Brevet FR2503259A1 — publié le 19821008

On saint que les moteurs Stirling sont des moteurs thermiques à pistons et chauffage externe, dans lesquels le gaz de travail, hélium ou hydrogène, circule alternativement d'un cylindre à un autre en traversant un échangeur tubulaire où il est chauffé, une matrice métallique poreuse, dite régénérateur, où il prend ou cède de la chaleur et un autre échangeur tubulaire où il est refroidi. Les deux échangeurs lui permettent également de conserver sa température quand il est comprimé ou détendu dans les cylindres. Un tel moteur - à deux cylindres - est représenté schématiquement sur la figure 1. Une liaison cinématique, par bielles et vilebrequin est prévue entre les deux pistons de telle manière que le mouvement du piston du cylindre "froid* B soit déphasé de 900 par rapport à celui du cylindre "chaud" A. Quand, à partir de la position repré sentée sur la figure , le vilebrequin F tourne d'environ un sixième de tour dans le sens indiqué par la rlèche, le piston du cylindre A bouge peu, le piston du cylindre B comprime le gaz maintenu froid par le refroidisseur C. Au sixième de tour suivant, la gaz est transféré du cylindre B au cylindre A en étant chaufré par le régénérateur D et le réchauffeur E.Au sixième de tour suivant, le piston du cylindre B bouge peu, le piston du cylindre A détend le gaz maintenu chaud par le réchauffeur E. Au demi-tour suivant, le gaz est transféré du cylindre A au cylindre B en étant refroidi par le régénérateur D et le refroidisseur C et un nouveau cycle recommence. Au cours du cycle complet, comme dans tout moteur thermique, il y a apport de chaleur à haute température (dans le réchaufreur), rejet de chaleur à basse température (dans le refroidisseur) et fourniture de travail (sur le vilebrequin). Le chauffage dans le réchauffeur E est généralement fourni par le passage des gaz de combustion de matières diverses et le refroidissement dans le refroidisseur C par un courant d'eau froide. Un tel schéma connu peut être modifié conformément à la figure 2. Le volume variable froid est disposé non pas au-dessus, mais au-dessous du piston du cylindre B, du côté de la liaison cinématique. Le principe de fonctionnement du moteur n'est pas changé, à condition que le mouvement du piston du cylindre B soit en avance de phase de 90 par rapport à celui du piston du cylindre A, ainsi que le montre la figure. Le schéma de la figure 2 permet de concevoir le montage en série de plusieurs éléments moteurs tels que celui de la figure 2, comme le suggèrent les départs de tubulures représentés sur les cylindres A et B. On obtient alors un moteur à pistons à double effet dans lequel chacun des piston travaille sur ses deux faces et dont la puissance, pour une cylindrée donnée, est sensiblement doublée. En outre, les dispositifs d1étanchéité du moteur vers l'extérieur sont situés sous les volumes variables froids des cylindres, de sorte que leur réalisation est moins dirficile. Les divers éléments moteurs, généralement au nombre de trois à six, forment de préférence une channe fermée selon un arrangement dû à RINIA. Ce principe a été retenu pour la quasi-totalité des moteurs Stirling existants. Dans la pratique, il est nécessaire, pour le bon fonctionnement thermodynamique, que les conduits chauds, entre A et E sur la figure 2, et les conduits froids, entre B et C, constituant des volumes morts eS S des chutes de pression, soient raccourcis au maximum; il est également nécessaire, pour réduire les déformations, les jeux et les frottements, que la liaison cinématique entre les diverses tiges de pistons soit simplifiée au maximum; il est nécessaire enfin, lorsque le chaurfage est effectué par des gaz de combustion, que les tubes du réchauffeur E soient groupés en une tette chaurfante unique permettant de répartir uniformément le chaurfage. On obtient un moteur très compact, satisfaisant en disposant quatre cylindres aux conditions précédentes,/ en carré. Les tiges de pistons peuvent titre parallèles et actionner un plateau incliné ("swash-plate" ou "wobble-plate") ou un double vilebrequin (moteur en H); elles peuvent également titre inclinées en V et actionner un simple vilebrequin (moteur en double V). Ces diverses dispositions sont les plus généralement adoptées dans les moteurs Stirling actuels. En contrepartie de la compacité, ces moteurs Stirling perdent le caractère modulaire qu'aurait pu leur offrir le montage en série de plusieurs éléments /tcoUnHormes au schéma de la figure 2. Ils sont constitués par un bloc moteur unique dans lequel seuls des petits composants tels que les régénérateurs, les refroidisseurs ou les pistons sont fabriqués en pluseurs exemplaires identiques. L'objet de la présente invention est un module d'échangeurs thermiques pour moteur Stirling, comprenant un ré chauffeur tubulaire, un régénérateur et un rerroidisseur tubulaire, ainsi qu'au moins une partie de cylindre, caractérisé par le fait qutil est conçu pour permettre la réalisation d'un moteur Stirling à double effet par montage de plusieurs modules identiques sur un bloc moteur équipé de pistons en ligne reliés à un vilebrequin et qu'il est composé d'une tette de cylindre, d'un ensemble rigEnérateur-refroidisseur d'axe parallèle à celui de la tête de cylindre et relié rigidement à cette dernière par un carter renfermant les tubes du réchauffeur, celui-ci étant du type à chauffage indirect, et, situé à la base du refroidisseur, d'un dispositif de raccordement assurant la connexion du conduit froid entre le retroi- disseur et un cylindre correspondant à un module adjacent. La conception modulaire, conforme à l'invention, offre de nombreux avantages. Les divers éléments moteurs composant le moteur étant rigoureusement identiques, y compris en ce qui concerne les conduits chauds et froids raccordant les échangeurs au bloc moteur, le fonctionnement du moteur est parfaitement régulier. Le dessin et les essais de mise au point sont réduits grSce à l'existence d'ensembles identiques dans le moteur. Les coûts de fabitation des pièces et de montage des ensembles pour essais globaux, construction de moteurs et fourniture de rechanges sont réduits par suite de l'accroXsement du nombre de composants identiques. La maintenance exige un stock de pièces moins important.Des moteurs difrérant par la forme ou le nombre de cylindres peuvent aisément cotre construits à partir des mêmes modules. La paroi extérieure du refroidisseur d'un module selon l'invention est de préférence réalisée en un matériau souple de manière à être capable d'absorber, avec ddforma- tion concomitante des tubes de refroidissement, les effets des dilatations thermiques du ré chauffeur par rapport au bloc moteur dues aux fortes différences de température apparassaxtnfonctionnement entre ces éléments. Afin de pouvoir donner aux conduits froids entre modules d'un mtme moteur une longueur sensiblement égale, que ces conduits relient deux modules adjacents ou deux modules séparés par un autre module, il est prévu selon l'invention que le dispositif de raccordement monté à la base du refroidisseur d'un module puisse prendre deux configurations distinctes offrant des longueurs de connexion dirtdrentes, de manière à compenser les différences de distance entre modules Un tel dispositif peut titre cons titubé par une plaque épaisse formant le fond du refroi diseur et offrant, en situation excentrée par rapport b l'axe du refroidisseur, une ouverture faisant communiquer le volume intErieurvde ce dernier avec un conduit percé dans l'épaisseur de ladite plaque, perpendiculairement audit axe, par l'intermédiaire d'un raccord coudé logé dans une cavité en regard de ladite ouverture partageant ledit conduit en deux portions de longueur inégale, la liaison au cylindre adjacent s'effectuant soit par l'unes soit par l'autre de ces portions suivant l'orientation du raccord coudé par rapport à ladite plaque. Pour un conduit froid reliant deux modules contigus, on utilisera ainsi la configuration "longue"; pour un conduit froid reliant deux modules séparés par un trdsième, on utilisera la configuration "courte", conjointement avec un conduit auxiliaire. Afin de faciliter l'accès au raccord coudé pour le retourner lorsqu'on désire passer d'une configuration à l'autre, il convient que l'ouverture excentrée précitée soit percée dans une pièce auxiliaire amovible s'emboîtant dans un logement creusé dans ladite plaque et communiquant avec ladite cavité. Un module selon l'invention peut ne comprendre que la tête du cylindre correspondant, celle-ci étant reliée de manière étanche à la chemise dudit cylindre, laquelle fait partie du bloc moteur. I1 peut toutefois titre préférable d'incorporer aussi au module la chemise du cylindre, laquelle est alors solidaire de la tette du cylindre et est reliée à sa base de manière étanche au corps du bloc moteur. Cette dernière disposition permet de placer le joint d'étanchéité nécessaire pour la jonction avec le bloc moteur dans une région où les conditions de température et de pression sont moins sévères, savoir dans la partie froide du cylindre. La conception modulaire des échangeurs thermiques selon l'invention permet d'obtenir à la fois - des ensembles moteurs compacts avec des circuits gazeux courts, d'égales longueurs et ne se croisant pas; - une cinématique pour quatre ou six cylindres en ligne avec un seul vilebrequin, selon la technique automobile la plus courante; - des sous-ensembles de formes simples et identiques entre eux; -- une grande accessiblité aux divers composants des moteurs, facilitant le démontage et la mantenance. La description qui va suivre, en regard des dessins annexés à titre d'exemples non limitatifs, permettra de bien comprendre comment l'invention peut Titre mise en pratique. La figure 3 représente un module d'échangeurs thermiques selon l'invention, en coupe verticale suivant la ligne III-III de la figure 5. La figure 4 représente le fond du refroidisseur du module de la figure 3, dans une autre configuration. La figure 5 représente en plan un moteur Stirling à quatre cylindres en ligne formé par la réunion de quatre modules selon l'invention sur un bloc moteur. On reconnaît sur la figure 3 les divers éléments représentés schématiquement sur la figure 2, savoir une tête de cylindre 12, un réchauffeur 22, un régénérateur 32 et un refroidisseur 42 > cet ensemble constituant, avec un dispositif 52 de raccordement de conduit froid, un module selon l'invention. Le réchauffeur 22, du type à chauffage indirect, est constitué par un carter 5 et de nombreux tubes 6 (dont deux seulement ont été représentés) placés à son intérieur, qui mettent en communication la chambre chaude 7 de la teste de cylindre 12 et le régénérateur 32. Au carter 5 est soudée l'extrémité d'un caloduc 62 véhiculant un agent caloporteur (sodium, potassium ou eutectique de ces deux métaux) entre une sourie de chaleur non représentée et le réchauffeur 22. Les tubes 6, au nombre de plusieurs dizaines, offrent des formes variées de manière à présenter sensiblement la mEme longueur tout en étant très proches les uns des autres. Portés à une température de l'ordre de 700CC, ils conduisent en l'échauffant le gaz de travail (hélium ou hydrogène) à une pression pouvant atteindre 250 bars. Le régénérateur 32 se compose d'un carter 9 où débouchent les tubes 6 du réchauffeur 22 et qui renferme un bloc cylindrique poreux 10 constitué par un empilage comprimé de fines tuiles métalliques ou par un bloc de mousse métallique ou de céramique poreuse. Le carter 9 du régénérateur 32 et la tette de cylindre 12 sont assez hauts et minces pour que la tempétature à leur base soit bien inférieure à la température imposée à leur sommet par le réchauffeur 22. La section du régénérateur 32 est environ le double en surrace de celle de la tête de cylindre 12. Le carter 5 du réchauffeur 22 est rigidement relié, savoir par brasage, à la tête de cylindre 12 et au carter 9 du régénérateur 32. En fonctionnement, le sodium (par exemple) est rendu gazeux dans un évaporateur situé à l'autre extrémité, non représentée, du caloduc 62 par un dispositif de chauffage tel qu'un four pouvant utiliser des combustibles divers, un accumulateur de chaleur à sels fondus, un--récepteur de rayonnement solaire, etc. Dans le réchauffour 22, le sodium se condense sur les tubes 6 en chauffant le gaz contenu dans ceux-ci et retourne sous forme liquide par le caloduc 62 vers le dispositif de chauffage. Le transport du sodium liquide est favorisé soit par la pesanteur, d'où la légère pente visible sur le dessin, soit par un revêtement intérieur poreux 8 du caloduc, en fines toiles métalliques, soit par une pompe, l'arrivée du gaz et le départ du liquide se faisant alors par deux tubes calodus différents. Le caloduc 62, le réchauffeur 22, le régénérateur 32 et le haut de la tette de cylindre 12 sont enveloppés d'un revêtement épais, non représenté, assurant leur isolation thermique. Le refroidisseur 42 est constitué par un faisceau de plusieurs centaines de tubes très fins 15, rectilignes et parallèles à l'axe 16 sur lequel sont montés en alignement - le régénérateur 32 et le refroidisseur 42, cet axe étant lui-meme parallèle à l'axe 48 de la teste de cylindre 12. Ces tubes sont brasés de manière étanche à deux plaques perfores 17, 18 reliées par une enveloppe cylindrique 19. La plaque perforée supérieure 17 est assuJettie à la base du carter 9 du régénérateur 32 au moyen d'une bague 20 à double filetage, avec interposition d'un joint torique 25. La plaque perforée inrérl0ure 18 comporte un orifice dtentrée (non visible sur la figure 3) et un orifice de sortie 26 pour l'eau de refroidissement. Cette dernière, introduite dans une chambre inférieure 27, gagne ltespace environnant les tubes 15, limitez par une virole cylindrique 28, à travers un trou 29 percé centralement dans une tale transversale 30, monte le long des tubes 15 puis redescend dans l'espace annulaire compris entre la virole 28 et l'enveloppe 19 pour s'évacuer par le conduit de sortie 26. Sous la plaque perforée inférieure 18 est fixé au moyen de vis 35 un fond 36 épais, de contour circulaire, dans la face supérieure duquel est creusé centralement un évidement circulaire où se loge une pièce 37 percée parallèlement à l'axe 16 d'une ouverture 38 excentrée qui débouche dans un espace d'entrée 59 en forme d'entonnoir. Au-dea$OF de cet évidement, le fond 36 est percé d'un conduit diamétral 39 ainsi que d'une cavité partageant le conduit 39 en deux segments de longueur inégale et dans laquelle se loge une pièce creuse 40 rormantioude de raccordement entre ltouverture excentrée 38 et le conduit 39.Suivant l'orientation de la pièce 40 dans la cavité qui la reçoit, la longueur à l'intérieur du fond 36 du conduit de sortie due refroidisseur 42 peut prendre deux valeurs suivant/o'est le long segment du conduit 39 qui est utilisé (figure 3) ou le oourt(figure 4). Pour que l'orifice de sortie 45a ou 45b du segment utilisé du conduit 39 reste du mAeme eôt, on oriente de manière appropriée le fond 36 sous le refroidisseur 42, comme le montrent les figures 3 et 4, tandis qu'on obture l'orifice 45b ou 45a du segment inutilisé par un bouchon 46.L'orifice de sortie est connecté par un ensemble de raccordement 60 rigide (bride, écrous et joint) au bas du cylindre correspondant à un module adjacent, soit directement, soit à l'aidé d'un conduit intermédiaire 47 (cf figure 5), le fond du refroidisseur 42 étant mis selon le cas en configuration "longue" ou en configuration "courte" de manière que la longueur totale des conduits froids soit sensiblement constante. Lorsqu'un module est en fonctionnement, son réobauffeur 22 est porté à un température d'environ 700 et ltenéinte 5 de celui-ci s'rallonge horizontalement de 1 à 2 mm de plus que le bloa moteur. Pour éviter des contraintes thermiques excessives, le module est laissé légèrement souple au niveau du refroidisseur 42, dont les tubes peuvent se déformer en S, avec une flèche correspondante. Pour donner au refroidisseur la souplesse voulue tout en canalisant l'eau de refroidissement, l'enveloppe cylindrique 19 est constituée par une peau souple en élastomère, ou par un soufflet métallique. Sur la figure 3, deux variantes de réalisation de la partie de cylindre annexée au module ont été représentées, de part et d'autre de ltaxe 48 du cylindre. Dans la vante de gauche, la chemise 49 du cylindre fait partie du bloc moteur et est reliée à la tête de cylindre 12 avec interpostion d'un joint d'étanchéité 50. Celui-ci étant soumis à de sévères contraintes dues à la pression et à la température qui peuvent atteindre à cet endroit des valeurs respectives de 250 bars et 2500C, il peut être préférable d'utiliser la variante de droite, dans laquelle la tête de cylindre 12 et la chemise 49a constituent une seule pièce, reliée au bloc moteur 55 avec un joint d'*tanch6iaé 50a interposé. Le joint se trouve ainsi reporté à/base, bien refroidie, de la chemise, ce qui est favorable à sa longévit*. Pour réaliser un moteur Stirling, plusieurs modules tels que celui que l'on vient de décrire sont réunis et assemblés (grâce à des vis de fixation 58) sur le bloc moteur 55 (figure 5), au nombre de quatre dans le présent exemple. Ces modules 1,2,3,4 sont placés côte à côte, alternativement dans un sens et dans l'autre, les cylindres étant alignés suivant l'axe 56 d'un unique vilebrequin actionnant un arbre de sortie 57. Sur cette figure sont visibles les tettes de cylindre 11, 12, 14, les réchauffeurs 21, 23, 24, le régénérateur 31, les refroidisseurs.41,42,43, la dispositif de raccordement 54 et les quate caloducs 61, 62, 63, 64. Le fond du refroidisseur 42 du module 2, monté dans la configuration "longue" de la figure 3, est relié directement à la base du cylindre correspondant à la tête 11 du module 1 ; le fond de refroidisseur 43 du module 3 est de même relié à la base du cylindre correspondant à la tête 14 du module 4. Un liaison analogue, mais par l'intemédiaire d'un conduit 47, est effectuée entre le fond des refroidisseurs 41 et 44 (dans la configuration "courte" de la figure 4) et respectivement la base des cylindres correspondant aux tAtes 13 et 12. I1 apparatt bien sur la figure 5 que tous les conduits froids présentent à peu près la même longueur et, par suite, le même volume. Les modules fonctionnent ainsi dans l'ordre 1-2-4-3. Les mouvements des pistons dans les cylindres sont dEphass de 900 dans le même ordre, conformément au schéma de la figure 2, grâce à une forme appropriée donnée au vilebrequin du moteur. L'invention s'applique également au cas d'un moteur Stirling à six cylindres en ligne. Les modules d'échangeurs thermiques fonctionnent alas dans tordre 1-2-4-6-5-3. Les mouvements des pistons dans les cylindres sont déphasés de 1200 dans le même ordre grâce à une forme appropriée du vilebrequin du moteur. Il en résulte que les variations du volume froid dans les éléments moteurs conformes au schéma de la figure 2 sont diphasés de 600 par rapport à celles des volumes chauds (au lieu de 900 dans le cas du moteur à quatre cylindres). Les connexions froides entre respectivement les refroidisseurs des modules 2 et 5 et les cylindres correspondant. aux modules 1 et 6 sont réalistes par liaison visse directe des fonds de refroidisseur. (en configuration conforme à la figure 3),tandis que les liaisons froides entre res peotivement les refroidisseurs des modules 4,1,6 et 3 et les cylindres correspondant aux modules 2,3,4 et 5 nécessitent l'interposition de conduits intermédiaires 47, les fonds des refroidisseurs desdits modules étant en configuration conforme à la figure 4 Les oaloducs 61, 62, 63,64 soudés aux divers modules d'échangeurs thermiques 1,2,3,4 ne sont pas en général tous identiques, tel qu'il apparatt sur la figure 5. Leur forme est adaptée aux liaisons à établir avec la ou les sources thermiques du moteur. REVENDICATIONS 1.- Module d1 échangeurs thermiques pour moteur Stirling, comprenant un réchauffeur tubulaire, un régEnraEur et un refroidisseur tubulaire, ainsi qu'au moins une partie de cylindre, caractérisé par le fait qu'il est conçu pour permettre la réalisation d'un moteur Stirling à double effet par montage de plusieurs modules (1,2,3,4) identiques sur un bloc moteur (55) équipé de pistons en ligne reliés à un vilebrequin et qu'il est composé d'une tête de cylindre, d'un ensemble régénéra@@r-refroidissseur d'axe(l6) parallèle à celui de la taste de cylindre et relié rigidement à omette dernière par un carter (5) renfermant les tubes (6) du réchauffeur, celui-ci étant du type à chauffage indirect, et, situé à la base du refroidisseur, d'un dispositif de raccordement assurant la connexion du conduit froid entre le refroidisseur et un cylindre correspondant à un module adjacent. 2.- Module selon larevendoation 1, caractérisé par le fait que la paroi extErieure(l9) du refroidisseur est réalisée en un matériau souple et est capable d'absorber, avec déformation concomitante des tubes de refroidissement (15), les effets des dilations thermiques du réohauffeur par rapport au bloc moteur. 3. - Module selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que le dispositif de raccordement monté à la base du refroidisseur peut p' prendre deux configurations distinctes offrant des longueurs de connexion différentes. 4. - Module selon la revendication 3, caractérisé par le fait que le dispositif est eoniltuJ par une plaque épaisse(36)formant le fond du refroidisseur et offrant, en situation excentrée par rapport à l'axe (16) du refroidisseur, une ouverture (38) faisant communiquer le volume intérieur de ce dernier avec un conduit (39) percé dans l'épaisseur de ladite plaque, perpendiculairement audit axe, par l'intermédiaire d'un raccord coudé (40) logé dans une cavité en regard de ladite ouverture partageant ledit conduit en deux portions de longueur inégal, la liaison au cylindre adjacent s'effectuant soit par l'une, soit par l'autre de ces portions suivant l'orientation du raccord coudé par rapport à ladite plaque. 5.- Module selon la revendication 4, caractérisé par le fait que î'ouvertureexcenrée est percée dans une pièce amovible stembottant danyun logement creusé dans ladite plaque (36) et communiquent avec ladite cavité. 6.- Module selon l'une quelconque des revendiations 1 à 5, caractérisé par le fait que la tête de cylindre est reliée de manière étanche à la chemise (49) du cylindre correspondant, laquelle fait partie du bloc moteur (55). 7.- Module selon l'une quelconque des revendications I à 5 > caractérisé par le fait que la tête de cylindre est solidaire de la chemise (49a) du cylindre correspondant et que ladite chemise est reliée à sa base de manière étanche au corps du bloc moteur (55).