Brevet FR2511427A1 — publié le 19830218

La présente invention se rapporte à des moteurs thermiques et, plus particulièrement, à des moteurs thermiques acoustiques dont les dispositifs d'étanchéité sont stationnaires. Une fonction importante d'un moteur thermique consiste (} pomper la chaleur d'un réservoir thermique à une première température jusqu'à un second réservoir thermique à une seconde température plus élevée,en développant un travail mécanique Le moteur Stirling est un exemple de dispositif qui, lorsqu'il est utilisé avec un gaz idéal, peut pomper de la chaleur de manière réver- sible Un tel moteur comporte deux éléments mécaniques, un piston de travail et un piston auxiliaire, dont les mouvements sont mutuellement synchronisés pour atteindre le résultat escompté Dans un article intitulé "Pulse- Tube Refrigeration" paru en août 1964 dans les "Trans- actions of the ASME" (pp 264-268), W E Gifford et R C. Longsworth décrivent un moteur intrinsèquement irréver- ible qu'ils qualifient de réfrigérateur à tube oscillant ou réfrigérateur à pompage de la chaleur superficielle, qui, en principe, nécessite seulement un organe mobile et réalise la synchronisation nécessaire entre les variations de température et la vitesse d u fluide grâce à une temporisation du contact thermique entr e un agent gazeux primaire et un agent thermodynamique secondaire (formé dans ce cas par la paroi d'un tube en acier inoxy- dable) A la place d'un piston de travail, ce dispositif selon Gifford et Longsworth utilise une valve rotative qui raccorde cycliquement à une fréquence d'environ 1 Hz le tube à des réservoirs de haute pression et de basse pression alimentés par un compresseur L'appareil selon la présente invention applique le principe du pompage de la chaleur superficielle, mais il augmente la fréquence de fonctionnement par un facteur d'environ cent au-delà de la fréquence du dispositif précité Le -251142 ? moteur de l'invention ne comporte pas de compresseur, mais un entraîneur ou excitateur acoustique, dispensant ainsi de l'utilisation de tous les dispositifs mobiles d'étanchéité et de la nécessité d'organes externes à inertie mécanique, tels que des volants. L'un des dispositifs intéressants de l'art anté- rieur est un moteur thermique à onde mobile décrit dans le brevet US-4 114 380 (Ceperley) Ce dispositif utilise un fluide compressible logé dans un récipient tubulaire, ainsi qu'une onde acoustique progressive L'énergie thermique est ajoutée au fluide sur l'un des côtés d'un second agent thermodynamique et elle est extraite de ce fluide de l'autre côté dudit second agent La matière intercalée entre ces deux côtés est maintenue dans un équilibre thermique approximatif avec le fluide, ce qui oblige un gradient thermique dans ce fluide à rester sensiblement stationnaire Le fonctionnement de ce dispositif diffère de celui du dispositif de l'inven- tion sous de nombreux aspects Le dispositif connu utilise des ondes acoustiques mobiles dont la pression oscillatoire locale p est nécessairement égale au -poduit de l'impédance acoustique pc et de la vitesse locale v à chaque point du moteur En revanche, le dispositif selon l'invention utilise des ondes acousti- ques stationnaires pour lesquelles la condition p> pcv peut être obtenue au voisinage du second agent thermodynamique, augmentant ainsi le rapport entre les effets thermodynamiques et les effets de dissipation par viscosité Des ondes mobiles exigent qu'il ne se produise pas de réflexion dans le système; une telle condition est difficile à obtenir étant donné que le second agent constitue un obstacle qui a tendance à - réfléchir les ondes De surcroît, il est techniquement plus difficile d'obtenir un système à onde purement mobile efficace du point de vue thermodynamique qu'un système à onde stationnaire Dans l'invention de la référence citée ci-dessus, il est aussi obligatoire que t 5114 fl le fluide primaire soit en excellent équilibre thermique local avec le second agent Il en résulte-une analogie étroite avec le moteur Stirling Cependant, l'exigence relative à la géométrie du fluide, nécessaire pour réaliser un bon équilibre thermique impose nécessaire- ment, conjuguée à l'exigence selon laquelle p = fcv pour une onde mobile, une perte importante par viscosité (exception faite des fluides inconnus dont le nombre de Prandtl est excessivement bas) La présente invention tire parti du contact thermique imparfait avec le second agent en tant que paramètre essentiel du proces- sus de pompage de la chaleur Par conséquent, un moteur selon l'invention ne doit pas nécessairement présenter les fortes pertes par viscosité du moteur à ondes mobiles du brevet US-4 114 380 précité. Le brevet US-3 237 421 (Gifford) décrit le dispositif de pompage de la chaleur superficielle exposé dans l'article précité de Gifford et Longsworth. La présente invention se distingue de celle de ce brevet non seulement par les caractéristiques décrites ci-avant, mais également par le fait que le régénérateur,devant nécessairement être interposé entre la source de pression et la partie de l'appareil du brevet précité assurant le pompage de la chaleur superficielle, n'est pas impé- ratif dans la présente invention En effet, l'incorpo- ration d'un tel régénérateur dans le moteur selon. l'invention diminue-aiit son rendement par suite des mêmes problèmes de dissipation visqueuse de la chaleur qui affectent l'invention du brevet susmentionné US- 4 114 380 En outre, le dispositif du brevet US-3 237 421 requiert un compresseur de grandes dimensions et obliga- toirement lourd, alors que le moteur selon la présente invention est léger car il ne nécessite pas un tel compresseur Enfin, le moteur du brevet Cifford demande aussi des dispositifs d'étanchéité mobiles, ce qui n'est pas le cas du moteur de l'invention. L'un des objets de la présente invention 2511-42 ? consiste à assurer une réfrigération et/ou un chauffage sans nécessairement prévoir des dispositifs d'étanchéi- té mobiles. Un autre objet de l'invention est de supprimer la présence obligatoire d'organes externes d'inertie mécanique, tels que des volants d'inertie, équipant un appareil de réfrigération ou de chauffage. L'invention vise également à augmenter la fré- quence de fonctionnement bien au-delà de la fréquence typique de la plupart des appareils mécaniques. Selon les caractéristiques essentielles du moteur thermique acoustique de l'invention, ce moteur comporte un récipient tubulaire, par exemple rectiligne-, en U ou en 3 L'une des extrémités de ce récipient est fermée par un capuchon et ledit récipient est empli d'un fluide compressible capable de supporter une onde acoustique stationnaire L'autre extrémité dudit récipient est coiffée d'un dispositif comprenant,par exemple,le diaphragme et la bbbine oscillatrice d'un entraineur ou excitateur acoustique pour engendrer une onde-acous tique à l'intérieur de l'agent fluide Dans une forme de réalisation préférée, il est prévu un élément tel qu'un réservoir de pression pour délivrer une pression choisie au fluide à l'intérieur du récipient Un second agent thermodynamique est placé à l'intérieur dudit- récipient, au voisinage mais à distance de son-extrémité fermée par un capuchon, de manière à recevoir la chaleur provenant du fluide qui le traverse lors de la phase d'augmentation de pression d'un cycle d'onde, et de manière à céder cette chaleur au fluide lorsque la pression du gaz diminue lors de la phase appropriée dudit cycle d'onde Le contact thermique imparfait entre le fluide et le second agent se traduit par un intervalle d'inertie thermique commençant à 90 entre la température locale du fluide et sa vitesse locale. Il en résulte une différence de température sur la longueur d'e cet agent et, dans le cas de la forme de 251 1427 réalisation préférée, sensiblement sur la longueur de la branche la plus courte du récipient conformé en 3. Des puits de chaleur et/ou des sources de chaleur peu- vent être associés au dispositif de la présente inven- tion approprié pour provoquer une réfrigération et/ou un chauffage. L'un des avantages de la présente invention est qu'elle est facile à réaliser, de conception simple et d'un fonctionnement et d'un entretien peu onéreux. Un autre avantage de la présente invention est qu'elle ne comporte aucun dispositif mobile d'étanchéité et présente un seul et unique élément mobile. Un autre avantage encore,propre à la présente invention,réside dans le fait qu'elle propose un appa- reil compact et léger. Sous un autre de ses aspects avantageux, la présente invention peut être utilisée pour chauffer ou réfrigérer au-delà ou en deçà de plages de températures sélectionnées, depuis des températures cryogéniques jusqu'à des températures très élevées, en fonction des matériaux, des pressions et des fréquences utilisés. L'invention va à présent être décrite plus en détail en regard du dessin annexé à titre d'exemple nullement limitatif et sur l-'qu-el la figure 1 est une coupe d'une forme de réali - sation préférée selon l'invention; et la figure 2 est une coupe transversale, selon la ligne A-A de la figure 1, représentant un second agent thermodynamique utilisé dans la forme de réalisa- tion préférée selon l'invention. Un moteur 10 selon l'invention, dont le mode de réalisation préféré est illustré sur la figure 1, comporte un récipient 12 cylindrique ou tubulaire de forme générale en 3, comprenant un coude en U, une branche courte et une branche longue Sa branche longue est coiffée par un bottier 14 d'entralneur ou excitateur acoustique supporté par une plaque de base 16 et fixé à cette dernière par des boulons 18 pour former un joint étanche aux fluides pressurisés entre ladite plaque 16 et ledit boitier 14 Dans la forme de réalisation préférée, la plaque de base 16 repose sur- la face supérieure d'un collet 20 faisant saillie vers l'extérieur au- delà de la paroi du récipient 12 Le boîtier 14 renferme un aimant permanent 22, un diaphragme 24 et une bobine oscillatrice 26 Des conducteurs 28 et 30, traversant une garniture d'étanchéité 38 dans la plaque de base 16, sont raccordés à une source 36 de courant de fréquence audible L'ensemble comprenant la bobine et le diaphrag- me est monté par l'intermédiaire d'un anneau flexible 34 sur un support 32 assujetti à l'aimant 22 Il apparaîtra à l'homme de l'art que l'excitateur acoustique illustré est de type classique Dans la forme de réalisation préférée, cet excitateur fonctionne dans une plage de fréquence de 400 Hz (au moins d'environ 100 Hz) Toute- fois, dans ladite forme de réalisation préférée, on peut utiliser une plage de 100 Hz à 1000 Hz Dans ladite forme préférée, on a utilisé de l'hélium pour emplir le réci- pient 12, mais il apparaîtra là encore aux spécialistes qu'on peut aussi employer aisément d'autres gaz (tels que de l'air et de l'hydrogène gazeux) ou des liquides (tels que des "Fréons" ou du propylène), voire des métaux liquides comme un eutectique liquide de sodium- potassium pour mettre l'invention en pratique Une collerette 40 est fixée, par exemple par soudage, à la face supérieure de la branche courte du J Un capuchon d'extrémité 42, placé en dessus de la collerette 40, est assujetti à cette dernière par des boulons 44 pour former un joint étanche aux fluides pressurisés Un second agent thermodynamique 46, qui est représenté en coupe transversale sur la figure 2, consiste de préfé- rence en des cylindres concentriques, en une spirale ou en des plaques Parallèles fabriqués en un matériau tel que du ";ylar"(acide terephtalique + éthylène glycol)> du "Ny 1 on"(po 1 yamide), du "Kapton" Cpolyiride), une époxyde, un acier inoxydable de faible épaisseur ou matière ana- logue Le matériau mis en oeuvre doit être capable de provoquer un échange thermique avec le fluide renfermé par le récipient 12 Une autre matière solide, dont la capacité ther ique effective par unité de surface à la fréquence de fonctionnement est nettement supérieure à celle du fluide voisin, et qui présente commodément une faible conductibilité thermique dans le sens longitudinal, agira comme un second agent thermodynamique De petits points 56 illustrés sur la figure 2 peuvent représenter des protubérances ou autres moyens servant à maintenir les cylindres concentriques, les enroulements de la spirale ou les plaques parallèles approximativement équidistants les uns des autres On fera observer la présence d'un espace extrême entre le capuchon 42 et le sommet de l'agent thermodynamique 46 Au voisinage de cet espace extrême et du sommet de l'agent 46, le récipient 12 communique avec un puits de chaleur 50 par l'intermédiaire d'un conduit 48, provoquant ainsi un échange thermique par dégagement de chaleur Un second conduit 52, raccordé au récipient 12 à l'extrémité inférieure de l'agent thermodynamique 46, communique avec une source de chaleur 54 et assure ainsi un échange thermique par absorption de chaleur Une pression souhai- tée ou sélectionnée est délivrée par une source 64 d'alimentation en fluide sous pression, par l'intermé- diaire d'un conduit 58 et d'une valve 60 Cette pression peut être réglée par un manomètre 62. L'excitateur acoustique,dont l'aimant perma- nent 22 engendre un champ magnétique radial qui agit sur le courant passant par la bobine oscillatrice 26 afin de fournir au diaphragme 24 la force pour provoquer des oscillations acoustiques à l'intérieur du fluide, est accouplé mécaniquement au récipient 12 (résonateur acoustique conformé en un tube en 3 dont l'une des extrémités est obturée par le capuchon 42) Dans un moteur typique, le résonateur peut être approximative- ment long d'un quart de longueur d'onde à sa résonnance 2511 i 427 fondamentale,, mais l'homme de l'art comprendra que cette caractéristique n'est pas essentielle Aucun dispositif à inertie mécanique n'est nécessaire, étant donné que toute l'inertie requise est fournie par l'agent fluide primaire proprement dit résonnant à l'intérieur du tube en 3 Le second agent thermodynami- que 46 formé par des couches doit présenter une faible conductibilité thermique dans le sens longitudinal en vue de réduire les pertes de chaleur Dans la forme-de réalisation préférée, l'espacement entre les cylindres concentriques de cet agent 46 est d'une largeur unifor- me d Une autre condition à remplir par ce second agent est que sa capacité thermique effective CA par unité de surface soit considérablement plus 2 grande que celle (CA) du fluide primaire voisin Ces propriétés sont 1 représentées mathématiquement comme suit C A CI d; C -C 2 A CA 2 C 2 2 o C et C sont les capacités thermiques respectives I 2 par unité de volume de l'agent primaire fluide et de l'agent secondaire solide 46 et 52 ( 2 l 1/2 52 étant la profondeur de pénétration thermique dans le second agent de diffusivité thermique k 2, pour une fréquence angulaire C = 2 T f (f étant la fréquence acoustique) La condition selon laquelle CA > CA est aisément obtenue, ainsi que de faibles pertes de chaleur dans le sens longitudinal, si le second agent est une matière du type"Kapton", "flylar", "Nylon", un époxyde ou de l'acier inoxydable pour des fréquences de quelques centaines d'hertz à une pression de l'hélium gazeux d'environ 10,13 bars Pour un fonctionnement efficace,il est nécessaire que les pertes visqueuses soient faibles Cela peut être obtenu si L/?c L est la longueur du second agent et * est la longueur- en radians de l'onde acoustique représentée par k= >/2 F= c/2 rf (o c est la vitesse du son dans -2511427 l'agent fluide) Lors du dimensionnement du moteur, on choisit une valeur raisonnable de L, ainsi qu'une fré- quence générale commençant à L/> lorsqu'on utilise une configuration de plaques parallè- les, est donnée par XI:,= d 2 1 o k 1 est la diffusivité thermique du fluide primaire. En présence de gaz, la valeur de r est approximativement inversement proportionnelle à la pression L'espacement de largeur d est alors déterminé approximativement par l'inégalité d 9 2 k 1/2 -25 Une pression de l'hélium gazeux de 10,13 bars donne des valeurs parfaitement raisonnables de d c'est-à-dire d'environ 10 mm. Ces considérations sont typiques pour le dimen- sionnement du moteur En se référant à la figure 1, le fonctionnement est le suivant: l'excitateur acoustique est placé dans un boîtier pour résister à la pression du fluide de travail et il est assemblé mécaniquement au résonateur (récipient tubulaire 12 en 3) d'une manière étanche aux fluides Les conducteurs électriques partant de la bobine oscillatrice sont raccordés à la source 36 de courant de fréquence audible en traver- 11427 sant la garniture d'étanchéité 38 Le système acoustique a été amené jusqu'à une-pression p par l'intermédiaire de la valve 60, en utilisant la source 64 d'alimentation en fluide sous pression La fréquence et l'amplitude de la source de courant de fréquence audible sont choisies pour produire la résonnance fondamentale corres- pondant à une résonnance d'un quart d'onde dans le récipient tubulaire 12 en 3 Dans d u He gazeux, un excitateur tel que le "JBL 2482 " fabriqué par la Société "James B Lansing Sound,Inc " provoquera facilement une variation de pression de crête à crête de 1,013 bar dans la région du capuchon d'extrémité 42 lorsque la pression moyenne régnant dans le récipient est d'environ ,13 bars. Du fait que la-longueur de l'agent 46 est considérablement moindre que A, la pression est presque uniforme sur ce second agent thermodynamique Les effets produits sont donc sensiblement les mêmes que ceux obte- nus avec un agencement ordinaire à vérin mécanique pro- duisant la même variation de pression à cette haute fréquence. Le pompage de la chaleur se produit de la façon suivante on considérera une petite quantité de fluide se trouvant à proximité de l'agent secondaire à un instant o la pression d'oscillation est égale à zéro et devient positive Lorsque-cette pression augmente, la quantité de fluide se déplace en direction du capuchon d'extrémité 42 et son mouvement provoque son chauffage. Avec une période de temporisation Tek, la chaleur est transférée au second agent à partir de la quantité chaude de fluide après que ce fluide s'est déplacé en direction du capuchon d'extrémité au-delà de son état d'équilibre, transmettant ainsi la chaleur en direction dudit capuchon d'extrémité La pression diminue ensuite et, conjointement, la température décroît Néanmoins, cette baisse de température n'est pas communiquée au second agent avant que la meme quantité de fluide ait une distance notable à partir de son état d'équilibre à l'écart du capuchon 42 et en direction du coude en U, en transmettant alors du froid à ce coude en U Dans ces co i-itions, il se produit un transfert global de chaleur du fond au sommet de l'espace d'inertie thermi- que Le refroidissement du fond se poursuit jusqu'à ce que le gradient thermique et les pertes calorifiques soient tels que la température du second agent coïncide avec celle du fluide voisin en mouvement lorsque ce fluide se déplace Un ajustement de la grandeur de. l'espace extrême au-dessous du capuchon d'extrémité détermine le déplacement volumétrique du fluide à la fin de l'intervalle d'inertie thermique et, de ce fait, j Ou'I un role important pour déterminer la quantité de chaleur pompée On fera observer que, du fait que son fond est froid, le tube en 3 représenté présente une bonne stabilité à la gravitation par rapport à la convection naturelle du fluide primaire Si un appareil selon la présente invention est construit pour fonction- ner dans un environnement exempt de gravité, tel que l'espace, la configuration en 3 du tube devient super- flue Cette configuration en 3 du récipient tubulaire 12 peut aussi être modifiée, de même que le comportement de ce dernier, si une baisse sensible du rendement est acceptable On peut utiliser par exemple des tubes rec- tilignes ou en U. L description ci-avant d'une forme de réalisa- tion préférée selon l'invention a été présentée dans un but de pure illustration Elle ne saurait être considérée comme exhaustive ou comme limitant l'inven- tion à sa forme décrite et, manifestement, de nombreuses modifications et variations sont aisément possibles sans s'écarter du cadre de l'invention La forme de réalisation présentée a été choisie et décrite afin d'exposer clairement les principes de l'invention et son application pratique, de manière à permettre à d'autres spécialistes d'utiliser au mieux cette invention dans de nombreuses formes de réalisation et avec de nombreuses modifications appropriées aux buts respectifs recherchés Le cadre de l'invention est défini par les revendications annexées. REVENDICATIONS 1 Moteur thermique acoustique à dispositifs d'étanchéité stationnaires, caractérisé par le fait qu'il comprend un récipient ( 12) qui, pouvant résonner pour l'essentiel à une fréquence sélectionnée, présente des première et seconde extrémités; un moyen ( 42) pour obturer La première extrémité dudit récipient; un fluide compressible pouvant supporter une onde acous- tique stationnaire et logé dans ledit récipient-; des moyens ( 14,22,24, 26) disposés à la seconde extrémité dudit récipient afin d'exciter cycliquement ledit fluide avec une onde acoustique stationnaire présentant sensiblement ladite fréquence sélectionnée; ainsi qu'un second agent thermodynamique ( 46) placé dans ledit récipient au voisinage mais à distance dudit moyen d'obturation, ce qui fait que l'énergie se déplace en permanence vers ledit moyen d'obturation lorsque ledit moteur fonctionne. 2 Moteur thermique selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comporte des moyens ( 48) pour transférer la chaleur à partir du récipient ( 12), au voisinage du moyen dl'obturation ( 42), à un puits d.l chaleur ( 50). 3 Moteur thermique selon la revendication 1, carctérisé par le fait qu'il présente des moyens ( 52,54) pour refroidir un agent extérieur, en commu- nication efficace avec le récipient ( 12) dans une région de ce dernier située de l'autre côté du second moyen thermodynamique ( 46) à partir du moyen d'obtura- tion ( 42). 4 Moteur thermique selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le récipient ( 12) consiste en un tube rectiligne. Moteur thermique selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le récipient ( 12) présente un coude en U. 6 Moteur thermique selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le récipient ( 12) est en forme de J et comprend une branche courte et une branche longue. 7 Moteur thermique selon la revendication 6, caractérisé par le fait que le moyen d'obturation ( 42) est disposé à l'extrémité de la branche courte et les moyens d'excitation ( 14,22,24,26) se trouvent à - l'extrémité de la branche longue. 8 Moteur thermique selon la revendication 7, caractérisé par le fait que le second moyen thermody- namique ( 46) est logé dans la branche courte. 9 Moteur thermique selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la fréquence sélectionnée est d'au moins environ 100 hertz. Moteur thermique selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la fréquence sélectionnée est d'environ 100 hertz à environ 1000 hertz.