Brevet FR2533622A1 — publié le 19840330

L'invention a pour objet un moteur thermique transformateur de chaleur en énergie mécanique. Le rendement actuel des moteurs assurant cette fonction se trouve toujours limité, la source froide constituant une perte de caloriesnon négligeable. Dans le système proposé, seule la chute de température due au tram vail du gaz dans la turbine de production d'énergie a pour effet deenZ gendrer la source froide0 D'autre part, la simplicité mécanique de ce moteur autorise une fiabilité et une longévité certaines. Le fondement du procéda repose sur la propriété de certains gaz à ditfuser au travers de matériaux soit métallituess soit mieroporewr9 alors que ces écrans constituent, pour d'autres gaz, un barrage total ou au moins très efficace Une enceinte hermétique, séparée on deux compartiments par un diffuseur de cette nature, permet au gaz approprié contenu dans 1 'un des compartiments, de pénétrer dans le second compartiment Ce ngest pas le cas pour le gaz du second compartiments sa nature physique ou chimique lui interdit un tel passage.Pour une tempdrature convenable favorisant l'adsorption et la diffusion du gaz approprié, le gaz non diffusant ne pourra pas être adsorbé physiquement sur la surface du diffuseur0 Celà permet la diffusion et la désorption du gaz diffusant meme dans le cas où la pression du gaz non diffusant du second compartiment est supérieure à celle du premier.L'écoulement a dono lieu d'une enceinte de pression plus faible vers une enceinte de pression supérieure Afin de maintenir une faible valeur de la pression partielle- de gaz diffusant sur la face de désorption du diffuseur dans le second compartiment, et également afin de séparer convenablement les deux gaz avant l'utilisation du gaz diffusant, un champ de force d'origine gravitationnelle ou centrifuge assurant une séparation densimétrique suffisante est appliquée en permanence au système. L'effet de valve est alors assuré.La différence de pression des deux enceintes est exploitée par une turbine équipant le conduit de liaison des compartiments, l'écoulement du gaz diffusant s'établissant alors de façon habituelle de la région haute pression vers la région de pression inférieuree Dans le second compartiment contenant les deux gaz, la grande différence de densité des gaz autorise une efficacité de séparation densimétrique telle que le gaz de travail se trouve constitué, pour sa très grande partie, par le gaz dif fusant. Un faible pourcentage de gas non-diffusant passe toutefois par le conduit d'une part, et par quelques pores du diffuseur microporeux d'autre part, lorsque celui ci est utilisé ; celà nécessite l'utilisation d'une pompe de recyclage afin de replacer os gaz dans son compati ment. Après son travail dans la turbine, le gaz diffusant de travail est réchauffé au contact des parois de la cuve dont la température idéale est entretenue au moyen de sources habituelles de chauffage telles que brûleur au fuel, foyer à combustibles divers, concentrateur solaire, fluide caloporteur etc.. Pour certaines utilisations fixes, l'emploi d'une cuve statique équipée d'un conduit d'écoulement sera adoptée. Dans ce cas, la séparation densimétrique est assurée par le seul champ gravitationnel. Pour ce moteur, le sens d'écoulement du gaz diffusant à l'intérieur des compartiments est vertical et de bas en haut. La nécessité d'obtenir une puissanoe massique plus importante pour le moteur équipant des engins mobiles conduit à la solution de la cuve rotative. La disposition des deux compartiments est alors coaxiale, le conduit équipé de la turbine de travail se trouvant dans l'axe de rotation de la cuve. Le diffuseur qui sépare les deux compartiments a une forme générale tubulaire et plissée afin d'augmenter considérablement la surface de diffusion. Le sens d'écoulement du gaz léger diffusant est centripète avant la turbine et centrifuge après cette dernière. Un clapet de modulation de la puissance est prévue à l'entrée du conduit de turbine. Ce clapet sera en position de fermeture à chaque ar rét du moteur pour éviter la migration du gaz dense. Un cloisonnement efficace est placé dans tout le volume intérieur de la cuve afin de conserver en permanence le moment cinétique du gaz diffusant. Un clapet de décharge dont le circuit de dérivation relie les deux enceintes, limite la pression maximum permise dans l'enceinte centrale, en particulier lors de la fermeture du clapet de modulation de la puissance. Selon une autre disposition de l'invention et surtout quand la nature du diffuseur est métallique, il est possible d'éviter l'emploi d'une pompe de recyclage du gaz non diffusant d'une part, et l'obligation de fermeture du clapet de conduit de turbine à l'arrêt d'autre part. A cette fin, il est fait appel à un troisième compartiment contenu dans la cuve. En s'éloignant de l'axe de la machine de façon centrifuge, on trouve dans ce cas le compartiment cylindrique central contenant le gaz dif fusant, suivi du compartiment annulaire contenant les deux gaz, puis le troisième compartiment, également annulaire contenant Bealemeut le gaz diffusant0 Les trois compartiments sont séparés entre eux par un diffuseur de forme identique à celui du cas précédent.L'emploi de deux diffuseurs délimitant 3 oompaitlments est également adoptée pour la ouve stati La fig I réprésente en coupe l'appareil rotatif. La fig 2 représente la coupe suivant A A de la fig I. La fig 3 représente en coupe l'appareil rotatif comportant 3 compartiments. La fig 4 représente en coupe le système statique. La fig 5 représente en coupe le système statique comportant 3 compartiments. La fig 6 représente en coupe le diffuseur métallique0 L'appareil rotatif est constitué d'une cuve hermétique (I) (fig I) de forme faiblement cynique dans le plan longitudinale Un diffuseur (2) de forme générale tubulaire est place, de faon hermétique par ses bases, dans cette enceinte suivant son axe. La forme du diffuseur (2) est plissé selon la fig 2 et comporte un support métallique percé d'une mul titube de trous rapprochés. Le matériau à structure microporeuse qui compose le diffuseur permet la diffusion d'un gaz léger de faible dimension moléculaire tel que lehélium par exemple.Cette structure microporeuse est constituée par des zéolites synthétiques ou des montmorillonites, tamis moléculaires dont les canaux ont des diamètres inférieurs à IO A t exemple : chabazite, érionite, mordenite, linde A etc.. L'intérieur de l'appareil est soigneusement dégagé de façon à éliminer au maximum les molécules d'air adsorbées sur toutes les parois. Le clapet (3) de modulation de la puissance étant fermé, on introduit par le bouchon de remplissage (4), un mélange de gaz léger et de gaz dense de grande dimension moléculaire0 De gaz léger va occuper les deux compartiments (5) et (6) tandis que le gaz dense reste dans le compartiment (5). La rotation du système est alors assurée par un moteur de faible puissance (7), autorisant une séparation densimétrique des deux gaz de l'enceinte (5), le gaz dense se plaçant au contact de la paroi (d) du diffuseur (2). Le système de chauffage (8) de la cuve (I) est mis en service et le clapet (3) ouvert. Le gaz léger contenu en (6) diffuse au travers du filtre microporeux (2) et pénètre dans l'enceinte (5) où il se mélange au gaz dense. Sous l'effet de la séparation densimétrique engendré par le champ de force de la rotation de la cuve (I) le gaz léger dif fusant est contraint de progresser vers le volume central du compartiment (5) ou la pression augmente par rapport à celle du compartiment (6) qui s'appauvrit en gaz. Cette différence de pression provoque un courant de gaz diffusant de (5) vers (6) au travers de la turbine de travail (9). Ce gaz, après avoir cédé une partie de son énergie dans la turbine, est réchauffé au contact de la paroi de la cuve (I) et des parois de l'aubage (IO) (fig 2) qui lui sont solidaires afin de conserver en permanence le moment cinétique du fluide. Le cloisonnement (IO) se prolonge dans l'enceinte (5) jusqu'au voisinage de l'axe et comporte, dans les deux compartiments, des trous d'égalisation des pressions. Un cerclage de renforts espacés (II) (fig 2) est prévu pour résister aux contraintes occasionnées par la différence de pression des deux enceintes. Dans le diffuseur (2), un faible pourcentage de pores de taille suffisante permet le passage en petite quantité du gaz dense de l'enceinte (5) vers l'enceinte (6).Par ailleurs, la séparation densimétrique n'étant pas totale, une petite partie du gaz dense passe également par le conduit de turbine et rejoint le compartiment (6). Deux pompes (I2) de recyclage du gaz dense sont dono placées au bas de l'appareil et leurs tuyaux d'aspi- ration disposés selon le plus grand diamètre de la cuve (I). Les tuyaux de refoulement sont dirigés dans l'enceinte (5) au voisinage de la face d du diffuseur. Lors de la fermeture du clapet (3), la pression continue à augmenter dans le compartiment central (5). Un clapet de décharge automatique (I3) permet alors la dérivation du gaz diffusant au travers des trous de passage (I4), du oompartiment (5) au compartiment (6), limitant la pression maximum permise dans l'enceinte centrale (5). Un aubage (15) solidaire du bati extérieur équipe le conduit de turbine. La-commande du clapet (3) traverse la fixation de l'aubage fixe (I5) qui est équipé de joints suffisants pour l'étanchéité à la température de fonctionnement. Ces joints équipent également l'axe de turbine (9) et le haut de cuve. L'entrainement mecanique des pompes de recyclage (I2) est réalisé grâce à une couronne dentée solidaire d'une partie fixe reliée au bâti. L'utilisation d'un diffuseur (2) métallique associé ? un gaz léger réactif tel que H 2 peut aussi être utilisé. Sa coupe (fig 6) montre le plissage identique à celui du diffuseur microporeux avec, en plus, un rainurage sur la face d'adsorption (a). Un traitement de surface à l'aide d'un acide approprié favorisera encore ses propriétés d'adsorption et de désorption. Son utilisation est particulièrement adaptée dans le cas ou l'on fait appel à un troisième compartiment (I6 fig 3).L'établisse ment des pressions respectives des compartiments est alors le suivant la pression du gaz réactif diffusant du compartiment central (5) est supérieure à celle du compartiment annulaire (6 fig 3), Le compartiment annulaire (I6) contenant le gaz réactif diffusant et le gaz dense non diffusant (tel que le xénon par exemple) se trouve à la plus haute pres- sion. Le sens de circulation du courant gazeux reste inohanges la pression partielle du gaz diffusant étant plus élevée sur la face (a fig 3) que celle du gaz diffusant contenu dans le compartiment (5)s sur la face (d) du diffuseur concerne.Le recyclage du gaz dense non diffusant n'étant plus nécessaire, la cuve (fig 3) est cylindriqueO Le fonctionnement du système statique à deux ou trois compartiments (fig 4 et 5) est analogue à celui de la cuve rotative0 L'avantage de l'appareil statique réside dans le fait qu'uns seule pièce se trouve en mouvement s la turbine.La séparation densimétrique plus faible limite cependant la vitesse d'appauvrissement du gaz diffusant sur la face ds désorption du diffuseur. A puissance égale, le volume de l'appareil sera donc plus considérable. La forme des diffuseurs (2, fig 4 et 5) est plane mais identique aux précédents pour le plissement et le rainurages Des entretoises suffisantes assurent la rigidité des diffuseurse Selon la présente invention, la récupération énergétique du gaz diffusant est assurée par une turbine. Ce moyen n'est évidemment pas limitatif, un piston pouvant également remplir cette fonction. Pour favoriser l'change de chaleur entre le dispositif de chauffage (8) et la cuve (I), cette darnièr3 est équipée d'un cerclage de tôles an nulaires extérieures assurant une surface de conduction plu9 importante. Toujours afin d'augmenter le rendement du chauffage, une enceinte isolante comportant un tuyau d'évacuation est adaptée au bats. Un ther mostat équipe cette enceinte et commande la coupure et la mise en action du chauffage (8) afin de maintenir une température de fonctionnement sensiblement constante. R E V E N D I C A T I O N S I) Moteur thermique par diffusion assurant une production d'énergie mécanique à partir d'une source de chaleur, constitué d'une cuve hermé- tique (1) comportant au moins deux compartiments, caractérise en ce qu'un diffuseur (2) sépare les compartiments et autorise le passage du gaz dif (6) fusant du compartiment de pression inférieure vers le compartiment de (5) ou (16) pression supérieure qui contient le gaz diffusant d'une part, et un autre gaz,non diffusant, de grande différence de poids moléculaire d'autre part. Le diffuseur (2) interdit en très grande partie ou en totalité le passage de gaz non diffusant vers le compartiment de pression inférieure. Une sé- paration densimétrique d'origine gravitationelle ou centrifuge sépare con tinuellement le mélange du compartiment haute pression assurant ainsi une faible pression partielle dt gaz diffusant sur la face de désorption du diffuseur et une concentration maximum de ce gaz avant son utilisation énergétique ou avant un second diffuseur. 2) Moteur thermique par diffusion selon la revendication I, caracte- risé en ce que la nature du ou des diffuseurs (2) est métallique et capable de chimisorption avec le gaz diffusant utilisé. 3) Moteur thermique par diffusion selon la revendication I, caractérisé en ce que la nature du ou des diffuseurs (2) est microporeuse. 4) Moteur thermique par diffusion selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que les deux gaz sont contenus dans un compartiment haute pression (I6) séparé de chaque compartiment voisin par un diffuseur. 5) Moteur thermique par diffusion selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la cuve hermétique (1) est rotative. 6) moteur thermique par diffusion selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la disposition des compartiments est coaxiale. 7) Moteur thermique par diffusion selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le ou les diffuseurs (2) sont plissés et leurs surfaces d'adsorption augmentées par un rainurage. 8) Moteur thermique par diffusion selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la conservation du moment cinétique du gaz diffusant est assurée par un cloisonnement adapté à l'intérieur des compartiments. 9) Moteur thermique par diffusion selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la modulation de la puissance est obtenue par l'action sur un clapet d'obturation (3) du conduit de turbine. 10) Moteur thermique par diffusion selon les revendications 1, 22 3, 4, caractérisé en ce que lacuve hermétique est statique (fig 4 et 5).