Brevet FR2956200A1 — publié le 20110812

MACHINE THERMOACOUSTIQUE A BOUCLE DE RETROACTION ELECTRIQUE DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION [0001] L'invention se rapporte au domaine des machines thermoacoustiques c'est-à-dire des machines thermiques telles que générateurs d'onde, réfrigérateurs ou pompes à chaleur mettant en oeuvre au sein d'un fluide, contenu dans une enceinte fermée et à l'échelle du déplacement acoustique des cycles thermodynamiques de type Stirling ou Ericsson permettant une conversion d'énergie thermoacoustique. ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE [0002]Toute machine thermique nécessite au moins la présence de deux sources de chaleur à des températures différentes, d'un système de transmission de travail mécanique et d'un agent de conversion d'énergie décrivant un cycle thermodynamique. [0003]Dans une machine thermoacoustique l'onde sonore impose au fluide de travail une oscillation autour d'une position moyenne. Considérant, en première approximation une oscillation sinusoïdale, la longueur du déplacement crête est appelée déplacement particulaire. Dans ces conditions, l'oscillation totale s'effectue sur une longueur égale à deux déplacements particulaires. L'oscillation autour de la position moyenne s'accompagne simultanément de phases de compression/détente du fluide. [0004]Le travail mécanique généré prend la forme d'un travail acoustique exprimé par unité de temps et appelé puissance acoustique qui correspond à la moyenne temporelle, sur une période acoustique, du produit de la pression acoustique par le débit volumique du fluide oscillant. [0005] Le fluide de conversion qui doit être dilatable est généralement un gaz (ou un liquide près du point critique), tel que de l'hélium. Le cycle thermodynamique mis en oeuvre par l'onde acoustique est réalisé à une échelle réduite qui correspond à celle du déplacement particulaire de la particule de fluide oscillante. [0006]L'entité de base de toute machine thermoacoustique où se déroule la conversion d'énergie par le processus thermoacoustique sera appelé « cellule thermoacoustique » dans la suite de ce texte. [0007]Cette cellule thermoacoustique est composée d'une matrice solide et poreuse intercalée entre un premier échangeur de chaleur dit « chaud » à température Tc et un deuxième échangeur de chaleur dit « froid » à température Tf Une géométrie adaptée sera choisie et définie par l'homme de métier. [0052]Par ailleurs, au voisinage immédiat de la sortie de la cellule thermoacoustique 1, relativement au sens de propagation de l'énergie acoustique qui la traverse, on prévoit un premier système de conversion d'énergie 10 qui comprend notamment un élément oscillant 12 tel qu'un piston, une membrane, un soufflet ou toute association de ces éléments ainsi qu'un moyen de mise en oscillation 13. [0053] La puissance acoustique en sortie de cellule thermoacoustique 1 est ainsi directement et entièrement transmise au premier système de conversion d'énergie 10. [0054] Par « voisinage immédiat », on entend une distance très inférieure au 1/4 de la longueur d'onde. [0055]Ainsi, le système de conversion 10 étant placé au voisinage immédiat d'une zone de forte impédance adimensionnelle où règne un champ acoustique à caractère progressif, sa taille et les déplacements des éléments oscillants pourront être faibles. Vis-à-vis de l'art antérieur, une diminution de l'encombrement fort intéressante est ainsi réalisée. [0056]En sortie du premier système de conversion d'énergie 10, une partie de l'énergie électrique produite (Welecout) est récupérée par un système de rétroaction électrique 30 tandis que tout ou partie de l'énergie restante (Welecuse) est utilisée pour toute application extérieure... [0057] De façon intéressante, le système 30 de rétroaction électrique qui peut être constitué d'une liaison électrique, est par ailleurs relié à l'entrée 25 d'un deuxième système de conversion 20 destiné à convertir de l'énergie électrique en énergie acoustique. [0058]Le deuxième système de conversion 20 comprend une sortie 21 reliée à l'entrée de la cellule thermoacoustique 1 ; la sortie 21 est équipée d'un élément oscillant tel qu'un piston 22, une membrane, un soufflet ou toute association de ces éléments pour générer une onde acoustique ; un moyen 23 de mise en mouvement de l'élément oscillant 22 est prévu dans le deuxième système de conversion 20. Ainsi, la puissance acoustique (W1) créée en sortie du deuxième système de conversion d'énergie 20 est transmise directement à l'entrée de la cellule thermoacoustique 1, ici au premier échangeur de chaleur 2 qui fonctionne à une température Ti inférieure à la température T2 du deuxième échangeur de chaleur 3, comme décrit ci-avant. [0059]Les systèmes 10, 20 de conversion d'énergie étant disposés, selon l'invention, au voisinage immédiat de la cellule thermoacoustique 1, on profite ainsi d'une zone à forte impédance adimensionnelle où règne un champ acoustique à caractère progressif. Ceci induit des débits acoustiques de fonctionnement faibles permettant d'avoir des dimensions faibles des différents constituants et notamment des pistons, des membranes, des soufflets ou de tout autre élément constitutif des systèmes de conversion 10, 20. [0060]De même l'invention permet des débattements des différents éléments oscillants plus faibles que les débattements dans des dispositifs connus tels que 20 schématisés par exemple sur la figure 1. [0061] Vis-à-vis de machines connues, on diminue ainsi les pertes hydrodynamiques ou par frottements. [0062]Par système de conversion d'énergie l'invention entend également plusieurs systèmes « unitaires » tels que décrits ci-dessus, placés en parallèles. 25 [0063]Selon un exemple illustratif, une machine présentant les caractéristiques suivantes peut être mise en oeuvre dans le cadre de l'invention : °C K T2 700 973 T1 30 303,15 RCV = W1/Welec in (%) 85 Rendement de conversion électrique (%) E / C (%) 55 0,55 x T2 / (T2-T1) : Efficacité (%) par rapport à Carnot ampli Ampli Th. 3,21 T2/T1 (exprimés en K) Ampli Réelle 2,89 90% Amphi Th Eta Carnot 0,68 (T2-T1) / T2 1 étage 2 étages W 1 (W) 1000 2890 W 2 (W) 2890 8352 Q 2 (W) 4990 14 423 Welec in (W) 1176 1176 Welec out (W) 2456 7100 Welec use (W) 1280 5923 Welec use (KVA) 1600 7404 75% Welec use (KVA) 2133 9872 E R C (%) 25,65 30,51 Welec use / Q2 = Efficacité Réelle de conversion R Ca (%) 37,70 0,44 Rendement par rapport à Carnot = ERC / Eta Carnot [0064] [0065] A puissance acoustique et à drive ratio (rapport de l'amplitude de pression acoustique sur celle de la pression moyenne de remplissage du fluide de travail du système ) fixés, il devient très intéressant pour diminuer le débit acoustique et donc le diamètre des pistons des systèmes de conversion, de fournir la puissance (ou de récupérer la puissance) acoustique avec des phases entre pression et débit acoustique faibles. A titre d'exemple, la figure 3 montre l'évolution du débit volumique (U1) en fonction de la phase entre pression et débit volumique pour une pression moyenne de 40 bars, un drive ratio de 5% et une puissance de 1000 Watts. En entrée de boucle (pompe à chaleur) ou en sortie de boucle (générateur d'onde), la phase moyenne entre pression et débit est en général comprise entre 86° et 89°. A titre d'exemple, le rapport des débits pour une phase de 87 degrés et une phase de 20 degrés est de 18. Considérant un déplacement et une fréquence identiques dans les deux cas, le rapport des diamètres de piston est de 4,2, ce qui représente une diminution tout à fait significative de la taille de cet élément. [0066] En outre un moyen 35 de déphasage et/ou d'adaptation de fréquence est prévu au niveau du système 30 de rétroaction électrique. L'intérêt d'un tel déphasage est de permettre le contrôle de la phase de l'un des systèmes de conversion vis-à-vis de l'autre et de permettre l'obtention d'un champ acoustique donné au sein de la cellule thermoacoustique. [0067] Pour le démarrage de la machine, on peut prévoir un système additionnel 50 de fourniture de puissance électrique à l'entrée 25 du deuxième système de conversion, ou bien un système de démarrage mécanique. [0068] La figure 4 illustre de façon schématique un autre mode de réalisation de l'invention qui diffère du premier par les apports d'énergie dans la cellule thermoacoustique 1 et donc la finalité de la machine qui fonctionne ici en pompe à chaleur ou réfrigérateur. [0069] Plus précisément au niveau de la cellule thermoacoustique 1, le premier échangeur 2 fonctionne à une température Ti supérieure à la température T2 de fonctionnement du deuxième échangeur de chaleur 3. Ainsi, le premier échangeur 2 rejette une quantité de chaleur Q1', tandis que le deuxième échangeur 3 pompe une quantité de chaleur Q2'. Ce mode de fonctionnement nécessite un apport d'énergie extérieure tel que schématisé par la référence 7 sur la figure 4 ; L'apport d'énergie se fera préférentiellement au niveau du deuxième système de conversion d'énergie 20, par tout moyen disponible aujourd'hui ou dans le futur. [0070]La figure 5 illustre de façon schématique un mode de réalisation de l'invention selon lequel sont associés en série une cellule thermoacoustique 1 réalisant une amplification d'énergie et une cellule thermoacoustique 1 opérant un pompage de chaleur. La partie supérieure du schéma montre la cellule d'amplification tandis que sur la partie inférieure du schéma, c'est une cellule 1 opérant un pompage de chaleur qui est représentée. Les autres éléments constitutifs de l'invention sont bien entendu repérés par les mêmes références que précédemment, avec notamment le premier 10 et le deuxième 20 système de conversion d'énergie qui fonctionnent comme énoncé ci-dessus, ainsi que le circuit 30 de rétroaction électrique. [0071] En fonction des besoins, l'homme de métier pourra donc faire fonctionner la machine thermoacoustique selon l'invention soit comme un générateur d'électricité, soit en pompe à chaleur, soit selon un mode cumulant ces deux modes. Des modifications mineures doivent être apportées afin de dédier la machine à une fonctionnalité ou à une autre, en conservant tous les avantages intrinsèques de la machine, tels que notamment énoncés plus haut. REVENDICATIONS1 Machine thermoacoustique comprenant : • au moins une cellule thermoacoustique (1) située dans une zone de forte impédance adimensionnelle constituée d'une matrice poreuse (4) intercalée entre un premier échangeur de chaleur (2) fonctionnant à une première température Ti et un deuxième échangeur de chaleur (3) fonctionnant à une deuxième température T2 différente de la première température Tl ,et qui permet la réalisation d'un cycle thermodynamique de type Stirling ou Ericsson réalisant un cycle moteur ou de pompage de chaleur, • au moins un premier système de conversion d'énergie (10) disposé au voisinage immédiat de la sortie de la cellule thermoacoustique (1) relativement au sens de propagation de l'énergie acoustique et destiné à transformer l' énergie acoustique produite en sortie de la cellule thermoacoustique (1) en énergie électrique, et éventuellement • un moyen additionnel (50) utilisé pour le démarrage de la machine; • caractérisée en ce qu'elle comprend en outre au moins un deuxième système de conversion d'énergie (20) ayant une sortie (21) reliée à l'entrée de ladite cellule thermoacoustique (1) relativement au sens de propagation de l'énergie acoustique, et une entrée (25); et • un circuit de rétroaction électrique (30) destiné à transférer tout ou partie de l'énergie électrique produite en sortie du premier système de conversion (10), vers l'entrée (25) du deuxième système de conversion (20), les géométries et/ou les caractéristiques mécaniques respectives desdits systèmes de conversion (10, 20) et de la cellule thermoacoustique (1) étant tels que le déphasage entre la pression acoustique et la vitesse acoustique du fluide crée au sein de la cellule thermoacoustique un champ acoustique à caractère progressif. 2. Machine selon la revendication 1 caractérisée en ce que le premier (10) et le deuxième (20) système de conversion d'énergie sont dimensionnés de telle sorte qu'ils résonnent à la fréquence acoustique de travail de la cellule thermoacoustique (1). 3. Machine selon la revendication 1 ou 2 caractérisée en ce que la première température Ti du premier échangeur (2) est inférieure à la deuxième température T2 dudit deuxième échangeur (3) et en ce que l'énergie acoustique est amplifiée entre la sortie (21) du deuxième système de conversion d'énergie et l'entrée (11) du premier système de conversion. 4. Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce que la première température Ti du premier échangeur (2) est supérieure à la deuxième température T2 dudit deuxième échangeur(3), en ce que l'énergie acoustique est consommée entre le deuxième et le premier système de conversion, ce qui permet de réaliser un pompage de chaleur. 5. Machine selon la revendication 4 dépendante de la revendication 1 ou 2 caractérisée en ce qu'elle comprend en outre un moyen d'apport d'énergie (7) couplé au deuxième système de conversion d'énergie (20). 6. Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce que le premier système de conversion d'énergie (10) comprend au moins un premier moyen de mise en mouvement du fluide. 7. Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce que le deuxième système de conversion d'énergie (20) comprend au moins un deuxième moyen de mise en mouvement du fluide. 8. Machine selon l'une quelconque des revendication 6 ou 7 caractérisée en ce que ledit premier et/ou ledit deuxième moyen de mise en mouvement du fluide consiste en un piston (12, 22),et/ou une membrane et/ou un soufflet. 9. Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce que le circuit de rétroaction électrique (30) comprend au moins une liaison électrique. 10. Machine selon la revendication 9 caractérisée en ce que le circuit de rétroaction électrique (30) comprend en outre un moyen de déphasage (35) et/ou d'adaptation de fréquence. 11. Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce que la au moins une cellule thermoacoustique (1) comprend un échangeur additionnel (6) placé au niveau de sa sortie, relativement au sens de propagation de l'énergie acoustique, et destiné à fixer un potentiel de température à l'entrée (11) du premier système de conversion (10). 12. Machine selon la revendication précédente caractérisée en ce que la au moins une cellule thermoacoustique (1) comprend une zone (5) située entre le deuxième échangeur (3) et l'échangeur additionnel (6),et en ce que ladite zone (5) présente une géométrie adaptée à réaliser un tampon thermique entre lesdits éléments (3 ; 6).15