Brevet FR2835570A1 — publié le 20030808

La présente invention concerne un moteur à sources thermiques externes dont l'architecture est une plaque parallèlépipèdique, entièrement hermétique constituée de plusieurs cellules motrices identiques, couplées deux à deux et exploitant la technologie des moteurs à deux pistons gigognes croisés et à quatre chambres. Le concept du moteur à pistons gigognes croisés fut étudié il y a quelques années pour un moteur à combustion interne adaptable aux différents carburants. Récemment, la simplicité, la compacité, la légèreté et les autres qualités de ce type de moteur amena son inventeur à concevoir une version exploitant des sources thermiques externes dont les applications étaient nombreuses. Les études menées ont conduit à optimiser les différents éléments et en particulier l'étanchéité, tout en limitant la surface de frottement des segments. Le principe du moteur à pistons gigognes croisés à sources thermiques externes est très simple et exploite aux maximum les lois de la thermodynamique. Un gaz interne est transféré dans une chambre 1, chauffée de l'extérieur. Il monte en pression ce qui lui permet de repousser un piston de travail. Ce gaz est ensuite transféré dans une autre chambre (2) refroidie de l'extérieur. Sa pression chute ce qui permet de ramener le piston à sa position initiale. Les variations de pression sont donc exclusivement d'origine thermique, alors que généralement le gaz subit une précompression mécanique par réduction de volume du fait d'un piston avant d'être réchauffé. Le transfert du gaz de la chambre chaude (1) à la chambre froide (2) est assuré par le déplacement d'un piston (5) vertical (vertical par convention pour l'explication). Le gaz traverse directement le corps de ce piston par des cheminées de transfert (10) spécialement usinées et contenant des filtres économiseurs de calories. Au centre de ce piston vertical (5) se trouve un petit piston (6) de travail horizontal. Le maneton (9) du vilebrequin traverse directement le centre de ce petit piston. Les déplacements relatifs de ces deux pistons permettent donc la rotation du vilebrequin puisque le mouvement vertical du gros piston correspond aux variations sinusoïdales de la rotation du maneton et le déplacement horizontal du petit piston correspond aux variations cosinusoïdates de ce même maneton. Ces déplacements génèrent donc 4 chambres : La chambre 1 située sous le gros piston. Son volume correspond à la section de ce piston x par sa course. La chambre 2 située au-dessus du gros piston (5). Son volume est identique à la chambre 1 La chambre 3 située dans l'alésage usiné au centre du gros piston, devant le petit piston (6) horizontal. Son volume correspond à la section de celui-ci x par sa course qui est d'ailleurs la même que celle du gros piston puisque déterminée par l'excentricité du maneton (9). La chambre 4 est identique à la chambre 3 et est située à l'autre extrémité du petit piston. Le principe de ce moteur veut que les chambres 1,2, 3, communiquent entre elles en permanence et subissent simultanément les mêmes variations de pression. Il n'est donc pas nécessaire d'assurer une étanchéité entre elles. Seule la quatrième chambre doit être isolée des autres, or jusqu'à présent, celle-ci était ouverte sur l'extérieur ce qui lui assurait une pression constante. Pour cela il fallait éviter toute fuite du gaz interne vers l'extérieur, ce qui obligeait d'assurer une étanchéité de chacune de ces chambres par des segments sur le gros et le petit piston. Pour une exploitation de ce moteur dans le vide spatial par exemple, il faut fermer cette ouverture vers l'extérieur et relier la chambre 4, soit à une capacité close extérieure au moteur dont la pression sera stable et intermédiaire, soit à une autre chambre 4, appartenant à une cellule motrice identique mais déphasée de 1800 et dont le volume varierait en sens inverse ce qui ferait que le volume global commun aux deux chambres 4, serait stable, donc à pression stable. Le dispositif selon l'invention apporte une solution beaucoup plus intéressante qui consiste à relier la chambre 4, à la chambre 1 d'une autre cellule motrice identique mais déphasée de 1800 dont la pression varie en sens inverse ce qui fait que cette chambre 4, devient active en permanence puisque cela permet d'avoir une différence de pression positive importante entre les deux faces opposées du petit piston, qui pousse celui-ci tant à l'aller qu'au retour. Cette liaison peut se faire facilement par un conduit (12), le plus court possible pour éviter une inertie du système. Ce conduit traverse à une de ses extrémités la paroi chaude (17) du carter des cellules motrices pour accéder à leur chambre 1. A l'autre extrémité, ce conduit (12) traverse la même paroi, puis la chambre 1, puis plonge dans le corps du gros piston (5) par l'intermédiaire d'une cheminée (13) usinée spécialement en périphérie de l'extrémité de la chambre 4 sur une profondeur supérieure à la course du piston de manière à ce que le segment d'étanchéitét15) installé à l'extrémité du conduit plongeant ne se dégage pas de la cheminée (13) quelle que soit la position de ce gros piston. La base de cette cheminée dans laquelle coulisse l'extrémité plongeante du conduit de liaison (12) est ouverte latéralement de manière à accéder à la quatrième chambre de cette cellule motrice qui ainsi est couplée à l'autre. Ces deux cellules couplées doivent être déphasées entre elles de 180"en rotation. La chambre 4 doit donc être isolée des trois autres chambres (1,2, 3, ) par un segment d'étanchéité (15) installé sur l'extrémité du conduit de liaison dans sa cheminée de coulissement usinée dans le gros piston, et par un segment d'étanchéité installé sur le petit piston en périphérie de la chambre 4. L'alésage interne au gros piston dans lequel coulisse le petit piston est un alésage aveugle du côté de la chambre 4, ce qui évite tout problème d'étanchéité. Ce même alésage peut être ouvert du côté de la chambre 3 pour les besoins de l'usinage, mais il est alors refermé par une pièce adaptée après la mise en place du petit piston et son montage autour du maneton du vilebrequin. Le gros piston vertical n'ayant plus la nécessité d'assurer une étanchéité entre les chambres 1,2, 3, ne possède donc pas de segments à ses deux extrémités, ce qui évite des frottements inutiles. Ces segments le contraignaient à être cylindrique avec une section parfaitement circulaire. Désormais cette section pourra être indifféremment ovale, carré, rectangulaire, hexagonale, etc. et ce en fonction de la meilleure répartition des cellules sur la plaque en vue de l'optimisation de l'exploitation de la surface thermique. Les vilebrequins (7) dont les maneton (9) traversent les pistons des différentes cellules motrices sont parallèles et tournent soit, tous dans le même sens, soit alternativement en sens inverse. Ces vilebrequins seront donc reliés entre eux à leur extrémité, en bordure de plaque, par des pignons (21) de synchronisation en prise directe ou avec des pignons intermédiaires pour des vilebrequins de même sens de rotation. La prise de force se fera indifféremment sur l'un d'entre eux. Ce moteur exploite donc un cycle thermodynamique particulier qui s'effectue en fait dans deux cellules déphasées entre elles de 180 . En effet la surpression du gaz chaud est exploitée simultanément par deux petits pistons de travail c'est à dire dans la chambre 3 de sa propre cellule et dans la chambre 4 de la cellule couplée et reliée par le conduit de liaison (12). Ainsi chaque piston de travail exploite le cycle de deux cellules différentes et bénéficie en permanence d'une différence de pression positive importante qui le pousse positivement aussi bien à l'aller qu'au retour ce qui est une caractéristique très intéressante qui améliore le fonctionnement de ce type de moteur. Ceci a en plus pour conséquence de permettre de réduire par deux le volume des chambres 3, donc des chambres 4, ce qui permet de réduire de 30 % leur section, ce qui entraîne la réduction du diamètre du petit piston donc la hauteur du gros piston (mais pas de sa section) et donc de l'épaisseur de la plaque motrice. Ce gain d'épaisseur engendre un gain de masse globale qui est toujours intéressant surtout pour des exploitations spatiales. On constate que l'ensemble du volume de ce moteur est actif et ce, en permanence. Les dessins annexés illustrent l'invention. La figure 1 représente une coupe suivant le plan des axes de vilebrequins (7) de deux cellules associées, donc déphasées entre elles de 180 de rotation. La figure 2 représente une coupe perpendiculaire au plan des vilebrequins de ces deux mêmes cellules. La figure 3 représente aussi une coupe suivant le plan des axes des vilebrequins mais perpendiculaire à la première. La figure 4 montre une vue d'un gros piston (5) vertical avec ses différents alésages. La figure 5 montre une vue d'un petit piston (6). La figure 6 présente en quatre schémas simplifiés l'évolution du cycle, les variations de volume des différentes chambres en fonction du déplacement des deux pistons et ce, sur deux cellules associées déphasées de 1800, La figure 7 montre une plaque motrice parralèlélipipèdique de douze cellules avec à l'extérieur ses conduits de liaison (12) et ses pignons (21) de synchronisation à l'extrémité des axes des vilebrequins. En référence à ces dessins, cette plaque motrice est constituée d'un carter hermétique généralement parattéiépipèdique, en deux parties, traversé dans son plan médian par les vilebrequins parallèles sur lesquels sont montés les pistons gigognes des cellules. Ce carter comporte sur sa face supérieure et inférieure, les feuilles thermiques constituant la source chaude (17) d'un côté et la source froide (18) de l'autre côté. Ces feuilles peuvent correspondre à la totalité de la surface de la plaque motrice. Dans la plaque chaude (17) est usiné le passage du conduit de liaison (12). Sous la feuille thermique se trouve le bloc moteur (16) proprement dit, en deux éléments séparés dans le plan des axes de vilebrequins par un joint (20) de culasse servant principalement d'isolant thermique entre la moitié chaude et la moitié froide et de joint d'étanchéité vis à vis du gaz interne sous pression. Dans ces deux éléments de bloc moteur sont usinés les alésages dans lesquels coulissent les pistons verticaux de chaque cellule et les passages horizontaux des vilebrequins dans le plan de séparation. Les dimensions de ces pièces sont fonction du nombre de cellules et de l'importance de celles-ci. Ce bloc, extrêmement simple de conception, doit toutefois être hermétique de manière à éviter toute fuite du gaz interne vers l'extérieur malgré sa pression qui peut être de plusieurs bars. Le choix de la nature du gaz et le domaine d'exploitation du moteur détermineront la pression de remplissage. Le petit piston (6) est un cylindre en deux parties symétriques, traversé en son centre par le maneton (9) du vilebrequin. Deux dépouilles (19) latérales sont usinées afin de permettre la rotation des tourillons (8) qui relient le maneton à l'axe principal du vilebrequin. Ces deux parties sont donc assemblées autour du maneton par deux écrous (14) accessibles depuis l'une des têtes de ce piston. Une gorge est usinée en périphérie d'une de ses têtes en vue de l'installation du segment d'étanchéité (15) de la chambre 4. Le gros piston (5) est un cylindre de diamètre supérieur, traversé en son centre par l'alésage dans lequel coulisse le petit piston. Il peut être constitué de deux éléments assemblés après la mise en place du petit piston horizontal. Ces deux éléments seront donc deux cylindres de demie hauteur séparés par un joint servant principalement d'isolant thermique entre la tête chaude et la tête froide. La moitié chaude de ce piston comporte le puits de liaison (11) entre la chambre 1 et la chambre 3 d'un côté, et la cheminée de coulissement (13) du conduit (12) plongeant assurant la liaison entre la chambre 4 de la cellule et la chambre 1 de la cellule couplée déphasée de 180 de rotation. Cette cheminée (13) traverse toute l'épaisseur de la partie chaude jusqu'à un puits usiné dans la partie froide qui débouche latéralement à sa base dans la chambre 4. La profondeur de cette cheminée et la longueur plongeante du conduit est nécessaire afin que le segment d'étanchéité (15) équipant l'extrémité du conduit reste dans la cheminée quelle que soit la position du gros piston. Ce gros piston vertical comporte un alésage oblong (22) le traversant en son centre perpendiculairement à son axe. La largeur de cet alésage (22) correspond au diamètre de l'axe du vilebrequin (7) et sa hauteur correspond à la course verticale de celui-ci afin de permettre le déplacement vertical de ce piston par rapport à l'axe du vilebrequin. Ce piston est traversé de part en part, de la tête chaude à la tête froide par 4 cheminées (10) permettant le transfert du gaz interne entre la chambre 1, et la chambre 2. A l'intérieur de ces cheminées de transfert (10) sont installés des économiseurs de calories constitués de filtres à forte capacité calorifique qui prennent des calories au gaz interne lorsqu'il passe de la chambre 1 à la chambre 2 et lui redonne lorsqu'il passe en sens inverse. Ainsi le gaz commence à se refroidir ou à se réchauffer pendant le transfert sans que toutes les calories ne soient perdues sur la source froide. Le diamètre et le nombre de ces cheminées de transfert ainsi que le choix des filtres sont déterminés afin d'éviter que le transfert ne freine le fonctionnement. Comme nous l'avons vu précédemment les gros pistons ne seront donc plus obligatoirement cylindriques puisque, libérés de la contrainte des segments d'étanchéité, leur section pourra être carrée, rectangulaire, ovale, hexagonale, etc. Une plaque motrice pourra donc regrouper un nombre important de cellules dont la section sera la mieux adaptée pour exploiter au mieux la surface chaude et la surface froide. Sur la face chaude seront installés les conduits de liaison (12) entre deux lignes de cellules couplées. Ainsi une plaque pourra comporter plusieurs vilebrequins parallèles synchronisés entre eux par deux, puisqu'il doit exister obligatoirement un déphasage de 180 entre deux cellules couplées. Ces vilebrequins seront donc facilement équipés de pignons en bout d'arbre qui à la fois les synchroniseront et permettront de rassembler le travail fourni par l'ensemble des cellules. Pour avoir une liaison la plus courte possible, il est plus simple de relier deux cellules contiguës appartenant à deux vilebrequins parallèles en rotation inversées, de manière à ce que les chambres 4 de chacune soit le plus près possible de la cellule couplée. Toutefois, on peut évidemment avoir sur le même vilebrequin des cellules déphasées entre elles de 1800 comme cela se fait sur les moteurs thermiques en ligne des voitures. En acceptant une petite perte de rendement du moteur on peut également regrouper plusieurs voire même toutes les cellules de même phase par seulement deux tubes commus au groupe des cellules couplées et déphasées de 180 . Un tube commun regroupera les sorties des chambres1 des cellules en phase aux extrémités plongeantes des chambres 4 de l'autre groupe, et un deuxième tube qui reliera les sorties des chambres 1 des cellules déphasées de 1800 aux extrémités plongeantes des chambres 4 du premier groupe. Ces plaques motrices seront préférentiellement fabriquées pour tous leurs éléments en matériaux légers supportants des écarts de température importants. Comme tous les moteurs à sources thermiques externes, le fonctionnement de cette plaque motrice est indépendant de la nature des sources thermiques. Pour une utilisation dans des stations spatiales, il suffira d'orienter la face chaude de la plaque face au soleil, avec ou sans concentrateur parabolique, ce qui la maintiendra à haute température, alors que la face froide sera à l'ombre et donc exposée aux très basses températures. Le rendement de ce moteur sera évidemment fonction de la différence de température maintenue entre la face chaude et la face froide. La puissance sera fonction de la surface de cette plaque motrice. Il semblerait que l'hydrogène soit le gaz interne le plus intéressant à utiliser et ce sous une pression déterminée assez importante. La lubrification des paliers et des surfaces de coulissement, bien que pouvant être traitée de façon classique par graissage définitif et par le choix des matériaux et de leur revêtement, elle fera l'objet d'une étude particulière. Cette plaque motrice hermétique selon l'invention est particulièrement destinée à des applications en conditions extrêmes avec des différences de températures importantes ou des milieux particuliers, soit sans atmosphères soit corrosifs. Ainsi, ce type de moteur peut facilement équiper une station lunaire ou spatiale, une station polaire ou tropicale, un équipement particulier exploitant des sources thermiques très spécifiques (radioactives, géothermiques, chimiques, etc.). REVENDICATIONS 1) Plaque motrice multicellulaire parallélépipédique, exploitant des sources thermiques externes, comportant donc une face chaude et une face froide, caractérisée en ce qu'elle est constituée d'un ensemble entièrement hermétique de cellules motrices à quatre chambres et à deux pistons (5, 6,) gigognes croisés, cellules identiques, associées deux à deux et montées sur des vilebrequins (7) parallèles. 2) Plaque motrice selon la revendication 1 caractérisée en ce qu'elle contient un seul et même gaz interne sous pression déterminée remplissant la totalité du volume creux de l'ensemble des cellules motrices constituant la plaque. Ce gaz est le gaz de travail dont les cellules exploitent les variations de pression engendrées par ses variations de température dues au fait de ses transferts alternatifs entre chambre chaude (1) et chambre froide (2) 3) Plaque motrice selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle exploite un cycle thermodynamique particulier qui s'effectue dans deux cellules à la fois c'est à dire, en partie dans la cellule associée et déphasée de 180 , ce qui fait que les petits pistons (6) horizontaux de travail, bénéficient en permanence d'une différence de pression importante entre leurs deux têtes qui les pousse positivement aussi bien à l'aller qu'au retour. 4) Plaque motrice selon la revendication 1 et 3, caractérisée en ce qu'un conduit de liaison (12), le plus court possible, relie la chambre 4 de chaque cellule à la chambre 1 de la cellule associée et déphasée de 180 de rotation. 5) Plaque motrice selon la revendication 4 caractérisée en ce que l'extrémité du conduit de liaison du côté de la chambre 4, coulisse dans un alésage vertical (13) usiné dans le corps du gros piston (5), en périphérie de l'extrémité de cette chambre 4, sur une profondeur supérieure à la course du piston et débouchant latéralement à sa base dans cette chambre 4. 6) Plaque motrice selon la revendication 5 caractérisée en ce que l'extrémité du conduit de liaison (12), coulissant dans le puits usiné (13) dans le corps du gros piston est équipée d'un segment d'étanchéité (15) de manière à éviter toute fuite de gaz entre la chambre 4, et les autres chambres d'une même cellule dont les variations de pression sont inverses puisque déphasées de 180 . 7) Plaque motrice selon la revendication 2, caractérisée en ce que l'étanchéité vis à vis du gaz interne de la chambre 4, est également assurée par un segment (15) équipant le petit piston (6) horizontal du côté de cette chambre 4 afin d'éviter tout échange de gaz interne avec les autres chambres de la cellule. 8) Plaque motrice selon la revendication 1, caractérisée en ce que le gros piston vertical (5), n'ayant plus la nécessité d'assurer une étanchéité entre les chambres 1, 2, et 3, ne possède pas de segment d'étanchéité (15) à ses extrémités donc n'est plus contraint d'avoir une section circulaire, et a de ce fait la possibilité d'avoir une section indifférente qui peut être ovale, carrée, rectangulaire, hexagonale, etc., et ce en fonction de la meilleure répartition des cellules sur la plaque pour exploiter au mieux les surfaces des sources thermiques. 9) Plaque motrice selon la revendication 1, caractérisée en ce que les vilebrequins (7) parallèles traversant les différentes cellules ont, soit tous le même sens de rotation, soit des sens de rotation inversés et de ce fait sont reliés entre eux à leur extrémité par des pignons (21) de synchronisation en prise directe ou avec des pignons intermédiaires pour les vilebrequins de même sens de rotation. 10) Plaque motrice selon la revendication 4 caractérisée par le fait qu'en acceptant une petite perte de rendement du moteur on peut également regrouper plusieurs, voire même, toutes les cellules de même phase et les relier par seulement deux conduits au groupe des cellules couplées et déphasées de 1800. Un tube commun regroupera les sorties des chambres1 des cellules en phase aux extrémités plongeantes des chambres 4 de l'autre groupe, et un deuxième tube qui reliera les sorties des chambres 1 des cellules déphasées de 180 aux extrémités plongeantes des chambres 4 du premier groupe.