Note : Les descriptions sont présentées dans la langue officielle dans laquelle elles ont été soumises.
CA 02998581 2018-03-13
WO 2017/046479 PCT/FR2016/052232
1
CYLINDRE DETENDEUR A DOUBLE EFFET
A SUPPORT ADAPTATIF
La présente invention est relative à 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.
Il y aurait un grand intérêt énergétique à réaliser des moteurs à régénération
volumétriques inspirés des moteurs à cycle de Brayton à turbocompresseur,
turbine motrice, brûleur et régénérateur. Ces derniers moteurs constituent la
principale source motrice de certaines centrales de production d'électricité à
gaz
ou de certains navires tels ceux propulsés par le moteur Rolls-Royce WR-21
.
On note que le demandeur détient deux demandes de brevet français portant sur
un moteur thermique à transfert-détente et régénération. La première de ces
demandes a été enregistrée le 30 janvier 2015 sous le n 1550762, et la
seconde
est en date du 25 février 2015 et porte le n 1551593.
Ledit moteur se distingue des moteurs à cycle de Brayton à régénération
conventionnels en ce que la turbine motrice ordinairement utilisée est
remplacée
par un cylindre détendeur dont la performance énergétique est maximisée par
des
soupapes doseuses d'admission et d'échappement opérant selon un mode spécial
décrit dans la section fonctionnement desdites demandes.
Notamment, le phasage de la soupape doseuse d'admission maximise le
rendement de la détente des gaz en prolongeant cette dernière jusqu'à la
pression
d'échappement. En outre, le phasage de la soupape doseuse d'échappement est
prévu pour re-comprimer les gaz d'échappement résiduels emprisonnés dans le
volume mort trouvé au Point Mort Haut du piston afin qu'avant que ne s'ouvre
la
soupape doseuse d'admission, la pression et la température desdits gaz
redeviennent équivalentes à celles des gaz sortant du brûleur. Ce dernier
phasage
évite toute irréversibilité due à la décharge de gaz sous haute pression dans
un
volume mort resté sous basse pression.
Selon lesdites demandes, le remplacement de ladite turbine motrice par ledit
cylindre détendeur est notamment rendu possible par des moyens d'étanchéité de
CA 02998581 2018-03-13
WO 2017/046479 PCT/FR2016/052232
2
piston innovants qui empêchent les gaz sous pression de fuir entre ledit
cylindre et
le piston détendeur avec lequel il coopère. Ces deux derniers organes étant
portés
à très haute température, ils excluent tout recours à quelque lubrification
par huile
que ce soit d'un segment ou d'une bague et à tout contact entre le cylindre
détendeur chaud d'une part, et un segment ou un joint d'étanchéité d'autre
part.
C'est pourquoi les moyens d'étanchéité innovants proposés dans les demandes
de brevet n 1550762 et n 1551593 permettent de s'affranchir de tout besoin
en
lubrification et en contact grâce au maintien d'un film d'air intercalé entre
un
anneau continu perforé et le cylindre détendeur, le débit dudit air assurant
en
outre le refroidissement dudit anneau.
Par là même, lesdites demandes proposent un agencement et des solutions
techniques inédites qui résolvent un problème technique jusqu'ici non-résolu,
répondant ainsi au besoin identifié et non-satisfait de rendre possible la
production
de moteurs à régénération d'un rendement très supérieur à celui des moteurs à
cycle de Brayton à régénération à turbines, et très supérieur à celui des
moteurs
thermiques alternatifs à combustion interne Otto ou Diesel quel qu'en soit le
type.
On note que dans les demandes n 1550762 et n 1551593, les moyens
d'étanchéité figurent en revendication secondaire pour ne pas exclure
l'éventualité
d'autres moyens d'étanchéité qui procureraient les mêmes avantages.
Ceci étant exposé, qu'il s'agisse du cylindre détendeur tel que présenté dans
les
demandes n 1550762 et n 1551593, ou de tout autre cylindre détendeur ou non,
dès lors que ledit cylindre opère à haute température, il doit être constitué -
de
même que la ou les culasse(s) qui en ferme(nt) la ou les extrémité(s) et que
le
piston avec lequel il coopère - d'un matériau doté d'une résistance mécanique
suffisamment élevée à haute température tel que l'alumine, le carbure de
silicium
ou l'oxyde de zirconium. Certaines nuances d'acier inoxydable ou superalliages
peuvent également être utilisés. Toutefois, leur résistance mécanique
rapportée à
leur prix de revient n'en fait pas nécessairement le choix le plus judicieux.
Le problème est que ces organes et matériaux portés à des températures
avoisinant les mille degrés Celsius voire davantage coopèrent avec d'autres
organes dont la température de fonctionnement reste notablement plus basse, de
l'ordre de cent degrés Celsius seulement. Parmi lesdits autres organes
figurent
CA 02998581 2018-03-13
WO 2017/046479
PCT/FR2016/052232
3
par exemple les moyens mécaniques de transmission de la puissance auxquels
est relié le piston, ou le carter qui renferme lesdits moyens et sur lequel
est
directement ou indirectement fixé le cylindre - détendeur ou non - et sa ou
ses
culasse(s).
Il faut donc rendre possible la coopération entre ces différents organes qui
sont
reliés ou fixés entre eux, qui opèrent à des températures différentes, et qui
sont
possiblement constitués de matériaux dont le coefficient de dilatation
thermique
est différent.
Notamment, il faut que les efforts produits par la pression des gaz sur le
piston à
simple ou double effet puissent être recueillis par les moyens mécaniques de
transmission afin que ces derniers puissent en délivrer le travail sous une
forme
exploitable. Lesdits gaz appliquant les mêmes efforts sur la ou les culasse(s)
obturant le cylindre, lesdits mêmes efforts doivent être repris par une
liaison
mécanique intercalée entre la ou lesdites culasse(s) et le carter qui renferme
les
moyens mécaniques de transmission. Tout en remplissant chacun leur fonction,
ces différents organes doivent pouvoir librement se dilater et se déformer de
façon
homogène ou non.
On note aussi que pour préserver à la machine thermique qu'ils constituent le
maximum de rendement, les organes chauds doivent communiquer le moins de
chaleur possible aux organes froids. Ceci est décisif dans le cas par exemple
du
moteur thermique à transfert-détente et régénération objet des demandes de
brevet n 1550762 et n 1551593 appartenant au demandeur. En effet, toute
chaleur transférée par les organes chauds aux organes froids dudit moteur est
irrémédiablement perdue et ne peut plus être transformée en énergie motrice.
Or, la fixation de pièces chaudes portées à haute température et soumises à
des
efforts élevés est préférentiellement réalisée au moyen de pièces froides en
acier
à haute résistance mécanique. Il ne doit pas résulter de cette configuration
un
transfert excessif de chaleur depuis les pièces chaudes vers les pièces
froides.
C'est pourquoi le cylindre détendeur à double effet à support adaptatif
suivant
l'invention est notamment prévu pour les machines thermiques volumétriques
alternatives à cylindre et piston opérant à haute température, et pour
répondre à la
triple nécessité de reprendre des efforts élevés, de permettre aux différents
,
CA 02998581 2018-03-13
WO 2017/046479 PCT/FR2016/052232
4
organes mécaniquement reliés entre eux et portés à des températures
opérationnelles différentes de se dilater et de se déformer sans compromettre
leur
fonctionnement, et de limiter les transferts de chaleur depuis les pièces
chaudes
vers les pièces froides.
En outre, le cylindre détendeur à double effet à support adaptatif suivant
l'invention est prévu pour faciliter la réalisation de machines alternatives
dont le ou
les cylindre(s) et piston(s) sont par exemple portés à des températures de
l'ordre
de neuf cents à mille degrés Celsius. De telles température résultent du fait
que le
ou lesdits cylindre(s) et piston(s) compriment et/ou détendent des gaz dont la
température peut être de l'ordre de mille cent à mille trois cent degrés
Celsius, de
telles températures étant nécessaires pour prétendre à des rendements
thermodynamiques élevés.
Dans le domaine d'application des machines thermiques alternative à piston(s)
en
général et des moteurs thermiques en particulier, il résulte de l'invention un
cylindre détendeur à double effet à support adaptatif :
= Dont la dilatation isotrope ou anisotrope peut être différente de celle
du carter
de transmission sur lequel est fixé et ceci, sans compromettre ni le
fonctionnement dudit cylindre ni celui du piston qui évolue dans ledit
cylindre,
et sans altérer de façon significative le rapport volumétrique de tout moteur
ou
de toute machine thermique dont il est l'un des constituants;
= Qui reste toujours centré sur le piston avec lequel il coopère malgré que ce
dernier puisse également être porté à haute température et être relié à des
moyens de transmission opérant à basse température tout comme le carter de
transmission dans lequel ils sont logés et sur lequel est fixé ledit cylindre
;
= Qui peut être solidement fixé ¨ ainsi que sa ou ses culasses(s) - sur le
carter
de transmission au moyen de liaisons en acier à haute résistance mécanique
et ceci, malgré la température basse que requiert ledit acier pour conserver
sa
résistance, et malgré la température haute à laquelle est soumise ledit
cylindre
et sa ou ses culasses(s) ;
CA 02998581 2018-03-13
WO 2017/046479
PCT/FR2016/052232
= Qui exporte peu de sa chaleur vers les pièces froides avec lesquelles il
coopère ce qui préserve le rendement de tout moteur ou de toute machine
thermique dont il est l'un des constituants ;
5 =
Dont le ou les matériau(x) dont il est constitué est (sont) soumis à un
gradient
de température modéré ce qui confère au(x) dit(s) matériau(x) une résistance
élevée et une grande pérennité.
Il est entendu que le cylindre détendeur à double effet à support adaptatif
selon
l'invention est adaptable à toute machine ou appareil doté(e) d'au moins un
cylindre opérant ou non à haute température ledit cylindre étant relié à un
carter
ou bâti possiblement maintenu à basse température. A titre non-limitatif,
parmi les
exemples d'application de ladite invention figure le moteur thermique à
transfert-
détente et régénération objet des demandes de brevet français n 1550762 et n
1551593, lesdites demandes appartenant au demandeur.
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 cylindre détendeur à double effet à support adaptatif comporte un fût de
cylindre coopérant avec un piston détendeur à double effet qui est relié par
une
tige inférieure de piston à des moyens de transmission logés dans un carter de
transmission sur lequel est fixé le fût de cylindre, tandis que l'extrémité
dudit fût
qui débouche du coté desdits moyens est fermée par une culasse inférieure que
traverse la tige inférieure de piston via un orifice de tige inférieure pour
définir
avec le piston détendeur à double effet une chambre à gaz chauds inférieure
cependant que l'autre extrémité dudit fût est fermée par une culasse
supérieure
pour définir avec ledit piston une chambre à gaz chauds supérieure, et
comprend
selon l'invention :
= Au moins un pilier évidé traversé de part en part dans le sens de sa
longueur
par un tunnel de tige, une première extrémité de pilier dudit pilier reposant
directement ou indirectement sur le carter de transmission tandis qu'une
deuxième extrémité de pilier dudit pilier supporte directement ou
indirectement
le fût de cylindre, la culasse inférieure et la culasse supérieure, cependant
que
ladite première extrémité peut pivoter autour d'une liaison rotule et/ou
fléchir par
,
CA 02998581 2018-03-13
WO 2017/046479
PCT/FR2016/052232
6
rapport audit carter tandis que ladite deuxième extrémité peut pivoter autour
d'une liaison rotule et/ou fléchir par rapport audit fût de cylindre ;
= Au moins une tige de traction logée dans le tunnel de tige, une première
extrémité de tige de ladite tige de traction étant directement ou
indirectement
arrimée au carter de transmission tandis qu'une deuxième extrémité de tige de
ladite tige de traction est arrimée au fût de cylindre et/ou à la culasse
inférieure
et/ou à la culasse supérieure, ladite première extrémité pouvant pivoter
autour
d'une liaison rotule et/ou fléchir par rapport audit carter tandis que ladite
deuxième extrémité peut pivoter autour d'une liaison rotule et/ou fléchir par
rapport audit cylindre ;
= Des moyens inférieurs de centrage du cylindre positionnés au voisinage de
la
culasse inférieure, lesdits moyens prenant appui sur le fût de cylindre ou la
culasse inférieure de première part, et directement ou indirectement sur le
carter de transmission de seconde part, et lesdits moyens laissant le fût de
cylindre libre de se déplacer parallèlement à son axe longitudinal par rapport
au
carter de transmission, mais interdisant audit fût de se déplacer dans le plan
perpendiculaire audit axe, toujours par rapport audit carter ;
= Des moyens supérieurs de centrage du cylindre positionnés au voisinage de
la
culasse supérieure, lesdits moyens prenant appui sur le fût de cylindre ou la
culasse supérieure de première part, et sur un portique de centrage rigidement
fixé au carter de transmission et maintenu à une hauteur voisine de celle de
la
culasse supérieure par au moins un pilier rigide de portique de seconde part,
lesdits moyens laissant le fût de cylindre libre de se déplacer parallèlement
à
son axe longitudinal par rapport au carter de transmission, mais interdisant
audit fût de se déplacer dans le plan perpendiculaire audit axe, toujours par
rapport audit carter.
Le cylindre détendeur à double effet suivant la présente invention comprend au
moins un tube de refroidissement de tige qui enveloppe de façon étanche la
tige
de traction sur tout ou partie de la longueur de ladite tige, un fluide de
refroidissement provenant d'une source de fluide de refroidissement pouvant
circuler dans un espace laissé entre la paroi interne dudit tube et la surface
externe de ladite tige cependant que la plus grande part possible de la
surface
i
CA 02998581 2018-03-13
WO 2017/046479 PCT/FR2016/052232
7
externe dudit tube ne touche pas la paroi interne du tunnel de tige de sorte à
définir avec cette dernière paroi un espace vide.
Le cylindre détendeur à double effet suivant la présente invention comprend au
moins un premier orifice d'alimentation de tube qui communique avec
l'intérieur du
tube de refroidissement de tige au voisinage de la première extrémité de tige,
et/ou au moins un deuxième orifice d'alimentation de tube qui communique avec
l'intérieur du tube de refroidissement de tige au voisinage de la deuxième
extrémité de tige, le fluide de refroidissement pouvant circuler entre les
deux dits
orifices.
Le cylindre détendeur à double effet suivant la présente invention comprend un
tube de refroidissement de tige qui comporte une collerette de tube maintenue
directement ou indirectement serrée par la tige de traction soit contre une
oreille
de fixation que présente le fût de cylindre ou la culasse supérieure, soit
contre le
carter de transmission.
Le cylindre détendeur à double effet suivant la présente invention comprend
une
collerette de tube qui est maintenue serrée par la tige de traction contre
l'oreille de
fixation par l'intermédiaire d'un raccord Banjo qui comporte au moins un
conduit
radial de raccord relié à la source de fluide de refroidissement d'une part,
et
communiquant avec l'intérieur du tube de refroidissement de tige d'autre part.
Le cylindre détendeur à double effet suivant la présente invention comprend
une
rehausse d'isolation thermique qui est intercalée entre la collerette de tube
et
l'oreille de fixation, ladite rehausse étant traversée de part en part dans le
sens de
sa longueur par un tunnel de rehausse dans lequel est logée la tige de
traction et
le tube de refroidissement de tige qui l'enveloppe de façon étanche cependant
que
la plus grande part possible de la surface externe dudit tube ne touche pas la
paroi interne du tunnel de rehausse de sorte à définir avec cette dernière
paroi un
espace vide.
Le cylindre détendeur à double effet suivant la présente invention comprend un
tube de refroidissement de tige qui comporte au moins un renflement de tube
constitué d'une portion axiale dudit tube dont le diamètre est sensiblement
équivalent voire légèrement supérieur à celui du tunnel de tige dans lequel il
est
logé.
CA 02998581 2018-03-13
WO 2017/046479 PCT/FR2016/052232
8
Le cylindre détendeur à double effet suivant la présente invention comprend un
tube de refroidissement de tige qui comporte au moins une restriction de
diamètre
de tube constitué d'une portion axiale dudit tube dont le diamètre est
sensiblement
équivalent voire légèrement inférieur à celui du corps de la tige de traction.
Le cylindre détendeur à double effet suivant la présente invention comprend un
tube de refroidissement de tige qui comporte au moins un trou de communication
radial qui permet au fluide de refroidissement de pénétrer dans ledit tube, ou
de
s'en échapper.
Le cylindre détendeur à double effet suivant la présente invention comprend
une
tige de traction qui est creuse pour former un canal interne de
refroidissement de
tige aménagé dans la longueur de ladite tige, ledit canal débouchant
axialement
ou radialement de ladite tige tandis qu'un fluide de refroidissement provenant
d'une source de fluide de refroidissement peut circuler dans ledit canal.
Le cylindre détendeur à double effet suivant la présente invention comprend
une
chambre de pression qui est reliée à une source d'air sous pression et qui est
fixée sur le portique de centrage ou aménagée sur ou dans ce dernier tandis
qu'une tige supérieure de piston qui prolonge le piston détendeur à double
effet du
coté de la chambre à gaz chauds supérieure traverse la culasse supérieure via
un
orifice de tige supérieure aménagé dans ladite culasse et via un orifice
d'accès à
la chambre traversant le portique de centrage pour déboucher dans la chambre
de
pression de sorte que l'extrémité de ladite tige qui est la plus éloignée
dudit piston
reste toujours plongée dans ladite chambre quelle que soit la position dudit
piston.
Le cylindre détendeur à double effet suivant la présente invention comprend un
carter de transmission qui est coiffé d'une platine de centrage et
d'étanchéité
percée d'un orifice d'accès aux moyens de transmission au travers duquel passe
la tige inférieure de piston pour être reliée aux moyens de transmission,
ladite
platine étant rigidement fixée sur ledit carter.
Le cylindre détendeur à double effet suivant la présente invention comprend un
orifice d'accès à la chambre qui coopère avec - ou qui comporte - des moyens
d'étanchéité de tige qui réalisent une étanchéité entre ledit orifice et la
tige
supérieure de piston.
CA 02998581 2018-03-13
WO 2017/046479 PCT/FR2016/052232
9
Le cylindre détendeur à double effet suivant la présente invention comprend un
orifice d'accès aux moyens de transmission qui coopère avec - ou qui comporte -
des moyens d'étanchéité de tige qui réalisent une étanchéité entre ledit
orifice et
la tige inférieure de piston.
Le cylindre détendeur à double effet suivant la présente invention comprend
des
moyens d'étanchéité de tige qui comprennent une étanchéité supérieure de tige
et
une étanchéité inférieure de tige suffisamment éloignées l'une de l'autre pour
former - entre les deux dites étanchéités, - une chambre à circulation d'huile
dans
laquelle débouche un conduit d'amenée d'huile de refroidissement-lubrification
et
de laquelle repart un conduit de sortie d'huile de refroidissement-
lubrification.
Le cylindre détendeur à double effet suivant la présente invention comprend
des
moyens d'étanchéité de tige qui coopèrent avec une bague de guidage de tige
logée à l'intérieur ou en dehors de la chambre à circulation d'huile.
Le cylindre détendeur à double effet suivant la présente invention comprend
des
moyens inférieurs de centrage du cylindre et/ou des moyens supérieurs de
centrage du cylindre qui sont constitués d'un disque élastique de centrage
pouvant être percé en son centre d'un trou de disque au travers duquel passe
respectivement la tige inférieure de piston ou une tige supérieure de piston
tandis
que sa périphérie constitue une collerette de fixation de disque fixée de
manière
étanche respectivement sur le carter de transmission et/ou sur le portique de
centrage.
Le cylindre détendeur à double effet suivant la présente invention comprend
une
platine de centrage et d'étanchéité qui porte les moyens inférieurs de
centrage du
cylindre lesquels sont constitués d'un disque élastique de centrage dont la
périphérie forme une collerette de fixation de disque fixée de manière étanche
sur
ladite platine, ledit disque étant percé en son centre d'un trou de disque au
travers
duquel passe la tige inférieure de piston sans toucher ledit disque, le bord
du trou
de disque présentant un patin de contact circulaire qui est maintenu en
contact
étanche avec un cône de centrage et d'étanchéité que présente la culasse
inférieure, ledit cône pouvant être mâle ou femelle, et le contact entre ledit
patin et
ledit cône ayant pour effet de déformer axialement et depuis son centre le
disque
élastique de centrage.
CA 02998581 2018-03-13
WO 2017/046479 PCT/FR2016/052232
Le cylindre détendeur à double effet suivant la présente invention comprend
des
moyens supérieurs de centrage du cylindre qui sont constitués d'un disque
élastique de centrage dont la périphérie forme une collerette de fixation de
disque
5 fixée de manière étanche sur le portique de centrage, ledit disque étant
percé en
son centre d'un trou de disque dont le bord présente un patin de contact
circulaire
qui est maintenu en contact étanche avec un cône de centrage et d'étanchéité
que
présente la culasse supérieure, ledit cône pouvant être mâle ou femelle, et le
contact entre ledit patin et ledit cône ayant pour effet de déformer
axialement et
10 depuis son centre le disque élastique de centrage.
La description qui va suivre en regard des dessins annexés et donnés à titre
d'exemples non limitatifs permettra de mieux comprendre l'invention, les
caractéristiques qu'elle présente, et les avantages qu'elle est susceptible de
procurer :
Figure 1 est une vue tridimensionnelle de trois-quarts du cylindre détendeur à
double effet suivant l'invention, et du carter de transmission sur lequel il
est fixé.
Figure 2 est une vue tridimensionnelle de face et en écorché du cylindre
détendeur à double effet suivant l'invention, ladite vue représentant
également le
carter de transmission sur lequel est fixé le fût de cylindre ainsi que le
piston
détendeur à double effet et les moyens de transmission hébergés dans ledit
carter, lesdits moyens étant selon cet exemple de réalisation constitués d'une
bielle articulée sur une manivelle reliée à un vilebrequin, et d'une crosse.
Figure 3 est une coupe schématique longitudinale du cylindre détendeur à
double
effet suivant l'invention selon une variante de réalisation identique à celle
présentée en figure 2.
Figures 4 est une vue tridimensionnelle éclatée du cylindre détendeur à double
effet suivant l'invention, et selon une variante de réalisation identique à
celle
présentée en figure 2.
Figure 5 est une vue latérale du cylindre détendeur à double effet suivant
l'invention mettant en évidence au moyen d'une coupe la configuration
particulière
du pilier évidé, de la tige de traction et des diverses liaisons rotules avec
CA 02998581 2018-03-13
WO 2017/046479
PCT/FR2016/052232
11
lesquelles coopèrent ces deux organes, ladite coupe étant agrandie et
sectionnée
dans la partie droite de ladite figure pour en faciliter la compréhension.
Figure 6 est une vue en coupe schématique de la platine de centrage et
d'étanchéité du cylindre détendeur à double effet suivant l'invention, du
disque
élastique de centrage, et des moyens d'étanchéité de tige ces derniers
coopérant
avec la tige inférieure de piston.
Figure 7 est une vue en coupe schématique d'une partie du portique de centrage
du cylindre détendeur à double effet suivant l'invention, du disque élastique
de
centrage fixé sur ledit portique, et des moyens d'étanchéité de tige qui
coopèrent
avec la tige supérieure de piston qui débouche ¨ selon cet exemple particulier
de
réalisation ¨ dans une chambre de pression.
DESCRIPTION DE L'INVENTION :
On a montré en figures 1 à 7 le cylindre détendeur à double effet 1 à support
adaptatif, divers détails de ses composants, ses variantes, et ses
accessoires.
Comme le montrent clairement les figures 2 à 4, le cylindre détendeur à double
effet 1 comprend un fût de cylindre 71 coopérant avec un piston détendeur à
double effet 2 qui est relié par une tige inférieure de piston 46 à des moyens
de
transmission 3 qui peuvent par exemple être constitués d'une bielle 4
articulée
autour d'une manivelle 5 qui est aménagée sur un vilebrequin 6, ladite bielle
4
étant reliée au piston détendeur à double effet 2 directement par un axe de
piston
ou indirectement par l'intermédiaire d'une crosse 7.
On remarque qu'en alternative, lesdits moyens 3 pourraient aussi être
constitués
d'une came, d'une pompe hydraulique émettrice, d'un générateur d'électricité
ou
de tout autre moyen de transmission connu de l'homme de l'art.
On note que - comme l'illustrent les figures 1 à 5, les moyens de transmission
3
sont logés dans un carter de transmission 8 maintenu à basse température sur
lequel est fixé le fût de cylindre 71, ce dernier et le piston détendeur à
double effet
2 pouvant quant à eux opérer à haute température.
,
CA 02998581 2018-03-13
WO 2017/046479 PCT/FR2016/052232
12
On note, toujours en figures 1 à 5, que l'extrémité du fût de cylindre 71 qui
débouche du coté desdits moyens 3 est fermée par une culasse inférieure 9 que
traverse la tige inférieure de piston 46 via un orifice de tige inférieure 51
pour
définir avec le piston détendeur à double effet 2 une chambre à gaz chauds
inférieure 11 cependant que l'autre extrémité dudit fût 71 est fermée par une
culasse supérieure 10 pour définir avec ledit piston 2 une chambre à gaz
chauds
supérieure 12, la culasse inférieure 9 et la culasse supérieure 10 pouvant
comporter au moins une soupape 50 pilotée par un actionneur de soupape 70.
Les figures 1 à 5 montrent aussi que le cylindre détendeur à double effet 1 à
support adaptatif selon l'invention comprend au moins un pilier évidé 13
traversé
de part en part dans le sens de sa longueur par un tunnel de tige 14 qui peut
être
soit totalement fermé, soit ajouré.
On y constate qu'une première extrémité de pilier 15 du pilier évidé 13 repose
directement ou indirectement sur le carter de transmission 8 tandis qu'une
deuxième extrémité de pilier 16 dudit pilier 13 supporte directement ou
indirectement le fût de cylindre 71, la culasse inférieure 9 et la culasse
supérieure
10.
En outre, le cylindre détendeur à double effet 1 à support adaptatif selon
l'invention prévoit que la première extrémité de pilier 15 peut pivoter autour
d'une
liaison rotule 42 et/ou fléchir par rapport audit carter 8 tandis que la
deuxième
extrémité de pilier 16 peut pivoter autour d'une liaison rotule 42 et/ou
fléchir par
rapport audit fût de cylindre 71, le pivotement desdites extrémités 15, 16
pouvant
s'opérer soit au moyen d'une liaison mécanique de type pivot ou cardan ou
d'une
liaison rotule 42, soit par la flexion de tout ou partie du pilier évidé 13,
soit par les
deux.
Selon un mode de réalisation particulier du cylindre détendeur à double effet
1
selon l'invention, le pilier évidé 13 peut être réalisé en dioxyde de
zirconium dit
zircone , cette céramique offrant une bonne résistance mécanique à haute
température, une faible conductivité thermique, et un coefficient de
dilatation
proche de celui de l'acier.
On remarque qu'avantageusement, pour éviter que le rapport volumétrique de la
chambre à gaz chauds inférieure 11 et de la chambre à gaz chauds supérieure 12
CA 02998581 2018-03-13
WO 2017/046479 PCT/FR2016/052232
13
ne varie de manière trop importante durant le réchauffement du fût de cylindre
71,
ce dernier peut reposer sur la deuxième extrémité de pilier 16
approximativement
à hauteur du piston détendeur à double effet 2 lorsque ce dernier est
positionné à
la moitié de sa course. Ainsi, lorsque le fût de cylindre 71 se dilate sous
l'effet de
sa montée en température, la culasse inférieure 9 et la culasse supérieure 10
s'éloignent approximativement de la même distance par rapport à la position
médiane du piston détendeur à double effet 2.
Les figures 1 à 5 illustrent également que le cylindre détendeur à double
effet 1 à
support adaptatif selon l'invention comprend au moins une tige de traction 17
logée dans le tunnel de tige 14, une première extrémité de tige 18 de ladite
tige de
traction 17 étant directement ou indirectement arrimée au carter de
transmission 8
tandis qu'une deuxième extrémité de tige 19 de ladite tige de traction 17 est
arrimée au fût de cylindre 71 et/ou à la culasse inférieure 9 et/ou à la
culasse
supérieure 10, ladite première extrémité 18 pouvant pivoter autour d'une
liaison
rotule 42 et/ou fléchir par rapport audit carter 8 tandis que ladite deuxième
extrémité 19 peut pivoter autour d'une liaison rotule 42 et/ou fléchir par
rapport
audit cylindre 1.
On note que le pivotement desdites extrémités 18, 19 peut s'opérer soit au
moyen
d'une liaison mécanique de type pivot ou cardan ou d'une liaison rotule 42,
soit
par la flexion de tout ou partie de la tige de traction 17, soit par les deux.
On remarque que pour être arrimée au fût de cylindre 71 et/ou aux dites
culasses
9, 10, la deuxième extrémité de tige 19 peut traverser un orifice d'oreille 24
que
comprend une oreille de fixation 25 que présente ledit fût 71 et/ou lesdites
culasses 9, 10, cependant que soit une tête de tige 28 soit un écrou de tige
26
vissé sur un filetage de tige 29 aménagé sur la tige de traction 17 prend
appui sur
ladite oreille 25 de sorte à enserrer cette dernière entre ladite tête 28 ou
ledit
écrou 26, et le pilier évidé 13.
On note d'ailleurs que la première extrémité de tige 18 peut être arrimée au
carter
de transmission 8 également au moyen d'une tête de tige 28, ou d'un écrou de
tige 26 vissé sur un filetage de tige 29. En alternative, ledit filetage de
tige 29 peut
être vissé dans un taraudage 27 directement ou indirectement réalisé dans le
carter de transmission 8.
CA 02998581 2018-03-13
WO 2017/046479 PCT/FR2016/052232
14
Selon un mode particulier de réalisation du cylindre détendeur à double effet
1
selon l'invention, un ressort de compression peut être intercalé soit entre la
tête de
tige 28 ou l'écrou de tige 26 et l'oreille de fixation 25, soit entre ladite
tête 28 ou
toute autre pièce taraudée dans laquelle se visse le filetage de tige 29, et
toute
autre pièce d'appui. Ledit ressort de compression peut être constitué par
exemple
d'une ou plusieurs rondelle(s) Belleville .
Un tel ressort de compression peut notamment limiter la tension à laquelle est
soumise la tige de traction 17 lorsque les divers organes qu'elle maintient
serrés
entre eux se dilatent sous l'effet de leur montée en température. Dans tous
les
cas, avantageusement, le fût de cylindre 71, la culasse inférieure 9 et la
culasse
supérieure 10 doivent être préférablement recouverts d'au moins un écran
thermique qui limite les émissions de chaleur desdits organes 71, 9 et 10 dans
l'environnement, ledit écran pouvant par exemple être constitué de plusieurs
couches de feuilles métalliques de faible épaisseur comportant des picots qui
laissent entre chaque dite feuille une lame d'air, ou être constitué de tout
autre
aménagement propre aux écrans thermiques et connu de l'homme de l'art.
On note qu'à titre d'équivalent technique et de variante du cylindre détendeur
à
double effet 1 selon l'invention, la tige de traction 17 peut être juxtaposée
au pilier
évidé 13 qui en ce cas peut ne pas être traversé de part en part dans le sens
de
sa longueur par un tunnel de tige 14 tandis que la fonction même de ladite
tige 17
et dudit pilier 13 reste inchangée et que les liaisons rotule 42 avec
lesquelles
coopère ladite tige 17 et ledit pilier 13 produisent les mêmes effets.
Les figures 2, 3, 4 et 6 montrent de manière évidente que le cylindre
détendeur à
double effet 1 selon l'invention comporte des moyens inférieurs de centrage du
cylindre 20 positionnés au voisinage de la culasse inférieure 9, lesdits
moyens 20
prenant appui sur le fût de cylindre 71 ou la culasse inférieure 9 de première
part,
et directement ou indirectement sur le carter de transmission 8 de seconde
part, et
lesdits moyens 20 laissant le fût de cylindre 71 libre de se déplacer
parallèlement
à son axe longitudinal par rapport au carter de transmission 8, mais
interdisant
audit fût 71 de se déplacer dans le plan perpendiculaire audit axe, toujours
par
rapport audit carter 8.
Les figures 2, 3, 4 et 7 illustrent que le cylindre détendeur à double effet 1
selon
l'invention comporte aussi des moyens supérieurs de centrage du cylindre 21
CA 02998581 2018-03-13
WO 2017/046479 PCT/FR2016/052232
positionnés au voisinage de la culasse supérieure 10, lesdits moyens 21
prenant
appui sur le fût de cylindre 71 ou la culasse supérieure 10 de première part,
et sur
un portique de centrage 22 rigidement fixé au carter de transmission 8 et
maintenu
à une hauteur voisine de celle de la culasse supérieure 10 par au moins un
pilier
5 rigide de portique 23 de seconde part, lesdits moyens 21 laissant le fût
de cylindre
71 libre de se déplacer parallèlement à son axe longitudinal par rapport au
carter
de transmission 8, mais interdisant audit fût 71 de se déplacer dans le plan
perpendiculaire audit axe, toujours par rapport audit carter 8.
10 Les figures 4 et 5 montrent au moins un tube de refroidissement de tige
30 que
peut comporter le cylindre détendeur à double effet 1 selon l'invention, ledit
tube
30 enveloppant de façon étanche la tige de traction 17 sur tout ou partie de
la
longueur de ladite tige 17, un fluide de refroidissement 31 provenant d'une
source
de fluide de refroidissement 40 pouvant circuler dans un espace laissé entre
la
15 paroi interne dudit tube 30 et la surface externe de ladite tige 17
cependant que la
plus grande part possible de la surface externe dudit tube 30 ne touche pas la
paroi interne du tunnel de tige 14 de sorte à définir avec cette dernière
paroi un
espace vide.
Les figures 4 et 5 précisent que le cylindre détendeur à double effet 1 selon
l'invention peut comporter au moins un premier orifice d'alimentation de tube
32
communiquant avec l'intérieur du tube de refroidissement de tige 30 au
voisinage
de la première extrémité de tige 18, et/ou au moins un deuxième orifice
d'alimentation de tube 33 communiquant avec l'intérieur du tube de
refroidissement de tige 30 au voisinage de la deuxième extrémité de tige 19,
le
fluide de refroidissement 31 pouvant circuler entre les deux dits orifices 32,
33
cependant que ledit fluide 31 est plus froid quand il pénètre dans le tube de
refroidissement de tige 30 que quand il en ressort.
On note qu'une pompe à fluide non-représentée peut être prévue pour forcer le
fluide de refroidissement 31 à circuler dans le tube de refroidissement de
tige 30,
ladite pompe pouvant continuer à fonctionner un certain temps après l'arrêt de
la
machine thermique à laquelle s'applique le cylindre détendeur à double effet 1
suivant l'invention.
Cette dernière disposition permet par exemple d'évacuer la chaleur que le fût
de
cylindre 71 et ses culasses 9, 10 sont susceptibles de continuer à transmettre
CA 02998581 2018-03-13
WO 2017/046479
PCT/FR2016/052232
16
durant leur refroidissement à la tige de traction 17. On remarque d'ailleurs
qu'une
fois sorti du tube de refroidissement de tige 30, le fluide de refroidissement
31
peut être refroidi par un échangeur de chaleur avant d'être à nouveau
réintroduit
dans ledit tube 30, ou renouvelé.
Toujours en figures 4 et 5, on note que le tube de refroidissement de tige 30
peut
comporter une collerette de tube 34 maintenue directement ou indirectement
serrée par la tige de traction 17 soit contre une oreille de fixation 25 que
présente
le fût de cylindre 71 ou la culasse supérieure 10, soit contre le carter de
transmission 8.
Selon une variante particulière de réalisation du cylindre détendeur à double
effet
1 selon l'invention, la collerette de tube 34 peut être maintenue serrée par
la tige
de traction 17 contre l'oreille de fixation 25 par l'intermédiaire d'un
raccord Banjo
38 qui comporte au moins un conduit radial de raccord 39 relié à la source de
fluide de refroidissement 40 d'une part, et communiquant avec l'intérieur du
tube
de refroidissement de tige 30 d'autre part.
On note que le conduit radial de raccord 39 peut être relié à la source de
fluide de
refroidissement 40 ou à d'autres conduits radiaux de raccord 39 que comporte
le
raccord Banjo 38 d'autres tubes de refroidissement de tige 30 au moyen d'un
conduit souple ou déformable qui peut s'accommoder des variations de distance
induites par la dilatation thermique des différents organes qui constituent le
cylindre détendeur à double effet 1 suivant l'invention.
Comme on le remarque en figures 1 à 5, une rehausse d'isolation thermique 68
peut être intercalée entre la collerette de tube 34 et l'oreille de fixation
25, ladite
rehausse 68 étant traversée de part en part dans le sens de sa longueur par un
tunnel de rehausse 69 dans lequel est logée la tige de traction 17 et le tube
de
refroidissement de tige 30 qui l'enveloppe de façon étanche cependant que la
plus
grande part possible de la surface externe dudit tube 30 ne touche pas la
paroi
interne du tunnel de rehausse 69 de sorte à définir avec cette dernière paroi
un
espace vide.
On note que la rehausse d'isolation thermique 68 peut avantageusement être
réalisée dans un matériau résistant aux températures élevées et offrant une
faible
conductivité thermique tel que le dioxyde de zirconium.
,
CA 02998581 2018-03-13
WO 2017/046479 PCT/FR2016/052232
17
Les figures 4 et 5 montrent que le tube de refroidissement de tige 30 peut
comporter au moins un renflement de tube 35 constitué d'une portion axiale
dudit
tube 30 dont le diamètre est sensiblement équivalent voire légèrement
supérieur à
celui du tunnel de tige 14 dans lequel il est logé ceci garantissant que ledit
tube 30
reste localement centré dans ledit tunnel 14, et réalisant si nécessaire une
étanchéité entre ledit tube 30 et ledit tunnel 14.
Le tube de refroidissement de tige 30 peut en outre comporter au moins une
restriction de diamètre de tube 36 constituée d'une portion axiale dudit tube
30
dont le diamètre est sensiblement équivalent voire légèrement inférieur à
celui du
corps de la tige de traction 17 afin de réaliser localement une étanchéité
entre ledit
tube 30 et ladite tige 17.
On notera aussi que comme illustré en figures 4 et 5, le tube de
refroidissement
de tige 30 peut aussi comporter au moins un trou de communication radial 37
qui
permet au fluide de refroidissement 31 de pénétrer dans ledit tube 30, ou de
s'en
échapper.
A titre de variante non-représentée, on notera que la tige de traction 17 peut
être
creuse pour former un canal interne de refroidissement de tige aménagé dans la
longueur de ladite tige 17, ledit canal débouchant axialement ou radialement
de
ladite tige 17 tandis qu'un fluide de refroidissement 31 provenant d'une
source de
fluide de refroidissement 40 peut circuler dans ledit canal.
Les figures 2, 3 et 7 montrent de façon claire que le cylindre détendeur à
double
effet 1 selon l'invention peut comprendre une chambre de pression 44 reliée à
une
source d'air sous pression 45 et qui est fixée sur le portique de centrage 22
ou
aménagée sur ou dans ce dernier tandis qu'une tige supérieure de piston 47 qui
prolonge le piston détendeur à double effet 2 du coté de la chambre à gaz
chauds
supérieure 12 traverse la culasse supérieure 10 via un orifice de tige
supérieure
43 aménagé dans ladite culasse 10 et via un orifice d'accès à la chambre 52
traversant le portique de centrage 22 pour déboucher dans la chambre de
pression 44 de sorte que l'extrémité de ladite tige 47 qui est la plus
éloignée dudit
piston 2 reste toujours plongée dans ladite chambre 44 quelle que soit la
position
dudit piston 2.
CA 02998581 2018-03-13
WO 2017/046479
PCT/FR2016/052232
18
Cette configuration particulière du cylindre détendeur à double effet 1
suivant
l'invention permet par exemple d'approvisionner en air comprimé ¨ notamment
via
la chambre de pression 44 et un canal interne que comporte la tige supérieure
de
piston 47 - des moyens d'étanchéité 48 tels qu'un anneau continu perforé 49 à
coussin d'air logé dans une gorge de segment aménagée en périphérie du piston
détendeur à double effet 2, lesdits moyens 48 pouvant être similaires ou
identiques à ceux décrits dans les demandes de brevet français n 1550762 et n
1551593 appartenant au demandeur et permettant la réalisation d'un moteur
thermique à transfert-détente et régénération.
En figure 1 à 4 et en figure 6, on a illustré que le carter de transmission 8
peut être
coiffé d'une platine de centrage et d'étanchéité 53 percée d'un orifice
d'accès aux
moyens de transmission 54 au travers duquel passe la tige inférieure de piston
46
pour être reliée aux moyens de transmission 3, ladite platine 53 étant
rigidement
fixée sur ledit carter 8 par des vis ou par tout autre moyen connu de l'homme
de
l'art. En alternative, ladite platine 53 peut faire partie intégrante dudit
carter 8.
En figures 2, 3 et 7, on notera que l'orifice d'accès à la chambre 52 peut
coopérer
avec - ou comporter - des moyens d'étanchéité de tige 55 qui réalisent une
étanchéité entre ledit orifice 52 et la tige supérieure de piston 47.
De manière analogue, les figures 2, 3 et 6 illustrent que l'orifice d'accès
aux
moyens de transmission 54 peut coopère avec - ou comporter - des moyens
d'étanchéité de tige 55 qui réalisent une étanchéité entre ledit orifice 54 et
la tige
inférieure de piston 46.
C'est sur les figures 6 et 7 qu'en illustré de la manière la plus probante que
les
moyens d'étanchéité de tige 55 peuvent comprendre une étanchéité supérieure de
tige 56 et une étanchéité inférieure de tige 57 suffisamment éloignées l'une
de
l'autre pour former - entre les deux dites étanchéités 56, 57 - une chambre à
circulation d'huile 58 dans laquelle débouche un conduit d'amenée d'huile de
refroidissement-lubrification 59 et de laquelle repart un conduit de sortie
d'huile de
refroidissement-lubrification 60.
On note sur lesdites figures que la chambre à circulation d'huile 58 assure la
double fonction de lubrifier et de refroidir la tige inférieure de piston 46
et/ou la tige
supérieure de piston 47. On remarque en outre que l'étanchéité supérieure de
tige
,
CA 02998581 2018-03-13
WO 2017/046479
PCT/FR2016/052232
19
56 et/ou l'étanchéité inférieure de tige 57 peut être notamment constituée
d'un
segment à coupe ou de deux segments à coupe superposés et dont les coupes
sont angulairement décalées tandis que la surface externe de la tige
inférieure de
piston 46 et/ou de la tige supérieure de piston 47 peut être pourvue de
rayures de
faible profondeur en double hélice qui forment une succession de réservoirs
d'huile et de surfaces de portance hydrodynamique.
En figure 6, on remarque que le ou les segment(s) qui constituent l'étanchéité
supérieure de tige 56 peuvent être maintenus à distance de ceux constituants
l'étanchéité inférieure de tige 57 par un ressort écarteur de segments 61
également conçu ¨ notamment parce qu'il comprend des orifices ou des passages
¨ pour laisser passer le débit d'huile de refroidissement et de lubrification
établi
entre le conduit d'amenée d'huile de refroidissement-lubrification 59 et le
conduit
de sortie d'huile de refroidissement-lubrification 60.
En figure 7, on voit que les moyens d'étanchéité de tige 55 peuvent coopérer
avec
une bague de guidage de tige 62 logée à l'intérieur ou en dehors de la chambre
à
circulation d'huile 58, ladite bague 62 étant réalisée en bronze ou en toute
autre
matière usuellement utilisée pour fabriquer des paliers ou bagues antifriction
et/ou
hydrodynamiques, cependant que ladite bague 62 assure le guidage radial de la
tige inférieure de piston 46 dans l'orifice d'accès aux moyens de transmission
54
et/ou de la tige supérieure de piston 47 dans l'orifice d'accès à la chambre
52.
On remarque d'ailleurs que si les moyens de transmission 3 comprennent une
crosse 7, les moyens d'étanchéité de tige 55 sont préférentiellement munis
d'une
bague de guidage de tige 62 lorsqu'ils s'appliquent à la tige supérieure de
piston
47 tandis que le guidage radial de la tige inférieure de piston 46 est assuré
par
ladite crosse 7 seule.
En figures 2 à 4 et en figures 6 et 7, on remarque que selon une configuration
particulière du cylindre détendeur à double effet 1 suivant l'invention, les
moyens
inférieurs de centrage du cylindre 20 et/ou les moyens supérieurs de centrage
du
cylindre 21 peuvent être constitués d'un disque élastique de centrage 63
pouvant
être percé en son centre d'un trou de disque 64 au travers duquel passe
respectivement la tige inférieure de piston 46 ou une tige supérieure de
piston 47
tandis que sa périphérie constitue une collerette de fixation de disque 65
fixée de
,
CA 02998581 2018-03-13
WO 2017/046479 PCT/FR2016/052232
manière étanche respectivement sur le carter de transmission 8 et/ou sur le
portique de centrage 22.
Les figures 2 à 4 et la figure 6 montrent que la platine de centrage et
d'étanchéité
5 53 peut porter les moyens inférieurs de centrage du cylindre 20 lesquels
sont
constitués d'un disque élastique de centrage 63 dont la périphérie forme une
collerette de fixation de disque 65 fixée de manière étanche sur ladite
platine 53,
ledit disque 63 étant percé en son centre d'un trou de disque 64 au travers
duquel
passe la tige inférieure de piston 46 sans toucher ledit disque 63, le bord du
trou
10 de disque 64 présentant un patin de contact 67 circulaire qui est
maintenu en
contact étanche avec un cône de centrage et d'étanchéité 66 que présente la
culasse inférieure 9, ledit cône 66 pouvant être mâle ou femelle, et le
contact entre
ledit patin 67 et ledit cône 66 ayant pour effet de déformer axialement et
depuis
son centre le disque élastique de centrage 63.
On note que la collerette de fixation de disque 65 peut être fixée à la
platine de
centrage et d'étanchéité 53 au moyen d'au moins une vis, un clip, ou de tout
autre
moyen de fixation connu de l'homme de l'art. On remarque qu'avantageusement,
le disque élastique de centrage 63 peut être réalisé dans un matériau
résistant
aux températures élevées et offrant une faible conductivité thermique tel que
le
dioxyde de zirconium.
En alternative, le disque élastique de centrage 63 peut être fixé sur la
culasse
inférieure 9 cependant que le cône de centrage et d'étanchéité 66 est aménagé
sur ou dans la platine de centrage et d'étanchéité 53.
De manière similaire, on remarque en figures 2 à 4 et en figure 7 que les
moyens
supérieurs de centrage du cylindre 21 peuvent être constitués d'un disque
élastique de centrage 63 dont la périphérie forme une collerette de fixation
de
disque 65 fixée de manière étanche sur le portique de centrage 22, ledit
disque 63
étant percé en son centre d'un trou de disque 64 dont le bord présente un
patin de
contact 67 circulaire qui est maintenu en contact étanche avec un cône de
centrage et d'étanchéité 66 que présente la culasse supérieure 10, ledit cône
66
pouvant être mâle ou femelle, et le contact entre ledit patin 67 et ledit cône
66
ayant pour effet de déformer axialement et depuis son centre le disque
élastique
de centrage 63.
CA 02998581 2018-03-13
WO 2017/046479
PCT/FR2016/052232
21
On notera que la collerette de fixation de disque 65 peut être fixée au
portique de
centrage 22 au moyen d'au moins une vis, un clip, ou tout autre moyen de
fixation
connu de l'homme de l'art.
On remarque aussi que si le piston détendeur à double effet 2 est prolongé -
du
coté de la chambre à gaz chauds supérieure 12 - par une tige supérieure de
piston 47, cette dernière traverse le trou de disque 64 sans toucher le disque
élastique de centrage 63.
On remarquera en outre qu'avantageusement, le disque élastique de centrage 63
peut être réalisé dans un matériau résistant aux températures élevées et
offrant
une faible conductivité thermique tel que le dioxyde de zirconium.
En alternative, le disque élastique de centrage 63 peut être fixé sur la
culasse
supérieure 10 cependant que le cône de centrage et d'étanchéité 66 est aménagé
sur ou dans le portique de centrage 22.
On peut aussi noter qu'en alternative à ce qui vient d'être décrit et qu'il
s'agisse
des moyens inférieurs de centrage du cylindre 20 ou des moyens supérieurs de
centrage du cylindre 21, un patin de contact similaire à celui que présente le
trou
de disque 64 peut être aménagé respectivement soit sur la culasse inférieure 9
soit sur la culasse supérieure 10 tandis qu'un cône de centrage et
d'étanchéité
similaire à celui que présentent lesdites culasses 9, 10 est aménagé sur et/ou
dans le disque élastique de centrage 63.
On remarque qu'à titre de variante, le disque élastique de centrage 63 peut
être
constitué par exemple d'un tore fendu ou non fait d'acier ou d'un
superalliage,
d'une rondelle expansible constituée ou non de multiples plis empilés
radialement
et faits d'une même pièce de métal ou de céramique, d'au moins trois pointeaux
poussés par un ressort, répartis tous les cent vingt degrés et coopérant avec
un
segment d'étanchéité, et de façon générale, de toute solution technique
capable
d'assurer un centrage et une étanchéité dans les conditions fonctionnelles
recherchées tout en limitant les fuites calorifiques depuis toute pièce chaude
vers
toute pièce froide.
FONCTIONNEMENT DE L'INVENTION :
,
CA 02998581 2018-03-13
WO 2017/046479
PCT/FR2016/052232
22
Le fonctionnement du cylindre détendeur à double effet 1 à support adaptatif
selon
l'invention se comprend aisément à la vue des figures 1 à 7.
Pour détailler ledit fonctionnement, nous supposerons ici que le cylindre
détendeur
à double effet 1 s'applique au moteur thermique à transfert-détente et
régénération dont les demandes de brevet français n 1550762 et n 1551593
appartiennent au demandeur. Cette application n'a qu'une valeur d'exemple et
n'exclut en rien toute autre utilisation du cylindre détendeur à double effet
1 selon
l'invention.
Lorsque ledit moteur démarre, le fût de cylindre 71 du cylindre détendeur à
double
effet 1 selon l'invention monte rapidement en température par rapport au
carter de
transmission 8 sur lequel il est fixé, ledit carter 8 hébergeant les moyens de
transmission 3. Il en est de même pour le piston détendeur à double effet 2
qui
coopère avec ledit fût 71, ainsi que pour la culasse inférieure 9 qui ferme
l'extrémité du fût 71 du coté des moyens de transmission 3, et pour la culasse
supérieure 10 qui ferme l'autre extrémité du fût 71.
On remarque en figures 2 et 3 que selon l'exemple de réalisation particulier
du
cylindre détendeur à double effet 1 suivant l'invention qui y est exposé, les
moyens de transmission 3 sont prévus pour transformer les mouvements de va-et-
vient qu'effectue dans le fût de cylindre 71 le piston détendeur à double
effet 2, en
mouvement continu de rotation d'un vilebrequin 6. A ces fins et toujours selon
cet
exemple non-limitatif, lesdits moyens 3 sont constitués d'une bielle 4 reliée
au
piston détendeur à double effet 2 par l'intermédiaire d'une crosse 7, ladite
bielle 4
étant articulée autour d'une manivelle 5 aménagée sur le vilebrequin 6.
On supposera ici que la température du fût de cylindre 71, du piston détendeur
à
double effet 2, de la culasse inférieure 9 et de la culasse supérieure 10
atteint par
exemple neuf cents degrés Celsius cependant que la température du carter de
transmission 8 et des moyens de transmission 3 qu'il héberge reste limitée à
cent
degrés Celsius.
La température élevée dudit fût 71, dudit piston 2, et desdites culasses 9, 10
est
nécessaire pour conférer au moteur thermique à transfert-détente et
régénération
le meilleur rendement possible, tandis que le maintien à relativement basse
température du carter de transmission 8 et des moyens de transmission 3 est
,
CA 02998581 2018-03-13
WO 2017/046479 PCT/FR2016/052232
23
nécessaire pour que ces derniers conservent une résistance mécanique élevée et
pour que la lubrification des différents organes qui les constituent soit
possible
sans risque de cokéfaction de toute huile de lubrification.
On note que le fût de cylindre 71, le piston détendeur à double effet 2, la
culasse
inférieure 9 et la culasse supérieure 10 sont par exemple principalement
réalisés
en carbure de silicium qui possède une résistance mécanique élevée à haute
température, tandis que le carter de transmission 8 peut être fait d'aluminium
et
les moyens de transmission 3 peuvent être réalisés en fonte ou en acier.
Malgré que le coefficient de dilatation thermique du carbure de silicium soit
inférieur à celui de l'aluminium ou de l'acier, les composants portés à neuf
cents
degrés Celsius se dilatent davantage que ceux portés à seulement cent degrés
Celsius. Il est donc nécessaire de laisser les composants en carbure de
silicium
se dilater librement par rapport à ceux faits d'aluminium, de fonte ou d'acier
sans
pour autant induire de contrainte mécanique excessive ni dans le carbure de
silicium, ni dans les autres matériaux.
Ceci doit pouvoir se faire tout en garantissant que les efforts appliqués au
piston
détendeur à double effet 2 par la pression régnant alternativement dans la
chambre à gaz chauds inférieure 11 puis dans la chambre à gaz chauds
supérieure 12 soient bien transmis par la tige inférieure de piston 46 à la
bielle 4
via la crosse 7.
On note que lesdits efforts tendent à éloigner le fût de cylindre 71 du carter
de
transmission 8 lorsque la pression des gaz est haute dans la chambre à gaz
chauds supérieure 12 le piston détendeur à double effet 2 exerçant un effort
de
compression d'intensité comparable sur la bielle 4, tandis que lesdits efforts
tendent à rapprocher ledit fût 71 dudit carter 8 lorsque la pression des gaz
est
haute dans la chambre à gaz chauds inférieure 11 ledit piston 2 exerçant un
effort
de traction d'intensité comparable sur la bielle 4.
C'est pour reprendre ces efforts de traction et de compression appliqués au
fût de
cylindre 71 et plus précisément à culasse inférieure 9 et à la culasse
supérieure
10 avec lesquelles il coopère, que ledit fût 71 est relié au carter de
transmission 8
par des piliers évidés 13 représentés en figures 1 à 5 et qui sont - à titre
CA 02998581 2018-03-13
WO 2017/046479 PCT/FR2016/052232
24
d'exemple non-limitatif - au nombre de quatre comme on peut aisément les
dénombrer en figure 4.
Comme illustré de manière particulièrement visible en figure 5, chaque pilier
évidé
13 compte deux liaisons rotules 42 autour desquelles il s'articule. On note en
zone
D de ladite figure 5 qu'entre la première extrémité de pilier 15 dudit
pilier 13 et
le carter de transmission 8 s'intercale une première liaison rotule 42 tandis
que la
zone C de la même figure 5 montre qu'entre la deuxième extrémité de pilier
16
dudit pilier 13 et la culasse inférieure 9 s'intercale une deuxième liaison
rotule 42.
La figure 5 montre également que chaque pilier évidé 13 est traversé de part
en
part dans le sens de sa longueur par un tunnel de tige 14 dans lequel est
logée
une tige de traction 17. Comme illustré en zone D de ladite figure 5, la
première extrémité de tige 18 de la tige de traction 17 est arrimée au carter
de
transmission 8 par l'intermédiaire d'une première liaison rotule 42. La zone
A
de la figure 5 illustre quant à elle que la deuxième extrémité de tige 19 est
indirectement arrimée à la culasse supérieure 10 par l'intermédiaire d'une
deuxième liaison rotule 42.
Selon l'exemple de réalisation du cylindre détendeur à double effet 1 suivant
l'invention illustré en figures 1 à 5, la deuxième extrémité de tige 19 de la
tige de
traction 17 comporte une tête de tige 28 qui maintient le fût de cylindre 71,
la
culasse inférieure 9 et la culasse supérieure 10 comprimés ensemble entre
ladite
tête 28 et le pilier évidé 13. Ceci est notamment rendu possible grâce à des
oreilles de fixation 25 que comportent ledit fût 71 et lesdites culasses 9,
10,
lesdites oreilles 25 présentant un orifice d'oreille 24 traversé par la
deuxième
extrémité de tige 19. Les zones B et C de la figure 5 illustrent cette
disposition de manière particulièrement évidente.
Les figures 4 et 5 montrent que la première extrémité de tige 18 de la tige de
traction 17 se termine - selon cet exemple de réalisation non-limitatif - par
un
filetage de tige 29 vissé dans un taraudage 27 aménagé dans une liaison rotule
42
qui prend appui dans le carter de transmission 8 et autour de laquelle
s'articule
ladite première extrémité 18.
Ainsi, les différentes liaisons rotules 42 autour desquelles s'articulent les
quatre
piliers évidés 13 et la tige de traction 17 avec laquelle ils coopèrent
permettent au
CA 02998581 2018-03-13
WO 2017/046479
PCT/FR2016/052232
fût de cylindre 71, à la culasse inférieure 9 et à la culasse supérieure 10 de
se
dilater librement. Ceci s'opère cependant que les piliers évidés 13 peuvent
transmettre les efforts de traction et de compression entre le fût de cylindre
71, la
culasse inférieure 9 et la culasse supérieure 10 de première part, et le
carter de
5 transmission 8 de deuxième part.
On note toutefois que cette disposition ne peut fonctionner sans les moyens
inférieurs de centrage du cylindre 20 et les moyens supérieurs de centrage du
cylindre 21 qui chacun laisse le fût de cylindre 71 libre de se déplacer
10 parallèlement à son axe longitudinal par rapport au carter de
transmission 8, mais
interdit audit fût 71 de se déplacer dans le plan perpendiculaire audit axe,
toujours
par rapport audit carter 8.
Selon l'exemple de réalisation non-limitatif de réalisation du cylindre
détendeur à
15 double effet 1 selon l'invention illustré en figures 3 et 4, la platine
de centrage et
d'étanchéité 53 et le portique de centrage 22 qui sont rigidement solidaires
du
carter de transmission 8 portent chacun et respectivement les moyens
inférieurs
de centrage du cylindre 20 et les moyens supérieurs de centrage du cylindre 21
lesdits moyens inférieurs 20 et supérieurs 21 étant chacun constitué d'un
disque
20 élastique de centrage 63.
Le disque élastique de centrage 63 qui constitue les moyens inférieurs de
centrage du cylindre 20 est particulièrement visible en figure 6 tandis que
celui
constituant les moyens supérieurs de centrage du cylindre 21 est
particulièrement
25 visible en figure 7.
Les disques élastiques de centrage 63 ont pour fonction d'assurer le centrage
et
l'orientation par rapport au carter de transmission 8 de l'ensemble rigide
constitué
par le fût de cylindre 71, la culasse inférieure 9 et la culasse supérieure
10.
Pour illustrer le fonctionnement des disques élastiques de centrage 63,
considérons celui qui constitue les moyens inférieurs de centrage du cylindre
20 et
dont le représentation est particulièrement claire en figure 6.
On remarque sur ladite figure 6 que ledit disque 63 est fixé de manière
étanche
par sa collerette de fixation de disque 65 sur la platine de centrage et
d'étanchéité
53 au moyen de huit vis de fixation que l'on dénombre en figure 4.
,
CA 02998581 2018-03-13
WO 2017/046479
PCT/FR2016/052232
26
On constate que ledit disque 63 est percé en son centre d'un trou de disque 64
au
travers duquel passe la tige inférieure de piston 46 sans toucher ledit disque
63, le
bord du trou de disque 64 présentant un patin de contact 67 mâle circulaire
qui est
maintenu en contact étanche avec le cône de centrage et d'étanchéité 66
femelle
que présente la culasse inférieure 9. Pour assurer un contact étanche entre
ledit
patin 67 et ledit cône 66, ce dernier exerce un effort sur ledit patin 67 qui
déforme
axialement et depuis son centre le disque élastique de centrage 63 par rapport
à
sa position de repos.
Comme on le déduit aisément, le contact entre la forme conique mâle du patin
de
contact 67 et la forme conique femelle du cône de centrage et d'étanchéité 66
tend à centrer la culasse inférieure 9 sur la platine de centrage et
d'étanchéité 53.
De plus, ledit contact réalise une étanchéité qui empêche les gaz sous
pression
contenus dans la chambre à gaz chauds inférieure 11 de s'échapper de ladite
chambre 11.
Lorsque - principalement sous l'effet de l'écart de température ¨
l'augmentation de
la dimension de l'ensemble constitué du fût de cylindre 71, de la culasse
inférieure
9 et de la culasse supérieure 10 est plus importante que celle de l'ensemble
constitué du carter de transmission 8, du portique de centrage 22 et des
pilier
rigide de portique 23, la pression qu'exerce le cône de centrage et
d'étanchéité 66
femelle de la culasse inférieure 9 sur le patin de contact 67 mâle augmente ce
qui
déforme un peu plus axialement et depuis son centre le disque élastique de
centrage 63.
Comme les écarts de dimension dont il est question ne portent que sur des
dixièmes de millimètres, la déformation axiale du disque élastique de centrage
63
ne compromet pas l'intégrité de ce dernier qui se déforme dans son domaine
d'élasticité. En outre, la forme conique du cône de centrage et d'étanchéité
66 et
du patin de contact 67 s'accommode des dilatations différentielles entre ces
deux
pièces 66, 67 quelle que soit la direction desdites dilatations.
On remarque en figure 7 que le disque élastique de centrage 63 rendu solidaire
du
portique de centrage 22 est prévu pour opérer de manière analogue.
=
,
CA 02998581 2018-03-13
WO 2017/046479 PCT/FR2016/052232
27
Ainsi, les moyens inférieurs de centrage du cylindre 20 et les moyens
supérieurs
de centrage du cylindre 21 coopèrent à garder le fût de cylindre 71 toujours
centré
autour du piston détendeur à double effet 2, et toujours parallèle à ce
dernier.
On remarque en figure 6 les moyens d'étanchéité de tige 55 qui assurent
l'étanchéité entre la chambre à gaz chauds inférieure 11 et la tige inférieure
de
piston 46 tout en assurant la lubrification de l'étanchéité supérieure de tige
56 et
de l'étanchéité inférieure de tige 57 dont sont constitués lesdits moyens 55.
On remarque que lesdits moyens 55 assurent aussi le refroidissement de la tige
inférieure de piston 46 au moyen d'une chambre à circulation d'huile 58 dans
laquelle débouche un conduit d'amenée d'huile de refroidissement-lubrification
59
et de laquelle repart un conduit de sortie d'huile de refroidissement-
lubrification 60.
Il est aisé de remarquer que le débit d'huile qui circule entre lesdits
conduits 59,
60 étant en permanence en contact avec la tige inférieure de piston 46, ledit
débit
permet de maintenir ladite tige 46 à une température par exemple légèrement
supérieure à cent degrés Celsius, mais pas plus élevée.
Toujours en figure 6, on remarque qu'avantageusement, l'étanchéité supérieure
de tige 56 est constituée de deux segments à coupe superposés dont les coupes
sont angulairement décalées tandis que l'étanchéité inférieure de tige 57 est
constituée d'un seul segment à coupe, les deux dites étanchéités 56, 57 étant
maintenues à distance l'une de l'autre par un ressort écarteur de segments 61
qui
comprend des orifices laissant le débit d'huile de refroidissement et de
lubrification
passer entre le conduit d'amenée d'huile de refroidissement-lubrification 59
et le
conduit de sortie d'huile de refroidissement-lubrification 60, via la chambre
à
circulation d'huile 58.
La figure 7 illustre le même arrangement, à la principale différence près que
le
ressort écarteur de segments 61 laisse place à une bague de guidage de tige 62
qui assure le guidage radial de la tige supérieure de piston 47 qui, selon
l'exemple
non-limitatif pris ici pour illustrer le fonctionnement du cylindre détendeur
à double
effet 1 selon l'invention, débouche dans la chambre de pression 44 aménagée
dans le portique de centrage 22 et dont nous avons vu en description qu'elle
peut
approvisionner en air comprimé via un canal interne que comporte la tige
supérieure de piston 47 des moyens d'étanchéité 48 tels qu'un anneau continu
CA 02998581 2018-03-13
WO 2017/046479 PCT/FR2016/052232
28
perforé 49 à coussin d'air logé dans une gorge de segment aménagée en
périphérie du piston détendeur à double effet 2.
Quand le moteur thermique à transfert-détente et régénération pris ici à titre
d'exemple d'application s'arrête, on note que la pompe à huile qui alimente
les
chambres à circulation d'huile 58 continue à alimenter ces dernières en huile
pour
refroidir la tige inférieure de piston 46 et la tige supérieure de piston 47
et ceci,
tant que la culasse inférieure 9 et la culasse supérieure 10 continuent à
transmettre de la chaleur auxdites chambres 58 et risquent de porter l'huile
que
contiennent lesdites chambres 58 à température de cokéfaction.
Outre permettre la libre dilatation de l'ensemble rigide constitué par le fût
de
cylindre 71, la culasse inférieure 9 et la culasse supérieure 10, la
configuration
particulière du cylindre détendeur à double effet 1 selon l'invention limite
fortement
le transfert de chaleur depuis la culasse inférieure 9 vers le carter de
transmission
8. Rappelons que ledit transfert nuit au rendement du moteur thermique à
transfert-détente et régénération. Pour cela, les piliers évidés 13 sont non
seulement de grande longueur comme illustré en figures 1 à 5, mais ils sont
également de préférence constitués d'un matériau à faible conductivité
thermique
comme l'oxyde de zirconium.
En figure 5, on remarque que pour autoriser l'emploi d'une tige de traction 17
en
acier qui nécessite de rester à basse température, chaque pilier comporte un
tube
de refroidissement de tige 30 qui enveloppe de façon étanche ladite tige de
traction 17 avec laquelle il coopère, sur la majeure partie de la longueur de
ladite
tige 17. Un fluide de refroidissement 31 provenant d'une source de fluide de
refroidissement 40 circule dans l'espace laissé entre la paroi interne dudit
tube 30
et la surface externe de ladite tige 17 cependant que la plus grande part
possible
de la surface externe dudit tube 30 ne touche pas la paroi interne du tunnel
de tige
14 de sorte à définir avec cette dernière paroi un espace vide qui constitue
une
isolation thermique.
On remarque en zone A de la figure 5 que le tube de refroidissement de
tige
30 comporte un renflement de tube 35 qui garantit que ledit tube 30 reste
localement centré dans le tunnel de tige 14. On voit en outre en zone D et
au
voisinage de la première extrémité de tige 18 que deux autres renflements de
tube
35 constituent chacun à la fois un centrage et une étanchéité entre ledit tube
30 et
CA 02998581 2018-03-13
WO 2017/046479 PCT/FR2016/052232
29
ledit tunnel 14. Ces dits deux autres renflements 35 coopèrent avec une
restriction
de diamètre de tube 36 qui réalise localement une étanchéité entre le tube de
refroidissement de tige 30 et la tige de traction 17.
On remarque en figure 4 que le tube de refroidissement de tige 30 comporte un
premier orifice d'alimentation de tube 32 localisé entre les dits deux autres
renflements 35, ledit premier orifice 32 communiquant avec l'intérieur du tube
de
refroidissement de tige 30 au voisinage de la première extrémité de tige 18
d'une
part, et étant relié au circuit aller de la source de fluide de
refroidissement 40 par
l'intermédiaire de canaux aménagés dans le carter de transmission 8 d'autre
part.
En figures 4 et en figure 5 zone A , on remarque que le tube de
refroidissement
de tige 30 se termine - au niveau de la deuxième extrémité de tige 19 - par
une
collerette de tube 34 maintenue serrée par la tête de tige 28 contre une
rehausse
d'isolation thermique 68 intercalée entre ladite collerette 34 et l'oreille de
fixation
de la culasse supérieure 10. On y remarque aussi qu'un raccord Banjo 38 est
intercalé entre la tête de tige 28 et ladite collerette 34, ledit raccord 38
comportant
un conduit radial de raccord 39 relié au circuit retour de la source de fluide
de
refroidissement 40 d'une part, et communiquant avec l'intérieur du tube de
20 refroidissement de tige 30 d'autre part via l'extrémité du tube de
refroidissement
de tige 30 qui reçoit la collerette de tube 34.
On comprend que la rehausse d'isolation thermique 68 - préférablement réalisée
en oxyde de zirconium - constitue un obstacle supplémentaire au transfert de
25 chaleur depuis la culasse supérieure 10 portée à quelque neuf cents
degrés
Celsius vers la tête de tige 28 maintenue à seulement cent degrés Celsius.
En tout état de cause, cette configuration particulière qui permet de
refroidir la tige
de traction 17 est inutile si cette dernière est réalisée en matériau
résistant aux
hautes températures tel que le zircone , le carbure de silicium, l'alumine
ou tout
superalliage spécifiquement développé pour ce type d'usage.
En figures 6 et 7, on aura remarqué la longueur radiale relativement
importante
laissée sur le disque élastique de centrage 63 entre sa collerette de fixation
de
disque 65 et son patin de contact 67. Si cette longueur est nécessaire pour
que
ledit disque 63 puisse se déformer axialement depuis son centre, elle est
également utile pour limiter autant que possible le transfert de chaleur
depuis le
,
CA 02998581 2018-03-13
WO 2017/046479
PCT/FR2016/052232
cône de centrage et d'étanchéité 66 vers ladite collerette 65. A ce titre, le
corps du
disque élastique de centrage 63 est préférentiellement de faible épaisseur et
réalisé en oxyde de zirconium, réputé pour sa faible conductivité thermique.
On
notera également que le contact linéique de faible largeur réalisé entre le
cône de
5 centrage et d'étanchéité 66 et le patin de contact 67 constitue également
en soi
une barrière thermique avantageuse.
Les possibilités du cylindre détendeur à double effet 1 suivant l'invention ne
s'en
limitent pas aux applications qui viennent d'être décrites et il doit
d'ailleurs être
10 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.
,
