Brevet FR2853470A1 — publié le 20041008

GENERATEUR D'ONDES THERMO-ACOUSTIQUES A SOURCE CHAUDE RADIO-ISOTOPIQUE Domaine technique et art antérieur L'invention concerne un générateur d'ondes thermo-acoustiques ainsi qu'un convertisseur d'énergie 10 acoustique en énergie électrique. L'invention trouve une application dans tout domaine o une conversion d'énergie thermique en énergie acoustique et/ou en énergie électrique peut être envisagée comme, par exemple, le domaine spatial 15 ou le domaine de l'automobile. Selon une application particulièrement avantageuse, un convertisseur d'énergie selon l'invention produit une puissance électrique élevée, par exemple de l'ordre de 200kW à partir d'une 20 puissance thermique comprise entre 800 et 1000kW. Le générateur d'ondes acoustiques selon l'invention est du type à empilement de plaques. Un schéma de principe de générateur d'ondes acoustiques à empilement de plaques selon l'art antérieur est 25 représenté en figure 1. Le générateur comprend un empilement de plaques 1 maintenues à distance les unes des autres et placées dans une gaine 2. De l'air 3 emplit l'espace intérieur de la gaine 2 et, partant, l'espace entre les plaques. 30 Un flux de chaleur est établi entre les extrémités A et B de l'empilement de plaques. A cette fin, l'extrémité A est portée à une température haute Tl et l'extrémité B 14246/PR B à une température basse T2. Le gradient de température existant entre les extrémités A et B conduit alors à l'apparition de micro-cycles thermodynamiques dans l'air qui emplit les plaques. Une 5 partie du flux de chaleur se transforme en ondes acoustiques. Des plans d'ondes acoustiques P apparaissent dans l'air situé du côté de l'extrémité qui est portée à la température basse. Un problème qui se pose lors de la conception 10 d'un générateur d'ondes thermo-acoustiques est celui de la circulation du flux de chaleur dans les plaques. Il est en effet nécessaire de concevoir, d'une part, des moyens aptes à faire pénétrer le flux de chaleur dans les plaques et, d'autre part, des moyens aptes à 15 évacuer ce flux de chaleur. Ce problème se pose de façon particulièrement sensible dans le cas o il est envisagé de produire des ondes acoustiques de fortes puissances. Exposé de l'invention Le générateur d'ondes acoustiques selon l'invention résout de façon simple et efficace le problème mentionné ci-dessus et trouve une application particulièrement avantageuse pour la génération d'ondes 25 acoustiques de puissance élevée. En effet, l'invention concerne un générateur d'ondes thermo-acoustiques comprenant: - un empilement de plaques montées parallèlement les unes aux autres dans une gaine emplie d'un fluide 30 thermodynamique, deux plaques successives de l'empilement étant éloignées l'une de l'autre de B 14246/PR sorte que le fluide thermodynamique emplit l'espace entre les plaques, et - des moyens aptes à établir un flux de chaleur entre une première extrémité de l'ensemble de plaques et 5 une deuxième extrémité de l'ensemble de plaques située à l'opposé de la première extrémité. Les moyens aptes à établir un flux de chaleur comprennent, d'une part, deux échangeurs thermiques montés en parallèle et situés de part d'autre de la 10 première extrémité et, d'autre part, deux échangeurs thermiques montés en parallèle et situés de part et d'autre de la deuxième extrémité, chaque échangeur thermique étant constitué d'un empilement alterné d'oreilles et de cales, une oreille étant formée par 15 une extension de plaque dans laquelle est pratiquée au moins une ouverture, chaque cale comprenant au moins une ouverture de dimension sensiblement égale à l'ouverture pratiquée dans une oreille, les ouvertures des cales et les ouvertures des oreilles se superposant 20 pour former un ensemble de cavités, des capsules contenant un radio-isotope étant placées à l'intérieur des cavités formées dans les échangeurs thermiques situés de part et d'autre de la première extrémité. Selon une caractéristique supplémentaire de 25 l'invention, des caloducs reliés à au moins un radiateur sont placés à l'intérieur des cavités formées dans les échangeurs thermiques situés de part et d'autre de la deuxième extrémité. Selon encore une caractéristique supplémentaire 30 de l'invention, les cavités formées dans les échangeurs thermiques situés de part et d'autre de la deuxième B 14246/PR extrémité sont reliées à des conduits aptes à faire circuler un fluide caloporteur dans les cavités. Selon encore une caractéristique supplémentaire de l'invention, le fluide caloporteur est du sodium 5 liquide, ou un eutectique NaK (Sodium/Potassium), ou un gaz, ou du césium liquide ou du mercure. Selon encore une caractéristique supplémentaire de l'invention, chaque oreille comprend une pluralité d'ouvertures uniformément réparties à la surface de 10 l'oreille. Selon encore une caractéristique supplémentaire de l'invention, l'ouverture globale présentée par la ou les ouvertures d'une oreille est sensiblement égale à 60% de la surface totale d'une oreille. Selon encore une caractéristique supplémentaire de l'invention, les oreilles et les cales d'un empilement formant échangeur sont brasées ou collées. Selon encore une caractéristique supplémentaire de l'invention, le fluide thermodynamique est du sodium 20 liquide ou une solution saline. Selon encore une caractéristique supplémentaire de l'invention, le radioisotope est de l'hydrure de tritium en poudre ou du Pu 235. Selon encore une caractéristique supplémentaire 25 de l'invention, le générateur d'ondes thermoacoustiques comprend une capacité sous pression dans laquelle le liquide thermodynamique est maintenu sous pression. L'invention concerne également un convertisseur 30 d'énergie comprenant un générateur d'ondes thermoacoustiques et des moyens de conversion d'énergie B 14246/PR acoustique en énergie électrique, caractérisé en ce que le générateur d'ondes thermo-acoustiques est un générateur selon l'invention et les moyens de conversion d'énergie acoustique en énergie électrique comprennent au moins un capteur piézo-électrique. L'invention concerne également un réacteur spatial comprenant un convertisseur d'énergie selon l'invention. L'invention concerne encore un générateur 10 électrique pour véhicule automobile comprenant un convertisseur d'énergie selon l'invention. Brève description des figures D'autres caractéristiques et avantages de 15 l'invention apparaîtront à la lecture d'un mode de réalisation préférentiel de l'invention fait en référence aux figures jointes, parmi lesquelles: - la figure 1 représente un schéma de principe de générateur d'ondes acoustiques à empilement de 20 plaques selon l'art antérieur; - la figure 2 représente un empilement de plaques pour générateur d'ondes acoustiques selon le mode de réalisation préférentiel de l'invention; - la figure 3 représente une vue partielle éclatée de 25 l'empilement représenté en figure 2; - la figure 4 représente une structure pour convertisseur d'énergie selon le mode de réalisation préférentiel de l'invention; - la figure 5 représente une variante de la structure 30 représentée en figure 4; B 14246/PR - la figure 6 représente une vue en coupe d'un élément de la variante représentée en figure 5; - la figure 7 représente une vue en coupe d'un convertisseur d'énergie selon le mode de réalisation préférentiel de l'invention. Sur toutes les figures, les mêmes repères désignent les mêmes éléments. Description détaillée de modes de mise en oeuvre de 10 l'invention La figure 2 représente un empilement E de plaques pour générateur d'ondes acoustiques selon le mode de réalisation préférentiel de l'invention et la figure 3 représente une vue partielle éclatée de 15 l'empilement représenté en figure 2. Chaque plaque 4 comprend un corps central rectangulaire 5 et quatre extensions ou oreilles 6 munies d'ouvertures 7. Les oreilles 6 sont placées aux extrémités de la plaque, de part et d'autre du corps 20 central 5. Des cales 8 séparent deux plaques successives de l'empilement. Les cales 8 sont intercalées entre les plaques au niveau des oreilles 6. Comme cela apparaît sur la figure 3, chaque cale 8 est munie d'ouvertures 10 dont les dimensions sont 25 sensiblement identiques aux dimensions des ouvertures des oreilles. Les ouvertures 7 des oreilles et les ouvertures 10 des cales se superposent de façon à créer un ensemble de cavités 9 (cf. figure 2). L'empilement de plaques peut comprendre 30 plusieurs centaines de plaques, par exemple 400, d'épaisseur e sensiblement comprise entre 0,2 et 0,3mm. B 14246/PR Les cales 8 ont, préférentiellement, sensiblement la même épaisseur 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 1 de 5 200mm. Les oreilles 6 ont, préférentiellement, une forme carrée de 150mm de côté. Les ouvertures 7 formées dans chaque oreille 6 sont préférentiellement uniformément répartis sur la surface de l'oreille et représentent, par exemple, de l'ordre de 60% de la 10 surface totale de l'oreille. De façon plus générale, le dimensionnement des plaques et la surface des ouvertures sont des fonctions de la puissance générée. Les plaques 4 et les cales 8 sont réalisées dans un matériau thermiquement conducteur tel que, par 15 exemple, l'Inconel ou l'Incoloy (alliage fer nickel ou nickel chrome). Les cales 8 sont brasées ou collées aux plaques 4. Préférentiellement, l'ensemble des plaques et des cales est brasé en une fois, selon la technique de réalisation connue des échangeurs de plaques. Le 20 flux de chaleur qui parcourt une plaque de l'empilement est représenté par des flèches F sur la figure 3. Le dispositif selon l'invention assure avantageusement une très bonne conduction thermique. Selon le mode de réalisation préférentiel de 25 l'invention, une plaque est en forme de I et les oreilles et les cales sont de section carrée ou rectangulaire. D'autres formes d'oreilles et de cales sont également possibles telles que, par exemple, des oreilles et cales en demi-cercle ou en demi-hexagone, 30 etc. Par ailleurs, sur l'exemple des figures 2 et 3, chaque cale et chaque oreille comprend six ouvertures. B 14246/PR L'invention concerne cependant de nombreux autres types de configurations. Ainsi chaque cale et chaque oreille peuvent-elles ne posséder, par exemple, qu'une seule ouverture. La figure 4 représente une structure pour convertisseur d'énergie selon le mode de réalisation préférentiel de l'invention. Le convertisseur comprend un empilement E de plaques et de cales tel que décrit ci-dessus, des 10 éléments 11 qui constituent une source chaude, des éléments 12, 13 qui constituent une source froide et des capteurs piézo- électriques 14, 15. Les éléments 11 qui constituent la source chaude sont des capsules contenant un radio-isotope 15 producteur d'énergie thermique tel que, par exemple, l'hydrure de tritium en poudre ou encore le Pu 235. L'hydrure de tritium en poudre présente l'avantage d'être léger et d'assurer une excellente sécurité d'utilisation. Les capsules 11 sont placées à 20 l'intérieur des cavités 9 qui sont situées à une première extrémité de l'empilement. Un contact thermique intime est assuré entre chaque capsule et l'intérieur de la cavité qui reçoit la capsule. Les éléments 12 qui participent à la source 25 froide sont constitués de caloducs 12 reliés à un radiateur 13. Les caloducs 12 sont placés à l'intérieur des cavités 9 qui sont situées à l'extrémité opposée de la première extrémité de l'empilement. Un contact thermique intime est assuré entre chaque caloduc et 30 l'intérieur de la cavité qui reçoit le caloduc. B 14246/PR Comme cela a déjà été mentionné précédemment, un fluide thermodynamique (non représenté sur la figure 4) est présent dans l'espace qui sépare les plaques. En fonctionnement, des micro-cycles thermodynamiques 5 apparaissent dans le fluide thermodynamique et le générateur d'ondes acoustiques vibre à haute fréquence. Des ondes planes sont alors générées de part et d'autre de l'empilement E. Les capteurs piézo-électriques 14 et 15, positionnés parallèlement au plan des ondes 10 acoustiques, convertissent l'énergie mécanique des ondes acoustiques en énergie électrique. La figure 5 représente une variante de la structure représentée en figure 4. Selon la variante représentée en figure 5, les deux échangeurs thermiques 15 situés du côté de la source froide sont parcourus par un fluide caloporteur C. Les cavités 9 de l'empilement E situées du côté de la source froide constituent alors des conduits permettant la circulation du fluide caloporteur. Des conduites 16, 17 assurent l'acheminement du fluide caloporteur au niveau des échangeurs. Le fluide caloporteur C peut être, par exemple, du sodium liquide, un eutectique NaK (sodium/potassium), un gaz, du césium liquide ou du mercure. La figure 6 représente la jonction entre une conduite 16, 17 et l'empilement de plaques. La jonction présente un évasement 18 pour assurer un écoulement optimal du fluide caloporteur C. La figure 7 représente une vue en coupe d'un 30 convertisseur d'énergie selon le mode de réalisation préférentiel de l'invention. Le convertisseur d'énergie B 14246/PR comprend un empilement E de plaques et deux capteurs piézo- électriques 14, 15 montés dans une gaine 20 remplie de fluide thermodynamique 19. Le radiateur 13 de la source froide est placé à l'extérieur de la gaine 20 et au contact de celle-ci. Un avantage du convertisseur d'énergie selon le mode de réalisation préférentiel de l'invention est la présence de la source chaude (les capsules 11) et de la source froide (les caloducs 12 et le radiateur 13) dans 10 la structure même du convertisseur. Aucune connexion mécanique encombrante n'existe alors entre les échangeurs thermiques et les sources chaude et froide. En conséquence, l'intégration du convertisseur d'énergie dans une structure d'accueil telle que, par 15 exemple, un satellite ou un véhicule automobile s'en trouve très avantageusement facilitée. Les seules connexions vers l'extérieur sont les fils de câblage 21, 22 qui permettent d'extraire la puissance électrique du convertisseur. Par ailleurs, le liquide 20 thermodynamique est maintenu sous pression. A cette fin, le générateur d'ondes thermo-acoustiques selon l'invention comprend une capsule sous pression dans laquelle le liquide thermodynamique est maintenu. Cette capsule sous pression n'est pas représentée sur les 25 figures afin de ne pas surcharger inutilement les dessins. Les ondes acoustiques générées sont émises sous forme de plans d'ondes en direction des capteurs piézoélectriques 14, 15. Le convertisseur d'énergie peut 30 alors délivrer, par exemple, une puissance électrique de 200kW à partir d'une puissance thermique comprise, B 14246/PR il par exemple, entre 800 et 10OOkW. Avantageusement, le convertisseur d'énergie selon l'invention transforme une grande quantité d'énergie thermique en énergie électrique par l'intermédiaire de vibrations mécaniques 5 de faible amplitude, c'est-à-dire sans pratiquement mouvoir de pièces mécaniques. B 14246/PR REVENDICATIONS 1. Générateur d'ondes thermo-acoustiques comprenant: - un empilement de plaques (4) montées parallèlement les unes aux autres dans une gaine (20) emplie d'un fluide thermodynamique (19), deux plaques successives de l'empilement étant éloignées l'une de l'autre de sorte que le fluide thermodynamique 10 emplit l'espace entre les plaques, - et des moyens (6, 8, 7, 10) aptes à établir un flux de chaleur entre une première extrémité de l'ensemble de plaques et une deuxième extrémité de l'ensemble de plaques située à l'opposé de la 15 première extrémité, caractérisé en ce que les moyens (6, 8, 7, 10) aptes à établir un flux de chaleur comprennent, d'une part, deux échangeurs thermiques montés en parallèle et situés de part d'autre de la première extrémité et, 20 d'autre part, deux échangeurs thermiques montés en parallèle et situés de part et d'autre de la deuxième extrémité, chaque échangeur thermique étant constitué d'un empilement alterné d'oreilles (6) et de cales (8), une oreille (6) étant formée par une extension de 25 plaque dans laquelle est pratiquée au moins une ouverture (7), chaque cale comprenant au moins une ouverture (10) de dimension sensiblement égale à l'ouverture pratiquée dans l'extension de plaque, les ouvertures (10) des cales (8) et les ouvertures (7) des 30 oreilles (6) se superposant pour former un ensemble de cavités (9), des capsules (11) contenant un radioisotope étant placées à l'intérieur des cavités (9) B 14246/PR formées dans les échangeurs thermiques situés de part et d'autre de la première extrémité. 2. Générateur d'ondes thermo-acoustiques selon 5 la revendication 1, caractérisé en ce que des caloducs (12) reliés à au moins un radiateur (13) sont placés à l'intérieur des cavités (9) formées dans les échangeurs thermiques situés de part et d'autre de la deuxième extrémité. 3. Générateur d'ondes thermo-acoustiques selon la revendication 1, caractérisé en ce que les cavités (9) formées dans les échangeurs thermiques situés de part et d'autre de la deuxième extrémité sont reliées à 15 des conduits (16, 17) aptes à faire circuler un fluide caloporteur (C) dans les cavités (9). 4. Générateur d'ondes thermo-acoutiques selon la revendication 3, caractérisé en ce que le fluide 20 caloporteur (C) est du sodium liquide, ou un eutectique NaK (sodium/potassium), ou un gaz, ou du césium liquide, ou du mercure. 5. Générateur d'ondes thermo-acoustiques selon 25 l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'une oreille (6) comprend une pluralité d'ouvertures (7) uniformément réparties à la surface de l'oreille. 6. Générateur d'ondes thermo-acoustiques selon l'une quelconque des revendication précédentes, B 14246/PR caractérisé en ce que l'ouverture globale présentée par le ou les ouvertures d'une oreille est sensiblement égale à 60% de la surface totale d'une oreille. 7. Générateur d'ondes thermo-acoustiques selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les oreilles (6) et les cales (4) d'un empilement formant échangeur sont brasées ou collées. 8. Générateur d'ondes thermo-acoustiques selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le fluide thermodynamique est du sodium liquide ou une solution saline. 15 9. Générateur d'ondes thermo-acoustiques selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le radio-isotope est de l'hydrure de tritium en poudre ou du Pu 235. 20 10. Générateur d'ondes thermo-acoustiques selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une capacité sous pression dans laquelle le liquide thermodynamique est 25 maintenu sous pression. 11. Convertisseur d'énergie comprenant un générateur d'ondes thermoacoustiques et des moyens de conversion d'énergie acoustique en énergie électrique, 30 caractérisé en ce que le générateur d'ondes thermoacoustiques est un générateur selon l'une quelconque B 14246/PR des revendications 1 à 10 et les moyens de conversion d'énergie acoustique en énergie électrique comprennent au moins un capteur piézo-électrique (14, 15). 12. Réacteur spatial, caractérisé en ce qu'il comprend un convertisseur d'énergie selon la revendication 11. 13. Générateur électrique pour véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il comprend un convertisseur d'énergie selon la revendication 10. B 14246/PR