Brevet FR2390582A1 — publié le 19781208

La présente invention concerne une machine comprenant une enceinte à volume variable et utilisant un fluide compressible à une pression supérieure à celle d'un milieu ambiant pour produire un travail mécanique sous forme d'une expansion de l'enceinte, cette enceinte communiquant avec le milieu ambiant par l'intermédiaire d'un orifice d'échappement dont l'ouverture est commandée lorsque le volume de l'enceinte approche de ou atteint sa valeur maximale. De telles machines, et notamment des machines thermiques permettant l'obtention d'un travail mécanique à partir d'un cycle thermodynamique à vaporisation, sont connues depuis fort longtemps. Toutes les machines de ce type développées à ce jour utilisent des obturateurs mettant un cylindre d'expansion alternativement en communication avec une capacité à haute pression et avec une enceinte à basse pression. tes obturateurs sont commandés par le mouvement du piston fermant le cylindre d'expansion et la fréquence d'oscillation du piston, théoriquement libre, est contrôlée par un régulateur de vitesse. Ces machines ont atteint un haut degré de perfectionnement mais sont cependant mal adaptées aux petites cylindrées, assez complexes du fait des tiroirs d'obturation et des ensembles bielles-manlvelles,et relativement cotteu- ses. Ces inconvénients;constituent un obstacle certain pour l'application de telles machines àla récupération, aujourdlhui-vive- ment souhaitée.même à faible rendement, d'énergie thermique par reconversion en énergie directement utilisable, et notamment en énergie mécanique. Il est donc souhaitable que l'énergie mécanique devienne un sous-produit des installations de chauffage et puisse être produite sur place mais de façon généralisée, et c1est le but essentiel de-la présente invention que de réaliser une mach-ine permettant notamment, de façon simple, autonome, et pour un coût et un entretien réduits, la récupération d'énergie thermique par reconversion en énergie mécanique. ta machine selon l'invention est essentiellement caractérisée en ce que l'enceinte à volume variable est continûment reliée à une source de fluide sous pression à travers au moins un premier orifice d'admission, et en ce que l'expansion de l'enceinte agit, à l'encontre d'une force élastique, pour déplacer dans un premier sens une masse ultérieurement déplacée dans un sens iaverse sous l'action de la force élastique, lors d'une phase de compression de l'enceinte. Un mode particulier de réalisation de l'invention sera décrit ci-après, 9 titre indicatif et nullement limitatif, en référence au dessin annexé sur lequei : La figure 1 est une vue en coupe schématique partielle d'une machine conforme l'invention. La figure 2 est une vue en coupe schématique d'un mode particulier de réalisation d'un détail de la machine de la figure 1. La figure 3 est une vue en coupe schématique partielle d'une autre machine conforme à l'invention. ta machine de l'invention comprend une enceinte à volume variable 1 et utilise un fluide compressible F, par exemple de la vapeur, à une pression supérieure à celle d'un milieu ambiant 2 pour produire un travail mécanique sous forme d'une expansion de l'enceinte. L'enceinte 1 communique avec le milieu ambiant 2 par l'intermédiaire d'un orifice d'échappement 3 dont l'ouverture est commandée lorsque le volume de l'enceinte approche de ou atteint sa valeur maximale. L'enceinte 1 est reliée en permanence à une source 4 de fluide sous pression à travers tn premier orifice d'admission 5, et l'expansion de l'enceinte agit, à l'encontre d'une force élastique par exemple exercée par un ressort 6, pour déplacer dans un premier sens une masse 7 ultérieurement déplacée dans un sens inverse de ce premier sens, sous l'action de la force élastique, lors d'une phase de compression de l'enceinte. On démontre en effet qu'une enceinte à volume élastiquement variable alimentée en permanence par un gaz évacué à travers un orifice dont la section varie avec la déformation de l'enceinte se met naturellement en vibration lorsque la fréquence mécanique de l'oscillateur constitué par la masse en mouvement associée à la force élastique est supérieure à la fréquence acoustique de l'en- ceinte. L'utilisation de ce phénomène permet, selon l'invention, de réaliser une machine volumétrique sans soupape d'admission, et dont la pression interne, pendant le temps moteur, décroît quand le volume de l'enceinte augmente. Après l'évacuation des gaz en fin d'expansion par ouverture de f ltorifice dtéchappement 3, le temps de compression se fait échappement fermé et admission ouverte. L'énergie nécessaire à la compression de la chambre est fournie par l'oscillateur 6, 7 et plus précisément par le ressort 6 qui doit, pendant la phase d'expansion de l'enceinte, avoir emmagasiné assez d'énergie pour permettre la compression. L'enceinte 1 à volume variable est de préférence constituée par une chambre à parois déformables, réalisée par exemple au moyen d'une culasse concave 8 fermée par une membrane déformable 9. Ce mode de réalisation présente l'avantage, par rapport à l'emploi d'un cylindre et d'un piston, d'éliminer le problème de l'étanchéité entre deux pièces en mouvement relatif. Dans la culasse 8 sont percés le premier orifice d'admission 5 réglable au moyen d'un pointeau tO et l'orifice d'échappement 3 fermé par une coupelle 11 dans laquelle coulisse, us Jusqu'à une butée 12, une tige 13 fixéeà la membrane 9 de manière à ne soulever la coupelle Il et ouvrir l'orifice 3 que lorsque l'enceinte 1 a atteint une expansion telle que la butée 12 de la tige touche la coupelle. ta culasse 8 est montée sur un châssis 14 sur lequel le ressort 6 prend appui. Bien que les figures 1 et 3 représentent réellement un ressort 6 et une masse 7 faisant partie intégrante de la machine, il peut être possible soit d'associer ce ressort et cette masse au récepteur 15 d'énergie mécanique que la machine fait fonctionner, soit d'intégrer la masse 7 à celle de la partie mobile de l'enceinte à volume variable, et notamment de la membrane 9, et de remplacer le ressort par ltélasticite de celle-ci. Par ailleurs, il peut être préférable de faire varier le débit d'admission de façon à le rendre maximum en fin du temps de compression. A cette fin, un second orifice d'admission 16, fermé par une bille 17 poussée par un ressort, peut être prévu dans la culasse 8, en combinaison avec un butoir 19 solidaire de la membrane et destiné à ouvrir le second orifice d'admission 16, par repoussement de la bille 17, lorsque la chambre atteint son état de compression maximum. Des tuyauteries d'admission 20 et d'échappement 21 sont prévues sur la culasse 8 et une prise de puissance mécanique 22 cons tituée sur la figure 3 par un levier tournant autour d'un point fixe 23 transmet les mouvements de la membrane 9 au récepteur 15. Au démarrage de la machine, la vapeur introduite par l'orifi- ce 5 dilate la membrane 9.en comprimant le ressort 6. Dès que l'en ceinte 1 atteint sa pleine expansion, la tige 13 entrain la coupelle il et l'échappement de vapeur par l'orifice d'échappement-3 entraîne une accélération de la masse 7 vers le bas. Pendant quelques oscillations à la fréquence-propre de l'osclllateur 6,7, l'amplitude des déformations de l'enceinte 1 augmente jusqu'à ce que le butoir 19 vienne mettre l'admission supplémentaire 16 en phase avec le mouvement L'amplitude des défcrmations est fixée par la longueur de la tige 13. Cette longueur peut être modifiée manuellement ou être rendue proportionnelle à la pression moyenne dans l'enceinte 1 par insertion, entre la butée 12 de la tige 13 et la coupelle 11, d'un ressort 24. Il est possible d'utiliser une partie de l'énergie mécanique fournie par la machine pour actionner une pompe 25 alimentant un réservoir élastique 26 destiné à approvisionner en eau la chaudière 4 fournissant la vapeur à la machine. Lorsque l'accouplement mécanique de l'enceinte 1 et du récepteur 15 est réalisé au moyen d'un levier 22 (figure 3), il est possible d'une part de régler la fréquence de fonctionnement de la machine par modification de la position du ressort 6 et/ou de la mas se 7 sur ce levier et d'autre part de régler le débit de la pompe 25, par déplacement de celle-ci par rapport au point fixe 23, de manière à garder constant le niveau d'eau 27 dans la chaudiere 4. il est du reste bien entendu que le mode de réalisation décrit ci-dessus a été donné àtitre d'exemple et que des modifications accessibles à l'homme de l'art peuvent y être apportées sans sortir du cadre de l'invention. - I?EvENDICATIONS 1.- Machine comprenant une enceinte à volume variable et utilisant un fluide compressible à une pression supérieure à celle d'un milieu ambiant pour produire un travail mécanique sous forme d'une expansion de l'enceinte, cette enceinte communiquant avec le milieu ambiant par l'intermédiaire d'un orifice d'échappement dont l'ouverture est commandée lorsque le volume de enceinte approche de ou atteint sa valeur maximale, caractérisée en ce que l'enceinte à volume variable 1 est continûment reliée à une source 4 de fluide sous pression à travers au moins un premier orifice d'admission 5, et en ce que ltexpansion de enceinte agit, à l'encontre d'une force élastique, pour déplacer dans un premier sens une masse 7 ultérieurement déplacée dans un sens inverse sous l'action de la force élastique, lors d'une phase de compression de ltenceinte. 2.- Machine suivant la revendication 1, caractérisée en ce que l'enceinte 1 est en outre reliée à la source 4 de fluide sous pression par l'intermédiaire d'un second orifice d'admission 16 dont 11 ouverture est contrôlée et commandée lorsque le volume de l'enceinte atteint ou approche de sa valeur minimale. 3. - Machine suivant la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que le fluide sous pression est une vapeur. 4.- Machine suivant 1'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que 11 enceinte à volume variable 1 est une chambre fermée par une membrane déformable 9. 5.- Machine suivant la revendication 4, caractérisée en ce que l'orifice d'échappement 3 est fermé par une coupelle Il traversée par une tige munie d'une butée 12 et solidaire de la membrane 9. 6.- Machine suivant les revendications 2 et 4, caractérisée en ce que le second orifice d'admission 16 est fermé par une bille poussée par un ressort et qutun butoir 19 solidaire de la membrane 9 déplace lorsque l'enceinte atteint sa compression mn male. 7A- Machine suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'ouverture de l'orifice d'échap. pement 3 est rendue sensible à la pression régnant dans l'enceinte 1, au moyen d'un ressort 24. 8.- Machine suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre une prise de puissance mécanique 22 sous forme d'un levier le long duquel 1' un au moins des éléments ressort 6 - masse 7, peut être déplacé pour permettre un réglage du fonctionnement de la machine. 9.- Machine suivant les revendications 3 et 8, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre une pompe 25 actionnée par le levier 22 et permettant une alimentation réglable, en fluide liquide, de la source 4-de vapeur.