Brevet FR2958685A1 — publié le 20111014

-1- La présente invention concerne les moteurs thermiques fonctionnant à partir d'une différence de température entre deux fluides. Il existe des machines thermiques qui extraient de l'énergie de l'environnement, du milieu ambiant comme les pompes à chaleur. Mais leur fonctionnement peut être complexe et nécessiter un entretien sérieux pour ne pas risquer de pannes. D'autre part ces machines absorbent pour leur fonctionnement une quantité d'énergie non négligeable provenant souvent d'un réseau électrique. Il existe aussi des moteurs thermiques, comme les moteurs Stirling, qui fonctionnent avec une différence de température entre deux fluides. Mais pour obtenir un fonctionnement correcte cette différence de température doit être élevée, de l'ordre de plusieurs centaines de degrés Celsius d'où la nécessité de mettre en oeuvre des moyens comme une parabole solaire ou un chauffage à base de carburant et de comburant. Le dispositif de la présente invention a pour but de produire de l'énergie mécanique, transformable en énergie électrique, sans les inconvénients cités précédemment c'est-à-dire une machine de composition simple, ne consommant pas de carburant et, dans la meilleure des configurations, ne consommant pas d'énergie électrique extérieure pour son propre fonctionnement, étant entendu que ledit dispositif extrait de l'énergie thermique d'un milieu extérieur à lui-même pour la transformer en énergie mécanique. Selon une première caractéristique, le premier des deux milieux d'un échangeur thermique est parcouru alternativement par deux fluides qui ont chacun une température différente de l'autre fluide, produisant des variations alternatives de la température dudit premier milieu. Le deuxième milieu de l'échangeur thermique fait partie d'une enceinte close contenant un fluide dont la température varie alternativement selon lesdites variations alternatives de la température du premier milieu de l'échangeur thermique. Ces variations alternatives de température dans ladite enceinte y produisent des variations alternatives de la pression. Ladite enceinte est reliée de manière étanche à au moins un moteur qui transforme lesdites variations alternatives de la pression en mouvement et donc en énergie mécanique. Selon des modes particuliers de réalisation: - le moteur peut comporter au moins un soufflet et/ou au moins un cylindre contenant un 35 piston dont une face est soumise aux dites variations alternatives de pression dans ladite enceinte, 2958685 -2- - le piston du moteur peut être à double effet, poussé sur une face et tiré sur l'autre face dans son mouvement, dans un sens comme dans l'autre, au moins un deuxième échangeur thermique peut améliorer l'efficacité du fonctionnement, - le moteur peut comporter une turbine, ou un moteur rotatif, 5 - le moteur peut être lié à un générateur électrique qui transforme l'énergie mécanique fournie par le moteur en énergie électrique, - au moins un fluide peut passer par une chambre de compression avant de traverser l'échangeur, - au moins un des fluides qui traversent l'échangeur peut avoir échangé des calories par 10 géothermie, par exemple peut provenir d'un puits provençal, appelé aussi puits canadien, ou être chauffé par un capteur solaire avant d'entrer dans le dispositif, - au moins un des fluides utilisés peut être sous forme de gaz ou de liquide selon sa température et/ou sa pression à un moment déterminé du fonctionnement du dispositif. 15 Les dessins annexés illustrent l'invention: La figure 1 représente schématiquement le dispositif de l'invention avec un fluide chaud traversant l'échangeur thermique. La figure 2 représente schématiquement le dispositif de l'invention avec un fluide froid traversant l'échangeur thermique. 20 La figure 3 représente schématiquement le dispositif de l'invention sous une autre forme. Les figures 4, 5 et 6 représentent schématiquement plusieurs possibilités de forme de distributeur de fluide. La figure 7 représente schématiquement un moteur à piston à double effet. La figure 8 représente schématiquement une forme d'échangeur plus efficace. 25 La figure 9 représente schématiquement l'implantation de chambres de compression. Dans une première forme de réalisation nullement limitative, en référence aux figures 1 et 2, le dispositif (1) comporte notamment un distributeur d'entrée (2) qui permet alternativement le passage d'un fluide (16) et d'un autre fluide (17) qui sont à des 30 températures différentes l'un de l'autre. Ces deux fluides sont, chacun de leur côté, poussés vers le distributeur d'entrée par un dispositif comme une pompe, une turbine, un compresseur ou autre moyen ayant le même effet. Le passage alternativement de chacun de ces deux fluides dans le premier milieu (5) de l'échangeur thermique (4) produit des variations alternatives de la température du premier milieu (5) qui produisent des variations alternatives de la température du fluide contenu dans le deuxième milieu (6) de l'échangeur thermique (4). 2958685 -3- Le deuxième milieu (6) de l'échangeur thermique (4) fait partie d'une enceinte close. Les variations alternatives de la température dans (6) induisent des variations de pression alternatives du fluide qu'elle contient. L'enceinte (6) est reliée de manière étanche à un moteur qui transforme ces variations 5 alternatives de pression en énergie mécanique par le déplacement alternatif d'un piston (18) dans un cylindre (15). La figure 1 montre le piston (18) poussé dans le sens (7) par une augmentation de la pression dans (6) et dans (15), le fluide (16) étant le fluide chaud, la figure 2 montre le piston (18) tiré dans le sens (12) par une diminution de la pression dans (6) et dans (15), le 10 fluide (17) étant le fluide froid. Le cylindre (15) sert essentiellement au guidage étanche du piston (18), ses échanges thermiques avec le piston ou avec l'extérieur ont un effet mineur ou pas d'effet sur le déplacement du piston (18). Le mouvement de va-et-vient du piston peut être utilisé tel quel par exemple en liant un arbre au piston et en utilisant le mouvement de cet arbre. 15 Dans cette première forme de réalisation, une bielle (8) liée de manière mobile au piston (18) entraîne une roue (9) ou un palier excentré à la manière d'un vilebrequin qui transforme le mouvement de va-et-vient de la bielle (8) en un mouvement de rotation qui peut être utilisé tel quel. L'énergie mécanique produite (10) peut aussi être convertie en énergie électrique en 20 entraînant au moins un générateur électrique (11) qui peut être par exemple à rotor ou à déplacement axial d'un aimant ou d'un bobinage. A la sortie du premier milieu (5) de l'échangeur thermique (4), les fluides (13) et (14), modifiés thermiquement par leur passage dans (5), peuvent être de même nature. Le dispositif (1) est représenté avec un volume de matériau isolant thermique (3) qui réduit 25 les pertes thermiques de l'échangeur (4). D'autres éléments de (1) peuvent aussi avantageusement être isolés thermiquement. Le fluide dont la température est la plus élevée est appelé le "fluide chaud", le fluide dont la température est la moins élevée, par rapport à l'autre fluide, est appelé "le fluide froid", indépendamment de leur température exprimée en degrés. 30 II est prévu, par exemple, d'utiliser, pour un des fluides, l'air provenant d'un puits provençal et, pour l'autre fluide, l'air ambiant. Selon la saison et la température de l'air ambiant, celui-ci pourra jouer le rôle soit du fluide froid, soit du fluide chaud, la température de l'air de sortie d'un puits provençal étant quasiment identique en toutes saisons. Au moins un soufflet peut être associé au piston (18) ou lui être substitué. De même que 35 pour un piston, le mouvement d'un soufflet est dû aux variations alternatives de pression dans l'enceinte close et peut être utilisé en tant que moyen fournissant un mouvement. Selon une variante non illustrée, plusieurs pistons sont associés au même dispositif, ils peuvent être décalés dans leur déplacement. Dans la forme de réalisation selon la figure 3, l'enceinte (19) dispose d'une surface importante en contact alternativement avec les fluides (25) et (26) et le distributeur d'entrée (21) dispose d'un tiroir (20) qui permet un large passage des fluides arrivant par les canalisations (22) et (23). Le déplacement du tiroir (20) peut se faire mécaniquement (24) ou électriquement. Ici aussi le piston (18), par son déplacement, transforme les variations alternatives de pression dans l'enceinte (19) en mouvement et en énergie mécanique utilisable. Selon une variante non illustrée, une turbine est associée à l'enceinte close et transforme les variations de pression en mouvement de rotation. Selon une variante non illustrée, un moteur rotatif, à piston rotatif, est associé à l'enceinte close et transforme les variations de pression en mouvement de rotation. La figure 4 montre partiellement un exemple de distributeur d'entrée à tiroir (27), à 20 mouvement alternatif laissant passer tantôt un fluide, tantôt un autre. Les figures 5 et 6 montrent partiellement des exemples de distributeurs d'entrée rotatifs (28) et (29). 25 Dans la forme de réalisation selon la figure 7, le cylindre (30) comporte un piston à double effet (31) mû à la fois par une pression qui augmente sur l'une de ses faces et une pression qui diminue sur l'autre de ses deux faces. Les variations de pression sont ici aussi alternatives. Un premier échangeur thermique, tel que décrit dans la première forme de réalisation, 30 produit des variations de pression alternatives sur une face du piston par exemple dans le volume (32) et un deuxième échangeur thermique produit des variations de pression alternatives par exemple dans le volume (33) avec un décalage dans le temps de ces variations de pression de telle sorte que lorsque la pression augmente dans (32), la pression diminue dans (33) et inversement. De telle sorte que les fluides (34) et (35) 35 circulent en sens inverse. 2958685 -5- Ainsi le piston est à la fois poussé et tiré que ce soit dans un sens de son déplacement ou dans l'autre. Dans la forme de réalisation selon la figure 8, l'échangeur thermique (36) est amélioré par 5 une surface de contact élevée au passage de fluides (40) et une réaction plus rapide dans les échanges thermiques. Ici aussi une isolation thermique (37) est préférable. L'enceinte close (41) est ici aussi connectée (38) de manière étanche à un moteur qui transforme les variations alternatives de pression en mouvement alternatif (39). 10 Dans la forme de réalisation représentée partiellement par la figure 9, au moins un des fluides (45) ou (46) traverse une chambre de compression (42) ou (48) où sa pression est augmentée par un moyen (43) ou (47) tel qu'une pompe ou une turbine ou un compresseur ou tout autre moyen produisant le même effet de telle manière que lorsque le distributeur d'entrée (49) libère le passage de ce fluide, il est alors injecté sous pression dans le 15 premier milieu de l'échangeur thermique ce qui permet un échange thermique avec un plus grand volume de fluide et avec un passage plus rapide. Lorsque le fluide en question est un liquide, il ne peut pas être compressé, la chambre de compression comporte alors une partie déformable par une variation de la pression ou un volume annexe étanche qui, lui, peut être comprimé. Des formes particulières des conduits des fluides comme (44) ou la sortie de la chambre de compression peuvent aussi participer à la mise sous pression du fluide avant son entrée dans un échangeur thermique. Compresser et détendre des gaz va changer leur température à un moment donné mais globalement le résultat de ces deux opérations sera nul quant à la variation de température 25 des gaz. Selon une variante non illustrée, au moins un des fluides traversant au moins un milieu d'un échangeur thermique est un liquide. Dans ce cas l'échangeur est orienté de telle sorte qu'il facilite l'écoulement de tout liquide en plus de la pression qui le fait avancer. Selon une variante non illustrée, les échanges thermiques avec l'enceinte close sont améliorés par la présence, dans l'enceinte close, d'un fluide qui est liquide ou gazeux selon la température et la pression qui lui sont appliquées. 35 Le dispositif objet de l'invention permet de produire de l'énergie mécanique et/ou de l'énergie électrique en utilisant deux fluides qui sont à des températures différentes. Ces 30 2958685 -6- fluides peuvent n'avoir qu'une faible différence de température entre eux et l'un d'entre eux peut être l'air ambiant. L'ensemble est simple à construire, peu coûteux. Lorsque les échanges thermiques avec les fluides sont suffisamment énergétiques, 5 l'énergie nécessaire au fonctionnement propre du dispositif, essentiellement l'énergie nécessaire pour introduire les fluides dans le dispositif, peut être inférieure à l'énergie fournie en final auquel cas le dispositif est autonome et produit globalement de l'énergie utilisable, énergie extraite et convertie de l'énergie thermique absorbée. En raccordant le dispositif à un réseau électrique, le dispositif peut fournir dans certaines 10 conditions, à ce réseau, de l'énergie électrique comme on le fait par exemple avec un ensemble de panneaux photovoltaïques affectés à cette utilisation. Revendications1) Dispositif (1) produisant de l'énergie mécanique à partir de la conversion d'énergie thermique fournie par un couple de deux fluides (16) et (17) à températures différentes caractérisé en ce que le premier des deux milieux (5) d'un échangeur thermique (4) est parcouru alternativement par chacun de ces deux fluides produisant des variations alternatives de la température dudit premier milieu, la température du deuxième milieu (6) dudit échangeur thermique (4), faisant partie d'une enceinte close, contenant un fluide, varie alternativement selon lesdites variations alternatives de la température du premier milieu (5) de l'échangeur thermique (4), ces variations alternatives de la température dans ladite enceinte y produisant des variations alternatives de la pression, ladite enceinte étant reliée de manière étanche à au moins un moteur qui transforme lesdites variations alternatives de la pression en mouvement. 2) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit moteur comporte au moins un piston comme (18) se déplaçant dans un cylindre (15) selon lesdites variations de 15 pression qui lui sont appliquées sur une face. 3) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit moteur comporte au moins un piston comme (31) se déplaçant dans un cylindre (30), le piston (31) étant à double effet, mû à la fois par la pression qui augmente sur l'une de ses faces et la pression qui 20 diminue sur l'autre de ses deux faces, les variations de pression étant alternatives avec un décalage dans le temps de telle sorte que lorsque la pression augmente sur une face du piston dans le volume (32), la pression diminue sur l'autre face du piston (31) dans le volume (33) et inversement. 25 4) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un générateur électrique entraîné par au moins un desdits moteurs. 5) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que au moins un desdits fluides traverse une chambre de compression (42) ou (48) où sa 30 pression est augmentée avant qu'un distributeur d'entrée comme (49) libère le passage de ce fluide vers ledit échangeur thermique ou au moins un deuxième échangeur thermique. 6) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que au moins un des fluides comme (16) ou (17) ou (25) ou (26) ou (34) ou (35) échange des 2958685 -8- calories par géothermie par exemple grâce à un puits provençal et/ou est chauffé par un capteur solaire avant d'entrer dans le dispositif (1). 7) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que 5 au moins un des fluides utilisés dans le dispositif (1) est sous forme de gaz ou sous forme de liquide selon sa température et/ou sa pression à un moment déterminé du fonctionnement du dispositif (1).