Brevet FR2419391A1 — publié le 19791005

La présente invention concerne un dispositif qui utilise le cycle de fonctionnement Stirling. Un tel dispositif peut être alternativement utilisé comme générateur de force motrice ou comme pompe a chaleur. Un dispositif a cycle Stirling a un cycle de fonctionnement fermé, ou un fluide de travail est comprimé ou détendu de façon cyclique dans une première zone par un moyen de travail1 et est cycliquement rapproché ou éloigné d'une seconde zone, dans laquelle la température du fluide de travail est augmentée par absorption d'énergie, par un moyen de déplacement actionné cycliguement avec le moyen de travail. La présente invention concerne plus spécifiquement un dispositif où le moyen de travail comprend un ensemble piston/cylindre et une entrée de travail vers ,le dispositif ou sortie de travail du dispositif, est constituée d'un moyen d'arbre tournant et ou un moyen d'entrainement est prévu entre le moyen d'arbre et le moyen de travail qui transforme le mouvement rotatif du générateur de force motrice en mouvement alternatif de ce dernier. La présente invention a pour objet de prévoir un moyen d'entrainement perfectionné pour un tel dispositif. Dans des applications où le fonctionnement a lieu dans des environnements où de bas niveaux de vibration sont nécessaires, un certain type d'équilibre dynamique doit êtreincorporé dans le dispositif ; en conséquence, un autre objet de la présente invention est de prévoir un moyen d'équilibre approprié qui permette d'assurer l'obtention de deux niveaux de vibration en fonctionnement. Selon la présente invention, le dispositif cycle Stirling comporte un moyen de travail pour comprimer ou détendre de façon cyclique un fluide de travail incorpore dans un moyen de cylindre et un moyen de piston disposé de façon a pouvoir être animé d'un mouvement de va-et-vient dans ce cylindre, un moyen d'arbre rotatif, et un moyen d'entrainement associant de façon active le moyen de travail au moyen d'arbre comprenant un moyen de piste -lour came ondulatoire et un moyen de galet de came 1l'un étant associé au moyen de travail et l'autre l'étant au moyen d'arbre, de sorte que la rotation du moyen d'arbre provoque un mouvement de va-etvient du moyen de piston et vice-versa. I1 est commode que le moyen de déplacement comprenne un moyen de cylindre et un moyen de piston disposés de açon a être anime d'un mouvement de va-et-vient dans celui-ci, et, dans ce cas, un moyen d'entraînement est prévu qui associe de façon active le moyen de déplacement avec le moyen d'arbre et qui comprend un moyen de piste a came ondulatoire annulaire et un moyen de galet de campe l'un étant associe au moyen de déplacement et l'autre l'étant au moyen d'arbre de façon que la rotation du moyen d'arbre provoque un déplacement alternatif du moyen de piston du moyen de déplacement La présente invention sera bien comprise a la lecture de la description suivante faite en relation avec les dessins ci-joints dans lesquels : La figure 1 est un schéma sous forme de blocs d'une pompe à chaleur a cycle Stirling typique, dans ce cas un dispositif de refroidissement La figure 2 est un schéma sous forme de blocs semblable au schéma de la figure I, mais représentant un générateur de force motrice a cycle Stirling, c'est-a-dire un moteur ; La figure 3 est une vue en élévation de côté, en coupe, d'une pompe a chaleur convenant a une fonction de refroidissement, la coupe étant prise dans un plan comprenant l'axe de symétrie X-X ;; La figure 4 est une vue semblable à la figure 3-représen- tant une partie d'une pompe à chaleur utilisée dans une fonction de refroidissement, mais incorporant un moyen d'équilibre ; La figure 5 est une vue en élévation de côté, en coupe, d'une partie d'une pompe à chaleur utilisée dans une fonction de refroidissement, cette pompe étant une pompe alternative, et La figure 6 est une vue en coupe agrandie des zones comprises dans les blocs ayant pour référence VI dans les figures 3 à 5. Dans la figure 1, une pompe à chaleur utilisée dans une fonction de refroidissement comporte un gaz de travail qui est comprimé par un moyen de travail A et la chaleur est dissipée vers l'atmosphère par un moyen échangeur de chaleur B. Le gaz de travail est déplacé par le moyen de déplacement C, par l'intermédiaire d'un moyen régénérateur D, vers le moyen d'absorption E, la chaleur étant fournie au moyen D1à la suite de quoi le gaz de travail est refroidi avant d'atteindre le moyen d'absorption E. Lorsqu'il atteint le moyen d'absorption E, le gaz de travail froid absorbe la chaleur provenant d'un dispositif externe à refroidir, est ensuite renvoyé dans le moyen de travail A et, ce faisant, traverse le moyen de régénérateur D de façon à recueillir la chaleur qui est emmagasinée. Entre-temps, le moyen de travail A se rapproche d'un état à faible compression de façon à accepter le gaz de travail déplacé et, au démarrage d'un nouveau cycle, comprime-le gaz de travail de façon à effectuer une nouvelle dissipation de chaleur vers l'atmosphère. Les mouvements du moyen de déplacement C entraînent normalement les mouvements du moyen de travail A jusqu'à la moitié d'un cycle mécanique. Le moyen de travail A est entraîné par un moyen extérieur non représenté. La figure 2, où les mêmes références représentent des composants identiques de la figure 1, représente un générateur de force motrice qui fonctionne d'une manière semblable au dispositif de refroidissement de la figure 1, à l'exception toutefois que le moyen d'absorption E est disposé de façon à absorber l'énergie thermique provenant d'une source d'énergie externe (c'est-à-dire un élément chauffant), et le moyen de travail A est entraîné par l'expansion du gaz de travail de façon à fournir une sortie de puissance qui peut être utilisée pour entraîner un appareil externe non représenté. Dans la figure 3, une pompe à chaleur ayant une fonction de refroidissement comporte une structure fixe 1 portant un arbre tournant 2 entraîné par un moteur électrique annulaire 3, un compresseur 5, et un moyen d'entraînement comprenant un mécanisme 4 pour la transmission et le changement du mouvement purement rotatif de l'arbre 2 en mouvement alternatif pour entraîner le compresseur 5. Le compresseur 5 comprime un gaz de travail, de sorte que la chaleur est dissipée vers l'atmosphère par une série d'échangeurs de chaleur 6, le gaz comprimé étant déplacé parun pistcnauxiliaire 7 disposé de façon à être animé d'un mouvement de va-et-vient dans un cylindre formé dans la structure 1, vers une région de refroidissement représentée généralement en 9. Le piston auxiliaire 7 est entraîné à partir de l'arbre 2 par un moyen d'entrainement comprenant un autre mécanisme 8. le piston 7 lui-même comprend au moins un élément régénérateur qui est traversé par le gaz de travail pendant son déplacement. Comme cela est représenté dans la figure 3,l'arbre 2, le moteur électrique 3, le mécanisme 4 et 8, le compresseur 5, et le piston auxiliaire 7 sont tous disposés soit coaxialement, soit symétriquement par rapport à un axe X-X, axe de rotation de l'arbre 7 et axe de symétrie de la pompe à chaleur elle-même. Le compresseur 5 comprend un bloc cylindre 10 qui constitue une partie de la structure fixe 1 et dans lequel est formé un cylindre 11. A l'intérieur du cylindre se trouve un piston 12 ayant une forme annulaire qui est disposé de façon à être animé d'un mouvement de va-et-vient le long de l'axe X-X. Le cylindre 11 permet la communication de gaz avec des échangeurs de chaleur 6 et aussi avec la zone de refroidissement 9 grâce au générateur compris à l'in térieur du piston auxiliaire 7. Le piston auxiliaire 7 est entraîné dans son mouvement de va-et-vientpar une tige 13 qui s'étend coaxialement à l'axe X-X à travers le piston 12 et a travers l'arbre 2, et est accouplé à son extrémité inférieure à un organe animé d Tun mouvement de va-etvient ressemblant à un piston 14. L'arbre 2 a une forme quelque peu compliquée ; il comporte une région inférieure (telle qu'elle est dessinée) 15 ayant un diametre relativement grand autour de laquelle se trouve le moteur 3, et une région supérieure 16 ayant un diamètre relativement petit qui est en saillie dans le piston 12. I1 est porté de façon à pouvoir tourner dans la structure 1 par des roulements distants l'un de l'autre 17. En outre, l'extrémité inférieure de l'arbre comporte une cavité 18 ressemblant à un cylindre à l'intérieur de laquelle est placé l'organe 14. Le mécanisme 4 comprend deux gorges dirigées vers l'exte- rieur, ondulatoireS annulaires 19, 20 qui sont formes à l'intérieur de la surface de la région supérieure-16. Les deux gorges suivent les mêmes trajets, mais sont distantes l'une de l'autre. Deux rou hx 21, 22 portés par le piston et qui sont radialement en-saillie vers l'intérieur dans leur gorge respective, viennent en contact avec les deux gorges respectives. Le mécanisme 8 comprend deux gorges dirigées vers l'exte- rieur, ondulatoires, annulaires, 23, 24 qui sont formées à l'intérieur de la surface de l'organe 14. De plus, les deux gorges suivent les mêmes trajets, mais sont distantes l'une de l'autre. Deux rouleux 25, 26 portés par la région inférieure 15 de l'arbre et sont radia lement en saillie vers l'intérieur de leur gorge respective, viennent au contact des deux gorges 23, 24. Les gorges 19, 20 et 23, 24 avec leurs rouleaux respectifs, 21, 22 et 25, 26 forment effectivement des agencements à piste à came et à galet de came. Les deux gorges et les deux rouleaux sont prévus de façon que chaque rouleau puisse continuellement appuyer sur un flanc de sa gorge. Pour chaque mécanisme 4 et 8, un rouleau est en contact avec un flancde sa gorge et transmet le mouvement par l'intermédiai- re de celui-ci pendant le déplacement vers le haut de son piston, alors que l'autre rouleau fonctionne de façon similaire pendant le déplacement vers le bas. Cet agencement évite un changement indésirable de fîancqui se produirait aux extrémités de la course de piston s'il n'y avait qu'une seule gorge et qu'un seul rouleau dans chaque mécanisme. De façon à éviter la rotation du piston 7 par rapport à la structure fixe, l'organe alternatif 14 comprend des fentes transversales 27 dans sa base qui viennent en contact avec les flancs d'un organe à ergot s'étenant transversalement 28 porté par la structure fixe. La profondeur des fentes 27 et la hauteur de l'organe 28 sont choisies de façon qu'ils soient toujours en contact quelle que soit la position axiale de l'organe alternatif. De même, de façon à éviter la rotation du piston 12 par rapport au piston 7 et par conséquent par rapport à la structure fixe, l'arbre 13 comporte un organe à ergot s'étendant transversalement 29 qui est saillie dans les fentes 30 formées axialement dans le piston 12. De plus, les fentes 30 ont une longueur suffisante pour recevoir l'organe 29 dans toutes les positions axiales de l'arbre 13 et du piston 12. En liaison maintenant avec la figure 4, une pompe à chaleur utilisée à des fins de refroidissement comporte une structure fixe 41 portant un arbre rotatif 42 qui est entraîné par un moteur électrique annulaire 43, un compresseur 44 comprenant un cylindre 45 et un piston 46, et un moyen d'entraînement pour animer d'un mouvement de va-et-vient le piston 46 semblable au piston décrit en 4 en liaison avec la figure 3. Celui-ci comprend deux gorges dirigées vers l'extérieur, ondulatoires, annulaires, 47, 48 qui sont formées à l'intérieur de la surface d'une région supérieure de l'arbre 42 respectivement en contact avec deux rouleux 49, 50 qui sont portés par le piston 46 et qui sont radialement en saillie à l'intérieur de leurs gorges respectives. La pompe à chaleur comprend en outre un piston auxiliaire 51 entraîné à partir de l'arbre 42 par un moyen d'entraînement comprenant un autre mécanisme 52 semblable à celui qui a pour référence 8 dans la figure 3, un arbre 53 et un organe à mouvement alternatif 54. Le mécanisme 52 comprend deux gorges 55, 56 dirigées vers l'extérieur, ondulatoires, qui sont formées à l'intérieur d'une surface dirigée vers l'extérieur d'une partie inférieure de l'arbre 42 qui sont respectivement en contact avec les deux rouleaux 57, 58 portés par l'organe 54 et s'étendant radialement vers son intérieur. De façon à équilibrer dynamiquement toute force de déséquilibre provenant du mouvement du piston 46, un ensemble à poids d'équilibre 59 est prévu. Celui-ci comprend une partie annulaire inférieure 60 et une partie à flancsupêrieure 61. Cette derniere partie 61 comprend deux rouleaux 62, 63 identiques à ceux ayant pour référence 49, 50 et respectivement en contact avec les mêmes gorges 47, 48, mais dans des positions diamètralement opposées de façon à assurer que l'ensemble à poids d'équilibre est toujours animé d'un mouvement de va-et-vient en opposition au piston 46. C'est-8-dire qu.'il se trouve à son point mort supérieur lorsque le piston se trouve à son point mort inférieur et vice-versa. En variante, les rouleaux 62, 63 sont positionnés à une autre position angulaire dans les gorges 47, 48, respectivement par rapport aux rouleaux 49, 50,de sorte que le mouvement du poids d'é- quilibre équilibre dynamiquement au moins partiellement les forces de déséquilibre provenant à la fois du mouvement du piston 46 et du mouvement du piston 51. Des manchons sont prévus entre l'arbre 53 et l'arbre 42,en 64, et entre le piston 46 et l'arbre 42,en 65. Les deux manchons 64 et 65 sont d'une conception connue capable d'accepter les mouvements tant rotatifs que linéaires. Pour faire varier le réglage entre le mouvement des pistons 12 et 47 et des pistons 46 et 51, il est seulement nécessaire de faire tourner l'un par rapport à l'autre, et si on le désire, un moyen de réglage rotatif approprié peut être incorporé dans les deux modes de réalisation des figures 3 et 4. La figure 5 représente une partie d'une pompe à chaleur pouvant être utilisée à des fins de refroidissement. Une structure fixe 70 porte une arbre rotatif 71 entouré par un moteur électrique annulaire 72, un compresseur 73, et un moyen d'entraînement 74 pour transmettre et transformer le mouvement purement tournant de l'arbre 71 en mouvement de va-et-vient d'entraînement du compresseur 73. Le compresseur comprime un gaz de travail qui sera déplacé vers une région de refroidissement par un moyen de déplacement. La région de refroidissement et le moyen de déplacement sont positionnés à distance du dispositif représenté et, par conséquent, ne sont pas représentés. Le compresseur 73 comprend deux cylindres 75 et 76 alignés coaxialement mais distants axialement l'un de l'autre, respectivement, à l'intérieur desquels deux pistons 77 et 78 sont animés d'un mouvement de va-et-vient, respectivement. L'arbre 71 est en saillie dans des évidements formés dans chaque piston, ltextrémite 79 de l'arbre étant en saillie dans le piston 77 et l'extrémité 80 de l'arbre étant en saillie dans le piston 78. Le moteur 72 est situé entre les cylindres et est disposé de façon à entraîner la partie de l'arbre 71 qui est comprise entre les pistons. Le moyen d'entraînement comprend, pour chaque piston, un agencement semblable à celui ayant pour référence 4 dans la figure 3, comprenant deux gorges 81, 82, dirigées vers l'extérieur, ondulatoires, annulaires, formées à l'intérieur de la surface de chaque extrémité 79, 80 de l'arbre en contact avec les deux rouleaux 83, 84 portés par les pistons 77, 78, et qui sont radialement en saillie à l'intérieur de leurs gorges respectives. Pour chaque piston, un ergot 85 s'étendant radialement est en saillie dans une fente s'étendant axialement 86 qui est formée dans le piston, de façon à éviter la rotation par rapport à la structure fixe 70. Des conduits 87, 88 relient les cylindres 75, 76 au moyen de déplacement (non représenté) pour le déplacement du fluide de travail ; le moyen de déplacement est actionné en séquence par un moyen d'impulsions à gaz de travail ou par un moyen rythmeur électronique ne faisant pas partie de la présente invention. Les pistons 77, 78 sont disposés de façon à se déplacer vers le point mort haut puis à revenir vers le point mort bas, de façon synchronisée, de sorte que le compresseur est équilibre dyna miquement. La figure 6 représente un rouleau typique 21 ou 25 (également 49, 57 dans la figure 4, et 83, 84 dans la figure 5). Ces rouleaux sont du type appelé "Rollnuts" fabriqués par la société dite NORCO LIMITED, Georgetown, Connecticut, Etats-Unis. Ils comprennent un arbre rotatif 89 avec latéralement un palier annulaire 90 et axialement un palier de butée 91. Une partie conique 92 de l'arbre constitue une région venant en contact avec la gorge La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation qui viennent d'être décrits, elle est au contraire susceptible de variantes et de modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art. REVENDICATIONS 1 - Dispositif à cycle Stirling caractérisé en ce qu'il comprend un moyen de travail pour comprimer ou détendre cycliquement un fluide de travail comprenant un moyen de cylindre et un moyen de piston disposé de façon à se déplacer d'un mouvement de va-et-vient dans le précédent, un moyen d'arbre rotatif, et un moyen d'entraînement associant de façon active le moyen de travail avec le moyen d'arbre comprenant un moyen à piste à came ondulatoire annulaire et un moyen suiveur de piste, l'un étant associé au moyen de travail et l'autre au moyen d'arbre de sorte que la rotation du moyen d'arbre entraîne un mouvement de va-et-vient du moyen de piston et vice-versa. 2 - Dispositif à cycle Stirling selon la revendication 1, ayant un moyen de déplacement pour déplacer de façon cyclique le fluide de travail, caractérisé en ce qu'il comprend un moyen de cylindre et un moyen de piston disposé de façon etre animés d'un mouvement de va-et-vient dans celui-ci, et un moyen d'entraînement associant de façon active le moyen de déplacement au moyen d'arbre comprenant un moyen de piste à came ondulatoire annulaire et un moyen suiveur de piste à came, l'un étant associé au moyen de déplacement et l'autre étant associe au moyen d'arbre, de sorte que la rotation du moyen d'arbre provoque un mouvement de va et vient du moyen de piston du moyen de déplacement. 3 - Dispositif à cycle Stirling selon la revendication 2, caractérisé en ce que, pour le moyen de travail, le moyen de cylindre comprend un seul cylindre et le moyen de piston comprend un seul piston, et, pour le moyen de déplacement, le moyen de cylindre comprend un seul cylindre et le moyen de piston comprend un seul piston, et le moyen d'arbre est situé coaxialement avec le moyen de travail et le moyen de déplacement. 4 - Dispositif à cycle Stirling-selon l'une des revendications 1 a 3, caractérisé en ce qu'il comprend un moyen de poids d'equilibre et un moyen d'entraînement associant de façon active le moyen de poids d'équilibre et le moyen d'arbre, de sorte que la rotation du moyen d'arbre provoque un mouvement de va-et-vient du moyen de poids d'équilibre de façon à réduire au moins partiellement toute force de déséquilibre provenant du fonctionnement du dispositif. 5 - Dispositif à cycle Stirling selon la revendication 4, caractérisé en ce que le moyen d'entraînement du moyen à poids d'équilibre comprend un moyen à piste à came ondulatoire annulaire et un moyen suiveur de piste de came, l'un étant associé au moyen d'arbre et l'autre étant associé au moyen de poids d'équilibre. 6 - Dispositif à cycle Stirling selon la revendication 5, caractérisé en ce que le moyen de piste à came du moyen d'entraîne- ment du moyen de travail est associé au moyen d'arbre et en ce que le moyen suiveur de piste à came du moyen d'entraînement pour le moyen de poids d'équilibre est associé au moyen de poids d'équilibre le moyen de piste de came du moyen d'entraînement pour le moyen de travail constituant une partie du moyen d'entraînement pour le moyen de poids d'équilibre et le moyen suiveur de la piste à came associé au moyen de poids d'équilibre venant en contact avec celui-ci. 7 - Dispositif à cycle Stirling selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen de cylindre comprend deux cylindres alignés coaxialement mais distants axialement, en ce que le moyen de piston comprend un piston placé dans chaque cylindre, en ce que le moyen d'arbre rotatif est situé coaxialement au cylindre et est en saillie dans les deux pistons, et en ce que le moyen dtentrainement est disposé de façon à faire effectuer un mouvement de va-et-vient simultané de chaque piston. 8 - Dispositif à cycle Stirling selon la revendication 7, caractérisé en ce que le moyen de piste à came comprend au moins une piste à came pour chaque piston et au moins un suiveur de piste de came pour chaque piste à came. 9 - Dispositif à cycle Stirling selon les revendications 7 ou 8, caractérisé en ce que les pistons sont animés d'un mouvement de va-et-vient décalés de 1800 l'un par rapport à l'autre. 10 - Dispositif à cycle Stirling selon l'une des reven- cations 1 à 9, caractérisé en ce que le moyen suiveur de piste a came a la forme de rouleaux. 11 - Dispositif à cycle Stirling selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le moyen de piston comporte des dispositifs anti-rotation qui permettent un mouvement de va-etvient, mais évitent la rotation à l'intérieur du moyen de cylindre. 12 - Dispositif à cycle Stirling caractérisé en ce qu'il comprend un moyen de travail et/ou un moyen de déplacement alterna tif agissant sur un fluide de travail, un moyen d'arbre rotatif, et un moyen d'entraînement associant de façon active le moyen alternatif au moyen d'arbre rotatif comprenant un moyen de piste à came ondulatoire annulaire et un moyen suiveur de piste à came, l'un étant associé au . moyen alternatif et l'autre étant associé au moyen d'arbre, de sorte que la rotation du moyen d'arbre provoque un mouvement alternatif du moyen alternatif.