Brevet FR2358544A1 — publié le 19780210

L'invention a pour objet un moteur à vapeur conçu principalement, mais non exclusivement, pour fonctionner sous effet d'un fluide qui présente un faible écart de températures entre ses deux états gazeux et liquide. Comme exemple de tels fluides on peut citer les suivants: le butane, le chlorure de méthyle, l'anhydride sulfureux, de nombreux dérivés chlorés et fluorés des hydrocarbures couramment désignés dans le commerce sous le nom de fréons ou de foranes. T'emploi de ces fluides a tendance à se développer dans les installations dont la source d'énergie thermique est le rayonnement solaire.Le fluide circule en circuit fermé entre une chaudière solaire où il est vaporisé et un condenseur où il est liquéfié,en traversant un moteur à cylindre et à piston où une partie de son énergie thermique est transformée en énergie mécanique à une température modérée allant de 60 à 1000C environ. Des moteurs de ce type sont déu,.à connus et utilisés mais leur emploi n'est pas satisfaisant au point de vue économique. Ceci découle du coût élevé, comparativement à l'eau, du fluide utilisé et, en plus, de la difficulté qutil y a, dans les pays à fort ensoleillement souvent semi-désertiques, à compenser par un nouvel apport les pertes et les fuites de fluide moteur. Il est donc nécessaire qu'un moteur du type défini plus haut soit capable de marcher pendant de très longues durées, sans perturbation et sans aucune fuite, grâce a une premiè-re et unique charge de fluide. La pratique a montré que, sur les moteurs classiques, les fuites de fluide ne sont pas la seule cause des pannes. Dans ces moteurs, le piston est lubrifié dans le cylindre par des moyens connus grâce à une quantité de lubrifiant qui se rassemble dans le fond d'un carter. Or, il se produit d'une part une dissolution du lubrifiant dans le fluide moteur, ce qui nuit à une lubrification convenable,dautre part une acuu- mulation dans le carter du fluide qui se mélange au lubrifiant, ce qui réduit la puissance du moteur. L'invention a pour but principal de parvenir à un moteur à vapeur pour fluide du type défini plus haut dans lequel les perturbations mentionnées plus haut dues au mélange du fluide moteur et du lubrifiant sont éliminées. Un but secondaire de l'invention est de parvenir, en outre, à supprimer toute perte de fluide au cours du fonc tionnement du moteur. On atteint le but principal indiqué ci-dessus grtce à un moteur à vapeur dans lequel, selon l'invention, le guidage des organes ayant des surfaces en frottement qui sont en contact avec le fluide moteur est du type dit à sec tandis que ltextré- mité de la tige de piston située hors du cylindre est fixée à un coulisseau guidé en translation et sur lequel est articulé le pied de la bielle du moteur. Dans un moteur à vapeur qui présente la caractéristique précisée ci-dessus, la suppression des fuites de fluide moteur ou, ce qui revient au mime, la récupération des fuites et, par conséquent, l'élimination de leur effet néfaste, est grandement facilitée. Selon une autre caractéristique de l'invention, la tige de piston traverse un presse-garniture d'étanchéité monté sur une cloison espacée de la paroi extrême du cylindre par laquelle sort cette tige de piston. L'espace compris entre cette cloison et la paroi extrême du cylindre est fermé pour constituer une chambre de récupération qui est raccordée au condenseur du fluide moteur. D'autres caractéristiques de l'invention ainsi que ses avantages apparattront au cours de la description que l'on donnera maintenant, uniquement â titre d'exemple, d'un mode de réalisation0 On se reportera aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 est une vue en coupe par un plan vertical passant par l'axe d'un moteur à vapeur conforme à l'invention; - la figure 2 est une vue partielle du même moteur en coupe par un plan horizontal passant par l'axe; - la figure 3 est une vue en coupe d'une pompe alimentaire faisant partie du moteur de la figure 1, - la figure 4 est une vue générale schématique en perspective du mEme moteur montrant l'ensemble du circuit de récupération des fuites. Le moteur décrit en exemple comprend un cylindre 1 contenant un piston 2 à déplacement alternatif pourvu d'une tige de piston 3 qui traverse l'une des parois extrmes 4 du cylindre 1. Dans cette paroi 4 est placé un presse-garniture 5 qui enserre la tige de piston 3. À son extrémité située hors du cylindre 1 la tige 3 est fixée à un coulis seau 6 guide en translation à l'intérieur d'une glissière 7. Une bielle 8 est articulée par son pied 9 sur le coulisseau 6 et elle est réunie par sa tête 10 à un maneton d'un vilebrequin 11. Le vilebrequin Il est supporté par des paliers (non représentés) et il est muni à l'une de ses extrémités (figure 2) d'un maneton auxiliaire 12 sur lequel sont articulées une tige 13 associée à un dispositif de distribution et une bielle 15 qui entraîne une pompe alimentaire alternative 15 (fig. 3). Le dispositif de distribution comprend un tiroir 14 de type cylindrique avec une dépression annulaire centrale 17 (fig. 2) qui sert à commander l'admission et l'échappement de la vapeur par rapport au cylindre 1. Le tiroir 1 coulisse dans une chemise 18 facilement remplaçable. il ne semble pas utile de décrire davantage les détails de la constitution du moteur qui sont connus en soi. Selon l'invention, le guidage du piston 2 monté dans le cylindrel est du type dit à sec en ce sens que le contact nécessaire à l'étanchéité des surfaces en frottement ne demande pas de lubrifiant qui serait fourni par un circuit extérieur de graissage. Plusieurs moyens de frottement à sec connus en soi peuvent être adoptés. Dans cet exemple, le piston 2 est pourvu de segments d'étanchéité 19, connus dans le commerce, qui sont réalisés en polytétrafluoroéthylène avec une charge de carbone. Comme les efforts engendrés par les positions obliques de la bielle 8 sont supportés par la glissière 7 et le coulis seau 6, on constate que, gracie à l'invention, on a réalisé une séparation totale entre le circuit du fluide moteur à travers le cylindre 1 et le circuit de graissage qui intéresse la glissière 7 et le coulisseau 6. Le tiroir de distribution 14 est pourvu aussi de seg -ments d'étanchéité 20 en PTZE chargé en carbone. il est supporté par une tige 21 qui coulisse à sec dans des coussinets 22, 23 également en PTFE chargé en carbone. De cette façon l'envoi au tiroir de distribution d'un lubrifiant n'est pas nécessaire. La tige 21 traverse un presse-garniture d'étanchéité 24 et on remarquera que, grâce à la distribution qui a lieu par la dépression centrale 17, ce presse-garniture 24 n'est pas soumis à l'effet de la vapeur à pression élevée. il n'y a pas de fuite à craindre à cet endroit mais, au contraire, il peut y avoir des fuites par le presse-garniture 5 qui entoure la tige de piston 3. En effet, dans un moteur à double effet comme celui que l'on décrit, ce presse-garniture 5 est exposé à la vapeur à la pression la plus élevée. après sa sortie par la paroi 4 du cylindre 1, la tige de piston 3 traverse un second presse-garniture 25 qui est monté dans une cloison 26 espacée de la paroi 4 du cylindre 1. L'espace 27 qui est compris entre la cloison 26 et la paroi 4 est entièrement fermé; il constitue alors une chambre de récupération des fuites qui est raccordée au condenseur du fluide moteur comme on l'expliquera plus loin. La pompe alimentaire 16 est du type à piston plongeur 28 (figure 3) qui coulisse à sec dans une douille 29 en PTFE située juste à l'entrée du corps de cette pompe 16. Le piston plongeur 28 évolue à l'intérieur d'un volume borgne 30 ayant une entrée 31. Un canal transversal 32 est percé au voisinage de l'entrée 31 à travers la paroi du corps de la pompe. A ce canal est raccordé un robinet de réglage 33 qui est réuni par une tubulure 34, représentée en partie seulement, à l'orifice d'aspiration 35 de la pompe 16. Cet agencement facilite le réamorçage de la pompe quand elle a fonctionné pendant une certaine durée à un débit inférieur à sa capacité maximale, durée pendant laquelle de la vapeur tend à s'accumuler dans le volume 30.On règle l'ouverture du robinet 33 à la valeur qui convient; en variante, on peut le remplacer par un autre moyen tel qu'un gicleur calibre. La figure 4 montre l'ensemble du circuit de récupération des fuites du moteur de l'invention. Ce circuit sert aussi à recueillir le liquide de purge des divers organes. Sur cette figure le moteur est représenté avec une enveloppe qui entoure une matière calorifuge. À un collecteur 76 situé à un niveau inférieur aboutissent des tubulures 57-38 et 39 de purge du cylindre 1 et de la canalisation d'échappement 40 qui relie la sortie du distributeur au condenseur (non représenté). Une tubulure 41 relie au collecteur 36 la canalisation d'alimentation en vapeur 42 qui vient de la chaudière (non représentée); un robinet 43 monté sur la tubulure 41 permet de fermer celle-ci ou de l'ouvrir en dérivation par rapport au moteur. La pompe alimentaire 16 est précédée d'une soupape d'aspiration 44 qui est raccordée par une tubulure 45 au collecteur 36. La tubulure 34 venant du robinet 33 et du canal 32 aboutit à la tubulure 45. Un presse-étoupe qui précède la douille 29 de la pompe alimentaire 16 est raccordé au collecteur 36 par une tubulure 46 qui part de la partie centrale, en sens longitudinal, de ce presse-étoupe (figure 55. Une tubulure 47 part de la partie supérieure du collecteur 36 et aboutit au condenseur (non représenté). La chambre 27 proche du cylindre 1 est réunie à cette tubulure 47 et, ainsi, au condenseur, par une tubulure 48. La phase liquide des fuites et des purges est aspirée par la pompe alimentaire 16 par la tubulure 45 et la phase vapeur retourne au condenseur par la tubulure 47 Des robinets que l'on n'a pas décrits sont placés aux endroits voulus pour permettre de fermer le passage dans les tubulures quand il le faut. Bu fait du frottement à sec des organes mobiles en contact avec le fluide moteur et de la séparation totale qui en découle entre tout lubrifiant et le fluide moteur, on peut récupérer les fuites possibles en les mélangeant avec les purges et reprendre le tout à l'aide de la pompe alimentaire du moteur, sans craindre aucune contamination du fluide moteur. Les risques de panne et la nécessité de ltentretien sont pratiquement éliminés. REVENDCÀTl0NS 1 - Moteur à vapeur pour fluide moteur vaporisable fonctionnant en liaison avec une chaudière et un condenseur, comprenant au moins un cylindre, un piston coulissant dans le cylindre et ayant une tige de piston, un coulisseau guidé dans une glissière et fixé à la tige de piston, un dispositif de distribution de la vapeur comprenant un tiroir mobile, une pompe alimentaire du type à piston mobile dans un corps de pompe ayant une entrée, caractérisé en ce que les organes tels que le piston et le cylindre, le tiroir de distribution, le piston de la pompe alimentaire ayant des surfaces en frottement qui sont en contact avec le fluide moteur sont montées pour avoir un type de fonctionnement dit à sec. 2 - Moteur à vapeur selon la revendication 1, caracégrisé en ce que lesdites surfaces en frottement sont munies d'éléments de guidage et d'etanchéité réalisés en matière apte à supporter un frottement à sec, sans apport extérieur de lubrifiant. 3 - Moteur à vapeur selon la revendication 2 caractérisé en ce que les éléments de guidage et d'étanchéité sont en polytétrafiuoroéthylène chargé en carbone. 4 - Moteur à vapeurselon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce qu'une cloison 26 espacée du cylindre 1 est pourvue d'un presse-garniture 25 qui est traversé par la tige de piston 3, l'espace compris entre la cloison 26 et le cylindre n est fermé pour constituer une chambre de récupération qui est reliée au condenseur par une tubulure 48. 5 - Moteur à vapeur selon la revendication 4 caractérisé en ce que la pompe alimentaire 16 est du type à piston plongeur 28 mobile dans un volume 30 ayant une entrée pour ce piston, un canal transversal 32 communique avec le volume 30 au voisinage de son entrée et ce canal 32 est réuni à l'aspiration de la pompe 16 par l'intermédiaire d'un moyen 33 ayant une ouverture de passage déterminée. 6 - Moteur à vapeur selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il lui est associé un collecteur 36 relié par des tubulures, à divers points du moteur, pour rassembler les fuites et les purges, ce collecteur 36 est réuni au condenseur à sa partie supérieure et à l'aspiration de la pompe alimentaire 16 à sa partie inférieure. 7 - Moteur à vapeur selon la revendication 1 caractérisé en ce que le tiroir de distribution est du type cylindrique avec une dépression annulaire centrale 17 qui commande l'admission et l'échappement de la vapeur, ce tiroir étant supporté par une tige 21 guidée par des coussinets 22, 23 en PUPE chargé en carbone et étant menté coulissant dans une chemise remplaçable 18, ce même tiroir étant pourvu de segments d'étanchéité 20 en PTFE chargé en carbone. 8 - Moteur à vapeur selon les revendications 6 et 5 réunies, caractérisé en ce que le piston plongeur 28 de-la pompe alimentaire 16 est entouré dtun presse-étoupe dont ia partie centrale est reliée par une tubulure 46 au collecteur 36.