Brevet FR2530321A1 — publié le 19840120

La présente invention se rapporte à une machine pour engendrer de la chaleur par frottement, par laquelle des surfaces, déplacées l'une vers l'autre, de deux organes de fric tion glissent l'une sur l'autre sous une contrainte réglable de pression, et dans laquelle la chaleur ainsi produite est captée et est évacuée par un fluide circulant autour desdits organes de friction. On sait que la température d'un corps est proportionnelle à l'énergie cinétique et potentielle accumulée dans les molécules, si bien que cette température sert de mesure directe dé l'énergie interne d'un système moléculaire. I1 est connu que cette température interne de la matière peut être accrue par frottement, une partie de l'énergie mécanique utilisée servant à surmonter la résistance de frottement sur les les surfaces de coulissement, de sorte que l'énergie appliquée est en générale notablement plus grande que l'énergie calorifique pouvant être prélevée dans les zones de frottement Cette différence est approximatifement proportionnelle à l'effet d'usure-ou au travail d'enlèvement de matière. Dans le cadre des efforts actuellement menés pour realiser des dispositifs de conversion d'énergie de façon que leur fonctionnement et leur utilisation soient les plus rationnels possible, différentes solutions de machines du type précité ont été proposées, dans lesquelles on vise à diminuer la perte d'énergie ou l'usure des surfaces de glissement, ainsi qu'une diffusion incontrôlée de la chaleur, de telle façon que soit creé un système de production de chaleur dont le degré d'efficacité permet d'envisager raisonnablement une utilisation pratique. Etant donné que le processus de frottement extérieur entre les corps solides provoque une usure de la matière, on a préféré jusqu a présent- utiliser en guise d'agents caloporteurs, pour la conversion d'énergie, des liquides dont la chaleur interne doit être augmentée par de forts mouvements tourbillonnaires imprimés au liquide. Certes, cela a permis d'éliminer dans une large mesure les désavantageuses pertes par usure ; cependant, étant donné que la substance molécullaire spécifique d'un liquide est plusieurs fois inférieure à celle d'un corps solide l'augmentation recherchée de l'éner qe calorifique interne de liquides ne peut être obtenue qu'avec de très faibles taux d'accroissement.Par conséquent les particules de liquide doivent être déplacées avec une très grande vitesse dans un grand volume (par exemple de l'huile) si l'on veut obtenir, dans une durée utile et par frottement interne, une quantité de chaleur supplémentaire pouvant être utilisée techniquement. La présente invention a par conséquent pour objet de proposer une machine de conversion d'énergie du type précité qui garantisse un dégré optimal de conversion efficace moyennant un encombrement et une compexité technique les plus faibles possibles. Dans ce but, la condition la plus favorable consiste à utiliser un corps solide avec un film d'huile en guise d'agent caloporteur, de sorte que l'invention concerne en particulier la solution apportée au problème de l'usure et d'un comportement thermique favorable de l'agent caloporteur. Conformément à l'invention, les objectifs qui en résultent soni:atteints de manière utilisable par un agencement dans lequel on utilise les matieres appropriées pour la génëra- tion de chaleur de frottement. me l'ant mis e évidence des expériences précises long terme, l'usure se produisant sur les surfaces de glissement est nulle dans la plage de grandes vitesses relatives des organes de friction et de pressions de frottement plus grandes, e qui permet d'oteind-e un avantage décisif de l'invention Cet effet déterminant est justifié par le fait que la surface de glissement dure et microscopiquement lisse permet d'éliminer complètement un effet d'enlèvement de matière entre les surfaces de glissement.Gracie à des mesures identiques, on a pu obtenir l'effet tout aussi important que l'énergie de mouvement appliquée peut atteindre dans les deux couches limites une très grande partie des molécules par unité de surface et peut ainsi augmenter et emmagasiner de manière intensive et dans une courte durée la température interne de ces couches de glissement, sans aucune usure par frottement. La quantité de chaleur qui croit dans ce cas très rapidement peut être évacuée de manière rapide et régulée par le prélèvement de chaleur du circuit de refroidissement parce que, conformément à l'invention, l'épaisseur de la cloison séparatrice entre le fluide de refroidissement et la surface dure de glissement est dimensionnée seulement en fonction de sa contrainte mécanique, et parce que cette cloison sépara- trice consiste en une matière à haute conductivité thermique; de préférence un métal ou de la vitrocéramique.Grâce à cet effet rapide de refroidissement,les températures engendrées sur la surface tendre complémentaire de glissement peuvent être maintenues suffisamment basses pour que la matière tendre de cette couche de glissement ne subisse aucune détérioration même sous de fortes contraintes, et pour que les pertes cålo- rifiques par diffusion soient maintenues à un niveau mihimal. L'effet recherché est encore favorisé par l'élasticité de cette couche de glissement, car cette élasticité garantit un contact à plat parfait entre cette couche et la surface dure cnmplémentaire. Cela permet indéniablement d'obtenir un degré de conversion d'énergie qui est considérablement plus grand que dans les machines connues. D'autres avantages de l'invention sont conférés, par rapport aux machines connues, par la très petite complexité technique et par le très faible encombrementen regard dela quantité de chaleur cédée.: Dans ces conditions, la machine selon l'invention peut être utilisée, avec un haut degré de rendement économique, dans un grand champ d'application dans le domaine de la conversion d'énergie.Cela concerne en particulier la conversion de petites énergies mécaniques, non utilisables directement, en une plus grande énergie calorifique stockable et utilisable sous de nombreux aspects, ou bien la possibilité d'alimenter en chaleur des installations de chauffage en utilisant des moteurs thermiques en guise d'entraìnement, auquel cas la chaleur de l'eau de refroidissement du moteur peut être intégralement utilisée dans la machine de frottement et un plus fort degré-d'exploitation de ce moteur peut ainsi être obtenu. D'autres possibilités favorables d'utilisation de la machine selon l'invention concernent, en autres, des -bancs d essais de freinage de moteurs. Dans le cas d'intallations de chauffage de locaux ou de régulation de la climatisation, le courant d'air devant être tempéré peut être directement dirigé à travers la zone d'évacuation de chaleur de la machine de frottement et être chauffé économiquement jusqu'à une température pouvant être prédéterminée. Dans ce contexte, il convient encore de mentionner le fonctionnement de la machine exempt de bruits. La conception mécanique et le fonctionnement simple et contrôlable de la machine de l'invention permettent aussi l'agencement de plusieurs paires accouplées par frottement et équipées d'un entrainement commun et d'un seul et unique circuit cohérent de fluide d'évacuation de la chaleur, ce qui permet une adaptation sans problème à l'espace disponible. 11 est évident qu'une lubrification des surfaces de glissement ne constiuerait pas un inconvénient pour le fonctionnement du système. Cependant, les expériences de longue durée ont révélé-qu'une lubrification visant h empêcher une usure est en soi suffisante, une très mince couche d'huile de faible viscosité entre les surfaces de glissement permettant d'évacuer ou d'enrober les corps étrangers les plus petits. A cet égard, il est avantageux que les fibres d'un revêtement de feutre organique utilisé en guise de surface de glissement renferment des traces de graisse accumulée par capillarité, graisse grâce à laquelle un fonctionnement entièrement à sec d-es surfaces de glissement peut être évité. La très mince couche de graisse qui apparat alors ne peut qu'améliorer l'adhérence moléculaire mutuelle des surfaces limites, par exemple en présence de grandes vitesses relatives-et de grandes forces de pression. L'invention va à présent être décrite plus en détail en regard du dessin annexé à titre d'exemples nullement limitatifs et sur lequel: La figure 1 est une coupe longitudinale représentant une réalisation de la machine de frottement comportant des surfaces de glissement planes et rotatives La figure 2 est une demi-coupe fragmentaire de la couche tendre de glissement selon la figue 1 La figure 2 a est une demi-coupe fragmentaire d'une variante de réalisation de la couche tendre de glissement selon la figure 1 La figure 3 est une coupe radiale d'une forme de réalisation comportant des surfaces de glissement rotatives en forme d'arc- de cercle i La figure 4 représente en coupe fragmentaire une réalisation comportant des surfaces de glissement en forme d'arc de cercle et à mouvement linéaire La figure 5 est une vue avec coupe longitudinale partielle d'un exemple d'application de la forme de réalisation selon la figure 4 ; et La figure 6 est une coupe longitudinale schématique d'un agencement comportant des surfaces de glissement planes effectuant un mouvement linéaire. Dans la machine de production de chaleur par friction représentée sur les figures 1, 2 et 2e, des surfaces glissant l'une sur l'autre portent les références 1 et 2 et leurs supports de couches de glissement (qualifiés ci apres de "supports de couches") sont reférencés par 3 et 4.Dans l'exemple de réalisation considéré, l'effet de friction recherché est obtenu par une rotation d'un disque de retenue 4a du support de couche 4 relié à un arbre d'entrainement 5, cependant que le support de couches 3 avec sa surface glissante 1 est verrouillé en rotation sur un bâti G de la machine Le support 3 de couche de glissement est réalisé sous la forme d'un disque circulaire fabriqué en une matière à conductivité thermique optimale qui se prête à la fabrication d'une surface de glissement microscopiquement lisse à haut degré de dureté.Pour obtenir un passage de chaleur le plus rapide possible, l'épaisseur du support de couche 3 (disque) est limitée à une valeur en présence de laquelle les efforts de traction et les contraintes thermiques qui se manifestent peuvent encore être surmontés Par exemple, il est satisfait à ces conditions par un métal ou un alliage métallique Je qualité correspondante. Un disque en vitrocéramîque permettra également d'obtenir à coup sûr une surface de glissenent lisse et parfaitement fermée, présentant un fort indice de perméabilité thermique et une résistance surfisante. La surface de glissement opposée 2 possède une structure plus tendre que la surface de glissement 1. Son support de couche 4 consiste en un feutre dense à fibres fines fabriqué en des fibres organiques ou en des fibres synthétiques produisant le même effet. Cette substance possède une élasticité moindre et une conductivité thermiuue très faible, si bien qu': elle ne peut prélever qu'une quantité minimale de chaleur de la surface de glissement 1.Son élasticité assure en permanence un contact à plat, favorisant l'effet thermique entre sa face de délimitation et le film d'huile Le support de couche 3 est fixé à un disque 7 forman2 cuvette et en une matière thermiquement isolante et il re eou- e une chambre de refroidissement 8, qui, grâce à des rac cords 9e et 9b, est parcourue par un agent fluide ou gazeux approprié pour l'évacuation de la chaleur. Dans l'exemple illustré sur la figure 1, la pression de contact pour les surfaces de glissement 1 et 2 est exercée, le de que 7 empêché de tourner par un organe de guidage axial 60 ou sur support de couche 3, par un ressort de pt.ssIon 6b aaiss ant ans le sens axial et dont la force de pression peut être ajustée au moyen d'une vis de réglage 6 c. Cet effet pourrait aussi être obtenu de manière connue en soi par d'autres fluées sous pression (par exemple hydraulique ou pneumatique.) voire électriquement, la force de pression pouvant être ajustée par d c moyens connus selon un paramètre de fonc tionneme-it, par exemple la température engendrée ou la. vitesse angulaire.. Etant donné que seules les zones à grande. vitesse périphérique (en présence des vitesses angulaires d'entrainement clsssiques dans la pratique) produisent les effets thermiques par friction avec des quantités de chaleur utiles, les formes de réalisation des surfaces de glissement 2 des supports de couches 4 illustrées sur les figures 2 et 2a offrent des possibilités d'adaptation favorables. Dans ce cas, une surface F du support de couche peut être réduite, dans la plage des grandes vitesses périphériques, selon la configuration représentée sur la figure 2a. Dans le meme esprit, la largeur du support de couche 4 selon la figure 2 pourrait aussi être adaptée a la vitesse de rotation. Dans l'exemple considéré, l'entraînement du système de. friction a été limité pour des raisons pratiques au support 4 de couche de glissement. En principe cependant, l'effet recherché peut aussi être obtenu lorsque les supports de couches 3 et 4 tournent dans le même sens à des vitesses différentes, ou dans des sens opposés. En outre, il est également prévu selon l'invention d'utiliser, en guise de mouvement relatif des surfaces de glissement, un mouvement composite constitué par exemple d'un mouvement circulaire et concomitamment d'un mouvement linéaire, De tels mouvet7ents permettent aux surfaces d'exercer leur effet d'une maniére plus satisfaisante que le mouvement simple se produisant toujours dans la même direction.Etant donné que l'effet superficiel mentionné est adapté à la structure moléculaire amorphe irrégulière, il est à même de favoriser l'effet thermique recherché du dispositif. Alors que, dans l'exemple de réalisation -selon les figures 1, 2 et 2a, les surfaces de glissement en 1 et 2 sont réalisées sous la forme de surfaces planes, parallèles et com primées axialement dont le plan de rotation est perpendiculaire à l'axe d'entrainement, les solutions proposées par les figures 3, 4 et 5 concernent des formes de réalisation dans lesquelles les surfaces de glissement sont en forme d'arc de cercle, sont agencées concentriquement l'une à l'autre et sont sollicitées par des forces de pression agissant -radialement. Tout comme l'agencement de la figure 1, la réalisation selon la figure 3 possède une enveloppe annulaire 12 thermiquement isolante et sur laquelle un support annulaire dur 13 de couche glissante 10 est montée de faeon à délimiter un espace annulaire fermé 14 permettant le passage de l'agent de refroidissement dissipant la chaleur. Par l'intermédiaire de raccords 15 et 16, respectivement, il est possible d'introduire le fluide de refroidissement ou d'évacuer le fluide chauffé. U-n support 17 de couches 11 est subdivisé en quatre senwnts qui sont assujettis à des étriers de retenue 18 et qui sont reliés par conformation à un moyeu central d'entraînement 20 par l'intermédiaire de tiges radiales d'entratnement 19.Chacune de ces tiges d'entrainement est munie d'une masselotte de réglage 21 ayant une masse bien déterminée, montée à mouvement libre et remplaçable Dans ces conditions, il est possible avec des moyens simples de faire coincider, par la force centrifuge des masselottes, la force de pression avec l'effet thermique respectif recherché, cette force demeurant stable 'à la vitesse périphérique programmée. I1 en résulte en outre l'avantage qu'aucune force de pression ne se manifeste encore dans la plage de vitesses de démarrage, ce qui permet de maintenir faible la puissance d'entraînement dans cette plage n'exerçant aucun effet thermique. Les formes de réalisation représentées sur les figures 4, 5 et G concernent des systèmes de friction dans lesquels on utilise des mouvements linéaires relatifs des surfaces de glissement. A cet effet, conformément aux figures 4 et 5, le support 23 d'une couche dure de glissement 24 est réalisé sous la forme d'un cylindre dans lequel un support de couche tendre 25 est guidé -à mouvement ^ axial. Là encore, il est prévu une subdivision du support de couche tendre 25 et de ses supports 26 en plusieurs secteurs (par exemple quatre) qui sont appliqués contre un anneau cylindrique monobloc 23,24 formant ecnjontement à une enveloppe externe 27 une chambre de refroidissement 28. L'admission et l'évacuation du fluide de refroidissement devant être chauffé sont assurées par des raccords 29 et 30. Chaque secteur et son support de couche tendre 25 sont assemblés par conformation, à un moyeu 31 auquel un entrainement imprime un mouvement alternatif, par l'intermédiaire d'une tige radiale d'entraînement 32 qui est montée mobile radialement dans une douille 33 fixée au moyeu 31. Entre la douille 33 et le support 26,, est intercalé un ressort de pression 34 dont le bandage fournit la force de pression du support de couche 25. Cette force peut être modulable de manière connue (voir la figure 1), ou bien elle peut être réglée en fonction d'un paramètre de fonctionnement, en utilisant des forces hydrauliques, pneumatiques ou électriques asservies. La figure 5 montre schématiquement une combinaison dans laquelle un moteur M à pistons libres est relié, par une tige K de son piston, à un support 25 de couche de glissement du piston de friction illustré en coupe sur la figure 4, de telle sorte que ce support de couche 25 oscille èn synchronisme avec le piston du moteur et convertisse avec un haut degré d'efficacité, sur la couche dure et cylindrique de glissement 24, la puissance du moteur en une chaleur dont le vecteur peut être évacue hors de la chambre 28 de refroidissement et de chauffage, par l'intermédiaire du raccord 30. La figure 6 représente une variante de réalisation dans laquelle une surface de glissement est mue linéairement. Le principe de réalisation est identique à celui de la figure 1.La tige K du piston du moteur d'entraînement est reliée à une plaque aplatie 36 de retenué d'un support de couche tendre 37, ainsi qu'd une plaque de guidage 38 qui monte et va et vient sur une contre-plaque fixe 38a. Les surfaces de glissement planes engendrant la chaleur sont repérées par les numéros de référence 39 et 40. Le fluide de refroidissement devant être chauffé est dirigé, par l'intermédiaire de raccords 41 et 41a, à travers une chambre 42 qui est fermée par le support de couche 35. Ce dernier est solidaire d'un organe plan de pression 43 qui transmet la pression de contact audit support de couche 35. Dans ce cas, pour provoquer la pression de contact, on peut utiliser de manière simple la pesanteur grace à des masselottes 45 ou à un liquide. Des formes de réalisation selon la figure 6 peuvent être alignées les unes aux autres de manière simple, par un raccordement à une tige Ko de piston prolongée, ce qui permet d' atteindre, par exemple, un chauffage progressif du fluide évacuant la chaleur lorsque chaque groupe individuel présente de petites dimensions lui conférant avantageusement un faible encombrement. I1 va de soi que de nombreuses modifications peu être apportées à la machine décrite et représentée, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. tchine pour engendrer de la chaleur par frot tement , dans laquelle des surfaces, déplacées l'une par rapport à l'autre, de deux organes de friction glissent l'une sur l'autre avec une contrainte réglable de pression, et dans laquelle la chaleur ainsi obtenue est captée et évacuée par un fluide circulant autour desdits organes de friction, machine caractérisée par le fait qu'elle est munie de deux organes de friction glissant l'un sur l'autre dont'un (3consiste en une matière de grande conductivité thermique et possède une surface fermée de glissement optimalement lisse, cependant que la matière constituant l'organe complémentaire (4) présente une conductivité thermique plus faible et est dotée d'une couche de glissement dont la structure empêche une adhérence entre les deux surfaces de glissement (1, 2) ; paL le fait que cette couche de glissement (2) possède un degré de dureté moindre que la couche complémentaire (1) et présente une élasticité moins grande ; et par le fait que le mouvement relatif du support (3) de la couche dure oeglissement est nul cependant que le support t4) de la couche tendre de glissement est en liaison d'entraAnement avec le moteur, l'organe de friction qui n'est pas déplacé étant baigné dans un fluide évacuant la chaleur, p-ar exemple de l'ea s qui peut être prélevé à partir d'un cir uit t de refroidissement du moteur d'entrainement. 2. Machire selon la revendication 1, caractérisée par le fait que le support (4) de la couche tendre de glissement est fabrique en feutre dense à fibres organique s ou à fibres synthétiques exerçant le même effet. 3. machine selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisée par le fait que le support (3) de la couche dure de glissement ;oeui consister en de la vitrocéramique à grande perméabilité thermique. 4. Machine selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée par le fait que le support de couche de glissement (4) de l'organe de friction entraîné est formé par des éléments individuels dont la force ajustable de contact entre la couche de glissement complémentaire,et éventuellement ou en varianteS l'aire efficace de la surface de- glissement, peuvent être réglées automatiquement selon un paramètre de fonctionnement, par exemple par la force centrifuge. 5. Machine selon l'une quelcon-que des revendications 1 à 4, caractérisée par le fait que la surface dure de glissement (10) est placée à la face interne de la paroi d'un anneau cylindrique (support 13), cependant que la surface complémentaire (11) fait partie d'un support de couche (17) qui, concentrique et entraîné en'rotation, peut être subdivisé en plusieurs secteurs qui sont soumis à une force agissant radialement; et par le fait que, sur ou dans le moyeu rotatif (20 ; 31), sont prévus des organes de guidage radial (33) dans lesquels sont montées les tiges d'entrarnement (19, 31) supportant les couches de glissement. 6. Machine selon d'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée par le fait que, pour assurer un mouvement linéaire relatif des surfaces de glissement, les deux surfaces de glissement (39, 40) sont réalisées sous la forme de-surfaces planes, l'un des supports de couches pouvant accomplir. des mouvement alternatifs. 7. Machine selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée par le fait que, an vue d'assurer un mouvement relatif linéaire des surfaces de glissement, l'un (25) des supports de couches de glissement est réalisé sous la forme d'un piston quí est muni d'un revêtement de glissement et qui est mobile par rapport à un support cylindrique de couche (23) supportant la surface complémentaire (24) et refroidi par le fluide dissipant la chaleur, à l'intérieur de ce support. 8. Machine selon la revendication 7, caractérisée par le fait que les mouvements alternatifs linéaires du ou des supports de couches peuvent être directement captés par le piston (K) d'un moteur (M) à piston, grâce à une liaison par conformation ou à une liaison mécanique, le circuit de refroidissement du moteur d'entraînement pouvant être incorporé dans le circuit d'évacuation de la chaleur de la machine de frottement 9. tia-chine selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée par le fait que le mouvement relatif des sur faces de glissement comprend plusieurs composantes de mouvement, par exemple un mouvement circulaire et un mouvement linéaire concomitants.