Brevet FR2510181A1 — publié le 19830128

La présente invention concerne un convertisseur d'énergie thermique en énergie électrique à cycle de Stirling à générateur électrique intégré - Sa conception originale permet d'envisager le développement industriel du moteur Stirling, dont le principe est connu depuis longtemps, mais qui, jusqu'à présent, a été retardé pour deux raisons essentielles. La première,d'ordre économique: le moteur à combustion interne, compte tenu du coût modéré du pétrole jusqu'à ces dernières années, associé à un souci limité de la pollution, a éclipsé les machines à combustion externe plus chères car nécessitant des échangeurs sophistiqués Ces argu- ments sont de moins en moins d'actualité avec le coût de plus en plus élevé du pétrole. La seconde,d'ordre technique: les problèmes de frottements secs ont freiné le développement des machines scel- lées, d'autre parties machines a système bielle-manivelle posent un difficile problème d'étanchéité au niveau de la sor- tie d'arbre entre l'enceinte gonglée à l'hélium ou à l'air, sous quelques dizaines de bars, et l'extérieur. Pour mieux préciser les perfectionnements apportés par la présente invention nous rappellerons succinc- tement le fonctionnement d'une telle machine. Un moteur Stirling associe un thermocompresseur et un ou plusieurs pistons de puissance chargés de transformer la variation de pression produite par le thermocompresseur en un mouvement alternatif. Pour faciliter la compréhension du fonctionne- ment de cette machine on se reportera à la figure 1 o le ther- mocompresseur est réalisé par le circuit 1, comprenant en série un échangeur froid 4; un régénérateur 3, et un échangeur chaud 2, bouclé sur un cylindre dans lequel se meut un piston déplaceur 7. Les mouvements alternatifs du piston déplaceur 7 ont uniquement pour effet de transvaser le fluide de travail, de l'hélium ou de l'air sous une pression de quelques dizaines de bars, d'une cavité du cylindre dans l'autre en passant à travers les échan- geurs du circuit 1 Il en résulte que le fluide de travail subit alternativement des échauffements et refroidissements successifs selon le sens de parcours de ce circuit 1, indiqué par les flêches la et lb Ces-transformations thermiques alter- 2 2 2510181 natives successives, à volume constant, induisent des varia- tions de pression d'o le nom de thermocompresseur En général, ces variations de pression sont transmises à un système méca- nique extérieur à l'enceinte, dans laquelle se meut le piston déplaceur, par une liaison mécanique quelconque-telle qu'un système bielle-manivelle C'est cette liaison qui pose le pro- blème d'étanchéité au niveau de la sortie de l'arbre entre l'enceinte sous pression et l'extérieur. La présente invention résout le problème d'étan- chéité évoqué plus haut en réalisant un groupe entièrement scellé sans liaison mécanique avec l'extérieur, à l'intérieur duquel les variations de pression induites par le mouvement du piston déplaceursont appliquées directement sur la face d'un ou plusieurs pistons moteurs ou de puissance: le piston déplaceur étant entièrement désolidarisé du ou des pistons moteurs. A cet effet, la puissance mécanique fournie par le piston moteur est transformée directement, à l'intérieur d'une même enceinte scellée, en puissance électrique par l'in- termédiaire d'un convertisseur d'énergie mécanique en énergie électrique. Selon une première variante ce convertisseur est réalisé par un générateur électrique classique tel qu'un alter- nateur électrique rotatif dont le rotor serait relié au piston de puissance par un système bielle-manivelle par exemple. Selon une seconde variante, privilégiée, ce con- vertisseur est matérialisé par un générateur électrique linéaire dont le mobile magnétique est solidaire du piston de puissance qui est soumis directement aux variations de pression induites par le mouvement du piston déplaceur. Selon un cas particulier privilégié de cette seconde variante, ce générateur électrique linéaire est un alternateur linéaire. Les oscillations couplées des pistons déplaceur et moteur sont alors entretenues par une force périodique, de pulsation imposée, appliquée au piston déplaceur. Selon un-mode de réalisation général du groupe les mouvements des pistons à moteur et déplaceur sont colinéaires à l'intérieur d'une même cavité cylindrique Dans ce cas, l'en- trainement du piston déplaceur est avantageusement réalisé par un moteur électrique-linéaire dont la masse magnétique mobile 3 2510181 est solidaire du piston déplaceur. Cette disposition permet de supprimer les efforts dissymétriques des systèmes d'entraînement classiques te:s que le système bielle-manivelle origines de pertes méca- niques et sources de vibrations importantes: les organes mo- biles n'opposant que des efforts colinéaires à leurs déplace- ments. De telle sorte que les parties mobiles du sys- tème déplaceur et du système moteur ne nécessitent aucune lubrification (frottements secs). Selon une disposition classique, l'équipage mobile du moteur linéaire constitue un système résonateur ayant une fréquence propre déterminée Ainsi la pulsation imposée au piston déplaceur, par la fréquence du courant d'alimentation du moteur linéaire, qui pourra être variable sera choisie de pré- férence voisine de la fréquence propre du système résonateur pour son fonctionnement optimal. Les deux pistons effectuant un mouvement harmo- nique à fréquence constante, la résultante de ces mouvements est également un mouvement harmonique à la même fréquence Dans ces conditions, les vibrations mécaniques d'ensemble du groupe, à l'intérieur duquel s'opèrent ces mouvements, se prête à un équilibrage très simple à l'aide d'amortisseur de vibrations passifs classiques. Selon un second mode de réalisation général du groupe, les mouvements des pistons déplaceur et moteur ont lieu dans deux cavités séparées, communicant entre elles par au moins un conduit ou canal présentant une perte de charge mini- male. Dans ce mode de réalisation, les variations de pression induites par le mouvement du piston déplaceur sont appliquées sur la face d'au moins un piston moteur. Dans le cas o il y a plusieurs pistons moteurs, ceux-ci sont avantageusement en nombre pair et fonctionnent alors par couple en opposition Une disposition privilégiée, par la simplicité de sa conception, est fournie par la combi- naison de deux pistons moteurs animés de mouvements en opposi- tion, dans une même cavité cylindrique,à partir d'une position d'équilibre pour laquelle les faces des deux pistons en regard déterminent une chambre-au voisinage du centre de laquelle 4 2510181 débouchent le ou les conduits qui transmettent les variations de pression induites par le mouvement du piston déplaceur. Cette disposition présente en outre l'avantage de réaliser un groupe parfaitement équilibré. Selon cette disposition, les pistons moteurs constituent des systèmes mécaniques résonants présentant une fréquence propre d'oscillation longitudinale déterminée ( 50 HZ par exemple) Suivant un premier mode de réalisation c'est le lo fluide de travail lui-même qui constitue un ressort pneumati- que, lé dimensionnement de la machine étant fixé de telle sorte-que le fluide de travail occupe un volume efficace pré- sentant une certaine élasticité correspondant à une certaine fréquence propre du piston moteur que l'on désire réaliser. Suivant un second mode de réalisation, les tiges desdits pistons sont reliées à la structure fixe de la cavité par une liaison élastique telle qu'un ressort mécanique, hy- draulique ou autre Pour une amplitude donnée du mouvement des pistons moteurs, la puissance recueillie aux bornes de l'alter- nateur linéaire est maximale pour une fréquence d'ocillation du piston déplaceur égale à la fréquence propre desdits pistons moteurs Cette fréquence de résonance sera avantageusement sensiblement voisine de la fréquence propre d'oscillation lon- gitudinale de l'équipage mobile du moteur linéaire Ces fré- quences propres sont avantageusement ajustables par des moyens mécaniques qui permettent de modifier de l'extérieur de l'en- ceinte la raideur de ces systèmes mécaniques résonants tel qu'un système classique de tendeur dans le cas d'une liaison élastique par ressort ou par modification du volume occupé par le fluide de travail Selon ce second mode de réalisation, l'entraînement du piston déplaceur est réalisé indifféremment par un moteur électrique linéaire ou rotatif. Dans les moteurs Stirling classiques, le couplage entre les pistons moteur et déplaceur est généralement réalisé par des moyens mécaniques ou pneumatiques, de telle sorte que le déphasage entre le mouvement des deux pistons est imposé une fois pour toutes dès la conception de la machine Généralement, le déphasage initial prévu est tel que les mouvements des deux pistons soient en quadrature, le mouvement du piston déplaceur étant alors en avance de phase, dans le cas o l'on désire a 225 10181 transmettre une puissance maximale Par ailleurs, ce type de liaison réalisant le couplage entre les deux pistons peut se dégrader au cours du temps de telle sorte que le moteur ne se trouve plus adapté, après un certain nombre d'heures de fonc- tionnement, à son point de fonctionnement optimum pour lequel il était conçu Le réglage ne peut alors s'opérer qu'en pro- cédant à une intervention directe sur la machine. Par contre, selon une autre caractéristique im- portante de l'invention, le dispositif revendiqué permet une adaptation du fonctionnement de la machine répondant à des contraintes d'utilisation variables telles qu'une puissance thermique variable à la source chaude ou à une charge électri- que variable, ou au rendement optimum En effet, il permet un contrôle du couplage entre piston déplaceur et piston moteur à la fois par des moyens mécaniques accessibles de l'extérieur du groupe et par un système de régulation électronique. Le contrôle de paramètres physiques du couplage aéromécanique entre les deux ensembles de pistons est réalisé par des moyens mécaniques tels que ceux permettant le contrôle de la raideur des liaisons élastiques des différents équipages mobiles comme évoqués ci-dessus ou le contrôle du volume de la chambre d'expansion par la mise en communication de celle-ci avec un volume additionnel par l'intermédiaire d'une vanne d'isolement. Un autre avantage important de l'invention est représenté dans le système de régulation électronique offert par la nature du couplage électromécanique qui peut être établie entre les variables mécaniques caractérisant le mouve- ment des deux ensembles de pistons et les variables électriques caractérisant les grandeurs électriques à l'entrée et à la sor- tie du système électromécanique. Ainsi, le déphasage entre les mouvements des deux pistons sera piloté notamment en réalisant un asservisse- ment de phase entre les tensions électriques instantanées d'entrée et de sortie du système électromécanique. Cette régulation pourra s'opérer en particulier, sur deux variables cinématiques fondamentales du mouvement du système mécanique couplé: la fréquence et le déphasage entre les mouvements des pistons déplaceur et moteur. Le contrôle de la fréquence, le déphasage étant alors imposé, est réalisé soit par un régulateur classique de la vitesse 6 2510181 de rotation du moteur d'entraînement du piston déplaceur tel qu'un variateur électronique de vitesse soit par un découpage du courant d'alimentation du moteur linéaire réalisé par un hâcheur" classique. Le balayage de cette fréquence permet notamment de s'accorder sur la fréquence de résonance aéromécanique du piston moteur pour laquelle la puissance délivrée est maximum. Le contrôle du déphasage est réalisé par varia- tion de la phase du courant et notamment la tension d'ali- mentation du moteur d'entraînement par rapport au courant délivré par l'alternateur linéaire par un système classique d'asservissement en phase. On distingue alors deux types de régulation selon qu'elle s'opère à niveau de puissance thermique disponible à la source chaude constante, le système régulation intervient alors selon les processus indiqués plus haut pour que le moteur Stirling délivre la puissance électrique correspondant à la demande du moment, à puissance électrique délivrée constante, la régulation contrôle alors le niveau de puissance thermique à la source chaude, correspondant au rendement optimum de la machine, par variation du débit de carburant par exemple. Dans les deux cas de régulation décrits ci-dessus, on peut, dans le cas d'entraînement par moteur linéaire, toutes choses étant égales par ailleurs, contrôler l'amplitude du mouvement du piston déplaceur en faisant varier séparément ou simultanément la valeur de la tension d'alimentation du moteur linéaire par un transformateur de tension par exemple et/ou le rapport cyclique ou la largeur des impulsions par un système classique appelé "hâcheur". Dans chaque cas l'alimentation du moteur d'entraî- nement est assurée indifféremment soit par le courant produit, par le générateur, soit par une source d'énergie électrique autonome Cette souplesse d'utilisation associée au avan- tages potentiels d'un moteur à cycle Stirling tels que: rendement thermique/électrique dans la gamme 30 à 40 % pour des niveaux de puissance de l'ordre de la dizaine de kilo- watts ou mégawatt, 251018 1 caractéristiques spécifiques de la combustion externe: polycarburant (fuels, charbon, gaz pauvres, flux solaire) pollution contrôlée au niveau du brûleur, ri Veaau a aousticu fai L - permet d'envisager, dès maintenant son application dans les domaines suivants: les générateurs électriques en site isolé: sa polyvalence associée à un bon rendement lui permet désormais de rivali- ser avec le diesel, le chauffage de l'habitat par l'intermédiaire d'une pompe de chaleur entraînée par un moteur Stirling fonctionnant en énergie totale grâce et surtout: aux bas niveaux acoustiques et vibratoires (mouvements rectilinéaires). a la maintenance réduite à l'entretien d'un brûleur. Ces caractéristiques et d'autres non explicitées ressortiront de la suite de la description. Pour fixer l'objet de l'invention sans toutefois le limiter dans les dessins annexés: La figure 1 représente en coupe axiale un mode de réalisation privilégié. La figure 2 représente une coupe axiale théma- tisée d'un autre mode de réalisation Les éléments de base constituant la machine à cycle de Stirling à générateur électrique inté- gré, objet de l'invention, sont illustrés notamment à la figure 1 o l'on voit schématiquement un circuit 1 compre- nant successivement: un échangeur chaud 2 un régénérateur 3 et un échangeur froid 4 dans lequel circule le fluide de travail, par exemple de l'hélium ou de l'air sous pression, qui subit des chauffages et refroidissements successifs selon le sens de parcours dudit circuit 1 indiqué par les flèches la et lb. Ce circuit 1 communique avec les deux chambres Sa et 5 b de la cavité 5, d'une enceinte cylindrique 6, déli- mitées par la course du piston déplaceur 7 à l'intérieur de ladite enceinte 6; la partie 5 a en relation directe avec l'échangeur chaud 2 est appelée partie chaude, la partie b en relation directe avec l'échangeur froid 4 est appelée partie froide. La tige 8 du piston déplaceur 7 est reliée à la paroi du cylindre 6 par son extrémité 9, par un système élas- tique 10; cette liaison élastique pourrait être située à l'opposé et fixée sur le corps même du piston 7 mais dans ce cas elle serait soumise à des variations thermiques qui modi- fieraient périodiquement ses caractéristiques mécaniques. La partie extrême de la tige 8 porte la masse magnétique d'un moteur électrique linéaire 12 dont la partie fixe 13 est solidaire de la paroi de l'enceinte 6 par des liaisons non représentées Le trait en pointillé 14 symbolise l'alimentation du moteur électrique linéaire 12. L'entretien du mouvement du piston déplaceur 7 nécessite peu de travail mécanique car il n'a à vaincre que les pertes de charge de transvasement du fluide de travail à travers les échangeurs qui sont de l'odre du bar Ce travail sera fourni avec un minimum de perte si la fréquence du cou- rant d'alimentation du moteur linéaire est sensiblement égale à la fréquence propre de l'oscillateur linéaire constitué par le système mécanique: piston déplaceur 7 et sa tige 8 et la liaison élastique 10. Dans ce mode de réalisation les mouvements du piston déplaceur 7 et du piston moteur ou de puissance 15 sont colinéaires à l'intérieur de la même enceinte cylindrique 6, o l'étanchéité entre les pistons 7 et 15 et l'alésage du cylindre commun 6 est réalisée par un système de joints clas- sique ou bagues non représentés. Dans ce mode de réalisation, le piston moteur 15 présente un évidement central 16 à l'intérieur duquel coulisse librement la tige 8 du piston déplaceur 7. La tige 19 du piston moteur 15 porte le circuit magnétique mobile 20 de l'alternateur linéaire 21. Le courant délivré par le générateur linéaire, en général, ou l'alternateur linéaire 21, en particulier, figuré par la flêche 27, est recueilli aux bornes de bobines 22 qui sont alimentées,sur une fraction de période du courant ainsi produit, par un courant d'excitation symbolisé par le trait pointillé 23, fourni par une batterie tampon par exemple. Ces bobines 22 seront constituées avantageusement en deux parties accolées pour récupérer l'énergie électrique dans les deux sens de déplacement du mouvement du piston 9 25 1018 1 moteur 15 et pour équilibrer les efforts sur l'équipage mobile elles délimitent avec les pièces mobiles 20 un entrefer réduit de l'ordre-de quelques 1/10 e mm La commande du courant d'ex- citation 23 sera réalisée à partir d'éléments de puissance tels que des thyristors. Le courant utile sera disponible sur un inter- valle de période du mouvement du piston moteur 15; il sera avantageusement utilisé pour charger une batterie. Selon une autre variante, le circuit magnétique mobile est constitué par un aimant permanent. Le courant d'alimentation du moteur linéaire 12 sera prélevé soit directement sur le courant produit par l'alternateur 21, après une mise en forme préalable, soit fourni par l'intermédiaire d'une batterie chargée par ledit alternateur 21. Le système électronique de régulation symbolisé en 25 permet de contrôler les différents paramètres de fonc- tionnement du moteur Stirling selon les processus détaillés plus haut, à partir des instructions de commande et des com- mandes symbolisées par les traits pointillés qui aboutissent au système 25. En particulier, le contrôle du déphasage entre les mouvements relatifs du piston déplaceur 7 et du piston moteur 15 est symbolisé ici par des traits pointillés issus de leurs positions respectives XD et X 2 par rapport à leurs position d'équilibre. Les instructions de commande de la source chaude 18 proviennent soit à l'amont par une indication de la valeur du débit du carburant qui sera avantageusement contrôlé par une électrovanne soit à l'aval par une indication des variables thermodynamiques du fluide de travail telle que la température par exemple dont la valeur sera fournie par une sonde 28 située en paroi de la cavité 5 a. La régulation du niveau de la puissance thermique de la source chaude 18 selon les besoins de l'utilisation sym- bolisée en 24, est réalisée ici par l'intermédiaire du système électronique 25 qui module par exemple la valeur du débit du carburant par commande de l'électrovanne tout en adaptant la machine sur un point de fonctionnement optimum. Dans le mode de réalisation représenté sur la 2510181 figure 2, les mouvements des pistons déplaceur 7 et moteur 15 s'effectuent dans deux cavités distintes 5 et 6 communicant entre elles par au moins un conduit 26 qui offre une perte de charge minimale et qui relie la partie froide 5 b de la cavité 5 à la chambre 30 de la cavité 6. Dans le cas représenté, la puissance électrique est délivrée par deux générateurs linéaires dont les pistons moteurs 15 a et 15 b fonctionnent en opposition; on ne sortirait pas du cadre de l'invention si la puissance électrique était fournie par un multiple d'alternateurs linéaires fonctionnant deux par deux ou par un seul alternateur De même si l'entraî- nement du piston déplaceur 7 est réalisé, dans le cas repré- senté, par un moteur linéaire 12, on ne sortirait pas du cadre de la présente invention si celui-ci était produit par un moteur électrique rotatif situé à l'intérieur de la cavité 5. Dans une première variante, les faces en regard des deux pistons moteurs sont recouvertesd'un matériau amortis- seur 32. Dans une seconde variante, cette chambre 30 est séparée en deux parties symétriques par une cloison 31, cons- tituée par un matériau amortisseur qui a pour but d'éviter le contact mécanique des deux faces des pistons de puissance. Chaque cavité ainsi formée étant reliée à la partie froide 5 b de la cavité 6 a par un conduit 26 qui répartit également le débit dans chacune desdites cavités. Cette disposition permet de-s'affranchir des problèmes d'étanchéité et de frottement posés par le coulis- sement de la tige 8 du piston déplaceur 7 dans l'évidement central du piston moteur 15 L'avantage du cylindre unique étant de ne pas présenter de volume mort: les deux pistons 7 et 15 peuvent, à la limite, venir en contact l'un de l'autre. A titre indicatif, un moyen de guidage du mou- vement des pistons moteurs est représenté schématiquement en 33 sur la figure 2. La machine selon l'invention est structurée de telle sorte que les éléments constitutifs du moteur et des générateurs électrique se trouvent le plus éloignés possible de la source chaude 18. Dans les deux modes de réalisation représentés sur les figures 1 et 2, le (ou les) cylindres 6, le circuit 1 il 2510181 avec les échangeurs sont intégrés dans une enceinte scellée o le fluide de travail se trouve à l'état de repos, sous une pression de quelques dizaines de bars, 40 par exemple. 12 2510181 R E V E N D I C A T I O N S 1 Convertisseur en énergie électrique de l'éner- gie mécanique développée par un moteur thermique à piston fonc- tionnant selon le cycle thermodynamique Stirling caractérisé en ce qu'il est intégré dans un groupe comportant une enceinte hermétique sous pression, sans liaison mécanique avec l'exté- rieur, à l'intérieur de laquelle les variations de pression induites par le mouvement du piston déplaceur sont transmises directement, en l'absence de toute liaison, sur la face d'au moins un piston moteur qui entraîne le mobile magnétique d'un générateur électrique. 2 Convertisseur selon la revendication 1 carac- térisé en ce que chaque piston moteur est accouplé rigidement au mobile magnétique d'un générateur électrique linéaire. 3 Convertisseur selon la revendication 2 carac- térisé en ce que le générateur linéaire est un alternateur linéaire. 4 Convertisseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce qu'il comporte deux pistons moteurs animés de mouvements alternatifs en opposition, dans une même cavité cylindrique, à partir d'une position d'équilibre pour laquelle les faces des deux pistons en regard déterminent une chambre qui communique avec la partie froide de la cavité cylindrique, dans laquelle se meut le piston déplaceur, par l'intermédiaire d'au moins un canal présentant une perte de charge minimale. Convertisseur selon la revendication 4 carac -térisé en ce que les faces en regard des deux pistons sont revêtues d'un matériau amortisseur. 6 Convertisseur selon la revendication 4 carac- térisé en ce que ladite chambre délimitée par les faces en regard des deux pistons est séparée en deux parties symétriques par une cloison constituée par un matériau amortisseur, cha- cune de celles-ci communicant avec la partie froide de la cavité dans laquelle se meut le piston déplaceur par un con- duit qui répartit également le débit dans chacune d'elles. 7 Convertisseur selon l'une des revendications 4, 5 ou 6, caractérisé en ce que le mouvement alternatif du piston déplaceur est entretenu par un moteur électrique rota- tif intégré à l'intérieur de ladite cavité. 13 2510181 8 Convertisseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 caractérisé en ce que le mouvement alter- natif du piston déplaceur est entretenu par un moteur électri- que linéaire dont le mobile magnétique est relié audit piston déplaceur et dont le courant d'alimentation est prélevé soit sur le courant délivré par le générateur électrique après une mise en forme préalable, soit sur une source d'énergie élec- trique autonome. 9 Convertisseur selon la revendication 8 carac- térisé en ce que les mouvements des pistons déplaceur et moteur sort colinéaires à l'intérieur d'une même cavité cylindrique, les tiges desdits pistons étant coaxiales: la tige liée au piston déplaceur coulissant librement à l'intérieur d'un évi- dement central pratiqué dans le corps du piston moteur. 10 Convertisseur selon l'une des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que les paramètres du couplage entre les pistons déplaceur et moteur qui déterminent la fréquence du mouvement des deux pistons et leur déphasage sont contrôlés par un système de régulation électronique des grandeurs élec- triques caractéristiques des courants d'alimentation et de sortie du système électromécanique de telle sorte que l'on puisse adapter le fonctionnement de la machine à des contraintes d'utilisation variables. 11 Convertisseur selon la revendication 10 caractérisé en ce que la fréquence du mouvement du système mécanique couplé étant imposée par le système, le déphasage entre le mouvement des deux pistons est réalisé par un système classique d'asservissement en phase entre deux grandeurs élec- triques caractéristiques des courants d'alimentation et de sortie du système électromécanique, telle que la tension ins- tantanée. 12 Convertisseur selon la revendication 10 caractérisé en ce que le déphasage entre le mouvement des deux pistons étant imposé par le système, la fréquence du mouvement du système mécanique couplé est cortrôlé par la fréquence de la tension d'alimentation du moteur d'entraînement. 13 Convertisseur selon l'une quelconque des revendications 8 à 9 caractérisé en ce que l'amplitude du mouvement du piston moteur est pilotée soit par variation de l'amplitude de la tension d'alimentation du moteur linéaire soit par un système électronique classique dit "hâcheur" qui modifie le rapport cyclique des impulsions de ladite tension.