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Moteur à gaz chaud.
Dans les moteurs à air chaud à cycle fermé bien connus , l'air. pendant le mouvement de va-et-vient du piston et du dépla- ceur, circula de la partie chauffée vers la partie refroidie du moteur et inversement, et reçoit et cède alternativement la chaleur.
Abstraction faite des pertes par fuite, la même quantité du fluide moteur participe toujours au cycle dans un moteur de ce genre. Par 1'expression "moteur à cycle fermé" on entend aussi un moteur, dans lequel le fluide ou une partie du fluide moteur quitte périodiquement le moteur proprement dit et entre alors dans un réservoir, par exem- ple un système de tubes, à partir duquel réservoir le fluide, qui -doit participer à nouveau au cycle dans le moteur, est introduit dans le moteur. Plus la vitesse à laquelle la chaleur peut être
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transmise de la paroi du moteur au gaz et inversement et plus la circulation du fluide dans le moteur est facile, plus la puissance du moteur sera grande.
La présente invention vise à augmenter la puissance d'un moteur ayant des dimensions déterminées, par rapport à la puissance qu'on pourrait atteindre en utilisant l'air comme fluide dans ce moteur.
Conformément à l'invention on utilise comme fluide moteur un gaz dont la conductibilité thermique est supérieure à celle de :l'air, ce qui a pour effet de transmettre la chaleur plus rapide- ment de la paroi du moteur à la totalité du gaz dans la chambre et inversement, que si l'on se sert de l'air. De la sorte le temps nécessaire pour chauffer et refroidir respectivement le gaz est réduit ou bien le gaz est mieux chauffé et refroidi respectivement dansun tempsdonné pour la transmission de la chaleur. La puis- sance indiquée au moteur augmente donc.
Conformaient à l'invention on peut aussi y parvenir en utilisant comme fluide moteur un gaz ayant une viscosité inférieure à celle de l'air, ce qui a pour effet que le gaz passe plus facile- ment d'une chambre à l'autre, en traversant un régénérateur, que dans le cas où l'on utiliserait l'air comme fluide moteur. De cette manière on réduit le temps nécessaire au déplacement du gaz, ou bien, une plus grande quantité de gaz est déplacée de la chambre chaude vers la chambre froide et inversement dans un même temps donné par un certain nombre de tours de l'arbre à manivelle, ce qui augmente donc également le diagramme d'indicateur du moteur.
Conformément à l'invention on utilisera un fluide moteur doué des deux propriétés précitées,à savoir une meilleure conduc- tibilité thermique et, en outre, une viscosité inférieure à celle de l'air, ce qui assure une transmission rapide de la chaleur de la paroi du moteur au gaz et inversement et en marne temps une moin- dre perte de pression par suite de la résistance à l'écoulement lors
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du mouvement de va et vient du fluide moteur.
Les mesures conformes à l'invention importent notamment pour des moteurs fonctionnant avec une pression de gaz élevée, c'est-à-dire présentant une pression de gaz minimum dépassant 1 hpz. dans Le cycle. Dans ce cas la quantité de gaz à chauffer et à refroidir dans une période de travail est bien plus grande que dans un moteur qui n'a pas de surpression à froid.
L'invention concerne également un moteur à gaz chaud et à cycle fermé, dans lequel la chambre située du coté du piston opposé à la chambre de travail est séparée de l'ambiance où est disposé le moteur.
L'invention est trèimportante pour ces moteurs, parce qu'en comparaison avec un moteur, où la. chambre située du côté du piston opposé à la chambre de travail, chambre qui est constituée le plus souvent par le carter du moteur (appelé aussi carter de manivelle), n'est pas séparée de l'air extérieur, il se produit par unité de temps moins de pertes par fuite du fluide moteur vers l'ambiance, ou se trouve le moteur, par exemple versl'air exté- rieur. En fait,l'étanchéité d'un arbre rotatif peut être réalisée mieux et plus complètement en général au point de vue constructif que l'étanchéité entre un piston et la paroi qui entoure ce piston.
En effet, l'étanchéité d'un piston par rapport à la paroi sur laquelle il joue, s'obtient généralement au moyen de segments de piston qui, cependant, ne sont jamais parfaitement étanches, aussi à cause du joint de ces segments.
L'invention est notamment avantageuse dans le cas où la chambre située du cote du pi ston opposé à la chambre de travail du moteur au repos et/ou en cours de fonctionnement est soumise en permanence ou périodiquement à une pression supérieure à la pression atmosphérique, parce que dans ce cas la fuite qui se produit alors à partir de la chambre de travail vers la chambre située du côté du piston opposé à la chambre de travail est assez considérable. Le moteur faisant l'objet de la présente invention est
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également avantageux lorsqu'on utili se comme fluide dans le moteur un gaz autre que l'air, comme les gaz précités ayant une meilleure conductibilité thermique que l'air et/ou une viscosité inférieure à celle de l'air.
De par sa nature, cependant, le moteur ainsi exécuté présente aussi des avantages lorsqu'on utilise comme fluide moteur un gaz qui ne présente pas ces propriétés.
Tous ces fluides constitués entièrement ou partiellement par des gaz autres que l'air, qui sont généralement plus coûteux que l'air, doivent être complétés de temps en temps par suite des pertes par fuite inévitables dans le moteur. Naturellement il importe de pouvoir réduire le plus possible la quantité de fluide à remplacer.
Dans un mode de réalisation avantageux du moteur confor- me à l'invention, dans lequel on rend la pression dans la chambre située du côté du piston opposé à la chambre de travail sensible- ment égale à la pression moyenne dans la chambre de travail, on peut réduire les pertes par frottement dans les portées de la bielle motrice et de la manivelle. De plus, en faisant augmenter la pression dans cette chambre jusqu'à une pression dépassant d'une valeur déterminée la pression minimum dans la chambre de travail lors de la course d'aller du piston on peut assurer une compensa- tion partielle des efforts accélérateurs dans le moteur dirigés vers l'arbre à manivelle.
Afin d'y parvenir pour des nombres de tours différents du moteur il est avantageux, conformément à l'invention, de faire varier la pression dans le carterde mani- velle en fonction du nombre de tours du moteur. Pour un plus grand nombre de tours du moteur on choisit alors une pression plus élevée dans cette chambre. Comme il est avantageux généralement de donner à la pression dans la chambre de travail du moteur une valeur dépassant 1 hpz. la pression dans cette chambre dépassera le plus souvent aussi 1 hpz.
Dans un mode d'exécution avantageux du moteur conforme à,-
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l'invention la chambre de travail et la chambre située du côté du piston opposé à la chambre de travail communiquent par un ou plu- sieurs canaux qui sont ouverts et fermes périodiquement. Pendant le temps où. la chambre de travail et la chambre située du côté du piston opposé à la chambre de travail communiquent l'une avec l'autre, ce qui s'applique généralement lorsque la pression dans cette dernière chambre est supérieure à celle qui règne dans la chambre de travail,le fluide moteur échappéde la chambre de travail vers l'autre chambre a l'occasion de retourner à la chambre de travail, de sorte que ce fluide peut participer à nouveau au cycle dans le moteur.
Conformément à l'invention l'ouverture et la fermeture des canaux peut s'effectuer par le piston et/ou le dé- placeur.
On a déjà dit plus haut que l'un des avantages du moteur conforme à 1,'invention consiste à pouvoir rendre inoffensives en grande partie les pertes par fuite du fluide moteur, qui se pro- duisent toujours le long du piston, en exécutant de façon étanche au gaz le dispositif d'étanchéité de l'arbre sortant de la chambre située du côté du piston opposé à la chambre de travail. A cet effet une possibilité selon l'invention consiste à utiliser une garniture de pression dont la pression dans le sens axial est produite par un ressort qui est déchargé entièrement ou partielle- ment par la pression régnant à l'intérieur de la chambre que l'on désire fermer de façon étanche au gaz.
Conformément à l'invention, cependant, on peut aussi Accoupler au moteur, par exemple à l'arbre à manivelle, à l'in- térieur de la chambre située du coté du pi ston opposé à la chambre de travail., un dispositif ou une partie d'un dispositif tel que l'énergie engendrée par le moteur puisse être prise à l'extérieur de la chambre précitée, par exemple dans 1.'ambiance où se trouve le moteur, sans utiliser une traversée d'une partie mobile de la machine par un trou pratiqué dansle bâti immobile du moteur. De a sorte on peut se passer complètement d'un dispositif d'étanchéi-
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té entre l'arbre à manivelle rotatif et le carter de manivelle immobile.
Une des possibilités de réaliser ce dernier mode d'exé- cution de l'invention consiste à prévoir dans la chambre située du coté du piston opposé à la chambre de travail, c'est-à-dire généralement dans le carter, un générateur électrique accouplé à l'arbre du moteur, l'énergie engendrée par ce générateur pendant le.fonctionnaient du moteur pouvant être débitée à l'extérieur du carter du moteur par l'intermédiaire d'un conducteur électrique qui passe vers l'extérieur, de façon étanche au gaz, à travers la paroi du bâti du moteur.
Dans un autre mode d'exécution du moteur conforme à l'invention on peut parvenir au but envisagé en relient à l'arbre du moteur, à l'intérieur de la chambre située du ctté du piston opposé à la chambre de travail,, une partie d'un accouplement magné- tique et/ou électrique et en disposant à l'extérieur de la chambre précitée, par exemple dans l'ambiance où est disposé le moteur, l'autre partie de cet accouplement. Par l'intermédiaire de cet accouplement la puissance engendrée par le moteur peut être préle- vée à l'extérieur de la chambre précitée, par exemple dans l'am- biance où se trouve le moteur.
Conformément à l'invention on peut aussi parvenir mécani- quement au but envisagé, par exemple, en faisant passer la tige de piston, de façon étanche aux gaz, par un trou dans la chambre sous le piston, de sorte que cette tige transmet vers l'extérieur l'é- nergie engendrée dans le moteur. On peut assurer une traversée étanche aux gaz de la tige de piston à partir de cette chambre, par exemple, au moyen d'un diaphragme élastique ou d'un diaphragme raide fixé à un support élastique, par exemple de forme cylindri- que.
Au moyen d'une pompe foulante, disposée à l'intérieur de la chambre précitée et munie d'une conduite d'aspiration et de re- foulement, qui débouchent à l'extérieur de cette chambre, ou bien
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au moyen d'une turbine hydraulique, on peut également parvenir au but envisagé.
Dans un autre mode d'exécution du moteur conforme à l'invention on utilise également la tige de piston pour trans- mettre à l'extérieur l'énergie produite dans le moteur, mais dans ce cas une partie de la tige de piston passe par une botte à gar- niture disposée dans une paroi immobile du moteur. Dans ce cas il peut se produire théoriquement des pertes par fuite par cette garniture d'étanchéité; toutefois, il s'est révélé en pratique que ces pertes sont extrêmement faibles.
La description du dessin annexé, donné à titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée, les particularités qui ressortent tant du dessin que du texte faisant bien entendu partie de l'invention.
La fig. 1 représente schématiquement en coupe longitudi- nale un moteur à gaz chaud conforme à l'invention, à cycle fermé, dans lequel la chambre 1 située du côté du piston 2 opposé à la chambre de travail 9 est constituée par le carter 3.
Dans le bâti 4 du moteur le piston précité 2 et le dé- placeur 5, qui comporte en même temps le régénérateur 6, sont placés en alignement. Dans ce moteur la chambre chaude se trouve en 7, la chaleur étant fournie à cette chambre au moyen d'un bec à gaz 8.
Le chiffre de référence 9 désigne la chambre froide qui constitue en même temps le cylindre de travail et est refroidie en l'espèce par un serpentin 10 par lequel le liquide passe dans la direction de la flèche. L'arbre à manivelle est désigné par 11; les mani- velles 12 et 13 sont reliées au piston 2 et au déplaceur 5 respec- tivement par l'intermédiaire des tiges de commande 14 et 15 et des tiges de piston 16 et 17.
La tige 17 du déplaceur passe de façon étanche aux gaz par le piston 2 par l'intermédiaire de la garniture 18. Dans le cas où une certaine quantité du fluide moteur s'échap- erait entre la paroi du bâti et la surface du piston 2, cette quan-
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tité ne serait pas perdue, parce qu'elle entrerait dans le carter 3 qui est fermé hermétiquement. Le carter 3 et la chambre froide 9 du moteur sont reliés par l'intermédiaire d'un tuyau 19 muni d'un clapet 20. Aussi longtemps que la pression dans la chambre froide 9 est supérieure à celle dans le carter 3, ce clapet reste fermé. Lorsque, cependant, la pression dans le carter 3 est supé- rieure à celle dans la chambre froide 9 le clapet 20 est soulevé et le milieu entré dans le carter retourne à la chambre froide.
Si on le désire on peut accélérer ou retarder le fonctionnement du clapet 20 au moyen d'un ressort qui agit sur ce clapet. La quantité de fluide destinée à compléter le fluide continu dans le moteur peut être amenée à ce dernier par le tuyau 21 qui est fermé normalement au moyen de l'obturateur 22. Ce supplément peut être nécessaire pour combler les faibles pertes par fuite du fluide vers l'extérieur qui se produisent toujours, et aussi pour mettre en mouvement le moteur, ou bien pour faire fonctionner ce dernier à une pression supérieure à la pression initiale.
La fig. 2 montre une garniture qui convient à obturer de façon sensiblement étanche aux gaz, le passage de l'arbre à manivelle 11 dans le carter 3 qu'on n'a représenté qu'en partie.
Le bossage cylindrique 23a du bâti du carter est muni en l'espèce d'une bride 23 circulaire à laquelle est fixée de façon étanche aux gaz, par exemple par soudure, l'une des extrémités d'une pièce élastique à soufflets 24. L'autre extrémité de la pièce 24 est fixée de la mené manière à la bride annulaire 25, qui porte contre le collet 26 de l'arbre à manivelle 11. Entre la bride 23 et la bride 25 se trouve le ressort de compression 27 qui est déchargé au moins en partie par la pression régnant à l'intérieur du carter et qui, grâce aux trous 2''la pratiqués dans la paroi avant du carter à manivelle, règne également à l'intérieur du bâti cylindrique 23a.
La pièce élastique 24 permet un faible fléchissement de l'arbre il.
Enfin les figures 3, 4 et 5 représentent schématiquement
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quelques exemples de moteurs, où la chambre située du côté du piston opposé à la chambre de travail n'est pas munie d'une garniture d'étanchéité et l'énergie produite peut pourtant être prélevée à l'extérieur du moteur.
Sur la. fig. 3 le chiffre de référence 28 désigne le bâti du moteur dans lequel-,peut se déplacer le piston 29. Par raison de simplicité on n'a pas représenté sur les figures 3 et 4 le déplaceur et sa tige. La tige de piston 30 est fixée à la manivelle 31. L'arbre à manivelle 32 est supporté dans les paliers 33 et 54 qui se trouvent complètement à l'intérieur du carter. Le généra- teur électrique 35 est accouplé directement à l'arbre à manivelle.
L'énergie électrique qui y est engendrée est amenée à l'extérieur par l'intermédiaire des conducteurs 36 et 37 qui passent, de façon étanche aux gaz, par le bâti du carter en 38 et 39. Dans cette construction on peut donc se passer de garniture d'étanchéité pour l'arbre à manivelle.
Cela s'applique aussi à la construction montrée sur la fig.4, où le piston 40 est mobile dans le bâti 41 du moteur. Par l'intermédiaire de la tige de piston 42 le piston est fixé à la manivelle 43 qui fait partie de l'arbre à manivelle 44. L'arbre à manivelle est supporté dans les paliers 45 et 46 qui se trouvent complètement à l'intérieur du carter 47. A l'extrémité de l'arbre à manivelle 44 sont fixés un ou plusieurs aimants permanents 48, qui peuvent tourner dans un bossage cylindrique 49 du carter.
Autour de ce bossage sont disposées les armatures 50 en fer doux, qui sont calées sur l'arbre 52 supporté dans le palier 51. Les aimants permanents 48 et les armatures 50 constituent ensemble un accou- planent magnétique et transmettent ensemble à l'arbre 52 la rota- tion de l'arbre à manivelle 44.
Naturellement l'accouplement ma- gnétique peut aussi être remplacé par un accouplement électroma- gnétique et il est aussi possible de faire fonctionner l'accouple- ment au moyen de courants de Foucault. On peut aussi exécuter l'ac- @
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couplement précité comme un générateur électrique de telle façon que le rotor se trouve à l'intérieur du bossage cylindrique 50, tandisque le stator se trouve à l'extérieur de ce bossage.
De plusla fige :5 représente un mode de réalisation d'un moteur à gaz chaud, dans lequel la chambre sous le piston 53 est fermée au moyen d'une paroi 54 qui est fixée de façon étanche aux gaz à une bride 55 du bâti 56. Cette paroi présente un trou central 57, dans lequel est fixée, également de façon étanche aux gaz, une pièce à soufflets 58 qui porte de son côté supérieur un plateau 59 par lequel la tige de piston 60 passe de façon étanche aux gaz.
La pièce élastique à soufflets 58 est exécutée de façon à pouvoir suivre les mouvements de la tige de piston 60 lors du mouvement alternatif vertical du piston 55. A l'extérieur du bâti la tige de piston 60 est reliée à la tige de commande 61 qui attaque la mani- velle 62 de l'arbre à manivelle 63. Dans un autre mode d'exécution la tige de piston passe à l'extérieur par la paroi 54 au moyen d'une boite à garniture.
Naturellement on peut aussi utiliser les constructions précitées s'il s'agit d'un moteur ayant plus d'un cylindre.
La fig. 6 représente un autre mode d'exécution du moteur conforme à l'invention. Sur cette figure le chiffre de référence 110 désigne un cylindre dans lequel jouent le piston moteur 111 et le déplaceur 112. Ce dernier est muni d'une forure 125 par laquelle les gaz passent de la chambre chaude 123 à la chambre froide 124.
Dans cette forure peut être disposé un régénérateur 126 dans lequel est accumulée la chaleur des gaz qui passent de la chambre chaude à la chambre froide. Lors du retour des gaz de la chambre froide à la chambre chaude cette chaleur est restituée aux gaz.
Le mouvement du piston et du déplaceur est commandé par les deux manivelles 113 et 114 qui forment entre elles un angle de 50 à 90 et sont calées toutes les deux sur l'arbre à manivelle 115. Sur cet arbre à manivelle 115 est calé aussi le volant 116 servant à assurer un mouvement rotatif régulier de l'arbre. Les .manivelles 113 et 114 sont reliées, par l'intermédiaire des tiges
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de commande, aux crosses de piston 119 et 120 et par l'intermédiaire de ces dernières à la tige de pi ston 121 et la tige du déplaceur 122, respectivement.
Pour autant que le cylindre 110 est constitué par la chambre chaude 123 il est placé dans le foyer A où la chaleur né- cessaire est fournie aux gaz. La chambre froide du cylindre est entourée par la chemise d'eau B dans laquelle circule l'eau de refroidissement pour l'évacuation de la chaleur.
Le fonctionnement du moteur représenté sur le dessin est le suivant: Lorsque le volant tourne dans la direction de la flèche 129 le déplaceur 112 se déplacera vers le piston 111 de manière à refouler le gaz vers la chambre chaude 123, où. le gaz acquiert une température et une pression plus élevées ce qui a pour effet d'expulser le piston 111. Lorsque ce dernier arrive au point mort extrême le déplaceur 112 s'est déplacé entretemps vers la chambre chaude 123 ce qui a pour effet de refouler le gaz vers la chambre froide 124 du cylindre 110 où il se refroidit, acquiert une faible pression et permet donc le retour du piston 111.
Lors du mouvement précité le gaz passe par le trou 125, du déplaceur où est disposé un régénérateur 126 formé de gaze fine.
Pour accélérer l'absorption et l'émission de la chaleur on peut utiliser un gaz ayant une grande conductibilité thermique comme l'hélium, le néon ou le dioxyde d'azote. Pour augmenter la vitesse de déplacement du gaz dans un temps déterminé on peut se servir d'un gaz ayant une faible viscosité tel que l'ammoniac, le dioxyde de carbone ou le protoxyde d'azote. L'hydrogène et le mé- thane sont des gaz qui ont à la fois une grande conductibilité thermique et une viscosité inférieure à celle de l'air. Tous les gaz précités peuvent donc servir de fluide moteur, un moteur qui présente un encombrement déterminé livrant une plus grande puissan- ce que si l'on utilise l'air comme fluide moteur.
On peut aussi utiliser éventuellement un mélange de divers gaz, à condition, ce- - @
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pendante que ces gaz ne s'attaquent pas chimiquement à la tempéra- bure de fonctionnement qui peut s'élever à 600 C. ou davantage.
Dans le tableau suivant on a indiqué pour divers gaz entrant en ligne de compte comme fluide moteur dans un moteur à gaz chaud le coefficient de la conductibilité thermique en cal/cm sec.oC, la viscosité en kg.sec./m2 et le poids moléculaire:
EMI12.1
<tb> Conductibilité <SEP> Viscosité <SEP> Poids <SEP> moléculaire
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<tb> thermique
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<tb> x <SEP> 10 <SEP> <SEP> x <SEP> 107
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<tb> air <SEP> 58 <SEP> 1809 <SEP> 4, <SEP> 4 <SEP>
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<tb> H2 <SEP> 410 <SEP> 840 <SEP> 1
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<tb> CO2 <SEP> b4 <SEP> 1370 <SEP> 22
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<tb> He <SEP> 340 <SEP> 1880 <SEP> 4
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<tb> Ne <SEP> 109 <SEP> 2980 <SEP> 20
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<tb> NH3 <SEP> 48 <SEP> 940 <SEP> 17
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<tb> N2O <SEP> 35 <SEP> 1390 <SEP> 22
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<tb> CH4 <SEP> 72 <SEP> 1040 <SEP> 16
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<tb> NO2 <SEP> 88 <SEP> ? <SEP> 23
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Si 1'on utilise comme fluide moteur un gaz ayant une conductibilité thermique supérieure à
celle de l'air la chaleur est transmise plus rapidement à partir de la paroi du cylindre au gaz se trouvant à l'intérieur de la chambre et inversement, ce qui veut dire donc que le chauffage et le refroidissement du gaz se font plus vite et, par conséquent, on peut augmenter soit la vitesse de moteur soit la quantité du gaz.
Si l'on utilise comme fluide moteur un gaz dont la visco- sité est inférieure à celle de l'air on peut augmenter la vitesse d'écoulement du gaz dans le moteur, ce qui veut dire donc que pour le même couple sur l'arbre à manivelle on peut augmenter proportion- nellement la vitesse ce qui s'accompagne d'une augmentation de la puissance fournie.
L'hydrogène a une conductibilité thermique environ sept foisplusgrande que celle de l'air, Un moteur à gaz chaud avec l'hydrogène comme gaz moteur peut donc avoir dans son cylindre une
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pression sept fois plus grande pour la même surface du piston.
La puissance fournie est donc également sept fois plus grande.
De plus, la viscosité de l'hydrogène est environ deux fois plus faible que celle de l'air; un moteur à gaz chaud avec l'hydrogène comme gaz moteur peut donc avoir une vitesse deux fois plus grande pour la même surface du piston, de sorte que la puis- sance fournie est également deux foiplus s grande.
Lorsqu'on utilise l'hélium la puissance fournie peut être environ six fois plus grande, dans le cas du néon deux foisplus grande et dans le cas du méthane plus d'une fois plus grande.
Si l'en,.utilise l'ammoniac la puissance fournie peut être environ deux fois plus grande; le dioxyde de carbone ou le protoxyde d'.azote donnent une puissance plus d'une fois plus grande.
Si l'on se sert de ces gaz comme fluide moteur il est recommandé, notamment si la pression du gaz dans le cylindre dépasse considérablement la pression atmosphérique, de rendre -la chambre étanche sous le piston, c'est-à-dire attenant à la partie du piston qui ne se trouve pas dans la chambre de travail.
En fait, on ne peut pas empêcher des fuites entre le piston et la paroi du cylindre.
Le dioxyde d'azote et le méthane conviennent particulière- ment bien comme fluide moteur dans les moteurs à gaz chaud grâce à leur meilleure conductibilité thermique et, en outre, grâce au grand nombre d'atomes par molécule. En effet, les gaz ayant un plus grand nombre d'atomes par molécule ont une plusgrande capacité thermique, de sorte que l'expansion et la compression au cours du fonctionnement se rapprochent mieux des valeurs isothermiques que ce n'est le cas pour les gaz ayant un plus petit nombre d'atomes par molécule.