FR3141984A1 - Device for expanding a gas, particularly for its liquefaction - Google Patents
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Abstract
Dispositif (1) de détente d’un gaz, notamment pour sa liquéfaction, comprenant une chemise (2) et un piston (4) disposé au moins en partie à l’intérieur de la chemise (2), la chemise (2) et le piston (4) formant une chambre (6) de volume variable configurée pour recevoir un flux de gaz à travers au moins un premier orifice latéral (21) de la chemise (2), et refouler tout ou partie dudit flux à travers au moins un deuxième orifice latéral (22) de la chemise (2), le piston (4) et la chemise (2) étant agencés relativement mobiles de sorte à présenter l’un par rapport à l’autre un premier mouvement relatif correspondant à une admission du gaz dans la chambre (6) de détente, et un deuxième mouvement relatif en sens inverse correspondant à un refoulement du gaz hors de la chambre (6) de détente, Caractérisé en ce que le dispositif (1) comprend un bloc cylindre (8) disposé autour de la chemise (2) et formant avec le piston (4) un sous-ensemble fixe par rapport auquel la chemise (2) est mobile selon le premier mouvement et/ou le deuxième mouvement, le bloc cylindre (8) comprenant : - au moins un premier port latéral (84) configuré pour s’aligner avec le au moins un premier orifice latéral (21) de la chemise (2) de sorte à former un passage latéral d’admission du gaz dans la chambre (6) de détente, et - au moins un deuxième port latéral (85) configuré pour s’aligner avec le au moins un deuxième orifice latéral (22) de la chemise (2) de sorte à former un passage latéral de refoulement de tout ou partie du gaz hors de la chambre (6) de détente. Figure de l’abrégé : Fig. 1Device (1) for expanding a gas, in particular for its liquefaction, comprising a jacket (2) and a piston (4) arranged at least partly inside the jacket (2), the jacket (2) and the piston (4) forming a chamber (6) of variable volume configured to receive a flow of gas through at least one first lateral orifice (21) of the jacket (2), and to discharge all or part of said flow through at least a second lateral orifice (22) of the liner (2), the piston (4) and the liner (2) being arranged relatively movable so as to present with respect to each other a first relative movement corresponding to an admission of the gas in the expansion chamber (6), and a second relative movement in the opposite direction corresponding to a discharge of the gas out of the expansion chamber (6), Characterized in that the device (1) comprises a cylinder block (8 ) arranged around the liner (2) and forming with the piston (4) a fixed subassembly relative to which the liner (2) is movable according to the first movement and/or the second movement, the cylinder block (8) comprising : - at least one first lateral port (84) configured to align with the at least one first lateral orifice (21) of the jacket (2) so as to form a lateral passage for admitting gas into the chamber (6 ) relaxation, and - at least one second lateral port (85) configured to align with the at least one second lateral orifice (22) of the jacket (2) so as to form a lateral discharge passage of all or part gas out of the expansion chamber (6). Abstract figure: Fig. 1
Description
L’invention concerne un dispositif de détente de gaz, notamment pour sa liquéfaction. Il peut s’agir en particulier de l’air, de l’hydrogène, de l’hélium ou d’un biogaz. L’invention concerne également un appareil de réfrigération et/ou liquéfaction d’un fluide cryogénique comprenant un tel dispositif de détente.The invention relates to a gas expansion device, in particular for its liquefaction. It may in particular be air, hydrogen, helium or biogas. The invention also relates to a device for refrigeration and/or liquefaction of a cryogenic fluid comprising such an expansion device.
Le dispositif de détente selon l’invention peut être mis en œuvre pour la production de frigories à rendement élevé ou la production d’oxygène médical ou d’azote alimentaire. Ce dispositif peut également être mis en œuvre pour la gestion de « boil-off » sur des réservoirs de stockage de liquides cryogéniques.The expansion device according to the invention can be used for the production of high-efficiency refrigeration or the production of medical oxygen or food nitrogen. This device can also be used to manage “boil-off” on cryogenic liquid storage tanks.
Le dispositif de détente de gaz comprend une chemise et un piston disposé au moins en partie à l’intérieur de la chemise. La chemise et le piston forment une chambre de détente de volume variable, configurée pour recevoir un flux de gaz à travers au moins un premier orifice latéral de la chemise puis refouler tout ou partie dudit flux à travers au moins un deuxième orifice latéral de la chemise. Le piston et la chemise sont agencés de sorte à présenter l’un par rapport à l’autre un premier mouvement relatif correspondant à une admission du gaz dans la chambre de détente, et un deuxième mouvement relatif en sens inverse correspondant à un refoulement du gaz hors de la chambre de détente.The gas expansion device comprises a liner and a piston disposed at least partially inside the liner. The liner and the piston form an expansion chamber of variable volume, configured to receive a flow of gas through at least a first lateral orifice of the liner then discharge all or part of said flow through at least a second lateral orifice of the liner . The piston and the liner are arranged so as to present with respect to each other a first relative movement corresponding to an admission of the gas into the expansion chamber, and a second relative movement in the opposite direction corresponding to a discharge of the gas outside the relaxation room.
Dans un dispositif de type précité, le piston est pourvu de façon connue d’une lumière en L qui est configurée pour coopérer avec le au moins un premier orifice latéral de la chemise de sorte à permettre l’admission du gaz dans la chambre de détente. Lors de cette admission, le piston et la chemise sont entrainés l’un par rapport à l’autre selon le premier mouvement relatif, induisant une augmentation du volume de la chambre de détente. Tout au long de cette phase d’admission, le deuxième orifice de la chemise reste obstrué par le piston et n’est découvert qu’après une certaine course relative entre le piston et la chemise. Le dégagement du deuxième orifice permet alors le refoulement d’un flux de gaz hors de la chambre de détente ; et à mesure que le gaz est refoulé, la chambre de détente voit son volume diminuer, ce qui correspond au deuxième mouvement relatif entre le piston et la chemise.In a device of the aforementioned type, the piston is provided in known manner with an L-shaped port which is configured to cooperate with the at least one first lateral orifice of the liner so as to allow the admission of gas into the expansion chamber . During this admission, the piston and the liner are driven relative to each other according to the first relative movement, inducing an increase in the volume of the expansion chamber. Throughout this admission phase, the second orifice of the liner remains obstructed by the piston and is only discovered after a certain relative stroke between the piston and the liner. The clearance of the second orifice then allows the discharge of a gas flow out of the expansion chamber; and as the gas is discharged, the volume of the expansion chamber decreases, which corresponds to the second relative movement between the piston and the liner.
Si le dispositif décrit ci-dessus permet, grâce au piston, de s’affranchir de la présence de clapets pour le contrôle du flux de gaz entrant dans la chambre de détente (respectivement le flux de gaz sortant de la chambre de détente), il présente un certain nombre d’inconvénients.If the device described above makes it possible, thanks to the piston, to overcome the presence of valves for controlling the flow of gas entering the expansion chamber (respectively the flow of gas leaving the expansion chamber), it presents a number of disadvantages.
Tout d’abord, ce dispositif présente un coût de fabrication relativement élevé, imputable notamment à la lumière prévue à travers le piston. Du reste, la présence de cette lumière, et notamment sa forme en L, limite le choix de matériaux et/ou modes de fabrication pouvant être employés.First of all, this device has a relatively high manufacturing cost, attributable in particular to the light provided through the piston. Moreover, the presence of this light, and in particular its L shape, limits the choice of materials and/or manufacturing methods that can be used.
En outre, la mise en œuvre de ce dispositif reste compliquée dans la mesure où, pour parvenir à aligner la lumière du piston sur un orifice latéral d’admission de la chemise, et/ou pour permettre un dégagement total d’un orifice de refoulement de la chemise, il est nécessaire de régler finement la course relative du piston par rapport à la chemise. Ce besoin de réglage précis limite la faculté d’agir sur le point mort haut (c’est-à-dire la position relative du piston par rapport à la chemise avant l’admission du gaz dans la chambre de détente) ou le point mort bas (c’est-à-dire la position relative du piston par rapport à la chemise après refoulement du gaz hors de la chambre de détente).In addition, the implementation of this device remains complicated to the extent that, to achieve alignment of the port of the piston with a side intake orifice of the liner, and/or to allow total clearance of a discharge orifice of the liner, it is necessary to finely adjust the relative stroke of the piston in relation to the liner. This need for precise adjustment limits the ability to act on the top dead center (that is to say the relative position of the piston in relation to the liner before the admission of the gas into the expansion chamber) or the dead center bottom (i.e. the relative position of the piston relative to the liner after delivery of the gas out of the expansion chamber).
Enfin, ce dispositif présente un rendement qui est loin d’être optimal. En effet, au point mort haut du piston, il subsiste dans la chambre de détente une quantité de gaz relativement importante. Du fait de ce gaz résiduel dans la chambre de détente, une admission de gaz lors d’un nouveau cycle de détente conduit dans un premier temps à une augmentation de la pression et donc une augmentation de la température du gaz dans la chambre de détente. Une telle augmentation, bien que limitée dans le temps, va à l’encontre de la fonction principale du dispositif de détente, à savoir diminuer la température du gaz.Finally, this device presents a performance which is far from optimal. In fact, at the top dead center of the piston, there remains a relatively large quantity of gas in the expansion chamber. Due to this residual gas in the expansion chamber, an admission of gas during a new expansion cycle initially leads to an increase in pressure and therefore an increase in the temperature of the gas in the expansion chamber. Such an increase, although limited in time, goes against the main function of the expansion device, namely to reduce the temperature of the gas.
Un but de la présente invention est de pallier tout ou partie des inconvénients de l’art antérieur relevés ci-dessus.An aim of the present invention is to overcome all or part of the disadvantages of the prior art noted above.
A cette fin, le dispositif selon l'invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu’en donne le préambule ci-dessus, est essentiellement caractérisé en ce que le dispositif comprend une bloc cylindre extérieur disposé autour de la chemise et formant avec le piston un sous-ensemble fixe par rapport auquel la chemise est mobile selon le premier mouvement ou le deuxième mouvement, le bloc cylindre comprenant :
- au moins un premier port latéral configuré pour s’aligner avec le au moins un premier orifice latéral de la chemise, de sorte à former un passage latéral d’admission du gaz dans la chambre de détente, et
- au moins un deuxième port latéral configuré pour s’aligner avec le au moins un deuxième orifice latéral de la chemise de sorte à former un passage latéral de refoulement de tout ou partie du gaz hors de la chambre de détente.To this end, the device according to the invention, moreover conforming to the generic definition given in the preamble above, is essentially characterized in that the device comprises an external cylinder block arranged around the jacket and forming with the piston a fixed subassembly relative to which the liner is movable according to the first movement or the second movement, the cylinder block comprising:
- at least one first lateral port configured to align with the at least one first lateral orifice of the jacket, so as to form a lateral gas admission passage into the expansion chamber, and
- at least one second lateral port configured to align with the at least one second lateral orifice of the jacket so as to form a lateral passage for discharging all or part of the gas out of the expansion chamber.
En prévoyant un bloc cylindre extérieur autour de la chemise, l’invention déporte à l’extérieur de celle-ci l’organe principal de contrôle du flux rentrant ou sortant dans la chambre de détente. En d’autres termes, selon l’invention, il ne s’agit plus de réaliser le contrôle du flux rentrant ou sortant dans la chambre de détente à l’aide du piston situé à l’intérieur de la chemise, mais plutôt à l’aide d’un élément nouveau situé à l’extérieur de celle-ci : le bloc cylindre. Un tel bloc cylindre est, du fait de son positionnement à l’extérieur de la chemise, plus facile à manœuvrer et/ou à remplacer.By providing an external cylinder block around the liner, the invention places outside the liner the main member for controlling the flow entering or leaving the expansion chamber. In other words, according to the invention, it is no longer a question of controlling the flow entering or leaving the expansion chamber using the piston located inside the jacket, but rather by using a new element located outside it: the cylinder block. Such a cylinder block is, due to its positioning outside the liner, easier to operate and/or replace.
De plus, dans la mesure où, selon l’invention, le piston n’est plus l’élément principal qui contrôle le flux rentrant ou sortant dans la chambre de détente par son positionnement par rapport aux orifices latéraux de la chemise, ceux-ci peuvent être positionnés librement le long de la chemise. Ainsi, l’invention élimine les contraintes de l’art antérieur en matière de positionnement des orifices latéraux le long de la chemise.Furthermore, to the extent that, according to the invention, the piston is no longer the main element which controls the flow entering or leaving the expansion chamber by its positioning relative to the lateral orifices of the liner, these can be positioned freely along the shirt. Thus, the invention eliminates the constraints of the prior art in terms of positioning the side orifices along the liner.
Par ailleurs, des modes de réalisation de l’invention peuvent comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
- le premier mouvement de la chemise par rapport au sous-ensemble formé par le bloc cylindre et le piston comprend une translation ;
- le deuxième mouvement de la chemise par rapport au sous-ensemble formé par le bloc cylindre et le piston comprend une translation ;
- le premier mouvement de la chemise par rapport au sous-ensemble formé par le bloc cylindre et le piston comprend en outre une rotation ;
- le deuxième mouvement de la chemise par rapport au sous-ensemble formé par le bloc cylindre et le piston comprend en outre une rotation ;
- la chemise comprend un premier organe de guidage configuré pour coopérer avec un deuxième organe de guidage formé au niveau de l’un au moins parmi le piston et le bloc cylindre, de sorte à assurer le premier mouvement et/ou le deuxième mouvement de la chemise par rapport au sous-ensemble formé par le piston et le bloc cylindre ;
- l’un parmi le premier organe de guidage et le deuxième organe de guidage comprend au moins une rainure ;
- l’autre parmi le deuxième organe de guidage et le premier organe de guidage comprend au moins un ergot ;
- le au moins un ergot est configuré pour s’engager dans la au moins une rainure ;
- la au moins une rainure comprend deux branches disposées sous la forme d’une hystérésis ;
- l’une des branches de la au moins une rainure est destinée à coopérer avec le au moins un ergot de sorte à assurer le premier mouvement de la chemise ;
- l’autre des deux branches est destinée à coopérer avec le au moins un ergot de sorte à assurer le deuxième mouvement de la chemise ;
- le au moins un deuxième orifice latéral de la chemise (respectivement le au moins un deuxième port latéral du bloc cylindre) est configuré pour prévenir ou limiter la sortie du gaz hors de la chambre de détente pendant le premier mouvement, et maximiser le flux de gaz expulsé pendant le deuxième mouvement ;
- le au moins un deuxième orifice latéral de la chemise (respectivement le au moins un deuxième port latéral du bloc cylindre) forme à travers une paroi latérale de la chemise (respectivement à travers une paroi latérale du bloc cylindre) une surface d’écoulement comprenant au moins une portion disposée en biais par rapport à une direction principale de la chemise (respectivement par rapport à une direction principale du bloc cylindre) ;
- le au moins un premier orifice latéral de la chemise (respectivement le au moins un premier port latéral du bloc cylindre) forme à travers une paroi latérale de la chemise (respectivement à travers une paroi latérale du bloc cylindre) une surface d’écoulement qui s’étend perpendiculairement à une direction principale de la chemise (respectivement à une direction principale du bloc cylindre ) ;
- le au moins un premier orifice latéral de la chemise et le au moins un premier port latéral du bloc cylindre présentent des contours et/ou des surfaces d’écoulement respectifs de même forme géométrique ;
- le au moins un deuxième orifice latéral de la chemise et le au moins un deuxième port latéral du bloc cylindre présentent des contours et/ou des surfaces d’écoulement respectifs de même forme géométrique ;
- le au moins un premier orifice latéral et le au moins un deuxième orifice latéral de la chemise sont en décalage axial l’un par rapport à l’autre suivant une direction principale de la chemise ;
- le au moins un premier orifice latéral et le au moins un deuxième orifice latéral de la chemise sont en décalage angulaire l’un par rapport à l’autre autour de la direction principale de la chemise ;
- le au moins un premier port latéral et le au moins un deuxième port latéral du bloc cylindre sont en décalage axial l’un par rapport à l’autre suivant une direction principale du bloc cylindre ;
- le au moins un premier port latéral et le au moins un deuxième port latéral du bloc cylindre sont en décalage angulaire l’un par rapport à l’autre autour de la direction principale du bloc cylindre ;
- la chemise et le piston sont configurés pour former l’un parmi : une machine électrique à aimants permanents, un ensemble électromagnétique apte à dissiper l’énergie par courants de Foucault, et une machine à réluctance variable ;
- la chemise comprend un premier manchon et un second manchon solidaires ;
- les manchons sont pourvus chacun d’un premier orifice latéral et d’un deuxième orifice latéral ;
- le bloc cylindre comprend un premier ensemble de ports latéraux destinés à coopérer avec les orifices du premier manchon ;
- le bloc cylindre comprend un deuxième ensemble de ports latéraux destinés à coopérer avec les orifices latéraux du deuxième manchon ;
- le piston comprend deux parties distinctes fixées au bloc cylindre ;
- les deux parties distinctes du piston forment avec les manchons respectivement un premier compartiment et un deuxième compartiment de la chambre de détente ;
- l’admission du gaz dans l’un des deux compartiments de la chambre de détente coïncide avec le refoulement du gaz hors de l’autre des deux compartiments de la chambre de détente ;
- le dispositif comprend un système de rappel configuré pour entraîner la chemise selon le deuxième mouvement ;
- le système de rappel comprend un organe de rappel disposé entre la chemise et le bloc cylindre ;
- pour l’un des manchons formant la chemise, le système de rappel comprend le manchon opposé et le mouvement de détente du manchon opposé ;
- le bloc cylindre comporte au moins un premier collecteur d’admission du gaz dans la chambre de détente ;
- le au moins premier collecteur débouche sur le au moins premier port latéral ;
- le bloc cylindre comporte au moins un deuxième collecteur de refoulement de tout ou partie du gaz hors de la chambre de détente ;
- le au moins deuxième collecteur est en communication avec le au moins deuxième port latéral ;
- la chemise, le piston et/ou le bloc cylindre sont réalisés à partir d’un matériau choisi par exemple parmi un ou plusieurs matériaux suivants: l’acier, l’aluminium, le laiton, le bronze ;
- la chemise, le piston et/ou le bloc cylindre sont enduits d’un revêtement pouvant être par exemple en polymère de type PTFE ou PEEK ou en graphite ;
- le piston comporte un bobinage, et la paroi latérale de la chemise est pourvue de l’un au moins parmi les éléments suivants : feuilles ferromagnétiques laminées, anneaux d’aimant ou blocs d’aimant frettés ou collés ;
- la chemise est réalisée en aluminium, et le piston comporte un aimant permanent ou un bobinage ;
- la chemise comporte des aimants permanents, et le piston est réalisé en aluminium.Furthermore, embodiments of the invention may include one or more of the following characteristics:
- the first movement of the liner relative to the subassembly formed by the cylinder block and the piston comprises a translation;
- the second movement of the liner relative to the subassembly formed by the cylinder block and the piston comprises a translation;
- the first movement of the liner relative to the subassembly formed by the cylinder block and the piston further comprises a rotation;
- the second movement of the liner relative to the subassembly formed by the cylinder block and the piston further comprises a rotation;
- the liner comprises a first guide member configured to cooperate with a second guide member formed at at least one of the piston and the cylinder block, so as to ensure the first movement and/or the second movement of the liner relative to the subassembly formed by the piston and the cylinder block;
- one of the first guide member and the second guide member comprises at least one groove;
- the other of the second guide member and the first guide member comprises at least one lug;
- the at least one lug is configured to engage in the at least one groove;
- the at least one groove comprises two branches arranged in the form of a hysteresis;
- one of the branches of the at least one groove is intended to cooperate with the at least one lug so as to ensure the first movement of the shirt;
- the other of the two branches is intended to cooperate with the at least one lug so as to ensure the second movement of the shirt;
- the at least one second lateral port of the liner (respectively the at least one second lateral port of the cylinder block) is configured to prevent or limit the exit of the gas out of the expansion chamber during the first movement, and maximize the flow of gas expelled during the second movement;
- the at least one second lateral orifice of the liner (respectively the at least one second lateral port of the cylinder block) forms through a side wall of the liner (respectively through a side wall of the cylinder block) a flow surface comprising at least one portion arranged at an angle relative to a main direction of the liner (respectively relative to a main direction of the cylinder block);
- the at least one first lateral orifice of the liner (respectively the at least one first lateral port of the cylinder block) forms through a side wall of the liner (respectively through a side wall of the cylinder block) a flow surface which extends perpendicular to a main direction of the liner (respectively to a main direction of the cylinder block);
- the at least one first lateral orifice of the liner and the at least one first lateral port of the cylinder block have respective contours and/or flow surfaces of the same geometric shape;
- the at least one second lateral orifice of the liner and the at least one second lateral port of the cylinder block have respective contours and/or flow surfaces of the same geometric shape;
- the at least one first lateral orifice and the at least one second lateral orifice of the liner are offset axially relative to each other in a main direction of the liner;
- the at least one first side orifice and the at least one second side orifice of the liner are angularly offset from each other around the main direction of the liner;
- the at least one first side port and the at least one second side port of the cylinder block are offset axially relative to each other in a main direction of the cylinder block;
- the at least one first side port and the at least one second side port of the cylinder block are angularly offset from each other around the main direction of the cylinder block;
- the liner and the piston are configured to form one of: an electric machine with permanent magnets, an electromagnetic assembly capable of dissipating energy by eddy currents, and a variable reluctance machine;
- the shirt comprises a first sleeve and a second integral sleeve;
- the sleeves are each provided with a first side orifice and a second side orifice;
- the cylinder block comprises a first set of side ports intended to cooperate with the orifices of the first sleeve;
- the cylinder block comprises a second set of side ports intended to cooperate with the side orifices of the second sleeve;
- the piston comprises two distinct parts fixed to the cylinder block;
- the two distinct parts of the piston form with the sleeves respectively a first compartment and a second compartment of the expansion chamber;
- the admission of the gas into one of the two compartments of the expansion chamber coincides with the discharge of the gas out of the other of the two compartments of the expansion chamber;
- the device comprises a return system configured to drive the shirt according to the second movement;
- the return system comprises a return member arranged between the liner and the cylinder block;
- for one of the sleeves forming the jacket, the return system comprises the opposite sleeve and the relaxation movement of the opposite sleeve;
- the cylinder block comprises at least a first gas intake manifold into the expansion chamber;
- the at least first collector opens onto the at least first side port;
- the cylinder block comprises at least a second manifold for discharging all or part of the gas out of the expansion chamber;
- the at least second collector is in communication with the at least second side port;
- the liner, the piston and/or the cylinder block are made from a material chosen for example from one or more of the following materials: steel, aluminum, brass, bronze;
- the liner, the piston and/or the cylinder block are coated with a coating which may for example be made of PTFE or PEEK type polymer or graphite;
- the piston has a winding, and the side wall of the liner is provided with at least one of the following elements: laminated ferromagnetic sheets, magnet rings or hooped or glued magnet blocks;
- the liner is made of aluminum, and the piston includes a permanent magnet or a winding;
- the liner has permanent magnets, and the piston is made of aluminum.
L’invention peut concerner également tout dispositif de détente ou procédé alternatif comprenant toute combinaison des caractéristiques ci-dessus ou ci-dessous dans le cadre des revendications.The invention may also relate to any expansion device or alternative process comprising any combination of the characteristics above or below within the scope of the claims.
Selon un autre aspect, l’invention concerne un appareil de réfrigération et/ou liquéfaction d’un fluide cryogénique comprenant un dispositif de détente selon toute combinaison des caractéristiques ci-dessus ou ci-dessous dans le cadre des revendicationsAccording to another aspect, the invention relates to an apparatus for refrigeration and/or liquefaction of a cryogenic fluid comprising an expansion device according to any combination of the characteristics above or below within the framework of the claims
D’autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après, faite en référence aux figures suivantes dans lesquelles :Other features and advantages will appear on reading the description below, made with reference to the following figures in which:
L’invention concerne un dispositif 1 de détente de gaz illustré selon trois modes de réalisations représentés aux figures 1 à 14. Le dispositif 1 comprend deux extrémités opposées qui définissent une direction longitudinale, dite direction principale. On appellera direction transversale ou direction radiale une direction perpendiculaire à la direction principale.The invention relates to a gas expansion device 1 illustrated according to three embodiments shown in Figures 1 to 14. The device 1 comprises two opposite ends which define a longitudinal direction, called the main direction. A direction perpendicular to the main direction will be called transverse direction or radial direction.
Comme illustré à la
Pour ce faire, la chemise 2 comporte au moins un premier orifice latéral 21, dit orifice d’admission, et au moins un deuxième orifice latéral 22, dit orifice de refoulement. Ces orifices 21, 22 sont configurés pour assurer une communication fluidique entre la chambre 6 de détente et respectivement un milieu extérieur, par exemple un réservoir de stockage de gaz.To do this, the jacket 2 comprises at least one first side orifice 21, called the inlet orifice, and at least one second lateral orifice 22, called the discharge orifice. These orifices 21, 22 are configured to ensure fluid communication between the expansion chamber 6 and respectively an external environment, for example a gas storage tank.
La chemise 2 et le piston 4 sont montés mobiles l’un par rapport à l’autre selon deux mouvements opposés. Un premier mouvement, dit mouvement de détente, est induit par une poussée exercée sur la chemise 2 et/ou le piston 4 par un flux de gaz entrant dans la chambre 6 de détente. Ce mouvement de détente entraine une augmentation du volume de la chambre 6 de détente et une diminution de la pression du gaz dans ladite chambre (on parle alors de détente). Un second mouvement, dit mouvement de refoulement, correspond à une sortie d’au moins une partie du gaz hors de la chambre 6 et une diminution du volume de ladite chambre 6.The liner 2 and the piston 4 are mounted movable relative to each other in two opposite movements. A first movement, called the expansion movement, is induced by a thrust exerted on the liner 2 and/or the piston 4 by a flow of gas entering the expansion chamber 6. This expansion movement leads to an increase in the volume of the expansion chamber 6 and a reduction in the gas pressure in said chamber (we then speak of expansion). A second movement, called repression movement, corresponds to an exit of at least part of the gas from chamber 6 and a reduction in the volume of said chamber 6.
Il est à noter que le mouvement de détente et le mouvement de refoulement s’effectuent de préférence respectivement suivant un axe de détente et un axe de refoulement qui sont confondus avec la direction principale du dispositif 10 de détente. Ces axes sont de sens opposés.It should be noted that the expansion movement and the delivery movement are preferably carried out respectively along an expansion axis and a delivery axis which coincide with the main direction of the expansion device 10. These axes are in opposite directions.
En particulier, la chemise 2 présente deux extrémités longitudinales opposées qui forment respectivement un premier fond 23 fermé et un deuxième fond 24 ouvert. Entre le premier fond 23 et le deuxième fond 24 s’étend longitudinalement une paroi latérale 25 qui délimite un logement destiné à recevoir le piston 4. Cette paroi latérale 25 porte le au moins un orifice 21 d’admission et le au moins un orifice 22 de refoulement. Dans l’exemple illustré, la paroi latérale 25 est de forme cylindrique, par exemple à section circulaire.In particular, the jacket 2 has two opposite longitudinal ends which respectively form a first closed bottom 23 and a second open bottom 24. Between the first bottom 23 and the second bottom 24 extends longitudinally a side wall 25 which delimits a housing intended to receive the piston 4. This side wall 25 carries the at least one intake orifice 21 and the at least one orifice 22 of repression. In the example illustrated, the side wall 25 is cylindrical in shape, for example with a circular section.
Le piston 4 comprend une tige 41 qui est reçue au moins en partie dans la chemise 2. En outre, le piston 4 comprend une base 43 reliée à la tige 41 et destinée à être positionnée en dehors de la chemise 2. En particulier, la tige 41 du piston 4 présente une première extrémité qui forme un fond 42 fermé destiné à être positionné à l’intérieur de la chemise 2, en regard du fond 23 de la chemise 2. La tige 41 présente également une deuxième extrémité au niveau de laquelle est formée la base 43. La fonction de la base 43 sera décrite plus loin.The piston 4 comprises a rod 41 which is received at least partly in the liner 2. In addition, the piston 4 comprises a base 43 connected to the rod 41 and intended to be positioned outside the liner 2. In particular, the rod 41 of the piston 4 has a first end which forms a closed bottom 42 intended to be positioned inside the jacket 2, facing the bottom 23 of the jacket 2. The rod 41 also has a second end at which The base 43 is formed. The function of the base 43 will be described later.
Il est à noter que le fond 42 de la tige 41, le fond 23 de la chemise 2, et la paroi latérale 25 de la chemise 2 délimitent la chambre 6 de détente. En d’autres termes, la chambre 6 de détente présente deux fonds opposés 23, 42 entre lesquels s’étend une paroi latérale 25 de hauteur variable. En particulier, la hauteur de la chambre 6 de détente varie entre une valeur maximale correspondant à une position éloignée des fonds 23, 42, et une valeur minimale correspondant à une position rapprochée des fonds 23, 42.It should be noted that the bottom 42 of the rod 41, the bottom 23 of the jacket 2, and the side wall 25 of the jacket 2 delimit the relaxation chamber 6. In other words, the relaxation chamber 6 has two opposite bottoms 23, 42 between which extends a side wall 25 of variable height. In particular, the height of the expansion chamber 6 varies between a maximum value corresponding to a position far from the funds 23, 42, and a minimum value corresponding to a position close to the funds 23, 42.
Selon l’invention, le dispositif 1 de détente comprend un bloc cylindre 8 qui est positionné autour de la chemise 2 et forme avec le piston 4 un sous-ensemble fixe par rapport auquel la chemise 2 est mobile selon le mouvement d’admission ou le mouvement de refoulement.According to the invention, the expansion device 1 comprises a cylinder block 8 which is positioned around the liner 2 and forms with the piston 4 a fixed subassembly relative to which the liner 2 is movable according to the admission movement or the pushback movement.
Le bloc cylindre 8 s’étend suivant une direction principale qui est confondue avec la direction principale du dispositif 1 de détente.The cylinder block 8 extends in a main direction which coincides with the main direction of the expansion device 1.
Par ailleurs, le bloc cylindre 8 comprend un corps 81 qui forme une paroi latérale du bloc cylindre 8 et délimite un logement dans lequel est montée la chemise 2. En outre, le bloc cylindre 8 comprend une base 83 qui est configurée pour être fixée sur la base 43 du piston 4. Une telle fixation est obtenue par exemple au moyen de vis ou toute autre technique connue de l’homme du métier. Enfin, le bloc cylindre 8 présente un fond 82 fermé opposé à la base 83. Ce fond 82 est relié au fond 23 de la chemise 2 par un organe 9 de rappel élastique.Furthermore, the cylinder block 8 comprises a body 81 which forms a side wall of the cylinder block 8 and delimits a housing in which the liner 2 is mounted. In addition, the cylinder block 8 comprises a base 83 which is configured to be fixed on the base 43 of the piston 4. Such fixing is obtained for example by means of screws or any other technique known to those skilled in the art. Finally, the cylinder block 8 has a closed bottom 82 opposite the base 83. This bottom 82 is connected to the bottom 23 of the jacket 2 by an elastic return member 9.
L’organe 9 de rappel est donc une pièce distincte de la chemise 2 ou du bloc cylindre 8. Cet organe 9 est configuré pour se déformer lors du mouvement d’admission, puis par son retour élastique, induire le mouvement de refoulement. Dans l’exemple illustré, l’organe 9 de rappel est constitué par un ressort.The return member 9 is therefore a separate part from the liner 2 or the cylinder block 8. This member 9 is configured to deform during the admission movement, then by its elastic return, induce the discharge movement. In the example illustrated, the return member 9 is constituted by a spring.
Afin de permettre une communication fluidique entre la chambre 6 de détente et l’extérieur (c’est-à-dire afin de permettre une admission du gaz dans la chambre 6 de détente ou une sortie du gaz hors de la chambre 6 de détente), le corps 81 du bloc cylindre 8 présente une paroi latérale pourvue d’au moins un port 84 d’admission et d’au moins un port 85 de refoulement. Le au moins un port 84 d’admission (respectivement le au moins un port 85 de refoulement) est configuré pour être aligné avec le au moins un orifice 21 d’admission (respectivement le au moins un orifice 22 de refoulement) de la chemise 2.In order to allow fluid communication between the expansion chamber 6 and the outside (that is to say in order to allow gas to be admitted into the expansion chamber 6 or gas to exit from the expansion chamber 6) , the body 81 of the cylinder block 8 has a side wall provided with at least one intake port 84 and at least one discharge port 85. The at least one intake port 84 (respectively the at least one discharge port 85) is configured to be aligned with the at least one intake port 21 (respectively the at least one discharge port 22) of the liner 2 .
Le au moins un orifice 21 d’admission et le au moins un orifice 22 de refoulement (respectivement le au moins un port 84 d’admission et le au moins un port de refoulement 85) sont formés l’un par rapport à l’autre avec un certain décalage angulaire et/ou avec un certain décalage longitudinal. Par « décalage angulaire », on entend un décalage autour de la direction principale du dispositif 1 de détente, suivant un pourtour de la chemise 2 (respectivement suivant un pourtour du corps 81 du bloc cylindre 8). Par « décalage longitudinal », on entend un décalage suivant la direction principale du dispositif 1 de détente.The at least one intake orifice 21 and the at least one discharge orifice 22 (respectively the at least one intake port 84 and the at least one discharge port 85) are formed relative to each other. with a certain angular offset and/or with a certain longitudinal offset. By “angular offset” is meant an offset around the main direction of the expansion device 1, along a periphery of the liner 2 (respectively along a periphery of the body 81 of the cylinder block 8). By “longitudinal offset” is meant an offset along the main direction of the expansion device 1.
Dans les exemples illustrés aux figures 1 et 2, le décalage angulaire entre le au moins un orifice 21 d’admission et le au moins un orifice 22 de refoulement (respectivement le au moins un port 84 d’admission et le au moins un port de refoulement 85) est d’environ 180°.In the examples illustrated in Figures 1 and 2, the angular offset between the at least one intake orifice 21 and the at least one discharge orifice 22 (respectively the at least one intake port 84 and the at least one discharge port discharge 85) is approximately 180°.
Le décalage longitudinal entre le au moins un orifice 21 d’admission et le au moins un orifice 22 de refoulement peut être total, ce qui veut dire qu’une certaine distance longitudinale sépare lesdits orifices 21, 22. En variante, ce décalage peut être partiel, ce qui veut dire qu’il existe un axe transversal ou radial passant par le au moins un orifice 21 d’admission et le au moins un orifice 22 de refoulement.The longitudinal offset between the at least one intake orifice 21 and the at least one discharge orifice 22 can be total, which means that a certain longitudinal distance separates said orifices 21, 22. Alternatively, this offset can be partial, which means that there is a transverse or radial axis passing through the at least one intake orifice 21 and the at least one discharge orifice 22.
Un décalage partiel entre le au moins un orifice 21 d’admission et le au moins un orifice 22 de refoulement permet un balayage du gaz sortant (à faible pression) par le gaz entrant (à haute pression). Ce balayage améliore le rendement volumétrique du dispositif 1 de détente.A partial offset between the at least one intake orifice 21 and the at least one discharge orifice 22 allows the outgoing gas (at low pressure) to be swept by the incoming gas (at high pressure). This scanning improves the volumetric efficiency of the expansion device 1.
Le décalage longitudinal entre le au moins un port 84 d’admission et le au moins un port 85 de refoulement du bloc cylindre 8 peut être plus important que celui qui existe entre le au moins un orifice 21 d’admission et le au moins un orifice 22 de refoulement de la chemise 2. Ce décalage définit la hauteur maximale (et donc le volume maximal) que peut atteindre la chambre 6 de détente.The longitudinal offset between the at least one intake port 84 and the at least one discharge port 85 of the cylinder block 8 can be greater than that which exists between the at least one intake orifice 21 and the at least one orifice 22 for delivery of the jacket 2. This offset defines the maximum height (and therefore the maximum volume) that the expansion chamber 6 can reach.
Le au moins un orifice 21 d’admission (respectivement le au moins un port 84 d’admission) forme à travers la paroi latérale 25 de la chemise 2 (respectivement à travers la paroi latérale du bloc cylindre 8) une surface d’écoulement qui peut s’étendre perpendiculairement à la direction principale du dispositif 1 de détente. Le au moins un orifice 21 d’admission (respectivement le au moins un port 84 d’admission) peut être de forme circulaire, parallélépipédique, elliptique, etc.The at least one intake orifice 21 (respectively the at least one intake port 84) forms through the side wall 25 of the liner 2 (respectively through the side wall of the cylinder block 8) a flow surface which can extend perpendicular to the main direction of the relaxation device 1. The at least one intake orifice 21 (respectively the at least one intake port 84) can be of circular, parallelepiped, elliptical shape, etc.
Le au moins un orifice 22 de refoulement (respectivement le au moins un port 85 de refoulement) forme à travers la paroi latérale 25 de la chemise 2 (respectivement à travers la paroi latérale du bloc cylindre 8) une surface d’écoulement qui peut comprendre au moins une portion disposée en biais par rapport à la direction principale du dispositif 1 de détente. La portion en biais permet de prévenir ou minimiser une sortie du gaz pendant le mouvement de détente, et de favoriser cette sortie uniquement lors du mouvement de refoulement.The at least one discharge orifice 22 (respectively the at least one discharge port 85) forms through the side wall 25 of the liner 2 (respectively through the side wall of the cylinder block 8) a flow surface which may include at least one portion arranged at an angle relative to the main direction of the relaxation device 1. The slanted portion makes it possible to prevent or minimize gas exit during the expansion movement, and to promote this exit only during the delivery movement.
En particulier, l’orifice 22 de refoulement (respectivement le port 85 de refoulement) peut former à travers la paroi latérale 25 de la chemise 2 (respectivement à travers la paroi latérale du corps 81 du bloc cylindre 8) une surface d’écoulement qui comporte une portion perpendiculaire et une portion en biais par rapport à la direction principale du dispositif 1 de détente. La portion perpendiculaire peut être tournée vers le fond 42 du piston 4. La portion en biais peut être tournée vers le fond 23 de la chemise 2. La portion en biais peut s’étendre en demi-cercle sur une portion du pourtour de la chemise 2 (respectivement sur une portion du pourtour du bloc cylindre 8), conférant à l’orifice 22 de refoulement (respectivement au port 85 de refoulement) une forme de demi-disque.In particular, the discharge orifice 22 (respectively the discharge port 85) can form through the side wall 25 of the liner 2 (respectively through the side wall of the body 81 of the cylinder block 8) a flow surface which comprises a perpendicular portion and a portion at an angle relative to the main direction of the relaxation device 1. The perpendicular portion can be turned towards the bottom 42 of the piston 4. The slanted portion can be turned towards the bottom 23 of the liner 2. The slanted portion can extend in a semi-circle over a portion of the periphery of the liner 2 (respectively on a portion of the periphery of the cylinder block 8), giving the discharge orifice 22 (respectively the discharge port 85) a half-disc shape.
Il est à noter qu’après assemblage du dispositif 1 détente, la paroi latérale 25 de la chemise 2 est positionnée entre la tige 41 du piston 4 et le corps 81 du bloc cylindre 8. La tige 41 du piston 4 et le corps 81 du bloc cylindre 8 forment de la sorte un moyen de guidage de la chemise 2 lors du mouvement de détente et/ou lors du mouvement de refoulement.It should be noted that after assembly of the expansion device 1, the side wall 25 of the liner 2 is positioned between the rod 41 of the piston 4 and the body 81 of the cylinder block 8. The rod 41 of the piston 4 and the body 81 of the cylinder block 8 thus form a means of guiding the liner 2 during the expansion movement and/or during the discharge movement.
De façon avantageuse, le bloc cylindre 8 peut comporter au moins un premier collecteur (non illustré) d’admission du gaz dans la chambre de détente 6. Le au moins un premier collecteur est relié à une source de gaz et débouche sur le au moins un premier port 84 d’admission. De même, le bloc cylindre 8 peut comporter au moins un deuxième collecteur (non illustré) de refoulement du gaz hors de la chambre 6 de détente. Le au moins un deuxième collecteur relie le au moins un port 85 de refoulement au milieu extérieur, par exemple, à une boucle de refroidissement ou un réservoir de stockage externe au dispositif 1 de détente.Advantageously, the cylinder block 8 may comprise at least one first manifold (not illustrated) for admitting gas into the expansion chamber 6. The at least one first manifold is connected to a gas source and opens onto the at least a first intake port 84. Likewise, the cylinder block 8 may include at least a second collector (not illustrated) for discharging the gas out of the expansion chamber 6. The at least one second collector connects the at least one discharge port 85 to the external environment, for example, to a cooling loop or a storage tank external to the expansion device 1.
Afin de prévenir toute sortie de gaz autrement que par le au moins un port 85 de refoulement, le dispositif 1 de détente peut être équipé d’au moins un joint d’étanchéité. Le au moins un joint d’étanchéité est fixé de sorte à être positionné, lors du mouvement de détente ou de refoulement, à l’interface entre la chemise 2 et le bloc cylindre 8. Ainsi, le au moins un joint d’étanchéité peut être fixé soit sur une face interne de la paroi latérale du bloc cylindre 8 soit sur une face externe de la paroi latérale 25 de la chemise 2.In order to prevent any escape of gas other than through at least one discharge port 85, the expansion device 1 can be equipped with at least one seal. The at least one seal is fixed so as to be positioned, during the expansion or discharge movement, at the interface between the liner 2 and the cylinder block 8. Thus, the at least one seal can be fixed either on an internal face of the side wall of the cylinder block 8 or on an external face of the side wall 25 of the liner 2.
En d’autres termes, le au moins un joint d’étanchéité peut être mobile avec la chemise 2 ou fixe sur le bloc cylindre 8. Dans le cas particulier où le au moins un joint d’étanchéité est fixe sur le bloc cylindre 8, il peut être positionné de façon avantageuse dans l’intervalle prévu entre le au moins un port 84 d’admission et le au moins un port 85 de refoulement.In other words, the at least one seal can be movable with the liner 2 or fixed on the cylinder block 8. In the particular case where the at least one seal is fixed on the cylinder block 8, it can be positioned advantageously in the interval provided between the at least one intake port 84 and the at least one discharge port 85.
De façon avantageuse, le bloc cylindre 8, la chemise 2 et/ou le piston 4 sont réalisés à partir d’un matériau choisi par exemple parmi les suivants: l’acier, l’aluminium, le laiton, le bronze. Le au moins un joint d’étanchéité peut être réalisé en PTFE chargé en bronze carbone. En outre, afin de limiter les frottements à leurs interfaces et prévenir leur usure, le bloc cylindre 8, la chemise 2 et/ou le piston 4 peuvent être enduits d’un revêtement pouvant être par exemple en polymère de type PTFE ou PEEK ou en graphite.Advantageously, the cylinder block 8, the liner 2 and/or the piston 4 are made from a material chosen for example from the following: steel, aluminum, brass, bronze. The at least one seal can be made of PTFE loaded with carbon bronze. In addition, in order to limit friction at their interfaces and prevent their wear, the cylinder block 8, the liner 2 and/or the piston 4 can be coated with a coating which can be for example in polymer of the PTFE or PEEK type or in graphite.
Dans un autre mode de réalisation illustré à la
Par ailleurs, dans ce mode de réalisation, le bloc cylindre 8 comprend un corps 81 qui est pourvu d’un premier ensemble de ports latéraux 84a, 85a et d’un deuxième ensemble de ports latéraux 84b, 85b. En outre, le bloc cylindre 8 comprend deux bases opposées 83a, 83b formées aux extrémités du corps 81.Furthermore, in this embodiment, the cylinder block 8 comprises a body 81 which is provided with a first set of side ports 84a, 85a and a second set of side ports 84b, 85b. In addition, the cylinder block 8 comprises two opposite bases 83a, 83b formed at the ends of the body 81.
Le premier ensemble de ports latéraux 84a, 85a comprend un premier port 84a d’admission et un premier port 85a de refoulement destinés à coopérer respectivement avec l’orifice 21a d’admission et l’orifice 22a de refoulement du premier manchon 2A. Le deuxième ensemble de ports latéraux 84b, 85b comprend un deuxième port 84b d’admission et un deuxième port 85b de refoulement destinés à coopérer respectivement avec l’orifice 21b d’admission et l’orifice 22b de refoulement du deuxième manchon 2B.The first set of lateral ports 84a, 85a comprises a first intake port 84a and a first discharge port 85a intended to cooperate respectively with the intake orifice 21a and the discharge orifice 22a of the first sleeve 2A. The second set of lateral ports 84b, 85b comprises a second intake port 84b and a second discharge port 85b intended to cooperate respectively with the intake orifice 21b and the discharge orifice 22b of the second sleeve 2B.
Enfin, dans ce mode de réalisation, le piston 4 comprend deux parties distinctes 4A, 4B. Ces parties 4A, 4B forment avec les manchons 2A, 2B de la chemise 2 respectivement un premier compartiment 6A et un deuxième compartiment 6B de la chambre 6 de détente. En outre, ces parties 4A, 4B comprennent chacune une tige 41a, 41b et une base 43a, 43b.Finally, in this embodiment, the piston 4 comprises two distinct parts 4A, 4B. These parts 4A, 4B form with the sleeves 2A, 2B of the jacket 2 respectively a first compartment 6A and a second compartment 6B of the expansion chamber 6. In addition, these parts 4A, 4B each include a rod 41a, 41b and a base 43a, 43b.
Il est à noter que les tiges 41a, 41b respectives des parties 4A, 4B sont logées chacune au moins en partie dans un manchon 2A, 2B. Les bases 43a, 43b respectives des parties 4A, 4B sont fixées chacune à une base 83a, 83b du bloc cylindre 8. Ainsi, les parties distinctes 4A, 4B du piston 4 s’étendent symétriquement de part et d’autre d’un plan transversal médian du bloc cylindre 8.It should be noted that the respective rods 41a, 41b of the parts 4A, 4B are each housed at least partly in a sleeve 2A, 2B. The respective bases 43a, 43b of the parts 4A, 4B are each fixed to a base 83a, 83b of the cylinder block 8. Thus, the distinct parts 4A, 4B of the piston 4 extend symmetrically on either side of a plane median transverse of the cylinder block 8.
Dans l’exemple illustré à la
En variante illustrée à la
Dans ce deuxième mode de réalisation, le mouvement de refoulement de l’un des manchons 2A, 2B de la chemise 2 est induit par le mouvement de détente du manchon opposé 2B, 2A. En d’autres termes, le dispositif 1 selon le deuxième mode de réalisation comprend un système de rappel qui, pour chacun des manchons 2A, 2B de la chemise 2, met en œuvre le manchon opposé 2B, 2A et le mouvement de détente dudit manchon opposé 2B, 2A.In this second embodiment, the discharge movement of one of the sleeves 2A, 2B of the liner 2 is induced by the relaxation movement of the opposite sleeve 2B, 2A. In other words, the device 1 according to the second embodiment comprises a return system which, for each of the sleeves 2A, 2B of the shirt 2, implements the opposite sleeve 2B, 2A and the relaxation movement of said sleeve opposite 2B, 2A.
Il est à noter que les caractéristiques géométriques des ports de refoulement, telles que décrites ci-dessus en relation avec le deuxième mode de réalisation, peuvent être transposées au dispositif de détente selon le premier mode de réalisation.It should be noted that the geometric characteristics of the discharge ports, as described above in relation to the second embodiment, can be transposed to the expansion device according to the first embodiment.
Dans les deux modes de réalisation décrits ci-dessus, le mouvement de détente (respectivement le mouvement de refoulement) est une translation de la chemise 2 par rapport au sous-ensemble formé par le bloc cylindre 8 et le piston 4. En d’autres termes, la chemise 2 effectuent deux translations suivant la direction principale du dispositif 1 de détente : une première translation selon un premier sens (pour le mouvement de détente) et une seconde translation selon un deuxième sens opposé (pour le mouvement de refoulement).In the two embodiments described above, the expansion movement (respectively the delivery movement) is a translation of the liner 2 relative to the subassembly formed by the cylinder block 8 and the piston 4. In others In terms, the jacket 2 performs two translations in the main direction of the expansion device 1: a first translation in a first direction (for the expansion movement) and a second translation in a second opposite direction (for the discharge movement).
Ce double mouvement de la chemise 2 correspond à un cycle de détente illustré à la
Sur la
Dans une première phase intermédiaire de la chemise 2 (Positions n°1 et 1a), l’orifice 21a d’admission et l’orifice 22a de refoulement sont obstrués par le bloc cylindre 8. Le compartiment 6A de la chambre 6 de détente voit son volume augmenter et sa pression diminuer. Cette augmentation de volume et cette diminution de pression correspondent à une phase de détente représentée par le tronçon 1 - 2 du cycle de détente de la
En position basse (Position n°2) de la chemise 2, l’orifice 22a de refoulement et le port 85a de refoulement sont alignés pour permettre une sortie d’au moins une partie du gaz hors du compartiment 6A de la chambre 6 de détente. L’orifice 21a d’admission est obstrué par le bloc cylindre 8. Cette position basse de la chemise 2 correspond à un volume maximal du compartiment 6A de la chambre 6 de détente. A volume constant, le compartiment 6A de la chambre 6 de détente voit sa pression diminuer. Cette chute de pression est représentée par le tronçon 2 - 3 sur le cycle de détente de la
Enfin, dans une deuxième phase intermédiaire (positions n°3 et 3a) de la chemise 2, l’orifice 21a d’admission et l’orifice 22a de refoulement restent obstrués par le bloc cylindre 8. Le compartiment 6A de la chambre 6 de détente voit son volume diminuer et sa pression augmenter. Cette phase de diminution de volume et d’augmentation de pression est représentée par le tronçon 3 - 4 du cycle de détente de la
La description ci-dessus reste valable pour le compartiment 6B de la chambre 6 de détente. L’admission de gaz dans le compartiment 6A coïncide avec une sortie de gaz hors du compartiment 6B et vice versa. Par ailleurs, cette description reste valable pour un dispositif de détente selon le premier mode de réalisation.The above description remains valid for compartment 6B of relaxation chamber 6. The admission of gas into compartment 6A coincides with an exit of gas out of compartment 6B and vice versa. Furthermore, this description remains valid for a relaxation device according to the first embodiment.
Dans les deux modes de réalisation décrits ci-dessus, le gaz est refoulé hors de la chambre 6 de détente dans un laps de temps relativement court correspondant à un alignement entre le au moins un orifice 21 de refoulement et le au moins un port 84 de refoulement. En dehors de cette configuration d’alignement entre le au moins un orifice 21 de refoulement et le au moins un port 84 de refoulement, la sortie du gaz hors de la chambre 6 de détente n’est pas possible. Ainsi, comme vu précédemment, le mouvement de refoulement entraine une compression du gaz dans la chambre 6 de détente; et à l’issue de ce mouvement de refoulement, il subsiste dans la chambre 6 de détente une certaine quantité de gaz, préjudiciable au rendement volumétrique du dispositif 1 de détente.In the two embodiments described above, the gas is discharged out of the expansion chamber 6 in a relatively short period of time corresponding to an alignment between the at least one discharge orifice 21 and the at least one port 84 of repression. Apart from this alignment configuration between the at least one discharge orifice 21 and the at least one discharge port 84, the exit of the gas out of the expansion chamber 6 is not possible. Thus, as seen previously, the discharge movement causes compression of the gas in the expansion chamber 6; and at the end of this discharge movement, a certain quantity of gas remains in the expansion chamber 6, detrimental to the volumetric efficiency of the expansion device 1.
Ainsi, selon un troisième mode de réalisation illustré aux figures 7 à 9, le dispositif 1 de détente est configuré pour maximiser le flux de gaz refoulé hors de la chambre 6 de détente avant un nouveau cycle de détente.Thus, according to a third embodiment illustrated in Figures 7 to 9, the expansion device 1 is configured to maximize the flow of gas delivered out of the expansion chamber 6 before a new expansion cycle.
Pour ce faire, comme mieux illustré aux figures 7 et 9, le au moins un port 85a de refoulement présente des dimensions plus importantes par comparaison avec le au moins un orifice 22a de refoulement. De plus, le mouvement de détente (respectivement le mouvement de refoulement) est un mouvement mixte combinant une translation et une rotation de la chemise 2 par rapport au sous-ensemble formé par le bloc cylindre 8 et le piston 4. De la sorte, tout au long du mouvement de refoulement, le au moins un orifice 22a de refoulement reste dans le champ du port 85a de refoulement. Ceci permet d’évacuer le maximum de gaz hors de la chambre 6 de détente et de maintenir au plus bas la pression dans cette chambre 6 avant un nouveau cycle de détente.To do this, as better illustrated in Figures 7 and 9, the at least one discharge port 85a has larger dimensions compared to the at least one discharge orifice 22a. In addition, the expansion movement (respectively the delivery movement) is a mixed movement combining a translation and a rotation of the liner 2 relative to the subassembly formed by the cylinder block 8 and the piston 4. In this way, all throughout the discharge movement, the at least one discharge orifice 22a remains in the field of the discharge port 85a. This makes it possible to evacuate as much gas as possible from the expansion chamber 6 and to keep the pressure in this chamber 6 as low as possible before a new expansion cycle.
Pour assurer le mouvement de translation/rotation combinées de la chemise 2 par rapport au sous-ensemble formé par le bloc cylindre 8 et le piston 4, le dispositif 1 de détente selon ce troisième mode de réalisation comporte, en référence à la
De façon avantageuse, l’un entre le premier organe de guidage et le deuxième organe de guidage comprend au moins une rainure 26a, 26b tandis que l’autre entre le premier organe de guidage et le deuxième organe de guidage comprend au moins un ergot 86a, 86b. Le au moins un ergot 86a, 86b est configuré pour s’engager dans la au moins une rainure 26a, 26b.Advantageously, one between the first guide member and the second guide member comprises at least one groove 26a, 26b while the other between the first guide member and the second guide member comprises at least one lug 86a , 86b. The at least one lug 86a, 86b is configured to engage in the at least one groove 26a, 26b.
Selon l’invention, la au moins une rainure 26a, 26b se présente sous la forme d’un cycle d’hystérésis comprenant deux branches qui s’étendent suivant la direction principale du dispositif 1 de détente. Chaque branche comprend une première portion sensiblement rectiligne et disposée parallèlement à la direction principale du dispositif 1 de détente, et une deuxième portion sensiblement incurvée et disposée de manière inclinée par rapport à la direction principale du dispositif 1 de détente. La première portion guide uniquement le mouvement de translation de la chemise 2. La deuxième portion guide à la fois le mouvement de rotation et le mouvement de translation de la chemise 2.According to the invention, the at least one groove 26a, 26b is in the form of a hysteresis cycle comprising two branches which extend in the main direction of the relaxation device 1. Each branch comprises a first portion which is substantially rectilinear and arranged parallel to the main direction of the relaxation device 1, and a second portion which is substantially curved and arranged in an inclined manner relative to the main direction of the relaxation device 1. The first portion only guides the translation movement of the shirt 2. The second portion guides both the rotational movement and the translation movement of the shirt 2.
Les branches de la au moins une rainure 26a, 26b sont disposées en sens opposés l’une par rapport à l’autre tel que la portion rectiligne de l’une des branches est reliée à la portion incurvée de l’autre des branches, et vice versa. L’une des branches de la au moins une rainure 26a, 26b coopère avec le au moins un ergot 86a, 86b afin de guider le mouvement de détente. L’autre des branches de la au moins une rainure 26a, 26b coopère avec le au moins un ergot 86a, 86b afin de guider le mouvement de refoulement.The branches of the at least one groove 26a, 26b are arranged in opposite directions relative to each other such that the rectilinear portion of one of the branches is connected to the curved portion of the other of the branches, and vice versa. One of the branches of the at least one groove 26a, 26b cooperates with the at least one lug 86a, 86b in order to guide the relaxation movement. The other of the branches of the at least one groove 26a, 26b cooperates with the at least one lug 86a, 86b in order to guide the discharge movement.
La au moins une rainure 26a, 26b peut être vue comme un losange qui s’étend longitudinalement sur la paroi latérale 25 de la chemise 2 ou la paroi latérale de l’un parmi le piston 4 et le corps 81 du bloc cylindre 8. La distance séparant les sommets longitudinaux de ce losange correspond sensiblement à la course linéaire de la chemise 2 lors du mouvement de détente ou de refoulement. La distance angulaire séparant les deux autres sommets opposés de ce losange correspond sensiblement à la fraction de tour qu’effectue la chemise 2 lors du mouvement de détente ou de refoulement.The at least one groove 26a, 26b can be seen as a diamond which extends longitudinally on the side wall 25 of the liner 2 or the side wall of one of the piston 4 and the body 81 of the cylinder block 8. The distance separating the longitudinal vertices of this diamond corresponds substantially to the linear stroke of the jacket 2 during the relaxation or discharge movement. The angular distance separating the two other opposite vertices of this diamond corresponds substantially to the fraction of a turn that the jacket 2 makes during the relaxation or repression movement.
Dans l’exemple illustré à la
Le deuxième organe 86 de guidage comprend deux ergots 86a, 86b formés au niveau du corps 81 dubloc cylindre 8. En particulier, ces ergots 86a, 86b sont formés de part et d’autre d’un plan horizontal médian du corps 81 du bloc cylindre 8. De plus, ces ergots 86a, 86b sont disposés de manière diamétralement opposée sur le corps 81 du bloc cylindre 8, de part et d’autre de la direction principale du dispositif 1 de détente. De la sorte, les ergots 86a, 86b peuvent coopérer chacun avec une rainure 26a, 26b de la chemise 2.The second guide member 86 comprises two lugs 86a, 86b formed at the level of the body 81 of the cylinder block 8. In particular, these lugs 86a, 86b are formed on either side of a median horizontal plane of the body 81 of the cylinder block 8. In addition, these lugs 86a, 86b are arranged diametrically opposite on the body 81 of the cylinder block 8, on either side of the main direction of the expansion device 1. In this way, the lugs 86a, 86b can each cooperate with a groove 26a, 26b of the jacket 2.
Comme pour les modes de réalisation précédents, le dispositif selon ce troisième mode de réalisation peut être équipé de joints d’étanchéité. La
Le troisième mode de réalisation décrit ci-dessus est illustré en relation avec une chemise 2 comportant deux manchons 2A, 2B pourvus chacun d’une rainure 26a, 26b formée sur la face externe de la paroi latérale 25 de la chemise 2, et un bloc cylindre 8 comportant deux ergots 86a, 86b formés sur la face interne de la paroi latérale 81 du bloc cylindre 8.The third embodiment described above is illustrated in relation to a jacket 2 comprising two sleeves 2A, 2B each provided with a groove 26a, 26b formed on the external face of the side wall 25 of the jacket 2, and a block cylinder 8 comprising two lugs 86a, 86b formed on the internal face of the side wall 81 of the cylinder block 8.
Selon une première variante, les rainures 26a, 26b peuvent être formées sur la face interne de la paroi latérale 25 de la chemise 2. Les ergots sont alors formés respectivement sur les parties distinctes 4A, 4B du piston 4. Plus spécifiquement, selon cette première variante, les ergots sont formés sur les tiges 41a, 41b respectives des parties distinctes 4A, 4B.According to a first variant, the grooves 26a, 26b can be formed on the internal face of the side wall 25 of the liner 2. The lugs are then formed respectively on the distinct parts 4A, 4B of the piston 4. More specifically, according to this first alternatively, the lugs are formed on the respective rods 41a, 41b of the distinct parts 4A, 4B.
Selon une deuxième variante, la chemise 2 peut comporter un seul manchon. Dans ce cas, l’un des organes de guidage comporte une seule rainure 26a, 26b qui peut être formée par exemple sur la face interne ou externe de la paroi latérale 25 de la chemise 2. L’autre des organes de guidage comporte un seul ergot 86 qui peut être formé, selon le cas, soit sur la face interne du bloc cylindre 8 soit sur la tige 41 du piston 4.According to a second variant, the shirt 2 can include a single sleeve. In this case, one of the guide members comprises a single groove 26a, 26b which can be formed for example on the internal or external face of the side wall 25 of the jacket 2. The other of the guide members comprises a single lug 86 which can be formed, depending on the case, either on the internal face of the cylinder block 8 or on the rod 41 of the piston 4.
La
Le cycle de détente illustré à la
En particulier, une position basse (position n°2) et une position haute (position n°4) de la chemise 2 sont respectivement obtenues à la suite d’un mouvement combinant une translation et une rotation de la chemise 2 par rapport au sous-ensemble formé par le bloc cylindre 8 et le piston 4. Dans une position intermédiaire (position n°3), l’orifice 22a de refoulement de la chemise 2 reste dans le champ du port 85a de refoulement pendant un temps relativement long. Ceci est rendu possible grâce, d’une part, aux dimensions relativement importantes du port 84a de refoulement par à celles de l’orifice 22a de refoulement; et d’autre part, grâce à la rainure en forme d’hystérésis. Le maintien de l’orifice 22a de refoulement dans le champ du port 85a de refoulement permet ainsi un flux continu du gaz hors de la chambre 6 de détente tout au long du mouvement de refoulement.In particular, a low position (position no. 2) and a high position (position no. 4) of the shirt 2 are respectively obtained following a movement combining a translation and a rotation of the shirt 2 relative to the underside. -assembly formed by the cylinder block 8 and the piston 4. In an intermediate position (position no. 3), the discharge orifice 22a of the liner 2 remains in the field of the discharge port 85a for a relatively long time. This is made possible thanks, on the one hand, to the relatively large dimensions of the discharge port 84a and those of the discharge orifice 22a; and on the other hand, thanks to the hysteresis-shaped groove. Maintaining the discharge orifice 22a in the field of the discharge port 85a thus allows a continuous flow of gas out of the expansion chamber 6 throughout the discharge movement.
Dans chacun des modes de réalisation décrits ci-dessus, le mouvement de la chemise 2 par rapport au sous-ensemble formé par le bloc cylindre 8 et le piston 4 induit un travail qui peut être extrait en couplant le dispositif 1 de détente, par exemple, à un frein pneumatique ou hydraulique, une pompe ou un compresseur linéaire. Ces éléments peuvent être couplés au dispositif 1 de détente de manière déportée afin de limiter les pertes en frigories au niveau du dispositif 1 de détente. Toutefois, dans le cas d’une pompe ou d’un compresseur, un tel mode de couplage n’est pas nécessaire si la température du fluide pompé ou compressé est comparable à celle du gaz sortant de la chambre de détente.In each of the embodiments described above, the movement of the liner 2 relative to the subassembly formed by the cylinder block 8 and the piston 4 induces work which can be extracted by coupling the expansion device 1, for example , to a pneumatic or hydraulic brake, a pump or a linear compressor. These elements can be coupled to the expansion device 1 in a remote manner in order to limit the losses of frigories at the level of the expansion device 1. However, in the case of a pump or a compressor, such a coupling mode is not necessary if the temperature of the pumped or compressed fluid is comparable to that of the gas leaving the expansion chamber.
Le travail induit par le mouvement de la chemise 2 par rapport au sous-ensemble formé par le bloc cylindre 8 et le piston 4 peut également être extrait sous forme d’énergie électrique. Le dispositif 1 de détente peut alors prendre la forme d’une machine électrique à aimants permanents, ou un ensemble électromagnétique destiné à dissiper l’énergie par courants de Foucault ou encore une machine à réluctance. En d’autres termes, les parties relativement mobiles portent des organes magnétiques respectifs qui coopèrent pour générer un courant lors des mouvements relatifs. Ces différentes machines électriques sont illustrées aux figures 12 à 14 relatives à un dispositif de détente selon le deuxième mode de réalisation, et sont décrites ci-après en référence à un seul compartiment (ici le compartiment 6A) de la chambre 6 de détente.The work induced by the movement of the liner 2 relative to the subassembly formed by the cylinder block 8 and the piston 4 can also be extracted in the form of electrical energy. The relaxation device 1 can then take the form of an electric machine with permanent magnets, or an electromagnetic assembly intended to dissipate energy by eddy currents or even a reluctance machine. In other words, the relatively mobile parts carry respective magnetic members which cooperate to generate a current during relative movements. These different electrical machines are illustrated in Figures 12 to 14 relating to an expansion device according to the second embodiment, and are described below with reference to a single compartment (here compartment 6A) of the expansion chamber 6.
Dans sa configuration de machine électrique telle qu’illustrée à la
Dans sa configuration d’ensemble électromagnétique destiné à dissiper l’énergie par courants de Foucault (voir
En variante non illustrée, le piston 4A peut être réalisé en aluminium tandis que la chemise 2 comporte des aimants permanents. Suivant cette variante, les courants de Foucault se développent au niveau du piston 4A. Pour limiter et/ou prévenir un échauffement du gaz contenu dans le compartiment 6A de la chambre 6 de détente, le piston 4A comprend des canaux calo-transporteurs alimentés par une source externe de froid. La tige 41a du piston 4A peut également être prolongée longitudinalement de sorte à former une portion de dissipation éloignée du gaz contenu dans le compartiment 6A de la chambre 6 de détente. Une telle portion de dissipation peut être séparée du reste de la tige 41a par des matériaux isolants et/ou être refroidie par une source de froid.As a variant not illustrated, the piston 4A can be made of aluminum while the liner 2 includes permanent magnets. According to this variant, the eddy currents develop at the level of piston 4A. To limit and/or prevent heating of the gas contained in compartment 6A of expansion chamber 6, piston 4A includes heat-transport channels supplied by an external cold source. The rod 41a of the piston 4A can also be extended longitudinally so as to form a dissipation portion remote from the gas contained in the compartment 6A of the expansion chamber 6. Such a dissipation portion can be separated from the rest of the rod 41a by insulating materials and/or be cooled by a cold source.
Enfin, dans sa configuration de machine à réluctance variable telle qu’illustrée à la
La description ci-dessus reste valable pour le compartiment 6B de la chambre 6 de détente. L’admission de gaz dans le compartiment 6A coïncide avec une sortie de gaz hors du compartiment 6B, et vice versa. Par ailleurs, cette description reste valable pour un dispositif de détente selon le premier mode de réalisation.The above description remains valid for compartment 6B of relaxation chamber 6. The admission of gas into compartment 6A coincides with an exit of gas out of compartment 6B, and vice versa. Furthermore, this description remains valid for a relaxation device according to the first embodiment.
Claims (18)
Caractérisé en ce quele dispositif (1) comprend un bloc cylindre (8) disposé autour de la chemise (2) et formant avec le piston (4) un sous-ensemble fixe par rapport auquel la chemise (2) est mobile selon le premier mouvement et/ou le deuxième mouvement, le bloc cylindre (8) comprenant :
- au moins un premier port latéral (84) configuré pour s’aligner avec le au moins un premier orifice latéral (21) de la chemise (2), de sorte à former un passage latéral d’admission du gaz dans la chambre (6) de détente, et
- au moins un deuxième port latéral (85) configuré pour s’aligner avec le au moins un deuxième orifice latéral (22) de la chemise (2), de sorte à former un passage latéral de refoulement de tout ou partie du gaz hors de la chambre (6) de détente.Device (1) for expanding a gas, in particular for its liquefaction, comprising a jacket (2) and a piston (4) arranged at least partly inside the jacket (2), the jacket (2) and the piston (4) forming a chamber (6) of variable volume configured to receive a flow of gas through at least one first lateral orifice (21) of the jacket (2), and to discharge all or part of said flow through at least a second lateral orifice (22) of the liner (2), the piston (4) and the liner (2) being arranged relatively movable so as to present with respect to each other a first relative movement corresponding to an admission gas in the expansion chamber (6), and a second relative movement in the opposite direction corresponding to a discharge of the gas out of the expansion chamber (6),
Characterized in that the device (1) comprises a cylinder block (8) arranged around the liner (2) and forming with the piston (4) a fixed subassembly relative to which the liner (2) is movable according to the first movement and/or the second movement, the cylinder block (8) comprising:
- at least one first lateral port (84) configured to align with the at least one first lateral orifice (21) of the liner (2), so as to form a lateral gas admission passage into the chamber (6 ) relaxation, and
- at least one second lateral port (85) configured to align with the at least one second lateral orifice (22) of the jacket (2), so as to form a lateral passage for discharging all or part of the gas out of the relaxation chamber (6).
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR2211790A FR3141984A1 (en) | 2022-11-14 | 2022-11-14 | Device for expanding a gas, particularly for its liquefaction |
Applications Claiming Priority (2)
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|---|---|---|---|
| FR2211790 | 2022-11-14 | ||
| FR2211790A FR3141984A1 (en) | 2022-11-14 | 2022-11-14 | Device for expanding a gas, particularly for its liquefaction |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| FR3141984A1 true FR3141984A1 (en) | 2024-05-17 |
Family
ID=85018944
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| FR2211790A Pending FR3141984A1 (en) | 2022-11-14 | 2022-11-14 | Device for expanding a gas, particularly for its liquefaction |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| FR (1) | FR3141984A1 (en) |
Citations (4)
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| DE2503514A1 (en) * | 1975-01-29 | 1976-08-05 | Walter Ribic | Double pistoned two stroke IC engine - pistons run counter with combustion mixture passing from outer to inner piston |
-
2022
- 2022-11-14 FR FR2211790A patent/FR3141984A1/en active Pending
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