Brevet FR2520058A1 — publié le 19830722

La présente invention concerne un procédé pour transformer l'énergie environnante en travail mécanique. L'invention vise également un moteur thermique utilisant ce procédé On sait que Joule et Thompson ont montré expérimentalement qu'en détendant un gaz sous pression contenu dans une première chambre vers une seconde chambre vide au travers d'un orifice, le flux gazeux formé entrain un abaissement de la température du gaz contenu dans la première chambre et une augmentation de la température du gaz injecté dans la seconde chambre. Cependant, on n'a jamais exploité cette expérience pour transformer l'énergie environnante en travail mécanique. Le but de la présente invention est, en partant de cette expérience, de fournir un procédé de transformation de l'énergie environnante en travail mécanique. Suivant l'invention, ce procédé est caractérisé en ce qu'on crée entre les molécules de gaz contenues dans deux chambres séparées, un flux spontané d'entropie pour engendrer un flux spontané de chaleur prélevée sur le milieu ambiant, que l'on transforme en énergie mécanique. Selon une version avantageuse de l'invention, on crée le flux spontané d'entropie en faisant passer les molécules de gaz de l'une des chambres vers l'autre chambre au travers d'au moins un orifice pratiqué entre les deux chambres, ce qui a pour effet de diminuer la température dans l'une des chambres et d'augmenter la température dans l'autre chambre, on compense cette diminution de température par échange thermique avec le milieu ambiant et on utilise l'augmentation de température dans l'autre chambre pour accomplir un travail mécanique. Le flux gazeux qui s'écoule de la première chambre dans la seconde chambre provoque spontanément une baisse d'entropie du gaz dans la premiere chambre. L'écoulement libre de l'entropie provoque l'écoulement forcé de la chaleur. Ainsi, le flux gazeux traversant l'orifice compris entre les deux chambres agit comme une pompe à chaleur entropique qui transfère une portion de la chaleur de la première chambre à la seconde chambre La chaleur prélevée dans la première chambre est compensée par un prélèvement de chaleur de l'atmos phère ambiante grace à des moyens d'échange thermique que comporte la première chambre. Par contre, la chaleur transférée dans la seconde chambre est utilisable pour réaliser un travail mécanique, si cette seconde chambre est isolée thermiquement par rapport à l'atmosphère ambiante. L'invention vise également un moteur thermique utilisant le procédé précité. Selon une version de l'invention, ce moteur comporte un piston mobile dans un cylindre par un système à bielle et manivelle, ce cylindre comportant une soupape d'admission et une soupape d'échappement, des moyens étant prévus pour commander alternativement l'ouverture et la fermeture de ces soupapes, en fonction du déplacement du piston. Suivant une réalisation préférée de l'invention, ce moteur est caractérisé en ce qu'il comprend un second cylindre communiquant avec le premier cylindre par la soupape d'admission, en ce que ce cylindre communique au moyen d'une soupape et au moins un orifice rétreint de passage du gaz avec une enceinte renfermant un gaz sous pression et en contact avec l'atmosphère ambiante, par des moyens d'échange thermique, en ce que la soupape d'échappement du premier cylindre communique avec cette enceinte, également par au moins un orifice rétreint de passage du gaz et en ce que le second cylindre est entouré par un revêtement isolant thermique. D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront encore dans la description ci-apres. Aux dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs: la figure 1 est un schéma qui illustre l'expérience de Joule et Thompson; la figure 2 est un schéma montrant le comportement des molécules de gaz, lors de leur passage dans un orifice rétreint; la figure 3 est un schéma illustrant le procédé conforme à l'invention; la figure 4 est un schéma illustrant une version préférée du procédé conforme à l'invention; . la figure 5 est un schéma en coupe longitudinale d'un moteur thermique conforme à l'invention; la figure 6 représente le diagramme de la variation de la pression en fonction du volume du moteur représenté sur la figure 5; la figure 7 est un schéma montrant une autre version d'un moteur thermique conforme à l'invention. Avant d'exposer le procédé et le moteurthermi- que conformes à l'invention, on va décrire, en référence à la figure 1, l'expérience de Joule-Thompson. L'expérience de Joule-Thompson consiste à détendre un gaz sous pression dans le vide. Le flux gazeux R qui s'écoule par l'orifice 1 de la chambre A vers la chambre a, entrain une différence de température entre les deux chambres telle que TA a Ce flux gazeux provoque au niveau de l'orifice 1, une différenciation spontanée de l'entropie du gaz et une variation de celle-ci dans le sens de la baisse. L'écoulement libre de l'entropie provoque l'écoulement forcé de la chaleur De cette manière, le flux gazeux R traversant l'orifice 1 agit comme une pompe à chaleur entropique qui transfère une portion de chaleur AO de la chambre A à la chambre a. Ceci se traduit par une diminution de la température To dans la chambre A et une augmentation de cette température dans la chambre a. Ainsi, la chaleur diffuse d'un niveau inférieur vers un niveau supérieur (TA La découverte de ce processus de flux spontané de l'entropie repose sur le fait que dans le courant gazeux R, les molécules gazeuses se déplaçant dans la direction du courant R acquièrent des vitesses relativement plus grandes que les molécules qui se déplacent dans le sens opposé (voir figure 2,a). Les chocs élastiques entre les molécules m dans le plan transversal de l'orifice 1 ménagé dans la cloison qui sépare les deux chambres A et a provoquent l'échange des quantités de mouvement différent P des molécules m. Dans la chambre A, s'accumulent les molécules ralenties (vitesse v') et dans la chambre a, les molécules accélérées (vitesse v") comme on le voit sur la figure 2,b). La quantité de mouvement des molécules est définie par la relation suivante: P = m.v. La quantité de mouvement P de chaque molécule est donc déterminée par le produit de la masse m de la molécule et de sa vitesse libre v. Cette quantité de mouvement détermine le niveau local de l'entropie du gaz. Les variations d'entropie as dépendent de la somme des influences des impulsions X et des flux I n n découlant de ces impulsions, qui agissent au niveau moléculaire dans un ensemble de N molécules. Par conséquent, AS = + N(AP) = - zNXN x i N N N N Les modifications locales de l'entropie dans le courant gazeux R découlent donc du changement de la valeur des impulsions et de ce fait, des quantités de mouvement des molécules, qui sont plus grandes dans le sens de l'écoulement du gaz et plus petites dans le sens opposé. La création d'un plan de symétrie géométrique pour la séparation des chocs intermoléculaires sous la forme d'un orifice 1 dans la cloison qui sépare les deux chambres A et a, permet la sélection des molécules de quantités de mouvement différentes en réalisant un flux d'entropie semblable à une onde longidutinale énergétique qui s'écoule le long d'un axe privilégié. Le caractère ondulatoire de l'écoulement entropique qui a lieu spontanément à une vitesse proche de celle du son, provoque en pratique un refroidissement quasi-immédiat du gaz dans la chambre A et un réchauffement de celui-ci dans la chambre a. La pompe à chaleur entropique constituée par l'orifice 1 est de préférence construite sous la forme d'un système fractionné en cascade, comme indiqué en 2 sur la figure 3. Sur cette figure, cette pompe à chaleur entropique est constituée par un compartiment intermédiaire disposé entre les chambres A et a, comportant plusieurs cloisons séparées, chacune de ces cloisons comportant un orifice. Comme le montre le diagramme représenté sur la figure 3, l'efficacité du fonctionnement d'une telle pompe croît (AT' > AT) car elle permet une sélection plus précise des molécules. L'efficacité du fonctionnement de la pompe a chaleur entropique peut encore être augmentée si l'on diminue le contre-effet de l'accumulation de l'énergie dans la chambre a. Dans ce but (voir figure 4), il est avantageux d'installer dans la chambre a un piston 3 qui, en exer çant un travail sur le gaz B contenu dans l'espace compris entre ce piston et l'extrémité de la chambre a, provoque le refroidissement du flux gazeux A et l'augmentation du rendement de la pompe (aT" > AT'). L'énergie extraite du gaz A est accumulée en partie sous la forme d'une augmentation de l'enthalpie tIB du gaz B, c'est-à-dire sous forme d'énergie directement utilisable. Optimalisée de cette manière, la pompe à chaleur entropique est capable de puiser l'énergie calorifique extérieure AQ grace à des moyens d'échange thermique tels que des ailettes disposées autaur de la chambre A La chaleur transférée dans la chambre a qui est de préférence, isolée thermiquement de l'extérieur est utilisée pour réaliser un travail mécanique. On va maintenant décrire à titre d'exemple non limitatif, un moteur thermique utilisant le procédé conforme à l'invention. Dans la réalisation de la figure 5, ce moteur comprend un piston 2 mobile dans un cylindre 1 par un a a système de bielle et de manivelle classique non représenté. Le cylindre 1 est prolongé par un second cylindre 4 a qui communique avec le premier cylindre par une soupape d'admission 7. Ce cylindre 4 communique d'autre part avec une enceinte C qui l'entoure, par une soupape 6 et une pompe à chaleur entropique 3', constituée, comme dans l'exemple des figures 2 et 3 par une succession de cloisons séparées. comportant chacune un orifice rétreints L'enceinte C renferme un gaz sous pression. Cette enceinte C est en contact avec l'atmosphère ambiante par des moyens d'échange thermique, constitués par des ailettes 9. Par ailleurs, le cylindre 1 communique avec a l'enceinte C par une soupape d'échappement 8 et par une pompe à chaleur entropique 3" analogue à la pompe 3'. Le cylindre 4 et une partie du cylindre la sont entourés par un revêtement isolant thermique 12. D'autre part, le cylindre 4 renferme un piston 5. L'espace fermé compris entre ce piston 5 et l'extré mité du cylindre 4 opposée au cylindre 1 renferme un a gaz B. Les soupapes 6, 7 et 8 sont commandées par des moyens connus tels qu'un arbre à cames, permettant de les ouvrir et de les fermer alternativement en fonction du déplacement du piston 2a. Par ailleurs, dans la partie du cylindre 1 a opposée au second cylindre 4, il est prévu des moyens pour injecter alternativement, dans cette partie, un fluide de refroidissement tel que de l'eau. Ces moyens peuvent consister en une ou plusieurs buses d'injection 11 reliées à un tuyau 10. Le fonctionnement du moteur que l'on vient de décrire est le suivant: Après ouverture de la soupape 6, le gaz sous pression contenu dans la chambre C est injecté violemment dans le cylindre 4 au travers de la pompe à chaleur entropique 3', ce qui provoque le déplacement du piston 5 dans le cylindre 4. Le gaz B est ainsi comprimé de la pression P à la pression P a r Dans la chambre a ainsi créée, s'accumule le gaz chaud produit par la pompe à chaleur 3' et dans la chambre C, le gaz se refroidit. Ce processus est instantané. Après l'établissement de l'équilibre des pressions entre les chambres C et a (PC = gaz la soupape 6 se ferme et la soupape 7 s'ouvre. Le gaz chaud de la chambre a et le gaz comprimé dans la chambre B se détendent au travers de la soupape 7 en agissant sur le piston 2a et en fournissant un travail mécanique selon le cycle de transformation G, H, E, comme indiqué sur la figure 6. La soupape 7 agit elle-même, également comme une pompe à chaleur entropique analogue à la pompe 3'. De ce fait, le travail est ainsi réalisé d'abord par le gaz très chaud (voir sections G, H du diagramme de la figure 6) et à la fin du processus par le gaz froid (voir section H, E). Le gaz qui a fini de fournir du travail peut être encore plus chaud que le milieu ambiant. De ce fait, dans la position la plus basse du piston 2a, on injecte dans le cylindre 1 une petite quantité d'eau a qui refroidit définitivement le gaz A (voir flèche 11). On ferme alors la soupape 7 et on ouvre la soupape 8. Le piston 2 comprime le gaz A froid suivant a la transformation E, F du diagramme de la figure 6 et le transporte par l'intermédiaire de la pompe entropique 3" dans la chambre C. Cette pompe 3" a pour effet de diminuer encore légèrement la température du gaz A qui est comprimé, ce qui entraîne une diminution de la consommation d'énergie liée au fonctionnement du moteur. Lors de la compression du gaz A, on réalise simultanément le processus déjà décrit précédemment qui consiste en un pompage de la fraction chaude du gaz C dans la chambre a par la pompe 3' et ainsi de suite Lors du travail du moteur, le gaz C est de plus en plus froid, ce qui permet l'extraction du milieu ambiant extérieur d'une quantité de chaleur aQa par l'échangeur 9. L'eau introduite dans le cylindre h par le gicleur 11 est extraite de la téte du moteur par une tubulure 10. L'accroissement du travail (+aL=aLll-aL) fourni dans ce moteur découle de la différence entre la valeur exergétique de la transformation G, H, E du gaz B et du gaz a et de la valeur exergétique de la transformation E, F du gaz A, comme on le voit sur le diagramme de la figure 6. Le travail de transport du gaz A (-AL') diminue le rendement du moteur (voir partie hachurée du diagramme de la figure 6). Toutefois, des pompes à chaleur entropique 3' et 3" construites correctement permettent d'augmenter le rendement. Une augmentation de rendement est également obtenue en utilisant une forte pression dans la chambre C ainsi qu'un échangeur 9 ayant une efficacité aussi bonne que possible. De même un grand volume de gaz C a une influence positive sur le rendement du moteur. Le moteur entropique schématisé sur la figure 7 comprend deux chambres A, B renfermant chacune des molécules de gaz n, m qui présentent des entropies différentes. A l'état initial, la température est identique dans les deux chambres. On supposera que l'entropie des molécules n de la chambre A est supérieure à celle des molécules m de la chambre B. Les deux chambres A, B sont séparées par une barrière (X-X') empochant le passage des molécules de l'une des chambres vers l'autre chambre. Cette barrière X-X' est toutefois capable de transmettre les chocs élastiques entre les molécules n, m de chacune des chambres. La paroi de la chambre A opposée à la barrière -X-X' comporte des ailettes 13 permettant un échange thermique entre cette chambre et le milieu ambiant extérieur. Le fonctionnement de ce moteur entropique est le suivant: Les molécules m et n subissent au niveau de la barrière X-X' des chocs élastiques successifs C1, C2, C3, C4, C5, C6, C7. Lors de ces chocs, les molécules n qui présentent une entropie supérieure échangent leur quantité de mouvement avec les molécules m, de sorte que la quantité de mouvement des molécules m et n c'est-a-dire leur entropie tend à s'égaliser dans les deux chambres A et B. On réalise ainsi au travers de la barrière X-X' un flux spontané d'entropie. Ce flux d'entropie provoque une diminution de la température dans la chambre A qui est compensée par une extraction de chaleur AQ du milieu ambiant à travers les ailettes 13. Le flux spontané d'entropie engendre ainsi un flux spontané de chaleur prélevée sur le milieu ambiant. Cette énergie prélevée sur le milieu ambiant est transformée en un travail mécanique aL qui tend à déplacer l'ensemble du système suivant la flèche T représentée sur la figure 7. La barrière élastique X-X' peut être une membrane en matière plastique élastique imperméable aux molécules n, m. Les molécules de gaz contenues dans les deux chambres A et B peuvent présenter des polarités opposées. Dans ce cas, la barrière X-X' qui empoche le passage des molécules de l'une des chambres peut notre une barrière virtuelle définie par un champ électromagnétique orienté perpendiculairement à cette barrière. Ainsi, les molécules échangent leurs quantités de mouvement au niveau de cette barrière virtuelle qui est située à égale distance entre les piles opposés entre lesquels est réalisé le champ électromagnétique. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples que l'on vient de décrire et on peut apporter à ceux-ci de nombreuses modifications sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Procédé de transformation de l'énergie environnante en travail mécanique, caractérisé en ce qu'on crée entre les molécules de gaz contenues dans deux chambres séparées, un flux spontané d'entropie qui engendre un flux spontané de chaleur prélevée sur le milieu ambiant que l'on transforme en energie mécanique. 2. Procédé conforme à la revendication 1, caractérisé en ce qu'on crée le flux spontané d'entropie en faisant passer les molécules de gaz de l'une des chambres vers l'autre chambre au travers d'au moins un orifice pratiqué entre les deux chambres, ce qui a pour effet de diminuer la température dans l'une des chambres et d'augmenter la température dans l'autre chambre, en ce qu'on compense cette diminution de température par échange thermique avec le milieu ambiant et en ce qu'on utilise l'augmentation de température pour accomplir un travail mécanique. 3. Procédé conforme à la revendication 2, caractérisé en ce qu'on fait passer les molécules de gaz à travers plusieurs orifices ménagés sur des cloisons successives disposées entre les deux chambres. 4. Moteur thermique utilisant le procédé conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 3, comprenant un piston (2 (2,) mobile dans un cylindre (la) par un système de bielle et de manivelle, ce cylindre (la) comportant une soupape d'admission (7) et une soupape d'échappement (8), des moyens étant prévus pour commander alternativement l'ouverture et la fermeture de ces soupapes, en fonction du déplacement du piston, caractérisé en ce qu'il comprend un second cylindre (4) communiquant avec le premier cylindre (2 au par ladite soupape d'admission (7), en ce que ce cylindre (4) communique au moyen d'une soupape (6) et au moins un orifice rétreint de passage du gaz (3') avec une enceinte (C) renfermant un gaz sous pression et en contact avec l'atmosphère ambiante par des moyens d'échange thermique (9), en ce que la soupape d'échappement (8) du premier cylindre (la) communique avec cette enceinte (C) également par au moins un orifice rétreint de passage du gaz (3") et en ce que le second cylindre (4) est entouré par un revêtement isolant thermique (12). 5. Moteur thermique conforme à la revendication 4, caractérisé en ce que le second cylindre (4) renferme un piston (5), l'espace compris entre ce dernier et l'extrémité de ce cylindre opposée au premier cylindre (la) étant fermée et remplie par un gaz (B). 6. Moteur thermique conforme à 1 'une quelconque des revendications 4 ou 5, caractérisé en ce que l'enceinte (C) communique avec le second cylindre (4) et avec le premier cylindre (la) par un compartiment (3', 3") comportant plusieurs cloisons séparées, présentant chacune une orifice rétreint pour le passage du gaz. 7. Moteur thermique conforme à l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que l'enceinte (C) entoure le second cylindre (4). 8. Moteur thermique conforme à l'une quelconque des revendications 4 à 7, caratérisé en ce que la partie du premier cylindre (1 (la) opposée au second cylindre (4) comporte des moyens (11) pour injecter alternativement dans cette partie un fluide de refroidissement. 9. Moteur thermique utilisant le procédé conforme à la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend deux chambres (A, B) renfermant des molécules (m, n) qui présentent des entropies différentes, ces deux chambres étant séparées par une barrière (X-X') empêchant le passage des molécules de l'une des chambres vers l'autre chambre, mais capable de transmettre élastiquement les chocs entre les molécules, l'une (A) des chambres comportant des moyens (13) d'échange thermique avec le milieu ambiant. 10. Moteur thermique conforme à la revendication 9, caractérisé en ce que la barrière (X-X') est une membrane en matière élastique, imperméable aux molécules.