Brevet FR2959282A1 — publié le 20111028

DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION La présente invention concerne le domaine des moteurs thermiques, climatiseurs et pompe a chaleur, moteurs à air comprimé, moteur pour stocker l'energie sous forme pneumatique OBJECTIF : Inventer un ensemble cylindre-piston quasi isotherme et un ensemble cylindre-piston quasi adiabatique pour obtenir un moteur très performant suivant le cycle de Sadi Carnot ainsi que des climatiseurs et pompe a chaleur, moteurs à air comprimé très performant. ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEUR Le 31 janvier 1807, après trois années d'expériences, le Suisse François Isaac de Rivaz dépose le brevet du moteur à explosion. Il a construit en 1805 une carriole motorisée. Conçu dès 1678 par Christiaan Huygens, le moteur à explosion ne pourra véritablement être exploité qu'après l'invention théorique du cycle à quatre temps par le Français Beau de Rochas en 1862 Le cycle de fonctionnement se décompose de manière analytique en quatre temps ou phases. Le mouvement du piston est initié par la combustion (augmentation rapide du volume des gaz) d'un mélange de carburant et d'air (comburant) qui a lieu 20 durant le temps moteur. C'est le seul temps produisant de l'énergie ; les trois autres temps en consomment mais le rendent possible, ce sont l'expulsion des gaz brûlés , l'aspiration des gaz propre et la compression des gaz propres avant mélange avec le carburant. Le premier moteur 2 temps, qui date de 1862, est aussi le premier moteur à combustion. Le moteur à explosion est en effet un moteur à combustion interne principalement utilisé pour la propulsion des véhicules de transport Actuellement un moteur est en train d'être développé, le moteur MCE-5, (Multi Cycle Engine avec 5 paramètres), qui est un type de moteur à compression variable VCR (Variable Compression Ratio). 10 15 25 30 Le moteur MCE-5 est moteur à allumage commandé, fonctionnant grâce à la combustion du mélange air-essence selon le principe thermodynamique développée par Beau de Rochas. Il s'agit de surcroît d'un moteur VCR (« Variable Compression Ratio ») dont le taux de compression varie en fonction du régime moteur et de la charge en faisant varier le volume de la chambre de combustion. Ce moteur présente un meilleur rendement thermodynamique en raison de l'augmentation de pression lors de la combustion. Mais tous ces moteurs utilisent donc le cycle Beau de Rochas dans un même 10 cylindre. Pourtant le cycle « idéal » fut découvert par Sadi Carnot et il publia en 1824, les réflexions sur la puissance motrice du feu et sur les machines propres à développer cette puissance, dans lequel, à l'âge de 27 ans, il posa les bases d'une discipline 15 entièrement nouvelle, la thermodynamique. Le cycle de Sadi Carnot est composé de 2 courbes adiabatiques et de 2 courbes isothermes réversibles et devait utiliser plusieurs cylindres pour pouvoir le faire, des cylindres isothermes et des cylindres adiabatiques. Cette utilisation de plusieurs cylindres différents pour faire un cycle thermodynamique fut utilisé par le moteur Stirling qui est un moteur à combustion externe, le fluide principal est un gaz soumis à un cycle comprenant 4 phases : chauffage isochore (à volume constant), détente soi-disant isotherme grâce à l'utilisation d'un gaz possédant une très bonne capacité thermique par kg, l'hélium ou l'azote (à température constante), refroidissement isochore puis compression soi-disant isotherme John Ericsson inventa en 1833 un moteur thermique à air constitué d'un cylindre de compression muni de soupapes, d'un échangeur de chaleur récupérateur à contre- 30 courant, d'un échangeur de chaleur pour la source chaude et d'un cylindre de détente, lui aussi muni de soupapes. Il utilisa lui aussi plusieurs cylindres differents 20 25 5 15 20 25 30 pour faire un cycle thermodynamique Le cycle thermodynamique réalisé dans cette machine est équivalent à celui de la turbine à gaz à récupération. En 1851, il déposa un nouveau brevet de moteur à air chaud. C'est le moteur Ericsson avec plusieurs cylindres differents pour faire un cycle thermodynamique Comme le moteur Stirling, le moteur d'Ericsson est un moteur à apport de chaleur externe. Rôle de l'invention Les moteurs utilisent la plpart du temps la combustion interne avec tout le cycle dans le même cylindre (ni adiabatique, ni isotherme) ou la combustion externe, avec le transfert de gaz entre cylindres plus ou moins isotherme. Ainsi, actuellement, on utilise la combustion interne sans transfert du cylindre dans les moteurs classique avec le cycle Beau de Rochas, ou on utilise la combustion externe avec transfert du gaz dans les cylindres dans les moteurs Ericsson ou Stirling. L'invention d'un système avec combustion externe (ou interne) et un transfert de gaz dans des cylindres isotherme ou adiabatique différents permettra de mieux pouvoir suivre le cycle de Sadi Carnot. En effet, très peu de moteurs actuellement utilise plusieurs cylindres differents pour faire un cycle thermodynamique et presque aucun moteur actuellement, n'utilise le cycle réversible de Sadi Carnot, car aucun cylindre-piston complètement isotherme n'a encore été breveté, de plus les cylindres-pistons actuels ne sont pas complètement adiabatique. Ce nouveau système de moteur devra avoir des cylindres-pistons isothermes et des cylindres-pistons adiabatiques et un cycle permettant de suivre au mieux le cycle thermodynamique de Sadi Carnot. Ce nouveau cylindre-piston isotherme nécessaire pour utiliser le cycle de Sadi Camot doit refroidir le fluide en même temps que le fluide est rapidement comprimé et se réchauffe par compression ou alors, réchauffer le fluide en même temps que le fluide se détend et se refroidit rapidement par la détente. Ce cas est rencontré 10 15 20 25 30 le fluide se détend et se refroidit rapidement par la détente. Ce cas est rencontré lors du changement de phase d'un liquide qui devient un gaz ou d'un gaz qui devient liquide lors du changement de phase. En règle générale, lorsque le gaz se détend, il refroidit et lorsque que le gaz est comprimé, il se réchauffe. Exposé de l'invention. L'invention du cylindre-piston isotherme consiste à mettre un système d'échange thermique dans le cylindre ou le gaz est comprimé ou détendu. Pour cela, l'intérieur du cylindre est composé de deux systèmes de plaques d'épaisseur constante ou presque qui viennent s'imbriquer ensemble dans le cylindre lors du déplacement du piston dans le cylindre. Pour cela, le premier système de plaques fixé dans le piston mobile se déplace en même temps que le piston et vient s'imbriquer dans le deuxième système de plaques fixe dans le cylindre. Le gaz qui est poussé par les deux systèmes de plaques ne peut pas passer entre les deux systèmes de plaques et devra sortir par les extrémités des systèmes de plaques. L'invention du cylindre-piston adiabatique consiste à compléter la surface du cylindre et du piston par un matériau isolant thermiquement tout en ayant de bonnes résistances mécaniques Le système de cylindre-piston quasi-isotherme est composé d'un élément fixe 01 comportant de très nombreuses plaques parallèles à l'axe principal X. Le système de cylindre-piston quasi-isotherme est aussi composé d'un piston mobile 02 comportant de très nombreuses plaques aussi parallèles à l'axe principal X. Ces plaques de l'élément 02 coulissent entre les plaques de l'élément 01. Le piston 02 sert à comprimer ou détendre un gaz compris dans l'espace entre les plaques du cylidre non rempli par les plaques du piston mobile, avec une très grande surface d'échange avec le gaz circulant après compression ou détente entre les éléments 01 et 02. L'élément 01 possède un circuit interne 20 de circulation pour un fluide de refroidissement ou de chauffage, servant à maintenir le cylindre 01 et les plaques parallèles 05 et 07 de l'élément 01 à température constante (ou fixée préalablement), les plaques parallèles 05 de l'élément 01 qui maintiendront aussi les plaques parallèles 06 de l'élément 02 à température constante (ou fixée préalablement). Le fluide de refroidissement ira ensuite se refroidir dans un radiateur extérieur au moteur. Lorsque l'élément 02 sort de l'élément 01, les plaques parallèles 06 de l'élément 02 aspirent par le circuit 24 et par les ouvertures 06A ou détendent le gaz situé dans le cylindre entre les plaques parallèles fixes 05 de l'élément 01 et les plaques de l'élément 01 aspirent par le circuit 23 et par les ouvertures 05A ou détendent le gaz situé dans le piston entre les plaques 06 de l'élément 02 Lorsque l'élément 02 rentre dans l'élément 01, les plaques mobiles 06 de l'élément 02 repoussent par le circuit 21 et par les ouvertures 05A ou compriment le gaz situé dans le cylindre 01 entre les plaques 05 de l'élément 01 et les plaques 05 de l'élément 01 repoussent par le circuit 22 et par les ouvertures 06A ou compriment le gaz situé dans le piston 02 entre les plaques 06 de l'élément 02. Lorsque l'élément 02 est sorti au maximum de l'élément 01, les plaques 06 de l'élément 02 restent encore légèrement entre les plaques 05 dans l'élément 01. La présence d'un liquide conducteur entre les plaques 05 et 06 des éléments 01 et 25 02 permet, si besoin, de mieux équilibrer le flux thermique entre les plaques 05 de l'élément 01 et les plaques 06 de l'élément 02. Lorsque l'élément 02 rentre dans l'élément 01 et que le gaz, situé entre les plaques 05 et entre les plaques 06, est suffisamment comprimé, le gaz passe par les 30 ouvertures 05A et 06A, les soupapes 03 et 04 s'ouvrent pour permettre le transfert 10 15 20 du gaz à température et pression constante vers une autre partie du moteur qui pourra être un cylindre adiabatique ou un autre cylindre isotherme ou un réservoir de fluide ou vers tout autre système. Les plaques 05 sont maintenues constamment espacés par la présence des plaques 07 et les plaques 06, sont maintenues constamment espacés par la présence des plaques 08, l'ensemble des plaques 05 et 07 étant fixés sur le cylindre 01 par l'intermédiaire d'un élément Il, passant dans l'ouverture 05C et les plaques 05 sont percées de trous 05B régulièrement espacés pour ne pas subir de pression importantes, l'ensemble des plaques 06 et 08 étant fixés sur le piston 02 par l'intermédiaire d'un élément 12, passant dans l'ouverture 06C et une plaquette 05 associée à une plaquette 07 peut être fabriquée en une seule pièce ainsi qu'une plaquette 06 associée à une plaquette 08 peut être fabriquée en une seule pièce 15 Pour pouvoir travailler en compression ou détente adiabatique, un cylindre-piston quasi-adiabatique est composé d'un cylindre fixe 15 comportant un revêtement isolant thermiquement 16 à l'intérieur du cylindre 15 et d'un piston mobile 17 comportant un revêtement isolant thermiquement 18 à l'extérieur du piston coulissant dans le revêtement 16 pour permettre une compression ou une détente 20 adiabatique des gaz. Utilisation de l'invention et Indication de la manière dont l'invention est "susceptible d'application industrielle". Ce système de détendeur isotherme peut servir pour les véhicules fonctionnant à l'air comprimé, car généralement, beaucoup d'énergie est perdue lors de la détente du gaz qui se refroidit de manière importante lors de la décompression. Si l'énergie était récupérée en prenant de l'énergie thermique dans l'air ambiant, l'énergie perdue lors de la décompression pourrait être très faible et l'énergie générée lors de la décompression serait transformée directement en énergie mécanique. De même, lors du freinage du véhicule l'énergie récupérée pourrais être récupérée en énergie de compression si la compression est isotherme, car sinon le réchauffement important du gaz comprimé récupérerait trop d'énergie 10 25 30 Le cylindre thermique isotherme peut servir pour la climatisation ou comme pompe à chaleur. Le cycle de Sadi Carnot peut être suivi : 1 : Le fluide qui est l'air extérieur (ou intérieur) est comprimé de façon adiabatique jusqu'à une température légèrement supérieur à la température désirée. 2 : Le fluide est comprimé de façon isotherme pour fournir de la chaleur dans le local (ou à l'extérieur) par l'intermédiaire du liquide ayant servit à maintenir le fluide à même température. 3 : Le fluide est détendu de façon adiabatique avec récupération d'énergie mécanique.. 4 : Le fluide est détendu de façon isotherme avec récupération d'énergie mécanique à l'extérieur du bâtiment (ou refroidissement à l'intérieur par détente isotherme). Le cylindre thermique isotherme peut servir dans un moteur thermique ayant une source chaude et une source froide pour la production d'électricité ou pour entraîner 15 un véhicule. Pour servir dans un moteur, un cylindre-piston isotherme froid pourra être accompagné d'un cylindre-piston thermique isotherme chaud, d'un cylindre-piston de compression adiabatique et d'un cylindre-piston de détente adiabatique pour suivre au mieux le cycle de Sadi Carnot. Le cylindre-piston isotherme froid peut remplacer le turbocompresseur utilisé pour les moteurs de véhicules thermiques en comprimant de façon isotherme l'air exterieur. L'air est ensuite comprimé de façon adiabatique dans un cylindre plus ou moins adiabatique, et la combustion se fait ensuite. Le cylindre-piston isotherme peut servir dans les voitures hybrides en stockant de l'énergie avec de l'air comprimé de façon isotherme à température ambiante et détente de l'air comprimé façon isotherme à température ambiante. 30 10 20 25 Le cylindre fixe thermique isotherme est constitué d'un ensemble de plaques rigides du piston mobile qui glissent contre les plaques rigides du cylindre fixe afin de comprimer ou détendre le fluide compris dans le cylindre fixe thermique isotherme. Comme ce système mobile est relativement lourd et indépendant en mouvement, il pourra être envisager de coupler chaque cylindre par un cylindre de même masse mobile mis en mouvement symétriquement de façon à avoir le centre de gravité de l'ensemble immobile. DESCRIPTION DETAILLEE D'UN MODE DE REALISATION DU SYSTEME CONFORME A L'INVENTION La figure 01 représente la vue en coupe de l'ensemble cylindre-piston isotherme avec les différentes pièces numérotées. La figure 02 représente la vue en coupe de l'ensemble cylindre-piston isotherme lors 15 de la compression isotherme, le piston 02 rentre dans le cylindre 01, les soupapes 03 04 09 10 sont fermées. La figure 03 représente la vue en coupe de l'ensemble cylindre-piston isotherme lors de l'échappement du fluide comprimé, le piston 02 rentre dans le cylindre 01, les soupapes 03 04 sont ouvertes et les soupapes 09 10 sont fermées. 20 La figure 04 représente la vue en coupe de l'ensemble cylindre-piston isotherme lors de l'aspiration du fluide, le piston 02 sort du cylindre 01, les soupapes 03 04 sont fermées et les soupapes 09 10 sont ouvertes. La figure 05 représente les plaques 05 et 07 L'ouverture 05A sert lors du passage du fluide entre les différentes zones lors de 25 l'évacuation ou lors de l'aspiration du fluide. Les multiples ouvertures 05B servent à éviter les différences de pression des 2 cotés de la plaque 05 lors de la compression ou lors de la détente du fluide. L'ouverture 05C sert à fixer les plaques 05 et 07 autour de la fixation 11. La figure 06 représente les plaques 06 et 08. 30 L'ouverture 06A sert lors du passage du fluide entre les différentes zones lors de l'évacuation ou lors de l'aspiration du fluide. Les multiples ouvertures 06B servent à éviter les différences de pression des 2 cotés de la plaque 06 lors de la compression ou lors de la détente du fluide. L'ouverture 06C sert à fixer les plaques 06 et 08 autour de la fixation 12. La figure 07A est la vue en coupe de la pièce 02 La figure 07B est la vue de gauche de la pièce 02 La figure 07C est la vue de dessus de la pièce 02 La figure 08A est la vue en coupe de l'ensemble des pièces 06 La figure 08B est la vue de gauche de l'ensemble des pièces 06 La figure 08C est la vue de dessus de l'ensemble des pièces 06 La figure 09A est la vue en coupe de l'ensemble des pièces 08 La figure 09B est la vue de gauche de l'ensemble des pièces 08 La figure 09C est la vue de dessus de l'ensemble des pièces 08 La figure 10A est la vue en coupe de l'ensemble des pièces 02, 06, 08 La figure 10B est la vue de gauche de l'ensemble des pièces 02, 06, 08 La figure 10C est la vue de dessus de l'ensemble des pièces 02, 06, 08 La figure 11A est la vue en coupe de l'ensemble des pièces 05 La figure 11B est la vue de gauche de l'ensemble des pièces 05 La figure 11C est la vue de dessus de l'ensemble des pièces 05 La figure 12A est la vue en coupe de l'ensemble des pièces 07 La figure 12B est la vue de gauche de l'ensemble des pièces 07 La figure 12C est la vue de dessus de l'ensemble des pièces 07 La figure 13A est la vue en coupe de l'ensemble des pièces 05, 07, 11 La figure 13B est la vue de gauche de l'ensemble des pièces 05, 07, 11 La figure 13C est la vue de dessus de l'ensemble des pièces 05, 07, 11 La figure 14 est la vue en coupe de la pièce 01 NOMENCLATURE 01 : cylindre fixe comprenant des plaques fixes 05 et 07 servant à l'échange thermique lors de la compression ou de la détente isotherme 02 : Piston mobile comprenant des plaques 06 et 08 fixées sur le piston servant à l'échange thermique lors de la compression ou de la détente isotherme 20 25 30 03 : soupape d'échappement dans l'élément 01 servant à contrôler le passage du fluide venant du vide entre les plaques 05 du cylindre 01, le fluide étant poussé par les plaques 06 du piston 02 lorsque le piston rentre dans le cylindre. 04 : soupape d'échappement dans l'élément 01 servant à contrôler le passage du fluide venant du vide entre les plaques 06 du piston 02, le fluide étant poussé par les plaques 05 du cylindre 01 lorsque le piston 02 rentre dans le cylindre 01. 05 : Plaques fixés dans le cylindre 01, maintenues à distance régulière à l'aide de petites plaques 07 d'épaisseur constante et maintenues dans le cylindre 01 par la pièce 11 06 : Plaques fixés dans le piston 02, maintenues à distance régulière à l'aide de petites plaques 08 d'épaisseur constante et maintenues dans le piston 02 par la pièce 12 07 : Petites plaques d'épaisseur constante fixées dans le cylindre 01, servant à maintenir à distance régulière les plaques 05 et maintenues dans le cylindre 01 par 15 la pièce 11 08 : Petites plaques d'épaisseur constante fixées dans le piston 02, servant à maintenir à distance régulière les plaques 06 et maintenues dans le piston 02 par la pièce 12 09 : soupape d'aspiration dans l'élément 01 servant à contrôler le passage du fluide venant du vide entre les plaques 05 du cylindre 01 aspiré par les plaques 06 du piston 02 lorsque le piston sort du cylindre. 10 : soupape d'aspiration dans l'élément 01 servant à contrôler le passage du fluide venant du vide entre les plaques 06 du piston 02 aspiré par les plaques 05 du cylindre 01 lorsque le piston sort du cylindre. 11 : Elément de maintien des plaques 07 et 05 dans le cylindre 01 12 : Elément de maintien des plaques 08 et 06 dans le cylindre 02 20 : circuit du liquide de refroidissement ou de chauffage 21 : circuit d'évacuation du fluide comprimé 22 : circuit d'évacuation du fluide comprimé 23 : circuit d'évacuation du fluide aspiré 24 : circuit d'évacuation du fluide aspiré 10 REVENDICATIONS1. Système de cylindre-piston quasi-isotherme composé d'un élément fixe 01 comportant de très nombreuses plaques 05 thermiquement conductrice parallèles à l'axe principal X, et d'un piston mobile 02 comportant de très nombreuses plaques 06 thermiquement conductrice aussi parallèles à l'axe principal X, ces plaques 06 de l'élément 02 coulissant entre les plaques 05 de l'élément 01, le piston 02 servant à comprimer ou détendre un gaz compris dans l'espace entre les plaques de la chemise non rempli par les plaques du piston mobile, avec une très grande surface d'échange avec le gaz circulant après compression ou détente entre les éléments 01 et 02. 2. Système de cylindre-piston quasi-isotherme suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément 01 possède un circuit interne 20 de circulation pour un fluide de refroidissement ou de chauffage, servant à maintenir le cylindre 01 et les plaques parallèles 05 et 07 de l'élément 01 à température constante (ou fixée préalablement), les plaques parallèles 05 de l'élément 01 qui maintiendront aussi les plaques parallèles 06 de l'élément 02 à température constante (ou fixée préalablement). 3. Système de cylindre-piston quasi-isotherme suivant les revendications 1 et 2 caractérisé en ce que lorsque l'élément 02 sort de l'élément 01, les plaques parallèles 06 de l'élément 02 aspirent par le circuit 24 et par les ouvertures 06A ou détendent le gaz situé dans le cylindre entre les plaques parallèles fixes 05 de l'élément 01 et les plaques de l'élément 01 aspirent par le circuit 23 et par les ouvertures 05A ou détendent le gaz situé dans le piston entre les plaques 06 de l'élément 02 4. Système de cylindre-piston quasi-isotherme suivant les revendications 1 à 3 caractérisé en ce que lorsque l'élément 02 rentre dans l'élément 01, les plaques mobiles 06 de l'élément 02 repoussent par le circuit 21 et par les ouvertures 05A ou compriment le gaz situé dans le cylindre 01 entre les plaques 05 de l'élément 01 et les plaques 05 de l'élément 01 repoussent par le circuit 22 et par les ouvertures 06A ou compriment le gaz situé dans le piston 02 entre les plaques 06 de l'élément 02 5. Système de cylindre-piston quasi-isotherme selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que lorsque l'élément 02 est sorti au maximum de l'élément 01, les plaques 06 de l'élément 02 restent encore légèrement entre les plaques 05 dans l'élément 01. 6. Système de cylindre-piston quasi-isotherme selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que la présence d'un liquide conducteur entre les plaques 05 et 06 des éléments 01 et 02 permet, si besoin, de mieux équilibrer le flux thermique entre les plaques 05 de l'élément 01 et les plaques 06 de l'élément 02. 7. Système de cylindre-piston quasi-isotherme selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 caractérisé en ce que lorsque l'élément 02 rentre dans l'élément 01 et que le gaz, situé entre les plaques 05 et entre les plaques 06, est suffisamment comprimé, le gaz passe par les ouvertures 05A et 06A, les soupapes 03 et 04 s'ouvrent pour permettre le transfert du gaz à température et pression constante vers une autre partie du moteur qui pourra être un cylindre adiabatique ou un autre cylindre isotherme ou un réservoir de fluide ou vers tout autre système. 8. Système de cylindre-piston quasi-isotherme selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 caractérisé en ce que les plaques 05 sont maintenues constamment espacés par la présence des plaques 07 et les plaques 06, sont maintenues constamment espacés par la présence des plaques 08, l'ensemble des plaques 05 et 07 étant fixés sur le cylindre 01 par l'intermédiaire d'un élément 11, passant dans une ouverture 05C et les plaques 05 sont percées de trous 05B régulièrement espacés pour ne pas subir de pression importantes, l'ensemble des plaques 06 et 08 étant fixés sur le piston 02 par l'intermédiaire d'un élément 12, passant dans une ouverture 06C et une plaquette 05 associée à une plaquette 07 peut être fabriquée en une seule pièce ainsi qu'une plaquette 06 associée à une plaquette 08 peut être fabriquée en une seule pièce