Brevet FR2663085A1 — publié le 19911213

L'invention se rapporte principalement à un dispositif, notamment du type moteur ou pompe comportant au moins un élément à mémoire de forme. Il est connu des matériaux, notamment des alliages de cuivre et de nickel présentant une mémoire de forme, un changement de phase provoquant une déformation de tels matériaux. Selon la présente invention, on utilise des éléments à mémoire de forme pour transformer l'énergie calorifique en énergie cinétique. Dans une variante de réalisation, énergie calorifique est transformée en énergie potentielle, elle même transformée en énergie cinétique. L'énergie cinétique est communiquée à un solide dans le cas d'un moteur ou à un liquide dans le cas de pompes. Pour obtenir le changement de phase désiré, on élève et on abaisse alternativement la température de l'élément solide à mémoire de forme. Dans un premier exemple de réalisation du dispositif selon la présente invention, on utilise alternativement une source froide et une source chaude appliquée sur l'élément à mémoire de forme. Dans une seconde réalisation du dispositif selon la présente invention, l'élément à mémoire de forme se déplace d'un endroit chaud ou exposé à un rayonnement, à un endroit froid. L'élément à mémoire de forme peut prendre une forme prédéterminée, pour chaque phase. Ainsi, il est possible, aussi bien de faire suivre une trajectoire désirée à l'élément à mémoire de forme, que d'effectuer par exemple un appui pour récupérer directement l'énergie mécanique provenant de la déformation. En faisant suivre une trajectoire prédéterminée, il est possible de faire varier l'énergie potentielle du dispositif dans un champ. Le champ est par exemple le champ gravitationnel terrestre. La déformation par suite d'un échauffement d'un élément à mémoire de forme provoque l'élévation du centre de gravité du dispositif selon la présente invention. Des moyens pour récupérer l'énergie, par exemple un moyeu sur lequel sont montés les éléments à mémoire de forme, récupèrent l'énergie potentielle dans le champ gravitationnel terrestre par abaissement du centre de gravité.Avantageusement, l'énergie est récupérée sous forme de rotation du dispositif. Il est bien entendu que l'utilisation d'autres champs comme par exemple, un champ électique ou un champ magnétique ne sort pas du cadre de la présente invention. Dans une variante avantageuse du dispositif selon la présente invention, on utilise deux éléments à mémoire de forme dont les déformations par suite de changements de température sont complémentaires. Par exemple, un premier ressort est comprimé tandis qu'un second ressort se dilate. Avantageusement, la température du changement de phase des deux ressorts est sensiblement égale. Les moyens de récupération d'énergie de déformation des deux ressorts sont placés de telle manière que l'énergie mécanique fournie par les ressorts s'additionne. Pour obtenir un mouvement continu, par exemple une rotation, il peut s' avérer avantageux d'utiliser une pluralité d'éléments à mémoire de forme, par exemple, montés sur un arbre. L'invention a principalement pour objet, un dispositif comportant un élément à mémoire de forme dont le changement de phase provoque une déformation et des moyens pour faire subir le changement de phase audit élément à mémoire de forme, caractérisé par le fait qu'il comporte des moyens pour récupérer l'énergie cinétique provenant de la déformation. L'invention sera mieux comprise au moyen de la description ci-après des figures annexées données comme des exemples non limitatifs parmi lesquels - la figure 1 est un schéma explicatif du dispositif selon la présente invention - la figure 2 est un schéma d'un premier exemple de réalisation du dispositif selon la présente invention - la figure 3 est un schéma d'un deuxième exemple de réalisation du dispositif selon la présente invention - la figure 4 est un schéma d'un troisième exemple de réalisation du dispositif selon la présente invention - la figure 5 est un schéma d'un quatrième exemple de réalisation du dispositif selon la présente invention - la figure 6 est un schéma d'un cinquième exemple de réalisation du dispositif selon la présente invention - la figure 7 est un schéma d'un sixième exemple de réalisation du dispositif selon la présente invention. Sur les figures l à 7, on a utilisé les mêmes références pour désigner les mêmes éléments. Sur la figure la, on peut voir un élément solide à mémoire de forme l dans une première phase ç l- Sous l'action de la chaleur symbolisée par les flèches 2, l'élément 1 passe dans une seconde phase 2 Le changement de phase, passage de T l à ? 2 provoque une déformation comme illustré par les flèches 4 de la figure lb. Dans l'exemple illustré, le passage de la phase ? l à la phase ? 2 sous l'action de la chaleur '2 2 provoque une contraction de l'élément 1. Il est bien entendu que l'utilisation d'un élément, qui, sous l'action de la chaleur 2 serait dilaté ou expansé ne sort pas du cadre de la présente invention. Comme illustré sur la figure lc, l'élément 1 en se refroidissant, comme illustré par la flèche 3 passe en-dessous de la température de transition vers la phase w 1- On assiste alors à la déformation 5 inverse de la déformation 4 de la figure lb. Nous nous retrouvons au début du cycle illustré par la figure la. Dans le dispositif selon la présente invention, on récupère l'énergie mécanique 4 et/ou 5. L'énergie récupérée peut par exemple servir directement, ou par l'intermédiaire de pompes, pour assurer le pompage de l'eau. La présente invention est particulièrement utile pour effectuer le pompage de l'eau à partir de puits dans les pays présentant un climat chaud. La source chaude est par exemple constituée par l'air, ou directement ou indirectement, par l'énergie solaire. La source froide est par exemple constituée par l'air ou par l'eau pompée. La présente invention s'applique chaque fois que l'on dispose d'une source froide et d'une source chaude, dont les températures correspondent à au moins deux phases différentes ? 1 et q 2 d'un élément à mémoire de forme 1. Le choix des éléments à mémoire de forme est adapté aux sources chaude et froide dont on dispose. L'élément à mémoire de forme 1 a par exemple une forme de tige, de spirale, d'ellipse ou d'épicyclolde. Sur la figure 2, on peut voir un dispositif selon la présente invention comportant un moteur à mouvement alternatif symbolisé par la flèche 15 pour entraîneur une pompe à piston à plongeurs alternatifs 13 et 14. Dans l'exemple illustré sur la figure 2, l'élément 1 à mémoire de forme est réalisé sous forme d'un ressort à boudin. Par exemple, le ressort à boudin est placé à l'intérieur d'un tube cylindrique 19 d'axe vertical. I1 est bien entendu qu'un agencement externe de l'élément à mémoire de forme 1 ne sort pas du cadre de l'invention. L'élément à mémoire de forme 1 s'appuie d'une part sur un plateau 18 rendu solidaire du tube 19 et d'autre part sur un épaulement 6 rendu solidaire par un plateau d'une tige verticale 8. La tige 8 est reliée par des tiges 9, 20 et il à une tige 12 parallèle à la tige 8. La tige 20 est solidarisée avec un pivot 10 solidaire du bâti du dispositif selon la présente invention, sensiblement en son milieu. La tige 12 est munie de deux pistons alternatifs 13 et 14 de type connu. Le tube 19 est chauffé par exemple par énergie solaire. Cet échauffement est provoqué par exemple par l'exposition directe au rayonnement solaire, par focalisation, par exemple avec des miroirs ou par des dispositifs de guidage de lumière comportant par exemple des fibres optiques. L'élément 1 se détend sous l'action de la chaleur. Il entrante la tige 12 par l'intermédiaire du plateau 6, de la tige 8, de la tige 9 et de la tige 11. I1 provoque ainsi l'entratnement des pistons 13 et 14. On assiste alors à la remontée de l'eau pompée qui se transvase du cylindre 16 vers le cylindre 19 selon les flèches 50, 51, 52. Elle assure alors le refroidissement de l'élément 1 qui, lorsqu'il se rétracte, provoque la descente des pistons 13 et 14.L'eau continue son chemin à travers des ouvertures pratiquées dans le plateau 6 selon la flèche 53, par exemple en vue de son utilisation alimentaire ou pour l'irrigation. Le tube 19 étant continuellement exposé au rayonnement solaire se réchauffe et le cycle recommence. I1 est bien entendu que le dispositif de la figure 2 devra être amorcé par exemple manuellement pour assurer la remontée de l'eau jusqu'au niveau 54 lors du premier cycle utile. Dans l'exemple illustré sur la figure 3a, on utilise deux éléments à mémoire de forme 1, 1', le premier élément se contractant sous l'action de la chaleur, le second élément effectuant une extension. Les éléments 1, 1' sont par exemple réalisés sous forme de ressorts. Les extrémités des ressorts sont reliées à un balancier 20 relié à au moins une crémaillère 21. La crémaillère 21 assure la mise en rotation de pignons. Dans l'exemple illustré sur la figure 3, la crémaillère 21 se compose en fait d'un couple de crémaillère 22, 23. Un pignon 24 d'axe 25 est mis en rotation par la crémaillère 22. Un pignon 26 d'axe 27 est mis en rotation par la crémaillère 23. Les pignons 24 et 26 sont munis de roues libres de sens contraires. Un pignon 29 est monté sur l'axe 27. Le pignon 27 entraîne par l'intermédiaire d'un pignon inverseur 28 un pignon 30 monté avantageusement sur l'axe 25 par l'intermédiaire d'une roue libre de sens inverse à celle du pignon 24. Ainsi, indépendamment du sens de marche du balancier 20 dont deux positions ont été représentées sur la figure 3a, l'axe 25 tourne toujours dans le même sens. Avantageusement, on monte sur l'axe 25 une pompe à eau munie d'un volant d'inertie transformant la rotation de l'axe 25 en un mouvement circulaire de vitesse sensiblement constante. Le balancier 20 ou la crémaillère 21 est muni de contacts de fin de course actionnant des mécanismes assurant le refroidissement (non représenté sur la figure 3). I1 s'agit par exemple d'obturateurs empêchant la lumière solaire d'irradier les éléments 1 et 1' ou assurant l'aspersion avec de l'eau de refroidissement. Sur la figure 4, on peut voir un moteur rotatif comportant des barres 1 de même longueur en matériau à mémoire de forme. Les barres 1 sont disposées régulièrement à la périphérie d'un moyeu 31. Les barres 1 subissent un échauffement par le rayonnement solaire, direct ou focalisé et subissent un refroidissement en plongeant sous le niveau 34 de l'eau contenue dans un bac 32. Par exemple, les extrémités des barres 1 prennent appui sur un élément d'appui 33 provoquant la rotation du moyeu 31. Avantageusement, les barres 1 sont fixées sur le moyeu 31 par l'intermédiaire de pièces de liaison 35. Les pièces de liaison 35 assurent un appui des extrémités des barres 1 sur l'élément d'appui 33 pour la détente et leur libération pour permettre la poursuite de la rotation. Dans l'exemple illustré sur la figure 4, les pièces de liaison 35 ont une forme en et sont articulées autour d'un axe solidaire du moyeu 31. Dans l'exemple illustré sur la figure 4, l'eau de refroidissement des barres 1 s'écoule du bac 32 par une ouverture 36 pratiquée au fond du bac 32 et/ou fixant le niveau 34 de l'eau. Dans une variante avantageuse du dispositif selon la présente invention, une pluralité de dispositifs de la figure 4 est accouplée sur un même arbre. Avantageusement, on assure le recouvrement des phases de rotation des barres 1. Sur la figure 5, on peut voir un exemple de moteur selon la présente invention comportant des pistons 40 multiples. Dans l'exemple illustré sur la figure 5, le moteur selon la présente invention comporte 6 pistons 40 régulièrement répartis autour d'un arbre de vilebrequin 39. Chaque cylindre comporte un élément 1 à mémoire de forme susceptible de repousser un piston 40 relié, par l'intermédiaire d'un pivot 41 et de bras 38, au vilebrequin 39. Dans la partie supérieure 36, les cylindres sont chauffés, par exemple par énergie solaire. Dans la partie inférieure, ils plongent dans un bac 32 et sont refroidis par l'eau de refroidissement. I1 est bien entendu que la forme des cylindres n'est pas nécessairement cylindrique et que l'utilisation de cylindres par exemple de section carrée ne sorte pas du cadre de la présente invention. Les pistons 40 et/ou les cylindres sont avantageusement ajourés pour permettre une bonne circulation de l'eau de refroidissement au niveau de l'élément à mémoire de forme 1. Comme dans le cas du dispositif de la figure 4, il est possible d'utiliser une pluralité des dispositifs de la figure 5 montés sur un même arbre. Sur la figure 6, on peut voir un moteur selon la présente invention à diaphragme déformable. Sur la figure 6, l'élément à mémoire de forme 1 applique directement une force de traction ou une poussée sur un levier 20. Le levier 20 est solidarisé avec un levier 42 avec lequel il forme un angle droit. Sur la figure 6a, le diaphragme 1 est représenté contracté en train de s'échauffer. Après le changement de phase, il s'allonge. On obtient la forme illustrée sur la figure 6b. Dans ce cas là, l'élément 1 plonge dans l'eau qui assure son refroidissement, le changement de phase et le passage à la forme illustrée sur la figure 6a. Sur la figure 7, on peut voir une pompe selon la présente invention comportant une chambre 45 dont les parois sont réalisées par un élément 1 à mémoire de forme. Le changement de phase de l'élément 1 provoque la variation du volume interne de la chambre 45. La chambre 45 est par exemple délimitée par un clapet d'entrée 43 et un clapet de sortie 44. Elle est par exemple montée sur un tuyau 43. La diminution du volume de la chambre 45 provoque l'expulsion de fluide, par exemple de l'eau, par l'intermédiaire du clapet 44. L'augmentation du volume de la chambre 45 provoque l'admission d'eau par le clapet 43. Le sens d'avancement de l'eau est illustré par la flèche 56. Les deux positions extrêmes de l'élément à mémoire de forme 1 sont illustrées sur la figure 7. Avantageusement, le refroidissement de l'élément à mémoire de forme 1 est assuré par l'eau pompée. Par exemple, une canalisation 47 assure le déversement de l'eau 48 au moment de la diminution du volume interne de la chambre 45. Avantageusement, le clapet 44 est muni d'un ressort 46 s'opposant à son ouverture. Le ressort 46 permet de doser la quantité d'eau sortant par le clapet 44 par rapport à la quantité d'eau 48 destinée au refroidissement. I1 est bien entendu qu'un moteur comportant une chambre 45 à volume variable ainsi qu'une turbine (non représentée) ne sort pas du cadre de la présente invention. L'invention s'applique à la transformation de l'énergie calorifique se présentant sous forme d'une différence de température, en une énergie cinétique communiquée à un élément solide ou à un fluide. L'invention s'applique plus particulièrement à la réalisation ou à l'entraSnement de pompes solaires permettant d'équiper des puits du tiers monde. REVENDICATIONS 1 - Dispositif comportant un élément à mémoire de forme dont le changement de phase provoque une déformation et des moyens pour faire subir le changement de phase audit élément en mémoire de forme, caractérisé par le fait qu'il comporte des moyens (20, 31,39) pour récupérer l'énergie cinétique (4,5) provenant de la déformation. 2 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comporte une chambre (45) comprenant des parois réalisées dans un matériau à mémoire de forme déformable dont la déformation provoque une variation de volume interne de la chambre (45). 3 - Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que ledit dispositif est une pompe. 4 - Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que ledit dispositif est un moteur. 5 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que les moyens pour récupérer l'énergie de déformation des éléments en mémoire de forme (1) convertissent directement l'énergie de la déformation en énergie mécanique utilisable. 6 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que la déformation de l'élément à mémoire de forme provoque l'augmentation de l'énergie potentielle du dispositif dans un champ et que les moyens (20, 31, 39) de récupération de l'énergie récupèrent ladite énergie potentielle. 7 - Dispositif selon la revendication 6, caractérisé par le fait que le champ est le champ gravitationnel terrestre. 8 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comporte au moins un piston (40). 9 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comporte au moins un ressort réalisé dans un élément en mémoire de forme (1,1'). 10 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comporte deux éléments à mémoire de forme (1) dont les déformations quand ils sont soumis à un même changement de température sont complémentaires.