Brevet FR2291351A1 — publié le 19760611

La présente invention concerne une machine thermodynamique dans laquelle un fluide subit des variations de pression, de volume et de température, pour réaliser une transformation d'énergie, par exemple une transformation d'énergie calorifique en énergie mécanique (fonctionnement en moteur) ou l'inverse (pompe à chaleur ou machine frigorifique). L'invention est notamment applicable aux moteurs à combustion externe. Pour une machine thermodynamique fonctionnant en moteur, il peut être intéressant de réaliser une production d'énergie calorifique à partir de sources de chaleur diverses, ne résultant pas forcément d'une combustion interne. Eneffet, l'inconvénient de la plupart des machines à combustion interne est la limitation stricte du choix du combustible fournissant l'apport de chaleur, alors qu'il est d-ésirable d'avoir des machines motrices à carburant indifférent ou même des machines utilisant de la chaleur qui ne provient pas d'une-combustion. (Par exemple la chaleur solaire, une source nucléaire ou méme un accumulateur de chaleur). Peu de machines motrices, ont été proposées, qui fonctionnent en cycle fermé, c'est-à-dire danslesquelles c'est toujours la même masse fluide qui sertà la transformation d'énergie. Ces machines utilisant le cycle de Stirling, composé de deux isochores et deux isothermes, qui nécessite l'utilisation d'une"éponge calarifique" c'est-à-dire un élément capable d'emmagasiner pendant une phase du cycle toute la chaleur du fluide et de restituer cette chaleur pendant une phase ul-térieure-du cycle. I1 est bien évident que la réalisation pratique de cette éponge. calorifique pose de grandes difficultés techniques, car elle doit normalement se trouver dans un cylindre dans lequel s'effectuent les compressions isothermes. Par ailleurs, les machines non motrices, pompes à chaleur ou machi-ne-f-rigorifiques, sont engénéral à cycle de - Stirling ou à cy.cles.divers avec changements d'états du fluide de- transfert d' énergie. La présente invention, qui s'applique aussi bien aux machines motrices qu'aux machines frigorifiques, vise à réaliser une machine thermodynamique fonctionnant en cycle fermé mais éliminant les inconvénients. de-s machines à cycle de Stirling. La machine thermodynamique selon l'invention est caractérisée par le fait qu'elle comprend une première chambre et une deuxième chambre, toutes deux à volume cycliquement variable mais variant en opposition de phase, et deux conduits de liaison entre ces deux chambres. Elle comprend également deux échangeurs de chaleur communiquant avec une source froide et une source chaude respectivement, disposés chacun au niveau de l'un des conduits de liaison, de manière à échanger de la chaleur entre les sources (froide ou chaude) et du fluide circulant dans les conduits de liaison. Enfin, la machine comprend des moyens d'isolation, pour isoler de l'une ou l'autre chambrè le fluide contenu dans chaque conduit de liaison, ces isolations (indépendantes) étant réalisées pendant certaines fractions de chaque cycle thermodynamique subi par le fluide. Cette isolation de chaque conduit est réalisée de préférence par une vanne commandée à une extrémité du conduit et par un clapet (unidirectionnel) à l'autre extrémité. Il est à noter qu'un avantage très important de la machine thermodynamique selon l'invention par rapport au moteur à cycle de Stirling ou à d'autres moteurs à cycle fermé, est que le volume des conduits de liaison qui doivent nécessairement passer dans les échangeurs n'intervient pas sur le rapport de la pression maximale à la pression minimale au cours du cycle. Ce volume n'a donc pas à être réduit au maximum comme il le fallait jusqu'à présent et les échangeurs de chaleur peuvent titre réalisés beaucoup plus facilement. On va décrire plus en détail l'invention en référence au dessin annexé dans lequel - La figure 1 représente schématiquement une machine thermodynamique selon l'invention et - la figure 2 représente un diagrame thermodynamique des pressions et volumes du fluide au cours du cycle qu'il subit. A la figure 1 est représentée une machine thermodynamique à cycle fermé comprenant deux chambres cylindriques identiques A et B, à volumes cycliquement variables. La variation du volume est provoquée par le déplacement dans ces chambres de pistons respectifs 1 et 2 articulés par l'intermédiaire de bielles 3 et 4 sur les manetons d'un vilebrequin commun 5 constituant l'arbre de transmission sur lequel on récupère ou on amène de l'énergie mécanique selon que la machine fonctionne en moteur ou en pompe à chaleur. Les manetons sont disposés sur le vilebrequin de telle sorte que les pistons 1 et 2 varient sensiblement en opposition de phase. Des conduits de liaison 6 et 7 sont prévus entre la chambre à et la chambre B. Le conduit 6 passe à travers un échangeur de chaleur Ec, associé à une source chaude non représentée, de manière à permettre l'échauffement du gaz circulant ou stagnant dans le conduit 6. Il en est de même, pour le conduit 7, qui passe à travers un deuxième échangeur de chaleur Ef, associé à une source froide non représentée. Le conduit 6 peut être fermé à une première de ses extré- mités (celle débouchant dans la chambre A) par une vanne dée 8. Le conduit 7 peut être fermé à son extrémité débout dans la chambre A, par une deuxième vanne commandée 9. A leur autre extrémité, les conduits 6 et 7 comportent des clapets unidirectionnels respectifs 10 et 11. Le clapet 10 n'autorise le passage du fluidedans le conduit 6 que si la pr sion du fluide dans le conduit 6 est inférieure à la pression-d - de dans la chambre B. Le fluide passe-alors de B vers A.Le clapet 11 est au contraire disposé en sens contraire c'est-à-dire qu'il n'autorise le passage du fluide que de A vers B, et à condition que la pression du fluide dans le conduit 7 soit supérieure à la pression dans la chambre B. La fermeture et l'ouverture des vannes 8 et 9 est comman- 'dée par l'intermédiaire de tringleries 13 à partir de cames 12 ménagées sur l'arbre tournant de sortie (ou sur un autre arbre entraîné par le vilebrequin). Les cames 12 sont disposées de telle-manière que la vanne 8 soit ouverte pendant tout le temps que le piston 7 met à descendre de son point mort haut jusqu'à une hauteur intérmédiaire représentée par la ligne pointillée a sur la figure 1. La vanne 8 est fermée pendant tout le reste du cycle. Les cames 12 sont également agencées pour que lz vanne 9 soit ouverte pendant essentiellement toute la durée du trajet de remontée du piston 7 de son point mort bas à son point mort haut. La source froide associée à l'échangeur de chaleur Ef est de préférence l'air atmosphérique ou un radiateur à circu- lation d'un liquide refroidissant. A titre d'exemple, pour un véhicule, ce peut être un radiateur à eau refroidi par l'air atmosphérique. Entre l'échangeur de chaleur Ef et le clapet i1 est prévu un conduit 14 partant du conduit 7 et reliant ce dernier à un régulateur de pression commandé 15 recevant du gaz sous pression contenu dans un réservoir 16 et imposant une pression de gaz donnée dans le conduit 14. Cette pression peut être réglable et une man-ette de commande 17 est représentée symboliquement sur le régulateur 15. Un clapet 19 de mise à l'air libre et un robinet 18 sont prévus dans le cas oW le gaz utilisé dan-s la machine est de l'air, de manière à assurer que la pression d'air dans le conduit 14 est au moins pratiquement égale à la pression aim2s- phérique, même au moment du démarrage du moteur. On va décrire maintenant le fonctionnement de la machine thermodynamique de la figure 1, fonctionnant- en moteur, c'est-àdire que de l'énergie calorifique est fournie au gaz par la source chaude et de l'énergie mécanique est récupérée sur l'arbre tournant 5. La figure 2 indique le cycle thermodynamique, pression p -volume v, subi par le fluide au cours des diverses phases d'un cycle correspondant à un tour du vilebrequin. En prenant comme point origine le point mort haut du piston 1, correspondant au point mort bas du piston 2 et au point M de la figure 2, les cames 12 provoquent l'ouverture de la vanne 8 et la fermeture de: la vanne 9. Du gaz sous pression élevée et à haute température, contenu dans le conduit 6 qui traverse lré- changeur de chaleur Ec, est admis dans la chambre A et repousse le piston 1 vers le bas. Il y a donc détente, pas complètement adiabatique car le gaz reçoit de la chaleur # mesure qu'il passe dans l'échangeur, et pas complètement isotherme car la partie de gaz arrivant dans la chambre A n'est plus soumise à-l'apport calorifique de la source chaude. Cette détente intermédiaire entre une détente isotherme et une détente adiabatique e-st représentée sur la figure 2 par la portion de courbe MN, correspondant au trajet du piston,son point mort haut à la ligne a à partir de laquelle la vanne 8 se ferme. Le piston 1 continue ensuite à descendre jusqu'à son point mort bas, les vannes 8 et 9 restant fermées. Be gaz contenu dans la chambre A se détend donc de manière pratiquement adiabatique. Cette détente adiabatique est représentée par la portion de courbe EP de la figure 2. Le piston 1 commence à remonter de son point mort bas, la vanne 9 s'ouvrant alors et la vanne 8 restant fermée,, de sorte que le gaz contenu dans la chambre A soit refoulé dans le conduit 7, où il est refroidi par l'échangeur de chaleur Ef. Aussitôt que la pression dans la chambre A devient supérieure à celle de la chambre 3, ctest-à-dlre presqueaussitôt après le début de lare- montée du piston 1, le clapet unidirectionnel il s'ouvre et le gaz est transvasé à volume pratiquement constant du cylindre h dans le cylindre B car le piston 2 descend à mesure que le piston 1 monte. Comme le gaz se refroidit dans ltéchangeur Ef, sa pression baisse.Cette phase du cycle, qui dure un demi-tour du vilebrequin 5 est représentée par le trajet PQ de la figure 2. Lorsque le gaz a été complètement transvasé dans la chambre 3, la vanne 9 se referme. Le gaz contenu dans le conduit 7 reste alors isolé (par la vanne 9 et le clapet 11) pendant tout le demi-tour suivant du vilebrequin. Le piston 2 remonte dans la chambre B à partir de son point mort bas, en comprimant adiabatiquement le gaz car le clapet 10 reste fermé tant que la pression dans le cylindre 3 ne dépasse pas la pression dans le conduit 6. Cette phase de compression à lieu simultanément avec la phase de détente MN pendant la' qu elle la vanne 8 est ouverte et le gaz réchauffé repousse le piston 1 dans la chambre A jusqu'à la ligne a. La hauteur du piston 2 à partir de laquelle le clapet 10 s'ouvre est figurée par la ligne pointillée b. Cette hauteur est déterminée par la pression qui existait dans le conduit 6 au moment où la vanne 8 s'est fermée. Comme le gaz est à une température beaucoup plus faible dans le cylindre B que dans le cylindre A, la-hauteur de la ligne pointillée b est supérieure à celle de la ligne a. Cette phase de remontée du piston 2, du point mort bas à la ligne b, est représentée sur la figure 2 par le trajet de compression adiabatique QR. On voit que sur la figure 2, la pression en R (ouverture du clapet 10) est très légèrement supérieure à la pression en N (fermeture de la vanne 8). 'On peut noter que la puissance fournie par cycle ainsi que le rendement de la machine varient selon la position de la ligne a (et de la ligne b qui en dépend directement) et il est donc possible de régler dans une certaine gamme la puissance du moteur en commandant l'ouverture de la vanne 8 plus ou moins longtemps après le début de la descente du piston 1. Le piston 2 continue ensuite à remonter de la ligne b à son point mort haut, le clapet 10 étant ouvert et la vanne 8 fermée de sorte que le gaz se comprime dans le conduit de liaison 6. Cependant cette compression n'est ni adiabatique ni isotherme mais intermédiaire entre les deux car une partie du gaz est réchauffée en même temps qu'une partie est amenée dans le conduit 6. Cette compression est représentée par le trajet RS de la figure 2. La dernière phase du cycle, qui dure un demi-tour et a lieu simultanément avec la phase PQ de détente isochore, est une phase de compression isochore SM pendant laquelle la vanne 8 est fermée, et le clapet 10 également. Un volume de gaz constant est donc isolé dans le conduit 6 par la vanne 8 et le clapet 10 pendant un demi-tour complet du vilebrequin (du point mort bas au point mort haut du piston 1). Le gaz est échauffé dans le conduit 6 et sa pression s'accroit donc. La mise en communication sélective du gaz contenu dans les conduits 6 et 7 avec l'un ou l'autre des cylindres, pendant des fractions déterminées du cycle thermodynamique, ainsi que l'isolation complète des conduits 6 et 7 pendant d'autres fractions permettent de réaliser un cycle fournissant du travail avec un bon rendement, comme on le voit sur la figure 2 oh la surface du cycle (proportionnelle au travail fourni à chaque cycle) est assez proche de celle d'un cycle de Carnot (deux isothermes et deux adiabatiques) ayant mêmes points extrtmes-M et Q. Les moyens d'isolation du-conduit 6 avec la première chambre (A) sont constitués de la vanne 8 commandée cycliquement par les cames 12 qui commandent également les moyens d'isolation (vanne 9) du conduit 7 avec la première chambre. Les moyens d'isc- lation des conduits 6 et 7 avec la deuxième chambre sont ici constitués de clapets unidirectionnels mais pourraient aussi être d'autres vannes commandées cycliquement par une autre tringlerie et des cames sur l'arbre de sortie. On peut faire varier le travail fourni à chaque cycle, donc la puissance pour une vitesse de rotation donnée, en faisant varier la masse de fluide évoluant dans le moteur. Pour cela il faut faire varier la pression du gaz à un moment donné de scn évolution. C'est dans ce but qu'est prévu le. régulateur de pression 15, qui fournit une pression commandée au conduit 14. il est en effet particulièrement intéressant d'agir sur la masse de gaz au moment ot elle est à pression et température les plus faibles, c'est-à-dire à son arrivée dans la deuxième chambre B.Le réglage de la pression du régulateur 15 agit sur la puissance fournie par le moteur. Dans le cas particulier où le fluide moteur est l'air, le réservoir 16 est gonflé par un compresseur auxiliaire entratné par le moteur, tel que celui qui existe habituellement sur des véhicules utilitaires,, pour assurer le freinage et d'autres-servitudes. Pour démarrer en l'absence de pression dans le réservoir 16, le robinet 18-permet unemise à l'air libre de la canalisation 14 à travers le clapet de retenue 19, ce qui permet un fonctiGn- nement initial du moteur avec, pour pression au point Q, la pression atmosphérique. Contrairement au moteur Stirling à éponge calorifique métallique dans lequel le gaz qu'on utilise est pratiquement obligatoirement l'hydrogène pour éviter une oxydation de l'huile de lubrification à l'intérieur de l'éponge, le moteur selon la présente invention est utilisable avec n'importe quel gaz : l'air est très facilement utilisable, l'hydrogène a une bonne capait calorifique et une faible viscosité. D'autres gaz tels que l'azote peuvent également être utilisés comme fluide moteur0 La machine a été ici décrite avec deux cylindres, ceux-ci peuvent bien entendu autre remplacés par un seul cylindre double effet puisque les chambres à volume variable doivent fonctionner préférentiellement en opposition de phase.D'autres capsulismes que les ensembles cylindres-pistons peuvent également autre employés. Pour faire fonctionner la machine thermodynamique en machine frigorifique, on doit bien entendu inverser la position des échangeurs de chaleur, et modifier les temps d'ouverture des vannes 8 et 9. Bien entendu, on peut'sans sortir du cadre de l'invention apporter des modifications au cycle décrit, telles qu'undéplace- ment des lignes a et b pour lesquelles les vannes d'isolation du conduit 6 se ferment ou s'ouvrent, un décalage léger de l'ouverture e.t la fermeture des vannes par rapport à l'arrivée des pistons aux points morts bas et haut, ou mdme un déphasage des pistons différent de 1800. Il est à noter qu'une simplification supplémentaire du moteur est possible dans le cas où on accepte une puissance massique relativement faible en gardant la pression minimum au cours du cycle (point P) égale à la pression atmosphérique. En effet, dans ce cas, on peut supprimer l'échangeur de chaleur Ef et la source froide associés et ouvrir le conduit de liaison 6 pour le mettre en communication avec l'atmosphère. Le circuit est alors ouvert, l'air aspiré par le deuxième cylindre (B) étant rejeté par le premier cylindre (A). esENDICAXlONS 1. Machine thermodynamique fonctionnant en cycle fermé, caractérisée par le fait qu'elle comprend une première chambre et une deuxième chambre, à volumescycliquement variables sensiblement en opposition de phase, un premier conduit de liaison de la première chambre vers la deuxième et un deuxième conduit de liaison de la deuxième chambre vers la première, thermiquement isolé du premier conduit, deux échangeurs de chaleur disposés respectivement au niveau du premier et du deuxième conduit pour. échanger de la chaleur avec du fluide circulant dans ces conduits, des premiers moyens d'isolation, pour isoler de l'une ou l'autre des chambres le fluide contenu dans le premier conduit, et des deuxièmes moyens dtisolation, pour isoler de l'une ou 1'autre des chambres le fluide contenu dans le deuxième conduit, ces premiers et deuxièmes moyens d'isolation étant aptes à réaliser ces isolations pendant des temps déterminés au cours de chaque cycle. 2. Machine thermodynamique selon la revendication 1, caractérisée par le fait que les premiers moyens atisolation comprennent une première vanne commandée disposée à l'une choisie des extrémités du premier conduite 3. Machine thermodynamique selon la revendication 2, caractérisée par le fait qu'elle comporte un moyen de commande cyclique de la première vanne, apte à maintenir celle-ci ouverte pendant une fraction donnée du .temps d'augmentation du volume de la première chambre. 4. Machine thermodynamique selon l'une des revendications 1 à 3,. caractérisée par le fait que les deuxièmes moyens comprennentune deuxième vanne commandée disposée à l'une choisie des extrémités du deuxième conduit. 5. Machine thermodynamique selon la revendication 4, caractérisée par le fait qu'elle comporte un moyen de commande cyclique de la deuxième ;znne, apte à maintenir celle-ci ouverte pendant au moins une fraction du temps de diminution du volume de la première chambre. 6. Machine thermodynamique selon la revendication 5, caractérisée par le fait que le deuxième moyen de commande est apte à maintenir celle-ci ouverte pendant essentiellement tout le temps de diminution du volume de la première chambre. 7. Machine thermodynamique selon l'une des revendications 2 à 3, caractérisée par le fait que les premiers moyens comportent en outre un clapet unidirectionnel disposé à l'autre extrémité (non choisie) du premier conduit de liaison. 8. Machine thermodynamique selon l'une des revendications 4 à 6, caractérisée par le fait que les deuxièmes moyens comportent en outre un clapet unidirectionnel disposé à l'autre extrémité (non choisie) du deuxième conduit de liaison. 9. Machine thermodynamique selon l'une des revendications 2 à 3, caractérisée par le fait que les premiers moyens d'isolation comportent une autre vanne commandée, disposée à l'autre extrémité (non choisie) du premier conduit de liaison. 10. Machine thermodynamique selon l'une des revendications 4 à 6, caractérisée par le fait que les deuxièmes moyens d'isolation comportent une autre vanne commandée, disposée à l'autre extrémité du conduit de liaison. 11. Machine thermodynamique selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisée par le fait que chaque chambre est constituée par les parois d'un cylindre et un piston intérieur à ce cylindre. 12. Machine thermodynamique selon la revendication 11, caractérisée par le fait que les chambres sont constituées à l'intérieur d'un cylindre unique muni d'un piston à double effet séparant ces chambres. 13. Machine thermodynamique selon l'une des revendications i à 12, caractérisée, par le fait qu'il est prévu un réservoir de fluide sous pression relié à l'un des conduits de liaison par l'intermédiaire d'un régulateur de pression commandée.