Brevet FR2640361A1 — publié le 19900615

La présente invention, concerne la technologie de pompes à chaleur qui utilisent les variations de températures subies par un gaz qui parcourt le champ de gravitation ou celui de la force centrifuge. Ce refroidissement est obtenu rapidement, jusqu'à de très basses températures, avec des appareils de petites dimensions, utilisables aussi bien pour des utilisations ménagères , que, pour celles, industrielles interessant l'informatique, cu les phénomènes de lévitation. Pour comprndre le fonctionnement de ces machines, étudions sur un modèle théorique, les variations de pression et de températures, subies par un gaz circulant dans des circuits de hauteurs suffisantes (jusqu'à plusieurs milliers de mètres) et soumis à la force de gravitation terrestre que nous supposerons invariable. Nous avons deux circuits adjacents (Fig.I ): a ) le circuit ABCD, dans lequel le gaz circule dans lesens ABCD et, b) le circuit EFGH, dans lequel le gaz circule dans le sens HEFG. Au niveau B, le gaz du circuit a ) est amené à la température tI par une source de froid S. Sa pression est po. Le gaz (par exemple lthslium )a la densité #tIpo, c'est à dire celle de l'hélium à la température tI et la pression po. La densité de l'hélium à la température de 0 c et la pression IG5 Pascals étant O,I7 % sa densité #tIpo est égale à # 273 x po = 0,179 x 273 x po t1 105 t1 105 Le gaz ayant circulé de C vers D, sa température est passée de tIO à (tI - h&alpha;) (&alpha; étant le coefficient de refroidissement dù à la pesanteur. Pour un mètre de dénivellation de C vers D, un Kg masse de gaz ef 9,81 fectue le travail de IKgm = 9,81 joules = 4180 grandes calories. Si Cv est la chaleur spécifique du gaz, un mètre de dénivellation produit un refroidissement de 9,81 et pour h mètres, il sera de 4180 x Cv 9,81 h 4180 x Cv pour pour pour l'hélium Cv = 0,75 et t=0,003I29I Si nous admettons que le gaz circule très lentement entre C et D, nous pouvons admettre que les variations de pressions sont celles d'un gaz en équilibre, et, dont la densité est fonction de la pression et de la température. Sagissant d'un gaz parfait, nous ne ferons pas intervenir de variation de température en fonction de la pression, le travail fMrni par le gaz vers les couches supérieures, est compensé par celui qu'il reçoit des couches inférieures: (effet Joule Thompson ) Ainsi, au niveau h, la pression est phtI et la. température htI Le poids de la masse de gaz à ce niveau est:: La température tIh est égale à tI - Nous avons donc pour la variation négative de poids , de C vers D dp = -#o 273 x ---g x dh Pht1 t1-h&alpha; 105 dont l'intégration donne Log Log Pht1 d'où en prenant les exponentielles Ainsi au niveau hd le gaz aura la température tI-hdX Examinons alors les variations de pression et de température du gaz circulant dans le circuit HEFG Pour celas nous établissons un échangeur de température au niveau DH, entre les deux gaz. Cet échange de température est tel, que le gaz arrivé au niveau H et appartenant au circuit EFGH, est refroidi à la température de t1- h&alpha; ou tI -(hd)&alpha; Arrivé au niveau E, le gaz du circuit (b) ou EFGH aura la température de t1. Si la pression au niveau EF est de PEF, la densité du gaz au niveau E, sera de 273 PEF #o t1 x 105 Au niveau F, nous avons placé une source de chaleur qui fait passer le gaz de la température t1à la température t2. Sa densité au niveau F sera alors dto 273 PEF #o t2 x 105 Au niveau Pht2 elle sera comme précédemment Les memes calculs que précedemment nous donnent comme pression au niveau Si le gaz circule lentement, nous avons dans le circuit (b), un gaz dont la température va de tI à t1-h&alpha; entre E et H, et la température va de t2 à t2-h&alpha; dans la colonne FG. Au niveau GH, la différence de pression entre les deux colonnes niveau GH)sera: Il sera donc possible de recueillir du travail en disposant une machine thermique entre les niveaux G et X, en appliquant la formule: 1 m v = pht2 - pht1 2 Si nous considérons que nous avons fourni au niveau F, une quantité de chaleur Q pour faire passer le gaz de la température tI à la température t2 ; cette quantité de chaleur pour le gaz (parfait Y arrivé au niveau G sera de Q = (t1 t t2) x C p x 1000 x #o 273 x pht2 t2-h&alpha; 105 En remplaçant Pht2 par sa valeur tirage de (I ) , nous aurons: Voyons dans quelles conditions, les deux équations (I ) et (2) peuvent hêtre égales (théorique ); écrivons donc Pht2 - Pht1 = Q soit En divisant le membre de gauche par le membre de droite, et en simplifiant par PEF, nous aurons:: Si nous prenons comme gaz l'hélium ,et les températures t2=100 K et tI=99 K, nous aurons avec Cp=I,25 et Qo =O,I79 99 )1,5319805x (100-hx0,0031291 )1,5319805 I00-hx 0,0031291 100 99-hx0,0031291 = 99,3891625 - h x 0,0031291 0,98472I x (31958,07 - h )1,5319805 = 31958,07 - h (4) 31638,49 - h 31762,859 - h En examinant l'équation (3 ) nous voyons que pour h=0, le premier membre est égal à I, et le membre de droite supérieur à I En examinant la même équation scus la forte (4), nous voyons que dans le membre de gauche, lorsque h se rapproche de 3I638 mètres la valeur de ce membre devient énorme, alors que le membre de gauche reste légèrement supérieur à I (ayant augmenté modérément). ). Les deux membres de l'équation 4 sont r présentés par des hyperboles. Le moment où ces deux courbes commentent à augmenter rapidement est celui où la pente de la courbe Est de 45 , c'st à dire où la dérivée = I; donc u'v-uv' 320,49 v = soit pour h = 31318,0m. (31638,49 - h ) La température de l'hélium au niveau DH devrait être alors de 990 - 31318 x 0,0031291 = 990 - 97, 97I54 soit proche de 1 K, c'est à dire proche du zéro absolu. Nous sommes donc proches des conditions de Carnot où T1 est environ de zéroK, et où le rendement est théoriquement égal à I. Cependant, l'hélium n'est pas un gaz tout à fait parfait, puisque au niveau proche de OPK, il présente des phénomènes difficiles à maitriser, comme la supraconductivité, la superfluidité.... Une machine fonctionnant suivant le principe indiqué, exigera une technologie sans doute non encore existant pour donner ces rendements. Cependant, il existe des technologies actuelles, permettant par la relaxation des gaz, d'obtenir des refroidissements proches du zéro absolu; mais il reste à déterminer si l'energie déployée pour obtenir ce type de refroidissement entre par exemple deux degrés kelvin,vers,zéro virgule cinq K, est plus faible que l'énergie produite par le gaz travaillant entre les températures ambiantes et par exemple 0,5QK, dans exemple cité. I1 nous parait donc plus réaliste d'utiliser dans un premier temps, la force de gravitation (force ou champ centrifuge ), pour produire des abaissements de t rapides, et très importants, au moins pour l'usage des ménages , et pour celui, industriel touchant à l'emploi des ordinateurs, ou l'exploitation des propriétés supraconductrices touchant à la lévitation, dnt nous reparlerons. Pour réaliser ces abaissements de température, la machine fonctionnera selon le cycle a ) (fig.1 ), c'est à dire que le gaz est entrainé au niveau AD, par un pompe,(hélice ) solidaire,et située dans l'axe de la centrifugeuse. Le schéma de la machine, selon ce principe sera celui la fig.2. La machine tourne autour de l'exe DA, à une vitesse angulaire W, et développant une accélération égale à ng. Le gaz est refroidi au niveau C par l'air ambiant (par exemple). Il est aspiré suivant C vers D vers A par l'hélice H qui amène le gaz à parcourir le chemin OMNJ. A ce niveau, la température du gaz, qui était tI au niveau C, puis tI-hqK au niveau 0, sera aussi tI-hqZ au niveau A. Si les parois entre C et D, puis entre J et B, sont isolées thermiquement, sauf aux nivaux A , puis C; le gaz refroidi au nivau A, va prélever des calories l'enceinte E, ce qui amène sa température à tI-hf +Q =t2-hq Arrivé en C, il cède ses calories au milieu extérieur, et pàsse à la température tI. Au total, nous aurons dépensé une certaine énergie W, pour amener l'enceinte E, à passer de la température tí à la température ti- u. L'abaissement de température est lié au facteur hy, c'est à dire au 'champ' centrifuze. Pour avoir des refroidissements importants, il faudrait donc, soit utiliser des forces 'champs' centrifuges importants, soit mettre des étages en series. Le schéma de la figure 3, nous donne un modèle d'un tel échangeur de températures, permettant, à partir de champs modérés, d'obtenir des refroidissements proches de un ou deux degrés kelvin. Dans cet example, l'étage (I) contient un gaz de poids atomique élevé, et de point critique situé à basse température. Par exemple nous aurons soit le Fréon 14, mais il a une chaleur spécifique à préciser, soit le Krypton, dont le poids moléculaire est de 80 et une chaleur spécifique suffisemment faible, permcttant, pour une dénivellation de '1200' 'mètres', d'avoir des températures proches de 150 su. Létale 2, avec l'argon P.A.=40 peut amener la température vers IOOaK; L'étage 3, avec le néon l'amènera vers 700K; Entre l'étage I et l'étage 2, il y a un gaz à très fort pouvoir de diffusion thermique, comme l'hydrogène, qui n'est pas soumis à la force centrifuge, sauf au niveau des parois,où il subit des frottements. De même, entre l'étage 2 et l'étage 3, se trouve de lhydrogène. Mais, lorsque la température est suffisemment basse, il sera nécessaire d'utiliser l'hélium, aussi bien pour qu'il subisse l'accélération centrifuge, et pour diffuser les températures entre les étages. On aura ainsi, moyennant une certaine dépense d'énergie obtenu rapidement,et d'une façon stable, à partir d'appareils de faible/volumes , des températures permettant un usage industriel, comme le fonctionnement d'ordinateurs, où l'exploitation de la supraronduction. A propos de ce dernier usage, il a été évoqué le fonctionnement de trains à grandes vitesses, ce qui serai un projet futuriste: par exemple, on construirait un tunnel rectiligne, et horyzontal, tout en étant superficiel, allant de Paris à Moscou, (nous pouvons toujours rêver). Ce tunnel aurait des parois isolées, et portées à la température de lévitation. Dans ce tunnel, on aura fait un vide suffisant. Nous voyons alors, que moyennant toutes ces conditions, un système de Wagons, construits avec les techniques des avions supersonniques, va pouvoir emporter des voyageurs à des vitesses inconnues à ce jour. En effet, ce type de train pourrait ètre accéléré par des champs électromagnétiques à la façon dont les physiciens accélèrent des électrons. Toutes ces conditions futuristes réalisées, un voyage de Paris à Moscou, pourrait durer moins de trente minutes. Enfin, dans le domaine hypothétique, ces basses températures pourraient servir à refroidir des machines (centrifugeuses ) fonctionnant suivant le schéma b ) de la figure I. Cela donne le schéma de la figure 4, où la machine b ) évacue le reste de chaleur vers I (schéma a ) Le rendement de la machine étant par exemple supérieur à 90%, il resterait à savoir, si l'énergie dépensée pour evacuer les IO% de calories restantes, ne serai pas trop important pour le rendement final du système. Il resterait à savoir, si le parcourt du gaz est effecturé suivant un tracé hélicoïdal qui facilite la monté du gaz vers l'axe de la centrifugeuse, puis qui facilite sa fuite vers la périphérie n'amènerait pas entre D et OMN (fig. 2 ) une différence de pression suplémentaire, amenant le refroidissement désiré. Cela donne le schéma de la fig.5, où tout se passe comme si en montant, le gaz travaille contre une accélération inférieure à g; alors que pour la descentes cette accération est supérieure. Revendications: I- Pompe 3 chaleur caractérisée par l'utilisation d'une centrifugeuse, pour refroidir un gaz. II- Pompe à chaleur selon la revendication I, dans laquelle le gaz est accéléré par ure hélice solidaire de l'axe de la centri- fugeuse. III- Pompe à chaleur selon les revendications I et II, dans laquelle le gaz refroidi qui circule dans l'axe de la centrifugeu- se est utilisé pour refroidir une enceinte. IV- Pompe à chaleur selon les revendications I, II,et II comportant un grand nombre d'étages, permettant e se rapprocher de la température de liquéfaction de l'hélium aux pressions pon- sidérées. V- Pompe à chaleur selon la revendication IV, dans laquelle les gaz utilisés sont, le xénon, le fréon 12 ou I4, le Krypton, l'ar- gon, le fréon, l'hélium; l'hydrogène est utilisé comme diffuseur de températures. VI- Pompe à çhaleur selon les revendications précédentes, dans laquell le gaz circule entre des parois thermiquement isolées, sauf aux endroits oh s'effectuent les échanges thermiques.