Brevet FR3079877A1 — publié le 20191011

La présente invention a pour objet un moteur à air chaud travaillant en permanence selon un cycle dérivé du cycle de Stirling comportant une phase de compression, une phase d'élévation en température et une phase de détente motrice d'un fluide de travail. Il existe différents types de moteurs à air chaud ou plus généralement à gaz de travail chaud qui utilisent en règle générale des cycles thermodynamiques à quatre temps parmi lesquels on peut citer le cycle de Carnot qui comporte deux phases isothermes et deux phases adiabatiques, le cycle de Stirling qui comporte deux phases isothermes et deux phases isochores, le cycle de Joule qui comporte deux phases isobares et deux phases adiabatiques, ou encore le cycle de Beau de Rochas qui comporte deux phases isobares et deux phases adiabatiques. En principe, en utilisant un régénérateur ou un récupé- rateur d'énergie, le rendement du cycle de Stirling est identique à celui du cycle de Carnot ; en pratique ces rendements sont toutefois difficiles à obtenir. On a déjà proposé, en particulier, conformément au document FR 2 966 521 un moteur à air chaud utilisant un cycle thermo- dynamique à essentiellement trois phases dérivé du cycle de Stirling, mais présentant un rendement amélioré grâce à la suppression de l'une des phases isochores qui ne produit aucun travail. Conformément à ce document, un tel moteur à air chaud dont le cycle de fonctionnement s'approche d'un cycle à trois temps dé- rivé du cycle de Stirling comporte une phase de compression isotherme, une phase d'élévation en température isochore et une phase de détente motrice d'un fluide de travail. L'invention a pour objet de proposer un moteur à air chaud dérivé d'un tel moteur à air chaud connu, mais se distinguant à la fois par une configuration plus simple et par un rendement supé- rieur. Selon l'invention, un tel moteur à air chaud comporte es- sentiellement : un cylindre de compression dans lequel se déplace constamment en va-et-vient un piston de compression délimitant, de part et 2 d'autre de celui-ci, deux chambres de compression maintenues à une température froide par une source froide, un cylindre moteur dans lequel se déplace constamment en va-et-vient un piston moteur délimitant de part et d'autre de celui-ci 5 deux chambres de travail maintenues à une température chaude par une source chaude, deux chambres de transfert maintenues à une température chaude par une source chaude et respectivement associées à une première chambre de compression et à une première chambre de travail et à 10 une seconde chambre de compression et à une seconde chambre de travail, et un circuit de commande de la circulation du fluide de travail entre les différentes chambres. Il est essentiel, conformément à l'invention, que le piston 15 de compression et le piston moteur soient commandés conjointement par un système bielle-manivelle et soient en phase. Le circuit de commande de la circulation du fluide de travail entre les différentes chambres est équipé d'organes de pilotage permettant de modifier les liaisons entre ces chambres au cours d'une 20 rotation de la manivelle de sorte : que lors d'une phase de compression, le fluide de travail froid renfermé dans une première des deux chambres de compression du cylindre de compression soit comprimé par le piston de compression jusqu'à ce qu'il ait atteint une pression prédéfinie, 25 que lors d'une phase d'élévation en température, le fluide de travail froid ayant atteint la pression prédéfinie renfermé dans la première chambre de compression soit transféré dans la chambre de transfert associée à cette première chambre ou première chambre de transfert, et 30 que lors d'une phase de détente motrice le fluide de travail renfer- mé dans la première chambre de transfert, ayant été comprimé et élevé en température soit transféré dans la chambre de travail du cylindre moteur associée à cette première chambre de transfert ou première chambre de travail de façon à se détendre et à pousser le 3 piston moteur alors que le fluide de travail renfermé dans la seconde chambre de travail est évacué. Au cours de cette phase de détente motrice, le fluide de travail froid renfermé dans la seconde chambre de compression est pa- 5 rallèlement comprimé par le piston de compression jusqu'à ce qu'il ait atteint la pression prédéfinie lors d'une autre phase de compression, puis est transféré dans la chambre de transfert associée à cette seconde chambre ou seconde chambre de transfert lors d'une autre phase d'élévation en température, avant d'être transféré dans la chambre de 10 travail du cylindre moteur associée à cette seconde chambre de trans- fert ou seconde chambre de travail lors d'une autre phase de détente motrice au cours de laquelle le fluide de travail renfermé dans la première chambre de travail est évacué, et ainsi de suite. La succession de ces différentes phases permet de garan- 15 tir que le piston moteur soit constamment moteur. Selon l'invention, les organes de pilotage équipant le circuit de commande de la circulation du fluide de travail peuvent avantageusement être constitués par des tiroirs ou par des robinets dont l'actionnement est de préférence commandé par des cames. 20 Selon une première variante de l'invention, les deux chambres de compression du cylindre de compression sont en communication avec l'air extérieur et maintenues à une température froide par cet air extérieur qui constitue la source froide. Selon une seconde variante de l'invention, le moteur à air 25 chaud comporte en outre deux chambres de refroidissement mainte- nues à une température froide par une source froide et respectivement associées à l'une des chambres de compression du cylindre de compression pour maintenir cette chambre à une température froide. Selon un premier mode de réalisation de l'invention, le 30 moteur à air chaud comporte un échangeur de chaleur dans lequel cir- cule le fluide de travail chaud évacué de l'une des chambres de travail du cylindre moteur lors d'une phase de détente motrice dans l'autre chambre de travail de ce cylindre moteur pour permettre de chauffer le fluide de travail froid transféré de l'une des chambres de compression 35 du cylindre de compression dans la chambre de transfert associée à 4 cette chambre de compression lors d'une phase d'élévation en température, qui circule également dans cet échangeur de chaleur ce à contre courant. Ce premier mode de réalisation du moteur à air chaud 5 conforme à l'invention qui exige la mise en oeuvre d'un échangeur per- mettant de minimiser les pertes de chaleur présente l'avantage d'être particulièrement simple et peu onéreux ; il est toutefois à noter qu'un tel échangeur de chaleur n'est pas totalement efficace. Selon un second mode de réalisation du moteur à air 10 chaud conforme à l'invention qui présente l'avantage de permettre d'éviter les transferts de chaleur entre les sources froides et les sources chaudes, ce moteur à air chaud comporte deux cylindres intermédiaires dans lesquels se déplace respectivement constamment en va-et-vient un piston isolant à double section essentiellement en forme de T définis- 15 sant de part et d'autre de celui-ci une chambre intermédiaire de grande section associée à l'une des chambres de compression du cylindre de compression, une chambre intermédiaire de petite section associée à l'une des chambres de transfert ainsi qu'une chambre neutre en communication avec l'air extérieur. 20 Chaque chambre intermédiaire de grande section est avantageusement reliée à la chambre de compression qui lui est associée par une conduite de circulation du fluide de travail équipée d'un clapet anti-retour taré. Il est à noter qu'au lieu d'utiliser un clapet antiretour ta- 25 ré, une liaison peut être créée par un jeu de tiroirs pilotés par une came. Selon une variante de ce second mode de réalisation du moteur à air chaud conforme à l'invention, les deux cylindres intermédiaires sont rassemblés en un double cylindre intermédiaire unique 30 renfermant un piston isolant à double section unique définissant de part et d'autre de celui-ci deux chambres intermédiaires de grande section et deux chambres intermédiaires de petite section et pas de chambre neutre. Il est à noter que, conformément à l'invention, les 35 chambres de transfert et le cas échéant les chambres de refroidissement 5 peuvent avoir un volume nettement supérieur au volume nécessaire, non pas pour améliorer le rendement du moteur à air chaud, mais pour augmenter l'inertie et obtenir une meilleure stabilité de ce moteur. Les caractéristiques du moteur à air chaud qui fait l'objet 5 de l'invention seront décrites plus en détail en se référant aux dessins non limitatifs annexés dans lesquels : les figures la à ld sont des schémas illustrant différentes phases du cycle de fonctionnement d'un moteur à air chaud correspondant à la première variante du premier mode de réalisation, 10 les figures 2a, 2b, 2c et 2d sont des schémas respectivement simi- laires aux figures la, lb, lc et ld mais correspondant à la seconde variante du premier mode de réalisation du moteur à air chaud, les figures 3a et 3b sont des schémas illustrant deux phases du cycle de fonctionnement d'un moteur à air chaud correspondant au 15 second mode de réalisation, les figures 4a et 4b sont des schémas respectivement similaires aux figures 3a et 3b correspondant à une variante du second mode de réalisation. Selon les figures la à ld, le moteur à air chaud comporte 20 un cylindre de compression 1 dans lequel se déplace constamment en va et vient un piston de compression 2, un cylindre moteur 3 dans lequel se déplace constamment en va-et-vient un piston moteur 4 ainsi que deux chambres de transfert 5, 6 qui sont maintenues à une température chaude par une source chaude. 25 Le piston de compression 2 et le piston moteur 4 sont commandés conjointement par un système bielle-manivelle non représenté et sont en phase. Le piston de compression 2 délimite, de part et d'autre de celui-ci, deux chambres de compression 20, 21 qui sont maintenues à 30 une température froide par une source froide constituée par l'air exté- rieur qui est introduit dans ces chambres comme schématisé par les flèches I. Le piston moteur 4 délimite, quant à lui, de part et d'autre de celui-ci deux chambres de travail 40, 41 qui sont maintenues 35 à une température chaude par une source chaude. 6 Les deux chambres de transfert 5, 6 qui sont maintenues en température par une source chaude sont respectivement associées à une première chambre de compression 20 et à une première chambre de travail 40 et à une seconde chambre de compression 21 et à une se- 5 conde chambre de travail 41. Le moteur à air chaud est, également équipé d'un circuit de commande de la circulation du fluide de travail entre les différentes chambres 20, 21, 5, 6, 40, 41 qui est équipé d'organes de pilotage non représentés permettant de modifier les liaisons entre ces chambres au 10 cours d'une rotation de la manivelle, ce d'une façon qui sera décrite plus en détail dans la suite de cet exposé. Selon la figure la, lors d'une phase de compression, le fluide de travail froid renfermé dans une première 20 des deux chambres de compression 20, 21 du cylindre de compression 1 est 15 comprimé par le piston de compression 2 jusqu'à ce qu'il ait atteint une pression prédéfinie. Selon la figure lb, lors d'une phase d'élévation en température, le fluide de travail froid ayant atteint la pression prédéfinie renfermé dans la première chambre de compression 20 est transféré dans 20 la chambre de transfert 5 associée à cette première chambre 20 ou première chambre de transfert du fait d'une liaison établie entre ces chambres 20, 5, ce en passant dans un échangeur de chaleur 7 dans lequel il récupère de la chaleur, d'une façon qui sera décrite plus en détail dans la suite de cet exposé. 25 Selon la figure 1 c, lors d'une phase de détente motrice, le fluide de travail renfermé dans la première chambre de transfert 5 qui a été comprimé et élevé en température est transféré dans la chambre de travail 40 du cylindre moteur 3 associé à cette première chambre de transfert 5 ou première chambre de travail du fait d'une liaison établie 30 entre ces chambres 5, 40, ce de façon à se détendre et à pousser le pis- ton moteur 4 alors que le fluide de travail renfermé dans la seconde chambre de travail 41 est évacué vers l'extérieur comme illustré par la flèche II. Au cours de cette évacuation, le fluide de travail 41 qui 35 est chaud passe dans l'échangeur de chaleur 7. 7 Compte tenu de la commande en phase du piston de compression 2 et du piston moteur 4, au cours de cette phase de détente motrice, le fluide de travail froid renfermé dans la seconde chambre de compression 21 du cylindre de compression 1 est parallè- 5 lement comprimé par le piston de compression 2 lors d'une autre phase de compression jusqu'à ce qu'il ait atteint la pression prédéfinie. Selon la figure 1 d lorsqu'il a atteint cette pression prédéfinie, le fluide de travail froid renfermé dans la seconde chambre de compression 21 du cylindre de compression 1 est transféré dans la 10 chambre de transfert 6 associée à cette seconde chambre 21 ou seconde chambre de transfert lors d'une autre phase d'élévation en température du fait d'une liaison établie entre ces chambres 21.6, en passant préalablement dans l'échangeur de chaleur 7 ou il est chauffé par le fluide de travail chaud évacué vers l'extérieur selon la flèche II de la seconde 15 chambre 41 du cylindre moteur 3. Selon la figure la, le fluide de travail renfermé dans la seconde chambre de transfert 6 ayant été comprimé et élevé en température est ensuite transféré dans la chambre de travail 41 du cylindre moteur 3 associé à cette seconde chambre de transfert 6 ou seconde 20 chambre de travail du fait d'une liaison établie entre ces chambres 6, 41, ce, lors d'une autre phase de détente motrice au cours de laquelle le fluide de travail renfermé dans la première chambre de travail 40 du cylindre moteur 3 est évacué vers l'extérieur selon la flèche II en passant préalablement par l'échangeur de chaleur 7 et ainsi de suite de 25 sorte que le cylindre moteur 4 soit constamment moteur. Selon les figures 2a, 2b, 2c et 2d, le moteur à air chaud comporte en outre deux chambres de refroidissement 8, 9 maintenues à une température froide par une source froide et respectivement associées à l'une des chambres de compression 20, 21 du cylindre de com- 30 pression 1 pour maintenir cette chambre à une température froide. Ces chambres de refroidissement 8, 9 se substituent à l'air extérieur pénétrant selon les flèches I dans les chambres de compression 20, 21 du cylindre de compression 1 conformément à la première variante du premier mode de réalisation du moteur à air chaud, 35 illustrée par les figures la à 1 d. 8 Par suite, les différentes phases d'un cycle de fonctionnement du moteur à air chaud correspondant à la seconde variante du premier mode de réalisation du moteur à air chaud conforme à l'invention illustrées par les figures 2a à 2d sont similaires à celles dé- 5 crites ci-dessus en référence aux figures la, lb, 1 c et ld avec pour seule différence que le fluide de travail chaud évacué des chambres de travail 40, 41 du cylindre moteur 3 au cours d'une phase de détente motrice et refroidi dans l'échangeur de chaleur 7 est évacué non pas vers l'extérieur, selon les flèches II, mais vers l'une des chambres de re- 10 froidissement 8, 9 pour être ensuite transféré dans l'une des chambres de compression 20, 21 du cylindre de compression 1. Selon les figures 3a et 3b, le moteur à air chaud conforme au second mode de réalisation de l'invention se distingue du moteur à air chaud conforme au premier mode de réalisation de l'invention 15 illustré par les figures 2a, 2b, 2c et 2d par le remplacement de l'échangeur de chaleur 7 par deux cylindres intermédiaires 10, 10' dans lesquels se déplace respectivement constamment en va et vient un piston isolant à double section essentiellement en forme de T 11, 11' permettant d'empêcher un transfert de chaleur entre les sources chaudes 20 et les sources froides. Chacun des pistons isolants 11, 11' définit respectivement de part et d'autre de celui-ci une chambre intermédiaire de grande section 12, 12' une chambre intermédiaire de petite section 13, 13' ainsi qu'une chambre neutre 14, 14' qui est en communication avec l'air ex- 25 térieur. Les chambres intermédiaires de grande section 12, 12' sont respectivement associées à l'une des chambres de compression 20, 21 du cylindre de compression 1 tandis que les chambres intermédiaires de petite section 13, 13' sont respectivement associées à l'une 30 des chambres de transfert 5, 6 et par suite à l'une des chambres de transfert 5, 6 et par suite à l'une des chambres de travail 40, 40' du cylindre moteur 4. Chaque chambre intermédiaire de grande section 12, 12' est reliée à la chambre de compression 20, 21 qui lui est associée par 35 une conduite de circulation du fluide de travail équipée d'un clapet an- 9 ti-retour 15, 15' taré pour s'ouvrir lorsque la pression dans cette chambre de compression 20, 21 a atteint la pression prédéfinie. Selon la figure 3a, lors d'une phase de compression, le fluide de travail froid renfermé dans la chambre de compression 20 est 5 comprimé par le piston de compression 2 jusqu'à ce qu'il ait atteint la pression prédéfinie. Lorsque cette pression prédéfinie a été atteinte, le clapet taré 15 s'ouvre de sorte que le fluide de travail renfermé dans la chambre de compression 20 soit transféré dans la chambre intermé- 10 diaire de grande section 12 du cylindre intermédiaire 10 et pousse le piston isolant à double section 11 pour comprimer le fluide de travail renfermé dans la chambre intermédiaire de petite section 13 qui est transféré dans la chambre de transfert 5 lorsque sa pression est supérieure à celle régnant dans cette chambre 5. 15 Selon la figure 3b, lorsque la pression du fluide de travail chaud renfermé dans la chambre de transfert 5, est maximum cette chambre de transfert 5 est reliée à la chambre de travail 40 du cylindre moteur 3 pour pousser le piston moteur 4 lors d'une phase de détente motrice. 20 Simultanément, le fluide de travail chaud renfermé dans la chambre de travail 41 du cylindre moteur 3 est comprimé et transféré dans la chambre de petite section 13 du cylindre intermédiaire 10 pour pousser le piston isolant 11 et comprimer le fluide de travail froid renfermé dans la chambre de grande section 12. 25 Ce fluide de travail froid est ensuite transféré dans la chambre de compression 20 du cylindre de compression 1 en passant par la chambre de refroidissement 8 au niveau de laquelle il est refroidi. Le piston de compression 2 comprime alors le fluide de travail renfermé dans la chambre de compression 21 jusqu'à ce qu'il ait 30 atteint la pression prédéfinie. Lorsque cette pression prédéfinie a été atteinte, le clapet taré 15' s'ouvre de sorte que le fluide de travail renfermé dans la chambre de compression 21 soit transféré dans la chambre intermédiaire 12' du cylindre intermédiaire 10' et pousse le piston isolant à 35 double section 11' pour comprimer le fluide de travail chaud renfermé 10 dans la chambre intermédiaire de petite section 13' qui est transféré dans la chambre de transfert 6 lorsque sa pression est supérieure à celle régnant dans cette chambre 6. Selon la figure 3a, lorsque la pression du fluide de travail 5 chaud renfermé dans la chambre de transfert 6 est maximum, cette chambre de transfert est reliée à la chambre de travail 41 du cylindre moteur 3 pour pousser le piston moteur 4 lors d'une phase de détente motrice, et ainsi de suite. Le mode de fonctionnement du moteur à air chaud con- 10 forme au second mode de réalisation de l'invention est ainsi largement comparable à celui du moteur à air chaud conforme au premier mode de réalisation de l'invention. Selon les figures 4a et 4b, les deux cylindres intermédiaires 10, 10' représentés sur les figures 3a et 3b sont rassemblés en 15 un double cylindre intermédiaire 10i renfermant un piston isolant à double section unique 111 définissant de part et d'autre de celui-ci deux chambres intermédiaires de grande section 12, 12' et deux chambres intermédiaires de petite section 13, 13' et pas de chambre neutre. Le mode de fonctionnement de ce moteur est en tout 20 point similaire à celui du moteur conforme au second mode de réalisa- tion de l'invention REVENDICATIONS1°) Moteur à air chaud travaillant en permanence selon un cycle dérivé du cycle de Stirling comportant une phase de compression, une phase d'élévation en température et une phase de détente motrice d'un fluide de travail, moteur à air chaud caractérisé en ce qu'il comporte un cylindre de compression (1) dans lequel se déplace constamment en va-et-vient un piston de compression (2) délimitant, de part et d'autre de celui-ci, deux chambres de compression (20, 21) mainte- nues à une température froide par une source froide, un cylindre moteur (3) dans lequel se déplace constamment en va-et-vient un piston moteur (4) délimitant de part de celui-ci deux chambres de travail (40, 41) maintenues à une température chaude par une source chaude, le piston de compression (2) et le piston moteur (4) étant comman- dés conjointement par un système bielle manivelle et étant en phase, deux chambres de transfert (5, 6) maintenues à une température chaude par une source chaude et respectivement associées à une première chambre de compression (20) et à une première chambre de travail (40) et à une seconde chambre de compression (21) et à une seconde chambre de travail (41) , et un circuit de commande de la circulation du fluide de travail entre les différentes chambres (20, 21, 5, 6, 40, 41), équipé d'organes de pilotage permettant de modifier les liaisons entre ces chambres au cours d'une rotation de la manivelle de sorte : que lors d'une phase de compression le fluide de travail froid renfermé dans une première des deux chambres de compression (20) du cylindre de compression (1) soit comprimé par le piston de com- pression (2) jusqu'à ce qu'il ait atteint une pression prédéfinie, que lors d'une phase d'élévation en température, le fluide de travail froid ayant atteint la pression prédéfinie renfermé dans la première chambre de compression (20) soit transféré dans la chambre de transfert (5) associée à cette première chambre ou première chambre de transfert, et 12 que lors d'une phase de détente motrice, le fluide de travail renfermé dans la première chambre de transfert (5), ayant été comprimé et élevé en température soit transféré dans la chambre de travail (40) du cylindre moteur (3) associée à cette première chambre de trans- 5 fert ou première chambre de travail de façon à se détendre et à pousser le piston moteur (4) alors que le fluide de travail renfermé dans la seconde chambre de travail (41) est évacué, le fluide de travail froid renfermé dans la seconde chambre de compression (21) étant parallèlement comprimé par le piston de com- 10 pression (2) jusqu'à ce qu'il ait atteint la pression prédéfinie lors d'une autre phase de compression puis étant transféré dans la chambre de transfert (6) associée à cette seconde chambre de compression ou seconde chambre de transfert lors d'une autre phase d'élévation en température, avant d'être transféré dans la chambre 15 de travail (41) du cylindre moteur (3) associé à cette seconde chambre de transfert (6) ou seconde chambre de travail, lors d'une autre phase de détente motrice au cours de laquelle le fluide de travail renfermé dans la première chambre de travail (40) est évacué, et ainsi de suite. 20 2°) Moteur à air chaud conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que les organes de pilotage équipant le circuit de commande de la circulation du fluide de travail sont constitués par des tiroirs ou par des robi- 25 nets dont l'actionnement est de préférence commandé par des cames. 3°) Moteur à air chaud conforme à l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que 30 les deux chambres de compression (20, 21) du cylindre de compression (1) sont en communication avec l'air extérieur et maintenues à une température froide par cet air extérieur qui constitue la source froide. 4°) Moteur à air chaud conforme à l'une quelconque des revendications 35 1 et 2, 13 caractérisé en ce qu' il comporte deux chambres de refroidissement (8, 9) maintenues à une température froide par une source froide et respectivement associées à l'une des chambres de compression (20, 21) du cylindre de compression 5 (1) pour maintenir cette chambre à une température froide. 5°) Moteur à air chaud conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte 10 un échangeur de chaleur (7) dans lequel circule le fluide de travail chaud évacué de l'une des chambres de travail (40, 41) du cylindre moteur (3) lors d'une phase de détente motrice dans l'autre chambre de travail (41, 40) de ce cylindre moteur pour chauffer le fluide de travail froid transféré de l'une des chambres de compression (20, 21) du cy- 15 lindre de compression (1) dans la chambre de transfert (5, 6) associée à cette chambre de compression lors d'une phase d'élévation en température, qui circule également dans cet échangeur de chaleur (7), ce à contre courant. 20 6°) Moteur à air chaud conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte deux cylindres intermédiaires (10, 10') dans lesquels se déplacent respectivement constamment en va-et-vient un piston isolant à double sec- 25 tion essentiellement en forme de T (11, 11') permettant d'empêcher un transfert de chaleur entre les sources froides et les sources chaudes et délimitant de part et d'autre de celui-ci une chambre intermédiaire de grande section (12, 12') associée à l'une des chambres de compression (20, 21) du cylindre de compression (1), une chambre intermédiaire de 30 petite section (13, 13') associée à l'une des chambres de transfert (5, 6) ainsi qu'une chambre neutre (14, 14') en communication avec l'air extérieur. 7°) Moteur à air chaud conforme à la revendication 6, 35 caractérisé en ce que 14 chaque chambre intermédiaire de grande section (12, 12') est reliée à la chambre de compression (20, 21) associée par une conduite de circulation du fluide de travail équipée d'un clapet antiretour taré (15, 15'). 5 8°) Moteur à air chaud conforme à l'une quelconque des revendications 6 et 7, caractérisé en ce que les deux cylindres intermédiaires sont rassemblés en un double cylindre intermédiaire unique (10) renfermant un piston isolant à double section 10 unique (11) délimitant de part et d'autre de celui-ci deux chambres in- termédiaires de grande section (12, 12') et deux chambres intermédiaires de petite section (13, 13') et pas de chambre neutre. 15