Brevet FR2392251A1 — publié le 19781222

la présente invention concerne un moteur thermique qui transforme l'énergie calorifique en énergie mécanique et plus précisément un moteur ayant plusieurs éléments thermosensibles formés d'une matière qui subit une transformation thermoélastique de phase martensitique, si bien que la déformation des éléments à froid nécessite une quantité d'énergie inférieure à celle qui est restituée par les éléments lorsqu'ils sont chauffés à une température plus élevée. Récemment, on a mis au point diverses matières et notamment des alliages métalliques ayant une certaine propriété de mémoire de configuration reposant sur des transformations thermoélastiques d'une phase martensitique, dépendant des contraintes ou des déformations. Ces alliages présentent essentiellement une forme stable au-dessus d'une température déterminée et présentent une transformation en une phase martensitique à température plus basse. les alliages ont un module nettement réduit dans la phase martensitique si bien que la quantité d'énergie nécessaire à la déformation de l'alliage à température basse est très inférieure à la quantité d'énergie restituée par l'alliage lorsqu'il reprend sa configuration stable originale à température élevée.Des exemples d'alliages présentant cette caractéristique de mémoire de configuration sont les alliages titane-nickel, cuivre -aluminium-nickel, cuivre-zinc, fer-platine et or-cadmium. L'article the Journal of Material Science, 1974, Volume 9,pages 15-21 de L. Delaey, R.V. krishnan et H. Tas décrit les caractéristiques d'un certain nombre d'alliages ayant une telle mémoire. L'article Metallurgical Transactions, 1975, volume 6A, page 29 de H.C. Tong et C.N. Wayman décrit aussi ces systèmes. On a déjà tenté d'utiliser ces matières possédant des caractéristiques de mémoire de configuration dans des moteurs ou convertisseurs d'énergie thermique, mais les appareils réalisés ont simplement montré que ces matières pouvaient etre utilisées, sans qu'un appareil'utilisable en pratique ait pu transmettre suffisamment d'énergie utile eut ait pu etre réalisé avec des dimensions différentes destinées à des applications différentes.Un appareil d'un type fondamental est décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amerique nO 3 407 238 et place simplement une matière à mémoire de configuration formée par un alliage nickel-titane sous contraintes ou la déformation par flexion en porte-à-faux ou par torsion, à température relativement basse, l'énergie accrue due au retour de la matière à sa configuration non fléchie ou non tordue d'origine restituant une quantité plus importante d'énergie. On a aussi réalisé des essais avec un appareil comprenant des tiges de matière ayant une telle mémoire, les tiges étant déformées par traction à basse température et se contractant en reprenant leur longueur originale lorsqu'elles sont chauffées à température plus élevée.De tels essais ont été réalisés au laboratoire the Lawrence Berkley Laboratory,the University of Californie et sont décrits dans le rapport NSF/Rann/SE/AG-550/]?R 75/2 "NITINOl, BENZINE PROJET TEST BED" 31 juillet 1975. La matière utilisée dans ces essais était le 1,55-Nitinol1, vendu par the Timet Division, the Titanium Corporation of America, Toronto, Ohio qui contient 55,38 % de nickel, 0,05 % de'fer, 0,004 0 d'azote et le reste de titane. On peut aussi utiliser cette matière dans le cadre de l'invention. L'invention concerne un moteur thermique ou appareil convertisseur d'énergie thermique, contenant de telles matières à mémoire de configuration et formant un appareil utilisable en pratique et mettant avantageusement en oeuvre les caractéristiques de mémoire de ces matières. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels la figure 1 est une vue en plan d'un mode de réalisation avantageux d'appareil selon l'invention la figure 2 est une coupe partielle suivant la ligne 2-2 de la figure 1 la figure 3 est un schéma développé illustrant le fonctionnement du moteur des figures 1 et 2 les figures 4a et 4b sont des schémas permettant la comparaison du profil de déformation et de la répartition des contraintes dans des éléments à mémoire de configuration ayant des sections différentes ; et la figure 5 est une coupe partielle d'un autre mode de réalisation de l'invention. les figures 1 et 2 représentent un premier mode de réalisation de moteur thermique selon l'invention qui porte la référence générale 10, alors que la figure 5 décrit un second mode de réalisation 110. les deux appareils 10 et 110 comprennent plusieurs éléments thermosensibles 12 et 112. Ces éléments sont formés d'une matière qui est de préférence un alliage métallique qui présente des transformations thermoélectriques d'une phase martensitique, comme décrit précédemment, la quantité d'énergie nécessaire à la déformation des éléments à température relativement basse étant inférieure à la quantité d'énergie qui peut être restituée par les éléments lorsqu'ils reprennent leur configuration libre d'origine à température plus élevée. Chacun des éléments 12, 112 est sous forme d'une bande plate de section rectangulaire. L'appareil comprend aussi un dispositif de réaction comprenant un moyeu 14, 114 qui supporte les bandes 12, 112. les extrémités internes des bandes 12 sont fixées à des fentes du moyeu 14 par une colle ou par un dispositif analogue et ne peuvent pas se déplacer par rapport à ce moyeu 14. Les bandes 112 sont articulées en 115 sur le moyeu 114. Les appareils comportent aussi un support ou boîtier 16 (figures 1 et 2) ou 116 (figure 5). Un dispositif à came coopère avec les éléments 12, 112 et déforme ces éléments pendant une première phase, permettant leur relaxation dans une seconde phase, la came étant repérée par la référence 18 sur la figure 2 et par la référence 118 sur la figure 5. Le support 16, 116 maintient les moyeux 14 et 114 et les cames 18 et 118 afin que ces éléments se déplacent l'un par rapport à l'autre, si bien que de l'énergie peut être extraite lors de la relaxation des bandes 112. La came 18 est un élément séparé du boîtier 16 et la came 118 peut être un élément séparé du boîtier 116, de manière analogue, ou elle peut en être solidaire. En d'autres termes, bien qu'on n'ait pas représenté en détail le boîtier 116 du mode de réalisation de la figure 5, ce boîtier peut ëtre analogue au boîtier ou dispositif de support 16 du premier mode de réalisation. Plus précisément, le dispositif de support porte les moyeux 14, 114 afin qu'ils puissent tourner par rapport auxboîtiersfixes 16, 116.Les bandes ou éléments 12, 112 sont disposés pratiquement radialement à partir des moyeux 14, 114 et sont disposés les uns près des autres annulairement autour de l'axe de rotation du moyeu 14, 114, si bien que les moyeux 14, 114 tournent avec les éléments 12, 112 autour des axes respectifs de rotation. Le boîtier 16 comprend deux supports 20 comprenant des rayons radiaux 22 qui sont eux-mêmes raccordés a des parties 24 de support de paliers. Un support 25 de came est placé entre les flasques 26 des supports 20 et des dispositifs convenables de retenue tels que des boulons ou analogues passent par des trous 28 et permettent la fixation des éléments. Les parties 24 de support de paliers sont fixées aux bagues externes des paliers 30 qui sont alnsi portés, leurs bagues internes étant fixées à un arbre 32 qui est ainsi supporté. Cet arbre 32 est fixé rigidement au moyeu 14 si bien que celui-ci tourne avec l'arbre 32. L'arbre 32 peut aussi passer dans un second jeu de paliers 30' portées par des supports 24' d'un second ensemble, si bien que plusieurs ensembles peuvent être empilés verticalement. Un arbre unique 32 peut passer verticalement dans tous les ensembles ou chaque ensemble peut tourner sur un arbre séparé qui coopère lu -mëmle avec un arbre principal d' entraîne- ment lorsque les ensiles Indépendants tournent à des vitesses différentes de rotation.Ainsi, un second ensemble d'éléments thermosensibles peut être disposé radialement à partir de l'axe de rotation axe l'arbre 32, à une certaine distance axiale au premier ensemble des éléments 12. nvidemment, un dispositif de déformationoes éléments, par exemple une c & e 18, déforme les éléments de chaque ensile et réagit lors de la relaxation des bandes afin que les deux ensembles d'éléments tournent autour de l'axe de l'arbre 32. La came 18 est disposée annulairement sous orme d'un cercle centré sur l'axe de rotation de l'ensemble et elle est disposée radialement à l'extérieur du moyeu 14. De manière analogue, la came 1 8 est disposée annulairement autour de l'axe de rotation et est disposée radialement à l'extérieur par rapport au moyeu 114.Le boîtier 16 et le boîtier 116 bien que non représentés, étant donné leur configuration de support à crois sillore,délimitent des passages entre les rayons 22, les parties 24 de support de palier et la circonférence externe si bien qu'un liquide peut s'écouler librement sur les éléments 12 et 112 en direction axiale par rapport à l'ensemble c'est-à-dire parallèlement à l'axe de rotation. Il faut noter que, lorsque plusieurs ensembles 10 sont empilés axialement, un fluide, par exemple un liquide, peut descendre sur les bandes 12 puis sur le second ensemble des bandes ou éléments distants axialement, dans un ensemble adjacent. Comme l'indique aussi la suite du présent mémoire, chaque ensemble est divisé en une partie chaude et une partie froide, chaque zone recouvrant une partie ou arc de circonférence de l'ensemble.Lorsque les ensembles sont empilés axialement, un fluide de chauffage peut descendre dans les ensembles successifs et venir au contact des éléments de ces ensembles en perdant de l'énergie par réduction de la température. Cependant, lorsque les bandes 12 des éléments successifs sont sensibles à des températures différentes, chacun des ensembles 10 peut fonctionner avec un rendement optimal. On se réfère maintenant plus précisément au mode de réalisation des figures 1 et 2 et on note que la came 18 comprend un organe circulaire 74 fixé à une plaque annulaire 36, celle-ci étant fixée de façon amovible sur le support 25 par des vis 38. Ainsi, la came 34 est supportée de façon amovible par le boîtier. La came 34 présente une surface 40 tournée vers l'axe qui assure la déformation des éléments 12 par torsion autour de leur axe longitudinal. La came 18 fait partie d'un dispositif de torsion associé aux extrémités externes des éléments 12 afin que ceux-ci soient tordus autour de leur axe longitudinal, dans une première phase, et se détordent dans une seconde phase. Ainsi, les éléments ou bandes 12 se déplacent autour de l'axe de rotation de l'ensemble, c'est-à-dire de lTaxe de l'arbre 32, en subissant alternativement des torsions et détorsions et, comme indiqué clairement dans la suite, le dispositif de torsion provoque la torsion et permet la détorsion de chaque élément 12 plusieurs fois à chaque tour de chaque élément 12 autour de l'axe de rotation.En d'autres termes, la came 34, étant donné sa configuration, provoque une torsion sinusoïdale et permet la détorsion des éléments 12 lorsqu'ils tournent autour de l'axe de rotation. Le dispositif de torsion comprend un bras 42 de levier fixé à l'extrémité externe de chaque élément 12 et destiné à coopérer avec la surface 40 de la came 34. Plus précisément, un organe 44 formant une cage peut tourner dans le boîtier, en étant porté par l'organe 25 de support de came par l'intermédiaire d'un palier. L'organe 44 a plusieurs trous 46 disposés radialement et plusieurs coussinets 48 logés dans ces bous. Un arbre 50 peut tourner dans chaque coussinet 48 et il est porté par l'organe 44 qui permet sa rotation.TJn organe 52 formé avantageusement d'une matière non conductrice de la chaleur, relie l'extrémité externe de chaque élément 12 à un arbre adjacent 50 Si bien que chaque arbre 50 doit tourner lors de la rotation de l'élément 12 auquel il est fixé. Chaque bras 42 de levier est fixé à l'extrémité externe d'un arbre 50 par un boulon 54 si bien que chaque arbre 50 peut tourner dans l'organe 44 et associe de façon fixe et sans rotation possible l'extrémité externe de l'élément 12 au bras assocIé 42. Un rouleau 56 est porté à l'extrémIté externe de chaque levier et coopère avec la surface 50 de la came. La figure 3 représente schématiquement le forLction- nement de l'appareil des figures 1 et 2. Dans la partie extrëme gauche, le premier bras 42 est dans sa position initiale lorsqu'il pénètre dans une zone froide et assure la déformation des éléments 12 dans une première phase. il faut noter que l'espacement axial ou vertical de la surface 40 de la came 74 et des éléments 12 est tel que les bras 42 ne peuvent pas atteindre une position verticale parallèle à l'axe de rotation. De cette manière, chaque élément 12 subit une petite déformation préalable qui assure la coopération du galet 56 avec la surface 40 si bien que l'ensemble tourne toujours dans le mëme sens. Lorsque les éléments 12 se déplacent dans la zone froide de gauche à droite sur la figure 3, les bras 42 prennent une position plus horizontale par réaction avec la surface 40 si bien que les éléments 12.sont déformés par torsion lorsqu'ils sont relativement froids. Lorsque les éléments 12 se déplacent dans la zone froide, ils sont dans une première phase et leur température est basse, nécessitant pour la déformation moins d'énergie que celle qui est nécessaire lors du passage des éléments dans la zone chaude Lorsque les bandes ou éléments 12 pénètrent dans la zone chaude, ils passent dans la seconde phase et leur caractéristique de mémoire de configuratlon est telle qu'ils reprennent leur configuration normale ou originale à température élevée en faisant tourner les bras 42 dans le sens horaire et en repoussant les galets 56 contre la surface de came qui s'éloigne par rapport aux axes des éléments 12 si bien qu'une force est appliquée et tend à déplacer les éléments 12 vers la droite comme-indiqué, c'est-à-dire eorrespondant à une rotation anti-horaire dans l'appareil de la figure 1. La zone froide représentée sur la figure 3 peut occuper un quadrant ou un quart de la circonférence de l'ensemble 10 et chaque zone chaude peut occuper un quadrant si bien que, lors d'un tour complet, chaque élément 12 subit deux torsions et détorsions.Ainsi, chaque tour d'un élément 12 autour de l'axe de rotation de l'ensemble correspond à plusieurs torsions et détorsions Il faut noter que les zones froide et chaude peuvent être établies par des fluides différents, par exemple par deux liquides, des liquides et des gaz ou des combinaisons de toute matière. Il est important que l'ensemble ne présente pas de perte de chaleur entre les zones chaude et froide. Ainsi, tous les éléments du moteur 10 sont formés de matière ayant une faible chaleur spécifique, une faible masse et une faible conductibilité thermique, par exemple de matière plastique armée de fibres de verre, etc. L'énergie créée par le moteur 10 est fonction (1) de la différence de températures entre les zones froide et chaude, (2) des caractéristiques thermiques des éléments thermoélastiques 12, (3) de la vitesse d'échange de chaleur entre les matières thermiques et les éléments 12, et (4) des pertes parasites de chaleur dues au transfert de chaleur de la zone chaude à la zone froide et qui ne correspond pas à un travail net. On considère maintenant le mode de réalisation de la figure 5 ; la came 118 a une surface 140 tournée vers l'intérieur qui est destinée à provoquer la déformation des éléments 112 par flexion en porte-à-faux afin que les éléments 112 forment un arc de cercle comme représenté. Le moteur 110 comprend un organe ou cage 144 qui peut tourner avec le moyeu 114 comme décrit pour le moyeu 44 du mode de réalisation des figures 1 et 2. L'organe 144 a plusieurs trous radiaux dans lesquels sont disposés plusieurs poussoirs 150 qui peuvent coulisser. Chaque élément 112 a son extrémité externe associée à un poussoir au niveau d'une articulation 152. Des galets 156 peuvent tourner aux extrémités externes des poussoirs 150 et peuvent rouler sur la surface 140 de came si bien que les poussoirs coopèrent avec cette surface 140, à l'extérIeur de l'organe 144. Comme indiqué sur la figure 5, la rotation du moyeu 114 steffectue dans le sens anti-horaire si bien que les poussoirs 150 qui coopèrent avec la surface 140 déforment les éléments 112 par flexion accrue entre les deux extrémités loe- que la surface 140 de la came se rapproche radialement de l'axe de rotation, Jusqu' une valeur à laquelle cette distance est minimale, près de la séparation des zones froide et chaude. En réalité, la surface 140 est la plus proche de l'axe de rotation du moyeu 114 quelques degrés avant la séparation des zones froide et chaude afin que 11 ensemble tourne touj.ours dans le sens anti-horaire Ainsi, après déformation maximale de chaque élément 112, celui-ci passe dans la zone chaude où il prend une température plus élevée. Lorsque les éléments 112 passent dans la zone chaude, ils passent à une seconde phase et présentent leurscaractéristiquesde mémoire de configuration si bien qu'ils reprennent une configuration plus rectiligne et repoussent les poussoirs 150 vers l'extérieur contre la surface 140 qui a une forme s'éloignant de l'axe ae rotation si bien qu'une force de réaction tend à provoquer la rotation du moyeu 114. Comme dans le cas du mode de réalisation des figures 1 et 2, cet appareil peut aussi comprendre plusieurs zones froides et plusieurs zones chaudes placées autour de l'ensemble et la surface 140 de came a une configuration qui correspond au nombre des zones chaudes et froides. Les figures 1a et 4b représentent, de haut en bas, une vue en plan et une élévation à l'état non déformé, puis le profil déformé et la courbe de répartition des contraintes, dans le cas d'une poutre normale (figure 4b) et d'une poutre à extrémité effilée (figure 4a). La poutre normale subit des contraintes régulières sur toute sa longueur et une partie importante de la longueur ne subit pas de contraintes et transfère simplement la chaleur de façon parasite. En d'autres termes, la longueur utile de la poutre classique de la figure 4b, lorsqu'elle est formée d'une matière thermoélastique à phase martensitique, ne correspond qu. a une petite partie de la longueur.D'autre part, la figure 4a indique qu'une poutre à extrémité effilée, formant l'élément 112, peut avoir une section variable si bien que le niveaudecontraintes est maintenu à une valeur pratiquement uniforme. sur toute la longueur lors de la déformation. Plus- précisément., la poutre effilée a une section qui diminue de la partiemédiane aux extrémités si ien que la répartition des contraintes est plus uniforme entre les extrémités et toute la longueur de la poutre est utilisée pour la déformation et donne donc un travail ou une énergie utile lors du passage à la seconde phase dans une zone chaude, correspondant à la relaxation et au retour à la configuration mémorisée. B'utilisation d'éléments plats 12 et 112 de section sensiblement rectangulaire permet ltutilisation d'un rapport optimal surface/volume qui rend maximal le transfert de chaleur. La variation de la section le long de la-poutre, comme indiqué sur la figure 4a, donne une répartition des contraintes sensiblement constante le long des éléments si bien que l'iitilis tion volumique de la matière a une plus grancie --efficacité Il est bien entendu que l'invention n'a été décrite et représentée qu'à titre d'exemple préférentiel et qu'on pourra apporter toute équivalence technique dans ses éléments constitutifs sans pour autant sortir due son cadre. REVEND ATIONS 1. Moteur thermique, caractérisé ence qu'il comprend plusieurs éléments thermosensibles formés d'une matière qui présente des transformations thermoélastiques d'une phase martensitique, un dispositif de réaction destiné à supporter les éléments, et un dispositif à came coopérant; avec les éléments et destiné à déformer ceux-ci dans une première phase et à permettre leur relaxation dans uneseconde phase 2. Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un support du dispositif de réaction et de la came afin qu'ils se déplacent l'un par rapport à l'autre et permet tent l'extraction d'énergie lors de la relaxation des éléments. 3. Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un support du dispositif de réaction et ae la came afin que ceux-ci se déplacent l'un par rapport à l'autre autour d'un axe de rotation. 4. Moteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que les éléments sont placés les uns près des autres anrLulaire- ment autour de l'axe de rotation. 5. Moteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que le dispositif de réaction et les éléments tournent autour de l'axe de rotation. 6. Moteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que le dispositif de réaction comprend un moyeu qui peut tourner par rapport au support, autour de l'axe, les éléments étant disposés en direction sensiblement radiale à partir du moyeu. 7. Moteur selon la revendication 8, caractérisé en ce que le dispositif à came est disposé annulairement autour de l'axe et est disposé radialement à l'extérieur par rapport au moyeu. 8. Moteur selon la revendication 7, caractérisé en ce que chacun des éléments est sous forme d'une bande plate, et le dispositif à came présente une surface de came qui est destinée à déformer les bandes par torsion autour de leur axe longitudinal. 9. Moteur selon la revendication 7, caractérisé en ce que chacun des éléments est sous forme d'une bande plate, et le dispositif à came présente une surface de came qui provoque la déformation des bandes par flexion si bien que les bandes forment un arc de courbe. 10. Moteur selon la revendication 9y caractérisé en ce que chaque bande a une section variable sur sa longueur afin que le niveau de contrainte soit pratiquement uniforme dans toute la longueur des bandes au cours de leur déformation. 11. Moteur thermique, caractérisé encre quTil comprend plusieurs bandes plates thermDsensibles formées par une matière qui subit des transformations thermoélastiques d'une phase martensitique, un dispositif de réaction destiné à supporter de manière fixe une première extrémité de chacune des bandes, un dispositif de torsion assoeié à l'autre extrémité de chacune des bandes et destiné à tordre les bandes suivant leur axe longitudinal dans une première phase et à permettre leur detorsion dans une seconde phase, et un support qui permet la rotation du dispositif de réaction autour d'un axe de rotation si bien que les bandes se déplacent autour de l'axe en subissant des torsions et des détorsions. 12. Moteur selon la revendication 11, caractérisé enoe que le dispositif de réaction comprend un moyeu qui peut tourner par rapport au support qui le porte, chacune des bandes étant disposée radialement à partir du moyeu 13. Moteur selon la revendication 12, caractérisé en ce que le dispositif de torsion est disposé annulairement autour du moyeu, à une certaine distance radiale de celui-ci. 14. Moteur selon la revendication 13, caractérisé en ce que le support délimite des passages radialement entre le moyeu et le dispositif de torsion afin qu'un fluide puisse y circuler en passant sur les bandes en direction axiale par rapport au moteur. 15. Moteur selon la revendication 135 caractérisé en ce que le dispositif de torsion comprend un dispositif à came destiné à tordre sinusoidalement les bandes et à permettre leur détorsion. 16. Moteur selon la revendication 15, caractérisé en ce que le dispositif de torsion comprend un-bras de levier fixé à l'extrémité externe de chaque bande et coopérant. avec le dispositif à came. 17. Moteur selon la revendication 16, caractérisé en ce que le dispositif à came a une surface de came tournée vers l'axe et disposée circulairement autour de l'axe de rotation, et les bras de levier sont disposés transversalement aux bandes. 18. Moteur selon la revendication 17, caractérIsé en ce qu'il comprend un galet porté à ltextrémité externe de chaque bras de levier et destiné à coopérer avec la surface de came. 19. Moteur selon la revendIcation 18, caractérisé en ce que la distance axiale séparant la surface de came des bandes empêche les bras de levier d'atteindre une position parallèle à l'axe.