Brevet FR2453289A1 — publié le 19801031

La présente invention concerne un dispositif de compression fonctionnant à partir d'un liquide moteur qui se dilate fortement sous l'action de la chaleur. La source chaude peut etre l'énergie solaire, les rejets calorifiques industriels, l'énergie géothermique, d'une façon générale toute source calorifique gratuite ou généralement perdue. La source froide nécessaire peut être l'eau, dans le cas de pompage ou de chauffage de l'eau de piscine ou, plus généralement, l'air extérieur. Le rendement du compresseur varie, bien entendu, en fonction de l'écart de température entre la source chaude et la source froide et des caracte- ristiques thermodynamiques des fluides utilisés. L'exemple décrit ci-apres concerne un compresseur double effet des systèmes de conception différente peuvent etre envisagés avec un, deux ou plusieurs cylindres-moteurs. Le groupe moto-compresseur se compose de trois parties construites linéairement. La partie centrale constitue le compresseur. Deux cylindres OPO55, de part et d'autre du compresseur, sont les parties motrices qui contiennent le liquide dilatable. Un tube central sur lequel est fixé le piston du compresseur est fermé aux deux extrémités ; il pénètre de façon étanche dans chaque partie motrice et forme ainsi un vérin. Le piston peut être une membrane déformable. Un échangeur de chaleur, placé dans chaque cylindre-moteur, permet le chauffage ou le refroidissement du liquide. De façon à éviter le réchauffage de la masse métallique, les cylindres-moteurs peuvent recevoir une isolation thermique. Elle peut être constituée, par exemple, par un cylindre polyester armé de fibres de verre et par une enveloppe réfléchissante en aluminium grand brillant, dont la face réfléchissante est placée côté fluide moteur. Chaque cylindre-moteur est relié, par une canalisation, à un autre cylindre dont le ralle est de maintenir les cylindres-moteurs entièrement pleins de liquide quelle que soit la température du fluide-moteur. Ce dispositif évite la vaporisation du liquide lors de sa rétraction. Ce cylindre comprend deux parties de part et d'autre d'un piston. L'une en communication avec le fluide moteur et remplie de ce dernier, a la capacité correspondante au Av ; l'autre partie contenant de l'air comprimé, a une pression qui varie en fonction de la dilatation du fluide contenu dans le cylindre-moteur. Cet air comprimé exerce, par l'intermédiaire du piston, une pression continuelle sur le fluide-moteur en réserve maintenant ainsi le cylindre-moteur entièrement plein. Par l'action de la chaleur, le liquide moteur se dilate et provoque une augmentation de pression qui stexerce sur une des extrémités du tube vérin ; dans le cylindre-moteur opposé, le liquide est refroidi, il diminue donc de volume, ce qui permet le mouvement alternatif. L'inversion des circuits de chauffage et de refroidissement, qui permet le mouvement inverse, peut se faire par l'intermédiaire d'un distributeur à tiroirs. La commutation se produit lorsque le piston du compresseur arrive en fin de course et actionne, à ce momen-tilà, une butée. Cette butée provoque l'ouverture brusque d'une valve qui, à travers une canalisation, met en communication une très faible quantité de gaz ou d'air comprimé par le compresseur, avec la partie interne du distributeur, de façon à inverser le sens de circulation des fluides. Quand le piston du compresseur se trouve dans la position opposée, il agit de la même façon sur une valve qui commute de nouveau la direction des fluides chaud et froid. Lorsque le compresseur est utilisé dans un circuit étanche, par exemple un circuit frigorifique, le peu de gaz qui a été utilisé pour manoeuvrer le distributeur est réintroduit dans le circuit, c8té basse pression, dès que le piston du compresseur ne s'applique plus contre la butée. Â chaque nouveau cycle, une vanne mécanique, placée sur une canalisation de by-pass, met en communication les deux cylindres-moteurs de façon à équilibrer les pressions régnant dans chacun d'eux. Ce dispositif permet, d'une part le démarrage immédiat d'un nouveau cycle et, d'autre part, de récupérer une partie de l'énergie mécanique du cylindre-moteur et qui serait évacuée sous forme thermique. La canalisation de by-pass doit être parfaitement remplie de fluide moteur afin d'éviter toute vaporisation du fluide, lors de l'ou- verture de la vanne d'équilibrage de pression. L'équilibrage est possible gracie à la compressibilité du fluide moteur qui crée un faible déplacement de liquide du caté haute pression vers le caté basse pression. Cette variation de masse, qui se déplace à chaque cycle, est compensée par la réserve constituée dans le cylindre annexe. Une conception différente de la commande d'inversion des cycles permet d'obtenir un compresseur à débit variable. Cette application qui est destinée à des appareils d'une certaine importance utilise l'énergie électrique pour la régulation du débit. Ce dispositif comprend - 1 programmateur à came circulaire - 2 vannes électromagnétiques à 3 voies - 1 vanne électromagnétique à 2 voies - 2 relais temporisés Ce dispositif est particulièrement intéressant en climatisation de confort, ear la puissance frigorifique nécessaire est directement liée à la température extérieure. Cette particularité est aussi très intéressante pour des applications industrielles de climatisation ou de production d'air comprimé utilisant des rejets calorifiques de process. La variation du débit peut être nécessaire et on modifie alors la température de la source chaude par des moyens de régulation traditionnels. Elle peut etre aussi la conséquence d'une insuffisance de la température de la source chaude. in effet, si la température du fluide chaud diminue, la dilatation du fluide moteur diminue elle aussi et, de de fait, la course du piston du compresseur est moins importante, ce qui entratne la variation de débit. La température étant le seul paramètre modifié, le temps de chaque cycle reste invariable, il faut donc inverser la direction des fluides chaud et froid de façon cyclique, par exemple par un programmateur à came circulaire. En fonction du temps "e" que met la came pour effectuer une rotation de 360ou et de la durée choisie de chaque cycle, la came compor tera des encoches et des bossages qui ferment et ouvrent alternativement des circuits électriques alimentant des vannes électromagnétiques placées sur les circuits chaud et froid. n faut préciser que lorsque ltélectro- aimant de ces vannes n'est pas excité il provoque ltouverture d'une des voies de la vanne qui est celle opposée à la voie qui est ouverte quand il est alimenté. De ce fait, en inversant de façon cyclique les contacts électriques, on inverse le sens de circulation des fluides chaud et froid vers les cylindres-moteurs. Chaque inversion de circuit permet dtalimenter egalement un relais temporisé qui crée l'ouverture, pendant quelques instants, d'une vanne électromagnétique placée sur la canalisation d'équilibrage des pressions. Les deux exemples de commandes pneumatique et électrique qui viennent d'entre décrits ne sont pas limitatifs et tout autre système, même mécanique, peut être adapté. Une conception différente, selon la figure 3, envisage un compresseur à simple effet construit verticalement. n offre l'avantage autre d'uneconception beaucoup plus simple mais,pour un même débit volumétrique, son encombrement est plus important. Dans ce type de compresseur le poids du piston et du tube vérin est suffisant pour permettre le retour du piston lorsque le fluide se refroidit. L'inversion des circuits chaud et froid dans le cylindre-moteur peut être réalisée par les moyens décrits précédemment ou par tout autre moyen. La figure 4 représente une coupe de principe sur un cylindre moteur ou (2) est le corps de cylindre métallique, (4) le tube vérin, (2a) l'isolation thermique constituée par du polyester armé de fibres de verre, (2b) le retatement réfléchissant. La quantité de fluide moteur sera toujours déterminée en fonction des températures chaude et froide dont on dispose pour obtenir le débit maximum. Le mouvement alternatif lent, 20 à 30 cycles/heure, en fait un appareil très robuste, fiable et pratiquement inusable. l'autre part, contrairement aux compresseurs traditionnels qui sont extrêmement bruyants, celui-ci est absolument silencieux, quelle que soit sa puissance. Les caractéristiques physiques du fluide moteur doivent per mettre une dilatation élevée pour des écarts de température les plus réduits possibles. En outre, la chaleur spécifique et la densité doivent avoir des valeurs également faibles. Le produit doit autre chimiquement stable aux températures entre lesquelles il évolue et ne présenter aucun risque d'inflammabilité ou d'explosion et n'être pas toxique. Le bromotrifluorométhane, formule chimique Cir F3, répond parfaitement à ces caractéristiques mais tout autre liquide peut aussi bien être utilisé. L'invention doit trouver des applications multiples , notamment dans l'industrie frigorifique, les compresseurs d'air, ainsi que dans le domaine des Centrales de production d'électricité ou de pompage. Suivant la figure 1, qui se rapporte à un appareil sans variation de débit, le fonctionnement du compresseur s'établit comme suit On suppose que le piston (5) se déplace de gauche à droite. Le cylindre (1) du compresseur se remplit par l'intermédiaire des clapets d'aspiration (16) placés sur la tuyauterie (28). Le cylindre (la) se vide par le clapet taré (17) placé sur la tuyauterie de refoulement (32). Le fluide chaud arrive par la tuyauterie (18) et cireule vers le cylindre-moteur (2) par la canalisation (24) et retourne par la canalisation (25) vers la source chaude, après avoir cédé sa chaleur au fluide moteur par l'intermédiaire de l'échangeur (7). Sous l'action de chaleur, la variation de volume du fluide-moteur entrain une élévation importante de la pression qui s'exerce sur le tube vérin (4), ce qui provoque le déplacement du piston (5). Dans le cylindre-moteur opposé (3), le fluide froid arrive par les canalisations (19) et (22) dans ltéck nDsur (8! et évacue la chaleur du fluide moteur par les canalisations (21) et (23) t1 arbre (4) coulisse de façon étanche entre les cylindresmoteurs et le cylindre du compresseur grace à une succession de joints à lèvres (6). Lorsque le piston (5) sera en fin de course, il exercera une pression sur la butée (13) et le déplacement de cette dernière permettra la translation du distributeur (11) qui mettra en relation une faible quantité de fluide haute pression du compresseur avec la canalisation (27) afin d'obtenir la translation du distributeur (9) qui inversera les circuits de chauffage et de refroidissement. Â l'aide du même circuit pneumatique, on provoquera l'ouverture de la vanne (33) placée sur la canalisation (34) qui mettra en communication les deux cylindres-moteurs, afin de réaliser l'équilibrage de pression. Le chauffage du fluide moteur contenu dans le cylindre (3) et le refroidissement de celui contenu dans le cylindre (2) vont entraîner le déplacement du piston (5) de droite à gauche. Dès que ce dernier n'exercera plus de pression sur la butée (13) le ressort (15) permettra à celle-ci de reprendre sa position initiale mettant en communication le circuit (-27) avec la canalisation (30) qui réintro duira dans la canalisation basse pression (29), la quantité de fluide qui a été utilisée pour la commande du distributeur (9). Ainsi les cycles peuvent se succéder continuellement. Le rale des cylindres (2a) et (3a), reliés respectivement aux cylindres-moteurs (2) et (3) par les canalisations (39) et (40) est d'éviter la création d'un vide lors de la rétraction du fluide moteur contenu dans les cylindres (2) et (3), ce qui entraînerait sa vaporisation. La compressibilité du gaz modifierait la course du piston (5) et pourrait même entraîner l'arrêt complet du compresseur. Afin d'éviter cet inc-onvénient, les parties (35) et (36) des cylindres (2a) et (2b) contiennent de l'air comprimé qui exerce, par l'interne diaire des pistons (37) et (38) une pression constante sur le liquide moteur. La figure (2) représente un appareil à variation de débit et commande électrique. La canalisation (118) est l'arrivée de la source chaude et la (119) celle de la source froide. Lorsque l'appareil est mis sous tension par la manoeuvre manuelle ou automatique du dispositif de coupure (146) le motoréducteur (143), ainsi que le programma teur cyclique (142) sont alimentés , ce qui provoque la rotation de la came. On suppose que la came est dans une position telle qu'elle ferme le circuit électrique sur le contact (b) provoquant par la liaison électrique (147) l'ouverture de la vanne (141). Le fluide froid circule alors dans la canalisation(124) vers le cylindremoteur (12). La vanne (140) n'est pas alimentée électriquement, le fluide chaud se dirige alors vers le cylindre-moteur (13) par la canalisation (122). Lors de la fermeture du contact (b) du programmateur (142) la liaison (149) a permis l'alimentation du relais temporisé (144)dont la fermeture du contact commande la vanne (113). L'ouverture de celle-ci a provoqué l'équilibrage des pressions par la canalisation (134). Lorsque le temps prédéterminé du cycle sur la came sera écoulé, le contact (b) s'ouvrira et le circuit se fera par le contact (a). Alors,le processus inverse se produira, la liaison électrique (148) permettra l'alimentation de la vanne (140). Le fluide chaud sera orienté vers le cylindre (12) et le fluide froid vers le cylindre (13) la vanne (141) n'étant plus alimentée électriquement. A la fermeture du contact (a) le relais (145) a été alimenté par la liaison (150), ce qui a provoqué la brève ouverture de la vanne d'équilibrage (133). Les cycles continueront à se renouveler ainsi pendant tout le temps de fonctionnement du compresseur. REVENTICATIONS 1. Dispositif pour la production d'énergie mécanique à partir de la dilatation d'un liquide, contenu dans un ou plusieurs cylindres, comprise entre la température de deux fluides qui constituent la source chaude et la source froide, comportant notamment des moyens d'échanges tnermiques entre le fluide moteur et la source de chaleur ou de refroidissement, un dispositif inversant le sens de circulation de ces fluides suivant une séquence telle que les cycles de fonctionnement du ou des échangeurs soient alternés. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il contient un fluide moteur ayant un fort coefficient de dilatai tion pour un faible écart de température, une chaleur spécifique et un poids spécifique également faibles. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la source de chaleur est constituée par une circulation de fluide provenant de collecteurs solaires, rejets industriels, énergie géo thermique ou tout autre. 4. Dispositif selon la renvendication 1, caractérisé par le fait que la source froide est constituée par une circulation de fluide provenant d'un échange thermique avec l'air atmosphérique ou tout autre moyen de refroidissement. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précécentes caractérisé par le fait que le fluide moteur ne subit aucun changement de phase et reste constamment à l'état de liquide. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications pré cédentes, caractérisé par le fait qu'une réserve de liquide exerce une pression constante sur le fluide contenu dans le cylindre-moteur. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que l'équilibrage de pression entre chaque cycle transfère une partie de l'énergie mécanique d'un cylindremoteur vers l'autre. 8. Dispositif selon ltune quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de commutation des cycles peuvent comporter un organe de commande suivant une séquence temporelle déterminée.