Brevet FR2135630A1 — publié le 19721222

L'invention concerne une machine à piston à gaz chaud, comportant une enceinte active, dans laquelle un fluide parcourt un cycle thermodynamique et dont le volume peut être modifié par des corps en forme de piston animés d'un mouvement de va-et-vient d'une façon 5 déphasée, dont au moins Hundes corps en forme de piston modifie par une face le volume de l'enceinte active et par l'autre face le volume d'une enceinte tampon, dans laquelle règne une pression de fluide moyenne, qui est au moins pratiquement égale à la pression de fluide moyenne régnant dans l'enceinte active et ce corps en forme de piston est relié, par 10 l'intermédiaire d'une tige de piston traversant la paroi de l'enceinte tampon, à un mécanisme d'entraînement, la machine étant munie d'un compresseur servant à comprimer le fluide provenant desdites enceintes dans un réservoir de fluide â haute pression, compresseur qui présente une soupape d'admission raccordée à l'enceinte tampon, ainsi qu'une sou— 15 pape d'évacuation pouvant être raccordée audit réservoir, par l'intermédiaire d'une canalisation d'évacuation. Une machine à piston à gaz chaud de ce genre est connue du brevet américain N° 3-372.539« Le compresseur fait partie d'un dispositif servant à régler la puissance. Pour le réglage de la 20 puissance de la machine, le niveau de la pression de fluide moyenne dans l'enceinte active de la machine est varié par admission ou évacuation de fluide. Lors de l'évacuation de fluide de cette enceinte, ce fluide est comprimé par un compresseur dans un réservoir â haute pression. Par suite de la présence de l'enceinte tampon 25 remplie de fluide, les grandes pressions exercées par le fluide contenu dans l'enceinte active sur le corps en forme de piston sont compensées et par conséquent les forces dans le mécanisme d ' entraînement sont relativement petites, ce qui permet l'utilisation d'un mécanisme d'entraînement de construction légère, alors que dans le boîtier du vilebrequin peut 30 régner une pression basse, de sorte que les parois dudit boîtier peuvent également être d'une construction relativement légère. Par "machines â piston â gaz chaud", il y a lieu d'entendre, dans la suite du présent mémoire, des machines à piston à gaz chaud, des machines frigorifiques à gaz froid et des pompes ther-35 miques. Dans l'enceinte active de ces machines, le fluide est alternativement comprimé lorsqu'il se trouve essentiellement dans une enceinte partielle de l'enceinte active, c'est-à-dire l'enceinte de compression, puis transporté, par l'intermédiaire d'un régénérateur, à une enceinte partielle, appelée "enceinte de détente", ensuite, lorsque le fluide se 40 trouve essentiellement dans l'enceinte de détente, il est détendu pour 72 15912 2 2135630 être fcetransporté, par l'intermédiaire du régénérateur, à l'enceinte de compression, ce qui termine le cycle. Les enceintes de compression et de détente présentent en régime des températures différentes. Du point de vue de la construction, ces machines à piston à gaz chaud se distinguent 5 des machines à piston à gaz chaud du type à balayeur(brevet britannique N° 1.024.274) et des machines à piston à gaz chaud du type à deux pistons (brevet britannique N° 1.053-896). Dans les machines à piston à gaz chaud du type à balayeur, un piston assure la compression et la détente alternatives du fluide contenu dans l'enceinte active, alors qu'un balayeur 10 assure le transport du fluide de l'enceinte de compression à l'enceinte de détente et inversement. Le balayeur peut être relié à un mécanisme d'entraînement-, donc accouplé mécaniquement, ou non et il peut être animé d'un mouvement de va-et-vient, comme balayeur libre, par les forces de pression du fluide. 15 Des machines à piston à gaz chaud du type à deux pistons contiennent à la fois un piston de compression et un piston de détente, qui assurent ensemble la compression, le transport et la détente requis du fluide. Dans la machine à p iston à gaz chaud connue du 20 brevet américain N° 3*372.539» le compresseur est disposé de façon séparée comme partie du système servant au réglage de la puissance. Il présente plusieurs inconvénients. Drabord, l'ensemble de la machine à piston à gaz chaud et du dispositif de réglage de la puissance est assez volumineux. Cela est surtout désavantageux pour les applications où l'es-25 pace disponible est minimal, par exemple dans les cas où la machine à piston â gaz chaud est constituée par un moteur à gaz chaud utilisée comme source de puissance dans des véhicules, des avions, des sous-marins ou lorsqu'il s'agit de machines frigorifiques à gaz froid utilisées par exemple dans des avions. Il faut des dispositions spéciales pour assurer 30 l'entraînement du compresseur: dans les moteurs à gaz chaud, un entraînement spécial hors du moteur, et un accouplement spécial à l'arbre du moteur; un système d'entraînement spécial dans les machines frigorifiques à gaz froid où un moteur électrique assurant l'entraînement est généralement logé dans le boîtier du vilebrequin de la machine. 35 De plus, les compresseurs fréquemment adoptés présentent en général l'inconvénient de quelquesfuitesd'huile de graissage du carter vers l'enceinte active du compresseur. Cette huile est entraînée par le fluide comprimé, ce qui se traduit par l'encrassement du système de canalisations, du réservoir et de la machine. Surtout lorsque 40 l'huile parvient dans le régénérateur, il en résulte un effet désastreux 72 15912 3 2135630 sur le rendement de la machine. Finalement, la présence d'un compresseur spécial avec des dispositions d'entraînement spéciales rend l'installation relativement coûteuse. 5 La présente invention vise à fournir une ma chine à piston à gaz chaud, qui ne présente pas les susdits inconvénients. Afin d'atteindre le but visé, la machine â piston à gaz chaud conforme à l'invention est remarquable en ce que le compresseur de fluide constitue une partie intégrante de la machine et dans l'enceinte tampon est prévu 10 au moins un élément de compression, qui est relié au corps en forme de piston limitant l'enceinte tampon ou à la tige de piston correspondante et qui peut modifier le volume d'une enceinte de compression, alors qu'entre les parties de paroi conjuguées de l'élément de compression et de l'enceinte de compression est prévu au moins un segment de piston 15 faisant office de soupape d'admission, qui est logé dans une rainure ménagée dans la paroi de l'élément de compression ou de l'enceinte de compression, alors que cette dernière communique en permanence librement avec l'enceinte disposée dans la rainure se trouvant derrière le segment de piston et la soupape d'évacuation raccordée à l'enceinte de compres-20 s ion est logée dans la paroi de l'enceinte de compression, alors que la canalisation d'évacuation traverse une paroi de l'enceinte tampon. Du fait que le compresseur constitue une partie intégrante de la machine à piston à gaz chaud, on a obtenu un ensemble compact, peu coûteux, évitant toute fuite d'huile vers l'enceinte 25 active. Le tout se prête à une réalisation simple. Il ne faut pas un système d'entraînement spécial pour le compresseur. Du fait que la soupape d'admission est sous forme d'un segment de piston, l'enceinte nuisible qu'entraîne normalement l'utilisation de soupape d'admission est, dans le présent cas, minimale 30 et on obtient un taux de compression relativement élevé du compresseur intégral. La description ci-après, en se référant aux dessins annexés, le tout donné â titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. 35 Les figures 1 et 2 montrent des sections de moteurs à gaz chaud du type â balayeur. Les figures 3 et 4 montrent des sections de machines frigorifiques à gaz froid du type â deux pistons. Sur la fig. 1, le chiffre de référence 1 dé-40 signe un cylindre dans lequel peuvent déplacer, avec déphasage, un piston 72 15912 4 2135630 2 et un balayeur 3« Le piston modifie, par sa face supérieure, le volume d'une enceinte active, qui comprend deux enceintes partielles, notamment une enceinte de compression 4, disposée entre le piston 2 et le balayeur 3 et une enceinte de détente 5» dont le volume peut être modifié par la 5 face supérieure du balayeur 3- Ces deux enceintes communiquent entre elles par l'intermédiaire d'un refroidisseur 6, d'un régénérateur 7 et d'un réchauffeur 8. L'enceinte active est remplie d'un fluide, tel que de l'hydrogène ou de l'hélium, qui parcourt un cycle thermodynamique 10 dans l'enceinte active. A ce fluide peut être apportée, à partir de l'extérieur, de la chaleur provenant d'un brûleur 9- Le piston 2 fait varier par sa face inférieure le volume d'une enceinte tampon 10 situé entre l'enceinte de compression 4 et un boîtier de vilebrequin 11. L'enceinte tampon 10 est remplie du même fluide sous la même pression que l'enceinte 15 active, de sorte que les forces de pression exercées en moyenne par le fluide contenu dans l'enceinte de compression 4 sur la face supérieure du piston 2 sont pratiquement compensées par les forces de pression moyennes exercées par le fluide contenu dans l'enceinte tampon 10 sur la face inférieure du piston 2. 20 Lorsque le niveau de la pression régnant dans l'enceinte tampon est abaissé, du fluide peut circuler de l'enceinte de compression 4 vers l'enceinte tampon 10 par l'intermédiaire de l'étroite fente 12 comprise entre le cylindre 1 et le piston 2. Le piston 2 est relié à un mécanisme d'entraînement non représenté sur le dessin et dis-25 posé dans le boîtier de vilebrequin 11 par l'intermédiaire d'une tige de piston creuse 14» qui traverse la paroi 15 de l'enceinte tampon 10. Le balayeur 5 est également fixé au mécanisme d'entraînement par l'intermédiaire d'une tige de balayeur 16, qui traverse, de façon àassurer l'etanchéité, le piston 2 et la tige de piston 30 creuse 14. Dans l'enceinte tampon 14 est disposé un plongeur annulaire 17 servant d'élément de compression et fixé à la tige de piston 14, par l'intermédiaire d'un élément de connexion 18. Lors du mouvement de va-et-vient de la tige de piston 14f le plongeur annulaire 17 modifie le volume d'une enceinte de compression annulaire 19» qui est constituée, dans cet 35 exemple de réalisation, par une cavité ménagée dans la paroi 15 de l'enceinte tampon 10. Entre les parois conjuguées du plongeur 17 et de l'enceinte de compression 19 se trouvent deux segments de piston 20 et 21 servant de soupapes d'admission pour ,l'enceinte de compression et 40 logés dans des rainures 22 et 23 ménagées respectivement dans la paroi 72 15912 5 2135630 extérieure et la paroi intérieure du plongeur 17. Dans la face inférieure de segments de piston sont ménagées respectivement des rainures radiales 20' et 21't de sorte que l'enceinte de compression 19 communique en permanence librement avec les enceintes se trouvant dans les rainures 22 et 5 25 derrière les segments de piston. Une telle communication libre se réalise également d'une autre façon, par exemple en munissant les rainures 22 et 23 au lieu des segments de piston 20 et 21 de rainures radiales ménagées dans les faces inférieures ou en prévoyant dans le plongeur 17 des perforations s'étendant des enceintes disposées dans les rainures 10 derrière les segments de piston vers l'enceinte de compression 19- L'enceinte de; compression 19 est munie d'une soupape d'évacuation 24 qui peut être raccordée par l'intermédiaire de la canalisation d'évacuation 25 traversant la paroi de l'enceinte tampon, à. un réservoir non représenté sur le dessin pour du fluide à haute pression. 15 Lors du fonctionnement du moteur à gaz chaud, le plongeur annulaire 17 est entraîné respectivement par la tige de piston 14» ert par le piston 2. Lors de la montée du plongeur, lorsque la pression régnant dans l'neceintë de compression 19 est inférieure à celle régnant dans l'enceinte tampon 10, les faces des segments de piston 20 20 et 21 munies de rainures radiales s'appliquent contre les faces inférieures des rainures 22 et 23 mais ne constituent pas de joints avec ces dernières. Du fluide est aspiré à partir de l'enceinte tampon 10 vers l'enceinte de compression 19« Après que le plongeur 17 est passé par sa po-25 sition morte supérieure pour descendre ensuite, les faces supérieures des segments de piston 20 et 21 s'appliquent contre les faces supérieures des rainures 22 et 23, lorsque la pression régnant dans l'enceinte de compression 19 devient supérieure à celle régnant dans l'enceinte tampon 10 et il se forme un joint hermétique,empêchant le fluide contenu dans 30 l'enceinte de compression 19 de refluer vers l'enceinte tampon 10. Le fluide contenu dans l'enceinte de compression 19 est ensuite comprimé et quitte cette enceinte par l'intermédiaire de la soupape d'évacuation 24, qui s'ouvre lorsque la pression régnant dans l'enceinte de compression 19 dépasse celle exercée par le ressort 35 de soupape d'évac*ation et par le fluide contenu dans la canalisation d'évacuation 28. Lorsque la puissance fournie par le moteur doit être abaissée, le fluide provenant de l'enceinte de compression 19 est comprimé par l'intermédiaire de la canalisation d'évacuation 24 dans 40 un réservoir de fluide à haute pression. Tout en maintenant une certaine 72 15912 é 2135630 puissance du moteur, le fluide sorti du moteur sous l'action du plongeur 17 peut être ramené par l'intermédiaire d'une canalisation "ie retour^ à l'enceinte tampon 10 ou à l'enceinte active (enceinte de compression 4). Sur la fig. 2, les pièces analogues à celles 5 utilisées sur la fig. 1 portent les mêmes chiffres de référence. Bans ces exemples de réalisation, l'enceinte de compression 19 est limitée par une tige de piston 14 et un boîtier $0. Le volume de l'enceinte de compression 19 est modifié par une flasque 31 servant d'élément de compression et fixé à la tige de piston 14- On a prévu deux segments de 10 piston 32 et 33» qui font office de soupape d'admission. Le segment de piston 33 est logé dans une rainure 34 ménagée dans la paroi de la flasque 31» alors que le segment de piston 33 est logé dans une rainure 55 ménagée dans la paroi du boîtier 30, Les faces des deux segments de piston 32 et 33 opposées à l'enceinte de compression 19 sont munies de 15 rainures radiales, qui assurent la communication continuelle et libre de l'enceinte de compression 19 avec l'enceinte disposée dans les rainures 34 et 35 se trouvant derrière les segments de piston 32 et 33- Entre la tige de piston 14 et la tige de balayeur 16 est prévue une membrane roulante 36 servant de joint d'étan-20 chéité et séparant le boîtier du vilebrequin 11'de l'enceinte active, alors qu'entre le boîtier 30 et la tige de piston 14 se trouve une membrane roulante 37» Qui sépare l'enceinte tampon 10 du boîtier de vilebrequin 11. Lu fluide peut circuler de l'enceinte tampon 25 10 vers le segment de piston 33 par l'intermédiaire d'une perforation 38 ménagée dans la paroi du boîtier 30. Lors de la montée de la tige de piston 14» du fait que la pression régnant dans l'enceinte de compression 19 est inférieure à celle régnant dans l'enceinte tampon 10, le segment de piston 30 32 s'applique, par sa face inférieure munie de rainures radiales, contre la face inférieure de la rainure 34, alors que le segment de piston 33 s'applique, par sa face supérieure munie de rainures radiales, contre la face supérieure de la rainure 35» de sorte que du fluide peut circuler librement de l'enceinte tampon 10 par 1'intermédiaire des rainures 34 35 et 35 des segments de piston 32 et 33» vers l'enceinte de compression 19» Lors de la descente de la tige de piston 14, le fluide est comprimé dans l'enceinte de compression 19 par la flasque 31» Dès que la pression régnant .lans l'enceinte de compression 19 est supérieure à celle se produisant dans l'enceinte tampon 10, le segment de piston 31 s'applique, 40 par sa face supérieure, contre la face supérieure de la rainure 34 et il 72 15912 7 2135630 en resuite une bonne étanchéité. De même, le segment de piston 33 s'applique, par sa face inférieure, contre la face inférieure de la rainure 35, d'où résulte également une étanchéité convenable. Le fluide np peut plus refluer vers l'enceinte tampon 10 et est comprimé plus fortement 5 jusqu'à ce que la soupape d'évacuation 24 s'ouvre. La machine frigorifique à gaz froid représentée sur la fig. 3 présente un cylindre 41 dans lequel peut se déplacer, avec un déphasage déterminé, un piston de compression 42 et un piston de détente 43. Entre les deux pistons sont disposés un refroidisseur 44, un 10 régénérateur 45 et un congélateur 46 eue traverse du fluide circulant d'une enceinte de compression 47 vers une enceinte de détente 48 et inversement. On a prévu deux enceintes tampon 49 et 50 dans lesquelles règne une pression moyenne égale à la pression moyenne se produisant dans l'enceinte active. 15 Le piston 42 est relié à un mécanisme d'entraî nement non représenté sur le dessin, par l'intermédiaire d'une tige de piston 51, qui traverse la paroi 52 de l'enceinte tampon 50. Entre c Dans les rainures 61 ménagées dans la paroi des plongeurs 54 sont logés des segments de piston 62 servant de soupapes d'admission. Dans cet exemple de réalisation aussi, les faces des segments de pistons opposées à l'enceinte de compression 56 sont munies de 30 rainures radiales. Du reste le fonctionnement du compresseur intégral de la machine frigorifique à gaz froid est analogue à celui des moteurs à gaz chaud précédemment décrits de sorte que sa description se passe de commentaires. Dans la machine frigorifique à gaz froid re-35 présentée sur la fig. 4, les pièces correspondant à celles utilisées pour la machine représentée sur la fig. 3 portent les mêmes chiffres de référence. D'une façon analogue à celle du moteur à gaz chaud représenté sur la fig. 1, la tige de piston 51 présente, dans le 40 présent cas, une flasque 61, qui peut modifier le volume d'une enceinte 72 15912 8 2135630 de compression 62 disposée dans le boîtier 63. Cet exemple de réalisation présente également deux segments de piston 63 et 65 servant de soupapes d'admission, le piston de segment 64 étant logé dans une rainure ménagée dans la paroi de la flasque 61 et le segment de piston 65 dans une rai-5 nure ménagée dans la paroi du boîtier 63. La face inférieure du segment de piston 64 et la face supérieure du segment de piston 65 présentent des rainures radiales. Du fluide peut circuler de l'enceinte tampon 50 vers le segment de piston 65, par l'intermédiaire de la perforation 66 ménagée dans la 10 paroi du boîtier 63. Du reste, le fonctionnement de ce compresseur intégral est analogue à celui représenté sur la fig. 2, de sorte que sa description se-passe de commentaires» Il est possible de recourir à toutes sortes de formes de réalisation d'un compresseur intégral.De plus, la machine fri-15 gorifique à gaz froid représentée sur les figures 3 et 4 peut contenir au besoin un compresseur intégral logé dans l'enceinte tampon 49» Dans les formes de réalisation représentées sur le dessin, le compresseur intégral aspire continuellement et directement du fluide provenant de l'enceinte tampon. Il est également possible de 20 faire en sorte que le compresseur aspire du fluide provenant directement de l'enceinte active. Cela s'effectue par exemple en raccordant à la face d'admission du compresseur une' canalisation reliée à l'enceinte active. 72 15912 9 2135630 REVENDICATION ; 1. Machine à piston à gaz chaud comportant une en ceinte active dans laquelle un fluide parcourt un cycle thermodynamique et dont le volume peut être modifié par des corps en forme de piston, 5 animés d'un mouvement de va-et-vient d'une façon déphasée, dont au moins ISzidss corps en forme de piston modifie par une face le volume de l'enceinte active et par l'autre face le volume d'une enceinte tampon, dans laquelle règne une pression de fluide moyenne, qui est au moins pratiquement égale à la pression de fluide moyenne régnant dans l'enceinte 10 active et ce corps eh forme de piston est relié, par l'intermédiaire drune tige de piston traversant la paroi de l'enceinte tampon, à un mécanisme d'entraînement, la machine étant munie d'un compresseur servant à comprimer le fluide provenant desdites enceintes dans un réservoir de fluide à ;haute pression, compresseur qui présente une soupape d'admis-15 sion raccordée à l'enceinte de tampon, ainsi qu'une soupape d'évacuation pouvant _#tre raccordée audit réservoir, par l'intermédiaire d'une canalisation ;d'évacuation, caractérisée en ce que le compresseur de fluide constitué une partie intégrante de la machine et dans l'enceinte tampon est prévu au moins un élément de compression, qui est relié au corps en 20 forme de piston limitant l'enceinte tampon ou à la tige de piston correspondante et qui peut modifier le volume d'une enceinte de compression, alors qu'entre les parties de paroi conjuguées de l'élément de compression et de l'enceinte de compression est prévu au moins un segment de piston faisant office de soupape d'admission, qui est logé dans une rai-25 nure ménagée dans la paroi de l'élément de compression ou de l'enceinte de compression, alors que cette dernière communique en permanence librement avee l'enceinte disposée dans la rainure se trouvant derrière le segment de piston et la soupape d'évacuation raccordée à l'enceinte de compression est logée dans la paroi de l'enceinte de compression, alors 30 que la canalisation d'évacuation traverse une paroi de l'enceinte tampon.