Brevet FR2586454A1 — publié le 19870227

MACHINE A PISTON LIBRE SUIVANT LE PROCEDE STIRLING L'invention se rapporte à une machine à piston libre suivant le procédé Stirling, dans laquelle au moins l'un des pistons, de préférence le piston déplaceur, comporte une chemise de diamètre plusieurs fois étagé qui est ajustée dans le cylindre de façon parfaitement étanche au gaz et forme, avec des étages correspondants de la paroi de celui-ci, deux espaces annulaires faisant office de ressorts pneumatiques, ce piston renfermant une cavité interne qui est raccordée par des canaux aux espaces annulaires compris entre le piston et le cylindre. Dans les machines à piston libre suivant le procédé Stirling, qui peuvent être réalisées par exemple sous forme de générateurs linéaires ou de pompes à chaleur, on renonce à une commande forcée cinématique du piston déplaceur et du piston de travail, par exemple au moyen d'un mécanisme rhomboïdal ou d'un plateau oscillant, de manière que ces machines puissent être étanchées plus simplement, plus facilement et mieux que d'autres modes de réalisation adaptés à ce procédé Stirling. Dans ce cas, le piston déplaceur et le piston de travail forment des systèmes ressort/masse s'influençant réciproquement et sur lesquels agissent les forces du gaz actif, les forces de frottement, les forces dues à la puissance absorbée ou débitée, ainsi que les forces adéquates des ressorts. La somme de toutes ces forces doit faire en sorte que les pistons exécutent des mouvements oscillants dans le sens de leur axe longitudinal autour d'une position médiane sensiblement fixe sans se toucher et sans venir buter contre des délimitations, côté bâti. Par ailleurs, les mouvements des deux pistons doivent être accordés de manière que le déphasage, prévu pour le procédé Stirling entre le piston déplaceur et le piston de travail, soit réalisé le plus exactement possible. Les effets de ressorts cités sont ici produits par des ressorts mécaniques ou plus fréquemment par des ressorts pneumatiques. En ce qui concerne l'amorçage (démarrage) et l'entretien du mouvement, le piston déplaceur est particulièrement problématique, attendu que sur sa face supérieure et sa face inférieure, il règne à chaque instant - tout au moins approximativement - la même pression (variations cycliques correspondant au déroulement du procédé). Par la demande de brevet allemand 25 24 479, on connait une machine à piston libre du même genre que celle de l'invention et dont la construction vise surtout à rapprocher le mouvement du piston déplaceur, en particulier en ce qui concerne la position de phase, le plus près possible de la courbe théorique optimale. A cet effet, le piston déplaceur est muni d'une tige qui s'étend jusque dans une cavité du piston de travail et à cet endroit porte un piston auxiliaire. Le piston de travail présente une chemise étagée qui coopère avec un évidement étagé du cylindre, de la même façon que le piston auxiliaire coopère avec la cavité étagée du piston de travail. En pareil cas, l'évidement du cylindre et la cavité du piston de travail comportent des zones médianes inactives de plus grand diamètre et des zones d'extrémité en forme d'espaces annulaires faisant office de ressorts pneumatiques et assurant l'étanchéité par rapport au piston à chaque fois considéré. Un espace annulaire extérieur et un espace annulaire intérieur sont mutuellement raccordés par des canaux pratiqués dans le piston de travail, de telle sorte que, le piston de travail se rapprochant de ses points morts, une impulsion de pression accSlère dans le sens opposé le piston auxiliaire et le piston déplaceur qui lui est raccordé. L'inconvénient de cette solution est que la tige de piston avec le piston auxiliaire augmente sensiblement la masse du piston déplaceur et par conséquent aussi la masse totale, l'étanchéité de la tige de piston dans le piston de travail provoquant des pertes supplémentaires par frottement, et que l'usinage des nombreuses surfaces des étages et des surfaces d'étanchéité est onéreux et lie à des tolérances relativement grandes qui accroissent les pertes dues au frottement ou aux fuites. On connait, par ailleurs, des machines à piston libre dans lesquelles on ne prévoit qu'un seul ressort pneumatique à l'intérieur du piston dSplaceur, et ce entre une tige de guidage solidaire du bâti et un évidement en forme de pot de la face inférieure du piston déplaceur. Ce simple ressort pneumatique présente des caractéristiques différentes dans le sens de la traction et de la compression liées au risque d'un déplacement axial du piston. La petite surface du ressort nécessite de fortes pressions, ce qui conduit à un accroissement des pertes par fuites ou frottement. Par suite de la chaîne des tolérances allant du bâti, passant par la tige de guidage et aboutissant à la surface d'étanchéité à l'intérieur du piston ou bien allant du bâti, passant par le piston jusqu'à la surface d'étanchéité, l'étanchement du ressort pneumatique offre des difficultés supplémentaires. Pour une machine à piston libre fonctionnant suivant le procédé Stirling, l'objet de l'invention est par conséquent de mettre au point un montage du piston qui, par rapport à l'état de la technique, soit plus simple, plus léger et présente moins de fuites et par conséquent moins de pertes. Ce résultat est atteint selon l'invention par le fait que la cavité à l'intérieur du piston est divisée en deux chambres par une cloison étanche au gaz et que chacune des chambres communique respectivement avec l'un des deux espaces annulaires. En intégrant la cavité interne du piston au volume du ressort pneumatique, il est possible de travailler avec des amplitudes de pression minimales. Malgré l'optimisation des surfaces actives des ressorts pneumatiques que cela implique pour obtenir l'effet de ressort désiré, les pertes par fuites des ressorts pneumatiques diminuent, car les longueurs des fentes d'étanchéité (périmètre des surfaces d'étanchéité piston/cylindre au niveau du diamètre maximal de chaque étage) augmentent seulement linéairement avec le diamètre extérieur des ressorts pneumatiques, tandis que les amplitudes de pression diminuent par contre de façon quadratique. Il s'ensuit que la consommation d'énergie nécessaire à l'entraînement des pistons diminue par conséquent aussi. Le piston déplaceur convient donc particulièrement bien pour l'objet de l'invention, attendu que, de par sa fonction, il est généralement réalisé sous la forme d'un corps creux à paroi mince et de grand volume. Du fait de la suppression de la tige de guidage pour le piston déplaceur, le poids se trouve réduit et la construction simplifiée. Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, dans la chemise de piston et dans le cylindre sont aménagés des canaux qui, à chaque passage du piston par une position à peu près médiane entre ses points morts, relient - un court instant - les deux chambres de l'intérieur du piston au volume de gaz actif. Cette mesure sert à adapter constamment la pression interne moyenne du piston (égale à la pression moyenne du ressort pneumatique) à la pression du gaz actif. Cela a pour effet, d'une part, de protéger le piston déplaceur à paroi mince et sensible à la pression et, d'autre part, de réduire à un minimum l'écoulement à travers les fentes d'étanchéité du ressort pneumatique. Dans la machine à piston libre selon l'invention, les canaux dans le piston et le cylindre sont de préférence réalisés sous forme de perçages radiaux disposés dans un plan perpendiculaire à l'axe du piston et du cylindre. Selon une autre caractéristique avantageuse, l'invention prévoit que les perçages, à la sortie de l'espace interne du piston, débouchent dans une gorge annulaire externe de la chemise du piston, tandis que d'autres perçages traversant le cylindre, débouchent dans une gorge annulaire pratiquée dans la surface interne de la paroi du cylindre. Par ces caractéristiques (gorge annulaire), on veut empêcher que les perçages de compensation de pression dans le piston et le cylindre soient fermés lorsque le piston tourne autour de son axe dans le cylindre et que les perçages correspondants ne coïncident plus. Selon une autre particularité de l'invention, la cloison étanche au gaz dans l'espace interne du piston est disposée obliquement par rapport à l'axe de celui-ci et coupe le plan des perçages radiaux à l'intérieur du piston de telle sorte qu'une partie des perçages débouche dans la chambre supérieure et, l'autre partie dans la chambre inférieure, de l'espace interne du piston. La cloison étanche au gaz peut avantageusement être réalisée sous la forme d'une plaque plane à contour extérieur elliptique. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description d'un mode de réalisation pris comme exemple, mais non limitatif, et illustré par le dessin annexé, sur lequel: la figure 1 représente schématiquement une coupe longitudinale de la zone supérieure du cylindre et le piston déplaceur d'une machine à piston libre; la figure 2 représente la courbe qualitative pression/course pour les deux ressorts pneumatiques du piston d&placeur. Comme il ressort de la figure 1, le piston 2, de diamètre plusieurs fois étagé, est disposé dans le cylindre 1, également étagé, de façon à former des espaces annulaires 3 et 4 faisant office de ressorts pneumatiques. L'espace annulaire supérieur 3 est raccordé volumétriquement par des perçages 8 à la chambre supérieure 5 à l'intérieur du piston, tandis que l'espace annulaire inférieur 4 est raccordé par des perçages 9 à la chambre inférieure 6. La cloison 7 étanche au gaz est disposée entre les deux chambres 5 et 6 de telle sorte que les espaces 3,5 et 8 forment ensemble le volume supérieur et les espaces 4,6 et 9 le volume inférieur du ressort pneumatique. Les surfaces radiales en forme d'anneaux de cercle entre les plus grands et les plus petits diamètres des espaces annulaires respectifs 3 et 4, constituent les surfaces des ressorts. Les ressorts à gaz sont étanchés vis-à-vis des espaces contenant le gaz actif au-dessus et en dessous du piston 2 par des ajustements appropriés piston/cylindre avec éventuellement des éléments d'étanchéité supplémentaires (segments de piston, etc.), aucune étanchéité complète n'étant possible afin de ne pas augmenter le frottement. Pour le transport du gaz actif, dans le cylindre 1, sont intégrés des canaux 13 qui renferment également les éléments d'échange et d'accumulation de chaleur 14,15 et 16. Dans un moteur à piston libre, ces éléments seraient le réchauffeur 14, le régénérateur 15 et le refroidisseur 16, la représentation schématique de la figure 1 ne donnant naturellement aucune indication précise sur leur position et leur dimension réelles. La figure 1 représente le piston déplaceur dans une position médiane entre ses points morts. Dans cette position, les deux chambres 5 et 6 sont reliées (canaux 13) au gaz actif par des perçages radiaux 10,11 pratiqués dans le piston 2 et le cylindre 1, si bien que la pression moyenne du ressort pneumatique à chaque passage du piston par la position médiane est ajustée à la pression du gaz actif. Au cas o les perçages 10,11 ne seraient plus dans l'alignement l'un de l'autre par suite d'une rotation du piston 2 dans le cylindre 1, le passage du gaz est cependant assuré par la gorge annulaire continue 12 prévue dans le cylindre, cette gorge annulaire pouvant aussi être aménagée dans la chemise du piston. Par suite de la disposition oblique de la cloison 7, une partie des perçages 10 débouche dans la chambre supérieure 5, l'autre partie dans la chambre inférieure 6. Par souci de clarté, la zone du piston de travail n'a pas été prise en compte dans la représentation selon la figure 1. Sur la figure 2, on a représenté qualitativement pour les deux ressorts pneumatiques la courbe de la pression des ressorts p en fonction de la course s du piston. Les valeurs smax(+) et smax(-) correspondent à la course maximale du piston à partir de la position médiane s = O. Dans ce cas, (+) signifie un déplacement du piston vers le haut, (-) un déplacement vers le bas. Du fait des faibles amplitudes de pression ip par suite des grands volumes des ressorts, on obtient des courbes caractéristiques des ressorts à peu près linéaires entre les deux points morts. La pression moyenne Pm des ressorts pour s = O coïncide avec la pression à chaque fois considérée du gaz actif. En choisissant différemment les courbes caractéristiques pour les ressorts supérieur et inférieur en jouant sur leur volume et leur surface, on peut influencer le déplacement du piston en ce qui concerne la fréquence, l'amplitude et la tendance à la déviation. REVENDICATIONS 1. Machine à piston libre suivant le procédé Stirling, dans laquelle au moins l'un des pistons, de préférence le piston déplaceur, comporte une chemise de diamètre plusieurs fois étagé qui est ajustée dans le cylindre de façon parfaitement étanche au gaz et forme, avec des étages correspondants de la paroi de celui-ci, deux espaces annulaires faisant office de ressorts pneumatiques, ce piston renfermant une cavité interne qui est raccordée par des canaux aux espaces annulaires compris entre le piston et le cylindre, caractérisée par le fait que la cavité à l'intérieur du piston est divisée en deux chambres (5 et 6) par une cloison (7) étanche au gaz, et que chacune des chambres communique respectivement avec l'un des deux espaces annulaires (3 et 4). 2. Machine à piston libre selon la revendication 1, caractérisée par le fait que dans la chemise de piston et dans le cylindre (1) sont aménagés des canaux qui, à chaque passage du piston (2) par une position approximativement médiane entre ses points morts, relient - un court instant - les deux chambres (5 et 6) de l'intérieur du piston au volume du gaz actif. 3. Machine à piston libre selon la revendication 2, caractérisée par le fait que les canaux dans le piston et le cylindre sont réalises sous forme de perçages radiaux (10 et 11) disposés dans un plan perpendiculaire à l'axe du piston et du cylindre. 4. Machine à piston libre selon la revendication 3, caractérisée par le fait que les perçages (10), à la sortie de l'espace interne du piston, débouchent dans une gorge annulaire externe de la chemise du piston. 5. Machine à piston libre selon la revendication 3, caractérisée par le fait que les perçages (11) traversant le cylindre (1) débouchent dans une gorge annulaire (12) pratiquée dans la surface interne de la paroi du cylindre. 6. Machine à piston libre selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisée par le fait que la cloison (7) étanche au gaz dans l'espace interne du piston est disposée obliquement par rapport à l'axe de celui-ci et coupe le plan des perçages radiaux (10) à l'intérieur du piston de telle sorte qu'une partie des perçages (10) débouche dans la chambre supérieure (5) et, l'autre partie des perçages (10), dans la chambre inférieure (6), de l'espace interne du - 15 - piston. - 7. Machine à piston libre selon la revendication 6, caractérisée par le fait que la cloison (7) étanche au gaz est réalisée sous la forme d'une plaque plane à contour extérieur elliptique.