WO2020127300A1 - Regenerateur et procede de fabrication d'un tel regenerateur - Google Patents

Regenerateur et procede de fabrication d'un tel regenerateur Download PDF

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WO2020127300A1
WO2020127300A1 PCT/EP2019/085696 EP2019085696W WO2020127300A1 WO 2020127300 A1 WO2020127300 A1 WO 2020127300A1 EP 2019085696 W EP2019085696 W EP 2019085696W WO 2020127300 A1 WO2020127300 A1 WO 2020127300A1
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regenerator
porosity
portions
cells
cell
Prior art date
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PCT/EP2019/085696
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English (en)
Inventor
Steve DJETEL-GOTHE
Mathieu DOUBS
Mohamed Said KAHALERAS
François LANZETTA
Guillaume LAYES
Original Assignee
Universite De Franche-Comte
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D17/00—Regenerative heat-exchange apparatus in which a stationary intermediate heat-transfer medium or body is contacted successively by each heat-exchange medium, e.g. using granular particles
    • F28D17/02—Regenerative heat-exchange apparatus in which a stationary intermediate heat-transfer medium or body is contacted successively by each heat-exchange medium, e.g. using granular particles using rigid bodies, e.g. of porous material
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F3/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
    • B22F3/10—Sintering only
    • B22F3/11—Making porous workpieces or articles
    • B22F3/1103—Making porous workpieces or articles with particular physical characteristics
    • B22F3/1115—Making porous workpieces or articles with particular physical characteristics comprising complex forms, e.g. honeycombs
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y80/00—Products made by additive manufacturing
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G1/00—Hot gas positive-displacement engine plants
    • F02G1/04—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type
    • F02G1/043—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type the engine being operated by expansion and contraction of a mass of working gas which is heated and cooled in one of a plurality of constantly communicating expansible chambers, e.g. Stirling cycle type engines
    • F02G1/053—Component parts or details
    • F02G1/057—Regenerators
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • B22F10/20—Direct sintering or melting
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F2999/00—Aspects linked to processes or compositions used in powder metallurgy
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y10/00—Processes of additive manufacturing
    • 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
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25—Process efficiency

Definitions

  • the present invention relates to the field of regenerators for devices providing external heat and refrigerating machines.
  • the present invention relates in particular to a regenerator intended for use in an engine or in a refrigeration machine with a Stirling cycle.
  • regenerators composed of an assembly by stacking of porous discs, such as wire mesh, placed in contact with each other.
  • the assembly is inserted into a support, generally a tube, and the elements are clamped and kept pressed in the support so as to form the regenerator.
  • regenerators produced from micrometric or nanometric fibrous materials, such as pyrolytic graphite or metallic meshes. These fibrous materials are introduced into a tube and then compressed inside it by application of a given pressure.
  • Regenerators of the prior art have the drawback of seeing their porosity and their hydraulic diameter vary over time.
  • the regenerators of the prior art ensure good heat exchange with the gas, they have small hydraulic diameters resulting in significant pressure losses during the circulation of the gas in the regenerator.
  • An object of the invention is in particular to:
  • a one-piece regenerator comprising at least two portions. At least one of the portions has a porosity different from a porosity of a neighboring portion and each of the portions of the regenerator is made of a porous rigid material having a given porosity.
  • the regenerator can only have two portions.
  • a portion can be understood as part of the regenerator.
  • a portion can be understood as a volume of part of the regenerator.
  • neighbor can be understood as contiguous.
  • the regenerator portions can be made of different materials.
  • regenerator portions can be made of the same material.
  • the one-piece regenerator can be obtained by assembling portions together.
  • the one-piece regenerator can be obtained during the same manufacturing step.
  • the monoblock regenerator can be manufactured by 3D printing.
  • the one-piece regenerator can be manufactured in one piece from the same material by 3D printing.
  • rigid material By rigid material is meant a material which deforms little under the pressure exerted by gases passing through it.
  • the material can have a Young's modulus between 20 GPa and 500 GPa.
  • the porosities of the portions can vary alternately or sequentially.
  • the porosity can vary according to a direction of flow of the gases and / or according to a direction normal to the direction of flow of the gases.
  • the porosity can vary in a direction between the direction of gas flow and the direction normal to the direction of gas flow.
  • a portion extends between two sections of the regenerator, each of the sections being normal to a direction connecting one end to the other of the regenerator.
  • a section is understood to be the intersection of a volume by a plane.
  • the direction connecting one end to the other of the regenerator can be identical to the direction of gas flow.
  • the direction connecting one end to the other of the regenerator may be different from the direction of gas flow.
  • Portions of the regenerator located at the ends of the regenerator may have one or more porosities less than a porosity, or respectively porosities, of a portion, or respectively of portions, located between the end portions.
  • the end portions may each have a porosity lower than a porosity of any portion located between the end portions.
  • a portion having the highest porosity of the regenerator may be located between the end portions of the regenerator.
  • the porosities of the regenerator portions may increase from a central plane of the regenerator towards the ends of the regenerator, said central plane passing through the center of the regenerator and being perpendicular to the direction of flow of the gases.
  • the regenerator portions can be arranged symmetrically with respect to the central plane of the regenerator.
  • the central plane of the regenerator can be included in the portion with the highest porosity of the regenerator.
  • the portion with the highest porosity of the regenerator can have a porosity equal to 1.
  • regenerator can have a porosity equal to 1.
  • the porosity can be between 0 and 1 per unit of volume and / or between 0 and 1 per unit of length.
  • the ratio between the porosities of neighboring portions can be greater than 1.
  • the porous rigid material may be composed of a set of contiguous cells arranged spatially with respect to each other, one or each of the contact surfaces of each of the cells with the gas form an angle of between 5 ° and 85 ° with respect to to the direction of gas flow.
  • regenerator Since the regenerator is in one piece, it is understood by cell, an identifiable structure of the regenerator.
  • the structure can be identified by its geometry.
  • the term "contiguous" is understood to be contiguous.
  • the angle formed by the or each of the contact surfaces of each of the cells with the gas with respect to the direction of flow of the gases can vary along the or each of the surfaces.
  • the or each of the contact surfaces of each of the cells with the gas can form an angle between 20 ° and 70 °, preferably between 30 ° and 60 °, with respect to the direction of flow of the gases.
  • the or each of the contact surfaces of each of the cells with the gas may form an angle of 45 ° relative to the direction of flow of the gases.
  • Portions of the regenerator may not contain cells.
  • Each cell can comprise at least four oblong elements extending from the center of the cell, each of the elements forming an angle between 5 ° and 85 ° relative to the direction of flow of the gases.
  • the oblong elements can constitute the or each of the contact surfaces of each of the cells with the gas.
  • each of the contact surfaces of each of the oblong elements with the gas may form an angle between 20 ° and 70 °, preferably between 30 ° and 60 °, relative to the direction of flow of the gases.
  • the or each of the contact surfaces of each of the oblong elements with the gas may form an angle of 45 ° relative to the direction of flow of the gases.
  • a cell can be linked to at least two contiguous cells.
  • An oblong element can be connected to several contiguous cells.
  • the material layer can separate two adjoining cells.
  • the material layer can be flat and continuous.
  • the layer of material extends in the direction of flow of the gases.
  • two contiguous cells can be physically linked together:
  • the regenerator can include two layers of materials.
  • each of the layers of material extends in the direction of flow of the gases.
  • the regenerator may include more than two layers of material.
  • the regenerator comprises two layers of material
  • the two layers can be perpendicular to each other.
  • the oblong elements can be, by way of nonlimiting example, a rod, a cone or even a triangle.
  • the oblong elements of the cells can be symmetrical two by two with respect to one or more planes of symmetry comprising the center of the cell.
  • Each cell can comprise a single plane with respect to which all the oblong elements are symmetrical two by two.
  • At least two oblong elements can extend on one side and at least two other oblong elements can extend on the other side of a plane comprising the center of the cell and being normal to the direction of gas flow.
  • One or more cells may comprise two oblong elements extending on one side and two other oblong elements extending on the other side of a plane comprising the center of the cell and being normal to the direction of gas flow .
  • the cell or cells can comprise only four oblong elements.
  • All cells in the regenerator can be identical.
  • One or more cells of the regenerator can comprise eight rods each forming an angle of 45 ° relative to the direction of flow of the gases and forming an angle of 90 ° between them within the same cell.
  • the porous rigid material can be a metal, an alloy or a plastic.
  • a method of manufacturing a device according to the first aspect of the invention is also proposed by 3D printing.
  • the manufacturing process can be a 3D printing process by fusion of powders.
  • the manufacturing process can be a 3D printing process by melting metal powders.
  • the manufacturing process can be a 3D printing process by laser sintering of metallic powders.
  • FIGURE 1 is a schematic representation of a profile view of a regenerator comprising three portions
  • FIGURE 2 is a schematic representation of a profile view of a regenerator comprising six portions
  • FIGURE 3 is a schematic representation of a cell according to the invention.
  • FIGURE 4 is a schematic representation of an arrangement of contiguous cells in a direction
  • FIGURE 5 is a schematic representation of a volume of the regenerator comprising contiguous cells connected by a layer of material
  • FIGURE 6 is a schematic representation of a profile view of a regenerator comprising alternating portions of different porosities
  • FIGURE 7 is a representation of a profile view of a regenerator comprising an alternation of portions containing cells contiguous to each other and portions not containing cells.
  • variants of the invention comprising only a selection of described characteristics, isolated from the other described characteristics (even if this selection is isolated within a sentence including these other features), if this selection of features is sufficient to confer a technical advantage or to differentiate the invention from the state of the prior art.
  • This selection comprises at least one characteristic, preferably functional without structural details, or with only a part of the structural details if this part only is sufficient to confer a technical advantage or to differentiate the invention from the state of the prior art .
  • Regenerators are intended for use in devices in which gas circulation between a hot zone and a cold zone occurs.
  • the structural properties of the regenerator are adapted to the conditions of use of the regenerator 1, such as the type of gas passing through it, the temperature of the hot and cold gas passing through it, the pressure of the gas as well as the dimensional constraints imposed by the device in which it must be integrated.
  • regenerator 1 In general, the performance of regenerator 1 is linked to its ability to:
  • a one-piece regenerator 1 comprising volumes of different porosities arranged along the direction of flow of the gases.
  • a one-piece regenerator 1 comprising three portions PI, P2 and P3 having values of porosities PO1, PO 2 and P03.
  • the regenerator 1, that is to say the walls 2 and the porous material 9 composing the portions 3 is of a in one piece.
  • the material used is rigid and chosen according to the intended application. It has a Young module between 20 and 500 GPa.
  • the PI portion is located on the side of the cold zone of the device and P3 on the side of the hot zone. During a thermodynamic cycle, the gases circulate from the hot zone to the cold zone and vice versa. Also, the concept of flow direction does not imply a concept of meaning in the present application.
  • regenerator 1 is in one piece ensures that the overall porosity and the exchange surface of the regenerator are preserved over time.
  • the one-piece nature of the regenerator 1 according to the invention makes it possible to overcome these effects, which allows it to maintain a porosity and a constant exchange surface over time. Its performance over time is therefore improved.
  • the regenerator 1 can be used in any type of external heat supply device whether it is a motor, for the production of electricity for example, or a refrigerator for the production of cold.
  • the characteristics of regenerator 1 are intimately linked to the conditions of use for which it is designed.
  • the regenerator 1 is arranged so that the ends PI, P3 have the lowest porosity values so as to maximize the heat exchanges at the ends of the regenerator 1. This also makes it possible to maximize heat storage / destocking in the porous rigid material 9 constituting the parts PI and P3. This also makes it possible to store the majority of the heat in the part of the regenerator 1 situated on the side of the hot zone of the device.
  • the porosity value of PO1 is different from the porosity value P03.
  • P02 can be equal to P03 or POl, or be different from P03 and POl.
  • the porosity value P03 is less than the porosity value PO1 which is less than P02.
  • the difference in porosity between PO1 and P03 can, moreover, make it possible to introduce, and to control and / or modulate, a phase shift between the pressure and a gas flow rate, and / or a gas flow velocity profile.
  • the porosity value PO1 is equal to P03, in this case the porosity value P02 is different from the value POl and P03.
  • a one-piece regenerator 1 comprising six compartments PI to P7 having respective porosity values PO1 to P07. Apart from the number of compartments detailed in the first and second variants, all of the characteristics of the regenerator according to the first aspect of the invention are shared with the third variant.
  • This third variant makes it possible to further improve the performance of the regenerator 1 by varying the porosity values from one portion of the regenerator 1 to the other. Indeed, as mentioned above, limiting the thermal conduction of the regenerator 1 in the direction of gas flow improves the performance of the regenerator 1 and the efficiency of the device in which the regenerator 1 is intended to be integrated.
  • this alternation of portions with high and low porosity aims to increase the overall hydraulic diameter of the regenerator 1 so as to reduce the overall pressure losses while retaining an equivalent exchange surface.
  • the portions PI and P7 have high porosity values PO1 and P07 and greater than the porosity values P02 and P06 of the portions P2 and P6.
  • the other porosity values P03, P04 and P05 of the respective portions P3, P4 and P5 are defined according to the application and the operating parameters of the device in which the regenerator 1 will be integrated.
  • the porosity value PO1 is equal to P07 and the porosity value P02 is equal to P06.
  • the porosity values P03, P04 and P05 can be equal to each other, and greater, or less, than the porosity values P02 and P06.
  • a portion P, given of the regenerator 1 having a porosity value PO sees its neighboring portion (s) P i + i and / or P M having one or more porosity values POi + i and / or POi-i less than or greater than PO ,.
  • the values of porosities PO1, P03, P05 and P07 are equal to each other and less than the values of porosities P02, P04 and P06 which are equal to each other.
  • the values of porosities PO1, P03, P05 and P07 are equal to each other and less than the values of porosities P02, P04 and P06 which can be equal to 1.
  • the portions PI , P4 and P6 do not contain porous material 9.
  • the porosity values of the portions are defined as a function of the operating parameters linked to the use for which the regenerator 1 is provided. These operating parameters include, among other things, the type of gas, the pressures and temperatures of the gases as well as the operating frequency of the device in which the regenerator is intended to be integrated. Also, depending on the heat power to be exchanged required, the minimum exchange surface required will be known. Consequently, the size of the regenerator 1, the number of portions, the sizes and arrangements of the portions as well as the porosities of the portions will be arranged so that the hydraulic diameter, and therefore the pressure drops, are minimal.
  • the hydraulic diameter of the flow channels present in the portions whose porosity is less than 1, extending along the regenerator 1 must be reduced to maximize the heat exchanges between the gas and the regenerator 1 but sufficiently low to do not introduce too high pressure drops.
  • the hydraulic diameter of the flow channels is greater than or equal to the thickness of the thermal boundary layer.
  • the hydraulic diameter of the flow channels is less than a few times the thickness of the thermal boundary layer.
  • the hydraulic diameter of the flow channels is preferably less than or equal to ten times, from more preferably less than or equal to five times, and more preferably less than or equal to twice the thickness of the thermal boundary layer.
  • the values of porosities PO1 to P03, or POl to P07, of the portions PI to P3, or PI to P7, respective can vary between 0 and 1.
  • the porosity value of the portions having a high porosity value will be between 0.8 and XI while the porosity value of the portions having a low porosity value will be between 0 and 0.3.
  • the porosity can be between 0 and 1 per unit of volume and / or between 0 and 1 per unit of length.
  • the ratio between the porosities of neighboring portions can be greater than 1.
  • regenerator 1 is produced in one piece by melting powders of metal and in particular by laser sintering of metal powders.
  • Regenerator 1 is manufactured in one piece during 3D prototyping.
  • the regenerator 1 can be made of different metallic materials or not.
  • the homogeneity and the control of the porosity of the regenerator 1 according to the invention, produced in a single block by 3D prototyping are substantially improved.
  • the production of the regenerator 1 in one piece, during the same manufacturing process also improves the thermal and mechanical performance of the regenerator 1.
  • FIGURES 3, 4 and 5 there is described a particular geometry of the porous rigid material 9 constituting the portions 3, whose porosity is less than 1, of the one-piece regenerator 1.
  • certain portions 3 of the regenerator 1 may not contain porous material 9, in this case the porosity of the portions 3 in question is equal to 1.
  • the geometry of the porous rigid material 9 of the regenerator 1 is adapted, in particular, by function of the operating frequency of the regenerator 1. Also, the geometry will be defined so that each portion 3 has a given porosity value and the smallest possible hydraulic diameter.
  • the number of portions, the sizes and arrangements of the portions 3 as well as the porosities of the portions 3 are defined as a function of the geometry and of the other operating parameters.
  • the second aspect of the invention will relate, in particular, to a regenerator 1 intended to be integrated into a Stirling machine (engine or receiver).
  • the Stirling 1 machine can be based on an Alpha, Beta or Gamma type architecture, or a combination of these architectures.
  • the latter must have a minimum length L1 allowing sufficient separation of the cold part from the hot part of the Stirling machine.
  • the dimensions of the regenerator 1 are therefore defined as a function of the dimensioning of the Stirling machine.
  • the regenerator 1 for Stirling Beta engine according to the embodiment has a length L1 of a maximum of 10 cm.
  • the operating frequency of the Stirling Beta engine is 50 Hz maximum.
  • the operating pressures of the gases are of the order of 120 bars and the temperature of the hot gas of the order of 900 ° C. No change in the porosity or in the hydraulic resistance of the regenerator 1 is observed over time.
  • porous rigid material 9 presented, in particular in FIGURE 5, in the second aspect of the invention may obviously be suitable for other uses for which a regenerator 1 can be used.
  • the porous rigid material 9 of the portions 3 whose porosity is less than 1 consists of a set of base cells 6 contiguous to each other. All of the cells 6 of a portion 3 are formed in one piece by fusion of metal powders during the same 3D prototyping process, illustrated in particular in FIGURE 4.
  • the regenerator 1 is preferably made of stainless steel 316L for its impermeability to helium, its resistance to pressures, to high temperatures, to fatigue and to corrosion.
  • Each cell 6 of the regenerator 1 comprises eight rods 7 extending from the center of the cell 6.
  • Each rod 7 of a cell 6 forms an angle of 45 ° relative to the direction of flow of the gases.
  • each of the rods 7 of a cell 6 forms an angle of 90 ° therebetween.
  • each of the rods 7 of each of the cells 6 forms an angle of 45 ° relative to the direction of flow of the gases.
  • the size of the cells 6 is identical.
  • the porosity of each portion 3 comprising the porous INOX 316L 9 is modulated by modifying the size of the cells 6 composing the portion 3 in question and by modifying the length of the portion 3 in question.
  • a flat layer 8 of INOX 316L is introduced between two contiguous cells 6.
  • Each cell 6 is circumscribed between six layers 8 of INOX 316L parallel two by two and forming a square in which the cell 6 in question is inscribed.
  • Each of the layers 8 of INOX 316L extends in the direction of flow of the gases and in one of the two directions perpendicular to the direction of flow of the gases. No angle is formed between the direction of flow of the gases and the layers 8 of INOX 316L.
  • portions 3 including regenerator 1 whose porosity is less than 1 each of the four end parts of four adjacent rods 7 of the same cell 6 are connected to the same layer 8 d '' STAINLESS STEEL 316L.
  • Each end part of a rod 7 of a cell 6 is connected to three layers of INOX 316L perpendicular to each other.
  • each of the two end parts of two rods 7 opposite with respect to the center of the cell 6 in question are connected to two opposite layers 8 opposite.
  • each portion 3 comprises porous INOX 316L 9 according to the second aspect of the invention.
  • the porosity of each portion 3 comprising the porous INOX 316L 9 is modulated by modifying the size of the cells 6 making up the portion 3.
  • the portions 3 PI, P3, P5 and P7 have a porosity of between 0.3 and 0.7.
  • the cells 6 of the portions 3 PI, P3, P5 and P7 have an identical length of between 5 mm to 15 mm.
  • the portions 3 P2, P4 and P6 have a porosity of between 0.5 and 0.9.
  • Cells 6 of portions 3 P2, P4 and P6 have an identical length of between 5 mm and 15 mm.
  • the portions 3 PI, P3, P5 and P7 have a porosity lower than those of the portions 3 P2, P4 and P6 and lengths which may be identical.
  • the portions 3 P2, P4 and P6 do not include porous INOX 316L 9, their porosity is equal to 1.
  • the porosity of the portions 3 PI, P3, P5 and P7 comprising porous I ⁇ NOC 316L 9 is modulated by modifying the size of the cells. 6 composing the portion 3.
  • the portions 3 PI, P3, P5 and P7 have a porosity of between 0.3 and 0.9.
  • the cells 6 of the portions 3 PI, P3, P5 and P7 have an identical length of between 5 mm and 15 mm.
  • the cells 6 of the portions 3 P2, P4 and P6 have an identical length of between 5 mm and 15 mm.
  • the porosity of the regenerator 1 varies in a direction normal to the direction of flow of the gases, and / or
  • the porosity of the regenerator 1 varies in a direction between the direction of gas flow and the direction normal to the direction of gas flow, and / or
  • regenerator 1 the portions of regenerator 1 with the highest porosity values describe a coil extending between one end and the other of regenerator 1, and / or
  • regenerator 1 with the highest porosity value extends by snaking from one end to the other of the regenerator 1, and / or
  • the cells 6 are produced individually separately and linked to each other during a subsequent assembly process, and / or - The portions 3 are produced individually in a separate manner and linked to each other during a subsequent assembly process.

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Abstract

L'invention se rapporte à un régénérateur monobloc (1) comprenant au moins deux portions (3) au moins une des portions présente une porosité différente d'une porosité d'une portion voisine et chacune des portions du régénérateur est réalisée dans un matériau rigide poreux présentant une porosité donnée.

Description

DESCRIPTION
TITRE : Régénérateur et procédé de fabrication d'un tel régénérateur
Domaine technique
La présente invention se rapporte au domaine des régénérateurs pour dispositifs à apport de chaleur externe et machines frigorifiques.
La présente invention concerne en particulier un régénérateur destiné à être utilisé dans un moteur ou dans une machine frigorifique à cycle de Stirling.
Etat de la technique antérieure
On connaît dans l'état de la technique antérieure des régénérateurs composés d'un assemblage par empilement de disques poreux, tels que des treillis métalliques, placés au contact les uns des autres. L'assemblage est inséré dans un support, généralement un tube, et les éléments sont enserrés et maintenus pressés dans le support de sorte à former le régénérateur.
On connaît également dans l'état de la technique des régénérateurs réalisés à partir de matériaux fibreux micrométriques ou nanométriques, tels que du graphite pyrolytique ou des mailles métalliques. Ces matériaux fibreux sont introduits dans un tube puis compressés à l'intérieur de celui-ci par application d'une pression donnée.
Les régénérateurs de l'état de la technique présentent l'inconvénient de voir leur porosité et leur diamètre hydraulique varier au cours du temps. La pression exercée par les gaz et les dilatations successives du matériau poreux, dues aux températures élevées des gaz, entraînent des modifications structurelles et géométriques de l'assemblage. De plus, lorsque les régénérateurs de l'état de la technique assurent un bon échange thermique avec le gaz, ils présentent des diamètres hydrauliques faibles entraînant des pertes de charge conséquentes lors de la circulation du gaz dans le régénérateur.
Un but de l'invention est notamment de :
- proposer un régénérateur dont la porosité ne varie pas au fil des passages successifs des gaz, et/ou
- proposer un régénérateur dont le diamètre hydraulique ne varie pas au fil des passages successifs des gaz, et/ou
- proposer un régénérateur dont les pertes de charge sont faibles comparées aux pertes de charges des régénérateurs de l'état de la technique, et/ou
- proposer un régénérateur dont les pertes par conduction thermique dans le sens de circulation des gaz sont limitées.
Présentation de l'invention
A cet effet, selon un premier aspect de l'invention, il est proposé un régénérateur monobloc comprenant au moins deux portions. Au moins une des portions présente une porosité différente d'une porosité d'une portion voisine et chacune des portions du régénérateur est réalisée dans un matériau rigide poreux présentant une porosité donnée.
Le régénérateur peut comprendre uniquement deux portions.
Une portion peut être entendue comme une partie du régénérateur. Une portion peut être entendue comme un volume d'une partie du régénérateur.
Le terme « voisine » peut être entendu comme contiguë.
Les portions du régénérateur peuvent être réalisées dans des matériaux différents.
Les portions du régénérateur peuvent être réalisées dans un même matériau.
Par « monobloc », il est entendu d'un seul tenant.
Le régénérateur monobloc peut être obtenu par assemblage de portions entre elles.
De manière préférée, le régénérateur monobloc peut être obtenu au cours d'une même étape de fabrication.
De manière préférée, le régénérateur monobloc peut être fabriqué par impression 3D.
De manière préférée, le régénérateur monobloc peut être fabriqué d'un seul tenant dans un même matériau par impression 3D.
Par matériau rigide, il est entendu un matériau qui se déforme peu sous la pression exercée par des gaz le traversant. Le matériau peut présenter un module d'Young compris entre 20 GPa et 500 GPa.
Les porosités des portions peuvent varier de manière alternée ou séquentielle.
La porosité peut varier selon une direction d'écoulement des gaz et/ou selon une direction normale à la direction d'écoulement des gaz.
La porosité peut varier selon une direction comprise entre la direction d'écoulement des gaz et la direction normale à la direction d'écoulement des gaz.
Etant entendu que l'écoulement des gaz au sein du régénérateur s'effectue dans un sens puis dans l'autre au cours d'un même cycle, d'une partie chaude vers une partie froid d'un dispositif dans lequel est intégré le régénérateur puis de la partie froide vers la partie chaude dudit dispositif, une direction d'écoulement des gaz s'entend uniquement en regard de la direction sans considération du sens d'écoulement.
Une portion s'étend entre deux sections du régénérateur, chacune des sections étant normales à une direction reliant une extrémité à l'autre du régénérateur.
Une section est entendue comme étant l'intersection d'un volume par un plan.
La direction reliant une extrémité à l'autre du régénérateur peut être identique à la direction d'écoulement des gaz.
La direction reliant une extrémité à l'autre du régénérateur peut être différente de la direction d'écoulement des gaz.
Des portions du régénérateur situées aux extrémités du régénérateur, dites portions d'extrémités, peuvent présenter une ou des porosités inférieures à une porosité, ou respectivement des porosités, d'une portion, ou respectivement de portions, située entre les portions d'extrémités. Les portions d'extrémités peuvent présenter chacune une porosité inférieure à une porosité d'une portion quelconque située entre les portions d'extrémités.
Une portion présentant la porosité la plus élevée du régénérateur peut être située entre les portions d'extrémités du régénérateur.
Les porosités des portions du régénérateur peuvent augmenter depuis un plan central du régénérateur vers les extrémités du régénérateur, ledit plan central passant par le centre du régénérateur et étant perpendiculaire à la direction d'écoulement des gaz.
Les portions du régénérateur peuvent être agencées de manière symétrique par rapport au plan central du régénérateur.
Le plan central du régénérateur peut être compris dans la portion dont la porosité est la plus forte du régénérateur.
La portion dont la porosité est la plus forte du régénérateur peut présenter une porosité égale à 1.
Plusieurs portions du régénérateur peuvent présenter une porosité égale à 1.
La porosité peut être comprise entre 0 et 1 par unité de volume et/ou entre 0 et 1 par unité de longueur. Le rapport entre les porosités de portions voisines peut être supérieur à 1.
Le matériau rigide poreux peut être composé d'un ensemble de cellules contiguës agencées spatialement les unes par rapport aux autres, une ou chacune parmi des surfaces de contact de chacune des cellules avec le gaz forment un angle compris entre 5° et 85° par rapport à la direction d'écoulement des gaz.
Etant donné que le régénérateur est monobloc, il est entendu par cellule, une structure identifiable du régénérateur.
La structure peut être identifiable par sa géométrie.
Dans ce cas, le terme « contiguës » est entendu comme accolées. L'angle que forme la ou chacune des surfaces de contact de chacune des cellules avec le gaz par rapport à la direction d'écoulement des gaz peut varier le long de la ou de chacune des surfaces.
La ou chacune des surfaces de contact de chacune des cellules avec le gaz peuvent former un angle compris entre 20° et 70°, de préférence entre 30° et 60°, par rapport à la direction d'écoulement des gaz.
La ou chacune des surfaces de contact de chacune des cellules avec le gaz peuvent former un angle de 45° par rapport à la direction d'écoulement des gaz.
Des portions du régénérateur peuvent ne pas contenir de cellules.
Chaque cellule peut comprendre au moins quatre éléments oblongs s'étendant depuis le centre de la cellule, chacun des éléments formant un angle compris entre 5° et 85° par rapport à la direction d'écoulement des gaz.
Les éléments oblongs peuvent constituer la ou chacune des surfaces de contact de chacune des cellules avec le gaz.
La ou chacune des surfaces de contact de chacun des éléments oblongs avec le gaz peuvent former un angle compris entre 20° et 70°, de préférence entre 30° et 60°, par rapport à la direction d'écoulement des gaz.
La ou chacune des surfaces de contact de chacun des éléments oblongs avec le gaz peuvent former un angle de 45° par rapport à la direction d'écoulement des gaz.
Deux cellules contiguës peuvent être physiquement reliées ensemble :
- par au moins un de leurs éléments oblongs, ou
- par une couche de matériau à laquelle est relié au moins un de leurs éléments oblongs.
Une cellule peut être reliée à au moins deux cellules contiguës.
Un élément oblong peut être relié à plusieurs cellules contiguës.
La couche de matériau peut séparer deux cellules contiguës.
La couche de matériau peut être plane et continue. De préférence, la couche de matériau s'étend selon la direction d'écoulement des gaz.
De préférence, deux cellules contiguës peuvent être physiquement reliées ensemble :
- par au moins deux de leurs éléments oblongs,
- par une couche de matériau à laquelle est relié au moins deux de leurs éléments oblongs.
Le régénérateur peut comprendre deux couches de matériaux.
De préférence, chacune des couches de matériau s'étend selon la direction d'écoulement des gaz.
Le régénérateur peut comprendre plus de deux couches de matériau.
Lorsque le régénérateur comprend deux couches de matériau, les deux couches peuvent être perpendiculaires entre elles. Les éléments oblongs peuvent être, à titre d'exemple non limitatif, une tige, un cône ou encore un triangle.
Les éléments oblongs des cellules peuvent être symétriques deux à deux par rapport à un ou plusieurs plans de symétrie comprenant le centre de la cellule.
Chaque cellule peut comprendre un seul plan par rapport auquel tous les éléments oblongs sont symétriques deux à deux.
Au sein d'une même cellule, au moins deux éléments oblongs peuvent s'étendre d'un côté et au moins deux autres éléments oblongs peuvent s'étendre de l'autre côté d'un plan comprenant le centre de la cellule et étant normal à la direction d'écoulement des gaz.
Une ou plusieurs cellules peuvent comprendre deux éléments oblongs s'étendant d'un côté et deux autres éléments oblongs s'étendant de l'autre côté d'un plan comprenant le centre de la cellule et étant normal à la direction d'écoulement des gaz. Dans ce cas, la ou les cellules peuvent comprendre uniquement quatre éléments oblongs.
Toutes les cellules du régénérateur peuvent être identiques. Une ou des cellules du régénérateur peuvent comprendre huit tiges formant chacune un angle de 45° par rapport à la direction d'écoulement des gaz et formant un angle de 90° entre elles au sein d'une même cellule.
Le matériau rigide poreux peut être un métal, un alliage ou un plastique.
Il est également proposé un procédé de fabrication d'un dispositif selon le premier aspect de l'invention par impression 3D.
Le procédé de fabrication peut être un procédé d'impression 3D par fusion de poudres.
Le procédé de fabrication peut être un procédé d'impression 3D par fusion de poudres métalliques.
Le procédé de fabrication peut être un procédé d'impression 3D par frittage laser de poudres métalliques.
Description des figures
D'autres avantages et particularités de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée de mises en œuvre et de modes de réalisation nullement limitatifs, et des dessins annexés suivants :
[Fig. 1] la FIGURE 1 est une représentation schématique d'une vue de profil d'un régénérateur comportant trois portions,
[Fig. 2] la FIGURE 2 est une représentation schématique d'une vue de profil d'un régénérateur comportant six portions,
[Fig. 3] la FIGURE 3 est une représentation schématique d'une cellule selon l'invention,
[Fig. 4] la FIGURE 4 est une représentation schématique d'un agencement de cellules contiguës selon une direction,
[Fig. 5] la FIGURE 5 est une représentation schématique d'un volume du régénérateur comprenant des cellules contiguës reliées par une couche de matériau,
[Fig. 6] la FIGURE 6 est une représentation schématique d'une vue de profil d'un régénérateur comprenant une alternance de portions de porosités différentes, [Fig. 7] la FIGURE 7 est une représentation d'une vue de profil d'un régénérateur comprenant une alternance de portions contenant des cellules contiguës les unes aux autres et de portions ne contenant pas de cellules.
Description des modes de réalisation
Les modes de réalisation décrits ci-après étant nullement limitatifs, on pourra notamment considérer des variantes de l'invention ne comprenant qu'une sélection de caractéristiques décrites, isolées des autres caractéristiques décrites (même si cette sélection est isolée au sein d'une phrase comprenant ces autres caractéristiques), si cette sélection de caractéristiques est suffisante pour conférer un avantage technique ou pour différencier l'invention par rapport à l'état de la technique antérieure. Cette sélection comprend au moins une caractéristique, de préférence fonctionnelle sans détails structurels, ou avec seulement une partie des détails structurels si cette partie uniquement est suffisante pour conférer un avantage technique ou pour différencier l'invention par rapport à l'état de la technique antérieure.
Les régénérateurs sont destinés à être utilisées au sein de dispositifs dans lesquels une circulation de gaz entre une zone chaude et une zone froide intervient. Les propriétés structurelles du régénérateur sont adaptées aux conditions d'utilisation du régénérateur 1, telles que le type de gaz le traversant, la température du gaz chaud et froid le traversant, la pression du gaz ainsi que les contraintes dimensionnelles imposées par le dispositif dans lequel il doit être intégré.
De manière générale, les performances du régénérateur 1 sont liées à sa capacité à :
- stocker de la chaleur provenant d'un gaz chaud le traversant dans un sens donné 4 pendant que ce dernier voit sa température et sa pression diminuer lors de la traversée,
- restituer, ou déstocker, la chaleur emmagasinée à un gaz froid le traversant en sens opposé 5 pendant que ce dernier voit sa température augmenter et sa pression diminuer lors de la traversée.
Les échanges thermiques instationnaires entre le régénérateur 1 et le gaz le traversant sont donc améliorés lorsque la surface d'échange du régénérateur 1 augmente. En pratique, les dimensions du régénérateur 1 étant fixées, la surface d'échange du régénérateur peut être augmentée en diminuant la porosité du régénérateur 1.
Néanmoins, la diminution de la porosité résulte en une augmentation des pertes de charge, c'est-à-dire des frottements entre le gaz et la surface d'échange du régénérateur 1. Ces pertes ne peuvent être compensées que par une augmentation de la pression à laquelle le gaz chaud est injecté dans le régénérateur 1. Ces pertes résultent en une baisse de l'efficacité thermodynamique du dispositif.
Aussi, afin d'améliorer les échanges thermiques instationnaires sans augmenter les pertes de charge, il est proposé un régénérateur monobloc 1 comprenant des volumes de porosités différentes agencés le long de la direction d'écoulement des gaz. En référence à la FIGURE 1, il est décrit, dans un premier aspect de l'invention, un régénérateur monobloc 1 comprenant trois portions PI, P2 et P3 présentant des valeurs de porosités POl, PO 2 et P03. Selon le premier aspect de l'invention, le régénérateur 1, c'est-à-dire les parois 2 et le matériau poreux 9 composant les portions 3 (des exemples de portions sont illustrées sur les FIGURES 3 à 7) est d'un seul tenant. Le matériau utilisé est rigide et choisi en fonction de l'application visée. Il présente un module dYoung compris entre 20 et 500 GPa. Il doit généralement être étanche et non réactif chimiquement au type de gaz circulant dans le régénérateur et supporter des contraintes thermomécaniques conséquentes. La portion PI est située du côté de la zone de froide du dispositif et P3 du côté de la zone chaude. Au cours d'un cycle thermodynamique, les gaz circulent depuis la zone chaude vers la zone froide et inversement. Aussi, la notion de direction d'écoulement n'implique pas de notion de sens dans la présente demande.
Le fait que le régénérateur 1 soit monobloc assure une conservation de la porosité globale et de la surface d'échange du régénérateur au cours du temps. Les fortes contraintes, en particulier en termes de pressions et de températures des gaz traversant le régénérateur 1, auxquelles est soumis le régénérateur 1 entraînent une modification de la porosité et de la surface d'échange des régénérateurs de l'état de l'art au cours du temps. Les dilatations et les forces exercées par le gaz chaud sous pression au cours des cycles successifs modifient peu à peu la structure des régénérateurs de l'état de l'art. Cela aboutit à une diminution des performances dans le temps des régénérateurs de l'état de l'art et du dispositif dont ils font partie. Le caractère monobloc du régénérateur 1 selon l'invention permet de s'affranchir de ces effets, ce qui lui permet de conserver une porosité et une surface d'échange constante au cours du temps. Ses performances dans le temps sont donc améliorées.
Le régénérateur 1 peut être utilisé dans tout type de dispositif à apport de chaleur externe qu'il soit moteur, pour la production d'électricité par exemple, ou réfrigérateur pour la production de froid. Les caractéristiques du régénérateur 1 sont intimement liées aux conditions d'utilisation pour lesquelles il est conçu.
Pour améliorer l'efficacité du stockage/déstockage de chaleur, le régénérateur 1 est agencé de sorte que les extrémités PI, P3 présentent les plus faibles valeurs de porosités de sorte à maximiser les échanges thermique aux extrémités du régénérateur 1. Cela permet également de maximiser le stockage/déstockage de chaleur dans le matériau rigide poreux 9 constituant les parties PI et P3. Cela permet en outre de stocker la majorité de la chaleur dans la partie du régénérateur 1 située du côté de la zone chaude du dispositif.
De manière conjointe, l'introduction d'une partie centrale P2 présentant une valeur de porosité P02 supérieure aux valeurs de porosités POl, P03 des extrémités PI, P3 du régénérateur 1, permet de diminuer considérable la conduction thermique du régénérateur 1 dans le sens de l'écoulement des gaz. En effet, un des objectifs du régénérateur 1 est de limiter la transmission, par le gaz, de chaleur depuis la partie chaude vers la partie froide et inversement. La limitation de la conduction thermique du régénérateur 1 dans le sens de l'écoulement des gaz améliore ainsi les performances du régénérateur 1 et le rendement du dispositif dans lequel le régénérateur 1 est destiné à être intégré. Cela permet également de diminuer les pertes de charges et ainsi d'améliorer encore l'efficacité du régénérateur 1.
Selon une première variante, la valeur de porosité de POl est différente de la valeur de porosité P03. Dans ce cas, P02 peut être égale à P03 ou à POl, ou être différente de P03 et POl. De manière avantageuse, la valeur de porosité P03 est inférieure à la valeur de porosité POl qui est inférieure à P02.
La différence de porosité entre POl et P03 peut, en outre, permettre d'introduire, et de contrôler et/ou moduler, un déphasage entre la pression et un débit de gaz, et/ou un profil de vitesse d'écoulement des gaz.
Selon une deuxième variante particulièrement adaptée au cas des régénérateurs utilisés dans les machines Stirling, fonctionnant en mode moteur ou récepteur, la valeur de porosité POl est égale à P03, dans ce cas la valeur de porosité P02 est différente de la valeur POl et P03.
Afin d'améliorer encore les performances du régénérateur 1, il est décrit, en référence à la FIGURE 2, dans une troisième variante, un régénérateur monobloc 1 comprenant six compartiments PI à P7 présentant des valeurs de porosités respectives POl à P07. Hormis le nombre de compartiments détaillés dans les premières et deuxièmes variantes, l'ensemble des caractéristiques du régénérateur selon le premier aspect de l'invention sont partagées avec la troisième variante.
Cette troisième variante permet d'améliorer encore les performances du régénérateur 1 en faisant varier les valeurs de porosités d'une portion du régénérateur 1 à l'autre. En effet, comme évoquée précédemment, la limitation de la conduction thermique du régénérateur 1 dans le sens de l'écoulement des gaz améliore les performances du régénérateur 1 et le rendement du dispositif dans lequel le régénérateur 1 est destiné à être intégré. De plus, cette alternance de portions à forte et faible porosité vise à augmenter le diamètre hydraulique global du régénérateur 1 de sorte à diminuer les pertes de charge globale tout en conservant une surface d'échange équivalente. A cet effet, dans la troisième variante, les portions PI et P7 présentent des valeurs de porosité POl et P07 élevées et supérieures aux valeurs de porosités P02 et P06 des portions P2 et P6. Les autres valeurs de porosité P03, P04 et P05 des portions P3, P4 et P5 respectives sont définies en fonction de l'application et des paramètres de fonctionnement du dispositif dans lequel le régénérateur 1 sera intégré.
Dans un premier mode préféré de la troisième variante, la valeur de porosité POl est égale à P07 et la valeur de porosité P02 est égale à P06. A titre d'exemple, les valeurs de porosités P03, P04 et P05 peuvent être égales entre elles, et supérieures, ou inférieures, aux valeurs de porosités P02 et P06.
Dans un deuxième mode préféré de la troisième variante, une portion P, donnée du régénérateur 1 ayant une valeur de porosité PO, voit sa ou ses portions voisines Pi+i et/ou PM présenter une ou des valeurs de porosités POi+i et/ou POi-i inférieure(s) ou supérieure(s) à PO,.
Dans ce deuxième mode préféré de la troisième variante, les valeurs de porosités POl, P03, P05 et P07 sont égales entre elles et inférieures aux valeurs de porosités P02, P04 et P06 qui sont égales entre elles.
Dans ce deuxième mode préféré de la troisième variante, les valeurs de porosités POl, P03, P05 et P07 sont égales entre elles et inférieures aux valeurs de porosités P02, P04 et P06 qui peuvent être égales à 1. Dans ce cas, les portions PI, P4 et P6 ne comportent pas de matériau poreux 9.
Les valeurs de porosités des portions sont définies en fonction des paramètres de fonctionnement liés à l'utilisation pour laquelle le régénérateur 1 est prévu. Ces paramètres de fonctionnement comprennent, entre autres, le type de gaz, les pressions et températures des gaz ainsi que la fréquence de fonctionnement du dispositif dans lequel le régénérateur est destiné à être intégré. Aussi, en fonction de la puissance thermique à échanger requise, la surface d'échange minimale requise sera connue. Dès lors, la taille du régénérateur 1, le nombre de portions, les tailles et agencements des portions ainsi que les porosités des portions seront agencées de sorte que le diamètre hydraulique, et donc les pertes de charges, soient minimaux. En particulier, le diamètre hydraulique des canaux d'écoulements présents dans les portions dont la porosité est inférieure à 1, s'étendant le long du régénérateur 1 doivent être diminués pour maximiser les échanges thermiques entre le gaz et le régénérateur 1 mais suffisamment faible pour ne pas introduire de pertes de charges trop élevées. En pratique, le diamètre hydraulique des canaux d'écoulements est supérieur ou égal à l'épaisseur de la couche limite thermique. Le diamètre hydraulique des canaux d'écoulements est inférieur à quelques fois l'épaisseur de la couche limite thermique. Le diamètre hydraulique des canaux d'écoulements est de préférence inférieur ou égal à dix fois, de préférence encore inférieur ou égal à cinq fois, et de manière d'avantage préférée inférieur ou égal à deux fois l'épaisseur de la couche limite thermique.
Ces paramètres sont extrêmement variables selon l'utilisation, aussi selon le premier aspect de l'invention, les valeurs de porosités POl à P03, ou POl à P07, des portions PI à P3, ou PI à P7, respectives pourrons varier entre 0 et 1. De préférence, la valeur de porosités des portions présentant une valeur de porosité élevée sera comprise entre 0,8 et XI alors que la valeur de porosité des portions présentant une faible valeur de porosité sera comprise entre 0,let 0,3.
La porosité peut être comprise entre 0 et 1 par unité de volume et/ou entre 0 et 1 par unité de longueur. Le rapport entre les porosités de portions voisines peut être supérieur à 1.
De manière d'avantage préférée, l'ensemble du régénérateur 1, c'est- à-dire les parois 2 et le matériau composant les portions 3 (voir FIGURES 3 à 7), est réalisé d'un seul bloc par fusion de poudres métalliques et en particulier par frittage laser de poudres métalliques. Le régénérateur 1 est fabriqué d'un seul tenant au cours d'un prototypage 3D. Le régénérateur 1 peut être réalisé dans différents matériaux métalliques ou non. A la différence des régénérateurs dans lesquels les parties sont formées séparément puis assemblées entre elles, l'homogénéité et le contrôle de la porosité du régénérateur 1 selon l'invention, réalisé d'un seul bloc par prototypage 3D, sont substantiellement améliorés. De plus, la réalisation du régénérateur 1 d'un seul tenant, durant un même procédé de fabrication, améliore également les performances thermiques et mécaniques du régénérateur 1.
Selon un deuxième aspect de l'invention, en référence aux FIGURES 3, 4 et 5, il est décrit une géométrie particulière du matériau rigide poreux 9 constituant les portions 3, dont la porosité est inférieure à 1, du régénérateur monobloc 1. Comme déjà évoqué, certaines portions 3 du régénérateur 1 peuvent ne pas contenir de matériau poreux 9, dans ce cas la porosité des portions 3 en question est égale à 1. La géométrie du matériau rigide poreux 9 du régénérateur 1 est adaptée, en particulier, en fonction de la fréquence de fonctionnement du régénérateur 1. Aussi, la géométrie sera définie de sorte à ce que chaque portion 3 présente une valeur de porosité donnée et un diamètre hydraulique le plus faible possible. En pratique le nombre de portions, les tailles et agencements des portions 3 ainsi que les porosités des portions 3 sont définies en fonction de la géométrie et des autres paramètres de fonctionnement.
Aussi, le second aspect de l'invention concernera, en particulier, un régénérateur 1 destiné à être intégré dans une machine Stirling (motrice ou réceptrice). La machine Stirling 1 pourra relever d'une architecture de type Alpha, Bêta ou Gamma, voir une combinaison de ces architectures. Dans le cas de régénérateurs 1, ces derniers doivent présenter une longueur minimale L1 permettant de séparer suffisamment la partie froide de la partie chaude de la machine Stirling. Les dimensions du régénérateur 1 sont donc définies en fonction du dimensionnement de la machine Stirling. Le régénérateur 1 pour moteur Stirling Bêta selon le mode de réalisation présente une longueur L1 de 10 cm au maximum. La fréquence de fonctionnement du moteur Stirling Bêta est de 50 Hz au maximum. Les pressions de services des gaz sont de l'ordre de 120 bars et la température du gaz chaud de l'ordre de 900 °C. Aucune modification de la porosité ni de la résistance hydraulique du régénérateur 1 n'est observée au cours du temps.
La géométrie particulière du matériau rigide poreux 9 présentée, en particulier sur la FIGURE 5, dans le second aspect de l'invention pourra évidemment convenir aux autres utilisations pour lesquelles un régénérateur 1 peut être utilisé.
Selon le second aspect de l'invention, le matériau rigide poreux 9 des portions 3 dont la porosité est inférieure à 1 est constitué d'un ensemble de cellules de base 6 contiguës les unes aux autres. L'ensemble des cellules 6 d'une portion 3 sont formées d'un seul tenant par fusion de poudres métalliques au cours du même procédé de prototypage 3D, illustré en particulier sur laFIGURE 4. A titre d'exemple, selon le second aspect de l'invention, le régénérateur 1 est de préférence réalisé en INOX 316L pour son étanchéité à l'hélium, sa résistance aux pressions, aux températures élevées, à la fatigue et à la corrosion. Chaque cellule 6 du régénérateur 1 comprend huit tiges 7 s'étendant à partir du centre de la cellule 6. Chaque tige 7 d'une cellule 6 forme un angle de 45° par rapport à la direction d'écoulement des gaz. Les tiges 7 d'une cellule 6 forment un angle de 90° entre elles. Ainsi, chacune des tiges 7 de chacune des cellules 6 forme un angle de 45° par rapport à la direction d'écoulement des gaz. De manière avantageuse, au sein d'une même portion 3, la taille des cellules 6 est identique. La porosité de chaque portion 3 comprenant l'INOX 316L poreux 9 est modulée en modifiant la taille des cellules 6 composant la portion 3 en question et en modifiant la longueur de la portion 3 en question.
De manière préférée, une couche 8 plane d'INOX 316L est introduite entre deux cellules 6 contiguës. Chaque cellule 6 est circonscrite entre six couches 8 d'INOX 316L parallèles deux à deux et formant un carré dans lequel la cellule 6 en question est inscrite. Chacune des couches 8 d'INOX 316L s'étend selon la direction d'écoulement des gaz et selon une des deux directions perpendiculaires à la direction d'écoulement des gaz. Aucun angle n'est formé entre la direction d'écoulement des gaz et les couches 8 d'INOX 316L. Au sein de la structure poreuse 9 d'INOX 316L des portions 3 dont du régénérateur 1 dont la porosité est inférieure à 1, chacune des quatre parties terminales de quatre tiges 7 adjacentes d'une même cellule 6 sont reliées à la même couche 8 d'INOX 316L. Chaque partie terminale d'une tige 7 d'une cellule 6 est reliée à trois couches d'INOX 316L perpendiculaires entre elles. Au sein d'une même cellule 6, chacune des deux parties terminales de deux tiges 7 opposées par rapport au centre de la cellule 6 en question sont reliées à deux couches 8 parallèles en vis-à-vis.
En référence à la FIGURE 6, il est décrit un régénérateur monobloc 1 contenant sept portions 3. Chaque portion 3 comprend de l'INOX 316L poreux 9 selon le deuxième aspect de l'invention. La porosité de chaque portion 3 comprenant l'INOX 316L poreux 9 est modulée en modifiant la taille des cellules 6 composant la portion 3. Les portions 3 PI, P3, P5 et P7 présentent une porosité comprise entre 0,3 et 0,7. Les cellules 6 des portions 3 PI, P3, P5 et P7 présentent une longueur identique comprise entre 5 mm à 15 mm. Les portions 3 P2, P4 et P6 présentent une porosité comprise entre 0,5 et 0,9. Les cellules 6 des portions 3 P2, P4 et P6 présentent une longueur identique comprise entre 5 mm et 15 mm. Les portions 3 PI, P3, P5 et P7 présentent une porosité inférieure à celles des portions 3 P2, P4 et P6 et des longueurs pouvant être identiques.
En référence à la FIGURE 7, il est décrit un régénérateur monobloc 1 contenant sept portions 3. Seules les portions 3 PI, P3, P5 et P7 comprennent de IΊNOC 316L poreux 9 selon le deuxième aspect de l'invention. Les portions 3 P2, P4 et P6 ne comprennent pas d'INOX 316L poreux 9, leur porosité est égale à 1. La porosité des portions 3 PI, P3, P5 et P7 comprenant IΊNOC 316L poreux 9 est modulée en modifiant la taille des cellules 6 composant la portion 3. Les portions 3 PI, P3, P5 et P7 présentent une porosité comprise entre 0,3 et 0,9. Les cellules 6 des portions 3 PI, P3, P5 et P7 présentent une longueur identique comprise entre 5 mm et 15 mm. Les cellules 6 des portions 3 P2, P4 et P6 présentent une longueur identique comprise entre 5 mm et 15 mm..
Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l'invention.
Ainsi, dans des variantes combinables entre elles des modes de réalisation précédemment décrits :
- la porosité du régénérateur 1 varie selon une direction normale à la direction d'écoulement des gaz, et/ou
- la porosité du régénérateur 1 varie selon une direction comprise entre la direction d'écoulement des gaz et la direction normale à la direction d'écoulement des gaz, et/ou
- les portions du régénérateur 1 dont les valeurs de porosités sont les plus fortes décrivent un serpentin s'étendant entre une extrémité et l'autre du régénérateur 1, et/ou
- une portion du régénérateur 1 dont la valeur de porosité est la plus élevée s'étend en serpentant depuis une extrémité à l'autre du régénérateur 1, et/ou
- les cellules 6 sont réalisées individuellement de manière séparée et liées entre elles au cours d'un procédé d'assemblage subséquent, et/ou - les portions 3 sont réalisées individuellement de manière séparée au et liées entre elles au cours d'un procédé d'assemblage subséquent.
De plus, les différentes caractéristiques, formes, variantes et modes de réalisation de l'invention peuvent être associés les uns avec les autres selon diverses combinaisons dans la mesure où ils ne sont pas incompatibles ou exclusifs les uns des autres.

Claims

REVENDICATIONS
1. Régénérateur monobloc (1) comprenant au moins deux portions (3) au moins une des portions présente une porosité différente d'une porosité d'une portion voisine et chacune des portions du régénérateur est réalisée dans un même matériau rigide poreux (9) présentant une porosité donnée, une porosité et une surface d'échange du générateur sont constantes au cours du temps et le matériau rigide poreux est composé d'un ensemble de cellules (6) contiguës agencées spatialement les unes par rapport aux autres, une ou chacune parmi des surfaces de contact de chacune des cellules avec le gaz forment un angle compris entre 5° et 85° par rapport à la direction d'écoulement des gaz (4, 5).
2. Régénérateur (1) selon la revendication 1, dans lequel les porosités des portions (3) varient de manière alternée ou séquentielle.
3. Régénérateur (1) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la porosité varie selon une direction d'écoulement des gaz (4, 5) et/ou selon une normale à la direction d'écoulement des gaz.
4. Régénérateur (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel une portion (3) s'étend entre deux sections du régénérateur, chacune des sections étant normales à la direction reliant une entrée à une sortie du générateur.
5. Régénérateur (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel des portions (3) du régénérateur situées aux extrémités du régénérateur, dites portions d'extrémités, présentent une ou des porosités inférieures à une porosité, ou respectivement des porosités, d'une portion, ou respectivement de portions, située entre les portions d'extrémités.
6. Régénérateur (1) selon la revendication 5, dans lequel les portions (3) d'extrémités présentent chacune une porosité inférieure à une porosité d'une portion quelconque située entre les portions d'extrémités.
7. Régénérateur (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les porosités des portions (3) du régénérateur augmentent depuis un plan central du régénérateur vers les extrémités du régénérateur, ledit plan central passant par le centre du régénérateur et étant perpendiculaire à la direction d'écoulement des gaz (4, 5).
8. Régénérateur (1) selon la revendication 7, dans lequel les portions (3) du régénérateur sont agencées de manière symétrique par rapport au plan central du régénérateur.
9. Régénérateur (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la portion (3) dont la porosité est la plus forte du régénérateur présente une porosité égale à 1.
10. Régénérateur (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la porosité est comprise entre 0 et 1 par unité de volume et/ou entre 0 et 1 par unité de longueur.
11. Régénérateur (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, dans lequel chaque cellule (6) comprend au moins quatre éléments oblongs (7) s'étendant depuis un centre de la cellule, chacun des éléments formant un angle compris entre 5° et 85° par rapport à la direction d'écoulement des gaz (4, 5).
12. Régénérateur (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, dans lequel deux cellules (6) contiguës sont physiquement reliées ensemble :
- par au moins un de leurs éléments oblongs (7), ou
- par une couche de matériau (8) à laquelle est relié au moins un de leurs éléments oblongs.
13. Régénérateur (1) selon la revendication 11 ou 12, dans lequel les éléments oblongs (7) des cellules (6) sont symétriques deux à deux par rapport à un ou plusieurs plans de symétrie comprenant le centre de la cellule.
14. Régénérateur (1) l'une quelconque des revendications 11 à 13, dans lequel, au sein d'une même cellule (6), au moins deux éléments oblongs (7) s'étendent d'un côté et au moins deux autres éléments oblongs s'étendent de l'autre côté d'un plan comprenant le centre de la cellule et étant normal à la direction d'écoulement des gaz (4, 5).
15. Procédé de fabrication du dispositif selon l'une quelconque des revendi cations 1 à 14 par impression 3D.
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