Brevet FR2839905A1 — publié le 20031128

lance. GENERATEUR D'ONDES THERMO-ACOUSTIQUES Domaine technique et art anterieur L'invention concerne un generateur d'ondes thermo-acoustiques ainsi qu'un convertisseur magneto- hydrodynamique thermo-acoustique. Un generateur d'ondes thermo-acoustiques produit de l'energie acoustique a partir d'energie thermique. De meme, un convertisseur magneto hydrodynamique thermo-acoustique produit de lienergie electrique a partir d'energie thermique prealablement convertie en energie acoustique. L' invention trouve une application dans tout domaine ou une conversion d'energie thermique en energie acoustique et/ou en energie electrique peut etre envisagee comme, par exemple, le domaine spatial ou le domaine de ['automobile. Selon une application particulierement avantageuse, un convertisseur magneto hydrodynamique thermo-acoustique selon l' invention produit une puissance electrique elevee, par exemple de l'ordre de kW a partir d'une puissance thermique comprise entre 800 et lOOOkW. Le generateur d'ondes acoustiques selon l' invention est du type a empilement de plaques. Un schema de principe de generateur d'ondes acoustiques a empilement de plaques selon l'art anterieur est represente en figure 1. Le generateur comprend un empilement de plaques 1 maintenues a distance les unes des autres et placees dans une gaine 2. De l'air 3 emplit l'espace interieur B 14106/PR de la gaine 2 et, partant, l'espace entre les plaques. Un flux de chaleur est etabli entre les extremites E1 et E2 de l'empilement de plaques. A cette fin, l'extremite E1 est portee a une temperature haute T1 et l'extremite E2 a une temperature basse T2. Le gradient de temperature existent entre les extremites E1 et E2 conduit alors a l' apparition de micro-cycles thermodynamiques dans l'air qui emplit les plaques. Une partie du flux de chaleur se transforme en ondes acoustiques. Des plans d'ondes acoustiques P apparaissent dans l'air situe du cote de l'extremite qui est portee a la temperature basset Un probleme qui se pose lors de la conception d'un generateur d'ondes thermoacoustiques est celui de la circulation du flux de chaleur dans lesplaques. I1 est ains-i necessaire de concevoir, d'une part, des moyens apses a faire penetrer le flux de chaleur dans celles-ci et, d'autre part, des moyens apses a evacuer ce flux. Ce probleme se pose de fac,on particulierement sensible dans le cas ou il est envisage de produire des ondes acoustiques de fortes puissances. Expose de l' invention Le generateur d'ondes acoustiques selon l' invention resout de fa,con simple et efficace le probleme mentionne cidessus et trouve une application particulierement avantageuse pour la generation d'ondes acoustiques de puissance elevee. En effet, l' invention concerne un generateur d'ondes thermo-acoustiques comprenant: B 14106/PR - un ensemble de plaques montees parallelement les unes aux autres dans une gaine emplie d'un fluide thermodynamique, deux plaques successives de ltempilement etant eloignees l'une de l'autre de sorte que le fluide thermodynamique emplit ltespace entre les plaques, et - des moyens apses a etablir un flux de chaleur entre une premiere extremite de ['ensemble de plaques et une deuxieme extremite de ['ensemble de plaques situee a l' oppose de la premiere extremite. - Les moyens apses -a etablir un flux de chaleur comprennent, d'une part, deux echangeurs thermiques - montes en parallele et situes de part et d'autre de la premiere extremite et, d'autre part, deux echangeurs thermiques montes en parallele- et situes de part et d'autre de la deuxieme extremite, chaque echangeur thermique etant constitue d'un empilement alterne d'oreilles et de cales, une oreille etant formee par une extension de plaque percee dinne pluralite de trous, chaque cafe comprenant au moins une ouverture de sorte que les ouvertures des cales et les trous des oreilles d'un meme echangeur constituent un conduit pour la circulation d'un fluide caloporteur. L' invention concerne egalement un convertisseur magneto hydrodynamique thermo-acoustique comprenant un generateur d'ondes thermo-acoustiques pour former des ondes acoustiques a partir d'energie thermique et un dispositif magneto hydrodynamique pour delivrer de l'energie electrique a partir des ondes acoustiques formees par le generateur d'ondes thermo-acoustiques. B 14106/PR L'invention concerne egalement un generateur electrique pour vehicule automobile comprenant un convertisseur magneto hydrodynamique thermoacoustique selon ['invention. L' invention concerne encore un reacteur spatial comprenant un convertisseur magneto hydrodynamique thermo-acoustique selon l' invention. Breve description des fiqures D'autres caracteristiques et avantages de l' invention apparaltront a la lecture d'un mode de À realisation preferential de l' invention fait en reference aux figures jointes, parmi le.squelles: - la figure 1 represente un schema de principe de generateur d'ondes acoustiques a empilement de plaques selon l'art anterieur; - la figure 2 represente un empilement de plaques pour generateur d'ondes acoustiques selon le mode de realisation preferential de ['invention; - la figure 3 represente une vue partielle eclatee de l'empilement represente en figure 2; - la figure 4 represente une structure a empilement de plaques pour generateur d'ondes acoustiques selon le mode de realisation preferential de l' invention; - la figure 5 represente une vue en coupe d'un element partiel de la structure representee en figure 4; - la figure 6 represente une vue en coupe d'un convertisseur magneto hydrodynamique thermo B 14106/PR acoustique selon le mode de realisation preferential de l' invention; - la figure 7 represente une vue en perspective d'un convertisseur magneto hydrodynamique thermo acoustique selon l' invention equipe d'une capacite sous presslon. Sur toutes les figures, les memes reperes designent les memes elements. Description detaillee de modes de mise en uvre de - l' invention -La figure 2 represente un empilement de plaques pour generateur d'ondes acoustiques selon le mode de realisation preferential de l' invention et la figure 3 represente une vue partielle eclatee de l'empilement represente en figure 2. Chaque plaque 4 comprend un corps central rectangulaire 5 et quatre extensions ou oreilles 6 munies de trous 7. Les oreilles 6 vent placees aux extremites de la plaque, de part et d'autre du corps central 5. Chaque plaque 4 de l'empilement est separee de la plaque suivante par quatre cales 9. Chaque cafe 9 est munie d'une ouverture 10. Les cales 9 vent intercalees entre les plaques au niveau des oreilles 6. Un empilement forme par une succession d'oreilles 6 et de cales 9 constitue un echangeur thermique apte a la circulation d'un fluide caloporteur. L'empilement de plaques peut comprendre plusieurs centaines de plaques, par exemple 400, d'epaisseur e sensiblement comprise entre 0,2 et 0,3mm. Les cales 9 ont, preferentiellement, sensiblement la B 14106/PR meme epaisseur que les plaques 4. A titre d'exemple non limitatif, le corps central rectangulaire 5 d'une plaque a une longueur L de 500mm et une largeur l de mm. Les oreilles 6 ont, preferentiellement, une forme carree de 150mm de cote. Les trous debouchants 7 formes dans chaque oreille 6 vent preferentiellement uniformement repartis sur la surface de l'oreille. L'ouverture globale presentee par les trous 7 est. par exemple, de l'ordre de 60 de la surface totale de l'oreille. Le diametre d'un trou peut etre, par . exemple, egal a lOmm. De facon generale, le dimensionnement des plaques est fonction de la puissance generee et de la nature et de la pression du fluide thermodynamique. De meme, le diametre des trous des oreilles est une fonction de la nature et du- debit du fluide caloporteur. Les plaques 4 et les cales 9 vent realisees dans un materiau thermiquement conducteur tel que, par exemple, l'Inconel ou l'Incoloy (alliage fer nickel ou nickel chrome). Les cales 9 vent brasees ou collees aux plaques 4. Preferentiellement, ltensemble des plaques et des cales est brase en une fois, selon la technique de realisation des echangeurs de plaques. Le flux de chaleur qui parcourt une plaque de l'empilement est represente par des fleches F sur la figure 3. Le dispositif selon l' invention assure avantageusement une tres bonne conduction thermique. Selon le mode de realisation preferential de ['invention, une plaque est en forme de I et les oreilles et les cales vent de section carree ou B 14106/PR vent egalement possibles telles que, par exemple, des oreilles et cales en demi-cercle ou en demi-hexagone, etc. La figure 4 represente une structure a empilement de plaques pour generateur d'ondes acoustiques selon le mode de realisation preferential de l' invention. Un systeme de conduites 11, 12, 13, 14 assure la circulation des fluides caloporteurs. Les deux echangeurs thermiques qui vent situes de part et- d'autre d'une meme extremite de l' ensemble de plaques sont montes en parallele. Les conduites 11 et 12 permettent, respectivement, l' introduction et l'evacuation d'un premier fluide caloporteur C1 dans les deux echangeurs qui vent de part et d'autre de la premiere extremite (source chaude) alors que les conduites 13 et 14 permettent, respectivement, l' introduction et l' evacuation d'un deuxieme fluide caloporteur C2 dans les deux echangeurs qui vent de part et d'autre de la deuxieme extremite (source froide). Comme cela a ete mentionne precedemment, un fluide thermodynamique est present dans l'espace qui separe les plaques. En fonctionnement, des micro-cycles thermodynamiques apparaissent dans le fluide thermodynamique et le generateur d'ondes acoustiques vibre a haute frequence. Il est important de tenir compte des differences de temperatures et des vibrations du generateur d'ondes acoustiques pour etablir la configuration des conduites 11, 12, 13, 14 et, partant, les contraintes mecaniques appliquees a B 14106/PR ces conduites. Preferentiellement, la partie > de la structure de plaques, c'est-a-dire la partie de la structure de plaques portee a la temperature la plus elevee, est maintenue fixe et la partie >, c'est-a-dire la partie de la structure de plaques portee a la temperature la plus basse, peut se deplacer librement en fonction des dilatations. Pour permettre ces dilatations et eviter un cisaillement des plaques, les conduites de fluide caloporteur 13 et 14 qui alimentent la partie > se croisent au niveau d'une bride de maintien (non representee sur la. figure) de facon a transformer les deplacements longitudinaux en deplacements de torsion. -..:.. La figure 5 represente une vue en coupe d'un element partiel de la structure representee en figure 4. Plus precisement, la figure 5 represente la jonction entre une conduite d'arrivee de fluide caloporteur et l'empilement de plaques. Le collecteur presente un evasement 15 pour assurer un ecoulement optimal du fluide caloporteur C. La figure 6 represente une vue en coupe d'un schema de principe de convertisseur magneto hydrodynamique thermo-acoustique selon le mode de realisation preferential de ['invention. Le convertisseur comprend un generateur d'ondes acoustiques selon l' invention 17 et un dispositif magneto hydrodynamique 18. Le generateur d'ondes acoustiques 17 comprend une structure telle que representee en figure 2 (empilement de plaques et conduites) montee dans une gaine 20 remplie de fluide thermodynamique 19. Les conduites 11 et 12 permettent, B 14106/PR : 9: :: j : respectivement, l' introduction et l' evacuation du fluide caloporteur C1, alors que les conduites 13 et 14 . I permettent, respectivement, l' introduction et l' evacuation du fluide caloporteur C2. Le fluide thermodynamique 19 est mis en pression, par exemple a une valeur sensiblement egale a 70 bars. Le fluide thermodynamique peut etre du metal liquide tel que, par exemple, du sodium liquide ou encore une solution saline telle que, par exemple, une solution de NaK (sodium/potassium). Un premier fluide caloporteur C1, par exemple du sodium liquide ou un eutectique NaK (sodium/potassium), porte a temperature haute, par exemple 750 C,: est utilise pour chauffer la premiere :.:. :, .. j extremite de l'empilement de plaques (source chaude) . De meme, un deuxeme fluide caloporteur C2, par exemple egalement du sodium ou un eutectique NaK (sodium/potassium), porte;a temperature basse, par exemple 450 C, est utilise pour evacuer la chaleur au niveau de la deuxieme extremite de l'empilement de plaques (source froide). Les ondes acoustiques generees vent emises sous forme de plans d'ondes P en direction du dispositif magneto hydrodynamique 18. Le dispositif magneto hydrodynamique 18 peut alors delivrer, par exemple, une puissance electrique de 200kW a partir d'une puissance thermique comprise, par exemple, entre 800 et lOOOkW. Avantageusement, le convertisseur magneto hydrodynamique selon l' invention transforme une grande quantite d'energie thermique en energie electrique par l'intermediaire de vibrations mecaniques de faible amplitude, c'est-a-dire sans pratiquement mouvoir de - pieces mecaniques.; : ! La figure 7 represente une vue en perspective d'un convertisseur magneto hydrodynamique thermo- acoustique selon ['invention, equipe d'une capacite sous pression. La capacite sous pression 21 est une enveloppe en forme d'ampoule qui contient l' ensemble des elements representes en figure 6, a savoir, un dispositif magneto hydrodynamique 18 et une gaine 20 contenant un empilement de plaques et de cales muni de conduites et un fluide thermodynamique 19. La capacite sous pression- 21 a pour fonction de mantenir le liquide thermodynamique sous pression, par -exemple une pression de 70 bars. Avantageusement, une structure tel le que representee en figure 7 present;e un faible encombrement. La capacite sous pression 21 peut avoir une hauteur A typiquement compris entre 0,5 et 1 m, une profondeur B typiquement compris entre 0,1 e-t 0,5 m et une largeur C typiquement compris entre 0,1 et 0,5 m. De telles dimensions, associees aux performances electriques mentionnees ci-dessus, permettent des applications du convertisseur magneto hydrodynamique selon l' invention particulierement avantageuses dans le domaine spatial et dans le domaine de ['automobile. Dans le domaine spatial, un convertisseur magneto hydrodynamique selon l' invention peut etre integre a un reacteur spatial. La source chaude peut alors etre un reacteur nucleaire a tres haute temperature et la source froide un radiateur rayonnant vers le vice spatial. Les fluides caloporteurs peuvent etre, par exemple, de ['Helium, du NaK, du Cesium, du Mercure). B 14106/PR Dans le domaine de ['automobile, la source chaude pent etre realisee a partir d'un melange d'air et d'hydrogene porte a haute temperature et la source froide a partir de 1'air ambient. L'energie electrique issue du convertisseur magneto hydrodynamique selon l' invention est alors repartie sur quatre moteurs electriques elementaires, chaque moteur electrique elementaire actionnant une roue du vehicule automobile. .. B 14106/PR REVENDICATIONS Generateur d'ondes thermo-acoustiques comprenant: - un ensemble de plaques (4) montees parallelement les unes aux autres dans une gaine (20) emplie d'un fluide thermodynamique (19), deux plaques successives de l'empilement etant eloignees l'une de l'autre de sorte que le fluide thermodynamique emplit l'espace entre les plaques, et - des moyens.(6, 4, 11, 12)) apses a etablir un flux de chaleur entre une premiere extremite de l' ensemble de plaques et une deuxieme extremite de ['ensemble de plaques situee a l'oppose- de la premiere extremite,. caracterise en ce que les moyens (6, 4, 11, 1:2) apses a etablir un flux de chaleur comprennent, d'une part, deux echangeurs thermiques montes en parallele et situes de part et d'autre de la premiere extremite et, d'autre part, deux echangeurs thermiques montes en parallele et situes de part et d'autre de la deuxieme extremite, chaque echangeur thermique etant constitue d'un empilement alterne d'oreilles (6) et de cales (4), une oreille (6) etant formee par une extension de plaque percee d'une pluralite de trous (7), chaque cafe comprenant au moins une ouverture (9) de sorte que les ouvertures des cales et les trous des oreilles d'un meme echangeur constituent un conduit pour la circulation d'un fluide caloporteur. 2. Generateur d'ondes thermo-acoustiques selon la revendication 1, caracterise en ce que les trous des B 14106/PR oreilles vent uniformement repartis sur la surface de l'oreille. 3. Generateur d'ondes thermo-acoustiques selon la revendication 1 ou 2, caracterise en ce que l'ouverture globale presentee par les trous d'une oreille est sensiblement egale a 60% de la surface totale de l'oreille. 4. Generateur d'ondes thermo-acoustiques selon - liune quelconque des revendications precedentes, - caracterise en ce que les moyens apses a etablir un : flux de chaleur comprennent -des conduites (11, 12, 13, 14) pour alimenter en fluide caloporteur les echangeurs thermiques. -.. 5. Generateur d'ondes thermo-acoustiques selon la revendication 4, caracterise en ce que les conduites (11, 12, 13, 14) comprennent des conduites (11, 12) pour alimenter en un premier fluide caloporteur (C1) les deux echangeurs qui constituent un point chaud pour le flux de chaleur et des conduites (13, 14) pour alimenter en un deuxieme fluide caloporteur (C2) les deux echangeurs qui constituent un point froid pour le flux de chaleur, les conduites (11, 12) pour l'alimentation du premier fluide caloporteur (C1) etant maintenues en position fixe par rapport aux deux echangeurs qui constituent le point chaud alors que les conduites (13, 14) pour l'alimentation du deuxieme fluide caloporteur (C2) vent libres de se deplacer sous B 14106/PR l'effet des dilatations thermiques qui apparaissent entre point chaud et point froid. 6. Generateur d'ondes thermo-acoustiques selon la revendication 5, caracterise en ce que les conduites (13, 14) pour l'alimentation du deuxieme fluide caloporteur (C2) se croisent au niveau d'une bride de maintien afin de transformer des deplacements longitudinaux en deplacements de torsion. 7. Generateur d'ondes thermo-acoustiques selon l'une quelconque des revendications precedentes, caracterise ence que les oreilles (6) et les cales (4) d'un empilement formant echangeur vent brasees ou collees. 8. Generateur d'ondes thermo-acoustiques selon l'une quelconque des revendications precedentes, caracterise en ce qu'il comprend une capacite sous pression (21) dans laquelle le liquide thermodynamique est maintenu sous pression. 9. Generateur d'ondes thermo-acoustiques selon l'une quelconque des revendications precedentes, caracterise en ce que le fluide thermodynamique est du sodium liquide ou une solution saline. 10. Generateur d'ondes thermo-acoustiques selon l'une quelconque des revendications precedentes, caracterise en ce que les premier et deuxieme fluides B 14106/PR caloporteurs vent du sodium liquide ou un eutectique NaK (Sodium/Potassium). 11. Convertisseur magneto hydrodynamique thermo-acoustique, caracterise en ce qu'il comprend un generateur d'ondes thermo-acoustique selon l'une quelconque des revendications 1 a 10 pour former des ondes acoustiques (P) a partir d'energie thermique et un dispositif magneto hydrodynamique (18) pour delivrer de ltenergie electrique a partir des ondes acoustiques : (P) À ' '' "' :-:. 12. Reacteur spatial,:-caracterise en ce qu'il comprend un convertisseur magneto hydrodynamique thermo-acoustique selon la revendication 11. 13. Generateur electrique pour vehicule automobile, caracterise en ce qu'il comprend un convertisseur magneto hydrodynamique thermo-acoustique comprenant un generateur diondes thermo-acoustique selon l'une quelconque des revendications 1 a 9 pour former des ondes acoustiques a partir d'energie thermique et un dispositif magneto hydrodynamique pour delivrer de l'energie electrique a partir des ondes acoustiques, en ce que le premier fluide caloporteur (C1) est un melange d' air et dthydrogene et en ce que le deuxieme fluide caloporteur (C2) est constitue d' air ambient.