Brevet FR2977273A1 — publié le 20130104

L'invention concerne les machines à vilebrequins dont on cherche à modifier dynamiquement le déphasage angulaire entre les manetons en général. La machine constitue une machine à vilebrequins. La machine constitue une machine à vilebrequins volumétrique. La machine constitue une machine à vilebrequins volumétrique thermique. La machine constitue une machine à. vilebrequins volumétrique thermique à cycle de Stirling tels un moteur, une pompe à chaleur ou une machine cryogémque. On connaît de telles machines, par exemple du document FR 2 846 374 a nom du demandeur, US 4 228 656, US 4 240 256 et G 89141717. IO Dans les machines de l'art antérieur, pour faire varier la puissance de la machine, on peut faire varier la température de la source chaude ou de la source froide, on peut faire varier la pression moyenne soit par variation du volume mort soit par variation de la quantité de fluide de travail. On peut également faire varier la cylindrée c'est-à-dire la course du piston de travail. 15 Un but de l'invention est de faire varier de manière plus simple la puissance dans les machines thermiques à cycle de Stirling. A cet effet, on prévoit selon l'invention une machine à cycle de Stirling, comprenant : - deux pistons ; et , 20 - deux vilebrequins reliés eux pintons, la machine comKenant e nutre un différentiel relié aux deux vilebrequins. Ainsi, ce différentiel, de commande et non de puissance, permet de régler le déphasage sur la maaine. On petit de cette façon faire varier la puissance de la machine 11 s'agit d'une solution simple et compacte. De plus, si la machine est un moteur, 25 l'invention permet de faire varier le sens de rotation. S'il s'agit d'une pompe à chaleur ou d'une machine ctyogénique, l'invention permet de faire varier le sens des flux thermiques de sorte que la pompe à chaleur devient une machine cryogénique ou inversement. La machine selon l'invention pourra présenter en outre au moins l'une quelconque des caractéristiques suivantes : 30 - elle comprend un moteur ou une manivelle de commande de positionnement de la cage du différentiel ; - le moteur est électrique ; - le moteur est alimenté en courant depuis l'extérieur de la machine ; - elle comprend un capteur de pos[ion de la cage du différentiel ; - le différentiel comprend au moins un pignon conique satellite relié d'une part à un premier pignon conique planétaire des vilebrequins et d'autre part à un deuxième pignon conique planétaire des vilebrequins ; - le différentiel comprend une couronne dentée à l'extérieur de sa cage ; - la machine constitue un moteur, une pompe à chaleur ou une machine cryogénique ; D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront encore dans la description suivante d'un mode préféré de réalisation et de variantes donnés à titre 10 d'exemples non limitatifs en référence aux dessins annexés sur lesquels - les figures 1 â 3 sont trois schémas présentant différents types de machines Stirling auxquels l'invention est applicable - ~.la figure 4 est une vue d'ensemble des vilebrequins et du carter de différentiel dans u fi mode de réalisation de la, machine selon l'invention ; la figure 5 montre en élévation et de coté . dcf~Ee entes positions des vilebrequins dans la machine de la figure 4 ; a figure 6 présente différentes confiera fions possibles peur les cinématiques de la machine de la figure 4 ; - la figure 7 montre un schéma eânématique de détail selon un . premier mode de 20 réalisation de la machine de la figure 4 ; - la figure 8 montre un schéma emeinatiqu:e de détail selon un second mode de réalisation de la machine de la figure 4 ; es figures 9 à 13 montrent de maniére noir exhaustive des différentiels avec arbre porte-satellites selon différents modes de réalisation de la commande du positionnement de la 25 cage dudit différentiel - la figure 9 comprend une couronne droite entraînée par un pignon droit inu par un moteur ; la figure 10 comprend une couronne' onique entraînée par un pignon unique mu par un moteur ; 30 - la figure Il comprend une couronne gauche entraînée par une vis sans fin mile par un moteur ; la figure 12 comprend une couronne droite entraînée par un pignon droit solidage d'un arbre lié à un pignon gauche entraîné par une vis sans fin mue par un moteur ; - la figure 13 comprend une couronne conique entraînée par un pignon conique solidaire d'un arbre lié à un pignon gauche entraîné par une vis sans fin mue par un moteur. - la figure 14 comprend un différentiel avec couronne dentée mais sans moyen de mise en mouvement_ Dans les figures 11 à 13, on a ajouté la vis sans fin dans le mécanisme de positionnement de la cage car elle permet d'abord une démultiplication et donc l'utilisation d'un petit moteur et ensuite une irréversibilité c'est-à-dire que la cage ne peut pas entraîner la vis sans fm. On a ainsi un système de positionnement de la cage efficace. Les figures 1 à 3 montrent trois configurations différentes de machines thermiques à cycle Stirling auxquelles l'invention est applicable_ Ces configurations sont connues en elles-mêmes et ne seront pas ici détaillées. Il s'agit respectivement d'une machine Stirling à déplacement de deux pistons (figure 1), d'une machine de Rider (figure 2) et d'une machine de Franehot (figure 3). L.a. machine qui est décrite ci-après suivant un premier mode de réalisation notamment à.la figure 7 est du type de Rider et suivant un deuxième mode de réalisation notamment à la figure S est du type de Franchot faisant l'objet du document FIS-2846374 précité auquel on renvoie pour de plus amples détails Les machines de Stirling en général peuvent être décrites, celles de Rider et de Franchot sont des modes de réalisation particuliers. Suivant un premier mode de réalisation notamment à la figure 7, la machine est du type oie Rider. Cette machine comprend en particulier deux pistons cylindriques de travail 10,20 animés d'un mouvement de va-et-vient reliés par deux tiges 31,41 à deux pistons-crosses 30,40 'eux-mêmes reliés par des bielles 9,1.9 à des manetons compris dans les pivots 6,12 de premier et deuxième vilebrequins 2,3. Chaque système bielle-manivelle pourra être du type illustré aux parties 6c et 6d de la figure 6 dans lequel une simple bielle relie un piston-crosse au maneton, une tige reliant le piston de travail au piston-crosse. Les premier et second vilebrequins 2,3 sont soutenus par les pivots 51,52. Le second vilebrequin 3 se prolonge par un volant d'inertie 99 animé d'un mouvement de rotation continue. Les pistons cylindriques de travail 10,20 vont et viennent respectivement dans des cylindres de détente 33 et de compression 43. L'étanchéité est assurée par les joints 32 et 42. Les cylindres de détente et de compression sont mis en relation par un réchauffeur 34, un régénérateur 35 et un refroidisseur 36. L'objet principal de l'invention, commun aux deux modes de réalisation, le mécanisme de positionnement de 1a cage du différentiel, qui se situe entre les vilebrequins 2 et 3, sera décrit ultérieurement. Suivant un deuxième mode de réalisation notamment à la figure 8, la machine est du type de Franchot faisant l'objet du document FR 2846374 précité auquel on renvoie pour de plus amples détails. Cette machine compte; particulier des pistons prismatiques oscillants de travail 81,84 animés d'un mouvement de: natation alternatif dans des chambres associées de dente et de compression 83,82 en forme de secteur angulaire dont l'étanchéité externe est assurée par les joints 90,91 pour le piston de travail de détente 81 et les joints 92,93 pour le piston de travail de compression M. Les paliers sont constitués de deux arbres 95,96 prenant appui sur les pivots 50 et 60 pour le piston de travail de détente 81 et de deux autres arbres 97,98 prenanï appui sur les pivots 70 et 80 pour le piston de travail de compression 84. Les deux chambres de détente de part et d'autre du piston de tral 81 et les deux chambres de compression de part et d'autre du piston de travail 84 sont reliées deux à deux par les échangeurs de chaleur c'est-à-dire un réchauffeur, un régénérateur et un refroidisseur, non représentés sur la figure 8. Une chambre de détente est reliée à une chambre ion via les échangeurs de chaleur grâce aux tuyaux 55 et 56 d'une part et grâce aux tuyaux pat-allèles aux tuyaux 55 et 56 non représentés sur la figure 8 d'autre part. La machine est dotée pour transformer le mouvement de rotation alternative des pistons prismatiques de travail 81 et 84 en mouvement de rotation continue du volant d'inertie 99 des mécanismes bielles-manivelles 6a et 6b de la figure 6. Le piston prismaüque 81, les arbres 95 et 96, le bras 62 sont en liaison complète. Ils sont supportés par les pivots 50 et 60. La bielle 7 a deux pivots 30 et 6 à ses extrémités. L'excentrique 5 est supporté par le pivot 51 et est en liaison ecsmplète avec le vilebrequin 2. De même, le piston prismatique 84, les arbres 97 et 98, le bras 63 sont en liaison complète. Ils sont supportés par les pivots 70 et 84. La bielle 17 a deux pivots 31 et 12 à ses extrémités. L'excentrique 4 est supporté par le pivot 52 et est en liaison complète avec le vilebrequin 3. L'objet principal de l'inve ion, commun aux deux modes de réalisation, le carter de différentiel 1, figure 4, contenant le différentiel 777, figure 14, qui se situe entre les vilebrequins 2 et 3, va être décrit maintenant_ On se réfcre aux figures 7 et 8. La position de l'un des manetons par rapport à l'autre maneton est le déphasage que l'on cherche ici à régler. L'excentrique 5 est lié à un maneton et est porté en son centre par l'arbre 2 à une extrémité de ce dernier, lequel porte à son autre extrémité un pignon corn un pivot 702. L'excentrique 4 est lié à un autre maneton et est porté en son centre par l'arbre 3 à une extrémité de ce dernier, lequel porte à son autre extrémité un pignon conique soutenu par un pivot 704. Les quatre couples pignons co ques-p' ots à savoir 741, 702, 703 et 704, constituent 1a partie principale du différentiel. Tous sont mobiles dans la cage de différentiel 700. C'est elle dont on fait varier la position angulaire à l'aide de la couronne gauche 710 mue par la vis sans fin 116 animé La description du différentiel avec similaire à celui sans arbre porte-s tees ruais compact. On remarque les changements de notation suivants entre le différentiel sans arbre porte-satellites (figures 7, 8 et 14) et le différentiel avec arbre porte-satellites (figures 9 à 13) . - la cage 700 devi e 500 - un arbre porte-satellites 804 - les pignons coniques pots 701 et 703 deviennent pignons coniques satellites 801 et 802 - les pignons coniques planétaires prolongeant les pivots 702 et 704 deviennent 25 pivots-pignons coniques planétaires 803 et 804 Le fonctionnement général du système de variation de puissance par réglage du déphasage entre manetons du vilebrequin est donné ci-après en se référant à la figure 4 et aux figures 7 et 8. Le capteur de position de la cage du différentiel compote des éléments 711 et 712 30 sont représentés figures 7 et 8. Sur la figure 4, le carter de différentiel 1 comprend le système différentiel déjà décrit commandant le déphasage entre les manetons compris dans les pivots 6 et 12. Le boîtier de commande de la position de la cage du différentiel 700 (figure 7 et 8) ou 500 l 115. lites est donnée ci-agrès. Il est e moins de pièces et est plus (figure 9 à 13) permet à l'aide d'un bouton tamisant par exemple d'envoyer un signal de consigne via les fils électriques isolés 330 et 340, vers le boîtier du calculateur 300. Le boîtier du calculateur 300 est alimenté en électricité par le boîtier d'alimentation 200 via les fils électriques isolés 310 et 320. Un signal émanant des capteurs 711 et 712 arrive par les fils électriques isolés 370 et 380 et renseigne lé calculateur sur la position réelle de la cage du différentiel. Par un asservissement automatique classique, signal de position et signal de consigne sont comparés par le calculateur et un signal effecteur est transmis au moteur 115 via les fils électriques isolés 350 et 360. La position de la cage du différentiel change jusqu'à ce que signal de consigne et signal de capteur soient égaux. La nouvelle position de la cage du différentiel définit un nouveau déphasage angulaire entre manetons compris dans les pivots 6 et 12 et donc une nouvelle puissance dans le cas d'une machine thermique à cycle de Stirling. 20 25 30 REVENDICATIONS1. Machine à vilebrequins, comprenant : - deux manetons compris dans deux pivots (6,12) ; et - deux vilebrequins (2,3) reliés aux pives (6,12), caractérisée en ce qu'elle comprend un carter de différentiel (1) comprenant un différentiel (777) composé d'une couronne dentée (710), d'une cage de différentiel (700), de deux pignons coniques planétaires respectifs (702,704) reliés aux deux vilebrequins respectifs (2,3) et d'un, voire deux, pignons satellites (701,703), ladite couronne dentée (710) étant dotée d'un moyen de mise en mouvement dudit différentiel et constituant l'organe de commande du déphasage angulaire entre manetons compris dans les pivots respectifs (6,12) des vilebrequins respectifs (2,3). 2. Machine selon la revendication précédente, caractérisée en ce qu'elle comprend un moyen de mise en mouvement du différentiel, par exemple un moteur (115) ledit moteur étant doté d'un pignon ou d'une vis sans fin, ledit pignon ou ladite vis sans fin formant engrenage avec la couronne dentée (710). 3. Machine selon la revendication précédente, caractérisée en ce que le moteur (115) est électrique et est asservi en fonction de la position de ia cage du différentiel (700) et de la consigne donnée par le boîtier de commande (100) pour délivrer un signal de commande au moteur (115). 4. Machine selon la revendication précédente caractérisée en ce qu'un boîtier d'alimentation électrique (200) alimente en courant électrique un calculateur (300), lequel calculateur (300) alimente en courant électrique à son tour un capteur de position (712) compris dans la cage du différentiel (700), le boUier de commande (100) et le moteur électrique (115). 5. Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle constitue une machine à vilebrequins. 6. Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en cequ'elle constitue une machine à vilebrequins volumétrique. 7. Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle constitue une machine à vilebrequins volumétrique thermique. 8. Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle constitue une machine à vilebrequins volumétrique thermique à cycle de Stirling tels un moteur, une pompe à chaleur ou une machine cryogénique.10