Brevet FR2485707A1 — publié le 19811231

La présente invention concerne une pompe à chaleur Stirling, dont le piston de travail entraîné par un meca- nisme à manivelle agit sur une chambre de-compression iso- lée de façon étanche du carter fermé de ce mécanisme par une membrane formant soufflet, qui entoure le piston de travail. Les pompes à chaleur Stirling connues de ce type comportent à la suite de la chambre de compression un premier échangeur thermique, un régénérateur sous la for- me d'un accumulateur de chaleur et un second échangeur thermique, une chambre d'expansion étant aussi prévue, chambre sur laquelle agit un piston déplaceur commandé par came. Dans la pratique, les deux pistons déplacent de fa- çon cyclique et commandée un volume de gaz entre la cham- bre de compression et celle d'expansion et vice versa. Le travail de compression effectué sur le gaz dans la chambre de compression est restitué sous forme de chaleur dans le premier échangeur thermique. Au cours du refoulement du volume de gaz maintenu désormais constant dans la chambre d'expansion froide, le gaz traverse le régénérateur et cède la chaleur qui lui reste. Il se produit ensuite une expansion du gaz dans cette chambre, de sorte que la cha- leur ambiante peut être amenée au gaz détendu par l'inter- médiaire du second échangeur. Puis le gaz, avec un volume constant, est ramené dans la chambre de compression. Il se charge de nouveau de la chaleur précédemment accumulée dans le régénérateur. L'énergie thermique cédée par une pompe à chaleur Sterling de ce type se compose de 1'éner- gie tirée du milieu ambiant et de l'énergie introduite lors de la compression. Dans ces pompes à chaleur, on travaille de façon cy- clique dans la chambre de compression à une pression qui varie entre 5 et 22 bars environ. Le problème est alors d' assurer l'étanchéité de cette chambre de compression par rapport au carter fermé du mécanisme à manivelle, la dite chambre se trouvant normalement au-dessus du piston de tra- vail, tandis que le carter du mécanisme se trouve au-dessous. Il est connu d'utiliser alors comme moyen d'étanchéité une membrane en forme de soufflet, qui entoure le piston de travail. Ce soufflet présente l'avantage important de ne produire pratiquement aucune perte par frottement et d'é- liminer toute possibilité pour l'huile du carter de péné- trer dans la chambre de compression, en premier lieu sous la forme d'un brouillard et aussi par capillarité, ce qui est d'autant plus important que cette huile, parvenue dans la dite chambre, pourrait à la longue encrasser les échan- geurs thermiques et le régénérateur. Tout avantageux que soit ce soufflet, il présente malgré tout l'inconvénient d'avoir une longévité insuffi- sante par suite des conditions dans lesquelles il travail- le. Il faut tenir compte du fait qu'il règne dans le car- ter fermé une pression déterminée, par exemple une pres- sion de travail moyenne de 12,5 bars, de sorte que pour une plage de pression de 5 à 22 bars dans la chambre de compression, le soufflet est soumis cycliquement à une pression différentielle de + 10 bars à -7 bars. Par ail- leurs, le remplacement de ce soufflet par un joint de pis- ton normal ne constituerait pas un avantage, aussi bien du point de vue du maintien du brouillard d'huile dans le carter du mécanisme que de celui des pertes par frottement. L'invention a donc pour objet de réaliser une pompe du type précité, mais qui, tout en assurant au soufflet u- ne grande longévité malgré les conditions de travail exis- tantes, permet d'isoler parfaitement la chambre de com- pression du carter du mécanisme. A cet effet, dans la pompe à chaleur selon l'inven- tion, il est prévu entre la chambre de compression et 1' espace intérieur du soufflet un élément étrangleur agissant sur la pression et le dit espace intérieur du soufflet est relié en circuit fermé à celui d'une membrane d'équilibrage qui s'allonge dans le carter. Dans un premier stade, l'élément étrangleur protège l'espace intérieur du soufflet qui entoure le piston de travail contre les fortes variations de pression qui se produisent dans la chambre de compression et sont inhéren- tes au système. Par le choix d'un élément étrangleur appro- prié, on peut faire en sorte de capter les fuites qui s'y produisent encore éventuellement. Même avec cette protec- tion, il se produit encore à- l'intérieur du soufflet, par suite de la nature même du système, une alternance de cofmi- pressions et de détentes qui, bien que dans une mesure réduite, soumet le soufflet à des sollicitations alter- nées. Dans un autre stade, l'effet alterné des pressions différentielles est donc annulé par la membrane d'équili- brage, dont l'espace intérieur communique en circuit fermé avec celui du soufflet et qui s'allonge à l'intérieur du carter. Si le soufflet se comprime, la membrane d'équili- brage s'allonge alors automatiquement contre la pression qui règne dans le carter fermé jusqu'à ce qu'il y ait é- quilibre entre cette pression et sa pression intérieure, de sorte que, ce processus d'équilibrage étant naturelle- ment extrêmement rapide, le soufflet est pratiquement soustrait à l'action de ces différences de pression et a donc une très grande longévité. La circuit fermé est avantageusement muni d'un ori- fice de remplissage qui lui est propre, de sorte qu'on peut y introduire un fluide sous pression et amener ainsi facilement ce circuit et les espaces intérieurs respectifs du soufflet et de la membrane d'équilibrage à la même pres- sion que l'intérieur du carter. Même lorsque la pompe à chaleur est arrêtée, il ne se produit donc aucune différen- ce dé pression. On peut même éviter qu'il s'en produise une pendant la phase de remplissage si l'on remplit simul- tanément le circuit fermé concerné et le carter du méca- nisme. Dans une forme d'exécution préférée de la pompe se- lon l'invention, l'élément étrangleur est constitué par un joint à labyrinthe qui entoure le piston de travail. Cer- tes, ce joint constitue à vrai dire un pas en direction d' un joint de piston normal. Toutefois, dans les conditions de travail qui existent dans cette pompe, son fonctionne- ment est dans une large mesure, suffisante dans la prati- que, exempt de frottement. Les fuites éventuelles en pro- venance de la chambre de compression ne sont ici pas gê- nantes, la présence du soufflet garantissant une étanchéi- té absolument parfaite entre la chambre de compression et le carter. Dans une autre forme d'exécution préférée, la mem- brane d'équilibrage est conformée en émetteur de signaux. On peut, par exemple, prévoir un interrupteur de fin de course à chacune des deux positions extrêmes, haute et basse, de la membrane. Si cette dernière atteint la posi- tion extrême haute, cela signifie que la pression dans le circuit fermé est trop faible et donc que le soufflet est détérioré, par exemple. Si elle atteint la position ex- trême basse, il faut en conclure que la pression dans le circuit fermé est trop élevée, par exemple parce que les fuites en provenance de la chambre de compression sont trop importantes ou parce que le carter présente un défaut d'étanchéité. De toute façon, l'invention sera bien comprise à 1' aide de la description qui suit, en référence au dessin schématique annexé, dont l'unique figure est une vue en coupe partielle, représentant, à titre d'exemple non limi- tatif, une forme d'exécution de cette pompe. Cette figure montre le côté gauche de la zone d' une pompe à chaleur Stirling comprise entre la chambre de compression 1, située à la partie supérieure, et le carter fermé 2 du mécanisme à manivelle, placé à la par- tie inférieure, la construction étant symétrique par rap- port à l'axe longitudinal représenté en trait mixte. Cette pompe à chaleur possède un piston de travail 1, qui est creux et s'ouvre vers le bas en direction du carter 2, et qui est lié par des vis 4 au mécanisme à manivelle (non représenté) logé dans le carter. Le piston 2 agit vers le haut sur la chambre de compression 1. Au-dessus de cette dernière se trouvent les deux é- changeurs thermiques, le régénérateur, la chambre d'ex- pansion et le piston déplaceur, le tube 5, dans lequel est guidé ce dernier s'étendant vers le bas à travers le pis- ton de travail 3 jusque dans la carter 2, o il est suppor- té. L'étanchéité entre la chambre de compression 1 et le carter fermé 2 du mécanisme à manivelle est assurée au moyen d'une membrane formant soufflet 6, qui entoure le piston de travail ' sur sa partie inférieure seulement. Le soufflet 6 est fixé au piston 2 de façon étanche par son extrémité inférieure au moyen d'une bride annulaire 7. L'espace intérieur 8 de ce soufflet est délimité, d'une part, par la face interne de la paroi plissée de ce der- nier, et, de l'autre, par la face périphérique du piston de travail. Il est fermé vers le bas par la bride 7. Vers le haut, le soufflet est fermé par une bague de fixation.2, qui le solidarise d'une bride 10 montée sur le carter 2, ainsi que par une partie de cette bride 10, et que par un manchon cylindrique 11, qui, de son côté, est immobilisé contre la bride 10 par un collet 12, qu'il présente à son extrémité supérieure. Le piston de travail 3 est guidé dans ce manchon 11. Contre la face interne de ce dernier s'étend entre la chambre de compression 1 et l'espace intérieur 8 du soufflet 6 l'élément étrangleur constitué par un joint à labyrinthe j3. Sur la face inférieure de la bride 10 est fixée dans un raccord 14 l'extrémité supérieure d'une membrane d'équilibrage 15, qui peut s'allonger librement vers le bas à l'intérieur du carter 2. L'espace intérieur 16 de cette membrane 15 communique par le raccord 14 avec un canal de remplissage 17 formé dans la bride 10, canal qui débouche sur l'extérieur par un orifice 18 obturé par un bouchon.et qui communique aussi avec l'espace intérieur 8 du soufflet 6 par un évidement de la face externe du manchon 11. Cet espace intérieur 8 forme donc avec celui 16 de la membrane d'équilibrage et la partie correspon- dante du canal de remplissage Z un circuit fermé. La pompe à chaleur étant arrêtée, on amène ce cir- cuit fermé à une pression déterminée en introduisant un fluide par l'orifice de remplissage 18, pression qui est exactement la même que celle qui règne dans le carter 2. Pour éviter que des pressions différentielles agissent sur le soufflet 6 au cours du remplissage, il est judicieux d' effectuer simultanément le remplissage et le réglage de la pression. Lorsque la pompe à chaleur Stirling fonctionne, la pression à l'intérieur de la chambre de compression 1 os- cille de façon cyclique entre 5 bars et 22 bars. L'espace intérieur 8 du soufflet 6 est soustrait à l'action de cet- te fluctuation de la pression par le joint à labyrinthe 1f, dont le fonctionnement peut être considéré comme étant sans frottement pour les besoins de la pratique. Le tra- vail du piston 2 produit cependant une compression et une détente cycliques de l'espace intérieur 8. Mais il se pro- duit alors un équilibrage immédiat et constant avec la pression qui règne dans le carter 2, du fait que lors d' une compression de l'espace intérieur 8 du soufflet 6, la membrane 15 s'allonge automatiquement contre la force de la pression intérieure du carter jusqu'à ce que l'équili- bre soit atteint. On évite ainsi toute possibilité de sol- licitation du soufflet 6 par une pression différentielle. Il est avantageux de conformer la membrane d'équi- librage a en émetteur de signaux. On peut à cet effet dis- poser un interrupteur de fin de course à chacune des posi- tions extrêmes, haute et basse, prédéterminées pour la membrane. Lorsque celle-ci atteint sa position extrême hau- te en cours de fonctionnement de la pompe à chaleur, ceci indique une pression trop faible dans le circuit fermé des espaces intérieurs 8 et 16, résultant par exemple d'un défaut d'étanchéité au niveau du soufflet 6. Si, en cours de fonctionnement de la pompe, la membrane d'équilibrage parvient à la position extrême basse, cela veut dire qu'une pression trop forte règne dans le circuit ferme, explocables notamment par des fuites trop importantes à travers le joint à labyrinthe 13, provenant de la chambre de compression 1, ou par un défaut d'étanchéité au ni- veau du carter 2 du mécanisme à manivelle. - REVENDICATIONS - 1.- Pompe à chaleur Stirling, dont le piston de travail entraîné par un mécanisme à manivelle agit sur une chambre de compression isolée de façon étanche du carter fermé du dit mécanisme par une membrane formant soufflet qui entoure le piston de travail, caractérisée en ce qu' il est prévu entre la chambre de compression (1) et 1' espace intérieur (8) du soufflet (6) un élément étrangleur (13) agissant sur la pression et en ce que le dit espace intérieur (8) est relié en circuit fermé à celui d'une mem- brane d'équilibrage (15) qui s'allonge dans le carter (2). 2.- Pompe selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'élément étrangleur est constitué par un joint à labyrinthe cylindrique (13), qui entoure le viston de travail (3) au-dessus du soufflet (6). 3.- Pompe selon la revendication 1, caractérisée en ce que le circuit fermé comprend un canal (17) muni d' un orifice de remplissage obturable (18), qui communique avec les espaces intérieurs respectifs (8, 16) du soufflet (6) et de la membrane d'équilibrage (15). 4.- Pompe selon la revendication 1, caractérisée en ce que la membrane d'équilibrage (15) est conformée en émetteur de signaux. 5.- Pompe selon la revendication 4, caractérisée en ce qu'un interrupteur de fin de course est placé à cha- cune des positions extrêmes, haute et basse, de la membra- ne d'équilibrage (15).