WO2015193560A1 - Systeme de cogeneration - Google Patents

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Publication number
WO2015193560A1
WO2015193560A1 PCT/FR2015/000113 FR2015000113W WO2015193560A1 WO 2015193560 A1 WO2015193560 A1 WO 2015193560A1 FR 2015000113 W FR2015000113 W FR 2015000113W WO 2015193560 A1 WO2015193560 A1 WO 2015193560A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
cogeneration system
crankshaft
cylinder
heating
engine
Prior art date
Application number
PCT/FR2015/000113
Other languages
English (en)
Inventor
Alain De Larminat
Original Assignee
Alain De Larminat
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Alain De Larminat filed Critical Alain De Larminat
Publication of WO2015193560A1 publication Critical patent/WO2015193560A1/fr

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Classifications

    • 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
    • F02G1/055—Heaters or coolers
    • 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
    • F02G2254/00—Heat inputs
    • F02G2254/10—Heat inputs by burners
    • 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
    • F02G2256/00—Coolers
    • F02G2256/50—Coolers with coolant circulation
    • 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
    • F02G2280/20—Rotary generators
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E20/00—Combustion technologies with mitigation potential
    • Y02E20/14—Combined heat and power generation [CHP]

Definitions

  • the technical sector of the present invention is that of cogeneration systems for heating water while producing electricity, including cogeneration systems using a Stirling engine.
  • EP-0457399 teaches a cogeneration system comprising burners acting on the pistons of a Stirling engine. Heat is maintained around the pistons while a temperature control valve allows direct evacuation of the combustion gases.
  • the cogeneration system further includes a Stirling engine engagement valve controlled by a pressure chamber as a function of temperature. At high temperature, the pistons are activated in translation, their linear movements then being transformed into a rotational and driving movement of an electricity generator. The cooling water heated by the Stirling engine is then reheated by the flue gases in a heat exchanger.
  • the temperature control valve implies a decrease in the efficiency of the engine.
  • US-7459799 relates to a domestic appliance for heating and electricity production.
  • a Stirling engine is used to produce electricity, this engine being heated by a first burner and cooled by a water circuit.
  • the water is first heated during cooling of the Stirling engine and then by a heat exchanger which is itself heated on the one hand by the exhaust gases of the first burner and on the other hand by a second burner. Part of the burnt gases evacuated by the second burner is reinjected with fresh air to supply the first burner.
  • This home appliance that includes two burners, however, requires a complex adjustment for optimized performance.
  • the present invention aims to overcome the disadvantages of the prior art by providing a cogeneration system whose structure is simplified while maintaining a good performance. This objective is achieved through a cogeneration system comprising at least:
  • an engine cooling circuit comprising a cold water supply inlet and a hot water supply outlet
  • the cogeneration system being characterized in that the burner heats a heating circuit delimiting a heating cavity arranged around a heated portion of the engine while the cooling circuit defines a cooling cavity arranged around at least a first portion cooled motor and around the heating cavity.
  • the cooling circuit is arranged so that the water circulates in the cooling circuit from the cold water supply inlet around the cooled first part and around the heated portion. before being evacuated by the hot water supply outlet.
  • the heating circuit is surrounded at least in part by a thermally insulating layer disposed between the heating circuit and the cooling circuit.
  • the engine comprises at least:
  • each piston is constituted by at least one base sliding in its cylinder in a sealed manner, a displacer sliding in an unsealed manner in its cylinder and a drive shaft of the displacer by the base.
  • the shaft and the displacer of each piston are dimensioned so as to delimit around the shaft a working space coming into the heated section when the piston is in the maximum compression position and so that the displacer comes into the same heated section when the piston is in the maximum expansion position.
  • the heating circuit delimits:
  • peripheral spaces each extending one of the intermediate spaces and in communication with an outlet passage of the heating circuit, the peripheral spaces extending in an arc around each of the intermediate spaces.
  • the output passage of the heating circuit comprises a baffle constituted by transverse partitions secured to at least one partition defining the cooling circuit.
  • each cylinder comprises a second cooled section, the cooling circuit being arranged in such a way that the second section is cooled by water from the cooling circuit having previously captured heat emitted by the heated part.
  • the cogeneration system comprises an inner casing and an outer casing between which is delimited the cooling circuit, the inner casing enclosing the heating circuit and comprising fins along the cylinders on either side of the heating circuit, at least two inlet and outlet passages of the heating circuit being arranged in a sealed manner between the outer casing and the inner casing, the cylinders each opening outside the outer casing.
  • the mechanism for controlling the translational movement of the pistons comprises:
  • crankshaft oscillating about an axis relative to a fixed body of the cylinders the crankshaft being connected to each of the pistons by a connecting rod, the pistons being in phase opposition
  • crankshaft profile comprising an arcuate portion of a circle extended on either side by two recessed houses, the recessed houses making elastic retentions of the crankshaft relative to the body, the positions of the recessed dwellings each corresponding to. the maximum expansion position of one of the pistons and the maximum compression position of the other piston.
  • the engine comprises a flywheel for driving the generator, the flywheel being rotated about an axis orthogonal to the axis of the crankshaft, the flywheel inertia being secured to a first inclined toothed gear meshing with second and third inclined gear teeth secured respectively to first and second freewheel mechanisms, the freewheel mechanisms being driven by the axis of the crankshaft and arranged the opposite to each other, the first and second freewheel mechanisms being alternately biased when the crankshaft rotates in one direction then in the other.
  • a first advantage is that the structure of the cogeneration system is relatively simple which gives it great strength and limited maintenance while allowing a good performance.
  • Another advantage of the present invention lies in the fact that the adjustment of the motor can be achieved simply by acting on the elastic retaining mechanism of the pistons.
  • An advantage of the present invention is that the efficiency of the external combustion engine is high as well as the heating efficiency of the water.
  • Yet another advantage of the invention is that the engine according to the invention installed in a cogeneration system is silent.
  • the configuration of the motor allows a modularity of the equipment.
  • different types of standard or specific burners can be used to provide various powers or use various fuels such as gas, oil, pellet, wood, coal or even solar energy.
  • Advantageously hot gases discharged from the burner can be reused in a heat exchanger or in another power recovery device.
  • various types of generators can be adapted to the motor.
  • the power supply power range can be set for example from 1 to 6k, then from 7 to 12kW, then from 13 to 30kW.
  • An additional heat exchanger can be adapted to the cogeneration system to match a given hot water supply with the provision of a specific electrical power.
  • the cogeneration system can be used as a generator, the heat then being evacuated by a ventilated air heat exchanger.
  • a such generator is advantageously silent.
  • FIG. 1 shows a longitudinal sectional view of a piston in maximum expansion position in its cylinder
  • FIG. 2 shows a longitudinal sectional view of the same piston in the maximum compression position in its cylinder
  • FIG. 3 and 4 each show a sectional view of a servo mechanism of the translational movement of a piston in its cylinder;
  • FIG. 5 shows a longitudinal sectional view of an engine according to the invention wherein the piston is not shown;
  • FIG. 6 represents a longitudinal sectional view of a cogeneration system
  • FIG. 7 represents an exploded view showing the cooling circuit intended to come around the heating circuit
  • FIG. 8 shows a cross sectional view of the heating circuit
  • FIG. 9 represents an exploded view showing the heating circuit intended to come around the hot parts of the rolls.
  • FIG. 10 shows a longitudinal sectional view of the cogeneration system along the axis of a piston
  • FIG. 11 shows a longitudinal sectional view of the cogeneration system along a median plane
  • FIG. 12 shows an exploded view showing the drive crankshaft freewheels and flywheel
  • FIG. 13 shows a cogeneration system connected to a heat exchanger.
  • Figure 1 shows a longitudinal sectional view a piston 2 movable in translation in a cylinder 3.
  • the cylinder forms a closed housing at its end 3c.
  • the piston further comprises a base 10 which slides sealingly in the cylinder 3.
  • the cylinder 3 and the piston 2 delimit a chamber disposed inside the cylinder 3.
  • This chamber is filled with a gaseous fluid such as for example nitrogen, helium or air.
  • the chamber is divided into three parts 6a, 6b and 6c communicating with each other.
  • the piston 2 comprises a displacer 11 which slides loosely in the cylinder 3.
  • the chamber comprises a median portion 6b, of constant volume, disposed around the displacer 11.
  • the gaseous fluid can flow between the displacer 11 and the cylinder.
  • the piston further comprises a shaft 12 connecting its base 10 to its displacer 11.
  • the base 10 thus drives the shaft 12 and the displacer 11 in translation.
  • the shaft 12 is secured on one side to the base 10 and on the other hand the displacer 11.
  • Another part 6a of the chamber is delimited between the lateral surfaces S30 and S31 of the base 10 and the displacer 12, the external surface S32 of the shaft 12 and the surface internal cylinder 3.
  • This part 6a of the chamber forms a working space of constant volume and movable relative to the cylinder.
  • the cylinder 3 has a profile at its closed end
  • the piston is in a position of maximum expansion of the chamber and its portion 6c delimited forward of the piston is also maximum.
  • the cylinder comprises three portions: a front portion 3c delimiting the closed end of the cylinder 3, a median portion 3b and a rear portion 3a.
  • a heater 4 is disposed around the median portion 3b of the cylinder 3.
  • the heater 4 defines an annular heating space 14 around the cylinder.
  • An insulating material 33 disposed on the side walls 34 and 35 of the heater and on its outer wall 36 directs the heat transfer to the inside of the cylinder.
  • the heater disposed against the median portion 3b of the cylinder 3 is used to heat the gaseous fluid mainly inside the cylinder vis-à-vis the median portion 3b, that is to say vis-à-vis the heater.
  • a coating of the piston made of a thermally insulating material makes it possible to define separate heating or cooling spaces inside the cylinder.
  • the heating fluid in the heater may be water, air or other heated fluid. This heating fluid provides heat energy but another heat source can also be used to heat this portion 3b of the cylinder.
  • coolers 5a and 5b are arranged on either side of the heater 4.
  • the cooler 5a disposed against the rear portion 3a of the cylinder defines an annular cooling space 15a against the outer wall of the rear portion 3a.
  • the cooler 5b disposed against the front portion 3c of the cylinder defines an annular space 15b extended by a space 15c surrounding the end of the cylinder.
  • Cooling fluids in each cooler may be water or air or other cooled fluid. This cooling fluid mainly captures the caloric energy of the gaseous fluid vis-à-vis the walls of the rear portion 3a or the front portion 3c of the cylinder.
  • a cooling fluid is used, but it is also possible to directly cool the rear portions 3a and 3c before the cylinder, for example in the open air with the aid of cooling fins. cooling directly fixed on the cylinder.
  • the coating of the piston made of a thermally insulating material is advantageously used to define the separate heating or cooling spaces inside the cylinder.
  • the piston 2 in its maximum expansion position is positioned with the working space 6a disposed around the shaft 12 in a cooling position vis-à-vis the rear portion 3a of the cylinder cooled by the cooler 5a.
  • the cooling of this workspace 6a is thus maximum.
  • the displacer 11 is disposed with its cylindrical portion vis-à-vis the heater 4. Only the gaseous fluid disposed between the displacer 11 and the portion 3b of the cylinder is then heated. The heating of the gaseous fluid by the heater 4 is thus minimum.
  • the length of the shaft 12 corresponds to the length of the central portion 3b of the cylinder.
  • the diameter of the shaft 12 is chosen as a function of the inside diameter of the cylinder to make a working space of determined volume.
  • the displacer is of length corresponding to the front portion 3c of the cylinder.
  • the profile of the displacer corresponding to that of the end portion 3c of the cylinder is in a semicircle and is extended by a cylindrical portion connected to the shaft and of greater diameter than the latter.
  • the diameter of this cylindrical portion of the displacer 11 is chosen to allow pressure transmission between the two parts of the chamber on either side of the displacer 11.
  • the diameter may also be chosen to allow a determined flow of the gaseous fluid, especially when the engine does not include a regenerator.
  • the length of the cylindrical portion of the displacer 11 substantially corresponds to the length of the central portion 3b of the cylinder.
  • the rear portion 3a of the cylinder 3 cooled by the cooler 5a is chosen to be greater than or equal to that of the working space 6a.
  • the entire working space 6a is disposed opposite this cooler 5a when the piston is in the maximum expansion position of the chamber.
  • the coating of the piston delimits, for example, the outer cylindrical surface S32 of the shaft 12, an annular face S30 of the base 10 and the entire outer surface of the displacer 11 so as to limit heat exchange.
  • the piston can be made hollow. An internal slot can then be used to have communication lines with sensors. As shown in FIGS. 1 and 2, sensors 37, 38 and 39 may be arranged in the piston 2 or in the cylinder 3. These sensors may be of the type of temperature sensor, pressure sensor or stress sensor.
  • a sensor 37 is flush with the surface of the shaft 12 and opens on the other hand inside the hollow piston.
  • Another sensor 38 is flush with the end of the piston and opens into the piston.
  • Another sensor 39 is flush inside the closed end 3c of the cylinder and also opens out of the cylinder.
  • the heating causes a rise in pressure tending to increase the volume of the chamber and thus tending to push the piston towards the outside of the cylinder.
  • cooling causes a decrease in pressure tending to reduce the volume of the chamber and thus tending to pull the piston inside the cylinder.
  • Figures 3 and 4 show a mechanism for controlling the movements in translation of the piston comprising a stop cooperating with resilient retaining members.
  • the servo mechanism 20 of the translational movement of the piston 2 comprises a rod 21 secured to the piston 2 and integral with an abutment 22 projecting from the rod.
  • the abutment 22 is in the form of a sphere comprising a threaded hole in its middle.
  • a nut 66 screwed onto the threaded end of the rod 21 makes it possible to fix the stop 22 to the rod 21.
  • the servo mechanism 20 further comprises a conical casing 67 secured to the cylinder 3.
  • the conical casing 67 comprises a large-diameter edge attached to the cylinder 3 and a small diameter edge advanced inside the cylinder 3.
  • the edge of small diameter is fixed to a sleeve 68.
  • This sleeve 68 is integral with the cylinder 3 and comprises an inner channel in which the stop 22 can move in a translational movement.
  • Jaws 25a and 25b are mounted in housings 70a and 70b of the sleeve 68. These jaws are movable about their axis 26a and 26b fixed to the sleeve 68. Each jaw 25a and 25b has a rim 28a or 28b beveled gently sloping retraction and an edge 29a or 29b bevelled acute slope so as to exert resilient retention of the abutment 22. These beveled edges are protruding inside the channel of the sleeve 68.
  • each jaw comprises a notch, referenced 64 or 65, protruding outside the sleeve on which a spring, referenced 60 or 63, exerts a restoring force.
  • the force exerted by each spring 60 or 63 tends to drive each jaw protruding inwardly of the sleeve 68.
  • a jaw or a plurality of jaws may be used to achieve each lock.
  • Three jaws 25a are for example used for locking the piston in its maximum expansion position and three jaws 25b are for example used for locking the piston in its maximum compression position.
  • Each spring 60 or 63 is supported on one side on the jaw (s) 25a or 25b and on the other on a ring 61 or 62 screwed on the sleeve 68.
  • Figure 5 shows a motor in which the piston has not been shown for reasons of clarity.
  • This engine operates with a piston as previously described movable in translation in the cylinder 3, its translational movement being controlled by a stop cooperating with a resilient retaining member 23 in the maximum expansion position and an elastic retaining member 24 in position of maximum compression.
  • the cylinder comprises a rear portion 3a, a median portion 3b and a front portion 3c, the front portion 3c being cooled by the cooler 5b, the middle portion 3b being heated by the heater 4.
  • Duct 17, 18 and 19 flow of the gaseous fluid are arranged outside the cylinder 3 and connect the middle portion 3b to the front portion 3c of the cylinder 3. These circulation ducts facilitate the circulation of the gaseous fluid during movement of the piston.
  • each circulation duct connected to the median portion 3b is disposed along the cylinder and inside the space 14 comprising the heating fluid.
  • These parts 17a, 18a and 19a are thus heated by the heater 4.
  • each circulation duct connected to the front portion 3c of the cylinder 3 is disposed along the cylinder and inside the space, referenced 15b and 15c, including the cooling fluid.
  • These parts 17b, 18b and 19b are thus cooled by the cooler 5b.
  • the motor structure is relatively simple. Its implementation is thus facilitated and its rustic mechanism gives it a high reliability and a long service life.
  • the engine structure also allows a precise adjustment of its thermal cycle in particular to improve the efficiency of the engine. It is thus possible to adjust the maximum pressure of the isochoric heating or the minimum pressure of the isochoric cooling.
  • the engine can also be easily adapted as needed for different applications.
  • Figure 6 shows a longitudinal sectional view of a cogeneration system 100.
  • the energy required for the operation of the external combustion engine is also used to heat water.
  • the motor can thus be used to drive a current generator while the heated water can be used to power domestic radiators.
  • the cogeneration system 100 is mounted on a base
  • the base 101 comprises housings for axes 102 integral with the body of the engine.
  • the motor can be rotated for installation or maintenance.
  • the motor is for example then secured to the base 101.
  • the connections to the water circuit and the burner will be described later.
  • the engine comprises two cylinders arranged at the same height and parallel to each other.
  • the cylinders each comprise a closed end 106a and 106b and an open end 107a and 107b.
  • a cooled section 105a or 105b comprising the closed end 106a or 106b is extended by a heated section 108a or 108b itself extended by another cooled section 150a or 150b ending in the open end 107a or 107b.
  • the cogeneration system 100 comprises a first cooler 109 connected to the water supply connector 103 and surrounding the cooled sections 105a and 105b whose end 106a or 106b is closed.
  • the feed water at ambient temperature then captures the heat of the heated gas in each of the cylinders.
  • the cooled sections 105a and 105b of the cylinders are each arranged in a jacket to which are attached fins 114 promoting heat exchange.
  • the cogeneration system 100 comprises a heating circuit 110 surrounding the heated sections 108a and 108b of the cylinders and in which the flame of a burner burns.
  • the combustion gases are evacuated by heating the sections 108a and 108b.
  • An insulating material, referenced 112a and 112b, is arranged radially and transversely around the heating cavity to direct the heat towards the heated sections 108a and 108b of the cylinders and to separate the heating circuit from the coolers.
  • the heated portions 108a and 108b of the cylinders are each arranged in a jacket to which fins 115 are attached which promote the exchange of heat.
  • Water cooling circuit 182 passing around the heating circuit 110 is further heated by a portion of the heating energy not captured by the heated sections 108a and 108b.
  • the cogeneration system comprises a second cooler 111 connected to the heated water outlet connector, this cooler 111 surrounding the cooled sections 150a and 150b ending in the open end 107a or 107b.
  • the water in the cooling circuit is still heated in the second cooler before being used, for example, for domestic heating.
  • the cooled sections 150a and 150b are each arranged in a jacket to which are attached fins 116 promoting heat exchange.
  • the cooling circuit is arranged so that the water circulates in the cooling circuit from the feed pipe 103 in cold water around a first cooled portion 106a, 106b of the engine and then around the heated portion 108a. , 108b, then finally around a second cooled portion 150a, 150b of the engine before being discharged through a heated water supply pipe.
  • each piston comprises:
  • the base 117a or 117b is screwed into an insert 118a or 118b fixed in a piece of thermally insulating material such as ceramic.
  • This piece of thermally insulating material comprises a plate 119a or 119b covering the base 117a or 117b.
  • This plate 119a or 119b is extended by the shaft 120a or 120b, itself extended by the displacer 121a or 121b.
  • the rounded shape of the end of the displacer 120a or 120b corresponds to the rounded shape of the closed end 106a or 106b of the associated cylinder.
  • the two pistons are each movable in one of the cylinders.
  • Each piston movable in its cylinder delimits a working chamber filled with a gaseous fluid such as nitrogen or argon.
  • each cylinder and its two cooled sections 105a, 105b, 150a and 150b act on the working chamber of this cylinder to move the piston between a maximum expansion position of the chamber and a maximum compression position of the chamber.
  • the shaft 120a or 120b and the displacer 121a or 121b are sized to delimit around the shaft 120a or 120b a working space in the heated central portion 108a or 108b of the cylinder when the piston is in the compression position maximum and so that the displacer 121a or 121b comes in the same heated middle portion 108a or 108b when the piston is in the maximum expansion position.
  • the mechanism for controlling the movement in translation of the pistons comprises a crankshaft 123 pivotally mounted relative to the engine body and connected to the two pistons by connecting rods 122a and 122b.
  • the crankshaft 123 oscillates around an axis 125 with respect to the engine body.
  • the axis 125 secured to the crankshaft 123 is guided in rotation relative to the motor body.
  • a roller 124 is mounted rolling on an outer surface of the crankshaft 123 which has a specific profile.
  • the outer profile of the crankshaft comprises an arcuate surface 160 extended on either side by recessed housing 161a and 161b.
  • the recessed housing 161a and 161b provide resilient retentions of the crankshaft 123 relative to the motor body.
  • the positions of the recessed dwellings 161a and 161b each correspond to the position maximum expansion of one of the pistons and the maximum compression position of the other piston. Pistons operate in phase opposition.
  • the roller 124 mounted on bearings about an axis is pushed by an elastic member against the crankshaft 123.
  • This resilient member bears against the body of the engine can be adjusted to adjust the bearing force of the roller against the crankshaft and thus adjust the elastic retentive force of the pistons.
  • the adjustment of the elastic retaining force makes it possible to adjust the frequency of the movement of the pistons as well as the forces exerted by each of these pistons.
  • the restraint mechanism here is double. Pistons perform for example
  • the adjustment of the retaining force also makes it possible to adjust the motor torque exerted by the flywheel 162 and the speed of rotation of the flywheel.
  • a large torque is for example set for the start of the CHP system 100 and the torque is decreased once the steering wheel launched.
  • Each cylinder is closed at its end 106a and 106b by a plug 126a or 126b.
  • plugs 126a and 16b are used, for example, for filling the cylinders with the working gas. Pressure or temperature sensors can be installed in these plugs.
  • a dynamometer sensor can be attached to the crankshaft by measuring its deformation.
  • a rev counter can be connected to the flywheel.
  • the temperature sensors can be installed against or inside the outer casing.
  • servocontrols of the pistons can of course be made to slave the pistons independently of one another or perform a double servo of the two pistons simultaneously.
  • Fig. 7 is an exploded view showing the cooling circuit for coming around the heating circuit.
  • An inner housing is disposed around the cylinders 131a and 131b.
  • the inner housing includes an upper portion 130a attached to a lower portion 130b.
  • the inner housing forms a liner around each of the cooled portions of the rolls and a cavity around the heated portions of the rolls 131a and 131b.
  • the liners each comprise fins 114 and 116 promoting heat exchange.
  • the inner casing thus encloses the heating circuit and comprises fins along the cylinders on either side of the heating circuit.
  • the inner housing also delimits an inlet of the heating circuit and an outlet 127 of the heating circuit each vis-à-vis an inlet port 131 and an outlet port 132 formed in the outer housing.
  • the outer casing is also made in two parts 133a and 133b. A seal 177 seals between these two parts 133a and 133b.
  • the cooling circuit is delimited between the inner casing and the outer casing and rings 128 and 129 forming the junction between the outside of the outer casing and the inside of the inner casing.
  • the ring 128 defines the exhaust outlet of the combustion gases.
  • the ring 129 defines the insertion orifice of the burner.
  • the cooling circuit water flows from the cold water supply connector 103 and then between the two housings to the hot water supply connector 104.
  • the cylinders open out of the outer casing.
  • the cylinders comprise their open end 107a or 107b disposed outside the outer casing.
  • Pistons 134a and 134b can thus be connected by connecting rods 122a and 122b to a mechanism 135 providing on the one hand the enslavement of the translational movement of the pistons and on the other hand, the transformation of translation movements into rotational motion.
  • the cylinders furthermore have their end closed for the most part inside the outer casing, only a nipple closed by a plug projecting outside the outer casing.
  • Figure 8 shows a cross-sectional view of the heating circuit.
  • the tip of the burner 136 schematized by a rectangle produces a flame in a central space 137 disposed between the two cylinders.
  • the burner 136 is introduced through the ring 129.
  • the burner comes back from a combustion spout 172 where the mixture of air and flammable gas is produced.
  • the combustion gases then pass into two intermediate spaces 138a and 138b extending the central space and partially surrounding each one of the two cylinders. These two intermediate spaces 138a and 138b each have an arcuate profile. Slowing vanes of the combustion gases are arranged in the central space 137 and in the intermediate spaces 138a and 138b.
  • the combustion gases then pass into two peripheral spaces 139a and 139b each extending one of the intermediate spaces 138a and 138b.
  • the two peripheral spaces 139a and 139b each partially surround one of the two intermediate spaces.
  • These two peripheral spaces 139a and 139b each have an arcuate profile.
  • the peripheral passages 139a and 139b are delimited by a thermally insulating layer 112b.
  • This thermally insulating layer is disposed against the inner housing 130b.
  • the thermally layer 112b thus comes between the heating circuit and the cooling circuit 182 arranged between the inner casing 130b and the outer casing 133b.
  • the thermally insulating layer comprises an orifice 157 for the passage of the burner and an orifice 158 for the exit of the combustion gases.
  • the combustion gases leaving the thermal insulation layer 112b are guided in a passage 141 and abut against a baffle constituted by partitions. transverse 142a and 142b integral with the inner housing 130b.
  • a controlled fan system makes it possible, for example, to adjust a suction and a circulation of the determined combustion gases.
  • the temperature is thus maximum in the central space 137 at the heart of the engine.
  • the temperature is for example 1300 ° C.
  • the temperature decreases in the intermediate passages 138a and 138b to reach for example 900 ° C.
  • the temperature decreases further in the peripheral passages 139a and 139b, for example up to 600 ° C.
  • the thermally insulating layer involves a temperature of 300 ° C outside the insulating layer 112b.
  • the baffle makes it possible to rapidly reduce the temperature, for example between 50 ° C. and 200 ° C., at the level of the outlet ring 128. Hot gases above 100 ° C. may, for example, be reused for example in a heat exchanger.
  • a temperature gradient is thus achieved to optimize the amount of heat captured by the heated sections relative to the amount of heat captured by the water in the cooling circuit 182, around the heating circuit.
  • the hottest points are distributed from the heart of the engine to decrease to the outside, to the cooling circuit.
  • the flow of water for example at 23 ° C. at the inlet, is set to reach a water heated to 70 ° C. at the outlet.
  • the water temperature of the cooling circuit 182 around the heating circuit is relatively high, the water still retains a cooling capacity of the working gas.
  • the working gas is heated to 700 ° C.
  • the resulting lower cooling can for example be offset by the connection of the pistons together through the crankshaft.
  • the pistons can also operate independently of one another.
  • FIG. 9 is an exploded view showing the heating circuit intended to come around the parts heated cylinders.
  • Circumferentially circular pieces 175a and 1775b form a lining of the rolls comprising fins that promote the exchange of heat.
  • recirculation ducts are made in each liner. These recirculation ducts 170a, 171a pass through the layer 112b of thermally insulating material and open each opposite an orifice made in the inner casing 130b to be connected to lines 178a, 178b, 179a and 179b making the connection with the front section. of each cylinder.
  • a two-part guide circuit 173 and 174 having substantially an "8" profile is disposed around parts 175a and 175b forming the liner.
  • the guide circuit in "8" delimits two contiguous annular spaces.
  • the combustion gases are intended to circulate inside and outside this guide circuit.
  • the guiding circuit further comprises a projecting ring receiving the burner.
  • the layer of thermally insulating material is made in two parts 112a and 112b and comes around the guide circuit at "8".
  • Figure 10 shows a longitudinal sectional view of the cogeneration system along the axis of a piston.
  • Two recirculation ducts 170a and 170b in connection with conduits 179a and 179b connect the heated portion 108a of each cylinder with its cooled portion 105a which comprises its closed end.
  • Holes 180a and 180b are formed in the cylinder at a predetermined height to face the duct 170a and 170b made in the part 175a forming the liner internal to the heating circuit.
  • the outer portion of the cylinder is made conical to the drilling height, as well as the inner portion of the piece 175a forming the liner. The sealing is thus facilitated.
  • Connectors are used to connect the recirculation ducts 170a and 170b with lines 179a and 179b.
  • the pipes 179a and 179b are for example flexible pipes.
  • Orifices 181a and 181b are also formed in the rounded portion 106a at the closed end of the cylinder.
  • FIG. 10 one can also see the connecting rod 122a connected to the crankshaft 123 for driving two freewheels 165a and 165b connected to the axis of rotation of the crankshaft 123.
  • Each free wheel 165a and 165b is integral with a pinion 164a and 164b whose axis corresponds to that of the crankshaft 123.
  • These two pinions 164a and 164b engrain with a pinion 163 integral with the flywheel 162 whose axis of rotation is orthogonal to the axis of the crankshaft 123.
  • Figure 11 shows a longitudinal sectional view of the cogeneration system along a median plane.
  • the freewheel mechanisms 165a and 165b are driven by the axis 125 of the crankshaft 123 and are disposed opposite each other on each side of the crankshaft 123.
  • the freewheel mechanisms 165a and 165b are biased alternatively when the crankshaft 123 rotates in one direction and then the other.
  • the reciprocating movement of the crankshaft is set by the roller 124 resting on the crankshaft 123.
  • the spring 157 presses on one side on the support 158 of the roller 124 and on the other side on a first beveled wedge 153.
  • This first beveled wedge 153 is supported on a second beveled wedge 154 itself bearing against an integral face of the engine body.
  • the screw 155 makes it possible to advance or retreat the second beveled wedge 154 with respect to the first beveled wedge 153 and thus makes it possible to compress the spring 157 more or less.
  • the elastic retaining force is thus easily adjusted.
  • FIG. 11 the inlet 103 of the cooling circuit and the outlet 104 for supplying heated water are also seen. We also see the input of the heating circuit 129 and the output 128 of the heating circuit.
  • the panels 142a and 142b respectively connected to the partitions 143a and 143b form the baffle at the output of the heating circuit as described above.
  • Figure 12 shows an exploded view showing the crankshaft 123 for driving the freewheels 165a and 165b and the flywheel 162.
  • the crankshaft 125 is guided in rotation relative to a support 151 fixed to the body of the engine.
  • This shaft 125 is secured to the crankshaft 123 and the freewheel mechanisms 165a and 165b, for example by keys.
  • the three gears 164a, 164b and 163 may be identical.
  • a connecting piece is provided between the freewheel mechanisms and its associated pinion.
  • the support 151 of the shaft 125 comprises a housing for receiving the crankshaft and a housing for the support mechanism of the roller 124 arranged between two walls.
  • the guide bores of the shaft 125 are made in these two walls.
  • the support 158 of the roller forms a cylindrical housing for receiving and supporting the spring 157, this support comprising two bored lugs for receiving an axis 159 around which the roller 124.
  • the roller is for example pivotally mounted on bearings around this axis 159.
  • the two wedged wedges 153 and 154 are placed between the spring and a guide piece 156.
  • This guide piece 156 allows in particular the longitudinal displacement of the wedge 153 towards the spring 157 and the transverse displacement of the wedge 154.
  • the guide piece 156 is fixed under the support 151 for guiding the shaft 125 of the crankshaft 123.
  • This support 151 further comprises a threaded hole for receiving the screw 155 for adjusting the elastic restraint.
  • the screw 155 thus makes it possible to advance or retreat the wedge 154, the other wedge 153 remaining opposite the spring 157.
  • FIG. 13 shows a cogeneration system 100 further connected to a heat exchanger 189 for further optimization of heat production and power generation efficiency.
  • the inlet 184 thus feeds the cogeneration system 100 but also a heat exchanger 189 supplied with hot gas by the combustion gases discharged from the cogeneration system 100.
  • the fan 186 is then disposed at the outlet of the gas circuit of the heat exchanger 189.
  • a condensate outlet duct 187 is connected to a gas extraction duct downstream of the fan 186.
  • the hot water leaving the cooling system cogeneration 100 and the hot water leaving the heat exchanger 189 serve for the hot water supply 185.
  • a distributor 188 regulates the proportion of cold water supplied to the cogeneration system 100 relative to that supplied to the heat exchanger.
  • the cogeneration system also drives the generator 183 to produce electricity.
  • the cogeneration system makes it possible to vary the proportion of electricity and heat produced by regulating, in particular, the cold water distributor 188 and the exhaust fan 186.
  • the cogeneration system can be used directly, the hot water being used directly at the output of the cogeneration system.

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Abstract

L'invention concerne un système de cogénération (100) comprenant au moins : un moteur à combustion externe pour l'entraînement d'une génératrice, - un orifice d'insertion d'un brûleur de chauffage du moteur et un orifice de sortie des gaz de combustion et - un circuit de refroidissement du moteur comprenant une entrée (103) d'alimentation en eau froide et une sortie (104) de fourniture d'eau chaude. Le brûleur chauffe un circuit de chauffage délimite notamment une cavité de chauffage (110) disposée autour d'une partie chauffée (108a, 108b) du moteur tandis que le circuit de refroidissement délimite une cavité de refroidissement (109, 111, 182) disposée autour d'au moins une première partie (105a, 105b) refroidie du moteur et autour de la cavité de chauffage (110).

Description

SYSTEME DE COGE ERA I ON
Le secteur technique de la présente invention est celui des systèmes de cogénération permettant de chauffer de l'eau tout en produisant de l'électricité et notamment les systèmes de cogénération utilisant un moteur Stirling.
Le brevet EP-0457399 enseigne un système de cogénération comportant des brûleurs agissant sur les pistons d'un moteur Stirling. La chaleur est maintenue autour des pistons tandis qu'une valve de régulation en température permet une évacuation directe des gaz de combustion. Le système de cogénération comprend par ailleurs une valve d' enclenchement du moteur Stirling commandée par une chambre mise en pression en fonction de la température. A haute température, les pistons sont activés en translation, leurs mouvements linéaires étant alors transformés en un mouvement de rotation et d'entraînement d'une génératrice d'électricité. L'eau de refroidissement réchauffée par le moteur Stirling est ensuite réchauffée à nouveau par les gaz de combustion dans un échangeur de chaleur. La valve de régulation en température implique cependant une baisse du rendement du moteur.
Le brevet US-7459799 concerne un appareil domestique de 'chauffage et de production d'électricité. Un moteur Stirling est utilisé pour produire de l'électricité, ce moteur étant chauffé par un premier brûleur et refroidi par un circuit d'eau. L'eau est tout d'abord chauffée lors de refroidissement du moteur Stirling puis par un échangeur de chaleur lui-même chauffé d'une part par les gaz d'échappement du premier brûleur et d'autre part par un second brûleur. Une partie des gaz brûlés évacués par le second brûleur est réinjectée avec de l'air frais pour l'alimentation du premier brûleur. Cet appareil domestique qui comprend deux brûleurs nécessite cependant un réglage complexe pour un rendement optimisé .
La présente invention a pour but de pallier les inconvénients de l'art antérieur en fournissant un système de cogénération dont la structure est simplifiée tout en conservant un bon rendement. Cet objectif est atteint grâce à un système de cogénération comprenant au moins :
un moteur à combustion externe pour l'entraînement d'une génératrice,
- un orifice d'insertion d'un brûleur de chauffage du moteur et un orifice de sortie des gaz de combustion et
- un circuit de refroidissement du moteur comprenant une entrée d'alimentation en eau froide et une sortie de fourniture d'eau chaude,
le système de cogénération étant caractérisé en ce que le brûleur chauffe un circuit de chauffage délimitant une cavité de chauffage disposée autour d'une partie chauffée du moteur tandis que le circuit de refroidissement délimite une cavité de refroidissement disposée autour d'au moins une première partie refroidie du moteur et autour de la cavité de chauffage .
Selon une particularité de l'invention, le circuit de refroidissement est agencé de façon à ce que l'eau circule dans le circuit de refroidissement depuis l'entrée d'alimentation en eau froide autour de la première partie refroidie puis autour de la partie chauffée avant d'être évacuée par la sortie de fourniture d'eau chaude.
Selon une autre particularité de l'invention, le circuit de chauffage est entouré au moins en partie par une couche thermiquement isolante disposée entre le circuit de chauffage et le circuit de refroidissement.
Selon une autre particularité de l'invention, le moteur comprend au moins :
- deux cylindres parallèles l'un à l'autre et comprenant chacun une extrémité fermée, un tronçon chauffé correspondant à la partie chauffée et au moins un premier tronçon refroidi correspondant à la première partie refroidie,
- deux pistons mobiles chacun dans un des cylindres en délimitant chacun une chambre de travail remplie par un fluide gazeux, la partie chauffée et la première partie refroidie agissant sur chaque chambre de travail dans chaque cylindre pour déplacer les pistons mobiles chacun entre une position d' expansion maximum de la chambre et une position de compression maximum de la chambre et
un mécanisme d'asservissement du mouvement en translation des pistons.
Selon une autre particularité de l'invention, chaque piston est constitué d'au moins une base coulissant dans son cylindre de façon étanche, d'un déplaceur coulissant de façon non étanche dans son cylindre et d'un arbre d'entraînement du déplaceur par la base.
Selon une autre particularité de l'invention, l'arbre et le déplaceur de chaque piston sont dimensionnés de façon à délimiter autour de l'arbre un espace de travail venant dans le tronçon chauffé lorsque le piston est dans la position de compression maximum et de façon à ce que le déplaceur vienne dans ce même tronçon chauffé lorsque le piston est dans la position d'expansion maximum.
Selon une autre particularité de l'invention, le circuit de chauffage délimite :
- un espace central disposé entre les deux cylindres et dans lequel débouche le brûleur,
deux espaces intermédiaires prolongeant l'espace central et s' étendant en arc de cercle autour de chacun un des deux cylindres,
- deux espaces périphériques prolongeant chacun un des espaces intermédiaires et en communication avec un passage de sortie du circuit de chauffage, les espaces périphériques s' étendant en arc de cercle autour de chacun des espaces intermédiaires.
Selon une autre particularité de l'invention, le passage de sortie du circuit de chauffage comprend une chicane constituée par des cloisons transversales solidaires d'au moins une cloison délimitant le circuit de refroidissement.
Selon une autre particularité de l'invention, chaque cylindre comprend un deuxième tronçon refroidi, le circuit de refroidissement étant agencé de façon à ce que le deuxième tronçon soit refroidi par de l'eau du circuit de refroidissement ayant auparavant capté de la chaleur émise par la partie chauffée.
Selon une autre particularité, le système de cogénération selon l'invention comprend un carter intérieur et un carter extérieur entre lesquels est délimité le circuit de refroidissement, le carter intérieur enfermant le circuit de chauffage et comprenant des ailettes le long des cylindres de part et d'autre du circuit de chauffage, au moins deux passages d'entrée et de sortie du circuit de chauffage étant agencés de façon étanche entre le carter extérieur et le carter intérieur, les cylindres débouchant chacun à l'extérieur du carter extérieur.
Selon une autre particularité de l'invention, le mécanisme d'asservissement du mouvement en translation des pistons comprend :
- un vilebrequin oscillant autour d'un axe par rapport à un corps solidaire des cylindres, le vilebrequin étant relié à chacun des pistons par une bielle, les pistons étant en opposition de phase,
un galet roulant sur un profil extérieur du vilebrequin, le galet étant poussé contre le vilebrequin par un organe élastique en appui contre ledit corps et comprenant un organe de réglage de la force de poussée sur le vilebrequin, le profil du vilebrequin comprenant une partie en arc de cercle prolongée de part et d' autre par deux logements en retrait, les logements en retrait réalisant des retenues élastiques du vilebrequin par rapport au corps, les positions des logements en retrait correspondant chacune à. la position d'expansion maximum d'un des pistons et à la position de compression maximum de l'autre piston.
Selon une autre particularité de l'invention, le moteur comprend un volant d'inertie pour l'entraînement de la génératrice, le volant d'inertie étant entraîné en rotation autour d'un axe orthogonal à l'axe du vilebrequin, le volant d'inertie étant solidaire d'un premier pignon à denture inclinée engrenant avec des deuxième et troisième pignons à denture inclinée solidaires respectivement de premier et deuxième mécanismes à roue libre, les mécanismes à roue libre étant entraînés par l'axe du vilebrequin et disposés l'un à l'opposé de l'autre, les premier et deuxième mécanismes à roue libre étant sollicités alternativement lorsque le vilebrequin effectue des rotations dans un sens puis dans 1 ' autre .
Un tout premier avantage est que la structure du système de cogénération est relativement simple ce qui lui confère une robustesse importante et une maintenance limitée tout en permettant un bon rendement.
Un autre avantage de la présente invention réside dans le fait que le réglage du moteur peut être réalisé de façon simple en agissant sur le mécanisme de retenue élastique des pistons.
Un avantage de la présente invention est que le rendement du moteur à combustion externe est élevé ainsi que le rendement de chauffage de l'eau.
Encore un avantage de l'invention est que le moteur selon l'invention installé dans un système de cogénération est silencieux .
Avantageusement la configuration du moteur permet une modularité des équipements. Ainsi différents types de brûleurs standards ou spécifiques peuvent être utilisés pour fournir diverses puissances ou utiliser divers carburants comme par exemple le gaz, le fioul, le pellet, le bois, le charbon voire même l'énergie solaire.
Avantageusement des gaz chauds évacués provenant du brûleur peuvent être réutilisés dans un échangeur de chaleur ou dans un autre appareil de récupération de la puissance.
Avantageusement encore divers types de générateurs peuvent être adaptés sur le moteur.
D'une manière générale l'invention permet une grande adaptabilité pour répondre à de nombreux besoins. La plage de puissance d'alimentation en électricité peut être réglée par exemple de 1 à 6k , puis de 7 à 12kW, puis de 13 à 30kW. Un échangeur de chaleur additionnel peut être adapté au système de cogénération pour faire correspondre une fourniture d'eau chaude déterminée avec la fourniture d'une puissance électrique déterminée.
Avantageusement encore, le système de cogénération peut être utilisé comme un groupe électrogène, la chaleur étant alors évacuée par un échangeur de chaleur à air ventilé. Un tel groupe électrogène est avantageusement silencieux.
D'autres caractéristiques, avantages et détails de l'invention seront mieux compris à la lecture du complément de description qui va suivre de modes de réalisation donnés à titre d'exemple en relation avec des dessins sur lesquels :
- la figure 1 représente une vue en coupe longitudinale d'un piston en position d'expansion maximum dans son cylindre ;
- la figure 2 représente une vue en coupe longitudinale du même piston en position de compression maximum dans son cylindre ;
- les figures 3 et 4 représentent chacune une vue en coupe d'un mécanisme d'asservissement du mouvement en translation d'un piston dans son cylindre ;
- la figure 5 représente une vue en coupe longitudinale d'un moteur selon l'invention dans lequel le piston n'est pas représenté ;
- la figure représente 6 représente une vue en coupe longitudinale d'un système de cogénération ;
- la figure 7 représente une vue éclatée montrant le circuit de refroidissement destiné à venir autour du circuit de chauffage ;
- la figure 8 représente une vue en coupe transversale du circuit de chauffage ;
- la figure 9 représente une vue éclatée montrant le circuit de chauffage destiné à venir autour des parties chaudes des cylindres ;
- la figure 10 représente une vue en coupe longitudinale du système de cogénération selon l'axe d'un piston ;
- la figure 11 représente une vue en coupe longitudinale du système de cogénération selon un plan médian ;
- la figure 12 représente une vue éclatée montrant le vilebrequin d'entraînement des roues libres et du volant d' inertie ;
- la figure 13 représente un système de cogénération relié à un échangeur de chaleur.
L'invention va à présent être décrite avec davantage de détails. La figure 1 montre une vue en coupe longitudinale d'un piston 2 mobile en translation dans un cylindre 3. Le cylindre forme un logement fermé à son extrémité 3c. Le piston comprend par ailleurs une base 10 qui coulisse de façon étanche dans le cylindre 3. Ainsi le cylindre 3 et le piston 2 délimitent une chambre disposée à l'intérieur du cylindre 3. Cette chambre est remplie par un fluide gazeux tel que par exemple de l'azote, de l'hélium ou de l'air. La chambre se divise en trois parties 6a, 6b et 6c communiquant entre elles.
Le piston 2 comprend un déplaceur 11 qui coulisse de façon non étanche dans le cylindre 3. La chambre comprend une partie médiane 6b, de volume constant, disposée autour du déplaceur 11. Le fluide gazeux peut ainsi s'écouler entre le déplaceur 11 et le cylindre.
Le piston comprend par ailleurs un arbre 12 reliant sa base 10 à son déplaceur 11. La base 10 entraîne ainsi en translation l'arbre 12 et le déplaceur 11. Comme représenté à la figure 1 l'arbre 12 est solidarisé d'un côté à la base 10 et d'un autre côté au déplaceur 11. Une autre partie 6a de la chambre est délimitée entre les surfaces latérales S30 et S31 de la base 10 et du déplaceur 12, la surface externe S32 de l'arbre 12 et la surface interne du cylindre 3. Cette partie 6a de la chambre forme un espace de travail de volume constant et mobile par rapport au cylindre.
Le cylindre 3 présente un profil à son extrémité fermée
3c correspondant avec le profil de l'extrémité du déplaceur 11. L'extrémité libre du déplaceur présente notamment un profil hémisphérique correspondant avec le profil hémisphérique du cylindre. Une autre partie 6c de la chambre, de volume variable, est délimitée entre l'extrémité 3c du cylindre et l'extrémité du déplaceur 11. Cette dernière partie 6c de la chambre est quasiment nulle lorsque le piston 2 est complètement enfoncé dans le cylindre 3, comme représenté à la figure 2. Ainsi cette partie 6c de la chambre est minimum, voire quasiment nulle, lorsque le piston est dans une position de compression maximum de la chambre.
Sur la figure 1, le piston est dans une position d'expansion maximum de la chambre et sa portion 6c délimitée en avant du piston est également maximum.
Le cylindre comprend trois portions : une portion avant 3c délimitant l'extrémité fermée du cylindre 3, une portion médiane 3b et une portion arrière 3a.
Un réchauffeur 4 est disposé autour de la portion 3b médiane du cylindre 3. Le réchauffeur 4 délimite un espace annulaire de chauffage 14 autour du cylindre. Un matériau isolant 33 disposé sur les parois latérales 34 et 35 du réchauffeur et sur sa paroi externe 36 permet d'orienter les transferts de chaleur vers l'intérieur du cylindre. Le réchauffeur disposé contre la portion médiane 3b du cylindre 3 permet de réchauffer principalement le fluide gazeux à l'intérieur du cylindre en vis-à-vis de la portion médiane 3b, c'est-à-dire en vis-à-vis du réchauffeur. Un revêtement du piston réalisé dans un matériau thermiquement isolant permet de délimiter des espaces de chauffage ou de refroidissement séparés à l'intérieur du cylindre. Le fluide de chauffage dans le réchauffeur peut être de l'eau, de l'air ou un autre fluide chauffé. Ce fluide de chauffage fournit de l'énergie calorique mais une autre source de chaleur peut également être utilisée pour chauffer cette portion 3b du cylindre .
Deux refroidisseurs 5a et 5b sont disposés de part et d'autre du réchauffeur 4. Le refroidisseur 5a disposé contre la portion arrière 3a du cylindre délimite un espace annulaire 15a de refroidissement venant contre la paroi extérieure la portion arrière 3a. Le refroidisseur 5b disposé contre la portion avant 3c du cylindre délimite un espace annulaire 15b prolongé par un espace 15c entourant l'extrémité du cylindre. Les fluides de refroidissement dans chaque refroidisseur peuvent être de l'eau ou de l'air ou un autre fluide refroidi. Ce fluide de refroidissement permet de capter principalement l'énergie calorique du fluide gazeux en vis-à-vis des parois de la portion arrière 3a ou respectivement de la portion avant 3c du cylindre. Un fluide de refroidissement est utilisé mais on peut aussi prévoir de refroidir directement les portions arrière 3a et avant 3c du cylindre, par exemple à l'air libre à l'aide d'ailettes de refroidissement directement fixées sur le cylindre.
Le revêtement du piston réalisé dans un matériau thermiquement isolant est avantageusement utilisé pour délimiter les espaces de chauffage ou de refroidissement séparés à l'intérieur du cylindre.
Comme représenté sur la figure 1, le piston 2 dans sa position d'expansion maximum se positionne avec l'espace 6a de travail disposé autour de l'arbre 12 dans une position de refroidissement en vis-à-vis de la portion arrière 3a du cylindre refroidie par le refroidisseur 5a. Le refroidissement de cet espace de travail 6a est ainsi maximum.
Par ailleurs dans cette position d'expansion maximum, la partie 6c de la chambre délimitée entre le déplaceur 11 et l'extrémité 3c du cylindre est maximum. Le refroidissement du fluide gazeux par le refroidisseur 5b disposé à l'extrémité du cylindre est ainsi maximum.
Enfin dans cette même position d'expansion maximum, le déplaceur 11 est disposé avec sa portion cylindrique en vis- à-vis du réchauffeur 4. Seul le fluide gazeux disposé entre le déplaceur 11 et la portion 3b du cylindre est alors chauffé. Le réchauffement du fluide gazeux par le réchauffeur 4 est ainsi minimum.
Sur la figure 2 où le piston 2 est dans une position de compression maximum de la chambre, le déplaceur 11 occupe sensiblement tout l'espace dans la portion avant 3c du cylindre. Seul le fluide gazeux présent entre le déplaceur et la paroi de l'extrémité 3c fermée du cylindre est refroidi par le refroidisseur 5b. Le refroidissement du fluide gazeux par le refroidisseur 5b est alors minimum.
Par ailleurs dans cette position de compression maximum de la chambre, l'espace de travail 6a disposé autour de l'arbre 12 vient en vis-à-vis de la portion médiane 3b du cylindre réchauffée par le réchauffeur 4. Ainsi le réchauffement de l'espace de travail 6a est maximum.
Enfin dans cette position de compression maximum de la chambre, la base 10 du piston est enfoncée dans le cylindre et vient en vis-à-vis de la portion arrière 3a jusqu'à la limite avec la portion médiane 3b du cylindre. Ainsi l'action du refroidisseur 5a agissant sur la portion arrière 3a est minimisée .
En conséquence, dans la première position du piston correspondant à l'expansion maximum de la chambre, le réchauffement du fluide gazeux est minimum tandis que son refroidissement est maximum. Par ailleurs, dans la deuxième position du piston correspondant à la compression maximum de la chambre, le refroidissement du fluide gazeux est minimum tandis que son réchauffement est maximum.
La longueur de l'arbre 12 correspond à la longueur de la portion médiane 3b du cylindre. Le diamètre de l'arbre 12 est choisi en fonction du diamètre intérieur du cylindre pour réaliser un espace de travail de volume déterminé.
Le déplaceur est de longueur correspondant à la portion avant 3c du cylindre. Le profil du déplaceur correspondant à celui de la portion 3c d'extrémité du cylindre est en demi- cercle et est prolongé par une portion cylindrique reliée à l'arbre et de diamètre supérieur à ce dernier. Le diamètre de cette portion cylindrique du déplaceur 11 est choisi pour permettre une transmission de pression entre les deux parties de la chambre de part et d'autre du déplaceur 11. Le diamètre peut aussi être choisi pour permettre un écoulement déterminé du fluide gazeux notamment lorsque le moteur ne comprend pas de régénérateur. La longueur de la portion cylindrique du déplaceur 11 correspond sensiblement à la longueur de la portion médiane 3b du cylindre. Ainsi lorsque le piston est déplacé en position d'expansion maximum de la chambre, la portion cylindrique du déplaceur 11 occupe l'espace en vis-à- vis du réchauffeur 4 sur toute sa longueur.
La portion arrière 3a du cylindre 3 refroidie par le refroidisseur 5a est choisie de longueur supérieure ou égale à celle de l'espace de travail 6a. Ainsi l'ensemble de l'espace de travail 6a est disposé en vis-à-vis de ce refroidisseur 5a lorsque le piston se trouve dans la position d'expansion maximum de la chambre.
Le revêtement du piston délimite par exemple la surface cylindrique extérieure S32 de l'arbre 12, une face annulaire S30 de la base 10 et toute la surface extérieure du déplaceur 11 de façon à limiter les échanges thermiques.
Le piston peut être réalisé creux. Un logement interne peut alors être utilisé pour y disposer des lignes de communication avec des capteurs. Comme représenté aux figures 1 et 2, des capteurs 37, 38 et 39 peuvent être disposés dans le piston 2 ou dans le cylindre 3. Ces capteurs peuvent être du type capteur de température, capteur de pression ou capteur de contrainte. Un capteur 37 affleure à la surface de l'arbre 12 et débouche d'autre part à l'intérieur du piston creux. Un autre capteur 38 affleure à l'extrémité du piston et débouche à l'intérieur du piston. Un autre capteur 39 affleure à l'intérieur de l'extrémité fermée 3c du cylindre et débouche par ailleurs à l'extérieur du cylindre.
Dans la position de compression maximum, le chauffage provoque une élévation de la pression tendant à augmenter le volume de la chambre et tendant donc à repousser le piston vers l'extérieur du cylindre. A l'inverse dans la position d'expansion maximum, le refroidissement provoque une diminution de la pression tendant à réduire le volume de la chambre et tendant donc à tirer le piston à l'intérieur du cylindre .
Les figures 3 et 4 montrent un mécanisme d'asservissement des mouvements en translation du piston comprenant une butée coopérant avec des organes de retenue élastique.
Le mécanisme d'asservissement 20 du mouvement en translation du piston 2 comprend une tige 21 solidaire du piston 2 et solidaire d'une butée 22 saillante par rapport à la tige. La butée 22 se présente sous la forme d'une sphère comprenant un perçage fileté en son milieu. Un écrou 66 vissé sur l'extrémité filetée de la tige 21 permet de fixer la butée 22 à la tige 21.
Le mécanisme d'asservissement 20 comprend par ailleurs un carter conique 67 de solidaire du cylindre 3. Le carter conique 67 comprend un bord de grand diamètre fixé au cylindre 3 et un bord de petit diamètre avancé à l'intérieur du cylindre 3. Le bord de petit diamètre est fixé à un manchon 68. Ce manchon 68 est solidaire du cylindre 3 et comprend un canal intérieur dans lequel la butée 22 peut se déplacer selon un mouvement de translation.
Des mors 25a et 25b sont montés dans des logements 70a et 70b du manchon 68. Ces mors sont mobiles autour de leur axe 26a et 26b fixé au manchon 68. Chaque mors 25a et 25b présente un bord 28a ou 28b biseauté en pente douce d'escamotage et un bord 29a ou 29b biseauté en pente aiguë de façon à exercer une retenue élastique de la butée 22. Ces bords biseautés sont saillants à l'intérieur du canal du manchon 68.
La retenue élastique est exercée jusqu'à une force de libération déterminée. Pour le réglage de la retenue élastique, chaque mors comprend une encoche, référencée 64 ou 65, saillante à l'extérieur du manchon sur laquelle un ressort, référencé 60 ou 63, exerce une force de rappel. La force exercée par chaque ressort 60 ou 63 tend à entraîner chaque mors en saillie vers l'intérieur du manchon 68. Un mors ou une pluralité de mors peuvent être utilisés pour réaliser chaque blocage. Trois mors 25a sont par exemple utilisés pour le blocage du piston dans sa position d'expansion maximum et trois mors 25b sont par exemple utilisés pour le blocage du piston dans sa position de compression maximum.
Chaque ressort 60 ou 63 s'appuie d'un côté sur le ou les mors 25a ou 25b et de l'autre sur une bague 61 ou 62 vissée sur le manchon 68.
Le vissage de ces bagues 61 et 62 permet notamment d'ajuster la force de rappel exercée par chaque ressort 60 et 63. La force au-delà de laquelle la butée est libérée peut ainsi être réglée pour la position d'expansion maximum ainsi que pour la position de compression maximum.
La figure 5 représente un moteur le dans lequel le piston n'a pas été représenté pour des raisons de clarté. Ce moteur fonctionne avec un piston tel que décrit précédemment mobile en translation dans le cylindre 3, son mouvement en translation étant asservi par une butée coopérant avec un organe de retenue élastique 23 en position d'expansion maximum et un organe de retenue élastique 24 en position de compression maximum. Comme décrit précédemment le cylindre comprend une portion arrière 3a, une portion médiane 3b et une portion avant 3c, la portion avant 3c étant refroidie par le refroidisseur 5b, la portion médiane 3b étant réchauffée par le réchauffeur 4. Des conduits 17, 18 et 19 de circulation du fluide gazeux sont aménagés à l'extérieur au cylindre 3 et relient la portion médiane 3b à la portion avant 3c du cylindre 3. Ces conduits de circulation facilitent la circulation du fluide gazeux lors du déplacement du piston. Ainsi le diamètre du déplaceur peut être notamment augmenté. Une partie 17a, 18a et 19a de chaque conduit de circulation reliée à la portion médiane 3b est disposée le long du cylindre et à l'intérieur de l'espace 14 comprenant le fluide de chauffage. Ces parties 17a, 18a et 19a sont ainsi chauffées par le réchauffeur 4. Ainsi lors du passage de la position d'expansion maximum de la chambre à la position de compression maximum, une partie du fluide introduit dans l'espace de travail, en vis-à-vis de l'arbre du piston, est déjà chauffé, ce qui facilite la montée en température.
Une autre partie 17b, 18b ou 19b de chaque conduit de circulation reliée à la portion avant 3c du cylindre 3 est disposée le long du cylindre et à l'intérieur de l'espace, référencé 15b et 15c, comprenant le fluide de refroidissement. Ces parties 17b, 18b et 19b sont ainsi refroidies par le refroidisseur 5b. Ainsi lors du passage de la position de compression maximum de la chambre à la position d'expansion maximum, une partie du fluide introduit dans la portion d'extrémité 3c du cylindre est déjà refroidie, ce qui facilite l'abaissement de la température.
Avantageusement la structure du moteur est relativement simple. Sa mise en œuvre est ainsi facilitée et son mécanisme rustique lui confère une grande fiabilité et une durée de vie importante. La structure du moteur permet par ailleurs un réglage précis de son cycle thermique afin notamment d'améliorer le rendement du moteur. Il est ainsi possible de régler la pression maximale du chauffage isochore ou la pression minimale du refroidissement isochore. Le moteur peut aussi être facilement adapté en fonction des besoins pour différentes applications.
La figure 6 représente une vue en coupe longitudinale d'un système de cogénération 100. L'énergie nécessaire au fonctionnement du moteur à combustion externe est également utilisée pour chauffer de l'eau. Le moteur peut ainsi être utilisé pour entraîner une génératrice de courant tandis que l'eau chauffée peut servir à alimenter des radiateurs domestiques .
Le système de cogénération 100 est monté sur un socle
101. Le socle 101 comprend des logements pour des axes 102 solidaires du corps du moteur. Le moteur peut ainsi être pivoté pour son installation ou sa maintenance. Le moteur est par exemple ensuite solidarisé au socle 101. Les connexions au circuit d'eau et au brûleur seront décrites ultérieurement.
Le moteur comprend deux cylindres disposés à la même hauteur et parallèles l'un à l'autre. Les cylindres comprennent chacun une extrémité fermée 106a et 106b et une extrémité ouverte 107a et 107b. Dans chaque cylindre, un tronçon refroidi 105a ou 105b comprenant l'extrémité fermée 106a ou 106b est prolongé par un tronçon chauffé 108a ou 108b lui-même prolongé par un autre tronçon refroidi 150a ou 150b se terminant par l'extrémité ouverte 107a ou 107b.
Le système de cogénération 100 comprend un premier refroidisseur 109 relié au connecteur 103 d'alimentation en eau et entourant les tronçons 105a et 105b refroidis dont l'extrémité 106a ou 106b est fermée.
L'eau d'alimentation, à température ambiante, capte ensuite la chaleur du gaz réchauffé dans chacun des cylindres. Les tronçons refroidis 105a et 105b des cylindres sont disposés chacun dans une chemise à laquelle sont fixées des ailettes 114 favorisant les échanges de chaleur.
Le système de cogénération 100 comprend un circuit de chauffage 110 entourant les tronçons réchauffés 108a et 108b des cylindres et dans lequel brûle la flamme d'un brûleur. Les gaz de combustion sont évacués en chauffant les tronçons 108a et 108b. Un matériau isolant, référencé 112a et 112b, est disposé radialement et transversalement autour de la cavité de chauffage pour diriger la chaleur vers les tronçons chauffés 108a et 108b des cylindres et séparer le circuit de chauffage des refroidisseurs . Les tronçons chauffés 108a et 108b des cylindres sont disposés chacun dans une chemise à laquelle sont fixées des ailettes 115 favorisant les échanges de chaleur.
L'eau du circuit de refroidissement 182 passant autour du circuit de chauffage 110 est encore réchauffée par une partie de l'énergie de chauffage non captée par les tronçons chauffés 108a et 108b.
Le système de cogénération comprend un deuxième refroidisseur 111 relié au connecteur de sortie d'eau chauffée, ce refroidisseur 111 entourant les tronçons refroidis 150a et 150b se terminant par l'extrémité ouverte 107a ou 107b. L'eau du circuit de refroidissement est encore chauffée dans le deuxième refroidisseur avant d'être utilisée par exemple pour le chauffage domestique. Les tronçons refroidis 150a et 150b sont disposés chacun dans une chemise à laquelle sont fixées des ailettes 116 favorisant les échanges de chaleur.
Ainsi le circuit de refroidissement est agencé de façon à ce que l'eau circule dans le circuit de refroidissement depuis la conduite d'alimentation 103 en eau froide autour d'une première partie refroidie 106a, 106b du moteur puis autour de la partie réchauffée 108a, 108b, puis enfin autour d'une deuxième partie refroidie 150a, 150b du moteur avant d'être évacuée par une conduite de fourniture d'eau chauffée.
Comme décrit précédemment, chaque piston comprend :
- une base coulissant dans son cylindre de façon étanche
- un déplaceur coulissant de façon non étanche dans son cylindre et
- un arbre d'entraînement du déplaceur par la base.
La base 117a ou 117b est vissée dans un insert 118a ou 118b fixé dans une pièce en matériau thermiquement isolant tel que de la céramique. Cette pièce en matériau thermiquement isolant comprend une plaque 119a ou 119b recouvrant la base 117a ou 117b. Cette plaque 119a ou 119b est prolongée par l'arbre 120a ou 120b, lui-même prolongé par le déplaceur 121a ou 121b.
La forme arrondie de l'extrémité du déplaceur 120a ou 120b correspond à la forme arrondie de l'extrémité fermée 106a ou 106b du cylindre associé.
Les deux pistons sont mobiles chacun dans un des cylindres. Chaque piston mobile dans son cylindre délimite une chambre de travail remplie par un fluide gazeux tel que de l'azote ou de l'argon.
Comme expliqué précédemment le tronçon chauffé 108a et
108b de chaque cylindre ainsi que ses deux tronçons refroidis 105a, 105b, 150a et 150b agissent sur la chambre de travail de ce cylindre pour déplacer le piston entre une position d' expansion maximum de la chambre et une position de compression maximum de la chambre.
L'arbre 120a ou 120b et le déplaceur 121a ou 121b sont dimensionnés de façon à délimiter autour de l'arbre 120a ou 120b un espace de travail venant dans la portion médiane chauffée 108a ou 108b du cylindre lorsque le piston est dans la position de compression maximum et de façon à ce que le déplaceur 121a ou 121b vienne dans cette même portion médiane chauffée 108a ou 108b lorsque le piston est dans la position d'expansion maximum.
Le mécanisme d'asservissement du mouvement en translation des pistons comprend un vilebrequin 123 monté pivotant par rapport au corps du moteur et relié aux deux pistons par des bielles 122a et 122b. Le vilebrequin 123 oscille autour d'un axe 125 par rapport au corps du moteur. L'axe 125 solidaire du vilebrequin 123 est guidé en rotation par rapport au corps du moteur.
Un galet 124 est monté roulant sur une surface extérieure du vilebrequin 123 qui présente un profil déterminé. Le profil extérieur du vilebrequin comprend une surface en arc de cercle 160 prolongée de part et d'autre par des logements en retrait 161a et 161b. Les logements en retrait 161a et 161b réalisent des retenues élastiques du vilebrequin 123 par rapport au corps du moteur. Les positions des logements en retrait 161a et 161b correspondent chacune à la position d'expansion maximum d'un des pistons et à la position de compression maximum de l'autre piston. Les pistons fonctionnent en opposition de phase.
Le galet 124 monté sur des roulements autour d'un axe est poussé par un organe élastique contre le vilebrequin 123. Cet organe élastique en appui contre le corps du moteur peut être réglé pour ajuster la force d'appui du galet contre le vilebrequin et ainsi régler la force de retenue élastique des pistons .
Une transformation du mouvement alternatif du vilebrequin en un mouvement rotatif régulier du volant d'inertie 162 sera décrite ultérieurement.
Le réglage de la force de retenue élastique permet de régler la fréquence du mouvement des pistons ainsi que les efforts exercés par chacun de ces pistons. Le mécanisme de retenue est ici double. Les pistons réalisent par exemple
1000 cycles d'aller et retour par minute.
Le réglage de la force de retenue permet en outre de régler le couple moteur exercé par le volant d'inertie 162 et la vitesse de rotation du volant d'inertie. Un couple important est par exemple réglé pour le démarrage du système de cogénération 100 puis le couple est diminué une fois le volant lancé.
Chaque cylindre est fermé à son extrémité 106a et 106b par un bouchon 126a ou 126b. Ces bouchons 126a et 16b sont utilisés par exemple pour le remplissage des cylindres par le gaz de travail. Des capteurs de pression ou de température peuvent être installés dans ces bouchons.
Un capteur dynamomètre peut être fixé sur le vilebrequin en mesurant sa déformation. Un compte-tour peut être relié au volant d'inertie. Les capteurs de température peuvent être installés contre le carter extérieur ou à l'intérieur de ce dernier .
D'autres asservissements des pistons peuvent bien-sûr être réalisés pour asservir les pistons indépendamment l'un de l'autre ou réaliser un asservissement double des deux pistons simultanément.
Deux pistons sont ici utilisés mais des montages comprenant un nombre différent de pistons peuvent être réalisés .
La figure 7 représente une vue éclatée montrant le circuit de refroidissement destiné à venir autour du circuit de chauffage.
Un carter intérieur est disposé autour des cylindres 131a et 131b. Le carter intérieur comprend une partie supérieure 130a fixée à une partie inférieure 130b. Le carter intérieur forme un chemisage autour de chacune des portions refroidies des cylindres et une cavité autour des portions chauffés des cylindres 131a et 131b. Les chemisages comprennent chacun des ailettes 114 et 116 favorisant les échanges de chaleur. Le carter intérieur enferme ainsi le circuit de chauffage et comprend des ailettes le long des cylindres de part et d'autre du circuit de chauffage.
Le carter intérieur délimite également une entrée du circuit de chauffage et une sortie 127 du circuit de chauffage chacune en vis-à-vis d'un orifice d'entrée 131 et d'un orifice de sortie 132 réalisées dans le carter extérieur. Le carter extérieur est également réalisé en deux parties 133a et 133b. Un joint 177 réalise l'étanchéité entre ces deux parties 133a et 133b.
Le circuit de refroidissement est délimité entre le carter intérieur et le carter extérieur et des bagues 128 et 129 réalisant la jonction entre l'extérieur du carter extérieur et l'intérieur du carter intérieur. La bague 128 délimite la sortie d'évacuation des gaz de combustion. La bague 129 délimite l'orifice d'insertion du brûleur.
L'eau du circuit de refroidissement circule depuis le connecteur 103 d'alimentation en eau froide, puis entre les deux carters jusqu'au connecteur 104 de fourniture d'eau chaude .
Les cylindres débouchent à l'extérieur du carter extérieur. Les cylindres comprennent leur extrémité ouverte 107a ou 107b disposée à l'extérieur du carter extérieur. Les pistons 134a et 134b peuvent ainsi être reliés par des bielles 122a et 122b à un mécanisme 135 réalisant d'une part l'asservissement du mouvement en translation des pistons et d'autre part la transformation des mouvements de translation en mouvement de rotation.
Les cylindres comprennent par ailleurs leur extrémité fermée en majeure partie à l'intérieur du carter extérieur, seule un téton fermé par un bouchon faisant saillie à l'extérieur du carter extérieur.
La figure 8 représente une vue en coupe transversale du circuit de chauffage. L'embout du brûleur 136 schématisé par un rectangle produit une flamme dans un espace central 137 disposé entre les deux cylindres. Le brûleur 136 est introduit par la bague 129. Le brûleur vient en arrière d'un bec 172 de combustion où est réalisé le mélange d'air et de gaz inflammable.
Les gaz de combustion passent ensuite dans deux espaces intermédiaires 138a et 138b prolongeant l'espace central et entourant en partie chacun un des deux cylindres. Ces deux espaces intermédiaires 138a et 138b présentent chacun un profil en arc de cercle. Des ailettes de ralentissement des gaz de combustions sont disposées dans l'espace central 137 et dans les espaces intermédiaires 138a et 138b.
Les gaz de combustion passent ensuite dans deux espaces périphériques 139a et 139b prolongeant chacun un des espaces intermédiaires 138a et 138b. Les deux espaces périphériques 139a et 139b entourent en partie chacun un des deux espaces intermédiaires. Ces deux espaces périphériques 139a et 139b présentent chacun un profil en arc de cercle.
Les passages périphériques 139a et 139b sont délimités par une couche thermiquement isolante 112b. Cette couche thermiquement isolante est disposée contre le carter intérieur 130b. La couche thermiquement 112b vient ainsi entre le circuit de chauffage et le circuit de refroidissement 182 aménagé entre le carter intérieur 130b et le carter extérieur 133b. La couche thermiquement isolante comprend un orifice 157 pour le passage du brûleur et un orifice 158 pour la sortie des gaz de combustion.
Les gaz de combustion en sortie de la couche 112b d'isolation thermique sont guidés dans un passage 141 et buttent contre une chicane constituée par des cloisons transversales 142a et 142b solidaires du carter intérieur 130b.
Le passage de sortie du circuit de chauffage, se termine par la bague 128. Un système à ventilateur commandé permet par exemple de régler une aspiration et une circulation des gaz de combustion déterminées.
La température est ainsi maximale dans l'espace central 137 au cœur du moteur. La température est par exemple de 1300°C. La température diminue dans les passages intermédiaires 138a et 138b pour atteindre par exemple 900°C. La température diminue encore dans les passages périphériques 139a et 139b par exemple jusqu'à 600°C. La couche thermiquement isolante implique une température de 300 °C à l'extérieur de la couche d'isolant 112b. Enfin la chicane permet de rapidement diminuer la température comprise par exemple entre 50°C et 200°C au niveau de la bague de sortie 128. Des gaz chauds à plus de 100°C pourront notamment être réutilisés par exemple dans un échangeur de chaleur.
Les gaz chauds serpentent dans le circuit de chauffage. Un gradient de température est ainsi réalisé pour optimiser la quantité de chaleur captée par les tronçons chauffés par rapport à la quantité de chaleur captée par l'eau dans le circuit de refroidissement 182, autour du circuit de chauffage. Ainsi les points les plus chauds se répartissent depuis le cœur du moteur pour diminuer vers l'extérieur, jusqu'au circuit de refroidissement.
Le débit d'eau par exemple à 23°C en entrée est réglé pour atteindre une eau chauffée à 70°C en sortie. Bien que la température de l'eau du circuit de refroidissement 182 autour du circuit de chauffage soit relativement élevée, l'eau garde encore une capacité de refroidissement du gaz de travail. Le gaz de travail est par exemple chauffé à 700°C. Le refroidissement moindre qui en résulte peut par exemple être compensé par la liaison des pistons entre eux grâce au vilebrequin. Comme rappelé précédemment, les pistons peuvent aussi fonctionner indépendamment l'un de l'autre.
La figure 9 représente une vue éclatée montrant le circuit de chauffage destiné à venir autour des parties chauffées des cylindres.
Des pièces 175a et 1775b sensiblement circulaires forment un chemisage des cylindres comprenant des ailettes favorisant les échanges de chaleur.
Deux conduits de recirculation sont réalisés dans chaque chemisage. Ces conduits de recirculation 170a, 171a traversent la couche 112b de matériau thermiquement isolant et débouchent chacun en face d'un orifice réalisé dans le carter intérieur 130b pour être connecté à des conduites 178a, 178b, 179a et 179b réalisant la liaison avec le tronçon avant de chaque cylindre.
Un circuit de guidage en deux parties 173 et 174 présentant sensiblement un profil en « 8 » est disposé autour des pièces 175a et 175b formant le chemisage. Le circuit de guidage en « 8 » délimite deux espaces annulaires jointifs. Les gaz de combustion sont destinés à circuler à l'intérieur puis à l'extérieur de ce circuit de guidage. Le circuit de guidage comprend par ailleurs une bague saillante recevant le brûleur .
La couche de matériau thermiquement isolant est réalisée en deux parties 112a et 112b et vient autour du circuit de guidage en « 8 ».
Enfin le carter intérieur vient contre le matériau thermiquement isolant. Les deux parties 130a et 130b du carter intérieur sont jointes entre elles et sur un joint
176.
La figure 10 représente une vue en coupe longitudinale du système de cogénération selon l'axe d'un piston. Deux conduits de recirculation 170a et 170b en liaison avec des conduites 179a et 179b relient la portion chauffée 108a de chaque cylindre avec sa portion refroidie 105a qui comprend son extrémité fermée. Des perçages 180a et 180b sont réalisés dans le cylindre à une hauteur déterminée pour venir face au conduit 170a et 170b réalisé dans la pièce 175a formant le chemisage interne au circuit de chauffage. La portion externe du cylindre est réalisée conique à la hauteur de perçage, de même que la portion interne de la pièce 175a formant le chemisage. L' étanchéité est ainsi facilitée. Des connecteurs sont utilisés pour relier les conduits de recirculation 170a et 170b avec des conduites 179a et 179b. Les conduites 179a et 179b sont par exemple des conduites souples. Des orifices 181a et 181b sont également réalisés dans la portion arrondie 106a à l'extrémité fermée du cylindre .
Sur la figure 10, on peut voir par ailleurs la bielle 122a reliée au vilebrequin 123 pour l'entraînement de deux roues libres 165a et 165b reliées à l'axe de rotation du vilebrequin 123.
Chaque roue libre 165a et 165b est solidaire d'un pignon 164a et 164b dont l'axe correspond à celui du vilebrequin 123. Ces deux pignons 164a et 164b engrainent avec un pignon 163 solidaire du volant d'inertie 162 dont l'axe de rotation est orthogonal à l'axe du vilebrequin 123.
La figure 11 représente une vue en coupe longitudinale du système de cogénération selon un plan médian. Les mécanismes à roue libre 165a et 165b sont entraînés par l'axe 125 du vilebrequin 123 et sont disposés l'un à l'opposé de l'autre, de chaque côté du vilebrequin 123. Les mécanismes à roue libre 165a et 165b sont sollicités alternativement lorsque le vilebrequin 123 effectue des rotations dans un sens puis dans 1' autre .
Le mouvement alternatif du vilebrequin est réglé par le galet 124 en appui sur le vilebrequin 123. Le ressort 157 appuie d'un côté sur le support 158 du galet 124 et de l'autre côté sur une première cale 153 biseautée. Cette première cale biseautée 153 s'appuie sur une deuxième cale biseautée 154 elle-même en appui contre une face solidaire du corps du moteur. La vis 155 permet d'avancer ou de reculer la deuxième cale biseautée 154 par rapport à la première cale biseauté 153 et ainsi permet de comprimer plus ou moins le ressort 157. La force de retenue élastique est ainsi facilement réglée.
Sur la figure 11, on voit par ailleurs l'entrée 103 du circuit de refroidissement et la sortie 104 de fourniture d'eau chauffée. On voit également l'entrée du circuit de chauffage 129 et la sortie 128 du circuit de chauffage. Les panneaux 142a et 142b reliés respectivement aux cloisons 143a et 143b forment la chicane en sortie du circuit de chauffage tel que décrit précédemment.
La figure 12 représente une vue éclatée montrant le vilebrequin 123 d'entraînement des roues libres 165a et 165b et du volant d'inertie 162. L'arbre du vilebrequin 125 est guidé en rotation par rapport à un support 151 fixé au corps du moteur. Cet arbre 125 est solidarisé au vilebrequin 123 et aux mécanismes à roue libre 165a et 165b, par exemple par des clavettes. Les trois pignons 164a, 164b et 163 peuvent être identiques. Une pièce de liaison est prévue entre les mécanismes à roue libre et son pignon associé.
Le support 151 de l'arbre 125 comprend un logement de réception du vilebrequin et un logement pour le mécanisme de support du galet 124 disposés entre deux parois. Les alésages de guidage de l'arbre 125 sont réalisés dans ces deux parois.
Le support 158 du galet forme un logement cylindrique de réception et d'appui du ressort 157, ce support comprenant deux oreilles alésées de réception d'un axe 159 autour duquel est disposé le galet 124. Le galet est par exemple monté pivotant sur des roulements autour de cet axe 159.
Les deux cales biseautées 153 et 154 sont placées entre le ressort et une pièce de guidage 156. Cette pièce de guidage 156 permet notamment le déplacement longitudinal de la cale 153 vers le ressort 157 et le déplacement transversal de la cale 154. La pièce de guidage 156 est fixée sous le support 151 de guidage de l'arbre 125 du vilebrequin 123.
Ce support 151 comprend en outre un perçage fileté de réception de la vis 155 de réglage de la retenue élastique. La vis 155 permet ainsi d'avancer ou de reculer la cale 154, l'autre cale 153 demeurant en vis-à-vis du ressort 157.
La figure 13 représente un système de cogénération 100 relié en outre à un échangeur de chaleur 189 pour encore optimiser le rendement de production de chaleur et de production d'électricité. L'arrivée d'eau 184 alimente ainsi le système de cogénération 100 mais aussi un échangeur de chaleur 189 alimenté en gaz chaud par les gaz de combustion évacués du système de cogénération 100. Le ventilateur 186 est alors disposé en sortie du circuit de gaz de l'échangeur de chaleur 189. Un conduit 187 d'évacuation des condensas est branché à un conduit d' extraction des gaz en aval du ventilateur 186. L'eau chaude en sortie du système de cogénération 100 ainsi que l'eau chaude en sortie de l'échangeur de chaleur 189 servent pour l'alimentation en eau chaude 185. Un répartiteur 188 règle la proportion d'eau froide fournie au système de cogénération 100 par rapport à celle fournie à l'échangeur de chaleur 189. Le système de cogénération entraîne par ailleurs la génératrice 183 pour produire de l'électricité.
Avantageusement le système de cogénération permet de faire varier la proportion d'électricité et de chaleur produite en réglant notamment le répartiteur 188 d'eau froide et le ventilateur d'extraction 186. Plus le refroidissement du gaz de travail dans le moteur est important, plus le chauffage de l'eau et la production d'électricité par le système de cogénération sont importants.
Pour augmenter la production de chaleur, c'est-à-dire la température de l'eau chaude en sortie, on peut par exemple augmenter la vitesse de sortie des gaz brûles ainsi que la quantité d'eau qui entre dans l'échangeur 189. La production d'électricité est alors moindre puisque le moteur est alors moins refroidi et en même temps moins chauffé.
Pour augmenter la production d'électricité on peut par exemple réduire la vitesse des gaz brûlés pour un meilleur réchauffement du gaz de travail et augmenter la vitesse de l'eau pour un meilleur refroidissement du gaz de travail.
D' autres aménagements du système de cogénération sont bien-entendu possibles. Le système de cogénération peut être utilisé directement, l'eau chaude étant alors utilisée directement en sortie du système de cogénération.
Il doit être évident pour l'homme du métier que la présente invention permet d'autres variantes de réalisation. Par conséquent, les présents modes de réalisation doivent être considérés comme illustrant l'invention.

Claims

REVENDICATIONS
1. Système de cogénération (100) comprenant au moins : un moteur à combustion externe pour l'entraînement d'une génératrice (183),
- un orifice (129) d'insertion d'un brûleur (136) de chauffage du moteur et un orifice (128) de sortie des gaz de combustion et
- un circuit de refroidissement du moteur comprenant une entrée (103) d'alimentation en eau froide et une sortie (104) de fourniture d'eau chaude,
le système de cogénération étant caractérisé en ce que le brûleur (136) chauffe un circuit de chauffage délimitant une cavité de chauffage (110) disposée autour d'une partie chauffée (108a, 108b) du moteur tandis que le circuit de refroidissement délimite une cavité de refroidissement (109, 111, 182) disposée autour d'au moins une première partie (105a, 105b) refroidie du moteur et autour de la cavité de chauffage ( 110 ) .
2. Système de cogénération (100) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit de refroidissement est agencé de façon à ce que l'eau circule dans le circuit de refroidissement depuis l'entrée (103) d'alimentation en eau froide autour de la première partie (105a, 105b) refroidie puis autour de la partie chauffée (108a, 108b) avant d'être évacuée par la sortie (104) de fourniture d'eau chaude.
3. Système de cogénération (100) selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le circuit de chauffage est entouré au moins en partie par une couche (112a, 112b) thermiquement isolante disposée entre le circuit de chauffage et le circuit de refroidissement.
4. Système de cogénération (100) selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le moteur comprend au moins :
- deux cylindres (131a, 131b) parallèles l'un à l'autre et comprenant chacun une extrémité fermée (106a, 106b) , un tronçon chauffé (108a, 108b) correspondant à la partie chauffée et au moins un premier tronçon refroidi (105a, 105b) correspondant à la première partie refroidie, - deux pistons (134a, 134b) mobiles chacun dans un des cylindres (131a, 131b) en délimitant chacun une chambre de travail remplie par un fluide gazeux, la partie chauffée (108a, 108b) et la première partie refroidie (105a, 105b) agissant sur chaque chambre de travail dans chaque cylindre pour déplacer les pistons mobiles (134a, 134b) chacun entre une position d' expansion maximum de la chambre et une position de compression maximum de la chambre et
un mécanisme d'asservissement du mouvement en translation des pistons.
5. Système de cogénération (100) selon la revendication
4, caractérisé en ce que chaque piston (134a, 134b) est constitué d'au moins une base (117a, 117b) coulissant dans son cylindre (131a, 131b) de façon étanche, d'un déplaceur (121a, 121b) coulissant de façon non étanche dans son cylindre et d'un arbre (120a, 120b) d'entraînement du déplaceur (121a, 121b) par la base (117a, 117b) .
6. Système de cogénération (100) selon la revendication
5, caractérisé en ce que l'arbre (120a, 120b) et le déplaceur (121a, 121b) de chaque piston sont dimensionnés de façon à délimiter autour de l'arbre (120a, 120b) un espace de travail venant dans le tronçon chauffé (108a, 108b) lorsque le piston est dans la position de compression maximum et de façon à ce que le déplaceur (121a, 121b) vienne dans ce même tronçon chauffé (108a, 108b) lorsque le piston est dans la position d'expansion maximum.
7. Système de cogénération (100) selon l'une des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que le circuit de chauffage délimite :
- un espace central (137) disposé entre les deux cylindres (131a, 131b) et dans lequel débouche le brûleur (136) ,
- deux espaces intermédiaires (138a, 138b) prolongeant l'espace central (137) et s' étendant · en arc de cercle autour de chacun un des deux cylindres,
- deux espaces périphériques (139a, 139b) prolongeant chacun un des espaces intermédiaires (138a, 138b) et en communication avec un passage de sortie (141) du circuit de chauffage, les espaces périphériques (139a, 139b) s' étendant en arc de cercle autour de chacun des espaces intermédiaires (138a, 138b).
8. Système de cogénération (100) selon la revendication 7, caractérisé en ce que le passage de sortie (141) du circuit de chauffage comprend une chicane constituée par des cloisons transversales (142a, 142b) solidaires d'au moins une cloison (143a, 143b) délimitant le circuit de refroidissement .
9. Système de cogénération (100) selon l'une des revendications 4 à 8, caractérisé en ce que chaque cylindre comprend un deuxième tronçon refroidi (150a, 150b), le circuit de refroidissement étant agencé de façon à ce que le deuxième tronçon (150a, 150b) soit refroidi par de l'eau du circuit de refroidissement ayant auparavant capté de la chaleur émise par la partie chauffée (108a, 108b).
10. Système de cogénération (100) selon l'une des revendications 4 à 9, caractérisé en ce qu'il comprend un carter intérieur (130a, 130b) et un carter extérieur (133a, 133b) entre lesquels est délimité le circuit de refroidissement, le carter intérieur (130a, 130b) enfermant le circuit de chauffage et comprenant des ailettes (114, 116) le long des cylindres (131a, 131b) de part et d'autre du circuit de chauffage, au moins deux passages (128, 129) d' entrée et de sortie du circuit de chauffage étant agencés de façon étanche entre le carter extérieur (133a, 133b) et le carter intérieur (130a, 130b), les cylindres (131a, 131b) débouchant chacun à l'extérieur du carter extérieur (133a, 133b) .
11. Système de cogénération (100) selon l'une des revendications 4 à 10, caractérisé en ce que le mécanisme d' asservissement du mouvement en translation des pistons (134a, 134b) comprend :
- un vilebrequin (123) oscillant autour d'un axe (125) par rapport à un corps (151) solidaire des cylindres (131a, 131b), le vilebrequin (123) étant relié à chacun des pistons (134a, 134b) par une bielle (122a, 122b), les pistons étant en opposition de phase, - un galet (124) roulant sur un profil extérieur du vilebrequin (123), le galet (124) étant poussé contre le vilebrequin (123) par un organe élastique (152) en appui contre ledit corps (151) et comprenant un organe (153, 154, 155, 156) de réglage de la force de poussée sur le vilebrequin (123) , le profil du vilebrequin comprenant une partie (160) en arc de cercle prolongée de part et d'autre par deux logements en retrait (161a, 161b), les logements en retrait (161a, 161b) réalisant des retenues élastiques du vilebrequin (123) par rapport au corps (151), les positions des logements en retrait (161a, 161b) correspondant chacune à la position d'expansion maximum d'un des pistons et à la position de compression maximum de l'autre piston.
12. Système de cogénération (100) selon la revendication 11, caractérisé en ce que le moteur comprend un volant d'inertie (162) pour l'entraînement de la génératrice (183), le volant d'inertie (162) étant entraîné en rotation autour d'un axe orthogonal à l'axe du vilebrequin (123), le volant d'inertie (162) étant solidaire d'un premier pignon (163) à denture inclinée engrenant avec des deuxième et troisième pignons (164a, 164b) à denture inclinée solidaires respectivement de premier et deuxième mécanismes à roue libre (165a, 165b), les mécanismes à roue libre (165a, 165b) étant entraînés par l'axe (125) du vilebrequin (123) et disposés l'un à l'opposé de l'autre, les premier et deuxième mécanismes à roue libre (165a, 165b) étant sollicités alternativement lorsque le vilebrequin (123) effectue des rotations dans un sens puis dans l'autre.
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