Brevet FR2950935A1 — publié le 20110408

- 1 - L'invention concerne un moteur de type Stirling permettant de transformer de l'énergie thermique en énergie mécanique ou électrique. Ce moteur vise à pallier certains défauts du moteur de Stirling classique qui nuisent notamment au rendement global: - lorsque le gaz de travail est refoulé de la partie chaude vers la partie froide, il continue de s'échauffer en traversant la partie chaude, alors qu'il est destiné à être refroidi à ce moment du cycle. De même, lorsqu'il est refoulé de la partie froide vers la partie chaude, le gaz continue de se refroidir, alors qu'il est destiné à être échauffé à ce moment du cycle. Certains moteurs de Stirling classiques comprennent alors un régénérateur, dispositif parfois complexe qui permet d'emmagasiner de la chaleur à un moment du cycle pour la restituer à un autre moment, - les conduits de transfert du gaz de travail entre les chambres chaude et froide constituent des volumes morts, et induisent des pertes de pression, - les échanges thermiques entre le gaz de travail et les parties froide et chaude sont peu efficaces, car la surface d'échange thermique est réduite, - étant donnée une source de chaleur constante, la 25 puissance du moteur n'est pas réglable. Le moteur selon l'invention permet de remédier en tout ou en partie aux inconvénients précités. Pour se faire, conformément à l'invention, le dispositif comporte 30 les caractéristiques suivantes : - il comprend en outre deux déplaceurs permettant de délimiter trois chambres de volume variable au cours du cycle : une chambre dite chaude, délimitée par l'espace entre le déplaceur côté paroi chaude et la paroi chaude, où 35 le gaz de travail s'échauffe, une chambre intermédiaire, délimitée par l'espace entre les deux déplaceurs, où le gaz de travail ne subit pas d'échanges thermiques, et une chambre froide, délimitée par l'espace entre le déplaceur - 2 - côté paroi froide et la paroi froide, où le gaz de travail se refroidit, - il comprend au moins une cavité où se déplace un piston de travail, reliée à la cavité des chambres 5 précitées par un conduit, - les déplaceurs sont pourvus d'ouvertures de forme évasée permettant le déplacement du gaz de travail d'une chambre à l'autre. En opposition à ces ouvertures, des formes complémentaires solidaires des parties chaude et 10 froide permettent d'obstruer complètement ces ouvertures dans certaines parties du cycle, - les déplaceurs sont mis en mouvement de manière 15 alternative par un réglable, de manière du moteur, entre les déplaceurs, sontdispositif permettant une amplitude à contrôler la puissance et le régime sources chaude et froide et les disposés des éléments repliables d'échanges thermiques. Pour chaque élément, une extrémité est solidaire de la partie chaude ou froide, et l'autre est 20 solidaire du déplaceur côté froid ou chaud. Ces éléments se replient et se déplient en fonction de la position du déplaceur. En position repliée, ces échangeurs thermiques ne contiennent pas de gaz de travail et n'engendrent donc pas de volume mort. Lorsqu'ils sont dépliés, ils offrent 25 une surface importante d'échanges thermiques, ce qui accroît considérablement la surface totale d'échanges thermiques. Les dessins annexés illustrent l'invention : 30 - la figure 1 est une représentation en coupe d'un mode de réalisation du dispositif selon l'invention, - les figures 2a à 2i sont des représentations schématiques des étapes du cycle de fonctionnement du dispositif, 35 - la figure 3 présente suivant un mode de réalisation les courbes de position des déplaceurs et du piston de travail au cours du cycle, - les figures 4a et 4b représentent un mode de - 3 - réalisation des ouvertures des déplaceurs et des formes complémentaires venant obstruer les ouvertures précitées, - les figures 5a à 5d illustrent un mode de réalisation du dispositif permettant de mouvoir alternativement les déplaceurs, - les figures 6a et 6b présentent un mode de réalisation des éléments repliables d'échanges thermiques, - la figure 7 représente une vue d'ensemble d'un mode de réalisation suivant l'invention, adapté à la transformation de l'énergie solaire en énergie électrique. Dans un exemple de mode de réalisation, les étapes du cycle du dispositif selon l'invention sont illustrées dans les figures 2a à 2i. Dans ces dernières ne sont représentés que les éléments du dispositif essentiels à la compréhension du cycle. Dans la figure 3, en fonction de la position dans le cycle variant de 0° à 360°, sont représentés le volume de la cavité (12) du piston de travail (13) (courbe A), le volume de la chambre chaude (3) (courbe B) et le volume de la chambre froide (5) (courbe C). La position du piston de travail (13) varie d'une position où le volume de la cavité (12) du piston (13) est minimal (VminP), à une autre position où il est maximal (VmaxP). Le volume de la chambre chaude varie de zéro à VmaxC et le volume de la chambre froide varie de zéro à VmaxF. Les phases du cycle des figures 2a à 2i correspondent respectivement aux positions Pa à pi de la figure 3. Le cycle du moteur selon l'invention comprend les phases suivantes . - au début du cycle, les deux déplaceurs (1,2) sont en contact des surfaces chaude (6) et froide (8), laissant au centre la chambre intermédiaire (4) occuper tout le volume disponible, et le piston de travail (13) est presque en fin de course. Cette phase est illustrée par la figure 2a (position Pa dans la figure 3), - durant la phase suivante, le déplaceur (1) côté - 4 - surface chaude effectue un mouvement de va-et-vient destiné à échauffer le gaz de travail. Pour cela, il chasse le gaz situé dans la chambre intermédiaire (4) qui réduit de volume et le pousse dans la chambre chaude (3) dont le volume augmente (figure 2b), ceci jusqu'à ce que le volume de la chambre intermédiaire (4) soit nul (figure 2c). Ensuite, ce même déplaceur (1) chasse à nouveau le gaz de la chambre chaude (3) pour qu'il occupe à nouveau la chambre intermédiaire (4) (figure 2d). Pendant toute cette phase, le gaz s'est échauffé. Le piston de travail (13) a atteint et dépassé la position VminP, pour rejoindre la position en Pe, - la phase suivante est une phase de détente aù aucun déplaceur ne bouge et où le gaz se détend en poussant le piston de travail (13) (figure 2e), - la phase suivante est semblable à la deuxième phase mais appliquée au déplaceur (2) côté source froide (8) (figures 2f à 2h). Durant cette phase, le gaz de travail se refroidit. Le piston (13) avance jusqu'à la position Pi, - durant la phase suivante (figure 2i), aucun déplaceur ne bouge, le gaz se contracte et le piston (13) revient en position de début de cycle. Le piston de travail (13) entraîne en rotation un axe (14) par l'intermédiaire d'un ensemble bielle (34) et vilebrequin (35). L'avantage du cycle décrit selon l'invention est de ne jamais mettre en contact le gaz de travail destin,`- à être échauffé à un moment du cycle avec une partie froide du dispositif. De même, le gaz de travail destiné à être refroidi à un moment du cycle n'est jamais mis en contact avec une partie chaude. Le cycle du moteur selon l'invention permet donc d'améliorer le rendement du moteur de Stirling classique. Les figures 4a et 4b montrent un exemple de réalisation d'ouvertures (9) dans un déplaceur (1) permettant de faire passer le gaz de travail d'une chambre à l'autre. Dans la figure 4a, l'ouverture (9) n'est pas obstruée et le gaz de travail peut passer, tandis que, dans la figure 4b, lorsque le déplaceur (1) est contre la paroi, - 5 - elle est obstruée par un volume complémentaire (10) fixé sur la paroi (6). Ces ouvertures (9), combinées à la présence d'éléments de volume complémentaire (10), rendent donc inutiles les conduits de circulation du gaz de travail que l'on trouve dans le moteur de Stirling classique. Dans le dispositif selon l'invention, un régénérateur est aussi inutile, ce qui simplifie grandement la réalisation du moteur. L'élément de volume complémentaire peut être constitué d'un ou plusieurs matériaux. Selon un mode de réalisation de l'invention, sa partie la plus proche de la source chaude ou froide peut être réalisée avec un matériau conducteur de la chaleur, alors que sa partie la plus éloignée peut être réalisée avec un matériau isolant. Le nombre d'ouvertures est le résultat d'un compromis: leur nombre doit être suffisant pour une circulation aisée du gaz de travail, mais elles ne doivent pas être trop nombreuses car le volume de gaz de travail contenu dans les ouvertures n'est pas directement échauffé ou refroidi par une circulation dans les chambres chaude ou froide. Trop d'ouvertures nuirait alors au rendement global. La forme des ouvertures doit permettre un bon écoulement du gaz de travail tout en le dirigeant efficacement vers les échangeurs thermiques repliables. Un autre avantage du dispositif selon l'invention réside dans le fait que le chemin parcouru par le gaz de travail est réduit en comparaison du moteur de Stirling classique. De ce fait, l'énergie requise pour le déplacement du gaz de travail est moindre. Les figures 5a et 5b montrent le schéma d'un mode de réalisation du mécanisme (22) permettant le mouvement des déplaceurs (1,2). Pour le déplaceur (1) côté source froide, ce mécanisme est constitué de deux cames solidaires (17,18) mises en rotation par l'axe (14), et de deux linguets (26,27) solidaires. Un linguet (26) s'appuie sur une came (17) tandis que l'autre linguet (27) s'appuie sur l'autre came (18). - 6 - Les formes des cames sont calculées de sorte que lorsqu'une came pousse un linguet, l'autre came permet à l'autre linguet d'accompagner ce mouvement. L'extrémité d'un linguet est reliée à la tige solidaire du déplaceur (15) par une rotule (28), et le mouvement du linguet (26) est alors communiqué au déplaceur. Dans un autre mode de réalisation de ce mécanisme présenté dans les figures 5c et 5d, le centre de rotation des linguets (28) est ajustable en translation par l'utilisateur du moteur, ce qui a pour effet de modifier l'amplitude de mouvement du déplaceur. Le mécanisme est complété par un ressort (29) qui assure le contact des linguets (26,27) avec les cames (17,18). En jouant sur l'amplitude du déplaceur (1) côté source chaude, l'utilisateur peut modifier la température du gaz de travail lors de la phase d'échauffement, et régler ainsi la puissance ou le régime du moteur. Des échangeurs thermiques repliables (11) sont disposés entre les déplaceurs (1,2) et les surfaces chaude (6) ou froide (8). Une de leurs extrémités (25) est solidaire d'une surface chaude (6) ou froide (8), et l'autre (25) est solidaire du déplaceur du même côté. Ces éléments peuvent être de forme variable, du moment qu'ils ne présentent pas de volume mort dans leur position repliée. Ils doivent cependant présenter une surface d'échange thermique la plus grande possible avec le gaz de travail. Les figures 6a et 6b montrent des exemples non limitatifs de formes de ces éléments : en forme de spirale souple (23) dans la figure 6a, et sous forme de lamelles articulées (24) disposées en accordéon dans la figure 6b. Ces éléments apportent un gain d'échange thermique considérable par rapport au moteur de Stirling classique. D'autre part, dans leur position repliée, ils sont en contact avec la partie chaude ou froide pendant une grande partie du cycle, ce qui permet un échange thermique avec les parties chaude ou froide. Les éléments repliables côté - 7 - source chaude emmagasinent alors des calories qu'ils céderont au gaz de travail, tandis que ceux côté source froide restituent celles prises sur le gaz de travail. Dans un mode de réalisation du moteur selon l'invention, le matériau choisi pour ces éléments repliables est un matériau très conducteur de la chaleur, et souple à la fois, métallique et d'épaisseur très fine. En plus du mode de réalisation du moteur présenté en figure 1, différentes variantes de réalisations suivant l'invention peuvent être envisagées. La figure 7 présente une vue d'ensemble schématisée d'un dispositif conforme à l'invention et adapté à la transformation de l'énergie solaire en énergie électrique. La cavité (33) contenant les déplaceurs est caractérisée par une grande surface plane de faible épaisseur. Les déplaceurs (1,2) avec leurs ouvertures (9) de circulation du gaz de travail sont représentés en traits pointillés. Deux pistons de travail occupent deux cavités (31) situées de chaque côté. De chaque côté, on trouve également les mécanismes (22) de mise en mouvement des déplaceurs. Ces mécanismes actionnent un ensemble de tiges (32,36) et de biellettes (36,38) entraînant les déplaceurs (1,2). En bas du dispositif, un axe (14) relie les mécanismes (22) des deux côtés tout en servant d'axe à un générateur électrique (21). REVENDICATIONS1- Moteur permettant la conversion d'énergie thermique en énergie électrique ou mécanique, caractérisé en ce qu'il 5 comprend au moins : - une première cavité avec deux déplaceurs (1,2) délimitant trois chambres de volume variable : une chambre chaude (3) comprise entre un premier déplaceur (1) et une paroi chaude (6) de la première cavité, une chambre froide 10 (5) comprise entre un second déplaceur (2) et unc paroi froide (8) de la première cavité, et une chambre intermédiaire (4) comprise entre le premier déplaceur (1) et le second déplaceur (2), - une seconde cavité (12) avec un piston de travail 15 (13) apte à être déplacé par contraction et détente d'un gaz de travail dans la première cavité. 2- Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le gaz de travail occupe successivement de manière 20 cyclique la chambre intermédiaire (4), la chambre chaude (3), la chambre intermédiaire (4), la chambre froide (5) et à nouveau la chambre intermédiaire (4), et ceci de manière à ce qu'il n'y ait pas simultanément de gaz de travail à la fois dans la chambre chaude (3) et dans la chambre froide 25 (5). 3- Moteur selon la revendication 2, comportant un dispositif (22) de mise en mouvement alternatif du premier déplaceur (1) et du second déplaceur (2). 30 4- Moteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que le dispositif de mise en mouvement du premier déplaceur (1) et du second déplaceur (2) est constitué par des jeux de cames (17,18) solidaires et de linguets (26,27) 35 solidaires articulés autour d'un axe (28). 5- Moteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que le centre de rotation des linguets (26,27) est- 9 - ajustable, permettant de modifier l'amplitude du mouvement du premier déplaceur (1) et du second déplaceur (2). 6- Moteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte des échangeurs thermiques repliables (11) entre le premier déplaceur (1) et la paroi chaude (6), et entre le second déplaceur (2) et la paroi froide (8). 7- Moteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le premier déplaceur (1) et le second déplaceur (2) sont pourvus d'ouvertures (9) de forme évasée permettant le passage du gaz de travail d'une chambre à l'autre. 8- Moteur selon la revendication 7, caractérisé en ce que la paroi chaude (6) et la paroi froide (8) sont pourvues d'éléments (10) de forme complémentaire à la forme des ouvertures (9) du premier déplaceur (1) et du second déplaceur (2), qui obstruent complètement les ouvertures (9) du premier déplaceur (1) lorsque celui-ci est contre la paroi chaude (6), et qui obstruent complètement les ouvertures (9) du second déplaceur (2) lorsque celui-ni est contre la paroi froide (8).