Brevet FR2931224A1 — publié le 20091120

-1- L'invention, objet de la présente demande de brevet, concerne un ensemble de vaporisation instantanée d'eau par faisceau laser particulièrement destiné aux moteurs, mais également à la production de chaleur ou aux appareils utilisant la vapeur sous forme de jet. Dans les moteurs à vapeur à cylindres et pistons précédant la présente invention l'eau est portée à ébullition dans une cuve de pression par une source directe ou indirecte d'énergie fossile. La vapeur ainsi créée est canalisée vers le cylindre dans lequel coulisse le piston. Le piston est relié à un vilebrequin par une bielle. La force créée par la pression de la vapeur repousse le piston dont le mouvement est transmis au vilebrequin par la bielle. Le vilebrequin peut alors entraîner toutes sortes de mécanismes. Une autre application consiste à utiliser la vapeur pour actionner une turbine. Dans les appareils utilisant le jet vapeur cette dernière est produite par chauffage de l'eau par résistance électrique ou en chaudière. Il existe une grande quantité d'utilisations de la vapeur. Dans la présente invention, contrairement aux systèmes précédents, la source d'énergie est un laser émettant des impulsions par intermittence. Chaque impulsion du faisceau ne dure qu'une fraction de seconde, de l'ordre de la nanoseconde, picoseconde, voire femtoseconde, ce qui permet d'atteindre des puissances extrêmement élevées. Ce puissant faisceau laser est dirigé vers une petite quantité d'eau qui est alors portée à très haute température et instantanément vaporisée, créant une pression de vapeur qui peut être utilisée pour toutes sortes d'applications. La force de la pression de la vapeur se double d'une onde de choc. Pour accroître le rendement, l'eau injectée est préalablement portée à une température proche de la température d'ébullition, au point où ses liaisons hydrogène deviennent extrêmement instables et sont en limite de rupture. L'utilisation de cette source d'énergie sous forme de vapeur apporte les améliorations non exhaustives suivantes par rapport à toutes les énergies existantes: ^ Nuisances: o Pollution matérielle: grâce à l'emploi de l'eau dans l'ensemble de vaporisation instantanée par 25 faisceau laser, il n'y a aucune émission polluante, en particulier aucune émission de gaz à effet de serre ni aucun résidu. o Pollution sonore: n'ayant pas recours à un mélange détonant, il n'y a pas d'explosion. Les moteurs utilisant l'invention devraient donc être moins bruyants que les moteurs à explosion actuels. ^ Economie: 30 o Les moteurs sont d'utilisation économique car les coûts d'acquisition, de stockage et de consommation d'énergie fossile sont supprimés. o Le recours à l'invention contribuera à une baisse significative du prix de l'énergie, dont le marché se trouvera profondément modifié. ^ Risques: Les risques liés à l'extraction, le traitement, le conditionnement, le transport, le 35 stockage, la manipulation et l'exploitation des matières énergétiques sont purement et simplement supprimés. -2- Les dessins annexés illustrent l'invention: • La figure 1 de la planche 1/4 représente l'ensemble de vaporisation instantanée d'eau par faisceau laser. • La figure 2 de la planche 2/4 représente l'application directe de l'ensemble de vaporisation 5 instantanée d'eau par faisceau laser à un moteur à cylindres. ^ La figure 3 de la planche 3/4 représente l'application indirecte de l'ensemble de vaporisation instantanée d'eau par faiisceau laser à un moteur à cylindres. ^ La figure 4 de la planche 4/4 représente l'application de l'ensemble de vaporisation instantanée d'eau par faisceau laser au moteur à enceinte de vaporisation équipée d'une turbine. 10 ^ La figure 5 de la planche 4/4 représente l'application de l'ensemble de vaporisation instantanée d'eau par faisceau laser au moteur à enceinte de vaporisation équipé d'une tuyère. En référence à ces dessins l'invention concerne: ^ Un ensemble de vaporisation instantanée d'eau par faisceau laser composé des éléments suivants: 15 o Un système d'injection intermittent constitué d'une pompe d'injection (8), d'une tête d'injection (17) comportant elle-même une ou plusieurs buses d'injection (4) d'eau préalablement portée à une température proche de l'ébullition par une résistance chauffante (14) et éventuellement dans le circuit de refroidissement (5) du moteur auquel l'ensemble est appliqué, et un dispositif de projection (18) de faisceau laser (3), la ou les buses d'injection (4) et le dispositif de projection (18) de faisceau laser 20 étant alignés de telle sorte que la masse d'eau injectée par la pompe d'injection (8) au travers de la ou des buses (4) croise l'axe du faisceau laser (3) au moment de l'émission dudit faisceau, en observant que l'eau peut être remplacée par tout autre liquicle approprié. o Un générateur (1) de faisceau laser (3) intermittent relié au dispositif de projection (18) par fibre optique (2), dont chaque impulsion d'une durée de l'ordre de la nanoseconde, de la picoseconde, 25 voire de la femtoseconde, est émise lorsque la masse d'eau injectée par la ou les buses (4) se trouve exactement dans l'axe du faisceau laser (3). En l'état actuel de la technique le laser CO2 semble être tout particulièrement indiqué pour sa précision et la très forte absorption de son rayonnement par l'eau. ^ L'application directe de l'ensemble de vaporisation instantanée d'eau par faisceau laser à un 30 bloc-moteur cylindres (16) et pistons (6) dans lequel la tête de cylindre est équipée d'une soupape d'échappement (7) et dudit ensemble de vaporisation instantanée dans lequel l'injection d'eau dans la chambre de vaporisation (15), après avoir été portée à une température proche de l'ébullition par passage dans le circuit de refroidissement (5) du moteur et par une résistance chauffante (14), est déclenchée au moment où le piston (6) atteint son point mort haut (9), lequel piston (6), cerclé de 35 segments (10) destinés à assurer l'étanchéité de la chambre de vaporisation (15) ou de la chambre d'expansion (15bis) ainsi que le raclage du film de lubrifiant sur la paroi interne inférieure du cylindre (16), transmet la force de la pression de vapeur et le mouvement à une bielle (12) dont il est solidaire -3- au niveau de son axe (11). ^ L'application indirecte de l'ensemble de vaporisation instantanée d'eau par faisceau laser à un bloc-moteur cylindres (16) et pistons (6) dans lequel la tête de cylindre est équipée d'une soupape d'échappement (7) et de l'arrivée d'admission de vapeur provenant de l'ensemble de vaporisation instantanée d'eau par faisceau laser isolé du bloc-moteur dans lequel l'injection d'eau dans la chambre de vaporisation (15), après avoir été portée à une température proche de l'ébullition par passage dans le circuit de refroidissement (5) du moteur et par une résistance chauffante (14), est déclenchée au moment où le piston (6) atteint son point mort haut (9), la vapeur produite étant dirigée vers la chambre d'expansion (15 bis) du cylindre par canalisation (19), cette application permettant de n'avoir qu'un seul ensemble de vaporisation instantanée d'eau par faisceau laser pour des moteurs à cylindres multiples, d'absorber ou de limiter l'onde de choc et de permettre un fonctionnement plus souple et moins brutal du moteur. ^ L'ensemble de vaporisation instantanée d'eau par faisceau laser peut également être appliqué aux moteurs à pistons rotatifs. Cette application n'a cependant pas fait l'objet d'un dessin particulier. ^ L'application de l'ensemble de vaporisation instantanée d'eau par faisceau laser à une enceinte de vaporisation (20) de forme ovoïde dont une extrémité est équipée de la tête d'injection dudit ensemble de vaporisation instantanée d'eau par faisceau laser et dont l'autre extrémité est tronquée et barrée par une turbine (21) à laquelle peuvent être accouplés différents équipements et machines. Le faisceau laser (3) et le liquide à vaporiser sont émis en continu ou par intermittence. ^ L'application de l'ensemble de vaporisation iinstantanée d'eau par faisceau laser à une enceinte de vaporisation (20) de forme ovoïde dont une extrémité est équipée dudit ensemble de vaporisation instantanée d'eau par faisceau laser et dont l'autre extrémité, tronquée, est équipée d'une tuyère (22) destinée à moduler le jet de vapeur vers l'extérieur. Cette application est notamment destinée à remplacer les turboréacteurs. Le faisceau laser (3) et le liquide à vaporiser sont émis en continu ou par intermittence. ^ L'application de l'ensemble de vaporisation instantanée d'eau par faisceau laser à une enceinte de vaporisation de forme quelconque pour une utilisation de la vapeur pour le chauffage ou sous forme de jet. Cette application n'a fait l'objet ni de dessin particulier, ni de description de son fonctionnement, ceux-ci se déduisant aisément des explications concernant les autres applications. Fonctionnement de l'ensemble de vaporisation instantanée d'eau par faisceau laser (3): la source d'énergie est un générateur (1) de faisceau laser (3) intermittent. Chaque impulsion du faisceau ne dure qu'une fraction de seconde, de l'ordre de la nanoseconde, picoseconde, voire femtoseconde, ce qui permet d'atteindre des puissances extrêmement élevées. Ce faisceau laser (3) est dirigé par fibre optique (2) au travers d'un dispositif de projection (18) de faisceau laser (3) vers une petite quantité d'eau injectée qui, sous l'action de ce faisceau laser (3), est alors portée à très haute température et instantanément vaporisée, créant une pression de vapeur qui peut être utilisée pour toutes sortes d'applications. La force de la pression de la vapeur se double d'une onde de choc. -4 Pour accroître le rendement l'eau injectée est préalablement portée par une résistance chauffante (14) à une température voisine de la température d'ébullition, au point où ses liaisons hydrogène deviennent extrêmement instables et sont proches de la rupture. Fonctionnement des applications utilisant l'ensemble de vaporisation instantanée 5 d'eau par faisceau laser: ^ Fonctionnement du bloc-moteur cylindres (16) pistons (6): le moteur fonctionne selon un cycle à deux temps, vaporisation et échappement. Au démarrage du moteur, l'eau est initialement portée à une température proche du point d'ébullition par la résistance chauffante (14). Lorsque le piston (6) est à son point mort haut (9) la pompe d'injection (8) injecte une certaine quantité d'eau à une 10 température proche de l'ébullition dans la chambre de vaporisation (15) au travers d'une ou de plusieurs buses d'injection (4) qui ont pour rôle de concentrer l'eau en un point précis dans l'axe du faisceau laser (3). Ce faisceau (3) est émis au travers du dispositif de projection (18) au moment précis où le flux d'eau ou les flux d'eau provenant de la buse ou des buses (4) sont regroupés en une même masse. Sous l'action du faisceau laser (3) l'eau est alors brutalement portée à très haute 15 température et instantanément vaporisée, créant une pression de vapeur provoquant le recul du piston qui transmet la force et le mouvement à la bielle. Lorsque le piston atteint son point mort bas ne figurant pas au dessin, la soupape d'échappement (7) s'ouvre, permettant l'évacuation de la vapeur lors de la remontée du piston (6) vers son point mort haut (9). La vapeur d'eau est ensuite refroidie et réintégrée dans le circuit. L'ensemble cylindre (16) et piston (6) est alors prêt pour un 20 nouveau cycle. Le reste de ce moteur - vilebrequin, carter, transmission et autres - n'est pas différent de ce qui existe déjà sur les moteurs existants. Par ailleurs, dans l'application indirecte de l'ensemble de vaporisation instantanée d'eau par faisceau laser à un bloc-moteur cylindres (16) et pistons (6), l'ensemble de vaporisation instantanée d'eau par faisceau laser est isolé du bloc-moteur et la vapeur dirigée vers la chambre d'expansion (15bis) du 25 cylindre par canalisation (19), ceci permettant de n'avoir qu'un seul ensemble de vaporisation instantanée d'eau par faisceau laser pour des moteurs à cylindres multiples, d'absorber ou de limiter l'onde de choc et de permettre un fonctionnement plus souple et moins brutal du moteur. Par référence à la loi d'Avogadro, la masse d'eau à mettre en oeuvre à chaque vaporisation est faible. ^ Fonctionnement de l'enceinte de vaporisation (20): dans l'enceinte de vaporisation (20), la masse 30 d'eau à vaporiser instantanément est importante et la vaporisation se déroule en phase continue. Le faisceau laser (3) et le liquide à vaporiser sont émis en continu ou par intermittence. Cette opération nécessite un générateur (1) de faisceau laser de puissance. Lorsque le faisceau laser (3) et le liquide à vaporiser sont émis et injecté par intermittence sur un rythme à très haute fréquence, la puissance de chaque impulsion du faisceau laser (3) est augmentée par cette émission à haute fréquence. La 35 puissance de la masse de vapeur générée au sein de cette enceinte de vaporisation (20) peut être exploitée de multiples façons, et notamment: -5- o Par turbine: l'extrémité de l'enceinte de vaporisation (20) opposée à la tête d'injection (17) est tronquée perpendiculairement à l'axe de l'enceinte de vaporisation (20) et équipée d'une turbine (21) à laquelle peuvent être accouplés différents équipements et machines. o Par tuyère: l'extrémité de l'enceinte de vaporisation (20) opposée à la tête d'injection (17) est tronquée perpendiculairement à l'axe de l'enceinte de vaporisation (20) et équipée d'une tuyère (22) destinée à moduler le jet de vapeur vers l'extérieur. Cette application est notamment destinée à remplacer les turboréacteurs. Le régime et la puissance des moteurs des différentes applications de l'ensemble de vaporisation instantanée d'eau par faisceau laser peuvent être modifiés en faisant varier soit la 10 quantité d'eau injectée, soit la puissance du faisceau, soit les deux. REVENDICATIONS1 - Ensemble de vaporisation instantanée d'eau par faisceau laser intermittent caractérisé en ce qu'il comprend: ^ Un système d'injection intermittent constitué d'une pompe d'injection (8), d'une tête d'injection (17) comportant elle-même une ou plusieurs buses d'injection (4) d'eau préalablement portée à une température proche de l'ébullition par une résistance chauffante (14) et éventuellement dans le circuit de refroidissement (5) du moteur auquel l'ensemble est appliqué, et un dispositif de projection (18) de faisceau laser (3), la ou les buses d'injection (4) et le dispositif de projection (18) de faisceau laser étant alignés de telle sorte que la masse d'eau injectée par la pompe d'injection (8) au travers de la ou des buses (4) croise l'axe du faisceau laser (3) au moment de l'émission dudit faisceau, en observant que l'eau peut être remplacée par tout autre liquide approprié. ^ Un générateur (1) de faisceau laser (3) intermittent relié au dispositif de projection (18) par fibre optique (2), dont chaque impulsion d'une durée de l'ordre de la nanoseconde, de la picoseconde, voire de la femtoseconde, est émise lorsque la masse d'eau injectée par la ou les buses (4) se trouve exactement dans l'axe du faisceau laser (3). En l'état actuel de la technique le laser CO2 semble être tout particulièrement indiqué pour sa précision et la très forte absorption de son rayonnement par l'eau. 2 - Ensemble selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'ensemble de vaporisation instantanée d'eau par faisceau laser est appliqué à un bloc-moteur cylindres (16) et pistons (6) dans lequel la tête de cylindre est équipée d'une soupape d'échappement (7) et dudit ensemble de vaporisation instantanée d'eau par faisceau laser dans lequel l'injection d'eau dans la chambre de vaporisation (15), après avoir été portée à une température proche de l'ébullition par passage dans le circuit de refroidissement (5) du moteur et par une résistance chauffante (14), est déclenchée au moment où le piston (6) atteint son point mort haut (9), lequel piston (6), cerclé de segments (10) destinés à assurer l'étanchéité de la chambre de vaporisation (15) ou de la chambre d'expansion (15bis) ainsi que le raclage du film de lubrifiant sur la paroi interne inférieure du cylindre (16), transmet la force de la pression de vapeur et le mouvement à une bielle (12) dont il est solidaire au niveau de son axe (11). 3 - Ensemble selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'ensemble de vaporisation instantanée d'eau par faisceau laser est appliqué à un bloc-moteur cylindres (16) et pistons (6) dans lequel la tête de cylindre est équipée d'une soupape d'échappement (7) et de l'arrivée d'admission de vapeur provenant de l'ensemble de vaporisation instantanée d'eau par faisceau laser isolé du bloc-moteur dans lequel l'injection d'eau dans la chambre de vaporisation (15), après avoir été portée à une température proche de l'ébullition par passage dans le circuit de refroidissement (5) du moteur et par une résistance chauffante (14), est déclenchée au moment où le piston (6) atteint son point mort haut (9), la vapeur produite étant dirigée vers la chambre d'expansion (15 bis) du cylindre par canalisation (19), cette application permettant de n'avoir qu'un seul ensemble de vaporisation instantanée d'eau par faisceau laser pour des moteurs à cylindres multiples, d'absorber ou de limiter l'onde de choc et de permettre un fonctionnement plus souple et moins brutal du moteur. 4 - Ensemble selon les revendications 1, 2 et 3 caractérisé en ce que le moteur est à pistons rotatifs. 5 - Ensemble selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'ensemble de vaporisation instantanée d'eau par faisceau laser est appliqué à une enceinte de vaporisation (20) de forme ovoïde dont une extrémité est équipée de la tête d'injection (17) dudit ensemble de vaporisation instantanée d'eau par faisceau laser et dont l'autre extrémité est tronquée et barrée par une turbine (21) à laquelle peuvent être accouplés différents équipements et machines. 6 - Ensemble selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'ensemble de vaporisation instantanée d'eau par faisceau laser est appliqué à une enceinte de vaporisation (20) de forme ovoïde dont une extrémité est équipée de la tête d'injection (17) dudit ensemble de vaporisation instantanée d'eau par faisceau laser et dont l'autre extrémité est tronquée et équipée d'une tuyère (22) destinée à moduler le jet de vapeur vers l'extérieur. Cette application est notamment destinée à la propulsion des aéronefs. 7 - Ensemble selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il est appliqué à une enceinte de vaporisation de forme quelconque pour une utilisation de la vapeur pour le chauffage ou sous forme de jet. 8 - Ensemble selon les revendications 1, 2, 3, 4, 5, 6 et 7 caractérisé en ce que l'eau peut être remplacée par tout autre liquide approprié.