FR2772841A1 - Dispositif et procede accumulateur d'energie mecanique - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un procédé et un dispositif (1) accumulateur d'énergie mécanique comprenant au moins deux boîtiers (2) cylindriques identiques mobiles en rotation autour d'un premier axe (3), chaque boîtier contenant un ressort à spirale (29) dont le centre (30) est fixé au premier axe et l'extrémité externe (33) est fixée au boîtier correspondant. Lesdits boîtiers sont munis sur leur face externe cylindrique d'une couronne dentée (4) coopérant avec une roue dentée (5) située en vis à vis successivement mobile, puis solidaire en rotation par rapport à un second axe (6), dit axe moteur, chaque roue comportant pour ce faire des moyens (7) d'embrayage pour mettre ladite roue dans une première position débrayée de l'axe moteur (6), et une deuxième position, embrayée, solidaire en rotation avec l'axe moteur.

Description

DISPOSITIF ET PROCEDE ACCUMULATEUR D'ENERGIE
MéCANIQUE
La présente invention concerne un dispositif et un procédé accumulateur d'énergie mécanique permettant de retransmettre de façon différée et étalée dans le temps une énergie mécanique préalablement accumulée.

Elle trouve une application particulièrement importante bien que non exclusive dans le domaine du stockage d'énergie rechargeable de façon répétitive pendant une période déterminée, et que l'on souhaite utiliser plus régulièrement, et notamment pendant un temps où celle-ci n'est plus directement disponible.

C'est notamment le cas de l'énergie solaire qui n'est utilisable directement que le jour, ou encore le cas d'énergie marémotrice dont on ne peut bénéficier qu'à marée descendante.

On connaît déjà des dispositifs permettant d'alimenter un appareil, un système ou autre en continu, qui utilise les sources de combustibles fossiles comme le gasoil, le gaz ou l'essence à titre de secours d'une autre énergie qui n' est disponible que pendant des plages de temps non continues.

I1 existe également des moyens de stockage de l'énergie sous forme de retenue d'eau (barrage) ou encore par alimentation de batterie d'accumulation électrique par exemple chimique que l'on charge, avant de les décharger pendant la période ou l'énergie n'est plus disponible.

De tels dispositifs présentent des inconvénients.

Ils sont en effet polluants (cas des combustibles fossiles), encombrants, nécessitant la construction d'ouvrages d'art tels que des barrages et/ou canalisations gravitaires avec turbines hydrauliques (cas des retenues d'eau) ou encore fragiles et de capacité de stockage réduite (cas des batteries).

La présente invention vise à fournir un dispositif accumulateur d'énergie mécanique répondant mieux que ceux antérieurement connus aux exigences de la pratique notamment en ce qu'elle propose un système à ressort basé sur une accumulation pendant un premier temps, de l'énergie disponible directement à partir d'une autre source (soleil, vent, etc.) qui est facile à mettre en oeuvre, d'un entretien aisé et adaptable à tout type d'environnement.

I1 est peu encombrant et peu coûteux, tout en ne nécessitant pour sa fabrication que des éléments simples, que l'on trouve partout dans le monde.

En ce sens, un tel dispositif accumulateur peut trouver son utilisation dans les pays en voie de développement, ou dans des environnements qui ne bénéficient pas d'une alimentation électrique installée de façon permanente.

Dans ce but l'invention propose notamment un dispositif accumulateur d'énergie mécanique comprenant au moins deux boîtiers cylindriques identiques mobiles en rotation autour d'un premier axe, chaque boîtier contenant un ressort à spirale dont le centre est fixé audit premier axe et l'extrémité externe est fixée à la face interne cylindrique du boîtier correspondant, lesdits boîtiers étant munis sur leur face externe cylindrique d'une couronne dentée coopérant avec une roue dentée située en vis à vis successivement mobile, puis solidaire en rotation par rapport à un second axe, dit axe moteur, chaque roue comportant pour ce faire des moyens d'embrayage pour mettre ladite roue dans une première position, débrayée de l'axe moteur, et une deuxième position, embrayée, solidaire en rotation avec l'axe moteur.

Dans des modes de réalisation avantageux on a de plus recours à l'une et/ou à l'autre des dispositions suivantes
- le dispositif accumulateur comporte cinq boîtiers et roues dentées correspondantes, les ressorts de chaque boîtier se détendant successivement d'un cinquième de tour.

- le premier axe est agencé pour être maintenu fixe, les boîtiers à ressort étant agencés pour faire tourner l'axe moteur, les roues dentées entraînant l'axe moteur en étant elles-mêmes successivement actionnées par les couronnes dentées en vis à vis, lesdites roues dentées étant mises en rotation par les ressorts qui se détendent successivement et progressivement, puis étant bloquées en rotation avec lesdits boîtiers lors de leur désolidarisation de l'axe moteur
- le premier axe est mobile et agencé pour tourner en sens inverse de l'axe moteur avec une vitesse inférieure à celle de l'axe moteur, pour retendre partiellement le ou les ressorts du ou des boîtiers en vis-à-vis des roues dentées immobilisées par cliquets.

Pour ce faire, la vitesse de rotation du premier axe entraîné par l'axe moteur via le ressort du boîtier engrené, est régulé de façon connue en ellemême.

Dans une telle disposition l'axe moteur est actionné par une force externe, par exemple une éolienne de forte puissance qui permet de faire tourner le premier axe selon une vitesse constante, ou dans un rapport constant, correspondant à une énergie déterminée, et d'utiliser le surplus ponctuel d'énergie pour recharger le dispositif accumulateur.

Le dispositif selon l'invention permet ainsi de lisser l'alimentation en énergie qui peut être aléatoire, très forte à certains moments (vent fort dans l'exemple de l'éolienne) et très faible, voire nulle à d'autres moments (calme plat)
- le premier axe est mobile et agencé pour tourner en sens inverse de l'axe moteur avec une vitesse égale à la vitesse de l'axe moteur divisée par le nombre de boîtiers.

Ainsi, pendant que le ressort du boîtier engrené se dévide pour faire tourner le premier axe à une vitesse plus faible, les autres ressorts situés dans les autres boîtiers immobilisés se retendent d'un cinquième ou sensiblement un cinquième de la puissance délivrée par l'axe moteur, ce qui tend à reconstituer l'énergie mécanique de ces ressorts de façon sensiblement permanente et continue, donnant ainsi toujours une énergie disponible en sortie du premier axe, sans que l'on puisse observer d'épuisement de la force accumulée dans les ressorts
- les moyens d'embrayage pour chaque roue dentée comportent un pion solidaire en rotation de l'axe moteur et propre à se déplacer entre une première position de dégagement de la roue dentée libre en rotation par rapport à l'axe moteur et une seconde position d'enclenchement de la roue dentée pour la rendre solidaire en rotation de l'axe moteur
- les moyens d'embrayage comportent une plaque comprenant une partie évidée s'étendant sur un secteur d'arc de cercle de longueur déterminée, ladite plaque étant agencée pour coopérer à frottement avec l'extrémité du pion
- l'axe moteur est connecté à un moteur électrique
- le dispositif comporte des moyens à ressort d'actionnement du pion en position d'enclenchement de la roue dentée, et des moyens de remontée du pion en position de dégagement au-dessus et en appui sur la surface de la plaque
- les moyens de remontée comprennent une tige comportant des plaquettes inclinées servant respectivement de chemin de roulement à un galet solidaire verticalement d'un organe propre à remonter le pion correspondant à chacune des roues dentées.

L'invention concerne également un procédé mettant en oeuvre le dispositif tel que décrit ci-avant.

Elle concerne notamment un procédé de rechargement partiel de l'énergie mécanique de ressorts pendant le déchargement accéléré de l'énergie mécanique d'un autre ressort, et ce successivement dans le temps.

L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'un mode de réalisation donné à titre d'exemple non limitatif.

La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent dans lesquels
- La figure 1 est une vue en plan d'un mode de réalisation du dispositif selon l'invention.

- La figure 2 est une vue en coupe latérale selon
II-II de la figure 3, d'un boîtier appartenant au dispositif de la figure 1.

- La figure 3 est une vue de dessus en coupe selon
III-III de la figure 2, du boîtier de la figure 2.

- La figure 4 est une vue éclatée, en pièces détachées, partiellement en coupe, d'un boîtier et de la roue dentée en vis-à-vis, appartenant au dispositif de la figure 1.

- La figure 5 est une vue de dessus de la roue dentée montrant la surface supérieure à secteur de la plaque.

- La figure 6 est une vue en coupe latérale des moyens à ressort d'actionnement du pion en position d'enclenchement de la roue dentée.

- La figure 7 est une vue latérale de la tige à plaques de remontée successive des pions, pour enclenchement des roues dentées.

La figure 1 montre un dispositif 1 comprenant cinq boîtiers identiques 2, cylindriques, par exemple métalliques de hauteur égale au tiers de leur diamètre, mobiles en rotation autour d'un premier axe 3.

Chaque boîtier comporte un ressort à spirale interne qui sera plus amplement décrit par la suite et est muni sur sa face externe cylindrique d'une couronne dentée 4, solidaire du boîtier correspondant et comprenant par exemple 64 dents.

Le dispositif 1 comprend également cinq roues dentées 5 de même diamètre et s'engrenant avec les couronnes dentées 4 en vis-à-vis, lesdites roues étant successivement mobiles puis solidaires en rotation d'un axe moteur 6.

Des moyens d'embrayage 7 sont prévus pour mettre successivement les roues dentées dans une première position, en rotation libre par rapport à l'axe moteur 6, et dans une deuxième position, embrayée, solidaire en rotation avec l'axe moteur, comme on va le voir ci-après.

Les moyens d'embrayage 7 comportent une plaque intermédiaire 8 comprenant une partie évidée agencée pour coopérer avec un pion 9 à ressort, solidaire d'une face supérieure 10, elle-même fixée rigidement à l'axe moteur 6.

Le dispositif selon le mode de réalisation de l'invention plus particulièrement décrit ici comporte également des moyens 11 de remontée du pion 9 pour amener ce dernier en position de dégagement et de désolidarisation de la roue dentée d'avec l'axe moteur 6.

Les moyens 11 comportent une tige 12 fixe, disposée à quelque distance des dents des roues dentées, et munie de cliquets antiretour des roues dentées dont on verra l'utilisation dans la suite.

Les moyens 11 comprennent cinq plans inclinés 13 servant respectivement de chemin de roulement à des galets 14 respectivement solidaires verticalement d'organes 15 propres à remonter les pions 9 quand ces derniers se trouvent en vis-à-vis pour permettre le dégagement.

Le dispositif 1 comporte de plus des moyens 16 permettant d'actionner en rotation l'axe 3, ou d'être actionnés en rotation par l'axe 3, qui tourne librement d'un côté dans un roulement 17 et qui est solidaire de l'autre côté d'une roue 18 qui peut être raccordée à une roue externe d'alimentation ou de relargage d'énergie (non représentée).

Les moyens 16 permettent notamment de remonter initialement l'ensemble des ressorts dont les boîtiers sont alors bloqués en rotation, mais ceux-ci peuvent également être remontés via l'axe moteur 6.

L'axe moteur 6 est quant à lui fixé d'un côté à un palier de roulement 19 et connecté de l'autre côté, par exemple via un système de motoréducteur 20, connu en lui-même, à un moteur électrique 21 agencé, par exemple via un boîtier d'engrenage 22, pour alimenter un alternateur 23 pour générer de l'électricité, ou au contraire pour être alimenté par ledit alternateur, par exemple raccordé à une éolienne, pour faire tourner le moteur 21 puis l'axe moteur 6.

On va maintenant détailler plus précisément les éléments du dispositif qui vient d'être décrit en référence aux figures 2 à 7.

Les mêmes numéros de référence sont utilisés pour désigner les mêmes éléments.

La figure 2 est une vue en coupe latérale selon
III-III du boîtier 2.

Le boîtier 2 comprend un corps cylindrique 24, solidaire de deux parois circulaires d'extrémité 25, fixés sur le corps par exemple par vis 26. Les parois circulaires 25 sont percées axialement de part en part d'un orifice circulaire 27 de passage de l'axe 3 et comprennent chacune un palier 28 de roulement, situé à l'extérieur assurant une rotation libre du boîtier autour de l'axe 3 pratiquement sans aucun frottement.

Comme on l'a vu, une couronne dentée 4 est par ailleurs fixée, par exemple par soudage sur la face externe du corps 24.

En référence à la figure 3, le corps 4 du boîtier 2 comprend un ressort en spirale 29 fixé à son extrémité centrale 30 sur une bague 31 solidaire en rotation de l'axe 3 par exemple par le biais d'un ergot 32. Le ressort a été représenté sur la figure avec trois spires pour raison de facilité mais il va de soi qu'il en comporte beaucoup plus, de façon à permettre un dévidement plus long.

L'autre extrémité 33 du ressort est quant à elle solidaire du boîtier par le biais d'une tige 35 fixée aux parois 25.

On a représenté sur la figure 4, les deux éléments principaux du dispositif 1 selon l'invention, en pièces détachées, à savoir le boîtier 2, et la roue dentée 5.

Cette dernière va donc maintenant être détaillée, en faisant également référence aux figures 5 et 6.

La roue 5 comporte un pavé plat 36 cylindrique muni de dents 37 à sa périphérie, s'engrenant avec les dents de la couronne du boîtier 2.

Le pavé 36 est monté mobile autour de l'axe moteur 6 via un palier à enroulement à billes 38 connu en lui-même. il comporte cinq trous 39 (voir figure 5) répartis régulièrement angulairement sur un cercle de la zone située à sa périphérie. Le nombre de trous est ici cinq parce que le mode de réalisation plus particulièrement décrit ici comporte cinq boîtiers.

En fait, s'il y avait n boîtiers, le nombre serait n.

L'axe 6 étant vertical, une butée 40 inférieure est fixée à l'axe 6 et permet au pavé de ne pas descendre le long de l'axe.

Le pavé comporte en partie inférieure des moyens 15 qui vont être détaillés en référence à la figure 6, et en partie supérieure la plaque intermédiaire 8, à secteur, solidaire du pavé.

La plaque 8 est située entre le pavé et une plaque supérieure 10 fixée et solidaire en rotation de l'axe 6, ladite plaque 10 étant munie du pion 9 qui va lui aussi être détaillé en référence à la figure 6.

Sur la figure 5 a été représentée une vue de dessus de la plaque intermédiaire 8.

La plaque est constituée d'un disque plat centré autour de l'axe 6, dont un secteur d'extrét t--41, par exemple sur une portion de 100 , a été évidé, de façon à découvrir un orifice 39.

Les moyens 7 d'embrayage pour chaque roue dentée prévus dans le mode de réalisation de l'invention plus particulièrement décrit ici vont maintenant être décrits.

Ils comportent un pion 9 fixé sur la face externe d'une coupelle 42 sur laquelle appuie un ressort à boudin 43 en appui de l'autre côté sur un chapeau 44 vissé sur un réceptacle cylindrique 45 solidaire de la plaque supérieure 10, par exemple par soudage.

Lorsque le ressort 43 est détendu au maximum, la coupelle est en butée sur la face supérieure de la plaque 10, le pion étant enfoncé entièrement au travers de la plaque 10, de la plaque intermédiaire 8 et dans un trou 39 du pavé 36.

Les moyens 7 comprennent de plus des moyens 11 de remontée du pion au travers du pavé, pour permettre à l'extrémité 47 de celui-ci de se dégager du trou 39, au-dessus du pavé, puis en appui sur la surface 48 de la plaque intermédiaire 8.

Les moyens 11 comprennent cinq organes à butée 49 alignés et coaxiaux avec chaque trou 39, propres à se déplacer à coulissement dans un tube 50 solidaire du pavé 36 entre une position haute d'effacement du pion en vis-à-vis au-dessus de la plaque 8 et une position basse de pénétration du pion dans le pavé, et donc d'embrayage de la roue dentée avec l'axe 6.

Pour ce fuirez les moyens 11 comprennent un ergot 51 en contact avec l'extrémité 47 du pion 9 et une extrémité à butée verticale 52 entre les deux positions.

L'organe 49 est muni d'un galet 14 de roulement sur un cercle concentrique à l'axe 6, qui est amené à coopérer avec les plaquettes ou plans inclinés qui vont maintenant être détaillés en référence à la figure 7.

La figure 7 montre une partie des moyens de remontée qui comportent une tige 53 comportant des plaquettes inclinées 13 sur lesquelles les galets 14 remontent et permettent au pion de s'effacer sur la surface de la plaque 8, avant que ces derniers ne retombent dans un trou 39, une fois que la plaque 8 ajourée laisse découvert ledit trou.

Plus précisément, les plaquettes sont en forme d'arc de cercle avec un angle agencé en fonction de leur largeur pour remonter le pion 9 du dénivelé nécessaire pour permettre l'effacement du pion.

La tige 53, située un peu à distance des roues dentées, comporte également les cliquets 54 antiretour des roues dentées, empêchant le retour en arrière desdits roues quand ces dernières sont désolidarisées de l'axe 6, sous la force de dévidement des ressorts des boîtiers en vis-à-vis.

On va maintenant décrire le fonctionnement du dispositif selon l'invention en faisant plus particulièrement référence aux figures 1, 5 et 6, dans les deux modes possibles de réalisation du procédé.

Dans le premier cas, les ressorts 29 des cinq boîtiers 2 sont bandés en faisant tourner l'axe 3 par le biais des moyens 16, alimentés en énergie directement disponible, les boîtiers étant quant à eux bloqués en rotation.

Puis l'axe 3 est bloqué à son tour en rotation.

Pour mettre en marche le dispositif un frein (non représenté) libère alors l'axe 6 (préalablement immobilisé).

Le premier boîtier, par exemple le boîtier supérieur étant en prise sur la roue dentée 5, ellemême bloquée sur l'axe 6, ce dernier est entraîné en rotation à la même vitesse (si les diamètres de roues entre boîtier et roue dentée sont identiques) , mais dans le sens inverse sous la force de rappel du ressort qui commence à se dévider.

Les autres boîtiers sont quant à eux immobiles, car bloqués en rotation par les roues dentées en visà-vis qui sont débrayées de l'axe 6, les roues dentées étant quant à elles arrêtées par des cliquets antiretour 54.

Lorsque le galet 14 arrive après une rotation d'un cinquième de tour, sur la plaquette 13, le pion 9, repoussé par les moyens de remontée 11, passe sur le dessus de la roue dentée.

La roue dentée est alors désolidarisée de l'axe et reste bloquée par le cliquet antiretour 54, le pion 9 passant alors sur la surface de la plaque 8 du fait de la rotation de l'axe 6 qui est en effet. cette fois-ci, entraîné par la deuxième roue dentée, par exemple située juste en dessous de la première.

Cette roue comporte en effet une plaque 8 décalée d'un cinquième de tour, de la plaque 8 de la première roue.

Le pion 9 de la plaque supérieure 10 correspondante, vient donc s'encliqueter dans le trou 39 en vis-à-vis, un cinquième de tour plus tard, et ainsi de suite avec les roues suivantes jusqu'à revenir à la première.

L'axe 6 est donc actionné en permanence et de façon continue par les ressorts des boîtiers 2 qui se détendent petit à petit un par un et successivement.

Le dispositif fait ainsi tourner le moteur 21, pour créer de l'énergie électrique.

Dans l'autre mode de réalisation de l'invention, l'axe 6 est actionné en permanence par une source d'énergie faisant tourner le moteur électrique 21 plus ou moins vite, et donc l'axe 6.

Celui-ci entraîne alors de façon symétrique avec ce qui vient d'être décrit, la première roue dentée qui actionne le boîtier à ressort correspondant qui, via son ressort interne qui vient en compression sur l'axe 3, fait tourner l'axe 3 dans le sens inverse, à une vitesse régulée égale au cinquième de la vitesse de rotation de l'axe 6.

Les quatre autres boîtiers étant immobilisés comme on l'a vu, voient leur ressort se retendre en partie, ce qui permet de maintenir une durée de fonctionnement accrue de l'ensemble du système, en utilisant en permanence et s'il y a lieu le surplus d'énergie de la source 23.

Comme il va de soi et comme il résulte de ce qui précède, la présente invention ne se limite pas au mode de réalisation plus particulièrement décrit mais en embrasse au contraire toutes les variantes et notamment celles où le système d'embrayage des roues dentées est différent et/ou ces dernières sont en plus grand nombre avec des diamètres plus ou moins importants.

Claims (12)

REVENDICATIONS

1. Dispositif (1) accumulateur d'énergie mécanique comprenant au moins deux boîtiers (2) cylindriques identiques mobiles en rotation autour d'un premier axe (3), chaque boîtier contenant un ressort à spirale (29) dont le centre (30) est fixé audit premier axe et l'extrémité externe (33) est fixée au boîtier correspondant, lesdits boîtiers étant munis sur leur face externe cylindrique d'une couronne dentée (4) coopérant avec une roue dentée (5) située en vis à vis successivement mobile, puis solidaire en rotation par rapport à un second axe (6), dit axe moteur, chaque roue comportant pour ce faire des moyens (7) d'embrayage pour mettre ladite roue dans une première position débrayée de l'axe moteur (6), et une deuxième position, embrayée, solidaire en rotation avec l'axe moteur.

2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que il comporte cinq boîtiers et roues dentées correspondantes, les ressorts de chaque boîtier se détendant successivement d'une portion de tour.

3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le premier axe est agencé pour être maintenu fixe, les boîtiers étant agencés pour faire tourner l'axe moteur, les roues dentées (5) entraînant ledit axe moteur (6) en étant elles-mêmes actionnées par les couronnes dentées (4) en vis à vis, mises en rotation par les ressorts (29) qui se détendent successivement et progressivement.

4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le premier axe est mobile et agencé pour tourner en sens inverse de l'axe moteur, pour retendre partiellement le ressort du ou des boîtiers en vis-à-vis des roues dentées immobilisées par cliquets.

5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le premier axe est mobile et agencé pour tourner en sens inverse de l'axe moteur avec une vitesse égale à la vitesse de l'axe moteur divisée par le nombre de boîtiers.

6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens (7) d'embrayage pour chaque roue dentée comportent un pion (9) solidaire en rotation de l'axe moteur et propre à se déplacer entre une première position de dégagement de la roue dentée libre en rotation par rapport à l'axe moteur et une seconde position d'enclenchement de la roue dentée pour le rendre solidaire en rotation de l'axe moteur.

7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens (7) d'embrayage comportent une plaque intermédiaire (8) comprenant une partie évidée (41) s'étendant sur un secteur d'arc de cercle de longueur déterminée, ladite plaque étant agencée pour coopérer à frottement avec l'extrémité (47) dudit pion (9).

8. Dispositif selon l'une quelconque des revendication précédentes, caractérisé en ce que l'axe moteur (6) est connecté à un moteur électrique (21)

9. Dispositif selon l'une quelconque des revendication précédentes, caractérisé en ce que il comporte des moyens à ressort (43) d'actionnement du pion (9) en position d'enclenchement de la roue dentée (5), et des moyens (11) de remontée du pion en position de dégagement au-dessus du pavé puis en appui sur la surface de la plaque (8).

10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que les moyens (11) de remontée comprennent une tige (53) comportant des plaquettes (13) inclinées servant respectivement de chemin de roulement à un galet solidaire verticalement d'un organe propre à remonter le pion correspondant à chacune des roues dentées.

11. Procédé de fonctionnement d'un dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'on maintient le premier axe fixe et on fait tourner l'axe moteur en actionnant successivement les roues dentées par les couronnes dentées en vis-à-vis mises en rotation par les ressorts qui se détendent successivement et progressivement.

12. Procédé de fonctionnement d'un dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'on laisse tourner le premier axe en sens inverse de l'axe moteur, avec une vitesse inférieure à celle de l'axe moteur, pour retendre partiellement le ressort du ou des boîtiers en vis-à-vis des roues dentées immobilisées par cliquet.