Brevet FR2879234A1 — publié le 20060616

La présente invention concerne une machine thermodynamique mettant en oeuvre un fluide frigorigène et fonctionnant selon le principe de Carnot. L'objet de l'invention vise une machine thermodynamique fonctionnant en moteur ou en pompe permettant de transformer une énergie calorifique en une énergie mécanique. Dans l'état de la technique, il est connu divers types de machines thermodynamiques mettant en oeuvre une source chaude et une source froide. D'une manière générale, une machine thermodynamique présente comme inconvénient d'utiliser la dilatation d'un gaz dans une enceinte chauffée et refroidie alternativement, ce qui allonge le cycle de fonctionnement et par suite, réduit considérablement le rendement de la machine thermodynamique. L'objet de l'invention vise à proposer une machine thermodynamique conçue pour fonctionner de manière autonome à partir d'une source chaude élevant la température d'un fluide frigorigène. Un autre objet de l'invention vise à proposer une machine thermodynamique présentant un rendement supérieur aux machines thermodynamiques connues. Pour atteindre un tel objectif, la machine thermodynamique selon l'invention comporte: - un circuit fermé de circulation pour un fluide frigorigène, - un échangeur de chaleur avec une partie du circuit de circulation du fluide frigorigène, présentant à l'entrée de l'échangeur, une entrée froide, et à la sortie de l'échangeur, une sortie chaude, - au moins une première enceinte à volume variable dont l'entrée est reliée à la sortie chaude du circuit et dont la sortie est reliée à l'entrée d'un refroidisseur, l'enceinte agissant sur un organe mobile communiquant son mouvement à un système de sortie, - un refroidisseur interposé entre la sortie de l'enceinte et l'entrée froide du circuit, - et au moins une chambre à volume variable commandée par le système de sortie en étant interposé entre la sortie chaude du circuit et l'entrée du refroidisseur, une telle chambre assurant, pour un cycle de fonctionnement de l'enceinte, l'abaissement de la pression à la sortie chaude du circuit et la réinjection du fluide dans le refroidisseur. Selon une variante préférée de réalisation, la machine thermodynamique comporte une deuxième enceinte à volume variable dont l'entrée est reliée à la sortie chaude du circuit et dont la sortie est reliée à l'entrée du refroidisseur, cette deuxième enceinte agissant sur un organe mobile monté, en opposition par rapport à l'organe mobile de la première enceinte, pour communiquer son mouvement au système de sortie. Avantageusement, la machine thermodynamique comporte des obturateurs commandés associés aux entrées-sorties des enceintes et de la chambre. Par exemple, les obturateurs sont commandés par des moyens pilotés par le mouvement du système de sortie. Selon un exemple de réalisation, le système de sortie comporte un arbre de sortie équipé d'un vilebrequin sur lequel sont reliés les organes mobiles des enceintes, l'arbre de sortie étant pourvu de cames permettant de commander les obturateurs. De préférence, l'arbre de sortie agit sur la chambre à volume variable par l'intermédiaire d'un système multiplicateur de vitesses. Avantageusement, l'entrée froide et la sortie chaude du circuit de circulation sont équipées d'obturateurs commandés dont le fonctionnement est synchronisé avec le fonctionnement des obturateurs commandés associés aux enceintes et à la chambre. Diverses autres caractéristiques ressortent de la description faite ci-dessous en référence aux dessins annexés qui montrent, à titre d'exemples non limitatifs, des formes de réalisation de l'objet de l'invention. La Figure 1 est une vue de principe d'un premier exemple de réalisation d'une machine thermodynamique conforme à l'invention. La Figure 2 est une vue schématique d'un système de sortie d'une machine thermodynamique illustrée à la Fig. 1. Les Fig. 1 et 2 illustrent un premier exemple de réalisation d'une machine thermodynamique 1 conforme à l'invention comportant un circuit fermé 2 de circulation pour un fluide frigorigène tel que par exemple le gaz réfrigérant R 407. La machine thermodynamique 1 comporte une source chaude telle qu'un échangeur de chaleur 3 avec une partie 21 du circuit de circulation du fluide frigorigène 2. L'échangeur de chaleur 3 permet d'élever la température du fluide frigorigène à une température par exemple comprise entre 60 et 100 C adaptée pour augmenter la pression du fluide frigorigène pouvant atteindre 40 à 50 bars lorsqu'il est confiné dans une enceinte fermée. Par exemple, l'échangeur de chaleur 3 est du type solaire, à eau de refroidissement industriel, conduit de fumées, etc. Le circuit de circulation 2 comporte en entrée de l'échangeur 3, une entrée froide 2f et en sortie de l'échangeur, une sortie chaude 2c. L'entrée froide 2f et la sortie chaude 2c sont équipées respectivement d'obturateurs commandés 4f, 4c. La machine thermodynamique 1 comporte également au moins une première et dans l'exemple une première 51 et une deuxième 52 enceintes à volume variable. Chaque enceinte à volume variable 51, 52 présente un volume fermé par au moins une paroi déformable permettant de faire varier la pression et le volume à l'intérieur de l'enceinte fermée. Une telle enceinte à volume variable 51, 52 ou capsulisme peut être réalisée de toute manière appropriée telle par membrane, turbine ou piston. Dans l'exemple illustré sur les dessins, chaque enceinte 51, 52 est constituée par un cylindre 61, 62 fermé par un piston respectivement 71 et 72. Chaque enceinte 51, 52 est destinée à être alimentée en fluide frigorigène par une entrée respectivement 81, 82 reliée à la sortie chaude 2c par l'intermédiaire d'une partie respectivement 22 et 23 du circuit 2. Chaque piston 71, 72 communique son mouvement à un système de sortie 10 de tout type dont l'énergie de mouvement peut être utilisée directement ou transformée pour diverses applications. Dans l'exemple illustré, le système de sortie 10 comporte un axe de sortie tournant 11 équipé d'un vilebrequin 12 sur lequel sont fixées les tiges des pistons 71, 72. Avantageusement, les tiges des pistons 71, 72 sont montées selon un même axe de manière à fonctionner en opposition, c'est-à-dire que lorsqu'une enceinte possède un volume minimal, l'autre enceinte possède un volume maximal. Chaque enceinte 51, 52 possède une sortie 121, 122 pour le fluide frigorigène, reliée par une partie 24, 25 à l'entrée 14 d'un refroidisseur 15. Le circuit de circulation 2 comporte ainsi une partie 27 s'étendant en relation du refroidisseur 15. Cette partie 27 du circuit comporte ainsi de part et d'autre du refroidisseur 15, l'entrée 14 et une sortie 16 reliée à l'entrée froide 2f de l'échangeur de chaleur 3 par l'intermédiaire d'une partie 28 du circuit 2. Il est à noter que les entrées et les sorties des enceintes 51 et 52 sont équipées d'obturateurs commandés respectivement El, E2, SI, S2 de tout type connu en soi tels que des soupapes ou des distributeurs. Ces obturateurs commandés El, E2, SI, S2 sont avantageusement pilotés par des moyens 17 commandés par le mouvement du système de sortie 10. A cet effet, l'arbre de sortie 11 est pourvu de cames permettant d'agir directement ou indirectement sur les obturateurs selon un cycle de fonctionnement qui sera décrit plus précisément dans la suite de la description. Il est à noter que ces moyens 17 commandés par le système de sortie 10 peuvent aussi pilotés les obturateurs commandés 4f, 4c. Toutefois, ces obturateurs commandés 4f, 4c peuvent aussi être pilotés par la pression de fluide frigorigène. Dans ce cas, les obturateurs 4f, 4c sont des clapets anti-retour. Le refroidisseur 15 qui constitue la source froide de la machine thermodynamique 1 est de tout type connu en soi pour abaisser la température du fluide frigorigène et par suite faire baisser sa pression. Il est à noter que la détente du fluide frigorigène entraîne obligatoirement une absorption de calories produisant du froid qui avantageusement peut être récupéré par le refroidisseur. La machine thermodynamique 1 comporte également au moins une chambre à volume variable 21 commandée par le système de sortie 10, en étant interposée entre la sortie chaude 2c du circuit et l'entrée 14 du refroidisseur 15. Dans l'exemple illustré, la chambre à volume variable 21 est constituée par un piston 211 et un cylindre 212 qui est pourvu d'une part d'une entrée 22 reliée par une partie 29 du circuit 2 à la sortie chaude 2c et, d'autre part d'une sortie 23 reliée à l'entrée 14 du refroidisseur 15 par une partie 219 de circuit 2. L'entrée 22 et la sortie 23 de la chambre 21 sont équipées d'obturateurs respectivement E3, S3 commandés également par le système de sortie 10, tel que par des cames 17. Le piston 211 est piloté par le système de sortie 10, de manière à assurer pour un cycle de fonctionnement d'une enceinte 51, 52, l'abaissement de la pression à la sortie chaude du circuit et la réinjection du fluide frigorigène dans le refroidisseur 15. Le piston 211 est relié à l'arbre de sortie 11 à l'aide d'un système multiplicateur de vitesses 30. Par exemple, le piston de la chambre 21 effectue un aller- retour pendant qu'un piston d'une chambre 51, 52 effectue une course selon un sens déterminé. Le fonctionnement de la machine thermodynamique découle directement de la description qui précède. Lors d'une phase de chauffage du fluide frigorigène, le fluide frigorigène placé dans la partie 21 du circuit voit sa température augmentée, sa pression augmentée et change éventuellement d'état. Il est à noter que les obturateurs El, S2, E3, S3 sont considérés ouverts tandis que les obturateurs E1 et S1 sont fermés. Lorsque le fluide frigorigène atteint une valeur déterminée de pression, par exemple comprise entre 30 et 50 bars, le fluide frigorigène entre dans la première enceinte 51 permettant d'assurer la poussée du piston 71 et le mouvement de l'arbre de sortie 11 du système de sortie. Simultanément, le piston 72 chasse le fluide contenu dans l'enceinte 52 en direction du refroidisseur 15. En fin de la course aller du piston 71 et donc de retour du piston 72, les obturateurs E1, S2 sont fermés tandis que les obturateurs E2, S1 sont ouverts permettant la poursuite du cycle tel que décrit ci-dessus avec inversion des fonctions ou des rôles entre les enceintes 51, 52. Il est à noter que la chambre à volume variable 21 a effectué, pendant la course aller du piston 71, un aller et retour ayant permis de renvoyer une partie du fluide dans le refroidisseur 15. La chambre à volume variable 21 permet ainsi d'assurer la diminution de la pression du fluide frigorigène dans la partie chaude du circuit permettant d'injecter un fluide à une température abaissée dans le refroidisseur 15 et par suite dans l'échangeur de chaleur 3. [1 s'ensuit que le fluide frigorigène ayant rempli l'échangeur de chaleur 3 voit sa température et sa pression augmentées. Un nouveau cycle thermodynamique tel que décrit ci-dessus recommence. L'invention n'est pas limitée aux exemples décrits et représentés car diverses modifications peuvent y être apportées sans sortir de son cadre. REVENDICATIONS 1 - Machine thermodynamique caractérisée en ce qu'elle comporte: - un circuit fermé (2) de circulation pour un fluide frigorigène, - un échangeur de chaleur (3) avec une partie (21) du circuit de circulation du fluide frigorigène, présentant à l'entrée de l'échangeur, une entrée froide (2f), et à la sortie de l'échangeur, une sortie chaude (2c), - au moins une première enceinte à volume variable (51) dont l'entrée est reliée à la sortie chaude du circuit et dont la sortie est reliée à l'entrée d'un refroidisseur (15), l'enceinte agissant sur un organe mobile communiquant son mouvement à un système de sortie (10), - un refroidisseur (15) interposé entre la sortie de l'enceinte et l'entrée froide (2f) du circuit, - et au moins une chambre à volume variable (21) commandée par le système de sortie (10) en étant interposé entre la sortie chaude (2c) du circuit et l'entrée (14) du refroidisseur, une telle chambre assurant, pour un cycle de fonctionnement de l'enceinte, l'abaissement de la pression à la sortie chaude (2c) du circuit et la réinjection du fluide dans le refroidisseur. 2 - Machine thermodynamique selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte une deuxième enceinte à volume variable (52) dont l'entrée est reliée à la sortie chaude (2c) du circuit et dont la sortie est reliée à l'entrée du refroidisseur (15), cette deuxième enceinte (52) agissant sur un organe mobile monté, en opposition par rapport à l'organe mobile de la première enceinte, pour communiquer son mouvement au système de sortie (10). 3 - Machine thermodynamique selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce qu'elle comporte des obturateurs commandés (E1, S1; E2, S2; E3, S3) associés aux entrées-sorties des enceintes (Si, 52) et de la chambre (21). 4 - Machine thermodynamique selon la revendication 3, caractérisée en ce que les obturateurs (E1, SI; E2, S2; E3, S3) sont commandés par des moyens (17) pilotés par le mouvement du système de sortie (10). 5 - Machine thermodynamique selon la revendication 4, caractérisée en ce que le système de sortie (10) comporte un arbre de sortie (11) équipé d'un vilebrequin (12) sur lequel sont reliés les organes mobiles des enceintes, l'arbre de sortie (11) étant pourvu de cames (17) permettant de commander les obturateurs. 6 - Machine thermodynamique selon la revendication 5, caractérisée en ce que l'arbre de sortie (11) agit sur la chambre à volume variable (21) par l'intermédiaire d'un système multiplicateur de vitesses (30). 7 - Machine thermodynamique selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'entrée froide (2f) et la sortie chaude (2c) du circuit de circulation sont équipées d'obturateurs commandés (4c, 4f) dont le fonctionnement est synchronisé avec le fonctionnement des obturateurs commandés associés aux enceintes (51, 52) et à la chambre (21) .