Brevet FR2513311A1 — publié le 19830325

La présente invention concerne un moteur thermique qui peut être actionné par un rayonnement solaire pour entratner une pompe à eau. I1 existe un besoin de disposer d'une pompe à eau actionnée par énergie solaire pour des applications agricoles, en particulier dans le domaine de l'élevage, et qui puisse être utilisée pratiquement dans des pays où se manifeste une incidence relativement grande de rayonnement solaire. Une telle pompe devrait avoir avantageusement une puissance de plusieurs centaines de watts et être capable de pomper de l'eau à partir de grandes profondeurs. Depuis plus de 100 ans, des tentatives ont été faites pour mettre au point un procédé pratique d'utilisation de l'energie solaire pour pomper de l'eau. Cependant aucun système approprié n'a été conçu pour les conditions difficiles rencontrées dans les applications agricoles.On a fait de nombreuses suggestions mais aucune n'a atteint un stade industriel et aucune n'a pu être mise en oeuvre à un prix de revient intéressant. En 1864, Bernard Mouchot a construit à Alger une installation qui a pompé de l'eau par énergie solaire (P.R. Sabady, Haus und Sonnenkraft, page 23, Helion Verlag, Munich, 1979). En 1870, Ericson a construit aux USA une installation semblable à celle citée ci-dessus. En 1880, Robert Schulz a obtenu le brevet allemand no 14078 pour un moteur actionné par énergie solaire. D'autres moteurs ont suivi, notamment celui construit par A.G. Aneas en 1910 à Pasadena (USA), et celui de Schumann en 1911 au Caire (H.Rau, Heliotechnik, pages 190 et suivantes, Udo Pfriemer Verlag, Munich, 1976). Plus récemment, des projets d'essai de pompage d'eau par énergie solaire ont été effectués dans de nombreux pays du Sud, comme "Nadje" au Sénégal, "Onersol' au Nigeria, "Segal" au Sénégal, "Ouagu" en Haute-Volta, "Chinguetti" en Mauritanie et "Ejido Bahia" à Mexico (Informationswerk Sonnenenergie, Volume 4, page 277, Udo Pfriemer Verlan, Munich, 1977). Les principes techniques des moteurs connus peuvent être divisés en deux groupe principaux. En premier lieu, il existe des moteurs collectant l'énergie solaire dans des collecteurs paraboliques qui vaporisent l'eau pour actionner un moteur à vapeur. En second lieu, il existe des installations avec collecteurs plats dans lesquels un agent de faible point d'ébullition tel que du fréon est vaporise pour actionner un moteur à vapeur ou une turbine. Des installations à collecteurs paraboliques présentent l'inconvénient que d'une part les miroirs doivent être continuellement ajustés par rapport au soleil, ce qui nécessite de gros efforts, et d'autre part les miroirs sont susceptibles d'être encrassés. En conséquence, les miroirs doivent être nettoyés fréquemment, ce qui rend presque impossible l'utilisation de tels appareils dans des endroits éloignés sans un entretien fréquent. Cependant des installateurs à collecteurs plats ne sont pas affectés par des problèmes d'encrassement et de réglage par rapport au soleil mais il subsiste des difficultés non encore éliminées en ce qui concerne l'étanchéité, notamment la perte de l'agent de faible point d'ébullition. Les deux types de moteurs utilisent des vapeurs pour actionner un moteur à vapeur ou une turbine. L'utilisation d'un appareil classique présente l'inconvénient qu'un premier effort mécanique est nécessaire pour transformer un mouvement linéaire (piston dans un cylindre) en un mouvement de rotation(excentrique volant) qui, dans la pompe (trou profond avec pompe à piston) doit à nouveau être transforme en un mouvement linéaire. La double transformation redut le rendement de l'appareil et augmente considérablement les dépenses. Dans des installations à turbines, le mouvement de rotation est transmis à un générateur qui actionne à son tour le moteur électrique de la pompe. Cela réduit également le rendement et augmente les frais. En outre, toutes les installations connues sont relativement grandes puisqu'il n'est pas rentable de construire des installations d'une puissance de plusieurs centaines de watts. Or dans de nombreuses installations agricoles, c'est justement cette puissance qui est nécessaire. Par exemple une pompe de 200 watts peut alimenter en eau approximativement 2000 moutons. D'autre part, il faut également rappeler que de nombreux puits des régions les plus arides du monde ne contiennent pas une grande quantité d'eau. En conséquence l'emploi d'une grande installation n'est souvent pas justifié et n'est pas valable financièrement. Onen conclut qu'il n'existe pas actuellement sur le marché une pompe actionnée par énergie solaire et pouvant être fabriquée en série. La présente invention concerne une pompe à eau appropriée pour être utilisée en agriculture. La pompe selon l'invention peut être réalisée à de petites dimensions, par exemple avec une capacité de 200 watts, et elle convient pour l'irrigation et l'alimentation en eau dans des entreprises agricoles à échelle petite et moyenne, en particulier pour le développement de régions. Conformément à la présente invention, il est prévu un moteur thermique comprenant des moyens pour canaliser la vapeur d'un agent liquide vers une pompe hermétiquement scellée et à mouvement alternatif contenant un élément déplagable alternativement, où la vapeur se détend pour libérer de l'énergie, et hors duquel la vapeur détendue est ensuite déchargée, moteur dans lequel la commande du processus de détente et de décharge est effectuée par l'intermédiaire d'un ensemble de valves comprenant une valve d'admission pour l'introduction de vapeur et une valve de sortie pour la décharge de la vapeur détendue, ledit ensemble de valves utilisant un moyen élastique pour inverser brusquement les valves de façon qu'il soit possible de franchir le point mort de l'élément déplaçable alternativement même lors d'un mouvement à course lente. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention seront mis en évidence dans la suite de la description, donnée à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels: - la Fig. 1 est une vue en coupe verticale d'un mode de réalisation d'une pompe actionnée par énergie solaire confor mément à la présente invention, - la Fig. 2 est une vue en élévation à échelle agrandie d'une ensemble de valves d'un autre mode de réalisation d'une pompe actionnée par énergie solaire semblable celle de la Fig.l, - la Fig. 3 est une vue en coupe partielle et en élévation, d'un dispositif d'actionnement de valves de la pompe de la Fig. 2, et - la Fig. 4 est une vue encoupedlune valve de la pompe de la Fig. 2. La pompe représentée sur les dessins comprend un collecteur solaire 1, un dôme de vapeur 2, une valve d'admission 3, ~une valve de sortie 4, un balancier 5, des aimants permanents 6 et 7, un coulisseau de commande 8 associés à des ressorts 9 et 10, un cylindre principal 11 associé à un diaphragme 12 et à un plateau de diaphragme 13, une tige de liaison 14, un palier glissant 15, un levier de travail 16, un cylindre de contrepression 17, une pompe de condenseur 18, un condenseur 19, une poulie de guidage 20 associée à un câble de traction 21 aboutissant à une pompe de puits 22. Les composants du groupe sont reliés par des conduits 23 à 28. Dans le collecteur solaire 1, un fluide (qui peut avoir un bas point d'ébullition d'environ 10 C) est chauffé et parvient dans le dôme de vapeur 2 à partir duquel il est canalisé vers le cylindre principal 11 par l'intermédiaire du conduit 23 et de la valve d'admission 3. Dans le cylindre principal 11, la vapeur se détend et actionne la pompe de puits 22 par l'intermédiaire du diaphragme 12, de la tige de liaison 14 et du levier de travail 16, à l'aide du câble de traction 21 et de la poulie de guidage 20. Comme indiqué le levier 16 est ancré à une extrémité, il est relié par son autre extrémité au câble 21 et il est monté à pivotement sur la tige de liaison 14 par le palier glissant 15. Pendant ce processus, le ressort de commande 9 est appliqué contre le balancier 5 par le coulisseau de commande 8. oelui-ci est à son tour empêché de descendre par l'aimant permanent 6 puisque celui-ci arrête le balancier 5 jusqu'à ce que le ressort 9 soit placé dans sa position la plus basse et que l'augmentatiôn de pression oblige le balancier 5 a s'écarter de l'aimant permanent 6. L'énergie accumulée dans le ressort de commande 9 inverse le mouvement du balancier 5 de façon que celui-ci vienne maintenant buter contre l'aimant permanent 7 et reste dans cette position (comme indiqué sur les dessins), la valve de sortie 4 étant en même temps ouverte. Par l'intermédiaire de cette soupape de sortie 4, la vapeur detendue s 'écoule maintenant par le conduit 27 jusque dans le condenseur 19. La vapeur est alors refroidie et elle est condensée par l'eau pompée par la pompe de puits 22. Ce condensat collecté dans le condenseur 19 est maintenant pompé par l'intermédiaire des conduits 26 et 25 dans le collecteur solaire 1 sous l'action de la pompe à diaphragme 18 qui est actionnée par le levier de travail 16 à chaque course de ce dernier. Par l'intermédiaire d'un conduit 28, la pression établie dans le condenseur 19 est transmiseau cylindre de pression 17. Cela a pour effet, lors de l'ouverture de la valve de sortie 4, de décharger le cylindre principal 11 du fait que les deux cylindres ll et 17 sont à la mêrne pression. I1 en résulte que la tige 14 peut attendre plus facilement sa fin de course supérieure et obliger le balancier 5 à s'écarter de l'aimant 7. En conséquence le balancier 5 se déplace jusqu'à ce qu'il entre en contact avec l'aimant 6 pour amorcer un autre cycle. De cette manière, la possibilité d'immobilisation ou de perte de capacité est réduite au cas où la temperature dans le condenseur 19 augmente au-dessus du point d'ébullition du fluide à la pression atmosphérique à cause d'un refroidissement insuffisant. La force ramenant la tige 14 dans sa position limite supérieure est la gravité agissant sur les tiges de la pompe de puits 22. Ce cylindre principal 11 contient par conséquent une pompe à diaphragme à simple effet. La pompe selon l'invention représentée sur la Fig. 1 peut offrir un ou plusieurs des avantages suivants: - pas d'effort à exercer sur une transmission, un excentrique, des volants, des générateurs ou des turbines, - perte de fluide évitée par utilisation de diaphragmes - le moteur démarre sans aide au début de l'exposition à la lumière solaire puisque la valve, même pour le mouvement le plus lent, franchit avec certitude le point mort du cylindre, - la machine fonctionne sans graissage et il se produit peu ou pas de fuite puisque tous les composants qui sont mobiles et exposés à la vapeur sont équipés de diaphragme pour l'étanchéité, - utilisation possible même avec des pompes à pistons lents à de grandes profondeurs, et adaptation possible à différents types de pompes. En considérant maintenant les Fig. 2 à 4, on voit qu'on a représenté un autre mode de réalisation d'un ensemble de valves servant au fonctionnement d'une pompe d'un type semblable à celui représenté sur la Fig. 1. Sur la Fig.2, on a représenté une embase 98 sur laquelle est montée un cylindre principal 100 d'une construction semblable à celle du cylindre 11 décrit ci-dessus et contenant un diaphragme. A son extrémité supérieure, le cylindre 100 est relié à un conduit 102 qui est joint par un raccord à des conduits de dérivation 104 et 106. Les conduits 104 et 106 aboutissent respectivement à des valves 108 et 110. La valve 108 est reliée de l'autre caté à un conduit 112 qui aboutit à un condenseur semblable à 19 de la Fig. 1. La valve 110 est reliée de l'autre coté à un conduit 114 qui aboutit à un collecteur d'énergie -solaire semblable à 1 de la Fig 1. Les valves 108 et 110 et leurs conduits associés sont montés sur une plaque d'appui 116 également montée sur l'embase 98. Une tige de liaison 118 s'etend vers le bas à partir du cylindre 100 au travers de l'embase 98. En outre une barre de montage 120 s'étend vers le bas à partir du cdté inférieur de l'embase 98. Un levier d'actionnement 122 est monté à pivotement entre ses extrémités sur la barre 120. La tige de liaison 118 est montée à pivotement par son extrémité inférieure sur une extrémité du levier d'actionnement 122. Entre la tige de liaison 118 et le pivot d'articulation sur la barre 120, le levier d'actionnement 122 est également relié à Divotement à une tige de piston 124, dirigée vers le bas et qui est accouplée à une pompe à condensat semblable à la pompe 18 de la Fig. 1. Sur son côté opposé à la tige de liaison 118, le levier d'actionnement 122 est relié à pivotement à une tige 126 dirigée vers le haut. La tige 126 traverse un trou ménagé dans l'embase 98 et elle s'étend vers le haut jusqu'en un point adjacent aux valves 108 et 110. En un point adjacent à son extrémité opposée à la tige de liaison 118, le levier d'actionnement 122 est relié à un ensemble de tiges de pompe semblable ou identique à l'ensemble de tiges 20, 21, 22 de la Fig. 1 . En outre, l'extrémité du levier 122 qui est opposée à la tige de liaison 118 peut être pourvue d'un poids supplémentaire pour faciliter la course de descente du levier d'actionnement 122 comme décrit-dans la suite. Un balancier 128 est monté à pivotement par une extrémi entre les valves 108 et 110 surunebrochequi est solidement fixée dans la plaque 116. A son extrémité opposée aux valves 108, 110, le balancier 128 est relié à une extrémité d'un ressort 130 (représenté schématiquement) et l'autre extrémité du ressort 130 est reliée à la tige 126. En outre la tige 126 est également reliée à un ressort 131 dont l'autre extrémité est reliée au cylindre 100. Le ressort 131 agit, en coopération avec le ressort 130, pour centrer la tige 126 dans son montage dans la plaque d'embase 98 afin de réduire le contact frottant avec cette plaque 98. Deux butées 132 sont montées sur la plaque d'appui 116. En outre, comme le montre la Fig. 3, l'extrémité, montée à pivotement, du balancier 130 comprend une paire de collerettes extrêmes circulaires 134 ainsi qu'une partie de came intermédiair 136 pourvue de surfaces plates supérieure et inférieure. Chaque valve 108, 110 comprend, comme le montre la Fig.4 une saillie élastique 138, partant du corps de valve. Chaque sail 138 contient une tige de valve 140 dont l'extrémité extérieure est montée dans un bloc 142. A l'extérieur du bloc 142, la saillir 138 supporte une roue 144 montée à rotation. A son extrémité intérieure, la tige de valve 140 est pourvue d'une tête de valve 146 agencée de manière à entrer en contact étanche avec un siège 148. Les roues 144 sont poussées au contact d'un bord d'une surface plane correspondante de la partie de came 136 par les saillies elastiques 138. En service, dans la position représentée sur la Fig. 2, la tige 126 est dans sa position limite supérieure et le balancier 128 est poussé par le ressort 130 en contact aveè la butée 132. Dans cette position , la came 136 est tournée vers le haut et un bord de sa surface plane supérieure s'appuie contre la roue 144 de la valve 108 et comprime la saillie élastique 138 correspondante. En conséquence, le bloc 142 et la tige de valve associée 140 sontdEplaces vers le corps de la valve 108 et la tête de valve 146 est ainsi écartée de son siège 148. De cette manière la valve 108 est ouverte quand la tige 126 se trouve dans sa fin de course supérieure. Dans cette position, le levier d'actionnement 142 se trouve aussi dans sa fin de course supérieure et a terminé une course de pompage. L'ouverture de la valve 108 fait décharger des gaz du cylindre 100 par l'intermédiaire des conduits 102, 104 et 1l2.jusqu'à un condenseur tel que celui décrit en référence à la Fig. 10 pour parvenir ensuite à un collecteur solaire. Le diapragme du cylindre 100 revient dans sa position de repos. Essentiellement ce mouvement est produit par la force de gravité faisant descendre l'extrémité de droite (en regardant la Fig. 2) du levier d'actionnement 122. Le levier d'actionnement 122 pivote autour de son support sur la barre 120. Cette action pousse la tige de liaison 118 afin de ramener le diaphragme dans sa position initiale. Simultanément il fait monter la tige 124 pour actionner une pompe à condensat. En outre la tige 126 est descendue de manière que le point de liaison du ressort 130 avec la tige 126 arrive en-dessous du pivot du balancier 128. Cela provoque l'allongement du ressort 130 de manière que, lorsque le levier 126 a franchi la position de point mort, le ressort soit allongé de telle sorte qu'il fasse passer brusquement le balancier 128 de la position supérieure d'application contre la butée supérieure 132 jusque dans la position inférieure, représentée en trait mixte, d'application contre la butée inférieure 130. Cette action provoque l'ouverture de la valve 110 d'une manière analogue à l'ouverture de la valve 108 décrite ci-dessus. Cela permet à une charge fraiche de vapeur sous pression provenant d'un collecteur solaire de passer dans les conduits 114,106 et 102 pour pénétrer dans la pompe 100 et faire déployer la tige de liaison 118. Un déploiement de la tige de liaison 118 provoque l'abaissement de la tige 124, afin d'actionner une pompe à condensat, et le transfert de la tige 126 jusque dans sa position supérieure représentée sur la Fig. 2. Egalement,lorsque la partie de fixation du ressort 130 sur la tige 126 a franchi la position de point mort et lorsque le ressort 130 a été allongé suffisamment, ce ressort 130 fait brusquement basculer le balancier 128 jusque dans la position représentée en traits pleins où il entre en contact avec la butée supérieure 132. Pour faire en sorte que le balancier 128 ne bascule pas jusqu'à ce que la tige 126 ait atteint sa position limite supérieure, on peut prévoir un aimant 150 qui ralentit légèrement le basculement vers le haut du balancier 128 sous l'impulsion du ressort 130. Cela réduit le risque de blocage de la pompe dans une position dans des conditions de faible rayonnement solaire. Les aimants des modes de realisation décritscidessus pourraient être remplaces par des moyens d'attraction équivalents comme des ventouses, des coupleurs à impulsions ou des liaisons "velcro". D'autres modifications et variantes peuvent être envisagées sans sortir du cadre de l'invention. Par exemple le diaphragme peut être remplacé par un élément alternatif equivalent tel qu'un piston coulissant dans un cylindre comme pour une pompe à piston. R E V E N D I C A T I O N S 1. - Moteur thermique comprenant des moyens pour canaliser la vapeur d'un agent liquide dans une pompe hermétiquement scellée et à mouvement alternatif contenant un élément mobile alternativement, dans lequel la vapeur se détend pour libérer de l'énergie et hors duquel la vapeur détendue est ensuite déchargée, moteur caractérisé en ce que la commande du processus, de détente et de décharge, est effectuée par l'intermédiaire d'un ensemble de valves comprenant une valve d'admission pour l'introduction de vapeur et une valve de sortie pour la décharge de la vapeur détendue, ledit ensemble de valves utilisant un moyen élastique pour inverser brusquement les valves de façon qu'il soit possible de franchir le point mort de 1'6- lément deplaçable alternativement, même lors d'un mouvement à course lente. 2. - Moteur thermique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il utilise 1' énergie emmagasinée par un moyen élastique par compression de ce moyen élastique à chaque course de façon à emmagasiner l'énergie du moyen élastique puis à libérer brusquement l'énergie emmagasinée. 3. - Moteur thermique selon la revendication 2, caractérisé en ce que le moyen d'ouverture et de fermeture des valves est agencé pour être arrêté par un moyen d'attraction jusqu'à ce que le moyen élastique soit suffisamment comprimé pour vaincre la force d'attraction du moyen d'attraction afin de libérer immédiatement l'énergie emmagasinée dans le moyen élastique et de libérer le moyen d'ouverture et de fermeture des valves. 4. - Moteur thermique selon la revendication 3, caractérisé ence que le moyen d'attraction est un aimant permanent. 5. - Moteur thermique selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que le moyen d'ouverture et fermeture des valves se présente sous la forme d'un balancier qui est monté à pivotement à une extrémité et qui est agencé de façon à pivoter entre des première et seconde positions lorsqu'une valve respective est ouverte. 6. - Moteur thermique selon la revendication 5, caractérisé en ce que le moyen élastique comprend deux ressortskelicoldaux montés autour d'une broche coulissante, en ce que cette broche coulissante est agencée de manière à se déplacer en association avec l'élément à mouvement alternatif et à passer dans un trou du balancier et en ce que les ressorts hélicoïdaux sont montés de chaque côté du balancier. 7 ~ Moteur thermique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen d'ouverture et de fermeture de valves comprend un balancier relié à un ressort,encegue le ressort est relié à un bras déplaçable alternativement de manière à former un élément de commande à dépassement de point mort, en ce que le bras peut être déplace alternativement entre des première et seconde positions extrêmes de façon que, lorsque ledit bras se rapproche de sa première ou de sa seconde position extrême, le ressort soit allongé afin de tirer brusquement le balancier dans sa position opposée 8.- Moteur thermique selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il est également prévu un moyen d'attraction pour retenir additionnellement le balancier dans sa position d'ouverture de la valve d'admission afin d'assister cette valve pour qu'elle reste ouverte pendant tout le cycle d'ad mission de la pompe. 9.Moteur thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caracterisé en ce que le fluide détendu, après avoir quitté la pompe alternative, arrive dans un condenseur pour sa liquéfaction. lo.-Moteur thermique selon la revendication 9, caractérisé en ce que le condenseur agit sur le côté opposé de l'élément à mouvement alternatif de façon que, dans la position de décharge de l'ensemble de valves, il existe la même pression sur les deux côtés de l'élément à mouvement alternatif. ll.-Moteur thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que la vapeur condensée est recyclée par une pompe qui est enclenchée lors de l'actionnement de l'élément à mouvement alternatif. 12.-Moteur thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que la vapeur détendue est, en service refroidie par de l'eau pompée par le moteur thermique. 13.-Moteur thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce qu'il comprend un collecteur solaire agencé pour recevoir un rayonnement solaire incident et pour faire ainsi vaporiser le liquide. 14.- Moteur thermique selon la revendication 13, caractérise en ce que le collecteur solaire est un collecteur solaire à plaque plane. 15.- Moteur thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 14, caractérisé en ce que la pompe alternative est une poupe à diaphragme et en ce que l'élément alternatif est un diaphragme.