Brevet FR2626729A1 — publié le 19890804

Cette invention relève du domaine des générateurs d'énergie électrique. A ce jour, aucun générateur électrique n'est réellement créateur d'énergie sans l'intervention d'une autre source d'énergie qui doit être entretenue ou renouvelée. L'objet de cette invention est la création d'un générateur, statique, alternatif, indépendant d'une autre source d'énergie. L'invention consiste à faire interragir, dans un ensemble de cavités résonnantes, des éléments piézoélectriques, ferroélectriques, ou magnétostrictifs, dans le but de générer des ondes ultrasoniques puissantes, déterminant une polarisation variable de ces éléments, créant ainsi un courant alternatif de forte intensité, et à utiliser les propriétés supraconductrices de certains matériaux pour limiter et compenser, sans pertes, la dissipation énergétique induite. Le dispositif supraconducteur étant lui-même susceptible de produire indépendemment un courant électrique. Lorsqu'on soumet de nombreuses substances cristallines à des tensions ou à des compressions le long de certains axes déterminés, on y fait apparaître une polarisation électrique. Ainsi en est-il de certains cristaux ioniques anisotropes, tels le quartz, le titanate de baryum, le zirconate de plomb, etc... C'est l'effet piézoélectrique direct. Pour le quartz, en exerçant une force Fx selon un axe polaire, on obtient à la pression de 1 Atmosphère, soit environ 10 Newtons, une charge électrique Qx = 2.10## 7Coulomb/m2 Avec des céramiques du type des titanates de baryum ou des zircotitanates de plomb, on obtient des charges 100 fois supèrieures, soit Qx =2#a0-5 Coulomb/m2 Par le phénomène de résonnance ce résultat peut être considérablement amplifié. Dans un liquide il peut augmenter au moins d'un facteur 5, soit Qx = 2.10 5.5 = 1 10 Coulombs/m2 Inversement, lorsqu'on applique un champ électrique sur les faces opposées de l'un de ces cristaux, on observe une variation des dimensions du cristal, laquelle dépend de la tension appliquée. C'est l'effet piézoélectrique inverse. Certains cristaux ferroélectriques, comme le TiO3Ba, ont également la particularité de se polariser spontanément. Leur polarisation peut être inversée par application d'un champ électrique relativement faible. L'un des dispositifs aboutissant au but proposé peut être décrit, d'une manière schématique, non limitative, et à titre d'exemple, de la façon suivante En disposant des plaques de TiO3Ba pièzoélectrique, face à face et cote à côte au sein d'un fluide isolant, selon la figure 1, les unes (1) étant génératrices d'impulsions ultrasoniques par l'effet d'une tension de quelques 3000 volts, les autres (2) étant résonnatrices piézoélectriques, on constitue un ensemble de cavités résonnantes, dans lesquelles les vibrations des plaques, en se renforçant mutuellement, créent des ondes ultrasonores de grande puissance. Il se produit sur les plaques résonnatrices une polarisation alternative due à la pression et à la dépression des ondes accoustiques ultrasoniques. Des armatures métalliques minces, présentant une excellente conduction électrique et thermique, sont disposées sur ces plaques, où sont recueillies des charges électriques induites, égales et de signes opposés aux charges de polarisation. Dans les fils extérieurs (3) reliant entre elles les armatures, circule un courant électrique. Ces plaques ont toutes un comportement mécanique élastique. Dans les limites de déformation élastiques, le mouvement est linéaire et obéit à la loi de Hooke. Les déformations sont donc proportionnelles à l'amplitude de l'onde acoustique ultrasonique qui les frappe. Pour vibrer à leur fréquence propre, en phase avec la fréquence d'excitation, les plaques doivent avoir une épaisseur E = # = V(2N)-1 2 0 # étant la longueur d'onde dans la céramique pour la fréquence N choisie, VO étant la vitesse du son dans ce même matériaux, soit une épaisseur de l'ordre de 25 mm pour N = 100 000 Hz. Par phénomène de résonnance, l'onde ultrasonnique émise par le cristal excitateur (1) est renvoyée en écho par le cristal piézoélectrique résonnateur (2) et vient renforcer l'onde suivante de façon synchrone, et ainsi de suite. Toutes les plaques s'induisant mutuellement, il s'ensuit une augmentation considérable de l'amplitude des vibrations oscillatoires, déterminant dans les cristaux pièzoélectriques récepteurs (2), des charges électriques appréciables. Pour une variation de pression de 10 Atmosphères, soit une force proche de 100 Newton/cm2, la charge précèdemment calculée devient Qx = 10-4.10 = 10-3 Coulomb/m2 L'atténuation de l'onde par absorbtion dans le milieu de propagation en fonction de la distance parcourue est relativement faible, car celle-ci ne parcourt qu'une demi longueur d'onde avant d'être renforcée par l'oscillation de la plaque opposée. En milieu liquide, huile ou eau, pour N = 100 000 Hz, la distance de séparation des plaques serait D = # = V(2N)-1, soit de l'ordre 2 1 de 7 mm. V1 étant la vitesse du son dans le liquide considéré. L'épaisseur et l'écartement de toutes les plaques sont calcules et ajustés en demi-onde, en fonction de la vitesse de propagation de l'onde et de sa fréquence, de telle façon, qu'à la résonnance, toutes ces plaques vibrent en synchronisation avec un décalage d'une demi longueur d'onde. Les forces de vibrations longitudinales d'une plaque selon l'axe x dit axe électrique, s'induisent également selon l'axe y , dit axe mécanique, L dans le rapport Fy = - Fx (L= longueur, e = épaisseur), augmentant encore l'am e plitude des oscillations et déterminant une polarisation accrue sur la face x. Les plaques sont reliées au bati (4)selon la figure 1, ou par tout procèdé limitant au maximum les contraintes d'amortissement, et par un matériau (5) de faible impédance acoustique ou par une couche d'air, de façon à éviter le rayonnement arrière.Le maximum de puissance peut être ainsi concentré sur les côtés se faisant face, parallèlement à l'axe mécanique y Pour augmenter la charge électrique Qx, les plaques résonnatrices sont constituées d'un empilement de lames pièzoélectriques (7) de 5mm d'épaisseur environ, dans cet exemple, et éventuellement de #lames ferroélectriques à charge spontanée, du type électret, séparées par des armatures métalliques minces. Ces lames dièlectriques sont orientées selon le sens de leur polarisation, de manière à ce que chaque armature métallique soit en contact sur ses deux faces avec deux lames de même polarité. On obtient ainsi une batterie de générateurs-condensateurs débitant un courant alternatif dont la puissance variera selon la qualité des matériaux choisis, le nombre des éléments, la fréquence, l'épaisseur et la surface des dièlectriques piézoélectriques. Avec 400 lames résonnatrices de 0,25 m2 et de 5mm d'épaisseur, formées en deux rangées de 200 plaques, donc avec S = 100 m2, disposées et reliées en parallèle selon la figure 1, la charge précédemment déterminée devient: Qx = 10 3 102 = 10 Coulombs Pour N = 100 000 Hz, l'intensité maximum théorique est i = 2QxN ,soit m i = 2.10-1.105 = 20 000 A, soit Ieff = 20 000.(#2)-1 = 14 000 A m La capacité de la batterie constituée par l'ensemble des éléments générateurscondensateurs est : C = 10-9 (36#)-1.#.S.e-1 = 2.10-4 Farads avec # = 1130 pour un type de TiO3Ba 2 2 S = 0,25 m .400 = 100 m e = 5 mmm La tension maximum obtenue est U = Qx = 10-1 = 500 volts, soit Veff = 350 V m C La puissance maximum théorique est : : 2.10 eff P = U .1 = 10 000 Kva , soit Peff = 14 000 A .350 V = 4900 Kva m m m Les plaques excitatrices peuvent être semblables aux plaques résonnatrices ou peuvent s'inspirer du modèle des transducteurs actuels les plus efficients et notamment des transducteurs à supraconduction. Elles constituent également des condensateurs dont l'épaisseur est fonction du cristal utilisé. Elles sont interposées de façon à obtenir la meilleur efficacité. La tension et la fréquence du courant d'excitation (8) sont fournis par un circuit oscillant RLC, constitué par une bobine de self-induction (9) et dont le condensateur est l'ensemble des lames piézoélectriques excitatrices (1). Ce circuit oscillant est accordé sur la fréquence propre de résonnance du dispositif récepteur constitué par les plaques (2), donc 100 000 Hz dans cet exemple. Le circuit oscillant convenablement règlé est parcouru par un courant (8) intense et présente aux bornes des lames excitatrices, la forte surtension recherchée. La bobine de self (9) de ce circuit oscillant peut être supraconductrice. Ses enroulements sont alors constitués de matériaux supraconducteurs de deuxième espèce de préférence, en fils stabilisés. Cette bobine peut ainsi supporter de la part du champ magnétique crée, une autó-induction relativement importante avec un minimum de pertes par effet joule, à condition de maintenir son fonctionnement en deça des valeurs critiques Tc, Jc, Hcl et Hc2, du matériau utilisé. La bobine de self unique peut-être remplacée par un ensemble de plusieurs bobines d'inductance moindre, sans induction mutuelle, en cas de champ magnétique inducteur trop élevé. L'énergie dissipée dans le circuit oscillant, principalement par effet joule résiduel dans la self (8) ou par pertes dièlectriques dans les condensateurs (1), est compensée par prélèvement sur le circuit de production (3). Ce prélèvement de compensation peut se faire par couplage électromagnétique d'une ou de plusieurs bobines supraconductrices (10) avec une ou plusieurs bobines auxiliaires ordinaires (11), toujours en résonnance avec le circuit oscillant. L'induction magnétique dans le matériau supraconducteur des enroulements et l'intensité du courant de prélèvement devant rester en deça de leurs valeurs critiques Ho et Ic, et le champ magnétique d'induction nécessaire pouvant être important, en fonction de la dissipation du circuit oscillant, il peut être judicieux de multiplier le nombre des bobines supraconductrices de prélèvement (10), plutôt que d'en augmenter les dimensions donc les effets.Le champ magnétique des bobines auxiliaires ordinaires (11) pouvant par réaction inductive détruire la faculté supraconductrice des bobines de prélèvement supraconductrices (10), il convient également de limiter les effets magnétiques de réaction de chacune en en réduisant les dimensions et donc les effets, au profit du nombre, pour obtenir les mêmes résultats. Les bobines de prélèvement (10) constituées d'enroulements supraconducteurs de type 1 en deça de Ho ou de type 2 en deça de Hcl, ne présentent ni résistance ohmique au courant qui les traverse, du fait de leur supraconduction, ni auto-induction, ni réactance selfique des enroulements secondaires (11), du fait de l'expulsion de l'induction magnétique par effet Meissner, c'est à dire de sa non pénétration dans les enroulements supraconducteurs. Le prélèvement par couplage électromagnétique se faisant sans échauffement de l'enroulement primaire (10), ni freinage electromagnétique du courant qui le traverse, s'effectue donc sans pertes notables. Ce type de prélèvement par induction, sans contre-partie, sans influence sur un courant de base, à l'aide de bobines supraconductrices, peut se réaliser sur tout circuit électri- que variable. Il peut notamment s'envisager dans la présente description, de prélever le courant de compensation directement sur le circuit oscillant, et même, par extension, de produire du courant à partir de ce circuit oscillant (8), en supprimant la partie transductrice r ultrasons, selon le schéma de principe de la figure 3. La production d'énergie électrique par auto-alimentation peut être ainsi réalisée à partir de n'importe quel circuit électrique à variation rapide, les bobines (20) étant supraconductrices, les bobines(21) étant ordinaires et créatrices de tensions ou de courants. On peut ainsi, avec des batteries de bobines supraconductrices, créer plus d'énergie qu'il n'en n'est dépensé pour établir et entretenir le courant d'un circuit oscillant, ou variable d'origine quelconque, l'énergie produite par induction n'entrainant aucun emprunt réel sur un courant de base.Lorsque les bobines supraconductrices (10) ou (20) sont destinées a produire un courant assez intense et qu'il est nécessaire d'utiliser un matériau supraconducteur de deuxième espèce, l'induction magnétique pénètre partiellement dans le matériau entre Hcl et Hc2, créant une certaine inductance dans les enroulements. Il est alors nécessaire de disposer des condensateurs (15) en série avec les enroulements, de façon à annuler toute Induc- tance, et donc toute impédance, pour la fréquence de résonnance choisie. La supraconduction pouvant présenter à certaines fréquences une relative allergie au courant alternatif, chaque bobine supraconductrice pourra être dissociée en deux bobines, lesquelles, à l'aide de diodes par exemple, ne seront traversées que par une seule alternance du courant de base, toujours dans le même sens, c'est à dire par un courant variable mais non alternatif. Tous les dispositifs supraconducteurs sont évidemment maintenus dans des enceintes cryogéniques à température adéquate propre aux matériaux utilisés et entretenue par l'énergie produite par le système. Le refroIdissement des éléments ultrasoniques est assuré par circulation du fluide isolant, de façon à maintenir une température constante. Le phénomène de cavitation peut être limité par l'existance d'une pressurisation. Le démarrage ou l'arrêt des divers dispositifs décrits peuvent se faire à partir d'une batterie (12) classique, à travers un système hétérodyne (13) ou tout autre moyen délivrant une tension alternative nécessaire à la seule montée en régime du système, laquelle est très brève. REVENDICATIONS 1) Dispositif caractérisé en ce qu'il constitue un générateur électrique, statique, alternatif, indépendant de tout autre source extérieure d'énergie. 2) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que celui-ci utilise pour produire de l'énergie électrique, la force des ultrasons(22) dont la puissance est amplifiée par interraction et renforcement mutuel dans des cavités résonnantes formées par les intervalles des plaques(1)(2). 3) Dispositif selon les revendications 1 et 2 caractérisé en ce que les éléments excitateurs(1) et résonnateurs(2) sont calculés et disposés de façon à vibrer ensemble en synchronisation sur leur fréquence propre de résonnance. 4) Dispositif selon les revendications 1, 2 -et 3, caractérisé en ce que les matériaux utilisés sont propres à produire une polarisation alternative sous l'effet d'une force de pression ou d'une tension électrique, ou à se polariser spontanément, tels que les matériaux piézoélectriques, ferroélectriques et autres électrostrictifs, magnétostrictifs... 5) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précèdente caractérisé en ce que les éléments en vibration sont constitués d'un empilement de lames de ces différents matériaux et d'armatures collectrices, formant une batterie de plaques(1) et(2), constituant à la résonnance, des générateurs-condensateurs reliés en parallèle ou en série-parallèle, selon le voltage ou la charge désirés. 6) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précèdentes caractérisé en ce que le courant alternatif(8) nécessaire à la tension des plaques excitatrices(1), génératrices d'ultrasons(22), est produite par un circuit oscillant RLC (8)(9)(1), dont le condensateur est constitué par les plaques excitatrices(1) et la self par la bobine supraconductrice(9), et dont la fréquence d'oscillation du courant est en résonnance avec les vibrations propres de l'ensemble des plaques. 7) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que l'énergie dissipée dans le circuit oscillant est compensée par couplage électromagnétique sur le courant alternatif(3) produit par les lames résonnatrices(2), à l'aide de bobines supraconductrices(10), lesquelles n'altèrent ni ne diminuent le courant d'origine(3) de par l'absence d'-impé- dance des enroulements supraconducteurs de ces bobines. 8) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes carac térisé en ce que les enroulements des bobines de couplage supraconductrices(10) peuvent, lorsque l'effet Meissner est incomplet, nécessiter l'adjonction d'un condensateur(15) en série, formant un circuit RLC, de façon a n'induire, à la résonnance, aucune réactance, donc aucune impédance. 9) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes carac tèrisé en ce que chaque bobine supraconductrice peut être, en fonction de la fréquence, dissociée en deux bobines, de façon à ce que chacune ne soit traversée, à l'aide de filtres, que par une alternance, c'est à dire par un courant variable mais non alternatif. 10) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le circuit oscillant RLC peut d'une façon indépendante, constituer à lui seul (FIG 3)(8)(9)(1), un générateur électrique statique alternatif entièrement supraconducteur, dont la dissipation résiduelle du courant de base(8) est auto-compensée par prélèvement inductif supraconducteur(l0), donc sans pertes. La création de courant et de tension se faisant par couplage inductif supraconducteur(20) sans altération énergétique du courant de base(8) à l'aide de batteries de bobines supraconductrices(20). Les enroulements secondaires(11) et (21) sont en principe non supraconducteurs. 11) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes cractérisé en ce que les éléments supraconducteurs sont maintenus à la température adéquate dans des enceintes cryogéniques par l'effet de la propre énergie du système.