Brevet FR2846374A1 — publié le 20040430

MOTEUR STiRLING A PISTONS OSCILLANTS La présente invention concerne des machines thermiques à cycle de Stirling. Ces machines peuvent être utilisées notamment comme moteurs pour fournir du travail mécanique, en tant que machines cryogéniques pour fournir du froid, en tant que pompes à chaleur pour fournir du chaud ou dans d'autres applications analogues. Il est déjà connu dans le domaine des machines thermiques dites à cycle de stirling. Ces moteurs thermiques sont constitués d'une première chambre d'expansion et d'une deuxième chambre de compression dans lesquelles respectivement un piston dit chaud et un piston dit froid effectuent un mouvement de va-et-vient, et sont chacun reliés par 15 l'intermédiaire d'une tige qui leur est solidaire à un système fournissant un mouvement en continu angulaire, notamment un système bielle-manivelle. Chaque piston est monté rotatif par rapport à un axe de rotation correspondant à l'axe de sa tige, le piston et la tige respective étant solidaires 20 en rotation. On pourra, par exemple, se reporter au brevet français N0 253981 1-A. Ces systèmes décrits dans le brevet français mentionné cidessus, s'ils permettent en théorie une grande amélioration en ce qui 25 concerne la diminution du frottement lié au coulissement en translation de la tige dans l'orifice par laquelle elle pénètre dans la chambre, et donc entraînent une augmentation du rendement, s'avèrent inadaptés à une mise en oeuvre pratique. En outre, les pistons, qui y sont de forme torique, comporte des bras de support qui débattent dans des volumes morts, ce qui implique une perte de rendement (travail pour rien) et un travail parasitaire. Qui plus est, la structure est soumise à des contraintes 35 thermiques importantes, les sources de chaleur et puits froids sont disséminés, l'égalisation des températures y est quasi inévitable et la variation de puissance est obtenue de façon non satisfaisante (par variation du volume d'une chambre annexe contenant du fluide de travail). s La présente invention vise à surmonter les inconvénients des dispositifs de l'art antérieur, en mettant à disposition un nouveau système de machine thermique, qui permet d'assurer une étanchéité dynamique totale au niveau de l'orifice de passage de la tige de commande du piston, qui permet également de manière correspondante de diminuer les forces de frottement io présentes au niveau de cet orifice tout en ayant un système de variation de puissance simple, une séparation des blocss chaud et froid, une maintenance aisée et une simplicité liée à un nombre de pièces faibles. En outre, suivant l'invention, toutes les pièces sont faciles à usiner. Suivant l'invention, une machine thermique comportant une chambre d'expansion, une chambre de compression, un premier piston ayant un mouvement de va-et-vient dans la chambre d'expansion, un deuxième piston ayant un mouvement de va-et-vient dans la chambre de compression, chaque piston étant relié par l'intermédiaire respectivement de première et 20 deuxième tiges de commande à un système de bielle-manivelle pour obtenir un mouvement en continu angulaire, chaque piston étant monté rotatif par rapport à un axe de rotation correspondant à l'axe de sa tige respective, le piston et la tige respective étant solidaires en rotation, caractérisée en ce que les pistons sont de forme prismatiques et les chambres ont la forme de 25 secteurs de cylindre. Ainsi, en prévoyant des pistons rotatifs prismatiques, on peut réaliser une étanchéité bien meilleure de l'orifice par lequel passe la tige solidaire du mouvement du piston, tige qui va actionner le système de bielle30 manivelle à l'extérieur des chambres, puisque cette dernière n'a plus de mouvement de translation le long de son axe longitudinal, mais uniquement un mouvement rotatif, par rapport à l'orifice de sortie dans la chambre et par conséquent, l'étanchéité est maintenue meilleure pendant une durée de vie plus longue et il y a moins de perte due au frottement et par conséquent un 35 meilleur rendement de la machine thermique. La nouvelle configuration proposée et notamment la forme en prisme des pistons et la forme en secteur de cylindre des chambres, permet de mettre en pratique l'ensemble des avantages décrits précédemment liés à un agencement rotatif, contrairement à l'art antérieur qui n'était pas réalisable en pratique. Suivant un mode réalisation préféré de l'invention, les chambres ont la forme de secteur de cylindre circulaire s'étendant suivant un angle a compris de préférence entre 45 et 900. Dans une configuration de ce genre, particulièrement simple, l'axe de rotation du piston est réalisé au niveau du centre du cercle correspondant au cylindre du secteur de cylindre circulaire. Suivant un mode de réalisation particulièrement simple à 15 réaliser, les pistons sont de forme biseautée de l'axe vers leur autre extrémité de manière à limiter l'inertie de mouvement des pistons. Suivant un autre mode de réalisation, les pistons ont des bords parallèles de manière à augmenter l'étanchéité relative au droit des pistons 20 par une épaisseur plus importante de ceux-ci. Suivant un autre mode de réalisation, les bords de piston s'écartent l'un de l'autre à partir de l'axe de rotation. Suivant un perfectionnement de l'invention, il est réalisé une étanchéité relative au droit des pistons de préférence sous forme de gorges de turbulence. Suivant un mode de réalisation préféré de l'invention, il est prévu 30 un joint de torsion monté autour de l'arbre de rotation du ou des pistons, joint d'étanchéité qui est sous forme d'un manchon et qui assure l'étanchéité au niveau de l'interface entre l'arbre et la chambre dans laquelle se meut le piston. La majeure partie de l'arbre de rotation se trouvant à l'extérieur de la chambre, l'étanchéité s'effectue au niveau de la partie hors de la chambre de 35 l'arbre, ce qui donne un accès facile à ce joint, ce qui permet de le changer facilement contrairement aux systèmes de l'art antérieur dans lesquels les joints d'étanchéité d'une part s'usaient rapidement compte tenu du frottement et d'autre part étaient compliqués d'accès. s Suivant un mode de réalisation préféré, les pistons sont alignés et les parties chaudes et froides sont regroupées dans deux blocs distincts. Suivant un mode de réalisation préféré, les chambres et les échangeurs sont réalisés dans deux blocs séparées par un joint thermique. Suivant un mode réalisation préféré, les deux blocs sont découpées transversalement pour usiner les logements du piston, de l'axe oscillant et du levier, qui est rattaché au système bielle-manivelle, ces trois éléments étant en liaison complète. Suivant un mode de réalisation préféré, l'entraxe entre l'axe des boitiers et l'axe du vilebrequin est réglable. Aux dessins, donnés uniquement à titre d'exemple, il est décrit 20 un mode de réalisation préféré de l'invention. La figure 1 est un schéma explicatif d'un système de l'art antérieur; la figure 2 est un schéma explicatif d'un moteur thermique 25 suivant l'invention; la figure 3 est une vue en coupe d'une partie d'une machine thermique suivant l'invention; la figure 4 est une vue en perspective d'une partie d'une machine thermique suivant l'invention; et la figure 5 est une vue en coupe d'une partie qui réalise l'étanchéité au niveau de l'arbre du piston de la machine des figures 2 à 4. A la figure 2 est représentée de manière schématique, une machine thermique. Cette machine thermique est constituée d'une première chambre 1 d'expansion et d'une chambre 2 de compression. Ces deux chambres ont la forme d'un secteur de cylindre circulaire s'étendant sur un s angle compris par exemple entre 30 et 900. D'après les autres figures, on voit que les deux chambres 1 et 2 sont respectivement formées dans des blocs chaud 29 et froid 27 respectivement, ces deux blocs 29 et 27 étant séparés par un bloc 28 intermédiaire, de préférence réfractaire. Les deux chambres sont reliées, pour les fluides en succession par un premier refroidisseur 3, un io premier régénérateur 4 et un premier réchauffeur 5. D'autre part, les deux chambres sont également reliées pour former deux cycles quasi-fermés en parallèle dans un vase clos, pour les fluides en succession par un deuxième refroidisseur 6, un deuxième régénérateur 7 et un deuxième réchauffeur 8. Dans les deux chambres 1 et 2, sont montés des pistons 9, 10 rotatifs. is Chaque piston est monté rotatif par rapport à un arbre de rotation 11, 12. L'arbre 11, 12 de rotation est disposé au niveau approximativement du centre du cercle correspondant au secteur du cylindre circulaire. Chaque arbre i1, 12 est monté solidaire en rotation avec un bras 13,14 qui est lui-même relié à un système à bielle et manivelle, pour réaliser un mouvement angulaire 20 continu classique. Aux dessins, les bords des pistons convergent depuis l'axe de rotation vers leur autre extrémité. On peut également prévoir des bords parallèles ou des bords divergents. Il est monté sur les arbres 11 et 12, des boîtiers 22 et 24 de cinématique par lesquels les arbres sont reliés à un vilebrequin 33 du système biellemanivelle. A l'intérieur du boîtier 24 25 démontable, il est disposé un joint 44 de torsion autour de chaque arbre 11, 12, pour assurer l'étanchéité au niveau de l'orifice par lequel l'arbre 11 ou 12 traverse la paroi des deux chambres 1 et 2. Le joint de torsion 44 dont la pression sur sa face interne est contrecarrée par l'abaque de contre- pression 34, qui ont un mouvement de rotation précise les unes par rapport aux autres. 30 En serrant l'écrou 94, on enfonce, via l'entretoise 104, le roulement 74 vers l'intérieur. L'abaque 114 coince alors le joint de tension 44 contre l'épaulement de l'arbre. De plus, l'entretoise 54 coince alors le joint de torsion 44 entre l'abaque 124 en appui sur le roulement 64, lui-même en fin de course dans le boîtier rapporté 24. L'étanchéité dynamique totale est donc bien assurée. Un 35 joint torique 134 assure l'étanchéité statique du boîtier rapporté. Le joint statique 144 est logé dans une rainure usinée en vis-à-vis et autour des chambres de compression. L'ensemble est maintenu par quatre boulons traversant de part en part les blocs. Le réglage de l'entraxe entre l'axe des boîtiers rapportés 22 et 24 et l'axe du vilebrequin 33 se fait au moyen de deux 5 vérins qui ne sont pas représentés. Ainsi, il n'y a pas d'échange de matière avec l'extérieur conformément à ce que requiert un cycle clos, seuls des échanges de chaleur ont lieu. De préférence, les pistons et/ou les parois des chambres sont 10 en un matériau réfractaire, ce qui permet d'annuler les pertes par conduction d'un espace de travail chaud vers un espace de travail froid, le matériau en outre se déformant peu sous l'effet de la chaleur. Pour les chambres, seule la robustesse dimensionnelle est 15 impérative, le jeu avec le piston devant être minimal sans jamais s'annuler pour éviter un blocage. Comme on peut le voir à la figure 2, l'ensemble est réalisé suivant une configuration linéaire, piston chaud - Premier système 20 réchauffeur, régénérateur, refroidisseur - Piston froid - deuxième système refroidisseur, régénérateur, réchauffeur. REVENDICATIONS 1. Machine thermique comportant une chambre (1) d'expansion, une chambre (2) de compression, un premier piston (9) ayant un mouvement de 10 va-etvient dans la chambre d'expansion, un deuxième piston (10) ayant un mouvement de va-et-vient dans la chambre de compression, chaque piston étant relié par l'intermédiaire respectivement de première et deuxième tiges (11,12) de commande à un système de bielle-manivelle pour obtenir un mouvement en continu angulaire, chaque piston étant monté rotatif par rapport à un axe de rotation 15 correspondant à l'axe de sa tige respective, le piston et la tige respective étant solidaires en rotation, caractérisée en ce que les pistons (9,10) sont de forme prismatiques et les chambres (1,2) ont la forme de secteurs de cylindre. 2. Machine suivant la revendication 1, caractérisée en ce que les 20 chambres ont la forme de secteurs de cylindre circulaire s'étendant suivant un angle a compris de préférence entre 450 et 900. 3. Machine suivant la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que 25 les pistons (9,10) sont de forme biseautée de l'axe vers leur autre extrémité. 4. Machine suivant la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que les pistons (9,10) ont des bords parallèles. 5. Machine suivant la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que les pistons (9,10) ont des bords qui s'écartent l'un de l'autre à partir de l'axe de rotation. 6. Machine suivant l'une des revendications 1 à 5 caractérisée en 35 ce que les pistons (9,10) ont des gorges de turbulence. 7. Machine suivant l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que il est prévu un joint (44) de torsion monté autour de l'arbre de rotation du ou des pistons, joint d'étanchéité qui est sous forme d'un manchon et qui assure l'étanchéité au niveau de l'interface entre l'arbre et la chambre dans laquelle se meut le piston. 8. Machine suivant l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que les pistons sont alignés et des parties chaudes et froides sont regroupées dans deux blocs distincts. 9. Machine suivant l'une des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que les chambres (1,2) et des échangeurs (3,4,5; 6,7,8) sont réalisés dans deux blocs séparés par un joint thermique. 10. Machine suivant l'une des revendications 8 ou 9, caractérisée 15 en ce que les deux blocs sont découpés transversalement pour usiner les logements du piston, de l'axe oscillant et du levier, qui est rattaché au système bielle-manivelle, ces trois éléments étant en liaison complète. 11. Machine suivant l'une des revendications 1 à 10, caractérisée 20 en ce que l'entraxe entre l'axe de boîtiers (22) et (24) et l'axe d'un vilebrequin (33) est réglable.