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Perfectionnements apportés aux moteurs à gaz chaud à cycle fermé.
Dans les moteurs connus à gaz chaud., qui comprennent également les moteurs à air chaud, on chauffe une certaine quantité de, gaz dans une chambre fermée dite chambre chaude. Ce chauffage a. pour effet de produire une élévation de la pression du gaz. Ce gaz à pression plus élevée s'écoule vers une seconde chambre dite cham- bre froide, qui est en communication libre avec la première chambre et dans laquelle ce gaz met en mouvement un piston de pression, se dilate et pendant cette dilatation, se refroidit. Un second piston dit déplaceur pénètre dans la chambre chaude de façon à chasser de celle-ci presque tout le gaz, a l'exception de celui qui se trouve dans l'espace nuisible inévitable. Le gaz qui se trouve, après la dilatation, dans la chambre froide peut être évacué à l'atmosphè-
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re.
Dans ce ces, on utilise de 1-'air comme gaz moteur. Le mouvement de sortie du deplaceur de la. chambre chaude a pour effet d'aspirer une nouvelle quantité d-'air dans la chambre chaude. On désigne des moteurs de ce genre par l'expression moteurs à cycle ouvert.
On connaît également des moteurs à gaz chaud dans les- quels le gaz, après sa dilatation reste enfermé dans la chambre froide et y est refroidi. La pression du gaz diminue alors et le piston de pression peut faire sa course vers l'intérieur. Le dé- placement du deplaceur a pour effet de déplacer à nouveau la mrne quantité de gaz vers la chambre chaude. On désigne des mo- teurs de ce genre par l'expression moteurs à cycle fermé.
La présente invention n'est relative qu'à des moteurs à gaz chaud, qui présentent un cycle fennec moteurs parmi lesquels il faut compter également ceux dans lesquels une certaine quantité de gaz peut être soustraite au cycle ou y être ajoutée, par exemple en vue de compenser des pertes par fuite.
Dans les moteurs à gaz chaud, il est connu de placer un régénérateur dans le trajet du gaz entre les chambres chaude; et froide. Ce régénérateur absorbe une certaine partie de la chaleur du gez qui se dilate et sort de la chambre chaude. Cette chaleur est rendue au gaz quand le gaz refroidi retourne de la chambre froide à la chambre chaude. Il en résulte une moindre perte de chaleur par refroidissement pour le processus de travail. Pour la même quantité de chaleur amenée de l'extérieur au moteur et pour le même volume de cylindre, on augmente donc la puissance
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induite du moteur grâce a l'utilisa.tion du régénérttrur. Les pertes fixes du moteur, telles que le rayonnement, restent en prin- cipe les mêmes, desorte que le rendement total augmente.
La puissance par unité de volume du cylindre accroît également pour un chauffage et un refroidissement plus complets du gaz. Eh effet, si ce n'est pas tout le gaz complètement chauffé 1\ ou refroidi qui est introduit dans les chambres chaude et froide
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respectivement, le cycle est aussi accompli par une quantité d.e gaz qui n'a pas a.bsorbé toute l'énergie disponible et qui est donc incapable de céder l.a plus grande quantité possible de cette énergie. Pour obtenir une certaine puissance, un refroidissement et un chauffage peu favorables nécessiterait donc un plus grand volume de cylindre, d'où il résulte également une augmentation de la valeur des pertes fixes.
Dans un moteur connu à gaz chaud et à cycle fermée' le gaz traverse un regénérateur sur son trajet de la chambre chaude à la chambre froide. Le chauffage et le refroidissement du gaz s'effectue dans la chambre chaude et dans la chambre froide respectivement. Comme le contact du gaz avec la surface chaude et avec la surface refroidie est limité aux parois de ces chambres, le gaz qui ne se trouve pas au voisinage direct de la paroi ne sera chauffé à une température suffisante que dans le cas où le temps disponible pour cela. est assez considérable. Il s'ensuit que le nombre de révolution du moteur devrait être très réduit.
Pour obtenir une certaine puissance, on peut également utiliser une grande quantité de gaz pour la même pression, de sorte que le moteur possède de très gr.andes dimensions et que les pertes augmentent proportionnellement. Afin de pouvoir loger une quantité de gaz relativement grande tout en conservant les mêmes dimensions du moteur, il est également possible d'augmenter la pression du milieu. Si la pression augmente, la conductibilité de la chaleur n'augmente pas mais, au contraire la chaleur spécifi- que augmente, de sorte que les conditions pour la transmission de la chaleur deviennent encore moins favorables.
On connaît des moteurs à gaz chaud, et à cycle fermé qui comportent une chambre chaude, une chambre de chauffage, un régénérateur, un refroidisseur et une chambre froide et dans lesquels le gaz traverse, sur sa route de la chambre chaude vers
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la chambre froide, le chambre de chauffage, le régénérateur et le refroidisseur aans cet ordre ou, dans -Le cas de mouvement de la chambre froide vers .La chambre chaude, dans l'ordre inverse. Toute- fois, dans ces moteurs connus, il existe entre le régénérateur et le refroidisseur proprement dit un espace dans lequel le gaz glisse légèrement sur une surface chauffée.
Une certaine quantité de chaleur de cette surface chauffée est cédée au gaz, chaleur qui est évacuée dans le refroidisseur suivant et est perdue pour le processus de travail-, affectant ainsi défavorablement le rendement de ce moteur à gaz chaud.
Suivant l'invention, on obvie également à cet inconvé- nient en construisant le moteur d'une façon telle que le chauffage du gaz s'effectue uniquement dans la chambre de chauffage. On évite ainsi l'amenée de chaleur en d'autres points dans le cycle où la chaleur qui existe dans le gaz ne peut pas être utilisée ou ne peut pas être utilisée complètement.
Par chambre de chauffage et par refroidisseur on entend ici des organes qui servent à échanger de la chaleur avec le gaz, le trajet de circulation de celui-ci étant délimité par au moins deux surfaces, qui exercent une action chauffante et refroidissante sur le gaz et dans lesquelles la chaleur est amenée de l'extérieur et évacuée a l'extérieur, respectivement.
Par chambre de chauffage et par refroidisseur on peut ici également entendre des organes qui servent à échanger de la chaleur avec le gaz, le courant de gaz étant subdivisé en un grand nombre de parties séparées, par exemple au moins cinq. On peut faire varier cette subdivision dans le sens du courant de gaz. La transmission de la chaleur est améliorée par les chocs produits par suite de la subdivision utilisée. La chambre de chauffage et le refroidisseur peuvent tous les deux éventuellement posséder les propriétés mentionnées dans ce qui précède.
Par chambre chaude et chambre froide on entend ici des
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chambres dont la grandeur varie, pendant le cycle, de zéro jusqu'à une valeur limitée et qui servent à contenir une partie chaude et une partie froide, respectivement, du gaz. Les autres espaces de volume constant du moteur qui contiennent le gaz sont des espaces nuisibles.
Il est connu de réaliser un moteur à gaz chaud et à cycle fermé avec une chambre chaude, un régénérateur, un refroidis- seur et une chambre froide, le gaz étant chauffé entre la chambre chaude et le régénérateur. Ce chauffage s'effectue dans un canal qui ne présente qu'une seule paroi à laquelle est amenée de la chaleur et qui, en outre, n'est pas sousdivisée, de sorte qu'il n'y a pas ici question d'une chambre de chauffage selon le sens de la présente invention. Comme on l'a déjà expliqué dans ce qui précède, ce chauffage peu satisfaisant du gaz a pour effet que l'énergie par unité de volume du cylindre est extrêmement faible.
Pour obtenir une puissance maximum par unité de volume du cylindre et en conséquence.un rendement aussi élevé que possi- ble, il n'est pas suffisant que quatre des dits cinq éléments soient présents, comme toute déviation de l'invention diminue considérablement l'énergie par unité de volume du cylindre, d'où il peut résulter également une forte diminution du rendement.
Vu que les moteurs connus à gaz chaud présentent par unité de volume du cylindre une énergie d'environ 0,2 - 0,7 W/cm, il est un fait surprenant que, dans le moteur suivant l'invention qui comporte donc les cinq éléments mentionnés plus haut, l'énergie par unité de volume du cylindre comparable à ces valeurs est de 3,5 W/cm et morne encore plus haute, par exemple 7 W/cm3, comme on 1-la const-até par des expériences. A l'égard des moteurs connus, on obtient donc par unité de volume du cylindre une énergie qui est dix fois ou même davantage encore plus grande que celle des ma- chines connues.
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Dans une machine connue il est nécessaire, par suite de l'absence d'une chambre chaude, de loger dans la chambre de cha,uf- fage la quantité de gaz nécessaire au cycle. Comme cette chambre doit pouvoir contenir presque tout le gaz, il en résulte un volume peu favorable pour une transmission rapide et complète de la chaleur.
L'absence d'une chambre de chauffage et/ou d'un refroi- disseur rend le chauffage et le refroidissement du gaz plus mau- vais, de sorte que le rendement diminue, comme il a été exposé plus haut.
L'absence d'un régénérateur ne produit pas seulement une grande perte de chaleur, comme il a été exposé plus haut, maisla chambre de chauffage est alors aussi directement contigüe au refroidisseur, de sorte qu'une perte de chaleur par conduction de la chambre de chauffage vers le refroidisseur est inévitable.
On peut réduire cette perte par interposition d'une pièce inter- médiaire isolante, mais il en résulte également un agrandissement de l'espace nuisible dans le moteur.
De préférence, suivant l'invention, on place les cinq éléments précites du moteur a gaz chaud d'une part entre eux et d'autre part par rapport au piston et au déplaceur du moteur, d'une façon telle que la chambre de chauffage, le régénérateur et le refroidisseur se trouvent directement les uns derrière les autres dans le sens de mouvement du piston et du déplaceur et autour de ces derniers éléments. La chambre de chauffage se trouve alors naturellement du cô'té de la chambre chaude et le refroidisseur du côté de la chambre froide.
Cette disposition permet d'obtenir une construction exceptionnellement simple et concentrée du moteur à gaz chaud.
Le gaz circule de la chambre chaude, en passant à l'extérieur du déplaceur, par la chambre de chauffage, par le régénérateur et (par le refroidisseur à la chambre froide. Les chambres froide et
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chaude peuvent alors avoir une paroi commune avec la chambre de chauffage et le refroidisseur respectivement, de façon à réduire les pertes de chaleur. En outre, le placement de la chambre de chauffage, du régénérateur et du refroidisseur autour du déplaceur présente au point de vue de la construction l'avantage que, pour une certaine surface de circulation nécessaire de ces éléments les dimensions du moteur normales à l'axe du piston et au déplaceur sont minimum,ce qui conduità des pertes de chaleur minima. par rayonnement.
Afin d'obtenir une approximation de la dilatation et de la. compression isothermiques qui sont en soi favorables dans le moteur,la chambre chaude est précédée, de préférence, par une seconde chambre de chauffage et cette dernière est précédée par une seconde chambre chaude. Dans cette construction, le gaz dilaté qui sort, au cours de la dilatation, de la chambre chaude est conduit deux fois le long de la chambre de chauffage de sorte que le refroidissement produit par la dilatation est compensé du moins en partie par une amenée additionnele de chaleur. Au cours de la compression, il se présente un cas analogue.
En effet, la chambre froide peut être suivie par un second refroidisseur et par une seconde chambre froide, de sorte que le gaz comprimé qui sort de la chambre froide peut céder dans le second refroidisseur la chaleur produite au cours de la compression, avant d'être comprimé davantage. Ceci favorise une compression isothermique.
On comprendra mieux l'invention en se référant aux dessins annexés,donnés à titre d'exemples non limitatifs, qui en représentent quelques modes de réalisation pratiques, les particularités qui ressortent tant du texte que du dessin faisant, bien entendu, partie de l'invention.
La fig. 1 représente, en partie schématiquement et en coupe longitudinale, un moteur à gaz chaud suivant l'invention.
La fig. 2 est une vue en coupe transversale de la chambre
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chaude de ce moteur.
La fig. 3 représente un autre mode de récusation d'un moteur à gaz chaud suivant l'invention.
Le moteur à gaz chaud représenté sur la fig.l est consti- tué par un cylindre de pression comportant, entre autres, la cham- bre chaude 10 et la chambre froide constituée par deux parties 11 et 12. La partie 12 a la forme d'une enveloppe cylindrique pour le piston de pression 13. Dans la position représentée, le déplaceur
16 vient d'avoir pénétré entièrement dans la chambre chaude 10, de sorte que l'espace nuisible seulement de celle-ci, à savoir un petit jeu inévitable entre la tête du déplaceur 16 et la tête du cylindre, est laissé libre à côté des canaux d'amenée allant à la chambre de chauffage 19.
La chambre chaude est entourée par La chambre de chauffa- ge 19, qui subdivise le courant de gaz sortant de la chambre chaude
10. Cette chambre de chauffage comprend environ cent cannelures axiales, qui sont représentées en coupe transversale sur la fig.2.
Pour des moteurs relativement grands, ce nombre de cannelures peut augmenter, par exemple, jusqu'à 250. Il est évident qu'on peut éga- lement obtenir la subdivision du courant de gaz de nombreuses autres manières. Ainsi, on pourrait s'imaginer, par exemple, qu'un certain nombre de goupilles sont prévues transversalement au sens de circulation du gaz dans la chambre de chauffage, d'une façon telle que le courant de gaz circulant vienne en contact avec un grand nombre de goupilles, lesquelles goupilles font corps avec la paroi extérieure de la chambre de chauffage et du refroidisseur respectivement, ou bien sont en contact bon conducteur de la cha- leur avec celle-ci. En faisant en sorte que les goupilles soient légèrement déplacées entre elles dans les diverses couches, on peut obtenir que le courant de gaz soit subdivisé chaque fois à nouveau.
On peut obtenir un resultat analogue au moyen de fiches ,prévues sur la paroi de la chambre de chauffage. On a ménagéentre
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les cannelures représentées des canaux étroits qui sont traversés par le gaz à chauffer. Ces cannelures sont coulées de façon à former un seul ensemble avec la paroi de la chambre de chauffage ou en tout cas sont reliées de façon bonne conductrice de la chaleur à la paroi de cette chambre de chauffage, qui est directement contiguë au canal de chauffage 14, par lequel la chaleur requise est amenée de l'extérieur à la chambre de chauffage.
Comme on l'a déjà fait remarquer, le gaz qu'il s'agit de chauffer circule dans les canaux entre les cannelures, de sorte que le gaz est en contact avec au moins deux surfaces qui cèdent la chaleur au gaz et auxquelles on amène cette chaleur de 1-'extérieur, c'est-à-dire à partir du canal 14. Une botte métallique 22, qui s'ajuste par- faitement dans la périphérie intérieure de ces cannelures, évite une communication directe entre la, chambre chaude 10 et la chambre de chauffage 19, de sorte que le gaz déplacé par le déplaceur 16 est forcé de circuler, par la canal annulaire 23, dans la chambre de chauffage et ne peut quitter cette dernière qu'à l'extrémité opposée vers le régénérateur 20.
Dans ce régénérateur 20, le gaz chauffé et se dilatant émet une partie de sa chaleur et vient ensuite dans le refroidis- seur 21. Ce dernier comprend comme la chambre de chauffage 19, un certain nombre de cannelures axiales, entre lesquelles on a ménagé des canaux étroits. Dans ce cas également le gaz, au cours du passage par le refroidisseur, est donc en contact avec au moins deux surfaces qui reprennent la chaleur du gaz'et la cèdent à travers la paroi du refroidisseur à l'enveloppe de refroidissement 15. Cette dernière s'étend, en outre, sur la partie 12 de la chambre froide dans laquelle se meut le piston, de sorte que les surfaces de frottement du piston 13 sont toujours maintenues froides.
La lubrification de ce piston et l'obturation étanche aux gaz au moyen de ressorts de piston ne présentent pas de dif- ficultés particulières pour cette basse température.
Le refroidisseur 21 est également séparéde la chambre
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froide 11 au moyen de la boîte 22 qui s'ajuste de la manière d'un cylindre dans la périphérie intérieure des cannelures, de sorte que le courant de gaz qui sort du régénérateur 20 doit traverser toute l'étendue du refroidisseur pour venir ensuite, au moyen du canal annulaire 24, dans les chambres froides 11 et 12 au-dessus du piston de pression 13. La dite botte 22 se trouve donc dans la chambre chaude en face de la chambre de chauffage et aussi en face du régénérateur 20 et du refroidisseur et de la chambre froide. La partie de cette boite qui se trouve dans la chambre chaude possède donc une température sensiblement plus élevée que la partie qui se trouve dans la chambre froide.
Par conséquent, un courant chaud constant s'écoulera, à travers la paroi de cette boîte, de la chambre chaude vers la chambre froide, ce qui en- traîne une perte de chaleur pour le cycle. Afin de réduire cette perte autant que possible, la paroi de la boîte est très mince et est, en outre, établie en une matière qui conserve sa forme pour la haute température regnant dans la chambre chaude et qui présente une mauvaise conductibilité de la chaleur. On utilj se pour cela, par exemple, un alliage de fer contenant du cobalt et du nickel.
Le déplaceur 16 se trouve également en partie dans la chambre chaude et en partie dans la chambre froide, de sorte que pour celui-ci la même remarque s'applique que pour la boîte 22.
A la température de service du moteur qui règne dans la chambre chaude, il serait en pratique impossible de guider le déplaceur 16 dans la boîte 22. Par conséquent, Lediamètre extérieur du dépla- ceur 16 est plus petit que le diamètre intérieur de la boite 22, de manière que ces éléments ne puissent pas se toucher en fonction- nement.
A cette fin, il suffit pour des petites machines d'une dif- férence de diamètre de 0,2 mm. et pour des machines relativement grandes d'une différence de diamètre allant jusqu'à 2 mm. le gui- dage du déplaceur 16 doit se trouver dans une autre partie du moteur, c'est-à-dire de préférence dans la chambre froide, de
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sorte que la lubrification n'entraîne pas de difficultés..Dans le mode de réalisation représenté, la tige 25 du déplaceur est guidée dansle corpsdu piston 13.
Pendant le fonctionnement du moteur, le piston et le déplaceur font périodiquement un mouvement de va et vient par rapport au moteur par suite du mouvement rotatif de l'arbre- manivelle et, comme les manivelles du piston et du déplaceur font un angle de 50 -90 , le piston et le déplaceur se déplaceront éga- lement l'un par rapport à l'autre.
Dans la position représentée, le déplaceur 16 vient d'arriver à la fin de sa course vers l'intérieur c'est-à-dire que le déplaceur a pénétré aussi loin que possible dans la chambre chaude ; le mouvement qui précède la position représentée a donc chassé le gaz de la chambre chaude. Comme le jeu entre le déplaceur 16 et La botte 22 est limité à une valeur qui est nécessaire pour des raisons constructives, Le gaz sera forcé en pratique de s'écou- ler, dans le sens des flèches représentées, par le canal annulaire 23 vers la chambre de chauffage 19. De là, le gaz se dilate, éga- lement dans le sens des flèches représentées, par le régénérateur 20 et par le refroidisseur 21 vers les chambres froides 11, 12.
Dans ces chambres, la pression de gaz augmente et le piston 13 accomplit sa course vers l'extérieur.
Au cours du mouvement consécutif à la position repré- sentée sur La fig.l, le déplaceur 16 se meut à nouveau vers l'extérieur. Arrivé à la fin de cette course, le piston de pression 13 commence sa course vers l'intérieur et s'approche donc du déplaceur 16. La chambre froide 11 devient plus petite, la chambre 10, au contraire, devient plus grande, de sorte que le gaz est déplacé maint'enant, en sens inverse des flèches repré- sentées, p,ar le refroidisseur 21, le régénérateur 20 et la chambre de chauffage 19 vers la chambre chaude 10. Quand le dé- pLaceur 16 et le piston 13 se touchent pratiquement, c'est-à-dire
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avec un intervalle, par exemple, de 0,1 mm., la chambre froide est devenue zéro.
L'espace qui subsiste et est formé par le jeu iné- vitable entre le piston et le déplaceur et l'espace qui n'est pas rempli par le piston et le déplaceur, comme le canal annulaire 4, constituent l'espace nuisible.
La fig.3 représente un autre mode de réalisation d'un moteur à gaz chaud suivant l'invention. Les parties, comme la chambre chaude, la chambre de chauffage, le régénérateur, le refroidisseur et la chambre froide sont en principe les mêmes que celles des modes de réalisation représentés sur les figs. 1 et 2. Les parties identiques sont désignées par les mêmes chiffres de référence.
Dans le présent mode de réalisation, la chambre chaude est précédée par une seconde chambre de chauffage 28 et par une seconde chambre chaude 26. De même, la chambre froide 11 est suivie par un second refroidisseur 29 et par une seconde chambre froide 27.
La chambre de chauffage 28 est logée dans la tête du cylindre sous forme de quelques cannelures qui s'étendent dans le sens axial avec le cylindre et entre lesquelles il existe des canaux étroits. Par suite de la présence de quelques boites 30, qui sont glissées sur les arêtes des cannelures, le courant de gaz est force de traverser ces canaux du début jusqu'à la fin suivant la direction indiquée par des flèches sur la figure. Le seconde chambre chaude 26 est formée entre la tête du cylindre et un prolongement cylindrique 17 dont est muni le déplaceur 16. Les mouvements du déplaceur ont pour effet de pousser le prolongement cylindrique 17 dans la chambre de chauffage additionnelle 28, de manière à agrandir et réduire périodiquement la chambre 26 et à satisfaire ainsi aux exigences que doit remplir une chambre chaude.
Le second refroidisseur est fixé au piston 13 qui, à cette /fin, est refroidi artificiellement, de manière connue, à l'aide
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d'air ou d'eau qui est amené et drainé par la tige de piston. Ce refroidisseur est également constitué par un certain nombre de cannelures qui s'étendent dans le sens axial avec le cylindre et entre lesquelles il existe des canaux étroits. La présence des bottes 31 empêche la communication directe avec la chambre froide, de sorte que les gaz doivent suivre le trajet indiqué par la flè che.
La seconde chambre froide 27 est constituée par un prolongement cylindrique 18 du cylindre 16, qui pénètre dans le refroidisseur 29 et sort de celui-ci par suite du mouvement périodique du dépLaceur 16 et du piston 13.
Grâce à la disposition de la seconde chambre de chauffa- ge entre les deux chambres chaudes, on obtient dans le cylindre une approximation de la dilatation isothermique qui est en soi favorable pour le moteur à gaz chaud. Le refroidissement que subit le gaz par suite de la dilatation est compensé par la chaleur additionnelle ramenée au gaz dans la chambre de chauffage 28. D'une manière analogue, le second refroidisseur 29 améliore la compression isothermique.