi, il n'y a plus de cycle de compression/détente pour le volume situé à l'arrière des pistons et les pertes sont réduites. Cette solution est représentée en figure 11 dans laquelle une canalisation 157 relie les chambres arrière 89-1 et 89-2. Cette structure permet quasiment d'annuler les pertes en volume arrière et de diminuer l'émission sonore.
8. Circulation intégrée des fluides
Pour limiter encore les pertes dans le système, on cherche à utiliser le mouvement des différents éléments de la machine pour réaliser le pompage des fluides caloporteurs au niveau de la source chaude.
Pour cela, on prévoit de former, dans les différents tubes d'arrivée et de sortie de fluide, des clapets anti-retour 159 dans le sens de circulation du fluide, de part et d'autre de la machine. De plus, on prévoit de fixer, au corps de la machine, dans la chambre 94, des tubes fixes 161 en contact avec les canaux les plus proches de l'axe 71 dans les pièces 141-1 et 141-2.
La circulation dans les parois fixes 67 peut être avantageusement réalisée par une solution intégrée de pompage par pistons, lesquels pistons sont en liaison mécanique rigide avec le mouvement des régénérateurs 59-1 et 59-2 (ou encore, dans un cas non représenté, avec le mouvement des pistons 139-1 et 139-2). Des pistons 163 mobiles avec l'axe 71 (lié aux régénérateurs) , pénétrant dans les différents tubes 161, permettent le pompage du fluide caloporteur lors du mouvement de l'axe 71. Ils sont de préférence répartis symétriquement autour de l'axe, par exemple on prévoit deux pistons symétriques, afin de permettre un équilibrage des forces et une action sans couple parasite sur l'axe et ses guidages.
Ainsi, lorsque les régénérateurs sont en mouvement, cela actionne les pistons 163 dans les tubes 161 et permet, dans chaque machine élémentaire, le pompage et l'expulsion du fluide caloporteur chaud de façon adaptée .
De façon similaire, du côté des pistons mobiles 139, on peut se servir du mouvement des pistons pour créer des variations de volume dans les tubes 137 d'arrivée et de sortie du fluide caloporteur. Dans ce cas, une partie des tubes 137 est parallèle au mouvement des pistons mobiles et la longueur de ces tubes varie avec le mouvement des pistons. Dans l'exemple représenté en figure 11, deux tubes 137 coulissent l'un dans l'autre pour obtenir cette variation de longueur. On pourra également prévoir de former un soufflet dans ces tubes pour obtenir un effet identique.
Les tuyaux 91-1 et 91-2 sont alimentés en parallèle par une canalisation commune. Le pompage et l'expulsion de fluide dans chaque machine élémentaire est ainsi réalisé en opposition de phase, les variations de volume des circuits de fluide caloporteurs se compensant exactement. Ceci permet de faire en sorte que le pompage soit réalisé sans variation du volume total du circuit de fluide caloporteur. La vitesse de la machine étant proportionnelle à la puissance thermique prélevée et le débit de fluide nécessaire étant lui aussi proportionnel à cette puissance, un pompage volumétrique permet d'assurer un fonctionnement avec des écarts de température constants. La transmission mécanique directe permet d'éviter des pertes mécaniques et toutes les pertes et surcoûts liés à la mise en place d'un circulateur de fluide (avec alimentation, moteur...). Ainsi on allie faible pertes à simplicité (absence de besoin de réguler) et fonctionnement optimum par construction.
9. Pertes liées à l'étanchéité
Les étanchéités dynamiques provoquent des frottements. Pour limiter ces pertes, une mini fuite prévue lorsque le piston 139-1, 139-2 est en position donnée, par exemple la plus éloignée du régénérateur 59, permet de pomper les fuites non prévues dans l'autre sens au cours du cycle et de limiter les contraintes sur les étanchéités dynamiques. Cette fuite permet la détermination du moment du cycle où les pressions sont égales de part et d'autre du piston, par exemple lorsque le piston est dans la position où le gaz de travail a un volume maximal. La suite du mouvement permet de pomper en sens inverse les fuites non maîtrisées qui auraient eu lieu au cours du cycle. On diminue ainsi la contrainte qui pèse sur ces étanchéités.
Pour obtenir cette fuite, on peut former une petite encoche (non représentée) dans le corps 57, dans la chambre 89-1 et 89-2, au niveau du piston 139-1, 139-2 lorsque la chambre 89-1, 89-2 a un volume le plus faible. De plus, pour assurer l'étanchéité de l'ensemble, on peut prévoir une membrane déroulante ou un soufflet 165-1, 165-2 le long de l'arbre 71, au niveau de l'extension du corps 87-1, 87-2. On notera que l'on pourra se passer d'une telle membrane ou soufflet si l'ensemble de la machine, électronique éventuelle comprise, est inclus dans un ensemble étanche. Les membranes ou soufflets pourront éventuellement être double, par exemple pour détecter une grosse fuite grâce à un système de détection de la présence de gaz entre les deux parois.
De plus, des joints 167-1, 167-2 peuvent être formés autour des pistons 139-1, 139-2 pour permettre l'étanchéité dynamique à la périphérie de ceux-ci. Des joints, non référencés dans les figures, peuvent également être prévus au niveau du guidage de l'ensemble régénérateur, autour de l'arbre 71 et au niveau des pistons 139-1 et 139-2 mobiles dans les canalisations 91-1 et 91-2, au niveau de la circulation intégrée du fluide caloporteur. On notera que ces derniers joints pourront être remplacés par des soufflets.
10. Equilibrage de la pression
On pourra également prévoir un système d'équilibrage de la pression du gaz de travail dans chacune des chambres de compression/détente, comprenant une vanne permettant de changer les rapports de proportionnalité entre la vitesse et la puissance thermique afin d'ajuster les conditions de fonc¬ tionnement, en particulier si l'un des paramètres (comme la vitesse) est fixé (par exemple par une autre machine couplée) . Pour cela, on prévoira des capteurs de pression dans les chambres pour obtenir la pression instantanée de gaz de travail, et dans une réserve formée à l'extérieur de la machine.
Pour augmenter la pression de travail, la vanne sera ouverte au moment du cycle où la pression instantanée du gaz de travail est moins élevée que celle de la réserve, et inver¬ sement. A titre de variante, on pourra utiliser deux vannes et des clapets anti-retour, les sièges des clapets étant au plus près de l'intérieur de la machine pour éviter des volumes morts.
De plus, dans le cas où le fluide de travail est de l'hydrogène et où des micro-fuites de gaz irréversibles apparaissent au travers des parois ou des membranes, on pourra prévoir de coupler le système d'équilibrage de la pression à un microsystème d'injection de gaz, par exemple une mini-cellule électrochimique, pour contrer ces micro-fuites. 11. Pertes liées au guidage
Afin que les spirales s ' imbriquent correctement dans les chambres de compression/détente, un guidage est nécessaire. Ce guidage pourrait être réalisé par contact direct entre les spires de deux spirales destinées à s'imbriquer, mais cette possibilité exclut a priori des matériaux comme l'aluminium dont les propriétés tribologiques ne sont pas adaptées. De plus, un guidage par l'extérieur de la machine est difficile : les grands diamètres, rapportés aux dilatations différentielles attendues entre le piston et le corps (matériaux différents, et/ou transitoires thermiques) , demandent des jeux fonctionnels importants et proportionnels au diamètre.
Pour permettre une bonne imbrication des spires, on cherche à réaliser un guidage sur des diamètres faibles, proches de l'axe des spirales. Un jeu très réduit au diamètre (maximum 0,02 mm) permet de guider précisément les spirales.
Pour cela, la spirale 51-1, 51-2, en contact avec les pistons, peut être enroulée sur un mandrin (non représenté) servant de guidage et assurant de plus une étanchéité relative. Le mandrin peut être vissé sur l'arbre 71 par une bague électriquement isolante pour éviter la corrosion (non représentée) . Les deux spirales qui constituent les demi- échangeurs passants de part et d'autre du régénérateur peuvent être enroulées sur deux mandrins alignés 169-1 et 169-2 et maintenus par une bague isolante thermiquement (non représentée) sur laquelle le régénérateur peut lui-même être enroulé. Enfin, la spirale fixe constituant le demi-échangeur fixe (côté chaud) peut-être enroulée sur un mandrin dans lequel est fixé et aligné un axe de guidage .
De cette façon, le guidage relatif des deux spirales imbriquées dans une chambre de compression/détente côté piston est assuré par le coulissement du mandrin lié au piston sur l'axe lié au mandrin et le guidage relatif des spirales imbriquées de l'autre chambre est assuré par le coulissement de l'axe du mandrin sur l'axe de guidage. De plus, on cherche à limiter les couples parasites qui s'exerceraient sur les éléments afin d'avoir une mécanique équilibrée. Les couples exercés sur les faces des pistons sont faibles ; en effet, la structure spirale fait que les pressions s'équilibrent entre chaque demi-tour de la spire, même en cas d'écart de température entre les demi-spires. Ainsi, la pression représente une force centrée au milieu de la spirale.
En revanche, cette force se transmet sur la bielle et une partie se transforme en un effort important dans le sens radial, qui pourrait occasionner un couple sur l'axe. Cet effort peut difficilement être repris par l'axe de guidage, et doit donc être pris en charge par le corps ou par un élément rigide en liaison avec le corps. Pour éviter cela, des moyens de guidages à faibles frottements sont utilisés (roulements, galets, douilles à billes) .
De façon générale, pour limiter les pertes par guidage, on pourra prévoir une liaison glissante ou roulante sur un plan entre un piston intermédiaire et les pistons 139-1 et 139-2, le plan étant perpendiculaire à l'axe de guidage, le point d'application de la force s 'exerçant entre le piston et le piston intermédiaire se situant sur l'axe de guidage. Ce plan peut aussi être un arc de sphère centré sur le mandrin 169. Le piston intermédiaire peut être préguidé par un roulement. Ainsi les efforts dus à la bielle qui ne sont pas dans l'axe du piston sont pris en charge par le corps, par exemple par une extension 171-1, 171-2 du corps formée de part et d'autre du pied de bielle 81 associée aux pistons 139. Avantageusement, une liaison par roulement a un coefficient de frottement très faible, ce qui permet de limiter les pertes dues à ces efforts. Ainsi, l'essentiel de la force d' entraînement des pistons 139-1, 139-2 passe par l'axe des guidages ce qui évite qu'un couple nuisible se produise au niveau du guidage.
De plus, d'autres pièces de guidage peuvent être ajoutées à la machine, par exemple au niveau des deux spirales de la chambre de détente chaude. Dans le cas où la source qui est au centre de la machine serait une source trop chaude pour que le guidage et l'étanchéité y soient aisés, le guidage est réalisé en partie froide, et la pièce de guidage autour de 1 ' arbre permet de transmettre le guidage vers la partie chaude par l'intermédiaire d'une pièce thermiquement isolante.
12. Association de plus de deux machines
La figure 12 illustre une machine thermodynamique comprenant deux machines constituées chacune de deux machines élémentaires à cycle de Stirling.
Une première machine double comprend deux machines élémentaires Ml et M2 formées de façon similaire à la machine illustrée en figures 10 et 11. Cette première machine ne sera pas redécrite en détail . Une seconde machine constituée de deux machines élémentaires M3 et M4 (références suivies de "-3" et "-4" pour des éléments similaires aux machines élémentaires M2 et M3) est formée en parallèle de la première machine. La seconde machine est similaire à la première machine excepté que, dans la partie centrale de la machine, plutôt que de prévoir un circuit de circulation de fluide chaud, on forme une chambre de combustion 173 dans l'enceinte de la machine (au niveau de la chambre 94 de la première machine) .
La température centrale de la seconde machine est ainsi plus élevée que la température centrale de la première machine. De part et d'autre de la chambre de combustion 173 sont formés des éléments similaires à ceux de la première machine, à savoir des chambres de combustion/détente séparées par des régénérateurs et des parois/pistons. Du côté chaud de la deuxième machine, aucune circulation n'est directe et la chambre de combustion est alimentée par des réactifs qui sont introduits de manière classique par des pompes non représentées. Ces pompes peuvent par exemple être reliées à l'arbre moteur par une transmission mécanique classique (engrenage, chaîne, cour¬ roie ... ) , ou être associées à un moteur électrique alimenté par l'électricité produite par un alternateur. La chambre de combustion 173 peut être équipée d'éléments 175 susceptibles d'améliorer les échanges thermiques avec ses parois (par exemple des ailettes d'échange avec les gaz s 'étendant dans la chambre de combustion), et peut être équipée d'éléments 177 susceptibles d'améliorer la tenue mécanique à la différence de pression des gaz de travail dans les deux demi- machines (barres de renfort par exemple) .
Le principe général est de faire en sorte que l'énergie mécanique fournie par une machine soit directement utilisée par d'autres machines. Pour cela, une liaison mécanique rigide entre les différentes machines permet de transmettre directement l'énergie mécanique sans perte. Ainsi, la ou les barres rigides 99 et 101 sont connectées à des barres rigides similaires reliées à des pistons et parois externes de la seconde machine. Une barre rigide supplémentaire 179 peut être formée de l'autre côté de la seconde machine pour équilibrer les couples appliqués à cette machine.
Dans la seconde machine (M3, M4) , on notera que les régénérateurs représentés ont des longueurs plus importantes que dans la première machine. En effet, sur chaque cycle, ces régénérateurs doivent récupérer et rendre au gaz une énergie proportionnelle à la différence de température entre les sources . Cet écart de température est supposé plus important dans ce cas, d'où la présence d'un régénérateur plus long.
De plus, dans l'exemple représenté, les régénérateurs des deux machines sont également reliés entre eux. Pour cela, les arbres 71 des deux machines sont reliés entre eux par une barre rigide 181 externe. Pour équilibrer les couples, la barre rigide 181 pourra être double et être formée de part et d'autre des arbres 71 et se reconnecter à l'extérieur de la machine.
Les autres éléments de la figure 12 sont identiques à ceux qui ont été décrits en relation avec les figures 10 et 11. Dans l'application représentée, la première machine (basse température) pourra fonctionner comme pompe à chaleur, la partie centrale isolée étant équipée d'un système intégré de circulation de fluide caloporteur en contact avec la source froide (par exemple des tuyaux capteurs dans le sol d'une installation de géothermie) . La partie centrale chaude pourra être une zone de combustion de biomasse, et les fluides caloporteurs qui circulent dans les parties extérieures des machines équipées de circulations intégrées pourront être connectés à un dispositif de transport de la chaleur produite dans une installation de chauffage, par exemple des radiateurs ou un plancher chauffant.
Ainsi, une partie de la chaleur produite par la combustion permet la production d'énergie mécanique dans la deuxième machine, cette énergie mécanique étant utilisée pour faire fonctionner la première machine en pompe à chaleur par une liaison mécanique rigide sans perte. Cette absence de perte permet d'obtenir un coefficient de performance élevé de la partie pompe à chaleur, et donc d'ajouter une part importante à la puissance de chauffage obtenue pour une même consommation de combustible. Le réglage des puissances transmises peut se faire par ajustement des pressions des gaz de travail. On peut aussi prélever une partie de la puissance pour une fonction de cogénération d'électricité, en plus de la chaleur.
On peut ainsi coupler des applications identiques, non dans un souci de rendement, mais pour faire fonctionner plusieurs machines avec un seul embiellage ou système d'entrai- nement permettant de produire un mouvement linéaire (comme un moteur linéaire) . On peut également coupler des machines réalisant des fonctions différentes, comme cela est représenté en figure 12.
Des modes de réalisation particuliers de la présente invention ont été décrits. Diverses variantes et modifications apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, on notera que l'on n'a pas décrit ici en détail d'exemple de sources chaudes et froides. Dans une intégration domestique, la source froide pourra par exemple être une source d'origine géothermique et la source chaude une source connectée par exemple à un plancher chauffant .

Claims

REVENDICATIONS
1. Machine thermodynamique constituée d'au moins un ensemble de deux machines élémentaires à cycle de Stirling (Ml, M2) formées symétriquement dans un ou plusieurs corps cylindriques de même axe (57) , chaque machine élémentaire comprenant des première et seconde chambres (55, 63) de compression/détente, un régénérateur (59) séparant les première et seconde chambres et des première et seconde parois externes (67, 51) destinées à fermer le volume, respectivement, des première et seconde chambres, le régénérateur, les première et seconde parois externes d'une machine élémentaire étant liés de façon rigide aux mêmes éléments des autres machines élémentaires .
2. Machine thermodynamique selon la revendication 1, dans laquelle chaque première paroi externe (51) est mobile dans le corps (57), chaque deuxième paroi externe (67) est fixe par rapport au corps, et chaque régénérateur (59) est mobile dans le corps .
3. Machine thermodynamique selon la revendication 1 ou
2, dans laquelle deux régénérateurs (59) de deux machines élémentaires formés dans un même corps (57) sont liés entre eux par l'intermédiaire d'un axe (71) situé au centre du corps et les premières parois externes (51) sont liées rigidement entre elles par l'intermédiaire d'une ou de plusieurs barres (99, 101) s 'étendant hors du corps.
4. Machine thermodynamique selon la revendication 1 ou
3, dans laquelle les première et seconde chambres de compression/détente (55, 63) sont divisées par des premières et secondes cloisons (53, 61, 65, 69) s 'étendant axialement, respectivement, à partir de la paroi externe associée (51, 67) et à partir du régénérateur (59), les premières et secondes cloisons s ' imbriquant les unes dans les autres lors des mouvements relatifs entre lesdites premières et secondes cloisons .
5. Machine thermodynamique selon la revendication 4, dans laquelle l'ensemble formé d'une paroi externe (51, 67) et des cloisons associées (53, 69) est formé par enroulement d'une bande large (111) et d'au moins une bande moins large (113) dont la largeur correspond à la largeur des parois externes, la bande moins large étant trouée sur toute sa largeur excepté au contact de la chambre, la bande large étant trouée sur sa portion située au niveau de la largeur trouée de la bande moins large, (figure 8)
6. Machine thermodynamique selon la revendication 5, comprenant en outre des pièces (133, 141) associées aux première et seconde parois (51, 67), à l'extérieur des chambres de compression/détente (55, 63) , dans lesquelles sont définis des canaux (135) permettant d'amener un fluide caloporteur dans les trous formés dans ledit enroulement.
7. Machine thermodynamique selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans laquelle chaque régénérateur (59) est délimité par deux parois internes non étanches (41, 43) à partir desquelles s'étendent des cloisons (45, 47) axialement dans l'enceinte du régénérateur, chaque paroi interne et ses cloisons associées étant formées par enroulement d'une bande large et d'au moins une bande moins large dont la largeur correspond à la largeur des parois du régénérateur, la bande moins large comprenant, dans sa largeur, une première zone ondulée dont les ondulations sont obliques par rapport à la longueur de la bande, une deuxième zone plane et une troisième zone ondulée dont les ondulations sont obliques par rapport à la longueur de la bande, dans une direction opposée aux ondulations de la première zone, la bande large comprenant, en regard des première et troisième zones de la bande moins large dans l'enroulement, des zones ondulées dont les ondulations sont obliques par rapport à la longueur de la bande large, dans une direction inverse aux ondulations de la bande moins large, (figure 8)
8. Machine thermodynamique selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans laquelle chaque machine élémentaire comprend en outre une pièce cylindrique (155) mobile avec le régénérateur (59) formée autour du régénérateur dans le corps (57) . (figure 10)
9. Machine thermodynamique selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans laquelle le corps comprend des extensions (87) délimitant des premières chambres arrière (89) de chaque machine élémentaire, à l'opposé des secondes chambres de compression/détente (63) par rapport aux premières parois externes (51) , les chambres arrière (89) de chaque machine élémentaire étant en communication directe par une canalisation (157) . (figure 11)
10. Machine thermodynamique selon la revendication 9, dans laquelle un premier fluide caloporteur arrive et part de chaque première chambre arrière par 1 ' intermédiaire de canalisations (91) dans lesquelles sont formés des clapets anti¬ retour (159) dans le sens de circulation du premier fluide caloporteur, le mouvement des premières parois externes (51) par rapport aux canalisations assurant le pompage du fluide caloporteur dans les canalisations, (figure 11)
11. Machine thermodynamique selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, dans lequel le corps (57) comprend une extension (93) délimitant une seconde chambre arrière (94) , à l'opposé des secondes chambres (55) par rapport aux secondes parois externes (67) . (figure 11)
12. Machine thermodynamique selon la revendication 11, dans laquelle un second fluide caloporteur arrive et part de la seconde chambre arrière par l'intermédiaire de canalisations (95) dans lesquelles sont formés des clapets anti-retour (159) dans le sens de circulation du second fluide caloporteur. (figure 11)
13. Machine thermodynamique selon la revendication 11, comprenant une chambre de combustion (173) dans la seconde chambre arrière (94) , en contact avec les deuxièmes parois externes (67) .
14. Machine thermodynamique selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, dans laquelle les premières parois externes (51) sont liées de façon rigide au pied d'une première bielle (81) dont la tête est associée à un premier vilebrequin (83) et les régénérateurs (59) sont liés de façon rigide au pied d'une seconde bielle (77) dont la tête est associée à un second vilebrequin (79) , les premier et second vilebrequins étant formés autour d'un même axe.
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