Brevet FR3057035A1 — publié le 20180406

TURBINE A VOLUME VARIABLE ET SYSTEME DE CONVERSION D'ENERGIE THERMOMECANIQUE L'INCORPORANT [1] L'invention concerne une turbine spiro-orbitale, dite turbine scroll, à volume variable. L'invention concerne aussi un système de conversion d'énergie thermomécanique équipé d'une telle turbine scroll fonctionnant en mode expanseur, notamment pour la récupération de l'énergie thermique des gaz d'échappement d'un moteur thermique d'un moyen de transport de toute nature, tel que terrestre, ferroviaire, maritime et aérien. [2] Dans un moyen de transport à moteur thermique, une grande partie de l'énergie du carburant est perdue sous forme de chaleur dissipée. Ainsi, dans un moteur thermique, l'énergie du carburant perdue sous forme de chaleur est de l'ordre de 53%. La chaleur perdue d'un moteur thermique peut partiellement être récupérée et convertie en énergie hydraulique, mécanique ou électrique grâce à l'utilisation du cycle thermodynamique de Rankine. [003] En référence à la Fig.1, il est connu un système de conversion d'énergie thermomécanique 1 permettant de récupérer la chaleur des gaz d'échappement EG d'un moteur thermique pour la convertir en énergie mécanique ME au moyen d'un expanseur scroll 2. Les gaz d'échappement EG sont utilisés comme source de chaleur pour transformer en vapeur un fluide de travail WA, tel que l'eau ou un fluide frigorigène, dans un évaporateur 3. Le fluide de travail WA, mis sous pression au moyen d'une pompe de fluide de travail 4, traverse l'évaporateur 3 pour être converti en vapeur à haute pression HPV en étant chauffé par les gaz d'échappement EG. La vapeur sous pression HPV est conduite dans l'expanseur scroll 2 et se détend en fournissant un travail. Ce travail est récupéré sous forme d'énergie mécanique ME par la rotation d'un arbre 20 couplé mécaniquement à une volute mobile (non représentée) de l'expanseur 2. La vapeur détendue sortant de l'expanseur scroll 2 peut être recirculée partiellement dans l'expanseur par un dispositif de recirculation 5 formé d'un séparateur fluide de travail vapeur 50 et d'une pompe 51. Cette recirculation n'est pas indispensable au fonctionnement du système, mais elle peut apporter une amélioration du rendement en complétant la détente de la vapeur qui fournit ainsi un supplément de travail. La vapeur détendue achève sa condensation sous forme de fluide de travail dans un condenseur 6 équipé d'un moyen de refroidissement 60. Une sortie du condenseur 6 alimente en fluide 3057035 2 de travail la pompe 4 pour la poursuite du cycle de conversion d'énergie. L'énergie mécanique ME disponible peut être utilisée directement, ou bien convertie en énergie électrique à l'aide d'une machine électrique tournante. [4] Lorsqu'un tel système de conversion d'énergie thermomécanique à expanseur 5 scroll est implanté dans un véhicule automobile, il est nécessaire que le volume utile de l'expanseur scroll puisse être modifié et ajusté à la situation de vie du véhicule. En effet, selon la situation de vie du véhicule, l'énergie thermique contenue dans les gaz d'échappement varie. L'expanseur scroll doit donc pouvoir travailler sur des points de fonctionnement optimaux différents afin d'obtenir un bon rendement de récupération 10 d'énergie, et éviter un phénomène connu de sous-expansion ou sur-expansion susceptible de dégrader le rendement du système. [5] Par le document FR2991403 de la technique antérieure, il est connu une turbine scroll à volume variable. Dans cette turbine, il est prévu un mécanisme d'actionnement hydraulique qui commande un déplacement de la volute mobile par rapport à une volute 15 fixe, et autorise ainsi un réglage du volume utile de la turbine. [6] La présente invention vise à apporter une turbine scroll à volume variable d'un type nouveau, offrant ainsi aux concepteurs une alternative à l'utilisation des turbines scroll à volume variable de la technique antérieure. [7] Selon un premier aspect, l'invention concerne une turbine de type scroll à volume 20 variable comprenant une volute fixe et une volute mobile ayant des parois spiroïdales imbriquées l'une dans l'autre, la volute mobile étant apte à accomplir un mouvement rotatif orbital relativement à un axe central de la volute fixe, et une chambre de fluide formée par un volume disponible entre les parois spiroïdales des volutes fixe et mobile. Conformément à l'invention, la turbine comprend un variateur de volume à actionnement 25 thermostatique apte à modifier un volume utile de la chambre de fluide par un déplacement axial d'une semelle chauffante de réduction de volume de chambre qui est logée entre les parois spiroïdales des volutes fixe et mobile. [8] Selon une caractéristique particulière de l'invention, le variateur comporte une couche de matériau thermoplastique entre la semelle et une face intérieure d'un carter fixe 30 portant la volute fixe de la turbine. 3057035 3 [009] Selon une forme de réalisation particulière, ladite couche de matériau thermoplastique est une couche de cire. [0010] Selon une autre caractéristique particulière de l'invention, la semelle comporte au moins un élément chauffant, sous la forme d'une résistance électrique, destiné à 5 commander une modification de température de la couche de matériau thermoplastique et un déplacement axial consécutif de la semelle. [0011] Selon encore une autre caractéristique particulière de l'invention, le variateur comporte au moins une tige de guidage mécanique montée coulissante dans un alésage correspondant du carter fixe de la turbine, ayant une première extrémité fixée 10 mécaniquement à la semelle et une deuxième extrémité distante de la semelle et débouchant à l'extérieur du carter fixe, la au moins une tige coulissante de guidage mécanique et l'alésage correspondant étant parallèles à l'axe central. [0012] Selon encore une autre caractéristique particulière de l'invention la au moins une tige coulissante de guidage mécanique à une structure creuse traversée au moins par un 15 fil électrique destiné à raccorder la résistance électrique à une unité d'alimentation en courant électrique du variateur. [0013] Selon une forme de réalisation particulière, le variateur comporte au moins deux tiges coulissantes de guidage mécanique. [0014] Selon un autre aspect, l'invention concerne un système de conversion d'énergie 20 thermomécanique apte à être installé dans un moyen de transport émettant des gaz d'échappement chauds, le système comprenant un circuit de fluide de travail opérant selon le cycle thermodynamique de Rankine, le circuit comprenant une première pompe de fluide de travail, un évaporateur recevant du fluide de travail sous pression fourni par la première pompe de fluide de travail et chauffé dans l'évaporateur par les gaz 25 d'échappement pour une transformation sous la forme d'une vapeur à haute pression, une turbine de type scroll, fonctionnant en expanseur, recevant la vapeur à haute pression fournie par l'évaporateur et convertissant un travail de la vapeur en une énergie mécanique disponible sur un arbre rotatif de la turbine, et un condenseur recevant une vapeur détendue fournie par la turbine et délivrant le fluide de travail fourni en entrée à la 30 première pompe de fluide de travail. Conformément à l'invention, la turbine est une turbine de type scroll selon l'invention telle que décrite brièvement ci-dessus. 3057035 4 [0015] Selon une autre caractéristique particulière, le système comprend un dispositif de recirculation de vapeur associé à la turbine et comprenant un séparateur fluide de travail vapeur et une deuxième pompe. [0016] L'invention concerne aussi un moyen de transport, tel que véhicule automobile, 5 équipé du système de conversion d'énergie thermomécanique décrit brièvement ci-dessus. [0017] D'autres avantages et caractéristiques de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description ci-dessous de plusieurs formes de réalisation particulières de la turbine scroll selon l'invention, dans laquelle : 10 la Fig.1 est un bloc-diagramme de principe montrant l'architecture d'un système de conversion d'énergie thermomécanique pour la récupération de l'énergie thermique des gaz d'échappement d'un moyen de transport ; - la Fig.2A est une vue en coupe simplifiée d'une turbine scroll à volume variable selon l'invention, dans un état de pleine capacité de puissance ; 15 - la Fig.2B est une vue en coupe simplifiée d'une turbine scroll à volume variable selon l'invention, dans un état de capacité réduite de puissance ; - la Fig.2C est une vue partielle agrandie d'une partie B de la vue en coupe de la Fig.2A ; et la Fig.3 est une vue en perspective montrant une semelle chauffante de 20 réduction de volume de chambre incluse dans la turbine scroll à volume variable des Figs.2A et 2B. [0018] En référence aux Figs.2A à 2C et 3, il est maintenant décrit une forme de réalisation particulière d'une turbine scroll 7 selon l'invention. On notera que la turbine 7 est représentée ici volontairement de manière partielle et simplifiée, en faisant 25 essentiellement apparaître les composants fonctionnels de la turbine en relation avec l'invention, de façon à faciliter la compréhension de celle-ci. [0019] Comme montré aux Figs.2A et 2B, la turbine 7 comprend une volute fixe 7F et une volute mobile 7M, des carters de volute 70F et 70M, une tuyère d'entrée/sortie de fluide 71 et un variateur de volume à actionnement thermostatique 72. Le variateur de 3057035 5 volume à actionnement thermostatique 72 sera détaillé plus bas dans la description en référence plus particulièrement aux Figs.2C et 3. [0020] De manière classique, la volute fixe 7F et la volute mobile 7F sont des spirales imbriquées l'une dans l'autre qui définissent une chambre de fluide 7V formée par un 5 volume disponible entre les parois spiroïdales des volutes fixe 7F et mobile 7M. La chambre de fluide 7V est une chambre d'expansion ou de compression volumétrique de fluide selon que la turbine 7 fonctionne en expanseur ou en compresseur. [0021] Les vues en coupe des Figs.2A et 2B laissent apparaître les sections des parois spiroïdales des volutes 7F et 7M. 10 [0022] La paroi spiroïdale de la volute 7F repose sur une face intérieure du carter de volute 70F avec qui elle forme une pièce monobloc dans cette forme de réalisation. Le carter de volute 70F comporte des orifices 700F pour sa fixation mécanique par vis à un support. [0023] La paroi spiroïdale de la volute 7M repose sur une face intérieure du carter de 15 volute 70M. Le carter de volute 70M est prévu pour autoriser un mouvement rotatif orbital de la volute mobile 7M autour d'un axe central AA de la volute fixe 7F, dans son état imbriqué avec la volute fixe 7F. [0024] Les sommets des parois des volutes 7F et 7M sont munis éléments d'étanchéité 71 F et 71M, respectivement. Ces éléments d'étanchéité 71 F et 71M sont en contact avec 20 les faces intérieures correspondantes des carters 70M et 70F, respectivement, de manière à former la chambre 7V de manière hermétique, avec seulement deux entrées/sorties de fluide, l'une pour le fluide à haute pression et l'autre pour le fluide à basse pression. Une seule de ces entrées/sorties de fluide, à savoir la tuyère 71 est apparente aux Figs.2A et 2B. Dans un système de conversion d'énergie 1 comme montré à la Fig.1, la turbine 7 25 intégrée dans un tel système fonctionne en expanseur et la tuyère 71 constitue alors l'entrée de la vapeur à haute pression HPV. [0025] En référence plus particulièrement aux Figs.2C et 3, il est maintenant décrit en détail le variateur de volume à actionnement thermostatique 72. [0026] Dans cette forme de réalisation particulière, le variateur de volume à 30 actionnement thermostatique 72 comporte essentiellement une semelle chauffante de réduction de volume de chambre 720, deux tiges coulissantes de guidage mécanique 3057035 6 721a et 721b, une couche de matériau thermoplastique 722, et une unité d'alimentation en courant électrique 723. [0027] Comme montré à la Fig.3, la semelle 720 a sensiblement une forme circulaire et comporte une découpe spiroïdale 720a, permettant une insertion dans celle-ci de la paroi 5 de la volute fixe 7F, et des parties pleines 720b. Comme cela apparaît aux Figs.2A et 2B, les parties pleines 720b sont prévues pour s'ajuster dans des espaces de la chambre 7V entre les parois des volutes fixe 7F et mobile 7M, [0028] La semelle 720 est liée mécaniquement aux deux tiges 721a et 721b par des premières extrémités de celles-ci, au niveau de parties pleines 720b dans des zones 10 circonférentielles de la semelle 720. Les deux tiges 721a et 721b sont parallèles à l'axe central AA et perpendiculaires à un plan de la semelle 720. Les tiges 721a et 721b sont ici disposées symétriquement par rapport à l'axe central AA. Comme cela apparaît aux Figs.2A et 2B, les tiges 721a et 721b sont montées coulissantes dans des alésages correspondants 701 F et 702F du carter fixe 70F, parallèles à l'axe AA. 15 [0029] Comme cela apparait dans l'agrandissement B de la Fig.2C, la couche de matériau thermoplastique 722 est contenue en sandwich entre la semelle 720 (les parties pleines 720b de semelle 720) et la face intérieure du carter 70F. La couche de matériau thermoplastique 722 et les parties pleines 720b de la semelle 720 occupent une partie du volume de la chambre 7V. Dans la forme de réalisation décrite ici, le matériau 20 thermoplastique 722 utilisé est une cire. Bien entendu, d'autres types de matériaux thermoplastiques pourront être utilisés dans d'autres formes de réalisation de la turbine selon l'invention. [0030] Des résistances électriques 724, constituant des éléments chauffants, sont intégrées dans la semelle 720 et alimentées en courant électrique par l'unité d'alimentation 25 en courant 723, à travers des fils électriques 725. Les fils électriques 725 sont amenés depuis l'unité 723 jusqu'aux résistances électriques 724 à travers les deux tiges coulissantes de guidage mécanique 721a et 721b. Ces tiges 721a, 721b ont ici une structure tubulaire creuse qui autorise le passage des fils 725. Des éléments de raccordement électrique 721 R (Figs.2A, 2B) sont prévus pour les fils 725 à des deuxièmes 30 extrémités des tiges 721a, 721b, distantes des premières extrémités de celles-ci liées mécaniquement à la semelle 720. 3057035 7 [0031] En référence à la Fig.3, selon la forme de réalisation de la turbine selon l'invention, les résistances électriques 724 pourront être réparties en différents emplacements dans la semelle 720 et reliées entre elles par des fils électriques isolés et noyés, ou surmoulés, dans l'épaisseur de la semelle 720. On notera aussi que ces 5 résistances 724 pourront être connectées suivant différentes configurations, par exemple, en parallèle, en série ou en série/parallèle. [0032] Conformément à l'invention, la variation du volume utile de la chambre 7V de la turbine scroll 7 est obtenue par le déplacement axial (distance d à la Fig.2B) de la semelle 720, selon l'axe AA. Ce déplacement de la semelle 720 est obtenu par 10 dilatation/contraction de la couche de cire thermoplastique 722 en fonction de la température de celle-ci. La température de la couche de cire 722 est commandée à l'aide des résistances électriques 724. La température de la vapeur à haute pression HPV introduite dans la chambre 7V peut également être utilisée dans certaines forme de réalisation de l'invention pour cette commande de dilatation/contraction de la couche de 15 cire 722. L'alimentation en courant des résistances électriques 724 est réglée de manière à obtenir le déplacement axial d voulu par la dilatation/contraction de la cire. Comme montré aux Figs.2A et 2B, l'unité d'alimentation en courant électrique 723 est interfacée avec une liaison de communication COM, par exemple de type LIN ou CAN, autorisant une commande par une unité de commande électronique du véhicule de l'alimentation en 20 courant des résistances électriques 724 et donc du volume utile de la chambre 7V. [0033] Lorsque la température baisse et que la cire se contracte, la semelle 720 est ramenée vers la face intérieure du carter 70F par la pression de la vapeur HPV, autorisant ainsi un accroissement du volume utile de la chambre 7V. [0034] On notera que les tiges coulissantes de guidage mécanique ne sont pas 25 nécessairement au nombre de deux, s'agissant ici simplement d'un exemple de forme de réalisation. Dans des applications de faible puissance, une seule tige coulissante, de plus grand diamètre, disposée à proximité de la zone centrale (axe AA) pourrait s'avérer suffisante pour un fonctionnement correct de la semelle. [0035] A la Fig.2A, la semelle 720 est montrée dans une position de retrait, plaquée 30 contre un épaulement formant butée 703F (Fig.2C) de la face intérieure du carter 70F. Dans cette position, le volume utile de la chambre 7V est à son maximum et la turbine 7 est alors configurée pour une pleine capacité de puissance. 3057035 8 [0036] A la Fig.2B, la semelle 720 a été déplacée axialement de la distance d par rapport à l'épaulement formant butée 703F du carter fixe 70F et réduit consécutivement le volume utile de la chambre 7V. La turbine 7 est alors configurée pour une capacité réduite de puissance. En ajustant la distance d, il est ainsi possible de régler le volume de la turbine 5 scroll 7 pour obtenir des points de fonctionnement optimaux. La turbine scroll 7 selon l'invention, en mode expanseur, autorise un bon rendement de récupération d'énergie dans le système de conversion d'énergie thermomécanique de la Fig.1. [0037] Bien entendu, l'invention ne se limite aux formes de réalisation particulières de la turbine scroll selon l'invention décrites ici à titre d'exemple. L'homme du métier, selon les 10 applications de l'invention, pourra y apporter différentes modifications et variantes qui entrent dans la portée des revendications ci-annexées. REVENDICATIONS1. Turbine à volume variable comprenant une volute fixe (7F) et une volute mobile (7M) ayant des parois spiroïdales imbriquées l'une dans l'autre, la volute mobile (7M) étant apte à accomplir un mouvement rotatif orbital relativement à un axe central (AA) de ladite volute fixe (7F), et une chambre de fluide (7V) formée par un volume disponible entre lesdites parois spiroïdales desdites volutes fixe (7F) et mobile (7M), caractérisée en ce qu'elle comprend un variateur de volume à actionnement thermostatique (72) apte à modifier un volume utile de ladite chambre de fluide (7V) par un déplacement axial (d) d'une semelle chauffante de réduction de volume de chambre (720) qui est logée entre lesdites parois spiroïdales desdites volutes fixe (7F) et mobile (7M). 2. Turbine selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit variateur (72) comporte une couche de matériau thermoplastique (722) entre ladite semelle (720) et une face intérieure d'un carter fixe (70F) portant ladite volute fixe (7F) de ladite turbine. 3. Turbine selon la revendication 2, caractérisée en ce que ladite couche de matériau thermoplastique est une couche de cire (722). 4. Turbine selon la revendication 2 ou 3, caractérisée en ce que ladite semelle (720) comporte au moins un élément chauffant, sous la forme d'une résistance électrique (724), destiné à commander une modification de température de ladite couche de matériau thermoplastique (722) et un déplacement axial (d) consécutif de ladite semelle (720). 5. Turbine selon la revendication 2 à 4, caractérisée en ce que ledit variateur (72 comporte au moins une tige coulissante de guidage mécanique (721a, 721b) montée coulissante dans un alésage correspondant (701F, 702F) dudit carter fixe (70F) de la turbine, ayant une première extrémité fixée mécaniquement à ladite semelle (720) et une deuxième extrémité distante de ladite semelle (720) et débouchant à l'extérieur dudit carter fixe (70F), ladite au moins une tige de guidage mécanique (721a, 721b) et ledit alésage correspondant (701F, 702F) étant parallèles audit axe central (AA). 3057035 10 6. Turbine selon la revendication 4 et 5, caractérisée en ce que ladite au moins une tige coulissante de guidage mécanique (721a, 721b) à une structure creuse traversée au moins par un fil électrique (725) destiné à raccorder ladite résistance électrique à une unité d'alimentation en courant électrique (723) dudit variateur 5 (72). 7. Turbine selon l'une quelconque des revendications 5 ou 6, caractérisée en ce que ledit variateur comporte au moins deux dites tiges coulissantes de guidage mécanique (721a, 721b). 8. Système de conversion d'énergie thermomécanique apte à être installé dans un 10 moyen de transport émettant des gaz d'échappement chauds, ledit système comprenant un circuit de fluide de travail opérant selon le cycle thermodynamique de Rankine, ledit circuit comprenant une première pompe de fluide de travail (4), un évaporateur (3) recevant du fluide de travail sous pression (WA) fourni par ladite première pompe (4) et chauffé dans ledit évaporateur (3) par lesdits gaz 15 d'échappement (EG) pour une transformation sous la forme d'une vapeur à haute pression (HPV), une turbine fonctionnant en expanseur, recevant ladite vapeur à haute pression (HPV) fournie par ledit évaporateur (3) et convertissant un travail de ladite vapeur (HPV) en une énergie mécanique (ME) disponible sur un arbre rotatif (20) de ladite turbine, et un condenseur (20) recevant une vapeur détendue fournie 20 par ladite turbine et délivrant ledit fluide de travail (WA) fourni en entrée à ladite première pompe de fluide de travail (4), caractérisé en ce que ladite turbine est une turbine (7) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7. 9. Système selon la revendication 8, caractérisé en ce qui comprend un dispositif de recirculation de vapeur (5) associé à ladite turbine et comprenant un séparateur 25 fluide de travail - vapeur (50) et une deuxième pompe (51). 10. Moyen de transport tel que véhicule automobile caractérisé en ce qu'il comporte un système de conversion d'énergie thermomécanique selon l'une des revendications 8 ou 9.