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SYSTEME DE REFROIDISSEMENT REGENERATIF
La présente invention est relative à un système de refroidissement régénératif
qui constitue
entre-autres un perfectionnement du moteur thermique à transfert-détente et
régénération
ayant fait l'objet de la demande de brevet N FR 15 51593 du 25 février 2015
appartenant
au demandeur, et du brevet publié le ler septembre 2016 sous le N US
2016/0252048 Al
qui appartient également au demandeur.
On connaît le cycle de Brayton à régénération ordinairement mis en oeuvre au
moyen de
compresseurs centrifuges et de turbines.
Suivant ce mode de mise en oeuvre, ledit cycle conduit à des moteurs qui
délivrent un
rendement sensiblement supérieur à celui des moteurs à allumage commandé.
Ledit
rendement est comparable à celui des moteurs Diesel rapides. Il reste
toutefois inférieur à
celui des moteurs Diesel deux-temps lents de très grosse cylindrée trouvés par
exemple
dans la propulsion navale ou la production stationnaire d'électricité.
Outre un rendement somme toute modeste, les moteurs à compresseurs centrifuges
et
turbines à cycle de Brayton à régénération délivrent leur meilleur rendement
sur une plage
de puissance et de régime de rotation relativement étroite. De plus, leur
temps de réponse
en modulation de puissance est long. Leur champ d'application est à ces divers
titres limité
et ils sont difficilement adaptables au transport terrestre et
particulièrement, à l'automobile
et au poids-lourds.
Le moteur à thermique à transfert-détente et régénération objet de la demande
de brevet
N FR 15 51593 a été prévu pour palier à ces défauts. Ledit moteur présente la
particularité
de mettre en oeuvre le cycle de Brayton régénéré non plus au moyen de
compresseurs
centrifuges et de turbines, mais au moyen de machines volumétriques ou pour le
moins, au
moyen d'un détendeur volumétrique constitué autour d'un cylindre détendeur
.
Sur les figures de la demande de brevet N FR 15 51593, on voit que chaque
extrémité
dudit cylindre détendeur est fermée par une culasse de cylindre détendeur. En
outre, ledit
cylindre héberge un piston détendeur à double effet pour former deux chambres
de
transvasement-détente de volume variable. Ledit piston peut se déplacer dans
le cylindre
détendeur pour transmettre un travail à un arbre de sortie de puissance via
une bielle et un
vilebrequin connus en soi.
Parmi les avantages revendiqués par l'invention objet de la demande de brevet
N FR 15 51593 on note un rendement de conversion de la chaleur en travail
très supérieur
à celui des moteurs à combustion interne alternatifs conventionnels quel qu'en
soit le
principe ce qui conduit, à même travail fourni, à une consommation de
carburant plus basse
que celle desdits moteurs conventionnels et à des émissions de dioxyde de
carbone
associées également plus basses.
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Pour que ces objectifs puissent être atteints, comme l'expose clairement la
demande de
brevet FR 15 51593, au moins trois conditions doivent être réunies.
La première est que le détendeur volumétrique soit effectivement constitué
d'un cylindre,
ce que n'enseigne pas l'état de l'art faisant état de machines apparentées. A
titre d'exemple,
le brevet US 2003/228237 Al du 11 décembre 2003 comprend bien un compresseur,
un
échangeur thermique de régénération, une source de chaleur et un détendeur,
toutefois,
ce dernier n'est pas un cylindre mais ce que les inventeurs auteurs dudit
brevet ont appelé
un gerotor .
La deuxième condition est que l'entrée et la sortie des gaz dans le cylindre
détendeur soient
réglées par des soupapes doseuses d'admission et d'échappement dûment phasées,
ce
qui conduit au diagramme pression / volume auquel est consacrée une figure
dans la
demande de brevet N FR 15 51593.
La troisième condition est que le dispositif d'étanchéité entre le piston et
le cylindre puisse
opérer à très haute température.
On note que le moteur à thermique à transfert-détente et régénération décrit
dans la
demande de brevet N FR 15 51593 répond à cette troisième condition en
exposant un
segment à coussin d'air innovant constitué d'un anneau continu perforé
gonflable et
expansible logé dans une gorge d'anneau aménagée dans le piston détendeur.
Ledit
anneau définit avec ladite gorge une chambre de répartition de pression
raccordée à une
source de fluide sous pression.
Ce dispositif d'étanchéité nouveau et sans contact direct avec le cylindre
détendeur rend
possible le fonctionnement à haute température dudit cylindre, cependant que
les soupapes
doseuses d'admission et d'échappement que comportent les culasses qui ferment
ledit
cylindre permettent de maximiser le rendement du moteur à thermique à
transfert-détente
et régénération.
Volontairement, le dispositif d'étanchéité innovant basé sur un segment à
coussin d'air a
été placé dans la demande de brevet N FR 15 51593 en revendication dépendante
de la
revendication principale. On comprend aisément qu'en présentant ainsi son
invention,
l'inventeur n'a pas exclu que d'autres solutions d'étanchéité puissent se
substituer audit
segment, même si ce dernier est présenté dans ladite demande de brevet comme
un
élément-clé du moteur thermique à transfert-détente et régénération.
Comme cela est clairement exposé dans la demande de brevet FR 15 51593, pour
que le
rendement du moteur à thermique à transfert-détente et régénération soit le
plus élevé
possible, les parois interne du cylindre détendeur doivent être portées à
haute température
de sorte que les gaz chauds introduits dans ledit cylindre ne se refroidissent
pas au contact
desdites parois, ou du moins, soient refroidis le moins possible par lesdites
parois. Ceci
vaut au moins pour les parois internes du cylindre détendeur proprement dit,
et pour celles
des culasses avec lesquelles coopère ledit cylindre.
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Conformément au principe de la thermodynamique des moteurs énoncé par Sadi
Carnot,
la demande de brevet FR 15 51593 suggère que le rendement du moteur à
thermique à
transfert-détente et régénération est d'autant plus élevé que la température
des gaz
introduits dans le cylindre détendeur est élevée.
C'est pourquoi la demande de brevet FR 15 51593 prévoit que le cylindre
détendeur, les
culasses du cylindre détendeur et le piston détendeur du moteur à thermique à
transfert-
détente et régénération peuvent être réalisés dans des matériaux résistants
aux très hautes
températures comme des céramiques à base d'alumine, de zircone ou de carbure
de
silicium.
Les parties chaudes et les composants à haute température du moteur à
thermique à
transfert-détente et régénération ont d'ailleurs fait l'objet de brevets de
perfectionnements
dudit moteur. A ce titre, on peut citer la demande de brevet N FR 15 58585 du
14
septembre 2015 appartenant au demandeur qui traite d'un cylindre détendeur à
double effet
à support adaptatif, ledit cylindre pouvant opérer à haute température et être
soumis à des
dilatations thermiques différentes de celles du carter de transmission sur
lequel il est fixé.
Dans le même registre, on note également la demande de brevet N FR 15 58593
du 14
septembre 2015 appartenant également au demandeur et qui a pour objet un
piston à
double effet constitué d'un assemblage précontraint, et pouvant opérer à haute
température.
On remarque que les demandes de brevet N FR 15 58585 et N FR 15 58593 qui
viennent
d'être citées proposent des solutions d'une grande robustesse pour traiter de
la cohabitation
sur un même appareil de pièces portées à haute température et de pièces
portées basses
températures.
Notamment, les configurations proposées dans lesdits brevets évitent dans de
larges
proportions que la chaleur ne migre depuis les pièces chaudes vers les pièces
froides avec
lesquelles elles coopèrent. Ceci préserve au moteur à thermique à transfert-
détente et
régénération un rendement élevé.
En revanche, les perfectionnements exposés dans les demandes de brevet
N FR 15 58585 et N FR 15 58593 ne changent rien au fait que si la
température des gaz
introduits dans le cylindre détendeur dudit moteur est par exemple de mille
trois cent degrés
Celsius, la température des parois internes dudit cylindre sera localement
voisine de mille
trois cent degrés Celsius, avec une température moyenne desdites parois
avoisinant par
exemple les mille degrés Celsius.
La température desdits gaz détermine donc directement la température à
laquelle doivent
résister les matériaux constitutifs des parties chaudes du cylindre détendeur
du moteur à
thermique à transfert-détente et régénération. Ainsi, indirectement, la
résistance à la
température desdits matériaux détermine le rendement maximal accessible par
ledit
moteur.
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On remarque d'ailleurs que les matériaux pouvant résister aux très hautes
températures
dont il est question sont relativement peu nombreux dans la mesure où ils
doivent en outre
offrir une résistance mécanique élevée à ces mêmes dites températures, en plus
d'être
résistants à la corrosion et à l'oxydation.
Lesdits matériaux sont principalement des céramiques telles que l'alumine, le
zircone, le
carbure de silicium ou le nitrure de silicium. Ces matériaux sont durs et
difficiles à usiner.
En conséquence, le prix de revient des pièces finies est relativement élevé ce
qui est un
frein à l'adoption par l'industrie automobile du moteur à thermique à
transfert-détente et
régénération objet de la demande de brevet FR 15 51593. En effet, ladite
industrie
s'adressant au marché de masse, elle présente une grande sensibilité au prix
de revient en
fabrication lequel doit rester le plus faible possible.
L'idéal serait donc que les parois internes du cylindre détendeur dudit moteur
restent
maintenues à une température maximale de par exemple sept à neuf cents degrés
Celsius.
En effet, à de telles températures, des matériaux plus courants et moins chers
à produire
et à usiner que les céramiques tels que les fontes ou les aciers inoxydables
ou réfractaires
peuvent être utilisés pour fabriquer ledit cylindre détendeur. Ceci vaut aussi
pour les
culasses et leurs plenums et conduits respectifs qui coopèrent avec ledit
cylindre.
Toutefois, il est impératif d'une part, d'éviter de baisser la température des
gaz chauds
admis dans le cylindre détendeur du moteur thermique à transfert-détente et
régénération
et d'autre part, de laisser s'échapper en pure perte la chaleur desdits gaz au
travers de
parois plus froides dudit cylindre au contact desquelles sont mis lesdits gaz.
En effet, ces
deux actions auraient pour conséquence dommageable de réduire
significativement le
rendement final du moteur thermique à transfert-détente et régénération.
En l'état actuel de l'art et de la technique, on comprend donc qu'il faut
choisir entre un
moteur thermique à transfert-détente et régénération à très haut rendement
mais onéreux
et complexe à produire, et un moteur relevant du même principe mais recourant
à des
matériaux peu cher à produire, et ceci au prix d'un gros sacrifice en
rendement, ce dernier
étant significativement réduit. Ceci constitue un dilemme.
C'est pour sortir dudit dilemme que le système de refroidissement régénératif
selon
l'invention permet, selon un mode particulier de réalisation :
= De réduire significativement la température des parois internes du
cylindre détendeur
et de ses culasses du moteur thermique à transfert-détente et régénération
objet de la
demande de brevet FR 15 51593, ceci permettant de recourir à des matériaux à
faible
prix de revient pour fabriquer ledit cylindre et lesdites culasses sans
réduire de façon
significative le rendement total dudit moteur thermique ;
= D'autoriser une température d'entrée des gaz dans le cylindre détendeur
supérieure à
celle que pourraient supporter - en l'absence du système de refroidissement
régénératif
selon l'invention - des matériaux chers et complexes comme les céramiques ;
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= De conférer au moteur à thermique à transfert-détente et régénération
objet de la
demande de brevet FR 15 51593 un rendement énergétique final supérieur à celui
accessible au même dit moteur avec des matériaux chers et complexes comme les
céramiques, avec des matériaux à faible prix de revient.
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Il est entendu que le système de refroidissement régénératif selon l'invention
s'adresse
principalement au moteur thermique à transfert-détente et régénération objet
de la
demande de brevet FR 15 51593 appartenant au demandeur.
Toutefois, ledit système peut aussi s'appliquer sans restriction au détendeur
de tout autre
moteur à cycle de Brayton à régénération, que ledit détendeur soit de type
centrifuge,
volumétrique ou de quelque autre type, et pourvu qu'il coopère avec un
régénérateur de
quelque type que ce soit.
Les autres caractéristiques de la présente invention ont été décrites dans la
description et
dans les revendications secondaires dépendantes directement ou indirectement
de la
revendication principale.
Le système de refroidissement régénératif suivant la présente invention est
prévu pour un
moteur thermique à régénération, ce dernier comprenant au moins un échangeur
thermique
de régénération qui présente un conduit haute-pression de régénération dans
lequel circule
pour y être préchauffé un gaz travaillant qui a été préalablement comprimé par
un
compresseur, tandis qu'au sortir dudit conduit ledit gaz est surchauffé par
une source de
chaleur avant d'être introduit dans un détendeur de gaz dans lequel il est
détendu pour
produire un travail sur un arbre de sortie de puissance, ledit gaz étant
ensuite expulsé en
sortie du détendeur de gaz puis introduit dans un conduit basse-pression de
régénération
que présente l'échangeur thermique de régénération, ledit gaz - en circulant
dans ledit
conduit - cédant une grande partie de sa chaleur résiduelle au gaz travaillant
circulant dans
le conduit haute-pression de régénération, ledit système comprenant :
= Au moins une enceinte de refroidissement qui enveloppe en tout ou partie
le détendeur
de gaz et/ou la source de chaleur et/ou un conduit d'admission des gaz chauds
qui
relie ladite source audit détendeur, tandis qu'est laissé un espace de
circulation des
gaz entre ladite enceinte d'une part, et/ou ledit détendeur et/ou ladite
source et/ou ledit
conduit d'autre part ;
= Au moins un port d'entrée d'enceinte qui est directement ou indirectement
relié à la
sortie du détendeur de gaz et par lequel tout ou partie du gaz travaillant
expulsé dudit
détendeur via ladite sortie peut pénétrer dans l'espace de circulation des
gaz;
= Au moins un port de sortie d'enceinte qui est directement ou
indirectement relié au
conduit basse-pression de régénération et via lequel le gaz travaillant peut
sortir de
l'espace de circulation des gaz avant d'être introduit dans ledit conduit
basse-pression.
Le système de refroidissement régénératif suivant la présente invention
comprend un port
d'entrée d'enceinte qui est relié à la sortie du détendeur de gaz par un
conduit d'entrée
d'enceinte dont la section effective est réglée par une vanne de réglage de
débit.
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Le système de refroidissement régénératif suivant la présente invention
comprend un port
de sortie d'enceinte qui est relié au conduit basse-pression de régénération
par un conduit
de sortie d'enceinte dont la section effective est réglée par une vanne de
réglage de débit.
Le système de refroidissement régénératif suivant la présente invention
comprend une
sortie du détendeur de gaz qui est reliée au conduit basse-pression de
régénération par un
conduit de contournement d'enceinte.
Le système de refroidissement régénératif suivant la présente invention
comprend une
section effective du conduit de contournement d'enceinte qui est réglée par
une vanne de
réglage de débit.
Le système de refroidissement régénératif suivant la présente invention
comprend un
extérieur de l'enceinte de refroidissement qui est revêtu d'un écran
thermique.
La description qui va suivre en regard du dessin annexé et donné à titre
d'exemple non
limitatif permettra de mieux comprendre l'invention, les caractéristiques
qu'elle présente, et
les avantages qu'elle est susceptible de procurer :
Figure 1 est une représentation schématique en vue latérale du système de
refroidissement
régénératif suivant l'invention tel qu'il peut être mis en oeuvre sur le
moteur thermique à
transfert-détente et régénération objet de la demande de brevet N FR 15 51593
appartenant au demandeur, et selon une variante dudit système selon laquelle
la sortie du
détendeur de gaz est reliée au conduit basse-pression de régénération par un
conduit de
contournement d'enceinte, tandis que la section effective dudit conduit de
contournement
et du conduit de sortie d'enceinte est réglée par une vanne de réglage de
débit.
DESCRIPTION DE L'INVENTION :
On a montré en figure 1 le système de refroidissement régénératif 100, divers
détails de
ses composants, ses variantes, et ses accessoires.
Comme le montre ladite figure 1, le système de refroidissement régénératif 100
est prévu
pour un moteur thermique à régénération 1, ce dernier comprenant au moins un
échangeur
thermique de régénération 5 qui présente un conduit haute-pression de
régénération 6 dans
lequel circule pour y être préchauffé un gaz travaillant 81 qui a été
préalablement comprimé
par un compresseur 2.
Au sortir du conduit haute-pression de régénération 6, ledit gaz 81 est
surchauffé par une
source de chaleur 12 avant d'être introduit dans un détendeur de gaz 78 dans
lequel il est
détendu pour produire un travail sur un arbre de sortie de puissance 17.
Le gaz travaillant 81 est ensuite expulsé en sortie du détendeur de gaz 78
puis introduit
dans un conduit basse-pression de régénération 7 que présente l'échangeur
thermique de
régénération 5, ledit gaz 81 - en circulant dans ledit conduit 7 - cédant une
grande partie de
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sa chaleur résiduelle au gaz travaillant 81 circulant dans le conduit haute-
pression de
régénération 6.
C'est dans ce contexte clairement illustré en figure 1 que le système de
refroidissement
régénératif 100 suivant l'invention comprend au moins une enceinte de
refroidissement 79
qui enveloppe en tout ou partie le détendeur de gaz 78 et/ou la source de
chaleur 12 et/ou
un conduit d'admission des gaz chauds 19 qui relie ladite source 12 audit
détendeur 78,
tandis qu'est laissé un espace de circulation des gaz 80 entre ladite enceinte
79 d'une part,
et/ou ledit détendeur 78 et/ou ladite source 12 et/ou ledit conduit 19 d'autre
part, le gaz
travaillant 81 pouvant circuler dans ledit espace 80.
On note que l'enceinte de refroidissement 79 peut être faite de tôle d'acier
inoxydable
emboutie ou hydro formée, et être possiblement réalisée en plusieurs parties
assemblées
entre-elles par soudage, vissage, ou rivetage, ladite enceinte pouvant ensuite
être fixée
directement ou indirectement sur les composants 78, 12, 19 qu'elle enveloppe.
La figure 1 illustre que le système de refroidissement régénératif 100 suivant
l'invention
comprend en outre au moins un port d'entrée d'enceinte 82 qui est directement
ou
indirectement relié à la sortie du détendeur de gaz 78 et par lequel tout ou
partie du gaz
travaillant 81 expulsé dudit détendeur 78 via ladite sortie peut pénétrer dans
l'espace de
circulation des gaz 80.
Toujours en figure 1, on remarque que le système de refroidissement
régénératif 100
suivant l'invention comprend aussi au moins un port de sortie d'enceinte 83
qui est
directement ou indirectement relié au conduit basse-pression de régénération 7
et via lequel
le gaz travaillant 81 peut sortir de l'espace de circulation des gaz 80 avant
d'être introduit
dans ledit conduit basse-pression 7.
On notera que préférentiellement, l'enceinte de refroidissement 79 enveloppe
le détendeur
de gaz 78 et/ou la source de chaleur 12 et/ou le conduit d'admission des gaz
chauds 19 de
manière étanche de sorte que le gaz travaillant 81 ne peut entrer dans
l'espace de
circulation des gaz 80 que par le port d'entrée d'enceinte 82 cependant que
ledit gaz 81 ne
peut sortir dudit espace 80 que par le port de sortie d'enceinte 83.
Suivant une variante de réalisation du système de refroidissement régénératif
100 suivant
l'invention montrée en figure 1, le port d'entrée d'enceinte 82 peut être
relié à la sortie du
détendeur de gaz 78 par un conduit d'entrée d'enceinte 84 dont la section
effective est
réglée par une vanne de réglage de débit 85, cette dernière pouvant - en
fonction de sa
position - interdire, laisser libre, ou restreindre la circulation du gaz
travaillant 81 dans ledit
conduit 84.
A titre d'autre variante toujours montrée en figure 1, le port de sortie
d'enceinte 83 peut être
relié au conduit basse-pression de régénération 7 par un conduit de sortie
d'enceinte 86
dont la section effective est réglée par une vanne de réglage de débit 85,
cette dernière
pouvant - en fonction de sa position - interdire, laisser libre, ou
restreindre la circulation du
gaz travaillant 81 dans ledit conduit de sortie d'enceinte 86.
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La figure 1 illustre aussi qu'une autre variante du système de refroidissement
régénératif
100 suivant l'invention consiste en ce que la sortie du détendeur de gaz 78
peut être reliée
au conduit basse-pression de régénération 7 par un conduit de contournement
d'enceinte
87 qui permet au gaz travaillant 81 expulsé en sortie du détendeur de gaz 78
d'aller
directement de ladite sortie au conduit basse-pression de régénération 7 sans
passer par
l'espace de circulation des gaz 80.
Selon cette dernière variante, la section effective du conduit de
contournement d'enceinte
87 peut éventuellement être réglée par une vanne de réglage de débit 85, cette
dernière
pouvant - en fonction de sa position - interdire, laisser libre, ou
restreindre la circulation du
gaz travaillant 81 dans ledit conduit de contournement 87.
En figure 1, on remarque qu'avantageusement l'extérieur de l'enceinte de
refroidissement
79 peut être revêtu d'un écran thermique 88 qui peut être constitué de tout
matériau
calorifuge connu de l'homme de l'art et qui peut ¨ outre l'enceinte de
refroidissement 79 ¨
revêtir les divers conduits et organes chauds qui constituent le moteur
thermique à
régénération 1.
On note qu'en ce cas, ledit écran thermique 88 est prévu pour prévenir toute
déperdition de
chaleur excessive laquelle est défavorable au rendement du moteur thermique à
régénération 1.
FONCTIONNEMENT DE L'INVENTION :
Le fonctionnement du système de refroidissement régénératif 100 selon
l'invention se
comprend aisément à la vue de la figure 1.
Pour détailler ledit fonctionnement, nous retiendrons ici l'exemple de
réalisation du système
de refroidissement régénératif 100 selon l'invention lorsque le moteur à
régénération 1
auquel il s'applique est constitué du moteur thermique à transfert-détente et
régénération
objet de la demande de brevet N FR 15 51593 du 25 février 2015 appartenant au
demandeur.
Comme on le voit sur la figure 1, le moteur à régénération 1 comprend ici un
compresseur
2 bi-étagé qui est notamment constitué d'un compresseur basse-pression 35 qui
aspire du
gaz travaillant 81 dans l'atmosphère via un conduit d'entrée de compresseur 3,
la sortie
dudit compresseur basse-pression 35 étant reliée à l'entrée d'un compresseur
haute-
pression 36 via un refroidisseur intermédiaire de compresseur 37.
La figure 1 illustre qu'en sortie du compresseur haute-pression 36, le gaz
travaillant 81 est
expulsé dans le conduit haute-pression de régénération 6 que comprend
l'échangeur
thermique de régénération 5 qui en l'occurrence est un échangeur thermique à
contre-
courant 41 connu en soi. On assumera ici l'hypothèse selon laquelle le gaz
travaillant 81
est expulsé du compresseur haute-pression 36 sous une pression de vingt bars
et à une
température de deux-cents degrés Celsius.
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En circulant dans le conduit haute-pression de régénération 6, le gaz
travaillant 81 est
préchauffé à une température de six-cent-cinquante degrés Celsius par le gaz
travaillant
81 chaud qui circule dans le conduit basse-pression de régénération 7
adjacent.
Pour simplifier, considérons que le rendement de l'échangeur thermique de
régénération 5
est de cent pour cent. Ceci implique que le gaz travaillant 81 qui circule
dans le conduit
basse-pression de régénération 7 entre dans ce dernier à une température de
six-cent-
cinquante degrés Celsius et sort dudit conduit 7 à une température de deux-
cents degrés
Celsius avant d'être relâché dans l'atmosphère via le conduit de sortie de
moteur 33,
cependant que le gaz travaillant 81 qui circule dans le conduit haute-pression
de
régénération 6 entre dans ce dernier à une température de deux-cents degrés
Celsius pour
en ressortir à une température de six-cent-cinquante degrés Celsius.
Sortant du conduit haute-pression de régénération 6, ledit gaz travaillant 81
est ensuite
surchauffé à mille-quatre-cents degrés Celsius par la source de chaleur 12 qui
- selon cet
exemple de réalisation - est constituée d'un brûleur de carburant 38.
Au sortir dudit brûleur 38, le gaz travaillant 81 est acheminé par un conduit
d'admission des
gaz chauds 19 jusqu'au détendeur de gaz 78 qui n'est autre que le cylindre
détendeur 13
du moteur thermique à transfert-détente et régénération objet de la demande de
brevet N
FR 15 51593.
On note que le conduit d'admission des gaz chauds 19 est préférentiellement
réalisé en
céramique à haute résistance à la température jusqu'à son raccordement avec
une culasse
de cylindre détendeur 14 coiffant l'une ou l'autre extrémité du cylindre
détendeur 13. Ainsi,
la température dudit conduit 19 reste approximativement égale à mille-quatre-
cents degrés
Celsius de sorte que le gaz travaillant 81 circulant dans ledit conduit 19
conserve sa
température tout au long de son parcours.
Ainsi donc, comme illustré en figure 1, chaque extrémité du cylindre détendeur
13 est
coiffée d'une culasse de cylindre détendeur 14 de sorte que soient définies
avec un piston
détendeur à double effet 15 deux chambres de transvasement-détente 16. On note
aussi
que chaque culasse comporte une soupape doseuse d'admission 24 et une soupape
doseuse d'échappement 31.
Grâce au système de refroidissement régénératif 100 selon l'invention, le
moteur thermique
à transfert-détente et régénération étant chaud, le cylindre détendeur 13 et
les culasses de
cylindre détendeur 14 sont maintenus à une température voisine de sept-cents
degrés
Celsius. Ceci permet de réaliser ledit le cylindre 13 et lesdites culasses 14
dans un matériau
moins cher et plus courant que la céramique, tel que l'inox ou la fonte
ferritique au silicium.
Le piston détendeur à double effet 15 est quant à lui, et selon cet exemple
non-limitatif de
réalisation du système de refroidissement régénératif 100 selon l'invention,
fabriqué en
nitrure de silicium. La température moyenne de fonctionnement dudit piston 15
est de
l'ordre de huit-cents degrés Celsius.
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On remarque en figure 1 que ledit piston 15 est relié par des moyens
mécaniques de
transmission 19 à un arbre de sortie de puissance 17, lesdits moyens 19 étant
notamment
constitués d'une bielle 42 articulée autour d'une manivelle 43.
5 Le gaz travaillant 81 porté à une pression de vingt bars et à une
température de mille-
quatre-cents degrés Celsius est donc introduit dans l'une ou l'autre chambre
de
transvasement-détente 16 par la soupape doseuse d'admission 24 correspondante.
En passant au travers de l'orifice maintenu ouvert par la soupape doseuse
d'admission 24,
10 ledit gaz 81 commence à légèrement se refroidir notamment au contact des
parois internes
de la culasse de cylindre détendeur 14 qu'il traverse, et des parois interne
de la chambre
de transvasement-détente 16 dans laquelle il est introduit dans l'objectif d'y
être détendu
par le piston détendeur à double effet 15. Lesdites parois sont - comme nous
l'avons vu
précédemment - maintenues à sept-cents degrés Celsius par le système de
refroidissement
régénératif 100.
Nous ferons à ce stade l'hypothèse que le gaz travaillant 81 perd en moyenne
cent degrés
Celsius en léchant les parois internes de la culasse de cylindre détendeur 14,
et celles de
la chambre de transvasement-détente 16. En conséquence, la température du gaz
travaillant 81 a chuté pendant son transvasement depuis le conduit d'admission
des gaz
chauds 19 vers la chambre de transvasement-détente 16 pour passer de mille-
quatre-cents
degrés Celsius à mille-trois-cents degrés Celsius.
Lorsque la quantité de gaz travaillant 81 recherchée a été effectivement
introduite dans la
chambre de transvasement-détente 16 par la soupape doseuse d'admission 24
correspondante, cette dernière se referme, et le piston détendeur à double
effet 15 détend
ledit gaz 81. Ce faisant, ledit piton 15 récolte le travail produit par la
détente dudit gaz 81,
et communique ledit travail à l'arbre de sortie de puissance 17 notamment via
la bielle 42
et la manivelle 43.
Une fois le gaz travaillant 81 détendu par le piston détendeur à double effet
15, la pression
dudit gaz 81 a chuté à environ un bar absolu. Il en est de même pour la
température dudit
gaz 81 qui est passée de mille-trois-cents degrés Celsius à cinq-cent-
cinquante degrés
Celsius.
Le piston détendeur à double effet 15 ayant atteint son Point Mort Bas, la
soupape doseuse
d'échappement 31 s'ouvre et ledit piston 15 expulse ledit gaz 81 dans le
conduit d'entrée
d'enceinte 84 qui achemine ledit gaz 81 jusqu'au port d'entrée d'enceinte 82.
Le gaz travaillant 81 pénètre alors dans l'espace de circulation des gaz 80
puis se dirige
via cet espace vers le port de sortie d'enceinte 83. Ce faisant, ledit gaz 81
lèche les parois
externes chaudes du cylindre détendeur 13 et des culasses de cylindre
détendeur 14.
Lesdites parois externes ont été prévues en tout ou partie rugueuses et/ou
parsemées de
motifs géométriques afin de produire un forçage convectif obligeant le gaz
travaillant 81 à
prélever plus ou moins de chaleur auxdites parois lorsque ledit gaz 81 circule
au contact
desdites parois.
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En outre, la géométrie interne de l'enceinte de refroidissement 79 et/ou la
géométrie
externe du cylindre détendeur 13 et/ou la géométrie externe des culasses de
cylindre
détendeur 14 peuvent avantageusement former des canaux qui forcent tout ou
partie du
gaz travaillant 81 à suivre un itinéraire ou plusieurs itinéraires simultanés
pour aller du port
d'entrée d'enceinte 82 au port de sortie d'enceinte 83 via l'espace de
circulation des gaz
80.
On comprend que la double stratégie de forçage convectif et d'itinéraire forcé
du gaz
travaillant 81 permet de choisir de première part, les zones d'export de
chaleur depuis les
parois externes chaudes du cylindre détendeur 13 et des culasses de cylindre
détendeur
14 vers ledit gaz 81, de deuxième part, l'ordre chronologique de balayage
desdites zones
par ledit gaz 81, et de troisième et dernière part, l'intensité du forçage
convectif le long de
l'itinéraire dudit gaz 81.
En tout état de cause, pendant son parcours dans l'enceinte de refroidissement
79, la
température du gaz travaillant 81 soustrait de la chaleur aux parois externes
chaudes du
cylindre détendeur 13 et des culasses de cylindre détendeur 14 au point que la
température
dudit gaz 81 passe progressivement de cinq-cent-cinquante degrés Celsius à six-
cent-
cinquante degrés Celsius. Ce faisant et en relation avec la stratégie de
forçage convectif et
d'itinéraire choisie pour ledit gaz 81, ce dernier homogénéise la température
du cylindre
détendeur 13 et des culasses de cylindre détendeur 14 ladite température étant
maintenue
au voisinage de sept-cents degrés Celsius.
Le gaz travaillant 81 ayant atteint sa nouvelle température de six-cent-
cinquante degrés
Celsius, ledit gaz 81 parvient au port de sortie d'enceinte 83 et rejoint le
conduit basse-
pression de régénération 7 via le conduit de sortie d'enceinte 86.
Comme on l'a compris à la lecture de ce qui précède, en circulant dans le
conduit basse-
pression de régénération 7 et avant d'être relâché dans l'atmosphère via le
conduit de sortie
de moteur 33, le gaz travaillant 81 expulsé du port de sortie d'enceinte 83
cède une grande
partie de sa chaleur au gaz travaillant 81 qui circule dans le conduit haute-
pression de
régénération 6 adjacent.
En définitive et grâce au système de refroidissement régénératif 100 selon
l'invention, la
chaleur extraite du cylindre détendeur 13 et des culasses de cylindre
détendeur 14 pour les
maintenir à une température de l'ordre de sept-cents degrés Celsius n'est en
rien dissipée
en pure perte.
En effet, ladite chaleur est réintroduite dans le cycle thermodynamique du
moteur thermique
à régénération 1 pour se substituer à une partie de la chaleur devant être
apportée par le
brûleur de carburant 38 pour porter le gaz travaillant 81 à une température de
mille-quatre-
cents degrés Celsius avant que ce dernier ne soit dirigé vers le cylindre
détendeur 13 puis
introduit dans les chambres de transvasement-détente 16.
On remarque en figure 1 le conduit de contournement d'enceinte 87 lequel
comprend une
vanne de réglage de débit 85. On remarque aussi en figure 1 que le conduit de
sortie
d'enceinte 86 comprend également une vanne de réglage de débit 85. Ces deux
dites
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vannes 85 constituent une variante de réalisation du système de
refroidissement régénératif
100 selon l'invention et sont prévues pour réguler la température du cylindre
détendeur 13
et des culasses de cylindre détendeur 14.
En effet, si ladite température est trop élevée, la vanne de réglage de débit
85 du conduit
de contournement d'enceinte 87 obture ledit conduit de contournement 87 tandis
que la
vanne de réglage de débit 85 du conduit de sortie d'enceinte 86 ouvre ledit
conduit de sortie
86. Ceci a pour effet de forcer le gaz travaillant 81 expulsé des chambres de
transvasement-
détente 16 par leur soupape doseuse d'échappement 31 respective à passer par
l'espace
de circulation des gaz 80 pour rejoindre le conduit basse-pression de
régénération 7.
Si au contraire la température du cylindre détendeur 13 et des culasses de
cylindre
détendeur 14 est trop basse, la vanne de réglage de débit 85 du conduit de
contournement
d'enceinte 87 ouvre ledit conduit de contournement 87 tandis que la vanne de
réglage de
débit 85 du conduit de sortie d'enceinte 86 ferme ledit conduit de sortie 86.
Ceci a pour effet
d'interdire au gaz travaillant 81 expulsé des chambres de transvasement-
détente 16 par
leur soupape doseuse d'échappement 31 respective de passer par l'espace de
circulation
des gaz 80 pour rejoindre le conduit basse-pression de régénération 7. Ledit
gaz 81 rejoint
donc ledit conduit 7 directement, via le conduit de contournement d'enceinte
87.
On comprend que dans la pratique, les vannes de réglage de débit 85 sont
rarement soit
pleinement ouvertes soit pleinement fermées, et que lesdites vannes 85 peuvent
être
maintenues entrouvertes pour réguler la température du cylindre détendeur 13
et des
culasses de cylindre détendeur 14 sans variation brutale de débit de gaz
travaillant 81
circulant dans l'espace de circulation des gaz 80.
On comprend aussi que la régulation de ladite température nécessite un
dispositif de
commande formé par exemple d'au moins un capteur de température et d'un
microcontrôleur connus en soi, lesquels permettent de piloter des servomoteurs
de quelque
type que ce soit qui chacun actionne une vanne de réglage de débit 85 en
ouverture ou en
fermeture.
Selon un mode particulier de réalisation du système de refroidissement
régénératif 100
suivant l'invention, les vannes de réglage de débit 85 peuvent aussi être
reliées entre-elles
par une liaison mécanique pour partager le même servomoteur. En ce cas, ladite
liaison
garantit que lorsque la première dite vanne 85 est fermée la seconde est
ouverte, et
inversement.
On déduit aisément de ce qui précède que le système de refroidissement
régénératif 100
suivant l'invention apporte de nombreux avantages, notamment à la mise en
oeuvre du
moteur thermique à transfert-détente et régénération objet de la demande de
brevet N FR
15 51593 appartenant au demandeur.
A titre de premier avantage, il n'est plus nécessaire de réaliser le cylindre
détendeur 13 et
les culasses de cylindre détendeur 14 en matériau céramique comme par exemple
le
carbure de silicium. En effet, ce type de matériau est notoirement cher à
produire du fait de
sa grande dureté le rendant difficilement usinable au moyen d'outils de coupe
ou de
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rectification conventionnels. Grâce au système de refroidissement régénératif
100 suivant
l'invention, il est possible de remplacer ladite céramique par de la fonte ou
de l'acier
inoxydable. Ceci réduit fortement le prix de revient en fabrication du moteur
thermique à
transfert-détente et régénération ce qui est décisif, notamment pour que ledit
moteur puisse
accéder au marché automobile.
A titre de deuxième avantage, le cylindre détendeur 13 et les culasses de
cylindre
détendeur 14 étant plus froids, il est possible de recourir à des matériaux à
très faible
conductivité thermique et à forte résistance mécanique à la compression tels
que le quartz
pour réaliser les piliers évidés du cylindre détendeur à double effet à
support adaptatif objet
de la demande de brevet N FR 15 58585 du 14 septembre 2015 appartenant au
demandeur. En effet, si le quartz n'est pas compatible avec une température de
mille trois-
cents degrés Celsius, il est parfaitement compatible avec une température de
sept-cents
degrés Celsius. Rappelons ici que le cylindre détendeur à double effet à
support adaptatif
dont il est question constitue l'un des perfectionnements-clés du moteur
thermique à
transfert-détente et régénération.
A titre de troisième avantage, les culasses de cylindre détendeur 14 étant
maintenues à
sept-cents degrés Celsius, elles peuvent recevoir des soupapes en nitrure de
silicium
préexistantes, compatibles avec ces niveaux de température. De telles soupapes
ont par
exemple été développées par la société NGK et ont fait l'objet de
recherches sur leur
industrialisation à bas coût notamment dans le cadre du projet N G3RD-CT-2000-
00248
intitulé LIVALVES , financé dans le cadre du cinquième programme cadre
Européen
FP5-GROWTH.
A titre de quatrième avantage, avec une température de paroi intérieure de
cylindre
détendeur 13 maintenue au voisinage de sept-cents degrés Celsius, le segment à
coussin
d'air tel que prévu dans la demande de brevet N FR 15 51593 appartenant au
demandeur
peut être fait d'un superalliage durablement résistant à ces niveaux de
température, sans
risque pour ledit segment d'être soumis à une température significativement
supérieure
auxdits sept-cents degrés Celsius, notamment lorsque le moteur thermique à
transfert-
détente et régénération est stoppé et avant que ce dernier n'ait refroidi.
A titre de cinquième avantage, appliqué au moteur thermique à transfert-
détente et
régénération objet de la demande de brevet N FR 15 51593, le système de
refroidissement
régénératif 100 suivant l'invention permet de limiter la température à
laquelle sont soumis
les écrans thermiques 88 qui enveloppent le cylindre détendeur 13 et les
culasses de
cylindre détendeur 14. En effet, l'enceinte de refroidissement 79 s'intercale
entre lesdits
écrans 88 d'une part, et ledit cylindre 13 et lesdites culasses d'autre part.
Le prix de revient
et la durabilité desdits écrans 88 s'en trouvent ainsi améliorés dans
d'importantes
proportions.
Ces avantages sont obtenus sans préjudice pour le rendement énergétique final
du moteur
thermique à transfert-détente et régénération.
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Au contraire, le système de refroidissement régénératif 100 suivant
l'invention permet de
découpler la relation existante selon la demande de brevet N FR 15 51593
entre la
résistance à la température des matériaux constitutifs du cylindre détendeur
13 et des
culasses de cylindre détendeur 14 d'une part, et la température du gaz
travaillant 81 sortant
du brûleur de carburant 38 d'autre part.
En quelque sorte, grâce au système de refroidissement régénératif 100 suivant
l'invention,
il est envisageable de hausser la température du gaz travaillant 81 sortant du
brûleur de
carburant 38 pour augmenter le rendement final du moteur thermique à transfert-
détente et
régénération et ceci, sans compromettre la tenue à la température des
principaux organes
qui constituent ledit moteur.
On note qu'outre le moteur thermique à transfert-détente et régénération objet
de la
demande de brevet N FR 15 51593, le système de refroidissement régénératif
100 suivant
.. l'invention peut avantageusement s'appliquer à tout autre moteur thermique
à régénération
1 dont la configuration et les caractéristiques de température sont
compatibles avec ledit
système 100.
Les possibilités du système de refroidissement régénératif 100 suivant
l'invention ne s'en
limitent donc pas aux applications qui viennent d'être décrites et il doit
d'ailleurs être
entendu que la description qui précède n'a été donnée qu'à titre d'exemple et
qu'elle ne
limite nullement le domaine de ladite invention dont on ne sortirait pas en
remplaçant les
détails d'exécution décrits par tout autre équivalent.
