Brevet FR3032489A1 — publié le 20160812

Dispositif de refroidissement pour générateur électromagnétique, générateur comprenant un tel dispositif et système comprenant un tel générateur L'invention concerne un dispositif de refroidissement pour générateur électromagnétique. L'invention concerne aussi un générateur électromagnétique comprenant un tel dispositif de refroidissement. L'invention concerne encore un système mettant en oeuvre un cycle thermodynamique de Rankine comprenant un tel générateur. Dans le domaine des générateurs électriques, notamment des générateurs électromagnétiques, il est connu de prévoir un stator et un rotor, dont l'un est mobile en rotation par rapport à l'autre. Il est connu aussi de prévoir de limiter les variations de température trop brutales du générateur. Ainsi, il a été proposé de refroidir de tels générateurs électromagnétiques à l'aide de fluides de refroidissement qui circulent à l'intérieur du stator. Cependant, les générateurs électromagnétiques connus ne présentent pas de circuits de refroidissement du rotor, ou alors il s'agit de circuits complexes d'amenée et de sortie de liquide, ou de gaz, qui alourdissent la structure des générateurs électromagnétiques concernés. Un but de la présente invention est de prévoir un dispositif de refroidissement pour générateur électromagnétique structurellement simple. Ainsi, l'invention concerne un dispositif de refroidissement pour générateur électromagnétique, ledit générateur comprenant un stator et un rotor, ledit dispositif comprenant une cavité formée dans un corps destiné à faire partie dudit rotor, ladite cavité étant destiné à recevoir un fluide. Selon l'invention, ledit dispositif est conçu pour créer un film dudit fluide dans son état liquide, dans ladite cavité, sous l'effet d'une force centrifuge existante lorsque le rotor est animé d'un mouvement de rotation par rapport audit stator, ledit dispositif étant en outre conçu pour permettre une évacuation dudit fluide dans son état gazeux vers l'extérieur de la cavité. 3032489 2 Le dispositif de l'invention est un dispositif de refroidissement d'un générateur électromagnétique qui utilise une cavité pour retenir un film de fluide à l'état liquide. Ce film de fluide absorbe la chaleur produite par le rotor jusqu'à changer de phase. 5 La vaporisation dudit fluide participe au refroidissement dudit générateur. De plus, le fluide, une fois vaporisé, peut être facilement évacué. Le dispositif de refroidissement selon l'invention présente donc l'avantage d'être particulièrement efficace car reposant sur un refroidissement par changement de phase, qui plus est avec structure simple. 10 Selon différents modes de réalisation de l'invention, qui pourront être pris ensemble ou séparément : - ladite cavité comprend une paire de parois arrangées pour retenir le film du fluide à l'état liquide, 15 - le dispositif de l'invention comprend, en outre, un moyen d'injection dudit fluide à l'état liquide au niveau de ladite cavité, - le dispositif de l'invention comprend en outre une bague, ladite bague étant configurée pour bloquer tout dégagement gazeux du côté dudit moyen d'injection, 20 - ledit moyen d'injection et un canal d'évacuation sont opposés par rapport à la cavité. L'invention concerne aussi un générateur électromagnétique, ledit générateur comprenant un dispositif de refroidissement tel que décrit ci-dessus. 25 Selon différents modes de réalisation de l'invention, qui pourront être pris ensemble ou séparément : - le générateur de l'invention est destiné à être intégré à un système mettant en oeuvre un cycle thermodynamique, ledit système étant apte à 30 faire circuler un fluide de travail, - le rotor comprend un arbre, formé dudit corps, et sur lequel est monté un élément électromagnétique, - ledit arbre présente une direction principale d'extension longitudinale, dit axe principal, 3032489 3 - l'élément électromagnétique est un enroulement électromagnétique, - la cavité du dispositif de refroidissement est positionnée entre ledit enroulement électromagnétique et ledit arbre, - ladite cavité s'étend longitudinalement le long dudit enroulement 5 électromagnétique, dans la direction dudit axe principal, - un fond de ladite cavité est en contact avec au moins une partie dudit enroulement électromagnétique, - le générateur de l'invention comprend en outre un circuit configuré pour refroidir le stator par circulation dudit fluide, ledit générateur étant 10 configuré pour que ledit fluide entre à l'état liquide dans ledit circuit et en sorte à l'état gazeux. L'invention concerne encore un système mettant en oeuvre un cycle thermodynamique de Rankine comprenant un générateur tel que décrit ci-dessus, et 15 un fluide de travail. Selon différents modes de réalisation de l'invention, qui pourront être pris ensemble ou séparément : - le dispositif de refroidissement est configuré pour fonctionner avec un 20 fluide de travail, - le fluide de travail du dispositif de refroidissement est le même que le fluide de travail circulant au sein dudit système. 25 L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, détails, caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative détaillée qui va suivre, d'au moins un mode de réalisation de l'invention donné à titre d'exemple purement illustratif et non limitatif, en référence aux dessins schématiques annexés parmi lesquels : 30 - la figure 1 est une vue schématique en coupe, partielle, d'un exemple de réalisation d'un générateur selon l'invention, - la figure 2 est une vue schématique en coupe du même exemple de réalisation que celui de la figure 1, ledit générateur étant représenté baigné de fluide. 3032489 4 Comme illustré sur la figure 1, l'invention concerne un dispositif de refroidissement pour générateur électromagnétique 10, ledit générateur comprenant un stator 20 et un rotor 30 électromagnétiques. Sur la figure 1, le stator 20 est 5 partiellement représenté. Il entoure ici le rotor 30 qui est la partie mobile du générateur 10. Le rotor 30 comprend un corps, formant un arbre 31, qui est avant tout représenté par sa partie utile. On entend par « partie utile », la partie apte à participer à la génération de courant électrique du générateur électromagnétique 10 ; 10 autrement dit, la partie qui porte un élément électromagnétique 32. Encore autrement dit, la partie de l'arbre 31 portant les montages de roulement qui permettent la mobilité en rotation du rotor 30 n'est que partiellement illustrée ici. L'entrainement dudit rotor 30 n'est pas illustré non plus. Cependant, il est à noter que le rotor 30 pourra être entrainé par toute force motrice provenant d'une 15 transformation d'énergie solaire, éolienne, marémotrice, voire nucléaire, fournissant un couple moteur, soit directement, soit par l'intermédiaire d'une turbine. Le rotor 30 pourra aussi être entraîné par la détente d'un gaz, notamment au sein d'un système mettant en oeuvre un cycle thermodynamique, par exemple un cycle dit de Rankine. 20 Le dispositif comprend donc un élément électromagnétique 32 monté sur l'arbre 31 du rotor 30. Ledit élément électromagnétique 32 pourra être un aimant permanent. Ledit élément électromagnétique 32 est, ici, un enroulement électromagnétique. Il pourra être de toute autre forme, tel qu'un rotor à cage, ceci sans sortir du cadre de l'invention. 25 De plus, comme cela est visible sur la figure 1, le dispositif de l'invention comprend une cavité 33. Ladite cavité 33 est ici positionnée entre l'enroulement électromagnétique 32 et l'arbre 31. Il est à noter que ledit arbre 31 présente une direction principale d'extension longitudinale, dit axe principal, qui est référencé X sur les figures 1 et 2. 30 A ce propos, ladite cavité 33 s'étend longitudinalement le long de l'enroulement électromagnétique 32, dans la direction dudit axe principal X. Plus précisément, un fond 34 de ladite cavité 33 est en contact avec au moins une partie dudit enroulement électromagnétique 32. Cependant, la cavité 33 n'est pas 3032489 5 constituée, ici, par la seule zone munie du fond 34 en contact avec l'enroulement électromagnétique 32. En effet, la cavité 33 comprend en outre une paire de parois 35, 36 disposées latéralement et arrangées pour retenir un fluide à l'état liquide. 5 Les parois 35, 36 formant la cavité 33 sont des rebords formés dans ledit arbre 31, des excroissances de matière dudit arbre 31, voire des éléments en porte-à-faux sur ledit arbre 31. Il est à noter que tout élément faisant saillie à partir de la surface, notamment lisse, de l'arbre 31 et permettant la retenue d'un film de fluide à 10 l'état liquide est compris dans l'invention. Ainsi, l'exemple illustré et décrit ici n'est pas limitatif. Autrement dit, les parois 35, 36 sont avantageusement configurées de manière à laisser stagner une portion de fluide à l'état liquide dans la cavité 33 qu'elles délimitent, notamment sous l'action de la force centrifuge que subit la partie 15 tournante du générateur électromagnétique 10. Lesdites parois 35, 36 sont avantageusement configurées pour ne laisser s'échapper ladite portion de fluide de ladite cavité 33 ainsi délimitée que par vaporisation. Ici, la cavité 33 est formée par la zone munie du fond 34 en contact avec 20 l'enroulement électromagnétique 32, mais aussi par une autre zone, située au niveau d'un bloc d'admission 40 du liquide dans ladite cavité 33. Ledit bloc d'admission 40 comprend un moyen d'injection dudit fluide à l'état liquide, appelé canne d'admission 41 dans la suite. Cette canne d'admission 41 est montée fixe par rapport au stator 20, notamment par rapport au carter 21 dudit stator 25 20 ; c'est un tuyau d'amenée de liquide dans la cavité 33. Le bloc d'amission 40 est donc composé d'une partie fixe par rapport au stator 20 - ladite canne d'admission 41, et d'une partie fixe par rapport au rotor 30. Ladite partie fixe par rapport au rotor 30 est une bague annulaire fixée au rotor 30 et repérée 42 sur les figures. Ladite bague annulaire 42 sera réalisée en matériau imperméable aux liquides ; c'est cette 30 bague annulaire 42 qui forme, ici, une desdites parois 36 de la cavité 33. Ainsi, la cavité 33 est destinée à recevoir un fluide à l'état liquide. Comme illustré à la figure 2, ledit dispositif est conçu pour créer un film 51 dudit fluide, dans ladite cavité 33, en particulier au niveau de la zone munie dudit 3032489 6 fond 34, notamment sous l'effet d'une force centrifuge existante lorsque le rotor 30 est animé d'un mouvement de rotation par rapport au stator 20. Ledit dispositif comprend en outre un ou plusieurs canaux d'évacuation 38 dudit fluide vers l'extérieur de la cavité 33, ledit fluide étant évacué via le ou les canaux 38 à l'état 5 gazeux. Par opposition auxdits canaux d'évacuation 38, le dispositif de l'invention comprend un ou plusieurs canaux d'amenée 37 de fluide, à l'état liquide, entre ledit bloc d'admission 40 et la partie de la cavité 33 qui est formée à l'intérieur de l'arbre 31, à savoir la zone munie du fond 34 en contact avec l'enroulement 10 électromagnétique 32. Ces canaux d'amenée 37 de fluide à l'état liquide sont ici considérés comme appartenant à la cavité 33 car situé entre les deux parois 35, 36. Lesdits canaux 37, 38 d'amenée et d'évacuation des fluides sont, par exemple, distribués angulairement autour de l'axe principal X. 15 Le film de fluide 51 créé dans la cavité 33, tel qu'illustré sur la figure 2, participe à l'absorption de la chaleur produite par la rotation du rotor 30 à l'intérieur du stator 20. En effet, sa vaporisation permet le refroidissement dudit générateur, notamment au niveau de la partie mobile 30 dudit générateur 10. En outre, la faible 20 épaisseur de fluide à l'état liquide, due à sa configuration en film, facilite sa montée en température et donc l'atteinte de son point de vaporisation. Le film 51 du fluide à l'état liquide reste plaqué, ou stagnant, à l'intérieur de la cavité 33. Ladite zone munie du fond 34 est configurée pour que ledit film 51 présente une surface libre par laquelle le fluide se vaporise. 25 Le fluide, une fois vaporisé, est évacué par les canaux d'évacuation 38 qui sont des canaux d'évacuation des gaz (voire flèches 52 sur la figure 2). Il est à noter que lesdits canaux d'évacuation 38 sont prévus plus proches de l'axe principal X que les canaux d'amenée 37. Il est aussi à noter que le fluide, une fois vaporisé, présente une masse 30 volumique environ 100 fois inférieure à la masse volumique du même fluide à l'état liquide. Ceci participe avantageusement à l'évacuation mécanique du fluide vaporisé, sans aide extérieure, si ce n'est une simple différence de pression, c'est-à-dire sans moyen interne dédié à la circulation dudit fluide. 3032489 7 Il est à noter, encore, que la chaleur absorbée par cette vaporisation est supérieure à la chaleur absorbée par le réchauffage d'un gaz qui circulerait au même endroit. Cela signifie aussi que le débit de fluide liquide au niveau du bloc d'admission 40 peut être faible, ce qui participe à augmenter le rendement global du 5 générateur électromagnétique 10. Ainsi, la canne d'admission 41 est un tuyau d'amenée de liquide qui n'est pas surdimensionné. De plus, il n'est pas nécessaire de prévoir une pompe pour l'amenée de fluide à l'état liquide dans ladite canne d'admission car le débit à délivrer vers la cavité 33 reste faible. 10 D'autre part, l'injection de fluide liquide par la canne d'admission 41 pourra avantageusement être asservie, par exemple par un capteur de débordement situé au niveau de purges de liquide positionnées proche des roulements (détails non représentés ici). 15 Ainsi, le dispositif de l'invention propose un refroidissement du générateur électromagnétique 10, ceci à l'aide d'un arrangement simple, notamment un arrangement de canaux d'amenée 37 et d'évacuation 38 d'un fluide, lesdits canaux étant portés par le rotor 30 dudit générateur 10. 20 Il est à noter que le dispositif de l'invention comprendra avantageusement une bague 43, positionnée du côté de ladite canne d'admission 41, ladite bague 43 étant configurée pour bloquer tout dégagement gazeux. Ainsi, ladite bague 43 bloque les éventuelles fuites gazeuses du côté du bloc d'admission 40, notamment en cas de fuite de gaz à travers le canal d'amenée 37 de fluide à l'état liquide. 25 D'autre part, il est à noter que le bloc d'admission 40 est avantageusement opposé au canal d'évacuation 38 du dispositif de refroidissement, le long dudit axe principal X, par rapport à ladite cavité 33. 30 Il est à noter, aussi, que le générateur électromagnétique 10 de l'invention est destiné à être intégré à un système mettant en oeuvre un cycle thermodynamique, ledit système étant apte à faire circuler un fluide de travail (système non illustré ici). 3032489 8 Ledit système pourra avantageusement mettre en oeuvre tout cycle thermodynamique sans sortir du cadre de l'invention, notamment le cycle thermodynamique dit de Rankine. 5 Il est à noter encore que le générateur 10 comprend aussi un circuit 22 configuré pour refroidir le stator 20 par circulation de fluide, ledit fluide entrant à l'état liquide (entrée repérée 23 sur la figure 2) dans ledit circuit de refroidissement 22 et en sortant à l'état gazeux (sortie 24 sur la figure 3). L'entrée 23 et la sortie 24 sont pratiquées directement dans un carter 21 du stator 20. 10 L'injection de fluide dans ledit circuit de refroidissement 22 pourra être asservie, notamment en hauteur de fluide à l'état liquide. Il est à noter également que le fluide utilisé pour refroidir le générateur électromagnétique 10 - au niveau du stator 20 comme au niveau du rotor 30 - 15 pourra être un fluide de travail, notamment le même fluide de travail que celui qui est apte à circuler au sein dudit système mettant en oeuvre un cycle thermodynamique tel qu'évoqué ci-dessus. Comme déjà dit, le dispositif de refroidissement selon l'invention trouvera 20 une application particulière pour le refroidissement de générateurs électromagnétiques intégrés à des systèmes mettant en oeuvre le cycle thermodynamique de Rankine. Ledit dispositif pourra tout aussi bien être intégré à des générateurs de pompes à chaleur sans sortir du cadre de l'invention, le dispositif de refroidissement décrit ci-dessus servant alors à refroidir un moteur électrique. 25 Il est aussi à noter que des variantes de réalisation sont bien sûr possibles. Notamment il est aussi envisageable, dans un exemple de réalisation non illustré ici, que le rotor tourne autour du stator, ceci sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS1. Dispositif de refroidissement pour générateur électromagnétique (10), ledit générateur (10) comprenant un stator (20) et un rotor (30), ledit dispositif comprenant une cavité (33) formée dans un corps (31) destiné à faire partie dudit rotor (30), ladite cavité (33) étant destiné à recevoir un fluide, ledit dispositif étant conçu pour créer un film (51) dudit fluide dans son état liquide, dans ladite cavité (33), sous l'effet d'une force centrifuge existante lorsque le rotor (30) est animé d'un mouvement de rotation par rapport audit stator (20), ledit dispositif étant en outre conçu pour permettre une évacuation dudit fluide dans son état gazeux vers l'extérieur de la cavité (33). 2. Dispositif de refroidissement selon la revendication précédente, dans lequel ladite cavité (33) comprend une paire de parois (35, 36) arrangées pour retenir le film (51) du fluide à l'état liquide. 3. Dispositif de refroidissement selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, comprenant en outre un moyen d'injection (41) dudit fluide à l'état liquide au niveau de ladite cavité (33). 4. Dispositif de refroidissement selon la revendication précédente, comprenant en outre une bague (43), ladite bague (43) étant configurée pour bloquer tout dégagement gazeux du côté dudit moyen d'injection (41). 5. Dispositif de refroidissement selon l'une quelconque des revendications 3 ou 4, dans lequel ledit moyen d'injection (41) et un canal d'évacuation (38) sont opposés par rapport à la cavité (33). 6. Générateur électromagnétique (10) comprenant un stator (20) et un rotor (30), ledit générateur (10) comprenant un dispositif de refroidissement selon l'une quelconque des revendications précédentes, ledit corps (31) faisant partie dudit rotor (30). 3032489 10 7. Générateur électromagnétique (10) selon la revendication précédente, dans lequel le rotor (30) comprend un arbre, formé dudit corps (31), et sur lequel est monté un élément électromagnétique (32), ledit arbre (31) présentant une 5 direction principale d'extension longitudinale, dit axe principal (X). 8. Générateur électromagnétique (10) selon la revendication précédente, dans lequel l'élément électromagnétique (32) est un enroulement électromagnétique. 10 9. Générateur électromagnétique (10) selon la revendication précédente, dans lequel la cavité (33) du dispositif de refroidissement est positionnée entre ledit enroulement électromagnétique (32) et ledit arbre (31). 15 10.Générateur électromagnétique (10) selon la revendication précédente, dans lequel ladite cavité (33) s'étend longitudinalement le long dudit enroulement électromagnétique (32), dans la direction dudit axe principal (X). 11. Générateur électromagnétique (10) selon la revendication précédente, dans 20 lequel un fond (34) de ladite cavité (33) est en contact avec au moins une partie dudit enroulement électromagnétique (32). 12.Générateur électromagnétique (10) selon l'une quelconque des revendications 6 à 11, comprenant en outre un circuit (22) configuré pour refroidir le stator 25 (20) par circulation dudit fluide, ledit générateur (10) étant configuré pour que ledit fluide entre à l'état liquide dans ledit circuit et en sorte à l'état gazeux. 13.Système mettant en oeuvre un cycle thermodynamique de Rankine comprenant un générateur (10) selon l'une quelconque des revendications 6 à 30 12, et un fluide de travail. 14.Système selon la revendication précédente, dans lequel le dispositif de refroidissement est configuré pour fonctionner avec un fluide de travail. 3032489 11 15. Système selon la revendication précédente, dans lequel le fluide de travail du dispositif de refroidissement est le même que le fluide de travail circulant au sein dudit système.