Brevet FR2958686A1 — 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, 2958686 -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, et/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, - une utilisation du dispositif peut se faire en mode de cogénération, 15 - au moins un clapet et/ou au moins une soupape ou tout moyen remplissant la même fonction peut/peuvent être disposé(s) à au moins une extrémité du cylindre, - au moins une partie du fluide qui a traversé le dispositif et qui contient encore une part d'énergie thermique peut être introduite par l'entrée de fluide chaud du dispositif soit directement soit on lui faisant traverser auparavant un capteur solaire ou un autre moyen 20 pour augmenter sa température, - un multiplicateur peut être interposé entre le moteur mécanique et le générateur électrique, - l'énergie thermique utilisée, convertie en énergie mécanique par le dispositif peut provenir de toute source de chaleur dont on peut récupérer de l'énergie thermique. 25 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 30 traversant l'échangeur thermique. 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. 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 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). 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 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 fluide (17) étant le fluide froid. Le cylindré (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 25 arbre au piston et en utilisant le mouvement de cet arbre. 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. 30 L'énergie mécanique produite (10) peut aussi être convertie en énergie électrique en 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. 2958686 -4- Le dispositif (1) est représenté avec un volume de matériau isolant thermique (3) qui réduit les pertes thermiques de l'échangeur (4). D'autres éléments de (1) peuvent aussi avantageusement être isolés thermiquement. Au moins un des fluides peut être sous forme de vapeur à au moins un moment du 5 fonctionnement. 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. Il est prévu, par exemple, d'utiliser, pour un des fluides, l'air provenant d'un puits provençal 10 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 pour un piston, le mouvement d'un soufflet est dû aux variations alternatives de pression 15 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. 20 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 35 mouvement alternatif laissant passer tantôt un fluide, tantôt un autre. 2958686 -5- Les figures 5 et 6 montrent partiellement des exemples de distributeurs d'entrée rotatifs (28) et (29). Dans la forme de réalisation selon la figure 7, le cylindre (30) comporte un piston à double 5 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, produit des variations de pression alternatives sur une face du piston par exemple dans le 10 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) circulent en sens inverse. 15 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 une surface de contact élevée au passage de fluides (40) et une réaction plus rapide dans 20 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). Dans la forme de réalisation représentée partiellement par la figure 9, au moins un des 25 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 premier milieu de l'échangeur thermique ce qui permet un échange thermique avec un plus 30 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. 2958686 -6- 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 des gaz. 5 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 10 améliorés par la présence, dans l'enceinte close, d'un fluide qui est liquide ou gazeux ou sous forme de vapeur selon la température et la pression qui lui sont appliquées. Dans certaines conditions de fonctionnement, au moins un fluide entrant dans le dispositif a, à la fois, échangé des calories avec son environnement par géothermie et, à la fois, été 15 chauffé par un capteur solaire. Dans toute la présente description le terme "géothermie" comprend aussi bien la géothermie peu profonde que la géothermie profonde et notamment l'utilisation des nappes d'eaux chaudes souterraines. Selon une variante non illustrée, en complément des autres formes de réalisation, le 20 dispositif objet de l'invention est utilisé en mode de cogénération c'est-à-dire qu'on récupère d'une part l'énergie mécanique et/ou électrique produite(s) par le dispositif et d'autre part l'énergie thermique véhiculée par au moins un des fluides sortant du dispositif, énergie thermique qui n'a pas été transformée en énergie mécanique, pour l'utiliser par exemple pour un chauffage comme un chauffage individuel ou collectif d'immeuble et/ou le 25 chauffage d'eau sanitaire et/ou pour tout autre utilisation où un apport d'énergie thermique est nécessaire, que ce soit directement ou indirectement par l'intermédiaire, par exemple, d'un échangeur thermique et/ou d'une pompe à chaleur. Selon une autre variante non illustrée, au moins un clapet et/ou au moins une soupape ou 30 tout moyen remplissant la même fonction est/sont disposé(s) à au moins une extrémité du cylindre dans un espace non parcouru par le piston, pour réguler les variations de pression dues aux variations de températures dans le deuxième milieu d'au moins un échangeur thermique. 35 L'énergie thermique emmagasinée par les fluides avant de traverser ledit dispositif et véhiculée par eux lorsqu'ils traversent ledit dispositif n'est pas entièrement transformée en 2958686 -7- énergie mécanique autrement le rendement dudit dispositif serait de cent pour cent. Selon une autre variante non illustrée, pour augmenter l'efficacité du dispositif et la quantité d'énergie mécanique et/ou électrique fournie par ledit dispositif, on récupère après au moins un passage dans le dispositif, au moins une partie du fluide qui a traversé le 5 dispositif et qui contient encore une part d'énergie thermique qui n'a pas été récupérée par ledit dispositif. Ce fluide récupéré est introduit par l'entrée de fluide chaud dudit dispositif soit directement soit on lui fait traverser auparavant un capteur solaire ou un autre moyen pour augmenter sa température. 10 Selon une autre variante non illustrée, le circuit chaud est alimenté uniquement de la manière de la variante précédente, c'est-à-dire que tout le fluide alimentant le circuit chaud dudit dispositif provient d'au moins une partie de fluide sortant dudit dispositif, directement ou après avoir été chauffé, quel qu'en soit le moyen, ce qui augmente la température du fluide chaud et donc la différence de température avec le fluide froid et l'efficacité de 15 l'ensemble. Dans cette variante aussi il est possible d'utiliser en cogénération pour aussi une autre utilisation, au moins une partie de l'énergie thermique restant dans le fluide qui a traversé le dispositif et qui n'est pas réutilisée. Selon une autre variante non illustrée, lorsque la vitesse de rotation du moteur du dispositif 20 n'est pas assez élevée pour entraîner un générateur électrique dans de bonnes conditions, un multiplicateur est interposé entre le moteur et le générateur électrique. Selon une autre variante non illustrée, de l'énergie thermique, provenant d'au moins une autre source de chaleur que celles mentionnées dans les variantes précédentes et dans la 25 première forme de réalisation, y compris du moyen de refroidissement d'un moteur à explosion et/ou de son circuit d'échappement, est utilisée pour les besoins de fonctionnement du dispositif. Le dispositif objet de l'invention permet de produire de l'énergie mécanique et/ou de 30 l'énergie électrique en utilisant deux fluides qui sont à des températures différentes. Ces 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, 35 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 2958686 -8- 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 conditions, à ce réseau, de l'énergie électrique comme on le fait par exemple avec un 5 ensemble de panneaux photovoltaïques affectés à cette utilisation. L'énergie thermique qui n'a pas été cédée au dispositif par au moins un fluide qui le traverse peut être utilisée en cogénération pour un autre usage comme le chauffage d'un immeuble et/ou le chauffage d'eau sanitaire. 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 2958686 -10- 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 ou sous forme de vapeur selon sa température et/ou sa pression à un moment déterminé du fonctionnement du dispositif (1). 8) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par une 10 utilisation en mode de cogénération. 9) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'énergie thermique convertie en énergie mécanique par le dispositif peut provenir de toute source de chaleur dont on peut récupérer de l'énergie thermique y compris du moyen de refroidissement d'un moteur à explosion et/ou de son circuit d'échappement.