Brevet FR3038934A1 — publié le 20170120

Machine de compression et de détente Domaine de l'invention L'invention concerne une machine de compression et de détente de type ciseaux destinée à être utilisée, en particulier, dans un système de récupération d'énergie thermique, faisant travailler un fluide pour valoriser les pertes thermiques d'un moteur, par exemple à l'échappement ou sur toute autre source chaude. Plusieurs types de systèmes utilisant un fluide de travail chauffé par cette source chaude ont été envisagés. Dans tous les cas, le fluide effectue un cycle au cours duquel il doit être pompé ou comprimé pour entrer dans un échangeur avant de pouvoir, ensuite, fournir de l'énergie mécanique par une détente. Etat de la technique Ce type de machine de compression et de détente, appelée communément machine ciseaux, comporte classiquement : - une partie cinématique avec un carter définissant une chambre de révolution autour d'un axe de symétrie et divisant la chambre en cellules tournant avec les pistons. La forme de la machine ciseaux peut être toroïdale. Dans ce cas, la chambre de travail aura la forme d'un tore et les pistons seront sous forme de portions de tore. La forme toroïdale est avantageusement compacte. - une partie de coordination du mouvement desdits pistons. Lors d'un tour de rotation, chaque cellule effectue au moins un premier cycle d'expansion/contraction correspondant à une étape de compression d'un premier flux de gaz passant par cette cellule et au moins au deuxième cycle d'expansion/contraction correspondant à une étape de détente d'un deuxième flux de gaz passant par cette cellule. Le document US7730869 divulgue un exemple de machine ciseaux. La chambre de travail est constituée de trois parties, à savoir une partie centrale fixe et deux parties tournantes similaires sur lesquelles sont fixés les pistons. Un système d'engrenages est mis en place de chaque côté du carter pour coordonner le mouvement des pistons. Dans cet exemple, chaque partie tournante se compose d'un demi-carter formant la moitié de la chambre de travail, et dans laquelle se trouvent la moitié des pistons. Le carter est ainsi mobile en rotation, et l'étanchéité est complexe à réaliser sur la périphérie 3038934 2 extérieure entre chaque moitié de carter et la partie centrale fixe, et encore plus difficile à réaliser sur la périphérie intérieure au niveau du plan de jonction au centre entre les deux moitiés de carter. Ce type de machine rencontre des problèmes de fuite, de frottements élevés, et 5 également de risques d'accident en cas de contact avec un autre objet (du type sac de plastique, papier) ou si une personne pose sa main sur la partie tournante. Une enveloppe de protection est alors nécessaire pour homologuer la machine. Par ailleurs, cette machine est encombrante puisqu'elle oblige à démultiplier les pièces, avec deux systèmes d'engrenages de chaque côté du carter. La fixation des pistons 10 est également complexe à réaliser dans les parties tournantes. La présente invention remédie à ces inconvénients, en proposant une structure simple de la partie cinématique de la machine, simplifiant par la même occasion la partie de coordination du mouvement des pistons. 15 Résumé de l'invention A cet effet, l'invention concerne une machine de compression et de détente comportant une chambre de travail avec des pistons et un système de coordination du mouvement des pistons, ladite chambre de travail comprenant une pluralité de cellules 20 tournantes, chaque cellule étant définie d'une part par un carter externe fixe, et d'autre part par un système cinématique interne mobile composé au moins d'une paire de pistons et d'un arbre de rotation portant cette paire de pistons. L'idée de l'invention consiste ainsi inverser les parties tournantes et fixes des 25 éléments par rapport aux machines de l'art antérieur. Ainsi le carter est fixe, et les pièces situées à l'intérieur du carter sont mobiles. Selon différents modes de réalisation de l'invention qui pourront être pris ensemble ou séparément : 30 la chambre de travail présente une forme de révolution autour d'un axe de symétrie X, l'arbre de rotation du système cinématique interne mobile étant concentrique avec cet axe de symétrie X. le système cinématique mobile comprend deux arbres de rotation comportant chacun au moins une paire de pistons, divisant la chambre en cellules tournant 35 avec les pistons. chaque piston a la forme d'une portion de circonvolution de la chambre de travail. la chambre de travail a la forme d'un tore de section rectangulaire. 3038934 3 la chambre de travail a la forme d'un tore de section ovoïdale. la chambre de travail a la forme d'un tore de section circulaire. le carter se compose d'au moins deux demi-coques fixées l'une à l'autre : au total, la chambre de travail est définie uniquement par quatre pièces, à savoir les 5 deux demi-coques et les deux arbres équipés des pistons. les demi-coques présentent des ouvertures pour l'admission et le rejet de l'air dans la chambre de travail. chaque demi-coques présente un orifice accueillant une extrémité de la partie interne mobile. 10 chaque arbre de rotation comporte une excroissance de révolution autour d'un tronçon de l'arbre, sur laquelle sont fixés des pistons, et dont la forme extérieure épouse la forme des pistons. les arbres s'emboîtent l'un dans l'autre. lorsque les arbres sont emboîtés, leurs excroissances sont positionnées en 15 contact et symétriquement l'une de l'autre. la machine comporte des moyens d'étanchéité entre les deux demi-coques. la machine comporte des moyens d'étanchéité entre les arbres ; l'excroissance ménagée sur chacun des arbres peut être partie intégrante de l'arbre, l'arbre et l'excroissance étant ainsi monobloc ; 20 l'excroissance ménagée sur chacun des arbres peut être une pièce rapportée à l'arbre, l'arbre et l'excroissance n'étant ainsi pas monobloc ; Avec une telle construction du système cinématique, il n'est pas nécessaire de disposer un système d'engrenages de part et d'autre du carter pour la coordination des 25 pistons. En effet, les deux arbres étant reliés et sortants tous les deux des deux côtés du carter, un seul système d'engrenages est nécessaire sur l'un des côtés au choix du carter. Présentation des figures L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, détails, caractéristiques et 30 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. Sur ces dessins : 35 - la figure 1 présente schématiquement l'installation d'un système selon l'invention pour valoriser l'énergie des gaz d'échappement d'un moteur thermique ; 3038934 4 la figure 2 présente schématiquement le fonctionnement d'une machine ciseaux à pistons selon l'invention dans un système de récupération d'énergie ; les figures 3 et 4 sont des vues éclatées en perspective du système cinématique d'une machine ciseaux selon l'invention ; 5 la figure 5 est une vue en coupe du système cinématique d'une machine ciseaux en référence aux figures 3 et 4. Description détaillée 10 L'invention concerne des pistons prévus pour une machine rotative à pistons de type ciseaux conçue pour être utilisée dans un système de récupération d'énergie en faisant travailler un fluide suivant un cycle comprenant les étapes d'admission, compression, chauffage puis de détente, échappement, comme cela été exposé précédemment. L'exemple de réalisation de l'invention est présenté dans le cadre d'une intégration sur un 15 véhicule automobile propulsé par un moteur thermique, pour valoriser l'énergie dissipée par les gaz d'échappement. Cependant, le déposant n'entend pas limiter la portée de son invention à ce cadre car il est facile de transposer le type de source de chaleur ou d'énergie récupérée à d'autres installations. 20 Le système schématiquement présenté en exemple sur la figure 1 utilise de l'air comme fluide de travail, avec un cycle ouvert. L'air est aspiré à condition atmosphérique ambiante avant compression puis rejeté dans l'atmosphère après la détente. Ce choix est avantageux en termes d'intégration sur un véhicule mais il n'exclut pas le choix d'un cycle fermé, avec refroidissement du fluide de travail dans d'autres installations. 25 Le système décrit en exemple comporte ici : - une source chaude constituée par les gaz d'échappement circulant dans la ligne d'échappement 1 en provenance du moteur thermique 2 ; un échangeur de chaleur 3 entre ces gaz d'échappement et l'air, placé sur la 30 ligne d'échappement 1 ; - une machine 4 de compression et détente, effectuant d'une part la compression de l'air allant dans l'échangeur 3, d'autre part la détente de l'air chaud sortant de l'échangeur 3 ; des conduites 5 pour faire circuler l'air comprimé de la machine 4 vers 35 l'échangeur 3 et des conduites 6 pour renvoyer l'air chauffé dans l'échangeur 3 vers la machine 4 ; 3038934 5 des conduites 7 pour aspirer l'air ambiant vers la machine 4 et des conduites 8 pour rejeter l'air ayant travaillé vers l'atmosphère ; un système 9 d'entraînement et de récupération d'énergie. 5 Dans le mode de réalisation présenté sur la figure le système 9 d'entraînement et de récupération d'énergie est un moyen de transmission mécanique entre l'axe 10 de la machine 4 de compression et de détente et l'arbre 11 du moteur entraînant le véhicule, destiné à récupérer le supplément de couple apporté par l'axe 10. Dans une variante, ce système 9 peut être un moteur électrique relié à l'axe 10 de la machine 4, destiné à 10 fonctionner en générateur sous l'action de l'axe 10. En référence à la figure 2, la machine 4 ciseaux à pistons comprend un carter 12a formant une chambre 12 de forme toroïdale autour d'un axe X. 15 Le carter 12a comporte quatre lumières formant des ouvertures 16, 17, 18, 19 dans la chambre 12. En tournant dans le sens contraire des aiguilles d'une montre (sens antihoraire) : une première ouverture 16 est située en bas et est destinée à être reliée à la conduite 7 aspirant l'air ambiant, 20 une deuxième ouverture 17 est située en haut, sensiblement à la verticale de la première ouverture 16, et est destinée à être reliée à la conduite 5 envoyant l'air dans l'échangeur 3, une troisième ouverture 18 est située également en haut, proche de la deuxième ouverture 17, et est destinée à être reliée à la conduite 6 amenant l'air sortant de 25 l'échangeur 3, une quatrième ouverture 19 est située en bas, sensiblement à la verticale de la troisième ouverture 18 et proche de la première ouverture 16, et est destinée à être reliée à la conduite 8 rejetant l'air dans l'atmosphère. 30 Quatre pistons 14a, 14b, 14c, 14d tournant autour de l'axe X sont installés à l'intérieur de la chambre 12. Ils sont configurés pour occuper chacun une portion de secteur angulaire du tore formant la chambre 12 de travail. Ces pistons 14 sont groupés en deux paires de pistons diamétralement opposés. Les 35 pistons 14 de chaque paire sont solidaires. Par contre, les deux paires de pistons 14 peuvent tourner autour de l'axe de manière différente, en s'écartant ou se rapprochant. De cette manière, les quatre pistons 14 définissent deux à deux et entre la paroi extérieure de la 3038934 6 chambre 12 et la surface intérieure 13, quatre cellules 15a, 15b, 15c, 15d dont le volume peut augmenter ou diminuer. Le mouvement des deux paires de pistons 14 est coordonné de telle sorte que 5 chacune des quatre cellules 15a, 15b, 15c, 15d suive deux cycles d'expansion et de contraction tout en passant devant les quatre ouvertures 16, 17, 18, 19 de la chambre 12. Pour obtenir ce résultat, comme illustré aux figures 3 et 4, une première paire de pistons 14a-14c est reliée à un premier arbre d'entrée 20 creux qui laisse passer un 10 deuxième arbre d'entrée 21 auquel est fixé la deuxième paire de pistons 14b-14d. De cette manière les deux paires de pistons 14a-14c, 14b-14d, peuvent être entraînées séparément en rotation par les deux arbres d'entrée 20, 21. Ces deux paires de pistons 14 permettent aux cellules 15 de la chambre de travail 12 d'effectuer un nombre pair de cycles d'expansion/contraction lors d'un tour de rotation. Les 15 pistons 14 de chaque paire ont un mouvement solidaire et sont, par exemple, diamétralement opposés. Le fait que les deux arbres 20,21 aient un mouvement relatif l'un par rapport à l'autre permet de faire varier le volume des cellules 15 tournantes pour que d'un côté, la diminution du volume s'apparente à une phase de contraction / compression, tandis que de l'autre côté 20 l'augmentation du volume de la cellule 15 constitue une phase d'expansion / détente. Dans d'autres termes, le rapprochement des pistons 14 permet de comprimer le premier flux de gaz, et l'énergie de l'explosion pousse les pistons 14 à s'écarter l'un de l'autre dans la phase de détente du deuxième flux de gaz. 25 Dans la présente invention, la chambre de travail 12 a une forme toroïdale de section circulaire, et les pistons 14 consistent alors en des portions de tore. En effet, le piston 14 a une forme qui épouse à la fois celle de la paroi intérieure de la chambre 12 et celle de la surface extérieure des arbres 20,21. Chaque piston 14 se compose d'une enveloppe périphérique 24 définissant le 30 volume général du piston 14, et de deux faces latérales 25 à ses deux extrémités. Ces portions de tore sont découpées de manière à ce que les faces latérales 25 des pistons 14 soient circulaires. Pour se faire, les faces latérales 25 appartiennent à des plans passant par l'axe X du tore. L'axe X du tore est concentrique avec les axes X des premier et second arbres 20,21. 35 Chaque piston 14 est fixé sur un arbre 20,21 au niveau d'un tronçon adaptateur 22 faisant partie de l'arbre 20,21. Ce tronçon adaptateur 22 consiste en une excroissance 22, 3038934 7 de révolution autour de l'arbre 20,21, et dont la forme extérieure est convexe et épouse la forme concave de la partie inférieure d'un piston 14, comme illustré en figure 5. La fixation entre le tronçon adaptateur 22 et le piston 14 est réalisée de manière oblique. Chaque tronçon adaptateur 22 supporte deux pistons 14 diamétralement opposés. 5 Il est à noter que, selon les modes de réalisation : l'excroissance ménagée sur chacun des arbres peut être partie intégrante de l'arbre, l'arbre et l'excroissance étant ainsi monobloc ; l'excroissance ménagée sur chacun des arbres peut être une pièce rapportée à 10 l'arbre, l'arbre et l'excroissance n'étant ainsi pas monobloc ; Lorsque les arbres 20,21 sont équipés des paires de pistons 14, ils sont alors emboîtés l'un dans l'autre. Lorsque l'arbre 21 est inséré à l'intérieur de l'arbre 20, les tronçons adaptateur 22 se retrouvent en contact l'un de l'autre, et sont positionnés 15 symétriquement, de manière à former une surface extérieure convexe et continue sur laquelle reposent les deux paires de pistons 14. En effet, chaque tronçon adaptateur 22 supporte la fixation d'une paire de pistons 14, mais l'autre paire de pistons 14 vient également reposer sur elle. Ainsi, bien que la fixation des pistons 14 soit d'allure oblique, ces derniers sont 20 positionnés symétriquement par rapport à l'axe central des arbres 20,21, et sont centrées par rapport à l'ensemble composé des deux excroissances 22. Les paires de pistons 14 sont au final disposées en quinconce sur les arbres 20,21 montés l'un dans l'autre. L'ensemble formé par les paires de pistons 14 et les arbres 20,21 est un ensemble 25 tournant, monté en rotation dans un carter 12a fixe composé de deux demi-coques, de dimension similaire. Ces deux demi-coques définissent un volume intérieur dans lequel s'intègre le tore formant la chambre de travail 12 et l'ensemble tournant formé des deux arbres 20,21 équipés des pistons 14. L'ensemble tournant est disposé dans la partie interne du tore, c'est-à-dire dans le trou intérieur du tore. Il en résulte que la partie externe du tore 30 est délimité par les deux demi-coques, et la partie interne du tore est délimitée par l'ensemble tournant. Les demi-coques sont fixées l'une à l'autre par vissage. Cette machine est donc très simple de construction, et peu encombrante. Le nombre 35 de pièces se réduit à ceux de la cinématique, soit 4 pièces : - l'arbre 21 équipé d'une paire de pistons 14 - l'arbre 20 équipé d'une autre paire de pistons 14 3038934 8 - la première demi-coque - la seconde demi-coque. La fixation des pistons 14 en est d'autant facilitée, tout comme le montage/démontage des segments 23 sur les pistons 14 qui ne nécessite pas de démonter 5 la cinématique de la machine, réduisant ainsi le temps d'intervention lors d'opérations de maintenance, de manière conséquente. Des segments d'étanchéité montés les extrémités des pistons 14 viennent frotter contre la paroi interne du carter 12a, pour assurer l'étanchéité au sein de la machine. 10 L'étanchéité avec l'extérieur de la machine est facile à mettre en oeuvre entre les demi-coques du carter 12a, étant donné qu'elles sont fixes. De façon avantageuse, il n'y a donc pas de frottement entre les deux demi-coques, contrairement aux carters mobiles de l'art antérieur. De plus, puisque la partie interne du tore est formée directement par les deux arbres 15 20,21 tournants avec les pistons 14, sans pièce supplémentaire, seule une petite étanchéité est nécessaire pour éviter les fuites internes. Les frottements en partie interne du tore se limitent à la zone de contact, très petite : - entre les deux arbres 20,21 au niveau des tronçons adaptateur 22, et - entre les arbres 20,21 et le carter 12a, au niveau d'un orifice 32 pratiqué dans 20 chaque demi-coque accueillant une extrémité d'un arbre 20,21. Le fait que l'ensemble tournant soit disposé à l'intérieur de la machine, et que les deux demi-coques formant le carter 12a soient fixes, permet d'éliminer le risque d'accident en cas de contact avec un autre objet. Puisque l'ensemble tournant est inaccessible lors du 25 fonctionnement normal de la machine, il n'est pas nécessaire de prévoir une enveloppe de protection supplémentaire pour homologuer le produit. Les configurations montrées aux figures citées ne sont que des exemples possibles, nullement limitatifs, de l'invention qui englobe au contraire les variantes de formes et de 30 conceptions à la portée de l'homme de l'art. REVENDICATIONS1. Machine de compression et de détente comportant un carter (12a) externe fixe définissant une chambre de travail (12), ladite chambre de travail (12) comprenant une pluralité de cellules (15) tournantes, chaque cellule (15) étant définie d'une part par ledit carter (12a) externe fixe, et d'autre part par un système cinématique interne mobile composé d'au moins une paire de pistons (14) et d'un arbre de rotation (20,21) portant cette paire de pistons (14). 2. Machine de compression et de détente selon la revendication précédente, caractérisée en ce que la chambre de travail (12) présente une forme de révolution autour d'un axe de symétrie (X), l'arbre de rotation (20,21) du système cinématique interne mobile étant concentrique avec cet axe de symétrie (X). 3. Machine de compression et de détente selon la revendication précédente, caractérisée en ce que ledit système cinématique mobile comprend deux arbres de rotation (20,21) comportant chacun au moins une paire de pistons (14), divisant la chambre (12) en cellules (15a,15b,15c,15d) tournant avec les pistons (14). 4. Machine de compression et de détente selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que chaque piston (14) a la forme d'une portion de circonvolution de la chambre de travail (12). 5. Machine de compression et de détente selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisée en ce que la chambre de travail (12) a la forme d'un tore de section rectangulaire. 6. Machine de compression et de détente selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisée en ce que la chambre de travail (12) a la forme d'un tore de section ovoïdale. 3038934 10 7. Machine de compression et de détente selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisée en ce que la chambre de travail (12) a la forme d'un tore de section circulaire. 5 8. Machine de compression et de détente selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le carter (12a) se compose d'au moins deux demi-coques fixées l'une à l'autre. 9. Machine de compression et de détente selon la revendication précédente, 10 caractérisée en ce que les demi-coques présentent des ouvertures (16,17,18,19) pour l'admission et le rejet de l'air dans la chambre de travail (12a). 10. Machine de compression et de détente selon la revendication précédente, caractérisée en ce que chaque demi-coques présente un orifice (32) accueillant une 15 extrémité de la partie interne mobile. 11. Machine de compression et de détente selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que chaque arbre de rotation (20,21) comporte une excroissance (22) de révolution autour d'un tronçon de l'arbre (20,21), sur laquelle sont fixés des 20 pistons (14), et dont la forme extérieure épouse la forme des pistons (14). 12. Machine de compression et de détente selon la revendication précédente, caractérisée en ce que les arbres (20,21) s'emboîtent l'un dans l'autre. 25 13. Machine de compression et de détente selon la revendication précédente, caractérisée en ce que, lorsque les arbres (20,21) sont emboîtés, leurs excroissances (22) sont positionnées en contact et symétriquement l'une de l'autre. 14. Machine de compression et de détente selon l'une des revendications 8 à 13, 30 caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens d'étanchéité entre les deux demi- coques. 15. Machine de compression et de détente selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens d'étanchéité entre les arbres (20,21).