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Dispositif compensateur pour Moteur à fluide.
La présente invention concerne des moteurs thermodynami- que dans lesquels des fluides de travail parcourent un cycle thermodynamique pour produire de l'énergie et, en particulier, un appareil nouveau ou perfectionné servant à maintenir constante la puissance fournie par ces moteurs en compensant les variations de température des sources chaude et froide associées à ces moteurs ainsi que tout remplacement du fluide de travail utilisé dans le cycle de fonctionnement du moteur par un autre fluide.
Dans un moteur à fluide du type décrit,un fluide de tra- vail, comprimé et chauffé, est détendu contre une surface de tra- vail dans une chambre de détecte d'un équipage piston-cylindre pour produire une force mécanique. Le fluide de travail, dans
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un état initial, est comprima puis chauffé et ensuite dirigé vers la chambre de détente où il se détend contre la. surface de travail de l'équipage piston-cylindre. Après détente et à une température et une pression diminuées, le fluide de travail est introduit dans un élément dans lequel il est refroidi à l'état initial (avant compression).
Dans un moteur à fluide de ce typo, @ le cycle thermodynamique spécifié est parcouru par un fluide de travail approprié ayant des caractéristiques de détente volumé- triques souhaitables et des propriétés thermiques avantageuses.
Autrefois, les moteurs à fluide étaient spécifiquement conçus pour un type de fluide de travail particulier et les températures des sources chaude et froide restaient constantes. Cependant lorsqu'on envisageait un fluide de travail différent, la source chaude spé- cifique ainsi que la source froide ne permettaient pas d'obtenir de rendement désiré du moteur à fluide qui dépend des propriétés du fluide de travail. De plus, lorsqu'on utilise un fluide de travail particulier et que les sources chaude et froide correspon- dantes requises ne sont pas disponibles, ur. moteur à fluide en- tièrement nouveau reconstruit pour les sources de puissance dis- ponibles est nécessaire pour compenser toute variation des tempe ratures de travail à chaque emplacement d'application du moteur à fluide.
En prévoyant un appareil ayant la forme d'un dispositif compensateur servant à compenser facilement tout remplacement du fluide de travail par un autre ainsi que les variations de tempé- rature des sources chaude et froide disponibles, on peut utiliser une seule construction de moteur à fluide pour un grand nombre d'applications dans lesquelles ces variables prédominent. Par exem- ple, dans les cas où. un moteur à fluide a été conçu pour un fluide de travail particulier tel que de l'anhydride carbonique, nécessi- tant des sources chaude et froide spécifiques applicables au CO2, toute variation dans le fluide de txavail ou dans les tempdratures des sources d'énergie nécessite une Modification correspondante de
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la construction du moteur à fluide.
Cependant, grâce au dispositif ! compensateur décrit et représenté, ces compensations peuvent être facilement effectuées sans reconstruire complètement le moteur à fluide. Lorsque les températures de travail des sources de chaleur disponibles sont inférieures à une valeur requise pour assurer une action efficace du fluide de travail, le dispositif compensa- teur de l'appareil peut être facilement réglé pour augmenter la pression du fluide de travail dans la chambre de compression.
Le fluide de travail peut ainsi être transmis à la source de chaleur à température inférieure et peut recevoir une quantité de chaleur proportionnelle à sa pression accrue ce qui produit la détente vo. lumétrique requise dans le fluide de travail et, par conséquent, maintient une puissance de sortie constante du moteur à fluide comme si on disposait de la température de la source de chaleur initialement spécifiée .D'une façon analogue, pour remplacer le fluide de travail par un autre fluide ayant des exigences (le am- pérature et de pression différentes pour obtenir une détente volumétrique optimum,
on modifie facilement le cycle thermodyna- mique pour compenser ces différences en agissant d'une façon déter- minée sur le dispositif compensateur de l'appareil. Le dispositif compensateur permet au moteur à fluide de fonctionner convenable. ment en fournissant une puissance désirée constante indépendante du fluide de.travail utilisé ou de la variation des températures' de travail des sources chaude et froide disponibles aux endroits où le moteur à fluide est utilisé.
Cela étant, la présente invention a pour but principal de procurer un appareil ayant la forme d'un dispositif susceptible de coopérer avec un moteur à fluide dans lequel un fluide de travail parcourt un cycle thermodynamique, ce dispositif pouvant être actionné pour compenser l'utilisation de plusieurs types de fluides de travail ayant des caractéristiques de température différentes de celles du fluide pour lequel le moteur à fluide a été initiale- ment conçus
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L'invention a également pour but de procurer un appareil ayant la Dorme d'un dispositif susceptible de coopérer avec un mo- teur à fluide dans lequel un fluide de travail parcourt un cycle thermodynamique,
ce dispositif pouvant être actionné pour compenser les variations de température de sources chaude et froide dispo- nibles à l'emplacement de l'installation du moteur à fluide*
L'invention a encore pour but de procurer un dispositif compensateur susceptible de coopérer avec un moteur à fluide dans lequel un fluide de travail parcourt un cycle thermodynamique, ce dispositif compensateur permettant d'utiliser un fluide de travail spécifique dans une variété de cycles de fonctionnement thermodyna- miques.
Ces buts et d'autres encore ainsi que des particularités importantes de l'invention ressortiront clairement de la descrip- tion détaillée de plusieurs formes d'exécution préférées donnée ci-après, à titre d'exemple, avec référence aux dessins annexes., dans lesquels la Fig.1 est une vue schématique ,en partie en coupe, d'un système comportant un moteur à fluide utilisant un cycle thermodynamique dans lequel est incorporé un appareil servant à compenser certaines conditions et facteurs qui peuvent exister dans un fluide de travail du système ;
la Fig.2 est une coupe longitudinale, à plus grande échelle, de l'appareil associé au moteur à fluide représenté sur la Fig.l et montre en détail un dispositif compensateur de l'appareil ; et, la Fig.3 est une coupe longitudinale, à plus grande échelle, semblable à la Fig.2 d'une variante du dispositif compensateur de l'appareil.
Sur la Fig.l des dessins,un système 10 est représenté sous une force en partie schématique dans laquelle il comprend en fait un circuit fermé comprenant entre autres, un moteur à fluide 12 comportant un bloc 14 dans lequel un cyclindre 16 est alésé et un piston 18 est monté de manière à se déplacer en un mouvement alterna-*
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tif. Le piston 18 est fixé à une bielle 20 et un vilebrequin 22 est placé dans la chambre 25 formée par un carter 26.
Le piston 18 comporte une base élargie 28 et une partie de prolongement di- minués 30 formant un épaulement 32 entre elles. L'épaulement 32 comporte une surface de travail 34, Figs.2 et 3, formant une pa- roi d'une chambre de compression 36 et la partie de prolongement diminuée 30 comporte une surface de travail 38 formant une paroi d'une chambre de détente 40.
La chambre de compression 36 comporte une lumière d'admis- sion 42 et une lumière d'échappement 44 circonférentiellement espa- cées l'une de l'autre et convenablement placées autour du bloc 14 du moteur, les lumières 42 et 44 communiquant chacune avec la chambre de compression 36.
La lumière d'échappement 44 comporte une valve de retenue 46 communiquant avec cette lumière, le fluide de travail F provenant de la chambre de compression étant envoyé par la lumière de sortie 44 et la valve de retenue 46 dans une conduite 48 et ainsi dans l'échangeur de chaleur de chauffage 50. Une valve 52 et un accumulateur 54 sont placés entre la valve de sortit 46 et l'échangeur de chaleur de chauffage 50, ce mon- tage servant à assurer un démarrage rapide du moteur fluide 12 après l'arrêt. Une conduite 56 raccorde l'échangeur de chaleur de chauffage 50 à une valve d'admission 58 placée près d'une partie d'extrémité du bloc 14 du moteur en communication avec la chambre de détente 40.
Une valve d'échappement 60 est également placée à cette même partie d'extrémité du bloc du moteur prés de la valve d'admission 58 pour établir une communication entre le fluide de travail ? dans la chambre de détente 40 avec une conduite 62. La conduite 62 fait passer le fluide de travail F de la chambre de détente 40 dans un échangeur de chaleur de refroidissement 64 et, à partir de cet échangeur de chaleur, par une conduite 66 dans une valve d'admission 68 raccordée à la lumière d'admission 42 communiquant avec la chambre de compression 36.
Une valve de dérivation 70 est placée dans la conduite 62
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entre la valve de sortie 60 et l'éohangeur de chaleur de refroidît- sèment 64 et communique par une conduite appropriée 72 avec la conduite 66 et la valve d'admission 68. Un séparateur d'huile 73 est raccordé à la conduite 62 entre la valve de dérivation 70 et l'échangeur de chaleur de refroidissement 64. Le séparateur d'huile 73 sert à séparer l'huile lubrifiante du fluide de travail avec lequel elle circule dans le système 10 pendant son cycle de tra- vail. Le séparateur d'huile 73 est raccordé à un filtre 74 qui est raccordé au carter de vilebrquin 26 par des conduites appro- priées.
L'huile lubrifiante pénètre dans le système par une pompe classique qui * foule l'huile du carter Clan. le piston et par des passages approprias (non représentés). Cette huile lubrifiante est ainsi étalée sur les parois du cylindre et dans la chambre de compression et se mélange au fluide de travail.
Afin de compenser certaines additions ou facteurs, tels que des variations de température du fluide de travail F ré- sultant de l'effet créé sur ce fluide par l'échangeur de chaleur de chauffage 50 et le refroidissement efficace du fluide travail F résultant de l'échangeur de chaleur 64, tout en assurant la substi- tution de différente types de fluides de travail qui peuvent être utilisés dans le système 10 pour faire fonctionner le moteur à fluide 12, il est prévu un appareil qui peut avoir la forme d'un compensateur ou d'un dispositif "multiplicateur" de moteur 75 (fige 2) qui comprend un boîtier 76 comportant une partie filetée 78 qui se visse dans une partie taraudée de façon correspondante 80 d'un évidement 81 ménagé dans le bloc-moteur 14.
Une chambre 82 est déli- mitée par l'évidement 81 et le boîtier 76 du "multiplicateur". le dispositif multiplicateur 75 étant réuni au bloc 14 par le vissage des parties 78, 80. Un piston libre 84 sensible aux pressions de la chambre de compression 36 est Monté de façon à se déplacer en un mouvement alternatif dans un alésage 86 formé dans le bottier 76 et comprend deux bagues cylindriques 88 et 90 séparées par une partie étranglée 91.
Un épaulement annulaire 92 est formé par le
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boiter 76 et peut être engage avec la bague cylindrique 88 du piston 84 pour limiter un déplacement axial du piston vers l'inté- rieur.La bague cylindrique 88 du piston 84 comporte un prolongement d'une pièce taillant 94 destiné à venir en prise avec une surface 96 formée sur une came 98 logée dans une cavité 99 formée par le boîtier 76. La came 98 est calée sur un arbre à came 100 qui est opérât! veinent relié à un dispositif (non représente) servant à produire le mouvement de rotation désiré de l'arbre à came 100 ca- pable d'animer le piston 84 d'un mouvement alternatif par l'engage- ment de la came 98 avec le piston dans le bottier 76 du dispositif "multiplicateur" 75.
Des joints toriques 101 et 102 sont prévus ? les bagues cylindriques 88 et 90 respectivement et procurent un joint étanche au fluide limitant le passage du fluide de travail F par le piston 84 dans la cavité 99. Une saillie 103 est formée sur l'antre extrémité'du piston 84 et est venue d'une pièce avec la bague cylindrique 90 qu'elle accompagne dans son mouvement al- ternatif en se déplaçant dans un passage délimitant une chambre 104 formée dans la partie filetée correspondante du bottier 76, sen- sible à l'actionnement de la came 98. Un' passage 106 est formé dans le bloc-moteur 14 et une extrémité 108 du passage peut communique:
avec la lumière d'admission 42 de la chambre de compres- sion 36 tandis que son autre extrémité 110 communique avec 1'avide- ment formant chambre 82 et avec la chambre 104 formée dans la par- tie filetée 70 du boîtier 76 du "multiplicateur". La chambre de compression comprend donc la chambre 36 ainsi que le passage 108, l'évidement formant chambre 82 et la chambre 104 formée dans le dispositif "multiplicateur' 75.
Le moteur à fluide 12 représenté comporte un seul équipage piston-cylindre 18, 16 mais l'invention envisage d'utiliser plusieurs pistons et cylindres dans un bloc-moteur 14 et de pré- voir, d'une manière correspondante, un dispositif compensateur ou "multiplicateur" 75 communiquant avec chaque chambre de compres- sion 36 d'un moteur à pistonset cylindres multiples.
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Le cycle de travail du moteur à fluide 12 sera décrit pour montrer clairement le principe fondamental de l'invention et, par conséquent, le cycle ne sera décrit que dans la mesure nécessaire pour bien comprendre la présente l'invention. Des valeurs pour le); températures et les pressions subies par le fluide de travail F ne sont données qu'à titre d'exemple et ne limitent l'invention en aucune façon.
En fonctionnement, une masse unitaire de fluide de travail ? telle que de l'anhydride carbonique à une température d'environ 70 F (2;1"C) est comprimée dans la chambre de compres- sion 36 à une pression d'environ 6000 livrée/pouce carré (22 kg/ cm2) et à une température d'environ 300 F (149 C), A cette tempé- rature et à cette pression, l'anhydride carbonique est dirigé par la lumière d'échappement 44 et la valve de sortie 46 dans la conduite 48. La valve 46 est actionnée par un dispositif appro- prié (non représenté) et est synchronisée par rapport aux éléments coopérants du cycle pendant le fonctionnement du moteur,
Le fluide de travail comprimé dans la conduite 48 est dirige par la valve 52 de l'accumulateur 54 dans l'échangeur de chaleur de chauffage 50 dans lequel de la chaleur provenant d'une source appropriée quelconque est appliquée au fluide de travail F pour élever nota- blement sa température jusqu'à environ 500 F (260 C0 tandis que sa pression reste en substance c nstante. A cette température et à cette pression, l'anhydride carbonique pénètre dans la valve d'admission 58 par la conduite 56 et, lorsque la valve d'admission 58 est ouverte d'une manière synchronisée par un dispositif appro- priée (non représenté),
le fluide de travail F cet dirigé vers la chambre de détente 40. Lorsque le fluide de travail pénètre dans la chambre de détente 40, le volume accru dans cette chambre oblige l'anhydride carbonique à se détendre de sorte qu'une masse donnée de fluide de travail F a un volume supérieur lorsqu'elle pénètre dans la chambre de détente 40 que lorsqu'elle est pompée hors de la chambre de compression 36. Cette détente diminue la pression et abaisse à son tour la température d'une manière adiabatique.
Le piston 18, à ce stade de fonctionnement, est à son point
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mort haut et l'anhydride carbonique en se détendant le repousse vers le bas contre la bielle 20 et le vilebrequin 22 en faisant tourner le vilebrequin. Comme le vilebrequin 22 continue à tourner sous l'effet de la rotation d'un volant (non représenté) qui y est attacha, le piston 18 est entraîna vers le haut et la valve d'é- chappement 60 couvre en permettant à l'anhydride carbonique déten- du de s'échappar, à une température et une pression diminuées d'environ 200 F (93 C) et 800 livres/pouce carré (42 kg/cm2) respectivement, de la chambre de détente 40 dans la conduite 62 par la valve de dérivation 70 et dans l'échangeur de chaleur de refroidissement 64,
La valve de dérivation 70 comprend un disposi- tif pour commander la vitesse du moteur à fluide 12. A la sortit de l'échangeur de chaleur de refroidissement 64, le fluide de travail F est ramené à une température d'environ 70 F (21*C) et à une pression de 800 livres/pouce carré (42 kg/cm2) et pénètre dans la valve d'admission 68 par la conduite 66.
Pendant la course de détente, la valve d'admission 68 s'ouvre et permet à l'anhydride carbonique aux température et pression réduites de pénétrer dans la chambre de compression 36 à la suite de quoi le cycle est répété
La valve 52 et l'accumulateur 54 monté dans la conduite 48 forment un dispositif servant à démarrer le moteur à fluide 12 après qu'il ait été arrêté.
Le but et les avantages du compensateur ou du dispositif "multiplicateur" 75 peuvent être décrits clairement avec référence au cycle de fonctionnement décrit plus haut. 8i l'échangeur de cha- leur de chauffage 50, par suite des limitations dans la source chaude disponible, est incapable de fournir la quantité de chaleur désirée pour élever la température du fluide de travail comprimé F et si une puissance constante doit être maintenue pour l'application spécifique du moteur à fluide, une manipulation de l'arbre à came 100 dirige le piston 84 du multiplicateur vers l'intérieur vers la
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chambre de compression 36 de sorte que la chambre 82 formée entre le bottier 76, rudement 81 et le prolongement 102 du piston 84 diminuent notablement de volume.
Le déplacement vers l'intérieur du piston 84 et la réduction du volume de la chambre 82 diminuent les dimensions totales de la chambre de compression 36 de sorte que la course de compression du piston 18 avec son déplacement volume- trique qui est constant comprime une masse unitaire de fluide 7 qui occupe un plus petit volume et qui est par conséquent plus dense, à une pression unitaire supérieure.Lorsque la valve d'échap- pement 46 s'ouvre, le fluide de travail F à une pression notable- ment supérieure pénètre dans l'échangeur de chaleur de chauffage 50 et, par conséquent, la chaleur disponible, qui est inférieure à la quantité requise dans des conditions de pression plus élevées, est appliquée 4 l'anhydride carbonique,
ce qui produit une détente volumétrique désirée dans la chambre de détente 40 pour maintenir une puissance constante du moteur à fluide 12. D'une façon analo- gue, lorsque les températures de la source chaude disponible pour l'échangeur de chaleur de chauffage 50 sont élevées comparées aux températures de travail requises pour la détente volumétrique optimum de l'anhydride carbonique, l'actionnement de l'arbre à came 100 dans le sens inverse déplace la surface 96 de la came 98 de manière à permettre au piston 84 de se déplacer vers l'extérieur en réponse aux pressions de l'anhydride carbonique régnant dans la chambre de compression 36.
Le déplacement du piston 84 du "mul- tiplicateur" dans cette direction augmente le volume total de la chambre de compression 36, et par conséquent, le fluide de tra- vail F contenu dans la chambre de compression 36 pour une masse unitaire d'anhydride carbonique occupe un volume accru et est par conséquent moins dense par suite du volume accru de la chambre de compression 36. Cela étant, une pression unitaire inférieure est obtenue à la compression.
Lorsque la valve d'échappement 46 s'ouvre, le fluide de travail F dirigé par cette valve dans la conduite 45 et dans l'échangeur de chaleur de chauffage 50 doit recevoir une
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quantité de chaleur accrue pour compenser la pression diminuée afin de maintenir la détente volume tri que désirée pendant la course motrice du piston pour maintenir une puissance constante.
L'échangeur de chaleur de chauffage 50 est calculé dans cet exem- ple pour que la chaleur nécessaire soit disponible de manière à élever par conséquent la température du fluide de travail F dans une mesure proportionnelle pour compenser les pressions diminuées.
Canne le montre la description qui précède du fonctionnement du dispositif "multiplicateur" 75, un fluide de travail spécifique peut être amené à parcourir une grande variété de cycles thermo- dynamiques en manipulant le dispositif "multiplicateur" 75 et le replacement d'un fluide de travail par un autre fluide ayant des caractéristiques et des propriétés différentes peut être facile- ment compensé au moyen du dispositif "multiplicateur" 75.
Le moteur à fluide 12 comportant un appareil comprenant le dispositif "multiplicateur" ou compensateur 75 peut être acti uné par un dispositif mécanique ou par un mécanisme de commande du type à main tel que décrit dans une variante ou une autre forme d'exécution représentée sur la Fig.3 des dessins. Un dispositif "multiplicateur" réglable à la main 112 comprend un bottier compor- tant un corps 114 pourvu d'une partie filetée 116 et d'un passage délimitant une chambre 118 qui s'étend sur toute la longueur axiale du corps 114. Un épaulement 120 est formé entre le bloc mo- teur 14 et la partir filetée 116 du corps 114 et peut attaquer le bloc-moteur.
Une extrémité du corps 114 comporte une partie filetée 122 coopérant avec une partie taraudée 124 de l'évidement formant chambre 82 du bloc-moteur 14. Le boîtier du dispositif "multiplicateur" 112 comporte également une douille 126 pourvue d'une partie taraudée 128 destinée à coopérer avec la partie file- tée 116 du corps 114. Une poignée ou un volant 130 est fixé à la douille 126 et lorsqu'il est tourné, la douille 126 se déplace axialement vers l'intérieur ou vers l'extérieur suivant le sens de rotation du volant 130.
Un piston libre 132 est placé dans le
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passage délimitant une chambre, 118 du corps 114 et peut se dépla- cer en un mouvement de va-et-vient dans cette chambre en réponse à la pression de l'anhydride carbonique développée dans la chambre de compression 36. Le volant 130 comporte un avidement en V 134 susceptible d'être engagé avec une tige 136 du piston 132 et sert de butée pour limiter le déplacement axial du piston 132 dans la chambre 118. Un joint torique 138 est placé sur une extrémité 140 du piston 132 et empêche le fluide de passer autour du piston dans une cavité 142 formée entre la douille 126 et le corps 114.
Le joint torique 138 ainsi placé maintient le fluide de travail sous pression F dans 1'avidement formant chambre 82 délimita par le bloc-moteur 14 et le corps 114 du "multiplicateur" et dans la chambre 118 formée par le corps 114 du "multiplicateur", réglant ainsi le volume utile de la chambre de compression 36 par la communication du passage 106 avec l'évidement formant chambre 82 et la chambre 118.
On peut voir qu'un réglage manuel peut être maintenu constant en manipulant le volant 130 et par conséquent la douille 136 pour allonger ou raccourcir la chambre liât
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à la description détaillée donnée, à titre d'exemple, avec référence aux dessins annexés, de nombreux changements et modifications pouvant en effet y être apportés sans sortir de non cadre.
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1.- Appareil servant à commander la puissance fournie par un moteur à fluide dans lequel un fluide de travail parcourt un cycle thermodynamique de compression, chauffage, détente et re-
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troid18seent, caractérisa en ce qu'il comprend un boîtier déliai- tant une chambre placée pour recevoir le fluide de travail et un dispositif pour modifier la pression du fluide de travail dans la oha&bre.