Brevet FR2511729A1 — publié le 19830225

Machines à cycle Stirling. La présente invention concerne des machines à cycle Stirling, c'est-à-dire des moteurs et des pompes à chaleur.et leurs variantes telles qt des machines à cycle "Ericsson". Dans une pompe à chaleur à cycle Stirling, un fluide de travail est déplacé entre deux positions et sa pression varie en synchronisme avec le dépla cernent, de sorte que de la chaleur est pompée d'une position à l'autre. Une telle pompe à chaleur est théoriquement simple, mais des problèmes pratiques se trouvent soulevés. Par exemple, il se peut qu'il soit indispensable que le fluide de travail soit un gaz chimiquement pur tel que l'hélium et que les variations de pression soient transmises à ce fluide sans qu'il y ait contamination du gaz. Selon l'un des aspects de la présente invention, on prévoit une machine à cycle Stirling ou analogue, comprenant un ensemble comportant un piston auxiliaire, ou un piston auxiliaire déplace un fluide de travail entre des positions respectives à l'inté- rieur de l'ensemble en synchronisme avec des variations cycliques de la pression du fluide, et un ensemble de transmission de pression comportant une membra ne, avec l'un des côtésde laquelle communique le fluide de travail, et un moyen pour amener un autre fluide en communication avec l'autre côté de la membrane, la membrane pouvant se déplacer de manière à transmettre des variations de pression cycliques entre le fluide de travail et l'autre fluide tout en maintenant le fluide de travail isolé de cet autre fluide. La machine peut être une pompe à chaleur et comprendre un moyen d'entraînement permettant de fournir l'autre fluide à la pression pulsée à 11 au- tre côté de la membrane; par exemple, le moyen d 'entraînement peut comprendre un dispositif fournissant de l'air ou de l'huile à une pression pulsée. L'ensemble de transmission de pression peut être situé à une certaine distance de l'ensemble comportant le piston auxiliaire et y être accou plé au moyen d'un tube, ou bien les deux ensembles peuvent être proches l'un de l'autre ou constituer une même unité. L'objet de la présente invention est un perfectionnement d'agencement permettant la pressurisation cyclique du fluide de travail. Selon un autre aspect de la présente invention, un moyen de pressurisation pour la production des variations de pression cycliques du fluide de travail dans un cycle Stirling ou machine analogue comprend une zone de tube flexible contenant un fluide et un moyen pour comprimer cycliquement cette zone de tube flexible, de façon que la pressurisation cyclique du fluide soit effectuée. De préférence, le moyen de compression comprend un élément d'appui, et un élément de compression, entre lesquels se trouve la zone de tube flexible. L'élément de compression peut commodément comprendre une plaque appariée à l'élément d'appui et un élément à came effectuant la compression de la zone de tube flexible entre les deux. En variante, l'élément de compression peut comprendre une roue de compression comportant une ou plusieurs zones effectuant la compression de parties successives de la zone de tube flexible pendant la rotation de la roue. La présente invention sera bien comprise à la lecture de la description suivante faite en relation avec les dessins ci-joints, dans lesquels: la figure 1 représente une partie d'une pompe à chaleur à cycle Stirling, les figures 2, 3 et 4 sont des schémas représentant trois modifications possibles de la pompe de la figure 1; les figures 5 et 6 sont des schémas respectifs de parties de deux machines incorporant des ensembles d'entraînement du type péristaltique. En liaison avec la figure 1, la pompe comprend un ensemble à piston auxiliaire comportant un cylindre 2 qui est divisépar une paroi 3 en deux chambres 4 et 5, la chambre 4 étant la plus grande et renfermant un piston auxiliaire 6. Le piston auxiliaire 6 comprend un élément cylindrique 7 en matériau de faible poids tel qu'un matériau plastique, et est entouré par un manchon 8 en tamis métallique, par exemple, et constituant un régénérateur de chaleur comme cela est connu dans l'art. Un alésage central 9 s'étend entre les chambres 4 et 5 à travers la paroi 3 et dans cet alésage est monté un piston étroit définissant une partie 10 en saillie sur une extrémité de l'élément 7, cette partie ayant une surface en coupe bien inférieu- re à celle du piston auxiliaire 6. Un trou de dérivation 11 s'étend entre les chambres le long de l'alésage 9. Un tube 12 fait communiquer la chambre 5 avec un ensemble de transmission de pulsations de pression 13. L'ensemble 13 comprend un élément 14 comportant un intérieur creux, délimité par des surfaces intérieures coniques opposées 15 et 16 qui forment des sièges définissant les limites de déplacement d'une membrane 17 en métal tel qu'en bronze au phosphore et fixéeà l'intérieur de l'élément 14 de façon à diviser son intérieur entre deux espaces ne communiquant pas 18 et 19. L'ensemble 1 3 comprend en outre un élément en forme de coupe 20 dans lequel l'élément 14 est monté de manière amovible. Un joint torique-21 placé dans une rainure annulaire 22 autour de la surface intérieure de 1 'élément 20 est en contact avec la surface extérieure de 1' ensemble 13 de manière à réaliser un joint hermétique entre les deux éléments. Les deux éléments peuvent être maintenus couplés l'un à l'autre par tout dispositif d'accrochage approprié pouvant être libéré ou analogue (non représenté). Le tube 12 communique avec l'espace 18 à un côté de la membrane 17, alors que l'espace 19 situé à l'autre côté de la membrane communique avec l'intérieur de l'élément 20 via des ouvertures 23 pratiquées dans l'élément 14. Une conduite 24 relie l'élément 20 à un clapet de dérivation 25, auquel de l'air comprimé est fourni via une conduite d'entrée 26 et un raccord 60 à partir d'une alimentation enair comprimé 43, et qui comporte également une conduite de dérivation 27 et un élément de clapet rotatoire 28. Pendant la rotation de l'élément 28,par exemple alors qu'il est entraîné par un moteur (non représenté), la conduite 24 est reliée à la conduite d'entrée 26, puis à la conduite 27 suivant une séquence répétitive, de sorte que l'air se trouvant à l'intérieur de l'élément 20 et l'espace 19 à l'intérieur de l'élément 14 est soumis à des variations de pression cycliques ou pulsations. L'espace 18 à l'intérieur de l'élément 1-4, le tube 12 et les chambres 4 et 5 à l'intérieur du cylindre 2 sont remplis d'hélium chimiquement pur au quel, par suite de la présence de la membrane 17, les pulsations de pression de l'air de l'espace 19 sont transmises alors que l'hélium reste hermétiquement séparé de cet air. Par exemple, pendant la marche,le piston auxiliaire 6 se trouve à une position proche de l'extrémité 29 de la chambre 4, près de la paroi 3. Lorsque la pression de l'hélium dans la chambre 5 augmente, la transmission de cette augmentation à la chambre 4 est retardée quelque peu par suite des petites dimensions du trou 11, de sorte que dans l'entre-temnsune pression différentielle agit sur la partie 10 de définition de piston , la dépla çant ainsi que le piston auxiliaire 6, de sorte que le piston auxilaire 6 s'éloigne de la paroi 3 dans la direction de l'autre extrémité 30 de la chambre 4. Par suite de ce déplacement, l'hélium se trouvant précédemment à cette autre extrémité 30 de la chambre 4 est déplacé vers l'extrémité 29 de la chambre, sa pression croissant dans l'entre-temps par suite de l'action du trou 11. La pression diminue maintenant dans la chambre 5 de sorte que, avant qu'elle décroisse de manière correspondante dans la chambre 4, le piston auxiliaire 6 est ramené à l'extrémité 29 de la chambre alors que l'hélium de la chambre 4 est ramené à l'extrémité 30. L'effet des déplacements et des variations de pression continus est de pomper de la chaleur de l'extrémité 30 à l'extrémité 29 de la chambre 4. Cette chaleur peut être extraite via un radiateur de chaleur à ailettes31 solidaire de l'extrémité 29 de la chambre arrière du cylindre, de sorte que l'autre extrémité 30 se refroidit. En variante, la chaleur peut être fournie à l'extrémité 30 de la chambre de façon que l'extrémité 29 devienne plus chaude. On remarquera que, si l'agencement doit fonctionner correctement, sa réalisation doit être faite de manière appropriée dans ses détails. Par exemple, comme cela est connu de l'homme de l'art, on peut attribuer à l'ensemble comportant le piston auxiliaire une valeur de fréquence pneumatique qui est fonction des dimensions du trou 11 et du volume libre de la chambre 4; On choisit cette fréquence à une valeur supérieure à la fréquence de répétition des pulsations de pression de l'hélium. On choisit le piston auxiliaire 6 avec un poids suffisamment léger pour que son inertie n'ait pas un effet néfaste sur le fonctionnement. A titre d'exemple, la fréquence despulsa tionsde pression pourrait être, disons, de 50 Hz, bien qu'une fréquence supérieure puisse parfois être avantageuse. Les pulsations de pression à l'intérieur de l'hélium pourraient être comprises entre, par exem ple, 2 x 105 Pa et 20 X 105 Pa, alors que celles due l'air Sl'intérieur de l'élément 14 seraient comprises dans une plage quelque peu plus grande. On remarquera que diverses modifications peuvent être apportées à la pompe représentée. Par exemple, dans l'ensemble 1, le trou 11 peut ne pas s'avérer nécessaire s'il y a un trajet de fuite suffisant au niveau de la partie 10 de piston. La construction particulière du piston auxiliaire 6 peut être modifiée,etde fait, l'ensemble représenté qui comporte le piston auxiliaire peut être remplacé par toute sorte d'ensemble comportant un piston auxiliaire de pompe à chaleur à cycle Stirling qui peut fonctionner de manière à être entraîné par des pulsations de pression provenant d'un moteur d'entraînement séparé. Le clapet 20 peut être éliminé si la source d'alimentation 43 peut fonctionner en soi de manière à fournir de l'air pressurisé pulsé. Au lieu d'air, la source 43 pourrait fournir tout autre fluide approprié apte à transmettre des pulsations de pression à la membrane 17, par exemple un autre gaz ou même de l'huile ou de l'eau. Le fluide de travail de l'ensemble comportant le piston auxiliaire est choisi en fonction de facteurs tels que les températures entre lesquelles on souhaite pomper la chaleur et par conséquent pourrait être autre que l'hélium; par exemple, de l'hydrogène ou de l'azote pourrait être approprié dans certains cas. La pompe de la figure 1 pourrait être également modifiée comme représenté dans les figures 2, 3 ou 4. En figure 2, la conduite de dérivation 27 est reliée à tube 50 qui conduit à l'ensemble 1 comportant le piston auxiliaire, où il fournit de l'air de refroidissement de manière à faciliter la dissipation provenant du radiateur de chaleur 31. En figure 3, le clapet de dérivation 25,l'ensemble de transmission de pulsationsde pression 13 et l'ensemble comportant le piston auxiliaire constituent des parties d'une pompe à chaleur qui, pour fonctionner, doit être reliée par un raccord 60 à, par exemple, une source d'air comprimé d'atelier. Comme en figure 2, l'air évacué par la conduite 27 est acheminé jusqu'au radiateur de chaleur 31 de façon à en faciliter le fonctionnement. En figure 4, le clapet 25 est séparé de la pompe à chaleur qui comprend maintenant seulement les ensembles 1 et 13 comme partiesintégrantes, L'air facilitant le fonctionnement du radiateur de chaleur 31 est soutiré de l'intérieur de l'élément 20 via une conduite 70, conduite qui est telle que, grâce par exemple à la présence d'une obstruction 71 dans le col, ne soutire pas suffisamment d'air pour influencer le fonctionnement de l'ensemble comportant le piston auxiliaire. S'agissant plus particulièrement des variantes des figures 2 à 4, mais éventuellement également du mode de réalisation de la figure 1, il est généralement préf érable que la source 43 fournisse de l'air comprimé refroidi. La source 43 peut ne pas s'avérer nécessaire si une alimentation appropriée en air comprimé est déjà présente au voisinage de la pompe. En figure 5 ,un ensemble hermétique contenant un fluide comporte un dispositif de transmission de pression 101 qui est relié par un tube de couplage 102à unmoyen de pressurisation représenté schématiquement dans le bloc 103. Le moyen de pressurisation comprend une zone de tube flexible 104 situéeentre un élément d'appui 105 et une plaque de compression 106. La plaque de compression 106 est comprimée cycliquement contre l'élément d'appui par unecame 107 qui tourne autour d'un axe 108, ce qui a pour effet de provoquer la compression de la zone 104. En plus de la transmission des impulsions de pression cycliques, le fluide renfermé hermétique- ment fournit un milieu de transfert de chaleur pour le transfert de chaleur à partir du dispositif de transmission de pression 101, par exemple à la zone du moyen de pressurisation. Dans ce cas, les éléments d'appui et de compression sont commodément formés d'un matériau conducteur de la chaleur et le moyen de refroidissement est prévu au droit du moyen de pressurisation 103 ou à proximité de celui-ci.Par exemple, la came 107 peut comprendre un moyen de ventilateur de refroidissement. En figure 6, un ensemble étanche contenant un fluide comporte un dispositif de transmission de pression 110 relié par un tube d'accouplement 111 à un mrJyen de pressurisation représenté schématiquement dans le bloc 112. Le moyen de pressurisation 112 est du type péristaltique. Il comprend une zone de tube flexible 113, une plaque arrière rigide en partie circulaire 114, et un tambour 115 tournant autour d'un axe116. Naturellement, la plaque arrière 114 a sa portion en partie circulaire formée autour de cet axe. Le tambour 115 comporte une pluralité de rouleaux 117 placés façon à tourner autour d'axes parallèles à l'axe 116 et équidistants de lui. La pluralité de rouleaux est telle qu'il y a une compression progressive et successive de la zone de tube flexible contre la plaque arrière 114; ils ne s'étendent que partiellement autour de la périphérie du tambour mais suffisamment pour comprimer à tout moment cette zone flexible du tube supportée par la plaque arrière 114. La rotation du tambour provoque ainsi une compression totale de la zone flexible du tube une fois par tour. Comme le fluide scelle conduit dela chaleur à partir du dispositif de transmission de pression 110 tout en transmettard3-à celui-ci des impulsions de pression cycliques,le moyen de pressurisation 112 comprend un moyen de refridissement ayant la forme de pales de roue de circulation d'air 117 qui sont formées sur le tambour tournant 115. Le tambour assume ainsi commodément deux fonctions, celles d'assurer une pression péristaltique et d'agir en ventilateur d'air de refroidissement. Dans un autre agencement, permettant d'assurer que le courant de fluide dans des agencements ou les moyens permettant d'effectuer la pressurisation cyclique 112 sont éloignés du dispositif de transmission de pression 110, le tube de couplage unique 111 est remplacé par des tubes jumelés parallèles liés pour assurer le débit de fluide par le dispositif de transmission de pression à une extrémité et par des zones de tubes flexibles jumelés (remplaçant la zone unique de tube flexible 113) situées entre la plaque 114 et le tambour 115, et réuni à à leurs extrémités distantes des tubes de couplage. Cet agencement constitue une boucle fermée; dans cette boucle fermée, une valve de non-retour est prévue qui permet le passage du courant dans une seule direction. Certains rouleaux 117 ont une forme telle qu'ils ne compriment que l'une des deux zones de tubes flexibles, de sorte que les impulsions de pressurisation sont entremeléesavec les pulsations de courant. Par exemple, un rouleau 117 peut être placé et/ou formé de façon à fournir un courant effectuant une impulsion dans un tube, d'où ii résulte un courant momentané dans un sens du fluide enfermé de manière étanche à la suite de cette impulsion de pression beaucoup plus grande dont il a été question précédemment. La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation qui viennent d'être décrits; elle est au contraire susceptible de variantes et de modifications qui apparaîtront à l'homnede l'art. REVENDICATIONS 1. Machine à cycle Stirling comprenant un ensemble comportant un piston auxiliaire, caractérisée en ce qu'un piston auxiliaire déplace un fluide de travail entre des positions respectives à l'intérieur de l'ensemble en synchronisme avec des Variations cycliques de pression du fluide, et un ensemble de transmission de pression comprenant un élément mobile avec un côté duquel communique le fluide de travail, et un moyen pour acheminer un autre fluide en communication avec l'autre côté de l'élément mobile, cet élément mobile pouvant se déplacer de manière à transmettre des variations cycliques de pression entre le fluide de travail et l'autre fluide tout en maintenant le fluide de travail isolé de l'autre fluide. 2. Machine selon la revendication 1, caractériséeen ce que l'élément mobile comprend une membrane mobile de façon élastique. 3. Machine selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle peut fonctionner en pompe à chaleur, et comprend un moyen d'entraînement pour la fourniture de l'autre fluide suivant une pression de pulsation à l'autre côté de l'élément mobile. 4. Machine selon la revendication 3, caractériséeen ce que le moyen d'entraînement comprend un moyen d'alimentation en air comprimé. 5. Machine selon la revendication 3, caractérisée en ce que le moyen d'entraînement comprend une pompe à huile. 6. Machine selon la revendication 1, caractériséeen ce que les ensembles comportant le piston auxiliaire et de transmission de pression sont des unités séparées ne constituant pas des parties d'une même structure, et sont interconnectés par un moyen de conduite de manière à renfermer le fluide de travail.