Brevet FR2517738A1 — publié le 19830610

La présente invention concerne une machine motrice fonctionnant entre deux sources de chaleur à des températures différentes et comprenant un évaporateur, un moteur auquel est raccordée une machine fournissant un travail, un conden- seur et une pompe de condensat, les différents éléments étant raccordés dans l'ordre indiqué afin qu'ils constituent un circuit fermé pour un fluide de travail qui s'écoule d'un élément au suivant, le moteur comportant un distributeur, un tiroir mobile dans le distributeur, un cylindre raccordé au distributeur, un piston mobile dans le cylindre et ayant une tige de piston, et une tige formant un prolongement co- axial à la tige du piston et raccordée au tiroir et à la tige du piston. Comme le prix de l'énergie augmente, il est de plus en plus important de découvrir des dispositifs permettant l'exploitationpar transformation en énergie mécanique, des petites différences de températures existant dans la nature. Un assemblage connu fonctionnant d'après ce principe met en oeuvre la différence de températures existant dans les océans. L'assemblage comporte un évaporateur qui est chauffé par l'eau tiède de la surface et dans lequel un fluide de travail, par exemple de l'ammoniacs'évapore La vapeur formée passe dans une turbine et parvient à un condenseur dans lequel elle se refroidit sous l'action d'eau plus froide pompée depuis une grande profondeur Le condensat formé est renvoyé vers l'éva- porateur à une pompe de condensat L'énergie résultante pro- duite par la turbine peut être transformée par exemple en électricité par une génératrice reliée à l'arbre de la turbine. Les pompes de l'eau de surface et de l'eau de profondeur ainsi que la pompe de condensat sont entraînées par des moteurs électriques qui reçoivent de l'électricité de la génératrice. Cependant, le rendement de l'assemblage reste faible étant donné que, dans des conditions optimales n total=turbine x ngénératrice x 1 moteur x l pompe = 0,8 x 0,3 x 0,9 x 0,8 = 0,51 soit 51 % Ainsi, l'énergie nécessaire aux pompes correspond à environ 50 % de l'énergie produite par l'assemblage, si 17738 bien que le rendement total reste faible. Les pompes et génératrices fonctionnant sous l'ac- tion de la chaleur solaire sont aussi déjà connues et, ré- cemment, on les a mises au point afin qu'elles puissent être utilisées dans les régions tropicales du globe Un collecteur solaire joue le râle d'un évaporateur associé à une telle pompe connue à eau et du "Freon" à l'état vapeur provenant du collecteur est transmis par une pompe à un moteur contenant un piston mobile dans l'espace d'un cylindre, la tige du pis- ton entraînant une pompe placée dans un puits L'eau pro- venant du puits s'écoule dans le condenseur afin qu'elle re- froidisse celui-ci. Dans les machines motrices de ce type, le fonction- nement met en oeuvre de très faibles différences de pressions du fluide de travail, de l'ordre de 1 à 5 bars, et, pour cette raison, les distributeurs classiques à tiroir nécessitant des différences de pressions de plusieurs bars ne permettent pas un déplacement-du piston et s'arrêtent au contraire au point mort Ils peuvent aussi rester autour de leur position cen- trale en oscillant et provoquer ainsi une perte de gaz de travail. La tige de piston de la pompe à eau connue précitée est raccordée à un volant qui entraîne la pompe par l'inter- médiaire de bielles afin que cet inconvénient soit supprimé. Sous l'action du couple du volant, le tiroir ne s'arrête pas au point mort si bien qu'un distributeur classique peut être utilisé dans la pompe Le volant présente des inconvénients car il nécessite un espace important et doit avoir un poids élevé qui impose l'utilisation d'un bâti de construction ro- buste En outre, les impuretés environnantes telles que le sable peuvent pénétrer dans les paliers du volant et dans les bielles qui lui sont raccordées, et peuvent réduire le ren- dement de la machine d'une manière considérable. L'invention concerne une machine motrice dans la- quelle la manoeuvre du tiroir est assurée d'une manière simple et fonctionnellement fiable L'invention se caractérise par une connexion qui est formée entre la tige qui prolonge le tiroir et la tige du piston et qui est élastique dans la direction longitudinale des tiges, et le distributeur a un dispositif de blocage repoussé par un ressort et coopérant avec le tiroir, afin qu'il permette le déplacement du tiroir d'une position extrême à l'autre uniquement lorsque la force de compression appliquée entre la tige formant le prolongement et la tige du piston dépasse une valeur limite prédéterminée. Etant donné la présence du dispositif de blocage, le tiroir ne peut occuper que les positions extrêmes et ne peut pas s'arrêter au point mort. Etant donné la connexion souple entre la tige du piston et la tige formant le prolongement, le piston peut déplacer le tiroir avec une faible différence de pressions, d'une position extrême à l'autre, car la force appliquée au tiroir augmente uniformément avant que le tiroir se déplace d'une position extrême à l'autre La connexion souple entre la tige du piston et celle du prolongement et le dispositif de blocage ont une petite dimension et une construction simple, et comme ils sont placés à l'intérieur du moteur, les impure- tés environnantes et les autres conditions ambiantes ne peu- vent pas les perturber. Un mode de réalisation de l'invention est tel que le dispositif de blocage comporte une bille qui est repoussée contre le tiroir par un ressort fixé 2 dans le boîtier du dis- tributeur, et le tiroir a deux cavités distantes axialement et destinées à loger la bille, une nervure étant placée entre les cavités Cette construction empêche simplement la vibra- tion du tiroir car celui-ci est toujours repoussé vers la po- sition extrême. La connexion souple entre la tige du piston et celle du prolongement peut être réalisée de préférence de manière que la tige du prolongement du tiroir dépasse dans un alésage central formé dans la tige du piston, que la tige du prolon- gement soit entourée par un ressort hélicoïdal placé entre deux butées disposées dans la tige du prolongement, et aussi que l'alésage central de la tige du piston comporte deux butées espacées si bien que, lorsque le piston est placé près de ses positions extrêmes, le ressort hélicoïdal est comprimé entre une butée placée dans la tige du prolongement et une butée placée dans la tige du piston, tout en repoussant élastique- ment la tige formant le prolongement, vers la position extrême. Cette construction est très simple et son fonctionnement est très fiable en conséquence. D'autres caractéristiques et avantages de l'inven- tion seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre d'exemples de réalisation et en se référant aux dessins anexés sur lesquels la figure 1 est un schéma d'une machine motrice fonctionnant entre des sources de chaleur à des températures différentes; la figure 2 est une coupe longitudinale d'un moteur selon l'invention destiné à être utilisé avec cette machine motrice; et la figure 3 est une coupe longitudinale d'une pompe de condensat destinée à être utilisée avec cette machine mo- trice. Sur la figure 1, la référence 1 désigne un évaporateur par exemple un collecteur solaire, dans lequel un fluide sous pression, par exemple du "Freon" s'évapore L'évaporateur com- munique par une tuyauterie 2 avec un moteur 3 qui comporte un distributeur 4 et un cylindre 5 Le distributeur 4 comporte un tiroir 6 qui, par l'intermédiaire d'une tige 7 constituant un prolongement, est raccordé à un piston 8 placé dans le cylindre 5 On a représenté une pompe 9 à piston sous le cy- lindre, cette pompe comprenant un cylindre 10 et un piston il fixés à la tige 12 du piston 8 du cylindre 5. Le moteur 3 communique par une tuyauterie 13 avec un condenseur 14 qui est lui-même relié par une tuyauterie 15 à une pompe 16 de condensat A partir de cette dernière, une tuyauterie 17 rejoint l'évaporateur 1. La pompe de condensat a deux cylindres 18 et 19 dont le premier a un diamètre plus grand que le cylindre 19. En outre, les pistons mobiles dans les cylindres ont des di- mensions différentes, le piston de plus grand diamètre, placé dans le cylindre 18, portant la référence 20 et l'autre por- tant la référence 21 Les pistons sont reliés par une tige 22 qui, entre les cylindres, passe dans un espace 23 déli- mité dans la pompe 16 de condensat et dans lequel débouche une tuyauterie 15 provenant du condenseur Le cylindre 18 est relié au distributeur 4 du moteur 3 par des tuyauteries 24 et 25 qui débouchent dans le cylindre de part et d'autre du piston 20. L'espace interne du cylindre 19 communique avec l'espace 23 de la pompe de condensat par l'intermédiaire d'orifices 26 et 26 a et avec la tuyauterie 17 par des orifi- ces formés aux deux extrémités du cylindre Les orifices 26, 26 a ont des clapets de retenue (non représentés) ne permettant la circulation du condensat que vers l'intérieur du cylindre 19. Dans une source de liquide à pomper telle qu'un puits d'eau, une tuyauterie 27 d'aspiration est disposée et est divisée en deux ramifications 28 et 29 qui comportent chacune un clapet de retenue 30 et 31 et qui débouchent dans l'espace interne du cylindre 10 de part et d'autre du piston 11 Le cylindre 10 est en outre en communication avec un re- froidisseur complémentaire 37 par des canalisations de déri- vation 34 et 35 ayant des clapets de retenue 32 et 33 et par une tuyauterie 36 commune à ces tuyauteries de dérivation, ce refroidisseur entourant en partie la pompe 16 de condensat et étant relié par une tuyauterie 38 à un espace 39 relié au condensateur 14 Une tuyauterie 40 partant de l'espace 39 joue le rôle de tuyauterie de sortie du dispositif de pompage. En outre, la figure 1 représente les tuyauteries 41 et 42 montées entre le distributeur 4 et le cylindre 5 ainsi que les sens de circulation de la vapeur et du liquide, par des flèches. On considère maintenant le moteur 3 représenté plus en détail en coupe par un plan vertical, sur la figure 2. La surface externe du tiroir fixe du distributeur 4 comporte une cavité annulaire 43 destinée à répartir la va- peur provenant de l'évaporateur dans différentes tuyauteries. Le tiroir comporte aussi un alésage central 44 qui débouche à la face supérieure du tiroir et dont la partie inférieure communique avec la face externe du tiroir par des alésages radiaux 45 La tige 7 est fermement raccordée à l'extrémité inférieure du tiroir et elle passe dans le piston 8 du cy- lindre 5 et pénètre dans l'espace interne du cylindre 10 et sa partie inférieure se trouve dans un alésage central 46 formé dans la tige 12 qui est rigidement fixée aux pistons 8 et 11 A une certaine distance de l'extrémité libre de la tige 7, un épaulement 47 est formé dans celle-ci et une ba- gue 48 de support qui entoure cette tige peut venir en butée contre cet épaulement La bague 48 de support a un flasque 49 qui dépasse vers l'extérieur de la surface de la tige. L'extrémité libre de la tige formant le prolongement comporte un écrou 50 sur lequel s'appuie une seconde bague 51 de support qui peut coulisser sur la tige, cette bague ayant aussi un flasque 52 ayant à peu près le même diamètre que le flasque 49 Un ressort hélico Xdal 53 qui entoure la tige est placé entre les deux flasques 49 et 52. Un épaulement 54 est disposé près de l'extrémité supérieure de l'alésage central 46 formé dans la tige 12 et la partie de l'alésage central placée sous l'épaulement a à peu près le même diamètre que les flasques 49, 52 alors que la partie qui se trouve au-dessus de l'épaulement a uin plus petit diamètre Le diamètre est réduit par un manchon 55 à l'extrémité inférieure de l'alésage central. La surface externe de la partie inférieure du tiroir 6 a deux cavités distantes axialement 56 et 57 entre lesquelles est formée une nervure 58 qui a des faces inclinees La paroi du distributeur 4 comporte, au niveau de ses cavités, une cavité transervale 59 dans laquelle est disposée une bille 60 qu'un ressort hélicoïdal 61 repousse contre le fond de l'une des cavités 56, 57. La pompe 16 de condensat est représentées plus en dé- tail sur la figure 3 En plus des détails représentés sur la figure 1, la figure 3 indique que la tuyauterie 17 se divise en deux ramifications 62 et 63 dans la pompe de condensat, chaque ramification ayant un clapet de retenue 64, 65 Les 251773 E ramifications débouchent aux surfaces d'extrémité du cylindre 19. On considère maintenant le fonctionnement de la machi ne motrice. Le fluide de travail sous pression, mis à l'état gazeux dans l'évaporateur 1, est conduit vers le distributeur 4 par la tuyauterie 2 Le tiroir 6 guide le gaz le long de la tuyauterie 42 vers l'extrémité inférieure du cylindre 5 si bien que le piston 8 commence à remonter à partir de la po- sition représentée sur la figure 2 Le gaz qui se trouve au- dessus du piston peut s'écouler par les tuyauteries 41 et 13 jusqu'au condenseur 1,4 Simultanément, le gaz s'écoule par la tuyauterie 15 dans le cylindre 18 de la pompe de condensat si bien que les pistons 20 et 21 se déplacent vers le haut sur la figure 1 et chassent le condensat qui se trouve dans le cylindre 19 dans l'évaporateur par l'intermédiaire des tuyauteries 62 et 17 Simultanément, du nouveau condensat s'écoule de l'espace 23 à la partie inférieure du cylindre 19 par l'intermédiaire de l'orifice 26 a. Lorsque le piston 8 du cylindre 15 remonte, la tige 12 remonte aussi si bien que la tige 7 du tiroir pénètre de plus en-plus dans l'alésage central 46 de la tige du piston. L'opération se poursuit jusqu'à ce que le bord supérieur du manchon 55 soit en butée contre la face inférieure du flas- que 52 Le piston 8-tente de soulever le tiroir vers le haut par l'intermédiaire du ressort 53, mais la bille 60 de blo- cage et la nervure 58 empêchent le déplacement du tiroir jus- qu'à ce que la force de traction exercée par le ressort 53 dépasse la force de blocage exercée par le ressort 61, le ti- roir sautant alors à sa position supérieure lorsque la bille passe audelà de la nervure 58 Lorsque le piston 8 remonte, le piston 11 de la pompe 9 est aussi soulevé si bien que l'eau qui se trouve au-dessus du piston 11 s'écoule par les tuyau- teries 34 et 36 dans le refroidisseur complémentaire 37 puis le long de la tuyauterie 38 jusqu'à l'espace 30 et elle pénètre finalement dans la tuyauterie 40 de sortie Simul- tanément, une nouvelle quantité d'eau est aspirée par les 17738 tuyauteries 27 et 28 dans l'espace délimité sous le piston Il. Après que le tiroir a été déplacé dans sa position supérieure, le sens de circulation du gaz s'inverse Le gaz s'écoule alors de la tuyauterie 2 à la tuyauterie 41 par l'intermédiaire de la cavité annulaire 43 et parvient ainsi à la partie supérieure du-cylindre 5 Le gaz peut s'écouler hors de la partie inférieure par la tuyauterie 42 puis par les alésages radiaux 45 formés dans le tiroir jusqu'à l'alé- sage central 44, la tuyauterie 13 de sortie puis dans le condenseur 14 dans lequel s'écoule aussi legaz qui se trouve sous le piston 20 dans la pompe de condensat, par l'intermé- diaire de la tuyauterie 25, des alésages radiaux 45 formés dans le tiroir, de l'alésage central 44 et de la tuyauterie 13 Simultanément, de la vapeur à pression élevée circule dans la tuyauterie 24 vers la partie supérieure du cylindre 18 et fait descendre le piston 20, 21 Lorsque le piston 8 des- cend, le ressort 53 est de plus en plus comprimé entre les flasques 49 et 52 des bagues de support Lorsque la force de compression atteint une valeur telle qu'elle dépasse la for- ce de blocage du ressort 61, le ressort 53 déplace le tiroir vers la position inférieure représentée sur la figure 2, grâce à l'énergie temporairement accumulée dans le ressort, si bien que la bille 60 passe dans l'autre cavité Ainsi, le tiroir ne peut pas rester en position intermédiaire Le condensat s'écoule du condenseur 14 à la tuyauterie 15 et au cylindre 19 de la pompe 16 par le-trou 26, en même temps que le con- densat qui se trouve sous le piston 21 dans le cylindre est transporté à l'évaporateur par les tuyauteries 63 et 17. Le piston 11 est déplacé vers le bas dans la pompe 9 si bien que l'eau qui se trouve sous le piston circule dans la tuyauterie 35 et dans la tuyauterie 36 puis, à partir de celle-ci, de la même manière que décrit précédemment. Une nouvelle quantité d'eau circule dans les tuyauteries 27 et 29 et pénètre dans l'espace délimité au-dessus du piston 11. L'interconnexion indiquée précédemment entre le cylindre 5 à gaz du moteur et le cylindre 18 à gaz de la pompe 17738 de condensat provoque leur fonctionnement en synchronisme si bien que la recirculation du condensat dans l'évapora- teur peut être synchronisée en fonction de la vitesse de fonctionnement de la pompe. S La machine motrice décrite précédemment fonctionne toujours lorsqu'il existe une différence suffisante de tem- pératures entre l'évaporateur et le condensateur, cette dif- férence de températures créant une différence de pressions qui élève l'eau d'un niveau inférieur au niveau voulu Lors- que la différence de température d'une pompe destinée à don- ner une hauteur constante de soulèvement augmente, le fonc- tionnement de la pompe s'accélère et, de manière correspon- dante, le volume d'eau pompé dans un puits augmente Si la différence de températures et la différence de pressions diminuent au-dessous de la différence de pressions corres- pondant à une certaine hauteur de pompage, la pompe s'arrête jusqu'à ce que la différence de pressions indispensable soit à nouveau atteinte A ce moment, le fonctionnement de la pompe reprend automatiquement. La machine motrice peut comprendre, à la place d'une pompe à piston, une pompe à membrane ou une génératrice électrique par exemple, et dans ce cas, le mouvement alter- natif de la tige 12 du piston doit être transformé en un mou- vement de rotation Les tuyauteries 24 et 25 qui débouchent dans la pompe de condensat peuvent aussi communiquer avec la partie supérieure et la partie inférieure respectivement du cylindre 5 La force de rappel exercée par les ressorts 53 et 61 peut aussi être créée par exemple par un dispositif pneumatique. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art aux dispositifs qui viennent d'être décrits à titre d'exemples non limitatifs sans sortir du cadre de l'invention. 17738 REVENDICATIONS 1 Machine motrice fonctionnant entre deux sources de chaleur à des températures différentes et comprenant un évaporateur ( 1), un moteur ( 3) auquel est raccordée une ma- chine ( 9) fournissant un travail" un condenseur ( 14) et une pompe de condensat ( 7), ces différents eléments étant reliés les uns aux autres dans l'ordre indiqué afin qu'ils forment un circuit fermé pour la circulation d'un fluide de travail de l'un à l'autre, le moteur ( 3) comportant un distributeur ( 4) dans lequel un tiroir ( 27) peut se déplacer, un cylindre ( 5) coopérant avec le distributeur, un piston ( 8) mobile dans le cylindre et comportant une tige de piston ( 12), et une tige ( 7) formant un prolongement de la tige de piston, coaxialement à celle-ci, et raccordée au tiroir et à la tige de piston, ladite machine motrice étant caractérisée en ce que la connexion de la tige ( 7) du tiroir, formant un pro- longement, et de la tige du piston ( 12) est élastique dans la direction longitudinale des tiges, et le distributeur ( 4) comporte un dispositif ( 56-61) de blocage commandé par un ressort et coopérant avec le tiroir ( 6) , de manière qu'il permette le déplacement du tiroir d'une position extreme à une autre seulement lorsque la force de compression entre la tige ( 7) du tiroir, formant un prolongement, et la tige ( 12) du piston dépasse une valeur limite prédéterminée. 2 Machine selon la revendication 1, caractérisée en ce que le dispositif de blocage comporte une bille de blocage ( 60) qui est repoussée contre le tiroir ( 6) par un ressort ( 61) fixé au boîtier du distributeur, et en ce que le tiroir a deux cavités distantes axialement ( 56, 57) destinées à loger la bille et entre lesquelles est formée une nervure ( 58). 3 Machine selon la revendication 1, caractérisée en ce que la tige ( 7) du tiroir formant un prolongement est dis- posée dans un alésage central ( 46) formé dans la tige du pis- ton ( 12), en ce que la tige formant le prolongement est en- tourée par un ressort hélicoïdal ( 53) disposé entre deux bu- tées ( 47, 50) de la tige formant le prolongement, et en ce -2517738 I 11 que l'alésage central de la tige du piston a deux butées distantes ( 54, 55), le ressort hélicoïdal étant comprimé lorsque le piston ( 8) estproche de ses positions extrêmes entre une butée ( 47, 50) de la tige formant le prolongement et une butée ( 54, 55)'de la tige de piston, le ressort re- poussant élastiquement la tige ( 7) formant un prolongement vers sa position extrême. 4 Machine selon la revendication 1, dans laquelle la pompe de condensat ( 16) comporte un cylindre ( 18) contenant un piston, caractérisée en ce que le distributeur ( 4) est relié au cylindre ( 18) de la pompe de condensat par l'in- termédiaire de tuyauteries ( 24, 25) afin qu'il provoque l'en- trainement de son piston ( 20) en synchronisme avec le piston ( 8) du cylindre ( 5) du moteur ( 3) et avec le même fluide sous pression.