Brevet FR2470270A1 — publié le 19810529

2470270. L'invention concerne un accumulateur hydrostati- que à vessie pour le stockage d'énergie mécanique par fluides compressibles dans un réservoir à pression à l'in- térieur duquel se trouve une vessie déformable élastique- ment recevant le fluide, vessie dans laquelle le fluide sous pression est introduit par un côté du réservoir et qui est entouré de fluide hydraulique qui, par l'autre côté du réservoir, peut être introduit sous pression dans l'espace vide compris entre le réservoir et la vessie et être prélevé. La technique consistant à comprimer, en vue d'emmagasiner de l'énergie mécanique, des gaz dans des réservoirs à pression du type cité plus haut est connue. La vessie à déformation élastique sert de logement au gaz sous pression qui y a été introduit à partir d'un cô- té du réservoir. Lors du chargement de l'accumulateur, le fluide hydraulique est normalement introduit sous pres- sion par l'autre côté du réservoir et comprime la vessie. Celle-ci sépare donc le gaz sous pression du fluide hydrau- lique. Lors de la compression du gaz qui a lieu au chargement, ce gaz s'échauffe en rapport avec un changement d'état polytropique. La chaleur engendrée se transmet en totalité à la paroi du réservoir après un certain temps, puis est évacuée dans l'atmosphère, une isolation thermique totale entre le gaz et le réservoir n'étant pas possible. La température du gaz s'abaissant, sa pression s'abaisse aussi. Vu au plan énergétique, une partie du travail fourni lors du chargement de l'accumulateur se transfor- me en chaleur, laquelle est rapidement cédée à l'environ- nement en raison de la chute importante de température et est par conséquent perdue pour l'accumulateur d'énergie. Le rendement de l'accumulateur à vessie s'en trouve donc considérablement abaissé. L'inverse se produit lors du processus de décharge du gaz par expansion. Les pertes en énergie sont d'autant plus grandes que sont importants les changements de température de la paroi lors des pro- cessus de charge et de décharge et qu'est élevée la diffé- rence de température entre le gaz et la paroi. L'objet de l'invention est d'éviter ou tout au moins de limiter les pertes en énergie intervenant lors de la compression et de l'expansion du gaz. A cet effet, il est nécessaire d'éviter de hauts gradients de température entre le gaz et la paroi durant le processus de compression et d'expansion. Ceci est réalisable si une partie de la chaleur engendrée lors de la compression peut être emmagasinée et ensuite re- cédée au fluide lors de l'expansion. L'invention résoud ce problème par le fait que dans la vessie, se trouve un corps poreux élastique en matière plastique expansée dont les pores sont remplis par le fluide, corps élastique poreux intimement lié à la paroi de la vessie, et par le fait que le corps expan- sé présente, par comparaison au fluide, une capacité thermique spécifique élevée. En fonction du fluide à utiliser, il faut utiliser un corps expansé à pores ou- vertes ou un corps expansé à pores fermés. Pour obte- nir la plus grande surface de contact possible entre le fluide et le corps expansé, il est bon que les pores possè- dent un diamètre d'environ 1 mm. La grande surface de contact permet un bon échange calorifique entre le fluide et le corps expansé. Il est indiqué dans cet ordre d'i- dée que la matière plastique présente une chaleur spécifi- que plus élevée que celle du gaz. Grâce à cette chaleur spécifique relativement plus élevée de la matière expan- sée, la température de cette dernière, notamment, ne va- rie pratiquement pas durant le changement d'état. Par ailleurs, il est avantageux d'utiliser un gaz dont l'état physique se modifie lors des changements de température intervenant aux pressions utilisées. On obtient ainsi des densités spécifiques d'accumulation d'énergie plus élevées. Pour que le changement d'état intervenant lors de la mise en charge et de la décharge du réservoir à pression se rapproche encore plus d'un changement d'état isothermique, on peut introduire dans la masse élastique- ment déformable du corps expansé, à l'état finement divi- sé, un granulat d'une substance, une paraffine par exem- ple, amorçant un changement de phase à une température de fusion relativement basse, de 40 à 701C environ, c'est-à- dire fondant lors de la compression en absorbant de la chaleur et restituant de la chaleur lors de l'expansion en se solidifiant. Cette substance absorberait à la com- pression du gaz de l'accumulateur la chaleur de compres- sion par le changement de phase solide-liquide et n'auto- riserait par conséquent pratiquement pas un changement de température du matériau lui-même constituant le corps expansé. Des processus thermotechniques analogues se dé- roulent lorsque, en variante de ce procédé, un granulat d'une substance finement divisée est introduit dans la ma- tière plastique du corps expansé, substance qui, à une température de cristallisation relativement basse, de 40 à 700C environ, amorce une cristallisation, absorbant à la compression de la chaleur en cristallisant et resti- tuant à l'expansion de la chaleur en reprenant son état initial. Il est en outre avantageux d'utiliser un fluide changeant d'état aux températures régnant à la compression, passant de l'état gazeux à l'état liquide, pour revenir lors de l'expansion à la phase gazeuse, ce changement d'é- tat se déroulant de façon à peu près isobar. Pour ce type d'échange thermique, on peut éga- lement utiliser un fluide changeant d'état aux tempéra- tures et pressions régnant lors de la compression en pas- sant directement de l'état gazeux à l'état solide, et repassant, lors de l'expansion de la phase solide à la phase gazeuse, ces changements d'état se déroulant de façon à peu près isobar. 2470270'; Il est également possible que la matière plasti- que introduite dans la vessie vide à l'état liquide ou à l'état divisé et qui forme dans celle-ci après expansion le corps poreux ait une composition telle que le gaz ou mélange de gaz se dégageant lors de l'expansion présente une capacité thermique spécifique faible par comparaison au corps expansé. Par ailleurs, la matière plastique u- tilisée à cet effet peut avoir une composition telle que le gaz ou le mélange de gaz se dégageant lors de l'expan- sion change d'état aux températures régnant à la compres- sion en passant de l'état gazeux à l'état liquide pour re- venir lors de l'expansion à l'état gazeux, ces changements d'états se déroulant de façon à peu près isobar. Le fluide peut cependant également sublimer, c'est-à-dire passer directement, aux températures régnant à la com- pression, de l'état solide à l'état gazeux et réaliser la transformation inverse lors de l'expansion. Enfin, il est également possible d'utiliser une matière plastique à l'expansion de laquelle un gaz se dé- gage, qui soit peu propre au transfert de chaleur prévu mais qui, après l'expansion, soit remplacé par un fluide présentant une capacité thermique spécifique réduite par rapport au corps expansé. Ce fluide de remplacement à capacité thermique spécifique réduite par rapport à cel- le du corps expansé peut, avec les différences de tempé- ratures se présentant à la compression, soit changer d'é- tat en passant de l'état gazeux à l'état liquide et in- versement, soit sublimer c'est-à-dire passer directement de l'état gazeux à l'état solide et directement également de l'état solide à l'état gazeux. Pour que le processus global de transfert ther- mique puisse se dérouler avec l'efficience maximale in- dépendamment des phénomènes extérieurs, on peut prévoir également d'entourer d'une couche isolante le réservoir à pression. Celui-ci peut aussi, pour que soit assuré le maintien d'un niveau de température désiré, être entouré 2470270 1 d'un espace vide traversé par un fluide de circulation à température constante, espace vide raccordé par exemple au circuit d'eau de refroidissement d'un véhicule. Les accumulateurs hydrostatiques à vessie con- formes à l'invention peuvent notamment être utilisés avan- tageusement, entre autres cas d'emploi, au stockage inter- médiaire d'énergie, dans les systèmes hybrides de propul- sion de véhicules automobiles. Il est alors indispensa- ble d'utiliser des accumulateurs de grande capacité et de haut rendement. Par son principe, la technique des accumulateurs à vessie liée à celle des systèmes d'en- trainement à régénération semble intéressante au plan de l'économie d'énergie même pour les installations de taille réduite, par exemple pour les voitures de touris- me. L'utilisation de fluides se condensant augmente la densité d'accumulation. La grande surface intérieure du corps expansé accumulateur de chaleur réduit à un mini- mum la dégradation de l'accumulateur pour un régime élevé d'alternances de charge. Dans ce qui suit, l'invention est expliquée plus en détail à l'aide d'exemples d'exécution illustrés par une figure, et sont présentées d'autres particularités de l'objet de l'invention. L'accumulateur hydrostatique à vessie représen- té sur la figure présente un réservoir à pression 1 en a- cier équipé d'un côté d'une tubulure de remplissage en gaz 2 et de l'autre côté d'une tubulure d'arrivée et de sor- tie de liquide hydraulique ou huile 3. A l'intérieur du réservoir en acier 1, se trouve une vessie 4 élastiquement déformable dont l'intérieur est raccordé à la tubulure de remplissage en gaz 2. La vessie 4 est, conformément à l'invention, remplie de matière plastique qui est expansée dans la vessie et remplit après sa polymérisation la rota- lité de celle-ci d'un corps expansé 5 intimement raccordé à la paroi de la vessie et présentant des pores de 1 mm environ. La matière plastique présente, par rapport au 2470270 I fluide 6 se dégageant lors de l'expansion ou qui est in- troduit après l'expansion à la place du fluide d'expan- sion, une chaleur spécifique plus élevée. Par l'autre côté du réservoir en acier 1, un liquide hydraulique 7 est introduit sous pression par la tubulure 3. Il est prélevé au moment opportun et peut être utilisé à l'entraSnement d'organes appropriés. Pour garantir à l'intérieur du réservoir, lors de la compression et de l'expansion, un cycle thermique non perturbé par les conditions extérieures, le réservoir peut être entouré d'une couche isolante 8. Cette couche isolante peut aussi, pour le maintien du niveau de tempé- rature du réservoir, être constituée par un espace vide 8 traversé par un fluide de circulation à température constante. Ce fluide peut, par exemple, être l'eau de refroidissement d'un véhicule, pour laquelle est créée une liaison particulière entre le circuit d'eau de re- froidissement usuel du véhicule et l'espace vide 8. Cet- te liaison n'est pas représentée sur la figure. REVENDICATIONS 1) Accumulateur hydrostatique à vessie pour le stockage d'énergie mécanique par fluides compressibles dans un réservoir à pression à l'intérieur duquel se trouve une vessie déformable élastiquement recevant le fluide, vessie dans laquelle le fluide sous pression est introduit par un côté du réservoir et qui est entourée de fluide hydraulique qui, par l'autre côté du réservoir, peut être introduit sous pression dans l'espace vide compris entre le réservoir et la vessie et être prélevé, caractérisé par le fait que dans la vessie (4), se trouve un corps poreux élastique (5) en matière plastique expansée dont les pores sont remplis par le fluide, corps élastique poreux intimement lié à la paroi de la vessie (4), et par le fait que le corps expansé (5) présente, par com- paraison au fluide (6), une capacité thermique spécifique élevée. 2) Accumulateur à vessie selon la revendication 1, caractérisé par l'utilisation d'une matière plastique qui, après sa polymérisation, forme un corps expansé (5) dont les pores ont environ 1 mm de diamètre. 3) Accumulateur à vessie selon l'une des revendi- cations 1 et 2, caractérisé par le fait que dans la ma- tière plastique du corps expansé (5), est finement répar- ti un granulat d'une substance qui, à une température de fusion relativement basse d'environ 40 à 700C, amorce un changement d'état, fondant à la compression en absorbant de la chaleur et se solidifiant à nouveau à l'expansion avec dégagement de chaleur. 4) Accumulateur à vessie selon l'une des revendi- cations 1 et 2, caractérisé par le fait que dans la ma- tière plastique du corps expansé (5), est finement ré- parti un granulat d'une substance qui, à une température de cristallisation relativement basse d'environ 40 à 700C, amorce une cristallisation, absorbant à la compres- sion de la chaleur en cristallisant et restituant à l'ex- 2470270! pansion de la chaleur en reprenant son état initial. ) Accumulateur à vessie selon l'une des revendi- cations 1 à 4, caractérisé par le fait que le fluide (6) change d'état aux températures régnant à la compression, passant de l'état gazeux à l'état liquide, pour revenir, lors de l'expansion, à l'état gazeux, ces changements d'état étant à peu près isobars. 6) Accumulateur à vessie selon l'une des revendi- cations 1 à 4, caractérisé parle fait que le fluide (6) change d'état aux températures régnant lors de la com- pression, passant de l'état gazeux à l'état solide, et revient à l'expansion de la phase solide à la phase ga- zeuse, ces changements d'état étant à peu près isobars. 7) Accumulateur à vessie selon l'une des revendica- tions 5 et 6, caractérisé par le fait que la matière plas- tique introduite dans la vessie (4) vide à l'état liquide ou à l'état divisé et qui forme dans celle-ci le corps poreux (5) après expansion a une composition telle que le gaz ou le mélange de gaz (6) se dégageant lors de l'expansion présente une capacité thermique spécifique faible par comparaison au corps expansé. 8) Accumulateur à vessie selon l'une des revendi- cations 5 et 6, caractérisé par le fait que la matière plastique introduite dans la vessie (4) vide à l'état liquide ou à l'état divisé et qui forme dans celle-ci le corps poreux (5) après expansion a une composition telle que le gaz ou mélange de gaz (6) se dégageant lors de l'expansion présente les propriétés conformes à la revendication 4 ou 5. 9) Accumulateur à vessie selon l'une des revendi- cations 1, 5 et 6, caractérisé par le fait que le gaz se dégageant lors de l'expansion de la matière plastique (5) introduite dans la vessie (4) vide à l'état liquide ou à l'état divisé est remplacé, après l'expansion, par un fluide (6) d'une capacité thermique spécifique réduite par rapport à celle du corps expansé. 247 027! ) Accumulateur à vessie selon l'une des revendi- cations 1, 5 et 6, caractérisé par le fait que le gaz se dégageant lors de l'expansion de la matière plastique (5) introduite dans la vessie (4) vide à l'état liquide ou à l'état divisé est remplacé, après l'expansion, par un fluide (6) ayant des propriétés conformes à la reven- dication 4 ou 5. 11) Accumulateur à vessie selon l'une des reven- dications 1 à 10, caractérisé par le fait que le réser- voir (1).est entouré d'une couche isolante (8). 12) Accumulateur à vessie selon l'une des revendi- cations 1 à 10, caractérisé par le fait que le réservoir (1) est entouré, pour le maintien de son niveau de tem- pérature, d'un espace vide (8) traversé par un fluide de circulation à température constante, espace vide rac- cordé par exemple au circuit d'eau de refroidissement du véhicule.