WO2014202885A1 - Dispositif de compression thermique de fluide gazeux - Google Patents

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WO2014202885A1
WO2014202885A1 PCT/FR2014/051476 FR2014051476W WO2014202885A1 WO 2014202885 A1 WO2014202885 A1 WO 2014202885A1 FR 2014051476 W FR2014051476 W FR 2014051476W WO 2014202885 A1 WO2014202885 A1 WO 2014202885A1
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rod
piston
chamber
gaseous fluid
cold
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PCT/FR2014/051476
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Jean-Marc JOFFROY
Martin BIDAR
Luc DANDO
Original Assignee
Boostheat
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Priority to ES14750525T priority patent/ES2824205T3/es
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    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • 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
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    • F02G1/053—Component parts or details
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    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • F02G2253/03—Stem seals
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    • F02G2253/00—Seals
    • F02G2253/80—Sealing of the crankcase
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G2280/00—Output delivery
    • F02G2280/50—Compressors or pumps

Definitions

  • the present invention relates to gaseous fluid compression devices, and deals in particular with regenerative thermal compressors.
  • thermal compressors such as those described in US2,157,229 and US3,413,815, the heat received is directly transmitted to the fluid to be compressed, which avoids any mechanical element for the compression and discharge steps.
  • a displacer piston is movably mounted in an enclosure for moving the fluid alternately to the hot source or to the cold source.
  • This displacer piston is connected to a control rod.
  • the displacer piston and / or the associated control rod are subject to friction and wear, which limits the life of such compressors or requires regular maintenance.
  • the efficiency of the heat exchange within the compressor as well as the control principle of the displacer can be further improved.
  • a gaseous fluid compression device comprising:
  • a first chamber thermally coupled to a hot source adapted to supply calories to the gaseous fluid
  • a second chamber thermally coupled to a cold source for transferring calories from the gaseous fluid to the cold source
  • a piston movably mounted in a cylindrical jacket in an axial direction and separating the first chamber and the second chamber inside said working chamber, the piston being displaced by a rod integral with the piston,
  • the rod is arranged in a cylindrical sleeve integral with the chamber, and the rod is guided in axial translation by a linear guide system in order to guide the piston without contact with respect to the jacket,
  • a cylindrical sealing ring fixed in the cylindrical sleeve surrounds the rod with a radial clearance between 2 and 20 ⁇ , to strongly limit the passage of gaseous fluid along the movable rod from and to an auxiliary chamber .
  • the piston may have an outer edge disposed adjacent to the jacket and the outer edge of the piston is guided without friction in the jacket with a functional clearance between the outer edge and the jacket between 5um and 30um, preferably close to 10um; whereby an absence of contact and an absence of friction are achieved while ensuring satisfactory sealing in dynamic mode during the alternating cycle.
  • the linear guide system may be a cylindrical ball device; thanks to the rolling of the balls, this is a powerful solution for the precision guidance of the rod with negligible friction.
  • the linear guide system may comprise plain bearings of PTFE type material; which is a powerful solution for the precision guidance of the rod and which has very low friction and negligible wear.
  • the compression device is devoid of liquid lubrication; whereby the device is simple and certain problems inherent in the use of lubricants such as pollution or mixtures with the working fluid are avoided.
  • the rod can be cooled by a device for deflecting the flow of cooled gaseous fluid; whereby heating of the rod is avoided and the heat transfer due to the rod from the hot zone to the cold zone is limited.
  • the rod may have a diameter greater than one quarter of the diameter of the piston; so that the action of the pressure differential is sufficient to actuate the cycle of the self-driving device; moreover, the quality of the guidance is improved.
  • the device may further comprise a self-driving device acting on one end of the rod and comprising a connecting rod connected to the rod and an inertial flywheel connected to the connecting rod. So that the operation of the device in steady state is autonomous.
  • the self-driving device is disposed in the auxiliary chamber filled with the gaseous fluid, the sealing ring being interposed between the second chamber and the auxiliary chamber; so that the overall tightness of the device provided with its self-training system is improved.
  • the efficiency is also improved by limiting the direct conductive heat exchange between the hot chamber and the cold room.
  • a working enclosure containing gaseous fluid generally of revolution about an axis and delimited by a first housing and a second housing; assembled together,
  • the work enclosure comprising:
  • a first chamber thermally coupled to a hot source adapted to supply calories to the gaseous fluid via the first casing
  • a second chamber thermally coupled to a cold source for transferring calories from the gaseous fluid to the cold source via the second housing
  • a piston movably mounted in a cylindrical liner in an axial direction and separating the first chamber and the second chamber, the piston being displaceable by a rod connected to the piston, in an axial reciprocating movement
  • a regenerative exchanger arranged around the piston and putting in fluid communication the first and second chambers
  • this hot communication channel connecting at least one orifice of the first chamber with the regenerating exchanger, this hot communication channel having a general shape of revolution about the axis, and
  • a first heat shield formed by a thermally insulating annular cylindrical portion, is interposed between the piston and the hot communication channel, the hot communication channel being formed by a radial gap formed between the first heat shield and the first housing.
  • the first casing is metallic and has an insulating annular zone in the form of an axial annular portion of lower thermal conduction; which further limits the effects of thermal conduction in the axial direction.
  • the annular portion of lower coefficient of thermal conduction is enclosed in a hoop; this makes it possible to obtain a satisfactory mechanical robustness.
  • the annular portion of lower thermal conductivity coefficient (forming the insulating annular zone) is obtained integrally in the first housing by providing a plurality of recesses (grooves) distributed around the heat shield; simple solution with controlled internal geometry.
  • the gap forming the hot communication channel may have a width of less than 4 millimeters, or even less than 2 millimeters; so that the volume that represents the hot communication channel is very limited, and thus the volume of the hot gases including the first chamber and the hot channels of the working fluid to the regenerator, when the piston is at the highest point, is less than 15% of the volume swept by the piston between the lowest point and the highest point.
  • the first casing has a hemispherical dome-shaped end, as well as the upper part of the heat shield, as well as the upper part of the piston; which is an optimal form to withstand pressure forces.
  • the piston may comprise an upper part of low thermal conduction; this contributes to the limitation of heat flows conducted from the hot part to the cold part.
  • the first housing and the second housing are assembled to each other directly without intermediate part; which is a simple and robust solution;
  • the first casing comprises a first reinforcing flange arranged between the dome-shaped upper portion and the insulating sleeve region and a second reinforcing flange to serve as a flange for attachment to the second casing; this contributes to the mechanical strength of the first housing.
  • the second chamber and the cold channels of the working fluid are made in one piece (here called second housing, or 'cold structural part' or 'cooler'), the channels being made in the form of holes obtained by machining.
  • the work enclosure comprising:
  • a first chamber thermally coupled to a hot source adapted to supply calories to the gaseous fluid
  • a second chamber thermally coupled to a cold source for transferring calories from the gaseous fluid to the cold source via the second housing
  • a piston movably mounted in a cylindrical liner in an axial direction and separating the first chamber and the second chamber, the piston being displaceable by a rod connected to the piston, in an axial reciprocating movement
  • a regenerative exchanger arranged around the piston and putting in fluid communication the first and second bedrooms ,
  • At least one cold communication channel connecting at least the second chamber to the regenerator exchanger, the cold communication channel comprising a plurality of axial holes disposed in the second housing around the second chamber.
  • the ducts of the cold communication channel are obtained by machining a massive piece, which reduces the number of parts required and also reduces the dead volumes in the cold part.
  • first auxiliary cold channels conducting the coupling fluid of the cold source extend parallel to the axial direction
  • second auxiliary cold channels extend perpendicularly to the axial direction and serve as a collector for the first cold channels. auxiliaries by connecting to them; the heat exchanger is thus easily obtained by the proximity of the auxiliary channels with the cold channel of the working fluid.
  • all the first auxiliary channels conducting the coupling fluid of the cold source extend perpendicularly to the axial direction; which is industrially easy to machine and which dispenses with having to plug some ducts;
  • the second housing 12 comprises a cylindrical cavity adapted to receive the lower part of the piston and a circular groove arranged at the base of the cylindrical cavity and which serves as a lower manifold by connecting the lower outlet of the bores; this results in a limitation of the dead volumes by the small volume of the collector of the cold channels;
  • a deflector is arranged in the lower part of the cylindrical cavity, said deflector delimits with the bottom of the second chamber a disc-shaped recess which is part of the cold communication channel; whereby the heating of the rod is avoided and the transfer of heat due to the rod from the hot zone to the cold zone is limited.
  • the second casing may be a single piece including the lower portion of the cylindrical jacket, the cold communication channel and the various auxiliary cold channels, as well as the inputs and outputs of the working fluid; which reduces the number of parts needed in the cold part.
  • the volume of the cold gases comprising the second chamber and the cold channels of the working fluid to the regenerator, when the piston is at the lowest point is less than 15% of the volume swept by the piston between the lowest point and the highest point; which helps to improve thermal efficiency.
  • a gaseous fluid compression device comprising:
  • a first chamber thermally coupled to a hot source adapted to supply calories to the gaseous fluid
  • a second chamber thermally coupled to a cold source for transferring calories from the gaseous fluid to the cold source
  • a piston mounted mobile in a cylindrical jacket in an axial direction and separating the first chamber and the second chamber, the piston being movable by a rod connected to the piston, in an axial reciprocating motion
  • the compression device comprising a self-driving device acting on one end of the rod and comprising on the one hand a connecting rod connected to the rod and an inertial flywheel connected to the connecting rod, and on the other hand an elastic return means double-acting, connected to the rod and having a neutral point corresponding to a position in the vicinity of the half-stroke of the piston.
  • the resilient biasing means cyclically alternately stores a certain energy, in parallel with that stored in the flywheel, which reduces the forces at the bearings of the connecting rod assembly and to size the latter at the best.
  • the elastic return means may comprise two springs working in an antagonistic manner; it is thus possible to avoid the dead races and hysteresis and / or to compensate for the dispersions of the characteristics of the springs.
  • the self-driving device may comprise a motor magnetically coupled to the flywheel; which makes it possible to give an initial start pulse and then to regulate the speed of rotation.
  • the self-driving device is disposed in an auxiliary chamber in which there is a mean pressure which is the half-sum of the inlet and outlet pressures P2 and P2; we thus have balanced and limited exchanges with the second chamber.
  • the invention also relates to a thermal system comprising a heat transfer circuit and at least one compressor according to one of the preceding characteristics.
  • the thermal system in question may be intended to collect calories in an enclosed area and in this case it is an air conditioning or refrigeration system, but the thermal system in question may also be intended to bring calories in a closed and in this case it is a heating system such as residential heating or industrial heating.
  • FIG. 1 is a diagrammatic view in axial section of a gaseous fluid compression device according to the invention
  • FIG. 2 represents a partial detail view of the guide of the rod
  • FIG. 3 represents a perspective view of a cold room included in the device of FIG. 1;
  • FIG. 4 represents a perspective view of the hot parts included in the device of FIG. 1,
  • FIG. 5 represents a perspective view of the cold part of FIG. 3, with a cross-section and a snatch,
  • FIG. 6 represents a detail concerning the sealing ring
  • FIG. 7 represents a detail concerning the piston-liner interface
  • FIG. 8 represents a diagram of the thermodynamic cycle implemented in the device, in particular for the self-training device
  • FIG. 9 represents a second embodiment of the cold room
  • FIG. 10 represents a second embodiment concerning the self-training device
  • FIG. 11 represents the piston assembly
  • FIG. 12 shows a partial view first housing illustrating the portion of lower thermal conductivity.
  • FIG. 1 shows a device 1 for compressing a gaseous fluid, adapted to admit a gaseous fluid (also called 'working fluid') via an inlet or inlet 46, at a pressure P 1 and supply on an output denoted 47 the compressed fluid to P2 pressure.
  • a gaseous fluid also called 'working fluid'
  • the device is architected around an axial direction X, which is preferably arranged vertically, but another provision is not excluded.
  • a piston 7 mounted movable at least in a cylindrical jacket 50.
  • Said piston hermetically separates two closed spaces, respectively called first chamber 21 second chamber 22, these two chambers being included in a hermetic work enclosure 2 (except the above-mentioned inputs / outputs).
  • the working chamber 2 has an upper end 2h and a lower end 2b.
  • the piston has an upper portion in the form of a dome, for example hemispherical.
  • the working chamber 2 is delimited by a first casing 11, arranged in the upper part of the assembly and in thermal contact with the hot source at least in the upper zone, and by a second casing 12, arranged in the lower part, and cooled by the cold source.
  • the first housing 11 can be called 'heater' and the second housing 12 can be named 'cooler'.
  • the cylindrical jacket 50 extends both into the second housing and into the first housing, in contact with a room called 'heat shield' 35 which will be discussed later.
  • the first housing 11 is made of stainless steel material or metal alloy strong enough to withstand the temperatures of the hot part.
  • the second housing 12 is preferably made of light metal alloy, its service temperature is lower.
  • the first casing 11 and the second casing 12 are in the illustrated example assembled together directly without an intermediate piece. However, they could be assembled together with one (or more) intermediate piece.
  • the first chamber 21, also called 'hot chamber', is arranged above the piston and thermally coupled to a hot source 6 adapted to provide calories to the gaseous fluid.
  • the first chamber is of revolution with a cylindrical portion of diameter corresponding to the diameter Dl of the piston and a hemispherical portion in the upper part.
  • the hot source 6 is arranged all around the hot chamber 21, and in particular in contact with the first housing 11.
  • the second chamber 22 also called 'cold room', is arranged below the piston and thermally coupled to a cold source 5 for transferring calories from the gaseous fluid to the cold source.
  • the second chamber is of cylindrical general shape, of diameter Dl corresponding to the diameter of the piston.
  • This exchanger 9 (which will also be called simply 'regenerator' in the following) includes fluid channels of low section and thermal energy storage elements and / or a tight network of metal wires.
  • This regenerator 9 is arranged at an intermediate height between the upper end 2h and the lower end 2b of the enclosure and has a hot side 9a upwards and a cold side 9b downwards.
  • the hot side 9a is connected (in fluid communication) with the first chamber 21, by means of a hot communication channel 25 which comprises collectors 28, an annular passage 25, which joins an orifice 24 located at the top of the first room 21.
  • the upper portion of the annular passage 25 allows the fluid to lick the first housing 11 in its upper portion where it is particularly hot in contact with the hot source (very good thermal coupling).
  • the hot communication channel 25 is formed by a radial gap of small thickness ( ⁇ 4mm, or even ⁇ 2mm, or even close to 1mm) formed between the first housing 11 and a part comprising a first heat shield.
  • the first heat shield 35 formed by a thermally insulating annular cylindrical portion, is interposed between the piston 7 and the hot communication channel 25, and therefore the working fluid does not heat the lateral portions of the piston.
  • the first heat shield 35 is made of ceramic or high temperature insulation. Its thickness is substantially constant in the illustrated example.
  • the cylindrical portion may extend above by a hemispherical portion with an almost constant thickness, this hemispherical portion being configured to conform to the outer surface of the piston when the latter is in the highest up position; at the top of the hemispherical portion is arranged an orifice 24 through which flows the inlet and outlet flow of the first chamber 21.
  • the cold side 9b of the regenerator 9 is connected (set fluid communication) with the second chamber 22, by means of a cold communication channel which comprises collectors 27 and cold channels 26 in the form of holes in the second casing whose arrangement will be specified later.
  • the sum of the volumes of the first and second chambers 21, 22 is substantially constant, except that the volume occupied by the rod 8 is a little larger when the piston is in position. high.
  • the volume of working fluid contained in the regenerator 9, the cold channels 26,27 and the hot communication channel 28,25 is constant, and consequently the total volume of gaseous fluid in the chamber 2 is almost constant. .
  • the volume of the hot gases comprising the first chamber 21 and the hot pipes 25 to the regenerator is, when the piston is at the highest point, less than 15% of the volume swept by the piston between the lowest point and the highest point, or even less than 10%.
  • the volume of the cold gases, when the piston is at the lowest point, which comprises the residual volume of the second chamber 22 and the cold communication channels 26, is less than 15% of the total volume swept by the piston, even less than 10%.
  • the device comprises:
  • the second housing 12 which defines the second chamber 22 through the aforementioned sleeve, with the lower part of the piston; this piece is relatively massive, and further comprises the inlet 46 and the outlet 47 of fluid,
  • the first housing 11 which delimits the first chamber 21, thanks to the inner surface of the heat shield 35 with the upper part of the piston 7h, and which comprises an insulating sleeve zone formed by a portion of more low thermal conduction 37, vis-à-vis partly of the regenerator (see Fig. 12),
  • the heat shield 35 forming the jacket 50 on its inner surface and defining on its outer surface the radially inner surface of the hot communication channel 25,
  • a mobile assembly 78 comprising the piston 7 mentioned above and a rod 8 integral with the piston; said rod 8 is of round section of diameter D2 and has a centering and fixing system 87 on the axis of the piston;
  • a piston displacement control system which is contained in an auxiliary housing 13 which defines a third chamber 23 or auxiliary chamber 23.
  • the auxiliary housing 13 is fixed on a sole 10 belonging to the first housing 11, by means of screws passing through the holes 160.
  • the device may also comprise as a control system a particular self-driving device 4 which will be discussed later.
  • the second housing 12 comprises an axial bore 12a which receives without play a cylindrical sleeve 17. whose inner cylindrical surface is machined precisely. The bushing is mounted in force in the bore 12a of the lower structural part 12.
  • the linear guide system 3 is a cylindrical ball device, preferably of the cylindrical ball-bearing sheath type 31. The balls 31 roll on the sleeve and the sheath 30 moves half as fast as the stem 8.
  • the linear guide system 3 may comprise plain bearings made of PTFE-type material (Poly-tetrafluoroethylene).
  • this sealing ring 18 surrounds the rod with a radial clearance el between 2 and 20 ⁇ , to greatly limit the passage of the gaseous fluid to pass along the movable rod 8 (see Figure 6).
  • it will preferably target a radial clearance el between 10 and 15
  • the piston 7 has an outer edge 73,74 disposed adjacent to the jacket 50 and the outer edge of the piston is guided without friction in the jacket with a functional clearance e2 between the outer edge of the joint and the jacket between 5
  • the outer edge is preferably obtained integrally from the lower portion 71 of the piston but any other solution could be suitable.
  • the reciprocating frequency of movement is between a few Hertz and a few tens or even hundreds of Hertz.
  • this arrangement prevents any wear by friction or contact; we can do without any liquid lubrication so that the device is devoid of liquid lubrication.
  • the fluid chosen as working fluid may be any suitable fluid, especially any light gas; it may be ammonia, but the choice can be on CO 2 for environmental reasons.
  • the temperature of the cold part is around 50 ° C, while the temperature of the hot part is around 650 ° C.
  • the insulating sleeve 37 is obtained by a plurality of recesses 38 separated by radial walls 39 as illustrated in FIG. 12, this alternation of recesses, the two radial walls being reproduced all around the circumference of the first housing of the upper part of the housing. regenerator 9.
  • a hoop 15 which is intended to reinforce the mechanical strength of the first housing at the zone of lower thermal conductivity.
  • the end of the radial walls 39 is constrained radially inwards by the presence of this hoop 15, which can be mounted with a slight prestressing and therefore the mechanical strength of this intermediate portion of the first housing 11 is satisfactory.
  • first housing 11 includes a first reinforcement flange 11a arranged between the dome-shaped upper portion and the insulating sleeve region and a second reinforcing flange 11b to serve as a flange for attachment to the second housing 12.
  • the first casing 11 is assembled to the second casing 12 at the level of the interface plane P by means of a plurality of screws which pass respectively through the holes 110 at the bottom of the hot part (collar 11b of the first casing 11) and the holes 112. at the top of the cold room, which can be tapped holes.
  • the piston initially at the top, moves downwards and the volume of the first chamber 21 increases while the volume of the second chamber 22 decreases.
  • the fluid is pushed through the regenerator 9 from the bottom to the top, and warms up as it passes.
  • the pressure Pw increases concomitantly.
  • the outlet valve 47a opens and the pressure Pw is established at the outlet pressure P2 of the compressed fluid and the fluid is expelled towards the outlet (the inlet valve 46a remains well sure closed during this time). This continues until the bottom dead center of the piston.
  • the piston now moves from bottom to top and the volume of the second chamber increases as the first volume of the chamber decreases.
  • the fluid is pushed through the regenerator 9 from the top to the down, and cool down in passing.
  • the pressure Pw decreases concomitantly.
  • the outlet valve 47a closes at the beginning of rise.
  • the inlet valve 46a opens and the pressure Pw is established at the pressure P1 of the fluid inlet and the fluid is sucked through the inlet 46 (the outlet valve 47a remains of course closed during this time). This continues to the top dead center of the piston. The inlet valve 46a will close from the beginning of the descent of the piston.
  • the movements of the rod 8 can be controlled by any suitable driving device arranged in the auxiliary chamber 23.
  • it is a self-driving device 4 acting on one end of the rod .
  • This self-driving device 4 comprises an inertial flywheel 42, a rod 41 connected to said flywheel by a pivot connection, for example a rolling bearing 43.
  • the connecting rod 41 is connected to the rod by another pivot connection, for example a rolling bearing 44.
  • self-driving device 4 is housed in an auxiliary chamber 23 filled with the gaseous working fluid at a pressure denoted Pa.
  • the sealing ring 18 is interposed between the second chamber 22 and the auxiliary chamber 23
  • the pressure Pa in the auxiliary chamber 23 converges towards an average pressure substantially equal to the half-sum of the minimum pressures P1 and max P2.
  • the pressure in the auxiliary chamber Pa becomes equal to the pressure prevailing in the second chamber 22.
  • a very small leak does not maintain a pressure differential over the long term, but in dynamic mode, this very small leak does not night not functioning and remains negligible.
  • the piston sweeps a volume corresponding to the distance between the neutral point and bottom dead point, multiplied by the diameter Dl.
  • the diameter of the rod D2 is greater than a quarter of the diameter D1 of the piston, so that the pressure exerted on the piston is (Pw-Pa) x D2.
  • thermodynamic cycle as shown in FIG. 8, provides positive work to the self-driving device.
  • the self-training work is proportional to the section of the rod and therefore the section of the rod will be chosen so as to generate enough work.
  • a diameter D2 at least equal to a quarter of the diameter D1 of the piston will be chosen.
  • An electric motor (not shown) is coupled, in the example here by magnetic means, with the flywheel.
  • This engine is used to give an initial pulse to start the cycle.
  • the motor is also used to regulate the steady state cycling speed.
  • the magnetic coupling between the engine and the flywheel avoids any problem of rotating joint and potential leak associated.
  • double-acting elastic return 45 which operates in parallel with the above-mentioned flywheel assembly.
  • this can be formed by a spring operating in tension and compression and whose equilibrium length is chosen to exert no effort halfway through the cycle.
  • the elastic return means cyclically stores and restores energy.
  • the forces supported by the connecting rod-flywheel are reduced because part of the forces is supported by the elastic return system.
  • the piston is constructed in two parts, as illustrated in particular in FIG. 11, a base 71 with very precise geometrical characteristics as indicated above (in particular the edge 73) and a head 72 which is made of thermally insulative material or in several stages separated by thermal insulators.
  • the rod 8 is cooled by a deflector 14 of the cooled gaseous fluid flow; this device guides the fluid so that the cooled gaseous fluid licks the rod 8 and cools it.
  • the deflector 14 is in the form of a disc of external diameter D1 with a central orifice of diameter slightly greater than that D2 of the rod (see FIG. 2), so that a passage 14a is thus defined, which forces the working fluid cold to lick the rod 8 so as to cool.
  • the channels are made in the form of holes obtained by machining in the lower structural part 11, that is to say the first housing or the 'cooler'.
  • the first housing and a solid one-piece piece as shown in Figures 3 and 5.
  • the cold channels 26 of the gaseous working fluid are formed at this point by bores 16 extend parallel to the axial direction X and are arranged circumferentially next to each other around the second chamber.
  • Said bores 16 comprise small-diameter bores 67 and larger-diameter bores 66 in the diametrical connection zones of the inlet 46 and the outlet 47.
  • first auxiliary cold channels 51 conducting the coupling fluid of the cold source extend parallel to the axial direction and are arranged in a square opposite the holes 160 of the sole 10; in addition, other second auxiliary cold channels 52 extend along Y1 perpendicular to the axial direction and serve as a collector to the first auxiliary cold channels 51 by connecting thereto (see FIG. 5); furthermore other second auxiliary cold channels 53 extend along Y2 perpendicular to X and Y1.
  • the first auxiliary cold channels 51 and the second auxiliary cold channels 52 are also formed by holes through the massive part formed by the first casing 11.
  • the cold room comprises a lower groove 55 of diameter greater than the diameter D of the piston which serves as a collector for the cold channels 26 (holes 16) for communicating said cold channels 26 with the bottom 65 of the second chamber 22, ( see Figures 2 and 3).
  • all the first auxiliary cold channels 57, 58 are obtained by bores perpendicular to the axial direction.
  • a first series 57 of holes are arranged along Y2 one above the other and pass through the circle on which the holes 16 are arranged;
  • a second series 58 of holes are also arranged one above the other along Yl, cross at right angles the holes 57 of the first series with fluid communication, and also pass through the circle on which the holes 16 are arranged.
  • variant presents certain interests concerning the industrial manufacture of such a massive piece and its machining.
  • check valves 46a, 47a can be of any type commonly used in compressors and are not necessarily arranged near the inlet and outlet 46,47.
  • the arrangement of the device could be reversed, namely the cold part at the top and the hot part at the bottom, but it is understood that the disposition according to the vertical makes it possible to eliminate the effects of gravity with respect to the radial direction of the device and in particular with respect to the guide of the rod and the piston guide and the elimination of friction
  • first housing and the second housing could be located at a different position.
  • the insulating sleeve 37 could be formed by a specific piece interposed between the first and second casings.

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Abstract

Dispositif de compression de fluide gazeux, comprenant une première chambre (21), couplée thermiquement à une source chaude (6), une deuxième chambre (22) couplée thermiquement à une source froide (5), un piston (7) mobile déplacé par une tige (8), un échangeur régénérateur (9) mettant en communication fluide les première et deuxième chambres, dans lequel la tige est agencée dans une douille cylindrique (17) et guidée en translation axiale par un système de guidage linéaire (3) pour guider le piston sans contact par rapport à la chemise, dans lequel une bague d'étanchéité (18) fixée dans la douille cylindrique entoure la tige avec un jeu radial très petit, pour limiter le passage du fluide gazeux de passer le long de la tige mobile. De plus il est divulgué un carter froid monobloc avec des perçages d'usinage, un écran thermique dans le carter chaud, et un système d'auto-entrainement avec un moyen de rappel élastique.

Description

Dispositif de compression thermique de fluide gazeux
La présente invention est relative aux dispositifs de compression de fluide gazeux, et traite en particulier des compresseurs thermiques régénératifs .
Contexte et Art Antérieur
Plusieurs solutions techniques existent déjà pour réaliser la compression d'un gaz à partir d'une source de chaleur .
Dans des compresseurs thermiques tels que ceux décrits dans les documents US2,157,229 et US3,413,815, la chaleur reçue est directement transmise au fluide à comprimer, ce qui permet d'éviter tout élément mécanique pour les étapes de compression et de refoulement.
Dans les documents US2,157,229 et US3,413,815, un piston déplaceur est monté mobile dans une enceinte pour déplacer le fluide alternativement vers la source chaude ou vers la source froide. Ce piston déplaceur est relié à une tige de commande. Le piston déplaceur et/ou la tige de commande associée sont sujets à des frottements et à une usure, ce qui limite la durée de vie de tels compresseurs ou qui nécessite une maintenance régulière. De plus, l'efficacité des échanges thermiques au sein du compresseur ainsi que le principe de commande du déplaceur peuvent encore être améliorés.
II est donc apparu un besoin en premier lieu d'augmenter la durée de vie et/ou de réduire les besoins de maintenance. En second lieu, le besoin d'améliorer le rendement par une meilleure efficacité des échanges thermiques au sein du compresseur est un souci constant. De plus, il est souhaitable de perfectionner la commande du déplacement du piston déplaceur. Enfin, il faut répondre au besoin de pouvoir fabriquer les pièces essentielles du compresseur à un coût attractif. Tous ces besoins concourent à l'objectif de proposer un compresseur thermique régénératif ayant un rendement amélioré et qui soit en même temps compétitif et facile à fabriquer industriellement .
A cet effet, il est en premier lieu proposé un dispositif de compression de fluide gazeux comprenant :
- une entrée de fluide gazeux à comprimer et une sortie de fluide gazeux comprimé,
- une enceinte de travail renfermant du fluide gazeux,
- une première chambre, couplée thermiquement à une source chaude adaptée pour apporter des calories au fluide gazeux,
une deuxième chambre couplée thermiquement à une source froide pour transférer des calories du fluide gazeux vers la source froide,
- un piston monté mobile dans une chemise cylindrique selon une direction axiale et séparant la première chambre et la deuxième chambre à l'intérieur de ladite enceinte de travail, le piston étant déplacé par une tige solidaire du piston,
- un échangeur régénérateur et des canaux de communication mettant en communication fluide les première et deuxième chambres,
dans lequel la tige est agencée dans une douille cylindrique solidaire de l'enceinte, et la tige est guidée en translation axiale par un système de guidage linéaire afin de guider le piston sans contact par rapport à la chemise,
caractérisé en ce qu'une bague d'étanchéité cylindrique fixée dans la douille cylindrique entoure la tige avec un jeu radial compris entre 2 et 20 μιτι, pour limiter fortement le passage de fluide gazeux le long de la tige mobile depuis et vers une chambre auxiliaire.
Grâce à ces dispositions, il est possible de diminuer significativement les frottements, tant au niveau du piston par rapport à la chemise qu'au niveau de la tige par rapport à ses moyens d'étanchéité associés, et ceci en maintenant une performance d ' étanchéité compatible avec le cycle alterné des pressions mis en jeu. On peut obtenir ainsi une diminution de l'usure des pièces en mouvement et diminuer la fréquence des opérations de maintenance voire les éliminer complètement. De plus, grâce à la diminution des frottements, on peut obtenir une amélioration du rendement .
Dans divers modes de réalisation de l'invention, on peut éventuellement avoir recours en outre à l'une et/ou à l'autre des dispositions suivantes.
Selon un aspect de l'invention, le piston peut présenter un bord extérieur disposé de manière adjacente à la chemise et le bord extérieur du piston est guidé sans frottement dans la chemise avec un jeu fonctionnel entre le bord extérieur et la chemise compris entre 5um et 30um, de préférence voisin de lOum ; moyennant quoi on obtient une absence de contact et une absence de frottement tout en assurant une étanchéité satisfaisante en mode dynamique au cours du cycle alterné.
Selon un autre aspect de l'invention, le système de guidage linéaire peut être un dispositif cylindrique à billes ; grâce au roulement des billes, ceci est une solution performante pour le guidage de précision de la tige avec des frottements négligeables .
Selon un autre aspect de l'invention, le système de guidage linéaire peut comprendre des paliers lisses en matériau de type PTFE ; ce qui est une solution performante pour le guidage de précision de la tige et qui présente des frottements très faibles et une usure négligeable .
Selon un autre aspect de l'invention, le dispositif de compression est dépourvu de lubrification liquide ; moyennant quoi le dispositif est simple et on évite certains problèmes inhérents à l'utilisation de lubrifiants comme des pollutions ou des mélanges avec le fluide de travail. Selon un autre aspect de l'invention, la tige peut être refroidie par un dispositif de déflection du flux de fluide gazeux refroidi ; moyennant quoi on évite un échauffement de la tige et on limite le transfert de calories dû à la tige de la zone chaude vers la zone froide.
Selon un autre aspect de l'invention, la tige peut présenter un diamètre supérieur au quart du diamètre du piston ; de sorte que l'action du différentiel de pression est suffisant pour actionner le cycle du dispositif d'auto- entraînement ; de plus la qualité du guidage est améliorée.
Selon un autre aspect de l'invention, le dispositif peut comprendre en outre un dispositif d ' auto-entrainement agissant sur une extrémité de la tige et comprenant une bielle reliée à la tige et un volant inertiel relié à la bielle. De sorte que le fonctionnement du dispositif en régime établi est autonome.
Selon un autre aspect de l'invention, le dispositif d ' auto-entrainement est disposé dans la chambre auxiliaire remplie du fluide gazeux, la bague d'étanchéité étant interposée entre la deuxième chambre et la chambre auxiliaire ; de sorte que l'étanchéité globale du dispositif muni de son système d ' auto-entrainement est améliorée .
Selon un autre aspect du dispositif divulgué, qui est indépendant du guidage et de l'étanchéité de la tige, le rendement est aussi amélioré par la limitation des échanges thermiques conductifs directs entre la chambre chaude et la chambre froide.
En effet, il est proposé un proposé un dispositif de compression de fluide gazeux comprenant :
- une entrée de fluide gazeux à comprimer et une sortie de fluide gazeux comprimé,
- une enceinte de travail renfermant du fluide gazeux, de forme générale de révolution autour d'un axe et délimitée par un premier carter et un deuxième carter assemblés ensemble,
l'enceinte de travail comprenant :
- une première chambre, couplée thermiquement à une source chaude adaptée pour apporter des calories au fluide gazeux via le premier carter,
une deuxième chambre couplée thermiquement à une source froide pour transférer des calories du fluide gazeux vers la source froide via le deuxième carter,
- un piston monté mobile dans une chemise cylindrique selon une direction axiale et séparant la première chambre et la deuxième chambre, le piston pouvant être déplacé par une tige reliée au piston, selon un mouvement de va-et- vient axial,
- un échangeur régénérateur disposé autour du piston et mettant en communication fluide les première et deuxième chambres ,
- un canal de communication chaud reliant au moins un orifice de la première chambre avec 1 'échangeur régénérateur, ce canal de communication chaud ayant une forme générale de révolution autour de l'axe, et
dans lequel un premier écran thermique, formé par une portion cylindrique annulaire thermiquement isolante, est interposé entre le piston et le canal de communication chaud, le canal de communication chaud étant formé par un interstice radial formé entre le premier écran thermique et le premier carter.
De sorte qu'on limite les effets de conduction thermique, notamment dans une portion axiale intermédiaire, et que la grande majorité des échanges thermiques entre les portions chaude et froide transitent par le flux physique de convection du fluide de travail.
Selon un aspect complémentaire, le premier carter est métallique et présente une zone annulaire isolante sous forme de portion annulaire axiale de plus faible conduction thermique ; ce qui limite encore plus les effets de conduction thermique selon la direction axiale.
Selon un aspect complémentaire, la portion annulaire de plus faible coefficient de conduction thermique est enserrée dans une frette ; ceci permet d'obtenir une robustesse mécanique satisfaisante.
Selon un aspect complémentaire, la portion annulaire de plus faible coefficient de conduction thermique (formant la zone annulaire isolante) est obtenue intégralement dans le premier carter en ménageant une pluralité d'évidements (rainures) répartis tout autour de l'écran thermique ; solution simple à géométrie interne maîtrisée.
Selon un aspect complémentaire, l'interstice formant le canal de communication chaud peut présenter une largeur inférieure à 4 millimètres, voire inférieure à 2 millimètres ; de sorte que le volume que représente le canal de communication chaud est très limité, et ainsi le volume des gaz chauds comprenant la première chambre et les canaux chauds du fluide de travail jusqu'au régénérateur, lorsque le piston est au point le plus haut, est inférieur à 15% du volume balayé par le piston entre le point le plus bas et le point le plus haut.
Selon un aspect complémentaire, le premier carter a une extrémité en forme de dôme hémisphérique, ainsi que la partie supérieure de l'écran thermique, ainsi que la partie supérieur du piston ; ce qui est une forme optimale pour résister aux efforts de pression.
R27Selon un aspect complémentaire, le piston peut comprendre une partie supérieure de faible conduction thermique ; cela contribue à la limitation des flux thermiques conduits de la partie chaude vers la partie froide .
Selon un aspect complémentaire, le premier carter et le deuxième carter sont assemblés l'un à l'autre directement sans pièce intermédiaire ; ce qui est une solution simple et robuste ; Selon un aspect complémentaire, le premier carter comprend une première collerette de renforcement agencée entre la portion supérieure en forme de dôme et la zone de manchon isolant et une deuxième collerette de renforcement pour servir de flasque de fixation au deuxième carter ; ceci contribue à la robustesse mécanique du premier carter.
Selon un autre aspect du dispositif divulgué, qui est indépendant du guidage et de 1 ' étanchéité de la tige et de la limitation des effets de conduction thermique axiale déjà évoqués ci-dessus, la deuxième chambre et les canaux froids du fluide de travail sont réalisés dans une seule pièce (appelée ici deuxième carter, ou 'pièce structurelle froide' ou 'cooler') , les canaux étant réalisés sous formes de perçages obtenus par usinage.
En effet, il est proposé un proposé un dispositif de compression de fluide gazeux comprenant :
- une entrée de fluide gazeux à comprimer et une sortie de fluide gazeux comprimé,
- une enceinte de travail renfermant du fluide gazeux, délimitée par un premier carter et un deuxième carter assemblés ensemble,
l'enceinte de travail comprenant :
- une première chambre, couplée thermiquement à une source chaude adaptée pour apporter des calories au fluide gazeux,
une deuxième chambre couplée thermiquement à une source froide pour transférer des calories du fluide gazeux vers la source froide via le deuxième carter,
- un piston monté mobile dans une chemise cylindrique selon une direction axiale et séparant la première chambre et la deuxième chambre, le piston pouvant être déplacé par une tige reliée au piston, selon un mouvement de va-et- vient axial,
- un échangeur régénérateur disposé autour du piston et mettant en communication fluide les première et deuxième chambres ,
- au moins un canal de communication froid reliant au moins la deuxième chambre à l'échangeur régénérateur, ce canal de communication froid comprenant une pluralité de perçages axiaux disposés dans le deuxième carter autour de la deuxième chambre.
De la sorte, on obtient les conduits du canal de communication froid par usinage d'une pièce massive, ce qui réduit le nombre de pièces nécessaire et réduit aussi les volumes morts dans la partie froide.
Selon un aspect complémentaire, des premiers canaux froids auxiliaires conduisant le fluide de couplage de la source froide s'étendent parallèlement à la direction axiale, et des seconds canaux froids auxiliaires s'étendent perpendiculairement à la direction axiale et servent de collecteur aux premiers canaux froids auxiliaires en s'y raccordant ; l'échangeur thermique est ainsi facilement obtenu par la proximité des canaux auxiliaires avec le canal froid du fluide de travail.
Selon un aspect complémentaire alternatif, tous les premiers canaux auxiliaires conduisant le fluide de couplage de la source froide s'étendent perpendiculairement à la direction axiale ; ce qui est industriellement facile à usiner et ce qui dispense d'avoir à bouchonner certains conduits ;
Selon un aspect complémentaire, le deuxième carter 12 comprend une cavité cylindrique adapté pour recevoir la partie basse du piston et une gorge circulaire agencé à la base de la cavité cylindrique et qui sert de collecteur inférieur en reliant la sortie inférieure des perçages ; on obtient ainsi une limitation des volumes morts par le faible volume du collecteur des canaux froids;
Selon un aspect complémentaire, un déflecteur est disposé en partie basse de la cavité cylindrique, ledit déflecteur délimite avec le fond de la deuxième chambre un évidement en forme de disque qui fait partie du canal de communication froid; moyennant quoi on évite un échauffement de la tige et on limite le transfert de calories dû à la tige de la zone chaude vers la zone froide Selon un aspect complémentaire, le deuxième carter peut être une pièce monobloc incluant la portion inférieure de la chemise cylindrique, le canal de communication froid et les différents canaux froids auxiliaires, ainsi que les entrées et sorties du fluide de travail ; ce qui réduit le nombre de pièces nécessaires dans la partie froide.
Selon un aspect complémentaire, en outre, le volume des gaz froids comprenant la deuxième chambre et les canaux froids du fluide de travail jusqu'au régénérateur, lorsque le piston est au point le plus bas, est inférieur à 15% du volume balayé par le piston entre le point le plus bas et le point le plus haut ; ce qui contribue à améliorer l'efficacité thermique.
Selon un autre aspect du dispositif divulgué, qui est indépendant du guidage et de l'étanchéité de la tige, de la limitation des effets de conduction thermique axiale déjà et de la structure constructive de la pièce froide évoqués ci-dessus, il est proposé d'améliorer la commande de déplacement du piston.
A cet effet, il est proposé un dispositif de compression de fluide gazeux comprenant :
- une entrée de fluide gazeux à comprimer et une sortie de fluide gazeux comprimé,
- une enceinte de travail renfermant du fluide gazeux,
- une première chambre, couplée thermiquement à une source chaude adaptée pour apporter des calories au fluide gazeux,
une deuxième chambre couplée thermiquement à une source froide pour transférer des calories du fluide gazeux vers la source froide,
- un piston monté mobile dans une chemise cylindrique selon une direction axiale et séparant la première chambre et la deuxième chambre, le piston pouvant être déplacé par une tige reliée au piston, selon un mouvement de va-et- vient axial,
- un échangeur régénérateur mettant en communication fluide les première et deuxième chambres,
le dispositif de compression comprenant un dispositif d ' auto-entrainement agissant sur une extrémité de la tige et comprenant d'une part une bielle reliée à la tige et un volant inertiel relié à la bielle, et d'autre part un moyen de rappel élastique à double effet, relié à la tige et ayant un point neutre correspondant à une position au voisinage de la mi-course du piston.
Grâce à ces dispositions, le moyen de rappel élastique stocke cycliquement alternativement une certaine énergie, en parallèle de celle qui est stockée dans le volant inertiel, ce qui permet de réduire les efforts aux paliers de l'ensemble bielle-volant et de dimensionner ce dernier au plus juste.
Selon un aspect complémentaire, le moyen de rappel élastique peut comprendre deux ressorts travaillant de façon antagoniste ; on peut ainsi éviter les courses mortes et hystérésis et/ou compenser les dispersions des caractéristiques des ressorts.
Selon un aspect complémentaire, le dispositif d'auto- entrainement peut comprendre un moteur couplé magnétiquement au volant inertiel ; ce qui permet de donner une impulsion initiale de démarrage et de réguler ensuite la vitesse de rotation.
Selon un aspect complémentaire, le dispositif d'auto- entrainement est disposé dans une chambre auxiliaire dans laquelle règne une pression moyenne qui est la demi-somme des pressions d'admission PI et de sortie P2 ; on a ainsi des échanges équilibrés et limités avec la deuxième chambre. Enfin, l'invention vise également un système thermique comprenant un circuit caloporteur et au moins un compresseur selon l'une des caractéristiques précédentes. Le système thermique en question peut être destiné à prélever des calories dans un endroit clos et dans ce cas c'est un système de climatisation ou de réfrigération, mais le système thermique en question peut aussi être destiné à apporter des calories dans un endroit clos et dans ce cas c'est un système de chauffage comme par exemple du chauffage résidentiel ou du chauffage industriel.
D'autres aspects, buts et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante de modes de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs. L'invention sera également mieux comprise en regard des dessins joints sur lesquels :
- la figure 1 est une vue schématique en coupe axiale d'un dispositif de compression de fluide gazeux selon 1 ' invention,
- la figure 2 représente une vue de détail partielle du guidage de la tige,
- la figure 3 représente une vue en perspective d'une pièce froide comprise dans le dispositif de la figure 1,
- la figure 4 représente une vue en perspective des parties chaudes comprises dans le dispositif de la figure 1,
- la figure 5 représente une vue en perspective de la pièce froide de la figure 3, avec une coupe transversale et un arraché,
- la figure 6 représente un détail concernant la bague d'étanchéité,
- la figure 7 représente un détail concernant l'interface piston-chemise,
- la figure 8 représente un diagramme du cycle thermodynamique mis en œuvre dans le dispositif, notamment pour le dispositif d ' auto-entrainement , - la figure 9 représente un second mode de réalisation de la pièce froide,
- la figure 10 représente un second mode de réalisation concernant le dispositif d ' auto-entrainement ,
- la figure 11 représente l'assemblage de piston,
- la figure 12 montre une vue partielle premier carter illustrant la portion de plus faible conductivité thermique .
Sur les différentes figures, les mêmes références désignent des éléments identiques ou similaires,
La figure 1 montre un dispositif 1 de compression de fluide gazeux, adapté pour admettre un fluide gazeux (aussi appelé 'fluide de travail') par une entrée ou admission 46, à une pression Pl et fournir sur une sortie notée 47 le fluide compressé à une pression P2.
Comme représenté aux figures 1 à 12, le dispositif est architecturé autour d'une direction axiale X, qui est de préférence disposée verticalement, mais une autre disposition n'est pas exclue. Selon cet axe peut se déplacer un piston 7 monté mobile au moins dans une chemise cylindrique 50. Ledit piston sépare hermétiquement deux espaces clos, appelés respectivement première chambre 21 deuxième chambre 22, ces deux chambres étant incluses dans une enceinte de travail 2 hermétique (excepté les entrées/sorties susmentionnées). L'enceinte de travail 2 présente une extrémité supérieure 2h et une extrémité inférieure 2b. Le piston présente une portion supérieure en forme de dôme, par exemple hémisphérique.
L'enceinte de travail 2 est délimitée par un premier carter 11, agencé en partie supérieure de l'assemblage et en contact thermique avec la source chaude au moins en zone supérieure, et par un deuxième carter 12, agencé en partie inférieure, et refroidi par la source froide. Selon des termes de langue anglaise, le premier carter 11 peut se nommer 'heater' et le deuxième carter 12 peut se nommer 'cooler ' . La chemise cylindrique 50 s'étend à la fois dans le deuxième carter et à l'intérieur du premier carter, au contact d'une pièce appelée 'écran thermique' 35 dont il sera question plus loin.
Le premier carter 11 est fabriqué en matière acier inox ou en alliage métallique suffisamment résistant pour subir les températures de la partie chaude. Le deuxième carter 12 est de préférence réalisé en alliage métallique léger, sa température de service étant moins élevée.
Le premier carter 11 et le deuxième carter 12 sont dans l'exemple illustré assemblé l'un à l'autre directement sans pièce intermédiaire. Cependant, ils pourraient être assemblés ensemble avec une (voire plusieurs) pièce intermédiaire .
La première chambre 21, dite aussi 'chambre chaude', est agencée au dessus du piston et couplée thermiquement à une source chaude 6 adaptée pour apporter des calories au fluide gazeux. La première chambre est de révolution avec une portion cylindrique de diamètre correspondant au diamètre Dl du piston et une portion hémisphérique en partie supérieure.
La source chaude 6 est agencée tout autour de la chambre chaude 21, et en particulier au contact du premier carter 11.
La deuxième chambre 22, dite aussi 'chambre froide', est agencée au dessous du piston et couplée thermiquement à une source froide 5 pour transférer des calories du fluide gazeux vers la source froide. La deuxième chambre est de forme générale cylindrique, de diamètre Dl correspondant au diamètre du piston.
Autour de la chemise cylindrique 50 est agencé un échangeur régénérateur 9, du type de ceux utilisés classiquement dans les machines thermodynamiques de type machine Stirling. Cet échangeur 9 (qu'on appellera aussi simplement 'régénérateur' dans la suite) comprend des canaux fluides de section faible et des éléments de stockage d'énergie thermique et/ou un réseau serré de fils métalliques. Ce régénérateur 9 est agencé à une hauteur intermédiaire entre l'extrémité supérieure 2h et l'extrémité inférieure 2b de l'enceinte et présente un coté chaud 9a vers le haut et un coté froid 9b vers le bas.
Le coté chaud 9a est raccordé (mis en communication fluide) avec la première chambre 21, au moyen d'un canal de communication chaud 25 qui comprend des collecteurs 28, un passage annulaire 25, lequel rejoint un orifice 24 situé au sommet de la première chambre 21.
La portion supérieure du passage annulaire 25 permet au fluide de lécher le premier carter 11, dans sa portion supérieure où il est particulièrement chaud au contact de la source chaude (très bon couplage thermique) .
Le canal de communication chaud 25 est formé par un interstice radial de faible épaisseur (<4mm, voire <2mm, voire voisin de 1mm) formé entre le premier carter 11 et une pièce comprenant un premier écran thermique. Le premier écran thermique 35, formé par une portion cylindrique annulaire thermiquement isolante, est interposé entre le piston 7 et le canal de communication chaud 25, et par conséquent le fluide de travail ne réchauffe pas les parties latérales du piston.
Le premier écran thermique 35 est fabriqué en céramique ou en isolant haute température. Son épaisseur est sensiblement constante dans l'exemple illustré.
La partie cylindrique peut se prolonger au-dessus par une partie hémisphérique avec une épaisseur quasi constante, cette partie hémisphérique étant configurée pour épouser la surface extérieure du piston lorsque ce dernier est en position maximale haute ; au sommet de la portion hémisphérique est aménagé un orifice 24 par lequel passe le flux d'entrée et de sortie de la première chambre 21.
Le coté froid 9b du régénérateur 9 est raccordé (mis en communication fluide) avec la deuxième chambre 22, au moyen d'un canal de communication froid qui comprend des collecteurs 27 et canaux froids 26 sous forme de perçages dans le deuxième carter dont la disposition sera précisée plus loin.
Comme il ressort des figures, lorsque le piston se déplace, la somme des volumes des première et deuxième chambres 21,22 est sensiblement constante, à ceci près que le volume occupé par la tige 8 est un peu plus important quand le piston est en position haute. De plus, le volume de fluide de travail contenu dans le régénérateur 9, les canaux froids 26,27 et le canal de communication chaud 28,25 est constant, et par conséquent le volume total de fluide gazeux dans l'enceinte 2 est quasiment constant.
Selon l'architecture constructive avantageuse retenue, le volume des gaz chauds comprenant la première chambre 21 et les conduites chaudes 25 jusqu'au régénérateur est, lorsque le piston est au point le plus haut, inférieur à 15% du volume balayé par le piston entre le point le plus bas et le point le plus haut, voire même inférieure à 10 %.
De même, le volume des gaz froids, lorsque le piston est au point le plus bas, qui comprend le volume résiduel de la deuxième chambre 22 et les canaux de communication froid 26, est inférieur à 15% du volume total balayé par le piston, voire même inférieure à 10 %.
Du point de vue de son architecture structurelle, le dispositif comprend :
- le deuxième carter 12 qui délimite la deuxième chambre 22 grâce à la chemise susmentionnée, avec la partie inférieure du piston ; cette pièce est relativement massive, et comprend en outre l'entrée 46 et la sortie 47 de fluide,
- le premier carter 11, qui délimite la première chambre 21, grâce à la surface intérieure de l'écran thermique 35 avec la partie supérieure du piston 7h, et qui comprend une zone de manchon isolant formé par une portion de plus faible conduction thermique 37, en vis-à-vis en partie du régénérateur (cf Fig. 12),
- l'écran thermique 35 formant la chemise 50 sur sa surface intérieure et délimitant sur sa surface extérieure la surface radialement intérieure du canal de communication chaud 25,
- un écran thermique auxiliaire 36, interposé entre le canal de communication chaud 25 et la portion de plus faible conduction 37 du premier carter,
- un assemblage mobile 78 comprenant le piston 7 susmentionné et une tige 8 solidaire du piston ; ladite tige 8 est de section ronde de diamètre D2 et présente un système de centrage et de fixation 87 sur l'axe du piston ;
- le régénérateur 9 susmentionné, agencé à l'intérieur de la pièce structurelle supérieure 11 et autour de la chemise
50.
En dessous de la tige 8 est agencé un système de commande du déplacement du piston, lequel est contenu dans un carter auxiliaire 13 qui délimite une troisième chambre 23 ou chambre auxiliaire 23. Le carter auxiliaire 13 est fixée sur une semelle 10 appartenant au premier carter 11, au moyen de vis passant par les trous 160.
De manière optionnelle, le dispositif peut aussi comprendre comme système de commande un dispositif d'auto- entraînement particulier 4 dont il sera question plus loin, En outre, la deuxième carter 12, comprend un alésage axial 12a qui reçoit sans jeu une douille 17 cylindrique dont la surface cylindrique intérieure est usinée avec précision. La douille est montée en force dans l'alésage 12a de la pièce structurelle inférieure 12.
Dans cette douille 17 est reçu un système de guidage linéaire 3 qui guide avec précision la tige 8 afin de guider le piston 7 avec précision, de préférence sans contact par rapport à la chemise comme il sera précisé par la suite. Dans l'exemple illustré, le système de guidage linéaire 3 est un dispositif de cylindrique à billes, de préférence de type fourreau cylindrique 30 à billes 31. Les billes 31 roulent sur la douille et le fourreau 30 se déplace deux fois moins vite que la tige 8.
Dans une alternative non représentée, le système de guidage linéaire 3 peut comprendre des paliers lisses en matériau de type PTFE (Poly-tétra-fluor-éthylène ) .
Concernant la fonction étanchéité par rapport à la tige mobile, on dispose une bague d ' étanchéité 18 cylindrique fixée dans la douille cylindrique 17, et distincte du système de guidage ; cette bague d ' étanchéité 18 entoure la tige avec un jeu radial el compris entre 2 et 20 μιιι, pour limiter fortement le passage du fluide gazeux de passer le long de la tige mobile 8 (cf. Figure 6) . De préférence, on visera préfèrentiellement un jeu radial el compris entre 10 et 15 |im.
Grâce au guidage de précision de la tige, on obtient en conséquence un guidage de précision du piston, du fait de la fixation rigide du piston sur la tige. Plus précisément, le piston 7 présente un bord extérieur 73,74 disposé de manière adjacente à la chemise 50 et le bord extérieur du piston est guidé sans frottement dans la chemise avec un jeu fonctionnel e2 entre le bord extérieur de jointure et la chemise compris entre 5|im et 30|im, de préférence voisin de 10|im (cf. Figure 7) . Le bord extérieur est de préférence obtenu intégralement de la partie basse 71 du piston mais toute autre solution pourrait convenir.
Grâce à cette géométrie précise, on obtient une étanchéité satisfaisante en mode dynamique lors des mouvements de va-et-vient du piston, dont la fréquence de mouvement alternatif est comprise entre quelques Hertz et quelques dizaines voire quelques centaines de Hertz.
De plus, cet agencement permet d'éviter toute usure par frottement ou contact ; on peut ainsi se passer de toute lubrification liquide de sorte que le dispositif est dépourvu de lubrification liquide.
A la différence d'un compresseur volumétrique, dans le présent compresseur thermique ce sont les échanges thermiques sui déplacent le piston et non la tige et son embiellage. Par conséquent il y a très peu d'efforts radiaux sur la tige et le piston dans le présent compresseur thermique, ce qui permet d'envisager un guidage précis et une absence de frottement comme indiqué plus haut. On arrive ainsi à une durée de vie de plusieurs dizaines de milliers d'heure sans entretien.
Le fluide choisi comme fluide de travail peut être tout fluide adéquat, en particulier tout gaz léger ; ce peut être de l'ammoniac, mais le choix peut se porter sur le C02 pour des raisons environnementales.
Selon un exemple d ' implémentation de l'invention, la température de la partie froide s'établit au voisinage de 50 °C, alors que la température de la partie chaude s'établit au voisinage de 650°C.
Le manchon isolant 37 est obtenu par une pluralité d'évidements 38 séparés par des parois radiales 39 comme illustré à la figure 12, cette alternance d'évidements les deux parois radiales étant reproduite tout autour de la circonférence du premier carter de la partie supérieure du régénérateur 9.
Autour de la zone de manchon isolant thermique, est disposée une frette 15 qui a pour but de renforcer la solidité mécanique du premier carter au niveau de la zone de plus faible conductivité thermique. L'extrémité des parois radiales 39 est contrainte radialement vers l'intérieur par la présence de cette frette 15, qui peut être montée avec une légère précontrainte et par conséquent la robustesse mécanique de cette portion intermédiaire du premier carter 11 est satisfaisante.
De plus, le premier carter 11 comprend une première collerette lia de renforcement agencée entre la portion supérieure en forme de dôme et la zone de manchon isolant et une deuxième collerette de renforcement 11b pour servir de flasque de fixation au deuxième carter 12.
On assemble le premier carter 11 au second carter 12 au niveau du plan d'interface P au moyen d'une pluralité de vis qui traversent respectivement les trous 110 en bas de la pièce chaude (collerette 11b du premier carter 11) et les trous 112 en haut de la pièce froide, qui peuvent être des trous taraudés.
Le fonctionnement du compresseur est assuré par le mouvement alternatif du piston 7, ainsi que par l'action d'un clapet d'aspiration 46a sur l'entrée 46, d'un clapet anti-retour 47a de refoulement sur la sortie 47.
Les différentes étapes A,B,C,D, décrites ci-après sont représentées sur les figures 1 et 8.
Etape A.
Le piston, initialement en haut, se déplace vers le bas et le volume de la première chambre 21 augmente alors que volume de la deuxième chambre 22 diminue. De par le fait, le fluide est poussé au travers du régénérateur 9 du bas vers le haut, et se réchauffe au passage. La pression Pw augmente de façon concomitante.
Etape B.
Lorsque la pression Pw dépasse une certaine valeur, le clapet de sortie 47a s'ouvre et la pression Pw s'établit à la pression P2 de sortie du fluide compressé et du fluide est expulsé vers la sortie (le clapet d'entrée 46a reste bien sûr fermé pendant ce temps) . Ceci se poursuit jusqu'au point mort bas du piston.
Etape C.
Le piston, se déplace maintenant du bas vers le haut et le volume de la deuxième chambre augmente alors que première volume de la chambre diminue. De par le fait, le fluide est poussé au travers du régénérateur 9 du haut vers le bas, et se refroidit au passage. La pression Pw diminue de façon concomitante. Le clapet de sortie 47a se ferme en début de montée.
Etape D.
Lorsque la pression Pw passe en dessous d'une certaine valeur, le clapet d'entrée 46a s'ouvre et la pression Pw s'établit à la pression Pl d'entrée de fluide et du fluide est aspiré par l'entrée 46 (le clapet de sortie 47a reste bien sûr fermé pendant ce temps) . Ceci se poursuit jusqu'au point mort haut du piston. Le clapet d'entrée 46a se fermera dès le début de la descente du piston.
Les mouvements de la tige 8 peuvent être commandés par tout dispositif d'entraînement adéquat agencé dans la chambre auxiliaire 23. Dans l'exemple illustré, il s'agit d'un dispositif d ' auto-entrainement 4 agissant sur une extrémité de la tige. Ce dispositif d ' auto-entrainement 4 comprend un volant inertiel 42, une bielle 41 relié audit volant par une liaison pivot, par exemple un palier à roulement 43. La bielle 41 est reliée à la tige par une autre liaison pivot, par exemple un palier à roulement 44.
Dans l'exemple illustré, dispositif d ' auto-entrainement 4 est hébergé dans une chambre auxiliaire 23 remplie du fluide gazeux de travail à une pression notée Pa. La bague d'étanchéité 18 est interposée entre la deuxième chambre 22 et la chambre auxiliaire 23. Lorsque le dispositif est en fonctionnement, la pression Pa dans la chambre auxiliaire 23 converge vers une pression moyenne sensiblement égale à la demi-somme des pressions mini Pl et maxi P2. Lorsque le dispositif est à l'arrêt depuis un certain temps, la pression dans la chambre auxiliaire Pa devient égale de la pression régnant dans la deuxième chambre 22. En effet, en raison du jeu fonctionnel compris entre 2 et 20 μιη entre la bague 18 et la tige 8, une très petite fuite ne permet pas de conserver un différentiel de pression sur le long terme, mais en régime dynamique, cette très petite fuite ne nuit pas au fonctionnement et reste négligeable.
Lorsque le volant tourne d'un tour, le piston balaye un volume correspondant à la distance entre le point mort et point mort bas, multipliée par le diamètre Dl .
Le diamètre de la tige D2 est supérieur au quart du diamètre Dl du piston, de sorte que la pression exercé sur le piston vaut (Pw-Pa) x D2.
Le cycle thermodynamique, tel que représenté à la figure 8 fournit un travail positif au dispositif d'auto- entraînement.
Comme illustré sur la Figure 8, les efforts exercés sur le piston fournissent de l'énergie au volant inertiel pendant les étapes A, B alors que dans l'étape C,D c'est le volant d'inertie qui fournit de l'énergie au train de pistons, sachant que le piston doit à tout moment vaincre les efforts de roulement ou frottement minimes résiduels. Le solde du travail fourni par le cycle complet est positif ; il en résulte que le déplacement de va-et-vient du piston 7 peut être auto-entretenu par ledit système d'entraînement 4.
Le travail d ' auto-entrainement est proportionnel à la section de la tige et par conséquent la section de la tige sera choisie de manière à générer suffisamment de travail. On choisira par exemple un diamètre D2 au moins égal à un quart du diamètre Dl du piston.
Un moteur électrique (non représenté) est couplé, dans l'exemple ici par des moyens magnétiques, avec le volant inertiel. Ce moteur permet de donner une impulsion initiale pour faire démarrer le cycle. Le moteur sert aussi à réguler la vitesse de cyclage en régime établi. Le couplage magnétique entre le moteur et le volant inertiel permet d'éviter tout problème de joint tournant et de fuite potentielle associée.
De plus, avantageusement selon un aspect optionnel représenté à la figure 10, on dispose en supplément un rappel élastique 45 à double effet, qui fonctionne en parallèle de l'ensemble bielle-volant susmentionné. Par exemple, ceci peut être formé par un ressort fonctionnant en traction et compression et dont la longueur d'équilibre est choisie pour n'exercer aucun effort à mi-course du cycle .
Le moyen de rappel élastique stocke et restitue cycliquement de l'énergie.
De façon alternative, on peut aussi disposer deux ressorts qui travaillent de façon antagoniste et dont les efforts s'équilibrent à la mi-course du cycle.
Avantageusement, les efforts supportés par l'ensemble bielle-volant sont diminués car une partie des efforts est supporté par le système de rappel élastique.
On peut ainsi dimensionner au plus juste les paliers
43,44 ce qui concourt à l'optimisation du mécanisme d'entraînement et l'absence de nécessité de maintenance.
Pour minimiser les transferts thermiques par conduction, le piston est construit en deux parties, comme illustré en particulier à la figure 11, une base 71 avec des caractéristiques géométriques très précises comme indiqué ci-dessus (notamment le bord 73) et une tête 72 qui est réalisée en matériau peu conducteur thermiquement ou en plusieurs étages séparés par des isolants thermiques.
De plus, la tige 8 est refroidie par un dispositif de déflection 14 du flux de fluide gazeux refroidi ; ce dispositif guide le fluide de façon à ce que le fluide gazeux refroidi lèche la tige 8 et la refroidisse.
Le déflecteur 14 se présente comme un disque de diamètre extérieur Dl avec un orifice central de diamètre un peu supérieur à celui D2 de la tige (cf Fig 2), de sorte qu'un passage 14a est ainsi défini, lequel oblige le fluide de travail froid à lécher la tige 8 de manière à refroidir.
Les canaux sont réalisés sous formes de perçages obtenus par usinage dans la pièce structurelle inférieure 11, c'est-à-dire le premier carter ou le 'cooler ' . De manière préférée, le premier carter et une pièce monobloc massive comme représentée aux figures 3 et 5.
Les canaux froids 26 du fluide de travail gazeux sont formés à cet endroit par des perçages 16 s'étendent parallèlement à la direction axiale X et sont disposés circonférentiellement les uns à coté des autres autour de la deuxième chambre. Lesdits perçages 16 comprennent des perçages de petit diamètre 67 et des perçages de plus grand diamètre 66 dans les zones diamétrales de raccordement de l'entrée 46 et de la sortie 47.
De plus, des premiers canaux froids auxiliaires 51 conduisant le fluide de couplage de la source froide s'étendent parallèlement à la direction axiale et sont disposées selon un carré en face des trous 160 de la semelle 10; de plus, d'autres seconds canaux froids auxiliaires 52 s'étendent selon Yl perpendiculairement à la direction axiale et servent de collecteur aux premiers canaux froids auxiliaires 51 en s'y raccordant (cf Fig 5) ; en outre d'autres seconds canaux froids auxiliaires 53 s'étendent selon Y2 perpendiculairement à X et à Yl .
Les premiers canaux froids auxiliaires 51 et les seconds canaux froids auxiliaires 52 sont également réalisés par des perçages au travers de la pièce massive formée par le premier carter 11.
De plus, la chambre froide comprend une rainure inférieure 55 de diamètre supérieur au diamètre D du piston qui sert de collecteur aux canaux froids 26 (perçages 16) pour mettre en communication lesdits canaux froids 26 avec le fond 65 de la deuxième chambre 22, (cf figures 2 et 3) .
De plus, selon une solution alternative représentée à la figure 9, on obtient tous les premiers canaux froids auxiliaires 57,58 par des perçages perpendiculairement à la direction axiale. Une première série 57 de perçages sont disposés selon Y2 les uns au-dessus des autres et passent au travers du cercle sur lesquels sont disposés les perçages 16 ; une seconde série 58 de perçages sont aussi disposés les uns au-dessus des autres selon Yl, croisent à angle droit les perçages 57 de la première série avec communication fluide, et passent également au travers du cercle sur lesquels sont disposés les perçages 16. Cette variante présente certains intérêts concernant la fabrication industrielle d'une telle pièce massive et de son usinage.
II est à noter que les clapets anti-retour 46a, 47a peuvent être de tout type utilisés couramment dans les compresseurs et ne sont pas forcément disposés à proximité des entrée et sortie 46,47.
Il est à noter que l'agencement du dispositif pourrait être inversé, à savoir la partie froide en haut et la partie chaude en bas, mais il est entendu que la disposition selon la verticale permet d'éliminer les effets de la pesanteur par rapport à la direction radiale du dispositif et en par particulier par rapport au guidage de la tige et au guidage du piston et à l'élimination des frottements
Il est à noter que pour augmenter le taux de compression, il est possible de disposer plusieurs dispositifs de compression tels que décrits précédemment en série.
Il est à noter que la frontière entre le premier carter et le deuxième carter pourrait être située à une position différente .
Le manchon isolant 37 pourrait être formé par une pièce spécifique interposée entre les premier et second carters.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif de compression thermique de fluide gazeux, comprenant :
- une entrée (46) de fluide gazeux à comprimer et une sortie (47) de fluide gazeux comprimé,
- une enceinte de travail (2) renfermant du fluide gazeux,
- une première chambre (21), couplée thermiquement à une source chaude (6) adaptée pour apporter des calories au fluide gazeux,
- une deuxième chambre (22) couplée thermiquement à une source froide (5) pour transférer des calories du fluide gazeux vers la source froide,
- un piston (7) monté mobile dans une chemise cylindrique selon une direction axiale (X) et séparant la première chambre (21) et la deuxième chambre (22) à l'intérieur de ladite enceinte de travail, le piston étant déplacé par une tige (8) solidaire du piston,
un échangeur régénérateur (9) et des canaux de communication mettant en communication fluide les première et deuxième chambres,
dans lequel la tige est agencée dans une douille cylindrique (17) solidaire de l'enceinte, et la tige est guidée en translation axiale par un système de guidage linéaire (3) afin de guider le piston sans contact par rapport à la chemise,
caractérisé en ce qu'une bague d'étanchéité (18) cylindrique fixée dans la douille cylindrique entoure la tige avec un jeu radial (el) compris entre 2 et 20 μηι, pour limiter fortement le passage de fluide gazeux le long de la tige mobile depuis et vers une chambre auxiliaire (23) .
2. Dispositif de compression selon la revendication 1, dans lequel le piston présente un bord extérieur (73) disposé de manière adjacente à la chemise (50) et le bord extérieur du piston est guidé sans frottement dans la chemise avec un jeu fonctionnel (e2) entre le bord extérieur et la chemise compris entre 5μηι et 30μιη, de préférence voisin de 10|im.
3. Dispositif de compression selon l'une des revendications 1-2, dans lequel le système de guidage linéaire (3) est un dispositif de cylindrique à billes.
4. Dispositif de compression selon l'une des revendications 1-2, dans lequel le système de guidage linéaire (3) comprend des paliers lisses en matériau de type PTFE .
5. Dispositif de compression selon l'une des revendications 1-4, caractérisé en ce qu'il est dépourvu de lubrification liquide.
6. Dispositif de compression selon l'une des revendications 1-5, dans lequel la tige est refroidie par un dispositif de déflection (14) du flux de fluide gazeux refroidi .
7. Dispositif de compression selon l'une des revendications 1-6, dans lequel la tige présente un diamètre (D2) supérieur au quart du diamètre (Dl) du piston .
8. Dispositif de compression selon l'une des revendications 1-7, comprenant en outre un dispositif d ' auto-entrainement (4) agissant sur une extrémité de la tige et comprenant une bielle reliée à la tige et un volant inertiel relié à la bielle.
9. Dispositif de compression selon la revendication 8, dans lequel le dispositif d ' auto-entrainement (4) est disposé dans la chambre auxiliaire (23) remplie du fluide gazeux, la bague d ' étanchéité (18) étant interposée entre la deuxième chambre et la chambre auxiliaire.
10. Système thermique comprenant un circuit caloporteur et au moins un compresseur selon l'une des revendications précédentes.
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