Brevet FR2699653A1 — publié le 19940624

La présente invention développe les principes techniques permettant la fabrication de machines thermiques destinées à remplacer celles utilisant des "Fréons". Ces machines utilisent un gaz comprimé, puis refroidi, qui se détend adiabatiquement en parcourant un circuit hélicoïdal, quille ramène vers le compresseur. Dans ce circuit, le gaz passe donc de la presion P1 à laa pression P2, sa rempérature s'élevant de T1 à T2. I1 est refroidi de T2 à T3, sa pression passe de P2 à P3. La détente adiabatique le ramène à la pression P1, avec une tem pérature T4 inférieure à T1. Cette dernière partie du cycle correspond à l'action réfrigératrice du gaz, elle le ramène à la température Ti. Pour expliquer comment fonctionne la détente adiabatique du gaz, partie la plus originale de notre brevet, nous commencerons par un schéma simplifié, comme celui de la Fig.l. Nous voyons le gaz qui entre par un orifice K et qui ressort en N. Au niveau A, il y a un clapet qui empèche le passage du gaz, sauf s'il exerce sur ce clapet une pression mesurée par la force F qu'indique le ressort pLace en A. Si l'ensemble du circuit KN, est susceptible de tourner autour de l'axe G, le travail W effectué par le gaz en passant au niveau A sera égal à F multiplié par le déplacement de F autour de G. R étant la distance FG, nous avons: W = 2nnRF. Si le tuyau est enroulé hélicoidalement, et, qu'il présente un certain nombre de clapets (Fg.2) situés à des distances Ri....j, de l'axe G, qui indiquent au passage du gaz, des forces respectivement Fi....j , le travail du gaz sera W = il.. j 2}nRi....j 'Fi....j). Ce travail est fourni par le gaz en passant de la pression P3 à la pression P1. Le schéma de la figure 3, indique plus clairement le principe. Dans l'axe G'G, nous avons une hélice, ou une pompe hélicoïdale comme celle de Holweck, décrite dans le livre: Chaleur, thermodynamique, Etats de la matière, de P.Fleury et J.P.Mathieu; Editeur Eyrolles Paris 1968). Dans le cas de notre machine, c'est une des deux moitiés de la pompe qui tourne autour de l'axe G'G. L'action de l'hélice ou (et) de la pompe hélico-ldale, fait passer le gaz de la pression P1 à la pression P2. Au niveau G, le plateau P fonctionne comme radiateur. En contact avec la température ambiante par la surface S, le gaz tend à être ramené à la température ambiante. I1 s'engage alors dans le circuit hélicoïdal qui l'éloigne de G vers l'extérieur E, puis passe au niveau E' dans le plateau P', où il circule de E' vers G'. Le travail effectué ramène le gaz de la pression P3 à la pression P1 et la température T4. - En définitive,le gaz aura parcouru un circuit de Carnot dans le sens inverse; l'énergie dépensée à élever la pression du gaz et sa température est en partie récupérée par la détente du gaz le long du circuit hélicoïdal. Dans un modèle expérimental, l'axe GG' contenant les éléments compresseurs, peut tourner à une vitesse différente de celle des deux plateaux P et P', à la façon d'une roue de bicyclette par rapport au moyeu. Ainsi, pourrons être comparées les vitesses respecives des deux éléments précités, en fonction de la pression du gaz, de la longueur et de la texture du canal hélicoIdal. Nous devons aussi considérer que les circuis hélicoïdaux en P ou en P' peuvent fonctionner à la manière de la pompe de Holweck, soit comme compresseurs, soit comme détendeurs, suivant le sens de l'enroulement hélicoïdal, par rapport à celui des plateaux P ou P', et, la pression du gaz. Dans ce cas, on devrait pouvoir se passer des pompes axiales, les différences de pression étant réalisées entre l'axe GG' et la périphérie EE'. Le nombre de spires dans les plateaux P et P', ainsi que la structure des canaux dans lesquels circule le gaz, intervient aussi. Comme nous l'avons montré dans le brevet n 8816438, il est possible d'utiliser un système à étages, où le gaz refroidi en G', emprunte la chaleur évacuée par un plateau adjacent, et ainsi de suite,ce qui permet d'obtenir des températures assez proches de la température de liquéfaction de l'hélium, intéressantes pour des applications industrielles. Au total, nous voyons qu'il est possible d'entrevoir plusieurs modèles de réfrigérants, répondantà des applications différantes de la réfrigération. Un autre modèle rejetterait directement le gaz (air) dans l'atmosphère, et c'est la pression de cette atmosphère qui réalise le retour du gaz, cela permet de sauter la phase dans laquelle le gaz doit se refroidir au contact de l'atmosphère. Fig. 4- Au niveau T2P2, le gaz a été comprimé par l'hélice H; il se refroidit au contact de l'atmosphère en passant à la température T3 et reste à la même pression, P3 = P2. De là, il parcourt le circuit hélicoïdal LMN qui le ramène au niveau TlPl où il a la température T1 et la pression P1 qui avoisine 100N/m2. A ce niveau, la pompe de type HOLWECK Hw, le fait passer dans le circuit hélicoldal NSQ, au'terme duquel il pourrait se trouver à une pression inférieure à par exemple 5N/m2. Le rapport de pression entre les niveaux T3 et To pourrait alors être supérieur à 100. Ce qui pour un gaz comme l'hélium où y = 1,66 avec une température de l'hélium au niveau T3 supérieure à la température ambiante de 200 C, soit par exemple 3100K, une température au niveau To égale à (310/100) 0,66 moins - 2230C. 1,66 = 500K, soit Remarquons que des pompes à vide rotatives à palettes peuvent être utilisées, après où au lieu de l'hélice. Revendications: I- Machine thermique dans laquelle le refroidissement est réalisé par la détente adiabatique d'un gaz qui parcourt un circuit hélicoïdal mobile autour d'un axe. II- Machine thermique selon la revendication I, dans laquelle le déplacement du gaz est assuré par une différence de pression réalisée dans l'axe de la machine, par l'intermédiaire d'une ou plusieurs hélices en séries, et, ou, une ou plusieurs pompes à vide rotatives à palettes, et, ou, une ou plusieurs pompes héli- coldales du modèle Holweck. III- Machine thermique selon les revendications I et II, dans laquelle la rotarion des différents circuits hélicoïdaux est solidaire ou non de la rotation des différentes pompes citées en II. IV- Machine thermique selon les revendications I, II; III dans laquelle l'ensemble des systèmes précédents constitue un étage d'un ensemble d'étages placés en série pour obtenir des températures plus basses. V- Machine thermique selon les revendications précédentes dans lesquelles le premier étage évacue de l'air directement dans l'atmosphère, l'air de l'atmosphère étant aspiré par la pompe par l'intermédiaire du circuit hélicoïdal. VI- Machine thermique selon l'une des revendications précédentes dans laquelle c'est la différence du nombre de spires et la structure des canaux des circuits qui éloignent le gaz de l'axe, et celle des circuits qui le ramènent, qui amène la différence de pression assurant le mouvement du gaz.