Source: http://www.sumobrain.com/patents/wipo/Expansion-machine-methods-using-such/WO2018229368A1.html
Timestamp: 2020-01-19 19:01:09+00:00
Document Index: 260453074

Matched Legal Cases: ['arrêt ', 'arrêt ', 'arrêt ', 'arrêt\n', 'arrêt ', 'arrêt ', 'arrêt ', 'arrêt ', 'arrêt ', 'arrêt ', 'arrêt ', 'arrêt ', 'arrêt ']

EXPANSION MACHINE AND METHODS FOR USING SUCH A MACHINE - EXOES
EXPANSION MACHINE AND METHODS FOR USING SUCH A MACHINE
WIPO Patent Application WO/2018/229368
The present invention relates to an expansion machine (0) comprising an inlet region (22) having an intake port for a pressurised working fluid, the fluid being made up of a main component in the gaseous phase under nominal operating conditions, filled with a lubricant component in the liquid phase. The high pressure area is made up of the inlet region (22) fed directly by the pressurised working fluid. The bypass circuit is in contact with the expansion area for transferring heat between the working fluid flowing in the bypass circuit and the working fluid contained in the expansion area, to form a pre-heating means (15). The inlet region (22) has: o at least a first internal opening emerging into an expansion area and o a second internal opening emerging into the bypass circuit, controlled by the valve (9).
FR2018/051071
EP3232021A1 2017-10-18
DE102015204385A1 2016-09-15
1 - Machine de détente ( 0 ) comportant une zone d'admission (22) présentant un orifice d'admission d'un fluide de travail sous pression, ledit fluide étant constitué par un composant principal en phase gazeuse en régime de fonctionnement nominal chargé avec un composant lubrifiant en phase liquide,
• ladite zone d'admission (22) étant reliée à une zone d'expansion (25),
• ladite machine comportant en outre un circuit de dérivation commandé par une vanne ( 9 ) pour la mise en relation d'une zone de haute pression et une zone d ' échappement (32)
• ladite zone de haute pression est constituée par la zone d'admission (22) alimentée directement par le fluide de travail sous pression,
• ledit circuit de dérivation étant en contact avec la zone d'expansion (25) pour assurer un transfert thermique entre le fluide de travail circulant dans ledit circuit de dérivation et le fluide de travail contenu dans ladite zone d'expansion (25), pour former un moyen de préchauffe (15)
· ladite zone d'admission présentant :
o au moins une première ouverture interne débouchant dans une zone d'expansion (25) et
o une seconde ouverture interne débouchant dans ledit circuit de dérivation, commandée par ladite vanne (9)
• ladite vanne ( 9 ) étant une vanne à deux voies dont l'obturateur est disposé entre ladite seconde ouverture interne de ladite zone d'admission (22) et ledit circuit de dérivation, pour commander, lorsque ladite vanne (9) est ouverte, une circulation dudit fluide de travail entre ladite sortie interne de ladite zone d'admission (22) et ledit circuit de dérivation et de préchauffe (15). 2 - Machine de détente (0) selon la revendication 1 caractérisée en ce que ladite vanne ( 9 ) est une vanne à deux voies à commande proportionnelle.
3 - Machine de détente (0) selon la revendication 1 caractérisée en ce que ladite vanne (9) est une vanne à deux voies à commande par impulsions.
4 - Machine de détente (0) selon la revendication 1 caractérisée en ce que ledit circuit de dérivation et de préchauffe constitue, lorsque ladite vanne (9) est fermée, un moyen d'isolation thermique de ladite zone d'expansion.
5 - Machine de détente (0) selon la revendication 1 caractérisée en ce que ladite machine est une machine à pistons et en ce que ladite zone d'expansion (25) comprend au moins un cylindre.
6 - Machine de détente (0) selon la revendication précédente caractérisée en ce que ledit cylindre contient une chemise (409) délimitant un espace annulaire avec la paroi dudit cylindre, ledit moyen de préchauffe (15) comprenant ledit espace annulaire.
7 - Machine de détente (0) selon la revendication 5 caractérisée en ce que ledit piston contient un moyen d'isolation thermique.
8 - Machine de détente (0) selon la revendication 1 ou 5 caractérisée en ce qu'elle comprend un moyen d'isolation thermique disposé entre ladite zone d'admission (22) et ladite zone d'échappement (32).
9 - Machine de détente (0) selon la revendication 1 ou 5 caractérisée en ce qu'elle comprend un moyen d'isolation thermique disposé entre ladite zone d'admission (22) et ladite zone d'expansion (25).
10 - Machine de détente (0) selon la revendication 1 ou 5 caractérisée en ce qu'elle comprend un moyen d'isolation thermique disposé entre ladite zone d'échappement (32) et ladite zone d'expansion (25).
11 - Machine de détente (0) selon l'une quelconque des revendications 7 à 10 caractérisée en ce qu'au moins un dit moyen d'isolation thermique est constitué par un matériau d ' isolation .
12 - Machine de détente (0) selon l'une quelconque des revendications 7 à 10 caractérisée en ce qu'au moins un dit moyen d'isolation est constitué par un espace creux communiquant avec ladite zone d'échappement (32) par des orifices . 13 - Machine de détente (0) selon les revendications 6 et 9 ou 6 et 10 caractérisée en ce que ladite chemise (409) est fermée frontalement , la cloison de fermeture frontale présentant au moins un orifice d'admission et/ou d'échappement, ledit moyen d'isolation étant défini entre ladite cloison de fermeture frontale et la culasse.
14 - Machine de détente (0) à pistons selon la revendication 5 caractérisée en ce qu'un volume creux entre la surface frontale de la tête du piston et la surface frontale du corps du piston (400) constitue une zone d'isolation thermique .
15 - Machine de détente (0) à pistons selon la revendication précédente caractérisée en ce que ledit volume creux présente un perçage débouchant dans la zone d'échappement (32) pour permettre l'évacuation de la phase liquide du fluide de travail. 16 - Système de récupération d'énergie thermique comprenant au moins un évaporateur, au moins un condenseur, au moins une pompe et une machine de détente comportant une zone d'admission (22) présentant un orifice d'admission d'un fluide de travail sous pression, ledit fluide étant constitué, à l'admission de la machine de détente (0) en régime de fonctionnement nominal, par un composant principal en phase gazeuse chargé avec un composant lubrifiant en phase liquide,
· ladite machine comportant en outre un circuit de dérivation commandé par une vanne pour la mise en relation d'une zone de haute pression et une zone d ' échappement (32)
· ladite zone de haute pression est constituée par la zone d'admission (22) alimentée directement par le fluide de travail sous pression,
• ledit circuit de dérivation étant en contact avec la zone d'expansion (25) pour assurer un transfert thermique entre le fluide de travail circulant dans ledit circuit de dérivation et le fluide de travail contenu dans ladite zone d'expansion, pour former un moyen de préchauffe (15)
• ladite zone d'admission (22) présentant :
o au moins une première ouverture interne débouchant dans une zone d'expansion (25) et o une seconde ouverture interne débouchant dans ledit circuit de dérivation, commandée par ladite vanne (9)
• ladite vanne ( 9 ) étant une vanne à deux voies disposée entre ladite seconde ouverture interne de ladite zone d'admission et ledit circuit de dérivation, pour commander, lorsque ladite vanne (9) est ouverte, une circulation dudit fluide de travail entre ladite sortie interne de ladite zone d'admission (22) et ledit circuit de dérivation et de préchauffe.
17 - Procédé de commande du fonctionnement d'une machine de détente comportant une zone d'admission (22) présentant un orifice d'admission d'un fluide de travail à l'état gazeux sous pression,
• ladite machine comprenant un conduit de dérivation et de préchauffe entre ladite zone d'admission (22) et une zone d'échappement (32),
• l'on commande, lorsque la température de la machine de détente est inférieure à une valeur seuil variable en fonction de la pression, le passage en mode ouvert d'une vanne (9) à deux voies disposée entre une sortie de ladite zone d'admission (22) et ledit conduit de dérivation et de préchauffe, pour assurer une circulation dudit fluide de travail entre une sortie de ladite zone d'admission (22) et ledit conduit de dérivation et de préchauffe, afin de purger la zone d'expansion (25) du fluide de travail en phase liquide et déposer un film de lubrifiant sur les parties mobiles.
18 - Procédé de commande du fonctionnement d'une machine de détente (0) comportant une zone d'admission (22) présentant un orifice d'admission d'un fluide de travail à l'état gazeux sous pression,
· ladite machine comprenant un conduit de dérivation et de préchauffe entre ladite zone d'admission (22) et une zone d ' échappement (32),
• l'on commande, lorsque la pression du fluide de travail en admission de la machine de détente est supérieure à une valeur seuil, le passage en mode ouvert d'une vanne (9) à deux voies disposée entre une sortie de ladite zone d'admission (22) et ledit conduit de dérivation et de préchauffe, pour abaisser la pression d'admission du fluide de travail.
19 - Procédé de commande du fonctionnement d'une machine de détente (0) comportant une zone d'admission (22) présentant un orifice d'admission d'un fluide de travail à l'état gazeux sous pression,
• l'on commande, lors du passage en mode « arrêt » du système comprenant ladite machine de détente, le passage en mode ouvert d'une vanne (9) à deux voies dont l'obturateur est disposé entre une sortie de ladite zone d'admission (22) et ledit conduit de dérivation et de préchauffe, pour abaisser le ratio de pression entre l'admission et l'échappement. 20 - Procédé de commande du fonctionnement d'une machine de détente (0) comportant une zone d'admission (22) présentant un orifice d'admission d'un fluide de travail à l'état gazeux sous pression,
· ladite zone d'admission (22) étant reliée à une zone d'expansion (25),
• ladite machine comprenant un conduit de dérivation et de préchauffe entre ladite zone d'admission (22) et une zone d ' échappement (32),
• l'on commande, lorsque la différence entre la température du fluide de travail et la température de saturation à la pression du fluide de travail, mesurées à l'admission, est inférieure à une valeur seuil pendant une durée supérieure à une durée de référence, le passage en mode ouvert d'une vanne (9) à deux voies disposée entre une sortie de ladite zone d'admission (22) et ledit un conduit de dérivation et de préchauffe, pour réduire la pression du fluide de travail dans la zone d'admission (22).
21 - Procédé de commande du fonctionnement d'une machine de détente (0) comportant une zone d'admission (22) présentant un orifice d'admission d'un fluide de travail à l'état gazeux sous pression,
• l'on commande, lorsque la différence entre la température du fluide de travail et la température de saturation à la pression du fluide de travail, mesurées à l'échappement, est inférieure à une valeur seuil pendant une durée supérieure à une durée de référence, le passage en mode ouvert d'une vanne (9) à deux voies disposée entre une sortie de ladite zone d'admission (22) et ledit un conduit de dérivation et de préchauffe, pour réduire la pression du fluide de travail dans la zone d'admission
MACHINE DE DETENTE ET
PROCEDES D'UTILISATION D'UNE TELLE MACHINE
La présente invention concerne le domaine des machines de détente destinées à la récupération d'énergie thermique provenant de fluide chaud, pour la transformation en énergie mécanique ou électrique.
Selon un domaine d'invention préféré, l'invention concerne un système de récupération de l'énergie thermique issue d'un moteur tel qu'un moteur à combustion interne, et trouve une application particulière dans le domaine des transports .
En particulier, la demande de brevet européen
EP3128137 décrit un ensemble pour commander un débit de fluide de travail en phase gazeuse entre sa source et l'admission d'une machine de détente.
Le but de cette solution de l'art antérieur est d'éviter la pénétration du fluide de travail sous forme liquide dans la machine, en diminuant la pression lorsque la température du fluide alimentant la machine est trop basse. Un autre but est de limiter la pression lorsque celle-ci est excessive. Pour cela, cette solution prévoit une vanne à tiroir comprenant plusieurs passages alimentant d'un côté la culasse, de l'autre coté la zone d'échappement.
On connaît aussi dans l'art antérieur la demande de brevet internationale WO 2015176142 dispositif de détente de vapeur, ledit dispositif comprenant un détendeur présentant une admission qui est raccordée à un tuyau d'admission et une évacuation qui est raccordée à un tuyau d'évacuation, le tuyau d'admission étant pourvu d'une soupape d'admission et le tuyau d ' évacuation étant pourvu d ' une soupape d ' évacuation permettant d'isoler l'espace entre les soupapes en fermant ces soupapes lorsque le détendeur n'est pas en cours de fonctionnement, le dispositif étant pourvu d'une alimentation en vapeur qui conditionne l'espace entre les soupapes lorsque le détendeur n'est pas en cours de fonctionnement, de sorte que de l'air ne puisse pas pénétrer dans l'espace.
Dans ce document de l'art antérieur, une vanne d'alimentation référenciée (18) est reliée à un contrôleur qui commande l'ouverture lorsque le détendeur est mis hors service et sa refermeture lorsque le détendeur est remis en fonctionnement. Cette vanne d'alimentation est disposée sur le circuit d'alimentation en vapeur et pas dans le dispositif
La solution de l'art antérieur ne permet pas d'assurer un réchauffage adéquat de la branche en aval de la vanne, comprise entre la vanne et la culasse. Cette partie de la machine de détente n'est réchauffée que par conduction thermique . Solution apportée par l'invention
La présente invention vise à remédier aux inconvénients de l'art antérieur pour assurer une mise en température optimale de toutes les parties de la machine thermique, notamment lors de la phase de démarrage.
L'invention permet aussi de simplifier le circuit de réchauffage, ce qui permet d'en réduire l'encombrement.
Le but de l'invention est d'améliorer le fonctionnement de la machine dans des régimes de fonctionnement atypiques de la machine de détente par un seul et même moyen constitué par cette vanne actionnant un obturateur disposé dans la machine. Les fonctionnements atypiques présentés dans l'invention sont les suivants :
a) température de la machine trop faible,
b) surpression à l'admission,
e) surchauffe trop faible à l'échappement.
A cet effet, l'invention concerne selon son acception la plus générale une machine de détente conforme à la revendication 1, prise isolément ou en combinaison avec une ou plusieurs revendications dépendantes.
L'invention concerne aussi un système de récupération d'énergie thermique conforme à la revendication 1§, prise isolément ou en combinaison avec une ou plusieurs revendications dépendantes.
- la figure 1 représente une vue schématique des solutions de l'art antérieur
- la figure 2 représente une vue schématique de la solution selon l'invention
la figure 3 représente une vue en coupe longitudinale d'un premier exemple de réalisation d'une machine de détente à piston unique
- la figure 4 représente une vue éclatée d'une variante de réalisation d'une machine de détente à trois pistons
- la figure 5 représente une vue en coupe partielle d'un deuxième exemple de réalisation d'une machine de détente à trois pistons la figure 6 représente une vue en coupe transversale du deuxième exemple de réalisation d'une machine de détente à trois pistons
les figures 7 et 8 représentent une vue isométrique extérieure et intérieure de la culasse
la figure 9 représente une vue en coupe longitudinale de la machine de détente.
- la figure 10 représente une vue schématique d'une troisième variante de réalisation d'une machine de détente à spirale.
Présentation schématique de l'état de la technique
La figure 1 représente une vue schématique d'une solution de machine de détente selon l'art antérieur.
La transformation est réalisée dans une ou plusieurs chambres d'expansion formant une zone d'expansion, alimentée en fluide de travail sous forme vapeur chargé de lubrifiant, provenant de la zone d'admission haute-pression et évacué par une zone d'échappement.
Par convention, on utilisera le terme de « zone d'expansion » pour désigner la zone comprenant une ou plusieurs chambres d'expansion avec des pistons, ou une vis, ou une spirale, assurant la transformation de l'énergie thermodynamique de fluide thermique en travail mécanique.
On utilisera par la suite indifféremment les termes de « zone d'expansion », « chambre d'expansion » ou « chambres d'expansion », l'invention ne portant pas spécifiquement sur la nature de la zone d'expansion mais sur sa maîtrise thermique .
On utilisera également par la suite indifféremment les termes de « zone d'admission » ou « chambre d'admission ». Le fluide sous pression comprend un composant principal tel que l'éthanol, assurant le cycle thermodynamique, chargé avec un lubrifiant liquide pulvérisé dans la phase vapeur du composant principal. Le lubrifiant est de type polyalkylene glycol (PAG) miscible en phase liquide avec les autres composantes. La proportion de lubrifiant, en masse, est typiquement comprise entre 1 et 20% en masse.
Ce fluide de travail peut en outre comporter des composants tels que de l'eau, dans une proportion comprise entre 0 et 20% en masse et éventuellement des additifs pour dénaturer l'éthanol, par exemple de l 'euro-dénaturant (nom commercial), ou un alcane, ou une cétone dans des proportions comprises entre 1 et 10% en masse. Le mélange de ces liquides est monophasique , les différents constituants se mélangeant parfaitement.
La composition de ce fluide de travail est variable, mais contient toujours un lubrifiant, dont la température de dégradation est élevée et supérieure à la température d'évaporation des autres composantes.
A l'arrêt, le fluide de travail remplit les cavités de la machine de détente sous forme d'une phase liquide, sans phase vapeur, afin d'éviter des conditions de dépression par rapport à la pression atmosphérique qui conduiraient sur le long terme à la pénétration d'air et donc d'oxygène dans le circuit .
Le passage de cette dernière situation à un mode de fonctionnement nominal constitue une phase transitoire critique, car le fonctionnement nominal est incompatible avec une situation où :
a) la zone d'expansion est remplie d'une phase exclusivement liquide, b) la phase liquide présente dans la machine de détente est pauvre en lubrifiant. En effet, en phase « chaude », le lubrifiant est le seul composant restant en phase liquide et assure donc sa fonction de graissage. Par contre, en phase « froide » , les autres constituants sont également en phase liquide et viennent de ce fait diluer le lubrifiant, et réduire très significativement sa capacité de graissage. La dilution est typiquement d'un facteur 5 à 100.
Dans la suite de cette description, on entendra par « fonctionnement nominal», la situation dans laquelle la machine est en rotation, sous l'action du fluide de travail en phase gazeuse sous pression injecté dans la zone d'expansion pour provoquer le déplacement des pistons ou la rotation d'une vis ou d'une spirale.
On entendra par « fonctionnement atypique » des situations particulières et transitoires :
a) l'étape de démarrage de la machine passant de l'arrêt à la mise en mouvement
b) l'étape d'arrêt de la machine passant à l'inverse du fonctionnement nominal à l'arrêt
c) les situations de température et de pression du fluide de travail inappropriées avec un fonctionnement nominal.
L'invention concerne la maîtrise de ces trois régimes de fonctionnement atypiques de la machine de détente par un seul et même moyen :
a) la phase de démarrage d'une telle machine de détente, nécessitant une purge du fluide de travail en phase liquide contenu dans les cavités de la machine, notamment dans la zone d'expansion, et un graissage des organes mobiles internes. A l'arrêt, les chambres de la machine de détente sont remplies de liquide, à savoir le fluide de travail en phase liquide constitué par un mélange d'eau (éventuellement), d' éthanol, d'un dénaturant et d'un lubrifiant. La composition de ce fluide de travail est variable, mais contient toujours un lubrifiant, dont la température de dégradation est élevée et supérieure à la température d'évaporation des autres composantes.
Ce liquide est incompressible, et empêche le mouvement normal des pistons. Par ailleurs, ce liquide est peu lubrifiant, le lubrifiant étant fortement dilué, et le démarrage de la machine se ferait dans des conditions de frottement et d'usure défavorables.
Le mélange de liquide est monophasique, les différents constituants se mélangeant parfaitement. Pour permettre de concentrer la composante « lubrifiant » , il est nécessaire d'évaporer les autres composants (eau, éthanol et dénaturant), par un chauffage à une température supérieure à la température d'évaporation de ces trois autres composants, et inférieure à la température de décomposition du lubrifiant.
Ce chauffage doit préférentiellement se produire dans les zones les plus proches de la zone d'expansion afin de favoriser l'évacuation des composants eau, éthanol et dénaturant, et de favoriser le dépôt du lubrifiant à la surface de la zone d'expansion, après séparation du fait du chauffage.
Il serait très préjudiciable de démarrer la machine de détente avant d'avoir purgé le liquide et déposé un film d'huile sur les pièces mobiles. La première fonction de la solution proposée par l'invention est donc d'améliorer le chauffage au plus près de la zone d'expansion du liquide y stagnant avant le démarrage. 'arrêt de la machine de détente : lorsque l'on souhaite provoquer l'arrêt de la machine de détente avant l'arrêt naturel résultant du ratio de la pression d'admission sur la pression d'échappement inférieur à une valeur seuil, le moyen permet d'abaisser la pression d'admission et de ce fait baisser ce ratio. Cette valeur-seuil est par exemple un ratio de 5.
Alternativement il peut être souhaitable d'annuler la production de travail mécanique de la machine de détente (en particulier en cas d'arrêt du véhicule) sans nécessairement provoquer l'arrêt de la rotation de celle- ci, le moyen permet de réduire le ratio de pression à une valeur adéquate, en particulier si la vanne 2 voies est de type proportionnelle ou régulée par impulsions
c) le filtrage des conditions d'admission ou d'échappement du fluide travail en dehors de leur plage nominale, par exemple en cas de pression dépassant une valeur seuil ou de surchauffe insuffisante. Une surchauffe insuffisante peut correspondre par exemple à une différence entre la température du fluide de travail et la température de saturation à la pression du fluide de travail inférieure à une valeur seuil pendant une durée supérieure à une durée seuil. Une valeur seuil de surchauffe insuffisante est par exemple de 5°K pendant 30 secondes.)
Dans l'art antérieur, on a proposé de répondre à ces trois objectifs par des solutions illustrées schématiquement par la figure 1, avec une vanne à trois voies (90) extérieure à la machine de détente (0). Cette vanne à trois voies (90) est placée entre l'arrivée (21) du fluide de travail et l'admission (20) de la machine de détente (0).
Cette vanne (90) commande, selon sa position :
a) la transmission directe du fluide de travail provenant de l'arrivée (21) vers l'orifice d'admission (20) débouchant dans la zone d'admission (22) de la machine de détente (0). b) la transmission de tout ou partie du fluide de travail provenant de l'arrivée (21) vers un moyen de chauffage (15).
Cette configuration ne permet pas de vider correctement et rapidement la branche (23) comprise entre la vanne (90) et la zone d'admission à haute-pression (22) de la machine de détente ( 0 ) .
Cette branche (23) est donc une zone « morte » qui engendre un temps de préchauffage important.
Présentation schématique de l'invention
L'invention est décrite de manière schématique en référence à la figure 2.
Une des différences importantes est le fait que la vanne (9) présente deux caractéristiques particulières :
a) il s'agit d'une vanne à deux voies et non pas d'une vanne à trois voies
b) cette vanne est positionnée à l'intérieur de la machine de détente, sur une sortie interne de la zone d'admission haute-pression .
Elle peut être positionnée dans le couvre-culasse ou à l'interface entre la chambre d'admission haute-pression (22) et le moyen de préchauffe (15) relié à la zone d ' échappement .
A titre avantageux, la vanne à deux voies (9) est une vanne fabriquée par la société Schrader.
La vanne (9) présente deux positions :
a) une position fermée, correspondant au fonctionnement nominal de la machine de détente, où le fluide de travail circule à l'intérieur de la machine de détente depuis la zone d'admission (22) jusqu'à l'échappement (32) en passant par la zone d'expansion (25)
b) une position ouverte, correspondant aux trois situations atypiques susvisées, où le fluide de travail traverse d'abord la chambre d'admission (22), pour déboucher ensuite :
dans un circuit de dérivation comprenant les moyens de préchauffe (15) et qui met en liaison la zone d'admission (22) et la zone d'échappement (32) sans passer par la zone d'expansion (25), en phase de démarrage où la machine est à l'arrêt et ne tourne pas dans la zone d'expansion débouchant dans la zone d'échappement (32) et dans le circuit de dérivation, dans les deux autres situations, où la machine est en fonctionnement .
Architecture générale d'une solution à piston unique
La figure 3 représente une vue d'un premier exemple de mise en œuvre d'une machine de détente à piston unique.
Elle présente une zone d'admission (22) s 'ouvrant dans l'enveloppe extérieure (10) par un orifice d'admission (20).
A l'intérieur de la machine de détente, la chambre d'admission (22) présente deux sorties :
a) une première sortie (24) débouchant dans la zone d'expansion (25) à volume variable défini par un moyen mobile, par exemple un piston (13) dans l'exemple décrit. L'invention n'est pas limitée à un moyen mobile formé par un piston. Le moyen mobile peut aussi être constitué par une vis ou une spirale,
b) une deuxième sortie interne (14) débouchant dans les moyens de préchauffe décrit ci-après. L'obturateur de la vanne (9) assure l'ouverture ou la fermeture de cette deuxième sortie interne (14).
La première sortie (24) est toujours ouverte dans le cas où le moyen mobile est une vis ou une spirale. Dans le cas d'une machine à piston, la première sortie (24) est commandée par le système d'admission, qui ouvre et ferme alternativement la sortie (24) en fonction de la position du piston. Lorsque la machine de détente est à l'arrêt, la première sortie (24) est dans une situation quelconque, dépendant de la position du piston au moment de son arrêt. La première sortie (24) peut donc aussi bien être en position ouverte, en position fermée ou en position intermédiaire. En tout état de cause, l'état de la première sortie interne (24), à l'arrêt de la machine de détente, n'est pas commandé et est uniquement défini par la dernière position du piston.
La deuxième sortie interne (14) est associée à une vanne (9) commandée par un signal extérieur en fonction de l'état de la machine de détente, l'état du cycle de Rankine, notamment les conditions d'admission de la vapeur, et d'une commande extérieure d'arrêt de la machine de détente.
On entend par « sortie interne » au sens du présent brevet un passage assurant une communication entre deux zones internes de la machine de détente, et ne débouchant pas à l'extérieur de la machine de détente.
En fonctionnement nominal, la deuxième sortie interne (14) est fermée par l'obturateur de la vanne (9).
Dans les trois cas de fonctionnement atypique susvisés, la vanne (9) est passante pour ouvrir la deuxième sortie interne (14) et permettre le passage du fluide de travail depuis la chambre d'admission (22) jusqu'aux moyens de préchauffe (15). Dans la suite de la description, on utilisera indifféremment le terme de « moyens de préchauffe », « moyens de préchauffage », « moyens de chauffage », « circuit de dérivation et de préchauffe » ou « circuit de dérivation » ; il s'agit dans tous les cas d'un circuit de circulation du fluide de travail, lorsque la vanne est ouverte, entre la zone d'admission et la zone d'échappement avec un échange thermique avec la zone d'expansion.
Ces moyens de préchauffage (15) sont constitués de passages du fluide de travail autour de la chambre d'expansion (25), pour permettre le réchauffage de la chemise de piston, le cas échéant, et surtout du fluide de travail stagnant ou contenu dans la chambre d'expansion (25). Ils débouchent dans la zone d'échappement (32). Ils peuvent être constitués par des alésages ou des usinages annulaires formés dans la culasse ou dans la chemise, et des perçages reliant ces alésages et usinages .
Ces moyens de préchauffage (15) sont particulièrement efficients lorsque la machine est en phase atypique de démarrage pour chauffer la zone d'expansion.
Lorsque la machine est en fonctionnement, l'échange thermique n'est pas un effet recherché, et la fonction de ce circuit est alors principalement de dériver une partie du fluide de travail pour abaisser la pression dans la chambre d'admission.
Par ailleurs, les moyens de préchauffage (15) forment une zone d'isolation thermique de la zone d'expansion (25) par rapport à la zone d'échappement (32), et éventuellement par rapport à l'extérieur, lorsque la vanne (9) est en position fermée. Cette isolation thermique est obtenue par la lame de gaz statique à l'intérieur des moyens de préchauffe, lorsqu'ils ne sont pas traversés par le fluide de travail . Architecture générale d'une solution à trois pistons La figure 4 représente une vue éclatée d'une machine à expansion selon un exemple de l'invention.
L'attelage mobile (300) est intégralement enfermé dans le volume défini par le carter (100) et le couvre-culasse
- les trois pistons, dont deux sont représentés sur la figure 4 (400, 500) - les trois paires de patins semi-sphériques (412, 413) assurant la transmission des efforts entre les pistons (400, 500) et le plateau incliné (2)
Description détaillée de la zone de préchauffe
Les figures 5 à 8 représentent des vues d'un exemple de machine de détente à trois pistons. La figure 5 montre la machine de détente avec une découpe partielle permettant de visualiser le circuit de dérivation du fluide de travail.
Dans cet exemple, le couvre-culasse (200) présente un orifice d'admission (20) débouchant dans un raccord (26) sur lequel est raccordé le conduit d'arrivée de fluide de travail sous pression. De l'autre côté, l'orifice d'admission (20) débouche dans la zone d'admission haute pression (22) formée par une chambre annulaire entourant la zone contenant les moyens de levée des soupapes, non décrit dans la présente demande .
La paroi intérieure cylindrique de cette chambre annulaire formant la zone d'admission (22) est percée d'une première série de trois sorties (24) débouchant chacune dans un conduit incurvé s 'ouvrant axialement dans la zone d'expansion (25). Chacun de ces premières sorties (24) est commandée par une soupape (11) présentant une partie mobile radialement .
Ces soupapes (11) sont commandées de manière connue par une came (5) montée sur l'arbre moteur (1) pour assurer la distribution du fluide de travail dans les chambres d ' expansion .
La paroi extérieure cylindrique de cette chambre annulaire formant la zone d'admission (22) est percée d'une seconde sortie (14) débouchant dans un logement recevant la vanne de dérivation (9). Cette vanne (9) commande l'ouverture ou la fermeture d'un orifice (14) débouchant dans la zone haute-pression de section restreinte, 4 à 12 fois plus petite que l'orifice d'admission (20), afin de produire intentionnellement en fonctionnement en mode dérivation (par exemple pour la purge du liquide contenu dans la machine à l'arrêt) une perte de charge adéquate.
Le passage entre la chambre annulaire formant la zone d'admission (22) et le moyen de préchauffe est illustré sur le figure 5 par les deux flèches (46, 47), le fluide passant par l'orifice (14) puis par l'orifice (828).
La vanne (9) est une vanne pneumatique alimentée par l'air comprimé du système pneumatique du véhicule.
En l'absence d'alimentation pneumatique, la vanne
(9) passe automatiquement en position ouverte, ce qui commande le passage en mode d'arrêt en cas de défaillance.
En résumé, la chambre d'admission annulaire (22) reçoit le fluide de travail et le transmet :
a) lorsque la vanne (9) est fermée, exclusivement à la zone d'expansion
b) lorsque la vanne (9) est ouverte, à la fois à la zone d'expansion et au moyen de préchauffe.
Cette chambre d'admission (22) est dans tous les cas balayée par le fluide de travail sous pression, ce qui permet d'assurer aussi bien en fonctionnement nominal que dans l'un des trois cas de fonctionnement atypique la purge de la phase liquide du fluide de travail, en évitant toute zone morte .
Les figures 6 à 8 illustrent plus en détail la zone de préchauffe (15).
Cette zone (15) est formée par un espace annulaire défini à l'extérieur par le couvre-culasse (200) et à l'intérieur par la culasse (800). A l'intérieur de cette zone annulaire (15) de préchauffe se trouve une paroi (810) s 'étendant dans un plan radial et longitudinal coupant la circulation du fluide de travail.
Le fluide de travail pénètre dans cette chambre de préchauffe annulaire (15), d'un côté de la paroi (810) par un orifice d'entrée (828) traversant l'épaulement transversal du couvre-culasse (200), et ressort de l'autre côté de cette paroi (810), par un orifice (806), traversant le fond transversal (802) coté échappement. Le fluide de travail est forcé de parcourir un circuit entre cet orifice d'entrée (828) et cet orifice de sortie (806), contournant successivement les trois chambres d'expansion (25a, 25b, 25c), ce qui conduit à un échange thermique avec ces trois chambres d'expansion (25a, 25b, 25c).
A cet effet, chaque chambre d'expansion (25a, 25b, 25c) comprend une chemise (409, 509, 609) à l'intérieure de laquelle se déplace un piston. Ces chemises (409, 509, 609) sont insérées dans la culasse (800), avec un positionnement délimitant un espace tubulaire périphérique (418, 518, 618) fermé frontalement , à chaque extrémité.
Eventuellement, ces espaces tubulaires (418, 518, 618) présentent des perçages (824, 825, 826) radiaux par rapport à l'axe des cylindres, et inclinés vers le bas de la machine de détente lorsqu'elle est monté sur le moteur à combustion à interne. Ces perçages inclinés (824, 825, 826) permettent l'évacuation gravitaire des résidus liquide en fonctionnement nominal et de conserver une fonction d'isolation thermique grâce à une lame de gaz statique emplissant les espaces tubulaires (418, 518, 618).
Ces espaces tubulaires (418, 518, 618) forment une partie de la chambre de préchauffe annulaire (15). Le fluide de travail pénètre dans le premier espace tubulaire (418) par une lumière radiale (419a) orientée en direction de l'orifice d'entrée (828), et ressort par une lumière radiale diamétralement opposé (419b).
Le fluide de travail poursuit ensuite son parcours pour pénétrer dans le deuxième espace tubulaire (518) par une lumière radiale (519a) orientée en direction de la lumière radiale (419b) de l'espace annulaire (418) précédent, et ressort par une lumière radiale diamétralement opposée (519b).
Le fluide de travail poursuit ensuite son parcours pour pénétrer dans le troisième espace tubulaire (618) par une lumière radiale (619a) orientée en direction de la lumière radiale (519b) de l'espace annulaire (518) précédent, et ressort par une lumière radiale diamétralement opposée (619b) dirigée vers l'orifice de sortie (806).
Ainsi, le fluide de travail traverse successivement, en mode de fonctionnement de dérivation, les trois espaces annulaires (418, 518, 618) entourant les chambres d'expansion, et assure le réchauffage du fluide de travail stagnant en phase liquide dans ces chambres d'expansion jusqu'à 1 ' évaporation des composants éthanol, eau et dénaturant, ce qui permet leur évacuation et permet au composant lubrifiant de retrouver une concentration suffisante pour assurer le graissage des parties mobiles.
A la sortie de cette chambre de préchauffe annulaire (15), le fluide de travail pénètre dans la zone d'échappement (32) qui est remplie de fluide de travail en phase liquide lors du démarrage. Le fluide de travail issu de la chambre de préchauffe annulaire (15) est ainsi injecté dans la zone d'échappement (32) et chasse la phase liquide du fluide de travail. Le composant lubrifiant apporté par le fluide de travail assure la fonction de graissage du plateau incliné (2) et des organes mobiles qui avaient été lessivés par la phase liquide qui remplissait auparavant la zone d ' échappement (32).
Enfin, le fluide de travail achève son circuit par une évacuation par l'intermédiaire d'un orifice (33).
Description détaillée de la culasse.
La description détaillée de la culasse est illustrée par la figure 7 et par la figure 8.
La culasse (800) présente trois cavités (414, 514, 614) dans lesquelles viennent s'insérer les chemises tubulaires (409, 509, 609) ouvertes aux deux extrémités frontales. Les cavités (414, 514, 614) sont borgnes, chacune présentant deux orifices, à savoir un orifice d'échappement oblong (415, 515, 615) et un orifice d'admission (416, 516, 616).
Un joint plat (417) visible sur les figures 3 et 9 assure l'étanchéité entre la surface frontale de la chemise (409) et le fond de la cavité (414).
La chemise (409) présente une gorge annulaire (418) permettant de définir, avec la paroi intérieure de la cavité (414) un espace annulaire formant une isolation thermique. Optionnellement , cet espace peut être parcouru par un flux de vapeur chaude.
Ce passage (1) présente une zone de portage d'un roulement conique (617) visible sur les figures 3 et 9.
Le fond (802) de la culasse (800) présente par ailleurs des perçages (803 à 805) servant à la fixation de la culasse (800) sur le carter par des vis pénétrant dans les taraudages prévus dans les bossages.
L'orifice (806) constitue la sortie d'un conduit interne de dérivation ( « by-pass » ) assurant la purge du liquide stagnant dans la machine à l'arrêt. Le fond (802) présente également trois lumières (807 à 809) destinées au passage de la vapeur échappée par les conduits d'échappement (415, 515 et 615).
Le plateau transversal intermédiaire (811) est entouré par un joint périphérique (812). Ce joint (812) est un joint plat, en polytétrafluoroéthylène expansé dont l'épaisseur est comprise entre 1 et 4 millimètres, et sa compressibilité est comprise entre 10 et 70 %.
Ce plateau (811) est surmonté d'une couronne annulaire (813) présentant à son extrémité une bordure périphérique (814) entourée par un joint d'étanchéité (815). Ce joint (815) est également un joint plat, en polytétrafluoroéthylène expansé dont l'épaisseur est comprise entre 1 et 4 millimètres, et sa compressibilité est comprise entre 10 et 70 %.
Cet espace annulaire est étanché par les 2 joints plats (812 et 815) lorsque le couvre-culasse (200) est amené axialement et est positionné sur le carter (100). La liaison entre le couvre-culasse (200) et le carter (100) est également étanché par le joint torique (130). Ces étanchéités simultanées sur des plans de joints de hauteur différentes sont permises grâce aux propriétés de compressibilité du polytétrafluoroéthylène expansé ainsi qu'au choix judicieux de l'épaisseur des joints plats (812, 815).
La paroi (817) est percée par au moins un perçage (823) d'un diamètre inférieur à 4 mm, qui débouche dans la zone isolante (816) pour éviter l'accumulation d'huile et pour maintenir la zone isolante (816) à basse pression.
La culasse présente un circuit de dérivation partant de la zone haute-pression, via un passage de dérivation formé dans le couvre-culasse (200) commandé par une vanne ( 9 ) .
La vapeur débouche ensuite, après ce circuit, dans l'orifice (806).
Description détaillée de la zone d'expansion La figure 9 représente une vue en coupe longitudinale de la machine de détente selon l'invention.
La forme du piston illustrée par la figure 9 diffère de celle illustrée par la figure 4, correspondant à une variante de réalisation en ce qui concerne ce détail. La description portera sur un seul piston (400), étant entendu que les autres pistons (500) sont identiques.
Le piston (400) est constitué de deux pièces, à savoir le corps de piston (401) et la tête du piston (403), reliés par une vis (404) ou par tout autre moyen connu, par exemple par frettage.
Le guidage du piston est ainsi assuré de part et d'autre du plateau incliné (2) permettant une réduction des efforts de guidage mais également permettant de placer l'échappement (33) au plus près du côté de l'admission (20), ce qui facilite l'intégration de la machine de détente dans un véhicule .
La coopération entre le piston (400) et le plateau incliné (2) est assurée de manière connue par des patins présentant une forme de calotte sphérique (412, 413) disposés de part et d'autre du plateau.
Le patin (412) situé du coté de la tête de piston (403) fait optionnellement l'objet d'un traitement de surface de type carbone amorphe appelé DLC («diamond like carbon » en anglais ) .
Le plateau incliné (2) est réalisé en fonte à graphite sphéroïdal, faisant ensuite l'objet d'un traitement de surface par nitruration dans un bain de sels suivi d'une phase d'oxydation.
Alternativement, le plateau est réalisé en acier forgé faisant l'objet d'un traitement de type DLC sur au moins sa face plane du coté des cylindres. Description détaillée de l'isolation thermique
La machine de détente présente plusieurs zones contribuant à l'isolation thermique. Cette isolation thermique permet de réduire les transferts thermiques internes à la machine, et donc d'améliorer le rendement.
La première zone d'isolation thermique est assurée par la couronne annulaire (406) assurant le guidage de la tête (403) du piston et reprenant les efforts de guidage de l'ensemble du piston (400). Cette couronne annulaire (406) délimite un volume creux (407) entre la surface frontale de la tête (403) et la surface frontale du corps (401), constituant une zone d'isolation thermique.
Une deuxième zone d'isolation thermique est constituée par les trois espaces tubulaires (418, 518, 618) entourant les chambres d'expansion (25a, 25b et 25c). Cette zone est isolante lorsque la vanne (9) est en position fermée.
La troisième zone d'isolation est constituée par des espaces discaux (425) situés au fond de chacune des chambres d'expansion (25a, 25b, 25c). A cet effet, chaque chemise est fermée frontalement par un fond (426) traversé par :
un orifice d'échappement débouchant dans le conduit incurvé s 'ouvrant la zone d'échappement
- un orifice d'admission débouchant dans un conduit incurvé s 'ouvrant dans la zone d'admission.
Les troisièmes espaces d'isolation (425) sont formés entre les fonds (426) des chemises et la culasse (800).
Le quatrième espace d'isolation est constitué par la chambre d'isolation thermique (816) de forme annulaire précédemment décrite.
D'une manière générale les zones d'isolation de la machine sont agencées pour être soumises à la pression de la zone d ' échappement ( 32 ) au moyen de passages les mettant en communication avec ladite zone d'échappement, lesdits passages étant préférentiellement placés proches du point bas de chacune des zones d'isolation afin d'assurer le drainage des liquides .
Par cet agencement la vapeur présente dans les zones d'isolation est à plus faible densité et donc moins conductrice de la chaleur. Par ailleurs sa surchauffe est ainsi maximale, ce qui limite les phénomènes de condensation qui nuiraient à l'isolation thermique. Architecture générale d'une solution à spirale
L'invention n'est pas limitée à une machine de détente à piston. Elle peut aussi concerner une machine de détente utilisant une vis ou une spirale (respectivement « screw expander» ou « scroll expander» en anglais).
La figure 10 représente une vue schématique d'une telle machine. Le circuit de préchauffe fonctionne de manière analogue aux réalisations précédemment décrites.
Il comporte une vanne (9) commandant le passage du fluide de travail, en mode de fonctionnement atypique, vers un circuit de dérivation débouchant dans la chambre d'échappement contenant les spirales fixe et mobile (16).
Cette vanne (9) commande l'ouverture ou la fermeture du passage du fluide de travail provenant de la chambre d'admission (22), dans ce circuit de dérivation. En fonctionnement nominal, la vanne (9) est en position fermée, tout le fluide de travail provenant de la chambre d'admission (22) alimentant alors la zone d'expansion délimitée par la vis ou la spirale.
Les caractéristiques précédemment décrites concernant la chambre d'admission (22), la vanne (9) et les moyens de commande du fluide de travail en fonctionnement normal ou en fonctionnement atypique sont directement adaptées à de telles machines à vis ou à spirale.
Les spirales (16) peuvent également être pourvues de moyens d'isolation thermiques (17, 18) afin de limiter les transferts thermiques entre la chambre d'admission (22) et la zone d'expansion (25) ainsi qu'entre la zone d'expansion (25) et la zone d'échappement (32).
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