Brevet FR2789734A1 — publié le 20000818

La présente invention concerne une machine thermique irréversible, travaillant en moteur. La machine selon l'invention fonctionne en transformant en énergie mécanique une partie du flux calorifique circulant entre une source chaude et une source froide. L'agent moteur est un lien fermé, souple, en matériau à mémoire de forme, circulant autour de deux poulies au moins. Ce type de moteur présente l'avantage de pouvoir fonctionner avec un rendement acceptable pour des sources thermiques entre lesquelles n'existe qu'une relativement faible différence de température (comparativement aux cycles traditionnels tels le cycle de Carnot). Plusieurs dispositifs utilisant les matériaux à mémoire de forme existent donc actuellement. Certains de ces dispositifs fournissent un mouvement de rotation après transformation de mouvements de translation. Ces dispositifs sont souvent complexes et butent sur la difficulté à réchauffer et refroidir successivement, avec un rendement acceptable, un actionneur situé à la même position lors de ces deux temps du cycle (par exemple brevet WO 86/04960). D'autres dispositifs prétendent fournir directement un mouvement de rotation à partir d'une boucle en matériau à mémoire de forme circulant sur des poulies. Le brevet EP 0286 780A1 décrit un tel dispositif, basé sur la déformation géométrique de ce lien rigide, tantôt courbé, tantôt rectiligne, pour induire un mouvement de rotation des poulies. Les efforts parasites semblent importants, la capacité à fournir une vitesse de rotation élevée médiocre, et le fonctionnement théorique d'entraînement des poulies par ce mouvement de reptation du lien semble peu assuré. Le brevet W091/07589 décrit un moteur thermique constitué de trois poulies entre lesquelles circule un lien flexible en matériau à mémoire de forme et exploite la - 2 géométrie triangulaire du lien pour tenter de mettre en évidence un couple moteur. Le brevet français 2727472 présente un "dispositif d'alimentation de courant pour véhicule électrique", constitué de deux tambours de diamètres différents sur lesquels circulent des courroies en matériau à mémoire de forme. Le but des dispositifs de ce type (poulies-courroies) est de créer un cycle continu de manière à produire directement un mouvement de rotation, au lieu d'un mouvement alternatif. Les dispositifs de ce type sont simples dans le principe, mais n'ont jamais fonctionné, et ne peuvent fonctionner sous cette forme. La raison de cette impossibilité est le principe d'action- réaction: deux poulies reliées par une courroie en matériau à mémoire de forme, donc rétractile sur un brin, ne se mettent pas en rotation du fait de la seule rétraction d'un brin de la courroie. En fait, le système au départ est en équilibre, les tensions sont égales dans chacun des deux brins de la courroie; lorsqu'on chauffe l'un des deux brins pour le faire se rétracter, cette rétraction induit l'apparition d'un mouvement relatif des deux poulies, qui compense cette rétraction, jusqu'à équilibre des tensions dans les deux brins du lien à mémoire de forme. Donc disparition d'un éventuel couple moteur. Le principe même de l'action et de la réaction nous indique que, de même qu'on ne peut exercer un effort sans d'adosser à un point d'appui, on ne peut fournir un couple moteur à un système isolé de poulies tournant librement, par le seul intermédiaire d'une rétraction du lien qui les unit, lui-même étant aussi isolé de toute action mécanique extérieure. Il suffit pour s'en convaincre de faire le bilan des efforts et des moments sur un système de ce type, même avec des poulies dissymétriques: le bilan des moments des couples est nul. - 3 - Le dispositif selon l'invention permet de produire directement et en continu un mouvement de rotation assorti d'un couple moteur, avec un rendement acceptable. Selon le mode de réalisation choisi, ce dispositif permet la production d'énergie noble sous une autre forme que l'énergie mécanique (énergie électrique, pneumatique, hydraulique ou autre). Il comporte en effet selon une première caracté- ristique un jeu de poulies (deux au minimum), chacune libre en rotation sur un bâti fixe, sur lesquelles circule un lien souple fermé en matériau à mémoire de forme préalablement éduqué, des moyens de transport de fluide chauffant l'un des brins du lien à mémoire de forme et refroidissant l'autre brin, un élément de réaction reliant les deux poulies dans leur mouvement de rotation, ainsi que, si nécessaire, des moyens annexes de régulation de tension des deux brins à mémoire de forme pour certains modes de réalisation (Fig. 1). La fonction de l'élément de réaction est de produire le couple de réaction nécessaire à l'existence d'un couple moteur. L'élément de réaction, partie intégrante de ce dispositif réalise l'asservissement des mouvements de rotation des deux poulies entre elles. Selon le mode de réalisation choisi, cet asservis- sement peut porter sur la position ou la vitesse angulaire relative des deux poulies, ou bien être un asservissement en couple, appliquant à chacune des deux poulies un couple de moment opposé. Enfin certains modes de réalisation peuvent combiner divers modes d'asservissement entre ces deux poulies. La figure 1 représente le schéma de principe d'un tel moteur. Les figures 2 et 3 montrent le premier mode de réalisation. Ces deux figures représentent deux mécanismes de fonctionnement équivalent. - 4 - La figure 4 montre un deuxième mode de réalisation du dispositif selon l'invention. La figure 5 montre un dispositif équivalent à ce deuxième mode de réalisation. La figure 6 montre un troisième mode de réalisation. Selon un mode de réalisation préférentiel (Fig. 2), le dispositif selon l'invention comporte deux poulies alignées dans un bâti fixe par l'intermédiaire de roulements. Ces deux poulies (1) et (2) sont de diamètres différents; dans les gorges de ces poulies circule un câble fermé en forme de ressort à boudin (3). Ce câble-ressort est réalisé en alliage à mémoire de forme nickel-titane, ayant subi une éducation préalable. A basse température (0 90 C) ce câble se rétracte en longueur, et ses spires se rapprochent en fonction de la température, exerçant un effort de traction. Coaxialement à la poulie (1) et solidaire en rotation avec elle, est montée une poulie (4) entraînant par l'inter- médiaire d'une courroie crantée (6) une poulie (5) solidaire de la poulie (2) en rotation. Ces deux poulies (4) et (5) sont choisies ici de diamètres égaux. Un moyen de chauffage chauffe en continu le brin (a) du câble à mémoire de forme, un moyen de refroidissement refroidit en continu le brin (b) de ce même câble. Fonctionnement: L'alliage à mémoire de forme nickel-titane a un coefficient de mémoire de forme (coef. d'allongement- rétraction) d'environ trois pour cent. Cette valeur représente la différence de longueur entre les deux formes différentes d'un câble classique. En utilisant un câble en forme de ressort à boudin, comme pour les actionneurs linéaires classiques faisant appel à ce type de matériau, le rapport des longueurs entre les deux formes du matériau, peut atteindre deux cent pour cent, pour un rapport diamètre de fil sur diamètre de spire de un à dix. -5- C'est-à-dire qu'en chauffant le câble lors de sa circulation entre les deux poulies, ce dernier se rétracte suffisamment pour pouvoir utiliser deux poulies de diamètre assez différent. Ici, la vitesse de rotation des deux poulies de câble à mémoire est identique, donc on peut dire du rapport de diamètres de ces deux poulies: D2 1 D1 De plus, afin que le système se régule malgré de légers glissements du câble dans la gorge des poulies, il faut choisir des valeurs moyennes. Le retour à la forme initiale à basse température (allongement) nécessite une tension T' minimale dans le brin (3b). Pour l'alliage nickel-titane, cette valeur est d'environ le tiers de la tension motrice exploitable T dans le brin (3a). A l'état de repos les tensions T et T' dans les deux brins sont égales, de même que les tensions t et t' dans les deux brins de la courroie crantée classique (6). Le système est à l'arrêt. On chauffe en continu le brin (3a) du câble à mémoire de forme, ce qui provoque sa rétraction et tend ce même brin. La tension T dans le brin (3a) devient supérieure à la tension T' dans le brin (3b). L'élément de réaction (poulies (4) et (5), courroie crantée (6)) s'oppose à la rotation en sens inverse des 2 poulies (1) et (2) et donc s'oppose à l'équilibrage des tensions T et T'. Dans l'élément de réaction apparaissent les tensions de courroies (t) supérieures aux tensions (t'). A cet instant, si l'on décrit cet équilibre en terme de moments: Isolons l'ensemble: poulie AMF (1) + poulie crantée (4) + axe de rotation. - 6 - Celui-ci est soumis à un couple f, de valeur nulle, puisque cet ensemble est en équilibre et isolé de l'extérieur = (T- ')- = o Isolons l'ensemble: poulie AMF (2) + poulie crantée (5) + axe de rotation Celui-ci est soumis à un couple t 2 2= (T - ') -(t- t d 2 = (T - TI)- avec la relation (1): (t- t') = (T-T'). On obtient i = (T- TI) 2 1) or D2 ó D1 et on a vu que T É T' donc '2 n'est pas nul. nul Est le couple moteur obtenu,. & A}= (T - T). [D2)| La vitesse de rotation des poulies dépend du temps nécessaire à la montée en température du câble. Il n'est pas nécessaire que le câble à mémoire soit rétracté dans toute la longueur du brin pour obtenir le fonctionnement, il suffit que les spires soient rétractées avant d'arriver sur20 la poulie (1) (de même, étirées avant d'arriver sur la poulie (2)). Cette vitesse de rotation est directement proportionnelle, toutes choses égales par ailleurs, à la longueur des brins soumis au chauffage et au refroidissement, et inversement proportionnelle au diamètre25 des poulies de câble à mémoire. On peut écrire, si N est la vitesse de rotation de la poulie (2): N KW L indépendamment du fait que les puissances de chauffe et refroidissement doivent être adaptées. - 7 - Rendement thermodynamique théorique: - pour l'alliage nickeltitane, la chaleur spécifique vaut: 490 J/kg k, - pour un delta 0 d'environ 80 C (rétraction maximale) entre les deux formes du matériau, on perd: 38,2 kJ/kg de matériau. L'enthalpie de transformation pour ce matériau vaut: 28000 J/kg. On devra donc fournir, hors pertes annexes, 67,2 kJ/kg de matériau, pour récupérer au mieux:28 kJ/kg gth - 0,4 avec des moyens de chauffage parfaits. Cette valeur théorique est néanmoins une valeur extrêmement élevée eu égard à la faible différence de température nécessaire entre la source chaude et la source froide. Ceci s'explique par les caractéristiques du matériau (le cycle de Carnot, lui, est basé sur les caractéristiques des gaz parfaits). Un mode de réalisation équivalent est représenté à la figure 3: les poulies de câble AMF sont de diamètres identiques, et synchronisées à vitesses différentes par des poulies crantées de diamètres différents entre eux. Selon un autre mode de réalisation, les deux poulies de l'élément moteur sont de diamètres différents et l'élément de réaction est constitué d'un deuxième élément moteur disposé tête-bêche avec le premier, les poulies étant solidaires en rotation deux à deux. Bien entendu, l'ensemble est réversible, chacun des deux éléments pouvant indifféremment s'appeler "élément moteur" ou "élément de réaction", et chacun des deux participant à la transfor- mation d'énergie calorifique en énergie mécanique (Fig. 4). A la figure 5, un schéma équivalent à cette disposition: chaque grande poulie (7) et (8) est liée en rotation avec la petite poulie de l'autre ensemble (9) et (10), par l'intermédiaire d'une courroie crantée clas- sique (11) et (12). - 8 -- Selon un autre mode de réalisation, un lien flexible en forme de ressort à boudin réalisé en alliage à mémoire de forme (13) circule sur deux poulies (14) et (15). L'un des brins est chauffé en continu, l'autre brin est refroidi en continu. L'une des poulies est mue en rotation par un moteur électrique à courant continu (16). La deuxième poulie entraîne un moteur élec. A courant continu utilisé en récepteur (17). La rétraction du câble se fait sur le brin tendu par les couples du moteur électrique et de l'alternateur. Le moteur entraîne le câble à une vitesse circonfé- rentielle v1 sur sa poulie: par suite de la rétraction de celui-ci, l'alternateur voit défiler le câble à une vitesse v2 supérieure à v1, et reçoit plus d'énergie mécanique que n'en a délivré le moteur, le reste étant fourni par une partie de la puissance de chauffe. Le moteur électrique et le récepteur sont couplés électriquement par des câblages et un boîtier de régulation (18) comportant une batterie de démarrage, et comportant une sortie (19) délivrant l'énergie électrique produite. Dans ce cas, l'ensemble moteur-boîtier de régulation- récepteur réalise un asservissement en couple de la rotation des deux poulies. -9 - REVENDICATIONS 1) Moteur thermique utilisant le changement de longueur d'un lien souple fermé en matériau à mémoire de forme circulant sur au moins deux poulies; l'un des brins du lien à mémoire étant chauffé en continu, l'autre brin refroidi en continu; caractérisé en ce qu'il comporte une partie dénommée "élément de réaction". Cet élément de réaction consiste en un asservissement en position, vitesse, ou couple, ou encore hybride, entre la rotation des deux poulies sur lesquelles circule le lien en matériau à mémoire de forme, et sert de support au couple de réaction nécessaire à la production d'un couple moteur. 2) Elément dénommé "élément de réaction" réalisant l'asservissement entre les poulies d'un moteur thermique dont l'agent moteur est un lien souple fermé en matériau à mémoire de forme. Sert de support au couple de réaction nécessaire à la production d'un couple moteur. 3) Machine thermique et élément de réaction suivant les revendications 1 et 2 caractérisés en ce que l'élément de réaction est constitué de composants permettant de produire directement de l'énergie électrique, pneumatique ou hydraulique à partir de l'énergie calorifique absorbée par la machine. 4) Moteur thermique et élément de réaction suivant les revendications 1 et 2 caractérisés en ce que l'élément de réaction est un deuxième élément moteur disposé de telle sorte que la tension dans le brin le plus tendu de l'élément de réaction s'oppose à la tension dans le brin le plus tendu de l'élément moteur, constituant le couple de réaction nécessaire à la production d'un couple moteur.