CH702965A2

CH702965A2 - Machine stirling.

Info

Publication number: CH702965A2
Application number: CH00496/10A
Authority: CH
Inventors: Jean-Pierre Budliger; Rolf Schmid
Original assignee: Jean-Pierre Budliger; Rolf Schmid
Priority date: 2010-04-06
Filing date: 2010-04-06
Publication date: 2011-10-14
Also published as: WO2011123961A1; KR101749164B1; US9109533B2; CN102918249B; WO2011123961A8; EP2556236A1; JP5852095B2; JP2013524079A; US20130031899A1; KR20130094188A; CN102918249A; EP2556236B1

Abstract

Cette machine Stirling comprend un piston de transfert (6, 6a) et un organe mobile (11) d’un générateur ou d’un moteur électrique, le piston de transfert (6, 6a) déplaçant périodiquement un gaz de travail entre une chambre d’expansion (V E ) et une chambre de compression (V C ), associées respectivement à deux faces de travail du piston de transfert (6, 6a) dont le rapport de section a c /a E X est ≥ 0,35 pour que son déplacement selon un axe X orienté vers le volume d’expansion (V E ) engendre une composante de pression P X du gaz de travail en phase opposée au déplacement du piston (6, 6a), de manière à transmettre la totalité de l’énergie mécanique produite à l’organe mobile (14). Cette machine comporte un second piston résonant (10) couplé au piston de transfert (6, 6a) par une quantité d’énergie proportionnelle à la composante de pression P X .

Description

[0001] La présente invention se rapporte à une machine Stirling comprenant un piston de transfert et un organe mobile d’un générateur ou d’un moteur électrique, le piston de transfert étant monté dans un cylindre, dans lequel il déplace périodiquement un gaz de travail entre une chambre d’expansion et une chambre de compression constituant le volume de travail de ladite machine Stirling, associées respectivement à deux faces de travail dudit piston de transfert en faisant passer ledit gaz à travers un échangeur chaud, relié à une source de chaleur, un régénérateur et un échangeur de refroidissement relié à un puits de chaleur et des moyens de rappel élastique exerçant une force sur ce piston de transfert, le rapport de section ac/aE entre les deux faces de travail dudit piston étant ≥ 0,35 pour que son déplacement selon un axe orienté vers le volume d’expansion engendre une composante de pression dudit gaz de travail en phase opposée audit déplacement dudit piston, de manière à transmettre entre ce piston de transfert et ledit organe mobile la totalité de ladite énergie mécanique produite.

[0002] Un type de moteurs Stirling est constitué d’un piston de transfert qui déplace périodiquement le gaz de travail entre un volume chaud et un volume froid et d’un piston moteur qui ferme le volume de travail et assure le transfert de l’énergie mécanique produite vers la partie mobile d’un générateur électrique. Dans les moteurs cinématiques, les deux pistons sont reliés par un système mécanique avec un vilebrequin, qui leur impose un mouvement périodiques répétitif, avec un décalage fixe.

[0003] Dans les moteurs à pistons libres, les deux pistons sont pourvus de suspensions élastiques, dimensionnées de manière à conférer aux deux pistons un mouvement périodique à la fréquence désirée, avec un déphasage prescrit. L’absence d’embiellages simplifie la construction de ces moteurs: en éliminant les articulations les problèmes de lubrification de celles-ci sont supprimés. En revanche, ces moteurs nécessitent souvent des systèmes de contrôle complexes pour assurer leur démarrage et pour stabiliser le mouvement oscillant des deux pistons avec des amplitudes et des angles de phase déterminés.

[0004] Un moteur Stirling, développé par la firme américaine Sunpower Inc. Athens, Ohio est décrit dans un article intitulé «Development of a 3kW free-piston Stirling Engine» de G. Chen et J. McEntee, Proceedings of the 26th Intersociety Energy Conversion Engineering Conférence, vol. 5, p.233-238, où une partie de l’énergie motrice est induite par les forces du gaz sur le piston de transfert, puis transmis par un ressort pneumatique au piston moteur. Dans ce moteur, le piston de transfert sert donc non seulement à transférer le gaz entre les volumes chaud et froid situés aux deux extrémités du cylindre dans lequel se déplace le piston, mais aussi à engendrer une partie de l’énergie motrice.

[0005] Le EP 1 165 955 décrit un moteur où la totalité de l’énergie motrice est produite à l’aide du piston de transfert, auquel est associé la partie mobile du générateur électrique. Un tube de résonance est accouplé à ce dispositif, dans lequel une onde de pression s’établit qui est déphasée par rapport à l’onde d’excitation produite par le piston de transfert. L’inconvénient de cette solution réside essentiellement dans les pertes d’énergie engendrées par le frottement du gaz dans le tube qui limitent les performances de ces moteurs. Par ailleurs, l’encombrement du tube de résonance présente, dans beaucoup d’applications un inconvénient non négligeable.

[0006] Le JP 2 127 758 U illustre à la fig. 3une machine Stirling dans laquelle le piston de transfert est relié par un embiellage à un moteur électrique. Avec cette disposition, l’amplitude du piston de transfert est contrôlée mécaniquement, rendant ainsi l’utilisation d’une butée flexible superflue. Cette machine comprend par ailleurs un piston de travail et une charge. Dans cette configuration, seule une fraction de l’énergie produite peut être transmise au moteur électrique associé au piston de transfert.

[0007] Le but de la présente invention est de remédier, au moins en partie, à ces inconvénients, de simplifier le contrôle du cycle de la machine Stirling et d’augmenter sa stabilité de fonctionnement, ainsi que d’améliorer ses performances.

[0008] A cet effet, cette invention a pour objet une machine Stirling telle que définie par la revendication 1.

[0009] L’avantage essentiel de l’invention par rapport aux machines Stirling à deux pistons selon l’état de la technique réside dans le fait que le piston résonant n’a plus besoin d’être asservi, permettant de supprimer tout asservissement actif nécessitant une électronique complexe.

[0010] Avantageusement, le piston résonant de la machine objet de l’invention est un piston libre, suspendu par un ressort mécanique et qui délimite le volume de travail. Ce piston résonant remplit donc une fonction similaire à celle du tube de résonance décrit dans le brevet EP 1 165 955. Les pertes mécaniques et thermiques occasionnées par les frottements et les fuites à travers les joints des pistons sont nettement plus réduites que celles d’un tube de résonance. Par son mouvement la pression du gaz de travail varie. Ce piston résonant peut être incorporé de manière compacte dans le volume de la machine Stirling.

[0011] Avec un dimensionnement approprié, les deux pistons oscillent de manière stable. Le fonctionnement du système peut facilement être contrôlé, aussi bien dans la phase de démarrage qu’en régime fixe, comme on l’expliquera en détail par la suite.

[0012] D’autres particularités et avantages de la machine objet de l’invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit, ainsi que des dessins annexés, qui illustrent, schématiquement et à titre d’exemple, deux formes d’exécutions et diverses variantes de cette machine. La fig. 1<sep>est une vue en coupe diamétrale d’une forme d’exécution; la fig. 2<sep>est une vue en coupe diamétrale partielle d’une variante de la machine; la fig. 3<sep>est une vue en coupe diamétrale d’une variante hybride; la fig. 3A<sep>est une vue partielle d’une variante des fig. 1 ou 3; la fig. 4<sep>est un diagramme vectoriel relatif au processus de fonctionnement; la fig. 5<sep>est un diagramme relatif au travail fourni par cycle en fonction de la température de l’échangeur chaud, pour un moteur selon l’invention, comparé à un moteur comportant un piston de transfert et un piston moteur; la fig. 6<sep>est un diagramme relatif au rendement thermique du moteur Stirling en fonction du travail fourni par cycle, pour un moteur selon l’invention comparé à un moteur comportant un piston de transfert et un piston moteur; la fig. 7<sep>est une vue en coupe diamétrale d’une autre forme d’exécution de la machine, comportant deux pistons résonants oscillant en directions opposées; la fig. 8<sep>est une vue en coupe transversale d’une variante de la fig. 7; la fig. 9<sep>est un schéma de principe illustrant un dispositif servant à réduire les vibrations induites par le mouvement périodique du piston de transfert à l’aide d’une masse additionnelle.

[0013] La machine Stirling illustrée par la fig. 1comporte un carter allongé 1 formé de deux parties cylindriques 2, 3, assemblés par un élément 4, jouant le rôle de bâti. L’intérieur de ce carter 1 est rempli d’un gaz de travail sous pression. Le logement cylindrique 5 de la partie 2, constitue un volume de travail d’un moteur Stirling, dans lequel un piston de transfert en deux parties 6, 6a est monté, libre de se déplacer longitudinalement. Le volume situé entre le piston de transfert 6, 6a et l’extrémité externe du logement 5 communique avec un échangeur chaud 7 relié à une source chaude (non représentée) et constitue la chambre chaude ou volume d’expansion VE du moteur Stirling, tandis que le volume situé à l’autre extrémité de ce logement cylindrique 5 communique avec un échangeur froid 8 relié à une source froide (non représentée), qui constitue la chambre froide ou volume de compression Vcdu moteur Stirling. Un régénérateur 9 est disposé entre les échangeurs chaud 7 et froid 8.

[0014] La partie 6a du piston de transfert 6, 6a adjacente à la chambre de compression Vc est engagée dans l’ouverture cylindrique d’un second piston résonant 10 annulaire et axisymétrique par rapport au piston 6, 6a. Ce second piston 10, solidaire d’un support 11 est libre de se déplacer selon l’axe longitudinal du logement cylindrique 5.

[0015] Un organe de suspension élastique 12, est fixé par sa partie centrale au support 11 et par sa périphérie à un support 13 solidaire du bâti 4. Cet organe de suspension élastique 12 est un organe plat à bras en forme de spirale. Dans la variante illustrée par la fig. 3A, le piston résonant 10 est suspendu au bâti 4 par des ressorts hélicoïdaux 12a, disposés symétriquement autour de l’axe et exerçant une force axiale sur le piston, centrée par rapport à celui-ci.

[0016] Des joints d’étanchéité 25 disposés entre les pistons 6a et 10 d’une part et entre ces pistons et le logement cylindrique 5 d’autre part, servent à contenir les fuites de gaz à des niveaux tolérables.

[0017] Le volume intérieur de la partie cylindrique 3 renferme un élément mobile 14 d’un générateur électrique, ici constitué par un élément cylindrique portant des aimants permanents. Cet élément mobile 14 est solidaire de la périphérie d’un support annulaire 15, dont le bord interne est solidaire d’un organe de suspension élastique annulaire 16, semblable à l’organe 12. La périphérie de cet organe 12 est fixée au bâti 4 et son centre est solidaire d’une tige 17 dont une extrémité est fixée au piston de transfert 6, 6a. L’induit du générateur est formé d’un assemblage de tôles 18, disposées radialement et dans lesquels sont logés un ou plusieurs enroulements 19 de forme annulaire. L’élément mobile 14 du générateur électrique est entouré d’une armature 20, formée ici d’un assemblage de tôles disposées dans des plans radiaux.

[0018] La suspension élastique du piston de transfert 6, 6a peut être renforcée par un ou plusieurs ressorts hélicoïdaux 21, disposés entre des supports fixes 22, solidaires du bâti 4 et des supports mobiles 23, solidaires de la tige 17.

[0019] Un conduit comportant une vanne de réglage 24 placée entre le volume de compression froid et le volume du générateur permet d’ajuster l’amplitude de pression du gaz de travail, donc la puissance du moteur. Cette vanne permet également d’ajuster l’amplitude du mouvement décrit par le piston résonant.

[0020] La fig. 2 montre une coupe diamétrale partielle à travers le second piston résonant 10, illustrant une solution alternative des surfaces de paliers cylindriques des deux pistons 6a et 10. A la place des joints d’étanchéité, il est avantageux de prévoir entre les surfaces cylindriques des pistons et leurs enceintes des fentes annulaires avec des jeux de l’ordre de 20 à 50 microns. Ces jeux sont parfaitement acceptables aussi bien du point de vue des tolérances de fabrication que de l’influence des fuites de gaz de travail sur le rendement énergétique de ces dispositifs. Les frottements mécaniques des pistons peuvent être réduits avec des revêtements de surface résistants à l’usure et autolubrifiants apte à réduire le frottement statique et dynamique. Dans une forme d’exécution préférée, il est également prévu d’utiliser des paliers à gaz statiques, tels qu’ils sont décrits dans le US 3 127 955.

[0021] A cet effet, l’intérieur du piston 10 est creux, ménageant un logement 26 servant de réservoir de gaz pour alimenter des buses 27 débouchant dans les fentes annulaires entre les deux pistons 6a et 10, respectivement entre les pistons et les surfaces adjacentes du carter allongé 1, respectivement de la paroi de l ́échangeur froid 8. Le compartiment 26 est alimenté à travers un clapet non-retour 28 depuis le volume de travail et maintenu en permanence à la pression maximale régnant dans ce volume. Le compartiment 26 peut également être placé dans le piston de transfert 6, 6a ou dans le bâti 4, pour alimenter les buses 27 des paliers à gaz statiques.

[0022] La fig. 3 représente une variante hybride où le logement 5 de la partie 2 avec les pistons 6, 6a et 10 formant la partie motrice du Stirling sont similaires à la forme d’exécution décrite ci-dessus. La partie 2 est reliée à un compartiment 30, comprenant un générateur électrique rotatif 31. Le piston de transfert-moteur 6, 6a est relié par une tige 17 à un embiellage 32 qui transmet les mouvements et forces axiaux du piston 6, 6a à un vilebrequin 33, solidaire de la partie mobile d’un générateur électrique rotatif 31.

[0023] Différentes formes d’exécution des embiellages sont envisageables. Dans la fig. 3, un embiellage du type Ross est esquissé, comme il est décrit en détail p. ex. dans les Proceedings de la 8e Conférence Internationale des moteurs Stirling tenue les 27-30 mai 1997 à Ancona. A la page 519ff est décrit le calcul de l’embiellage, permettant de minimiser le déplacement latéral de la tige par rapport à son axe de mouvement. D’autres formes d’exécution des embiellages sont envisageables, comme par exemple l’embiellage trapézoïdal utilisé par Philips (p. ex. représenté à la page 60 des Proceedings du séminaire «Stirling Cycle Prime Movers» des 14-15 juin 1978).

[0024] La partie mobile du générateur électrique peut être munie d’un volant d’inertie 34, permettant d’équilibrer le mouvement rotatif et ainsi de lisser les ondes superposées à la tension électrique générée. Par ailleurs, une masse 35 permet d’atténuer les vibrations dues au mouvement alternatif des pistons.

[0025] Le fonctionnement de la machine Stirling décrite est le suivant: Le mouvement du second piston résonant 10 est dicté par les forces communiquées par les éléments élastiques et la pression du gaz qui s’exerce sur ses surfaces axiales. Par son mouvement, la pression du gaz de travail varie.

[0026] Le piston de transfert 6, 6a joue alors le double rôle de transfert du gaz de travail entre la chambre d’expansion VEet la chambre de compression Vc et de production de toute l’énergie motrice transmise à l’inducteur 14, pour autant que certaines conditions, dont nous allons parler maintenant, soient remplies.

[0027] Pour atteindre cet objectif, il est nécessaire de déterminer le rapport entre la surface ac du piston de transfert 6, 6a, délimitant le volume de compression Vc et la surface aE de ce même piston de transfert 6, 6a, délimitant le volume d’expansion VE.

[0028] L’analyse du cycle isotherme montre que la pression du gaz de travail dans le volume de travail devient indépendante de la position du piston de transfert 6, 6a si:

Exemple:

[0029] Température TH du volume chaud VE, TH= 923°K = 650 °C Température Tc du volume froid Vc, Tc = 323°K = 50 °C ac/aE≥ 0.35

[0030] Le fonctionnement du moteur est possible seulement si le rapport de surface ac/aE est supérieur à cette limite, c’est-à-dire que le déplacement du piston de transfert 6, 6a (fig. 4) doit induire une composante de pression Px qui doit être opposée au déplacement X de ce piston 6, 6a. Le déplacement du piston de transfert 6, 6a est positif si celui-ci se déplace en direction du-volume VE.

[0031] Ce piston de transfert-moteur peut être conçu comme un piston libre. Sa suspension élastique doit alors être accordée pour que le piston oscille à la même fréquence que le piston résonant. Son amplitude est contrôlée par les forces électriques exercées par le générateur; elle reste fixe si une charge électrique constante est appliquée aux bornes du générateur électrique.

[0032] Dans une machine hybride, le piston 6, 6a est lié mécaniquement à l’axe de la partie mobile d’un générateur électrique rotatif par un embiellage. La course du piston 6, 6a est alors fixée par la géométrie de cet embiellage. Sa vitesse de rotation est contrôlée électriquement par le générateur électrique et sa fréquence doit correspondre à celle du second piston résonant 10.

[0033] La fig. 4 représente un schéma vectoriel illustrant les caractéristiques les plus importantes du système, le temps t se déroulant dans le sens des aiguilles d’une montre. Le vecteur X représente le déplacement du piston de transfert-moteur 6, 6a, le vecteur Y celui du piston résonant 10. Sous conditions de résonance, Y est en retard par rapport à X. Par son déplacement, le piston de transfert-moteur 6, 6a crée une faible variation de pression Px, opposée à X. Le déplacement Y du piston résonant 10 crée une variation de pression PY dans la direction de Y, la variation de pression P du gaz de travail étant la somme des deux composants Px et PY.

[0034] A chaque cycle, le piston résonant 10 reçoit une certaine quantité d’énergie, proportionnelle à la composante de pression Px qui maintient ce piston en mouvement. Comme Pxdépend de la température de chauffage TH, l’amplitude Y du piston résonant 10 varie en fonction de cette température TH. L’amplitude de pression PY étant proportionnelle à Y, celle-ci et la puissance mécanique générée par le moteur Stirling augmentent fortement avec la température de chauffage TH.

[0035] La fig. 5 compare l’énergie mécanique dégagée par un moteur Stirling comportant un piston de transfert et un piston de travail, en fonction de la température TH des tubes de chauffage (courbe 1) avec celle d’un moteur selon l’invention (courbe 2). Pour démarrer la machine Stirling objet de l’invention, l’échangeur chaud doit d’abord être porté à une température THrelativement élevée (p. ex. 600 °C), seuil qui dépend du rapport ac/aE choisi. Le piston de transfert-moteur 6, 6a est alors mis en oscillation à l’aide du générateur électrique qui lui est associé. Le piston résonant 10 se met d’abord à osciller avec une faible amplitude, qui augmente progressivement avec la température de chauffage TH. L’amplitude de la pression du gaz de travail augmente également, ainsi que la puissance mécanique fournie par cette machine.

[0036] La puissance nominale est atteinte quand l’échangeur chaud est porté à environ 700 °C.

[0037] Les moteurs Stirling avec un piston de transfert et un piston-moteur, démarrent déjà à des températures de chauffage nettement plus basses (environ 300 à 400 °C selon leur conception). La puissance augmente alors progressivement avec la température TH, pour atteindre, sous conditions nominales comparables, une puissance similaire à celle de la machine objet de l’invention.

[0038] Dans la machine objet de l’invention, une faible augmentation de la température de l’échangeur chaud entraine une forte augmentation de la puissance développée par ce moteur. Par la détente du gaz dans cette partie chaude, la puissance thermique soutirée augmente également fortement avec cette température. La stabilité du régime du moteur dépend donc précisément de l’apport de chaleur à l’échangeur chaud et son réglage peut être effectué par des moyens simples. La température TH étant contrôlée avec précision par la puissance dégagée par le moteur, le risque de surchauffe de la partie chaude est minime.

[0039] La fig. 6 compare le rendement thermique ETA de la machine conventionnelle (courbe 1) avec celui de la machine selon l’invention (courbe 2), tracés en fonction de l’énergie produite par cycle (WRK). Au régime nominal, les deux machines ont des performances comparables. A charge partielle, la machine Stirling selon l’invention travaille à des niveaux de température de chauffage THnettement plus élevés que la machine conventionnelle, donc sous des conditions qui favorisent la conversion de l’énergie-thermique en énergie mécanique. Ainsi, la machine selon l’invention permet d’atteindre des rendements thermiques ETA plus élevés dans une large gamme de charges partielles.

[0040] Dans la machine selon l’invention, le piston résonant 10 reçoit à chaque cycle une faible quantité d’énergie qui sert à compenser ses pertes par frottement et à le maintenir en mouvement oscillant. L’amplitude de son mouvement Y détermine la variation de pression du gaz de travail et donc le régime du moteur. Un réglage fin est possible dans la mesure où le frottement du piston reste relativement constant dans le temps comme on peut l’obtenir en utilisant des paliers à gaz statiques susmentionnés. Par ailleurs, la vanne de réglage 24 permet d’ajuster l’amplitude de pression du gaz de travail, donc l’amplitude du piston résonant.

[0041] L’utilisation d’un piston résonant permet de faire fonctionner le système avec un gaz de travail léger, comme par exemple de l’hélium pur, alors qu’un tube de résonance fonctionne mieux avec un mélange de gaz plus lourd. Les pertes dans les organes d’échange thermiques de la machine Stirling (chauffage, régénérateur, refroidisseur) dépendent de la densité du gaz et sont plus faibles dans le cas de la présente invention.

[0042] Le fait que les températures TH de l’échangeur chaud ne varient que faiblement avec la charge du moteur s’avère particulièrement avantageux dans les unités chauffées avec des combustibles. D’une manière générale, le fonctionnement d’un brûleur dépend fortement des conditions de températures qui s’y installent; une combustion complète avec un minimum de polluants ne peut être obtenue que si les conditions de température restent suffisamment stables.

[0043] Une étude approfondie a permis de mettre en évidence ces avantages pour des brûleurs utilisant une recirculation interne des gaz de combustion, une technique appliquée sous diverses formes pour les moteurs Stirling (voir DE 10 217 913 A1). Par la dilution du comburant, une combustion sans flamme s’installe dans la chambre de combustion, occupant une grande partie de ce volume. Une combustion complète peut être obtenue avec un excès d’air très faible si plusieurs conditions sont satisfaites, en particulier: - la température du mélange formé par l’apport d’air frais et les gaz recyclés doit se situer au-dessus de la température d’inflammation du combustible; pour le gaz naturel dans une atmosphère diluée ce seuil se situe au-dessus de 720 °C; - pour éviter la formation massive de NOX, la température des gaz ne doit nulle part dépasser la limite des 1300 à 1400 °C; - la température TH des surfaces de l’échangeur chaud s’établit comme un équilibre entre l’énergie libérée lors de la combustion et celle soutirée à l’échangeur chaud par la détente du gaz de travail du Stirling. Les conditions de fonctionnement sous le régime du DE 10 217 913 restent satisfaites dans une plage de puissance étendue, à condition que THne varie que peu avec la puissance du moteur, comme c’est le cas avec le moteur Stirling objet de l’invention.

[0044] Les machines Stirling à pistons libres conventionnelles demandent des moyens de réglages sophistiqués (par exemple US6 871 495, ou US2008/0 122 408) pour maintenir le régime du moteur sous contrôle, aussi bien durant la phase de démarrage de la machine, que pour stabiliser le fonctionnement autour des conditions nominales. Dans ces machines, une déviation des conditions de fonctionnement optimales peut fortement réduire les performances de ces moteurs.

[0045] Le contrôle de la machine Stirling objet de l’invention s’avère nettement plus simple, essentiellement pour les raisons suivantes: Les deux pistons sont avant tout couplés avec l’enceinte du système et qu’accessoirement entre eux. Le battement entre les deux pistons de la machine objet de l’invention peut ainsi facilement être amorti, voire totalement supprimé. Par ailleurs, le brûleur de cette machine Stirling répond plus rapidement à une variation de puissance puisque sa température ne change que peu avec la puissance thermique transférée. Toute variation de TH de la source chaude modifie Px et donc la puissance transférée au piston résonant, entraînant un changement rapide de son amplitude Y. L’amplitude de pression est ainsi modifiée, ce qui ajuste la puissance du moteur.

[0046] Dans les moteurs Stirling à pistons libres conçus selon l’état de l’art, le mouvement du piston de transfert dépend des variations de pression du gaz de travail. Une faible variation de son amplitude engendre une variation de la quantité d’énergie échangée entre le régénérateur et le gaz qui le traverse; ceci influence la pression instantanée du gaz de travail, laquelle influence à son tour le mouvement du piston de transfert. Une instabilité peut ainsi se produire, qui ne peut être contrôlée qu’indirectement par l’action du générateur électrique sur le piston-moteur.

[0047] Dans la présente invention, l’amplitude du mouvement du piston de transfert est directement contrôlée par le générateur électrique qui lui est associé. Les variations de son amplitude sont ainsi directement contrôlées par la charge appliquée au générateur électrique, empêchant ainsi toute perturbation notable par rapport au cycle nominal du moteur. Grâce à cette qualité de contrôle, ces moteurs peuvent fonctionner avec des amplitudes de pression importantes et ainsi atteindre des densités de puissance supérieures à celles qui sont maîtrisables dans les configurations connues.

[0048] La fig. 7 montre en coupe diamétrale une configuration de la machine Stirling comportant deux pistons résonants 10a, 10b arrangés dans des cylindres extérieurs et reliés au volume de compression Vcdu moteur Stirling. Les deux pistons résonants sont suspendus avec des moyens élastiques 40 dans leurs cylindres respectifs. La masse de chaque piston et les forces élastiques mécaniques et pneumatiques agissant sur celui-ci sont ajustées pour conférer à ces pistons une fréquence de résonance égale à la fréquence d’opération de la machine. Les deux sous-ensembles formés par ces pistons 10a, 10b et leurs cylindres sont identiques. Les deux pistons 10a, 10b sont coaxiaux et disposés symétriquement par rapport à l’axe de la machine. Sous l’action de la pression variable de la machine, les deux pistons de résonance oscillent en sens opposées et leurs forces d’inertie se compensent.

[0049] Dans la variante de la fig. 8, les deux pistons 10a et 10b sont arrangés coaxialement dans un cylindre commun disposé latéralement à l’axe principal de la machine. Le cylindre commun est relié au volume de compression Vc du moteur Stirling par deux tubes coudés. Lorsque ces deux pistons 10a et 10b oscillent sous l’action d’une pression variable, leurs forces d’inertie s’annulent.

[0050] Un problème récurrent des machines Stirling à pistons libre est causé par les forces vibratoires importantes transmises au bâti par les pistons oscillants. Pour réduire les nuisances sonores transmises à l’extérieur, ces machines doivent être placées dans des enceintes acoustiques et isolées du sol. Par ailleurs, les vibrations du bâti peuvent se répercuter sur le régime de ces machines et risquent ainsi de dérégler leur fonctionnement.

[0051] La fig. 7 illustre un moyen d’atténuation connu des vibrations du bâti, comprenant une masse auxiliaire 41, suspendue par des moyens élastiques 42 à l’enceinte 3, solidaire du bâti 4 de la machine. En ajustant la fréquence propre de ce résonateur sur la fréquence d’opération de la machine, il est possible de réduire les vibrations de celle-ci. Cependant, si l’accord n’est pas suffisamment précis, des battements peuvent en résulter qui risquent de créer des nuisances et de perturber le fonctionnement de la machine.

[0052] Pour remédier au moins en partie à cet inconvénient, la présente invention propose un autre système permettant d’atténuer les vibrations transmises à l’enceinte de la machine, illustré par la fig. 9. Selon ce concept, la masse auxiliaire 41 est reliée de manière élastique au piston de transfert 6, 6a et au bâti 4 de la machine. Les suspensions élastiques 42 a, b et c sont ajustées de manière à ce qu’à la fréquence d’opération de la machine, ces deux masses oscillent en sens opposés l’une par rapport à l’autre en sorte que les forces vibratoires transmises à l’enceinte ou au bâti de la machine s’annulent. On diminue ainsi à la source les vibrations engendrées par le mouvement des pistons.

[0053] Les moyens élastiques 42 a, b et c peuvent être constitués de ressorts mécaniques spirales ou plats, des électroaimants, des moyens pneumatiques ou des combinaisons de ces différents supports élastiques. Ce système de suppression des vibrations permet de compenser de manière efficace l’action d’un seul oscillateur. Il est donc particulièrement adapté aux machines Stirling comportant des masses résonantes opposées, étant donné que seules les vibrations engendrées par le piston de transfert doivent être compensées.

[0054] L’absence d’un système d’asservissement complexe et coûteux, la diminution des vibrations engendrées par ces machines ainsi que les conditions de fonctionnement favorables sous charges partielles présentent des avantages considérables dans beaucoup d’applications, comme par exemple: - pour le chauffage domestique, il peut fonctionner en mi-saison à charge partielle, avec un minimum d’arrêts/redémarrages de l’installation. On évite ainsi les pertes d’énergie liées à chaque démarrage et on réduit la fatigue des métaux soumis à de fréquents cycles thermiques. Par ailleurs, la flexibilité du système permet de mieux adapter le fonctionnement aux besoins en énergie électrique domestique et de mieux gérer le stockage d’eau chaude sanitaire. - Lors de la combustion de biomasse le dégagement de chaleur peut fluctuer en fonction de la qualité du combustible. Avec la machine objet de l’invention, la température des tubes de chauffage varie peu, de sorte qu’une combustion stable est maintenue sous des conditions optimales. - La flexibilité du système et les bons rendements à charge partielle permettent de mieux convertir l’énergie solaire, par exemple le matin, le soir ou par temps couvert. En moyenne annuelle, la machine Stirling objet de l’invention permet donc un fonctionnement pendant une durée de temps plus longue que les systèmes conventionnels.

[0055] L’utilisation de générateurs rotatifs permet de générer du courant tri phasique qui peut facilement être injecté dans un réseau électrique.

[0056] Les moteurs hybrides décrits ci-dessus se distinguent également par de bons rendements à charge partielle. Ils peuvent avantageusement être utilisés dans toutes les applications demandant une grande flexibilité d’opération.

[0057] Lors du démarrage, le mouvement de la masse résonante et l’amplitude de pression ainsi générées sont faibles. La machine peut alors être mise en marche sans équilibrer les pressions entre les différents volumes: le recours à une vanne de court-circuit qui est généralement utilisée dans les machines cinématiques conventionnelles n’est donc plus nécessaire.

Claims

1. Machine Stirling comprenant un piston de transfert (6, 6a) et un organe mobile (11) d’un générateur ou d’un moteur électrique, le piston de transfert (6, 6a) étant monté dans un cylindre (2), dans lequel il déplace périodiquement un gaz de travail entre une chambre d’expansion (VE) et une chambre de compression (Vc) constituant le volume de travail de ladite machine Stirling, associées respectivement à deux faces de travail dudit piston de transfert (6, 6a) en faisant passer ledit gaz à travers un échangeur chaud (7), relié à une source de chaleur, un régénérateur (9) et un échangeur de refroidissement (8) relié à un puits de chaleur et des moyens de rappel élastique exerçant une force sur ce piston de transfert (6, 6a), le rapport de section (ac/aE) entre les deux faces de travail dudit piston (6, 6a) étant ≥ 0,35 pour que son déplacement selon un axe X orienté vers le volume d’expansion VE engendre une composante de pression Px dudit gaz de travail en phase opposée audit déplacement dudit piston (6, 6a), de manière à transmettre entre ce piston de transfert (6, 6a) et ledit organe mobile (14) la totalité de ladite énergie mécanique produite, caractérisée en ce que le rapport de section ac/aE est inférieur à 0.70 et en ce qu’elle comporte au moins un piston résonant (10), couplé audit piston de transfert (6, 6a) par une quantité d’énergie proportionnelle à ladite composante de pression Px.

2. Machine Stirling selon la revendication 1, dans laquelle ledit piston résonant est un piston libre guidé par l’intermédiaire de moyens de sustentation.

3. Machine Stirling selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle le piston de transfert est suspendu par des moyens élastiques, formant ainsi un piston libre, ledit organe mobile étant à déplacement linéaire.

4. Machine Stirling selon l’une des revendications 1 et 2, dans laquelle le piston de transfert est relié audit organe mobile rotatif par un embiellage mécanique.

5. Machine Stirling selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle le rapport des surfaces de travail ac/aEdu piston de transfert (6, 6a) est comprise entre 35 et 60%, de préférence entre 40 et 55%.

6. Machine Stirling selon la revendication 1, dans laquelle chaque piston est guidé en direction radiale par un joint dynamique formé par un jeu radial compris entre 20 µm et 50 µm, dont au moins une des deux surfaces étant munis d’un revêtement résistant à l’usure et autolubrifiant apte à réduire le frottement statique et dynamique.

7. Machine Stirling selon une des revendications précédentes, dans laquelle les joints dynamiques formés entre les pistons et les cylindres qui les entourent sont pressurisés avec du gaz de travail contenu dans au moins un volume de gaz ménagé dans les parois du cylindre ou dans les pistons.

8. Machine Stirling selon la revendication 7, dans laquelle ledit volume de gaz est muni d’au moins un clapet non-retour placé à proximité du volume de compression de la machine Stirling, et alimenté en gaz de travail quand ce volume est exposé aux pressions cycliques les plus élevées.

9. Machine Stirling selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle chaque piston est un piston libre suspendu au cylindre par un ressort plat à bras en forme de spirales.

10. Machine Stirling selon l’une des revendications 1 à 8, dans laquelle le piston résonant (10) et/ou le piston de transfert sont suspendus au bâti (4) par des ressorts hélicoïdaux (12a), disposés symétriquement autour de l’axe du ou desdits pistons et exerçant une force axiale sur le ou lesdits pistons, centrée par rapport à ce ou ces pistons.

11. Machine Stirling selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle la face de la section réduite du piston de transfert (6, 6a) et la face opposée à la surface de travail du piston résonant (10) délimitent le volume dans lequel est logé le générateur électrique.

12. Machine Stirling selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle une vanne de réglage est aménagée sur une conduite qui relie le volume de travail froid avec le volume du générateur électrique.

13. Machine Stirling selon l’une des revendications 1 à 8, comprenant au moins une paire de pistons résonants semblables coaxiaux, disposés symétriquement par rapport à l’axe de la machine et oscillant en sens opposées.

14. Machine Stirling selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle une masse supplémentaire est suspendue au bâti avec des moyens élastiques, de manière à ce que sa fréquence propre soit ajustée à celle de la machine et que son mouvement compense les vibrations de celui-ci.

15. Machine Stirling selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle la masse supplémentaire est suspendue au bâti de la machine et au piston de transfert avec des moyens élastiques ajustés de manière à ce qu’à la fréquence de fonctionnement de la machine, cette masse oscille en direction opposée à celle du piston de transfert.