Brevet FR2428157A1 — publié le 19800104

L'invention a pour objet un moteur solaire qui fonctionne à l'aide d'un fluide à bas point d'ébullition comme les dérivés d'hydrocarbures renfermant du chlore et du fluor, comme le trichlorofluorométhane, connus sous les marques FREON ou FORANE. L'invention ne concerne pas ces fluides eux-mêmes et n'est pas limitée aux fréons; le moteur de l'invention peut.fonctionner avec tout fluide ayant des propriétés physiques analogues à ces derniers comme le gaz ammoniac, le butane, l'isobutane, etc. On sait déjà que l'on peut réaliser des moteurs du type des machines à vapeur, fonctionnant grâce à un fluide tel que défini ci-dessus. En raison du coût généralement élevé de ces fluides, ces moteurs fonctionnent en cycle fermé et des mesures particulières sont prises pour supprimer toute fuite possible de fluide. Ceci implique un usinage précis des pièces mobiles et un jeu aussi faible que possible entre elles. Or, les fluides en question ont un certain pouvoir solvant qui rend difficile une lubrification suffisante et constante dans le temps des pièces frottantes qui n'ont qu'un jeu très réduit. Pour remédier à cette difficulté, on s'est efforcé de concevoir des moteurs solaires ayant des pièces mobiles fonctionnant à sec, sans lubrifiant.On y parvient généralement grâce à des pièces en matière spéciale,char- gées de graphite, qui n'évitent pas de prévoir un usinage précis de sorte que le coût de fabrication de ces moteurs reste élevé cependant que l'on n'échappe pas totalement au risque de fuites pendant le fonctionnement. L'invention a pour but principal d'éliminer totalement dans un moteur solaire la possibilité de fuites du fluide et la nécessité d'un usinage précis des pièces, si bien que le coût de réalisation et les dépenses de fonctionnement et d'entretien de ce moteur sont fortement abaissés. Selon l'invention, un moteur solaire, raccordé par l'intermédiaire d'un distributeur à un capteur solaire où se produit la transformation en vapeur d'un fluide approprié et à un condenseur où se produit la transformation en liquide de la vapeur du fluide, comprend au moins une enceinte hermétique à paroi déformable disposée entre un plateau fixe et un plateau mobile opposé associé à des guides de son déplacement, le condenseur étant du type d-'un échangeur de chaleur à refroidissement par eau à une température inférieure à la température de condensation du fluide. De préférence, l'eau arrivant à une température appropriée circule à travers l'échangeur de chaleur. Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, le plateau mobile est attelé au piston d'une pompe de pompage d'eau et l'eau fournie par cette pompe est mise avant son utilisation au moins partiellement en circulation à travers l'échangeur de chaleur. Dans un moteur solaire de l'invention ayant une seule enceinte hermétique à paroi déformable, les plateaux sont disposés l'un au-dessus de l'autre, en sens vertical, l'enceinte étant disposée entre eux et les moyens d'attelage du plateau mobile à l'organe à entraîner sont verticaux de sorte que le poids des pièces déplacées assure la compression de l'enceinte et l'envoi du fluide gazeux au condenseur après une course de gonflement sous l'effet du fluide gazeux venant du capteur solaire. Dans un moteur solaire de l'invention ayant deux enceintes hermétiques à paroi déformable, celles-ci sont placées de part et d'autre d'un même plateau, entre deux autres plateaux espacés; on a alors un moteur à double effet auquel on peut donner une orientation quelconque dans l'espace. Dans de nombreuses circonstances, il est préférable de prévoir un cycle de fonctionnement appelé ici diurne, du moteur de l'invention en prévoyant dans le condenseur un ballon apte à contenir le volume de tout le fluide liquide condensé pendant toute la durée de l'ensoleillement du capteur solaire, et un ballon placé en aval du capteur solaire et apte à contenir une fraction substantielle du fluide gazeux fourni par le capteur solaire pendant la durée de l'ensoleillement; dans ce cas, le ballon de fluide liquide est raccordé au capteur par une tubulure munie d'une vanne d'arrêt qui est fermée le jour et ouverte la nuit. Pour mieux faire comprendre l'invention, on donnera maintenant une description d'un exemple préféré d'un moteur solaire de l'invention sous son aspect le plus simple; on se reportera au dessin annexé dans lequel - la figure 1 est une vue générale en partie en coupe et en partie schématiaue d'un moteur solaire à simple effet conforme à l'invention attelé à une pompe de pompage d'eau - la figure 2 est une représentation schématique d'une partie d'un moteur solaire à double effet conforme à l'invention -la figure 3 est une vue montrant une variante de réalisation du moteur de la figure 2 -la figure 4 est une vue en coupe à petite echelle montrant un détail de montage du moteur de l'invention. Un moteur solaire conforme à l'invention est conçu pour fonctionner à partir d'un capteur solaire 1 qui est d'un type quelconque approprié capable, quand il est exposé au soleil, de provoquer la vaporisation d'un fluide 2. Celui-ci est à point d'ébullition peu élevé, inférieur à la température que peut fournir couramment le capteur solaire 1. Les fluides de ce genre : butane, isobutane, gaz ammoniac ou hydrocarbures chlorés et fluorés connus sous les marques Fréon ou Forane, etc..., sont bien connus et il ne semble pas utile d'en parler davantage. Dans l'exemple décrit ici, le fluide employé est du Fréon 11 qui donne à 23,80C une tension de vapeur de I bar et à 650C de 3,7bars. Le capteur solaire 1 est raccordé à un ballon 3 de fluide gazeux qui est lui-même réuni par une canalisation 4 à un distributeur 5. Ce dernier est d'un type quelconque approprié, connu en soi, de préférence susceptible d'être totalement hermétique, par exemple de type mécanique à soufflets d'étanchéité, ou de type magnétique, ou hydraulique, ou pneumatique. Bien entendu, si l'on veut s'affranchir de sources d'énergie extérieures, il est possible, par exemple,d'adopter un distributeur mécanique ayant par exemple un tiroir intérieur coulissant prolongé par des tiges de commande opposées qui sont enfermées chacune dans un soufflet étanche 6. Le distributeur 5 permet de mettre la canalisation 4 en communication avec une première canalisation 7 en les isolant l'une et l'autre d'une seconde canalisation 8, ce qui est le cas sur la figure 1, dans une première position, ou d'isoler la canalisation 4 et de réunir les canalisations 7 et 8 dans une seconde position. La canalisation 7 aboutit à une enceinte hermétique 9, à paroi déformable et la canalisation 8 aboutit à un condenseur 10. L'enceinte hermétique et déformable 9 est réalisable en toute matière appropriée; on trouve dans le commerce un caoutchouc synthétique, résistant au Fréon, qui convient bien. On peut donner à l'enceinte 9 toute forme jugée convenable soit sphérique dans certains cas, soit cylindrique avec des plis en accordéon, soit parallélépipédique également avec des plis en accordéon, etc.. Dans tous les cas, l'enceinte 9 est disposée entre un premier plateau fixe 11 et un second plateau mobile 12. Celui-ci est opposé au plateau fixe 11 de l'autre côté de l'enceinte 9 et, de préf é- rence, il est guidé dans ses mouvements. Dans le présent exemple, une ossature 13 supporte fermement le plateau fixe 11 horizontalement, en dessous de l'enceinte 9; le plateau mobile 12 placé au-dessus de l'enceinte 9 est pourvu à sa périphérie de plusieurs éléments 14 qui entourent le plateau fixe 11 et qui servent de guides pour les mouvements du plateau mobile 12 par rapport à ce plateau fixe 11. L'enceinte 9 communique avec la canalisation 7 par l'intermédiaire d'une ouverture ménagée à travers sa paroi inférieure et à travers le plateau fixe 11.Bien entendu, l'enceinte 9 est fixée à chacun des plateaux, par exemple par collage, ou par tout autre moyen convenable. Les éléments 14 s'étendent assez loin au-delà du plateau fixe 11 pour permettre le gonflement maximum de l'enceinte 9 et ils sont fixés à la périphérie d'un disque 15 équipé en son centre d'une tige 16. Celle-ci s'étend à l'opposé des plateaux 11, 12 et, comme elle est solidaire en déplacement du plateau supérieur 12 qui est le plateau mobile, elle constitue une tige motrice à laquelle on peut atteler l'organe récepteur à entraîner. Avec la disposition relative des plateaux 11 et 12 que l'on vient de décrire, on obtient un moteur à simple effet. Quand le plateau mobile 12 a été soulevé par le gonflement de l'enceinte 9, il revient à sa position initiale de la figure 1 sous l'effet de la gravité pendant que l'enceinte 9 est mise en communication à travers le distributeur 5 avec le condenseur 10. A cet effet, le plateau mobile 12 est muni de deux tiges de poussée opposées 20 et 21 disposées pour repousser d'une position à l'autre le tiroir du distributeur 5 à la fin de chaque course de ce plateau. Le condenseur 10 peut être d'un type quelconque approprié; cependant, il est préférable d'employer un échangeur de chaleur simplifié composé d'un bac 17 contenant de l'eau au sein de laquelle est plongé un serpentin 18 auquel aboutit a canalisation 8. A sa sortie, le serpentin 18 est raccordé par une canalisation de retour 19 au capteur solaire 1. On peut employer un bac 17 d'un volume suffisamment grand et contenant de l'eau à une température assez basse au début d'une journée pour qu'elle assure la condensation du fluide pendant toute la durée de la marche du moteur, c'est-à-dire pendant toute la durée d'un ensoleillement suffisant du capteur 1. Ensuite, au cours de la nuit, ce volute d'eau qui s'est échauffé pendant la marche, se refroidit en dessous de23,80Cpour être utilisable à nouveau le jour suivant. Toutefois, il est préférable de maintenir de l'eau en circulation à travers le bac 17, en la déversant dans celui-ci par un tube 22 avant de l'envoyer par un tube de sortie 23 à son utilisation finale. Cette conception réduit les dimensions du bac 17; elle facilite le refroidissement de l'eau, si ce refroidissement est nécessaire, et elle convient bien quand la tige 16 est attelée à l'arbre d'une pompe alternative 24 qui est immergée dans un puits 25; il n'est pas utile de décrire une telle pompe, connue en soi. On obtient, de cette façon, un ensemble moteur solaire - pompe à eau totalement autonome qui fonctionne sans fourniture d'énergie extérieure et qui fournit de l'eau arrivant à une température assez basse, à coup sûr, pour garantir le fonctionnement convenable du condenseur 10, avant de connaître son utilisation finale. Dans cet aspect le plus simple du moteur solaire de l'invention, de même qu'il est préférable de prévoir, en aval du capteur solaire 1, un ballon 3 de vapeur, il est avantageux aussi de prévoir, en aval du serpentin 18 de condensation, un ballon 26 de fluide liquide, plongé dans l'eau du bac 17. En outre, une vanne 27 est placée sur la canalisation 19, entre le condenseur 10 etle capteur solaire 1. Un ensemble moteur solaire - pompe à eau comme celui de la figure 1 a été réalisé à partir d'un capteur solaire du commerce prévu pour l'eau et adapté au fréon par le remplacement des matières incompatibles avec ce dernier. La pression du Fréon 11 était de 3,7 bars; quand la température à l'intérieur du capteur 1 atteignait 650C, l'enceinte 9 se gonflait et se dégonflait avec un cycle de trois coups par minute et la pompe 24 fournissait 10 litres d'eau par coup soit 30 litres par minute. L'excès de fluide vaporisé pendant un plus fort ensoleillement se rassemble dans le ballon 3 et le fluide condensé se rassemble dans le ballon 26. A la fin du jour, le moteur s'arrête de lui-même et il suffit d'ouvrir la vanne 27 pour que le Fréon liquide retourne, par gravité, au capteur 1-.Si le volume de celui-ci est insuffisant, on lui adjoint un ballon auxiliaire 28 apte à recueillir tout le liquide excédentaire. La puissance du moteur dépend de la surface du cap teur solaire; on peut atteindre une puissance de 2 kW avec des dimensions encore raisonnables du capteur et du moteur. Ce dernier fonc tionne à une pression de 3 bars, peu élevée; par conséquent, son coût de fabrication est modéré et les risques de fuite sont pratiquement nuls. Pour obtenir une marche plus automatique, on peut remplacer la vanne 27 par un clapet anti-retour ou par une soupape tarée qui s'ouvre pour laisser revenir le fluide liquide du ballon 26 quand la pression a baissé dans le capteur solaire 1. A condition de.prélever de la puissance sur le moteur, on peut aussi placer une pompe d'injection sur la cana lisation 19, a la place de la vanne 27, pour renvoyer à chaque course, sous pression, dans le capteur 1, le fluide condensé dans le condenseur 10; on peut se dispenser alors du ballon 26. On trouve dans le commerce des pompes d'injection de ce genre. L'invention n'est pas limitée à l'exemple simple décrit ci-dessus. On peut utiliser plusieurs enceintes 9, afin de disposer d'une plus grande force à chaque course motrice ou augmenter la course en superposant plusieurs enceintes. on obtient facilement un moteur a double ettet, qui peut donc avoir une orientation quelconque dans l'espace, en disposant uoeou plusieurs enceintes 90, identiques ou non, de part et d'autre d'un même plateau 100, comme on peut le voir sur les figures 2 et 3. A ce plateau central 100 sont associés deux autres plateaux 101 et 102.Les enceintes 90 sont alternativement comprimées ou dilatées entre l'un ou l'autre côté du plateau central 100 et l'un ou l'autre des plateaux 101 et 102. On peut, à volonté, prévoir à la construction, que le plateau central 100 sera mobile entre les plateaux fixes 101 et 102; ceux-ci sont alors réunis par des entretoises 103 qui servent de moyens de guidage du plateau mobile 100 (cas de la figure 2). On peut prévoir aussi que le plateau central 100 sera fixe et les plateaux 101 et 102 mobiles (cas de la figure 3); un tronçon cylindrique 104 entoure alors le plateau fixe 100 et sert de moyen de guidage des plateaux mobiles 101 et 102. Bien entendu, le distributeur 5 est d'un type convenable et il alimente alternativement en fluide gazeux par des canalisations 7a et 7b les enceintes 90. Sur la figure 2, la canalisation 7b est souple et elle accompagne l'enceinte 90 correspondante dans ses mouvements en passant par une ouverture 105 ménagée dans le plateau 101 à côté d'une ouverture 106 destinée au passage de la tige motrice 16. Une ringlerie convenable, non représentée, permet la manoeuvre du dis-rbuteur 5 par le ou les plateaux mobiles 100 ou 101-102. Les figures 2 et 3 montrent aussi que les enceintes 9 peuvent avoir toute forme jugée souhaitable, ellipsoidale ou torique . On notera à ce propos qu'une forme sphérique ou similaire a un effet avantageux dans un moteur de l'invention. Quand une enceinte sphérique 9 est aplatie entre deux plateaux 11, 12, elle a une grande surface =le contact avec le plateau mobile 12, ce qui applique une force importante à ce dernier au début du gonflement : autrement dit la force de démarrage est important. A mesure que l'enceinte 9 se rapproche de la forme sphérique, la surface de contact avec le plateau diminue et la force appliquée à ce dernier diminue aussi. Ceci est favorable à une fin de course adoucie. I1 ressort de la description qui précède que le moteur solaire de l'invention est simple a fabriquer, qu'il est absolument étanche sans causer de difficulté de lubrification. I1 peut fonctionner avec sûreté sans entretien et même sans aucune surveillance pendant de longues périodes. Dans les exemples décrits ci-dessus, on a supposé que le plateau mobile 12 était associé à des moyens de guidage de son déplacement. En fait, ces moyens ne sont pas strictement nécessaires étant donné la course plutôt faible du déplacement et la lenteur de son exécution. La figure 4 est une vue partielle en coupe qui illustre un mode de montage préféré de l'enceinte 9 entre un plateau fixe ll et un plateau mobile 12. La canalisation 7 qui relie l'intérieur de l'enceinte 9 au distributeur 5 se termine par un raccord 29 qui traverse le plateau fixe 11 par une ouverture 30. Cet agencement est analogue à celui d'une valve de chambre à air et il ntest pas utile de le décrire plus en détail. Du côté du plateau mobile 12, une ouverture 31 est ménagée dans ce dernier, en correspondance avec l'ouverture 30 du plateau fixe 11. Un boulon 32 ayant une tête élargie 33 est introduit par sa tige dans cet ouverture, la face extérieure de la tête 33 du boulon est en contact avec la paroi de l'enceinte 9. Une rondelle 34 de grand diamètre laisse passer la tige en couvrart l'autre face de la tête 2 du boulon 32. Cette rondelle 34 est, par exemple, en matière synthétique souple. Elle déborde de la tête 33 et elle est collée à la paroi de l'enceinte 9. Un écrou 35 se visse sur la tige du boulon, de l'autre côté du plateau mobile 12, de sorte que la rondelle 34 est serrée entre ce dernier et la tête 33 et que la paroi de l'enceinte 9 est rendue solidaire du plateau mobile 12 par une grande partie de sa surface. Ce mode de montage assure une bonne tenue en position relative des plateaux 11, 12 et de l'enceinte 9 et permet de se dispenser de tout autre moyen de guidage du plateau mobile. PEVENDICATIONS 1 / Moteur solaire ayant un volume utile variable entre une valeur inférieure et une valeur supérieure, raccordé par l'intermédiaire d'un distributeur à un capteur solaire où est vaporisé un fluide approprié et à un condenseur où la vapeur est condensée en liquide, caractérisé en ce que le volume utile varia- ble est celui d'au moins une enceinte hermétique (9) à paroi souple et déformable disposée entre un plateau fixe (11) et un plateau mobile (12) opposé au plateau (11), ce plateau mobile (12) étant relié par des tiges de commande (20, 21) au distributeur (5) pour manoeuvrer ce dernier et muni d'une tige motrice (16). 20/ Moteur solaire selon la revendication 1 caractérisé en ce que le condenseur (10) comprend un serpentin (18) de condensation du fluide venant de l'enceinte (9), ce serpentin (18) étant placé dans un bac (17) contenant de l'eau de refroidissement. 30/ Moteur solaire selon la revendication 2 caractérisé en ce que le bac (17) est parcouru pendant la marche du moteur par un courant d'eau de refroidissement. 40/ Moteur solaire selon la revendication 3 caractérisé en ce que la tige motrice (16) est accouplée à l'arbre d'une pompe (24) immergée dans un puits (25) et l'eau fournie par cette pompe pendant la marche du moteur est déversée dans le bac (17) avant d'être dirigée vers son utilisation finale. 50/ Moteur solaire selon l'une quelconque des revendications 2, 3 caractérisé en ce qu'un ballon (3) de vapeur du fluide est monté en aval du capteur solaire (1) tandis qu'un ballon (26) de fluide liquide est monté en aval du serpentin (18) dans l'eau du bac (17). 60/ Moteur solaire selon la revendication 5 caractérisé en ce que le ballon (26) de fluide liquide et le capteur solaire (1) sont réunis par une canalisation (19) sur laquelle est monté un organe choisi parmi les suivants : une vanne à commande manuelles un clapet anti-retour, une soupape tarée, une pompe d'injection du fluide liquide dans le capteur. 70/ Moteur solaire selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs enceintes hermétiques (9) à paroi souple et déformable disposées entre deux plateaux. 80/ Moteur solaire selon la revendication 7 caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs enceintes hermétiques (90) disposées de part et d'autre d'un même plateau central (100), deux autres plateaux (101, 102) étant placés respectivement sur les côtés opposés des enceintes hermétiques (9o), le plateau central (100) étant fixe et les plateaux (101, 102) étant mobiles et solidaires de la tige motrice (16). 90/ Moteur solaire selon la revendication 7 caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs enceintes hermétiques (90) disposées de part et d'autre d'un même plateau central (100), deux autres plateaux (101, 102) étant placés respectivement sur les côtés opposés des enceintes hermétiques (90), le plateau central (loto) étant mobile et équipé de la tige motrice (16) tandis que les plateaux (101, 102) sont fixes. 100/ Moteur solaire selon la revendication 1 caractérisé en ce que la paroi de l'enceinte (9) est rendue solidaire du plateau mobile (12) au moyen d'un boulon à tête élargie (33) appliquée par sa face extérieure contre cette paroi et couverte sur sa face opposée par une rondelle (34) débordante qui est rendue adhérente à la paroi de l'enceinte (9), le boulon ayant une tige (32) qui traverse le plateau mobile (12) par une ouverture (31) pour recevoir un écrou (35).