Brevet FR2651564A1 — publié le 19910308

DISPOSITIF FORMANT CAPACITE ETANCHE ET MOTRICE A CYCLE THERMIQUE ETAGE La présente invention a pour objet un dispositif formant capacité étanche et motrice à cycle thermique étagé. La présente invention concerne un système actionné par énergie solaire ou toute autre source de chaleur destiné aux appli cations du froid, de 1 'electricité ou de la circulation des fluides, et plus particulièrement au domaine de la climatisation des véhicules à moteur utilisés dans les régions à fort ensoleillement, le dit système étant capable de produire du froid par la seule exploitation de la chaleur fournie par le véhicule, combinée éventuellement à une source de chaleur extérieure telle que l'énergie solaire agissant sur l'habitacle ce qui permet un refroidissement continu du véhicule, notamment pendant les pèriodes de stationnement au soleil. Des tentatives ont été faites pour développer des systèmes répondant à ce type de besoin par l'utilisation de dispositifs photovoltaïques ou des convertisseurs thermo-frigorifiques, mais aucun n'a atteint le stade industriel. Le brevet français NO 82 14241 propose un moteur thermique dans lequel le maintien du dispositif de distribution est assuré par des aimants permanents qui ne permettent aucun réglage. Le piston moteur étant un diaphragme à simple effet le rendement est médiocre. Le brevet français NO 79 20424, du même inventeur, décrit un dispositif de conversion thermo-frigorifique à fluide fermé, dont le fluide actif issu d'un bouilleur (source chaude) agit sur une seule face du piston moteur, ce qui tout en diminuant l'encombrement, nuit au rendement. Il en est de même pour le fluide de circulation dans la boucle frigorifique sous l'action d'une seule face du piston compresseur. Le brevet français NO 84 12441, également du même inventeur, décrit un système de conversion thermo-frigorifique à cycle fermé comportant un ensemble de distribution avec tiroir et basculeur équipé de ressorts permettant une inversion brusque de la position dudit tiroir. Or, ce système présente 1' inconvé- nient de ne pouvoir maîtriser avec suffisamment de précision la vitesse de déplacement du basculeur et du tiroir et de ne pouvoir déterminer avec rigueur les temps d'ouverture et de fermeture des orifices d' admission et d'échappement, ce qui nuit au rendement global, d'autant plus que les vibrations et chocs liés à la conception du dispositif d' inversion génèrent des perturbations qui limitent la fiabilité de l'ensemble. Le dispositif suivant la présente invention supprime au moins partiellement ces inconvénients. En effet, il permet au gaz actif mis sous pression dans le bouilleur d'agir alternative ment sur les deux faces opposées du piston moteur et au fluide frigorifique d' être alternativement entrainé par l'une et l'autre face du piston compresseur. Il permet de plus un réglage des temps d'admission et d'échappement et une inversion maîtrisée et parfaitement contrôlée du tiroir de distribution, en évitant tout recours à des aimants ou autres dispositifs de maintien en position du tiroir, seule l'inertie de celuici étant à vaincre. Il est constitué par la combinaison, d'abord, d'un ensemble moto-compresseur constitué d ' un piston moteur et d'un piston compresseur, tous les deux à double effet, ainsi que d'un piston réinjecteur accouplé rigidement au piston moteur, étant précisé qu ' une tige déplaçable alternativement relie le piston moteur/réinjecteur au piston compresseur, que cette tige traverse longitudinalement un ensemble de distribution et actionne, grâce à deux butées réglables, un entraineur cylindrique creux et profilé extèrieurement, le dit profil étant en contact permanent avec des galets assurant le déplacement et le positionnement dudit entraineur, qui actionne un tiroir de distribution, également cylindrique, concentrique à l ' entrai- neur et à la tige de liaison des pistons, contrôlant 1' admis- sion et l'échappement du fluide dans le cylindre moteur, ensuite, d'une boucle fluidique motrice conduisant la vapeur d'un fluide liquéfiable issue d ' un bouilleur formant dôme de vapeur ( étage haute pression ) à l'ensemble moteur du motocompresseur, puis vers un condenseur (étage moyenne pression) dans lequel elle se décharge thermiquement et se liquéfie, le fluide liquéfié étant canalisé successivement du condenseur à l'ensemble moteur (réinjecteur) et au bouilleur, enfin, éventuellement, d'une boucle frigorifique de dérivation de la boucle motrice comportant des moyens pour canaliser le fluide liquéfié successivement du condenseur à un détendeur, à un évaporateur (étage basse pression) dans lequel se produit l'effet frigorifique, à l'ensemble compresseur du motocompresseur, et à nouveau au condenseur. Sur les dessins annexés, donnés à titre d ' exemple non limitatif d'une des formes de réalisation de l'objet de l'invention; La figure 1 est un schéma de l'ensemble du dispositif, La figure 2 est une coupe longitudinale du moto-compresseur La figure 3 est une coupe longitudinale perpendiculaire à celle de la figure 2, montrant l'ensemble des organes mobiles dans une position différente. Le dispositif, figures 1 à 3, est un système à cycle fermé constitué d'un moto-compresseur 1 relié par des canalisations étanches 60, 61, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 68, 69 à un collecteur solaire 2, un dôme de vapeur 3, comportant une boucle de raccordement à au moins une autre source de chaleur 4, un condenseur 5, un détendeur 6 et un évaporateur 7. Le moto-compresseur 1 comporte un cylindre compresseur 10 dans lequel se déplace un piston 11, un cylindre moteur 12 dans lequel se déplace un piston moteur/injecteur 13, 51, les deux pistons 11, 13, à mouvements linéaires alternatifs étant reliés grâce à deux axes 25, 26 à une tige de liaison 14 traversant un cylindre de distribution étanche 15 dans lequel se déplacent alternativement un tiroir de distribution 16 et un entraineur profilé 17, dont la position est contrôlée par des galets 18, 19 avec des ressorts 20, 21, solidaires du cylindre de distribution 15. Le profil de 1' entraîneur comporte un " point haut " 38 situé entre deux " points bas " 39 et 40 et relié à ceux-ci par des rampes inclinées. Les cylindres compresseur 10 et moteur 12 sont respectivement associés à des boîtes à clapets 53 et 52. Des butées 22, 23 associés à la tige de liaison 14 sont positionnées de part et d'autre d'un écrou 24 solidaire de I'entrai- neur 17. La tige de liaison 14 coulisse dans des paliers lisses 27, 28 suffisamment longs pour assurer l'étanchéité des cylindres et portés par entretoises 29, 30 et situés respectivement entre le cylindre de distribution 15 et les cylindres moteur 12 et compresseur 10. Le tiroir de distribution 16 comporte deux gorges périphériques 31 et 32 positionnées respectivement en face des orifices d'admission 33 et d'échappement 34 ménagés dans le cylindre de distribution 15. Les dits orifices sont respectivement pourvus chacun de deux lumières d'admission 43, 44 et d'échappement 45, 46. Quatre conduits 47, 48, 49, 50 traversant le corps des cylindres moteur 12 et de distribution 15, ainsi que l'entretoise 29, permettant de mettre en communication les gorges périphériques 31 et 32 avec les deux faces du piston moteur 13. Le positionnement des gorges périphériques, lumières et conduits sus-mentionnés est tel que lorsque le tiroir de distribution 16 est dans l'une des deux positions stables déterminées par les " points bas " 39 et 40 du profil de l'entraîneur 17 (Fig. 2), l'orifice d'admission 33 soit en communication avec une face du piston moteur 13 par 1' intermédiaire d'une lumière d'admission 44, de l'une des gorges périphériques 31 et de l'un des conduits 47, alors que l'orifice d'échappement 34 est en communication avec 1' autre face du piston moteur, par l'intermédiaire d'une lumière d'échappement 45 de l'autre gorge périphérique 32 et un second conduit 49. Lorsque le tiroir se trouve dans la seconde position stable (fît.3) la face du piston qui se trouvait en communication avec l'orifice d'admission est reliée à l'orifice d'échappement par un troisième conduit 50, la face opposée étant reliée à l'orifice d'échappement par un quatrième conduit 48. Cette disposition permet à la vapeur issue du bouilleur 3 d'agir alternativement sur les deux faces du piston moteur 13. Dans le cylindre moteur 12, la vapeur issue du bouilleur 3 se détend et agit sur l'une des faces du piston moteur 13 qui se déplace. Au début du déplacement, le tiroir de distribution 16 est maintenu en position par l'entraineur profilé 17, luimême positionné par les galets 18 et 19. Pendant son déplacement vers la droite (Fig 2 et 3), le piston moteur 13 entraine par l'intermédiaire de la tige 14 les butées réglables 22 et 23. A un certain moment du déplacement, la butée 22 vient en contact avec 1 'écrou 24 solidaire de l'entraîneur 17 qui est déplacé dans le sens du mouvement, et après une course déterminée par la position des butées réglables 22 et 23 entraine à son tour le tiroir de distribution 16 grâce à un épaulement 36 de ce dernier. Pendant ce processus, les galets 18, 19 en contact permanent avec le profil 37, de l'entraineur 17, roulent le long de ce profil en comprimant les ressorts 20 et 21, et franchissent le point haut 38, correspondant sensiblement au point mort du moto-compresseur, au moment où l'entraîneur 17 entre en contact avec le tiroir de distribution 16. A partir de ce point les ressorts 20, 21 des galets 18, 19 libèrent progressivement leur énergie et assurent un déplacement maitrisé de l'entrai- neur 17 et du tiroir de distribution 16. Lors du déplacement en sens inverse du piston moteur 13, l'entraîneur 17 est mis en mouvement par la butée réglable 23 et entraine le tiroir de distribution 16 grâce à un épaulement 41 agissant sur un écrou 42 solidaire de ce dernier. Un piston réinjecteur 51 à simple effet, solidaire du piston moteur 13 assure le transfert du fluide liquéfié du condenseur 5 au bouilleur 3 par l'intermédiaire des canalisations 67 et 61 et des clapets de la boîte à clapets 52. Une canalisation 65 assure une communication permanente entre le cylindre de distribution 15 et le condenseur 5. Suivant un mode de réalisation préféré, le piston compresseur 11, solidaire de la tige de liaison 14, se déplace alternativement, aspirant et refoulant la vapeur issue de l'évaporateur 7 vers le condenseur 5 par les canalisations 63, 64, 68, 69 et grâce aux clapets ( non représentés ) situés dans la boîte à clapets 53, suivant un cycle à double effet, chaque face du piston comprimant et aspirant alternativement le fluide, ce qui présente l ' avantage d ' augmenter le débit du fluide frigorifique, d'oû une amélioration du rendement et une optimisation du rapport volume/puissance et du coût de réalisation global. Le circuit frigorifique peut être distinct du circuit moteur, ce qui nécessite soit deux condenseurs, soit un condenseur unique à double circuit. Le dispositif décrit peut être utilisé pour la production du froid ou comme pompe à chaleur par simple inversion du circuit frigorifique, ou encore pour le déplacement de fluides (irrigation, pompage, etc...) en supprimant le circuit frigorifique et en utilisant le piston compresseur 11 comme pompe. Une application particulière concerne la climatisation des véhicules à moteur en permettant de palier au manque de fiabilité des réalisations connues ainsi qu' à la surconsommation de carburant liée à l'entraînement direct d'un groupe frigorifique par le moteur du véhicule. Dans ce cas, le collecteur solaire 2 est constitué d'un conduit étanche en contact intime avec le capot du véhicule. De plus, le bouilleur 3 comporte un serpentin monté en dérivation avec le circuit de refroidissement dudit véhicule de manière à utiliser une partie de la chaleur produite par le moteur. Cette disposition permet une climatisation continue du véhicule, notamment pendant les pèriodes d'arrêt. D'autre part, le motocompresseur 1 sera situé préférentiellement sous le tableau de bord qui est l'endroit le plus chaud lorsque le véhicule est exposé au soleil. Le condenseur 5 sera de préférence du type évaporatif , une humidification extèrieure permettant par évaporation directe d'obtenir un rendement satisfaisant. Son emplacement sera tel qu' il bénéficie au mieux de la convection naturelle. Un ventilateur auxiliaire connecté à la batterie assurera la propulsion de l'air refroidi dans l'habitacle. Le positionnement des divers éléments constitutifs donne à ce dispositif un maximum d'effets utiles qui n'avaient pas été obtenus à ce jour par des dispositifs similaires. REVENDICATIONS 10 Dispositif formant capacité étanche et motrice à cycle thermique étagé, destiné aux applications du froid, de l'élec- tricité ou de la circulation des fluides, et plus particulièrement au domaine de la climatisation des véhicules à moteur utilisés dans les régions à fort ensoleillement, comportant une boucle fluidique motrice conduisant la vapeur d ' un fluide liquéfiable, issue d'un bouilleur (3) formant étage haute pression et chauffé par au moins une source de chaleur (2) à un ensemble moteur (12,13) actionnant un ensemble compresseur (10,11) et un dispositif réinjecteur (51), puis vers un condenseur (5) (étage moyenne pression) dans lequel elle se décharge thermiquement et se liquéfie, le fluide liquéfié étant canalisé successivement du condenseur (5) au réinjecteur (51) et au bouilleur (3), caractérisé par un ensemble moto-compresseur (1) comportant un cylindre moteur (12) dans lequel se déplace linéairement un piston moteur (13) à double effet, sur les deux faces duquel la vapeur issue du bouilleur (3) agit alternativement grâce à un système de distribution (15, 16, 17), ledit piston moteur entrainant d'une part un piston compresseur (Il) se mouvant dans un cylindre compresseur (10) et également à double effet, grace à un ensemble de clapets (53), chaque face aspirant et refoulant alternativement et d'autre part, un piston réinjecteur (51), associé à des clapets (52), assurant la réinjection du fluide moteur du condenseur (5) vers le bouilleur (3). 20 Dispositif suivant la revendication 1, se caractérisant par le fait que le piston réinjecteur (51) est accouplé rigidement au piston moteur (13), et qu'une tige de liaison (14), dépla çable alternativement et reliant le piston moteur/réinjecteur (13, 51) au piston compresseur (11), traverse longitudinalement 1' ensemble de distribution se trouvant dans un cylindre étanche (15) situé entre les cylindres moteur (12) et compresseur (10), actionnant grâce à deux butées réglables (22, 23) un entraineur cylindrique creux (17) comportant une surface extèrieure profilée, présentant un "point haut" (38) relié par des rampes inclinées à deux "points bas" (39,40) correspondant à deux positions stables de l'entraîneur, et en contact permanent avec des galets (18,19) assurant le déplacement et le positionnement du dit entraineur, qui actionne un tiroir de distribution (16), également cylindrique, concentrique à l'entraîneur et à la tige de liaison (14), contrôlant 1' admis- sion et l'échappement du fluide dans le cylindre moteur (13). 30 Dispositif suivant l'une quelconque des revendications précédentes-, se caractérisant par le fait que le tiroir de distribution (16) comporte deux gorges périphériques (31, 32) positionnées respectivement en face d'orifices d'admission (33) et d'échappement (34) ménagés dans le cylindre de distribution (15), les dits orifices étant respectivement pourvus chacun de deux lumières d'admission (43, 44) et d'échappement (45,46), des conduits (47, 48, 49, 50) permettant de mettre en communication les gorges périphériques (31, 32) alternativement avec les deux faces du piston moteur (13), de telle manière que lorsque le tiroir de distribution (16) est dans l'une des deux positions stables déterminées par les points bas" (39,40) du profil de l'entraîneur (17), l'orifice d'admission (33) soit en communication avec une face du piston moteur (13) alors que l'orifice d'échappement (34) est en communication avec l'autre face. 40 Dispositif suivant l'une quelconque des revendications précédentes, se caractérisant par le fait que la tige de liaison (14) coulisse dans des paliers lisses (27,28) de longueur suffisante pour assurer l'étanchéité des cylindres moteur (12) et compresseur (10) et portés par des entretoises (29,30) et situés respectivement entre le cylindre de distribution (15) et les cylindres moteur et compresseur, une canalisation (65) assurant une communication permanente entre le cylindre de distribution (15) et le condenseur (5). 60 Dispositif suivant l'une quelconque des revendications précédentes, se caractérisant par le fait que la source de chaleur (2) est un collecteur solaire constitué d'un conduit étanche en contact intime avec le capot d'un véhicule à moteur, dans le but de permettre une climatisation continue dudit véhicule, notamment pendant les pèriodes d'arrêt, le moto-compresseur (1) étant situé préférentiellement sous le tableau de bord. 70 Dispositif suivant la revendication 6, se caractérisant par le fait que le bouilleur (3) comporte un serpentin monté en dérivation avec le circuit de refroidissement dudit véhicule de manière à utiliser une partie de la chaleur produite par le moteur. 8" Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 6 et 7 se caractérisant par le fait que le condenseur (5) est de type évaporatif, pourvu d'une humidification extèrieure, et qu ' un ventilateur auxiliaire connecté à la batterie assure la propulsion de 1' air refroidi dans 1 'habitacle.